О Шкодзінський - Дослідження експериментальних характеристик п'єзотрансформатора струму - страница 1

Страницы:
1  2 

Шкодзінський О., Белякова І., Пісьціо В., Медвідь В. Дослідження експериментальних характеристик п'єзотрансформатора струму // Вісник ТДТУ. - 2008. - Том 13. - №4. - ст.. 132-137. -(приладобудування та інформаційно-вимірювальні системи).

УДК 623.407

О. Шкодзінський, канд. техн. наук; І. Белякова; В. Пісьціо; В. Медвідь, канд. техн. наук

Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя

ДОСЛІДЖЕННЯ ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИХ ХАРАКТЕРИСТИК П'ЄЗОТРАНСФОРМАТОРА СТРУМУ

У статі досліджуються експериментальні характеристики п 'єзотрансформатора струму, навантаженого на активний опір та люмінесцентну лампу. Наведено найбільш важливі залежності, що характеризують параметри п 'єзотрансформатора, від температури середовища, вхідної напруги, частоти вхідної напруги, величини та характеру опору навантаження, коефіцієнта трансформації п'єзотрансформатора в режимі холостого ходу та інших факторів, від яких суттєво залежать параметри п 'єзотрансформатора. Запропоновано апроксимацію отриманих залежностей поліномами 3...5 ступеня з метою створення математичної моделі комплекта п'єзотрансформатор -люмінесцентна лампа.

О. Shkodzinskyy, I. Belyakova, V. Piscio, V. Medvid

THE RESEARCH EXPERIMENTAL CHARACTERISTICS OF CURRENT PIEZOTRANSFORMER

The article explores the characteristics of experimental piezoelectric transformer, loaded on the active resistance or fluorescent lamps. The authors were given the most important dependence that characterize the parameters of piezoelectric transformer, including the parameters depending on the temperature environment, input voltage, frequency input voltage, the load and other factors, depend on the parameters of piezoelectric transformer. The authors proposed pilot dependencies polynomial approximation of the third - the fifth degree in order to create a mathematical model of the complex piezoelectric transformer - fluorescent lamp.

При побудові нової радіотехнічної апаратури виникає проблема зменшення вартості за рахунок зменшення матеріаломісткості її елементів. Це може бути досягнуто за допомогою використання п'єзоелектричних приладів, в першу чергу, п'єзотрансформаторів. Такі елементи мають компактну і монолітну конструкцію та характеризуються високою надійністю. Для їх виробництва не потрібно унікального обладнання. На основі єдиного технологічного процесу можна забезпечити випуск великих партій п'єзоелементів з різними електричними параметрами.

Рисунок 1 - Схема вимірювання характеристик ПТ

Метою дослідження є визначення основних характеристик п'єзотрансформатора струму (ПТ) від зовнішніх впливів, таки як опір навантаження, вхідна напруга, частота вхідної напруги, температура середовища та характер навантаження, для створення моделі комплекта ПТ-ЛЛ (люмінесцентна лампа).

Аналіз поданих в [1,2] характеристик ПТ показує, що при дії одного з сильних впливів (вхідного струму) в ПТ має місце дрейф його АЧХ: з різким збільшенням навантаження (режим, близький до короткого замикання) АЧХ ПТ зсувається вліво по частоті fj,, що зменшує резонансну частоту ПТ приблизно на 5...8% від номінального значення fx, [3] та зменшеує ивих max на резонансній частоті в 20...50 разів в порівнянні з напругою U вих max на частоті fx,.

При цьому АЧХ ПТ характеризуються при різних струмах навантаження єлектромеханічною добротністю С)ем, що зменшується із зростанням Ін, а АЧХ з вузькорезонансних стають більш широкополосними. Зміна <Зем відбувається в декілька разів (4...5) при зміні струму в межах зміни навантаження від режиму короткого замикання до режиму холостого ходу.

Зміна амплітуди ивх для ПТ також викликає деяку зміну f,: із збільшенням фактора Авх, що обчислюється за формулою: Авх = ивх/а, (де а- товщина ПТ) резонансна частота ПТ також дещо зменшується.

Значення допустимих впливів на ПТ визначаються допустимими значеннями напруженості з перегрівання та руйнування ПТ, які залежать від Ін, а також від міцності матеріалу ПТ на стиснення та розтяг. Руйнування ПТ є його характерною особливістю, яка обумовлена виникненням в тілі напружень та деформацій значної для кераміки амплітуди. Крім того, цей процес супроводжується сильним нагріванням ПТ [4,5].

При значних величинах Авх з'являються нелінійні ефекти. Нелінійність параметрів ПТ є наслідком виходу з лінійної області залежності між тензором напружень, деформацій та векторами діелектричного зміщення і напруженістю електричного поля в матеріалі. Це проявляється, наприклад, в появі вищих гармонік в кривій струму.

Таким чином, параметри ПТ є незмінними лише в слабих електричних полях при незначних навантаженнях.

Для дослідження параметрів ПТ використовувалась схема вимірювань, що показана на рис.1.

До складу схеми входять: Ч3-52 - частотомір електронний, ВЗ-48-мілівольтметр, Г3-56/1 - генератор сигналів низькочастотний, RIGOL DS-1022C -осцилограф запам'ятовуючий двопроменевий.

Електричні експериментальні характеристики ПТ визначались за наступною методикою:

1. Навантажувальна характеристика ПТ ивих = ДІн) при ивх = const визначалась вимірюванням напруги на навантаженні ПТ при зміні опору навантаження в якості якого використовувався магазин опорів МСР-60.

2. Частота вхідної напруги при зміні навантаження підтримувалась вручну рівною частотою механічного резонансу ПТ по максимуму напруги на навантаженні. Вхідна напруга ПТ підтримувалось постійною. Величина Ін визначалась розрахунковим шляхом як ивихЛ^.н.

3. Залежність Рвих = ДІн) при ивх = const отримана розрахунковим шляхом за визначеними експериментально значеннями ивих та Rjj при ивх = const.

Визначались характеристики п'єзотрансформатора струму з ЦТС-35 поперечно-поперечного типу, який працює на 2-й моді поперечних коливань з частотою 72 кГц, з наступними характеристиками: довжина ПТ l = 105 мм, ширина b = 50 мм, товщина а = 2 мм.

Результати вимірювань характеристик ивих = ДІн) при Авх = const подані в табл. 1 (Ін ном = 360 мА, ин ном = 50 В, що відповідає номінальному значенню напруги та струму ЛЛ TLD 18/54 на частоті 72 кГц).

Результати вимірювань характеристики Рвих = ДІн) подані в табл.2 (Рвих ном = 18 Вт). Результати отримані розрахунковим шляхом за експериментальними значеннями ивих та Ін при постійному значенні Авх та змінному навантаженні Ru.

Таблиця 1 - Залежність вихідної напруги п'єзотрансформатора від параметра А

Авх = ивх/а = 10 В/мм = const

ивих

91

64

42

35,3

26,9

23,5

22,4

20,7

20,2

20,1

Ін,мА

65

72

90

100

162

252

360

432

504

576

 

 

 

 

 

5 В/мм =

= const

 

 

 

 

ивих

145,6

134,4

106,4

75,6

42,6

28,6

26,88

25,8

25,2

23,6

Ін,мА

65

72

90

100

162

252

360

432

504

576

 

 

 

 

Авх =   1'

4 В/мм =

= const

 

 

 

 

ивих

176,4

165,2

126,6

112

42

33,6

32,5

31,4

29,7

29,2

Ін,мА

65

72

90

100

162

252

360

432

504

576

 

 

 

 

Авх = 2

4 В/мм =

= const

 

 

 

 

ивих,В

182

123,2

55,2

52,8

50,0

48,2

45,2

41,5

36,6

33,2

Ін,мА

130

162

252

288

360

432

504

576

720

828

 

 

 

 

Авх = 2

7 В/мм =

= const

 

 

 

 

ивих,В

232

156,8

72,8

65,5

61,6

56

53,8

52,6

45,3

42

Ін,мА

100

162

252

288

360

432

504

576

720

828

Таблиця 2 - Струм навантаження та передавана потужність п'єзотрансформатора

 

 

 

 

= ивх/а =

24 В/мм = const

 

 

 

 

Ін,мА

72

100

162

252

288 360

432

576

720

828

Рвих,Вт

28,4

27,9

21

14

14,5 18

19,9

23,4

29,7

31,6

Результати вимірювань характеристики ивих = Д(Авх) при Rн = const = 180 Ом подані в табл. 3 (ивих ном = 50 В).

Таблиця 3 - Залежність вихідної напруги п'єзотрансформатора від вхідної при опорі

навантаження Ru = 180 Ом

Авх,В/мм 0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

ивих, В 0

10,1

21

31,3

40,5

50,1

55,2

60,4

66,6

69,6

Експериментальна залежність коефіцієнта трансформації ПТ в режимі холостого ходу (Rij = go) Ku0 = Д(Авх) при Тс = 200С, де Тс- температура середовища, подана в табл. 4.

Таблиця 4 - Зміна коефіцієнта трансформації від параметра А

Тс = const = 200С

Авх,В/мм 0

2,5

5         10       15 20

25

30

35

40

Ku0 0

24,7

24       15,5     11,5 9,6

7,9

7,3

7,1

6,8

Експериментальна залежність коефіцієнта корисної дії ПТ від струму навантаження n = ДІн) при фіксованих значеннях вхідної напруженості електричного поля Авх подана в табл. 5.

Таблиця 5 - Коефіцієнт корисної дії п'єзотрансформатора від струму та напруги _Авх = ивх/а = 15 В/мм = const_

ПРИЛАДОБУДУВАННЯ ТА ІНФОРМАЦІЙНО-ВИМІРЮВАЛЬНІ СИСТЕМИ

Ін, мА

145

180

215

290

325 360

430

505

575

650

 

0,41

0,59

0,68

0,76

0,86 0,89

0,87

0,83

0,77

0,72

 

 

 

 

= ивх

= 20 В/мм = const

 

 

 

 

Ін, мА

145

180

215

290

325 360

430

505

575

650

 

0,33

0,52

0,63

0,73

0,84 0,87

0,86

0,82

0,74

0,67

 

 

 

 

= ивх

= 24 В/мм = const

 

 

 

 

Ін,мА

145

180

215

290

325 360

430

505

575

650

 

0,32

0,51

0,61

0,70

0,82 0,83

0,82

0,78

0,71

0,62

Залежність струму навантаження від частоти вхідної напруги Ін = f(f,) при фіксованих значеннях вхідної напруженості електричного поля Авх подана в табл. 6.

Таблиця 6 - Залежність струму від частоти вхідної напруги п'єзотрансформатора

 

 

 

 

= ивх/а =

24 В/мм = const

 

 

 

fр, кГц

71,64

71,78

71,86

71,93

72      72,22 72,36

72,50

72,65

72,79

Ін, мА

576

504

468

396

360      326 285

218

191

166

Т

Температурна залежність діелектричної проникності п'єзоматеріалів є 33 =f (Тр) представлена в табл. 7.

Таблиця 7 - Температурна залежність діелектричної проникності п'єзоматеріалів

ЦТС-35

Тр, 0С

10

20

30

40 50

60

70

80

90

100

єТ33*109 Ф/м

8,83

8,85

8,88

8,91 9,12

9,56

10,00

10,62

10,97

12,05

ЦТС-24

Тр, 0С

10

20

30

40 50

60

70

80

90

100

єТ33*109 Ф/м

10,10

10,15

10,17

10,25 10,88

11,37

12,18

12,90

13,91

14,72

ЦТБС-3

Тр, 0С

10

20

30

40 50

60

70

80

90

100

єТ33*109 Ф/м

7,02

7,12

7,33

7,84 8,54

9,28

10,51

11,46

13,03

15,08

Для апроксимації отриманих характеристик використовуємо прикладну програму Аррго.ехе, яка призначена для пошуку функціональної залежності довільних початкових даних методом розрахунку коефіцієнтів полінома другого - п'ятого ступеня:

f (x) = A + Bx + Cx1 + Dx3 + Ex4 + Fx5.

Характеристика Рвих = ДІн) за вхідними даними з табл. 3, побудована за допомогою програми з використанням полінома третього ступеня, має вигляд (рис. 2).

ЗО

25

Ч

15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

\

 

 

 

 

 

У

 

 

 

 

 

 

 

 

 

/

 

 

 

 

\

 

 

 

/

 

 

 

 

\

V

 

 

J

 

 

 

 

 

\

 

 

 

 

 

 

 

 

\

 

 

 

г

 

 

 

 

 

II

О

II

мм

О

їм

II

О

II

II

О

1 1 1 1 1 1 1 8ОО

I н, м

Рисунок 2- Залежність вихідної потужності Рвих від струму навантаження f(IH) при Авх = 24 В/мм

Коефіцієнти полінома: A: 40,2236; B: -0,175334; C: 0,000383392; D: -2,22552 10-7; E: 0; F: 0 (Вт).

єт33*109 Ф/м

1G г

U -Е-

12 —г

10 —-

jWl  '  г   і^т  [  I Т ] Т Т Т 1 ] 1 і п|іі—і—Г [ г I іГ"[—пI I [ 2 0 40 СО в0

Рисунок 3- Температурна залежність діелектричної проникності єТ33 п'єзоматеріалів ЦТС-35 (1), ЦТС-24 (2), ЦТБС-3 (3)

т т т т і

f (T р)

Т

Характеристика є 33 апроксимацією поліномом поліномів подані в табл. 8.

= f (Тр) за вхідними даними з табл. 7, побудована з четвертого ступеня, має вигляд (рис.3), а коефіцієнти

Таблиця 8 - Коефіцієнти поліноміальної апроксимації температурної залежності діелектричної проникності п'єзоматеріалів

Матеріал

A

Страницы:
1  2 


Похожие статьи

О Шкодзінський - Дослідження експериментальних характеристик п'єзотрансформатора струму

О Шкодзінський - Дослідження стійкості процесу пластичного деформування тонкостінної трубки в умовахскладного напруженого стану