Badanie układów prostowniczych

Transkrypt

1 Instrukcja do ćwiczenia: Badanie układów prostowniczych (wersja robocza) Laboratorium Elektroenergetyki 1

2 1. Cel ćwiczenia Poznanie budowy, zasady działania i właściwości podstawowych układów elektronicznych, w których zastosowano diody prostownicze i diody Zenera. 2. Klasyfikacja i podstawowe parametry układów prostowniczych. Prostownik jest przekształtnikiem napięcia przemiennego na napięcie jednokierunkowe (tętniące). Zawiera on jeden lub kilka elementów nieliniowych o jednokierunkowym przewodzeniu (zaworów takich jak np.: diody półprzewodnikowe, tyrystory, itp.) połączonych w jeden z wielu konfiguracji układów prostowniczych. Ze względu na możliwość regulacji napięcia wyjściowego przez zmianę kąta wysterowania zaworów, prostowniki dzielimy na niesterowane i sterowane. Układ prostowniczy jest podstawowym blokiem funkcjonalnym każdego zasilacza prądu stałego. Przykładowy schemat takiego zasilacza z transformatorem obniżającym napięcie przedstawiono na rys.1. Rys.1. Schemat blokowy zasilacza prądu stałego. Prostowniki stosowane są m.in. do ładowania akumulatorów, w trakcji elektrycznej, w galwanotechnice, do zasilania urządzeń elektronicznych itp. Podstawowe elementy składowe prostownika: transformator, zawory prostownicze, filtry. Transformator (Tr) w układzie prostowniczym dopasowuje napięcie sieci zasilającej prądu przemiennego do wymaganej wartości na odbiorniku (RO) przyłączonym do prostownika. Transformator odizolowując (galwanicznie) obwód odbiornika od sieci prądu przemiennego zmniejsza również zagrożenie porażenia prądem elektrycznym. Układy prostownicze (~/=) w układach prostowniczych są obecnie powszechnie stosowane diody krzemowe typu BY o napięciach dopuszczalnych do 2000V i prądach obciążenia do kilkuset amperów. W przypadku zastosowania pojedynczej diody w układzie, mamy do czynienia z tzw. prostowaniem jednopołówkowym, co znaczy, że przebieg prądu przemiennego (po stronie zasilania) zmieniony zostanie na przebieg tętniący jednopołówkowy. Innymi słowy, na odbiorniku obserwować będziemy jedynie prąd płynący w kierunku zgodnym z kierunkiem polaryzacji diody (rys. 2). 2

3 Rys.2. Przykład prostowania jednopołówkowego. Wartość średnia przebiegu wejściowego (zawartość składowej stałej) jest zerowa. Przebieg wyjściowy ma niezerową wartość średnią ale ogólnie jest przemienny i można przyjąć, że stanowi sumę pewnej składowej stałej i pewnej składowej zmiennej zwanej tętnieniami. Aby można porównać możliwości energetyczne takiego prądu z prądem stałym stosuje się pojęcie wartości skutecznej prądu przemiennego (zmiennego) jako ekwiwalent prądu stałego, który spowoduje ten sam efekt cieplny co dany prąd przemienny (zmienny). Podstawowymi parametrami prostownika są: 1. wartość średnia przebiegu wyprostowanego Uśr, Iśr 2. wartość skuteczna przebiegu wyprostowanego Usk, Isk, 3. współczynnik tętnień t, 4. sprawność η Prostownik jednopołówkowy jednofazowy przy obciążeniu rezystancyjnym. Najprostszym prostownikiem napięcia jest prostownik jednopołówkowy. Rys.3. Układ prostownika jednofazowego jednopołówkowego, wraz z przebiegami napięć (a); przebiegi napięć i prądów przy obciążeniu rezystancyjnym (b). W czasie trwania dodatniej połówki zmiennego napięcia u2 dioda D1 przewodzi (ponieważ wyższy potencjał znajduje się na anodzie diody a niższy na jej katodzie) i przez obciążenie płynie prąd o polaryzacji dodatniej. W czasie trwania ujemnej połówki napięcia u2 dioda D1 nie przewodzi i przez obciążenie prąd nie płynie. Biorąc pod uwagę założenia upraszczające (tzn. spadek napięcia na diodzie w kierunku przewodzenia równy zero) można stwierdzić, że wartość napięcia wyjściowego u0 jest równe napięciu strony wtórnej transformatora u2. Wartość chwilowa prądu wyjściowego (wyprostowanego) w okresie 3

4 przewodzenia diody D1 jest równa prądowi płynącemu w uzwojeniu wtórnym transformatora oraz prądowi płynącemu przez diodę a opisuje ją zależność; gdzie: i 0 = i 2 = i D1 = u 0 R 0 = u 2 R 0 = U 2m R 0 sin ωt = I om sin ωt (1) U2m amplituda napięcia na uzwojeniu wtórnym transformatora, Iom amplituda prądu wyprostowanego, Ro rezystancja obciążenia. Wartość średnią prądu wyprostowanego można obliczyć z zależności: I śr = 1 T i(t)dt T 0 (2) Dla rozpatrywanego przypadku gdy prostowany prąd ma kształt sinusoidy wartość średnią prądu wyprostowanego jednopołówkowego obliczamy w następujący sposób: T I śr = 2 I 0 m sin ωt = 1 I T m ( 1 ) cos ωt ω T/2 = 1 T 1 T I m T 2π ( 1 1) = 1 T I m T 2π ( 2) = I m π Dolna granica całkowania jest równa zero górna zaś T/2. I m 2π (cos π cos 0) = T (3) I śr = I 0 = I om π = I 2m π = 0,318 I 2m (4) Wartość średnią napięcia wyprostowanego można obliczyć z zależności: U 0 =I 0 R 0 = I 2m R 0 π = U 2m π = 2U 2 π = 0,45 U 2 (5) gdzie: U2 wartość skuteczna napięcia na uzwojeniu wtórnym transformatora. Maksymalne napięcie wsteczne diody (w stanie zaporowym) jest równe amplitudzie napięcia na uzwojeniu wtórnym transformatora. U w = U 2m = π U 0 (6) Wartość skuteczną w obwodzie można obliczyć z zależności: T I 2 = 1 T 2 2 I2m (sin ωt) 2 dt = 0,5 I 2m = 1,57 I 0 (7) 0 Składowa zmienna napięcia wyjściowego jest nazywana tętnieniem o wartości skutecznej Ut, a stosunek wartości skutecznej napięcia do wartości składowej stałej Usr nazywamy współczynnikiem tętnień t. 4

5 2.2. Prostownik dwupołówkowy- mostek Graetza t = U t U śr (8) Mała sprawność i duże tętnienia to główne wady prostownika jednopołówkowego. O wiele lepszym jakościowo jest prostownik dwupołówkowy w układzie mostkowym (tzn. prostownik z mostkiem Graetza) którego schemat przedstawiono na rysunku 4. Rys. 4. Prostownik dwupołówkowy z mostkiem Graetza. W prostowniku tym zawsze przewodzą dwie diody. Dioda o najwyższym (w danej chwili) potencjale anody i druga o najniższym potencjale katody. W czasie dodatniego półokresu napięcia prostowanego potencjał węzła A (rys. 5a) jest wyższy niż w węźle B to przewodzą diody D2 i D4. Rys. 5. Wyjaśnienie przewodzenia prądu w mostku Graetza w zależności od polaryzacji mostka. Przy zmianie polaryzacji przewodzi druga para diod (rys 5b). Prąd przez obciążenie płynie w sposób ciągły w tym samym kierunku. W układzie mostkowym w uzwojeniu wtórnym transformatora w jednym okresie prąd przepływa w obu kierunkach. Przy obciążeniu rezystancyjnym ma on postać sinusoidalną podobnie jak w uzwojeniu pierwotnym. Inny charakter obciążenia może deformować przebiegi prądowe i napięciowe. Schemat układu mostka Graetza z zasilaniem z transformatora jednofazowego oraz przebiegi napięć i prądów w funkcji czasu pokazuje rysunek 6. 5

6 Rys. 6 Układ jednofazowy mostkowy (a) oraz przebiegi napięć i prądów przy obciążeniu rezystancyjnym (b). Średnia wartość wyprostowanego napięcia dwupołówkowo mostkiem Graetza w danym przypadku wynosi: U 0śr = 1 T 2 T U(t)d(ωt) = 1 π 2 U 0 π m sin ωtd(ωt) = 2 0 π jest dwa razy większa niż układzie prostownika jednopołówkowego. U m (9) 2.3. Kondensator wygładzający tętnienia przy obciążeniu rezystancyjnym. Schemat układu prostownika z filtrem pojemnościowym przedstawia rys. 7. Kondensator, który należy umieścić na wyjściu układu prostownika (połączenie równoległe), odgrywa ważną rolę, gdyż od niego zależy wielkość tętnień ΔU napięcia wyjściowego u0. Im większa pojemność kondensatora tym, tętnienia mniejsze. Można również zauważyć, że im większy wymagany prąd wyjściowy tym większy kondensator należy zastosować, ponieważ większa ilość ładunku będzie musiała na przemian gromadzić się na okładkach kondensatora i rozładowywać w dalszej części okresu. 6

7 Rys. 7. Schemat prostownika jednopołówkowego wraz kondensatorem wygładzającym tętnienia napięcia i przebiegi czasowe napięcia w jego obwodzie. Ładunek kondensatora z rys. 7 podczas ładowania: Q = C U (9) Ładunek rozładowania przez rezystancję obciążenia R0 podczas jednego okresu: gdzie: I0 - prąd obciążenia. Oba te ładunki muszą być sobie równe: Q = I 0 T (10) I 0 T = C U (11) Stąd : C = I 0 T U (12) Rys.8. Prostownik dwupółkowy z filtrem pojemnościowym. Działanie prostowników: dwupołówkowego (schemat rys. 8) i mostkowego zwanego układem Graetza (rys. 9), jest podobne do opisanego, z tym że ładowanie kondensatora ma miejsce dwukrotnie częściej (w każdej połowie okresu). Dlatego oba te układy można traktować jako prostowniki dwupołówkowe. W prostowniku dwupołówkowym (rys.8) diody D1 i D2 przewodzą na przemian prąd odpowiednich połówek uzwojenia wtórnego transformatora. Na rys.10 pokazano przebiegi czasowe napięć i prądów w układzie. 7

8 Rys.9 Prostownik mostkowy z filtrem pojemnościowy. W prostowniku mostkowym prąd ładujący kondensator płynie na zmianę przez uzwojenie wtórne transformatora, diodę D1, kondensator i diodę D3, a po zmianie fazy napięcia, podobnie, lecz przez diody D2 i D4. Przebieg czasowy prądu diody D3 jest identyczny jak diody D1, podobnie prąd diody D4 jest identyczny jak diody D2. Wynika stąd, że ładowanie kondensatora następuje do napięcia U wy,max 2U 2 2U F, gdzie: UF - spadek napięcia na diodzie), U2 napięcie na uzwojeniu wtórnym transformatora; oraz że rezystancja drogi ładowania kondensatora jest sumą rezystancji transformatora i podwojonej rezystancji diody R s = R tr + 2R D Rys. 10. Przebiegi czasowe prądów i napięć w prostowniku dwupołówkowym i mostkowym z filtrem pojemnościowym. 3. Prostowniki trójfazowe Prostowniki trójfazowe wykorzystuje się tam, gdzie dostępne jest trójfazowe zasilanie. Generalnie charakteryzują się one znacznie mniejszym tętnieniem napięcia wyjściowego niż prostowniki jednofazowe bez zastosowania kondensatora wygładzającego tętnienia Trójfazowe prostowniki jednopołówkowe Trójfazowy prostownik jednopołówkowy może działać tylko w układzie trójfazowym z przewodem neutralnym. Oznacza to, że układ źródeł napięcia (lub uzwojeń wtórnych 8

9 transformatora) musi być połączony w gwiazdę (połączenie w trójkąt nie posiada przewodu neutralnego). a) b) Rys. 11. Trójdiodowy prostownik trójfazowy (a), przebieg napięcia wyjściowego prostownika (b) Trójfazowe prostowniki dwupołówkowe Trójfazowy prostownik dwupołówkowy może być stosowany w dowolnym układzie napięcia trójfazowego - zarówno z przewodem neutralnym jak i bez niego. Napięcie wyjściowe wykazuje bardzo małe tętnienie (w porównaniu do prostowników opisanych powyżej). Energia źródeł zasilania jest wykorzystywana w największym zakresie, co jest szczególnie istotne w przypadku urządzeń dużej mocy, jak np. spawarki transformatorowe. Rys. 12. Sześciodiodowy trójfazowy prostownik dwupółkowy a), napięcie wyjściowe prostownika dwupołówkowego b). Układ mostkowy jest układem prostowniczym najczęściej stosowanym w układach trójfazowych. Schemat połączeń takiego układu oraz przebiegi napięć w układzie obciążonym rezystancją przedstawia rys.12. Diody prostownicze układu mostkowego można podzielić na dwie grupy. Grupę katodową tworzą diody D1,D2, D3 a grupę anodową diody D4, D5, D6. W każdej chwili pracują dwa zawory: w grupie katodowej zawór, którego anoda ma najwyższy potencjał a w grupie anodowej zawór, którego katoda ma najniższy potencjał. Można zauważyć że układ prostuje napięcie przewodowe. Układ trójfazowy mostkowy można traktować jako dwa połączone przeciwsobnie układy trójfazowe jednokierunkowe. Na obciążenie podawane jest napięcie wypadkowe, równe sumie napięć chwilowych prostowników składowych. Układ trójfazowy mostkowy przy takim samym napięciu skutecznym na uzwojeniu wtórnym transformatora zapewnia na wyjściu dwukrotnie większe napięcie średnie niż układ trójfazowy jednokierunkowy. 9

10 Często prostowniki w tego typu urządzeniach posiadają możliwość sterowania wartością prądu wyjściowego. Wyżej wymienione prostowniki mogą być używane również w postaci prostowników sterowanych. W prostownikach takich diody prostownicze zastępuje się tyrystorami prostowniczymi, które sterowane są za pomocą odpowiednich układów analogowych lub cyfrowych. Doprowadzenie do bramki (anody) dodatniego napięcia względem katody powoduje przepływ prądu. Prostowniki sterowane są stosowane wszędzie tam, gdzie wymagana jest płynna regulacja mocy wyjściowej urządzenia - takie rozwiązanie jest szeroko stosowane np. w spawarkach transformatorowych, układach zasilających silniki prądu stałego dużych mocy lub automatycznych ładowarkach akumulatorów samochodowych (popularnie zwanych po prostu prostownikami). 4. Pytania i zagadnienia kontrolne Jakie właściwości diody decydują o jej wykorzystaniu w układach prostowniczych? Podaj schemat blokowy zasilacza prądu stałego i omów poszczególne elementy. Narysuj przebieg napięcia, jeżeli wykorzystano układ prostownika jednopołówkowego Narysuj i opisz zasadę działania mostku Graetza. W jakim celu do układów prostujących włącza się kondensator? Naszkicuj przebiegi napięcia dla układu dwupołówkowego z zastosowanym kondensatorem i bez niego. Narysuj trójdiodowy prostownik trójfazowy oraz przebieg napięcia obserwowany na odbiorniku Narysuj sześciodiodowy trójfazowy (dwupołówkowy) oraz przebieg napięcia obserwowany na odbiorniku. 10