ZASTOSOWANIE INFORMATYKI W ELEKTROTECHNICE

Transkrypt

1 Politechnika Białostocka Wydział Elektryczny Katedra Elektrotechniki Teoretycznej i Metrologii Instrukcja do zajęć laboratoryjnych z przedmiotu ZASTOSOWANIE INFORMATYKI W ELEKTROTECHNICE Kod przedmiotu: Ćwiczenie pt. ANALIZA UKŁADÓW ELEKTRONICZNYCH W DZIEDZINIE CZASU Numer ćwiczenia E31 Autor mgr inż. Łukasz Zaniewski mgr inż. Marek Zaręba Białystok 2007

2 1. Wprowadzenie Wszystkie układy elektroniczne wymagają zasilania. Najłatwiejszą metodą jest zasilenie prosta z sieci elektroenergetycznej. Niekiedy jednak wymagane jest zasilenie prądem (napięciem) stałym. W takim przypadku używa się prostowników. Prostownikiem nazywamy element lub zestaw elementów elektronicznych służący do zamiany prądu przemiennego na prąd jednokierunkowy (prąd stały). Rozróżniamy następujące prostowniki półokresowy (dla prądu jednofazowego: jednopołówowy) pełnookresowy (dla prądu jednofazowgo: dwupołówkowy) wielofazowe (dla prądu np. 3-fazowego: jednopołówowy dwupołówkowy) i Istnieją również prostowniki podwajające, potrajające lub zwielokrotniające wejściowe napięcie zmienne. W układach prostownikowych stosowano między innymi: układy elektrochemiczne, w których na jednej z elektrod zanurzonych w elektrolicie wytwarzała się warstwa zaporowa, blokująca przepływ prądu w jednym kierunku (przykładowy układ ołów-elektrolit alkaliczny-glin, niob lub tantal), lampy (diody próżniowe) prostownicze, w których przy spolaryzowaniu w kierunku przewodzenia elektrony emitowane przez podgrzewaną elektrycznie katodę przemieszczają się do spolaryzowanej dodatnio anody, a w przypadku odwrócenia polaryzacji blokują przepływ prądu, układy metal-półprzewodnik stosowane powszechnie przed opracowaniem technologii diod półprzewodnikowych. Stosowane najczęściej zestawy to miedź-tlenek miedzi oraz metal-selen, prostowniki rtęciowe wykorzystujące zjonizowane pary rtęci, stosowane powszechnie w przemyśle oraz w kolejowych i tramwajowych układach trakcyjnych itp. Obecnie prostowniki są budowane niemal wyłącznie z diod krzemowych. 2

3 Rys.1. Przykłady prostowników. Prostowniki są stosowane w energetyce, zasilaniu maszyn i urządzeń (np. w elektrowozach), w galwanotechnice oraz w większości urządzeń elektronicznych zasilanych z sieci energetycznej Stabilizowany zasilacz napięcia stałego. W naszym przypadku układ składa się z czterech bloków: o źródła zasilania, o prostownika (mostek Graetz a), o stabilizatora (dioda Zenera), o filtru (kondensator). Każdy z tych elementów ma swoje określone zadanie. Mostek Graetza (rys. 2.) to pełnookresowy prostownik z czterech diod prostowniczych połączonych w specyficzny układ prostujący prąd wykorzystując obie połówki napięcia przemiennego (prostownik dwupołówkowy). Oznacza to że niezależnie od kierunku przepływu prądu na wejściu prąd na wyjściu płynie zawsze w tą samą stronę. W określonej chwili dwie z tych diód pracują przy polaryzacji w kierunku przewodzenia a dwie w kierunku zaporowym, przy zmianie kierunku prądu wejściowego te pary zamieniają się rolami. Mostek ten jest czwórnikiem - ma dwa zaciski wejściowe (napięcie przemienne) oraz dwa zaciski wyjściowe. Mostki prostownicze Graetza mogą być produkowane w postaci scalonej, lub budowane z niezależnych diod. Aktualnie wykonywany jest prawie wyłącznie na krzemowych diodach półprzewodnikowych. 3

4 Rys. 2. Mostek Graetza W celu wyeliminowania pulsacji należy zastosować element stabilizujący. W tym celu wykorzystuje się diodę Zenera (stabilitron). Rezystor R ogranicza prąd diody Zenera. Dla napięć wejściowych większych od napięcia Zenera dioda przewodzi, a napięcie na niej jest równe napięciu Zenera. Rys. 3. Zastosowanie elementu stabilizującego W takim przypadku napięcie wyjściowe ma stałą wartość w pewnym zakresie napięć wejściowych (przypadek idealny(teoretyczny)). Aby stabilizator zadowalająco stabilizował, to napięcie wejściowe powinno być półtora raza większe od napięcia Zenera. 4

5 U WY Ks = U WE Rys. 4. Wyznaczanie współczynnika stabilizacji napięcia. Zjawisko Zenera występuje w silnie domieszkowanych złączach p-n spolaryzowanych zaporowo. Objawia się nagłym, gwałtownym wzrostem prądu (prądem Zenera) gdy napięcie polaryzujące przekroczy pewną charakterystyczną dla danego złącza wartość zwaną napięciem Zenera. Zjawisko Zenera jest również nazywane przebiciem Zenera, lecz to "przebicie" nie powoduje uszkodzenia złącza. Rys. 5. Charakterystyka rzeczywista diody Zenera Charakterystyczne zakresy pracy złącza oznaczone są różnymi kolorami: czerwony (polaryzacja w kierunku przewodzenia) - U < UD*, złącze praktycznie nie przewodzi, prąd jest bardzo mały; 5

6 niebieski (polaryzacja w kierunku przewodzenia) - U > UD*, złącze przewodzi, wraz ze wzrostem napięcia prąd znacząco rośnie; zielony (polaryzacja w kierunku zaporowym) - płynie niewielki prąd unoszenia; źółty (polaryzacja w kierunku zaporowym) - przebicie lawinowe lub zenera, prąd gwałtownie rośnie. * UD - napięcie bariery potencjału, U - napięcie polaryzacji W celu redukcji tętnień, między wyjściem stabilizatora a obciążeniem włącza się układ filtrujący. Filtr dolnoprzepustowy przepuszcza częstotliwości sygnału poniżej ustalonej częstotliwości granicznej, tłumi składowe widma leżące w górnej jego części. Układ ten zbudowany jest zazwyczaj z cewki lub opornika i kondensatora. Ma on jedno pasmo przepustowe i jedno tłumiące. Zależnie od wartości pojemności kondensatora zmianie ulegają: częstotliwość i amplituda tętnień na wyjściu. K U ( jω ) = U WY U WE 1 1 jω C = = jω RC R+ jω C A(ω ) = K U ( jω ) = ω 2 R 2C 2 Rys. 6. Filtr dolnoprzepustowy RC pierwszego rzędu i jego charakterystyka 1.2. Prostowniki trójfazowe. Prostowniki trójfazowe wykorzystuje się tam, gdzie dostępne jest trójfazowe zasilanie. Generalnie charakteryzują się one znacznie mniejszym tętnieniem napięcia wyjściowego niż prostowniki jednofazowe. 6

7 Jednopołówkowe Trójfazowy prostownik jednopołówkowy może działać tylko w układzie trójfazowym z przewodem neutralnym. Oznacza to, że układ źródeł napięcia (lub uzwojeń wtórnych transformatora) musi być połączony w gwiazdę (połączenie w trójkąt nie posiada przewodu zerowego). Trójdiodowy prostownik jednopołówkowy Napięcie wyjściowe prostownika jednopołówkowego 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. Trójdiodowy prostownik dwupołówkowy Napięcie wyjściowe prostownika dwupołówkowego 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 7

8 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 lub automatycznych ładowarkach akumulatorów samochodowych (popularnie zwanych po prostu prostownikami). 2. Przebieg ćwiczenia i zawartość sprawozdania 2.1.Badanie stabilizatora napięcia stałego Rys. 6. Schemat zasilacza napięcia stałego, stabilizowanego diodą Parametry źródła VSIN VOFF = 0, VAMPL = 10V, FREQ = 50Hz, TD = 0, DF = 0, PHASE = 0. Ustawienia analizy czasowej (Analysis/Setup.../Transient...): Print Setup: 0.01 us, Final Time: 500 ms, Step Celing: 10us. 8

9 Na kondensatorze należy podać zerowy warunek początkowy (IC = 0). Porównać sygnał wejściowy V1 z wyjściowym V(out) dla C=100µF. Następnie zaobserwować przebieg napięcia na wyjściu zasilacza V(out) w stanie ustalonym i nieustalonym dla trzech różnych różnych pojemności C1 = 10 uf, 100 uf, 1000 uf. W celu obserwacji przebiegu w stanie ustalonym, należy wpisać czas opóźnienia drukowania przebiegu w opcjach ustawień analizy czasowej (np. No-Print Delay = 400 ms). W przypadku obserwacji przebiegów przy C1 = 1000 uf, należy zwiększyć czas obserwacji do 5 s oraz w przypadku stanu ustalonego wpisać opóźnienie No-Print Delay =4.9 s. Dla trzech w/w pojemności, obliczyć analitycznie parametry sygnału wyjściowego: a) wartość maksymalną Max{V(out)}, b) czas narastania RiseTime{V(out)}, c) wartość stabilizowana 0.5*Max{V(out)} + 0.5*Min{V(out)}, d) szerokość tętnień przebiegu Max{V(out)} - Min{V(out)}. Odczyt odpowiednich parametrów można uzyskać z menu Trace/Eval Goal Function lub za pomocą ikony. W kolumnie Functions or Macros, w oknie rozwijanym należy wybrać Analog Operators and Functions (dotyczy podpunktów c i d). W rezultacie należy wypełnić poniższą tabelę. C = 10 µf ustalony ustalonynie- stan C = 100 µf C = 1000 µf Wartość maksymalna Czas narastania Wartość stabilizowana Szerokość tętnień przebiegu Jaki jest wpływ pojemności na czas narastania sygnału wyjściowego i na szerokość tętnień? 9

10 2.2.Analiza czasowa sterowanego prostownika trójfazowego z obciążeniem rezystancyjnym Rys. 7. Schemat prostownika trójfazowego z obciążeniem rezystancyjnym Parametry źródeł zasilających VSIN: V1 V2 VOFF = 0 VOFF = 0 VAMPL = 25V VAMPL = 25V FREQ = 50Hz FREQ = 50Hz TD = 0 TD = 0 DF = 0 DF = 0 PHASE = 240 PHASE = 120 V3 VOFF = 0 VAMPL = 25V FREQ = 50Hz TD = 0 DF = 0 PHASE = 0 Parametry źródeł sterujących VSTER: Vster 1 Vster 2 V1 = 0 V1 = 0 V2 = 2V V2 = 2V TD = ms TD = 20 ms TR = 0.01 ms TR = 0.01 ms TF = 0.01 ms TF = 0.01 ms PW = 1ms PW = 1ms PER = 20 ms PER = 20 ms Vster 3 V1 = 0 V2 = 2V TD = ms TR = 0.01 ms TF = 0.01 ms PW = 1ms PER = 20 ms 10

11 Ustawienia analizy czasowej (Analysis/Setup.../Transient...): Print Setup: 0.1 ms, Final Time: 40 ms. Należy zaobserwować przebieg napięcia na obciążeniu, napięcia zasilającego oraz napięcia sterującego (przebiegi wykreślić na jednym wykresie). Obliczyć analitycznie parametry sygnału: a) okres sygnału Period{V(R1:1) - V(R1:2)}, b) maksimum impulsu Max{V(R1:1) - V(R1:2)}, c) szerokość impulsu w połowie wartości maksymalnej Pulsewidth{V(R1:1) - V(R1:2)}, Rys. 8. Rysunek pomocniczy objaśniający funkcję Pulsewidth{} d) czas opadania FallTime{V(R1:1) - V(R1:2)}, e) dokonać analizy FFT napięcia na obciążeniu, wyznaczyć częstotliwość podstawową i sprawdzić relację z okresem sygnału, f) rozwinąć w szereg Fouriera (wykorzystać właściwości sygnału wyprostowanego całofalowo występują tylko harmoniczne rzędów parzystych i składowa stała): 11

12 Odczyt odpowiednich parametrów można uzyskać z menu Trace/Eval Goal Function lub za pomocą ikony Sprawozdanie W sprawozdaniu należy zamieścić wszystkie schematy, wykresy i obliczenia. 3. Pytania kontrolne 1. Podaj definicję czasu narastania, czasu opadania sygnału, szerokości impulsu, okresu przebiegu odkształconego. 2. Omówić budowę i działanie poszczególnych bloków stabilizowanego zasilacza napięcia stałego. 3. Omówić prostowanie jednopołówkowe i dwupołówkowe. 4. Postacie szeregu Fouriera i obliczanie współczynników szeregu. 5. Widmo amplitudowe i fazowe. 4. Literatura 1. Bolkowski S Teoria obwodów elektrycznych WNT, Warszawa Frąckowiak L Energoelektronika. Cz.2 Politechnika Poznańska, Poznań Piróg S Energoelektronika Akademia Górniczo Hutnicza, Kraków

13 Wymagania BHP Warunkiem przystąpienia do praktycznej realizacji ćwiczenia jest zapoznanie się z instrukcją BHP i instrukcją przeciw pożarową oraz przestrzeganie zasad w nich zawartych. Wybrane urządzenia dostępne na stanowisku laboratoryjnym mogą posiadać instrukcje stanowiskowe. Przed rozpoczęciem pracy należy zapoznać się z instrukcjami stanowiskowymi wskazanymi przez prowadzącego. W trakcie zajęć laboratoryjnych należy przestrzegać następujących zasad. Sprawdzić, czy urządzenia dostępne na stanowisku laboratoryjnym są w stanie kompletnym, nie wskazującym na fizyczne uszkodzenie. Sprawdzić prawidłowość połączeń urządzeń. Załączenie napięcia do układu pomiarowego może się odbywać po wyrażeniu zgody przez prowadzącego. Przyrządy pomiarowe należy ustawić w sposób zapewniający stałą obserwację, bez konieczności nachylania się nad innymi elementami układu znajdującymi się pod napięciem. Zabronione jest dokonywanie jakichkolwiek przełączeń oraz wymiana elementów składowych stanowiska pod napięciem. Zmiana konfiguracji stanowiska i połączeń w badanym układzie może się odbywać wyłącznie w porozumieniu z prowadzącym zajęcia. W przypadku zaniku napięcia zasilającego należy niezwłocznie wyłączyć wszystkie urządzenia. Stwierdzone wszelkie braki w wyposażeniu stanowiska oraz nieprawidłowości w funkcjonowaniu sprzętu należy przekazywać prowadzącemu zajęcia. Zabrania się samodzielnego włączania, manipulowania i korzystania z urządzeń nie należących do danego ćwiczenia. W przypadku wystąpienia porażenia prądem elektrycznym należy niezwłocznie wyłączyć zasilanie stanowisk laboratoryjnych za pomocą wyłącznika bezpieczeństwa, dostępnego na każdej tablicy rozdzielczej w laboratorium. Przed odłączeniem napięcia nie dotykać porażonego. 13