9. ŁĄCZNIKI STATYCZNE PRĄDU PRZEMIENNEGO

Transkrypt

1 9. ŁĄCZNIKI STATYCZNE PRĄDU PRZEMIENNEGO 9.1. Cel I zakres ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapznanie się z budwą i pdstawwymi właściwściami łączników statycznych jednfazwych prądu przemienneg raz z mżliwściami wykrzystania tych układów d sterwania parametrami energii elektrycznej pbieranej przez dbirnik. W zakres ćwiczenia wchdzi: a) zapznanie się z zasadą pracy łącznika dla różnych rdzajów sterwania (fazwe, kluczwe, impulswe), b) badanie układu sterwaneg fazw przy zasilaniu dbirnika charakterze rezystancyjnym i rezystancyjn-indukcyjnym Infrmacje wstępne [9.1, 9.] 9.. Wiadmści pdstawwe Łączniki statyczne t aparaty, w których funkcję przerywania bwdu pełni jeden lub więcej sterwalnych elementów elektrnicznych, najczęściej tyrystrów lub tranzystrów mcy. W praktyce w większści rzwiązań stsuje się układy tyrystrwe lub tyrystrw-didwe. Łączniki statyczne cechują się isttnymi zaletami w stsunku d łączników mechanizmwych, z których najważniejsze, t: a) bezłukwe przerwanie bwdu, b) praktycznie niegraniczna trwałść łączeniwa (brak zużywających się ruchmych części mechanicznych), c) duża, praktycznie niegraniczna częstść łączeń, d) mżliwść sterwania parametrami energii elektrycznej pbieranej przez zasilany dbirnik, e) dwlna pzycja pracy, f) cicha praca D najważniejszych wad łączników statycznych w prównaniu z łącznikami mechanizmwymi należy zaliczyć: a) duże straty energii, b) brak galwanicznej przerwy pmiędzy źródłem i dbirnikiem w stanie wyłączenia, c) niewielka dprnść na zwarcia, przeciążenia i przepięcia łączeniwe, d) mżliwść przypadkweg załączenia wskutek występwania zakłóceń i przepięć, e) brak styków pmcniczych.

2 Ze względu na mżliwść sterwania parametrami energii elektrycznej, funkcję kmutacji bwdu w łącznikach statycznych wiąże się zwykle z funkcją sterwania napięciem, prądem i mcą zasilaneg dbirnika. Obwdy główne łączników statycznych w układach prądu przemienneg twrzą różneg rdzaju knfiguracje tyrystrów bądź tranzystrów raz did, w celu umżliwienia dwukierunkweg przepływu prądu. Najbardziej znane rzwiązania układów tyrystrwych i tyrystrw-didwych przedstawin na rys Wszystkie ne cechują się kreślnymi zaletami i wadami. Najprstszym rzwiązaniem jest dwrtnie równległy układ tyrystrów (rys, 9.1 a). Zaletą tyrystra symetryczneg (triaka) (rys. 9.1 b) w stsunku d układu dwrtnie równległeg jest prstszy, pjedynczy układ wyzwlenia, lecz wadą są grsze parametry dynamiczne. Zaletą układu mstkweg (rys. 9.1 c) jest zastswanie tylk jedneg tyrystra. Wadą teg rzwiązania jest jednak znaczny spadek napięcia w kierunku przewdzenia na trzech szeregw płącznych elementach (tyrystr i dwie didy), c pwduje zwiększne straty mcy i w praktyce granicza mc dbirnika zasilaneg tym układem d k. 1 kw. Układ z rys. 9.1 d, w którym każdy z tyrystrów jest zbcznikwany didą, jest preferwany d zastswania w bwdach znacznych spdziewanych wartściach przepięć. a) b) c) d) Rys Pdstawwe układy płączeń bwdów głównych jednfazwych łączników (sterwników) statycznych tyrystrwych i tyrystrw-didwych prądu przemienneg; a) układ dwrtnie równległy tyrystrów, b) tyrystr symetryczny (triak), c) układ mstkwy, d) układ dwrtnie równległy tyrystrw-didwy Rdzaje sterwania stswane w łącznikach statycznych. Wyróżnia się trzy rdzaje sterwania stswane w łącznikach statycznych: a) fazwe, b) impulswe, c) kluczwe.

3 Sterwanie fazwe mówin bliżej w punkcie Sterwanie impulswe plega na cyklicznym przepływie kreślnej liczby pełnych półfali prądu sinusidalneg w czasie cyklu pracy t p, p czym następuje cykl przerwy t 0, trwający również kreślną liczbę pełnych półfali prądu (rys. 9. a), przy czym suma czasów t p i t 0 jest stałym kresem T. Ilraz t p /T nazywa się współczynnikiem wypełnienia. Sterwanie impulswe, ze względu na pulsujący charakter bciążenia nadaje się jedynie d zasilania takich dbirników, w których stała czaswa sterwaneg prcesu jest c najmniej kilkukrtnie dłuższa d kresu T. Typwym przykładem zastswania teg rdzaju starwania jest grzejnictw elektryczne. Zaletą sterwania impulsweg w prównaniu ze sterwaniem fazwym jest brak generacji wyższych harmnicznych prądu i związanej z tym mcy defrmacji. Wadą teg sterwania jest natmiast pulsujący charakter bciążenia sieci, c w przypadku niedstatecznej mcy zwarciwej układu zasilania mże być przyczyną znacznych wahań napięcia, zjawiska migtania światła i generacji subharmnicznych w prądzie bciążenia. a) i t t p t 0 t p t 0 b) i t Z W Rys. 9.. Ilustracja przebiegów prądu pdczas sterwania impulsweg (a) i kluczweg (b); i prąd dbirnika, t p,, t 0 dpwiedni: czas pracy i czas przerwy w sterwaniu impulswym, Z, W impulsy dpwiedni: załączenia i wyłączenia tyrystra w sterwaniu kluczwym. Sterwanie kluczwe plega na ciągłym, pełnym (tj. przy przewdzeniu całeg sinusidalneg przebiegu prądu) wysterwaniu łącznika statyczneg w stanie przewdzenia raz na braku wysterwania w stanie twarcia łącznika (rys. 9. b). Nie wykrzystuje się tu mżliwści sterwania energią dbirnika, a łącznik pełni w bwdzie jedynie funkcję rzłącznika.

4 9..3. Sterwanie fazwe Sterwanie fazwe jest najbardziej rzpwszechninym spsbem sterwania łączników tyrystrwych i plega na wysterwaniu tyrystra impulsem przesuniętym tzw. kąt wysterwania w stsunku d miejsca zerweg sinusidy napięcia zasilająceg, pprzedzająceg chwilę załączenia. Impuls załączający jest generwany w każdej klejnej półfali napięcia zasilająceg, a jeg przerwanie znacza wyłączenie dbirnika pdczas najbliższeg przejścia prądu przez zer. Ze względu na różnice w przebiegach napięcia i prądu raz w zakresie mżliwych zmian kąta wysterwania w sterwaniu fazwym rzróżnia się dwa zasadnicze rdzaje bwdów dbirczych: rezystancyjny i rezystancyjn-indukcyjny. Przebiegi napięcia i prądu przy sterwaniu fazwym w bwdach jednfazwych prądu przemienneg są badane w układzie jak na rys L W Var A T1 a) b) i T L V1 Układ sterwania V u R R N Rys Łącznik tyrystrwy w układzie dwrtnie równległym zasilający dbirnik rezystancyjny (a) i rezystancyjn-indukcyjny (b). W dbirniku charakterze rezystancyjnym przebieg prądu płynąceg przez dbirnik i = f(ωt) jest w fazie z przebiegiem napięcia na dbirniku u = f(ωt) (rys.9.4), a ich kształt jest fragmentem ddatnich i ujemnych płówek sinusidy bciętych przy kącie wysterwania.. W chwili załączenia tyrystra (kąt ) prąd skkw przyjmuje wartść dpwiadającą niesterwanemu przebiegwi sinusidalnemu (rys. 9.4). Zakres zmian kąta zawiera się w przedziale 0. Przy pminięciu spadku napięcia na przewdzących tyrystrach łącznika, wartści skuteczne napięcia na dbirniku U i prądu dbirnika I wyrażają następujące zależnści:

5 1 A( ) U = U sin ωt dωt = U, (9.1) gdzie: U wartść skuteczna napięcia zasilająceg, 1 A ( ) = + sin, I U U A() =. (9.) R R = a) u, u u u 0 3 ωt b) i i 0 3 ωt Rys Przebiegi napięcia u (a) i prądu i (b) dbirnika rezystancyjneg przy sterwaniu fazwym; u napięcie zasilające, - kąt wysterwani tyrystrów łącznika. Przebieg prądu dbirnika i = f(ωt) jest przebiegiem dkształcnym. Przy załżeniu, że napięcie u = U sinωt zasilające układ (rys. 9.4), mierzne na wltmierzu V1 (rys. 9.3), jest napięciem niedkształcnym, czyli jest zgdne z przebiegiem pierwszej harmnicznej napięcia:

6 U = U 1, (9.3) watmierz W (rys. 9.3) mierzy mc czynną pierwszej harmnicznej, zgdnie z zależnścią: P = UI 1 csϕ 1. (9.4) gdzie: I 1 wartść skuteczna pierwszej harmnicznej prądu dbirnika, ϕ 1 kąt przesunięcia fazweg pmiędzy napięciem zasilającym (9.3) a pierwszą harmniczną prądu I 1. Kąt przesunięcia fazweg ϕ 1 jest skutkiem dkształcenia przebiegu prądu i d przebiegu sinusidalneg. Pnieważ przebieg i (rys. 9.4) jest kresw zmienny, mżna dknać jeg rzkładu na składwe harmniczne, przy czym pierwsza harmniczna i 1 będzie przesunięta w fazie kąt ϕ 1 względem napięcia zasilająceg, które zgdnie z załżeniem (9.3) jest napięciem niedkształcnym. Kąt ϕ 1 jest przy tym zależny d kąta. Dla = 0 kąt ϕ 1 = 0, lecz dla > 0 kąt ϕ 1 0. Wynika stąd, że i warmierz Var (rys. 9.3) będzie realizwał swój pmiar zgdnie z zależnścią: D = UI 1 sinϕ 1, (9.5) gdzie D jest mcą defrmacji dla pierwszej harmnicznej prądu. Na przykładzie dbirnika rezystancyjneg widać tu, że warmierz, bądź licznik mcy biernej, dknuje pmiaru wielkści, która nie mże być mcą bierną (dbirnik rezystancyjny), lecz jest mcą wynikającą z dkształcenia przebiegów. Mc tę nazywa się mcą defrmacji lub dkształcenia [9.1, 9.]. Należy również zwrócić uwagę na t, że przy dkształcnych przebiegach prądu czym innym jest współczynnik mcy: P UI 1 csϕ1 λ = =, (9.6) S UI a czym innym cs ϕ 1. Wyrażenie cs ϕ, bez kreślenia d której harmnicznej prądu i napięcia się dnsi, jest pzbawine sensu fizyczneg w przebiegach dkształcnych. Przebiegi prądu i = f(ωt) i napięcia dbirnika u = f(ωt) przy starwaniu fazwym dbirnika charakterze rezystancyjn-indukcyjnym przedstawin na rys W chwili załączenia tyrystrów (t zt1, t zt, rys, 9.5) napięcie na dbirniku u przyjmuje skkw wartść wynikającą z sinusidalneg przebiegu napięcia

7 zasilająceg, pdczas gdy prąd i, ze względu na zachwawczy charakter indukcyjnści dbirnika, narasta d zera, zgdnie z krzywą wynikającą z prawa kmutacji dla bwdu indukcyjneg. Przebieg prądu i mżna przedstawić jak superpzycję przebiegu sinusidalneg dla pełneg wysterwania dbirnika ( = 0) i składwej aperidycznej stałej czaswej zaniku: R T =. (9.7) L Należy zauważyć, że kąt wysterwania jest mżliwy d dczytania jedynie z przebiegu napięcia u = f(ωt) (rys. 9.5). Miejsce zerwe prądu w chwili wyłączenia tyrystra jest zależne d stałej czaswej (9.7) i nie mże być punktem dniesienia d kreślenia kąta..] a) u, u u u t zt 3 ωt t zt1 t zt1 b) i i k t zt ϕ i 3 ωt i nk t zt1 t zt1 Rys Przebiegi napięcia u (a) i prądu i (b) dbirnika rezystancyjn-indukcyjneg przy sterwaniu fazwym; i k, - składwa kreswa prądu dbirnika, i nk - składwa niekreswa prądu dbirnika, t zt1, t zt chwila załączenia dpwiedni tyrystrów T1 i T (rys. 9.3), pzstałe znaczenia jak na rys. 9.4.

8 W przebiegach napięcia u = f(ωt) (rys. 9.5) i prądu dbirnika i = f(ωt) wyróżnia się przedziały czasu, w których ilczyn chwilwych wartści u i jest ddatni bądź ujemny. Przedział czasu, w którym u i >0, t zakres pbru energii z sieci zasilającej, natmiast u i <0, t zakres ddawania energii z dbirnika d sieci. Dla idealnej indukcyjnści (R = 0) wartści bydwu tych energii są sbie równe. Sterwanie napięciem, prądem i mcą dbirnika rezystancyjn-indukcyjneg dbywa się w zakresie ϕ. Kąt nie mże być mniejszy d kąta przesunięcia fazweg ϕ przy pełnym wysterwaniu, gdyż nie jest mżliwe wysterwanie tyrystra dla < ϕ, pnieważ jeg prąd musiałby wówczas płynąć w kierunku zaprwym. Zakresy zmian kąta dla różnych kątów ϕ widczne są na rys U U 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0, =1 =0,5 =0 tgϕ = = P P 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0, =0,5 = =1 tg ϕ = 0 0,1 0, el el Rys Charakterystyki względnych zmian wartści skutecznej napięcia U i mcy czynnej P dbirnika rezystancyjn-indukcyjneg w funkcji kąta wysterwania tyrystrów ; U, P, ϕ - dpwiedni: napięcie, mc czynna i kąt przesunięcia fazweg przy zasilaniu dbirnika znaminwym napięciem sinusidalnym. Odbirnik rezystancyjn-indukcyjny (rys. 9.3) pbiera z sieci mc czynną, mierzną przez watmierz W (rys. 9.3) zgdnie z zależnścią (9.4), raz mc bierną i mc defrmacji, mierzne sumarycznie przez warmierz Var, zgdnie z zależnścią :

9 Q + D = UI sin ϕ, (9.8) 1 1 gdzie Q jest mcą bierną dbirnika. Kąt przesunięcia fazweg ϕ 1 w dbirniku rezystancyjn-indukcyjnym wynika zarówn z pbru mcy biernej Q, jak i z dkształcenia prądu. Współczynnik mcy λ wyznacza się z zależnści (9.6), przy czym mc pzrna jest w tym przypadku równa sumie gemetrycznej mcy czynnej, biernej i pzrnej dbirnika: S = P + Q + D. (9.9) 9.3. Niezbędne przygtwanie studenta Studentów bwiązuje znajmść materiału dtycząceg jednfazwych łączników i sterwników statycznych prądu przemienneg zawarteg w pzycjach [9.1 i 9.] Opis stanwiska labratryjneg Stanwisk labratryjne (rys. 9.7) jest wypsażne w układ jednfazweg łącznika statyczneg prądu przemienneg, który mże pracwać w trzech rdzajach sterwania: fazweg, impulsweg i kluczweg. Łącznik mże pracwać w układzie dwrtnie równległym bądź mstkwym (rys. 9.1). Układ jest zasilny z sieci za pśrednictwem transfrmatra separacyjneg Tr (rys. 9.7), dzięki czemu mżna m.in. dknywać bezpśredniej, tj. bez separacji galwanicznej, bserwacji przebiegów napięcia u = f(ωt) (dzielnik DN) i prądu dbirnika i = f(ωt) (bcznik prądwy B) na scylskpie. Włączne d bwdu przyrządy (rys. 9.7) pzwalają na pmiar napięcia zasilająceg(wltmierz V1), mcy czynnej (watmierz W), mcy biernej i pzrnej (warmierz Var) prądu (ampermierz A) raz napięcia na zaciskach dbirnika (wltmierz V) w funkcji zmian wielkści sterujących. Stanwisk umżliwia badanie dbirników charakterze rezystancyjnym, jak i rezystancyjnindukcyjnym różnych wartściach ilrazu L/R (9.7).

10 sterwanie fazwe sterwanie impulswe Osc sterwanie kluczwe L W Var A ŁT B Tr V1 V R L DN R N Rys Schemat układu labratryjneg d badania łączników ststycznych jednfazwych prądu przemienneg; Tr transfrmatr separacyjny, ŁT łącznik tyrystrwy, B bcznik prądwy, DN dzielnik napięciwy, R, L rezystancja i indukcyjnść dbirnika, Osc scylskp Prgram ćwiczenia Pmiary należy przeprwadzić dla wskazaneg przez prwadząceg układu płączeń sterwnika statyczneg, tj. dla układu dwrtnie równległeg alb układu mstkweg. Realizacja ćwiczenia bejmuje trzy następujące punkty. 1. Sterwanie fazwe. Należy dknać sterwania napięciem U = f(), prądem I = f(), mcą czynną P = f() raz dknać dczytu wskazań warmierza Var (rys. 9.7) w funkcji zmian kąta dla bciążenia: charakterze rezystancyjnym charakterze rezystancyjn-indukcyjnym, dla wskazanych przez prwadząceg dbirników. Pmiaru kąta należy dknać w parciu bserwację przebiegów na scylskpie. Zarejestrwać przykładwe przebiegi prądu i napięcia z ekranu scylskpu.. Sterwanie impulswe. Należy dknać bserwacji pracy dbirnika rezystancyjneg przy starwaniu impulswym, zmieniając współczynnik wypełnienia w całym zakresie mżliwści regulacyjnych sterwnika, tj. d zera

11 (dbirnik wyłączny) d 1 (przewdzenie ciągłe). Zabserwwać przebiegi prądu dbirnika na scylskpie i zarejestrwać przykładwe z nich. Zwrócić uwagę na wskazania warmierza Var (rys. 5.7) w całym zakresie sterwania impulsweg. 3. Sterwanie kluczwe. Dknać bserwacji starwania kluczweg, przełączając łącznik w pzycję załącz/wyłącz Opracwanie wyników badań 1. Wyniki pmiarów uzyskane w badaniu sterwania fazweg należy zestawić w tabelach, raz: bliczyć wartść współczynnika mcy λ (9.6) i cs ϕ 1 (9.4, 9.5, 9.8), przy załżeniu (9.3); wyniki zestawić w jednej tabeli wraz z rezultatami pmiarów, wykreślić funkcje: sterwania mcą P /P = f() raz napięcia U /U = f() dbirnika, na wzór wykresów z rys W parciu wyknane pmiary i bserwacje dknać prównania zalet i wad starwania fazweg i impulsweg, zwracając szczególną uwagę na: płynnść, dkładnść i zakres starwania, ddziaływanie przekształtnika na sieć zasilającą (dkształcenie przebiegów, wahania napięcia zasilająceg). 3. Dknać pdsumwania i wyciągnąć wniski wynikające z przeprwadznych pmiarów Literatura [9.1] Barlik R., Nwak M.: Technika tyrystrwa, WNT, Warszawa [9.] Markiewicz H.: Aparaty elektryczne, PWN, Warszawa, 1989.