Zakład Napędów Wieloźródłoch Instytut Maszyn Roboczych CięŜkich PW Laboratorium Elektrotechniki i Elektroniki Ćwiczenie E - instrukcja Zasilacze: prostowniki, prostowniki sterowane, stabilizatory Data konania ćwiczenia... Data oddania sprawozdania... Zespół konujący ćwiczenie: Nazwisko i imię ocena końcowa....... 2....... 3....... 4....... 5....... 6....... 7....... 8....... 9....... 0....... Wydział SiMR PW Rok ak. 20.../20... Semestr... Grupa... Warszawa 2007r.
Spis treści. Cel i zakres ćwiczenia 2. Wiadomości teoretyczne 3. Zagadnienia do opracowania 4. Literatura pomocnicza. Cel i zakres ćwiczenia Ćwiczenie ma na celu poznanie zasad działania i wielkości charakteryzujących: prostowniki, prostowniki sterowane i stabilizatory, to jest układy elektroniczne, które umoŝliwiają przekształcanie napięć i prądów z moŝliwością płynnej regulacji ich wartości (prostowanie), a takŝe uniezaleŝnienie (w ograniczonym zakresie) od wahań napięcia zasilającego i prądu obciąŝenia (stabilizatory). 2. Wiadomości teoretyczne 2.. Prostowniki niesterowane Prostowanie jest to proces, w niku którego z przebiegu mającego wartości dodatnie i ujemne otrzymuje się przebieg przybierający wartości tylko jednego znaku. Do realizowania poŝszego procesu stosuje się urządzenie dokonujące prostowania prostownik zawierający elementy prostownicze (przewaŝnie diody półprzewodniko). Podstawową cechą elementu prostowniczego jest charakterystyka napięciowo prądowa przebiegająca odmiennie dla dodatnich i ujemnych wartości napięć. Przykładową charakterystykę diody, jej aproksymację liniową i schemat zastępczy wraz z parametrami odbiornika przedstawia rys. gdzie: u - napięcie przemienne, w - dioda półprzewodnikowa jako łącznik półokreso o rezystancji r w, R, C - elementy odbiornika, u 2 - napięcie prostowane. Własności układu z prostownikami zaleŝą nie tylko od ich charakterystyk, ale i od parametrów obwodu zasilanego przez prostownik. Rys.. Charakterystyki diody i schemat zastępczy, a) charakterystyka, b) aproksymacja liniowa, c) schemat zastępczy: 2
W ogólnym przypadku schemat zastępczy obwodu z prostownikiem moŝna przedstawiæ zgodnie z rys.2. Rezystancja r jest sumą rezystancji szeregoch obwodu, a spadek napięcia na prostowniku reprezentuje dodatko źródło U. Jednofazo obwody prostowniko opisane takim schematem profilują kształt napięcia jściogo i warunki pracy zaleŝne od rodzaju obciąŝenia. Rys.2. Schemat zastępczy 2... ObciąŜenie rezystancyjne Przy rezystancyjnym obciąŝeniu obwodu prostownikogo napięcie jścio w czasie przewodzenia prostownika określa zaleŝność: R u 2 = U m sinϖt U R R + r R + r Prąd obciąŝenia jest równocześnie prądem prostownika i jego wartość chwilowa jest opisana zaleŝnością: Um U i 2 = i z = sinωt gdy prostownik nie przewodzi to i 2 = 0. R + r R + r Napięcie jścio jest więc napięciem pulsującym i moŝna je przedstawić jako: u 2 = U 2 + U sin( nωt + ϕ ) n= 2nm Wartość średnia napięcia prostowanego, po pominięciu spadku napięcia na elemencie prostującym jest następująca: n U 2 = a wartość skuteczna: U 2sk = 2π π 0 R 2 R u d( ωt) = U π R r π R r U m + = + 2 π R Um R U u2 dωt 2π ( ) = = R + r 2 R + r 2 0 Rys.3. Przebiegi napięć i prądów w obwodzie z prostownikiem przy obciąŝeniu rezystancyjnym 3
2..2. ObciąŜenie rezystancyjno pojemnościo Schemat zastępczy obwodu prostownikogo z obciąŝeniem rezystancyjno pojemnościom przedstawia rysunek 4. Opisanie takiego układu przeprowadza się przy pominięciu rezystancji r Rys.4 Schemat zastępczy prostownika i spadku napięcia U. Gdy napięcie zasilające ma zapis: u = 2 U sin ωt, to: u 2 = u sin ωt i i D = przy czym: Θ = arc tg ω RC Prostownik zaczyna przewodzić gdy napięcie jścio przekracza kondensatorze. Kąt z obciąŝeniem 2U R cosθ sin(ωt+θ), - kąt fazo obwodu obciąŝenia. wartość napięcia na R,C fazo, przy którym rozpoczyna się przewodzenie nazywa się kątem włączenia ϑ z = ωt. Prostownik przestaje przewodzić prąd, gdy napięcie na nim osiągnie wartość równą zeru. Oznaczając przez ϑ g - kąt łączenia prostownika uzyskuje się wartość kąta przewodzenia prostownika: λ = ϑ g - ϑ z. Gdy prostownik jest zamknięty, kondensator C ładowuje się przez rezystancję R zgodnie z zaleŝnością: otrzymuje się: u 2 = u 2 = u 2 (t 2 ) exp-(ωt - ϑ g )ctgθ, lub uwzględniając: ωt 2 = ϑ g = Θ = arc tg (-ωrc) 2 U sin Θ exp-(2π - λ)ctgθ. Ponowne włączenie prostownika następuje po zrównaniu się napięcia kondensatora z napięciem zasilającym. W stanie ustalonym pracy obwodu prostownikogo wartość ta jest równa: U 2 (0) = 2 U sin Θ exp-(2π - λ) ctgθ. Przebiegi napięć i prądów w obwodzie prostownikom o obciąŝeniu R,C przedstawia rysunek 5. Rys.5. Przebiegi napięć i prądów w obwodzie prostownikom z obciąŝeniem R,C 4
2..3. ObciąŜenie rezystancyjno indukcyjne (połączenie szerego) Schemat zastępczy prostownika przy obciąŝeniu R,L oraz przebiegi napięć przedstawiają rysunki 6 i 6..: Rys.6. Schemat zastępczy Rys.6.. Przebiegi napięć Rozpatrując poŝszy obwód przy pominięciu rezystancji r i spadku napięcia U, przy napięciu zasilania u = 2 U sin ωt i D = 2U R cos Θ 2 [sin(ωt-θ 2 ) + sin Θ 2 exp-(ωt ctgθ 2 )] oraz u 2 = 2 U sin ωt, gdzie: Θ 2 = arc tg (ωl/r). Włączenie prostownika następuje przy t = 0, natomiast prąd przestaje płynąć w obwodzie w chwili, gdy sem samoindukcji równowaŝy napięcie jścio. Wartość średnią prądu obciąŝenia moŝna zapisać jako: i D = 2 2πR U ( - cosλ). Układy prostowniko mogą pracować równieŝ, gdy obciąŝenie stanowi odbiornik o charakterze R,L przy elementach połączonych równolegle. 2..4. Wielofazo układy prostowniko Wielofazo układy prostowniko są to układy, w których prąd w obwodzie jściom równy jest sumie prądów dwóch lub większej liczby prostowników. Prostowniki te są zasilane napięciami przemiennymi, przesuniętymi względem siebie w fazie o kąt ϕ = 2π/m, przy czym: m - liczba prostowników lub faz. Przy obciąŝeniu rezystancyjnym prądy poszczególnych prostowników mają charakter impulsów o przebiegu: i k = 2U 2 t R sin( ω π m k ), gdzie: U - wartość skuteczna napięcia zasilania, R - rezystancja całkowita obwodu, m - liczba prostowników (faz), k - kolejny numer prostownika. Przebieg impulsów prądoch prostowników w układzie jednofazom pełno okresom (m=2) moŝna przedstawić w postaci szeregu Fouriera: i,2 = 2U 2 2 ( + sinωt cos2ωt cos 4ωt...) R π 2 3π 5π 5
Wartość chwilową napięcia prostowanego takiego prostownika opisuje zaleŝność: u = u + u 2 = R (i + i 2 ) = 2 2 2 2 U ( cos2ωt cos 4ωt...), π 3 5 wartość średnią: U śr = a skuteczną: U sk = 2π 2π 0 2 2 ud( ωt) = U, π π 2 ( 2U sin ωt) d( ωt) U π =. 0 Układ do prostowania jednofazogo pełno okresogo przedstawia rysunek 7, a przebiegi prądów i napięć w obwodzie obciąŝonym rezystancją rysunek 7.. Rys.7. Pełno okreso układ prostowniko Rys. 7.. Przebiegi prądów i napięć Prostowanie pełno okreso moŝna realizować równieŝ i w innych układach, np. w mostkom układzie Graetza (Rys.8). Przebiegi prądów i napięć są identyczne jak w układzie przedstawionym Ŝej Prostowniki wielofazo i pełno okreso mogą zasilać obwody o charakterze rezystancyjnym, rezystancyjno pojemnościom, a takŝe rezystancyjno indukcyjnym w połączeniach szeregoch i równoległych. Rys.8 Prostowniko układ mostko 2.2. Prostowniki sterowane Sterowane elementy prostowniko - głównie tyrystory - są podstawomi elementami układów regulacyjnych. RóŜnica w stosunku do prostowników niesterowanych polega na moŝliwoœci regulacji prądu i napięcia prostowanego, przez zmianę kąta otwarcia (przewodzenia) prostownika. Otwieranie prostowników w zakresie napięć dodatnich odbywa się przez wprowadzenie do obwodu sterującego sygnału napięciogo lub prądogo o wartości określonej charakterystyką danego prostownika. Rodzaj i kształt sygnałów sterujących zaleŝy od prostownika i charakteru obciąŝenia. 6
Prostowniki sterowane są zasilane napięciem przemiennym. Wyłączenie prostownika następuje w chwili, gdy napięcie na nim uzyskuje wartość równą zeru, lub gdy prąd prostownika uzyska wartość mniejszą od niezbędnej do podtrzymania jego przewodzenia. Tyrystor - sterowana dioda krzemowa jest przyrządem półprzewodnikom o strukturze p-n-p-n. Dopóki do elektrody sterującej (bramki) nie zostanie doprowadzony impuls prądu, tyrystor pozostaje w stanie zaporom, niezaleŝnie od znaku napięcia anoda - katoda. Przy dodatnich napięciach anoda - katoda tyrystor wprowadza się w stan przewodzenia przez doprowadzenie do bramki napięcia dodatniego względem katody. W stanie przewodzenia obwód traci własności sterownicze, a charakterystyka prądowo-napięciowa obwodu jest prawie identyczna z charakterystyką diody krzemoj, spolaryzowanej w kierunku przewodzenia. Strukturę oraz charakterystykę prądowo-napięciową tyrystora przedstawia rysunek 9. Rys.9. Struktura i charakterystyka tyrystora 2.2.. Prostownik sterowany z obciąŝeniem rezystancyjnym Układ jednofazogo prostownika sterowanego o obciąŝeniu rezystancyjnym oraz przebiegi prądów i napięć przedstawiono na rysunku 0 Rys.0. Prostownik sterowany: schemat ideo i przebiegi napięć 7
Przy braku impulsów sterujących w obwodzie bramki tyrystor nie przewodzi prądu. Wyzwolenie tyrystora impulsem prądom moŝe nastąpić tylko w czasie dodatniej półsinusoidy napięcia. Z rysunku 0 nika, Ŝe im wcześniej nastąpi zwolenie tyrystora, tym większe są średnie wartości prądu i napięcia prostowanego. Tyrystor moŝe być sterowany najwcześniej w chwili odpowiadającej początkowi dodatniej półfali napięcia zasilającego. Kąt liczony od tej chwili do chwili zwolenia tyrystora nazywa się kątem opóźnienia włączenia. Dla czasu przechodzenia sinusoidy napięcia przez zero, tyrystor przechodzi w stan zaporo i moŝe być wlączony ponownie impulsem sterującym przy dodatniej półfali napięcia następnego cyklu. Zmieniając kąt opóźnienia moŝna regulować napięcie prostowane od zera do pełnej wartości średniej, jak w przypadku prostownika niesterowanego. Średnią wartość napięcia dla danego kąta oblicza się z zaleŝności: U 2śr = π 2π Um sin ωtd ( ωt) = Um( + cos α ). 2π α 2.2.2. Prostownik sterowany z obciąŝeniem rezystancyjno indukcyjnym Układ jednofazogo prostownika sterowanego o obciąŝeniu rezystancyjno indukcyjnym oraz przebiegi napięć i prądu przedstawia rysunek Rys.. Jednofazo prostownik sterowany: Rys.. Jednofazo prostownik sterowany, schemat ideo i przebiegi napięć przy obciąŝeniu rezystancyjno indukcyjnym W prostowniku sterowanym z indukcyjnością w obwodzie przebiegi prądu i proporcjonalnego do niego napięcia na odbiorniku rezystancyjnym są zniekształconą sinusoidą. Indukcyjność obwodu, podobnie jak w prostownikach niesterowanych łagodzi przebieg narastania prądu oraz powoduje wzrost czasu jego przepływu przez tyrystor. Przewodzenie prądu odbywa się częściowo przy ujemnej półfali napięcia zasilającego. W celu zachowania ciągłości przepływu prądu w obwodzie obciąŝenia włącza się diodę gaszącą w sposób podany przykładowo na rysunku 2 8
Rys.2. Prostownik sterowany z indukcyjnością i diodą gaszącą oraz przebiegi napięć Schemat bloko przykładogo układu sterowania prostowników sterowanych oraz przebiegi jaśniające zasadę jego działania przedstawia rysunek 3 Rys.3. Schemat bloko przykładogo układu sterowania tyrystorów. G generator napięcia piłokształtnego, K generator impulsów sterujących, P prostownik sterowany 2.3. Stabilizatory Stabilizatorem nazywa się urządzenie, którego zadaniem jest utrzymywanie stałych wartości branych parametrów elektrycznych: np. prądu lub napięcia, zarówno stałych i przemiennych. W niniejszej instrukcji omawia się jedynie stabilizację związaną z prądem stałym i dotyczy ona stałości napięcia (w załoŝonych granicach) podczas zmieniającego się napięcia zasilania i prądu obciąŝenia. Stabilizatory dzielą się na parametryczne, kompensacyjne i mieszane: parametryczne pracują na zasadzie zmiany parametrów elementu stabilizującego w funkcji napięcia lub prądu. Zmiany te przeciwdziałają zmianom wielkości stabilizowanej. Stabilizatorami parametrycznymi są elementy nielinio, a między innymi baretery, termistory, 9
kompensacyjne pracują na zasadzie porównywania wartości napięcia stabilizowanego i przyjętego napięcia odniesienia. Zaistniała róŝnica tych napięć powoduje automatyczną regulację napięcia jściogo; mieszane pracują przy uŝyciu elementów stabilizacji parametrycznej i elementów stabilizacji kompensacyjnej. Zmiany napięcia U 2 zasilającego odbiornik R o mogą być minimalizowane przy pomocy stabilizatora włączonego między napięcie zasilania U i odbiornik. W najprostszym przypadku, układ tego rodzaju moŝe być zbudowany Rys.4. Idea stabilizacji napięcia z dwóch rezystorów, z których jeden musi być nielinio lub automatycznie regulowany. Na rysunku 4, R o jest obciąŝeniem, a R 2 rezystancją nieliniową. NaleŜy dobrać takie warunki pracy, aby przy zmianie napięcia zasilającego U napięcie U 2 stępujące na odbiorniku pozostawało niezmienne np. z tolerancją (0,5 )%. Jakość stabilizacji napięcia określana jest współczynnikiem stabilizacji napięcioj określonym jako: K u = U U U : lub K u = du U du gdzie: U, U napięcia na jściu i jściu stabilizatora, a U, U przyrosty tych napięć. Analogicznie określa się stabilizację prądu: K i = di di I I Stabilizatory powinny pracować z duŝą dynamiką i nie mogą wprowadzać sygnałów (prądów i napięć) zakłócających. Wahania napięcia jściogo lub prądu obciąŝenia mogą mieć charakter tętniący lub zmieniającej się składoj stałej. Schemat bloko zasilacza stabilizowanego przedstawia rysunek 5, a przykłado filtr pojemnościowo indukcyjny dodatkowo ograniczający tętnienia rysunek 6. U U Rys.5. Schemat bloko zasilacza stabilizowanego 0
Rys.6. Przykłado filtr pojemnościowo indukcyjny Przedstawiony prostownik posaŝony w filtr ograniczający tętnienia napięcia prostowanego w prostowniku i stabilizator napięcia, ma za zadanie utrzymywanie stałej wartości napięcia na jściu (U ) niezaleŝnie od wahań (w określonym zakresie) napięcia jściogo (U ) oraz prądu obciąŝenia (I o ). Traktując napięcie jścio stabilizatora jako funkcję dwóch zmiennych: U = f(u, I o ) moŝna znaczyć przyrost tego napięcia przy zadanych przyrostach zmiennych niezaleŝnych napięcia i prądu z zaleŝności: U U U = U + I0 U I Występujące pochodne cząstko w zaleŝności zwanej równaniem stabilizacji, stanowią dwa podstawo parametry stabilizatora: U U U I o I o = const. U = const. = F u - dynamiczny współczynnik stabilizacji napięcia, = R - dynamiczna rezystancja jściowa. Pierwszy współczynnik określa wpływ zmian napięcia jściogo przy stałym obciąŝeniu, a drugi - wpływ zmian prądu obciąŝenia przy stałej wartości napięcia jściogo. Do porównywania jakości stabilizacji napięcia (prądu) słuŝy współczynnik stabilizacji napięcia (prądu) opisany jako: K u = U U U U. I o = const 0
2.3.. Elementy stabilizujące Dioda Zenera Dioda Zenera jest krzemową diodą warstwową o ściśle określonych wartościach napięcia przebicia. MoŜe pracować w sposób ciągły w stanie przebicia, przy ograniczeniu prądu za pomocą szeregowo włączonych rezystorów. Charakterystykę prądowo-napięciową diody Zenera ilustruje rysunek 7. Parametrami charakterystycznymi diod Zenera w obszarze przebicia są: rezystancja dynamiczna oraz maksymalna i minimalna wartość prądu. Prąd maksymalny jest ograniczony dopuszczalną mocą diody. Produkowane współcześnie diody Zenera mają napięcie znamiono w granicach od części wolta do 200 V oraz moc znamionową Rys.7. Charakterystyka od ułamków wata do kilku watów. diody Zenera Bareter. Bareteter jest rezystorem o duŝym dodatnim współczynniku temperaturom i słuŝy do stabilizacji prądu. Wykonywany jest w postaci spiralnego włókna Ŝelaznego lub wolframogo umieszczonego w bańce szklanej w atmosferze wodoru. Wodór zapewnia duŝą przewodność cieplną. Podczas przepływu prądu elektrycznego przez włókno baretera jego rezystancja wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. Rysunek 6 przedstawia bareter stosowany do stabilizacji prądu i jego charakterystykę. Wskutek chłodzenia włókna przez przewodnictwo i konkcję gazu charakterystyka I = f(u) przebiega nieliniowo. W celu stabilizacji prądu za pomocą baretera naleŝy włączyć go szeregowo do obwodu o stabilizowanym prądzie-rysunek 9. Baretery moŝna równieŝ stosować jako stabilizatory napięcia W tym celu szeregowo z bareterem włącza się rezystor o rezystancji R znacznie mniejszej od równolegle dołączonej doń rezystancji Rys.8. Bareter i jego charakterystyka odbiornika R o. W tym przypadku bareter ustala wartość prądu płynącego przez rezystancję R, a zmiana rezystancji R o jako duŝej, minimalnie wpływa na wartość napięcia stabilizowanego (U ). 2
Rys.9. Bareter w obwodzie stabilizowanym prądowo i ilustracja jego pracy 2.3.2.Przykłado układy stabilizatorów Układy stabilizatorów realizuje się jako szerego lub równoległe. Podstawo schematy obrazują rysunki 20 i 2. Rys.20.Stabilizator w układzie szeregom Rys.2. Stabilizator w układzie równoległym KaŜdy z układów zawiera elementy: nielinio (zwany regulacyjnym) i linio. Stabilizator moŝe być kompensacyjny lub parametryczny zaleŝnie od tego, czy element regulacyjny jest sterowany. Przykładową realizacją parametrycznego stabilizatora napięcia w układzie równoległym przedstawiono na rysunku 22. Rys. 22. Stabilizator parametryczny i jego aproksymacja Układ ten składa się z rezystora liniogo, elementu regulacyjnego niesterowanego w postaci diody Zenera oraz rezystancji obciąŝenia R o. W celu znaczenia parametrów układu moŝna zastosować dwuodcinkową linearyzację (aproksymację) charakterystyki prądowonapięcioj diody i zastąpić stabilizator obwodem liniom - rysunek 23. 3
U = Rys. 23. Zlinearyzowany element Główną wadą tego typu stabilizatorów jest ich mała sprawność. Napięcie źródła zastępczego U z jest napięciem progom diody Zenera o określonej rezystancji dynamicznej. Dla układu zastępczego otrzymuje się zaleŝność: R R r U rz R r U rz R R r I z + + + + z o. Przykłado schemat stabilizatora kompensacyjnego w układzie szeregom przedstawia rysunek 24. Rys.24. Kompensacyjny stabilizator napięcia w układzie szeregom Sygnał sterujący doprowadzony do elementu regulacyjnego uzyskiwany jest na drodze ciągłego porównywania napięcia jściogo z napięciem wzorcom. KaŜda zmiana napięcia jściogo twarza sygnał błędu, który po wzmocnieniu oddziałuje na element regulacyjny w taki sposób, aby zmiana napięcia została skompensowana. W układzie praktycznym elementem regulacyjnym jest tranzystor T. Tranzystor T2 spełnia funkcje elementu porównującego i wzmacniającego. Dioda Zenera utrzymując stały potencjał emitera tranzystora T2 jest źródłem napięcia wzorcogo. Napięcie emiter-baza tranzystora T2 stanowi róŝnicę między napięciem wzorcom stępującym na diodzie Zenera a napięciem porównywanym, pobranym z dzielnika napięcia jściogo R /R 2. Ta róŝnica stanowi sygnał błędu, który po wzmocnieniu sterowuje tranzystor T. Sprawność stabilizatorów kompensacyjnych szeregoch dochodzi do (60 70)%. 4
3. Zagadnienia do opracowania. Właściwości elementów prostownikoch 2. Właściwości układów jedno i dwu połówkogo prostowania 3. Elementy C i L w układach prostownikoch 4. Zasady regulacji wartości średnich prądu i napięcia w obwodach ze sterowanymi układami prostownikomi 5. MoŜliwości zastosowania prostowników sterowanych w obwodach zasilania silników prądu stałego 6. Cel i zasady stabilizacji napięcia prądu 7. Podstawo parametry elementów i układów stabilizujących 4. Literatura pomocnicza. Notatki z kładu Elektrotechnika i Elektronika 2. Elektrotechnika i elektronika dla nieelektryków praca zbiorowa WNT 3. Układy elektroniczne w automatyce napędoj; H. Tunia, B. Winiarski, WNT 4. Układy tyrystoro; J. Luciński, WNT 5. Miernictwo teleelektryczne; M. Łapiński, WKiŁ Opracował: dr inŝ. P. Majewski 5