. Wiadomości ogólne o prostownikach niesterowalnych Układy prostownikowe niesterowalne są przekształtnikami statycznymi. Średnia wartość napięcia wyprostowanego, a tym samym średnia wartości prądu i mocy czynnej odbiornika, jest wielkością stałą, zaleŝną jedynie od wartości napięcia zasilającego i obciąŝenia układu. Ich działanie opiera się na wykorzystaniu diod prostowniczych. Odpowiednie połączenie diod warunkuje o sposobie prostowania napięcia. WyróŜniamy pod tym względem prostowanie jedno- i dwupołówkowe. Pod względem ilości faz napięcia zasilania wyróŝniamy układy prostownicze jedno- i trójfazowe. W badany przez nas układ jest prostownikiem trójfazowym z zastosowanym filtrem biernym LC w układzie σ (gamma). 2. Schemat ideowy układu pomiarowego
Tabela 2. Wzory obliczeniowe do Tabeli. Lp. Wielkość mierzona i obliczona Oznaczenie Obliczenia i pomiary do kolumny pomiarów Uwagi 2 3 4 5 Prąd wyprostowany w obciąŝeniu wartość średnia przebiegu (AV) I d AV [A] Wartość odczytana z przyrządu 2 Prąd wyprostowany w obciąŝeniu wartość I d RMS [A] Wartość odczytana z przyrządu 3 Prąd wyprostowany w obciąŝeniu wartość skuteczna składowej zmiennej I AC RMS [A] Wartość odczytana z przyrządu przebiegu (AC-RMS) 4 Napięcie wyprostowane w obciąŝeniu wartość średnia przebiegu (AV) U d AV [V] Wartość odczytana z przyrządu 5 Napięcie wyprostowane w obciąŝeniu wartość U d RMS [V] Wartość odczytana z przyrządu 6 Napięcie wyprostowane w obciąŝeniu wartość skuteczna składowej zmiennej przebiegu (AC-RMS) U AC RMS [V] Wartość odczytana z przyrządu 7 Pulsacja prądu wyprostowanego w Wartość odczytana z oscyloskopu i I obciąŝeniu (peak peak) pp [A] przeliczona do wartości rzeczywistej 8 Względna pulsacja prądu wyprostowanego w obciąŝeniu (peak peak) I pp% [A] I pp% = ( I pp /I d AV )*% 9 Pulsacja napięcia wyprostowanego w Wartość odczytana z oscyloskopu i U obciąŝeniu (peak peak) pp [A] przeliczona do wartości rzeczywistej Względna pulsacja napięcia wyprostowanego w obciąŝeniu (peak peak) U pp% [A] U pp% = ( U pp /U d AV )*% Prąd w jednym elemencie wartość średnia przebiegu (AV) I a AV [A] Wartość odczytana z przyrządu Prąd w jednym elemencie wartość 2 I a RMS [A] Wartość odczytana z przyrządu Prąd fazy L zasilający wartość 3 średnia przebiegu (AV) I fs AV [A] Wartość odczytana z przyrządu Prąd fazy L zasilający wartość 4 I fs RMS [A] Wartość odczytana z przyrządu Prąd fazy L2 zasilający wartość 5 I fs2 RMS [A] Wartość odczytana z przyrządu Prąd fazy L3 zasilający wartość 6 I fs3 RMS [A] Wartość odczytana z przyrządu 7 8 9 2 2 Średnia wartość (z trzech faz) prądu zasilającego wartość skuteczna przebiegu (RMS) Napięcie fazowe fazy L wartość Napięcie fazowe fazy L2 wartość Napięcie fazowe fazy L3 wartość Średnia wartość (z trzech faz) napięcia zasilającego wartość skuteczna przebiegu (RMS) I fs RMS [A] I fs RMS = (I fs RMS + I fs2 RMS + I fs RMS )/3 U fs RMS [V] U fs2 RMS [V] U fs3 RMS [V] Wartość odczytana z przyrządu Wartość odczytana z przyrządu Wartość odczytana z przyrządu U fs RMS [V] U fs RMS = (U fs RMS + U fs2 RMS + U fs RMS )/3 22 Moc czynna fazy zasilającej L P S [W] Wartość odczytana z przyrządu 23 Moc czynna fazy zasilającej L2 P S2 [W] Wartość odczytana z przyrządu 24 Moc czynna fazy zasilającej L3 P S3 [W] Wartość odczytana z przyrządu NaleŜy uwzględnić konfigurację prostownika NaleŜy uwzględnić konfigurację prostownika
25 Moc czynna pobrana z transformatora P S [W] P S = P S + P S2 + P S3 26 Moc pozorna pobierana z transformatora. S S RMS VA transformer rating S S RMS [VA] S S RMS = 3* U fs RMS * I fs RMS 27 Współczynnik mocy energii pobranej cos φ [ ] z transformatora cos φ cos φ = P S / S S RMS Moc średnia (wartość średnia) na 28 obciąŝeniu. P d AV the average load P d AV [W] P d AV = U d AV * I d AV power. 29 Moc skuteczna na obciąŝeniu. P d RMS total load power. P d RMS [W] P d RMS = U d RMS * I d RMS 3 Współczynnik kształtu napięcia wyprostowanego na obciąŝeniu. FF U - FF U FF U = U d RMS / U d AV form factor of the load voltage. 3 Współczynnik kształtu prądu wyprostowanego na obciąŝeniu. FF I - FF I FF I = I d RMS / I d AV form factor of the load current. 32 Współczynnik pulsacji napięcia wyprostowanego na obciąŝeniu. RF U RF U RF U = U AC RMS / U d AV ripple factor of the load voltage. 33 Współczynnik pulsacji prądu wyprostowanego na obciąŝeniu. RF I ripple factor of the load current. RF I RF I = I AC RMS / I d AV 34 35 36 37 Sprawność przekształcania energii prądu stałego. η R the efficiency of rectification. Stopień wykorzystania transformatora. UF the utility factor of the transformer. Współczynnik wygładzania napięcia na obciąŝeniu, w układzie z filtrem. EF U elimination factor of the voltage harmonics.. Współczynnik wygładzania napięcia na obciąŝeniu, w układzie z filtrem. EF I elimination factor of the voltage harmonics. η R η R = P d AV / (P d RMS + 6*,525) UF EF U EF I UF = FF U / FF I EF U = FF U / FF Uf EF I = FF I / FF If Dla n=6 elementów półprzewodnikowych FF Uf współczynnik dla układu z filtrem FF If współczynnik dla układu z filtrem
4. Zestawienie charakterystyk eksploatacyjnych badanego prostownika z filtrem i bez filtra Tabela 3. Zestawienie funkcji regresji wielomianowej dla charakterystyk eksploatacyjnych prostownika badanego z wybranym typem filtra biernego. Typ układu prostowniczego: niesterowalny prostownik trójfazowy Typ filtra biernego: LC w układzie σ (gamma) Napięcie zasilające: U S =const. ObciąŜenie układu: rezystancyjne, R O =var. Lp. Charakterystyka eksploatacyjna Stan złącz filtra Wielomian funkcji regresji Postać ogólna Wsp. Regresji y = A + B*x + C*x^2 + D*x^3 R 2 3 4 5 6 2 3 4 5 Współczynnik kształtu napięcia wyprostowanego na obciąŝeniu. FF U = f(i d AV ) Współczynnik kształtu prądu wyprostowanego na obciąŝeniu. FF I = f(i d AV ) Współczynnik pulsacji napięcia wyprostowanego na obciąŝeniu. RF U = f(i d AV ) Współczynnik pulsacji prądu wyprostowanego na obciąŝeniu. RF I = f(i d AV ) Sprawność przekształcania energii prądu stałego. η R = f(i d AV ) A,3544 B -,365 C,494 A, B C A 5,33978 B -5,72452 C 2,8539 D -,2247 A 3,8334 B -3,2298 C,29689 D -,469 A,43 B -,85 C,8986 D -,85 A,62379 B -,37778 C,42 D -,59 A 7,39 B -6,665 C 2,2679 D -,2294 A 8,84386 B -9,4792 C 3,54898 D -,37748 A -,9 B,288 C -,3479 D,334 A,425 B,288 C -,53692 D,692,8,,963,97,999,564,993,985,965,98 Uwagi
6 7 8 Stopień wykorzystania transformatora. UF = f(i d AV ) Współczynnik wygładzania napięcia na obciąŝeniu, w układzie z filtrem. EF U = f(i d AV ) Współczynnik wygładzania napięcia na obciąŝeniu, w układzie z filtrem. EF I = f(i d AV ) A -,3352 B,33398 C -,55942 D,695 A,52 B,665 C -,587 D,67 A,269 B -,322 C,447 A, B C A,69399 B -,49929 C,67 A, B C,93,956,749,,9, Rząd funkcji wielomianowej uŝytej w regresji wyznaczony został empirycznie. Dla kaŝdej z grupy przebiegów wybrany został najmniejszy rząd wielomianu dający współczynnik regresji R moŝliwie najbliŝszy jedności.
Wspolczynnik ksztaltu napiecia FFu,2,8,6,4,2 2 3 4 5 6 7 8 Współczynnik kształtu napięcia wyprostowanego na obciąŝeniu. FF U = f(i d AV ) Wspolczynnik ksztaltu pradu FFi 4 3 2 2 3 4 5 6 7 8 Współczynnik kształtu prądu wyprostowanego na obciąŝeniu. FF I = f(i d AV )
Wspolczynnik pulsacji napiecia RFu,8,6,4,2 2 3 4 5 6 7 8 Współczynnik pulsacji napięcia wyprostowanego na obciąŝeniu. RF U = f(i d AV ) Wspolczynnik pulsacji pradu RFi 5 4 3 2 2 3 4 5 6 7 8 Współczynnik pulsacji prądu wyprostowanego na obciąŝeniu. RF I = f(i d AV )
Sprawnosc przeksztalcania energii nr,75,5,25 2 3 4 5 6 7 8 Sprawność przekształcania energii prądu stałego. η R = f(i d AV ) Stopien wykozystania transformatora UF,75,5,25 2 3 4 5 6 7 8 Stopień wykorzystania transformatora. UF = f(i d AV )
Wspolczynnik wygladzenia napiecia EFu,25,75,5,25 2 3 4 5 6 7 8 Współczynnik wygładzania napięcia na obciąŝeniu, w układzie z filtrem. EF U = f(i d AV ) Wspolczynnik wygladzenia pradu EFi,25,75,5,25 2 3 4 5 6 7 8 Współczynnik wygładzania napięcia na obciąŝeniu, w układzie z filtrem. EF I = f(i d AV )
ObciąŜenie 7. Z filtrem; 2mV/cm, 5ms/cm ObciąŜenie 7 Bez filtra; 5mV/cm, 5ms/cm ObciąŜenie 7. Z filtrem;,v/cm, 5ms/cm ObciąŜenie 7. Bez filtra;,v/cm, 5ms/cm ObciąŜenie 7. Z filtrem;,v/cm, 5ms/cm ObciąŜenie 7. Bez filtra;,v/cm, 5ms/cm ObciąŜenie 7. Z filtrem; 5mV/cm, 5ms/cm ObciąŜenie 7. Bez filtra; 5mV/cm, 5ms/cm
ObciąŜenie. Z filtrem; 2mV/cm, 5ms/cm ObciąŜenie. Bez filtra; 2mV/cm, 5ms/cm ObciąŜenie. Z filtrem;,2v/cm, 5ms/cm ObciąŜenie. Bez filtra;,v/cm, 5ms/cm ObciąŜenie. Z filtrem;,2v/cm, 5ms/cm ObciąŜenie. Bez filtra;,v /cm, 5ms/cm ObciąŜenie. Z filtrem; mv/cm, 5ms/cm ObciąŜenie. Bez filtra; 2mV/cm, 5ms/cm
5. Wnioski W ćwiczeniu badaliśmy niesterowalny falownik statyczny. Na podstawie charakterystyk wyprostowanych wielkości prądu, napięcia i mocy oraz wyznaczonych parametrów przebiegów na obciąŝeniu (bezwzględna i względna pulsacja peak to peak) moŝemy zaobserwować zachowanie się układu prostowniczego w zaleŝności od wartości obciąŝenia. Na oscylogramach widać jest wyraźnie działanie biernego filtra LC. ZaleŜność ta jest najbardziej zauwaŝalna dla małych wartości obciąŝenia. Otrzymane metodą regresji wielomianowej charakterystyki eksploatacyjne falownika niesterowalnego zwracają uwagę na duŝą nieliniowość sprawności i obciąŝenia transformatora dla szeregu wartości obciąŝenia. Porównując ze sobą powyŝsze charakterystyki zauwaŝymy, Ŝe dla największego obciąŝenia transformatora układ uzyskuje najgorszą sprawność energetyczną.