Laboratorium Podstaw Elektroniki

Laboratorium Podstaw Elektroniki

Nr ćwiczenia 5

Temat ćwiczenia: Energoelektronika – układy prądu stałego

Nazwisko i Imię prowadzącego kurs: Dr inż. Krzysztof Tomczuk

Wykonawcy Imię i Nazwisko:	Małgorzata Bielewicz, Kamil Bąkowski, Maria Jura
Termin zajęć: dzień tygodnia, godzina	17.12.2013, wtorek TN, 9:15
Numer grupy ćwiczeniowej	16A
Data oddania sprawozdania:	14.01.2014
Ocena końcowa

Zatwierdzam wyniki pomiarów.

Data i podpis prowadzącego zajęcia ............................................................

Adnotacje dotyczące wymaganych poprawek oraz daty otrzymania poprawionego sprawozdania

WSTĘP TEORETYCZNY

Energoelektronika jest działem elektroniki, zajmującym się projektowaniem i stosowaniem układów elektronicznych dużej mocy. Swoim zakresem obejmuje urządzenia, elementy półprzewodnikowe dla których zakres energii znajduje się

w przedziale kilku (W; MW).

Do regulacji mocy elektrycznej prądu stałego dostarczonej do obciążenia stosuje się wiele metod. Najprostszą z metod regulacji jest użycie szeregowego rezystora redukcyjnego:

B1 – źródło napięciowe prądu stałego

RL – rezystancja obciążenia

R1 – szeregowy rezystor redukcyjny

Do zalet takiego układu należy prosta konstrukcja, do wad – mała sprawność.

Do regulacji mocy można wykorzystać metodę tzw. sterowania PWM (Pulse Width Modulation –
z regulacją impulsów). W takim układzie elementem wykorzystywanym do regulacji mocy jest tzw. element kluczujący (pot.: klucz), którym może być np. przekaźnik. W praktyce jednak częściej używa się elementów półprzewodnikowych – tranzystorów bipolarnych lub polowych.

REG – układ sterowania załączaniem klucza

Załączenie klucza (wyłączenie) następuje gdy na wyjściu bloku REG mamy stan wysoki, gdy jest on niski mamy do czynienia z wyłączeniem (rozwarciem) klucza.

Współczynnik wypełnienia D:

$$D = \left( \frac{T_{\text{ON}}}{T_{\text{ON}} + \ T_{\text{OFF}}} \right) \bullet 100\%$$

T_ON – długość czasu załączenia klucza

T_OFF – długość czasu wyłączenia klucza

W stanie rozwarcia do obciążenia dostarczane jest 0% mocy maksymalnej P_max,

w stanie zwarcia klucza przeciwnie – moc na obciążeniu wynosi 100% P_max. Sterując momentem załączenia i wyłączenia klucza można płynnie regulować wartość mocy dostarczanej do obciążenia. Oczywiście należy robić to odpowiednim sposobem który może być zależny m.in. od charakterystyki układu, charakteru obciążenia itd.

Działanie PWM można omówić na przykładzie urządzenia z silnikiem. Można zauważyć, że wielokrotnie włączając i wyłączając takie urządzenie w ciągu sekundy silnik nie zdąży się rozpędzić do maksymalnych obrotów (rozpędza się zbyt wolno). Jeśli odetniemy prąd zanim osiągnie maksymalną ilość obrotów będzie się kręcił wolniej i zwalniał, aż do momentu ponownego włączenia – w ten sposób można regulować jego prędkość. Działanie PWM polega dokładnie na tym, że im dłużej silnik jest włączony w ciągu sekundy, tym szybciej się kręci, a jeśli dłużej trwa czas wyłączenia tym wolniej.

Z fizycznego punktu widzenia działanie PWM polega na tym, aby dostarczyć mniejszą ilość energii elektrycznej do urządzenia w przeciągu jakiegoś czasu.

CEL ĆWICZENIA

W części pierwszej: sprawdzenie czy dla P_max istnieje sens stosowania sterowania PWM (z regulacją szerokości impulsów).
W części drugiej: dla częstotliwości sygnału sterowania: 20Hz, 200Hz, 2kHz, 20kHz wykonać pomiary zależności prędkości obrotowej wentylatora od współczynnika wypełnienia, a także wykonać pomiar mocy dostarczonej do wentylatora w zależności od współczynnika wypełnienia. Wykonać wykresy dla obu zależności.
CZĘŚĆ I
1. SCHEMAT UKŁADU POMIAROWEGO NR 1

Zasilacz prądu stałego
Oscyloskop
Układ żarówka- rezystor redukcyjny
Układ żarówka-rezystor typu PWM
Multimetr
1. WYNIKI POMIARÓW
  
  U _zasilacza = 13,4 V

Tabela . Zestawienie danych pomiarowych

L.p.	I	U	P	I_PWM	U_PWM	P_PWM
	A	V	W	A	V	W
1.	0,7	2,4	1,68	0,2	2,3	0,46
2.	0,9	3	2,70	0,3	3,03	0,91
3.	1,11	4,8	5,33	0,56	4,8	2,69
4.	1,29	6,5	8,39	0,89	6,7	5,96
5.	1,48	8,55	12,65	1,26	8,6	10,84
6.	1,7	11,12	18,90	1,76	10,7	18,83
7.	1,8	12,45	22,41	-	-	-

PRZYKŁADOWE OBLICZENIA

Obliczanie mocy ze wzoru : P = U * I

dla I = 0,7 A ; U = 2,4 V

P = 0, 7 * 2, 4 = 1, 68 W

CZĘŚĆ II
1. SCHEMAT UKŁADU POMIAROWEGO NR 2

Zasilacz prądu stałego
Regulator mocy
Wentylator
Oscyloskop
1. WYNIKI POMIARÓW

Dla częstotliwości sygnału 20 Hz

Tabela . Zestawienie wyników pomiarowych oraz obliczeniowych dla częstotliwości sygnału 20 Hz (rosnące D_prawdziwe)

D mierzone	D prawdziwe	Amplituda	I	U	P	f	η₁
-	-	V	A	V	W	Hz	obr/min
100%	0%	12	0,06	11,9	0,714	0	0
95%	5%	12	0,07	11,9	0,833	8,3	498
80%	20%	12	0,3	11,9	3,57	42,7	2562
70%	30%	12	0,45	11,9	5,355	63,6	3816
60%	40%	12	0,69	11,9	8,211	82,1	4926
50%	50%	12	1,1	11,9	13,09	102	6120
40%	60%	12	1,48	11,9	17,612	112,7	6762
30%	70%	12	1,74	11,9	20,706	122,4	7344
20%	80%	12	1,98	11,9	23,562	130,9	7854
10%	90%	12	2,22	11,9	26,418	138,5	8310
0%	100%	0,3	2,32	11,9	27,608	139,9	8394

Tabela . Zestawienie wyników pomiarowych oraz obliczeniowych dla częstotliwości sygnału 20 Hz (malejące D_prawdziwe)

D mierzone	D prawdziwe	Amplituda	I	U	P	f	η₁
-	-	V	A	V	W	Hz	obr/min
0%	100%	0,3	2,32	11,9	27,608	143,7	8622
20%	80%	12	2,03	11,9	24,157	129,9	7794
40%	60%	12	1,29	11,9	15,351	109,4	6564
60%	40%	12	0,67	11,9	7,973	82,7	4962
80%	20%	12	0,24	11,9	2,856	42,6	2556
100%	0%	12	0,06	11,9	0,714	0	0

Przykładowe obliczenia:

Obliczanie mocy ze wzoru : P = U * I

dla I = 0,06 A ; U = 11,9 V

P = 0, 06 * 11, 9 = 0, 714 W

Wyrażanie prędkości obrotowej w ilości obrotów na minutę:

η = f • 60

η - prędkość obrotowa
f – częstotliwość sygnału napięciowego mierzona na zaciskach CH 2

$$\eta = 8,30 \bullet 60 = 498\text{\ \ }\frac{\text{obr}}{\min}$$

Rys. 5. Zależność mocy od współczynnika wypełnienia D dla częstotliwości sygnału 20Hz

Rys. 6. Zależność prędkości obrotowej (Obr/min) od współczynnika wypełnienia D dla częstotliwości sygnału 20Hz

Dla częstotliwości sygnału 200 Hz

Tabela . Zestawienie wyników pomiarowych oraz obliczeniowych dla częstotliwości sygnału 200 Hz (rosnące D_prawdziwe)

D mierzone	D prawdziwe	Amplituda	I	U	P	f	η₁
-	-	V	A	V	W	Hz	obr/min
100%	0%	12	0,05	11,9	0,595	0	0
80%	20%	12	0,22	11,9	2,618	39,2	2352
60%	40%	12	0,67	11,9	7,973	81,7	4902
40%	60%	12	1,67	11,9	19,873	113,1	6786
20%	80%	12	2,24	11,9	26,656	140,1	8406
0%	100%	0,3	2,31	11,9	27,489	141,3	8478

Tabela . Zestawienie wyników pomiarowych oraz obliczeniowych dla częstotliwości sygnału 200 Hz (malejące D_prawdziwe)

D mierzone	D prawdziwe	Amplituda	I	U	P	f	η₁
-	-	V	A	V	W	Hz	obr/min
0%	100%	0,3	2,31	11,9	27,489	139,3	8358
20%	80%	12	2,22	11,9	26,418	138,9	8334
40%	60%	12	1,34	11,9	15,946	115,7	6942
60%	40%	12	0,68	11,9	8,092	80,6	4836
80%	20%	12	0,22	11,9	2,618	40,1	2406
100%	0%	12	0,06	11,9	0,714	0	0

Dla częstotliwości sygnału 2 kHz

Tabela . Zestawienie wyników pomiarowych oraz obliczeniowych dla częstotliwości sygnału 2 kHz (rosnące D_prawdziwe)

D mierzone	D prawdziwe	Amplituda	I	U	P	f	η₁
-	-	V	A	V	W	Hz	obr/min
100%	0%	12	0,06	11,9	0,714	0	0
80%	20%	12	0,2	11,9	2,38	36,8	2208
60%	40%	12	0,64	11,9	7,616	78,7	4722
40%	60%	12	1,34	11,9	15,946	112,6	6756
20%	80%	12	2,23	11,9	26,537	140,0	8400
0%	100%	0,3	2,30	11,9	27,37	143,7	8622

Tabela . Zestawienie wyników pomiarowych oraz obliczeniowych dla częstotliwości sygnału 2 kHz (malejące D_prawdziwe)

D mierzone	D prawdziwe	Amplituda	I	U	P	f	η₁
-	-	V	A	V	W	Hz	obr/min
0%	100%	0,3	2,3	11,9	27,37	143,7	8622
20%	80%	12	2,21	11,9	26,299	138,7	8322
40%	60%	12	1,29	11,9	15,351	114,7	6882
60%	40%	12	0,62	11,9	7,378	80,9	4854
80%	20%	12	0,2	11,9	2,38	37,8	2268
100%	0%	12	0,06	11,9	0,714	0	0

Rys. 9. Zależność mocy od współczynnika wypełnienia D dla częstotliwości sygnału 2kHz

Dla częstotliwości sygnału 20 kHz

Tabela . Zestawienie wyników pomiarowych oraz obliczeniowych dla częstotliwości sygnału 20 kHz (rosnące D_prawdziwe)

D mierzone	D prawdziwe	Amplituda	I	U	P	f	η₁
-	-	V	A	V	W	Hz	obr/min
100%	0%	12	0,06	11,9	0,714	0	0
80%	20%	12	0,12	11,9	1,428	20,23	1213,8
60%	40%	12	0,44	11,9	5,236	66,0	3960
40%	60%	12	1,03	11,9	12,257	106,7	6402
20%	80%	12	1,86	11,9	22,134	129,3	7758
0%	100%	0,3	2,32	11,9	27,608	139,9	8394

Tabela . Zestawienie wyników pomiarowych oraz obliczeniowych dla częstotliwości sygnału 20 kHz (malejące D_prawdziwe)

D mierzone	D prawdziwe	Amplituda	I	U	P	f	η₁
-	-	V	A	V	W	Hz	obr/min
0%	100%	0,3	2,32	11,9	27,608	139,8	8388
20%	80%	12	1,84	11,9	21,896	129,2	7752
40%	60%	12	1,03	11,9	12,257	105,2	6312
60%	40%	12	0,45	11,9	5,355	64,3	3858
80%	20%	12	0,13	11,9	1,547	22,3	1338
100%	0%	12	0,06	11,9	0,714	0	0

Rys. 11. Zależność mocy od współczynnika wypełnienia D dla częstotliwości sygnału 20kHz

Rys. 12. Zależność prędkości obrotowej (Obr/min) od współczynnika wypełnienia D dla częstotliwości sygnału 20kHz

WYKRESY ZBIORCZE

UWAGI I WNIOSKI

W części pierwszej celem było sprawdzenie czy dla P_max istnieje sens stosowania

sterowania PWM. Ćwiczenie można było wykonać na dwa sposoby: załączając dwie żarówki do jednego zasilania jednocześnie (aby uzyskać wartość natężenia żarówki przy regulatorze PWM należało od natężenia całkowitego odjąć natężenie pierwszej żarówki) lub odczytując wartości spadków napięć na żarówkach dla danych natężeń odpowiednio z miernika dla pierwszej załączonej żarówki, dla drugiej z oscyloskopu. Na podstawie uzyskanych pomiarów okazuje się, że dla pełnych mocy PWM nie warto stosować (pomiaru dla pełnej mocy nie dało się uzyskać).

W części drugiej celem ćwiczenia było wykonanie pomiarów zależności prędkości obrotowej wentylatora oraz mocy dostarczonej do wentylatora od współczynnika wypełnienia. Współczynnik wypełnienia zmieniał się od wartości 100% do 0% oraz odwrotnie z ustalonym skokiem 20%. Zaobserwowano, że wentylator przy częstotliwości 20Hz pracował niestabilnie. Praca wentylatora była najgorsza dla częstotliwości 20 kHz, jego prędkość przykładowo dla 20% D w stosunku do innych częstotliwości była najmniejsza :
η =20,23Hz. Wentylator pracował wolno i niestabilnie. Urządzenie działało najlepiej dla częstotliwości 200Hz oraz 2kHz, wg pomiarów prędkości obrotowe dla mierzonych wartości D są bardzo podobne, bliskie identycznym. Wykresy zależności prędkości obrotowej od współczynnika dla wszystkich częstotliwości (Rys.14) niemal się pokrywają – jedynie wykres dla częstotliwości 20kHz odbiega od pozostałych, co wyraźnie pokazuje gorsze działanie wentylatora. Widać, że zależność mocy od współczynnika wypełnienia D dla częstotliwości sygnału 200Hz i 2kHz jest niemalże identyczna (Rys.13).

Wszystkie pomiary wykonano zgodnie z zaleceniami mgr Bohosiewicza.