Laboratorium energoelektroniki

Wyższej Szkoły Inżynierskiej W Opolu

WEiA Rok III mgr

Ćwiczenie laboratoryjne №2 serii I

temat:

Jednokierunkowe prostowniki niesterowane

Autorzy:

Marek Orzołek

Marek Twardowski

Andrzej Zieliński

Grupa laboratoryjna: Pt 9¹⁵

W.S.I. Opole, 08-III-1996

1.Wprowadzenie:

Prostowniki są przekształtnikami mocy, służącymi do bezpośredniej zamiany prądu zmiennego na stały. Przekształcają one jedno- lub wielofazowy prąd przemienny na stały. Prostowniki niesterowane, diodowe, nie umożliwiają zmiany stosunku wartości napięcia wejściowego i wyjściowego, poza tym nie umożliwiają one pracy zwrotnej, to znaczy, moc może przepływać przez nie tylko od strony zmiennoprądowej do stałoprądowej. Prostowniki są układami z komutacją naturalna, to znaczy, że nie ma konieczności wykonywania żadnych specjalnych działań, w celu wyłączenia półprzewodników na końcu ich naturalnego okresu przewodzenia.

2.Schematy układów pomiarowych;

Sch.1 Układ pomiarowy prostownika jednofazowego jednokierunkowego.

Sch.2 Układ pomiarowy prostownika trójfazowego jednokierunkowego.

3.Tabele z wynikami pomiarów ;

Pomiary dla układu prostownika jednofazowego.

R=35Ω; L=70mH;
	strona pierwotna			strona wtórna
obciążenie	U [V] ∼	I [A] ∼	P [W]	I [A] ∼	I [A] -	U [V] ∼	U [V] -	P [W].
R	113	1.0	84	1.25	0.8	44	27	55
RL	110	0.9	58	1.1	0.7	46	25	42.5
L	112	3.8	41	4.3	3.3	62	0	25

Pomiary dla układu prostownika trójfazowego.

R=35Ω; L=70mH;
	strona pierwotna			strona wtórna
obciążenie	U [V] ∼	I [A] ∼	P [W]	I [A] ∼	I [A] -	U [V] ∼	U [V] -	P [W].
R	246	0.75	87x3	2.7	2.5	94	90	250
RL	246	0.7	84x3	2.6	2.5	94	90	240

4.Wzory i przykładowe obliczenia.

układ trójfazowy;

a) współczynnik tętnień napięcia;

b) współczynnik kształtu napięcia;

U₁ = U₂^.ν gdzie ν = 380/220 = 1.72 [V]

U₂ = U₁ / ν = 246 / 1.72 = 143V

c) współczynnik tętnień prądu;

obliczam napięcie po stronie pierwotnej transformatora;

i_dm = I√2 i _dmin = I√2cos(π/q)

d) współczynnik kształtu prądu;

k = I_d / I_d(AV) = 1.08

e)współczynnik zawartości harmonicznych;

f) prąd maksymalny diody;

- dla obciążenia rezystancyjnego:

[A]

- dla obciążenia rezystancyjno - indukcyjnego:

i_Fm = 0.99[A]

g) prąd średni diody:

I_F(AV) = I_d/q

- dla obciążenia rezystancyjnego i_F(AV) = 0.35[A]

- dla obciążenia rezystancyjno - indukcyjnego I_F(AV) = 0.33[A]

h) prąd skuteczny diody:

I_F = I_d/q ^0.5

- dla obciążenia rezystancyjnego I_F = 0.61[A]

- dla obciążenia rezystancyjno - indukcyjnego I_F = 0.57[A]

i) moc obliczeniowa uzwojenia wtórnego;

S_w = U_d I_d

- dla obciążenia rezystancyjnego S_w = 253[W]

- dla obciążenia rezystancyjno - indukcyjnego S_w = 244[W]

j) moc obliczeniowa uzwojenia pierwotnego;

S_w = U_p I_p = U_p I_d √2/3

- dla obciążenia rezystancyjnego S_w = 122.9[W]

- dla obciążenia rezystancyjno - indukcyjnego S_w = 114.8[W]

k) współczynnik mocy uzwojenia pierwotnego;

F_p = P_d/(U_p I_p)

- dla obciążenia rezystancyjnego F_p = 2.94

- dla obciążenia rezystancyjno - indukcyjnego F_p = 3.12

l) współczynnik mocy uzwojenia wtórnego;

ł) współczynnik mocy transformatora;

m) moc obliczeniowa transformatora;

S_t = (S_p+S_w) / 2

S_p = U_p I_p

S_w = qUI_w = qUI_d/√q

- dla obciążenia rezystancyjnego S_p = 122.9[W], S_w = 165.2[W];

S_t = 144[W]

- dla obciążenia rezystancyjno - indukcyjnego S_p = 114.8[W], S_w = 154.3[W]

S_t = 134[W]

n) moc obciążenia odczytujemy z watomierza strony pierwotnej, która wynosi P₁= 261W dla obciążenia rezy

stancyjnego i dla obciążenia rezystancyjno - indukcyjnego wynosi P₁= 252W.

układ jednofazowy;

a) moc obciążenia .

Moc obciążenia odczytujemy z watomierza strony pierwotnej transformatora. Moce te wynoszą dla obciążenia rezystancyjnego P₁ = 28W, dla obciążenia rezystancyjno - indukcyjnego P₁ = 21W, i dla obciążenia indukcyjnego P₁ = 26W.

b) współczynnik tętnień prądu;

dla obciążenia R

dla obciążenia RL

dla obciążenia L, K_t = 0.9

c) współczynnik kształtu prądu

dla obc. R

-dla obc. RL, k_ksz = 1.22

-dla obc.L, k_ksz = 1.33

d) współczynnik tętnień napięcia zwany również zawartością harmonicznych wynosi odpowiednio:

dla R, k_t = 1.11

dla RL, k_t = 0.8

dla L, k_t = 0.9

e) współczynnik kształtu napięcia,

dla R, k_ksz = 1.57

dla RL, k_ksz = 1.22

dla L, k_ksz = 1.33

f) maksymalny prąd diody strony wtórnej

dla R; i_Fm = I_d√2 = 1.25√2 = 0.35A

dla RL; i_Fm =I_d√2 = 1.1√2 = 1.55A

dla L; i_Fm = 6.08A

g) średni prąd diody strony wtórnej;

i_F(AV) = I_d/q ; q = 1

- dla obciążenia R; I_F(AV) = 1.25[A]

- dla obciążenia RL; I_F(AV) = 1.1[A]

- dla obciążenia L; I_F(AV) = 4.3[A]

h) skuteczny prąd diody strony wtórnej;

I_F = I_d / √q

dla obc. R I_F = 1.25A

dla obc. RL I_F = 1.1A

dla obc. L I_F = 4.3A

i) moc obliczeniowa uzwojenia wtórnego transformatora;

dla R S_w = U_dI_d = 55W

dla RL S_w = 50.6W

dla L S_w = 14.2W

j) moc obliczeniowa uzwojenia pierwotnego transformatora;

dla R S_p = 171 VA

dla RL S_p = 146.5 VA

dla L S_p = 583.4 VA

k) współczynnik mocy uzwojenia wtórnego

dla R F_p = P_d/S_p = 55/171= 0.32

dla RL F_p = 0.29

dla L F_p = 0.043

l) moc obliczeniowa transformatora

dla R S_t = (S_p + S_w)/ 2 = 113VA

dla RL S_t = 98.5VA

dla L S_t = 299VA

ł) współczynnik mocy transformatora;

dla R cosϕ = 0.594

dla RL cosϕ = 0.489

dla L cosϕ = 0.085

Uwagi i wnioski:

Celem naszego ćwiczenia jest zapoznanie się z budową i działaniem jednokierunkowych prostowników niesterowanych w układzie jednofazowym i trójfazowym z transformatorem połączonym w układzie Y/y. Pierwszym badanym przez nas układem był prostownik jednofazowy, schemat tego prostownika jest zamieszczony w pkt. drugim sprawozdania. W układzie tym dokonujemy pomiarów napięć, prądów (średnich, skutecznych) i mocy po stronie wtórnej jak i pierwotnej transformatora. Wyniki pomiarów są zamieszczone w pkt. trzecim sprawozdania. Układ ten poddawaliśmy badaniu, wpływu obciążenia czysto rezystancyjnego, indukcyjnego oraz rezystancyjno-indukcyjnościowego, oraz dokonaliśmy obliczeń dla tych obciążeń.

Układ przedstawiony w pkt.2 (sch.1) stanowi najprostszy typ prostownika jednofazowego. W układzie tym transformator jest obciążony przez pół okresu. Ponadto przepływ składowej stałej przez uzwojenie transformatora wydatnie zmniejsza jego moc dopuszczalną co jest uzasadnione w pojedynczych pomiarach dla tego układu przy różnych obciążeniach. Częstotliwość najniższej harmonicznej tętnień napięcia wyprostowanego równa jest częstotliwości napięcia zasilającego 50Hz.

W badanym przez nas układzie był prostownik półfalowy jednofazowy z obciążeniem czysto rezystancyjnym. Przebiegi tego układu rys.1, wskazują nam, że jest wykorzystana tylko jedna połówka sinusoidy napięcia wejściowego. W układzie tym straty na elemencie prostowniczym są dużo mniejsze od mocy wydzielonej w obciążeniu (ponieważ rezystancja diody w kierunku przewodzenia jest bardzo mała) jednocześnie przy polaryzacji diody w kierunku wstecznym będzie płynął niewielki niepożądany prąd. Napięcie tętnień o częstotliwości sygnału sterującego jest kilkakrotnie większe od średniej napięcia wyprostowanego, sprawność prostowania jest nieduża i prąd stały (składowa średnia) płynący przez obciążenie jest także mniejszy od prądu maksymalnego. Fakty te wynikają z niewykorzystania jednego półokresu napięcia wejściowego i z braku elementu wygładzającego tętnienia prądu w obciążeniu; współczynnik tętnień wynosi k_t = 1.11, zaś współczynnik kształtu k_ksz = 1.57, wartości te w zncznym stopniu odbiegają od idealnych wartości. Oceniając ten prostownik można stwierdzić, że ma on małą sprawność napięciową i energetyczną oraz duże tętnienia. Większość energii pobieranej ze źródła napięcia zmiennego jest tracona w obciążeniu w postaci nieużytecznej składowej zmiennej. W praktyce układ ten jest rzadko stosowany.

Kolejnym obciążeniem badanego układu jest rezystancja i cewka indukcyjna. W układzie tym cewka stanowi dużą impedancję dla składowych prądu o większych częstotliwościach (zmiennych). Kiedy prąd w obwodzie jest większy od wartości średniej, energia jest gromadzona w cewce, zaś kiedy prąd jest mniejszy od wartości średniej, energia jest przez cewkę oddawana do obwodu. Jak wynika z oscylogramu załączonego na rys.2 (gdzie widać przebiegi czasowe prądu i napięcia w obwodzie prostownika), cewka w obwodzie powoduje opóźnienie prądu (po stronie wtórnej) względem napięcia U₂ (strona wtórna transformatora) oraz powoduje zmniejszenie napięcia na rezystorze.. Przy zwiększeniu indukcyjności towarzyszy zmniejszenie nie tylko współczynnika tętnień, ale także zmniejszenie wartości średniej napięcia wyprostowanego. Obciążenie RL w tym prostowniku stanowi element filtru indukcyjnego, jest on stosowany w celu zmniejszenia tętnień i ograniczenia dużego prądu występującego zaraz po włączeniu układu. Z wykonanych obliczeń współczynnik tętnień wynosi k_t = 0.8. Współczynnik ten jest znacznie mniejszy niż w przypadku obciążenia R. Wartość współczynnika kształtu z obliczeń wynosi k_ksz = 1,22, wartość ta odbiega od wartości idealnej równej jedności.

Przy odbiorniku czysto indukcyjnym prostownika jednofazowego jednokierunkowego, którego charakterystyki przedstawione są na rys.3, cewka odbiornika ładuje się, gdy półfala napięcia zasilającego jest dodatnia a rozładowuje się, gdy półfala napięcia zasilającego jest ujemna. Przy obciążeniu indukcyjnym, elektromagnetyczna stała czasowa obwodu jest wielokrotnie większa od półokresu napięcia zasilającego. Z oscylogramu podanego wyżej rysunku wynika, że cewka w obwodzie powoduje podwyższenie prądu (po stronie wtórnej) transformatora względem napięcia U₂. Zwiększenie indukcyjności powoduje zmniejszenie współczynnika tętnień oraz zmniejszenie wartości średniej napięcia wyprostowanego. Obciążenie L wprowadzamy do układu w celu zmniejszenia tętnień oraz ograniczenia dużego prądu występującego zaraz po włączeniu układu. Dla obciążenia L z wykonanych obliczeń współczynnik tętnień wynosi K_t=0,9, czyli w niewielkim stopniu odbiega od wsp. tętnień dla obciążenia RL. Wartość współczynnika kształtu dla tego obciążenia wynosi K_sz=1,33 i również w niewielkim stopniu odbiega od obc.RL lecz bardziej od wartości idealnej równej jedności.

Kolejnym badanym przez nas układem był prostownik jednokierunkowy trójfazowy, schemat tego prostownika jest zamieszczony w pkt. drugim sprawozdania. Układ ten poddawaliśmy także badaniu, wpływu obciążenia czysto rezystancyjnego oraz rezystancyjno-indukcyjnościowego.

Transformator ma zarówno uzwojenie pierwotne jak i wtórne połączone w gwiazdę. Końcówka każdego z uzwojeń fazowych wtórnych jest dołączona do anody zaworu prostowniczego. Katody zaworów są zwarte. Obciążenie badanego układu ma charakter rezystancyjno-indukcyjny; dzięki indukcyjności prąd płynący przez rezystancję obciążenia ma wartość stałą.

Prąd płynący przez uzwojenie wtórne transformatora ma wartość równą prądowi obciążenia przez 1/3 okresu (prąd przewodzenia diod), a przez pozostałe 2/3 okresu jest równy zeru. Jest to prąd odkształcony o przebiegu bardzo różniącym się od przebiegu sinusoidalnego widoczne jest to na rys.5.

Prądy płynące w uzwojeniu pierwotnym mają także przebiegi odkształcone od przebiegu sinusoidalnego. W chwili zrównania rosnącego napięcia się danej fazy z napięciem fazy pracującej poprzednio dochodzi do komutacji na elementach prostowniczych. W badanym układzie zauważamy podobieństwo wpływu cewki jak w układzie jednofazowym - element indukcyjny wprowadza opóźnienie w chwili narastania prądów fazowych jak i ich zmniejszania, opóźnienie te wynika z gromadzenia się energii na indukcyjności.

W przypadku obciążenia czysto rezystancyjnego zauważyliśmy brak wyżej wymienionego opóżnienia, co powoduje natychmiastowe przełączanie prądu obciążenia na kolejne elementy prostownicze. Porównując współczynnik kształtu napięcia tego układu z współczynnikiem układu jednofazowego możemy stwierdzić, że jest on korzystniejszy dla tego układu, również współczynnik tętnień układu trójfazowego jest dużo lepszy od układu jednofazowego.

W przypadku układów wielofazowych, gdzie jest większa liczba faz transformatora, a tym samym im większa jest liczba pulsów, tym przebieg napięcia wyprostowanego jest bardziej zbliżony do prostej. Jest to zaleta układów prostownikowych o dużej liczbie faz. Wraz ze wzrostem liczby faz wzrastają moc obliczeniowa transformatora, jego wymiary i koszt.

i_d

W

W

I/I

A

A

I/I

A

PP

PP

U_d

V

V

Tr

V

Atr

obciążenie : R, RL, L

DN

Tr

W

I/I

Atr

PP

i_d

W

I/I

A

PP

V

U_d

V

V

W

A

A

I/I

DN

PP

obciążenie : R, RL,

---