POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA

WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY

KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I NAPĘDÓW ELEKTRYCZNYCH

Instrukcja do zajęć laboratoryjnych dla studentów

WYDZIAŁU MECHANICZNEGO

Studiów stacjonarnych i niestacjonarnych

z przedmiotów

PODSTAWY ELEKTROTECHNIKI I ELEKTRONIKI

Kody przedmiotów: MKBMS02011, MKBMN01002

ELEKTROTECHNIKA I ELEKTRONIKA

Kody przedmiotów: MKARS02010; MKIBS02015; MKTRS02011; MKETS02014;

MKARN02010; MKIBN02018; MKTRN03018.

ĆWICZENIE 5M

BADANIE PROSTOWNIKÓW STEROWANYCH

Opracował

mgr inż. Rafał Grodzki

BIAŁYSTOK 2013

2

Instrukcja jest własnością Katedry Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych.

Do użytku wewnętrznego katedry.

Powielanie i rozpowszechnianie zabronione

3

Ogólne zasady bezpieczeństwa



Przed przystąpieniem do zajęć należy zapoznać się z instrukcją dydaktyczną do stanowiska

laboratoryjnego.



Dokonać oględzin urządzeń i przyrządów używanych w ćwiczeniu, a o zauważonych

nieprawidłowościach bezzwłocznie powiadomić prowadzącego.



Zabrania się samodzielnego załączania stanowiska bez zgody prowadzącego.



Zmian nastaw parametrów lub konfiguracji, możliwych przy użyciu dostępnych manipulatorów

(potencjometrów, przełączników), należy dokonywać po przeanalizowaniu skutków takich

działań.



Zmian konfiguracji obwodów elektrycznych, możliwych jedynie poprzez zmiany połączeń

przewodów, należy dokonywać za zgodą prowadzącego po uprzednim wyłączeniu zasilania
stanowiska.



W przypadku załączania układów napędowych należy zachować odpowiednią kolejność

czynności.



Po załączeniu stanowiska wykonywanie przełączeń (np. wymiana przyrządu) w układzie

znajdującym się pod napięciem jest niedozwolone.



W w/w stanowisku dostępne są części czynne obwodu elektrycznego o napięciu przekraczającym

napięcie bezpieczne, dlatego przed uruchomieniem należy zachować odpowiednie oddalenie od

tych części czynnych w celu uniknięcia porażenia prądem elektrycznym.



Stosowanie sposobów sterowania, ustawień lub procedur innych niż opisane w instrukcji może

spowodować nieprzewidziane zachowanie obiektu sterowanego a nawet uszkodzenie stanowiska.



Nie należy podłączać urządzeń nie przeznaczonych do współpracy z tym stanowiskiem

laboratoryjnym.



Przekroczenie dopuszczalnych parametrów prądów, napięć sygnałów sterujących może

doprowadzić do przegrzania się niektórych podzespołów, pożaru lub porażenia prądem.



W przypadku pojawienia się symptomów nieprawidłowego działania (np. swąd spalenizny)

natychmiast należy wyłączyć stanowisko i odłączyć przewód zasilający.



Demontaż osłon stanowiska oraz wszelkie naprawy i czynności serwisowe, oprócz opisanych

w instrukcji, powinny być wykonywane przez wykwalifikowany personel po wyłączeniu
stanowiska.



Należy stosować tylko bezpieczniki o parametrach nominalnych podanych w instrukcji lub na

obudowie urządzenia.



Urządzenie powinno być czyszczone przy użyciu suchej i miękkiej szmatki. Nie należy stosować

do tych celów rozpuszczalników.



Podczas korzystania z aparatury laboratoryjnej (oscyloskopy, generatory, zasilacze itp.) należy
przestrzegać ogólnych zasad bezpieczeństwa tj.:



Do zasilania przyrządu należy stosować tylko kable zalecane do danego wyrobu.



Nie należy podłączać lub odłączać sond i przewodów pomiarowych, gdy są one dołączone

do źródła napięcia.



Przyrząd powinien być połączony z uziemieniem przez przewód ochronny w kablu zasilającym.

Aby uniknąć porażenia przewód ten powinien być podłączony do przewodu ochronnego sieci.



Przewód uziemiający sondy należy podłączać tylko do uziemienia ochronnego. Nie należy

podłączać go do punktów o wyższym potencjale.



Aby uniknąć porażenia prądem podczas używania sondy, należy trzymać palce nad

pierścieniem zabezpieczającym. Nie wolno dotykać metalowych części grotu, gdy sonda jest

podłączona do źródła napięcia



Nie dotykać końcówek przewodów łączeniowych w trakcie wykonywania pomiarów.

4

I. WPROWADZENIE

Wiadomości niezbędne do realizacji ćwiczenia:

1. Budowa tyrystora

Tyrystor jako element składa się z czterech warstw przewodnikowych

p-n-p-n, na zewnątrz ma wyprowadzone trzy elektrody: A – anoda, K – katoda,

B – bramka. Symbol graficzny oraz polaryzacja poszczególnych elektrod

przedstawiona jest na rysunku 1.

Rys. 1. Tyrystor – symbol graficzny i schemat włączenia : A – anoda, K –

katoda, B – bramka

Przedstawiony na rys. 1 schemat polaryzacji włączenia i charakterystyka

tyrystora wskazują, że zacznie on przewodzić, jeśli do anody zostanie

przyłączone dodatnie napięcie względem katody, zaś do złącza bramka katoda

zostanie doprowadzony dodatni impuls sterujący. Gdy do bramki nie jest

doprowadzone napięcie tyrystor praktycznie nie przewodzi prądu, niezależnie

od kierunku polaryzacji elektrod anoda – katoda. Płynie przez niego tylko

niewielki prąd wsteczny (I

w

).

Po wysterowaniu tyrystora spadek napięcia w obwodzie anoda-katoda

w kierunku przewodzenia wynosi 2



3V.

Tyrystor traci zdolność przewodzenia prądu i przechodzi w stan blokowania,

gdy prąd w kierunku przewodzenia osiągnie wartość mniejszą od wartości

charakterystycznej – prądu podtrzymania.

Tyrystor włączony w obwód napięcia przemiennego może być

wyzwolony (wysterowany) w czasie trwania półokresów dodatnich napięcia na

anodzie. Przy przejściu napięcia od wartości dodatnich do ujemnych tyrystor

5

osiąga stan zaporowy. Ponowne pojawienie się napięcia dodatniego na anodzie

stwarza warunki do następnego wyzwolenia tyrystora za pomocą impulsu

bramkowego (rys. 3b).

2. Charakterystyki prądowo – napięciowe tyrystora

3. Układy prostowników sterowanych

Prostownik sterowany może być traktowany jako źródło napięcia stałego

o regulowanej wartości. Źródła takie stosowane są do sterowania mocy

dostarczanej do odbiornika, którym może być silnik prądu stałego. Podstawowe

układy tyrystorowych prostowników sterowanych są pokazane na rysunku 2.

Rys. 2. Układy prostowników sterowanych: a) jednofazowy jednopulsowy;

b) jednofazowy mostkowy; c) trójfazowy trójpulsowy z punktem

zerowym

6

4. Wartości średnie napięcia odbiorników zasilanych z prostowników

sterowanych.

a) prostownik jednofazowy jednopołówkowy z odbiornikiem rezystancyjnym.

Rys. 3. Prostownik jednofazowy jednopołówkowy: a) schemat obwodu

b) przebiegi czasowe prądu i napięcia na odbiorniku rezystancyjnym

Na rysunku 3b) przedstawiono ideę sterowania prostownikiem

tyrystorowym. Przy dodatniej połówce napięcia zasilającego u

WE

na bramkę

tyrystora podawany jest impuls sterujący u

BK

. Dopiero jego pojawienie się

sprawia, że tyrystor zaczyna przewodzić prąd. Regulując kąt α w granicach od 0

do π można zmieniać wartość napięcia stałego na wyjściu prostownika.

Mówiąc o napięciu wyjściowym prostowników posługujemy się pojęciem

wartości średniej napięcia mierzonej za jeden okres. W przypadku przebiegu

przedstawionego na rys. 3b wartość średnia dana jest wzorem:















)

(

)

sin(

2

1

t

d

t

U

U

m

śr









cos

1

2





m

śr

U

U

7

gdzie:

m

U

- amplituda napięcia zasilającego,



- kąt wysterowania prostownika.

Maksymalna wartość średnia napięcia na obciążeniu występuje dla



=0

i wynosi:





m

m

śr

U

U

U







)

1

1

(

2

b) prostownik trójfazowy trójpulsowy z odbiornikiem rezystancyjnym:

gdy kąt



(kąt wysterowania prostownika) odmierzany jest od punktu

komutacji naturalnej.

Rys. 4. Prostownik trójfazowy trójpulsowy: schemat obwodu a) oraz przebiegi

czasowe prądu i napięcia na odbiorniku rezystancyjnym przy prądzie

nieciągłym b) oraz ciągłym c).

8











lub prąd odbiornika jest ciągły

Sytuację, kiedy prąd odbiornika rezystancyjnego jest ciągły

przedstawiono na rysunku 4b). Podobnie jak poprzednio, wartość średnią

napięcia U

śr

wyznacza się obliczając całkę za okres napięcia sieci zasilającej.











3

2

6

6

)

(

sin

2

3

















t

d

t

U

U

m

śr

Ostateczna ogólna postać wzoru na wartość U

śr

dla prostownika q-pulsowego

przedstawia się następująco:





cos

sin

m

śr

U

q

π

q

U



gdzie: q – liczba pulsów prostownika. W danym przypadku, dla prostownika 3-

pulsowego q=3, napięcie U

śr

wynosi zatem:











cos

2

3

3

cos

3

sin

3

m

m

śr

U

U

U







6

5

6











i prąd odbiornika jest nieciągły:

Taki przypadek pokazano na rysunku 4c). Kiedy prąd odbiornika spadnie do

zera tyrystor danej fazy przechodzi w stan zaporowy. W tym przypadku

zależność na wartość średnią napięcia odbiornika dana jest następująco:



















6

)

(

sin

2

3

t

d

t

U

U

m

śr



















 





6

cos

1

2

3







m

śr

U

U

U

m

- amplituda fazowego napięcia zasilającego.

9

II. CEL I ZAKRES ĆWICZENIA LABORATORYJNEGO

Celem

ćwiczenia

jest

zapoznanie

studentów

z

układem

energoelektronicznym jakim jest prostownik sterowany. W ćwiczeniu studenci

realizują wersję prostownika sterowanego w układzie jednopulsowym dla

obciążenia rezystancyjnego oraz trójpulsowym z obciążenia RLE (silnik prądu

stałego). Badania laboratoryjne dotyczą zarówno samego prostownika

sterowanego, jak i zasilanego poprzez ten prostownik silnika obcowzbudnego

prądu stałego. Dla układu prostownika z silnikiem wyznaczana jest rodzina

charakterystyk mechanicznych, która obrazuję możliwość sterowania prędkości

kątowej wału silnika.

III. OPIS STANOWISKA LABORATORYJNEGO

Do wyzwalania tyrystorów prostownika sterowanego służy układ

sterowania, którego schemat blokowy przedstawiony jest na rysunku 5.

Układ synchronizacji służy do wypracowania trzech sygnałów

zsynchronizowanych z poszczególnymi napięciami faz sieci trójfazowej,

zasilającej prostownik sterowany. Z sygnałów tych w układzie wyzwalania

uformowany jest impuls sterujący prostokątny o regulowanej szerokości.

Impulsem

tym

wysterowywana

jest bramka tyrystora dołączonego

do odpowiedniej fazy napięcia trójfazowej sieci zasilającej prostownik. Zmiana

szerokości impulsu powoduje zmianę kąta wysterowania



tyrystorów

prostownika i regulację wartości średniej napięcia wyjściowego.

Cały układ badawczy prostownika sterowanego zainstalowany jest

w obudowie o kształcie skrzynki. Do zacisków tylnej części obudowy należy

doprowadzić napięcie sieci trójfazowej 3x400V. Pozostałe, odpowiednio

oznaczone, zaciski tej części powinny być połączone z odpowiednimi zaciskami

silnika i hamownicy (obwód twornika i wzbudzenia) oraz prądniczki

tachometrycznej.

10

Rys. 5. Schemat blokowy sterowania układu laboratoryjnego

W ćwiczeniu zaciski płyty tylnej są przeważnie połączone, jednak należy

zawsze sprawdzić czy połączenie to jest właściwe. Przednią część pulpitu

stanowiska laboratoryjnego stanowi płyta czołowa, na której narysowany jest

cały obwód silnoprądowy badanego układu (rys. 6). Prostownik sterowany

stanowią trzy tyrystory połączone katodami, do których przyłączony jest z

jednej strony amperomierz tablicowy. Drugi zacisk amperomierza przyłączony

jest do zacisku łączeniowego. Między ten zacisk i zacisk zera sieci włącza się

obwód odbiornika, którym może być opornik regulowany włączony zewnętrznie

bądź silnik obcowzbudny prądu stałego. Zaciski twornika silnika również

wyprowadzone są na płytę czołową pulpitu i przyłączenia silnika dokonuje się

łącząc te zaciski z zaciskami wyjściowymi prostownika sterowanego.

Dodatkowo z prawej strony płyty czołowej wyprowadzone są zaciski twornika

hamownicy tj. obcowzbudnej prądnicy prądu stałego, sprzęgniętej mechanicznie

ze sterowanym silnikiem. Do zacisków tych należy przyłączyć opornik w celu

rozproszenia energii i wytworzenia momentu hamującego na wale silnika.

Dwa potencjometry zainstalowane w dolnej części pulpitu służą do

zadawania prądów wzbudzenia zarówno silnika jak i hamownicy.

Układ sterowania prostownika sterowanego narysowany jest na pulpicie

w postaci bloku prostokątnego, z którego do bramek poszczególnych tyrystorów

zaznaczone są trzy połączenia. Jedno połączenie jest na stałe, zaś pozostałe dwa

11

są tworzone poprzez wtyczki zwierające. Dzięki takiemu rozwiązaniu istnieje

możliwość wyboru konfiguracji prostownika odpowiednio jednopulsowej (obie

wtyczki wyłączone), dwupulsowej (jedna wtyczka włączona) i trójpulsowej

(dwie wtyczki włączone). Zmiany kąta wysterowania dokonuje się

potencjometrem umieszczonym w bloku sterowniczym na pulpicie. Pomiary

prądów

i

napięć dokonywane są odpowiednimi amperomierzami

i woltomierzami tablicowymi włączonymi w poszczególnych obwodach układu.

Pomiar prędkości dokonywany jest odpowiednio wyskalowanym woltomierzem

tablicowym umieszczonym na pulpicie stanowiska. Układ prostownika

sterowanego załączany jest stycznikiem, do którego załączania i wyłączania

służą przyciski sterownicze znajdujące się w lewej dolnej części płyty czołowej

pulpitu. Załączenie prostownika sygnalizowane jest świecącymi lampkami

umieszczonymi z lewej strony pulpitu na wejściu w trzech fazach zasilających

tyrystory.

Na tablicy czołowej wyprowadzone są też zaciski pomiarowe prądu i

napięcia prostownika, oznaczone jako I

pp

oraz U

pp

. Zaciski te umożliwiają

podgląd wartości chwilowych prądu i napięcia prostownika za pomocą

oscyloskopu cyfrowego. Skala pomiarowa jest następująca:

I

pp

– 10 A/V (1 V na oscyloskopie odpowiada prądowi 10A)

U

pp

– 100 V/V (1 V na oscyloskopie odpowiada napięciu 100V)

Uwaga!

Po załączeniu prostownika nie wolno na pulpicie układu

dokonywać żadnych przełączeń.

Rys. 6. Widok tablicy czołowej stanowiska laboratoryjnego

IV. PROGRAM ĆWICZENIA LABORAORYJNEGO

1. Uruchomienie układu laboratoryjnego

Przed włączeniem stycznika należy:

- połączyć zaciski sieci trójfazowej zgodnie z oznaczeniami L1, L2, L3,

N z odpowiednimi zaciskami na tylnej płycie układu laboratoryjnego,

- pozostałe zaciski na płycie czołowej i tylnej układu połączyć zgodnie

z oznaczeniami.

2. Badanie tyrystorowego prostownika sterowanego

Na rysunku 7 przedstawiony jest prostownik sterowany, który może być

badany w ćwiczeniu jako:

a) prostownik sterowany jednofazowy jednopulsowy,

b) prostownik sterowany jednofazowy dwupulsowy,

c) prostownik sterowany trójfazowy trójpulsowy.

Rys. 7. Schemat układu pomiarowego prostownika sterowanego trójpulsowego.

Kąt wyzwalania tyrystorów



jest regulowany przez układ wyzwalający.

W celu obciążenia prostownika należy przyłączyć do jego zacisków

wyjściowych na płycie czołowej rezystor R

obc

.

i regulować tak, aby prąd

oddawany przez prostownik zmieniał się od zera do wartości znamionowej przy

14

α=0. Nie należy przekraczać prądu 3A. W ćwiczeniu należy wyznaczyć

charakterystykę zewnętrzną prostownika U

p

= f(I

p

) przy α= const. dla dwóch

typów prostowników sterowanych:

a) prostownika sterowanego jednopulsowego

b) prostownika sterowanego trójpulsowego.

Wyniki pomiarów zapisujemy w tabeli 1.

Tabela 1.

Lp.

U

p

[V]

I

p

[A]

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

Pomiary należy przeprowadzić dla dwóch wartości kąta wysterowania

1



i

2



(małej i dużej). Na podstawie pomiarów wykreślić charakterystyki zewnętrzne

prostowników. Obliczyć procentowy spadek napięcia przy obciążeniu

prostownika prądem znamionowym.

%

100

0

0

%

U

U

U

U

n







.

W czasie wykonywania pomiarów należy przeprowadzić obserwacje

przebiegów napięcia wyjściowego prostownika dla różnych kątów

wysterowania tyrystorów przy pomocy oscyloskopu cyfrowego i wyniki

obserwacji zamieścić w protokole. Obliczyć kąty wysterowania

1



i

2



.

Przeprowadzić dyskusję otrzymanych wyników.

15

3. Badanie tyrystorowego układu napędowego

Układ badany przedstawiony jest na rysunku 8.

Rys. 8. Tyrystorowy układ napędowy – schemat układu pomiarowego.

3.1. Zapoznanie się z układem napędowym

Zapisać dane znamionowe silnika, prądnicy hamowniczej i prądniczki

tachometrycznej.

Twornik silnika obcowzbudnego M zasilany jest z prostownika

sterowanego. Uzwojenie wzbudzenia (F1, F2) tego silnika jest zasilane

z oddzielnego prostownika sterowanego. Regulacja prądu wzbudzenia

ws

I

wykonywana jest przy pomocy potencjometru umieszczonego na płycie

czołowej układu. Wartość prądu wzbudzenia wskazuje miernik umieszczony

nad potencjometrem. Jego wartość poda prowadzący ćwiczenia.

Silnik jest obciążony prądnicą obcowzbudną (hamownicą), w której regulacja

prądu wzbudzenia wykonywana jest za pomocą potencjometru znajdującego się

na płycie czołowej układu. Przed przyłączeniem układu do sieci należy nastawić

kąt wysterowania taki, aby napięcie twornika silnika U

t

= 0 (woltomierz V

p

),

(np. α= 180

o

). Rozruch przeprowadza się zmniejszając stopniowo kąt

16

wysterowania α (powodując zwiększenie

t

U

). Po dokonaniu rozruchu należy

wzbudzić hamownicę, a następnie stopniowo obciążać silnik.

3.2. Wyznaczanie charakterystyki sterowania tzn. zależności

)

U

(

f

t





albo

)

(

f







Regulując napięcie

t

U

przez zmianę kąta wysterowania



należy

wyznaczyć zależność prędkości kątowej silnika



od napięcia twornika silnika

t

U

. Pomiary należy przeprowadzić dla biegu jałowego silnika

)

I

I

(

0

t



oraz

dla obciążenia znamionowego (

n

t

I

I



). Wyniki pomiarów zapisać w tabeli 2.

Tabela 2.

Lp.

Pomiary

Obliczenia

U

t

I

t

U

PT

n





V

A

V

obr/min

rad/s

rad (

0

)

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

n=U

PT

·k, gdzie k=

V

obr min

/

9

.

13



,

30

n







)

Na podstawie pomiarów wykreślić zależności:

)

U

(

f

t





dla

0

t

I

I



i

n

t

I

I



.

Pomiary należy wykonać dla dwóch typów prostowników.

Za pomocą oscyloskopu należy zaobserwować przebieg napięcia twornika.

Zaobserwowane przebiegi dla różnych kątów wysterowania



zamieścić

w sprawozdaniu.

Przeprowadzić dyskusję dotyczącą otrzymanych wyników.

17

3.3. Wyznaczanie charakterystyk mechanicznych silnika.

Charakterystyki mechaniczne

)

M

(

f





silnika zasilanego z prostownika

sterowanego wyznaczamy w stanie obciążenia silnika prądnicą hamowniczą

przy stałej wartości kąta wysterowania



= const. Pomiary przeprowadzić dla

dwóch wartości



dobranych tak, aby napięcie twornika w stanie jałowym

silnika wynosiło U

t

= Un i np. U

t

= 0.8Un.

Wyniki pomiarów należy zapisać w tabeli 3.

Tabela 3.

Lp.

Pomiary

Obliczenia

U

t

I

t

U

h

I

h

U

PT

n



P

t

P

h



P

w

M

V

A

V

A

V

obr/min rad/s W

W

-

W

Nm

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

t

t

t

U

I

P



- moc pobierana przez silnik

h

h

h

U

I

P



- moc oddawana przez hamownicę.

Sprawność, przy założeniu jednakowej sprawności obu maszyn

t

h

P

P





.

Moc na wale silnika



t

w

P

P



[W].

18

Moment na wale



w

P

M



Na podstawie pomiarów należy wykreślić charakterystyki mechaniczne.

Sztywność charakterystyk obliczyć ze wzoru (dla wyznaczonych

charakterystyk):

%

100

%

0

n

0















n



- prędkość kątowa przy momencie M

n

.

Moment znamionowy silnika należy obliczyć na podstawie danych

znamionowych:

n

n

n

P

M





[Nm]

Pomiary należy wykonać dla dwóch typów prostowników.

W czasie wykonywania pomiarów przeprowadzić obserwacje za pomocą

oscyloskopu przebiegów napięcia i prądu twornika dla różnych wartości kątów

wysterowania



i zamieścić oscylogramy w sprawozdaniu.

Przeprowadzić dyskusję wyników.

V. WYMAGANIA BHP

Porządek na stanowisku laboratoryjnym oraz przygotowanie studentów do

zajęć jest podstawą bezpiecznej pracy. Łączenia obwodów elektrycznych należy

dokonywać

w

stanie

beznapięciowym.

Po

zakończeniu

łączenia

niewykorzystane przewody należy powiesić na wieszaku na przewody.

Przy

stanowisku

badawczym

środkiem

dodatkowej

ochrony

przeciwporażeniowej jest izolowanie stanowiska ze względu na dostępne części

czynne obwodu elektrycznego o napięciu przekraczającym napięcie bezpieczne.

Dlatego łączenia, przełączania i zmian w układzie sterowania można dokonywać

tylko przy wyłączonej sieci zasilającej na danym stanowisku.

19

W celu uniknięcia porażenia prądem elektrycznym osoby wykonujące

ćwiczenia powinny w czasie uruchamiania układu sterowania zachować

odpowiednie oddalenie od części czynnych (będących pod napięciem).

VI. LITERATURA:

1. Barlik R., Nowak M.: Technika tyrystorowa, WNT, Warszawa 1992.

2. Jaczewski J., Opolski A., Stolz J.: Podstawy elektroniki i energoelektroniki,

WNT, Warszawa 1981.

3. Hempowicz P. i inni: Elektrotechnika i elektronika dla nieelektryków. WNT

Warszawa 1999.