1
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
2
I.
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:
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.
Rys. 1 Regulacja mocy za pomocą
szeregowego regulatora redukcyjnego
3
II.
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.
III.
CZĘŚĆ I
III.1.
SCHEMAT UKŁADU POMIAROWEGO NR 1
1. Zasilacz prądu stałego
2. Oscyloskop
3. Układ żarówka- rezystor redukcyjny
4. Układ żarówka-rezystor typu PWM
5. Multimetr
Rys. 3 Schemat układu pomiarowego nr 1
4
III.2.
WYNIKI POMIARÓW
U
zasilacza
= 13,4 V
Tabela 1. 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
-
-
-
III.3.
PRZYKŁADOWE OBLICZENIA
a) Obliczanie mocy ze wzoru :
dla I = 0,7 A ; U = 2,4 V
IV.
CZĘŚĆ II
IV.1.
SCHEMAT UKŁADU POMIAROWEGO NR 2
1. Zasilacz prądu stałego
2. Regulator mocy
3. Wentylator
4. Oscyloskop
Rys. 4 Schemat układu pomiarowego nr 2
5
IV.2.
WYNIKI POMIARÓW
1. Dla częstotliwości sygnału 20 Hz
Tabela 2. Zestawienie wyników pomiarowych oraz obliczeniowych dla częstotliwości sygnału 20 Hz (rosnące D
prawdziwe
)
D
mierzone
D
prawdziwe
Amplituda
I
U
P
f
1
-
-
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 3. Zestawienie wyników pomiarowych oraz obliczeniowych dla częstotliwości sygnału 20 Hz (malejące D
prawdziwe
)
D
mierzone
D
prawdziwe
Amplituda
I
U
P
f
1
-
-
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:
b) Obliczanie mocy ze wzoru :
dla I = 0,06 A ; U = 11,9 V
c) Wyrażanie prędkości obrotowej w ilości obrotów na minutę:
- prędkość obrotowa
– częstotliwość sygnału napięciowego mierzona na zaciskach CH 2
6
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
0
5
10
15
20
25
30
35
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Zależność mocy od współczynnika D
D rosnące
D malejące
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Zależność prędkości obrotowej od
współczynnika D
D rosnące
D malejące
7
2. Dla częstotliwości sygnału 200 Hz
Tabela 4. Zestawienie wyników pomiarowych oraz obliczeniowych dla częstotliwości sygnału 200 Hz (rosnące D
prawdziwe
)
D
mierzone
D
prawdziwe
Amplituda
I
U
P
f
1
-
-
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 5. Zestawienie wyników pomiarowych oraz obliczeniowych dla częstotliwości sygnału 200 Hz (malejące D
prawdziwe
)
D
mierzone
D
prawdziwe
Amplituda
I
U
P
f
1
-
-
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
8
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Zależność prędkości obrotowej od
współczynnika D
D rosnące
D malejące
0
5
10
15
20
25
30
35
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Zależność mocy od współczynnika D
D rosnące
D malejące
Rys. 7. Zależność mocy od współczynnika wypełnienia D dla częstotliwości sygnału 200Hz
Rys. 8. Zależność prędkości obrotowej (Obr/min) od współczynnika wypełnienia D dla częstotliwości sygnału 200Hz
9
3. Dla częstotliwości sygnału 2 kHz
Tabela 6. Zestawienie wyników pomiarowych oraz obliczeniowych dla częstotliwości sygnału 2 kHz (rosnące D
prawdziwe
)
D
mierzone
D
prawdziwe
Amplituda
I
U
P
f
1
-
-
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 7. Zestawienie wyników pomiarowych oraz obliczeniowych dla częstotliwości sygnału 2 kHz (malejące D
prawdziwe
)
D
mierzone
D
prawdziwe
Amplituda
I
U
P
f
1
-
-
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
0
5
10
15
20
25
30
35
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Zależność mocy od współczynnika D
D rosnące
D malejące
10
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Zależność prędkości obrotowej od
współczynnika D
D rosnące
D malejące
4. Dla częstotliwości sygnału 20 kHz
Tabela 8. Zestawienie wyników pomiarowych oraz obliczeniowych dla częstotliwości sygnału 20 kHz (rosnące D
prawdziwe
)
D
mierzone
D
prawdziwe
Amplituda
I
U
P
f
1
-
-
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 9. Zestawienie wyników pomiarowych oraz obliczeniowych dla częstotliwości sygnału 20 kHz (malejące D
prawdziwe
)
D
mierzone
D
prawdziwe
Amplituda
I
U
P
f
1
-
-
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. 10. Zależność prędkości obrotowej (Obr/min) od współczynnika wypełnienia D dla częstotliwości sygnału 2kHz
11
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
0
5
10
15
20
25
30
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Zależność mocy od współczynnika D
D rosnące
D malejące
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Zależność prędkości obrotowej od
współczynnika D
D rosnące
D malejące
12
IV.3.
WYKRESY ZBIORCZE
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Zalezność prędkości obrotowej od
współczynnika D
20 Hz
200 Hz
2 kHz
20 KHz
0
5
10
15
20
25
30
35
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Zależność mocy od współczynnika D
20 Hz
200 Hz
2 kHz
20 kHz
Rys. 13. Zależność mocy od współczynnika wypełnienia D dla wszystkich częstotliwości sygnału
Rys. 14. Zależność prędkości obrotowej (Obr/min) od współczynnika wypełnienia D dla wszystkich
częstotliwości sygnału
13
V.
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.