POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA

WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY

KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I NAPĘDÓW

ELEKTRYCZNYCH

Instrukcje do zajęć laboratoryjnych dla studentów

WYDZIAŁU MECHANICZNEGO

studiów dziennych i zaocznych

z przedmiotów:

ELEKTROTECHNIKA

ELEKTRONIKA

ELEKTROTECHNIKA I ELEKTRONIKA

ĆWICZENIE 10M

PROSTOWNIKI STEROWANE

Opracowali

dr inż. Stanisław Jałbrzykowski

mgr inż. Mieczysław Zugaj

BIAŁYSTOK 2000

2

Instrukcja jest własnością Katedry Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych.

Do użytku wewnętrznego katedry.

Powielanie i rozpowszechnianie zabronione

Redakcja: dr inż. Zofia Daszuta
Opracowanie graficzne: inż. Aleksandra Matulewicz

3

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 rys.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 U

p

= (2 3)V.

Tyrystor traci zdolność przewodzenia prądu i przechodzi w stan blokowania,

gdy prąd w kierunku przewodzenia osiągnie wartość mniejszą od wartości

charakterystycznej – prądu podtrzymania (I

p

)

.

4

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

osiąga stan zaporowy. Ponowne pojawienie się napięcia dodatniego na anodzie

stwarza warunki do następnego wyzwolenia tyrystora za pomocą impulsu

bramkowego.

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 rys.2.

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

b) jednofazowy mostkowy; c) trójfazowy trójpulsowy z punktem

zerowym

5

4. Wartości średnie napięcia odbiorników zasilanych z prostowników

sterowanych.

a) prostownik jednofazowy jednopołówkowy z odbiornikiem rezystancyjnym

)

t

(

d

)

t

sin(

m

U

2

1

śr

U

cos

1

2

m

U

śr

U

m

U -amplituda napięcia zasilającego,

- kąt wysterowania prostownika.

Maksymalna wartość średnia napięcie na obciążeniu występuje dla

=0

i wynosi:

Um

)

1

1

(

2

m

U

śr

U

b) prostownik trójfazowy trójpulsowy z odbiornikiem rezystancyjnym:

gdy kąt

(kąt wysterowania prostownika) odmierzany jest od punktu

komutacji naturalnej,

-

6

0

lub prąd odbiornika jest ciągły (niezależnie od charakteru

odbiornika, np. R, L, E)

3

2

6

6

m

m

śr

)

t

(

d

t

sin

U

2

U

3

U

cos

2

U

3

3

cos

3

sin

U

3

U

m

m

śr

-

6

5

6

i prąd odbiornika jest nieciągły

6

m

m

śr

)

t

(

d

t

sin

U

2

U

3

U

6

6

cos

1

2

U

3

U

m

śr

U

m

- amplituda fazowego napięcia zasilającego.

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 rys.3.

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.

7

Rys.3 Schemat blokowy sterowania układu laboratoryjnego

Cały układ badawczy prostownika sterowanego zainstalowany jest

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

doprowadzić napięcie sieci trójfazowej 3x380V L1, L2, L3. Pozostałe,

odpowiednio oznaczone, zaciski tej części powinny być połączone

z odpowiednimi zaciskami silnika i hamownicy (obwód twornika i wzbudzenia)

oraz prądniczki tachometrycznej. 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.

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.

8

Dwa potencjometry zainstalowane w środkowej 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

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.

Uwaga!

Po załączeniu prostownika nie wolno na pulpicie układu

dokonywać żadnych przełączeń.

IV. PROGRAM ĆWICZENIA LABORAORYJNEGO

1. Uruchomienie układu laboratoryjnego

Przed włączeniem stycznika należy:

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

(R, S, T, 0) z odpowiednimi zaciskami na tylnej płycie układu

laboratoryjnego,

9

- pozostałe zaciski na płycie czołowej i tylnej układu połączyć zgodnie

z oznaczeniami.

2. Badanie tyrystorowego prostownika sterowanego

Na rys.4 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.4. 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

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

charakterystykę zewnętrzną prostownika U = f(I) przy

= const. dla dwóch

typów prostowników sterowanych:

a) prostownika sterowanego jednopulsowego

b) prostownika sterowanego trójpulsowego.

10

Wyniki pomiarów zapisujemy w tabeli 1.

Tabela 1.

Lp.

U [V]

I [A]

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

U

U

U

U

0

n

0

%

.

W czasie wykonywania pomiarów należy przeprowadzić obserwacje

przebiegów napięcia wyjściowego prostownika dla różnych kątów

wysterowania tyrystorów przy pomocy oscyloskopu katodowego i wyniki

obserwacji zamieścić w protokole. Obliczyć kąty wysterowania 1 i 2.
Przeprowadzić dyskusję otrzymanych wyników.

3. Badanie tyrystorowego układu napędowego

Układ badany przedstawiony jest na rys.5.

Rys.5. Tyrystorowy układ napędowy – schemat układu pomiarowego.

11

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 (E1, E2) 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, , (np.

= 180

o

).

Rozruch przeprowadza się zmniejszając stopniowo kąt wysterowania

(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.

U

t

I

t

V

A

rad/s

rad (

0

)

12

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.

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.

U

t

I

t

U

h

I

h

U

P

t

P

h

P

w

M

V

A

V

A

V

rad/s

W

W

-

W

Nm

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

.

13

Moc na wale silnika

t

w

P

P

[W].

Moment na wale

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 dwustrumieniowego 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.

14

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.

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