Wydział Mechaniczno-Energetyczny
Laboratorium Elektroniki
Ćw. 4 Energoelektronika  układy prądu zmiennego
1.Wstep teoretyczny
Energoelektronika jest gałęzią elektroniki zajmującą się układami wysokich prądów i napięć.
Często przyjętą granicą wartości minimalnej prądu jest 1A.
Jednym z podstawowych zagadnień energoelektroniki jest regulacja mocy elektrycznej
dostarczanej do obciążenia (Rys.1)
RL
Rys.1 Podstawowy układ pracy elementu kluczującego K.
Z1 to z
ródło napięciowe prądu stałego lub zmiennego. W ćwiczeniu ograniczymy się do napięcia
zmiennego o częstotliwości 50 Hz. RL to rezystancja obciążenia, natomiast K to tzw. element
kluczujący, czyli włącznik sterowany (potocznie:klucz), mający dwa stany: zwarcie i rozwarcie.
W stanie rozwarcia do obciążenia dostarczane jest 0% mocy maksymalnej Pmax, natomiast w stanie
zwarcia moc na obciążeniu wynosi 100% Pmax. Wartość Pmax określana jest wzorem
Pmax = Ui2/RL, (1)
gdzie Ui=wartość skuteczna napięcia z
ródła. Przyjmujemy tutaj upraszczające założenie, że
rezystancja klucza jest równa zeru. Odpowiednio sterując momentem załączenia i wyłączenia
klucza można płynnie regulować wartość mocy dostarczanej do obciążenia. Sposób sterowania
zależy od charakteru obciążenia i specyfiki układu.
Przy prądzie zmiennym najczęściej spotykane są dwa główne typy regulacji: grupowa i fazowa.
Rys.2 Regulacja fazowa.
Rys. 3 Regulacja grupowa.
Przy regulacji fazowej w obwodzie obciążenia następują po załączeniu klucza szybkie zmiany
prądu; dlatego ten typ sterowania powoduje emisję zakłóceń radioelektrycznym o szerokim paśmie.
Przy regulacji grupowej przełączane są całe grupy sinusoid, a nie tylko ich fragmenty. Ten typ
regulacji szczególnie dobrze nadaje się do obiektów cieplnych.
W charakterze elementów kluczujących wykorzystywane są obecnie dwie główne rodziny
elementów:
a) tranzystory
b) tyrystory .
W ćwiczeniu zajmiemy się przede wszystkim elementami z grupy b).
Tyrystor jest elementem o nieliniowej charakterystyce prądowo-napięciowej. Posiada on trzy
elektrody: anodÄ™ (A), katodÄ™ (K) i elektrodÄ™ sterujÄ…cÄ… (G) (ang. Gate).
Rys. 4 Symbol graficzny tyrystora.
Wartość napięcia anoda-katoda UAK, przy której następuje załączenie tyrystora zależy od prądu
elektrody sterujÄ…cej (bramki) IG.
Tyrystor bywa także nazywany prostownikiem sterowanym (SCR  ang. Silicon Controlled
Rectifier). Jest on w stanie przewodzić prąd tylko w jednym kierunku. Z pomocą pojedynczego
tyrystora można regulować wartość mocy dostarczanej do obciążenia w zakresie 0..50% Pmax
(patrz wzór (1)).
Bardziej wszechstronne możliwości ma tyrystor dwukierunkowy (triak). Z jego pomocą zakres
mocy dostarczanej do obciążenia można regulować w zakresie 0-100% Pmax.
Rys. 5 Symbol graficzny triaka.
Podobnie jak dla tyrystora, napięcie UA1A2, przy którym następuje zapłon (załączenie) triaka można
regulować poprzez ustawianie wartości prądu bramki IG. Należy zwrócić uwagę, że triak jest
elementem dwukierunkowym, zatem nie ma sensu nazywanie jego elektrod anodÄ… i katodÄ….
Zamiast tego obie główne elektrody wysokoprądowe określane są jako anody: A1 i A2. Niektórzy
producenci stosujÄ… inne oznaczenia, np. MT1,MT2.
Program ćwiczenia składa się z czterech punktów oznaczonych jako A,B,C,D. Punkty A, B mają
być wykonane z użyciem makiety nr 1 (tyrytory SCR), punkty C,D z użyciem makiety nr 2 (triaki).
A. Układ z tyrystorem SCR, wyzwalanie prądem zmiennym.
Zadania do wykonania:
1.Zbadać zakres regulacji kąta fazowego zapłonu.
2.Dla kilku wartości kąta fazowego zapłonu zmierzyć wartość średnią i szczytową prądu płynącego
przez żarówkę.
B. Układ z tyrystorem SCR, wersja z przesuwnikiem fazowym.
Użycie w układzie przesuwnika fazowego RC, składającego się z elementów R1,P2,C1 umożliwia
zwiÄ™kszenie zakresu regulacji kÄ…ta fazowego zapÅ‚onu do ok. 0-180° (przy pracy jednopołówkowej).
C. Układ z tyrystorem dwukierunkowym (triakiem)
1.Zbadać przebieg prądu płynącego przez żarówkę, ustawiając kolejno zwory w poł. 1-1,2-2,3-3.
Wyciągnąć wnioski.
D. Układ z triakiem i przesuwnikiem fazowym.
Użycie w układzie przesuwnika fazowego RC, składającego się z elementów R1,P1,C1 umożliwia
zwiÄ™kszenie zakresu regulacji kÄ…ta fazowego zapÅ‚onu do ok. 0-180° (przy pracy dwupołówkowej).
Zadania do wykonania:
Zbadać przebieg prądu płynącego przez żarówkę przy różnych ustawieniach potencjometru P1.
Podłączyć do zacisków żarówki woltomierz i wyznaczyć charakterystykę UL=f(ą), gdzie ą jest
kątem zapłonu, natomiast UL jest wartością skuteczną napięcia na zaciskach żarówki.
We wszystkich przedstawianych ukÅ‚adach rezystor o opornoÅ›ci 0,47 © sÅ‚uży do poÅ›redniego
pomiaru prÄ…du metodÄ… technicznÄ….
Pytania kontrolne:
1. Porównać regulację fazową i grupową, podać ich zalety i wady.
2. Podać definicję kąta opóz
nienia i kąta zapłonu.
Autor instrukcji  dr inż. Artur Jędrusyna