Wydział Mechaniczno-Energetyczny

Laboratorium Elektroniki

Ćw.4 Energoelektronika- układy prądu zmiennego

Wykonali:

Paweł Wołyniak 143300

Piotr Stachowski 151354

Łukasz Wasilewski 151372

1. Wstęp

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 Układ pracy elementu kluczującego K

Z1 to źródło napięciowe prądu stałego lub zmiennego. W ćwiczeniu będziemy badać napięcie zmienne 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: (1)

Gdzie U_i- wartość skuteczna napięcia źródła. Przyjmujemy dla uproszczenia założenie, że rezystancja klucza jest równa zero. 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 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 regulacji powoduje emisję zakłóceń radioelektrycznych 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 tyrystorami.

Tyrystor jest elementem o nieliniowej charakterystyce prądowo-napięciowej. Posiada on trzy elektrody: anodę(A), katodę(B) i elektrodę sterującą(G)

Rys.4 Symbol tyrystora

Wartość napięcia anoda-katoda UAK, przy której następuje załączenie tyrystora zależy od prądu elektrody sterującej (bramki) IG.

Tyrystor bywa także nazywany prostownikiem sterowanym. Jest on w stanie przewodzić prąd tylko w jednym kierunku. Z pomocą pojedynczego tyrystora można regulować wartość mocy do obciążenia w zakresie 0-50% Pmax

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 nazywanie jego elektrod anodą i katodą nie ma sensu. Zamiast tego obie główne elektrody wysokoprądowe określane są jako anody A1 i A2.

2. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zbadanie kąta zapłonu.

3. Schematy układów pomiarowych

A. Układ z tyrystorem SRC, wyzwalanie prądem zmiennym

B. Układ z tyrystorem SRC, wersja z przesuwnikiem fazowym

C. Układ z tyrystorem dwukierunkowym(triakiem)

D. Układ z triakiem i przesuwnikiem fazowym

4. Wyniki pomiarów i obliczeń

Tabela pomiarowa dla układu A

L.P	Wartość średnia napięcia	Wartość średnia napięcia	Wartość szczytowa napięcia	Kąt zapłonu	Opór	Wyliczona wartość średnia prądu	Wyliczona wartość szczytowa prądu
		mV	V	V	°	Ω	A	A
1	256	0,256	1,42	108	0,47	0,545	3,021
2	283	0,283	1,38	117			0,602	2,936
3	299	0,299	1,36	126			0,636	2,894
4	310	0,310	1,34	135			0,660	2,851
5	329	0,329	1,32	144			0,7	2,809
6	341	0,341	1,32	153			0,726	2,809
7	361	0,361	1,32	162			0,768	2,809
8	388	0,388	1,36	171			0,826	2,894

Tabela pomiarowa dla układu B

L.P	Wartość średnia napięcia	Wartość średnia napięcia	Wartość szczytowa napięcia	Kąt zapłonu	Opór	Wyliczona wartość średnia prądu	Wyliczona wartość szczytowa prądu
		mV	V	V	°	Ω	A	A
1	140	0,140	1,81	54	0,47	0,298	3,851
2	182	0,182	1,68	72			0,387	3,574
3	219	0,219	1,56	90			0,466	3,319
4	265	0,265	1,44	108			0,564	3,064
5	303	0,303	1,36	126			0,645	2,894
6	337	0,337	1,34	144			0,717	2,851
7	374	0,374	1,34	162			0,796	2,851
8	418	0,418	1,36	180			0,889	2,894

Tabela pomiarowa dla układu C

Pozycja zworki	Wartość skuteczna napięcia	Wartość skuteczna napięcia	Kąt zapłonu
		mV	V	°
2-2	487	0,487	360
3-3	400	0,400	180

Tabela pomiarowa dla układu D

L.P	Wartość skuteczna napięcia	Kąt zapłonu
		V	°
1	15,4	90
2	17,3	108
3	18,4	126
4	25,9	252
5	26,5	288
6	27,1	306
7	27,3	324
8	27,2	342

5. Przykłady obliczeń

- wartość średnia prądu

- wartość szczytowa prądu

6. Wykresy

a) dla układu A

- zależność natężenia średniego prądu od kąta zapłonu

- zależność natężenia szczytowego prądu od kąta zapłonu

b) dla układu B

- zależność natężenia średniego prądu od kąta zapłonu

- zależność natężenia szczytowego prądu od kąta zapłonu

c) dla układu D

- zależność napięcia skutecznego od kąta zapłonu

7. Wnioski

W układach A i B obserwujemy, że wraz ze wzrostem kąta zapłonu rośnie również wartość średnia napięcia. Natomiast wartość skuteczna napięcia maleje. Te same reakcje obserwujemy jeśli chodzi o natężenie średnie i szczytowe prądu, gdyż te dwa parametry są ze sobą ściśle powiązane.

W układzie C możemy zauważyć, że gdy ustawimy zworkę w położeniu 1-1 przez triak nie płynie prąd, dzieje się tak dlatego, że układ nie jest zamknięty, więc prąd nie może płynąć. W położeniu zwory w pozycji 2-2 kąt zapłonu wynosi około 180^o dzieje się tak dlatego, że prąd przepływa przez diodę, która przepuszcza prąd wyłącznie w jednym kierunku co 10ms. Natomiast gdy zworkę ustawimy w położeniu 3-3 kąt zapłonu wynosi 360^o jest tak dlatego, że na przewodach nie ma żadnych przeszkód, które mogły by powodować przerwy w „dostawie” prądu do układu.

W układzie D prąd płynący przez triak zależy od ustawienia przesuwnika fazowego, im większa wartość napięcia, tym kąt zapłonu większy. Z danych wynika, że w początkowym położeniu potencjometru kąt zapłonu jest większy od 90, a w końcowym położeniu mniejszy niż 360^o. Na wykresie możemy zauważyć, że im napięcie skuteczne jest większe, tym kąt zapłony rośnie wolniej.

---