Politechnika Warszawska Wydział Elektryczny Zakład Elektrotechniki Teoretycznej		Laboratorium Elektrotechniki Teoretycznej
Rok Semestr Gr.	data godz.	Ćwiczenie nr 9 Temat: Badanie obwodów z prostownikami sterowanymi
Zespół nr :		Prowadzący:	Ocena: 4 pkt/4

1. Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia było poznanie układów połączeń prostowników sterowanych ­- prostowanie jednopołówkowe, praca tyrystora przy obciążeniu rezystancyjnym, rezystancyjno-indukcyjnym i pojemnościowym.

2. Podstawy teoretyczne:

Prostownikami sterowanymi nazywamy układy, w których sterując momentem załączenia i wyłączenia zaworu można regulować napięcie wyjściowe układu przy niezmiennym napięciu zasilającym. Napięcie wyjściowe jest regulowane od wartości maksymalnej, charakterystycznej dla danego układu prostowniczego zrealizowanego jako prostownik niesterowany, do wartości minimalnej zależnej od sposobu regulacji, która może być równa zeru. Najczęściej stosowane są prostowniki sterowane, w których elementem sterującym jest tyrystor. Regulacja napięcia może być uzyskiwana dzięki sterowaniu fazowemu lub grupowemu. W naszym przypadku zastosowane jest sterowanie fazowe. Sterowanie fazowe polega na regulacji czasu przepływu prądu przez zawór.

Przykładowy układ prostowniczy jednofazowy półokresowy przy obciążeniu RL przedstawia schemat poniżej.

W stanie przewodzenia tyrystora (Θ_z < ωt < Θ_w­­­­­) i po pominięciu spadku napięcia na tyrystorze obwód ten można opisać równaniem

,

którego rozwiązanie, otrzymane standardową metodą rozwiązywania równań różniczkowych ma postać

Zależność ta określa przebieg impulsu prądowego wewnątrz dodatniego półokresu napięcia zasilającego. Kąt Θ_w można wyznaczyć przez przyrównanie prądu i(t) do zera. Zależność pomiędzy kątem wyłączenia Θ_w i kątem zapłonu Θ_z dla różnych wartości kąta fazowego φ otrzymamy po wstawieniu i(Θ_w) = 0.

Rozwiązując powyższe równanie otrzymuje się rodzinę charakterystyk

Θ_w­ = f(Θ_z), którą przedstawia poniższy rysunek

Poniżej zamieszczone są przykładowe przebiegi napięć zasilania i prądów w obwodzie o obciążeniu RL przy kącie zapłonu Θ_z = 0˚ i Θ_z = 90˚

Inaczej zachowuje się układ prostownika półokresowego z obciążeniem RC. Przykładowy obwód przedstawia schemat.

Rezystancja R­­_T oznacza rezystancję tyrystora w stanie przewodzenia oraz rezystancję przewodów i styków, przy czym jest ona bardzo mała i spadek napięcia na niej może zostać pominięty. W układzie tym tyrystor przewodzi do momentu, gdy napięcie na kondensatorze przewyższy wartość napięcia zasilania. Od tej chwili kondensator rozładowuje się poprzez rezystancję R ze stałą czasową τ = RC. Ponowne załączenie tyrystora następuje, gdy napięcie na kondensatorze jest niższe od napięcia zasilania, a na bramkę tyrystora zostanie podany impuls sterujący. Przebieg napięcia na odbiorniku zależy od kąta zapłonu Θ_z i od parametrów obwodu RC - zwiększenie stałej czasowej τ powoduje zmniejszenie czasu przewodzenia. Przykładowe przebiegi napięć na kondensatorze i prądów tyrystora przedstawiają poniższe wykresy.

3. Wykonywanie ćwiczenia:

3.1. Prostownik jednofazowy jednopołówkowy z obciążeniem RL

Uzas = 11 V, R = 15 Ω, ZL = (2 + j15) Ω
Θz [˚]	Θw [˚]	I [mA]
180	­-	0
144	190,8	15
108	194,4	50
72	198	110
36	198	134
0	198	139

Schemat połączenia jest taki jak w następnym punkcie z tym że jest podłączona jedna cewka (o impedancji 2+j15) zamiast dwóch. Całe wyjaśnienie więc zostało zamieszczone w następnym punkcie. W załączniku znajdują się dodatkowo wykresy 1-5 i przebiegi z oscyloskopu.

1. Badanie prostownika przy obciążeniu RL( gdzie L są to dwie cewki połączone w szereg)

Obserwacje prowadziliśmy w układzie przedstawionym na poniższym rysunku:

Rezystancja tyrystora jest tak małej wartości, że można ją pominąć i dlatego nie została uwzględniona w schematach. Układ zasilany był napięciem zmiennym o wartości skutecznej równej 11V.Wartość indukcyjności cewek połączonych szeregowo wynosi: L=L1+L2=2(2+j15)=4+j30, a obciążenie R=15Ω. Z oscyloskopu odczytywaliśmy przebiegi napięć na wejściu i wyjściu układu co przedstawia wykres 7. Przebieg napięcia na wyjściu ma kształt identyczny co i prąd gdyż napięcie na rezystorze jest wprostproporcjonalne do napięcia na nim ze względu na stałą rezystancje. Z otrzymanych wykresów można było wyznaczyć wartości θ_z i θ_w . Kąt wyłączenia jest warunkowany przebiegiem prądu płynącego przez tyrystor. Cewka i jej właściwości wpływają że prąd nie może natychmiast zaniknąć nawet w momencie gdy sinusoida zasilania przechodzi przez zero. Wynika to z praw komutacji. To samo się tyczy prądu narastającego (tuż po załączeniu tyrystora) który nie może narastać skokowo.

Na amperomierzu wartości skuteczne prądu I. Zmierzone wartości zostały zamieszczone w tabeli:

Lp.	ၱz	ၱw	I
		o	o	[mA]
1	144	194,2	10
2	108	201,3	41
3	72	208,4	71
4	36	211,45	112
5	0	211,45	116

W celu pokazania jak wpływa wartość rezystancji R na kształt przebiegów można porównać wykresy 6 i 7.

Dla danego ϕ=57,6 ^o wyznaczyliśmy charakterystykę θ_w= f(θ_z). Na jednym wykresie.

3.3. Badanie prostownika przy obciążeniu R i dwóch cewkach sprzężonych

Obserwacje prowadziliśmy w układzie przedstawionym na poniższym rysunku:

Podobnie jak wcześniej układ zasilony był z napięci Uwe.=11V .Natomiast indukcyjność dwóch cewek sprzężonych stanowi wartość L=4+j60. Wzrosła wiec indukcyjność wypadkowej cewkia więc zdolność do opierania się zmianom prądu. Ma to wpływ na wartość płynącego prądu jak i również na kąt wyłączenia. Wartość rezystancji R nie uległa zmianie. Przebiegi przedstawione są na wykresie 8. Wyniki pomiarów zamieściliśmy w tabeli:

Lp.	ၱz	ၱw	I
		o	o	[mA]
1	144	194,2	8
2	108	198,2	31
3	72	199,2	60
4	36	200,2	94
5	0	200,7	100

Dla danego ϕ=72,4 ^o wyznaczyliśmy charakterystykę θ_w= f(θ_z). Na jednym wykresie.

1. Układ prostowniczy jednofazowy półokresowy przy obciążeniu RC

W tej części ćwiczenia badaliśmy układ prostownika półokresowego z obciążeniem RC. Rezystancja RT oznacza wypadkową rezystancję tyrystora w stanie przewodzenia oraz rezystancję przewodów łączących i styków. Jest ona bardzo mała. W układzie tym zasada działania jest następująca:

Jak wiadomo tyrystor przestaje przewodzić gdy prąd na nim przestanie płynąć (co najcześciej oznacza że tyrystor zostanie spolaryzowany zaporowo). W momencie gdy następuje załączenie tyrystora rozpoczyna się ładowanie kondensatora ze stałą czasową RTC gdzie wiemy że RT tyrystora jest bardzo małe. W chwili gdy tyrystor przewodzi prąd tyrystora jest równy: iT=iR+iC.

Odcięcie tyrystora następuje jak wcześniej powiedzieliśmy w momencie jak napięcie na nim zpowoduje jego zaporową polaryzację. Jak widać na wykresie w pewnym momencie napięcie na kondensatorze przestaje rosnąć (jest to moment gdy napięcie podawane poprzez tyrystor zaczyna się zrównywać z napięciem na kondensatorze który powoli zaczyna się rozładowywać przez rezystancję obciążenia. Po chwili napięcie sinusoidy wejściowej jest na tyle małe że napięcie na kondensatorze je przewyższa i polaryzuje tyrystor zaporowo. Od tej chwili następuje klasyczne rozładowywanie kondensatora gdzie jego szybkośc jest warunkowane przez stałą RC. W zależności od impulsu sterującego warunkujący kąt zapłonu z oraz wartości stałej czasowej RC napięcie na odbiorniku może mieć różny przebieg. Zwiększenie stałej czasowej powoduje zmniejszenie czasu przewodzenia tyrystora i odwrotnie. Możemy tutaj określić wartość średnią napięcia na odbiorniku, która wynosi :

Tabela pomarowa.

Jak widać zwiększenie kąta zapłonu powoduje dłuższe ładowanie kondensatora, dłuższy czas przewodzenia tyrystoraa co za tym idzie większy wygenerowany prąd przez odbiornik oraz wiekszą wartość średniego napięcia na odbiorniku. Widać zatem że sterując kątem zapłonu możemy warunkowac wielkość mocy, prądu przekazywanego przez układ.

• Wnioski:

Badając układ prostowniczy przy wariancie obwodu zawierającego elementy RL można zauważyć, że zależność kąta wyłączenia tyrystora wielkości obciążenia jak i wielkości indukcyjności a co za tym idzie od tangensa kąta ϕ. Porównując charakterystyki pomiarowe zależności kąta wyłączenia tyrystora od kąta zapłonu z charakterystykami teoretycznymi stwierdziliśmy, że charakterystyki pomiarowe nieznacznie odbiegają od charakterystyk teoretycznych, a więc można powiedzieć że potwierdzają teorię. Widać również, że średnia wartość prądu odbiornika zmniejsza wraz ze wzrostem kąta zapłonu do 180° gdyż zmniejsza się czas przewodzenia tyrystora. Oczywistym jest, zarówno R jak i L również mają wpływ na średnią wartość prądu. Gdy obie te wartości rosną to średnia wartość prądu maleje.

Przy obwodzie RC przebieg napięcia jest zależny od kąta zapłonu jak również stałej RC. Wiadomo, że im wieksza stała czasowa tym kondensator się wolniej rozładowuje jak i ma to wpływ na kąt wyłączenia. Średnia wartość napięcia również zależy od RC jak i od kąta zapłonu a ładowanie kondensatora następuje w chwili gdy napięcie zasilające przekroczy wartość napięcia na kondensatorze.

---