Laboratorium Podstaw Elektroniki
Nr ćwiczenia 5
Temat ćwiczenia: Energoelektronika  układy prądu stałego
Nazwisko i Imię prowadzącego kurs: Dr inż. Krzysztof Tomczuk
Wykonawcy Małgorzata Bielewicz,
ImiÄ™ i Nazwisko: Kamil BÄ…kowski,
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 dotyczÄ…ce wymaganych poprawek oraz daty otrzymania poprawionego
sprawozdania
1
I. WST
P 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  z
ródło napięciowe prądu stałego
RL  rezystancja obciążenia
R1  szeregowy rezystor redukcyjny
Rys. 1 Regulacja mocy za pomocÄ…
Do zalet takiego układu należy prosta konstrukcja, do
szeregowego regulatora redukcyjnego
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.
przekaz
nik. 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:
TON  długość czasu załączenia klucza
TOFF  długość czasu wyłączenia klucza
W stanie rozwarcia do obciążenia dostarczane jest 0% mocy maksymalnej Pmax,
w stanie zwarcia klucza przeciwnie  moc na obciążeniu wynosi 100% Pmax. 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 urzÄ…dzenia w przeciÄ…gu jakiegoÅ› czasu.
2
II. CEL ĆWICZENIA
W części pierwszej: sprawdzenie czy dla Pmax 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. CZ
ŚĆ I
III.1. SCHEMAT UKA
ADU POMIAROWEGO NR 1
Rys. 3 Schemat układu pomiarowego nr 1
1. Zasilacz prądu stałego
2. Oscyloskop
3. Układ żarówka- rezystor redukcyjny
4. Układ żarówka-rezystor typu PWM
5. Multimetr
3
III.2. WYNIKI POMIARÓW
U zasilacza = 13,4 V
Tabela 1. Zestawienie danych pomiarowych
I U P IPWM UPWM PPWM
L.p.
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. PRZYKA
ADOWE OBLICZENIA
a) Obliczanie mocy ze wzoru :
dla I = 0,7 A ; U = 2,4 V
IV. CZ
ŚĆ II
IV.1. SCHEMAT UKA
ADU POMIAROWEGO NR 2
Rys. 4 Schemat układu pomiarowego nr 2
1. Zasilacz prądu stałego
2. Regulator mocy
3. Wentylator
4. Oscyloskop
4
IV.2. WYNIKI POMIARÓW
1. Dla częstotliwości sygnału 20 Hz
Tabela 2. Zestawienie wyników pomiarowych oraz obliczeniowych dla częstotliwości sygnału 20 Hz (rosnące Dprawdziwe)
D D
Amplituda I U P f
1
mierzone prawdziwe
- - 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 Dprawdziwe)
D D
Amplituda I U P f
1
mierzone prawdziwe
- - 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
5
Zależność mocy od współczynnika D
35
30
25
20
D rosnÄ…ce
15
D malejÄ…ce
10
5
0
0% 20% 40% 60% 80% 100%
Rys. 5. Zależność mocy od współczynnika wypełnienia D dla częstotliwości sygnału 20Hz
Zależność prędkości obrotowej od
współczynnika D
10000
9000
8000
7000
6000
D rosnÄ…ce
5000
D malejÄ…ce
4000
3000
2000
1000
0
0% 20% 40% 60% 80% 100%
Rys. 6. Zależność prędkości obrotowej (Obr/min) od współczynnika wypełnienia D dla częstotliwości sygnału 20Hz
6
2. Dla częstotliwości sygnału 200 Hz
Tabela 4. Zestawienie wyników pomiarowych oraz obliczeniowych dla częstotliwości sygnału 200 Hz (rosnące Dprawdziwe)
D D
Amplituda I U P f
1
mierzone prawdziwe
- - 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 Dprawdziwe)
D D
Amplituda I U P f
1
mierzone prawdziwe
- - V A V W Hz obr/min
0% 100% 0,3 11,9
2,31 27,489 139,3 8358
20% 80% 12 11,9
2,22 26,418 138,9 8334
40% 60% 12 11,9
1,34 15,946 115,7 6942
60% 40% 12 11,9
0,68 8,092 80,6 4836
80% 20% 12 11,9
0,22 2,618 40,1 2406
100% 0% 12 11,9
0,06 0,714 0 0
7
Zależność mocy od współczynnika D
35
30
25
20
D rosnÄ…ce
15
D malejÄ…ce
10
5
0
0% 20% 40% 60% 80% 100%
Rys. 7. Zależność mocy od współczynnika wypełnienia D dla częstotliwości sygnału 200Hz
Zależność prędkości obrotowej od
współczynnika D
10000
9000
8000
7000
6000
D rosnÄ…ce
5000
D malejÄ…ce
4000
3000
2000
1000
0
0% 20% 40% 60% 80% 100%
Rys. 8. Zależność prędkości obrotowej (Obr/min) od współczynnika wypełnienia D dla częstotliwości sygnału 200Hz
8
3. Dla częstotliwości sygnału 2 kHz
Tabela 6. Zestawienie wyników pomiarowych oraz obliczeniowych dla częstotliwości sygnału 2 kHz (rosnące Dprawdziwe)
D D
Amplituda I U P f
1
mierzone prawdziwe
- - 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 Dprawdziwe)
D D
Amplituda I U P f
1
mierzone prawdziwe
- - 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
Zależność mocy od współczynnika D
35
30
25
20
D rosnÄ…ce
15
D malejÄ…ce
10
5
0
0% 20% 40% 60% 80% 100%
Rys. 9. Zależność mocy od współczynnika wypełnienia D dla częstotliwości sygnału 2kHz
9
Zależność prędkości obrotowej od
współczynnika D
10000
9000
8000
7000
6000
D rosnÄ…ce
5000
D malejÄ…ce
4000
3000
2000
1000
0
0% 20% 40% 60% 80% 100%
Rys. 10. Zależność prędkości obrotowej (Obr/min) od współczynnika wypełnienia D dla częstotliwości sygnału 2kHz
4. Dla częstotliwości sygnału 20 kHz
Tabela 8. Zestawienie wyników pomiarowych oraz obliczeniowych dla częstotliwości sygnału 20 kHz (rosnące Dprawdziwe)
D D
Amplituda I U P f
1
mierzone prawdziwe
- - 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 Dprawdziwe)
D D
Amplituda I U P f
1
mierzone prawdziwe
- - 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
10
Zależność mocy od współczynnika D
30
25
20
D rosnÄ…ce
15
D malejÄ…ce
10
5
0
0% 20% 40% 60% 80% 100%
Rys. 11. Zależność mocy od współczynnika wypełnienia D dla częstotliwości sygnału 20kHz
Zależność prędkości obrotowej od
współczynnika D
9000
8000
7000
6000
5000
D rosnÄ…ce
4000
D malejÄ…ce
3000
2000
1000
0
0% 20% 40% 60% 80% 100%
Rys. 12. Zależność prędkości obrotowej (Obr/min) od współczynnika wypełnienia D dla częstotliwości sygnału 20kHz
11
IV.3. WYKRESY ZBIORCZE
Zależność mocy od współczynnika D
35
30
25
20 Hz
20
200 Hz
2 kHz
15
20 kHz
10
5
0
0% 20% 40% 60% 80% 100%
Rys. 13. Zależność mocy od współczynnika wypełnienia D dla wszystkich częstotliwości sygnału
Zalezność prędkości obrotowej od
współczynnika D
10000
9000
8000
7000
6000
20 Hz
200 Hz
5000
2 kHz
4000
20 KHz
3000
2000
1000
0
0% 20% 40% 60% 80% 100%
Rys. 14. Zależność prędkości obrotowej (Obr/min) od współczynnika wypełnienia D dla wszystkich
częstotliwości sygnału
12
V. UWAGI I WNIOSKI
W części pierwszej celem było sprawdzenie czy dla Pmax 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 :
· =20,23Hz. Wentylator pracowaÅ‚ wolno i niestabilnie. UrzÄ…dzenie dziaÅ‚aÅ‚o 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 wyraz
nie 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.
13