Akademia Górniczo-Hutnicza Elektrotechnika		Imię Nazwisko: Michał Smajdor
GRZEJNICTWO ELEKTRYCZNE			Rok: III Grupa: C
Temat: Szeregowy rezonansowy falownik napięcia „dwutaktowy” do nagrzewania indukcyjnego.
Data wykonania: 10-10-207		Ocena:

1. Schemat i zasada działania falownika

Praca falownika odbywa się w dwóch taktach. W pierwszym takcie prąd płynie przez tyrystor T1 oraz diodę D1, w drugim T2 oraz D2. Elementy C_s R₀ L₀ stanowią obwód rezonansowy, stąd prąd i_d ma przebieg oscylacyjny tłumiony. W czasie t₁ przewodzi tyrystor T1, układ rezonansowy pobiera energię z sieci. W czasie t₂ następuje zwrot energii, prąd płynie przez diodę D2, wyłączając tym samym tyrystor T1. Po czasie t₂ następuje załączenie tyrystora T2 a następnie diody D2, powodując przeładowanie się energii. Przeładowanie to następuje bez udziału źródła energii.

	tr [μs]		Ts [μs]	To [μs]		td [μs]		UIT1m [mV]	UID1m [mV]		UIT2m [mV]	UID2m [mV]		UUT2m [mV]	Ud [V]	Is [A]
p. 2	tro =65		448	224		108		760	480		840	480		480	45	2.1
p. 3	0		308	------		64		620	400		640	340		272	22	3.8
p. 4	100		516	224		112		740	480		820	460		496	45	2
tr[μs]		Ts [μs]			td [μs]		Ud [V]			Is [A]
20		332			68		28			3.1
40		384			84		38			2.7
60		440			112		42			2.1
80		480			124		45			2

2. Wyniki pomiarów zamieszczone są w tabeli
   Tabela 1
   
   Tabela 2
   
   
   
   
   
   
   

3. Prąd obciążenia i (prąd tyrystorów i diod) mierzy się przez pomiar napięcia na rezystorze R_p1 poprzez separator napięcia: 0,5 V/V; przekładnik 700/5 A/A, 1[V]=56[A]
   Pomiar napięcia u_T2 na tyrystorze T₂ poprzez separator napięcia: 0,01 V/V
   

	tr [μs]	IT1m [A]	ID1m [A]	IT2m [A]	ID2m [A]	UT2m [V]	fo =1/To [kHz]
p. 2	tro =65	42,5	26,8	47,0	26,8	48,0	4,4
p. 3	0	34,7	22,4	35,8	19,0	27,2	-----------
p. 4	100	41,4	26,8	45,9	25,7	49,6	4,4

4. Tabela 3 z wynikami obliczeń:
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

5. Przebiegi zaobserwowane podczas ćwiczenia dla t_r=65 (przebieg prądu na granicy ciągłości)








Przebieg prądu i

Przebieg napięcia na tyrystorze T2

Sygnał załączający tyrystor T1

Sygnał załączający tyrystor T2

Przebieg prądu źródłowego

• T_s okres sterowania

• T_o okres drgań własnych

• t_d1, t_d2 czas wstecznego spolaryzowania wyłączanych tyrystorów,

• I_T1m maksymalna wartość prądu tranzystora T₁

• I_D1m maksymalna wartość prądu diody D₁

• I_T2m maksymalna wartość prądu tranzystora T₂

• I_D2m maksymalna wartość prądu diody D₂

• u_T2maksymalna wartość napięcia na tyrystorze T₂

6. Wartości napięcia na tyrystorze T2
   Podczas przewodzenia tyrystoraT1 lub diody D1 napięcie na tyrystorze T2 jest równe napięciu na elementach R_oL_oC_s . W chwili gdy zostaje włączony tyrystor T2 napięcie na nim jest bliskie zeru (spadek napięcia na tyrystorze wynosi około 1,5 V). Podczas przewodzenia diody D2 napięcie na T2 jest ujemne i równe spadkowi napięcia na diodzie. Tyrystor jest spolaryzowany wstecznie, co jest konieczne by go wyłączyć.

7. 
   Z wyników obliczeń wynika iż prąd i podczas przewodzenia tyrystorów jest znacznie większy niż podczas pracy diod.
   Podczas przewodzenia tyrystora T1 energia jest magazynowana w elementach biernych oraz częściowo tracona na rezystancji. Gdy przewodzi dioda D1część energii jest zwracana do źródła, a część wydziela się na elementach czynnych układu. Podobnie się dzieje w czasie przewodzenia tyrystora T2 i diody D2, z tą różnicą, że energia nie wraca do źródła, a jest przeładowywana z kondensatora do dławika. Wartość prądu podczas przewodzenia tyrystorów jest większa niż podczas przewodzenia diod, ze względu na tracenie energii w elementach czynnych, tłumiących oscylacje.

8. Obliczenie wartości sredniej
   W celu obliczenia wartości średniej prądu i_d przebieg prądu rozkładamy na dwie połówki sinusoid o okresie T




9. Przebiegi zaobserwowane podczas ćwiczenia dla t_r=0 (minimalny czas dysponowany na wyłączenie tyrystorów)







Przebieg prądu i

Przebieg napięcia na tyrystorze T2

Sygnał załączający tyrystor T1

Sygnał załączający tyrystor T2

Przebieg prądu źródłowego i_d

• T_s okres sterowania

• T_o okres drgań własnych

• t_d1, t_d2 czas wstecznego spolaryzowania wyłączanych tyrystorów,

• I_T1m maksymalna wartość prądu tranzystora T₁

• I_D1m maksymalna wartość prądu diody D₁

• I_T2m maksymalna wartość prądu tranzystora T₂

• I_D2m maksymalna wartość prądu diody D₂

• u_T2maksymalna wartość napięcia na tyrystorze T₂

	IT1m [A]	Is [A]	tr [μs]
p. 2	42,5	2.1	65
p. 3	34,7	3.8	0

Porównując maksymalny prąd tyrystora T1 przy różnych czasach t_d można stwierdzić, iż większemu czasowi t_d odpowiada większa wartość maksymalna prądu, oraz mniejsza wartość prądu średniego. Dzieje się tak, ponieważ w czasie t_d energia jest zwracana do sieci, czyli prąd płynie w przeciwnym kierunku niż w czasie przewodzenia przez tyrystor T1. W konsekwencji wartość średnia jest różnicą średniej wartości prądu płynącego przez tyrystor i średniego prądu płynącego przez diodę D1. Dla czasu t_d otrzymujemy mniejszą wartość średniego prądu płynącego przez diodę, a przez to większą wartość średnią prądu i_d.
Wartość maksymalna prądu dla czasu t_r=0 jest mniejsza, ponieważ czas zwrotu energii do źródła jest krótszy, a co za tym idzie układ posiada większą energię i doładowanie go nie wymaga aż takiego prądu, jak dla czasu t_r=65.

11. Przebiegi zaobserwowane podczas ćwiczenia dla t_r=100 μs (prąd przerywany)

Przebieg prądu i

Przebieg napięcia na tyrystorze T2

Sygnał załączający tyrystor T1

Sygnał załączający tyrystor T2

Przebieg prądu źródłowego

• T_o okres drgań własnych

• t_d1, t_d2 czas wstecznego spolaryzowania wyłączanych tyrystorów,

• I_T1m maksymalna wartość prądu tranzystora T₁

• I_D1m maksymalna wartość prądu diody D₁

• I_T2m maksymalna wartość prądu tranzystora T₂

• I_D2m maksymalna wartość prądu diody D₂

• u_T2maksymalna wartość napięcia na tyrystorze T₂

Przedstawiony przebieg prądu jest podobny do przebiegu o czasie t_r=65μs (p.5). Zbliżone są również wartości średnie i maksymalne prądów. Na powyższym przebiegu zauważamy przedziały czasu, w których nie płynie prąd, czego nie ma na przebiegu z p.5.

12. 
    Tablica 4
    

tr [μs]	Ud [V]	Is [A]	Ud / Is [Ω]	P = Ud Is [W] [W]	UT2m [V]	Ts [μs]	fs [Hz]	fs / fo	td [μs]
0	50	8,64	5,79	431,82	22	308	3247	0,727	64
20	50	5,54	9,03	276,79	---	332	3012	0,675	68
40	50	3,55	14,07	177,63	---	384	2604	0,583	84
60	50	2,50	20,00	125,00	---	440	2273	0,509	112
tro =65	50	2,33	21,43	116,67	48	448	2232	0,500	108
80	50	2,22	22,50	111,11	---	480	2083	0,467	124
100	50	2,22	22,50	111,11	49,6	516	1938	0,434	124




13. Wykresy

1. prąd pobierany przez falownik,




2. rezystancja wejściowa falownika dla prądu stałego,




3. moc falownika,




4. częstotliwość prądu wyjściowego falownika,




5. stosunek maksymalnej wartości napięcia na tyrystorach do napięcia zasilania.




14. Dobór czasu

Im mniejsza wartość czasu t_d (przy zachowaniu warunku t_d>t_q), tym większa moc czynna wydzieli się na odbiorniku, przy zadanym napięciu zasilania oraz zadanych parametrach obwodu.

Miarą czasu t_d jest kąt
przewodzenia diod


.

Z rysunku wynika, że zmniejszanie kąta przewodzenia diod powoduje wzrost mocy:




15. Wnioski:

Badanym elementem był „dwutaktowy” falownik napięcia zbudowany na bazie dwóch tyrystorów SCR. Zaletą stosowania falownika rezonansowego jest wykorzystanie energii zgromadzonej w elementach biernych układu do nagrzewania. Główną wadą są ograniczenia wynikające z zasady działania tyrystora, czyli nie pełna sterowalność tyrystorów. Podczas wykonywania ćwiczenia zauważamy, że mocą falownika można regulować poprzez napięcie zasilające U_d oraz czas t_d (czas przewodzenia diod), który wraża się również za pomocą kąta. Zakres regulacji czasem t_d wynosi od Ψ=Ψ_min ,czas minimalny potrzebny do wyłączenia tyrystora do Ψ=Π. Od czasu t_d zależy również wartość średnia prądu. Zauważamy, że dla minimalnego czasu t_d (p.2)średni prąd jest największy(3,8 A). Dzieje się tak ponieważ średnia wartość prądu płynącego przez diody, a więc „wracającego do źródła” jest minimalna. Wydłużanie czasu t_d powoduje zmniejszenie prądu średniego. Dla p.1, gdzie prąd i znajduje się na granicy ciągłości, oraz dla p.3, wartość średnia jest zbliżona, ponieważ w obu tych przypadkach tyle samo energii jest pobieranej oraz zwracanej do sieci.

Lepszym zastosowaniem byłoby zastosowanie elementów w pełni sterowalnych, jakimi są tranzystory.

---