1

Laboratorium Podstaw Elektroniki

Nr ćwiczenia 5

Temat ćwiczenia: Energoelektronika – układy prądu stałego

Nazwisko i Imię prowadzącego kurs: Dr inż. Krzysztof Tomczuk

Wykonawcy

Imię i Nazwisko:

Małgorzata Bielewicz,

Kamil Bąkowski,

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 dotyczące wymaganych poprawek oraz daty otrzymania poprawionego

sprawozdania

2

I.

WSTĘP 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 – źródło napięciowe prądu stałego
RL – rezystancja obciążenia
R1 – szeregowy rezystor redukcyjny

Do zalet takiego układu należy prosta konstrukcja, do

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.
przekaźnik. 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:

T

ON

– długość czasu załączenia klucza

T

OFF

– długość czasu wyłączenia klucza

W stanie rozwarcia do obciążenia dostarczane jest 0% mocy maksymalnej P

max

,

w stanie zwarcia klucza przeciwnie – moc na obciążeniu wynosi 100% P

max

. 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 urządzenia w przeciągu jakiegoś czasu.

Rys. 1 Regulacja mocy za pomocą
szeregowego regulatora redukcyjnego

3

II.

CEL ĆWICZENIA

W części pierwszej: sprawdzenie czy dla P

max

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.

CZĘŚĆ I

III.1.

SCHEMAT UKŁADU POMIAROWEGO NR 1

1. Zasilacz prądu stałego
2. Oscyloskop
3. Układ żarówka- rezystor redukcyjny
4. Układ żarówka-rezystor typu PWM
5. Multimetr

Rys. 3 Schemat układu pomiarowego nr 1

4

III.2.

WYNIKI POMIARÓW

U

zasilacza

= 13,4 V

Tabela 1. Zestawienie danych pomiarowych

L.p.

I

U

P

I

PWM

U

PWM

P

PWM

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.

PRZYKŁADOWE OBLICZENIA

a) Obliczanie mocy ze wzoru :

dla I = 0,7 A ; U = 2,4 V

IV.

CZĘŚĆ II

IV.1.

SCHEMAT UKŁADU POMIAROWEGO NR 2

1. Zasilacz prądu stałego
2. Regulator mocy
3. Wentylator
4. Oscyloskop

Rys. 4 Schemat układu pomiarowego nr 2

5

IV.2.

WYNIKI POMIARÓW

1. Dla częstotliwości sygnału 20 Hz

Tabela 2. Zestawienie wyników pomiarowych oraz obliczeniowych dla częstotliwości sygnału 20 Hz (rosnące D

prawdziwe

)

D

mierzone

D

prawdziwe

Amplituda

I

U

P

f

1

-

-

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 D

prawdziwe

)

D

mierzone

D

prawdziwe

Amplituda

I

U

P

f

1

-

-

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

6

Rys. 5. Zależność mocy od współczynnika wypełnienia D dla częstotliwości sygnału 20Hz

Rys. 6. Zależność prędkości obrotowej (Obr/min) od współczynnika wypełnienia D dla częstotliwości sygnału 20Hz

0

5

10

15

20

25

30

35

0%

20%

40%

60%

80%

100%

Zależność mocy od współczynnika D

D rosnące

D malejące

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

0%

20%

40%

60%

80%

100%

Zależność prędkości obrotowej od

współczynnika D

D rosnące

D malejące

7

2. Dla częstotliwości sygnału 200 Hz

Tabela 4. Zestawienie wyników pomiarowych oraz obliczeniowych dla częstotliwości sygnału 200 Hz (rosnące D

prawdziwe

)

D

mierzone

D

prawdziwe

Amplituda

I

U

P

f

1

-

-

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 D

prawdziwe

)

D

mierzone

D

prawdziwe

Amplituda

I

U

P

f

1

-

-

V

A

V

W

Hz

obr/min

0%

100%

0,3

2,31

11,9

27,489

139,3

8358

20%

80%

12

2,22

11,9

26,418

138,9

8334

40%

60%

12

1,34

11,9

15,946

115,7

6942

60%

40%

12

0,68

11,9

8,092

80,6

4836

80%

20%

12

0,22

11,9

2,618

40,1

2406

100%

0%

12

0,06

11,9

0,714

0

0

8

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

0%

20%

40%

60%

80%

100%

Zależność prędkości obrotowej od

współczynnika D

D rosnące

D malejące

0

5

10

15

20

25

30

35

0%

20%

40%

60%

80%

100%

Zależność mocy od współczynnika D

D rosnące

D malejące

Rys. 7. Zależność mocy od współczynnika wypełnienia D dla częstotliwości sygnału 200Hz

Rys. 8. Zależność prędkości obrotowej (Obr/min) od współczynnika wypełnienia D dla częstotliwości sygnału 200Hz

9

3. Dla częstotliwości sygnału 2 kHz

Tabela 6. Zestawienie wyników pomiarowych oraz obliczeniowych dla częstotliwości sygnału 2 kHz (rosnące D

prawdziwe

)

D

mierzone

D

prawdziwe

Amplituda

I

U

P

f

1

-

-

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 D

prawdziwe

)

D

mierzone

D

prawdziwe

Amplituda

I

U

P

f

1

-

-

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

Rys. 9. Zależność mocy od współczynnika wypełnienia D dla częstotliwości sygnału 2kHz

0

5

10

15

20

25

30

35

0%

20%

40%

60%

80%

100%

Zależność mocy od współczynnika D

D rosnące

D malejące

10

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

0%

20%

40%

60%

80%

100%

Zależność prędkości obrotowej od

współczynnika D

D rosnące

D malejące

4. Dla częstotliwości sygnału 20 kHz

Tabela 8. Zestawienie wyników pomiarowych oraz obliczeniowych dla częstotliwości sygnału 20 kHz (rosnące D

prawdziwe

)

D

mierzone

D

prawdziwe

Amplituda

I

U

P

f

1

-

-

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 D

prawdziwe

)

D

mierzone

D

prawdziwe

Amplituda

I

U

P

f

1

-

-

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

Rys. 10. Zależność prędkości obrotowej (Obr/min) od współczynnika wypełnienia D dla częstotliwości sygnału 2kHz

11

Rys. 11. Zależność mocy od współczynnika wypełnienia D dla częstotliwości sygnału 20kHz

Rys. 12. Zależność prędkości obrotowej (Obr/min) od współczynnika wypełnienia D dla częstotliwości sygnału 20kHz

0

5

10

15

20

25

30

0%

20%

40%

60%

80%

100%

Zależność mocy od współczynnika D

D rosnące

D malejące

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

0%

20%

40%

60%

80%

100%

Zależność prędkości obrotowej od

współczynnika D

D rosnące

D malejące

12

IV.3.

WYKRESY ZBIORCZE

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

0%

20%

40%

60%

80%

100%

Zalezność prędkości obrotowej od

współczynnika D

20 Hz

200 Hz

2 kHz

20 KHz

0

5

10

15

20

25

30

35

0%

20%

40%

60%

80%

100%

Zależność mocy od współczynnika D

20 Hz

200 Hz

2 kHz

20 kHz

Rys. 13. Zależność mocy od współczynnika wypełnienia D dla wszystkich częstotliwości sygnału

Rys. 14. Zależność prędkości obrotowej (Obr/min) od współczynnika wypełnienia D dla wszystkich

częstotliwości sygnału

13

V.

UWAGI I WNIOSKI

W części pierwszej celem było sprawdzenie czy dla P

max

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 :
η =20,23Hz. Wentylator pracował wolno i niestabilnie. Urządzenie działało 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 wyraźnie 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.