Politechnika Białostocka
Katedra Energoelektroniki i Napędu Elektrycznego
BADANIE UKŁADÓW PROSTOWNIKOWYCH PRZY RÓŻNYCH
OBCIĄŻENIACH
7
Białystok 2009
Politechnika Białostocka
Katedra Energoelektroniki i Napędu Elektrycznego
BADANIE UKŁADÓW PROSTOWNIKOWYCH PRZY RÓŻNYCH
OBCIĄŻENIACH
7
Białystok 2009
2
Zastrzeżenia
Materiały zawarte w instrukcji przeznaczone są wyłącznie do użytku wewnętrznego
w KEiNE PB. Ich rozpowszechniane w jakiejkolwiek postaci na zewnątrz KEiNE PB stanowi
naruszenie praw własności oraz praw autorskich i jako takie jest karalne. Schematy i opra-
cowania zawarte w instrukcji przeznaczone są wyłącznie do celów edukacyjnych w KEiNE
PB. Wszelkie inne ich wykorzystanie wymaga zgody ich twórców. Żadna częśd jak i całośd
materiałów zawartych w instrukcji nie może byd powielana i rozpowszechniania lub dalej
rozpowszechniana w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób (w tym także elektro-
niczny lub mechaniczny lub inny albo na wszelkich polach eksploatacji) włącznie z kopio-
waniem, szeroko pojętą cyfryzacją lub kopiowaniem, w tym także zamieszczaniem w In-
ternecie bez pisemnej zgody ich twórców.
Ogólne zasady bezpieczeństwa
Przed przystąpieniem do zajęć należy zapoznać się z instrukcją dydaktyczną do stano-
wiska laboratoryjnego.
Dokonać oględzin urządzeń i przyrządów używanych w ćwiczeniu, a o zauważonych
nieprawidłowościach bezzwłocznie powiadomić prowadzącego.
Zabrania się samodzielnego załączania stanowiska bez zgody prowadzącego.
Zmian nastaw parametrów lub konfiguracji, możliwych przy użyciu dostępnych manipula-
torów (potencjometrów, przełączników), należy dokonywać po przeanalizowaniu skut-
ków takich działań.
Zmian konfiguracji obwodów elektrycznych, możliwych jedynie poprzez zmiany połączeń
przewodów, należy dokonywać za zgodą prowadzącego po uprzednim wyłączeniu zasi-
lania stanowiska.
Po załączeniu stanowiska wykonywanie przełączeń (np. wymiana przyrządu) w układzie
znajdującym się pod napięciem jest niedozwolone.
W w/w stanowisku dostępne są części czynne obwodu elektrycznego o napięciu prze-
kraczającym napięcie bezpieczne, dlatego przed uruchomieniem należy zachować od-
powiednie oddalenie od tych części czynnych w celu uniknięcia porażenia prądem elek-
trycznym.
Stosowanie sposobów sterowania, ustawień lub procedur innych niż opisane w instrukcji
może spowodować nieprzewidziane zachowanie obiektu sterowanego a nawet uszko-
dzenie stanowiska.
Nie należy podłączać urządzeń nie przeznaczonych do współpracy z tym stanowiskiem
laboratoryjnym.
Przekroczenie dopuszczalnych parametrów prądów, napięć sygnałów sterujących może
doprowadzić do przegrzania się niektórych podzespołów, pożaru lub porażenia prądem.
W przypa
dku pojawienia się symptomów nieprawidłowego działania (np. swąd spaleni-
zny) natychmiast należy wyłączyć stanowisko i odłączyć przewód zasilający.
Demontaż osłon stanowiska oraz wszelkie naprawy i czynności serwisowe, oprócz opi-
sanych w instrukcji, powinny
być wykonywane przez wykwalifikowany personel po wyłą-
czeniu stanowiska.
Należy stosować tylko bezpieczniki o parametrach nominalnych podanych w instrukcji
lub na obudowie urządzenia.
3
Urządzenie powinno być czyszczone przy użyciu suchej i miękkiej szmatki. Nie należy
stosować do tych celów rozpuszczalników.
Podczas korzystania z aparatury laboratoryjnej (oscyloskopy, generatory, zasilacze itp.)
należy przestrzegać ogólnych zasad bezpieczeństwa tj.:
-
Do zasilania przyrządu należy stosować tylko kable zalecane do danego wyrobu.
- Nie należy podłączać lub odłączać sond i przewodów pomiarowych, gdy są one dołą-
czone do źródła napięcia.
- Przyrząd powinien być połączony z uziemieniem przez przewód ochronny w kablu za-
si
lającym. Aby uniknąć porażenia przewód ten powinien być podłączony do przewodu
ochronnego sieci.
- Przewód uziemiający sondy należy podłączać tylko do uziemienia ochronnego. Nie na-
leży podłączać go do punktów o wyższym potencjale.
- Aby uniknąć porażenia prądem podczas używania sondy, należy trzymać palce nad
pierścieniem zabezpieczającym. Nie wolno dotykać metalowych części grotu, gdy son-
da jest podłączona do źródła napięcia
Nie dotykać końcówek przewodów łączeniowych w trakcie wykonywania pomiarów.
Uwagi szczególne odnośnie pracy przy stanowisku
Stanowisko laboratoryjne zasilane jest z zasilacza o zakresie napięć bezpiecznych.
Nie stwarza więc bezpośredniego zagrożenia zdrowia lub życia osób je obsługujących.
Pomimo to, uruchomienie układu może być dokonane tylko i wyłącznie na wyraźne pole-
cenie p
rowadzącego zajęcia.
Niedopuszczalne jest wykonywanie czynności łączeniowych przy załączonym którymkol-
wiek z elementów stanowiska laboratoryjnego. Mimo, że wszystkie napięcia na łączach
mają wartości niższe od 24V, to w wyniku przełączeń „pod napięciem” może nastąpić
uszkodzenie podzespołów stanowiska.
Podczas pomiarów oscyloskopem wielokanałowym należy zwrócić uwagę na
właściwe przyłączenie masy sond oscyloskopowych by nie spowodować zwarcia w
badanych układach.
Niedopuszczalne jest kasowanie, kopiowanie
lub wprowadzanie własnych programów
komputerowych nie związanych bezpośrednio z wykonywanym ćwiczeniem, bez zgody
prowadzącego zajęcia. Zakończenie ćwiczenia należy zgłosić prowadzącemu ćwiczenia.
Po sprawdzeniu przez prowadzącego należy dokonać czynności porządkowych na
stanowisku laboratoryjnym,
a uszkodzone w trakcie ćwiczenia przewody - naprawić
4
1. Podstawowe wiadomości teoretyczne
1.1. Prostownik trójpulsowy.
Prostownikami nazywamy układy energoelektroniczne służące do zamiany na-
pięcia przemiennego na napięcie stałe ( jednokierunkowe ). Źródłem napięcia wej-
ściowego prostownika jest zwykle sieć elektroenergetyczna lub strona wtórna trans-
formatora. Napięcie wyjściowe prostownika składa się z wycinków napięć zasilają-
cych. W omawianym przekształtniku energia przepływa z sieci poprzez prostownik do
odbiornika. Elementami powszechnie stosowanymi do budowy prostowników są dio-
dy i tyrystory. Najprostszym prostownikiem trójfazowym jest prostownik trójpulsowy,
którego schemat ideowy pokazano na rysunku 1. Nazwa prostownika wywodzi się od
liczby pulsów jego napięcia wyjściowego przypadających na okres napięcia wejścio-
wego. Liczbę tą oznaczono literą q. W przypadku prostownika trójpulsowego liczba q
jest równa trzy.
Rys. 1. Schemat ideowy trójpulsowego prostownika sterowanego
Każdy tyrystor prostownika może przewodzić prąd od źródła do odbiornika wówczas,
gdy zostanie wysterowany i będzie miał dodatnio spolaryzowaną anodę względem
katody. Moment wysterowania, w prostownikach sterowanych fazowo, określa się
poprzez podanie kąta opóźnienia wysterowania
. Kąt ten mierzony jest od punktu
komutacji naturalnej M ( jest to chwila, począwszy od której anoda danego tyrystora
ma najwyższy potencjał względem punktu zerowego). Na rysunku 2. pokazano przy-
kładowe przebiegi napięć i prądów przy obciążeniu rezystancyjnym i indukcyjnym
przy różnych kątach wysterowania. Przebiegi z rysunku 2a odpowiadają obciążeniu
rezystancyjnemu i kątowi wysterowania
=15
= 0,2618 rad. Na rysunku 2b przed-
stawiono przebiegi napięć i prądów przy kącie opóźnienia wysterowania
=60
=
/3 rad. Zauważmy, że dla kątów opóźnienia wysterowania spełniających
warunek
q
2
0
otrzymany przebieg napięcia wyjściowego prostownika ma
wartości chwilowe nieujemne i dlatego przy obciążeniu rezystancyjnym i rezystancyj-
no-indukcyjnym prąd wyjściowy prostownika jest ciągły. W przypadku, gdy kąt opóź-
nienia wysterowania spełnia warunek
q
q
2
2
przewodzący tyrystor wyłą-
5
cza się w chwili, w której skojarzone z nim napięcie sieci zasilającej zaczyna polary-
zować go wstecznie. Powoduje to impulsowy przebieg prądu w odbiorniku. Zakres
kątów wysterowania
, przy których prąd w odbiorniku jest ciągły wzrasta, gdy od-
biornik ma charakter rezystancyjno-indukcyjny. W czasie narastania prądu obciążenia
energia nagromadzona w indukcyjności rośnie. W chwili, gdy prąd odbiornika maleje,
na indukcyjności indukuje się napięcie, które polaryzuje tyrystor w kierunku przewo-
dzenia (mimo, że napięcie wejściowe jest ujemne) do czasu zmniejszenia prądu do
zera lub przejęcia przewodzenia przez kolejno wysterowany tyrystor (rysunek 2c).
Rys. 2. Przebiegi czasowe napięć i prądów w prostowniku trójpulsowym : a) odbiornik rezy-
stancyjny
=15
= 0,2618 rad, b) odbiornik rezystancyjny
=60
=
/3 rad,
c) odbiornik rezystancyjny-indukcyjny
=60
=
/3 rad
1.2. Prostowniki trójfazowe mostkowe
6
Najczęściej spotykanym typem trójfazowego
prostownika sterowanego jest prostownik
mostkowy (sześciopulsowy), którego schemat
ideowy pokazano na rysunku 3. Prostownik ten
stanowi szeregowe połączenie dwóch prostow-
ników trójpulsowych A i B. Rozważmy pracę
takiego prostownika przy obciążeniu rezystan-
cyjnym. Określony tyrystor może być załączo-
ny wtedy, gdy polaryzujące go napięcie ma taki
kierunek, że anoda jest dodatnio spolaryzowana
względem katody. Chwila wysterowania tyry-
stora określana jest kątem wysterowania
od-
niesionym do punktu komutacji naturalnej M,
w którym wysterowany tyrystor ma szansę
przewodzić. Dla przykładu przyjmijmy kąt wy-
sterowania równy
/2. Oznaczmy czasy prze-
wodzenia poszczególnych tyrystorów. Napięcie wyjściowe na odbiorniku jest różnicą
napięć między punktami A i B. Zauważmy, że jeśli kąt wysterowania
<
/3, to bę-
dziemy mieli do czynienia z przewodzeniem ciągłym (prąd odbiornika jest cały czas
większy od zera). W tym przypadku przewodzący tyrystor wyłącza się, polaryzowany
wstecznie po załączeniu kolejnego. Taki sposób wyłączania tyrystorów nazywamy
komutacją naturalną
Rys. 4. Przebieg napięcia i prądu wyjściowego prostownika przy obciążeniu rezystancyjnym
dla dwóch różnych kątów wysterowania
Rys. 3. Schemat ideowy prostownika
mostkowego
7
W prostowniku obciążonym odbiornikiem rezystancyjno-inducyjnym przewo-
dzenie ciągłe można uzyskać przy kącie wysterowania
>
/3 (
>
/2 -
/q). W czasie
dodatniego napięcia na obciążeniu prąd obciążenia narasta i w indukcyjności jest gro-
madzona energia. Przy ujemnym napięciu prąd w obciążeniu zanika indukując napię-
cia powodujące dodatnią polaryzację tyrystorów aż do momentu rozładowania energii.
Rys. 5. Przebieg czasowe napięcia i prądu wyjściowego prostownika, kąt wysterowania
=75
= 1,309 rad
1.3. Napięcie wyjściowe prostownika
Podstawowym parametrem prostownika jest jego wartość średnia napięcia wyj-
ściowego. W celu jej wyznaczenia założono, że prąd wyjściowy prostownika jest cią-
gły (pożądany i optymalny stan pracy prostownika), a początek układu współrzędnych
umieszczony jest tak pokazano to na rysunku 6 (moment komutacji dwóch tyrystorów)
Rys.6. Przebieg czasowy napięcia i prądu wyjściowego prostownika q-pulsowego
Przy tak przyjętym początku układu współrzędnych czas t będzie odmierzany od mo-
mentu wysterowania tyrystora i wartość chwilową napięcia wyjściowego będzie moż-
na wyznaczyć z następującej zależności:
8
)
q
t
cos(
U
)
t
(
u
M
o
(1)
Przez U
M
oznaczono wartość maksymalną napięcia, z którego kształtowane jest napię-
cie wyjściowe prostownika. W prostowniku trójpulsowym napięcie wyjściowe pro-
stownika składa się z wycinków napięć fazowych ( jako U
M
wstawiamy więc wartość
maksymalną napięcia fazowego zasilającego prostownik ), natomiast w prostowniku
sześciopulsowym (mostkowym) napięcie wyjściowe prostownika składa się z wycin-
ków napięć międzyfazowych ( jako U
M
wstawiamy więc wartość maksymalną napię-
cia międzyfazowego zasilającego prostownik ). Przez
oznaczono pulsację napięcia
sieci (
2 f
, gdzie f - częstotliwość napięcia sieci). Równanie (1) jest jedynie słusz-
ne do wysterowania kolejnego tyrystora.
Wartość średnią napięcia wyprostowanego można wyznaczyć z następującej za-
leżności:
q
M
q
M
o
o
)
q
t
sin(
U
q
)
t
(
d
)
q
t
cos(
U
q
)
t
(
d
)
t
(
u
U
2
0
2
0
2
0
2
2
2
1
=
cos
U
cos
U
q
sin
q
oM
M
(2)
Fala napięcia wyjściowego prostownika poza pożądaną ( użyteczną ) składową
stałą posiada szereg niepożądanych wyższych harmonicznych, gdyż składa się z od-
powiednio dobranych wycinków napięć wejściowych. Amplitudy poszczególnych
harmonicznych w funkcji kąta
można wyznaczyć poprzez rozwinięcie w szereg Fo-
uriera przebieg czasowy napięcia wyjściowego prostownika:
1
1
1
1
2
2
2
0
k
q
)
k
(
sin
)
q
k
cos(
k
q
)
k
(
sin
)
q
k
cos(
U
q
)
t
(
d
)
t
k
cos(
q
t
cos
U
q
a
M
q
M
k
(3)
oraz
9
1
1
1
1
2
2
2
0
k
q
)
k
(
sin
)
q
k
sin(
k
q
)
k
(
sin
)
q
k
sin(
U
q
)
t
(
d
)
t
k
sin(
q
t
cos
U
q
b
M
q
M
k
(4)
Wartość maksymalna kolejnej harmonicznej wynosi:
)
1
)(
1
(
2
cos
2
)
1
(
1
)
1
(
1
sin
2
2
2
2
qk
qk
qk
qk
U
q
q
b
a
U
M
k
k
Mk
(5)
gdzie:
a
k
, b
k
- odpowiednie współczynniki rozkładu Fouriera,
U
Mk
- amplituda k-tej harmonicznej napięcia wyjściowego.
Przebieg napięcia wyjściowego przy stałym kącie wysterowania
można opisać na-
stępującym szeregiem:
....
)
sin(
...
)
2
sin(
)
sin(
)
sin(
)
1
)(
1
(
2
cos
2
)
1
(
1
)
1
(
1
cos
sin
)
(
2
2
1
2
2
0
kq
kqM
q
qM
q
qM
o
k
k
M
t
kq
U
t
q
U
t
q
U
U
t
kq
qk
qk
qk
qk
U
q
q
t
u
(6)
gdzie:
k
k
k
b
a
ctg
ar
Parametr k oznacza kolejną liczbę naturalna ( k=1,2,3... ). Rząd harmonicznej uzy-
skamy poprzez pomnożenie k przez liczbę pulsów q. W prostowniku trójpulsowym
napięcie wyjściowe zawiera składową stałą i harmoniczne: - 3, 6, 9, 12 itd., a w pro-
stowniku sześciopulsowym napięcie wyjściowe zawiera składową stałą i harmonicz-
ne: - 6, 12, 18 itd.
10
Rys. 7a. Zmiany składowej stałej oraz 3,6,9 i 12 harmonicznej napięcia wyjściowego w funk-
cji kąta wysterowania prostownika trójpulsowego
Rys. 7b. Zmiany składowej stałej oraz 6,12,18 i24 harmonicznej napięcia wyjściowego
w funkcji kąta wysterowania prostownika sześćiopulsowego (mostkowego)
Na rysunku 7. przedstawiono zmiany amplitudy kolejnych czterech harmonicznych,
odniesione do wartości maksymalnej napięcia wyjściowego prostownika, w funkcji
kąta wysterowania
. Zauważmy, że w prostowniku trójpulsowym są to harmoniczne
3, 6, 9, 12 itd, a w prostowniku sześciopulsowym 6, 12, 18 24 itd. Amplitudy tych
harmonicznych rosną, gdy kąt wysterowania dąży do
/2. Widmo napięcia wyjścio-
11
wego prostownika sześciopulsowego (mostkowego) jest bardziej korzystne od widmo
napięcia wyjściowego prostownika trójpulsowego ze względu na rząd najniższej har-
monicznej. Ponadto kolejne harmoniczne prostownika szesciopulsowgo mają mniejsze
względne amplitudy niż kolejne harmoniczne prostownika trójpulsowgo.
1.4. Sposoby sterowania prostownika
Układ sterowania prostownika powinien w chwilach określonych zadanym ką-
tem późnienia wysterowania
generować impulsy wyzwalające tyrystory. Zakres
zmian kąta wysterowania jest ściśle określony poprzez warunki komutacji naturalnej
tyrystorów. Zakres tych zmian łatwo określić poprzez wygenerowanie pomocniczych
napięć, zwanych synchronizującymi, ściśle powiązanych z napięciami zasilającymi.
Praktyczne zastosowanie mają tylko układy z liniowym i cosinusoidalnym napięciem
synchronizującym. Zasadę wykorzystania układów z liniowym i cosinusoidalnym na-
pięciem synchronizującym do generacji impulsów sterujących pokazano na rysunkach
8. i 9. Impuls wyzwalający tyrystor generowany jest w chwili zrównania napięcia ste-
rującego z opadającym zboczem napięcia sterującego.
Rys. 8. Zasada sterowania prostownikiem przy cosinusoidalnym napięciu synchronizującym.
ster
S
ster
S
syn
ster
u
U
u
U
u
u
arccos
arccos
cos
(7)
ster
oM
ster
oM
oM
m
o
u
U
u
U
U
U
q
q
U
arccos
cos
cos
cos
sin
(8)
12
Rys. 9. Zasada sterowania prostownikiem przy liniowym napięciu synchronizującym
2
2
s
syn
ster
U
u
u
(9)
1
2
ster
s
ster
u
U
u
(10)
ster
u
1
2
(11)
ster
oM
ster
oM
ster
oM
M
o
u
sin
U
u
cos
U
u
cos
U
cos
U
q
sin
q
U
2
2
2
1
2
(12)
Z przedstawionych zależności wynika, że tylko w przypadku zastosowania sterownika
z cosinusoidalnym napięciem synchronizującym istnieje liniowa zależność pomiędzy
napięciem sterującym i napięciem wyjściowym prostownika. Nieliniowa zależność
między pomiędzy napięciem sterującym i napięciem wyjściowym (liniowe napięcia
synchronizujące) jest istotnym mankamentem tylko wtedy, gdy prostownik elementem
zamkniętego układu regulacji. Przy wyznaczaniu transmitancji układu regulacji pro-
stownik zastępuję się członem inercyjnym pierwszego rzędu, którego wzmocnienie
będzie zależało od punktu pracy.
1.5. Prądy wejściowe prostowników sterowanych.
W celu określenia podstawowych zależności prądu pobieranego przez prostow-
nik przeprowadźmy następującą analizę. Załóżmy, że prąd w obciążeniu jest ciągły i
gładki, a kąt wysterowania jest równy
=30
o
=
/6rad, to przebieg prądu jest taki, jak
na rysunku 10.
13
Rys.10. Przebiegi czasowe napięć i prądów prostownika przy kącie wysterowania
=30
o
=
/6
Korzystając ze wzorów na transformatę Fouriera:
tdt
k
cos
)
t
(
f
T
a
T
T
k
2
2
2
i
tdt
k
sin
)
t
(
f
T
b
T
T
k
2
2
2
(13)
wyznaczmy amplitudę pierwszej harmonicznej pobieranego z sieci. Ponieważ prąd
spełnia warunki symetrii, to w widmie prądu wejściowego wystąpią tylko składowe
sinusoidalne, a amplitudę pierwszej można wyznaczyć z następującej zależności:
o
o
o
L
M
h
L
I
t
cos
I
t
d
t
sin
I
t
d
t
sin
i
I
3
2
2
2
1
6
5
6
6
5
6
2
0
1
1
1
(14)
Stąd wartość skuteczna pierwszej harmonicznej prądu wyjściowego:
14
o
o
M
h
L
h
L
I
I
I
I
6
3
2
2
1
1
1
1
(15)
Moc czynna pobierana przez prostownik z sieci trójfazowej:
cos
I
U
cos
I
U
cos
I
U
P
o
M
h
L
m
h
L
L
3
3
2
3
3
1
1
1
1
1
(16)
Jeżeli pominiemy minimalne straty w tyrystorach, to moc wyjściowa powinna być
równa mocy wejściowej stąd:
cos
I
U
I
U
cos
I
U
o
M
o
o
o
M
3
3
(17)
Po uproszczeniu otrzymamy:
cos
=cos
=
(18)
Oznacza to, że przesunięcie podstawowej harmonicznej prądu w stosunku do napięcia
w sieci zasilającej jest równe kątowi opóźnienia wysterowania
. Oznacza to również,
że poza mocą czynną pobierana jest moc bierna przesunięcia związana ze składową
prądu I
L1
sin
.
Ponadto, poza sinusoidalną składową prądu z sieci pobierany jest prąd znie-
kształcenia, tak że wartość skuteczna prądu pobieranego z sieci wynosi I
L1
i jest więk-
sza od I
L1h1
. Wartość skuteczna prądu pobieranego z sieci wynosi:
o
o
L
L
I
I
d
)
(
i
I
3
2
3
2
2
2
1
2
1
2
2
0
1
1
(19)
Wejściowy współczynnik mocy:
cos
cos
I
I
cos
I
I
I
cos
I
I
I
o
o
L
h
L
L
h
L
L
h
L
3
3
2
3
2
1
1
1
1
1
1
(20)
Z przedstawionej analizy wynika, że mimo prostokątnego kształtu prądu wej-
ściowego prostownika współczynnik deformacji jest bliski jedności (3/
0,955).
15
2. Opis stanowiska laboratoryjnego
Na rysunku 11 pokazano widok płyty czołowej stanowiska laboratoryjnego. Po
prawej stronie u dołu umieszczono główny przycisk załączający oznaczony jako Z. Po
naciśnięciu przycisku Z załącza się obwód sterowania i zostanie przygotowany do
uruchomienia obwód główny, który można załączyć i wyłączyć odpowiednio przyci-
skami ZL i WL. Przycisk W służy do wyłączenia stanowiska laboratoryjnego po
uprzednim zmniejszeniu prądu wyjściowego do zera. Wyłącznie stanowiska przy nie-
zerowym prądzie wyjściowym prostownika może prowadzić do przepięć mogących
uszkodzić tyrystory. Po lewej stronie przycisków sterujących umieszczono pole zawie-
rające potencjometr P
Z
i dwa przełączniki. Potencjometr P
Z
przeznaczony jest do regu-
lacji napięcia sterującego układy wyzwalania tyrystorów. Przełącznikiem znajdującym
się po lewej stronie potencjometru P
Z
wybierane jest źródło napięcia sterującego. Mo-
że nim wewnętrzne źródło napięcia stałego sygnowane jako DC lub zewnętrzny gene-
rator, który należy dołączyć do gniazda oznaczonego jako EXT. Generator zewnętrzny
służy jedynie do badania zachowania prostownika rewersyjnego w stanach dynamicz-
nych. Przełącznikiem znajdującym się po prawej stronie potencjometru P
Z
należy wy-
brać sposób sterowania. Przy badaniu podstawowych układów prostownikowych moż-
liwe jest to tylko sterowanie symetrycznie (przy zerowym napięciu sterującym kąt wy-
sterowania
=
/2). Sterowanie asymetrycznie (przy zerowym napięciu sterującym kąt
wysterowania
=
MAX
) jest używane jedynie przy badaniu prostowników z prądami
wyrównawczymi. Lewą część płyty czołowej zajmuje układ sterowania prostownika.
Jest to typowa struktura wielokanałowa (każdy tyrystor ma oddzielny układ wyzwala-
nia). Impulsy wyzwalające powstają w chwili zrównania odpowiednich napięć taktują-
cych związanych z poszczególnymi tyrystorami i napięcia sterującego. Pomiędzy ste-
rownikami tyrystorów umieszczono blokadę, która stanowi specjalny układ logiczny
służący do blokowania grupy zaworowej, która w danej chwili nie bierze udziału w
przewodzeniu prądu odbiornika, przez odcięcie impulsów wyzwalających tyrystory
(blokada jest istotnym elementem stanowiska w przypadku badania prostowników
dwukierunkowych, a w czasie badania podstawowych układów prostownikowych sta-
nowi jedynie dodatkowe zabezpieczenie i dlatego jej zasada działania nie będzie w tej
instrukcji szczegółowo analizowana). Przy badaniu podstawowych układów prostow-
nikowych, obie grupy prostownikowe przewodzą prąd obciążenia alternatywnie, więc
blokadę należy załączyć wyłącznikiem umieszczonym obok niej. Stan blokady i stan
prostownika obrazują diody świecące. Świecenie diody oznaczonej jako i
A
oznacza
przepływ prądu dodatniego, a diody oznaczonej jako i
B
-odpowiednio prądu ujemnego.
Diody umieszczone na wyjściu blokady sygnalizują stan odblokowania impulsów wy-
zwalających tyrystory danej grupy. W czasie poprawnej pracy świecą diody umiesz-
czone w jednym rzędzie.
Pod sterownikami znajduje się synchroniczna pętla fazowa. Jej zadaniem jest
wytworzenie liczby proporcjonalnej do fazy napięcia sieci. Liczba ta podawana jest na
wejście pamięci RAM, w której zapisane są w postaci binarnej napięcia taktujące po-
szczególnych tyrystorów (patrz rys.8. i 9). Rodzaj tego napięcia (liniowe czy kosinuso-
idalne) wybierany jest przełącznikiem umieszczonym powyżej RAM.
16
B
LO
K
A
D
A
K
R
T
R
D
F
i
A
i
B
T
4
T
1
S
L
T
5
T
2
T
6
T
3
L
o
U
o
U
st
r
I
o
L
w
L
w
L
w
L
w
L
1
’
L
2
’
L
3
’
N
Z
L
Z
W
L
W
R
o
P
z
M
S
B
V
C
O
R
A
M
A
S
Y
M
.
S
Y
M
.
C
A
L
ic
zn
ik
E
X
T
LI
N
D
C
C
O
S
T
1
0
T
11
T
1
2
T
7
T
8
T
9
P
R
O
S
T
O
W
N
IK
I S
T
E
R
O
W
A
N
E
T
4
T
5
R
o
zd
zi
e
la
cz
im
p
ul
só
w
T
6
U
13
U
13
U
31
U
31
U
21
U
21
U
12
U
12
U
32
U
32
U
23
U
23
T
1
T
2
R
o
zd
zi
e
la
cz
im
p
ul
só
w
T
3
U
st
rA
U
st
rA
U
32
T
1
0
T
11
R
o
zd
zi
e
la
cz
im
p
ul
só
w
T
1
2
U
12
T
7
T
8
R
o
zd
zi
e
la
cz
im
p
ul
só
w
T
9
U
st
rB
U
st
rB
U
st
r
U
S
Rys. 11. Widok płyty czołowej stanowiska
17
Synchroniczna pętla fazowa ma wyprowadzone dwa sygnały: u
s
i MSB. Natychmiast
po załączeniu oba te sygnały na ekranie oscyloskopu zsynchronizowanego z siecią,
mają być nieruchome względem siebie. Niespełnienie tego warunku powoduje niepo-
żądaną modulację kąta wysterowania, której efektem są znaczne zmiany prądu obcią-
żenia, mimo że napięcie sterujące jest stałe. Jest to stan awaryjny, który należy zgłosić
prowadzącemu zajęcia.
Omawiane dotychczas bloki stanowiska laboratoryjnego są wewnętrznie skoja-
rzone i nie wymagają jakichkolwiek połączeń, w przeciwieństwie do prostowników,
które są na centralnym polu, po prawej stronie płyty czołowej stanowiska. Umieszczo-
no tu cztery prostowniki trójpulsowe (impulsy sterujące bramki tyrystorów są połą-
czone wewnętrznie), cztery dławiki wyrównawcze L
W
(są one niezbędne w prostowni-
ku z prądami wyrównawczymi, natomiast przy badaniu podstawowych układów pro-
stownikowych mogą być użyte jako dodatkowy dławik wygładzający) i odbiornik typu
R, L (zwarcie rezystora tego odbiornika przy dużych napięciach wyjściowych grozi
awarią).
Tyrystory prostowników są wewnętrznie podłączone do układów wyzwalania i
zasilone są z transformatora poprzez stycznik SL, którego załączenie sygnalizują jest
diody świecące. Wyjścia prostowników mogą być kojarzone tak, aby można otrzymać
prostowniki trójpulsowe i sześciopulsowe, których przykładowe schematy pokazano
na rys. 12. Analogiczne układy można także zbudować z tyrystorów T7
T12. Efek-
tem tego sposobu połączenia będzie jedynie ujemne napięcie wyjściowe prostownika.
T
1
SL
T
2
T
3
L1’
L2’
L3’
N
Lo
Ro
T
4
T
1
SL
T
5
T
2
T
6
T
3
Lo
L1’
L2’
L3’
N
Ro
Rys. 12. Schemat połączeń części siłowej prostownika: a) układ trójpulsowy; b) układ sze-
ściopulsowy.
Wewnętrzne rezystancyjno-indukcyjne obciążenie prostownika należy dołączać
do zacisków wyjściowych prostownika. Dzięki temu zostaną dołączone do prostowni-
ka mierniki umieszczone u góry, po prawej stronie płyty czołowej. Dwukierunkowe
mierniki oznaczone U
o
i I
o
wskazują wartość średnią napięcia i prądu wyjściowego
prostownika. Trzeci miernik, oznaczony jako U
STR
wskazuje wartość średnią napięcia
sterującego. Wskazania mierników są poprawne tylko przy stałym napięciu sterują-
cym. Wszystkie obserwacje przebiegów napięć i prądów mogą być dokonywane za
pomocą oscyloskopu. W czasie badań dynamicznych prostownika należy podać na
wejście układów wyzwalających napięcie prostokątne przez przełączenie przełącznika
rodzaju napięcia sterującego w pozycję EXT (rysunek 11). W ten sposób zostanie
18
podane na wejście układu wyzwalającego napięcie z zewnętrznego generatora. Za jego
pomocą należy ustawić wartość maksymalną i minimalną napięcia wyjściowego pro-
stownika i częstotliwość skoków.
19
3. Program ćwiczenia
Dla dwóch wskazanych przez prowadzącego konfiguracji układów przekształtniko-
wych przeprowadzić następujące czynności :
1. Zarejestrować oscylograficznie przebiegi: prądów zasilających, prądów w tyry-
storach, prądu obciążenia, napięcia wyjściowego, napięcia na tyrystorach, dla
kilku kątów wysterowania przy przewodzeniu ciągłym i impulsowym, zinterpre-
tować otrzymane wykresy.
2. Wyznaczyć statyczną charakterystykę sterowania U
O
= f(u
ster
), opracować sche-
mat blokowy przekształtnika uwzględniający jego własności statyczne, dyna-
miczne przy liniowych i kosinusoidalnych napięciach taktujących.
3. Dla kilku wskazanych przez prowadzącego wartości kątów wyznaczyć skład
harmonicznych napięcia wyjściowego przekształtnika (dla przewodzenia ciągłe-
go), porównać otrzymane wyniki z analizą teoretyczną.
4. Pytania kontrolne.
1. Narysuj schemat prostownika trój- i sześciopulsowego.
2. Narysuj przebiegi napięcia i prądu wyjściowego prostownika z odbiornikiem R,
L, i E przy przewodzeniu ciągłym i impulsowym.
3. Narysuj przebiegi napięcia i prądu wejściowego prostownika trójpulsowego z
odbiornikiem indukcyjnym przy ciągłym i gładkim prądzie odbiornika.
4. Narysuj przebiegi napięcia i prądu wejściowego prostownika sześciopulsowego
z odbiornikiem indukcyjnym przy ciągłym i gładkim prądzie odbiornika.
5. Omów zjawisko komutacji naturalnej.
6. Przedstaw widmo napięcia wyjściowego prostownika sześciopulsowego
7. Przedstaw widmo napięcia wyjściowego prostownika trójpulsowego
LITERATURA
1. R.Barlik, M.Nowak: Poradnik inżyniera energoelektronika . WNT 1998.
2. R.Barlik, M.Nowak: Technika tyrystorowa . WNT 1997.
3. T.Citko: Analiza układów energoelektroniki. Skrypt PB Białystok, 1992.
4. H.Tunia, R.Barlik :Teoria przekształtników. Wyd. Politechniki Warszawskiej
1992.
5. H.Tunia, B.Winiarski: Energoelektronika. WNT 1994.
6. H.Tunia, B.Winiarski: Podstawy energoelektroniki. WNT 1987.
20
Instrukcję opracował dr inż. Antoni Bogdan
21
16,1,2,15,14,3,4,13,12,5,6,11,10,7,8,9
15,2,1,16,13,4,3,14,11,6,5,12,9,8,7,10