POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA
WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY
KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I NAPĘDÓW
ELEKTRYCZNYCH
Instrukcje do zajęć laboratoryjnych dla studentów
WYDZIAŁU MECHANICZNEGO
studiów dziennych i zaocznych
z przedmiotów:
ELEKTROTECHNIKA
ELEKTRONIKA
ELEKTROTECHNIKA I ELEKTRONIKA
ĆWICZENIE 10M
PROSTOWNIKI STEROWANE
Opracowali
dr inż. Stanisław Jałbrzykowski
mgr inż. Mieczysław Zugaj
BIAŁYSTOK 2000
2
Instrukcja jest własnością Katedry Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych.
Do użytku wewnętrznego katedry.
Powielanie i rozpowszechnianie zabronione
Redakcja: dr inż. Zofia Daszuta
Opracowanie graficzne: inż. Aleksandra Matulewicz
3
I. WPROWADZENIE
Wiadomości niezbędne do realizacji ćwiczenia:
1. Budowa tyrystora
Tyrystor jako element składa się z czterech warstw przewodnikowych
p-n-p-n, na zewnątrz ma wyprowadzone trzy elektrody: A – anoda, K – katoda,
B – bramka. Symbol graficzny oraz polaryzacja poszczególnych elektrod
przedstawiona jest na rys.1.
Rys.1. Tyrystor symbol graficzny i schemat włączenia : A – anoda, K – katoda,
B – bramka
Przedstawiony na rys. 1 schemat polaryzacji włączenia i charakterystyka
tyrystora wskazują, że zacznie on przewodzić, jeśli do anody zostanie
przyłączone dodatnie napięcie względem katody, zaś do złącza bramka katoda
zostanie doprowadzony dodatni impuls sterujący. Gdy do bramki nie jest
doprowadzone napięcie tyrystor praktycznie nie przewodzi prądu, niezależnie
od kierunku polaryzacji elektrod anoda – katoda. Płynie przez niego tylko
niewielki prąd wsteczny (I
w
).
Po wysterowaniu tyrystora spadek napięcia w obwodzie anoda-katoda
w kierunku przewodzenia wynosi U
p
= (2 3)V.
Tyrystor traci zdolność przewodzenia prądu i przechodzi w stan blokowania,
gdy prąd w kierunku przewodzenia osiągnie wartość mniejszą od wartości
charakterystycznej – prądu podtrzymania (I
p
)
.
4
Tyrystor włączony w obwód napięcia przemiennego może być
wyzwolony (wysterowany) w czasie trwania półokresów dodatnich napięcia na
anodzie. Przy przejściu napięcia od wartości dodatnich do ujemnych tyrystor
osiąga stan zaporowy. Ponowne pojawienie się napięcia dodatniego na anodzie
stwarza warunki do następnego wyzwolenia tyrystora za pomocą impulsu
bramkowego.
2. Charakterystyki prądowo – napięciowe tyrystora
3. Układy prostowników sterowanych
Prostownik sterowany może być traktowany jako źródło napięcia stałego
o regulowanej wartości. Źródła takie stosowane są do sterowania mocy
dostarczanej do odbiornika, którym może być silnik prądu stałego. Podstawowe
układy tyrystorowych prostowników sterowanych są pokazane na rys.2.
Rys.2. Układy prostowników sterowanych: a) jednofazowy jednopulsowy;
b) jednofazowy mostkowy; c) trójfazowy trójpulsowy z punktem
zerowym
5
4. Wartości średnie napięcia odbiorników zasilanych z prostowników
sterowanych.
a) prostownik jednofazowy jednopołówkowy z odbiornikiem rezystancyjnym
)
t
(
d
)
t
sin(
m
U
2
1
śr
U
cos
1
2
m
U
śr
U
m
U -amplituda napięcia zasilającego,
- kąt wysterowania prostownika.
Maksymalna wartość średnia napięcie na obciążeniu występuje dla
=0
i wynosi:
Um
)
1
1
(
2
m
U
śr
U
b) prostownik trójfazowy trójpulsowy z odbiornikiem rezystancyjnym:
gdy kąt
(kąt wysterowania prostownika) odmierzany jest od punktu
komutacji naturalnej,
-
6
0
lub prąd odbiornika jest ciągły (niezależnie od charakteru
odbiornika, np. R, L, E)
3
2
6
6
m
m
śr
)
t
(
d
t
sin
U
2
U
3
U
cos
2
U
3
3
cos
3
sin
U
3
U
m
m
śr
-
6
5
6
i prąd odbiornika jest nieciągły
6
m
m
śr
)
t
(
d
t
sin
U
2
U
3
U
6
6
cos
1
2
U
3
U
m
śr
U
m
- amplituda fazowego napięcia zasilającego.
II. CEL I ZAKRES ĆWICZENIA LABORATORYJNEGO
Celem
ćwiczenia
jest
zapoznanie
studentów
z
układem
energoelektronicznym jakim jest prostownik sterowany. W ćwiczeniu studenci
realizują wersję prostownika sterowanego w układzie jednopulsowym dla
obciążenia rezystancyjnego oraz trójpulsowym z obciążenia RLE (silnik prądu
stałego). Badania laboratoryjne dotyczą zarówno samego prostownika
sterowanego, jak i zasilanego poprzez ten prostownik silnika obcowzbudnego
prądu stałego. Dla układu prostownika z silnikiem wyznaczana jest rodzina
charakterystyk mechanicznych, która obrazuję możliwość sterowania prędkości
kątowej wału silnika.
III. OPIS STANOWISKA LABORATORYJNEGO
Do wyzwalania tyrystorów prostownika sterowanego służy układ
sterowania, którego schemat blokowy przedstawiony jest na rys.3.
Układ synchronizacji służy do wypracowania trzech sygnałów
zsynchronizowanych z poszczególnymi napięciami faz sieci trójfazowej,
zasilającej prostownik sterowany. Z sygnałów tych w układzie wyzwalania
uformowany jest impuls sterujący prostokątny o regulowanej szerokości.
Impulsem tym wysterowywana jest bramka tyrystora dołączonego
do odpowiedniej fazy napięcia trójfazowej sieci zasilającej prostownik. Zmiana
szerokości impulsu powoduje zmianę kąta wysterowania
tyrystorów
prostownika i regulację wartości średniej napięcia wyjściowego.
7
Rys.3 Schemat blokowy sterowania układu laboratoryjnego
Cały układ badawczy prostownika sterowanego zainstalowany jest
w obudowie o kształcie skrzynki. Do zacisków tylnej części obudowy należy
doprowadzić napięcie sieci trójfazowej 3x380V L1, L2, L3. Pozostałe,
odpowiednio oznaczone, zaciski tej części powinny być połączone
z odpowiednimi zaciskami silnika i hamownicy (obwód twornika i wzbudzenia)
oraz prądniczki tachometrycznej. W ćwiczeniu zaciski płyty tylnej są
przeważnie połączone, jednak należy zawsze sprawdzić czy połączenie to jest
właściwe. Przednią część pulpitu stanowiska laboratoryjnego stanowi płyta
czołowa, na której narysowany jest cały obwód silnoprądowy badanego układu.
Prostownik sterowany stanowią trzy tyrystory połączone katodami, do których
przyłączony jest z jednej strony amperomierz tablicowy. Drugi zacisk
amperomierza przyłączony jest do zacisku łączeniowego. Między ten zacisk
i zacisk zera sieci włącza się obwód odbiornika, którym może być opornik
regulowany włączony zewnętrznie bądź silnik obcowzbudny prądu stałego.
Zaciski twornika silnika również wyprowadzone są na płytę czołową pulpitu
i przyłączenia silnika dokonuje się łącząc te zaciski z zaciskami wyjściowymi
prostownika sterowanego. Dodatkowo z prawej strony płyty czołowej
wyprowadzone są zaciski twornika hamownicy tj. obcowzbudnej prądnicy prądu
stałego, sprzęgniętej mechanicznie ze sterowanym silnikiem. Do zacisków tych
należy przyłączyć opornik w celu rozproszenia energii i wytworzenia momentu
hamującego na wale silnika.
8
Dwa potencjometry zainstalowane w środkowej części pulpitu służą do
zadawania prądów wzbudzenia zarówno silnika jak i hamownicy.
Układ sterowania prostownika sterowanego narysowany jest na pulpicie
w postaci bloku prostokątnego, z którego do bramek poszczególnych tyrystorów
zaznaczone są trzy połączenia. Jedno połączenie jest na stałe, zaś pozostałe dwa
są tworzone poprzez wtyczki zwierające. Dzięki takiemu rozwiązaniu istnieje
możliwość wyboru konfiguracji prostownika odpowiednio jednopulsowej (obie
wtyczki wyłączone), dwupulsowej (jedna wtyczka włączona) i trójpulsowej
(dwie wtyczki włączone). Zmiany kąta wysterowania dokonuje się
potencjometrem umieszczonym w bloku sterowniczym na pulpicie. Pomiary
prądów i napięć dokonywane są odpowiednimi amperomierzami
i woltomierzami tablicowymi włączonymi w poszczególnych obwodach układu.
Pomiar prędkości dokonywany jest odpowiednio wyskalowanym woltomierzem
tablicowym umieszczonym na pulpicie stanowiska. Układ prostownika
sterowanego załączany jest stycznikiem, do którego załączania i wyłączania
służą przyciski sterownicze znajdujące się w lewej dolnej części płyty czołowej
pulpitu. Załączenie prostownika sygnalizowane jest świecącymi lampkami
umieszczonymi z lewej strony pulpitu na wejściu w trzech fazach zasilających
tyrystory.
Uwaga!
Po załączeniu prostownika nie wolno na pulpicie układu
dokonywać żadnych przełączeń.
IV. PROGRAM ĆWICZENIA LABORAORYJNEGO
1. Uruchomienie układu laboratoryjnego
Przed włączeniem stycznika należy:
- połączyć zaciski sieci trójfazowej zgodnie z oznaczeniami L1,L2,L3,N
(R, S, T, 0) z odpowiednimi zaciskami na tylnej płycie układu
laboratoryjnego,
9
- pozostałe zaciski na płycie czołowej i tylnej układu połączyć zgodnie
z oznaczeniami.
2. Badanie tyrystorowego prostownika sterowanego
Na rys.4 przedstawiony jest prostownik sterowany, który może być
badany w ćwiczeniu jako:
a) prostownik sterowany jednofazowy jednopulsowy,
b) prostownik sterowany jednofazowy dwupulsowy,
c) prostownik sterowany trójfazowy trójpulsowy.
Rys.4. Schemat układu pomiarowego prostownika sterowanego trójpulsowego.
Kąt wyzwalania tyrystorów
jest regulowany przez układ wyzwalający.
W celu obciążenia prostownika należy przyłączyć do jego zacisków
wyjściowych na płycie czołowej rezystor R
obc
.
i regulować tak, aby prąd
oddawany przez prostownik zmieniał się od zera do wartości znamionowej przy
=0. Nie należy przekraczać prądu 3A. W ćwiczeniu należy wyznaczyć
charakterystykę zewnętrzną prostownika U = f(I) przy
= const. dla dwóch
typów prostowników sterowanych:
a) prostownika sterowanego jednopulsowego
b) prostownika sterowanego trójpulsowego.
10
Wyniki pomiarów zapisujemy w tabeli 1.
Tabela 1.
Lp.
U [V]
I [A]
Pomiary należy przeprowadzić dla dwóch wartości kąta wysterowania 1 i 2
(małej i dużej). Na podstawie pomiarów wykreślić charakterystyki zewnętrzne
prostowników. Obliczyć procentowy spadek napięcia przy obciążeniu
prostownika prądem znamionowym.
%
100
U
U
U
U
0
n
0
%
.
W czasie wykonywania pomiarów należy przeprowadzić obserwacje
przebiegów napięcia wyjściowego prostownika dla różnych kątów
wysterowania tyrystorów przy pomocy oscyloskopu katodowego i wyniki
obserwacji zamieścić w protokole. Obliczyć kąty wysterowania 1 i 2.
Przeprowadzić dyskusję otrzymanych wyników.
3. Badanie tyrystorowego układu napędowego
Układ badany przedstawiony jest na rys.5.
Rys.5. Tyrystorowy układ napędowy – schemat układu pomiarowego.
11
3.1. Zapoznanie się z układem napędowym
Zapisać dane znamionowe silnika, prądnicy hamowniczej i prądniczki
tachometrycznej.
Twornik silnika obcowzbudnego M zasilany jest z prostownika
sterowanego. Uzwojenie wzbudzenia (E1, E2) tego silnika jest zasilane
z oddzielnego prostownika sterowanego. Regulacja prądu wzbudzenia
ws
I
wykonywana jest przy pomocy potencjometru umieszczonego na płycie
czołowej układu. Wartość prądu wzbudzenia wskazuje miernik umieszczony
nad potencjometrem. Jego wartość poda prowadzący ćwiczenia.
Silnik jest obciążony prądnicą obcowzbudną (hamownicą), w której regulacja
prądu wzbudzenia wykonywana jest za pomocą potencjometru znajdującego się
na płycie czołowej układu. Przed przyłączeniem układu do sieci należy nastawić
kąt wysterowania taki, aby napięcie twornika silnika U
t
= 0, , (np.
= 180
o
).
Rozruch przeprowadza się zmniejszając stopniowo kąt wysterowania
(powodując zwiększenie
t
U ). Po dokonaniu rozruchu należy wzbudzić
hamownicę, a następnie stopniowo obciążać silnik.
3.2. Wyznaczanie charakterystyki sterowania tzn. zależności
)
U
(
f
t
albo
)
(
f
Regulując napięcie
t
U przez zmianę kąta wysterowania
należy
wyznaczyć zależność prędkości kątowej silnika od napięcia twornika silnika
t
U . Pomiary należy przeprowadzić dla biegu jałowego silnika
)
I
I
(
0
t
oraz
dla obciążenia znamionowego (
n
t
I
I
). Wyniki pomiarów zapisać w tabeli 2.
Tabela 2.
Lp.
U
t
I
t
V
A
rad/s
rad (
0
)
12
Na podstawie pomiarów wykreślić zależności:
)
U
(
f
t
dla
0
t
I
I
i
n
t
I
I
.
Pomiary należy wykonać dla dwóch typów prostowników.
Za pomocą oscyloskopu należy zaobserwować przebieg napięcia twornika.
Zaobserwowane przebiegi dla różnych kątów wysterowania
zamieścić
w sprawozdaniu.
Przeprowadzić dyskusję dotyczącą otrzymanych wyników.
3.3. Wyznaczanie charakterystyk mechanicznych silnika.
Charakterystyki mechaniczne
)
M
(
f
silnika zasilanego z prostownika
sterowanego wyznaczamy w stanie obciążenia silnika prądnicą hamowniczą
przy stałej wartości kąta wysterowania
= const. Pomiary przeprowadzić dla
dwóch wartości
dobranych tak, aby napięcie twornika w stanie jałowym
silnika wynosiło U
t
= Un i np. U
t
= 0.8Un.
Wyniki pomiarów należy zapisać w tabeli 3.
Tabela 3.
Lp.
U
t
I
t
U
h
I
h
U
P
t
P
h
P
w
M
V
A
V
A
V
rad/s
W
W
-
W
Nm
t
t
t
U
I
P
- moc pobierana przez silnik
h
h
h
U
I
P
- moc oddawana przez hamownicę.
Sprawność, przy założeniu jednakowej sprawności obu maszyn
t
h
P
P
.
13
Moc na wale silnika
t
w
P
P
[W].
Moment na wale
P
M
Na podstawie pomiarów należy wykreślić charakterystyki mechaniczne.
Sztywność
charakterystyk
obliczyć
ze
wzoru(dla
wyznaczonych
charakterystyk):
%
100
%
0
n
0
n
- prędkość kątowa przy momencie M
n
.
Moment znamionowy silnika należy obliczyć na podstawie danych
znamionowych:
n
n
n
P
M
[Nm]
Pomiary należy wykonać dla dwóch typów prostowników.
W czasie wykonywania pomiarów przeprowadzić obserwacje za pomocą
oscyloskopu dwustrumieniowego przebiegów napięcia i prądu twornika dla
różnych wartości kątów wysterowania
i zamieścić oscylogramy
w sprawozdaniu.
Przeprowadzić dyskusję wyników.
V. WYMAGANIA BHP
Porządek na stanowisku laboratoryjnym oraz przygotowanie studentów do
zajęć jest podstawą bezpiecznej pracy. Łączenia obwodów elektrycznych należy
dokonywać
w
stanie
beznapięciowym.
Po
zakończeniu
łączenia
niewykorzystane przewody należy powiesić na wieszaku na przewody.
14
Przy
stanowisku
badawczym
środkiem
dodatkowej
ochrony
przeciwporażeniowej jest izolowanie stanowiska ze względu na dostępne części
czynne obwodu elektrycznego o napięciu przekraczającym napięcie bezpieczne.
Dlatego łączenia, przełączania i zmian w układzie sterowania można dokonywać
tylko przy wyłączonej sieci zasilającej na danym stanowisku.
W celu uniknięcia porażenia prądem elektrycznym osoby wykonujące
ćwiczenia powinny w czasie uruchamiania układu sterowania zachować
odpowiednie oddalenie od części czynnych (będących pod napięciem).
VI. LITERATURA:
1. Barlik R., Nowak M.: Technika tyrystorowa, WNT, Warszawa 1992.
2. Jaczewski J., Opolski A., Stolz J.: Podstawy elektroniki i energoelektroniki,
WNT, Warszawa 1981.
3. Hempowicz P. i inni: Elektrotechnika i elektronika dla nieelektryków. WNT
Warszawa 1999