LAB UE OCR.doc

Instrukcja do ćwiczenia - Układy prostowników i diodowych powielaczy napięcia              3

Instrukcja 2

UKŁADY PROSTOWNIKÓW I DIODOWYCH POWIELACZY NAPIĘCIA

1.    Cel i zakres ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z zagadnieniami dotyczącymi jednofazowych układów prostowniczych, filtrów oraz diodowych powielaczy napięcia.

W zakres ćwiczenia wchodzi wyznaczenie charakterystyk statycznych, wyznaczenie parametrów opisujących działanie w.w. układów, zarejestrowanie przebiegów napięcia i prądu przy różnych rodzajach obciążenia.

2.    Wprowadzenie teoretyczne

Zasilanie urządzeń elektrycznych w energię elektryczną może odbywać się za pośrednictwem prądu zmiennego lub prądu stałego. W drugim przypadku energię dostarcza się z baterii zasilającej lub z układu prostowniczego, który przetwarza energię prądu zmiennego na energię prądu stałego o żądanej wartości napięcia i prądu. W napięciu wyjściowym układu prostowniczego oprócz składowej stałej występuje składowa zmienna, która pogarsza warunki zasilania urządzeń elektrycznych. Z tego powodu w układach prostowniczych często stosuje się filtry lub układy stabilizujące napięcie bądź prąd.

Prostowanie, wymaga użycia elementów nieliniowych spełniających funkcje jednokierunkowych zaworów prostowniczych. Funkcję taką mogą spełniać elementy prostownicze niesterowane tj. diody półprzewodnikowe lub sterowane np. tyrystory, triaki lub tranzystory. W zasilaczach układów elektronicznych najczęściej stosuje się diody o prądzie przewodzenia do kilku amperów i napięciach wstecznych wynoszących kilkadziesiąt do kilkuset woltów. W energoelektronice korzysta się z tyrystorów lub diod o prądach dochodzących nieraz do kilku kA i napięciach do kilku kV.

Układy prostownicze można podzielić między innymi na układy:

(2.23)            sterowane i niesterowane,

(2.24)            jednokierunkowe i dwukierunkowe,

(2.25)            o budowie prostej i złożonej,

(2.26)            o zasilaniu jednofazowym i trójfazowym.

Idealny zasilacz napięcia stałego powinien zasilać odbiornik prądem wyprostowanym, całkowicie wygładzonym i pobierać z sieci prąd przemienny sinusoidalny (nieodkształcony) bez zawartości wyższych harmonicznych.

Przy analizie układów prostowniczych przyjęto następujące założenia upraszczające:

(2.27)            bezimpedancyjne źródło zasilania,

(2.28)             rezystancje i indukcyjności rozproszenia transformatora zasilającego są pomijanie małe (wartości ich dążą do zera),

(2.29)             prąd magnesujący transformatora jest pomijalnie mały (impedancja gałęzi poprzecznej dąży do nieskończoności),

(2.30)             spadki napięć na zaworach dla kierunku przewodzenia są pomijalnie małe (wartość rezystancji zaworów przewodzących dąży do zera),

(2.31)             prądy upływu zaworów dla napięć blokowania i zaworowego są pomijalnie małe (wartość rezystancji zaworów w stanie zaporowym dąży do nieskończoności).

2.1. Wielkości charakteryzujące układy prostownicze

Do ważniejszych wielkości elektrycznych charakteryzujących układy prostownicze należą: wartość skuteczna napięcie strony wtórnej transformatora zasilającego prostownik Us, wartość średnia składowej stałej napięcia wyjściowego Ud i prądu wyjściowego h, dopuszczalny prąd wyjściowy Idmax, rezystancja wyjściowa R^, oraz napięcie wsteczne UR występujące na elemencie półprzewodnikowym. Inne ważne wielkości charakteryzujące układy prostownicze to:

Współczynnik wykorzystania napięciowego rju, nazwany również sprawnością napięciową, zdefiniowany jako stosunek wartości średniej napięcia wyjściowego UA do amplitudy zmiennego napięcia wejściowego C/Sm'-

USm V2 Us

Współczynnik wykorzystania prądowego rji nazwany również sprawnością prądową zdefiniowany jako stosunek wartości średniej prądu fazowego Id do wartości skutecznej /s tego prądu:

mls

gdzie:

m - liczba faz.

Sprawność energetyczna t]p określana jako stosunek mocy prądu stałego do całkowitej mocy pozornej na wejściu prostownika:

=              =              =              (2.3)

p mSs mUsIs m U Sm Is

Wejściowy współczynnik mocy k nazywany w energoelektronice sprawnością prostowania a zdefiniowany jako iloraz mocy czynnej pobieranej z sieci przez układ prostowniczy i mocy pozornej na wejściu układu:

Ą=—              (2.4)

Wejściowy współczynnik odkształcenia prądu sieci zasilającej h równy stosunkowi wartości skutecznych pierwszej harmonicznej prądu i wartości skutecznej przebiegu odkształconego:

kJ_mmŁ              (25)

' J

1 LRMS

Współczynnik tętnień kt równy stosunkowi niepożądanej składowej zmiennej do składowej stałej. Współczynnik ten określa odkształcenie napięcia wyprostowanego. Dla potrzeb laboratoryjnych wykorzystuje się definicje współczynnika tętnień dla wartości skutecznej:

k _ Ud(n)MS              (2.6)

Ud

oraz dla wartości międzyszczytowych:

k,              (2.7)

** ud

Dla większości układów ważną jest również charakterystyka wyjściowa (obciążeniowa), czyli zależność składowej stałej napięcia wyjściowego od składowej stałej prądu wyjściowego Ud =j{Id). Z charakterystyki tej można określić rezystancję wyjściową. W przypadku układów większej mocy (energoelektronicznych) dużą rolę odgrywa również wpływ komutacji.

2.2. Prostownik jednofazowy jednopołówkowy niesterowany

Zasadę działania układów prostowniczych najłatwiej wyjaśnić dla przypadku prostowników idealnych obciążonych rezystancją. Na rysunku 2.1 przestawiono schemat i przebiegi najważniejszych wielkości jednofazowego prostownika. Dla przypadku idealnego dioda przewodzi dokładnie przez pół okresu stąd przebieg napięcia na obciążeniu można opisać zależnościami:

Materiały powielane.              Wersja robocza skryptu z AEiUE - Gliwice 2011

(2.8)

u,, =•

\USmsvacot dłaO<cot <n I 0 dlan<cot<2n

a)

D,

li

Ud

-e*

Us

b)

Rys. 2.1. Prostownik jednofazowy, półokresowy (jednopulsowy) obciążony rezystorem: a) schemat układu; b) przebiegi prądów i napiąć

Wartość średnią napięcia wyjściowego prostownika wynika z napięcia zasilającego:

2K

(2.9)

U, =

- \USm sin0)tdcot

J

2 n

która po przekształceniu przybierze postać:

(2.10)

n

U

Ud = = Us

n

Podobnie można wyznaczyć wartość średnią prądu wyprostowanego 7d jako:

= ^ = 0,45^-              (2.11)

n n Rn              R

Sprawność napięciowa układu prostowniczego jest natomiast równa:

Ud 1

Vu=jf- = -              (2.12)

USm 71

Wartość skuteczną prądu zasilającego stronę wtórną transformatora można wyznaczyć przekształcając zależności:

T , 4ius u u,

= hm = = —^ = 7tId              (2.13)

K K

oraz

j^j/dwt = J^ps^in wt)2dm              (2.14)

Po przekształceniu uzyska się zależność wiążącą prąd strony wtórnej transformatora i prąd średni obciążenia:

(2.15)

Z zależności (2.15) wynika również sprawność prądowa układu, która wynosi:

2

77,. =-«0,63              (2.16)

71

ud=USm

(2.17)

Oprócz składowej stałej Ud napięcie wyjściowe zawiera napięcie tętnień pochodzące od składowych zmiennych. Rozwijając zależność (2.8) w szereg Fouriera uzyska się:

11. 2 cos kcot — + —smerf              > —z             

V

^ 2              *"*-2,4,6... k "I

Z zależności tej wynika, że pulsacja podstawowej harmonicznej wynosi co, a amplituda jest równa:

UĄx)m=~-              (2.18)

a współczynnik tętnień dla pierwszej harmonicznej wynosi:

*/(0= §              (2-19)

Niejednokrotnie zachodzi potrzeba uwzględnienia wpływu rezystancji zaworu prostowniczego na prąd wyjściowy prostownika. Jeśli przez Rs oznaczyć sumę rezystancji źródła i zaworu prostowniczego to wartości chwilowa i maksymalna prądu wyprostowanego wynoszą odpowiednio:

(220)

W praktyce układy prostowników jednopulsowych stosuje się bardzo rzadko, ze względu na małą sprawność napięciową i prądową, dużą zawartość harmonicznych w prądzie wyprostowanym i sieciowym oraz słabe wykorzystanie transformatora. Ponadto składowa stała prądu płynąca przez transformator nie zmienia znaku, co powoduje powstanie stałego strumienia magnetycznego nasycającego rdzeń i zmniejszającego jego indukcyjność. Prąd płynący przez obciążenie jest kilkakrotnie mniejszy od prądu maksymalnego a sprawność prostownika jest mała.

Wady te wynikają z niewykorzystania jednego półokresu napięcia zasilającego i braku elementu wygaszającego napięcie wyjściowe. Wad, tych nie posiadają prostowniki dwupulsowe, które są częściej stosowane w układach zasilania niż prostowniki jednopulsowe.

2.3. Prostowniki jednofazowe pełnookresowe (dwupolówkowe) niesterowane

Na rysunku 2.2 przedstawiono schemat i najważniejsze przebiegi prądów i napięć prostownika jednofazowego, pełnookresowego z dzielonym uzwojeniem strony wtórnej transformatora. Prostownik ten tworzą nałożone na siebie dwa (omówione w punkcie 2.1) prostowniki jednopołówkowe, z których każdy pracuje w jednej połówce okresu napięcia zasilającego.

a)

b)

Rys. 2.2. Prostownik jednofazowy pełnookresowy obciążony rezystorem: a) schemat układu; b) przebiegi prądów i napięć

Postępując podobnie jak dla prostownika jednopulsowego można wykazać, że wartość średnia napięcie i prądu wyjściowe wynoszą:

(2.22)

•                     

•                     

•                     

•                     

n              n

71 71 Ra ' R0

'Ul/.

...