Politechnika Łódzka

Wydział Elektrotechniki, Elektroniki,

Informatyki i Automatyki

Instytut Elektroenergetyki

Zespół Trakcji Elektrycznej

ĆWICZENIE Z1

BADANIE UKŁADÓW PROSTOWNIKOWYCH

Cel ćwiczenia: Zbadanie i porównanie charakterystyk układów prostownikowych o pulsacji sześciofazowej.

1. Uwagi wstępne.

              Prostowniki są urządzeniami energoelektronicznymi przekształcającymi napięcie przemienne na napięcie jednokierunkowe (napięcie stałe) o nieregulowanej (prostowniki diodowe) lub regulowanej (prostowniki z zaworami sterowanymi, np. tyrystorami) wartości średniej. Podstawowymi elementami układu prostownika dużej mocy są:

­            transformator prostownikowy,

­            układ zaworów półprzewodnikowych (diod lub tyrystorów),

­            układ sterowania zaworów, gdy zawory są sterowane,

­            urządzenia pomocnicze (filtry),

­            urządzenia ochronne i zabezpieczające.

Układy prostownikowe dzielą się:

a)      ze względu na sterowanie:

­            niesterowane (diodowe),

­            półsterowane (tyrystorowo-diodowe),

­            sterowane (tyrystorowe).

b)     ze względu na liczbę faz uzwojenia pierwotnego transformatora sieciowego:

­            jednofazowe,

­            trójfazowe,

c)      ze względu na liczbę faz uzwojenia wtórnego transformatora sieciowego:

­            1-fazowe,

­            2-fazowe,

­            3-fazowe,

­            6-fazowe, itd.,

d)     ze względu na liczbę pulsów napięcia wyprostowanego przypadającą na jeden okres napięcia zasilającego:

­            jednopulsowe,

­            dwupulsowe,

­            trójpulsowe,

­            sześciopulsowe,

­            dwunastopulsowe, itd.

e)      ze względu na sposób połączenia strony wtórnej transformatora z układem zaworów:

­            jednokierunkowe (z wyprowadzonym punktem zerowym),

­            dwukierunkowe (mostkowe).

W ćwiczeniu badane będą układy prostowników trójfazowych sześciopulsowych.

2. Układy prostownikowe jednokierunkowe.

              Przekształtnik jest urządzeniem służącym do przekazywania energii miedzy obwodami o różnym charakterze prądu, przy wykorzystaniu zaworów elektrycznych. Zaworem nazywamy taki element, którego rezystancja zależy od kierunku przepływu prądu, a więc również od zwrotu napięcia między jego elektrodami.

              Układem jednokierunkowym nazywamy układ, w którym prądy w uzwojeniach wtórnych transformatora wykazują stale tylko jeden kierunek przepływu i nie zmieniają go w normalnych warunkach pracy prostownika. Cechą charakterystyczną tych układów jest połączenie gwiazdowe uzwojeń po stronie wtórnej transformatora z wyprowadzonym punktem zerowym.

2. 1. Trójfazowy układ jednokierunkowy

2. 1. 1. Zasada działania.

              Przykładowy układ prostownikowy jednokierunkowy przedstawiono na rysunku 2.1. Natomiast przebiegi napięć i prądów w tym układzie przedstawiono na rysunku 2.2. Wykresy sporządzono dla idealnego przypadku komutacji natychmiastowej. Jak widać, przewodzi tylko jeden zawór, ten na którym panuje w danej chwili najwyższe napięcie. Reszta zaworów spolaryzowana jest zaporowo. Gdy anoda któregokolwiek zaworu uzyskałaby wyższy potencjał niż anoda zaworu pracującego, zawór ten uzyskałby polaryzacje przepustową. Zawór pracujący do tej pory zostałby spolaryzowany zaporowo. Istotnym parametrem, na który dobierana jest dioda do układu prostownikowego jest napięcie wsteczne. Jest to napięcie, jakie odkłada się na diodzie spolaryzowanej zaporowo (nieprzewodzącej). Jest ono równe różnicy napięcia fazy, w której jest omawiany zawór i napięcia fazy przewodzącej. Przebieg napięcia wstecznego na diodzie w fazie a przedstawiono na rysunku 2.2. Wielkością charakteryzującą to napięcie jest wartość szczytowa Uwm. W układzie trójfazowym jednokierunkowym Uwm = 2,45 Uf sk

              Rys. 2.1. Układ prostownikowy 3 - fazowy 1 - kierunkowy obciążony odbiorem RL.

uwm

Rys. 2.2. Przebieg napięć i prądów w układzie 3 - fazowym 1 - kierunkowym.

2. 1. 2. Wartość średnia napięcia wyprostowanego.

              Napięcie wyprostowane jest napięciem tętniącym. Jego wartość średnią obliczamy z przebiegu chwilowego napięcia wyprostowanego ud przedstawionego na rys. 2.3. Na rysunku tym przedstawiono tylko jeden puls napięcia ud w przedziale od do przy natychmiastowym przejęciu prądu obciążenia pomiędzy diodami. Pozostałe p-1 pulsów ma identyczny przebieg

Rys. 2.3. Przebieg napięcia prostownika w układzie p - plusowym.

Wartość średnią napięcia wyprostowanego można policzyć z następującej zależności:

                            (2.1)

gdzie: p - liczba pulsów , U - napięcie zasilające ( wartość skuteczna )

              Rozwiązując równanie 2.1 można wyprowadzić zależność napięcia wyprostowanego (Ud0) od napięcia zasilającego (Uf sk).

                            (2.2)

                            (2.3)

gdzie:               - napięcie zasilające (fazowe, skuteczne), p - liczba pulsów

Tab. 2. 1. Zestawienie wartości Ud0 / Uf sk w zależności od liczby pulsów p.

              Napięcie wyprostowane charakteryzuje się pulsacjami, które możemy zdefiniować przy pomocy maksymalnej i minimalnej wartości napięcia wyprostowanego ( Ud max, Ud min ).

                            (2.4)

                            (2.5)

              Jak widać z zależności (2.4) i (2.5) amplituda pulsacji maleje wraz ze wzrostem liczby pulsów (p) układu prostownika.

2. 1. 3. Prąd strony wtórnej transformatora.

              Obliczenia prądu strony wtórnej przeprowadzono przy założeniu komutacji natychmiastowej oraz przy złożeniu, że prąd wyprostowany Id jest stały. Przebiegi tego prądu przedstawia rysunek 2.4.

              Wartość średnią prądu w uzwojeniu strony wtórnej transformatora można policzyć z następującej zależności:

                            (2.5)

                            (2.6)

              gdzie: m - liczba faz strony wtórnej.

Rys. 2.4. Przebieg prądu w uzwojeniach strony wtórnej transformatora,

Id - prąd wyjściowy prostownika, ia2, ib2, ic2 - prądy poszczególnych faz.

              Wartość skuteczną tego prądu można policzyć w następujący sposób:

                            (2.7)

                            (2.8)

              Dla układu prostownika jednokierunkowego jak z rys. 2.1. prądy strony wtórnej transformatora są równocześnie prądami zaworów nazywanych również prądami anodowymi. Stąd wartości średnie i wartości skuteczne prądów diod wyznaczają te same wzory (2.6) i (2.8).

2. 1. 4. Prąd strony pierwotnej transformatora.

              Na stronę pierwotną transformatora zasilającego przetransformuje się jedynie składowa przemienna prądu. Przebieg prądu w uzwojeniach strony pierwotnej przedstawiono na rysunku 2. 5.

Rys. 2. 5. Przebiegi prądów po stronie pierwotnej w poszczególnych fazach.

              Ponieważ po stronie pierwotnej nie występuje składowa stała prądu, wartość średnia tego prądu wynosi zero:

                            (2.9)

              Wartość skuteczną prądu po stronie pierwotnej można wyznaczyć z następującej zależności:

              (2.10)

2. 1. 5. Moc w układach 3 fazowych jednokierunkowych.

              Moc prądu stałego:

                            (2.11)

gdzie:

- wartość średnia napięcia wyprostowanego przy komutacji natychmiastowej

- wartość średnia prądu wyprostowanego

              Moc pozorna uzwojeń strony wtórnej transformatora (gdy p = m) wynosi:

                            (2.12)

                            (2.13)

              Dla układu 3 fazowego moc strony wtórnej wynosi

                            (2.14)

              Moc pozorna po stronie pierwotnej określona jest nastę...