Jednofázový měnič střídavého napětí

Transkript

1 FAKLA ELEKOECHNIKY A KOMNIKAČNÍCH ECHNOLOGIÍ VYSOKÉ ČENÍ ECHNICKÉ V BNĚ Jednofázový měnič střídavého napětí BVEL Autoři textu: doc. Dr. Ing. Miroslav Patočka Ing. Petr Procházka, Ph.D červen 213 epower Inovace výuky elektroenergetiky a silnoproudé elektrotechniky formou e-learningu a rozšíření prakticky orientované výuky OP VK CZ.1.7/2.2./15.158

2 Laboratorní úloha č. 3 Jednofázový měnič střídavého napětí Střídavé měniče napětí se chovají odlišně, jsou-latíženy různými typy zátěží. Výstupní napětí i proud mají totiž zcela jiné průběhy v případě -zátěže, L-zátěže, L-zátěže a asynchronního motoru. omu odpovídají i různé řídicí charakteristiky. Řídicí charakteristika pro odporovoátěž V této kapitole budeme určovat řídicí charakteristiku pro případ ryze odporové zátěže. Označení veličin je dinováno na Obr.1. t Obr.1: Střídavý měnič napětí s odporovoátěží. Označení napětí a proudů. Činný výkon na lineárním odporu je určen vztahem 2 Pč. (1) o je důvod, proč nás zajímá ektivní hodnota výstupního napětí (t) měniče. Řídicí charakteristikou tedy rozumíme závislost ektivní hodnoty výstupního napětí na řídicím úhlu. Z Obr.2 plyne, že řídicí úhel je měřen od průchodu vstupního harmonického napětí nulou do okamžikapálení triaku. Úhel stejného významu byl u řízených usměrňovačů značen rovněž symbolem. Řídicí charakteristikou je tedy funkční závislost = f( ). a Obr.2: Střídavý měnič napětí. Průběhy napětí a proudu na odporové zátěži.

3 Efektivní hodnotu výstupního napětí lze určit pomocí Obr.2. Druhá mocnina v diniční rovnici (2) ektivní hodnoty maže znaménko integrované funkce. Proto je možno určovat ektivní hodnotu pouze na půlperiodě: / u ( t)dt u ( t)dt sin d a, pro. (2) S využitím známé identity 1 sin 2 1 cos 2 (3) 2 lze rovnici (2) snadno integrovat. Výsledkem je řídicí charakteristika střídavého měniče napětí ve tvaru a sin 2,max 1 sin 2, pro. (4) Zdůrazněme, že tato řídicí charakteristika platí pouze pro odporovoátěž. V grafické podobě je charakteristika zachycena na Obr Měnič je plně otevřen při nulovém řídicím úhlu.,max Obr. 3: Řídicí charakteristika střídavého měniče napětí v případě odporové zátěže. Řídicí charakteristika pro induktivní zátěž V této kapitole budeme určovat řídicí charakteristiku pro případ ryze induktivní zátěže. Podobně jako u odporové zátěže, i v tomto případě nás bude zajímat ektivní hodnota výstupního napětí (t) měniče. Z Obr. 1 plyne, že řídicí úhel je opět měřen od průchodu vstupního harmonického napětí nulou do okamžikapálení triaku. Na obrázku a) je zachycena situace při řídicím úhlu = 17, na obrázku b) při úhlu = 93, který je úmyslně nepatrně větší než 9. Vidíme, že v limitním případě, blížíme-li se shora k hodnotě = 9, zúží se mezera v napětí právě na nulu, tj. mezera zanikne. V tomto stavu je měnič plně otevřen, na zátěži je největší možné napětí (harmonické). o je velký rozdíl oproti odporové zátěži, u které dochází k plnému otevření měniče až při poklesu řídicího úhlu na hodnotu =. Efektivní hodnotu výstupního napětí lze určit pomocí Obr.4. Díky druhé mocnině v diniční rovnici ektivní hodnoty, která maže znaménko integrované funkce a díky kvadrantové symetrii napětí, lze ektivní hodnotu určovat pouze v samotném druhém kvadrantu: / ( )d ( )d sin 2 u t t u t t d a, pro 9. (5) / 4

4 a =17 a) a =93 Obr.4: Střídavý měnič napětí. Průběhy napětí a proudu na induktivní zátěži. b) S využitím známé identity 1 sin 2 1 cos 2 (6) 2 lze rovnici (5) snadno integrovat. Výsledkem je řídicí charakteristika střídavého měniče napětí ve tvaru a sin 2,max 21 sin 2, pro 9. (7) Zdůrazněme, že tato řídicí charakteristika platí pouze pro induktivní zátěž. V grafické podobě je charakteristika zachycena na Obr.5. Měnič je plně otevřen při řídicích úhlech ležících v intervalu 9. Oproti odporové zátěži je tedy oblast regulovatelnostúžena na interval 9 (což není z funkčního hlediska na závadu).

5 plné otevření,max L Obr.5: Řídicí charakteristika střídavého měniče 9 napětí v případě induktivní a odporové zátěže. Řídicí charakteristika pro L-zátěž Z Obr.6 plyne, že řídicí úhel je opět měřen od průchodu vstupního harmonického napětí nulou do okamžikapálení triaku. Na obrázku a) je zachycena situace při řídicím úhlu 13, na obrázku b) při úhlu, který je úmyslně nepatrně větší než, kde by byl přirozený fázový posuv L-zátěže, pokud by byla napájena harmonickým napětím. a) b) Obr.6: Střídavý měnič napětí. Průběhy napětí a proudu na L-zátěži.

6 Přirozený fázový úhel L-zátěže má velikost L arctg arctg nebo 1 arctg arctg, (8a, b) L jsou-li prvky, L zapojeny v zátěži sériově nebo paralelně. Z obrázku b) je vidět, že v limitním případě, blíží-li se řídicí úhel shora k hodnotě =, zúží se mezera v napětí právě na nulu, tj. mezera zanikne. V tomto stavu je měnič plně otevřen, na zátěži je největší možné napětí (čistě harmonické). Měnič zůstává plně otevřen při řídicích úhlech ležících v intervalu. Oproti odporové zátěži je tedy oblast regulovatelnostúžena na interval. var řídicí charakteristiky se mění v závislosti na časové konstantě = L/ konkrétní zátěže, proto by byl výpočet charakteristiky značně složitý. Charakteristika však vždy leží v oblasti mezi charakteristikami pro čistě odporovou a čistě induktivní zátěž. V grafické podobě je řídicí charakteristika zachycena na Obr.7. plné otevření,max L L 9 Obr.7: Řídicí charakteristika střídavého měniče napětí v případě L-zátěže. Průběhy napětí a proudů pro různé typy zátěže Na Obr.8 jsonázorněny průběhy napětí a proudů pro -zátěž, L-zátěž, L-zátěž, pro asynchronní motor, který je reprezentován sériově zapojenou Lu i -zátěží. Indukované napětí u i (t) v modelu stroje má harmonický průběh (který však není ve fázi ani se svorkovým fázovým napětím ani s fázovým proudem motoru). Průběhy na všech čtyřech zátěžích jsou úmyslně kresleny při stejném řídicím úhlu 13, aby je bylo možno vzájemně porovnat. Průběhy na L-zátěži a na asynchronním motoru se liší především v časovém intervalu, kdy neteče zátěží proud: V případě L-zátěže je napětí nulové, v případě motoru se na svorkách stroje objeví jeho vlastní vnitřní harmonické indukované napětí u i (t). Neteče-li proud, vyšrafovanou část tohoto harmonického napětí lze pozorovat osciloskopem. Pro motor je užitečná pouze samotná 1. harmonická z celkového výsledného kostrbatého napětí (t). Pouze tato 1. harmonická vytváří užitečný moment na hřídeli stroje. Všechny vyšší harmonické jsou neužitečné, protože generují pulsační parazitní momenty a zvyšují hysterezní i vířivé ztráty v železe stroje. V případě motoru je tedy nutno považovat za řídicí charakteristikávislost 1. harmonické napětí (t) na řídicím úhlu, tj.,1h = f( ). uto charakteristiku však nelze odvodit teoreticky, protože je složitě závislá na vlastnostech konkrétního stroje.

7 -zátěž L-zátěž L-zátěž Lu i -zátěž u i Obr.8: Střídavý měnič napětí. Průběhy napětí a proudu na různých typech zátěže. Zadání 1. Pro zátěž změřte řídicí charakteristiky měniče z = f(), I z = f(). Pomocí osciloskopu sledujte a nakreslete průběhy okamžitých hodnot proudátěží a napětí na zátěži. 2. Pro zátěž L změřte řídicí charakteristiky měniče z =f (). Pomocí osciloskopu sledujte a nakreslete průběhy okamžitých hodnot proudátěží a napětí na zátěži.

8 Obr.9: Zapojení laboratorní úlohy.