Neřízené diodové usměrňovače

Transkript

1 FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Neřízené diodové usměrňovače BVEL Autoři textu: doc. Dr. Ing. Miroslav Patočka Ing. Petr Procházka, Ph.D červen 2013 epower Inovace výuky elektroenergetiky a silnoproudé elektrotechniky formou e-learningu a rozšíření prakticky orientované výuky OP VK CZ.1.07/2.2.00/

2 Laboratorní úloha č. 1 Neřízené diodové usměrňovače - stejnosměrné síťové napaječe Stejnosměrné síťové napaječe slouží k vytvoření stejnosměrného napěťového meziobvodu pro napájení všech možných tranzistorových měničů. Především se jedná o měniče typu ss/ss a ss/stř. Smyslem napaječe je vytvořit stejnosměrné napětí usměrněním střídavé sítě, ale bez použití síťového transformátoru. Důvody jsou ekonomické a hmotnostní. Transformátor má své opodstatnění až u napaječů velkých výkonů, v oblasti od stovek kw výše. V tom případě se jedná o distribuční transformátor, který by musel být tak jako tak použit, který je přizpůsoben dané aplikaci a je nedílnou součástí dodávky. 1.1 Dvojcestný usměrňovač s LC-filtrem Obr.1: Dvojcestný diodový usměrňovač s LC-filtrem. Usměrňovač je výhodný z hlediska EMC, protože díky tlumivce má příznivý tvar vstupního fázového proudu. Nevýhodou je velký rozdíl mezi střední hodnotou U d v režimu spojitého proudu a špičkovou hodnotou U šp v režimu přerušovaného proudu U d d, max f, a sin 2U f, ef sin U f, ef 0, 900U f, ef (1.1) 2 2 U šp Ua 2U f, ef (1.2) V případě sítě 230V vychází U d =207V, U šp =325V, jak je naznačeno i v zatěžovací charakteristice na Obr.3. Díky této nevýhodě se v praxi téměř nepoužívá. Tranzistory následujícího měniče totiž musí být napěťově dimenzovány na 325V, ale při zatížení pracují pouze při 207V.

3 Obr.2: Průběhy napětí a proudů ve dvojcestném diodovém usměrňovači s LC-filtrem. Proudy jso kresleny při zjednodušujícím předpokladu L. Obr.3: Zatěžovací charakteristika dvojcestného diodového usměrňovače s LC-filtrem. 1.2 Dvojcestný usměrňovač se sběracím kondenzátorem Na rozdíl od předchozího usměrňovače, je usměrňovač se sběracím kondenzátorem používán velice často. Je sice nevýhodný z hlediska EMC, protože má velmi nesinusový tvar vstupního fázového proudu, ale tato nevýhoda je kompenzována ekonomickými důvody, jednoduchostí a především tvrdostí zatěžovací charakteristiky. Rozdíl mezi napětím Ud při zatížení a naprázdno je totiž malý, viz Obr.6.

4 Obr.4: Dvojcestný diodový usměrňovač se sběracím kondenzátorem. Zátěž je nahrazena ideálním zdrojem konstantního proudu I z. Analýza je velmi odlišná od analýzy usměrňovačů s tlumivkou, protože zařízení pracuje jako výkonový špičkový detektor. Kondenzátor má snahu nabít se na špičkovou hodnotu, tj. na amplitudu U a síťového napětí (nikoli na střední hodnotu usměrněného napětí). Obr.5: Průběhy napětí a proudů ve dvojcestném diodovém usměrňovači se sběracím kondenzátorem.

5 Obr.6: Zatěžovací charakteristika dvojcestného diodového usměrňovače se sběracím kondenzátorem. Výpočet kapacity sběracího kondenzátoru: Při výpočtu je velmi užitečné nahradit zátěž usměrňovače (kterou je tranzistorový měnič) ideálním zdrojem konstantního proudu I z = I d. Pak lze s pomocí trojúhelníku vyznačeného na Obr.5. psát du( t) i( t) C, nebo-li dt I d C. (1.3) t Pokles napětí volíme (obvykle asi 40V), čas vybíjení t odhadneme asi na 8ms (méně než půlperioda sítě). Pak lze snadno určit potřebnou velikost kapacity: t C I. (1.4) d Tímto napaječem nelze trvale přenášet větší činný výkon než asi 1kW, protože tomu odpovídá zdánlivý výkon již kolem 2,5kVA, díky velmi nesinusovému fázovému proudu. 1.3 Šestipulsní usměrňovač s LC-filtrem Usměrňovač je výhodný z hlediska EMC, protože díky tlumivce má příznivý tvar vstupního fázového proudu. V případě sítě 3 400V je vhodný pro výkony od 2kW do asi 1MW. Účiník dosahuje hodnoty = 0,95. Obr.7: Šestipulsní diodový usměrňovač s LC-filtrem.

6 Obr.8: Průběhy napětí a proudů v šestipulsním diodovém usměrňovači s LC-filtrem. Proudy jsou kresleny při zjednodušujícím předpokladu L. Výhodou je malý rozdíl mezi střední hodnotou U d v režimu spojitého proudu a špičkovou hodnotou U šp v režimu přerušovaného proudu. Z kapitoly plyne: U d d, max s, a sin 2U s, ef sin U s, ef 1, 350U 6 6 U šp Ua 2U s, ef s, ef. (1.5). (1.6) V případě sítě 3 400V vychází U d =540V, U šp =565V, jak je naznačeno i v zatěžovací charakteristice na Obr.9.

7 Obr.9: Zatěžovací charakteristika šestipulsního diodového usměrňovače s LC-filtrem. 1.4 Šestipulsní usměrňovač se sběracím kondenzátorem Jedná se o úspornou variantu předchozího případu. Vynechání tlumivky však vede k prudkému zhoršení tvaru vstupního fázového proudu. Díky tomu klesá účiník na hodnotu asi = 0,6. Obr.10: Šestipulsní diodový usměrňovač se sběracím kondenzátorem. V principu se opět jedná o výkonový špičkový detektor, podobně jako u dvojcestného usměrňovače a stejně jako u něj se střední hodnota výstupního napětí pohybuje mezi minimální a špičkovou hodnotou, pro něž platí rovnice (1.5) a (1.6) z předchozí kapitoly.

8 Obr.11: Průběhy napětí a proudů v šestipulsním diodovém usměrňovači se sběracím kondenzátorem. Proudy jsou kresleny při zjednodušujícím předpokladu L. Výpočet kapacity sběracího kondenzátoru: Při výpočtu postupujeme stejně jako v kap Zátěž opět nahradíme ideálním zdrojem konstantního proudu I z = I d. Pak lze určit velikost kapacity podle rovnice t C I. (1.7) d Geometrický význam veličin plyne z Obr.12. Pokles napětí volíme (obvykle asi 40V), čas vybíjení t odhadneme asi na 2,5 až 3ms (méně než šestina periody sítě, což je 3,33ms).

9 Obr.12: Zatěžovací charakteristika šestipulsního diodového usměrňovače se sběracím kondenzátorem. Obr.13: Zatěžovací charakteristika šestipulsního diodového usměrňovače se sběracím kondenzátorem. 1.5 Zadání 1 Podle schématu zapojení v návodu u měřené úlohy a pokynů vedoucího v laboratoři zapojte obvod jako dvojcestný usměrňovač s LC-filtrem. Nastavte proud zátěže na hodnotu cca 1 A a změřte velikost střední hodnoty výstupního napětí. Na osciloskopu zobrazte průběhy fázového proudu i x, dále pak proudů i D1, i D2, i d a napětí u d. Průběhy nakreslete a okótujte. Měření opakujte pro dvě různé hodnoty kapacity LC-filtru. Spočítejte velikost střední hodnoty napětí podle rovnice (1.1) 2 Podle schématu zapojení v návodu u měřené úlohy a pokynů vedoucího v laboratoři zapojte obvod jako dvojcestný usměrňovač se sběracím kondenzátorem. Nastavte proud zátěže na hodnotu cca 1 A a změřte velikost střední hodnoty výstupního napětí. Na osciloskopu zobrazte průběhy fázového proudu i x, dále pak proudů i D1, i D2, i d a napětí u d. Pomocí osciloskopu změřte velikost U a t. Průběhy nakreslete a okótujte. Měření opakujte pro dvě různé hodnoty filtrační kapacity. 3 Podle schématu zapojení v návodu u měřené úlohy a pokynů vedoucího v laboratoři zapojte obvod jako šestipulsní usměrňovač s LC-filtrem. Nastavte proud zátěže na hodnotu cca 1 A a změřte velikost střední hodnoty výstupního napětí. Na osciloskopu zobrazte průběhy fázového proudu i x, dále pak proudů i D1, i D2, i D3, i d a napětí u d. Průběhy nakreslete a okótujte. Měření opakujte pro dvě různé hodnoty kapacity LC-filtru. Spočítejte velikost střední hodnoty výstupního napětí podle rovnice (1.5). 4 Podle schématu zapojení v návodu u měřené úlohy a pokynů vedoucího v laboratoři zapojte obvod jako šestipulsní usměrňovač se sběracím kondenzátorem. Nastavte proud zátěže na hodnotu cca 1 A a změřte velikost střední hodnoty výstupního napětí. Na osciloskopu zobrazte průběhy fázového proudu i x, i D1, i D2, i D3, i d, u d. Pomocí osciloskopu změřte velikost U a t. Průběhy nakreslete a okótujte. Měření opakujte pro dvě různé hodnoty filtrační kapacity.

10 Obr.14: Zapojení laboratorní úlohy.