ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΣΤΕΡΕΑΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ: ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ

Transcript

1 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΣΤΕΡΕΑΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ: ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΙΣΧΥΟΣ ΚΑΙ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΑΣΚΗΣΕΙΣ : HARDWARE: SR1, SR1-Q, SR2, SR3, SR4. SR5, SR6. SOFTWARE: SIM 1, SIM 2, SIM 3, SIM 4 ΑΣΚΗΣΗ CHOPPER ΜΕ MICROPROCESSOR Ver.4 ΝΙΚ. Α. ΤΣΟΛΙΓΚΑΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΣ & ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ B.Sc. (Hons.), M.Sc., Ph.D, ΜΕΛΟΣ Τ.Ε.Ε Loughborough and Teesside University U.K Σεπτέμβριος

2 2

3 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Πρόλογος 3 Εισαγωγή 5 Μέτρηση ισχύος 12 HARDWARE SR1: Σύστημα για πειραματικές μετρήσεις στο θυριστορ 22 SR1-Q: Ρύθμιση στροφών κινητήρα Σ.Ρ μέσω ανορθωτικής γέφυρας με θυριστορ 44 SR2: Ρυθμιζόμενος διακόπτης εναλλασσόμενου ρεύματος 58 SR3: Ρυθμιζόμενος διακόπτης συνεχούς ρεύματος (chopper - ψαλιδιστής) 75 SR4: Μονοφασικός μετατροπέας πλήρως ελεγχόμενος SR5: Τριφασικός μετατροπέας έξι παλμών 111 SR6: Μονοφασικός αντιστροφεας συνεχούς σε εναλλασσόμενο133 SOFTWARE SIM1: Ελεγχόμενη μονοφασική γέφυρα με φίλτρο εξομάλυνσης και κινητήρα d.c 155 SIM2: Ελεγχόμενη τριφασική ανόρθωση με συνδεσμολογία γέφυρας και οδήγηση κινητήρα d.c 164 SIM3: Ρυθμιζόμενος διακόπτης εναλλασσομένου ρεύματος (ac controller) με φίλτρο και κύκλωμα snubber 172 SIM4: Ρυθμιζόμενος διακόπτης συνεχούς ρεύματος (chopper 182 BUCK-BOOST) 3

4 4

5 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η εφαρμογή ημιαγωγών στοιχείων στην περιοχή της ηλεκτρικής ισχύος, τα τελευταία χρόνια έχει αυξηθεί σημαντικά, και μια καινούργια τεχνολογία που ονομάζεται Ηλεκτρονικά Ισχύος έχει αναπτυχθεί [1],[2]. Τα ημιαγωγά στοιχεία ισχύος όπως: οι δίοδοι, τα τρανζίστορ ισχύος (BJT s), τα triacs, τα thyrisror, IGBTS, MOSFETS s, GTO s και άλλα, χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές όπως: τα συστήματα αδιάκοπης παροχής ισχύος (UPS), έλεγχος ηλεκτρικών κινητήρων, σε συστήματα παραγωγής και ελέγχου θερμότητας, κλπ [3]. Οι εργαστηριακές ασκήσεις, που περιγράφονται στις παρούσες σημειώσεις, χωρίζονται σε δυο βασικές κατηγορίες. Η πρώτη απαιτεί από τον σπουδαστή μόνος του να πραγματοποιήσει το κύκλωμα-άσκηση ισχύος με τις αντίστοιχες μετρήσεις και εν συνεχεία να υποβάλει τα συμπεράσματα του. Η δεύτερη κατηγορία περιλαμβάνει προσομοίωση ηλεκτρονικών πραγματικών κυκλωμάτων ισχύος και υποβολή συμπερασμάτων με τις αντίστοιχες καμπύλες. Οι περιγραφόμενες ασκήσεις, που ήδη εκτελούνται στο εργαστήριο των ηλεκτρονικών ισχύος, προέκυψαν από την διδασκαλία τα τελευταία χρόνια του θεωρητικού μαθήματος των ηλεκτρονικών ισχύος (Η.Ι) στο ΤΕΙ-Χ από τον γράφοντα, την εταιρεία Intellectron [4], τις ασκήσεις που πραγματοποιούνται σε πανεπιστήμια της Ελλάδος και του εξωτερικού (Αγγλία και Αμερική) από προπτυχιακούς φοιτητές των τμημάτων ηλεκτρολογίας και ηλεκτρονικής. Θα ήταν μεγάλη παράληψη μου εάν δεν αναφερόμουν σε συναδέλφους του ΤΕΙ-Χ για την πολύτιμη βοήθεια των στην δημιουργία και ανάπτυξη του εργαστηρίου των Η.Ι. Τον Βασίλη Θ. Καραγιαννη για την χορήγηση αμπερομετρων και βαττομετρων ούτως ώστε οι φοιτητές να συγκρίνουν τις ενδείξεις των οργάνων με τα θεωρητικά μοντέλα του μαθήματος των Η.Ι. Τον Σταμάτη Βολιώτη για την χορήγηση δυο ηλεκτρονικών υπολογιστών τελευταίας τεχνολογίας στους οποίους οι σπουδαστές πραγματοποιούν τις ασκήσεις προσομοίωσης (βιομηχανικά πραγματικά κυκλώματα) των ηλεκτρονικών ισχύος. Τον Δημήτρη Βαφειάδη, χρόνια συνεργάτη και γνώστη του εργαστηρίου. 5

6 Τον συνάδελφο και συνεργάτη Ρομπεν Ισμηρογλου γνώστη του εργαστηρίου με τεράστια βιομηχανική εμπειρία που αγόγγυστα πέραν του μαθήματος επισκευάζει και ρυθμίζει τις πολύπλοκες ηλεκτρονικές συσκευές του εργαστηρίου όταν οι σπουδαστές λόγω απειρίας προκαλούν ζημιές-καψίματα. Τελειώνοντας θα ήθελα να αναφέρω ότι η δεύτερη έκδοση που θα δημοσιευτεί τον Σεπτέμβριο του 2011, πέραν των δικών σας σχολίων θα περιλαμβάνει: πρώτα, την άσκηση (hardware ) με IGBT s και οδήγηση με microprocessor και δεύτερον όλες οι ασκήσεις προσομοίωσης θα περιλαμβάνουν ανάλυση κατά Fourier, αρμονική παραμόρφωση, και συντελεστή ισχύος εισόδου των κυκλωμάτων ισχύος υπολογιζόμενος από τις αναλύσεις κατά Fourier.. Ψαχνά, Ιανουάριος 2013 Νικόλαος Α. Τσολιγκας B.Sc.(Hons), M.Sc., Ph.D 6

7 Κεφάλαιο 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η τεχνολογία των Ηλεκτρονικών Ισχύος (Power Electronics) ασχολείται με τεχνικές μετατροπής της ηλεκτρικής ισχύος από μια μορφή σε άλλη [1],[2] χρησιμοποιώντας ημιαγωγά στοιχεία ισχύος. Αυτά τα ημιαγωγά στοιχεία μπορεί να είναι θυρίστορ, τρανζίστορ, GTO s και δίοδοι [3]. Ανάλογα με το είδος μετατροπής της ηλεκτρικής ισχύος και τη ροή ενέργειας, διακρίνονται οι ακόλουθες κατηγορίες μετατροπέων: 1. Μετατροπείς συνεχούς τάσης (DC-DC Converters): Μετατρέπουν τη συνεχή τάση μιας ορισμένης τιμής και πολικότητας σε συνεχή τάση άλλης τιμής και κατά περιπτώσεις άλλης πολικότητας. 2. Αντιστρέφεις (DC-AC Inverters): Μετατρέπουν τη συνεχή τάση σε εναλλασσόμενη, όπου η ενέργεια μεταφέρεται από ένα σύστημα συνεχούς τάσης σε ένα σύστημα εναλλασσόμενης τάσης. 3. Ανορθωτές (AC-DC Rectifiers): Μετατρέπουν την εναλλασσόμενη τάση σε συνεχή, όπου η ηλεκτρική ενέργεια μεταφέρεται από ένα σύστημα εναλλασσόμενης τάσης σε ένα σύστημα συνεχούς τάσης. 4. Μετατροπείς εναλλασσόμενης τάσης (Cycloconverters): Μετατρέπουν την εναλλασσόμενη τάση μιας ορισμένης τιμής, συχνότητας και αριθμού φάσεων σε εναλλασσόμενη τάση άλλης τιμής, άλλης συχνότητας και κατά περιπτώσεις άλλου αριθμού φάσεων. Συνοπτικά οι κατηγορίες μετατροπής ηλεκτρικής ισχύος είναι ως: 1-1

8 Οι μετατροπείς με διατάξεις ηλεκτρονικών ισχύος βρίσκουν εφαρμογές σε: * Τροφοδοτικά για ηλεκτρονικά κυκλώματα. * Τροφοδοτικά για συστήματα αδιάκοπης παροχής ισχύος. * Συστήματα ελέγχου ηλεκτρικών μηχανών. 1.2 Ημιαγωγά στοιχεία ισχύος Υπάρχουν πολλοί τύποι ημιαγωγών στοιχείων ισχύος για εφαρμογές σε συστήματα ηλεκτρονικών ισχύος. π.χ δίοδοι, θυρίστορ, τρανζίστορ ισχύος, GTO, TRIAC κλπ. Με τυπικά σύμβολα στοιχείων να είναι: Α = Άνοδος (Anode) Κ = Κάθοδος (Kathode) G = Πύλη (Gate) C = Συλλέκτης (Collector) Β = Βάση (Base.) Ε = Εκπομπός (Emitter) 1-2

9 1.3 Thyristor (Silicon Controlled Rectifier, SCR) Από πλευράς δομής, το θυριστορ είναι ένας ελεγχόμενος ανορθωτής πυριτίου τεσσάρων στρωμάτων (p-n-p-n), το οποίο μπορεί να θεωρηθεί σαν συνδυασμός δύο τρανζίστορ, όπως παρουσιάζεται στο σχήμα 1.1. Διάγραμμα 1.1: Δομή και λειτουργία ενός Thyristor Όταν στην πύλη (Gate) του θυριστορ δεν υπάρχει παλμός έναυσης, ανεξάρτητα αν είναι θετικά πολωμένο, τότε δεν υπάρχει ροή ρεύματος μέσω του θυριστορ. Για να μεταβεί το θυρίστορ σε κατάσταση αγωγής, πρέπει στην πύλη του να δοθεί παλμός έναυσης, με την προϋπόθεση ότι το θυριστορ είναι θετικά πολωμένο. Ένα τέτοιο στοιχείο όταν βρεθεί στην κατάσταση αγωγής, μετά την εφαρμογή του παλμού έναυσης, θα εξακολουθεί να παραμένει στην κατάσταση αυτή, ακόμα και αν ό παλμός έναυσης αφαιρεθεί. Μπορεί να διακοπεί η κατάσταση αγωγής μόνο όταν το ρεύμα το οποίο ρέει μέσα από το θυριστορ μηδενιστεί, η ακόμη όταν η πολικότητα της ανόδου γίνει αρνητική σε σχέση με την κάθοδο. Η χαρακτηριστική καμπύλη τάσης-ρεύματος (V-I) ενός θυρίστορ παρουσιάζεται στο σχήμα

10 Στο σχήμα 1.3 παρουσιάζονται οι προδιαγραφές του θυρίστορ 2N1846 της THOMSON. 1-4

11 Σχήμα 1.2: Προδιαγραφές θυριστορ 1-5

12 1-6

13 1-7

14 1-8

15 Όπως διαπιστώνεται από την χαρακτηριστική καμπύλη ενός θυρίστορ, το θυρίστορ μπορεί να βρίσκεται σε μία από τις ακόλουθες τρεις καταστάσεις: 1. Κατάσταση διέλευσης. 1-9

16 2. Κατάσταση θετικής αποκοπής. 3. Κατάσταση αρνητικής αποκοπής. Αν η τάση μεταξύ ανόδου και καθόδου με θετική πόλωση φτάσει την οριακή τιμή, δηλαδή την κρίσιμη τάση αποκοπής (σχήμα 1.2), τότε το θυρίστορ μεταβαίνει από την κατάσταση θετικής αποκοπής στην κατάσταση διέλευσης χωρίς να δοθεί παλμός έναυσης. Επίσης αν η τάση ανόδου στην περιοχή της αρνητικής αποκοπής υπερβεί ένα ορισμένο όριο, τότε το θυρίστορ χάνει την ιδιότητα αποκοπής και το ανοδικό ρεύμα Ι A (σχήμα 1.2) αποκτά μεγάλες τιμές. Το αποτέλεσμα είναι η καταστροφή του θυρίστορ. Το όριο αυτό της τάσης ονομάζεται τάση διάσπασης. Αν επιπρόσθετα εφαρμοστεί ένας παλμός έναυσης Ι G στο θυρίστορ, τότε η τιμή της κρίσιμης τάσης αποκοπής, κάτω από την οποία γίνεται η μετάβαση από την κατάσταση αποκοπής στην κατάσταση διέλευσης, εξαρτάται από το μέγεθος του ρεύματος ελέγχου Ι G. Όσο μεγαλύτερος είναι ο παλμός ρεύματος I G τόσο μικρότερη είναι και η κρίσιμη τάση αποκοπής. 1-10

17 Κεφάλαιο 2 ΜΕΤΡΗΣΗ ΙΣΧΥΟΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 2.1 Μέτρηση ισχύος σε κυκλώματα συνεχούς ρεύματος 2.2 Μέτρηση ισχύος σε κυκλώματα εναλλασσόμενου ρεύματος 2.3 Μέτρηση ενεργού ισχύος σε κυκλώματα 3Φ με ουδέτερο. 2.4 Μέτρηση άεργου ισχύος σε κυκλώματα 3Φ 2.5 Το κύκλωμα RL 2-11

18 2.1 ΜΕΤΡΗΣΗ ΙΣΧΥΟΣ ΣΕ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ. Για να µετρήσουµε την ισχύ σ' ένα κύκλωμα συνεχούς ρεύματος δεν χρειαζόμαστε ειδικό όργανο. Επειδή η ισχύς δίνεται από τη σχέση Ρ = VI, µπορούµε να τη µετρήσουµε από τις ενδείξεις ενός βολτομέτρου και ενός αµπεροµέτρου. Προκειμένου να µετρήσουµε ισχύ, το βολτόμετρο και το αµπερόµετρο συνδέονται µε την κατανάλωση R L µε δύο τρόπους, όπως φαίνεται στο σχήμα 2.1. I Στην πρώτη περίπτωση η µετρούµενη ισχύς είναι Ρ=V I και όχι Ρ=V'(I-I'). Στη δεύτερη περίπτωση η µετρούµενη ισχύ είναι Ρ = V(I-I') και όχι Ρ = V'(I I ). Και στις δύο περιπτώσεις το σφάλμα της μέτρησης οφείλεται στην πεπερασμένη αντίσταση του βολτομέτρου, η οποία επιτρέπει τη διέλευση ρεύματος από αυτό, και στη µη μηδενική αντίσταση του αµπεροµέτρου, η οποία προκαλεί µια πτώση της τάσης. 2-12

19 2.2 ΜΕΤΡΗΣΗ ΙΣΧΥΟΣ ΣΕ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ. Σε ένα κύκλωμα εναλλασσόμενου ρεύματος (Διάγραμμα 2.2) η ισχύς είναι μιγαδικό µέγεθος. Η πραγματική συνιστώσα της ισχύος (πραγματική ισχύς η ενεργός ισχύς) δίνεται από τη σχέση (διάγραμμα 2.3): P=V RMS *I RMS *συνφ Διάγραμμα. 2.3: Φαινόμενη ισχύς όπου V RMS, I RMS είναι οι ενεργές τιµές της τάσης και του ρεύματος αντίστοιχα και φ η διαφορά φάσης ανάμεσα στην τάση και το ρεύμα. Η φανταστική συνιστώσα της ισχύος (άεργος ισχύς) δίνεται από τη σχέση: Q = V RMS *I RMS *ηµφ Το µέγεθος S = V*I λέγεται φαινόμενη ισχύ και είναι ίση µε το µέτρο του γεωμετρικού αθροίσματος των Ρ και Q, όπως φαίνεται στο διάγραμμα 2.3: S = (P 2 +Q 2 ) 1/2 2-13

20 Ως συντελεστής ισχύος ορίζεται ο λόγος: PF = P/S Ο συνδυασμός τριών οργάνων, δηλαδή του αµπεροµέτρου, του βολτομέτρου και του συνηµιτοµέτρου, λέγεται βαττόµετρο. Όπως φαίνεται στο Διάγραμμα 2.4: Διαγραμμα 2.4: Σχηματική παράσταση Βαττομετρου και συμβόλου Το βαττόµετρο αποτελείται από δύο πηνία. Το ένα πηνίο είναι ακίνητο και συνδέεται στη σειρά µε την κατανάλωση. Το πηνίο αυτό λέγεται πηνίο ρεύματος. Το δεύτερο πηνίο συνδέεται μαζί µε µια πρόσθετη αντίσταση R παράλληλα προς την κατανάλωση και λέγεται πηνίο τάσης. Το πηνίο τάσης είναι κινητό. Τα ρεύματα που διαρρέουν τα πηνία έντασης και τάσης δημιουργούν µια ροπή που τείνει να περιστρέψει το κινητό πηνίο. Η γωνία στροφής του κινητού πηνίου είναι ανάλογη της διαφοράς φάσης ανάθεσα στα ρεύματα των πηνίων ή µε άλλα λόγια, είναι ανάλογη της διαφοράς φάσης της τάσης V και του ρεύματος Ι. Η γωνία στροφής του πηνίου επιδρά µηχανικά στη θέση του δείκτη του οργάνου και µε τον τρόπο αυτό η ένδειξη του οργάνου αντιστοιχεί στην ενεργό ισχύ. Η φορά της ροπής στρέψης είναι συνάρτηση του τρόπου σύνδεσης των πηνίων. Ένα από τα άκρα κάθε πηνίου σημειώνεται µε αστερίσκο. Αν τα ρεύματα µπαίνουν ή βγαίνουν από τα πηνία από τα σηµειωµένα άκρα, τότε η ροπή είναι θετική και η µέτρηση του οργάνου σωστή. Σε κάθε άλλη περίπτωση η µέτρηση είναι λανθασμένη. 2-14

21 Μια τυπική διάταξη μέτρησης ενεργού και άεργου ισχύος φαίνεται στο παρακάτω διάγραμμα: Μετρώντας την ενεργό ισχύ με το βαττόμετρο Ρ L, την τάση V L και το ρεύμα Ι L, όπως απεικονίζεται παραπάνω, υπολογίζεται η φαινόμενη ισχύς από την σχέση: S L =V L *I L Όπου η άεργος ισχύς στο φορτίο υπολογίζεται από την σχέση: Q L S 2 L P Και ο συντελεστής ισχύος ορίζεται ως ο λόγος: P.F = cosφ = P L /S L 2 L 2.3 ΜΕΤΡΗΣΗ ΕΝΕΡΓΟΥ ΙΣΧΥΟΣ ΣΕ ΚΥΚΛΩΜΑ 3-Φ ΜΕ ΟΥΔΕΤΕΡΟ Με την υπόθεση ότι οι εντάσεις των RMS τιμών των τριών ρευμάτων σε κύκλωμα τριών φάσεων καθώς και ότι η διαφορά φάσης (φ) στις αντίστοιχες τάσεις παραμένει η ιδία, τότε μπορούμε να μετρήσουμε την ηλεκτρική ισχύ του κυκλώματος χρησιμοποιώντας ένα και μοναδικό βαττόμετρο όπως φαίνεται στο διάγραμμα 2.5:. Διάγραμμα 2.5: Μέτρηση ισχύος με ένα βατομετρο 2-15

22 Στο διάγραμμα 2.5, το βαττόμετρο μας δείχνει την παραγομένη ισχύ από την φάση 1 για τον καταναλωτή εν σχέση με τον ουδέτερο με ένδειξη ίση με: P 1 = U 1Ν * Ι 1 * cosφ Συνεπώς η ολική παραγομένη ισχύ για τον χρήστη στη είναι ίση με: Ρ = 3* P 1 Γνωρίζοντας την τάση μεταξύ φάσεων, τότε η συνολική ισχύς υπολογίζεται από την σχέση: Παρατήρηση: Ο συντελεστής ισχύος cosφ είναι η γωνία μεταξύ της τάσεως των φάσεων και του ρεύματος φάσεως. 2.4 ΜΕΤΡΗΣΗ ΑΕΡΓΟΥ ΙΣΧΥΟΣ ΣΕ ΚΥΚΛΩΜΑ 3-Φ Εάν το βατόμετρο συνδεθεί όπως στο διάγραμμα 2.6, τότε είναι δυνατή η μέτρηση της άεργου ισχύος. Η συνολική άεργος ισχύς υπολογίζεται από την σχέση: Ρ = (3) 1/2 * ένδειξη βατόμετρου Διάγραμμα 2.6: Σύνδεση βαττομετου για μέτρηση άεργου ισχύος 2-16

23 Γνωρίζοντας την τάση μεταξύ φάσεων, τότε η συνολική άεργος ισχύς υπολογίζεται από την σχέση: Η άεργος ισχύς μπορεί να είναι θετική η αρνητική και αυτό εξαρτάται από τον συντελεστή ισχύος Όταν το ρεύμα καθυστερεί της τάσεως, π.χ σε κυκλώματα με επαγωγικά φορτία, τότε το φορτίο έχει ένα συντελεστή ισχύος με καθυστέρηση. Σε αυτή την περίπτωση η γωνία θ είναι θετική και η άεργος ισχύς είναι θετική. Εάν το ρεύμα είναι σε προπορεια της τάσεως, π.χ σε χωρητικά φορτία τότε ο συντελεστής ισχύος είναι για το φορτίο σε προπορεια. Η γωνία θ είναι αρνητική και συνεπώς η άεργος ισχύς είναι αρνητική. Το διάγραμμα 2.7 μάς δείχνει την σύνδεση του ψηφιακού βαττόμετρου Nanovip Διάγραμμα 2.7: Σύνδεση ψηφιακού βατομετρου Nanovip 2-17

24 Το διάγραμμα 2.8 μάς δείχνει την σύνδεση του ψηφιακού βαττόμετρου UNI-T MOD UT

25 2.5 ΤΟ ΚΥΚΛΩΜΑ RL ΜΕ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΗ ΤΑΣΗ Μια αντίσταση R και ένα πηνίο L συνδέονται σε σειρά όπως φαίνεται στο διάγραμμα 2.8. Διάγραμμα 2.8: Το κύκλωμα RL και το διάγραμμα τάσεως/ρεύματος Έστω V η RMS τιμή της εφαρμοζόμενης τάσης και Ι η RMS τιμή του συνολικού ρεύματος, τότε:. V R = Ι*R Είναι η τάση στα άκρα της αντίστασης (συμφασική με το ρεύμα). V L = Ι*Χ L Η τάση στα άκρα του πηνίου (με προπορεια έναντι του ρεύματος Ι κατά 90 ο). H πτώση τάσεως απεικονίζεται με το τρίγωνο της τάσεως ΟΑΒ στο διάγραμμα 2.8. Το ΟΑ απεικονίζει την τάση V R, ενώ το ΑΒ την τάση V L. Η εφαρμοζόμενη τάση V είναι το άθροισμα των δυο ανυσμάτων π.χ ΟΒ. Από το ίδιο τρίγωνο προκύπτει ότι : X L = R*tanφ η φ = tan -1 (X L /R) Γραφικά η σχέση τάσεως και ρεύματος φαίνεται στο διάγραμμα

26 Είναι φανερό πλέον ότι η τάση προπορεύεται του ρεύματος Ι κατά γωνία φ ο. (η το ρεύμα καθυστερεί της τάσεως V κατά γωνία φ o. Το ρεύμα Ι μπορεί να αναλυθεί σε δυο στοιχεία (ανύσματα) κάθετα μεταξύ τους διάγραμμα Το Ι*cosφ κατά μήκος της τάσεως V και στο Ι*sinφ κάθετο στο V, συνεπώς η καταναλισκομένη ισχύς από το κύκλωμα υπολογίζεται από το γινόμενο της τάσεως V και εκείνου του ρεύματος που είναι συμφασικό με την V P = V*Ι*cosφ. Ο συντελεστής cosφ ονομάζεται συντελεστής ισχύος. Σημείωση: Σε κυκλώματα με εναλλασσόμενη τάση/ρεύμα το γινόμενο της RMS τιμής της τάσεως με την RMS τιμή του ρεύματος μας δίδει VOLT*AMPERE (VΑ) και δεν είναι η πραγματική ισχύς σε watts. Η πραγματική ισχύς σε Watts είναι: Watts = V*Α*cosφ Η κατανάλωση πραγματοποιείται στην αντίσταση και όχι στο πηνίο. Τα πηνία δεν καταναλώνουν ισχύ. Η γραφική απεικόνιση της καταναλισκομένης ισχύος φαίνεται στο διάγραμμα

27 Επί πλέον ο συντελεστής ισχύος μπορεί να οριστεί ως ο λόγος: Ενεργός ισχύς/(va) Άεργος ισχύς ορίζεται το γινόμενο: V*Α*sinφ (VARS) Παράδειγμα: Για κύκλωμα που απορροφά ρεύμα 1000Α από πηγή τάσεως 20000V/50Hz και με συντελεστή ισχύος 0.8 τότε ισχύουν: Ισχύς στο κύκλωμα είσοδου = 1000*20000/1000 = 2000ΚVA cosφ = 0.8, και sinφ = 0.6 Ενεργός ισχύς: ΚW= 20000* 0.8 = (watts) Άεργος ισχύς: ΚVAR = 20000* 0.6 = (Kvar) Επειδή η άεργος ισχύς είναι (Kvar) επαγωγική, απαιτείται η διόρθωση να γίνει με χωρητικότητα η οποία θα παράγει την ίδια ποσότητα (χωρητική) άεργου ισχύος. 2 V X 2 V Q 1 2fC Q C 95.6F 2 V 2f *2* *50 Q

28 2.6 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΙΣΧΥΟΣ ΣΕ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΜΕ ΜΗ ΓΡΑΜΜΙΚΑ ΦΟΡΤΙΑ (Π.Χ ΑΝΟΡΘΩΤΕΣ), ΜΕΘΟΔΟΣ FOURIER. Τα μη γραμμικά φορτία αλλάζουν την μορφή του ρεύματος από ημιτονοειδή σε άλλη μορφή. Επί πλέον δημιουργούν αρμονικά ρεύματα πέραν της αρχικής συχνότητας.. Στα μη γραμμικά φορτία η φαινόμενη ισχύς συμπεριλαμβάνει όλες τις αρμονικές. Στα γραμμικά κυκλώματα που έχουμε μόνο ημιτονοειδή τάση και ρεύμα μιας συχνότητας ο συντελεστής ισχύος προκύπτει από την διαφορά φάσεως μεταξύ ρεύματος και τάσεως. Ονομάζεται και συντελεστής μετατόπισης. Ένα τυπικό πολυμετρο θα δώσει λανθασμένα αποτελέσματα όταν θα μετρά AC ρεύμα που τροφοδοτεί μη ημιτονικο φορτιο (π.χ ελεγχόμενοι ανορθωτές, παλμοτροφοδοτικα κλπ). Το όργανο ανιχνεύει την μέση τιμή μιας ανορθωμένης κυματομορφης. Κατόπιν γίνεται βαθμολογηση της μέσης τιμής ουτως ώστε το όργανο να δείχνει την πραγματική RMS τιμη. Συνεπώς για την μέτρηση την πραγματικής ισχύος η της φαινόμενης ισχύος ένα βατομετρο πρέπει να είναι ειδικά σχεδιασμένο για μέτρηση μη ημιτονικων ρευμάτων Για τον υπολογισμό του συντελεστού ισχύος υποθέτουμε ότι η κυματομορφη της τάσεως παραμένει αμετάβλητος (ημιτονοειδής) και μεταβάλλεται μόνο η κυματομορφη του ρεύματος. Στον υπολογισμό του αρμονικού περιεχομένου των τάσεων και ρευμάτων χρησιμοποιείται η μέθοδος Fourier. Κάθε περιοδική συνάρτηση μπορεί να αναλυθεί σε άθροισμα απείρου πλήθους ημιτονοειδών συναρτήσεων, σύμφωνα με την μέθοδο Fourier, f (t) f (t) f (t) 1 a 2 c c n t b sinn 0 a n cos s n st n1 0 cn cos nst n1 0 bn sin nst n1 n n 2-22

29 n t jn n s e F (t) f Οι συντελεστές Fourier a n, b n, F n, υπολογίζονται από τις σχέσεις. 2 0 s s n ) t t)d( f (t)cos(n 1 a 2 0 s s n ) t t)d( f (t)sin(n 1 b 2 0 t jn n ) t d( f (t)e 2 1 F s Οι συντελεστές Fourier συνδέονται μεταξύ τους με τις εξής σχέσεις. n n n n n n n n 1 n n n 1 n 2 n 2 n n n F F j b F F a b a tan a b tan b a 2 F c a 2 1 F c Οι συντελεστές c n είναι τα πλάτη των αρμονικών συχνοτήτων και οι γωνίες Φ n, Θ n Είναι οι φάσεις των αντιστοίχων όρων. Η συνεχής συνιστώσα εκφράζεται από τους όρους a 0,c 0,F ΜΕΣΗ ΚΑΙ ΕΝΕΡΓΟΣ ΤΙΜΗ ΜΙΑΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΗΣ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΣΕΙΡΑΣ FOURIER. Η μέση τιμή μιας περιοδικής συνάρτησης f(t) με περίοδο Τs υπολογίζεται από την σχέση: T s 0 s av dt f (t) T 1 F Η ενεργός η μέση τετραγωνική τιμή της περιοδικής συνάρτησης f(t) ορίζεται από τις σχέσεις: 1 n 2 n 2 0 rms 1 n 2 n 2 0 rms T 0 2 s rms C C F c 2 1 c F t)dt f T 1 F s Όπου C 0 = c 0 είναι η συνεχής συνιστώσα της συνάρτησης και C n είναι οι ενεργές τιμές των αρμονικών όρων.

30 Η ενεργός τιμή του ρεύματος είναι αυτή που καθορίζει τις απώλειες ισχύος σε μια αντίσταση η σε ένα ημιαγωγό διακόπτη ισχύος. Η στιγμιαία ισχύς σε μη ημιτονοειδή διέγερση ορίζεται από την σχέση: Η μέση ισχύς υπολογίζεται από την: Είναι φανερό ότι η μέση ισχύ υπολογίζεται από την τάση και to ρεύμα της ιδίας τάξεως n. H φαινόμενη ισχύς δηλ. το γινόμενο της ενεργού τιμής της τάσεως και του ρεύματος υπολογίζεται από την σχέση: P av VI V 2 0 n1 V 2 n I 2 0 n1 I 2 n Η ολική άεργος ισχύς αποτελείται από τη συνιστώσα Qn η οποία οφείλεται στις αρμονικές της τάσης και του ρεύματος με την ίδια τάξη n και την ισχύ παραμόρφωσης D που προκαλείται από τις αρμονικές της τάσης και ρεύματος με διαφορετική τάξη. H φαινόμενη η ενεργός και η άεργος ισχύς συνδέονται με την σχέση: Όπου: Q n S n 1 2 V P n I 2 av n Q sin 2 n P 2 av Q Q 2 n D Q n 2 S D n '2 D ' S 2 P 2 av Q Και με συντελεστή ισχύος: PF = Paν/S Για μη ημιτονοειδή διέγερση, η γραφική παράσταση της ισχύος φαίνεται στο παρακάτω διάγραμμα n 2-24

31 Διάγραμμα 2.12: Γραφική παράσταση ενεργού, άεργου, και φαινόμενης ισχύος σε κύκλωμα με μη ημιτονοειδή τάση. Με ημιτονοειδή τάση: u(t) 2 V sin( t) και με ρεύμα που έχει αρμονικές ισχύουν οι σχέσεις: 1 s P av V I cos S V I V 1 1 n1 I 2 n Q n V I sin D V 1 n2 I 2 n Q Q 2 n D 2 S 2 P 2 (V I) 1 2 (V I cos ) Διάγραμμα 2.13: Η ημιτονοειδής συνιστώσα ι 1 (t)), η ημιτονοειδής τάση τροφοδοσίας u(t) και το περιοδικό ρεύμα ι(t). 2-25

32 O συντελεστής ισχύος ορίζεται από τον λόγο της ενεργού προς φαινόμενη: Pav V1 I1 cos 1 PF S V I 1 I1 cos 1 I Ο ορος Ι 1 /Ι ονομάζεται συντελεστής παραμόρφωσης και ο ορος cos 1 συντελεστής μετατόπισης. (Ι 1 is the sinusoidal (αρμονική συνιστώσα) και Ι το ρεύμα εισόδου στο κύκλωμα) Ο συντελεστής ισχύος με τον συντελεστή μετατόπισης είναι ίδιοι, όταν οι τάσεις και τα ρεύματα είναι ημιτονοειδής συναρτήσεις. Ο ορος Ι 1 /Ι είναι μικρότερος της μονάδος με αποτέλεσμα οι αρμονικές να ελαττώνουν τον συντελεστή ισχύος, καθώς παράγουν άεργο ισχύ. Η ολική αρμονική παραμόρφωση ΤΗD και ο συντελεστής κορυφής CF ενός σήματος f(t) ορίζονται ως: THD F 2 F F F 2 0 n2 F 1 F 2 n F CF F peak 2.7 ΓΕΦΥΡΑ ΑΝΟΡΘΩΣΗΣ ΜΕ SCR ΚΑΙ ΤΟ ΚΥΚΛΩΜΑ ΕΛΕΓΧΟΥ ΤΗΣ. Μια γέφυρα ανόρθωσης με SCR αποτελείται από το κύκλωμα ελέγχου το οποίο καθορίζει τη γωνία εναυσης και το κύκλωμα ισχύος. Στο κύκλωμα ελέγχου υπάρχει και το σήμα-πηγη αναφοράς. Το σήμα αναφοράς (στις ασκήσεις του εργαστηρίου αναφέρεται ως V syn ) συγκρίνεται με μια μεταβλητή τιμή (π.χ τάσεως η ρεύματος) και μέσω ενός ελεγκτή π.χ αναλογικού-διαφορικου παράγεται το σήμα έλεγχου U c.. Το σήμα έλεγχου οδηγείται στην μονάδα συγχρονισμού όπου πραγματοποιείται σύγκρισης με μια κυματομορφη αναφοράς. Ως αποτέλεσμα αυτής της σύγκρισης είναι η παραγωγή παλμών εναυσης, ο διαχωρισμός και η οδήγηση των πυλών των θυριστορ από κατάλληλο κύκλωμα Η κυματομορφη αναφοράς στη μονάδα συγχρονισμού παράγεται με την γραμμική μέθοδο.tα σχεδιαγράμματα 2.14 και 2.15 απεικονίζουν την όλη διάταξη. 2-26

33 Διάγραμμα 2.14: Ο ελεγχόμενος ανορθωτής γεφύρας Διάγραμμα 2.15: Η διάταξη έλεγχου του ελεγχόμενου ανορθωτή γεφύρας ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΠΑΛΜΩΝ ΕΝΑΥΣΗΣ Ένας μετασχηματιστής υποβιβάζει την τάση του δικτύου (V syn ) και ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα την μετατρέπει σε τετραγωνική. Από αυτή την τετραγωνική κυματομορφη παράγεται ένα πριονωτό σήμα u sw το οποίο έχει την διπλάσια συχνότητα της τάσεως του δικτύου u s και συγχρόνως είναι και σε συγχρονισμό με αυτή την τάση του δικτύου. Το παραγόμενο σήμα από τον ελεγκτή ΡΙ u c συγκρίνεται με το πριονωτό σήμα u sw και το σημείο τομής των δυο καθορίζει την γωνία εναυσης σύμφωνα με την σχέση: 2-27

34 u 1 u Εάν η τάση u c γίνει ιση με την τάση u sw τότε η γωνία εναυσης γίνεται ιση με το μηδέν. Όσο αυξάνει η τιμή της τάσεως έλεγχου u c τόσο η γωνία εναυσης ελαττώνεται. Εάν η τιμή της u c γίνει ιση με το μηδέν τότε η τιμή της γωνίας εναυσης γίνετε ιση με 180 ο. Η τιμή της τάσεως έλεγχου είναι τέτοια ώστε η γωνία εναυσης να περιορίζεται μεταξύ των τιμών 0 ο και 180 ο, και για την ασφαλή σβέση των θυριστορ πρέπει να είναι μικρότερη των 180 ο. Γνωστού όντως ότι η τάση εξόδου της γέφυρας για ωμικό-επαγωγικο φορτίο και χωρίς την δίοδο ελεύθερης διέλευσης υπολογίζεται από την σχέση. c sw V dc 1 a Και αντικαθιστώντας την τιμή της γωνίας α: a V m 2V sin t d( t) m cos a Προκύπτει ότι: u 1 u c sw V dc 1 a a V m 2V sin t d( t) m 2V cos a Και το κύκλωμα είναι ως το παρακάτω διάγραμμα m u cos 1 V c sw 2-28

35 Διάγραμμα 2.16: παλμοί εναυσης με την γραμμική μέθοδο 2-29

36 Κεφάλαιο 3 SR1: ΣΥΣΤΗΜΑ ΓΙΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΣΤΟ ΘΥΡΙΣΤΟΡ Σκοπός της άσκησης είναι να εξετάσουμε την διακοπτική λειτουργία ενός SCR θυρίστορ με έλεγχο του ρεύματος πύλης και να μελετήσουμε τις στατικές χαρακτηριστικές ενός SCR θυρίστορ. ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 3.1 ΘΕΩΡΙΑ Γενικά Το στοιχείο τεσσάρων στρωμάτων Κατασκευαστικά χαρακτηριστικά Η σχέση ρεύματος ανόδου / τάσης ανόδου-καθόδου Η χαρακτηριστική καμπύλη Εναυση του θυρίστορ Υπέρβαση της κρίσιμης τάσης αποκοπής Εναυση με βήμα πύλης Εναυση με βήμα φωτός Εναυση με γρήγορη μεταβολή τάσης Σβέση του θυρίστορ Η σχέση ρεύματος πύλης / τάσης πύλης-καθόδου Δυναμική συμπεριφορά του θυρίστορ Επίδραση της μεταβολής τάσης Μεταβατικό φαινόμενο έναυσης Επίδραση της μεταβολής ρεύματος Μεταβατικό φαινόμενο σβέσης Το κύκλωμα ελέγχου Μέτρα προστασίας A6φάλεtες Περιορισμός της μεταβολής ρεύματος 3-1

37 Προστασία από υπέρταση Επιλογή της τάσης διάσπασης Κύκλωμα προστασίας TSE-SNUBBER 3.2 Διεξαγωγή πειραμάτων Χαρακτηριστικές ανόδου-καθόδου Χαρακτηριστικές πύλης-καθόδου Ανάστροφη πόλωση Ορθή πόλωση 3.3 Ρεύμα διατήρησης και συγκράτησης 3.4 Κύκλωμα ελέγχου 3-2

38 3.11 ΘΕΩΡΙΑ ΓΕΝΙΚΑ Η ανακάλυψη του θυρίστορ προκάλεσε στην ενεργειακή τεχνική μια παρόμοια επανάσταση με εκείνη του τρανζίστορ στην επεξεργασία πληροφοριών [3]. Με το θυρίστορ η ροή της ηλεκτρικής ενέργειας σε ηλεκτρικές μηχανές και διάφορες συσκευές μπορεί να ρυθμιστεί εύκολα, με χαμηλό κόστος, γρήγορα, και με ελάχιστες απώλειες. Η ισχύς που μπορεί να ρυθμιστεί με κυκλώματα θυρίστορ φθάνει τα 10 ΜW Το στοιχείο τεσσάρων στρωμάτων Από πλευράς δομής, το θυρίστορ είναι ένα στοιχείο τεσσάρων στρωμάτων (διάγραμμα 3.1). Τα δύο εσωτερικά στρώματα έχουν σχετικά μικρό αριθμό φορέων. Οι συνέπειες είναι μια υψηλή τάση αποκοπής και μικρές απώλειες διέλευσης. Το εξωτερικό στρώμα Ρ ονομάζεται άνοδος (Α) και το εξωτερικό στρώμα Ν κάθοδος (Κ). Ο ακροδέκτης στο στρώμα S P ονομάζεται πύλη (GATE, G) Κατασκευαστικά χαρακτηριστικά Το διάγραμμα 3.2 δείχνει σχηματικά την κατασκευαστική δομή του θυρίστορ. Σαν ημιαγωγός χρησιμοποιείται συνήθως πυρίτιο. Ο λόγος είναι η σχετικά υψηλή τάση αποκοπής και η θερμική αντοχή. Στην επάνω επιφάνεια του δίσκου βρίσκεται το ηλεκτρόδιο ελέγχου (πύλη, G), ενώ γύρω απ' αυτό ενσωματώνεται, σαν δακτύλιος, το ηλεκτρόδιο της καθόδου (Κ). Σαν υλικό επαφής υπάρχει συνήθως χρυσός. Η πυκνότητα ρεύματος στο δίσκο είναι της τάξης του 1 Α/ΜΜ 2. Για ρεύματα από 80 μέχρι 700 Α πρέπει επομένως η κάθοδος να έχει μια διάμετρο από 10 μέχρι 30 mm. To πάχος του δίσκου είναι περίπου 0.4 mm για μια ανώτατη τάση αποκοπής του 1 KV. 3-3

39 0 δίσκος πυριτίου τοποθετείται πάνω σε μία βάση από αλουμίνιο ή χαλκό, που αποτελεί συγχρόνως το ηλεκτρόδιο ανόδου (Α) και συνδέεται μόνιμα με το περίβλημα Π (απαγωγή θερμότητας). Οι πιο συνηθισμένες κατασκευαστικές μορφές τον περιβλήματος είναι δύο: Ο τύπος πλακιδίου, που επιτρέπει απαγωγή θερμότητας σε δυο κατευθύνεις, και ο βιδωτός τύπος με απαγωγή θερμότητας προς μια μόνο κατεύθυνση Η ΣΧΕΣΗ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΑΝΟΔΟΥ ΚΑΙ ΤΑΣΗΣ ΑΝΟΔΟΥ ΚΑΘΟΔ0Υ Η χαρακτηριστική καμπύλη Διάγραμμα 3.33: Η χαρακτηριστική καμπύλη ενός θυριστορ Αν εφαρμοστεί μια τάση, που αρχίζει, από το μηδέν και αυξάνεται βαθμιαία, στο στοιχείο τεσσάρων στρωμάτων, το θυρίστορ δεν επιτρέπει τη διέλευση ρεύματος σε 3-4

40 καμιά από τις δυο κατευθύνσεις. Το φαινόμενο αυτό εξηγείται όπως παρακάτω (διάγραμμα 3.3): Για αρνητική τάση ανόδου-καθόδου V AK κλείνουν οι εξωτερικές μεταβάσεις Ρ-Ν, ενώ ανοίγει η μεσαία μετάβαση. Το θυριστορ βρίσκεται στη περιοχή της αρνητικής αποκοπής. Για θετική τάση ανόδου-καθόδου V AK κλείνει η εσωτερική μετάβαση Ρ-Ν, ενώ οι εξωτερικές μεταβάσεις παραμένουν κλειστές. Το θυρίστορ βρίσκεται στην περιοχή της θετικής αποκοπής. Για θετική τάση V AK υπάρχει όμως και ένα δεύτερο είδος λειτουργίας: Αν στην πύλη εφαρμοστεί μια θετική τάση απέναντι στην κάθοδο, τότε ανοίγει, η αντίστοιχη μετάβαση Ρ-Ν. Ηλεκτρόνια διαχέονται στις ζώνες S P και S N και στη μεσαία μετάβαση. Το θυρίστορ μεταπίπτει από την περιοχή θετικής αποκοπής στην περιοχή διέλευσης. Το φαινόμενο αυτό λέγεται έναυση. Στην περιοχή διέλευσης το θυρίστορ άγει το ηλεκτρικό ρεύμα, και η ωμική του αντίσταση είναι αμελητέα: Συμπεριφέρεται, σαν κλειστός διακόπτης Έναυση του θυριστορ Υπέρβαση της κρίσιμης τάσης αποκοπής Στην περιοχή θετικής αποκοπής ρέει ένα μικρό ρεύμα I B, το οποίο αυξάνεται με την τάση V AK. Όταν η τάση αυτή υπερβεί την κρίσιμη τιμή V BT0, τότε το ρεύμα Ι Α αυξάνεται απεριόριστα και έχουμε μετάπτωση στην περιοχή διέλευσης χωρίς να μεσολαβήσει η πύλη (ηλεκτρόδιο ελέγχου). Το φαινόμενο αυτό πρέπει να αποφευχθεί οπωσδήποτε, γιατί η εναυση στα κυκλώματα θυρίστορ είναι απαραίτητο να ελέγχεται μόνο από την πύλη (παλμός έναυσης). Επομένως πρέπει στο σχεδιασμό του κυκλώματος να ληφθούν μέτρα ώστε η τάση V AK να μη ξεπερνάει ποτέ την κρίσιμη τάση αποκοπής V BT0. Η τάση V BT0 μειώνεται αισθητά για θερμοκρασίες πάνω από 100 βαθμούς C ο (διάγραμμα 3.4). Αυτός είναι άλλος ένας λόγος για να αποφεύγετε, η υπερθέρμανση του θυρίστορ. 3-5

41 Έναυση με σήμα πύλης Η δεύτερη (και, επιθυμητή) δυνατότητα έναυσης δίνεται μέσω ενός ρεύματος πύλης I G μεγαλύτερου του μηδενός Το ρεύμα αυτό (παλμός έναυσης) μπορεί να είναι της τάξης μεγέθους μερικών mα. Με τη βοήθεια του η μετάπτωση στην περιοχή διέλευσης είναι δυνατή και για πολύ μικρές τάσεις V AK. To σήμα πύλης κλείνει τον ηλεκτρικό διακόπτη, ο οποίος τώρα άγει Έναυση με σήμα φωτός Ένας άλλος τρόπος ελέγχου αποτελείται, από το βομβαρδισμό της πύλης με υπεριώδεις ακτίνες. Τα φωτόνια προκαλούν τη δημιουργία ελευθέρων φορέων, τα οποία αντικαθιστούν το ρεύμα πύλης. Το πλεονέκτημα του τρόπου αυτού είναι, ότι υπάρχει αυτόματα διαχωρισμός δυναμικού για τους παλμούς έναυσης μεταξύ κυκλώματος ελέγχου και θυρίστορ Έναυση με γρήγορη μεταβολή τάσης Όταν το θυρίστορ βρίσκεται στις περιοχές αποκοπής, κάθε στρώση Ρ-Ν συμπεριφέρεται σαν πυκνωτής με μια συγκεκριμένη χωρητικότητα C. Όσο μεταβάλλεται η τάση V AK υπάρχει επομένως ένα χωρητικό ρεύμα, ανάλογο με τη μεταβολή της τάσης dv/dt, το οποίο προστίθεται στο ρεύμα αποκοπής I B. Όταν το σύνολο του ρεύματος αυξηθεί πολύ εξαιτίας μιας γρήγορης μεταβολής της τάσης, το θυρίστορ μεταπίπτει στην περιοχή διέλευσης και παραμένει σε αυτήν, ακόμα και όταν η τάση πάψει να μεταβάλλεται. 0 τρόπος αυτός έναυσης δεν είναι επιθυμητός, και γι αυτό πρέπει να αποφεύγεται ή γρήγορη μεταβολή τάσης Σβέση του θυρίστορ Η μετάβαση από την περιοχή διέλευσης στην περιοχή θετικής αποκοπής είναι δυνατή μόνο αν η τάση στο θυρίστορ γίνει περίπου μηδέν, γιατί μόνον τότε ελευθερώνονται τα μεσαία στρώματα από τους φορείς. Το ρεύμα δεν χρειάζεται να μηδενιστεί. αλλά να πέσει μόνον κάτω από την τιμή του ρεύματος συγκράτησης, το οποίο είναι της τάξης μερικών mα. 3-6

42 3.1.5 Η ΣΧΕΣΗ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΠΥΛΗΣ ΚΑΙ ΤΑΣΗΣ. ΠΥΛΗΣ ΚΑΘΟΔΟΥ. Η σχέση I G και V GK είναι μια χαρακτηριστική διόδου χωρίς ιδιαίτερα καλές ιδιότητες αποκοπής (διάγραμμα 3.5). Εάν είναι, γνωστό το απαιτούμενο ρεύμα ελέγχου (πύλης) μπορεί με τη βοήθεια της χαρακτηριστικής αυτής να καθοριστεί η τάση που πρέπει να δίνει το κύκλωμα ελέγχου. Το διάγραμμα 3.6 δείχνει την τυπική εξάρτηση της χαρακτηριστικής θετικής αποκοπής από το ρεύμα ελέγχου I G. Από το διάγραμμα αυτό φαίνεται, ότι η κρίσιμη τάση αποκοπής μπορεί να μειωθεί δραστικά με ένα ρεύμα έναυσης (ελέγχου) της τάξης των mα. Επομένως θεωρητικά θα ήταν δυνατόν να ρυθμιστεί η γωνία έναυσης του θυρίστορ για ημιτονοειδείς τάσεις με ένα συνεχές ρεύμα ελέγχου, το οποίο θα αυξάνονταν όσο μικρότερη θάπρεπε να ήταν η γωνία έναυσης. Η δυνατότητα αυτή ρύθμισης δεν είναι, όμως δυνατόν να εφαρμοστεί στην πράξη, γιατί οι χαρακτηριστικές του διαγράμματος 3.5 μεταβάλλονταν με τη θερμοκρασία (διάγραμμα 3.4). Έτσι αναγκαζόμαστε στην πράξη να χρησιμοποιούμε παλμούς έναυσης. Ο παλμός ρεύματος πρέπει, να είναι, τόσο ισχυρός, ώστε να εξασφαλίζει την έναυση για κάθε είδους θερμοκρασία και τάση ανόδου-καθόδου. Από την άλλη πλευρά, δεν πρέπει, να ξεπερνά το όριο που δίνεται, από την ανώτατη υπερθέρμανση της πύλης (ανώτατη επιτρεπτή ισχύς απωλειών στην πύλη W) 3-7

43 3.1.6 ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΟΥ ΘΥΡΙΣΤΟΡ Επίδραση της μεταβολής τάσης Όπως ήδη αναφέρθηκε στην παράγραφο μπορεί μία πολύ γρήγορη μεταβολή της τάσης ανόδου-καθόδου να προκαλέσει, μία αθέλητη έναυση του θυρίστορ. Το διάγραμμα 3.7, δείχνει την εξάρτηση της τάσης μετάπτωσης από τη μεταβολή τάσης για δύο τιμές θερμοκρασίας. Η. επίδραση της μεταβολής τάσης οφείλεται, στο χωρητικό ρεύμα το οποίο αυτή δημιουργεί. Το χωρητικό αυτό ρεύμα μπορεί μερικά να αντισταθμιστεί με ένα αντίθετο ρεύμα έναυσης, που παρέχεται, από το κύκλωμα ελέγχου. Το διάγραμμα 3.8 δείχνει την επίδραση αυτού του αρνητικού.ρεύματος ελέγχου, του οποίου όμως το μέγεθος δεν πρέπει, να ξεπερνά τα όρια που δίνονται, από τις ανώτατες απώλειες του κυκλώματος ελέγχου. 3-8

44 Μεταβατικό, φαινόμενο έναυσης Το διάγραμμα 3.9 δείχνει την πτώση τάσης στο θυριστορ σε συνάρτηση του χρόνου μετά από ένα παλμό έναυσης. Πρέπει να περάσει ο χρόνος καθυστέρησης t d (τάξη μεγέθους 100 μsec) για να αρχίσει να ανάβει το θυρίστορ. Μετά τον χρόνο αυτό αρχίζει η πραγματική έναυση κατά την οποία η τάση στο θυριστορ πέφτει στην τιμή της τάσης διέλευσης. Ο χρόνος t r που περνά μέχρι να πέσει ή τάση τού θυρίστορ στο 10% της τάσης αποκοπής που υπήρχε προηγουμένως, λέγεται χρόνος διάσπασης. Επειδή ήδη κατά τη διάρκεια αυτού του χρόνου ρέει ένα ισχυρό ρεύμα, ο χρόνος διάσπασης καθορίζει και τις απώλειες έναυσης Επίδραση της μεταβολής ρεύματος Όπως συμπεραίνουμε από το διάγραμμα 3.9, το ρεύμα διέλευσης δεν θα πάρει αμέσως την τελική του τιμή, ακόμα και αν το φορτίο είναι καθαρά ωμικό. Η αιτία της καθυστέρησης αυτής κατά το χρόνο διάσπασης είναι η πεπερασμένη ταχύτητα διάδοσης των φορέων μέσα από τα διάφορα στρώματα του θυρίστορ κατά την έναυση. Επειδή οι απώλειες έναυσης συγκεντρώνονται κυρίως στο ηλεκτρόδιο ελέγχου (εκεί συγκεντρώνονται καταρχήν οι φορείς, πριν απλωθούν σε' όλο το θυρίστορ), το ηλεκτρόδιο αυτό μπορεί να καταστραφεί εύκολα, αν το ρεύμα (φορείς ανά δευτερόλεπτο) αυξηθεί πολύ γρήγορα. Η μεταβολή ρεύματος πρέπει επομένως να περιοριστεί στη φάση αυτή σε μια τιμή κάτω των 20 Α/μsec Μεταβατικό Φαινόμενο σβέσης Το διάγραμμα 3.10 δείχνει τις χρονικές συναρτήσεις ρεύματος και τάσης κατά τη σβέση. Η σβέση γίνεται, όταν το ρεύμα μηδενιστεί. Ο μηδενισμός αυτός του ρεύματος προκαλείται από το εξωτερικό κύκλωμα του θυρίστορ στην κατάλληλη χρονική στιγμή και δεν αποτελεί, αντικείμενο του πειράματος αυτού. 3-9

45 Η τάση του θυριστορ καταρχήν θα πέσει εφόσον μικραίνει η τιμή του ρεύματος. Μετά, η απόλυτη τιμή της μεγαλώνει μέχρι την τιμή που δίνεται από το εξωτερικό κύκλωμα και το θυρίστορ βρίσκεται στην περιοχή αρνητικής αποκοπής. Ο χρόνος t v, που απαιτείται για να φθάσει η τάση την τιμή αυτή, λέγεται χρόνος καθυστέρησης αποκοπής. Αν η τάση τώρα γίνει αμέσως θετική, πριν.περάσει ο χρόνος ανάκτησης t f, το θυρίστορ θα ανάψει πάλι. Για να παραμείνει το θυρίστορ στην κατάσταση αποκοπής, όταν η τάση αλλάξει. πρόσημο, πρέπει να έχουν ελευθερωθεί τα εσωτερικά του στρώματά από τους φορείς. Ο χρόνος ανάκτησης είναι της τάξης μεγέθους των μsec, για κοινά θυρίστορ, και των μsec, για γρήγορα θυρίστορ. Εξαρτάται δε και από την τάση στην περιοχή της αρνητικής αποκοπής: όσο πιο μικρή η απόλυτη τιμή της, τόσο πιο αργά ελευθερώνονται τα εσωτερικά στρώματα από τους φορείς, και ο χρόνος ανάκτησης μεγαλώνει TO ΚΥΚΛΩΜΑ ΕΛΕΓΧΟΥ Το κύκλωμα ελέγχου δίνει τους παλμούς έναυσης στη διάταξη των θυρίστορ με μια σταθερή συχνότητα. Η ροή της ηλεκτρικής ενέργειας ρυθμίζεται με τη μεταβαλλόμενη γωνία έναυσης α. Οι λειτουργικές μονάδες του κυκλώματος ελέγχου φαίνονται στο διάγραμμα

46 Στη γεννήτρια παλμών παράγονται οι παλμοί που ανάβουν το θυρίστορ με την κατάλληλη γωνία έναυσης. Ο διαμορφωτής παλμών διαμορφώνει ύψος και διάρκεια του παλμού και ο τελικός ενισχυτής αυξάνει την ισχύ του παλμού. Ο μετασχηματιστής χρησιμεύει στο διαχωρισμό δυναμικού μεταξύ των κυκλωμάτων ελέγχου και ισχύος (θυρίστορ). Οι παλμοί πρέπει να συγχρονιστούν με το δίκτυο. Η γωνία έναυσης α αντιστοιχεί στη χρονική απόσταση από τη στιγμή του μηδενισμού της ημιτονοειδούς τάσης δικτύου μέχρι τη στιγμή της έναυσης. Ο συγχρονισμός αυτός γίνεται στην ανάλογη λειτουργική μονάδα του κυκλώματος. Η συνεχής τάση ελέγχου καθορίζει τη γωνία έναυσης. Με το σήμα ακύρωσης παλμών μπορεί να εμποδιστεί η έναυση του θυρίστορ, π.χ. αν το ρεύμα υπερβεί ορισμένα όρια ΜΕΤΡΑ. ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ Ασφάλειες Γενικά απαιτείται για κάθε θυρίστορ του κυκλώματος και μια ασφάλεια (διάγραμμα. 3.12). Για συνδεσμολογίες τριφασικών γεφυρών αρκούν συνήθως μόνον τρεις ασφάλειες, μια για κάθε φάση του δικτύου (διάγραμμα 3.13). Ακόμα, χρειάζεται και μια ασφάλεια για το κύκλωμα φορτίου, εφόσον αυτό παρέχει ισχύ. Οι ασφάλειες αυτές πρέπει, να είναι ταχείας τήξης, ώστε να προστατεύουν το θυρίστορ σε περίπτωση βραχυκυκλώματος. Η τήξη τους πρέπει να είναι εγγυημένη για ρεύματα που βρίσκονται κάτω από το οριακό ενεργό ρεύμα του θυρίστορ. 3-11

47 Γενικά. οι ασφάλειες πρέπει να έχουν οριακά μεγέθη μικρότερα από τα αντίστοιχα μεγέθη του θυριστορ Περιορισμός της μεταβολής ρεύματος Η συνδεσμολογία μιας διάταξης θυρίστορ με το δίκτυο πρέπει να περιλαμβάνει απαραίτητα ένα μετασχηματιστή η τουλάχιστον στραγγαλιστικά πηνία. Τα πηνία αυτά περιορίζουν την απότομη αύξηση του ρεύματος φορτίου. Πυκνωτές στο κύκλωμα περιορίζουν μια αντίστοιχη αύξηση της τάσης, καθώς και υπερτάσεις κατά τη στιγμή της σύνδεσης ή αποσύνδεσης με το δίκτυο. 3-12

48 Προστασία από υπέρταση Μια υπέρβαση της τάσης διάσπασης V BR (διάγραμμα 3.3) στην περιοχή της αρνητικής αποκοπής οδηγεί σε μία αθέλητη έναυση του θυρίστορ, πράγμα που μπορεί να το καταστρέψει, λόγω του υψηλού ρεύματος. Για το λόγο αυτό πρέπει, να ληφθούν μέτρα προστασίας από υπέρταση Επιλογή της τάσης διάσπασης Από μεταβολές ρεύματος σε επαγωγές του δικτύου μπορούν να προκληθούν υπερτάσεις μεγαλύτερες από την ανώτατη τάση διάσπασης. Για να αποφευχθεί μία αθέλητη έναυση, πρέπει, για την περίπτωση που οδηγεί το δίκτυο, να επιλεγεί κάποιο θυρίστορ με τάση διάσπασης κατά φορές μεγαλύτερη από την ανώτατη τιμή της χρονικά μεταβαλλόμενης τάσης του. δικτύου. Για την περίπτωση της εξαναγκασμένης οδήγησης ο αντίστοιχος συντελεστής είναι Κύκλωμα προστασίας TSE - SNUBBER Κατά τη σβέση του θυριστορ συγκεντρώνεται, στο χρόνο καθυστέρησης αποκοπής (διάγραμμα 3.10), ένα πλήθος φορέων. Αν τώρα υπάρχουν και αυτεπαγωγές στο κύκλωμα (πράγμα που συμβαίνει, πάντα, για την προστασία από υπερ-ρεύματα) και, το ρεύμα μεταβάλλεται γρήγορα, τότε η τάση εξ επαγωγής προτίθεται, στην τάση που δημιουργείται από τη συγκέντρωση των φορέων και μπορεί να υπερβεί την κρίσιμη τάση αποκοπής. Το φαινόμενο αυτό λέγεται, φαινόμενο αδρανειακής συσσώρευσης. Για την αποφυγή του χρειάζεται ένα ειδικό κύκλωμα προστασίας για κάθε θυριστορ, αποτελούμενο από μία αντίσταση και έναν πυκνωτή (διάγραμμα 3.14). Η τιμή της 3-13

49 αντίστασης πρέπει να είναι τέτοια, ώστε το ρεύμα εκφόρτισης του πυκνωτή κατά την έναυση του θυριστορ να μην ξεπερνά το επιτρεπτό όριο του ρεύματος διέλευσης του θυριστορ. Γενικά, το κύκλωμα προστασίας TSE- SNUBBER εξομαλύνει, μόνο τις μεταβολές τάσης που οφείλονται στο αντίστοιχο φαινόμενο. 3-14

50 ΤΜΗΜΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΑΣΚΗΣΗΣ SR1 To πάνελ μετρήσεων περιλαμβάνει τους ακροδέκτες Β 1 εως Β Ακροδέκτες στο τμήμα ελέγχου Οι μετρήσεις γίνονται με σημείο αναφοράς τον ακροδέκτη Β 9 (COMMON). 1.1 Β 10 : + 15V, θετική τάση τροφοδοσίας, δυνατότητα τροφοδοσίας πρόσθετων εξωτερικών μονάδων ελέγχου. 1.2 Β 11 : -15V, αρνητική τάση τροφοδοσίας, δυνατότητα τροφοδοσίας πρόσθετων εξωτερικών μονάδων ελέγχου. 1.3 Β 1 : έξοδος μονάδας περιορισμού περιοχής έναυσης. Με τα τρίμμερ Ρ1, Ρ2 (U3) καθορίζεται η ανώτατη και κατώτατη γωνία έναυσης. Γυρίζοντας το ποτενσιόμετρο R1 στη θέση 0 μετράμε τη τάση V ST που αναλογεί στην ανώτατη γωνία έναυσης (180 ο μοίρες), στη θέση 10 τη κατώτατη γωνία έναυσης (0 ο ). 1.4 Β 12 : V SYN, τάση συγχρονισμού παλμών έναυσης. 1.5 Β 2 : I T, παλμοί έναυσης όπως εμφανίζονται στο πρωτεύον τύλιγμα του μετασχηματιστή διαχωρισμού δυναμικού (μετασχηματιστής εξόδου). 1.6 Β 4, Β 3 : Παλμοί έναυσης στο δευτερεύον του μετασχηματιστή εξόδου. Σύνδεση προς το θυριστορ: B 4 με την πύλη (G). B 3 με τη κάθοδο (Κ) διακόπτης S 3 στη θέση ON επιμηκύνει, τους παλμούς διάρκεια παλμών στη θέση OFF: l ms έναυσης). διάρκεια παλμών στη θέση ON : 180-α μοίρες (α= γωνία διακόπτης S 2 ακυρώνει τους παλμούς έναυσης στη θέση ΟΝ. 3-15

51 1.9 B 28 : Βοηθητική πριονωτή τάση για την μετατόπιση των παλμών. Μια περίοδος της αντιστοιχεί στην ημιπεριοδο της τάσης συγχρονισμού προς το δίκτυο (V SYN ). Οι παλμοί έναυσης εμφανίζονται στα χρονικά σημεία τομής της τάσης αυτής με τη τάση ελέγχου U ST. 2. Λοιποί ακροδέκτες 2.1 Β 5, Β 6 : τροφοδοτικό 1..24V DC, 0..5A. Το τροφοδοτικό παρέχει αυτόματο περιορισμό ρεύματος. Το κατώφλι περιορισμού ρυθμίζεται με το ποτενσιόμετρο R 3 (I) μεταξύ 15 ma και 5Α. Η τάση εξόδου ρυθμίζεται με το ποτενσιόμετρο R 2 (V). To LED2 δείχνει την ύπαρξη τάσης εξόδου. Όταν το ρεύμα εξόδου υπερβεί την τιμή που προδιαγράφεται στη ρύθμιση του ποτενσιόμετρου R 3 η τάση εξόδου του τροφοδοτικού περιορίζεται κατά τέτοιο τρόπο ώστε το ρεύμα εξόδου να κρατηθεί σταθερό στην παραπάνω τιμή. To LED3 (κλάδος Ι), ανάβει δείχνοντας τον περιορισμό και το LED2 (κλάδος U) σβήνει. 2.2 Β 7, Β 8 : τροφοδοτικό 24V DC, ΙΑ Το τροφοδοτικό παρέχει σταθεροποιημένη τάση στα 24V DC. To LED1 δείχνει την ύπαρξη τάσης εισόδου. 2.3 Β 24,Β 25,Β 26 : Διαιρέτης τάσης με ποτενσιόμετρο. R 4 = 220Ω, R 5 (P3) = 100Ω Εισόδου: Β 24, Β 25 Έξοδος 1: Β 26 Έξοδος 2: Β 27 μέσω διακόπτη S

52 2.4 Β 22, Β 23, Β 21 : Διάταξη ακροδεκτών για τη μέτρηση ισχύος. Τάση: Β 22, Β 21. Ρεύμα: Β 21, Β B 15, B 17 : έξοδος ρυθμιζόμενου μετασχηματιστή (VARIAC, είσοδος: 220V AC, έξοδος V AC, 5Α). 2.6 Β 15, Β 29 : έξοδος ανορθωτικής γέφυρας: V DC, 10Α. 2.7 B 13, B 14 : έξοδος διάταξης εξομάλυνσης. R 6 = 1OKΩ, C 1 = 8 μf 2.8 Β 18, Β 19, Β 20 : ακροδέκτες θυριστορ. Β 19 : Ανοδος Β 20 : Πύλη. Β 18 : Κάθοδος. 3-17

53 3-18

54 3.2 ΔΙΕΞΑΓΩΓΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΕΣ ΑΝΟΔΟΥ - ΚΑΘΟΔΟΥ Περιοχή αρνητικής αποκοπής (Σύνδεση με διακεκομμένη γραμμή) Συνδέετε το θυριστορ σε ανάστροφη πόλωση στην έξοδο της ανορθωτικής διάταξης όπως στο διάγραμμα 3.15 (η σύνδεση παριστάνεται με διακεκομμένη γραμμή). To Αμπερόμετρο στην κάθοδο η ανοδο του θυριστορ συνδέεται στην υποδοχή των Α (2Α) και μεταγωγεας κλίμακας στα 200μA Μεταβάλετε την τάση εξόδου V από 0 μέχρι 200V. με βήμα 20 V Μετρείστε και καταχωρείστε τις αντίστοιχες τιμές της τάσεως V AK καθώς και αυτές του ανάστροφου ρεύματος I R σε πίνακα. Σχεδιάστε την καμπύλη V AK = f(i R ) Ποια συμπεράσματα προκύπτουν από την καμπύλη V AK = f(i R ). 3-19

55 Περιοχή θετικής αποκοπής (Σύνδεση με συνεχή γαρμμή) To Αμπερόμετρο στην κάθοδο η ανοδο του θυριστορ συνδέεται στην υποδοχή των Α (2Α) και μεταγωγεας κλίμακας στα 200μA Μεταβάλετε την τάση εξόδου V από 0 μέχρι 250V με βήμα 20 V Μετρείστε και καταχωρείστε σε πίνακα τις τιμές της τάσεως V AK όπως επίσης και αυτές του ρεύματος θυριστορ I F (διάγραμμα 3.15, παράσταση σύνδεσης με συνεχή γραμμή). Σχεδιάσατε την καμπύλη V AK = f(i F ) Διαπιστώσετε την αδυναμία του θυριστορ να έρθει σε αγωγιμότητα παρά την ορθή πόλωση που έχει Ποια συμπεράσματα προκύπτουν από την καμπύλη V AK = f(i F ) Περιοχή διέλευσης Ορθή πόλωση Συνδέστε το θυριστορ σε ορθή πόλωση με πηγή ρυθμιζόμενης τάσης: 0.-24V/5Α. Προτείνεται η σύνδεση ν αρχίσει από το τροφοδοτικό σταθερής τάσης. Το κύκλωμα πύλης - καθόδου να συνδεθεί μέσω του διαιρέτη Ρ3 με το τροφοδοτικό σταθερής τάσης 24V/1Α (διάγραμμα 3.16). Το Αμπερόμετρο στην κλίμακα των 20Α (εξωτερική υποδοχή) και μεταγωγεας στα 20Α DC, σύνδεση Βολτομέτρου στα 20V DC 3-20

56 Ρυθμίστε το ποτενσιόμετρο Ρ3 για σίγουρη έναυση του θυριστορ περίπου στα 2.5 V. Ρυθμίστε μέσω του ποτενσιόμετρου U την τάση του τροφοδοτικού ρυθμιζόμενης τάσης στα 20V Μεταβάλετε μέσω του ποτενσιόμετρου Ι το ρεύμα αγωγής του θυριστορ από 1 μέχρι 4Α με βήμα 0.5Α Μετρείστε και καταχωρείστε σε αντίστοιχο πίνακα τις τιμές της τάσης V ΑΚ και του ρεύματος I F του θυριστορ Σχεδιάστε την καμπύλη I F =f(v AK ), και γράψατε τα συμπεράσματα σας Χαρακτηριστική μετάπτωσης Τροφοδοτείστε το θυρίστορ με συνεχή τάση 0-350V μέσω αντίστασης προστασίας 10ΚΩ, όπως φαίνεται, στο διάγραμμα To Αμπερόμετρο στην πύλη του θυριστορ συνδέεται στην υποδοχή των Α (2Α) και μεταγωγεας κλίμακας στα 200mA 3-21

57 Μεταβάλετε την τιμή της συνεχούς τάσης με βήμα 40V, και για κάθε τιμή της τάσεως V ΑΚ, ρυθμίστε μέσω του Ρ3 το ρεύμα πύλης μέχρις ότου το θυρίστορ μεταπέσει από κατάσταση αποκοπής σε κατάσταση διέλευσης.(η τάση V ΑΚ τότε γίνεται μικρότερη ) Σημειώστε σε πίνακα τις αντίστοιχες τιμές V ΑΚ και I G Σχεδιάστε τη συνάρτηση V = F(I G ) και αναφέρατε τα συμπεράσματα σας ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΕΣ ΠΥΛΗΣ-ΚΑΘΟΔΟΥ Ανάστροφη πόλωση. (Σύνδεση με συνεχή γραμμή) Συναρμολογήστε το κύκλωμα του διαγράμματος 3.18 (σύνδεση με συνεχή γραμμή). To Αμπερόμετρο στην πύλη η κάθοδο του θυριστορ συνδέεται στην υποδοχή των Α (2Α) και μεταγωγεας κλίμακας στα 200mA Μεταβάλετε μέσω του ποτενσιόμετρου Ρ3 το ανάστροφο ρεύμα πύλης I G από 0 μέχρι 80 mα με βήμα 1 η Μετρείστε το ρεύμα και την ανάστροφη τάση V GK και καταχωρείστε τα σε πίνακα. 3-22

58 Σχεδιάστε την καμπύλη I G =f(v GK ) και αναφέρατε τα συμπεράσματα σας Ορθή πόλωση (Διακεκομμένη γραμμή) To Αμπερόμετρο στην πύλη η κάθοδο του θυριστορ συνδέεται στην υποδοχή των Α (2Α) και μεταγωγεας κλίμακας στα 200mA Μεταβάλετε την πόλωση της τάσης V GK από ανάστροφη σε ορθή (διάγραμμα. 3.18, διακεκομμένη γραμμή) και επαναλάβετε τις μετρήσεις της παραγράφου (μεταβολή του ποτενσιομέτρου Ρ3) για ρεύμα πύλης από 0 μέχρι 100 mα με βήμα 0.1. Και καταχωρείστε τις μετρήσεις σε πίνακα V G, I G Σχεδιάστε με τις τιμές του πίνακα την χαρακτηριστική καμπύλη Πύλης-Καθόδου και αναφέρατε τα συμπεράσματα σας Από τη χαρακτηριστική που σχεδιάσατε θα διαπιστώσετε ότι δεν είναι ακριβώς αυτή μιας απλής διόδου. Αυτό οφείλεται στο ότι παράλληλα με τη δίοδο πύλης-καθόδου υπάρχει μέσα στο ολοκληρωμένο μια αντίσταση 94Ω που προστατεύει από τυχαία έναυση, όταν η πύλη είναι ανοικτή. 3.3 ΡΕΥΜΑ ΔΙΑΤΗΡΗΣΗΣ ΚΑΙ ΣΥΓΚΡΑΤΗΣΗΣ Συνδεσμολογειστε το κύκλωμα του διαγράμματος Αυξήστε το ρεύμα θυριστορ αυξάνοντας την συνεχή τάση μέσω του VARIAC μέχρι την τιμή εκείνη, που ακόμα και αν διακοπεί το ρεύμα πύλης (με το διακόπτη), το θυριστορ θα παραμείνει αγώγιμο. Το ρεύμα αυτό είναι το ρεύμα διατήρησης 3-23

59 3.3.3 Το ρεύμα συγκράτησης είναι το ελάχιστο εκείνο ρεύμα ανόδου-καθόδου, που χρειάζεται το θυριστορ σε ορθή πόλωση, ώστε να συνεχίσει να παραμένει αγώγιμο, ακόμα και όταν δεν υπάρχει ρεύμα πύλης Για αγώγιμο θυριστορ, μειώστε μέσω του VARIAC το ρεύμα θυριστορ, με ανοικτό κύκλωμα πύλης - καθόδου, μέχρι ότου το θυριστορ σβήσει. Σημειώσετε την αντίστοιχη τιμή του ρεύματος θυριστορ. (ρεύμα συγκράτησης). 3.4 ΚΥΚΛΩΜΑ ΕΛΕΓΧΟΥ Δώστε τα σήματα V SYN (τάση συγχρονισμού) και I T (παλμού έναυσης) στον παλμογράφο και ρυθμίστε με το ποτενσιόμετρο της τάσης συγχρονισμού τη γωνία έναυσης στις 60 μοίρες Η γωνία αυτή θα παραμείνει σταθερή για όλες τις μετρήσεις αυτής της παραγράφου. Επίσης η σχεδίαση όλων των κυματομορφών που ζητούνται παρακάτω θα γίνει στο ίδιο διάγραμμα Παλμογραφείστε την τάση συγχρονισμού και την πριονωτή τάση. Σχεδιάστε τις κυματομορφες Επαναλάβετε την παλμογράφηση με την πριονωτή τάση και τη συνεχή τάση ελέγχου ( V ST ), προσέχοντας να υπάρχουν ίδια ευαισθησία και ίδιο μηδενικό ύψος και στα δυο κανάλια Προσδιορίστε τη γωνία του σημείου τομής των δυο κυματομορφών λαμβάνοντας υπόψη ότι ένα δόντι της πριονωτής τάσης ισοδυναμεί με 180 μοίρες Σχεδιάστε την κυματομορφή της τάσης ελέγχου στο διάγραμμα Παλμογραφείστε την πριονωτή τάση και τους παλμούς έναυσης και σχεδιάστε τους παλμούς έναυσης στο ίδιο διάγραμμα. 3-24

60 Κεφάλαιο 4 ΑΣΚΗΣΗ - ΣΥΣΚΕΥΗ: SR1-Q ΡΥΘΜΙΣΗ ΣΤΡΟΦΩΝ ΚΙΝΗΤΗΡΑ Σ.Ρ ΜΕΣΩ ΑΝΟΡΘΩΤΙΚΗΣ ΓΕΦΥΡΑΣ ΜΕ ΘΥΡΙΣΤΟΡ Σκοπός της άσκησης είναι, η επίτευξη σταθεροποίησης στροφών ενός κινητήρα με αντιστάθμιση Ι α R α καθώς και Μέτρηση χαρακτηριστικών του κινητήρα ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 4.1 Βασική θεωρία κινητήρων συνεχούς (DC) 4.2 Αρχή λειτουργίας κινητήρων DC 4.3 Εξισώσεις κινητήρα DC 4.4 Περιγραφή λειτουργίας εργαστηριακής άσκησης 4.5 Αντιστάθμιση IR 4.6 Εργαστηριακή άσκηση 4.7 Δημιουργία επι πλέον πίνακα. 4-1

61 4.1 ΒΑΣΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ ΣΥΝΕΧΟΥΣ (DC MOTORS) Υπάρχουν δυο ήδη κινητήρων. Οι AC κινητήρες και οι DC κινητήρες. Εδώ θα εξετάσουμε μόνο τους κινητήρες DC. Οι DC κινητήρες χωρίζονται σε κατηγορίες όπως: Οι βηματικοί κινητήρες, οι servo-κινητήρες, οι κινητήρες χωρίς ψήκτρες κλπ. Οι βηματικοι κινητήρες: στην είσοδο τους εφαρμόζονται παλμοί και ο άξονας τους περιστρέφεται μεταξύ διακριτών θέσεων. Εάν το φορτίο των δεν είναι μεγάλο τότε η τεχνική του ανοιχτού βρόγχου χρησιμοποιείται για τον έλεγχο του κινητήρα. Χρησιμοποιούνται στους Η/Υ (οδήγηση κεφαλων και οδηγών), plotters κλπ. Οι servo-κινητήρες: Στην είσοδο εφαρμόζεται μια τάση και ο άξονας τους περιστρέφεται σε συγκεκριμένη γωνιακή θέση ανάλογη της τάσεως που εφαρμόζεται. DC κινητήρες: Στην είσοδο τους εφαρμόζεται τάση/ρευμα Volt/Ampere και η έξοδος των ροπή (Ταχύτητα). Γενικά ένας DC κινητήρας μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε Μηχανική 4.2 ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ DC. Κάθε ηλεκτρική μηχανή αποτελείται από δυο τμήματα: το ακίνητο που ονομάζεται στατης (stator-στατορ) και το περιστρεφόμενο που ονομάζεται δρομέας (rotor-ροτορ). Τα σχήματα 4.1 και 4.2 απεικονίζουν την δομή μιας ηλεκτρικής μηχανής συνεχούς. 4-2

62 Σχήμα 4.1: Αρχή λειτουργιάς κινητήρων DC Σχήμα 4.2: Αρχή λειτουργιάς κινητήρων DC Ο στατης της μηχανής αποτελείται από ένα μόνιμο μαγνήτη η ένα ηλεκτρομαγνήτη με δυο πόλους (Βόρειος Νότιος πόλος) που παράγουν το μαγνητικό πεδίο Β. Ο δρομέας αποτελείται από ένα κύλινδρο (σιδηρομαγνητισμό υλικό) ο όποιος στρέφεται γύρω από τον άξονα σχήμα 4.2 Ο κύλινδρος (δρομέας) φέρει αυλακώσεις και μέσα στις αυλακώσεις τοποθετούνται οι αγωγοί σε στυλ πλαισίου. Αποτελούν το τύλιγμα του δρομέα. Στα άκρα του τυλίγματος του δρομέα συνδέονται δυο δακτύλιοι πάνω στους οποίους εφάπτονται οι ψήκτρες b p, b n (b p = ψήκτρα για Βόρειο πόλο, b n = ψήκτρα για Νότιο πολο). 4-3

63 Θεωρούμε ότι τάση V εφαρμόζεται στο τύλιγμα/πλαισιο του δρομέα, Επειδή ο δρομέας ευρίσκεται μέσα σε μαγνητικό πεδίο Β και διαρρέεται από ρεύμα Ι έχει ως αποτέλεσμα να αναπτύσσονται δυνάμεις F (δυνάμεις Laplace: Ρευματοφόρος αγωγός εντός μαγνητικού πεδίου)) οι οποίες περιστρέφουν τον κύλινδρο (δρομέα). Η δύναμη αυτή, Laplace, υπολογίζεται από την σχέση F= B I l όπου : Β: μαγνητική επαγωγή L: μήκος αγωγού Ι: Ένταση ρεύματος που διαρρέει τον αγωγό (δρομέα) Η φορά της περιστροφής καθορίζεται από τον νόμο του Fleming (νόμος του αριστερού χεριού). Επί πλέον συνέπεια των δυνάμεων Laplace είναι η ανάπτυξη ροπής υπολογιζόμενης από τον τύπο: Τ = F*r = B I l r (Newton-metre: N-m Όπου r η απόσταση του κέντρου του άξονα του ροτορα από την αυλάκωση της επιφάνειας του (σχήμα 4.2). 4.3 ΕΞΙΣΩΣΕΙΣ DC ΚΙΝΗΤΗΡΑ Παραγωγή Ροπής: Ας υποθέσουμε ότι το πηνίο του ροτορα έχει Ν σπείρες: τότε η δύναμη της ροπής υπολογίζεται από την σχέση: Τ m = F*r = B I α l r = 2 Ν B I α l r (Το 2 για όλη την αποσταση, σχημα 4.2 και Ι α το ρεύμα του δρομέα). Επειδή, σε ένα κινητήρα, τα μεγέθη 2,Ν, B,l,r είναι σταθερά μπορούμε να ξαναγράψουμε την εξίσωση ως: Τ m = K t I α (πρώτη εξίσωση) με μονάδες Nm Α όπου K t είναι μια σταθερά γνωστή και ως σταθερά ροπής κινητήρα με μονάδες Νm /Amp. Αυτή είναι και η πρώτη εξίσωση του DC κινητήρα. 4-4

64 Έργο κινητήρα Ως έργο ορίζουμε το γινόμενο: Δύναμη * απόσταση και για μια περιστροφή του δρομέα ισχύει: Έργο = F 2 π r joule, και για n στροφές το λεπτό η παραγομένη ισχύς: Ισχύς που παράγεται: = F 2 π r n joule/second = (F*r) 2 π n Αλλά η κυκλική ταχύτητα ορίζεται από την σχέση : ω = 2 π n rad/second και T = (F*r) Συνεπώς ισχύς που αναπτύσσεται στον δρομέα περιστρεφόμενος με n στροφές per second: Power = Τ * ω = joule/second = watt (Mechanical power) Ισχύς για περιστροφική κίνηση δρομέα = Τ α 2 π n Watt. (1 watt = 1.341E-03 Mechanical hp) Η ηλεκτρική ισχύς που μετατρέπεται σε μηχανική στον δρομέα είναι ιση με: P a = e b *I a watt (Electrical Power) Όπου e b η αναπτυσσόμενη τάση στα άκρα του δρομέα Και εξισώνοντας την μηχανική ισχύ με την ηλεκτρική, προκύπτει η ροπη που αναπτύσσει ο δρομέας: Τ α 2 π n = e b *I a Τ α = (e b *I a ) / (2πn) Ο πίνακας 4.1 απεικονίζει τους ορισμούς της Horse Power (hp) 4-5

65 Πίνακας 4.1 Ορισμός της h.p 4.4 ΡΟΠΗ ΑΞΟΝΑ Όλη η παραγόμενη ροπή από τον δρομέα δεν διατίθεται για χρήσιμο έργο. Μέρος της καταναλίσκεται για τις π.χ απώλειες τριβών, χαλκού, σιδήρου, ψηκτρών, κατανεμημένες απώλειας (απώλειας που δεν εντάσσονται στις προηγούμενες κατηγορίες) κλπ. Η ροπή που διατίθεται για έργο ονομάζεται ροπή άξονα Τ sh. H ιπποδύναμη (hp) του κινητήρα συνδέεται με την ροπή άξονα Τ sh με τον τύπο: H.P (Metric hp)= T sh * 2 π n /735.5 T sh = 735.5*H.P/2πn και η ροπή απωλειών είναι iση με T loss =Τ α - T sh 4.4 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΑΝΤΙΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΤΑΣΕΩΣ emf Σύμφωνα με τον νόμο του Faraday : πηνίο μήκους l και ακτίνας r περιστρεφόμενο εντος μαγνητικού πεδίου εντάσεως Β, θα δημιουργήσει στα άκρα του τάση ιση με: e b = -dλ/dt όπου λ το μαγνητικό πεδίο που τέμνει το πηνίο. 4-6

66 Η μαγνητική ροη που τέμνει το πηνίο υπό γωνία θ δίνεται απο την: Φ =2 B l r cosθ Και η ολική μαγνητική ροη για Ν σπείρες : λ= ΝΦ = 2 Ν B l r cosθ Εάν το πηνίο περιστρέφεται με σταθερή γωνιακή ταχύτητα ω rad/sec τότε η γωνία θ είναι ιση με ωt και η παραγόμενη τάση ιση με:. e b = -dλ/dt = -2 N B l r(d(cosωt)/dt) = 2 Ν Β l r ω sin(ωt) και για θ = 90 e= 2 Ν Β l r ω= e b = Κ t ω (Δευτερη εξισωση) Κ t είναι η σταθερά που υπολογίσαμε προηγουμένως και εδώ ονομάζεται σταθερά αντιηλεκτρεγερτικης δύναμης του κινητήρα με μονάδες volts/rad/second. 4.5 ΙΣΟΔΥΝΑΜΟ ΚΥΚΛΩΜΑ DC ΚΙΝΗΤΗΡΑ: Εφαρμόζοντας μία τάση V α σε πηνίο του δρομέα μιας μηχανής DC, το ρεύμα Ι α που θα περάσει από το πηνίο που βρίσκεται εντος μαγνητικού πεδίου θα έχει ως αποτέλεσμα την δημιουργία ροπής, Τ m = K t I α Καθώς ο δρομέας επιταχύνεται (Νόμος του Newton) θα παράγεται μια τάση emf σύμφωνα με την εξίσωση e= 2 Ν Β l r ω η οποία θα είναι αντίθετη της ροής του ρεύματος. Όταν η τάση emf γίνει ιση με την εφαρμοζόμενη ταση V α = e ρεύμα δεν θα διέρχεται από το πηνίο και ο ροτορας θα σταματήσει να επιταχύνεται. και θα περιστρέφεται με σταθερή ταχύτητα. Υποτίθεται ότι ο κινητήρας είναι ιδανικός χωρίς απώλειες μηχανικές και ηλεκτρικές. Στην πραγματικότητα όμως για να κινείται ο κινητήρας με σταθερή ταχύτητα απαιτείται ένα μικρό ρεύμα να διέρχεται από το πηνίο για να αντισταθμίζει τις τριβές που δημιουργούνται λογω ταχύτητας. Επίσης το πηνίο του ροτορα έχει μια ωμική αντίσταση με αποτέλεσμα το διερχόμενο ρεύμα να δημιουργεί απώλειες και μια πτώση τάσεως. Ακόμη το πηνίο έχει μια αυτεπαγωγή και εφόσον έχουμε αλλαγή φοράς του ρεύματος εντος του πηνίου τότε θα παράγεται μια τάση η οποία θα εναντιώνεται στην 4-7

67 αλλαγή (Νόμος του Lenz).Είναι φανερό ότι η μεταβολή της τάσης και της ροής ρεύματος είναι ημιτονοειδής. Προκειμένου να παράγουμε συνεχή τάση συνδέουμε στα άκρα του πλαισίου (ροτορας) ημιδακτυλίους, σχήματα 4.1 και 4.2, ψήκτρες εφάπτονται των δακτυλίων η b p συνδέεται στο πλαίσιο που έχει πλευρά πάντα στo Bόρειο πόλο και αναπτύσσει θετική τάση, ενώ η b n συνδέεται στην πλευρά του πλαισίου που είναι πάντα στον νότιο πόλο και αναπτύσσει αρνητική τάση. Επομένως επιτυγχάνουμε ανόρθωση της εναλλασσόμενης τάσης, συνεπώς στο φορτίο (στην περίπτωση της γεννήτριας) έχουμε συνεχή τάση και ρεύμα ενώ το ρεύμα στον τύλιγμα του δρομέα είναι εναλλασσόμενο είναι Το σχήμα 4.3 παρουσιάζει το ισοδύναμο κύκλωμα μιας μηχανής DC με εξίσωση: (Τρίτη εξίσωση) Σχήμα 4.3 Ισοδύναμο κύκλωνα DC μηχανής ενώ ο πίνακας 4.2 περιλαμβάνει τις βασικότερες εξισώσεις του κινητήρα Τ α = (E b *I a ) / (2πn) T sh = 735.5*H.P/2πn Τ m = K t I e b = Κ t ω Πίνακας 4.2 βασικές εξισώσεις κινητήρα DC 4-8

68 Από το κύκλωμα 4.3 προκύπτει η εξίσωση: V a e = Ι a R Για μηδενικό φορτίο η μεγίστη ταχύτητα του κινητήρα είναι: και η μέγιστη ροπή (ταχύτητα = μηδέν) Στο σχήμα 4.4 απεικονίζεται η σχέση ροπής και ταχύτητας Σχήμα 4.4: Σχέση ροπής και ταχύτητας DC κινητήρα Τα σχήματα 4.5 και 4.6 μας δείχνουν τομές και περιελίξεις ενός κινητήρα DC 4-9

69 Σχήμα 4.5 Περιέλιξη κινητήρα DC Σχήμα 4.6 Περιέλιξη κινητήρα DC 4-10

70 4-11

71 4.1 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ Ή επιθυμητή τιμή των στροφών (N SOLL ) του κινητήρα ρυθμίζεται με το ποτενσιόμετρο Ρ,(διάγραμμα 4.1). Eπάνω στο P φαίνεται το n soll Διάγραμμα 4.1: Ρύθμιση στροφών κινητήρα 4-12

72 Ο ολοκληρωτής (1) φροντίζει για τη ρυθμιζόμενη ομαλή εκκίνηση ολοκληρώνοντας τη τάση N SOLL. Η χρονική σταθερά ολοκλήρωσης ρυθμίζεται με το ποτενσιόμετρο Ρ1. Το ποτενσιόμετρο Ρ2 στην έξοδο του ολοκληρωτή ρυθμίζει το ανώτατο_ όριο των στροφών δηλ. την περιοχή του ποτενσιόμετρου P. Η τάση N SOLL που αντιστοιχεί στις επιθυμητές στροφές συγκρίνεται στην είσοδο του αντισταθμιστή στροφών (2) με την ανάδραση της τάσης στο δρομέα του κινητήρα και τη τάση IR (3) που αναλογεί στη πτώση τάσης στην αντίσταση του δρομέα. Με το τρίμμερ Ρ4 μηδενίζεται η τάση' OFFSET του αντισταθμιστή στροφών. Η τάση εξόδου του αντισταθμιστή στροφών συγκρίνεται με τη τρέχουσα τιμή του ρεύματος στο δρομέα και οδηγεί τον αντισταθμιστή ρεύματος (4). Με το τρίμμερ Ρ5 ρυθμίζεται το κατώφλι περιορισμού ρεύματος. Η μέτρηση του ρεύματος γίνεται με αντίσταση (SΗUNT) στο κύκλωμα του δρομέα. Κατόπιν το σήμα ενισχύεται (5). Ένα ποσοστό της τάσης εξόδου του ενισχυτή (5) ρυθμιζόμενο με το ποτενσιόμετρο Ρ3 αποτελεί την τάση IR. Η έξοδος του αντισταθμιστή ρεύματος (4) συγκρίνεται με πριονωτή τάση που παράγεται από το κύκλωμα τροφοδοσίας και συγχρονισμού προς το δίκτυο (7). Η σύγκριση γίνεται στο συγκριτή (6) του οποίου η έξοδος καθορίζει τη γωνία έναυσης οδηγώντας τη παλμογεννήτρια. Το αποτέλεσμα είναι ένας συρμός παλμών που μετακινείται ανάλογα με τάση τη εξόδου του αντισταθμιστή ρεύματος στη περιοχή α = grad (διάρκεια παλμών: 180-α grad). H είσοδος ελέγχου (ΙΝΗ) φροντίζει για την άμεση ακύρωση των παλμών και της τάσης εξόδου του ολοκληρωτή (1). Έτσι πετυχαίνετε ο γρήγορος μηδενισμός του ρεύματος στο δρομέα. 4-13

73 Παρακάτω εμφανίζεται το αναλυτικό-ηλεκτρονικό διάγραμμα της άσκησης 4-14

74 4.2 ΑΝΤΙΣΤΑΘΜΙΣΗ IR (OR IR COMPENSATION) Σε στατική λειτουργία της ηλεκτρικής μηχανής συνεχούς ρεύματος στο πρώτο τεταρτημόριο (κινητήρας) ισχύει η εξίσωση: V a I Και V E : C*Φ*Ω Οπου: V a : Τάση δρομέα Ι α : Ρεύμα δρομέα R a : Αντίσταση δρομέα V E : Επαγωγική τάση C : Σταθερά Φ : Διέγερση Ω : 2πΝ ( γωνιακή ταχύτητα) a R a V E Για τη ροπή στέψεως σε στατική λειτουργία (dω/dt: = 0) και σταθερό πεδίο διέγερσης (Φ: = CΟNST) ισχύει η σχέση ροπής: Μ ι = C * Φ * Ι a = κ Ι α = Μ*α όπου κ = C Φ Μ ι : Εξωτερική ροπή στέψεως Μ α : Εξωτερική ροπή στέψεως Η γραμμική απώλεια στροφών στο κινητήρα με φορτίο οφείλεται στη πτώση τάσης στην αντίσταση του δρομέα (Ι α R a, βλ. διάγραμμα 4.2 ). 4-15

75 Με τη βοήθεια του διαγράμματος 4.2 θα εξηγήσουμε πως πετυχαίνετε η σταθεροποίηση στροφών με την αντιστάθμιση Ι α R a. Υποθέτουμε ότι η τάση τροφοδοσίας (V a ) του δρομέα είναι U o και το πεδίο σταθερό : Φ = σταθερό (CONST.) Τότε το σημείο λειτουργίας είναι το Β ο και ισχύει η σχέση: Από την V a I a R a V V E =C Φ Ω ο = U o =κ* Ω 0 όταν Ι α = 0 και κ = C*Φ Εάν φορτισθεί ο κινητήρας με την ροπή φορτίου Μ φ στην οποία αναλογεί το ρεύμα δρομέα Ι φ, τότε ισχύει η σχέση (1) με Ι α =Ι φ Και V E U 0 I Ω 1 =Ω 0 - ΔΩ R Ο κινητήρας λειτουργεί τώρα με απώλεια γωνιακής ταχύτητας ΔΩ στο σημείο Β1. Για τη σταθεροποίηση της γωνιακής ταχύτητας στη τιμή Ω ο αρκεί η μεταφορά του σημείου λειτουργίας του κινητήρα από το Β 1 στο Β 2 και αυτό πετυχαίνετε, με την αύξηση της τάσης τροφοδοσίας από U o σε U 1, οπότε ισχύει. U 1 = U 0 + ΔU όπου ΔU = I φ R a Και επί πλέον V E = U 0 + ΔU - I φ R a = U 0 = k*ω 0 a E

76 4.3. ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ Απαραίτητες συνδέσεις (διάγραμμα 4.3. ) Διάγραμμα 4.3: Συνδεσμολογία Ο δρομέας της πρώτης ηλεκτρικής μηχανής (κινητήρας) συνδέεται με τα σημεία τροφοδοσίας. δρομέα στο τροφοδοτικό SR1Q της συσκευής (σημεία Ε, F), η διέγερση του με. τα σημεία τροφοδοσίας διέγερσης (σημεία C, D) και το τροφοδοτικό με το δίκτυο 220 VAC (σημεία Α, Β) Η διέγερση της δεύτερης μηχανής (γεννήτρια) συνδέεται με τα σημεία τροφοδοσίας διέγερσης του τροφοδοτικού. SR1Q (σημεία C, D) Οι ακροδέκτες στο ΙΝΗ (INHIBIT : ακύρωση παλμών, σημεία G, H) γεφυρώνονται. 4-17

77 4.3.2 Μέτρηση χαρακτηριστικών του κινητήρα Τοποθετούμε το ποτενσιόμετρο Ρ 1 σε μεσαία θέση, το Ρ 2 στη θέση ΜΑΧ και το Ρ 3 στη θέση ΜIN Συνδέουμε στο δρομέα της γεννήτριας μεταβλητή αντίσταση (π.χ. 500Ω 1ΚW) βλέπε το κάτω τυπικό σχεδιάγραμμα Τοποθετούμε το ποτενσιόμετρο Ρ στη θέση ΜΑΧ (ανώτατες στροφές). Με την αντίσταση ρυθμίζουμε βηματικά το ρεύμα στο δρομέα του κινητήρα από 0.5 έως.5a (βήμα 0.5Α) μετρώντας παράλληλα τις εκάστοτε στροφές του κινητήρα. Και έτσι δημιουργείται ένας πίνακας ρεύματος και στροφών Τοποθετούμε το ποτενσιόμετρο Ρ στα 90% του ΜΑΧ και επαναλαμβάνουμε τη παραπάνω διαδικασία (Με την αντίσταση ρυθμίζουμε βηματικά το ρεύμα στο δρομέα του κινητήρα από 0.5 έως.5a μετρώντας παράλληλα τις εκάστοτε στροφές του κινητήρα.. Και έτσι δημιουργείται ένας πίνακας ρεύματος και στροφών Μετά τοποθετούμε το ποτενσιόμετρο Ρ στα 80% και επαναλαμβάνουμε την ίδια διαδικασία (παράγραφος δημιουργούμε πίνακα ρεύματος και στροφών μετά στα 70% κ.ο.κ. 4-18

78 4.3.3 Μετρήσεις με αντιστάθμιση ΙR Τοποθετούμε το ποτενσιόμετρο Ρ 1 σε μεσαία θέση, το Ρ 2 στη θέση MAX και το ποτενσιόμετρο Ρ (επιθυμητές στροφές) στα 50% της θέσης MAX Συνδέουμε το δρομέα της γεννήτριας με μεταβλητή αντίσταση όπως στη παράγραφο Τοποθετούμε το ποτενσιόμετρο.p 3 στη θέση 1 και κάνουμε τις μετρήσεις όπως στην παράγραφο (ρυθμίζουμε βηματικά το ρεύμα στο δρομέα του κινητήρα από 0.5 έως.5a (βήμα 0.5Α) μετρώντας παράλληλα τις εκάστοτε στροφές του κινητήρα. Και έτσι δημιουργείται ένας πίνακας ρεύματος και στροφών Τοποθετούμε το ποτενσιόμετρο Ρ3 στη θέση 2 και επαναλαμβάνουμε τις μετρήσεις όπως στην παράγραφο (ρυθμίζουμε βηματικά το ρεύμα στο δρομέα του κινητήρα από 0.5 έως.5a μετρώντας παράλληλα τις εκάστοτε στροφές του κινητήρα. Και έτσι δημιουργείται ένας πίνακας ρεύματος και στροφών Τοποθετούμε το ποτενσιόμετρο Ρ3 στη θέση 3 και επαναλαμβάνουμε τις μετρήσεις όπως στην παράγραφο (ρυθμίζουμε βηματικά το ρεύμα στο δρομέα του κινητήρα από 0.5 έως.5a μετρώντας παράλληλα τις εκάστοτε στροφές του κινητήρα. Και έτσι δημιουργείται ένας πίνακας ρεύματος και στροφών. κ.ο.κ Παλμογραφησεις ΠΡΟΣΟΧΗ!! 0 παλμογράφος που θα χρησιμοποιηθεί θα πρέπει να είναι γαλβανικά απομονωμένος από το δίκτυο, δηλ. το κοινό σημείο του (COΜΜONj σώμα) να μη έχει επαφή με τη γείωση του δικτύου η με γειωμένο περιβάλλον. Κατά τη διάρκεια των μετρήσεων πρέπει να έχουμε υπόψη ότι το σώμα του παλμογράφου βρίσκεται σε ψηλό δυναμικό Παλμογράφηση παλμών και τάσης συγχρονισμού. Συνδέσεις : 1. κανάλι 1 παλμογράφου με σημείο Ι της άσκησης SR1Q. 2. κανάλι 2 παλμογράφου με σημείο J της άσκησης SR1Q. 3. COMMON με σημείο Κ της άσκησης SR1Q Βλέπε διάγραμμα

79 Διάγραμμα 4.4: Παλμογράφηση Παλμογράφηση παλμών και τάσης εξόδου Συνδέσεις : 1. κανάλι 1 παλμογράφου με σημείο E της άσκησης SR1Q. 2. κανάλι 2 παλμογράφου με σημείο J της άσκησης SR1Q. 3. COMMON παλμογράφου με σημείο K της άσκησης SR1Q. Βλέπε διάγραμμα

80 Διάγραμμα 4.5: Παλμογράφηση 4-21

81 4.4 Δημιουργία επί πλέον πίνακα μετρήσεων Με συνδεσμολογία όπως το παρακάτω κύκλωμα: Συμπληρώστε τον κάτωθι πίνακα ρυθμίζοντας την γωνία εναυσης και μετρώντας τις στροφές. a o V k I k V Φ I Φ ΣΤΡΟΦΕΣ κ.ο.κ 4-22

82 4.4.2 Σε μιλλιμιτρε χαρτί σχεδιάστε τις κάτωθι κυματομορφές: V k = F(a) όπου α = γωνία έναυσης P k = F(a) = V k *I k P φ = F(a) = V φ *I φ N(%) = P φ /P k = F(a) P φ = F(a) Ποια είναι τα συμπεράσματα που προκύπτουν για κάθε μια από τις σχεδιασθείσες καμπύλες? Τα συμπεράσματα γράφονται κάτω από κάθε καμπύλη 4-23

83 Κεφάλαιο 5 SR2:ΡΥΘΜΙΖΟΜΕΝΟΣ ΔΙΑΚΟΠΤΗΣ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ Σκοπός της άσκησης είναι να εξετάσουμε την μετατροπή της AC τάσεως δικτύου σε ρυθμιζόμενη AC τάση ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 5.1 ΘΕΩΡΙΑ Γενικά Εφαρμογές Αρχή λειτουργίας Ωμικό φορτίο Επαγωγικό φορτίο Ωμικό - επαγωγικό φορτίο 5.2 ΔΙΕΞΑΓΩΓΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΩΝ Ωμικό φορτίο Κυματομορφές Συναρτήσεις Επαγωγικό φορτίο Κυματομορφές Συναρτήσεις Ωμικό - επαγωγικό φορτίο Κυματομορφές Συναρτήσεις Ελάχιστη γωνία έναυσης Κύκλωμα ελέγχου 5-1

84 51. ΘΕΩΡΙΑ ΓΕΝΙΚΑ Εφαρμογές Στην πράξη απαιτείται συχνά η ρύθμιση του εναλλασσόμενου ρεύματος που διαρρέει μια συσκευή. Σαν παραδείγματα αναφέρονται, ηλεκτροσυγκολλητυκές μηχανές, ηλεκτρικοί κινητήρες με ρύθμιση στροφών, εγκαταστάσεις φωτισμού, θερμαντικά σώματα και ηλεκτρικοί κάμινοι κλπ.. Για μικρή ισχύ, αυτό γίνεται εύκολα με μια μεταβλητή αντίσταση, που συνδέεται, σε σειρά με τη συσκευή. Για μεγάλες καταναλώσεις, η μέθοδος αυτή είναι αντιοικονομική λόγω των απωλειών της αντίστασης. Στην περίπτωση αυτή χρησιμοποιούνται οι ρυθμιζόμενοι, διακόπτες εναλλασσόμενου ρεύματος τάσεως, η αλλιώς διακόπτες ελέγχου γωνίας έναυσης. Οι απώλειες τους, σε σύγκριση με εκείνες μιας μεταβλητής αντίστασης, είναι, ελάχιστες. Η ρύθμιση του ρεύματος που διαρρέει, το φορτίο γίνεται με τη μεταβολή της γωνίας έναυσης των θυριστορ του διακόπτη. 5-2

85 Αργή λειτουργίας Η αρχή λειτουργίας θα εξηγηθεί με βάση το διάγραμμα 5.1. Η αυτεπαγωγιμότητα φορτίου θεωρείται καταρχήν ότι δεν υπάρχει, (καθαρά ωμικό φορτίο). Ο μονοφασικός διακόπτης- εναλλασσόμενου αποτελείται από δύο θυριστορ, το Τ Ι και, το T 2 σε αντιπαράλληλη σύνδεση. Το θυριστορ Τ Ι άγει, το ρεύμα κατά την ημιπεριοδο θετικής τάσης δικτύου, ενώ το Τ 2 άγει το ρεύμα κατά την ημιπεριοδο αρνητικής τάσης. Στο τέλος κάθε ημιπεριόδου, όταν το ρεύμα στο αντίστοιχο θυριστορ πέσει κάτω από το ρεύμα συγκράτησης Ι Η αυτό σβήνει αυτόματα, περιερχόμενο σε κατάσταση αποκοπής (διάγραμμα 5.3). Αν ένα θυριστορ πριμοδοτηθεί στην έναρξη της αντίστοιχης ημιπεριόδου, όταν η τάση έχει γίνει λίγο μεγαλύτερη από την ελάχιστη τάση ανατροπής U BM (διάγραμμα 5.2), τότε αυτό άγει ρεύμα κατά τη διάρκεια όλης της ημιπεριόδου. 5-3

86 Αν το θυριστορ πριμοδοτηθεί αργότερα (μετατόπιση της παλμοδότησης κατά τη γωνία α ο, κυματομορφή διαγράμματος 5.2), τότε η αγωγή ρεύματος έχει μικρότερη διάρκεια. Η ενεργός τιμή του ρεύματος που περνά από το φορτίο είναι επίσης μικρότερη. Η διάταξη αυτή ονομάζεται και διακόπτης ελέγχου γωνίας έναυσης, γιατί μέσω της χρονικής στιγμής που θα δοθούν οι παλμοί ρυθμίζεται η ισχύς, που θα αποδοθεί στο φορτίο. Το κύκλωμα R - C, που είναι παράλληλα συνδεδεμένο με τα θυριστορ (SNUBBER), χρησιμεύει για τη μείωση της αρνητικής υπέρτασης που εμφανίζεται κατά τη διάρκεια του διακοπτικού φαινόμενου. Επίσης, για τον περιορισμό της μεταβολής τάσης dv/dt, που θα μπορούσε να φέρει τα θυριστορ και χωρίς παλμό έναυσης σε αγωγιμότητα. Σημειώνεται ότι η διάταξη του διαγράμματος 5.1 μπορεί να αντικαταστεί με ένα σύνθετο ολοκληρωμένο, το TRΙAC (τρίοδος διπλής κατεύθυνσης). 5-4

87 Το TRIAC έχει τη δυνατότητα με ένα παλμό έναυσης οποιασδήποτε πολικότητας, να έρθει σε κατάσταση αγωγιμότητας κατά τη μια ή την άλλη διεύθυνση ανάλογα με την πολικότητα της τάσης επάνω του ΩΜΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ Για την περίπτωση του καθαρά ωμικού φορτίου, θεωρούμε έναν ιδανικό ρυθμιζόμενο διακόπτη με V BM = 0 και Ι Η = 0 (διάγραμμα. 5.1). Η μέση τιμή του ρεύματος φορτίου είναι: I A0 1 a 2 Isin t d( t) 2 I Imax (1 cos a) (1 cos a) όπου λ παριστάνει τη γωνία διέλευσης ρεύματος (λ = π - α). Αν η τιμή αυτή διαιρεθεί με το μέγιστο μέσο ρεύμα Ι max για α=0, I I Ao AoMAX 1 cos a 1 cos 2 I (1 cos ) τότε λαμβάνεται το σχετικό μέσο ρεύμα φορτίου, το οποίο παριστάνεται και στο διάγραμμα 5.4α (όπου cosφ = 1) Η ενεργός τιμή του ρεύματος υπολογίζεται από την σχέση: I 2 2 ( 2 Vsint ) R 2 d( t) V R 1 a 1 sin 2a a Η τιμή αυτή, διαιρούμενη με το μέγιστο ενεργό ρεύμα Ι ενμ = U / R (όταν η γωνία εναυσης α=0), μας δίνει τη σχετική ενεργό τιμή του ρεύματος, που παριστάνεται και στο διάγραμμα 5.4β (με cosφ =1 ): 5-5

88 Επίσης το διάγραμμα 5.4, δείχνει τις χαρακτηριστικές ελέγχου του ρυθμιζόμενου διακόπτη για μέσο όρο και ενεργό τιμή του ρεύματος, σε συνάρτηση της γωνίας έναυσης α. Κατά τη ρύθμιση ισχύος μέσω διακοπτών ελέγχου γωνίας έναυσης, το ρεύμα φορτίου, όπως φαίνεται και από το διάγραμμα 5.2, δεν είναι ημιτονοειδές, αλλά παραμορφωμένο. Η κυματομορφή του διαγράμματος 5.2 μπορεί να αναλυθεί σε μια σειρά FOURIER. Η βασική αρμονική αυτής της σειράς (του ρεύματος φορτίου), που είναι πλέον καθαρά ημιτονοειδής, παρουσιάζει μια διαφορά φάσης από την τάση. Αυτή η διαφορά φάσης σημαίνει ότι ο διακόπτης απορροφά και μια άεργο ισχύ, ακόμα και όταν το φορτίο είναι καθαρά ωμικό. Η επί πλέον άεργος ισχύς απορροφάτε και στις επόμενες περιπτώσεις του επαγωγικού και ωμικού-επαγωγικού φορτίου. Όπως είναι φυσικό, για γωνία έναυσης α=0 ο, η τιμή της άεργου ισχύος είναι μηδέν. Η τελευταία μεγαλώνει με την γωνία α, αφού αυτή καθορίζει την παραμόρφωση του ρεύματος ΕΠΑΓΩΓΙΚ0 ΦOPTIO Η περίπτωση του καθαρά επαγωγικού φορτίου παριστάνεται στο διάγραμμα 5.1, αν αγνοηθεί η ωμική αντίσταση R L. Τότε ισχύει η διαφορική εξίσωση : Της οποίας η λύση είναι: Η εξίσωση αυτή ισχύει, εφόσον το ρεύμα είναι θετικό για το διάστημα ωt = α ο μέχρι το ωt = 2π-α ο. di L dt Vmax i L 2 V sin t sin( t ) 2 sin(a 2 Και εφόσον το ρεύμα είναι αρνητικό: για το διάστημα ωt = π+α μέχρι ωt = π-α. Για τα υπόλοιπα διαστήματα ο διακόπτης παραμένει σε αποκοπή. Το ρεύμα φορτίου αποτελείται από ημιτονοειδείς κορυφές, που είναι μετατοπισμένες κατά γωνία Μ ο 5-6

89 ως προς τον άξονα ωt, ανάλογα με τις τιμές της γωνίας έναυσης α ο (διάγραμμα 5.5). M Στα ενδιάμεσα διαστήματα, που είναι μηδέν, έχουμε τις λεγόμενες περιοχές κενού. Η μέση τιμή του ρεύματος υπολογίζεται από την σχέση: Και ο σχετικός μέσος όρος του ρεύματος για μια ημιπερίοδο υπολογίζεται από την:: IAo sin a ( a)cos a I AoM Η ενεργός τιμή του ρεύματος είναι: I o Vmax sin(a ) L 2 VM 1 (sin a ( a)cos a) L Και η σχετική ενεργός τιμή : I ener Vm L 1 cos 2 1 a ( a) 2 3 sin 2a ΩΜΙΚΟ-ΕΠΑΓΩΓΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ I cos a sin a cos a Για ωμικό επαγωγικό φορτίο, η ισχύει η διαφορική εξίσωση: di L R i Vmax sin t dt

90 Η λύση της οποίας είναι: i 2 V sin( t ) A1e Z 1 L tan ( ) R A 1 V Z max sin(a )e R t L R a L Και τέλος προκύπτει ότι το ρεύμα ι, υπολογίζεται από την σχέση: i Η κυματομορφή του ρεύματος φορτίου δεν είναι πια ημιτονοειδής, αλλά αποτελείται από μια ημιτονοειδή και μια εκθετική συνιστώσα, που φθίνει με τη σταθερά χρόνου τ = L/R. Η λύση της διαφορικής εξίσωσης ισχύει για το διάστημα από ωt=α ο για τη θετική και από ωt=π+α ο για την αρνητική ημιπερίοδο, μέχρι την εκάστοτε στιγμή μηδενισμού του ρεύματος που υπολογίζεται από την εξίσωση. L sin( ) sin(a )e Όπου β είναι η γωνία εξάλειψης του ρεύματος. Z 2 V {sin( t ) sin(a )e Z R (a)/ Η γωνία διέλευσης δ ενός θυριστορ υπολογίζεται από την σχέση: δ = β-α Μετά τη στιγμή αυτή, το ρεύμα φορτίου παραμένει μηδέν, μέχρι την έναυση του αντιπαράλληλου θυρίστορ. Η προϋπόθεση για να λειτουργήσει ο διακόπτης είναι να βρίσκεται η τιμή της γωνίας έναυσης ή μεταξύ των ορίων θ και π, ή μεταξύ π+θ και 2π. Οι σχετικές κυματομορφές φαίνονται στο διάγραμμα R R a t L ( L) 2 5-8

91 Η ενεργός τιμή της τάσεως εξόδου είναι: 1 sin 2a sin 2 Vout V a 2 2 Το ενεργό ρεύμα δια μέσω του θυριστορ υπολογίζεται από την σχέση: 1 2 I R i d( t) 2 a 1/ 2 R a 2 V 1 ( ) ( t) L I R sin( t ) sin(a )e d( t) Z a Συνεπώς το ρεύμα εξόδου αποτελεί τον συνδυασμό των ενεργών ρευμάτων κάθε θυριστορ ίσο με: V out 2V sin ( t)d( t) 2 a Η μέση τιμή του ρεύματος κάθε θυριστορ υπολογίζεται από την: I I I out I R 1 A id( t) 2 a R a 2V ( )( t) L A sin( t ) sin(a )e d( t) 2Z a

92 1. ΤΜΗΜΑ METPHΣEΩN ΆΣΚΗΣΗΣ SR2 To πάνελ μετρήσεων περιλαμβάνει, τους ακροδέκτες Β 1 -Β 9 (τμήμα ελέγχου) και Β 10 - Β 14 (τμήμα ισχύος). 1. Ακροδέκτες στο τμήμα ελέγχου Oι μετρήσεις γίνονται με σημείο αναφοράς τον ακροδέκτη Β 6 (COMMON). 1.1 Β 7 : +15V, θετική τάση τροφοδοσίας, για τροφοδοσία πρόσθετων εξωτερικών μονάδων ελέγχου. 1.2 Β 8 : -15V, αρνητική τάση τροφοδοσίας, για τροφοδοσία πρόσθετων εξωτερικών μονάδων ελέγχου. 1.3 Β 1 : U ST συνεχής τάση ελέγχου (καθορισμού γωνίας έναυσης). U ST : V με R 1 = 4.7KΩ. Γεφυρώνοντας τα σημεία B l και B 2 η τάση αυτή εισέρχεται στη μονάδα περιορισμού περιοχής. Στο σημείο Β 2 μπορεί επίσης μετά από την απομάκρυνση της γέφυρας Β 1,Β 2 να εφαρμοστεί εξωτερική τάση ελέγχου (0..10V). 1.4 Β 3 : Έξοδος μονάδας περιορισμού περιοχής έναυσης. Με τα τρίμμερ Ρ2 και Ρ1 καθορίζεται η ανώτατη και κατώτατη γωνία έναυσης. Γυρίζοντας το ποτενσιόμετρο στη θέση 0 μετράμε τη τάση U ST που αναλογεί στην ανώτατη.γωνία έναυσης (180 μοίρες), ενώ στη θέση 10 τη κατώτατη γωνία έναυσης (0 μοίρες). 1.5 Β 9 : V SYN, τάση συγχρονισμού παλμών έναυσης. 1.6 B 4 : Παλμοί έναυσης του θυριστορ Τ Β 5 : Παλμοί έναυσης του θυριστορ Τ διακόπτης S 2 ακυρώνει τους παλμούς έναυσης στη θέση ΟΝ. 1.9 Το ενδεικτικό LED1 δείχνει την ύπαρξη τάσης τροφοδοσίας στο σύστημα ελέγχου. 5-10

93 2. Ακροδέκτες στο τμήμα ισχύος 2.1 Β 12,Β 13,Β 14 : Διάταξη ακροδεκτών για τη μέτρηση ισχύος. Σύνδεση βαττόμετρου. Ακροδέκτες τάσης: Β 13, Β 14. Ακροδέκτες ρεύματος: Β 12, B 14. Στους ακροδέκτες Β 12,Β 13,Β 14 συνδέεται το αναλογικό η το ψηφιακό βαττομετρο. μέτρηση τάσης εισόδου 2.2 Β 10, Β 13 : Τάση στα αντιπαράλληλα θυριστορ Τ 1,Τ Β 10, Β 11 : Τάση φορτίου. 2.4 B 15,B 16 : Σύνδεση αντίστασης (SHUNT) για τη παλμογράφηση του ρεύματος φορτίου. 2.5 Β 10,Β 11 : Σύνδεση φορτίου και αµπεροµέτρου (η βολτομέτρου) 3.0 Ακροδέκτες σύνδεσης οργάνων μέτρησης 3.1 Β 10, Β 11 : Σύνδεση φορτίου, αμπερομετρου (Ρεύμα φορτίου), και βολτομέτρου (τάση φορτίου) 3.2 Β 12, Β 13,Β 14 : Σύνδεση βαττομετρου 3.3 Β 12,Β 13 : Σύνδεση βολτομέτρου (τάση τροφοδοσίας) 3.4 Β 15, Β 16 : Σύνδεση αντίστασης Shunt για παλμογραφηση ρεύματος φορτίου. 3.5 Β 10,Β 11,Β 15 : Σύνδεση παλμογράφου 5-11

94 5-12

95 ΕΝΑΡΞΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΗΣ ΣΥΣΚΕΥΗΣ 1. Τοποθετούμε τον διακόπτη INH στη θέση ΟΝ (ακύρωση παλμών) 2. Τοποθετούμε τον κεντρικό διακόπτη S1στη θέση 0 3. Συνδέουμε στη συσκευή κατάλληλο φορτίο και όργανα μέτρησης 4. Γυρίζουμε το ποτενσιόμετρο ελέγχου στη θέση 0 5. Κλείνουμε τον διακόπτη δικτύου 6. Τοποθετούμε τον κεντρικό διακόπτη της συσκευής S1στη θέση Ανάβει η ενδεικτική λυχνία 2. Στο βολτόμετρο (V) παρατηρούμε την τάση δικτύου 3. Ανάβει το ενδεικτικό LED τροφοδοσίας 7. Τοποθετούμε το διακόπτη INH στη θέση OFF (ελευθέρωση παλμών). Η συσκευή βρίσκεται σε θέση λειτουργίας ΔΙΑΚΟΠΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΗΣ ΣΥΣΚΕΥΗΣ 1. Γυρίζουμε το ποτενσιόμετρο ελέγχου R στη θέση Τοποθετούμε το διακόπτη INH στη θέση ON (Ακύρωση παλμών). 3. Τοποθετούμε τον κεντρικό διακόπτη της συσκευής S1στη θέση Αποσυνδέουμε τη συσκευή από το δίκτυο ανοίγοντας το διακόπτη παροχής. 5-13

96 5.2. Η ΔΙΕΞΑΓΩΓΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΩΝ O σπουδαστής επιλέγει μόνος του τα όργανα μέτρησης ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΓΩΝΙΑΣ ΕΝΑΥΣΗΣ ΘΥΡΙΣΤΟΡ Συνδέστε στη συσκευή ωμικό φορτίο R=100Ω. Παρατηρείστε (ως προς γη = Β 6 ) στον παλμογράφο διπλής δέσμης την τάση συγχρονισμού (ακροδέκτης Β 9,V SYN ) και τους παλμούς εναυσης στο θυρίστορ Τ 1 (ακροδέκτης Β 5, Ι Τ1 ). Μεταβάλετε τη γωνία έναυσης, παρατηρώντας τους παλμούς εναυσης και την τάση συγχρονισμού ταυτόχρονα, από 0 ο έως την μεγίστη τιμή της. (Ποτενσιόμετρο ρύθμισης γωνίας εναυσης). Πόση είναι η μεγίστη τιμή της γωνίας εναυσης σε μοίρες? Παρατηρώντας την βάση χρόνου (time base) του παλμογράφους σας σε πόσα millisecond αντιστοιχεί η μεγίστη γωνία εναυσης? Κάθε ένα millisecond σε πόσες μοίρες αντιστοιχεί? Ρυθμίστε τη γωνία έναυσης στις 30 μοίρες. Σχεδιάστε τις κυματομορφές σε διάγραμμα. Παρατηρείστε στον παλμογράφο την τάση συγχρονισμού και τους παλμούς στο θυρίστορ Τ 2 (ακροδέκτης Β 4, Ι Τ2 ). Σχεδιάστε τους παλμούς στο παραπάνω διάγραμμα ΩΜΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ Κυματομορφές και χαρακτηριστική ελέγχου Συνδέστε στην έξοδο του κυκλώματος σαν φορτίο μια ωμική αντίσταση R L = 100Ω (καθώς και την αντίσταση Shunt). Συνδέστε επίσης και τα αντίστοιχα όργανα μετρήσεων για τις παρακάτω μετρήσεις και παρατηρήσεις. Παλμογράφο διπλής δέσμης για παρατήρηση της τάσης δικτύου και του ρεύματος φορτίου. Τροφοδοτείστε το κύκλωμα με τάση δικτύου 220V. 5-14

97 Μέσω του ποτενσιόμετρου ρύθμισης της γωνίας έναυσης δώσατε διάφορες τιμές στη γωνία εναυσης α ο και παρατηρείστε στην οθόνη του παλμογράφου τις κυματομορφες Σχεδιάστε τις αντίστοιχες κυματομορφές (τάσης δικτύου και του ρεύματος φορτίου) για γωνία εναυσης α ο =90 μοίρες. Η μέτρηση της γωνίας έναυσης θα πραγματοποιηθεί με την βοήθεια του παλμογράφου στην αρχή του πειράματος, συγκρίνοντας τις δυο κυματομορφες: (τάση δικτύου, ακροδέκτες: Β 6 -Β 9 και παλμοί εναυσης ακροδέκτες: Β 5 -Β 6 ) Συναρτήσεις Συνδέστε στους ακροδέκτες μέτρησης ισχύος ένα βαττομετρο και ένα βολτόμετρο. Συνδέστε στους ακροδέκτες εξόδου, μαζί με το ωμικό φορτίο και ένα αμπερόμετρο Για διαφορετικές τιμές της γωνίας εναυσης α, μετρήστε και καταχωρείστε σε αντίστοιχο πίνακα τις ενεργές τιμές: Της τάσης δικτύου, του ρεύματος εισόδου της συσκευής (Ι εν ) και του ρεύματος φορτίου (U εν(δικτ.), Ι εν,ι φ ), Καθώς και την ενεργό ισχύ Ρ στους ακροδέκτες μέτρησης ισχύος. (Εάν το βαττομετρο είναι ψηφιακό καταχωρίστε στον πίνακα την άεργο ισχύ, την ενεργό ισχύ, την φαινόμενη ισχύ, το cosφ, και το ρεύμα εισόδου της συσκευής Ι εν.) a o U εν. (V) Ι εν (Α) I φ (A) P(watt) S= U εν Ι εν (VA) Q VAR VA cosφ a 1 a 2 k.o.k Με βάση τον πίνακα, υπολογίστε και. σχεδιάστε τις συναρτήσεις: 1. Ρ = F(a), 2. Q = F(a), 3. S = U εν Ι εν = F(a), 4. Ι φ / Ι φμax(φ) = F(a), όπου Ι φμax η μέγιστη τιμή του ενεργού ρεύματος Από τις τιμές αυτές υπολογίστε και, σχεδιάστε τη συνάρτηση: 5-15

98 Κ = Ρ / S = F(a), αποδεικνύοντας έτσι, την ύπαρξη άεργου ισχύος ελέγχου σε ωμικό φορτίο, όταν η τελευταία δεν μπορεί να μετρηθεί άμεσα Ποια είναι τα συμπεράσματα σας για κάθε μια από τις σχεδιασθείσες συναρτήσεις; Τα συμπεράσματα γράφονται κάτω από κάθε καμπύλη Σε τι εξυπηρετούν; Με βάση (ως οδηγός) το παράδειγμα της παραγράφου 2.5, ΤΟ ΚΥΚΛΩΜΑ RL ΜΕ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΗ ΤΑΣΗ, και για μια γωνία εναυσης α ι του πίνακα της παραγράφου υπολογίστε το απαραίτητο στοιχείο διόρθωσης της ισχύος ΕΠΑΓΩΓΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ Κυματομορφες Συνδέστε σαν φορτίο ένα πηνίο L L = 0.06H. Επαναλάβετε τις παλμογραφήσεις της παραγράφου (δηλαδή σχεδιάστε τις κυματομορφες τάσης φορτίου και ρεύμα φορτίου για α = 90 ο και α = 135 ο μοίρες) Συναρτήσεις και χαρακτηριστική ελέγχου Για διαφορετικές τιμές της γωνίας α μετρείστε και καταχωρείστε σε πίνακα τις ενεργές τιμές τάσης φορτίου και ρεύματος φορτίου (U Lεν, Ι φ ). Με βάση τον πίνακα σχεδιάστε τις εξής συναρτήσεις: 1. V Lεν /V Lενmax =F(a), η ονομαζόμενη και χαρακτηριστική ελέγχου) 2. I Lφ /I Lφmax = F(a), όπου V Lενmax, I Lενmax είναι οι μέγιστες τιμές ΩΜΙΚΟ-ΕΠΑΓΩΓΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ Κυματομορφες Συνδέστε σε σειρά σαν φορτίο μια ωμική αντίσταση 100Ω και ένα πηνίο 0.06Η. Επαναλάβετε τις παλμογραφήσεις της παραγράφου , δηλαδή σχεδιάστε τις κυματομορφες τάσης φορτίου και ρεύμα φορτίου για α = 90 ο μοίρες. 5-16

99 Συναρτήσεις-Χαρακτηριστική ελέγχου. Συνδέστε στους ακροδέκτες μέτρησης ισχύος ένα βαττομετρο και ένα βολτόμετρο. Συνδέστε στους ακροδέκτες εξόδου, μαζί με το ωμικό-επαγωγικό φορτίο και ένα αμπερομετρο Για διαφορετικές τιμές (τουλάχιστον 10 τιμές) της γωνίας εναυσης α ο, μετρήστε και καταχωρείστε σε αντίστοιχο πίνακα τις ενεργές τιμές: Της τάσης δικτύου, του ρεύματος εισόδου της συσκευής (Ι εν ) και του ρεύματος φορτίου (U εν(δικτ.), Ι εν,ι φ ), Καθώς και την ενεργό ισχύ Ρ στους ακροδέκτες μέτρησης ισχύος (Εάν το βαττομετρο είναι ψηφιακό καταχωρίστε στον πίνακα την άεργο ισχύ, την ενεργό ισχύ, την φαινόμενη ισχύ, το cosφ, και το ρεύμα εισόδου Ι εν ). a o U εν. (V) Ι φ (Α) I εν (A) P(watt) S= U εν Ι εν (VA) Q VAR VA cosφ a 1 a 2 k.o.k Με βάση τον πίνακα, υπολογίστε και. σχεδιάστε τις συναρτήσεις: Ρ = F(a), Q = F(a), S = U εν Ι εν = F(a), Ι φ / Ι φμax = F(a), χαρακτηριστική ελέγχου όπου Ι ενμax(φ) η μέγιστη τιμή του ενεργού ρεύματος Από τις τιμές αυτές υπολογίστε και, σχεδιάστε τη συνάρτηση: Κ = Ρ / S = F(a) Ποια είναι τα συμπεράσματα σας για κάθε μια από τις σχεδιασθεισες συναρτήσεις; Σε τι εξυπηρετούν; Με βάση (ως οδηγός) το παράδειγμα της παραγράφου 2.5, ΤΟ ΚΥΚΛΩΜΑ RL ΜΕ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΗ ΤΑΣΗ, και για μια γωνία εναυσης α ι 5-17

100 του πίνακα της παραγράφου υπολογίστε το απαραίτητο στοιχείο διόρθωσης της ισχύος Ελάχιστη γωνία έναυσης Ρυθμίστε τη γωνία έναυσης μέχρις ότου στον παλμογράφο η κυματομορφη του ρεύματος φορτίου γίνει σχεδόν ημιτονοειδής και περιοριστούν στο ελάχιστο τα κενά ρεύματος. Με σύγκριση των κυματομορφών τάσης δικτύου και τάσης φορτίου υπολογίστε την ελάχιστη γωνία έναυσης α = α min. Επιβεβαιώστε τη μέτρηση σας για τη γωνία φ με λύση της εξίσωσης: φ = arctan(ωl/r Πόση είναι η διαφορά μεταξύ της μετρούμενης και υπολογισμένης τιμής; ΚΥΚΛΩΜΑ ΕΛΕΓΧΟΥ Συνδέστε στη συσκευή ωμικό φορτίο R=100Ω. Παρατηρείστε στον παλμογράφο διπλής δέσμης την τάση συγχρονισμού (ακροδέκτης Β 9,V SYN ) και τους παλμούς εναυσης στο θυρίστορ Τ 1 (ακροδέκτης Β 5,Ι Τ1 ). Μεταβάλετε τη γωνία έναυσης, παρατηρώντας τους παλμούς εναυσης και την τάση συγχρονισμού ταυτόχρονα, από 0 ο έως την μεγίστη τιμή της. (Ποτενσιόμετρο ρύθμισης γωνίας εναυσης). Πόση είναι η μεγίστη τιμή της γωνίας εναυσης σε μοίρες? Παρατηρώντας την βάση χρόνου (time base) του παλμογράφους σας σε πόσα millisecond αντιστοιχεί η μεγίστη γωνία εναυσης? Κάθε ένα millisecond σε πόσες μοίρες αντιστοιχεί? Ρυθμίστε τη γωνία έναυσης στις 30 μοίρες. Σχεδιάστε τις κυματομορφές σε διάγραμμα. Παρατηρείστε στον παλμογράφο την τάση συγχρονισμού και τους παλμούς στο θυρίστορ Τ 2 (ακροδέκτης Β 4, Ι Τ2 ). Σχεδιάστε τους παλμούς στο παραπάνω διάγραμμα. 5-18

101 Κεφάλαιο 6 SR3: ΡΥΘΜΙΖΟΜΕΝΟΣ ΔΙΑΚΟΠΤΗΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ (CHOPPER - ΨΑΛΙΔΙΣΤΗΣ) Σκοπός της άσκησης είναι η μετατροπή της DC τάσεως εισόδου σε Ρυθμιζόμενη DC τάση εξόδου, με ωμικά και σύνθετα φορτία. Με και χωρίς κλάδο ταχείας επαναφόρτισης. ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 6.0 ΘΕΩΡΙΑ Εισαγωγή Γενικά Αρχή λειτουργίας Εφαρμογές 6.2 Περιγραφή κυκλώματος Κύκλωμα και χρονική συμπεριφορά Περιοχή ρύθμισης 6.3. ΔΙΕΞΑΓΩΓΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΩΝ Ωμικό φορτίο Ωμικό-επαγωγικό φορτίο 6-1

102 6.0 ΘΕΩΡΙΑ 6.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Γενικά Ο ρυθμιζόμενος διακόπτης συνεχούς ρεύματος (CHOPPER) αντιστοιχεί σε έναν ηλεκτρονικό διακόπτη και μια δίοδο ελεύθερης διέλευσης, που βρίσκονται ανάμεσα στην πηγή συνεχούς τάσης και τον καταναλωτή (διάγραμμα 6.1). Ο διακόπτης ανοιγοκλείνει με μια συχνότητα της οποίας η περίοδος είναι, πολύ μικρή σε σχέση με τις χρονικές σταθερές του καταναλωτή ώστε ο τελευταίος να μην 'αντιλαμβάνεται τις διακοπές (τον ψαλιδισμό) της τάσης, παρά μόνο το μέσο όρο της. Ο μέσος όρος εξαρτάται από τη σχετική διάρκεια ενός παλμού, δηλ. το λόγο της διάρκειας προς την περίοδο του παλμού. Με τον τρόπο αυτόν μπορούμε, ξεκινώντας από μια σταθερή πηγή τάσης, να μειώσουμε κατά βούληση την τάση που εφαρμόζεται στον καταναλωτή. Σε σύγκριση με έναν κλασσικό διαιρέτη τάσης, ο CHOPPER έχει τα πλεονεκτήματα ότι δουλεύει χωρίς απώλειες και είναι πολύ πιο γρήγορος. 6-2

103 6.1.2 Αργή λειτουργίας Η αρχή λειτουργίας του CHOPPER φαίνεται από το διάγραμμα παλμών, διάγραμμα 6.2, σε συνδυασμό με το διάγραμμα 6.1. Όπου V E και I E είναι η τάση και το ρεύμα τροφοδοσίας ενώ V d και I d είναι η τάση και το ρεύμα στο φορτίο-καταναλωτή. Ο διακόπτης S μέvει κλειστός κατά το χρόνο Τ Ε (διάρκεια παλμού). Η περίοδος του παλμού είναι: Τ. Η σχετική διάρκεια παλμού υπολογίζεται από τον λογο: n = T E / T ο μέσος της τάσεως που εφαρμόζεται στον καταναλωτή υπολογίζεται από την σχέση. V d TE 1 V T 0 E dt n V E T E fv Με μέση τιμή του ρεύματος εξόδου: Ι d = V d /R Η ενεργός τιμή της τάσεως εξόδου υπολογίζεται από την σχέση: E 6-3

104 V d 1 0 V 2 E dt 1 2 TE T V E Ενώ η σχέση: P i T E 1 V T 0 E TE *idt T V R Υπολογίζει την ισχύ εισόδου στον ρυθμιζόμενο διακόπτη συνεχούς ρεύματος. Η πιο συνηθισμένη μέθοδος για τον έλεγχο της σχετικής διάρκειας n των παλμών είναι, η διαμόρφωση πλάτους: Η περίοδος Τ παραμένει. σταθερή και μεταβάλλεται η διάρκεια Τ Ε, όπως φαίνεται στο διάγραμμα E Εφαρμογές 0 ρυθμιζόμενος διακόπτης συνεχούς χρησιμοποιείται κυρίως σε οχήματα, που κινούνται με κινητήρες συνεχούς ρεύματος και χρειάζονται έλεγχο στροφών με τη βοήθεια μιας μεταβλητής τάσης. Με την αντιστροφή της πολικότητας του CHOPPER μπορεί να γίνει άνετα και η ομαλή πέδηση (φρενάρισμα) του οχήματος (με επιστροφή της ενέργειας που απελευθερώνεται στο δίκτυο). Επίσης με τον CHOPPER γίνεται εύκολα και η ομαλή εκκίνηση του οχήματος, γιατί η τάση μπορεί να αυξάνεται. βαθμιαία. Ιδιαίτερα για οχήματα που τροφοδοτούνται από μπαταρίες (π.χ. ηλεκτρικό αυτοκίνητο) η χρήση του CHOPPER μας απαλλάσσει από όλες τις σχετικές αντιστάσεις εκκίνησης ή πέδησης, που καταναλίσκουν σημαντική ποσότητα ενέργειας. 6-4

105 Άλλες εφαρμογές του CHOPPER είναι: -Έλεγχος τάσης διέγερσης σε κινητήρες συνεχούς -Έλεγχος τάσης μεσαίου κυκλώματος σε μετατροπείς συχνότητας. 6.2 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΚΥΚΛΩΜΑΤ0Σ Κύκλωμα και χρονική συμπεριφορά Το κύκλωμα, στο οποίο βασίζεται το πείραμα, φαίνεται στο διάγραμμα Εξήγηση συμβόλων διαγράμματος: Τ 1 : Κύριο θυριστορ, Τ 2 : Βοηθητικό θυριστορ για τη σβέση, C: Πυκνωτής σβέσης, L U : Αυτεπαγωγιμότητα επαναφόρτισης, 6-5

106 D 2 : Δίοδος επαναφόρτισης, D 3 : Δίοδος ελεύθερης διέλευσης, L L : Αυτεπαγωγιμότητα εξομάλυνσης, R L : Ωμική αντίσταση καταναλωτή S: SHUNT για σύνδεση παλμογράφου (δεν ανήκει, στο κύκλωμα), R S : Υψηλή ωμική αντίσταση για την επαναφόρτιση του πυκνωτή C (αγνοείται, για την εξήγηση της βασικής λειτουργίας του CHOPPER), D 1 και, L H : Δίοδος και, αυτεπαγωγή κλάδου ταχείας επαναφόρτισης (αγνοείται, επίσης για την εξήγηση της βασικής λειτουργίας). Ο CHOPPER τροφοδοτεί ένα φορτίο που αποτελείται από μια ωμική αντίσταση και ένα πηνίο. Με τη βοήθεια του πηνίου εξομαλύνεται έτσι η ψαλιδιζομένη τάση, ώστε, όπως αναφέρθηκε στην αρχή ο καταναλωτής να 'βλέπει μόνο το μέσο όρο. Για την περιγραφή της χρονικής συμπεριφοράς του κυκλώματος γίνονται οι εξής παραδοχές: 1: Σταθερή συνεχής τάση στην είσοδο. 2: Διακόπτες με ιδεώδη συμπεριφορά (άπειρη αντίσταση όταν διακόπτουν, μηδενική αντίσταση όταν άγουν). 3: Η χρονική σταθερά του φορτίου L L /R L είναι πολύ μεγαλύτερη από την περίοδο Τ των παλμών, ώστε από το φορτίο να περνά μόνο το εξομαλυμένο συνεχές ρεύμα. 4: Το κύκλωμα σβέσης δεν περιέχει πηνία. Oι κυματομορφές του διαγράμματος 6.5 εξηγούνται, ως εξής: 6-6

107 Διάγραμμα 6.5: Χρονική συμπεριφορά του CHOPPER (ρεύματα και τάσεις ορίζονται στο διάγραμμα 6.4) Χρονική περίοδος: t 1...t 2 Το θυρίστορ Τ 1 παίρνει ένα παλμό έναυσης και αναλαμβάνει το ρεύμα φορτίου I D. Η τάση στο Τ Ι γίνεται μηδέν. Το ρεύμα I C που εκφορτίζει τον πυκνωτή περνά μέσα από το κύκλωμα T 1 -L U -D 2. Το ρεύμα αυτό ρέει, όσο είναι αρνητικό και. ο πυκνωτής φορτίζεται με αρνητική τάση (αντίθετα από το διάγραμμα 6.4). Επειδή το κύκλωμα C-L U αποτελεί ταλαντωτή, το φορτίο του πυκνωτή θα ταλαντώνονταν συνέχεια και η τάση U C θα άλλαζε επ άπειρον πρόσημο. Καθώς όμως υπάρχει η δίοδος επαναφόρτισης D 2, το ημιτονοειδές ρεύμα I C σταματά να ρέει όταν γίνει θετικό και η 6-7

108 ταλάντωση παύει, αφήνοντας τον πυκνωτή φορτισμένο αρνητικά (σε σχέση με το διάγραμμα 6.4). Το θυρίστορ Τ 1 άγει κατά τη φάση αυτή και το ρεύμα φορτίου I D και το ρεύμα επαναφόρτισης του πυκνωτή επομένως πρέπει να επιλεγεί έτσι ώστε να αντέχει και τα δυο ρεύματα. Χρονική περίοδος: t 3..t 4 Το θυρίστορ Τ 2 παίρνει ένα παλμό έναυσης. Η τάση στους ακροδέκτες του γίνεται μηδέν. Από το κύκλωμα C-T 1 -T 2 φαίνεται ότι η τάση στο θυρίστορ Τ 1 είναι ίση με την αρνητική τάση U C του πυκνωτή, επομένως το Τ Ι σβήνει (γι αυτό και το Τ 2 λέγεται και θυρίστορ σβέσης). To T 2 αναλαμβάνει το ρεύμα φορτίου I D. To φαινόμενο αυτό θεωρείται ότι γίνεται στιγμιαία, γιατί δεν υπάρχουν πηνία στο κύκλωμα επαναφόρτισης. Στην πραγματικότητα χρειάζεται κάποιος χρόνος για τη μετάβαση του ρεύματος από το Τ 1 στο Τ 2. Το ρεύμα φορτίου I D, που θεωρείται σταθερό, περνά τώρα από τον πυκνωτή και επομένως τον φορτίζει θετικά. Η τάση U C γίνεται μετά από ένα χρονικό διάστημα t S θετική. Πρέπει να έχει ληφθεί μέριμνα, ώστε ο χρόνος αυτός να είναι μεγαλύτερος από το χρόνο ανάκτησης t u του θυρίστορ Τ 1, γιατί αλλιώς αυτό θα ανάψει από μόνο του, μόλις η τάση γίνει θετική. Χρονική περίοδος: t 4...t 5 Η επαναφόρτιση του πυκνωτή έχει τελειώσει. Η τάση U C έχει γίνει ίση με την τάση εισόδου U E. Επειδή η τάση στο Τ 2 είναι μηδέν, από το βρόχο U E -C-T 2 -U D του διαγράμματος 6.4 φαίνεται ότι η τάση U D στους ακροδέκτες του φορτίου γίνεται και αυτή μηδέν. Το ρεύμα του φορτίου I D αναγκάζεται να περάσει από τη δίοδο ελεύθερης διέλευσης D 3. Το ρεύμα εισόδου Ι Ε παραμένει μηδέν, μέχρι, να ανάψει με παλμό το θυρίστορ Τ 1 και ο κύκλος λειτουργίας να ξαναρχίσει. 6-8

109 1.2.2 Περιοχή ρύθμισης Οι δύο επαναφορτίσεις του πυκνωτή απαιτούν ορισμένους χρόνους, όπως φαίνεται και από το διάγραμμα 6.5. Η πρώτη επαναφόρτιση διαρκεί κατά το χρόνο T u = t 2 - t Ι, ενώ η δεύτερη κατά το χρόνο 2t s = t 4 - t 3. 0 δεύτερος χρόνος εξαρτάται από το ελάχιστο ρεύμα φορτίου I D που διαρρέει το κύκλωμα. Για το λόγο αυτό, ο μέσος όρος της ψαλιδισμένης τάσης U D δεν μπορεί ποτέ να φθάσει τις οριακές τιμές 0 και U E : Η σχετική διάρκεια του λογου n των παλμών παίρνει τιμές μεγαλύτερες του μηδενός και μικρότερες του ένα (1). Ένας επιπλέον κλάδος στο κύκλωμα (κλάδος ταχείας επαναφόρτισης) επιτρέπει μια βελτίωση της χρονικής συμπεριφοράς του CHOPPER και επομένως μια επέκταση της περιοχής ρύθμισης προς τις οριακές τιμές. 0 κλάδος αυτός φαίνεται στο διάγραμμα 4 (δίοδος D 1 και πηνίο L H ). Όταν συνδεθεί, οι τιμές του λογου n που επιτυγχάνονται με τον τρόπο αυτό, είναι μεταξύ 0.05 και

110 ΤΜΗΜΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΤΗΣ ΣΥΣΚΕΥΗΣ SR3 To πάνελ μετρήσεων περιλαμβάνει τους ακροδέκτες: Β 1 - Β 8 : Β 9 - Β 17 : Τμήμα ελέγχου και Τμήμα ισχύος. 1. Ακροδέκτες στο τμήμα ελέγχου Οι μετρήσεις γίνονται με σημείο αναφοράς τον ακροδέκτη Β 6 (COMMON). 1.1 B 7 : +15V, θετική τάση τροφοδοσίας, με δυνατότητα τροφοδοσίας πρόσθετων εξωτερικών μονάδων ελέγχου όταν απαιτηθεί. 1.2 Β 8 : -15V, αρνητική τάση τροφοδοσίας, με δυνατότητα τροφοδοσίας πρόσθετων εξωτερικών μονάδων ελέγχου όταν απαιτηθεί. 1.3 Β 1 : U T1, συνεχής τάση ελέγχου (καθορισμού σχέσης Τ Ε /Τ = (Τ 1 /(Τ 1 +Τ 2 )). U T1 : 0.10V με R 1 = 4.7KΩ. Γεφυρώνοντας τα σημεία Β 1, Β 2 η τάση αυτή εισέρχεται στη μονάδα περιορισμού περιοχής. Στο σημείο Β 2 μπορεί επίσης μετά από την απομάκρυνση της γέφυρας Β 1,Β 2 να εφαρμοστεί εξωτερική τάση ελέγχου (0..10V). 1.4 Β 3 : U Τ1, έξοδος μονάδας περιορισμού περιοχής έναυσης. Με τα τρίμμερ Ρ 1, και Ρ 2 καθορίζονται τα όρια διαμόρφωσης των : Ρ 1 : Τ 1ΜΙΝ, Τ 2ΜΑΧ, Ρ2: Τ 1ΜΑΧ, Τ 2ΜΙΝ. Γυρίζοντας το ποτενσιόμετρο στη θέση 0 μετράμε τη τάση U ST που αναλογεί στο MINIMUM Τ 1, στη θέση 10 τη τάση που αναλογεί στο ΜAXIMUM Τ

111 1.5 Β 4 : Παλμοί έναυσης του θυρίστορ Τ Β 5 Παλμοί έναυσης του θυρίστορ Τ διακόπτης S 2 ακυρώνει τους παλμούς έναυσης στη θέση ΟΝ. 1.8 Με το ποτενσιόμετρο R 2 (F) καθορίζεται η συχνότητα (1/(Τ 1 +Τ 2 ) του διακόπτη με περιοχή συχνοτήτων από F= Η Ζ 2. Ακροδέκτες στο τμήμα ισχύος. 2.1 Β 16, Β 17 : Τάση εισόδου συσκευής, U= 200 V DC (MAX 310 V DC ). 2.2 Β 10, Β 15 : Τάση στον πυκνωτή σβέσης. 2.3 Β 1Ο, Β Ι8 : Τάση στο κύριο θυρίστορ Τ Β 9, Β10: Γέφυρα για τη σύνδεση του κλάδου επαναφόρτισης. 2.5 Β 14, Β 13 : Αντίσταση SHUNT για τη παλμογράφηση του ρεύματος φορτίου χωρίς το ρεύμα ελεύθερης ροής. 2.6 Β 11. Β 12 : Τάση φορτίου. 2.7 Β 11,Β 12 : Σύνδεση φορτίου, Βολτομέτρου και Αμπερομετρου. 3.0 Ακροδέκτες σύνδεσης οργάνων μέτρησης Β 11,Β 12 : Σύνδεση φορτίου, βολτομέτρου, αμπερομετρου και παλμογράφου. Β 13,Β 14 : Σύνδεση παλμογράφου για παρατήρηση της κυματομορφης του ρεύματος 6-11

112 6-12

113 ΕΝΑΡΞΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΗΣ ΣΥΣΚΕΥΗΣ 1.0 Τοποθετούμε τον διακόπτη INH στη θέση ΟΝ (ακύρωση παλμών) 2.0 Τοποθετούμε τον κεντρικό διακόπτη S1στη θέση Συνδέουμε στη συσκευή κατάλληλο φορτίο και όργανα μέτρησης 4.0 Γυρίζουμε το ποτενσιόμετρο ελέγχου στη θέση Κλείνουμε τον διακόπτη δικτύου 6.0 Τοποθετούμε τον κεντρικό διακόπτη της συσκευής S1στη θέση Ανάβει η ενδεικτική λυχνία 2. Στο βολτόμετρο (V) παρατηρούμε την τάση δικτύου 3. Ανάβει το ενδεικτικό LED τροφοδοσίας 7.0 Τοποθετούμε το διακόπτη INH στη θέση OFF (ελευθέρωση παλμών). Η συσκευή βρίσκεται σε θέση λειτουργίας ΔΙΑΚΟΠΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΗΣ ΣΥΣΚΕΥΗΣ 1. Γυρίζουμε το ποτενσιόμετρο ελέγχου R στη θέση Τοποθετούμε το διακόπτη INH στη θέση ON (Ακύρωση παλμών). 3. Τοποθετούμε τον κεντρικό διακόπτη της συσκευής S1στη θέση Αποσυνδέουμε τη συσκευή από το δίκτυο ανοίγοντας το διακόπτη παροχής. 6-13

114 6.3 ΔΙΕΞΑΓΩΓΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΩΝ O σπουδαστής επιλέγει μόνος του τα όργανα μέτρησης ΩMIK0 ΦΟΡΤΙΟ Συνδέστε σαν φορτίο, στους ακροδέκτες σύνδεσης φορτίων, μια ωμική αντίσταση R L =100Ω. 1: Τροφοδοτείστε το κύκλωμα με συνεχή τάση 2: Και ρυθμίστε τη συχνότητα των παλμών Τ στα 75Η Ζ (διάγραμμα 6.2) Παλμογραφείστε την κυματομορφη της τάσης φορτίου U D για διάφορες τιμές της σχετικής διάρκειας του λόγου των παλμών: n = Τ Ε / Τ Σχεδιάστε τις κυματομορφές για τιμές της σχετικής διάρκειας του λόγου των παλμών n = 1/3 και n = 2/ Μετρείστε καi καταχωρείστε σε πίνακα τη μέση τιμή του ρεύματος φορτίου I D και της τάσης φορτίου U D για διάφορες τιμές της σχετικής διάρκειας του λόγου των παλμών n (τουλάχιστον 10 τιμές). n I d (A) U d (V) n 1 n 1 k.o.k Σχεδιάστε τις συναρτήσεις: I D = F(n) και U D = F(n) Συμπεράσματα Ποια είναι τα συμπεράσματα σας για κάθε μια από τις σχεδιασθείσες συναρτήσεις; Τα συμπεράσματα γράφονται κάτω από κάθε καμπύλη Σε τι εξυπηρετούν οι καμπύλες αυτές; 6-14

115 6.3.2 ΩΜΙΚΟ - ΕΠΑΓΩΓΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ Συνδέστε, στους ακροδέκτες σύνδεσης φορτίων, σαν φορτίο μια ωμική αντίσταση R L = 100Ω και. ένα πηνίο L L =0.05H σε σειρά Παλμογραφειστε και σχεδιάστε τις κυματομορφές των εξής μεγεθών για δυο τιμές της σχετικής διάρκειας του λόγου των παλμών n: (n=1/3 και n=2/3): Τάση φορτίου U D Ρεύμα φορτίου I D (μέσω SHUNT), Τάση κύριου θυριστορ U T Και τάση πυκνωτή σβέσης U C Μετρείστε για διάφορες τιμές της σχετικής διάρκειας του λόγου των παλμών n τη μέση τιμή του ρεύματος φορτίου I D, καταχωρείστε τις τιμές σε πίνακα (τουλάχιστον 10 τιμές). : n I d (A) n 1 n 1 κ.ο.κ Σχεδιάστε τη συνάρτηση: I D =F(n) Συμπεράσματα Ποια είναι τα συμπεράσματα σας για την σχεδιασθείσα συνάρτηση Σε τι εξυπηρετεί η σχεδιασθείσα συνάρτηση Επαναλάβετε τις παραπάνω παλμογραφήσεις και, μετρήσεις (συνδέοντας στο κύκλωμα και τον κλάδο ταχείας επαναφόρτισης, (ακροδέκτες Β 9, Β 10 ) n I d (A) V d (V) n 1 n 1 k.o.k 6-15

116 Συγκρίνετε τις παλμογραφήσεις και μετρήσεις, με και χωρίς τον κλάδο ταχείας επαναφόρτισης και γράψετε τα συμπεράσματα σας. Τι Παρατηρήσεις για την τάση και το ρεύμα?. 6-16

117 . Κεφάλαιο 7 SR4: ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ ΠΛΗΡΩΣ ΕΛΕΓΧΟΜΕΝΟΣ Σκοπός της άσκησης είναι να εξετάσουμε τν μετατροπή της τασως δικτυου (AC) σε μια συνεχή ελεγχόμενη τάση ( με ωμικά και σύνθετα φορτία )τα ης οποίας ο μέσος όρος ρυθμίζεται με τη χρονική μετατόπιση των παλμών έναυσης από μια μέγιστη τιμή μέχρι το μηδέν. ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 7.1 ΘΕΩΡΙΑ Γενικά Βασικό κύκλωμα Εφαρμογές Ιδανικός μετατροπέας χωρίς δίοδο ελεύθερης διέλευσης Παραδοχές Ωμικό φορτίο Επαγωγικό φορτίο Ενεργό φορτίο Πραγματικός μετατροπέας χωρίς δίοδο ελεύθερης διέλευσης Επίδραση αυτεπαγωγών μετασχηματιστή και γραμμής Χαρακτηριστικές ελέγχου και φορτίου Συμπεριφορά του μετατροπέα με δίοδο ελεύθερης διέλευσης 7.2 ΔΙΕΞΑΓΩΓΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΩΝ Μετατροπέας χωρίς δίοδο ελεύθερης διέλευσης Ωμικό φορτίο Ωμικό-επαγωγικό φορτίο Μετατροπέας με δίοδο ελεύθερης Κύκλωμα Ελέγχου 7-1

118 7.1 ΘΕΩΡΙΑ ΓΕΝΙΚΑ Βασικό κύκλωμα Ο πλήρως ελεγχόμενος μονοφασικός μετατροπέας κοινού σημείου (Μ.Λ Μεσαία Λήψη) αποτελείται από ένα μετασχηματιστή με μεσαία λήψη, στα άκρα του οποίου συνδέονται τα δυο θυριστορ και το φορτίο (διάγραμμα 7.1). Oι τάσεις των δύο τυλιγμάτων του δευτερεύοντος είναι ίσες αλλά έχουν μεταξύ τους διαφορά φάσης 180 μοιρών. Από τα δυο θυριστορ άγει μόλις πάρει παλμό έναυσης, εκείνο, που έχει. θετικότερο ανοδικό δυναμικό. Το άλλο πολώνεται, ανάστροφα. Το κύκλωμα παλμοδότησης πρέπει επομένως να παρέχει παλμούς που να δίνονται, εναλλάξ στα δυο θυριστορ, ανά 180 μοίρες. Με τη διάταξη αυτή μπορεί να μετατραπεί η εναλλασσόμενη τάση μιας φάσης του δικτύου σε μια συνεχή τάση της οποίας ο μέσος όρος ρυθμίζεται με τη χρονική μετατόπιση των παλμών έναυσης από μια μέγιστη τιμή μέχρι το μηδέν Εφαρμογές Ο μονοφασικός μετατροπέας κοινού σημείου παρέχει σημαντικά πλεονεκτήματα σε σχέση με στρεφόμενους μετατροπείς (ζεύγη ασύγχρονου κινητήρα - γεννήτριας συνεχούς): Μικρότερο κόστος, μικρότερος όγκος, μεγαλύτερη ασφάλεια γιατί δεν υπάρχουν στρεφόμενα μέρη, σχεδόν καθόλου συντήρηση. Χρησιμοποιείται κυρίως εκεί, όπου απαιτείται η μετατροπή μικρής σχετικά ισχύος (από μια φάση του δικτύου). Σαν παραδείγματα αναφέρονται η διέγερση και η τροφοδοσία του δρομέα σχετικά μικρών μηχανών συνεχούς ρεύματος, όπου υπάρχει ρύθμιση η αυτόματος έλεγχος 7-2

119 στροφών που απαιτούν μεταβλητή συνεχή τάση. Για μεγάλες ισχύς χρησιμοποιείται ο τριφασικός και όχι ο μονοφασικός μετατροπέας ώστε να αποφεύγεται μια ασύμμετρη φόρτιση του δικτύου ΙΔΑΝΙΚΟΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ ΧΩΡΙΣ ΔΙΟΔΟ ΕΛΕΥΘΕΡΗΣ ΔΙΕΛΕΥΣΗΣ Παραδοχές Για την εξήγηση της λειτουργίας του μετατροπέα θεωρείται αυτός καταρχήν ιδανικός, με βάση τις εξής παραδοχές: Τα θυρίστορ είναι ιδανικοί διακόπτες, χωρίς απώλειες. Η τάση δικτύου είναι ανεξάρτητη του φορτίου. Ο μετασχηματιστής είναι επίσης ιδανικός χωρίς απώλειες και αυτεπαγωγές σκέδασης. Η αντίσταση των αγωγών είναι αμελητέα. 7-3

120 Ωμικό Φορτίο Για ωμικό φορτίο και πλήρη οδήγηση (γωνία έναυσης α=0 ο ) προκύπτουν οι κυματομορφές του διαγράμματος 7.2. Διάγραμμα 7.2: Κυματομορφές μετατροπέα για ωμικό φορτίο και γωνια α= 0 Η μέση τιμή της τάσης εξόδου στην περίπτωση αυτή είναι: V d 1 0 V max sin( t)d( t) 2V max Στο θυριστορ που βρίσκεται, σε αποκοπή εφαρμόζεται, η τάση U T = U S1 = U S2 = U S12. 0 Για μερική οδήγηση (γωνία εναυσης α ο μεγαλύτερη του 0 ο ), το ρεύμα φορτίου I D παρουσιάζει, περιοδικά περιοχές κενού (διάγραμμα 7.3), οι οποίες μπορούν να αποφευχθούν με τη χρησιμοποίηση ενός πηνίου εξομάλυνσης. 7-4

121 Για την τάση εξόδου ισχύει η παρακάτω χαρακτηριστική εξίσωση ελέγχου: Τάση εξόδου: Διάγραμμα 7.3: Κυματομορφές μετατριοπεα για μερική οδήγηση V dia 1 Χαρακτηριστική εξίσωση: V a V M sin( t)d( t) Vdia 2 di V 1 (1 cos a) cos (a / 2) 2 M (1 cos a) Επαγωγικό φορτίο Στην περίπτωση αυτή θεωρείται, ότι η αυτεπαγωγή φορτίου είναι πολύ μεγάλη και εξομαλύνει, έτσι ώστε το ρεύμα αυτό να παραμένει σταθερό κατά τη διάρκεια μιας ημιπεριόδου. Με αυτόν τον τρόπο αποφεύγονται οι περιοχές κενού. Η χαρακτηριστική εξίσωση ελέγχου είναι η εξής. V V dia di cos a 7-5

122 Και η χαρακτηριστική αυτή εξίσωση ελέγχου παρουσιάζεται στο διάγραμμα 7.4. Η τάση. φορτίου U DIA παίρνει και αρνητικές τιμές για γωνίες εναυσης α μεγαλύτερες των 90 ο μουρών. Για παθητικό επαγωγικό φορτίο, η περιοχή ελέγχου περιορίζεται στις 90 ο μοίρες, γιατί αλλιώς θα έπρεπε και το ρεύμα να πάρει αρνητικές τιμές. Αυτό όμως είναι, αδύνατο λόγω της ύπαρξης των θυριστορ που άγουν μόνο σε μια κατεύθυνση. Διάγραμμα 7.4: Χαρακτηριστική ελέγχου για επαγωγικό φορτίο Ενεργό φορτίο (Κινητήρας) Η περίπτωση του ενεργού φορτίου (πηγή τάσης, π.χ. κινητήρας) αναφέρεται, απλώς, χωρίς να εξετασθεί αναλυτικά, εφόσον ανήκει, στα πειράματα του εργαστηρίου ηλεκτρικής κίνησης. Σημειώνεται μόνον ότι για τον έλεγχο κινητήρα, η περιοχή ρύθμισης της γωνίας α μπορεί, σε αντίθεση με την προηγούμενη περίπτωση, να επεκταθεί και σε τιμές μεγαλύτερες των 90 ο μοιρών Τότε ο μετατροπέας λειτουργεί σαν αντιστροφέας (μεταφορά ενέργειας προς το δίκτυο). Η βασική εφαρμογή του φαινόμενου αυτού είναι η πέδηση κινητήρων ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ ΧΩΡΙΣ ΔΙΟΔΟ ΕΛΕΥΘΕΡΗΣ ΔΙΕΛΕΥΣΗΣ Επίδραση αυτεπαγωγών μετασχηματιστή και γραμμής. Οι αυτεπαγωγές μετασχηματιστή (σκέδαση) και αγωγών που υπάρχουν πάντα σε ένα κύκλωμα μετατροπέα καθιστούν αδύνατο τον αστραπιαίο μηδενισμό του ρεύματος στο θυρίστορ που έρχεται σε αποκοπή και εμποδίζουν (οι αυτεπαγωγές) τη ραγδαία αύξηση του ρεύματος στο θυρίστορ που έρχεται σε αγωγιμότητα. Οι αυτεπαγωγές αυτές παριστάνονται στο διάγραμμα 7.5 με το σύμβολο L C. 7-6

123 Το φαινόμενο της βαθμιαίας μετάβασης του ρεύματος από το ένα θυρίστορ στο άλλο παριστάνεται στο διάγραμμα 7.6. Διάγραμμα 7.6: Μετάβαση του ρεύματος στον πραγματικό μετατροπέα Με την προϋπόθεση σταθερού ρεύματος φορτίου I D έχουμε λοιπόν ένα διάστημα ταυτόχρονης λειτουργίας των θυρίστορ και των δυο κλάδων, που διαρκεί μέχρι να μηδενισθεί το ρεύμα στο ένα θυριστορ και να πάρει την τιμή I D στο άλλο. Η 7-7

124 ταυτόχρονη αυτή λειτουργία των δυο θυρίστορ θα ήταν βραχυκύκλωμα για την πηγή, αν δεν υπήρχαν οι αυτεπαγωγές, που φυσικά περιορίζουν το ρεύμα βραχυκύκλωσης. Το τελευταίο (το ρεύμα βραχυκύκλωσης) δίνεται από τον τύπο. 2*U i I cost I L C Χαρακτηριστικό μέγεθος για τη διάρκεια της μετάβασης είναι η γωνία επικάλυψης u, (διάγραμμα 7.6) που υπολογίζεται από την σχέση: u o = cos a Id LC cos(a ) 2 V Κατά τη μετάβαση, η τάση U D του φορτίου είναι μηδέν, όπως φαίνεται και από το διάγραμμα 7.6. Αυτό σημαίνει ότι ο μέσος όρος της είναι μικρότερος από εκείνον που υπολογίσθηκε για τον ιδανικό μετατροπέα, όπου το φαινόμενο αυτό δεν είχε ληφθεί υπόψη. I I d Χαρακτηριστικές ελέγχου και φορτίου Εκτός από τη μείωση του μέσου όρου U DIA της τάσης φορτίου λόγω του φαινόμενου μετάβασης, υπάρχει και μια άλλη μείωση εξαιτίας της πτώσης τάσης στις αντιστάσεις καλωδιώσεων του μετασχηματιστή και του θυρίστορ, που στην αρχή θεωρήθηκαν μηδενικές. Στο διάγραμμα 7.7 παριστάνεται η χαρακτηριστική ελέγχου του πραγματικού μετατροπέα. Διάγραμμα 7.7: Χαρακτηριστική ελέγχου του πραγματικού μετατροπέα Το διάγραμμα 7.8 περιέχει τις χαρακτηριστικές φορτίου (για διάφορες τιμές της γωνίας εναυσης α). 7-8

125 Η τάση στο φορτίο μειώνεται με την άνοδο του ρεύματος λόγω των παραπάνω φαινόμενων. Διάγραμμα 7.8: Χαρακτηριστικές φορτίου του πραγματικού μετατροπέα ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΟΥ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ ΜΕ ΔΙΟΔΟ ΕΛΕΥΘΕΡΗΣ ΔΙΕΛΕΥΣΗΣ. Όπως είναι γνωστό η άεργος ισχύς φορτίζει υπέρμετρα το δίκτυο χωρίς να προσφέρει τίποτε στην ενεργό ισχύ που καταναλώνεται. Οι μετατροπείς απορροφούν άεργο ισχύ ακόμη και για καθαρά ωμικό φορτίο. Ο λόγος είναι η παραμόρφωση των ημιτονοειδών μεγεθών καθώς οι διακόπτες ανοίγουν σε συνάρτηση της γωνίας έναυσης, και κατά συνέπεια η δημιουργία μιας διαφοράς φάσης μεταξύ τάσης και ρεύματος. Ένας τρόπος για τον περιορισμό της άεργου ισχύος είναι η σύνδεση μιας διόδου ελεύθερης διέλευσης παράλληλα με το φορτίο. Η σχετική διάταξη φαίνεται στο διάγραμμα

126 Οι ανάλογες κυματομορφές παριστάνονται στο διάγραμμα Διάγραμμα 7.10: Κυματομορφές μετατροπέα με δίοδο ελεύθερης διέλευσης 7-10

127 Διακρίνουμε τη μείωση της διάρκειας αγωγής των θυρίστορ κατά γωνία α και τη λειτουργία της διόδου σ' αυτό το διάστημα, με αποτέλεσμα τη συνεχή κυκλοφορία ρεύματος στο φορτίο. Το ρεύμα δεν παρουσιάζει πια κενά. Η χαρακτηριστική ελέγχου είναι η ιδία όπως στην παράγραφο (ιδανικός μετατροπέας με ωμικό φορτίο χωρίς δίοδο): Vdia 2 Η μέση τιμή του ρεύματος θυριστορ είναι: V di 1 (1 cosa) cos (a / 2) 2 1 IT (Id I1) 2 όπου I D το ρεύμα φορτίου και I 1 το ρεύμα της διόδου. Το τελευταίο υπολογίζεται από την σχέση: Επομένως το μέσο ρεύμα που περνά από το θυριστορ είναι μειωμένο κατά Ι 1 /2, σε σύγκριση με την περίπτωση χωρίς δίοδο (Ι 1 =0). Αυτό σημαίνει ότι το δίκτυο παρέχει στο μετατροπέα λιγότερο ρεύμα, χωρίς όμως η ισχύς που καταναλίσκεται στο φορτίο να αλλάζει, με την προϋπόθεση ότι το ρεύμα φορτίου παραμένει σταθερό. Στο διάγραμμα 7.11 παριστάνεται η άεργος ισχύς Q l για τις δυο περιπτώσεις, με και, χωρίς δίοδο ελεύθερης διέλευσης. a 1 a 1 id d( t) Id 0 I Διάγραμμα 7.11: Άεργος ισχύς μονοφασικού μετατροπέα με και χωρίς δίοδο ελεύθερης διέλευσης. 7-11

128 ΤΜΗΜΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΤΗΣ ΣΥΣΚΕΥΗΣ SR4 To πάνελ μετρήσεων περιλαμβάνει. τους ακροδέκτες Β 1 - Β 9 (τμήμα ελέγχου) και τους ακροδέκτες Β 10 - Β 19 (τμήμα ισχύος). 1. Ακροδέκτες στο τμήμα ελέγχου Oι μετρήσεις γίνονται, με σημείο αναφοράς τον ακροδέκτη Β 6 (COMMON). 1.1 Β 7 : +15V, θετική τάση τροφοδοσίας, δυνατότητα τροφοδοσίας πρόσθετων εξωτερικών μονάδων ελέγχου. 1.2 Β 8 : -15V, αρνητική τάση τροφοδοσίας, δυνατότητα τροφοδοσίας πρόσθετων εξωτερικών μονάδων ελέγχου. 1.3 Β 1 : U ST, συνεχής τάση ελέγχου (καθορισμού γωνίας έναυσης). U ST : 0. 10V με R1=4.7KΩ. Γεφυρώνοντας τα σημεία Β 1 και Β 2 η τάση αυτή εισέρχεται. στη μονάδα περιορισμού περιοχής. Στο σημείο Β 2 μπορεί επίσης μετά από την απομάκρυνση της γέφυρας Β 1, Β 2 να εφαρμοστεί εξωτερική τάση ελέγχου (0..10V). 1.4 B 3 : U ST, έξοδος μονάδας περιορισμού περιοχής έναυσης. Με τα τρίμμερ Ρ 2, και Ρ 1 καθορίζεται, η ανώτατη και η κατώτατη γωνία έναυσης. Γυρίζοντας το ποτενσιόμετρο στη θέση 0 μετράμε τη τάση U ST που αναλογεί στην ανώτατη γωνία έναυσης (δηλαδή 180 μοίρες), στη θέση 10 μετράμε την τη κατώτατη γωνία έναυσης (0 GRAD). 1.5 Β 9 : V SYN, τάση συγχρονισμού παλμών έναυσης. 1.6 Β 4 : Παλμοί έναυσης του θυρίστορ Τ B 3 : Παλμοί έναυσης του θυρίστορ Τ διακόπτης S 2 ακυρώνει, τους παλμούς έναυσης στη θέση ΟΝ. 7-12

129 1.9 Το ενδεικτικό LED1 δείχνει, την ύπαρξη τάσης τροφοδοσίας στο σύστημα ελέγχου Το ενδεικτικό LED2 ανάβει, σε περίπτωση υπέρτασης η υπότασης στο δίκτυο, οπότε και. Ακυρώνεται η λειτουργία της συσκευής. 2. Ακροδέκτες στο τμήμα ισχύος 2.1 Β 17,Β 18,Β 19 : Μέτρηση ισχύος: Σύνδεση βαττομετρου, αμπερομετρου και βολτομέτρου όταν απαιτείται. Τάση: Β 17, Β 18 Ρεύμα: Β 18, Β Β 10,Β 11 : Τάση στο θυρίστορ Τ Β 14, Β 11: Τάση στο θυρίστορ Τ Β 13,Β 12 : Αντίσταση SHUNT για τη παλμογράφηση ρεύματος στο φορτίο. 2.5 Β 11,Β 12 : Σύνδεση φορτίου, βολτομέτρου και αμπερομετρου. 3.0 Ακροδέκτες σύνδεσης οργάνων μέτρησης 3.1 Β 11, Β 12 : Σύνδεση φορτίου, βολτομέτρου (τάση φορτίου), αμπερομετρου, και παλμογράφου 3.2 Β 17,Β 18,Β 19 : Σύνδεση βαττομετρου 3.3 Β 9,Β 6 : Σύνδεση παλμογράφου. Κυματομορφη τάσεως εισόδου. 3.4 Β 4 -Β 5, Β 6 : Σύνδεση παλμογράφου για μέτρηση παλμών εναυσης θυριστορ. 7-13

130 7-14

131 ΕΝΑΡΞΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΗΣ ΣΥΣΚΕΥΗΣ 2. Τοποθετούμε τον διακόπτη INH στη θέση ΟΝ (ακύρωση παλμών) 3. Τοποθετούμε τον κεντρικό διακόπτη S1στη θέση 0 4. Συνδέουμε στη συσκευή κατάλληλο φορτίο και όργανα μέτρησης 5. Γυρίζουμε το ποτενσιόμετρο ελέγχου στη θέση 0 6. Κλείνουμε τον διακόπτη δικτύου 7. Τοποθετούμε τον κεντρικό διακόπτη της συσκευής S1στη θέση Ανάβει η ενδεικτική λυχνία 5. Στο βολτόμετρο (V) παρατηρούμε την τάση δικτύου 6. Ανάβει το ενδεικτικό LED τροφοδοσίας 8. Τοποθετούμε το διακόπτη INH στη θέση OFF (ελευθέρωση παλμών). Η συσκευή βρίσκεται σε θέση λειτουργίας ΔΙΑΚΟΠΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΗΣ ΣΥΣΚΕΥΗΣ 1. Γυρίζουμε το ποτενσιόμετρο ελέγχου R στη θέση Τοποθετούμε το διακόπτη INH στη θέση ON (Ακύρωση παλμών). 3. Τοποθετούμε τον κεντρικό διακόπτη της συσκευής S1στη θέση Αποσυνδέουμε τη συσκευή από το δίκτυο ανοίγοντας το διακόπτη παροχής. 7-15

132 7.2 ΔΙΕΞΑΓΩΓΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΩΝ O σπουδαστής επιλέγει μόνος του τα όργανα μέτρησης ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ ΧΩΡΙΣ ΔΙΟΔΟ ΕΛΕΥΘΕΡΗΣ ΔΙΕΛΕΥΣΗΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΓΩΝΙΑΣ ΕΝΑΥΣΗΣ ΘΥΡΙΣΤΟΡ Συνδέετε στη συσκευή ωμικό φορτίο R=100Ω. Παρατηρείστε (ως προς γη = Β 6 ) στον παλμογράφο διπλής δέσμης την τάση συγχρονισμού (σήμα V SYN, ακροδέκτης Β 9 ) και τους παλμούς στο θυρίστορ Τ Ι (σήμα Ι Τ1 ), ακροδέκτης Β 4. Μεταβάλετε τη γωνία έναυσης, παρατηρώντας τους παλμούς εναυσης και την τάση συγχρονισμού ταυτόχρονα, από 0 ο έως την μεγίστη τιμή της. (Ποτενσιόμετρο ρύθμισης γωνίας εναυσης). Πόση είναι η μεγίστη τιμή της γωνίας εναυσης σε μοίρες? Παρατηρώντας την βάση χρόνου (time base) του παλμογράφους σας σε πόσα millisecond αντιστοιχεί η μεγίστη γωνία εναυσης? Κάθε ένα millisecond σε πόσες μοίρες αντιστοιχεί? Ρυθμίστε τη γωνία έναυσης στις 30 μοίρες. Σχεδιάστε τις κυματομορφές σε διάγραμμα. Παρατηρείστε στον παλμογράφο την τάση συγχρονισμού και τους παλμούς στο θυρίστορ Τ 2 (σήμα Ι Τ2 ). Σχεδιάστε τους παλμούς στο παραπάνω διάγραμμα. 7-16

133 Ωμικό φορτίο Συνδέστε στους ακροδέκτες σύνδεσης φορτίου, σαν φορτίο μια ωμική αντίσταση R=100Ω. Παρατηρείστε στον παλμογράφο διπλής δέσμης: 1. Την τάση δικτύου U N μαζί με την τάση φορτίου U D και 2. Την τάση φορτίου μαζί με τους παλμούς έναυσης, για τιμές της γωνίας έναυσης α=90 ο και α=150 ο μοίρες. Η μέτρηση της γωνίας έναυσης θα πραγματοποιηθεί με την βοήθεια του παλμογράφου στην αρχή του πειράματος, συγκρίνοντας τις δυο κυματομορφες: (τάση δικτύου, ακροδέκτες: Β 6 -Β 9 και παλμοί εναυσης ακροδέκτες: Β 4 -Β 6 ) Σχεδιάστε τις κυματομορφές αυτές Αναφέρετε πώς μεταβάλλονται οι περιοχές κενού όταν μεγαλώνει η γωνία εναυσης α. (Η μέτρηση της τελευταίας γίνεται, με τη σύγκριση των δυο κυματομορφών U N και U D στον παλμογράφο) Για διαφορετικές τιμές της γωνίας εναυσης α μετρείστε και καταχωρείστε σε πίνακα τους αντίστοιχους μέσους όρους της τάσης φορτίου U Dια. α ο U Dia U DiΜαχ α 1 α 2 κ.οκ Με βάση τον ανωτέρω πίνακα σχεδιάστε τη χαρακτηριστική ελέγχου. U Dia / U DiΜαχ = F(a), όπου U DiΜαχ η μέγιστη τιμή του μέσου όρου για α=0 ο Συμπεράσματα Ποια είναι τα συμπεράσματα σας για την σχεδιασθεισα συνάρτηση; Σε τι εξυπηρετεί η χαρακτηριστική ελέγχου; Παρατηρείστε στον παλμογράφο την τάση που εφαρμόζεται, σε ένα θυρίστορ, (ακροδέκτες τάσης θυριστορ), για διαφορετικές γωνίες έναυσης. 7-17

134 Διαπιστώστε και αναφέρατε για ποιες τιμές της γωνίας εναυσης α o δέχεται το θυρίστορ τη μέγιστη ανάστροφη τάση Ωμικό-Επαγωγικό φορτίο Συνδέστε σαν φορτίο μια ωμική αντίσταση R=100Ω και ένα πηνίο L=0.06H (σε σειρά) Για διαφορετικές τιμές της γωνίας έναυσης α παρατηρείστε στον παλμογράφο την τάση φορτίου U D και το ρεύμα φορτίου I D. Σχεδιάστε τις αντίστοιχες κυματομορφές για α=90 ο και α=150 ο μοίρες Για διαφορετικές τιμές της γωνίας εναυσης α μετρείστε τη μέση τιμή της τάσης εξόδου U Dia καθώς και, την ενεργό ισχύ Ρ. (Σύνδεση Βαττομετρου η και αμπερομετρου - βολτομέτρου στους ακροδέκτες μέτρησης ισχύος. Εάν το βαττομετρο είναι ψηφιακό καταχωρίστε στον πίνακα την άεργο ισχύ, την ενεργό ισχύ, την φαινόμενη ισχύ, το cosφ, και το ρεύμα εισόδου Ι εν.) a o U εν. (V) U Dia (V) I εν (A) P(watt) S=V εν.* I εν (VA) Q VAR VA cosφ a 1 a 2 κ.οκ Με βάση τον πίνακα υπολογίστε και. σχεδιάστε τις συναρτήσεις: 1. Ρ = F(a), 2. Q = F(a), 3. U Dia / U DiΜαχ = F(a): Χαρακτηριστική ελέγχου όπου U DiΜαχ η μέγιστη τιμή της τάσεως φορτίου για α =0 ο. 4. Κ = Ρ / S = F(a), Ποια είναι τα συμπεράσματα σας για κάθε μια από τις σχεδιασθείσες συναρτήσεις; Τα συμπεράσματα να γράφονται κάτω από την κάθε καμπύλη Σε τι εξυπηρετούν; Με βάση (ως οδηγός) το παράδειγμα της παραγράφου 2.5, ΤΟ ΚΥΚΛΩΜΑ RL ΜΕ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΗ ΤΑΣΗ, και για μια γωνία εναυσης α ι του πίνακα της παραγράφου υπολογίστε το απαραίτητο στοιχείο διόρθωσης της ισχύος. 7-18

135 Για α=0 ο και για διαφορετικές σταθερές χρόνου t i = ωl/r (δηλ. διαφορετικούς συνδυασμούς πηνίων και ωμικών αvτιστάσεωv φορτίου, t 1 =ωl/r, t 2 =ω2l/r, t 3 =ωl/2r), παρατηρείστε στον παλμογράφο τις κυματομορφές του ρεύματος φορτίου (τάση πάνω στην αντίσταση SHUNT) και σχεδιάστε τις αντίστοιχες κυματομορφες Εξηγείστε τις διαφορές που παρουσιάζουν οι καμπύλες Για τις διαφορετικές σταθερές χρόνου t 1, t 2, t 3 υπολογίσετε με τη βοήθεια του παλμογράφου την οριακή γωνία κενού α g (είναι η γωνία όπου το ρεύμα αρχίζει να έχει περιοχές κενού). Εξηγείστε τις διαφορές Για διαφορετικές αντιστάσεις φορτίου R (R=50Ω εκάστη) μετρείστε με το βολτόμετρο τους μέσους όρους της τάσης φορτίου και ρεύματος φορτίου (χαρακτηριστική φορτίου). Επαναλάβετε τη μέτρηση για διάφορες τιμές της γωνίας έναυσης α i (τουλάχιστον πέντε (5) τιμές), όπως απεικονίζεται στον παρακάτω πίνακα. a U Dia I D R 1 a 1 R 1 +R 2 a 1 R 1 +R 2 +R 3 a 1 R 1 +R 2 +R 3 +R 4 a 1 a U Dia I D R 1 a 2 R 1 +R 2 a 2 R 1 +R 2 +R 3 a 2 R 1 +R 2 +R 3 +R 4 a 2 κ.ο.κ Από τους πέντε ανωτέρω πίνακες σχεδιάστε όλες τις χαρακτηριστικές φορτίου (για όλες τις γωνίες εναυσης α) σε ένα διάγραμμα: U Dia = F (I D ). 7-19

136 7.2.2 ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ ΜΕ ΔΙΟΔΟ ΕΛΕΥΘΕΡΗΣ ΔΙΕΛΕΥΣΗΣ Επαναλάβετε τις μετρήσείς και παλμογραφήσεις τις παραγράφου (ωμικό-επαγωγικό φορτίο) συνδέοντας στο κύκλωμα τη δίοδο ελεύθερης διέλευσης. Συνδέστε σαν φορτίο μία ωμική αντίσταση R=100Ω και ένα πηνίο L=0.06H σε σειρά Για διαφορετικές τιμές της γωνίας έναυσης α παρατηρείστε στον παλμογράφο την τάση φορτίου U D και το ρεύμα φορτίου I D. Σχεδιάστε τις αντίστοιχες κυματομορφές για α=90 ο και α=150 ο μοίρες Για διαφορετικές τιμές της γωνίας εναυσης α μετρείστε τη μέση τιμή της τάσης εξόδου U Dia καθώς και την ενεργό ισχύ Ρ στους ακροδέκτες μέτρησης ισχύος.(εάν το βαττομετρο είναι ψηφιακό καταχωρίστε στον πίνακα την άεργο ισχύ, την ενεργό ισχύ, την φαινόμενη ισχύ, το cosφ, και το ρεύμα εισόδου) a o U εν. (V) U Dia (V) I εν (A) P(watt) S=V εν.* I εν (VA) Q VAR VA cosφ a 1 a 2 k.o.k Με βάση τον πίνακα, υπολογίστε και. σχεδιάστε τις συναρτήσεις: 1. Ρ = F(a), 2. Q = F(a), 3. U Dia / U DiΜαχ = F(a), χαρακτηριστικη ελέγχου όπου U Di Μαχ η μέγιστη τιμή της τάσεως φορτίου για α =0 ο. 4. Κ = Ρ / S = F(a), Ποια είναι τα συμπεράσματα σας για κάθε μια από τις σχεδιασθείσες συναρτήσεις; Σε τι εξυπηρετούν; Με βάση (ως οδηγός) το παράδειγμα της παραγράφου 2.5, ΤΟ ΚΥΚΛΩΜΑ RL ΜΕ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΗ ΤΑΣΗ, και για μια γωνία εναυσης α ι του πίνακα της παραγράφου υπολογίστε το απαραίτητο στοιχείο διόρθωσης της ισχύος Για α=0 και για διαφορετικές σταθερές χρόνου t i = ωl/r (δηλ. διαφορετικούς συνδυασμούς πηνίων και ωμικών αvτιστάσcωv φορτίου, t 1 =ωl/r, t 2 =ω2l/r, t 3 =ωl/2r), παρατηρείστε στον παλμογράφο τις κυματομορφές του 7-20

137 ρεύματος φορτίου (τάση πάνω στην αντίσταση SHUNT) και σχεδιάστε τις αντίστοιχες κυματομορφες. Εξηγείστε τις διάφορες που παρουσιάζουν οι καμπύλες Για τις διαφορετικές σταθερές χρόνου t 1,t 2,t 3 υπολογίσετε με τη βοήθεια του παλμογράφου την οριακή γωνία κενού α g (είναι η γωνία όπου το ρεύμα αρχίζει να έχει περιοχές κενού). Εξηγείστε τις διαφορές Για διαφορετικές αντιστάσεις φορτίου R (R=50Ω) μετρείστε με το πολύμετρο τους μέσους όρους της τάσης φορτίου και ρεύματος φορτίου (χαρακτηριστική φορτίου). Επαναλάβετε τη μέτρηση για διάφορες τιμές της γωνίας έναυσης α i (τουλάχιστον πέντε (5) τιμές) a U Dia I D R 1 a 1 R 1 +R 2 a 1 R 1 +R 2 +R 3 a 1 R 1 +R 2 +R 3 +R 4 a 1 a U Dia I D R 1 a 2 R 1 +R 2 a 2 R 1 +R 2 +R 3 a 2 R 1 +R 2 +R 3 +R 4 a 2 κ.ο.κ Από τους πέντε ανωτέρω πίνακες σχεδιάστε όλες τις χαρακτηριστικές φορτίου (για όλες τις γωνίες εναυσης α) σε ένα διάγραμμα: U Dia = F ( I D ). Συγκρίνετε τα αποτελέσματα των μετρήσεων των δύο κυκλωμάτων (με και χωρίς δίοδο). Τι συμπεράσματα προκύπτουν; 7-21

138 7.2.3 ΚΥΚΛΩΜΑ ΕΛΕΓΧΟΥ Συνδέετε στη συσκευή ωμικό φορτίο R=100Ω. Παρατηρείστε στον παλμογράφο διπλής δέσμης την τάση συγχρονισμού (σήμα V SYN ) και τους παλμούς στο θυρίστορ Τ Ι (σήμα Ι Τ1 ). Ρυθμίστε τη γωνία έναυσης στις 30 ο μοίρες Σχεδιάστε τις κυματομορφές σε διάγραμμα. Παρατηρείστε στον παλμογράφο την τάση συγχρονισμού και τους παλμούς στο θυρίστορ Τ 2 (σήμα Ι Τ2 ) Σχεδιάστε τους παλμούς στο παραπάνω διάγραμμα. 7-22

139 Κεφάλαιο 8 SR5: ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ ΕΞΙ ΠΑΛΜΩΝ Ο σκοπός της άσκησης είναι η μετατροπή της εναλλασσόμενης τάσης τριών φάσων του δικτύου σε μια συνεχή τάση (με ωμικά και σύνθετα φορτία) της οποίας ο μέσος όρος ρυθμίζεται με τη χρονική μετατόπιση των παλμών έναυσης από μια μέγιστη τιμή μέχρι το μηδέν. ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 8.1 ΘΕΩΡΙΑ Γενικά Βασικό κύκλωμα Μετασχηματιστής Έλεγχος Ψύξη Εφαρμογές Τριφασικός μετατροπέας πλήρως ελεγχόμενος χωρίς δίοδο ελεύθερης διέλευσης Χαρακτηριστική καμπύλη ελέγχου Άεργος ισχύς Τριφασικός μετατροπέας πλήρως ελεγχόμενος με δίοδο ελεύθερης διέλευσης Αρχική λειτουργίας Χαρακτηριστική καμπύλη ελέγχου Άεργος ισχύς Τριφασικός μετατροπέας μερικά ελεγχόμενος με και χωρίς δίοδο ελεύθερης διέλευσης Αρχή λειτουργίας Χαρακτηριστική καμπύλη ελέγχου Άεργος ισχύς ΔΙΕΞΑΓΩΓΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΩΝ Μετατροπέας πλήρως ελεγχόμενος χωρίς δίοδο ελεύθερης διέλευσης 8-1

140 Παλμοδότηση της γέφυρας Ωμικό φορτίο Ωμικό-επαγωγικό φορτίο Μετατροπέας πλήρως ελεγχόμενος με δίοδο ελεύθερης διέλευσης Μετατροπέας μερικά ελεγχόμενος Κύκλωμα ελέγχου 8-2

141 8.1.0 ΘΕΩΡΙΑ ΓΕΝΙΚΑ Βασικό κύκλωμα Το διάγραμμα 8.1 δείχνει το βασικό κύκλωμα ενός τριφασικού μετατροπέα. Αν όλοι οι ηλεκτρονικοί διακόπτες είναι θυρίστορ, τότε ο μετατροπέας είναι πλήρως ελεγχόμενος. Αν οι διακόπτες Τ 4,Τ 5,Τ 6 είναι δίοδοι, τότε ο μετατροπέας ονομάζεται μερικά ελεγχόμενος. Η δίοδος ελεύθερης διέλευσης D F δεν είναι απαραίτητη για τη βασική λειτουργία του κυκλώματος, αλλά εξυπηρετεί στην αντιστάθμιση άεργου ισχύος και βοηθάει, στο να μην υπερφορτίζεται ο μετατροπέας Μετασχηματιστής Επειδή δεν χρησιμοποιείται ο μηδενικός αγωγός, ο μετατροπέας θα μπορούσε να συνδεθεί και απ' ευθείας με το δίκτυο, χωρίς τη μεσολάβηση μετασχηματιστή. Ο τελευταίος είναι όμως στην πράξη απαραίτητος, για το διαχωρισμό δυναμικού από το δίκτυο καθώς και για την εξομάλυνση ταλαντώσεων που προέρχονται από το μετατροπέα και χωρίς τη χρήση μετασχηματιστή θα περνούσαν στο δίκτυο. Εξαιτίας των μη ημιτονοειδών παραμορφώσεων στα ρεύματα του δευτερεύοντος, που δημιουργεί ο μετασχηματιστής (κορεσμός), η χρήση του συνεπάγεται κάποιες επιπλέον απώλειες. Έτσι η ονομαστική ισχύς που μπορούμε να πάρουμε από το μετατροπέα μακραίνει όταν χρησιμοποιείται μετασχηματιστής. 8-3

142 Έλεγχος Το κύκλωμα ελέγχου παρέχει τους παλμούς έναυσης για τα επί μέρους θυρίστορ. Οι παλμοί αυτοί πρέπει να συγχρονισθούν με το δίκτυο, ώστε τα θυρίστορ να ανάβουν στην επιθυμητή γωνία έναυσης α o. Η γωνία αυτή μπορεί να ρυθμιστεί μεταξύ 0 ο και 150 ο μοιρών. Διάγραμμα 8.2: Σειρές παλμών του τμήματος ελεγχου Κάθε θυρίστορ δέχεται δύο παλμούς έναυσης σε απόσταση 60 ο μοιρών. Ο λόγος είναι ότι, κατά τη μετάβαση του ρεύματος από το ένα θυρίστορ στο άλλο, μπορεί να δημιουργηθούν ταλαντώσεις τάσης που προκαλούν αθέλητη σβέση. Στο διάγραμμα 8.2 φαίνονται οι σειρές παλμών έναυσης για κάθε θυρίστορ Ψύξη Εξαιτίας των μικρών διαστάσεων των θυρίστορ και των μεγάλων ρευμάτων που περνούν μέσα τους χρειάζονται οι διατάξεις αυτές ειδικά ψυκτικά. Τα θυριστορ στερεώνονται στην πιο απλή περίπτωση σε βάσεις από αλουμίνιο που αποτελούν συγχρόνως και το ψυκτικό. Όταν η γέφυρα προορίζεται για να περάσουν μερικές εκατοντάδες AMPERE, χρησιμοποιείται επί πλέον νερό σαν μέσο ψύξης. 8-4

143 Εφαρμογές Οι καταναλωτές ενός τριφασικού μετατροπέα κατατάσσονται σε τρεις κατηγορίες. 1. Παθητικά φορτία: Φορτία που αποτελούνται από παθητικά στοιχεία χωρίς πηγές τάσης ή ρεύματος, όπως φωτιστικά ή θερμαντικά σώματα. 2. Ηλεκτρικοί κινητήρες, που αποτελούν πηγές τάσης. Εδώ ο μετατροπέας χρησιμοποιείται για την τροφοδοσία κινητήρων συνεχούς ρεύματος με αυτόματο έλεγχο στροφών στην παραγωγή ή στην κίνηση οχημάτων. 3. Ηλεκτρικά δίκτυα συνεχούς ρεύματος, π. χ. για φόρτιση συσσωρευτών. Η ισχύς των μετατροπέων που χρησιμοποιούνται μέχρι σήμερα φθάνει μερικές δεκάδες MW. 8-5

144 8.1.2 ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ ΠΛΗΡΩΣ ΕΛΕΓΧΟΜΕΝΟΣ ΧΩΡΙΣ ΔΙ0Δ0 ΕΛΕΥΘΕΡΗΣ ΔΙΕΛΕΥΣΗΣ Χαρακτηριστική καμπύλη ελέγχου Σαν χαρακτηριστική καμπύλη ελέγχου ονομάζουμε τη συνάρτηση U DIA = F(a), δηλαδή την εξάρτηση του μέσου όρου της μη εξομαλυμένης συνεχούς τάσης του μετατροπέα από τη γωνία έναυσης α. Στο διάγραμμα 8.3 φαίνονται οι κυματομορφές τάσεων και ρευμάτων για μια γωνία εναυσης α =15 μοίρες. Διάγραμμα 8.3: Κυματομορφές πλήρως ελεγχόμενου μετατροπέα χωρίς δίοδο ελεύθερης διέλευσης Σε μη ελεγχόμενη κατάσταση, δηλ. για γωνία εναυσης α=0, η συνεχής τάση αποτελείται από τις διαφορές των τάσεων στα δευτερεύοντα τυλίγματα του μετασχηματιστή. Αυτό σημαίνει ότι το ρεύμα περνάει από το θυρίστορ που έχει το μέγιστο (κατ απόλυτη τιμή) δυναμικό. 8-6

145 Τα ρεύματα του διαγράμματος 8.3 είναι, εφόσον περνούν από τους αντίστοιχους κλάδους, σταθερά, γιατί οι αυτεπαγωγιμότητες του κυκλώματος θεωρούνται, αρκετά μεγάλες, ώστε να τα εξομαλύνουν. Από το διάγραμμα 8.3 φαίνεται ότι, ο μέσος όρος της συνεχούς τάσης U DI για α = 0 ('φυσική στιγμή έναυσης) είναι: Ο όρος U di συμβολίζει τον μέγιστο μέσο όρο συνεχούς τάσης για γωνία εναυσης α =0 ο. Οι τρεις τάσεις U s1, U s2, U s3 είναι ημιτονοειδής: U s1 = U m sin(ωt) U s2 = U m sin(ωt - 2π/3) U s3 = U m sin(ωt + 2π/3) η ακόμη μπορούμε να απεικονίσουμε τις τρεις τάσεις ως: u u u s1 s2 s3 2 U 2 U 2 U cos x 2 cos(x ) 3 4 cos(x ) 3 Και ο μέσος όρος της τάσεως εξόδου για γωνία εναυσης α = 0 ο υπολογίζεται με (αντικατάσταση): 3 3 Umax 3 3 Umax U2 Udi Udc cos a Όταν η γωνία α γίνει μεγαλύτερη του μηδενός, οι εναύσεις μετατοπίζονται κατά α, ενώ η χρονική περίοδο που κάθε θυριστορ φέρει ρεύμα παραμένει στις 120 μοίρες. Στην περίπτωση αυτή, ο μέσος όρος της τάσης εξόδου υπολογίζεται από την σχέση: U U Για a = 90 ο μοίρες, ο μέσος όρος μηδενίζεται. 3 Udi (us1 us2)d( t) 0 a 5 0 dia (us1 us3)d( t) a dia 3 3 U max 3 6 cos a U 2 cos a U di cos a Άεργος ισχύς Εξαιτίας της διαφοράς φάσης μεταξύ τάσεων και ρευμάτων στα διάφορα θυριστορ του μετατροπέα, δημιουργείται μια άεργος ισχύς, η οποία εξαρτάται από τη γωνία έναυσης α. 8-7

146 Η άεργος αυτή ισχύς συνήθως παριστάνεται σαν ημικύκλιο σε συνάρτηση της συνεχούς τάσης U DIA, με παράμετρο τη γωνία εναυσης α (διάγραμμα 8.4). Διάγραμμα. 4: Αεργος ισχύς σε συνάρτηση της συνεχούς τάσης Διάγραμμα 8.4: Αεργος ισχύς σε συνάρτηση της συνεχούς τάσης Εξήγηση συμβόλων: Ρ 2b : Άεργος ισχύς, P 2smax : Μέγιστη φαινομενική ισχύς, U dia : Μέσος όρος συνεχούς τάσης για γωνία εναυσης α, U di : Μέγιστος μέσος όρος συνεχούς τάσης για γωνία εναυσης α = 0 ο Η μέγιστη φαινομενική ισχύς ισούται με: P 2smax = U di * I d Η γωνία εναυσης α δεν μπορεί να φθάσει το όριο των 180 ο μοιρών, γιατί τα θυριστορ χρειάζονται κάποιους χρόνους σβέσης και επανάκτησης που συνεπάγονται καθυστερήσεις. Χαρακτηριστικό μέγεθος για το μετατροπέα είναι η γωνία γ, που εκφράζει την ελάχιστη απόσταση από το θεωρητικό όριο των 180 ο μoιρων μέχρι την οποία μπορεί να ελεγχθεί ο μετατροπέας. Συνήθως η γωνία αυτή είναι της τάξης των 30 ο μoιpώv. 8-8

147 8.1.3 ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ ΠΛΗΡΩΣ ΕΛΕΓΧΟΜΕΝΟΣ ΜΕ ΔΙΟΔΟ ΕΛΕΥΘΕΡΗΣ ΔΙΕΛΕΥΣΗΣ Αργή λειτουργίας- κυματομορφες Διάγραμμα 8.5: Κυματομορφές πλήρως ελεγχόμενου μετατροπέα μα δίοδο ελεύθερης διέλευσης. Για μετατροπέα χωρίς δίοδο ελεύθερης διέλευσης, η στιγμιαία τιμή της τάσης U D στο φορτίο μπορεί, για γωνίες εναυσης α μεγαλύτερες των 120 ο μουρών, να γίνει αρνητική. Όταν υπάρχει δίοδος ελεύθερης διέλευσης και η στιγμιαία τιμή της τάσης 8-9

148 τείνει να γίνει αρνητική, τότε το ρεύμα περνά από αυτή, και η τάση στο φορτίο παραμένει μηδέν μέχρι την έναυση του επόμενου θυριστορ (διάγραμμα 8.5) Χαρακτηριστική καμπύλη ελέγχου Η παρουσία της διόδου ελεύθερης διέλευσης έχει σαν συνέπεια η σχέση τάσης - γωνίας έναυσης να διαφοροποιείται ανάλογα με την περιοχή ελέγχου: Για τιμές του α μεταξύ 0 ο και 60 ο μοιρών, η συμπεριφορά του μετατροπέα είναι η ίδια, είτε υπάρχει είτε δεν υπάρχει η δίοδος: U dia = U di cosa Για τιμές του α μεταξύ 60 ο και 120 ο μοιρών, το ρεύμα περνά από τη δίοδο και η τάση είναι μηδέν. Η χαρακτηριστική καμπύλη υπολογίζεται ως εξής: U dia (u s1 u s2 )d( t) Udi1 cos a 60 a a Για τιμές του α μεταξύ 120ο και 180ο-γ μοιρών (γ: οριακή γωνία προστασίας) ο μετατροπέας δεν τροφοδοτεί τον καταναλωτή και η τάση παραμένει μηδέν για το διάστημα: U 0 dia a Άεργος ισχύς με δίοδο ελεύθερης διέλευσης Από τη συνάρτηση άεργου ισχύος - συνεχούς τάσης (διάγραμμα 8.6) φαίνεται η χρησιμότητα της διόδου ελεύθερης διέλευσης: Διάγραμμα 8.6: Αεργος ισχύς σε συνάρτηση της συνεχούς τάσης (δίοδος ελεύθερης διέλευσης). Η τελευταία περιορίζει αισθητά την άεργο ισχύ, όπως φαίνεται από τη σύγκριση των διαγραμμάτων 8.4 και

149 8.1.4 ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ ΜΕΡΙΚΑ ΕΛΕΓΧΟΜΕΝΟΣ ΜΕ ΚΑΙ ΧΩΡΙΣ ΔΙΟΔΟ ΕΛΕΥΘΕΡΗΣ ΔΙΕΛΕΥΣΗΣ Αργή λειτουργίας Όπως αναφέρθηκε και στο κεφάλαιο , στην περίπτωση αυτή μόνο το ένα ήμισυ της γέφυρας αποτελείται από θυρίστορ, ενώ το άλλο από διόδους. Τα πλεονεκτήματα της διάταξης αυτής απέναντι στον πλήρως ελεγχόμενο μετατροπέα είναι τα εξής: Χαμηλότερο κόστος, γιατί τα θυρίστορ είναι πολύ πιο ακριβά από τις διόδους και επί πλέον το κύκλωμα ελέγχου είναι απλούστερο, εφόσον ελέγχει 3 αντί 6 θυρίστορ. Προσφέρει μικρότερη άεργος ισχύς στο δίκτυο. Στο διάγραμμα 8.7 παριστάνονται οι σχετικές κυματομορφές για μια γωνία έναυσης α = 15 ο μοίρες (Τ 1,Τ 2,Τ 3 : θυρίστορ, και T 4,T 5,T 6 : δίοδοι). Διάγραμμα 8.7: Κυματομορφές μερικά ελεγχόμενου μετατροπέα για α= 15 μοίρες χωρίς δίοδο ελεύθερης διέλευσης 8-11

150 Από το διάγραμμα αυτό φαίνεται, και το βασικό μειονέκτημα της διάταξης σε σχέση με τις προηγούμενες: Η συνεχής τάση είναι πολύ λιγότερο εξομαλυμένη, δηλ. παρουσιάζει περισσότερες ανώτερες αρμονικές που αυξάνουν τις απώλειες. Η τάση αυτή λέμε ότι έχει περιοδικότητα τριών παλμών σε αντίθεση με τον πλήρως ελεγχόμενο μετατροπέα, που έχει, περιοδικότητα έξι παλμών. Το άλλο μειονέκτημα είναι ότι με τη διάταξη αυτή δεν μπορεί να επιτευχθεί μηδενική συνεχής τάση. Η ενσωμάτωση μιας διόδου ελεύθερης διέλευσης βελτιώνει τη συμπεριφορά του συστήματος αλλά δεν αλλάξει την αρχή λειτουργίας ούτε καταργεί τα βασικά του μειονεκτήματα. Για το λόγο αυτό η περίπτωση αυτή δεν εξετάζεται εδώ χωριστά. Το διάγραμμα 8.8 δείχνει τις κυματομορφές για α = 90 ο μοίρες. Διάγραμμα 8.8: Κυματομορφές για α= 90 μοίρες 8-12

151 Χαρακτηριστική καμπύλη ελέγχου Η χαρακτηριστική καμπύλη ελέγχου για την περίπτωση αυτή είναι: 3 6 U Udia 2 1 cosa) Άεργος ισχύς Στο διάγραμμα 8.9 παριστάνεται, η αντίστοιχη συνάρτηση άεργου ισχύος. Διάγραμμα 8.9: Άεργος ισχύς σε συνάρτηση της συνεχούς τάσης (μερικά ελεγχόμενος μετατροπέας). Όπως ήδη αναφέρθηκε, η άεργος ισχύς στην ημιελεγχόμενη γέφυρα είναι πολύ μικρότερη από εκείνη στην πλήρως ελεγχόμενη. 8-13

152 ΤΜΗΜΑ METPHΣEΩN ΣΥΣΚΕΥΗΣ SR5 To πάνελ μετρήσεων περιλαμβάνει τους ακροδέκτες Β 1 - Β 15 (τμήμα ελέγχου) και Β 16 - Β 30 (τμήμα ισχύος). 1. Ακροδέκτες στο τμήμα ελέγχου Οι μετρήσεις γίνονται με σημείο αναφοράς τον ακροδέκτη Β 1Ο (COMMON). 1.1 B 11 : +15V, θετική τάση τροφοδοσίας, δυνατότητα τροφοδοσίας πρόσθετων εξωτερικών μονάδων ελέγχου. 1.2 Β 12 : -15V, αρνητική τάση τροφοδοσίας, δυνατότητα τροφοδοσίας πρόσθετων εξωτερικών μονάδων ελέγχου. 1.3 Β 1 : U ST, συνεχής τάση ελέγχου (καθορισμού γωνίας έναυσης). U ST : 0.10V με R 1 =4.7KΩ. Γεφυρώνοντας τα σημεία Β 1 και Β 2 η τάση αυτή εισέρχεται στη μονάδα περιορισμού περιοχής. Στο σημείο Β 2 μπορεί επίσης μετά από την απομάκρυνση της γέφυρας Β1, Β2 να εφαρμοστεί εξωτερική τάση ελέγχου. (0..10V). 1.4 Β 3 : U ST,έξοδος μονάδας περιορισμού περιοχής έναυσης. Με τα τρίμμερ Ρ2 και Ρ1 καθορίζεται η ανώτατη και κατώτατη γωνία έναυσης. Γυρίζοντας το ποτενσιόμετρο στη θέση 0 μετράμε τη τάση U ST, που αναλογεί στην ανώτατη γωνία έναυσης (180 ο μοίρες), στη θέση 10 τη κατώτατη γωνία έναυσης (0 ο ). 1.5 Β 13,Β 14,Β 15 : V RT, V SR, V TS, τάσεις συγχρονισμού παλμών έναυσης. Σημείωση: οι παραπάνω τάσεις έχουν διαφορά φάσης 180 ο μοιρών από τις πραγματικές τάσεις συγχρονισμού. Οι πραγματικές τάσεις προκύπτουν κατά τη παλμογράφηση εάν αντιστραφεί το εκάστοτε σήμα (INVERT CHANNEL). 8-14

153 1.6 Β 4 : Παλμοί έναυσης του θυρίστορ Τ Β 5 : Παλμοί έναυσης του θυρίστορ Τ Β 6 : Παλμοί έναυσης του θυρίστορ Τ Β 7 : Παλμοί έναυσης του θυρίστορ Τ Β 8 : Παλμοί έναυσης του θυρίστορ Τ B 9 : Παλμοί έναυσης του θυρίστορ Τ διακόπτης S 2 ακυρώνει τους παλμούς έναυσης στη θέση ΟΝ Το ενδεικτικό LED1 δείχνει την ύπαρξη τάσης τροφοδοσίας στο τμήμα ελέγχου Το ενδεικτικό: LED2 ανάβει σε περίπτωση σύνδεσης της συσκευής σε αριστερόστροφο περιστροφικό πεδίο. LED3 ανάβει σε περίπτωση υπέρτασης ή υπότασης. Σε κάθε μία των παραπάνω περιπτώσεων ακυρώνεται η λειτουργία της συσκευής. 2. Ακροδέκτες στο τμήμα ισχύος 2.1 Β 25, Β 26, Β 27, Β 28, Β 29 : Διάταξη ακροδεκτών για τη μέτρηση ισχύος (ARON). 2.2 B 24, B 21 : Τάση στο θυρίστορ Τ Β 23, Β21: Τάση στο θυριστορ Τ Β 22, Β 21 : Τάση στο θυρίστορ Τ Β 18, Β 24 : Τάση στο θυριστορ Τ Β 18, Β 23 : Τάση στο θυρίστορ Τ

154 2.7 Β 18, Β 22 : Τάση στο θυριστορ Τ B 18, B 19 και Β 30, Β 20 η Β 21 : Γέφυρες για τη σύνδεση της διόδου ελεύθερης ροής στην έξοδο του μετατροπέα. 2.9 Β 21, Β 20 : Αντίσταση SHUNT για τη παλμογράφηση του ρεύματος φορτίου Β 16, Β 17 : Τάση φορτίου. Ακροδέκτες σύνδεσης οργάνων μέτρησης 3.1 Β 16, Β 17 : Σύνδεση φορτίου, Αμπερομετρου (Ρεύμα φορτίου), βολτομέτρου (τάση φορτίου) και παλμογράφου. 3.2 Β 25, Β 26,Β 29 : Σύνδεση βαττομετρου Β2 6, Β 27,Β 28, Β 29 : Σύνδεση βαττομετρου 3.3 Β 13,Β 14,Β 15 -Β 10 : Σύνδεση παλμογράφου (κυματομορφη τάσεως εισόδου). 3.4 Β 4,Β 5,Β 6,Β 7,Β 8,Β 9 -Β 10 : Σύνδεση παλμογράφου για μέτρηση παλμών εναυσης θυριστορ. 8-16

155 8-17

156 ΕΝΑΡΞΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΗΣ ΣΥΣΚΕΥΗΣ 1. Τοποθετούμε τον διακόπτη INH στη θέση ΟΝ (ακύρωση παλμών) 2. Τοποθετούμε τον κεντρικό διακόπτη S1στη θέση 0 3. Συνδέουμε στη συσκευή κατάλληλο φορτίο και όργανα μέτρησης 4. Γυρίζουμε το ποτενσιόμετρο ελέγχου στη θέση 0 5. Κλείνουμε τον διακόπτη δικτύου 6. Τοποθετούμε τον κεντρικό διακόπτη της συσκευής S1στη θέση Ανάβει η ενδεικτική λυχνία 8. Στο βολτόμετρο (V) παρατηρούμε την τάση δικτύου 9. Ανάβει το ενδεικτικό LED τροφοδοσίας 7. Τοποθετούμε το διακόπτη INH στη θέση OFF (ελευθέρωση παλμών). Η συσκευή βρίσκεται σε θέση λειτουργίας ΔΙΑΚΟΠΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΗΣ ΣΥΣΚΕΥΗΣ 1. Γυρίζουμε το ποτενσιόμετρο ελέγχου R στη θέση Τοποθετούμε το διακόπτη INH στη θέση ON (Ακύρωση παλμών). 3. Τοποθετούμε τον κεντρικό διακόπτη της συσκευής S1στη θέση Αποσυνδέουμε τη συσκευή από το δίκτυο ανοίγοντας το διακόπτη παροχής. 8-18

157 8.2 ΔΙΕΞΑΓΩΓΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΟΣ O σπουδαστής επιλέγει μόνος του τα όργανα μέτρησης ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΣ ΠΛΗΡΩΣ ΕΛΕΓΧΟΜΕΝΟΣ ΧΩΡΙΣ ΔΙΟΔΟ ΕΛΕΥΘΕΡΗΣ ΔΙΕΛΕΥΣΗΣ. ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΓΩΝΙΑΣ ΕΝΑΥΣΗΣ ΘΥΡΙΣΤΟΡ Συνδέστε στη συσκευή ωμικό φορτίο R=100Ω. Παρατηρείστε (ως προς γη = Β 10 ) στον παλμογράφο διπλής δέσμης π.χ την πολική τάση συγχρονισμού (σήμα V SYN = V RT ) και τους παλμούς στο θυρίστορ Τ Ι (σήμα Ι Τ1 ) η όποιο άλλο θυριστορ σας εξυπηρετεί καλύτερα (π.χ Ι Τ4 ). Ταση Συγχρονισμού Ζεύγος Θυριστορ V RT (Β 13 ) Ι Τ1 - Ι Τ4 V SR (Β 14 ) Ι Τ2 - Ι Τ5 V TS (Β 15 ) Ι Τ3 - Ι Τ6. Μεταβάλετε τη γωνία έναυσης, παρατηρώντας τους παλμούς εναυσης και την τάση συγχρονισμού ταυτόχρονα, από 0 ο έως την μεγίστη τιμή της. (Ποτενσιόμετρο ρύθμισης γωνίας εναυσης). Πόση είναι η μεγίστη τιμή της γωνίας εναυσης σε μοίρες? Παρατηρώντας την βάση χρόνου (time base) του παλμογράφου σας σε πόσα millisecond αντιστοιχεί η μεγίστη γωνία εναυσης? Κάθε ένα millisecond σε πόσες μοίρες αντιστοιχεί? Ρυθμίστε τη γωνία έναυσης στις 30 μοίρες. Σχεδιάστε τις κυματομορφές σε διάγραμμα. 8-19

158 Παλμοδότηση της γέφυρας Παρατηρείστε στον παλμογράφο τις κυματομορφές των παλμοσειρών που δέχονται, oι πύλες των θυρίστορ (ακροδέκτες πυλών) μαζί με τις αvτιστoιχες τάσεις του δευτερεύοντος κυκλώματος του μετασχηματισμού διαχωρισμού από το δίκτυο (ακροδέκτες τάσεων συγχρονισμού) Καταχωρείστε τις κυματομορφες σε σχεδιάγραμμα, προσέχοντας τη διαφορά φάσης που έχουν μεταξύ τους Ωμικό φορτίο Συνδέστε για φορτίο μια ωμική αντίσταση R L =100Ω. Για διαφορετικές γωνίες έναυσης α ο παρατηρείστε στον παλμογράφο τις κυματομορφές των μεγεθών U D, I D (τάση και ρεύμα φορτίου), καθώς και της τάσης που εφαρμόζεται στο ένα θυρίστορ Μετρείστε την περιοχή λειτουργίας, για την οποία έχουμε μέγιστη ανάστροφη τάση θυρίστορ Εξηγείστε την κυματομορφή του ρεύματος φορτίου για γωνία έναυσης μεγαλύτερη των 60 ο μοιρών. Η μέτρηση της γωνίας έναυσης θα πραγματοποιηθεί με την βοήθεια του παλμογράφου στην αρχή του πειράματος, συγκρίνοντας τις δυο κυματομορφες: (τάση δικτύου, ακροδέκτες: Β 13 -Β 15, Β 10 και παλμοί εναυσης ακροδέκτες: Β 4 -Β 9, Β 10 ) Για διαφορετικές τιμές της γωνίας έναυσης α μετρείστε και καταχωρείστε σε αντίστοιχο πίνακα τις τιμές της μέσης τάσης φορτίου U DIA, του ρεύματος εισόδου στην συσκευή Ι εν,, της τασεως εισόδου στην συσκευή V εν, της ενεργού ισχύος Ρ, ακροδέκτες μέτρησης ισχύος και (εφόσον υπάρχει η δυνατότητα) της άεργου ισχύος Q. α U DIA V εν Ι εν P S =V εν *Ι εν Q VA U DIA /U DI cosφ α 1 α 2 κ.ο.κ 8-20

159 Υπολογίστε και σχεδιάστε τις αντίστοιχες συναρτήσεις: U DIA / U DI = F(a) (χαρακτηριστική ελέγχου), Ρ = F(a), Q = F(a), όπου U DI η μέγιστη τιμή του μέσου όρου για α=0 o ,2.4.4 Κ = Ρ / S = F(a), Ποια είναι τα συμπεράσματα σας για τις σχεδιασθείσες συναρτήσεις; Τα συμπεράσματα γράφονται κάτω από κάθε σχεδιαζόμενη καμπύλη Σε τι εξυπηρετούν; Με βάση (ως οδηγός) το παράδειγμα της παραγράφου 2.5, ΤΟ ΚΥΚΛΩΜΑ RL ΜΕ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΗ ΤΑΣΗ, και για μια γωνία εναυσης α ι του πίνακα της παραγράφου υπολογίστε το απαραίτητο στοιχείο διόρθωσης της ισχύος Ωμικό-επαγωγικό φορτίο Συνδέστε σαν φορτίο μια αντίσταση 100 Ω και ένα πηνίο 0.06Η σε σειρά Παρατηρείστε στον παλμογράφο τις κυματομορφές της τάσης και ρεύματος φορτίου Σχεδιάστε τις κυματομορφές τάσης και ρεύματος φορτίου για α=90 μοίρες Εξηγείστε τις διαφορές από τις αντίστοιχες κυματομορφές της προηγούμενης παραγράφου Για διαφορετικές τιμές της γωνίας έναυσης α, μετρείστε και καταχωρείστε σε αντίστοιχο πίνακα τις τιμές της μέσης τάσης φορτίου U DIA, του ρεύματος εισόδου στην συσκευή Ι εν, της ενεργού ισχύος Ρ στους ακροδέκτες μέτρησης ισχύος και (εφόσον υπάρχει η δυνατότητα) της άεργου ισχύος Q. α U DIA Ι εν P S=V εν *Ι εν Q VA U DIA /U DI cosφ α 1 α 2 κ.ο.κ 8-21

160 Υπολογίστε και σχεδιάστε τις αντίστοιχες συναρτήσεις: U DIA / U DI = F(a) (χαρακτηριστική ελέγχου), Ρ = F(a), Q = F(a), Κ = Ρ / S = F(a), όπου U DI η μέγιστη τιμή του μέσου όρου για α=0 ο Ποια είναι τα συμπεράσματα σας για τις σχεδιασθείσες συναρτήσεις; Τα συμπεράσματα γράφονται κάτω από κάθε σχεδιαζόμενη καμπύλη Σε τι εξυπηρετούν; Με βάση (ως οδηγός) το παράδειγμα της παραγράφου 2.5, ΤΟ ΚΥΚΛΩΜΑ RL ΜΕ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΗ ΤΑΣΗ, και για μια γωνία εναυσης α ι του πίνακα της παραγράφου υπολογίστε το απαραίτητο στοιχείο διόρθωσης της ισχύος. 8-22

161 8.2.2 ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ ΠΛΗΡΩΣ ΕΛΕΓΧΟΜΕΝΟΣ ΜΕ ΔΙΟΔΟ ΕΛΕΥΘΕΡΗΣ ΔΙΕΛΕΥΣΗΣ Επαναλάβετε τις παλμογραφήσεις και μετρήσεις της παραγράφου , συνδέοντας στο κύκλωμα και τη δίοδο ελεύθερης αγωγής. Συνδέστε σαν φορτίο μια αντίσταση 100 Ω και ένα πηνίο 0.06Η σε σειρά Παρατηρείστε στον παλμογράφο τις κυματομορφές της τάσης και ρεύματος φορτίου Σχεδιάστε τις κυματομορφές τάσης και ρεύματος φορτίου για α=90 o μοίρες Εξηγείστε τις διαφορές από τις αντίστοιχες κυματομορφές της προηγούμενης παραγράφου Για διαφορετικές τιμές της γωνίας έναυσης α, μετρείστε και καταχωρείστε σε αντίστοιχο πίνακα τις τιμές της μέσης τάσης φορτίου U DIA, της ενεργού ισχύος Ρ στους ακροδέκτες μέτρησης ισχύος, (τάσεως και ρεύματος ενεργού) και (εφόσον υπάρχει η δυνατότητα) της άεργου ισχύος Q. α U DIA Ι εν P S=V εν *Ι εν Q VA U DIA /U DI cosφ α 1 α 2 κ.ο.κ Υπολογίστε και σχεδιάστε τις αντίστοιχες συναρτήσεις: U DIA / U DI = F(a) (χαρακτηριστική ελέγχου), Ρ = F(a), Q = F(a), Κ = Ρ / S = F(a), όπου U DI η μέγιστη τιμή του μέσου όρου για α=0 o Εξηγείστε τις διαφορές των αποτελεσμάτων αυτών από τα προηγούμενα αποτελέσματα Σε τι εξυπηρετούν; Με βάση (ως οδηγός) το παράδειγμα της παραγράφου 2.5, ΤΟ ΚΥΚΛΩΜΑ RL ΜΕ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΗ ΤΑΣΗ, και για μια γωνία εναυσης α ι 8-23

162 του πίνακα της παραγράφου υπολογίστε το απαραίτητο στοιχείο διόρθωσης της ισχύος ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ ΜΕΡΙΚΑ ΕΛΕΓΧΟΜΕΝΟΣ Στην περίπτωση αυτή εξετάζεται μόνο το κύκλωμα χωρίς δίοδο ελεύθερης διέλευσης, καθώς η ύπαρξη της τελευταίας δεν επηρεάζει τις αντίστοιχες κυματομορφές. 0 ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ αλλάζει τη συνδεσμολογία της συσκευής, ώστε ο μετατροπέας να γίνει ημιελεγχόμενος. Επαναλάβετε τις μετρήσεις και παλμογραφήσεις της παραγράφου και εξηγείστε τις διαφορές ΚΥΚΛΩΜΑ ΕΛΕΓΧΟΥ Συνδέστε στη συσκευή ένα ωμικό φορτίο 400Ω 1. Παρατηρείστε στον παλμογράφο τις πολικές τάσεις U RT και U SR. 2. Σχεδιάστε τις ανεστραμμένες τάσεις U RT =-U RT και U SR =-U SR σε διάγραμμα. 3. Επαναλάβετε την παλμογράφηση για την τάση U TS. 4. Προσθέστε την ανεστραμμένη τάση U TS =-U TS στο διάγραμμα. 5. Παρατηρείστε στον παλμογράφο την ανεστραμμένη τάση U RT (η ανάστροφη γίνεται με τη σύνδεση του σήματος στο κανάλι INVERT CHANNEL) και τους παλμούς στο θυρίστορ Τ 1 (σήμα Ι Τ1 ). 5.1 Ρυθμίστε τη γωνία έναυσης στις 30 ο μοίρες. Μαζί με την ίδια τάση παρατηρείστε τους παλμούς στο θυρίστορ Τ 4 (σήμα Ι Τ4 ). 5.2 Προσθέστε τους παλμούς των δύο θυρίστορ στο διάγραμμα. 6. Επαναλάβετε τις παραπάνω παλμογραφήσεις για την τάση U SR και τους παλμούς των θυρίστορ Τ 2 και Τ 5 (σήματα Ι Τ2 και Ι Τ5 ). 7. Προσθέστε και αυτούς τους παλμούς στο διάγραμμα. 8. Επαναλάβετε τα παραπάνω για την τάση U TS και τους παλμούς των θυρίστορ Τ 3 και T 6. Παρατήρηση: Οι μετρήσεις στο κύκλωμα ελέγχου γίνονται ανεξάρτητα από τη συνδεσμολογία του κυκλώματος ισχύος. Το κύκλωμα ελέγχου δίνει τους ίδιους παλμούς, είτε ο μετατροπέας είναι πλήρως είτε μερικά ελεγχόμενος. 8-24

163 Κεφάλαιο 9 SR6: ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΣΕ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΟ Σκοπος της ασκσης αυτης ειναι η παραγωγή ενός εναλλασσόμενου ρεύματος από μια πηγή συνεχούς οπου η συχνότητα της τάσης εξόδου ρυθμίζεται αυτοδύναμα από το κύκλωμα ελέγχου. ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 9.1 ΘΕΩΡΙΑ Εισαγωγή Αρχή λειτουργίας του αντιστροφέα Πρώτη προσέγγιση: Ισοδύναμο κύκλωμα με διακόπτες Δεύτερη προσέγγιση: Ισοδύναμο κύκλωμα με διόδους και διακόπτες Αντιστροφέας με εξαναγκασμένη οδήγηση Πραγματικό κύκλωμα Διάταξη μετάβασης Αντιστροφέας με οδήγηση φορτίου Πραγματικό κύκλωμα Σειριακός ταλαντωτής Κυματομορφές Γωνία έναυσης 9.2 ΔΙΕΞΑΓΩΓΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΩΝ Γενικές οδηγίες Αντιστροφέας με εξαναγκασμένη οδήγηση Αντιστροφέας με οδήγηση φορτίου 9-1

164 9.1 ΘΕΩΡΙΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Για την παραγωγή ενός εναλλασσόμενου ρεύματος από μια πηγή συνεχούς χρησιμοποιούνται στρεφόμενοι ή στατικοί αντιστραφείς. Οι πρώτοι είναι ζεύγη μηχανών (κινητήρας συνεχούς - ασύγχρονη ή σύγχρονη γεννήτρια), ενώ οι δεύτεροι είναι διατάξεις ηλεκτρονικής ισχύος χωρίς κινούμενα μέρη, με διόδους, θυρίστορ ή τρανζίστορ ισχύος. Με τη μεγάλη τεχνολογική πρόοδο στον τομέα της ηλεκτρονικής ισχύος, η χρήση των στατικών αντιστροφέων απλώνεται όλο και περισσότερο. Αν η συχνότητα της τάσης εξόδου ρυθμίζεται αυτοδύναμα από το κύκλωμα ελέγχου, τότε πρόκειται για αντιστροφέα με εξαναγκασμένη οδήγηση. Αν το φορτίο είναι σειριακός ταλαντωτής, τότε το κύκλωμα ελέγχου μπορεί να συγχρονισθεί με την ιδιοσυχνότητα του φορτίου, η οποία και καθορίζει τη συχνότητα της τάσης εξόδου. Στην περίπτωση αυτή πρόκειται για οδήγηση φορτίου ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ Πρώτη προσέγγιση: Ισοδύναμο κύκλωμα με διακόπτες. Η αρχή λειτουργίας του μονοφασικού αντιστροφέα εξηγείται, σε πρώτη προσέγγιση με το κύκλωμα των τεσσάρων διακοπτών (διάγραμμα 9.1). + - Αν ένα ζεύγος διακοπτών (π.χ. S 1, S 4 ) κλείνει και το άλλο- (π.χ. S 2, S 3 ) παραμένει ανοικτό, τότε δημιουργείται η τετραγωνική κυματομορφή του διάγραμμα 9.1 στην έξοδο του κυκλώματος 9-2

165 : Δεύτερη προσέγγιση: Ισοδύναμο κύκλωμα με διόδους και διακόπτες. Αν υλοποιηθούν τα στοιχεία S 1,.. S 4 του διαγράμματος 9.1 με διακόπτες ηλεκτρονικής ισχύος, πρέπει να ληφθεί υπόψη το εξής γεγονός: Το ρεύμα που ρέει σε έναν τέτοιο διακόπτη (δίοδο, θυρίστορ) πρέπει να έχει το ίδιο πρόσημο με την τάση, αλλιώς το στοιχείο δεν άγει. Αυτό σημαίνει ότι ο αντιστροφέας μπορεί να δώσει μόνο ενεργό ισχύ (τάση και ρεύμα πρέπει να βρίσκονται πάντα σε φάση), πράγμα που κάνει προβληματική την τροφοδοσία ενός μη ωμικού φορτίου. Αλλά φορτία που περιέχουν και επαγωγικό μέρος είναι πολύ συνηθισμένα. Ο περιορισμός αυτός μπορεί να αρθεί, αν ο κάθε διακόπτης του διάγραμμα 9.1 υλοποιηθεί όχι μόνο με ένα θυρίστορ, αλλά με ένα θυρίστορ (Τ) και μια αντιπαράλληλη δίοδο (D). Όπως εξηγείται παρακάτω, με τον τρόπο αυτόν είναι δυνατή η δημιουργία άεργου ισχύος (δηλ. διαφοράς φάσης μεταξύ ρεύματος και τάσης), ώστε να τροφοδοτούνται και φορτία με επαγωγικό μέρος. Για τη διερεύνηση των σχετικών κυματομορφών, θα εξετασθεί το ισοδύναμο κύκλωμα του διαγράμματος 9.2, στο οποίο τα θυρίστορ έχουν αντικατασταθεί με ζεύγη διόδων - διακοπτών σε σειρά. Οι διακόπτες ανοίγουν και κλείνουν ανά δύο (εκείνοι που έχουν διαφορά φάσης 180 ο μοίρες), όπως ακριβώς και στο διάγραμμα 9.1. Σε συνθήκες μόνιμης λειτουργίας και εφόσον το φορτίο είναι ωμικό-επαγωγικό, ισχύουν οι κυματομορφές του διαγράμματος

166 Διάγραμμα 9.3: Κυματομορφές αντιστροφέα για μικτό φορτίο χωρίς ειδική διάταξη μετάβασης Παρακάτω αναλύονται oι κυματομορφές του διαγράμματος 9.3. Χρονική στιγμή t 1 : Οι διακόπτες S 1 και S 4 κλείνουν, ενώ oι S 2 και S 3 ανοίγουν. Η συνεχής τάση U E εφαρμόζεται στο φορτίο, το οποίο από τη χρονική αυτή στιγμή και πέρα έχει τη σταθερή τάση U L =+U E. 9-4

167 To ρεύμα Ι L διατηρεί τη φορά του όμως και για κάποιο χρονικό διάστημα μετά τη στιγμή t 1 : Το επαγωγικό μέρος του φορτίου εμποδίζει το ρεύμα να αλλάξει διεύθυνση ακαριαία. Όμως, αν και οι διακόπτες S 1 και S 4 είναι ανοικτοί, το ρεύμα δεν μπορεί να περάσει από τα ισοδύναμα θυριστορ T 1 και Τ 4, εφόσον έχει αντίστροφή φορά από εκείνη της τάσης. Για το λόγω αυτό, περvάει από τις παράλληλες διόδους D l και D 4. Κατά τη χρονική διάρκεια t 1 ως t 2, το ρεύμα ρέει από το φορτίο προς την πηγή (I E =I D1 ). Πρέπει επομένως να ληφθεί μέριμνα ώστε η πηγή συνεχούς να μπορεί να παραλάβει αρνητικό ρεύμα. Η δυνατότητα αυτή υπάρχει αν χρησιμοποιηθεί συσσωρευτής σαν τέτοια πηγή. Στην περίπτωση ενός μετατροπέα, πρέπει να συνδεθεί παράλληλα με την πηγή και ένας πυκνωτής ο οποίος να παραλαμβάνει την επιστρεφόμενη εvέργεια χωρίς ταλαντώσεις τάσης. Χρονική στιγμή t 2 : Το ρεύμα φορτίου αλλάζει τη φορά του. Oι δίοδοι D 1 και D 4 δεν άγουν πια, και το ρεύμα περvάει από τα θυριστορ Τ 1 και Τ 4. Η εvέργεια ρέει τώρα από την πηγή προς το φορτίο (Ι Ε =Ι Τ1 ). Χρονική στιγμή t 3 : Oι διακόπτες S 2 και S 3 κλείνουν, ενώ ανοίγουν oι S 1 και S 4. Στο φορτίο εφαρμόζεται τώρα η αρνητική τάση U L =-U E. Eπειδή το ρεύμα φορτίου διατηρεί ακόμα τη φορά του για τους λόγους που αναφέρθηκαν πιο πάνω, μεταβαίνει το I L από τα θυριστορ Τ 1, Τ 4 στις διόδους D 2 και D 3 : Η ροή της ηλεκτρικής εvέργειας αντιστρέφεται και πάλι. Στα θυριστορ T 1 και Τ 4 εφαρμόζεται τώρα η τάση U T1 =U T4 =+U E κατά τη φορά διέλευσης. Χρονική στιγμή t 4 : Το ρεύμα στις διόδoυς D 2, D 3 μηδενίζεται. Το αυξανόμενο ρεύμα φορτίου παραλαμβάνεται τώρα από τα θυριστορ Τ 2 και Τ 3. Από την αρχή της επόμενης χρονικής περιόδου, με το κλείσιμο των διακοπτών S 1 και S 4, επαναλαμβάνεται η ίδια κυματομορφή. 9-5

168 9.1.3 ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑΣ ΜΕ ΕΞΑΝΑΓΚΑΣΜΕΝΗ ΟΔΗΓΗΣΗ Πραγματικό κύκλωμα Η συχνότητα, σύμφωνα με την οποία ανοίγουν και κλείνουν τα θυρίστορ, δίνεται, στην περίπτωση της εξαναγκασμένης οδήγησης, από το κύκλωμα ελέγχου. Η συχνότητα αυτή είναι και η συχνότητα εξόδου του αντιστροφέα. Στο ισοδύναμο κύκλωμα του διάγραμμα 9.2, κατά την αντικατάσταση των θυρίστορ με ζεύγη διακοπτών-διόδων (ιδανικά θυρίστορ), δεν λήφθηκαν υπόψη ορισμένα φαινόμενα των πραγματικών θυρίστορ, τα οποία επηρεάζουν αρνητικά τη λειτουργία του αντιστροφέα. Παρακάτω εξηγούνται τα φαινόμενα αυτά, καθώς και τα αναγκαία μέτρα για την εξουδετέρωσή τους. Κατά τη χρονική στιγμή t 3 (διάγραμμα 9.3) διακόπτεται η διέλευση του ρεύματος από τα θυρίστορ Τ 1 και Τ 4 με το άνοιγμα των διακοπτών S 1 και S 4. Την ίδια στιγμή κλείνουν οι διακόπτες S 2 και S 3. Στα ιδανικά θυρίστορ Τ 1 και Τ 4 εφαρμόζεται τώρα η τάση U T1 =U T4 =+U E κατά τη (θετική) φορά διέλευσης. Για τη λειτουργία του κυκλώματος πρέπει όμως να ληφθούν υπόψη οι εξής ιδιότητες των πραγματικών θυρίστορ: α) Η έναυση ενός θυρίστορ είναι δυνατή μόνον όταν εφαρμόζεται σ' αυτό θετική τάση και δοθεί ένας παλμός έναυσης στο ηλεκτρόδιο ελέγχου στην πύλη. β) Η σβέση ενός αναμμένου θυρίστορ μπορεί να γίνει μόνο με την εφαρμογή μιας αρνητικής τάσης. γ) Μόλις το ρεύμα γίνει μηδέν, το θυρίστορ χρειάζεται ένα χρόνο ανάκτησης t F (ο οποίος εξηγείται στις σημειώσεις της άσκησης S R1 ), μέχρις ότου μπορέσει vα ανακτήσει την ικανότητα αποκοπής, ακόμα και αν εφαρμόζεται θετική τάση πάνω του. Ο χρόνος ανάκτησης κυμαίνεται μεταξύ 10 και 100 μsec. Από τις ιδιότητες αυτές συμπεραίνεται ότι τα θυρίστορ Τ 1 και Τ 4 δεν μπορούν να σβήσουν μόνα τους κατά τη χρονική στιγμή t 3, όπου αυτό είναι επιθυμητό, εφόσον την ίδια στιγμή εφαρμόζεται σ αυτά μια θετική τάση. Στη χρονική αυτή στιγμή, ανάβουν τα θυρίστορ Τ 2 και Τ 3, ενώ τα Τ 1 και T 4 παραμένουν αναμμένα και η πηγή βραχυκυκλώνεται μέσω του κυκλώματος Τ 1,Τ 3,Τ 2,Τ 4. Για να αποφευχθεί το φαινόμενο αυτό, πρέπει να συμπληρωθεί το κύκλωμα με μια διάταξη μετάβασης η οποία να εξασφαλίζει το εξής: 9-6

169 Με την έναυση ενός ζεύγους θυρίστορ, το ζεύγος που μέχρι τη στιγμή εκείνη έφερε ρεύμα να σβήνει, και καθ όλη τη διάρκεια του χρόνου ανάκτησης t F να μην εφαρμόζεται θετική τάση στα σβησμένα θυρίστορ. Το τελικό κύκλωμα του πραγματικού μονοφασικού αντιστροφέα φαίνεται στο διάγραμμα 9.4. Oι αυτεπαγωγές L 1, L 2 και ο πυκνωτής C L αποτελούν τη διάταξη μετάβασης και εξηγούνται, στην επόμενη παράγραφο Διάταξη μετάβασης Όσο άγουν τα θυρίστορ Τ 1 και, Τ 4, ο πυκνωτής C L φορτίζεται μέσω αυτών των θυρίστορ στην τάση εισόδου (U L =+U E ). Μόλις ανάψουν τα θυρίστορ Τ 2 και Τ 3, τότε εφαρμόζεται στα Τ 1 και Τ 4, που ήταν μέχρι τώρα αναμμένα, η τάση του πυκνωτή με αρνητική φορά. Τα ρεύματα αποφόρτισης του πυκνωτή που δημιουργούνται λόγω των βραχυκυκλωμάτων στα Τ 1, Τ 2 και Τ 3, Τ 4 είναι αντίθετα προς τη φορά διέλευσης των θυρίστορ Τ 1 και Τ 4, και επομένως τα σβήνουν. Στα Τ 1 και Τ 4 συνεχίζει να εφαρμόζεται σαν αρνητική τάση η τάση του πυκνωτή U L. 9-7

170 0 πυκνωτής φορτίζεται από δω και πέρα, μέσω του κυκλώματος L 1,Τ 2,Τ 3,L 2 και της πηγής U E, σε μια τάση αντίθετης πολικότητας από τη μέχρι τώρα. Oι τάσεις U L, U T1 και U T4 απεικονίζονται στο διάγραμμα 9.5. Ο χρόνος t Η μέχρι το μηδενισμό της τάσης του πυκνωτή πρέπει να είναι μεγαλύτερος από το χρόνο ανάκτησης t F των θυρίστορ. Διάγραμμα 9.5: Τάσεις στον πυκνωτή και στο θυρίστορ Τ 1,Τ 4, κατά την διάρκεια της μετάβασης. Η εναλλασσόμενη αυτή φόρτιση θα οδηγούσε σε ανεπίτρεπτα μεγάλες ταλαντώσεις της τάσης του πυκνωτή, αν δεν υπήρχαν oι δίοδοι D 2 και D 3. Στις δυο αυτές διόδους εφαρμόζονται μόλις η τάση του πυκνωτή φθάσει στην τιμή -U E οι τάσεις ισες με: U L1 = U L2 = (U E + U L ) / 2 σε αρνητική φορά (αποκοπής). Στην περίπτωση αρνητικής τάσης πυκνωτή (U L =-U E ) λαμβάνει το ρεύμα στα πηνία L 1, L 2 τη μέγιστη τιμή του. Oι τάσεις U L1 και U L2 μεταβάλλουν την πολικότητά τους, και, τα δύο πηνία βραχυκυκλώνονται μέσω των στοιχείων D 2,T 2 και D 3,T 3. Τα ρεύματα βραχυκύκλωσης αποσβένονται, γραμμικά (ως προς το χρόνο) μέσω των κυκλωμάτων L 1,T 2,D 2 καθώς και, L 2,T 3,D 3, λόγω της ύπαρξης των μικρών πτώσεων τάσης στα θυρίστορ που άγουν (δηλ. των μικρών αλλά μη αμελητέων ωμικών τους αντιστάσεων στην περιοχή διέλευσης). Η μαγνητική ενέργεια των πηνίων μεταβάλλεται. σε θερμότητα στα κυκλώματα βραχυκύκλωσης. Ο πυκνωτής C L συνδέεται, άμεσα με την πηγή, όσο άγουν oι δίοδοι D 2 και D 3, και η τάση του παραμένει U L =-U E. Έτσι αποφεύγονται υπερβολικές ταλαντώσεις της τάσης του πυκνωτή. 9-8

171 Σαν ανακεφαλαίωση, μπορούν να λεχθούν τα εξής: Ο πυκνωτής μετάβασης C L χρησιμεύει: 1. Για να διαθέσει στην κατάλληλη χρονική στιγμή, μιa αρνητική τάση στο θυριστορ που πρέπει να σβήσει (τάση μετάβασης). 2. Για να διατηρήσει την τάση αυτή πάνω στο σβησμένο θυριστορ, τουλάχιστον κατά τη διάρκεια του χρόνου ανάκτησης, ώστε να μη γίνει άμεση επανέναυση. Τα πηνία μετάβασης L 1,L 2 έχουν τις παρακάτω λειτουργίες: 1. Τα δύο πηνία και ο πυκνωτής αποτελούν ένα σειριακό ταλαντωτή. Η τάση στον πυκνωτή αλλάζει πρόσημο στα πλαίσια μιας ταλάντωσης, της οποίας η ιδιοσυχνότητα εξαρτάται από τα στοιχεία αυτά και από το φορτίο. Με κατάλληλη επιλογή του πυκνωτή και των πηνίων μπορεί να επιτευχθεί ο μηδενισμός της τάσης του πυκνωτή σε μια χρονική στιγμή, που έρχεται τουλάχιστον κατά το χρόνο T F (χρόνος ανάκτησης) μετά το μηδενισμό του ρεύματος (δες σημειώσεις άσκησης S R1 ). 2 Κατά τη διάρκεια της μετάβασης του ρεύματος από το ένα ζεύγος θυρίστορ στο άλλο, η πηγή βραχυκυκλώνεται, γιατί, για ελάχιστο χρονικό διάστημα άγουν και τα τέσσερα θυρίστορ. Η άνοδος του ρεύματος βραχυκύκλωσης περιορίζεται από τα δυο πηνία 3. Οι τάσεις που σχηματίζονται στα δυο πηνία κατά τη διάρκεια του φαινόμενου μετάβασης φέρνουν τις διόδους που συνδέονται παράλληλα με τα θυρίστορ, τα οποία μόλις άναψαν, σε κατάσταση αποκοπής. Έτσι αποφεύγεται ένα βραχυκύκλωμα του πυκνωτή μέσω των δυο διόδων. 9-9

172 9.1.4 ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑΣ ΜΕ ΟΔΗΓΗΣΗ ΦΟΡΤΙΟΥ Πραγματικό κύκλωμα Η διάταξη μετάβασης που περιγράφηκε στο προηγούμενο κεφάλαιο δεν απαιτείται για την περίπτωση ενός αντιστροφέα, που οδηγείται από το φορτίο. Ο λόγος είναι, ότι το ίδιο το φορτίο παρέχει την απαραίτητη άεργο ισχύ για τη μετάβαση του ρεύματος από το ένα ζεύγος θυρίστορ στο άλλο. Η προϋπόθεση είναι ότι το μικτό ωμικό-επαγωγικό φορτίο μπορεί να συμπληρωθεί με ένα πυκνωτή, ώστε να γίνει ταλαντωτής (διάγραμμα 9.6). 9-10

173 Ο σειριακός αυτός ταλαντωτής φορτίου λειτουργεί τώρα και σαν διάταξη μετάβασης, όπως εξηγείται παρακάτω Σειριακός ταλαντωτής Καταρχήν, εξετάζεται ο ταλαντωτής φορτίου χωρίς την υπόλοιπη διάταξη. Ας υποτεθεί ότι τα θυρίστορ Τ 1 και, T 4 ανάβουν, πράγμα το οποίο σημαίνει ότι, εφαρμόζεται στον ταλαντωτή R L, L L, C L μια παλμική τάση κρούση (διάγραμμα 9.7). Το αντίστοιχο ρεύμα εκτελεί, όπως φαίνεται, στο ίδιο διάγραμμα, μια ελεύθερη, αποσβενόμενη ταλάντωση. Διάγραμμα 9.7: Παλμική κρούση τάσης και απόκριση ρεύματος ενός σειριακού ταλαντωτή Για τη λειτουργία του αντιστροφέα, χρησιμοποιείται μόνο η πρώτη θετική) ημιπερίοδος της ταλάντωσης και ανάλογα με τις συνθήκες λειτουργίας, ένα μέρος της δεύτερης (αρνητικής) ημιπεριόδου. Χαρακτηριστικό γνώρισμα για τον αντιστροφέα αυτόν είναι ότι το ρεύμα στο θυρίστορ παίρνει από μόνο του την τιμή μηδέν, ώστε το θυρίστορ σβήνει. Με τη βοήθεια του τμήματος ελέγχου του αντιστροφέα πρέπει μόνο να εξασφαλισθεί ο απαραίτητος χρόνος ανάκτησης πριν η τάση στο θυρίστορ γίνει θετική, ώστε αυτό να παραμείνει, σε κατάσταση σβέσης. Έτσι λύνεται το πρόβλημα της μετάβασης Κυματομορφες Ο τρόπος λειτουργίας του αντιστροφέα με οδήγηση φορτίου φαίνεται, από τη μελέτη των κυματομορφών του διάγραμμα 9.8. Σαν παραδοχές ισχύουν οι εξής: Η συνεχής τάση της πηγής είναι σταθερή και οι ωμικές αντιστάσεις και αυτεπαγωγές των λοιπών στοιχείων του κυκλώματος (εκτός από το φορτίο) είναι αμελητέες. 9-11

174 Διάγραμμα 9.8: Κυματομορφές του μονοφασικού αντιστροφέα με οδήγηση φορτίου 9-12

175 Χρονική περίοδο t 1 -t 2 : -U E. Οι δίοδοι D 2 και D 3 φέρουν το ρεύμα φορτίου I L. Η τάση U L έχει την τιμή: Χρονική περίοδος t 2 -t 3 :. Κατά τη χρονική στιγμή t 2, ανάβουν τα θυρίστορ Τ 1, Τ 4 και παραλαμβάνουν το ρεύμα φορτίου από τις διόδους D 2 και D 3. Η χρονική αυτή στιγμή (t 2 ) ισοδυναμεί με τη χρονική στιγμή t 0 του διάγραμμα. 8, εφόσον ληφθεί υπόψη ότι, σε αντίθεση με το διάγραμμα εκείνο, εδώ η αρχική τιμή του ρεύματος δεν είναι μηδέν, αλλά εξαρτάται από τη μέχρι τώρα λειτουργία. Το ρεύμα φορτίου αρχίζει μια νέα ταλάντωση, όπως φαίνεται και από το ότι η κυματομορφή στο σημείο αυτό (t 2 ) δεν είναι ομαλή. Με την έναυση των δυο θυρίστορ αλλάζει πρόσημο η τάση στο φορτίο και γίνεται +U E. Μια θετική τάση φορτίου σημαίνει για τις διόδους D 2 και D 3 αντίστοιχη αρνητική τάση αποκοπής. Χρονική διάρκεια t 3 -t 4 : Κατά τη χρονική στιγμή t 3 αλλάζει πρόσημο το ρεύμα φορτίου I L, δηλ. τα θυρίστορ Τ 1 και Τ 4 σβήνουν και οι δίοδοι D 1, D 4 είναι έτοιμες να παραλάβουν το ρεύμα. Όσο χρονικό διάστημα άγουν οι δίοδοι D 1 και D 4, εφαρμόζεται στα θυρίστορ Τ 1 και Τ 4 η (μικρή) τάση διέλευσης των διόδων σαν αρνητική τάση αποκοπής. Η χρονική διάρκεια t 3 -t 4 πρέπει να είναι τουλάχιστον ίση με το χρόνο ανάκτησης των θυρίστορ (κατώτατο όριο), ώστε να μην προκληθεί αθέλητη έναυση. Η χρονική διάρκεια t 3 -t 4 περιορίζεται προς τα επάνω από την ημιπερίοδο της ταλάντωσης (δηλ. πρέπει να είναι μικρότερη από αυτήν). Όσο διαρκούν τα φαινόμενα αυτά, παραμένει η τάση στο φορτίο θετική, δηλ. επιστρέφεται ενέργεια στην πηγή. Χρονική διάρκεια t 4 -t 5 : Κατά τη χρονική στιγμή t 4, γίνεται η έναυση των θυρίστορ Τ 2 και Τ 3. Η έναυση ενός ζεύγους θυρίστορ σημαίνει πάντα αντιστροφή της τάσης στο φορτίο. Τώρα ισχύει U L = -U E. Επειδή το ρεύμα φορτίου διατηρεί τη φορά του (αρχίζει μια νέα ταλάντωση), έχει τώρα το ίδιο πρόσημο με την τάση, και η ροή της ενέργειας είναι από την πηγή προς το φορτίο. 9-13

176 Χρονική διάρκεια t 5 -t 6 : Κατά τη χρονική στιγμή t 5, οι δίοδοι D 2 και D 3 παραλαμβάνουν το ρεύμα. Από τη στιγμή t 6 επαναλαμβάνεται η κυματομορφή που αναλύθηκε προηγουμένως Γωνία έναυσης Στο διάγραμμα 9.9 παριστάνεται η δομή ενός πλήρους αντιστροφέα με οδήγηση φορτίου. Διάγραμμα 9.9: Δομή ενός αντιστροφέα με οδήγηση φορτίου Το κύκλωμα ελέγχου προσδιορίζει τις χρονικές στιγμές μηδενισμού του ρεύματος φορτίου και μετά δίνει με την επιθυμητή χρονική καθυστέρηση (γωνία έναυσης γ) τους παλμούς έναυσης για τα ζεύγη των θυρίστορ Τ 1,Τ 4 και Τ 2,Τ 3. Στην περίπτωση του αντιστροφέα με οδήγηση φορτίου, διακρίνονται δύο συχνότητες: 1. Η ιδιοσυχνότητα του ταλαντωτή και 2. Η συχνότητα εξόδου του αντιστροφέα. Η ιδιοσυχνότητα καθορίζεται από τα στοιχεία R L, L L και C L. Με τη μεταβολή της χωρητικότητας του πυκνωτή (μεταβολή ιδιοσυχνότητας), μπορεί να γίνει η επιλογή των ορίων, στα οποία θα κινηθεί η συχνότητα εξόδου. Η ίδια η συχνότητα εξόδου καθορίζεται από τη γωνία έναυσης γ, όπως φαίνεται από το διάγραμμα

177 Διάγραμμα 9.10: Τάση, ρεύμα και συχνότητα εξόδου σε συνάρτηση της γωνίας εναυσης Αν η ιδιοσυχνότητα του ταλαντωτή είναι f E, η συχνότητα εξόδου f μπορεί να κυμανθεί ανάμεσα στις τιμές f E /2 (γ=90 μοίρες) και f E (γ=0). Η ρύθμιση της ισχύος εξόδου μπορεί να γίνει με δύο τρόπους: Καταρχήν, με τη μεταβολή της συνεχούς τάσης εισόδου U E, εφόσον αυτή είναι δυνατή (μετατροπέας σαν πηγή συνεχούς). O δεύτερος τρόπος είναι η μεταβολή της γωνίας έναυσης γ. Όπως φάνηκε από τα προηγούμενα, η ενέργεια επιστρέφεται στην πηγή, όταν το ρεύμα ρέει από τις διόδους. Προσεγγιστικά μπορεί να λεχθεί, ότι για γωνία έναυσης γ =0 o, η ισχύς εξόδου είναι ενεργός, ενώ για γ=90 o μοίρες η ισχύς εξόδου είναι άεργος, δηλ. ταλαντώνεται μεταξύ πηγής και φορτίου. 9-15

178 ΤΜΗΜΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΤΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ SR6 To πάνελ μετρήσεων περιλαμβάνει τους ακροδέκτες Β 1 -Β 12 (τμήμα ελέγχου) και τους ακροδέκτες Β 13 -Β 24 (τμήμα ισχύος). 1.0 Ακροδέκτες στο τμήμα ελέγχου Οι μετρήσεις γίνονται με σημείο αναφοράς τον ακροδέκτη Β9 (COMMON). 1.1 Β 10 : +15V, θετική τάση τροφοδοσίας, δυνατότητα τροφοδοσίας πρόσθετων εξωτερικών μονάδων ελέγχου. 1.2 B 11 : -15V, αρνητική τάση τροφοδοσίας, δυνατότητα τροφοδοσίας πρόσθετων εξωτερικών μονάδων ελέγχου. 1.3 Β 1 : U ST2, συνεχής τάση ελέγχου (καθορισμού συχνότητας του VCO). U ST2 : 0. 10V με R1=4.7KΩ. Β 3 : U ST1 : συνεχής τάση ελέγχου (καθορισμού καθυστέρησης έναυσης). U ST1 : 0 10V με R2=4.7KΩ. Γεφυρώνοντας τα σημεία Β 1,Β 2 (Β 3,Β 4 ) η τάση αυτή εισέρχεται στην αντίστοιχη μονάδα περιορισμού περιοχής. Στο σημείο Β2 (Β3) μπορεί επίσης μετά από την απομάκρυνση της γέφυρας Β1,Β2 (Β3,Β4) να εφαρμοστεί εξωτερική τάση ελέγχου (0..10V). 1.4 B 5 : U ST2, B 6 : U ST1, έξοδοι μονάδων περιορισμού περιοχής. Με τα τρίμμερ Ρ4, Ρ3 καθορίζεται η ανώτατη και κατώτατη συχνότητα του VCO. Με τα τρίμμερ Ρ2, Ρ1 καθορίζονται τα όρια καθυστέρησης της έναυσης (οδήγηση φορτίου). 1.5 Β 7 : Παλμοί έναυσης του κλάδου Τ 1,Τ Β 8 : Παλμού έναυσης του κλάδου Τ 2,Τ διακόπτης S 3 ακυρώνει τους παλμούς έναυσης στη θέση ΟΝ. 9-16

179 1.8 Το Μπουτόν S 2 φροντίζει για την έναρξη λειτουργίας κατά την οδήγηση φορτίου. 1.9 Το ενδεικτικό LED1 δείχνει την ύπαρξη τάσης τροφοδοσίας στο τμήμα ελέγχου Το ενδεικτικό LED2 ανάβει όταν η συσκευή λειτουργεί με εξαναγκασμένη οδήγηση. To LED3 ανάβει κατά την επιλογή οδήγησης φορτίου Β 12 : I L, Τάση που αντιστοιχεί στο ρεύμα του φορτίου. 2. Ακροδέκτες στο τμήμα ισχύος. 2.1 Β 18,Β 17 και Β 15,Β 16 : Ακροδέκτες για την σύνδεση του πυκνωτή σβέσης (CL) στο κύκλωμα ισχύος. 2.2 B 13,B 14 : Τάση στο πηνίο L B 19,B 20 : Τάση στο πηνίο L B 21,B 22 : Αντίσταση SHUNT για τη παλμογράφηση του ρεύματος φορτίου. 2.5 Β 23,Β 24 : Τάση φορτίου. 9-17

180 9-18

181 ΕΝΑΡΞΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΗΣ ΣΥΣΚΕΥΗΣ 1. Τοποθετούμε τον διακόπτη INH στη θέση ΟΝ (ακύρωση παλμών) 2.Τοποθετούμε τον κεντρικό διακόπτη S1στη θέση 0 3. Συνδέουμε στη συσκευή κατάλληλο φορτίο και όργανα μέτρησης 4. Γυρίζουμε το ποτενσιόμετρο ελέγχου στη θέση 0 5. Κλείνουμε τον διακόπτη δικτύου 6. Τοποθετούμε τον κεντρικό διακόπτη της συσκευής S1στη θέση Ανάβει η ενδεικτική λυχνία 11. Στο βολτόμετρο (V) παρατηρούμε την τάση δικτύου 12. Ανάβει το ενδεικτικό LED τροφοδοσίας 7. Τοποθετούμε το διακόπτη INH στη θέση OFF (ελευθέρωση παλμών). Η συσκευή βρίσκεται σε θέση λειτουργίας ΔΙΑΚΟΠΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΗΣ ΣΥΣΚΕΥΗΣ 1. Γυρίζουμε το ποτενσιόμετρο ελέγχου R στη θέση Τοποθετούμε το διακόπτη INH στη θέση ON (Ακύρωση παλμών). 3. Τοποθετούμε τον κεντρικό διακόπτη της συσκευής S1στη θέση Αποσυνδέουμε τη συσκευή από το δίκτυο ανοίγοντας το διακόπτη παροχής. 9-19

182 9.2 ΔΙΕΞΑΓΩΓΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΩΝ ΓΕΝΙΚΕΣ ΟΔΗΓΙΕΣ Η αλλαγή λειτουργίας της πειραματικής διάταξης από εξαναγκασμένη οδήγηση σε οδήγηση φορτίου γίνεται, μέσω ενός διακόπτη, που βρίσκεται στο εσωτερικό της συσκευής. Για έλεγχο ανάβει, στο πλαίσιο μετρήσεων της διάταξης το αντίστοιχο LED που δείχνει τη μορφή παλμοδότησης ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑΣ ΜΕ ΕΞΑΝΑΓΚΑΣΜΕΝΗ ΟΔΗΓΗΣΗ Στον αντιστροφέα αυτόν είναι απαραίτητο, πριν από οποιαδήποτε αλλαγή φορτίου, να κλείνεται ο γενικός διακόπτης. Αυτό, γιατί μετά τη διακοπή παλμοδότησης παραμένει πάντα ένας κλάδος σε αγωγιμότητα Συνδέστε τον αντιστροφέα εξαναγκασμένης οδήγησης με ωμικόεπαγωγικό φορτίο. Παρατηρείστε στον παλμογράφο το παραπάνω φαινόμενο παίρνοντας την κυματομορφή της τάσης εξόδου με κλειστή την παλμοδότηση Παρατηρείστε στον παλμογράφο και σχεδιάστε πιστά τις κυματομορφές των παρακάτω μεγεθών: U L, I L, U T1, U D1, U L1, U T1, U L, U T1, I L, Παλμός έναυσης Από τη σωστή παλμογράφηση της τάσης θυρίστορ U T1, υπολογίστε το χρόνο αρνητικής αποκοπής t Η (διάγραμμα 9.5). 0 χρόνος αυτός θα πρέπει, φυσικά να είναι μεγαλύτερος από το χρόνο ανάκτησης t F των θυρίστορ Συγκρίνετε τις κυματομορφές U L και U T1 που σχεδιάσατε. Ποιο τμήμα της κυματομορφής. U L αντιστοιχεί στο χρόνο αρνητικής αποκοπής t Η ; Μετρείστε με τη βοήθεια του παλμογράφου τη μέγιστη και ελάχιστη συχνότητα της τάσης εξόδου. 9-20

183 Για διαφορετικές τιμές της αντίστασης φορτίου, (R=100Ω, R=150Ω, R=200Ω υπολογίστε με τη βοήθεια του παλμογράφου το χρόνο αρνητικής αποκοπής t Η. Σημειώστε τις αντίστοιχες τιμές. Tι συμπεράσματα βγάζετε; 9-21

184 9.2.3 ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑΣ ΜΕ ΟΔΗΓΗΣΗ ΦΟΡΤΙΟΥ Συνδέστε στην πειραματική διάταξη του αντιστροφέα για φορτίο ένα σειριακό ταλαντωτή R,L,C με τις εξής τιμές R=12.5Ω, L=0.06H, C=60μF. Υπολογίστε την,ιδιοσυχνότητα του ταλαντωτή Παρατηρείστε στα δυο κανάλια του παλμογράφου τις κυματομορφές: α): Τάσης και, ρεύματος φορτίου (U L, I L ), β): Ρεύματος φορτίου και παλμών έναυσης, για διαφορετικές τιμές της γωνίας έναυσης Μεταβάλετε τις τιμές των στοιχείων R,L,C του σειριακού ταλαντωτή και παρατηρείστε στον παλμογράφο τις κυματομορφές τάσης και ρεύματος φορτίου. Σχεδιάστε και συγκρίνετε μεταξύ τους τις κυματομορφές ρεύματος. Tι παρατηρείτε; Διαπιστώστε την αλλαγή κλίσης της κυματομορφής ρεύματος κατά τη στιγμή της παλμοδότησης. Που οφείλεται αυτή; Για τις αρχικές τιμές των στοιχείων R,L,C ( ) μετρείστε, με τη βοήθεια του παλμογράφου, τη μέγιστη και την ελάχιστη γωνία έναυσης. Υπολογίστε την αντιστοιχία μεταξύ γωνίας έναυσης γ σε μοίρες και κλίμακας του ρυθμιστή γ (σκάλα από 0 ως 10) Για διαφορετικές τιμές της γωνίας γ μετρείστε, μέσω των παλμογραφημάτων U L,I L, τις αντίστοιχες συχνότητες F της τάσης εξόδου Καταχωρείστε τις τιμές σε αντίστοιχο πίνακα Σχεδιάστε τη συνάρτηση F=F(γ) Για τις τρεις περιπτώσεις: 1. Ελάχιστη γωνία έναυσης, 2. Μέγιστη γωνία έναυσης, 3. γ=90 μοίρες, Σχεδιάστε τις κυματομορφές των εξής μεγεθών: U L, I L, U T1, U D1, I L, U T2, I L, U T

185 Κεφάλαιο 10 SIM1: ΕΛΕΓΧΟΜΕΝΗ ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΗ ΓΕΦΥΡΑ ΜΕ ΦΙΛΤΡΟ ΕΞΟΜΑΛΥΝΣΗΣ ΚΑΙ ΚΙΝΗΤΗΡΑ D.C ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 10.1 Σκοπός Διεξαγωγή προσομοίωσης Ερωτήματα - Υπολογισμοί. 10-1

186 10.1 ΣΚΟΠΟΣ Ο σκοπός αυτής της εργαστηριακής προσομοίωσης είναι: Να πραγματοποιηθεί προσομοίωση της μονοφασικής ελεγχόμενης γέφυρας ο οποία οδηγεί και ελέγχει τις στροφές ενός κινητήρα συνεχούς ρεύματος με ηλεκτρεγερτική δύναμη V, και με δίοδο ελεύθερης διέλευσης. Στην έξοδο του κυκλώματος έχει συνδεθεί φίλτρο εξομάλυνσης. Θα εξεταστεί η επίδραση: 1. Της αυτεπαγωγής 2. Της διόδου ελεύθερης διέλευσης. 3. Της τάσεως του κινητήρα. 4. Του φίλτρου εξομάλυνσης. 5. Οι κυματομορφες του ρεύματος εισόδου-εξόδου καθώς και της τάσεως. 6. Η επίδραση της γωνίας εναυσης. Σημείωση: Ο Σπουδαστής πρέπει να έχει βασικές γνώσεις προγραμμάτων προσομοίωσης με Η/Υ. Σε πολλά Web-site του διαδικτύου υπάρχουν tutorials (μαθήματα) χρήσης προγραμμάτων προσομοίωσης. 10-2

187 10.2. ΔΙΕΞΑΓΩΓΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ 2.1 Σχεδιάσατε το κύκλωμα που φαίνεται στο διάγραμμα V 1 : Είναι μια πηγή εναλλασσόμενης τάσεως, ευρισκομένη στην βιβλιοθήκηlibrary: source.slb ). Draw Get New Part Libraries και στην κατηγορία Library βρίσκετε η source.slb. Επιλέγετε την πηγή Vsin OK Place, E 1, E 2, E 3, E 4 Είναι μια εξαρτώμενη πηγή τάσεως, ευρισκομένη στην βιβλιοθήκηlibrary: analog.slb ). Draw Get New Part Libraries και στην κατηγορία Library βρίσκετε η analog.slb. Επιλέγετε την πηγή E OK Place 10-3

188 L 1 L 2 : Είναι μια ιδανική αυτεπαγωγή από την βιβλιοθήκη: Analog.slb Draw Get New Part Libraries και στην κατηγορία Library βρίσκετε η Analog.slb. Επιλέγετε την αυτεπαγωγή L OK Place. R 1 : Είναι μια ιδανική αντίσταση από την βιβλιοθήκη: Analog.slb. Draw Get New Part Libraries και στην κατηγορία Library βρίσκετε η Analog.slb. Επιλέγετε την Αντίσταση R OK Place. V dc,v x,v y : Είναι μια πηγή συνεχούς τάσεως, ευρισκομένη στην βιβλιοθήκη- (library): source.slb ). Draw Get New Part Libraries και στην κατηγορία Library βρίσκετε η source.slb. Επιλέγετε την πηγή V DC OK Place. 10-4

189 Σημείωση: Πηγή συνεχούς με μηδενική τιμή χρησιμοποιείται ως αμπερομετρο για μέτρηση ρεύματος X 1,X 2,X 3,X 4 : Ένα ιδανικό θυριστορ, ευρισκόμενο στην βιβλιοθήκη thyristοr.slb: Draw Get New Part Librariesκαι στην κατηγορία Library βρίσκετε η thyristor.slb. Επιλέγετε το θυριστο 2Ν3669 OK Place. D 1 : Μια ιδανική δίοδος, ευρισκόμενη στην βιβλιοθήκη diode.slb: Draw Get New Part Libraries και στην κατηγορία Library βρίσκετε η diode.slb. Επιλέγετε την δίοδο D1N5827 OK Place. V g2,v g3,v g4,v g5 : Μια ιδανική πηγή παλμών, ευρισκομένη στην βιβλιοθήκη source.slb. Draw Get New Part Libraries και στην κατηγορία Library βρίσκετε την source.slb. Επιλέγετε την πηγή V PULSE OK Place. Οι πηγές V 2,V 5, έχουν τα ίδια τεχνικά χαρακτηριστικά ενώ οι V 3,V 4 έχουν τα ίδια χαρακτηριστικά με τις V 2,V 5 διαφέρουν ως προς τον χρόνο Τ D. (διάγραμμα

190 T D1 = Time Delay = T D1 = (a/360) * (1000/50Hz)ms T D2 = Time Delay = T D2 = ((180+a)/360) * (1000/50Hz)ms Χρονισμός Πυλών 0 : Γη, Ευρισκομένη στην βιβλιοθήκη port.slb:. Draw Get New Part Libraries και στην κατηγορία Library βρίσκετε την port.slb. Επιλέγετε την EGND OK Place. MARKERS: Οι εξής Markers τοποθετούνται στο κύκλωμα του διαγράμματος 10.1 (με την τοποθέτηση Marker αυτόματα, όταν τελειώσει η προσομοίωση, δημιουργούνται γραφικές παραστάσεις): 10-6

191 Δύο Voltage Differential Markers. Ένας voltage Marker., Μενού Markers Όταν όλα τα στοιχεία-εξαρτήματα του κυκλώματος που έχουν τοποθετηθεί στο σχηματικό παράθυρο τότε επιλέγονται ένα προς ένα και τοποθετούνται στις σωστές θέσεις (διάγραμμα 10.1). Με την εντολή Wire πραγματοποιούνται οι κατάλληλες συνδέσεις-καλωδιώσεις. Draw wire. Όταν το σxηματικο διάγραμμα του κυκλώματος έχει τελειώσει, η προσομοίωση (simulation) πραγματοποιείται:. 1. Πρώτα επιλέγετε τον τύπο της προσομοίωσης. Η προσομοίωση transient επιλέγεται για ορισμό του τελικού χρόνου εκτέλεσης της transient ανάλυσης. Analysis Setup. Transient Final Time: Η ανάλυση Transient υπολογίζει όλες τις τάσεις στους κόμβους και όλα τα ρεύματα δια των βρόγχων για μια χρονική περίοδο (π.χ για πηγή ημιτονικου σήματος 50 Hz, γράφουμε 0.04s στο Final Time για να προσομοιωθούν δυο κύκλοι), και συγχρόνως παράγονται καμπύλες για κάθε οριζόμενο σημείο του κυκλώματος. Σημείωση 1: Με Διπλό αριστερό κλικ επί εξαρτήματος, ανοίγει το παράθυρο των ιδιοτήτων του συγκεκριμένου εξαρτήματος στο οποίο εισάγονται οι τιμές που εμφανίζονται στο διαγραμμα10.1. Σημείωση 2: Ο πίνακας 10.1, απεικονίζει τα σύμβολα που χρησιμοποιούνται για τις αριθμητικές τιμές των εξαρτημάτων. 10-7

192 Πίνακας 10.1: Σύμβολα για αριθμητικές τιμές των εξαρτημάτων V A HZ OHM H F Volt Ampere Hertz Ohm Henry Farad 2. Από το μενού Analysis. Επιλέγουμε Electrical Rule Check για να γίνει ο έλεγχος των συνδέσεων του κυκλώματος. Analysis Electrical Rule Check Μετά πάλι Analysis και επιλέγουμε Create Netlist για να δημιουργηθεί η λίστα συνέσεων. Analysis Electrical Rule Check Η διαδικασία ολοκληρώνεται με: Analysis Simulate απ όπου προκύπτουν (μετά από επιλογή Trace Add Trace) τα διαγράμματα τάσεων και ρευμάτων (διάγραμμα 10.2): 10-8

193 400 Output Voltage Input Current -200 Input Voltage s 5ms 10ms 15ms 20ms 25ms 30ms 35ms 40ms V(line_out) V(Vy:+,vin2) I(Vy) Time Διάγραμμα 10.2α: Κυματομορφές τάσεως εισόδου και εξόδου. Κυματομορφή ρεύματος εισόδου 2.0A 1.6A 1.2A Output Current 0.8A 0.4A 0A -0.4A 0s 5ms 10ms 15ms 20ms 25ms 30ms 35ms 40ms I(Vx) Time Διάγραμμα 10.2β: Κυματομορφή ρεύματος εξόδου 10-9

194 ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΑΤΑ FOURIER- ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΙΣΧΥΟΣ ΕΙΣΟΔΟΥ Από το μενού Analysis. Επιλέγουμε Setup Transient Βάζουμε ένα τικ στο Enable Fourier Εφ όσον η συχνότητα είναι 50 ΗΖ στο Central frequency γράφουμε 50 ΗΖ, στο Number of harmonics 9 (για εννέα αρμονικές), και στο output Vars την μεταβλητή (ρευματος) στην οποία θα υπολογιστούν οι συντελεστές FOURIER. Π.χ για ρεύμα εισόδου Ι(V y ) Η διαδικασία ολοκληρώνεται με: Analysis Simulate απ όπου προκύπτει και το διάγραμμα 10.2: Στο μενού View επιλέγουμε και ανοίγουμε το Output File. και βρίσκουμε προς το τέλος του αρχείου την: FOURIER COMPONENTS OF TRANSIENT RESPONSE I(V_Vy) Η Συνολική αρμονική παραμόρφωση THD = E+02% Γωνία Μετατόπισης : φ ι = 2.306E+01 =23.06 ο Συντελεστής μετατόπισης DF : DF = cosφ ι = cos(23.06) = 0.92 (καθυστέρησης). Συντελεστής ισχύος εισόδου PF. PF 1 1 THD 2 cos i 0.54 και εφόσον ο συντελεστής ισχύος είναι θετικός το ρεύμα καθυστερεί της τάσεως (επαγωγική συμπεριφορά με κατανάλωση άεργου ισχύος)

195 10.3 ΕΡΩΤΗΜΑΤΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ Με γωνία εναυσης 90 Ο : Επαναλάβατε την προσομοίωση του κυκλώματος του διαγράμματος 10.1 αφού πρώτα έχετε διαγράψει το φίλτρο, την δίοδο ελεύθερης διέλευσης D 1, την αυτεπαγωγή L 1 και την πηγή V dc Συγκρίνετε τις κυματομορφες της τάσεως εισόδου/εξόδου καθώς και τις κυματομορφές του ρεύματος εισόδου/εξόδου με τις αρχικές κυματομορφές (διαγραμμα 10.1) Εν σειρά με το ωμικό φορτίο R προσθέστε μιa αυτεπαγωγή L 1 = 50mH και επαναλάβατε την προσομοίωση του κυκλώματος Συγκρίνετε τις κυματομορφες της τάσεως εισόδου/εξόδου καθώς και τις κυματομορφές του ρεύματος εισόδου/εξόδου με τις κυματομορφές της προηγούμενης παραγράφου ( ). Πόση χρονική διάρκεια έχει η ταλάντωση? Ποιες οι διαφορές των νέων κυματομορφών έναντι των προηγουμένων; Εν σειρά με το φορτίο R, L, προσθέστε μια πηγή συνεχούς τάσεως V dc = 50v και επαναλάβατε την προσομοίωση του κυκλώματος ΕΑΝ η προσομοίωση δεν εργάζεται τότε αλλάξετε την τιμή τής πηγής σε 100V Ποιες οι παρατηρήσεις σας για την κυματομορφη της τάσεως εξόδου?? Αλλάξετε την τιμή τής πηγής σε 50V και συνδέστε παράλληλα με το φορτίο δίοδο ελεύθερης διέλευσης. επαναλάβατε την προσομοίωση του κυκλώματος Συγκρίνετε τις κυματομορφες της τάσεως εισόδου/εξόδου καθώς και τις κυματομορφές του ρεύματος εισόδου/εξόδου με τις κυματομορφές της παραγράφου Τι συμπεράσματα προκύπτουν? Πόση είναι η χρονική διάρκεια της ταλάντωσης? Συνδέστε τώρα ένα φίλτρο τύπου LC με L = 150uH και C=220 uf (διάγραμμα 1) και επαναλάβατε την προσομοίωση του κυκλώματος Από τις κυματομορφες της τάσεως εισόδου/εξόδου καθώς και τις κυματομορφές του ρεύματος εισόδου/εξόδου τι συμπεράσματα προκύπτουν για την συμπεριφορά του όλου κυκλώματος? Υπολογίσατε τους συντελεστές κατά FOURIER του ρεύματος εισόδου καθώς και τον συντελεστή ισχύος εισόδου P.F 10-11

196 Παρατηρώντας την κυματομορφή του ρεύματος εισόδου, ποια είναι τα συμπεράσματα σας 10-12

197 Κεφάλαιο 11.SIM2: ΕΛΕΓΧΟΜΕΝΗ ΤΡΙΦΑΣΙΚΗ ΑΝΟΡΘΩΣΗ ΜΕ ΣΥΝΔΕΣΜΟΛΟΓΙΑ ΓΕΦΥΡΑΣ ΚΑΙ ΟΔΗΓΗΣΗ ΚΙΝΗΤΗΡΑ D.C ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 11.1 Σκοπός Διεξαγωγή προσομοίωσης Ερωτήματα - Υπολογισμοί. 11-1

198 11.1 ΣΚΟΠΟΣ Ο σκοπός αυτής της εργαστηριακής προσομοίωσης είναι: Να γίνει προσομοίωση της τριφασικής ελεγχόμενης γέφυρας η οποία οδηγεί και ελέγχει τις στροφές ενός κινητήρα συνεχούς ρεύματος με ηλεκτρεγερτική δύναμη V, με και χωρίς δίοδο ελεύθερης διέλευσης. Θα εξεταστεί η επίδραση: 1. Της διόδου ελεύθερης διέλευσης 2. Η επίπτωση της αλλαγής της αυτεπαγωγής και της ωμικής αντίστασης του κινητήρα επί της κυματομορφης της τάσεως εξόδου. 3. Οι κυματομορφες του ρεύματος εξόδου. 4. Η επίδραση της γωνίας εναυσης. Σημείωση: Ο Σπουδαστής πρέπει να έχει βασικές γνώσεις προγραμμάτων προσομοίωσης με Η/Υ. Σε πολλά Web-site του διαδικτύου υπάρχουν tutorials (μαθήματα) χρήσης προγραμμάτων προσομοίωσης. 11-2

199 11.2 ΔΙΕΞΑΓΩΓΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ Σχεδιάσατε το κύκλωμα που φαίνεται στο διάγραμμα 11.1 (a= 60 o ) V 1, (V 2,V 3 ): Είναι μια πηγή εναλλασσόμενης τάσεως, ευρισκομένη στην βιβλιοθήκη-library: source.slb ). Draw Get New Part Libraries και στην κατηγορία Library βρίσκετε η source.slb. Επιλέγετε την πηγή Vsin OK Place L 1 : Είναι μια ιδανική αυτεπαγωγή από την βιβλιοθήκη: Analog.slb Draw Get New Part Librariesκαι στην κατηγορία Library βρισκετε την Analog.slb. Επιλέγετε την αυτεπαγωγή L OK Place. 11-3

200 R 1: Είναι μια ιδανική αντίσταση από την βιβλιοθήκη: Analog.slb. Draw Get New Part Libraries και στην κατηγορία Library βρίσκετε την Analog.slb. Επιλέγετε την Αντίσταση R OK Place. V DC : Είναι μια πηγή συνεχούς τάσεως, ευρισκομένη στην βιβλιοθήκη (library): source.slb ). Draw Get New Part Libraries και στην κατηγορία Library βρίσκετε την source.slb. Επιλέγετε την πηγή V DC OK Place. 11-4

201 Όταν η τιμή της D.C πηγής είναι ίση με μηδέν (Vdc=0) τότε χρησιμοποιείται για μέτρηση ρεύματος (Αμπερομετρο). Πηγή μηδενικής τιμής συμπεριφέρεται (στην προσομοίωση) σαν βραχυκύκλωμα X 1,(X 2,X 3,X 4,X 5,X 6 ): Ένα ιδανικό θυριστορ, ευρισκόμενο στην βιβλιοθήκη thyristοr.slb:. Draw Get New Part Libraries και στην κατηγορία Library βρίσκετε η thyristοr.slb. Επιλέγετε το θυριστο 2Ν3669 OK Place. D 1: Μια ιδανική δίοδος, ευρισκόμενο στην βιβλιοθήκη diode.slb: Draw Get New Part Libraries και στην κατηγορία Library βρίσκετε την diode.slb. Επιλέγετε το την δίοδο D1N5827 OK Place. V G1,(V G2,V G3,V G4,V G5,V G6 ): Μια ιδανική πηγή παλμών, ευρισκόμενη στην βιβλιοθήκη source.slb. Draw Get New Part Libraries και στην κατηγορία Library βρίσκετε την source.slb. Επιλέγετε την πηγή V PULSE OK Place. Οι πηγές V G1 V G6, έχουν τα ίδια τεχνικά χαρακτηριστικά, διαφέρουν ως προς τον χρόνο Τ D. (διάγραμμα Ο χρόνος Τ D υπολογίζεται από τις σχέσες: για α =90 ο, καθώς και από το κατωθι διάγραμμα των πολικών τάσεων. 11-5

202 a 1000 TimeDelayTD1 (TH1) * ms Hz a TimeDelayTD3 (TH3) * ms Hz a TimeDelayTD5 (TH5) * ms Hz a TimeDelayTD2 (TH2) * ms Hz a TimeDelayTD4 (TH4) * ms Hz a TimeDelayTD6 (TH6) * ms Hz 0 : Γη, Ευρισκόμενη στην βιβλιοθήκη port.slb:. Draw Get New Part Librariesκαι στην κατηγορία Library βρίσκετε την port.slb. Επιλέγετε το την AGND OK Place. E 1, E 2, E 3, E 4 Είναι μια εξαρτώμενη πηγή τάσεως, ευρισκομένη στην βιβλιοθήκηlibrary: analog.slb ). Draw Get New Part Libraries και στην κατηγορία Library βρίσκετε η analog.slb. Επιλέγετε την πηγή E OK Place 11-6

203 MARKERS: Οι εξής Markers τοποθετούνται στο κύκλωμα του διαγράμματος 11.1 (με την τοποθέτηση Marker αυτόματα, όταν τελειώσει η προσομοίωση, δημιουργούνται γραφικές παραστάσεις): Voltage Differential Markers. Voltage Marker., Level Mark current into Pin., Μενού Markers Όταν όλα τα στοιχεία-εξαρτήματα του κυκλώματος που έχουν τοποθετηθεί στο σχηματικό παράθυρο τότε επιλέγονται ένα προς ένα και τοποθετούνται στις σωστές θέσεις (διάγραμμα 1). Με την εντολή Wire πραγματοποιούνται τις κατάλληλες συνδέσεις-καλωδιώσεις. Draw wire. Η προσομοίωση πραγματοποιείται με το τέλος της σχεδίασης του κυκλώματος. 1. Πρώτα επιλέγετε τον τύπο της προσομοίωσης. Η προσομοίωση transient επιλέγετε για ορισμό του τελικού χρόνου εκτέλεσης της transient ανάλυσης. Analysis Setup. Transient Final Time: Η ανάλυση Transient υπολογίζει όλες τις τάσεις στους κόμβους και όλα τα ρεύματα δια των βρόγχων για μια χρονική περίοδο (π.χ για πηγή ημιτονικου σήματος 50 Hz, γράφουμε 0.04s στο Final Time για να προσομοιωθούν δυο κύκλοι), και συγχρόνως παράγονται καμπύλες για κάθε οριζόμενο σημείο του κυκλώματος. Σημείωση 1: Με Διπλό αριστερό κλικ επί εξαρτήματος, ανοίγει το παράθυρο των ιδιοτήτων του συγκεκριμένου εξαρτήματος στο οποίο εισάγονται οι τιμές που εμφανίζονται στο διαγραμμα11.1. Σημείωση 2: Ο πίνακας 11.1, απεικονίζει τα σύμβολα που χρησιμοποιούνται για τις αριθμητικές τιμές των εξαρτημάτων. 11-7