BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM VILLAMOSMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR VILLAMOS ENERGETIKA TANSZÉK
Mérési útmutató Félvezetős egyenirányítók vizsgálata Az Elektrotechnika tárgy laboratóriumi gyakorlatok 2. sz. méréséhez 1. A mérési gyakorlat célja az energetikában használt legegyszerűbb egyenirányító kapcsolások megismerése és tanulmányozása, az egyenirányított mennyiségek mérési lehetőségeinek megismerése. 2. Diódás egyenirányító kapcsolások Váltakozó feszültségből egyenáramú feszültséget egyenirányítóval állítanak elő. Az egyenirányítók legegyszerűbb fajtái a dióda félvezető elemet vagy elemeket tartalmazó áramkörök. A diódák rendszerint az ún. egyenirányító transzformátor szekunder tekercséhez (tekercseihez) csatlakoznak. Az egyenirányító transzformátor szerepe: - a váltakozó áramú hálózat és az egyenáramú kör galvanikus elválasztása, - a szükséges feszültségszint előállítása, - hiba esetén zárlatkorlátozás. A diódák olyan áramköri elemek, amelyek vezetési tulajdonsága polaritásfüggő, ennek megfelelően vezető- és záróirányról beszélünk. ID
UD ID
ID
Uz
UD
Uz
UD
zárási tartomány Félvezető dióda jelképi jelölése, valóságos és ideális jelleggörbéje
Az ábrán UD – a diódán eső feszültség, ID – a diódán átfolyó áram, Uz – a dióda megengedhető záróirányú feszültsége. Az egyenirányító kapcsolásokat fázisszám, útszám és ütemszám szerint különböztetik meg. A fázis szám az egyenirányító transzformátor primer tekercseit tápláló hálózati fázisok száma, pl. 1F, 3F. Egyutas (1U) kapcsolásoknál a transzformátor szekunder tekercsében (vagy tekercseiben) csak egyirányú áram folyik, kétutas (2U) kapcsolásoknál mindkét irányban váltakozva. Az ütemszám az egyenirányított feszültség vagy áram hullámosságát jellemzi, azt fejezi ki, hogy az egyenoldali alapharmonikus frekvencia hányszorosa a hálózati frekvenciának, pl. 1Ü, 2Ü, 3Ü, 6Ü.
1
1F
3F
U1f
U3f
1U
2U I
I
u(ωt)
3Ü
Um
ωt 2π
π -Um
A fázisszám, útszám és ütemszám illusztrációja 1F1U1Ü egyenirányító kapcsolás D Tr
I= +
U~
U=
R -
1F1U1Ü egyenirányító kapcsolás Tr – egyenirányító transzformátor, D – dióda, R – fogyasztó ellenállás, U~ – hálózati váltakozó feszültség, U= – egyenirányított feszültség, I= – egyenáram. Az ábrán látható kapcsolás egyfázisú, mert a transzformátor primer tekercse 1 fázis U~ feszültségére csatlakozik, 1 utas, mert a transzformátor szekunder tekercsében csak egyirányú áram folyhat, 1 ütemű, mert az U= egyenirányított feszültség alapharmonikusa megegyezik a hálózati tápfrekvenciával.
2
u(ωt) u(ωt)
Um
Um
ωt 2π
π
Uk π
ωt 2π
-Um A hálózati és az egyenirányított feszültség időfüggvénye 1F1U1Ü kapcsolásnál Um – a szekunder oldali váltakozó feszültség amplitúdója, Uk – az egyenirányított feszültség középértéke. 1F1U2Ü egyenirányító kapcsolás u(ωt)
D1 Tr -
U~
I=
Um
+
Uk
R
U=
π
D2
ωt 2π
1F1U2Ü kapcsolás és az egyenirányított feszültség időfüggvénye Az ábrán látható kapcsolás 1 utas, mert a transzformátor szekunder oldali féltekercseiben csak egyirányú áram folyhat, 2 ütemű, mert az U= egyenirányított feszültség alapharmonikusa a hálózati tápfrekvencia kétszerese. 1F2U2Ü egyenirányító kapcsolás Tr
D1
D3
u(ωt)
I=
Um
+
U~
Uk
U=
R D2
π
D4
ωt 2π
1F2U2Ü kapcsolás és az egyenirányított feszültség időfüggvénye Az egyfázisú egyenirányító hídkapcsolás (Graetz1-kapcsolás) 4 diódát tartalmaz. A transzformátor szekunder tekercsében mindkét irányban folyik áram: az egyik irányban a D1-R-D4, a másik irányban a D3-R-D2 elemeken keresztül. 1
Grätz, Leo (1856-1941) német fizikus
3
3F1U3Ü egyenirányító kapcsolás Tr
U=
D1 D2 D3
U3f
-
+ R I=
3F1U3Ü egyenirányító kapcsolás A háromfázisú (úgynevezett csillagpontos) egyenirányító kapcsolás 3 diódát tartalmaz, a transzformátor szekunder tekercseiben csak egy irányban folyik áram. u(ωt) Um Uk
ωt π
2π
3π
3F1U3Ü kapcsolás egyenirányított feszültségének időfüggvénye 3F2U6Ü egyenirányító kapcsolás D1
D3
I=
D5
Tr
+ U=
R
U3f
D2
D4
D6
3F2U6Ü egyenirányító kapcsolás A háromfázisú egyenirányító hídkapcsolás 6 diódát tartalmaz, a transzformátor szekunder tekercseiben mindkét irányban folyik áram. Az egyenirányított feszültség időfüggénye megegyezik a hatfázisú 6F1U6Ü kapcsolás alakjával.
4
u(ωt) Um Uk
ωt π
2π
3π
6F1U6Ü kapcsolás egyenirányított feszültségének időfüggvénye 3. Az egyenfeszültség mérésére használt műszerek Deprez2 műszer Működése azon a fizikai jelenségen alapul, hogy a mágneses térbe helyezett áramjárta vezetőre erő hat. A Deprez-rendszerű műszer mutatója egy állandó mágnes terében elforduló tekercs tengelyéhez van rögzítve. Mivel a keletkező erő – és így a forgató nyomaték is – arányos a mágneses tér és az áram nagyságával, a mutató kitérése arányos a tekercs áramával (a tengely visszatérítő nyomatékát szolgáltató spirál rugó a lineáris tartományban működik). A hálózati frekvenciával változó áram nyomatékát a forgórész nem tudja követni a tekercs tehetetlensége miatt, ezért a műszer kitérése az áram vagy feszültség középértékével arányos. Egyenirányítós Deprez műszer Tulajdonképpen egy Deprez-rendszerű műszer, a bemenetén egy 1F2U2Ü egyenirányítóval. A műszer kitérése az áram (egyenirányított áram) középértékével arányos, de – mivel váltakozó áramú mennyiségek mérésére használják – effektív értékre skálázzák. Lágyvasas műszer Működése azon a fizikai jelenségen alapul, hogy egy gerjesztett tekercs a közelébe helyezett lágyvas darabot magához húzza. Az ilyen elvű műszerek mutatója a lágyvashoz van rögzítve. A keletkező erő – és így a nyomaték is – az áram négyzetével arányos. A hálózati frekvenciával változó áram nyomatékát a forgórész nem tudja követni a lágyvas tehetetlensége miatt, ezért a műszer kitérése a nyomaték középértékével, tehát i2 középértékével, azaz az áram vagy feszültség effektív értékével arányos. TRUE RMS mérő DC állásban az egyenáramú összetevőt mutatja, AC állásban csak a váltakozó összetevő valódi effektív értékét. Elektronikus digitális V ≅ DC állásban a középértéket mutatja, V ≅ AC állásban az egyenirányított közép értékből szinusz alakra korrigált effektív értéket.
2
Deprez, Marcel (1843-1918) francia mérnök
5
A műszertípusok jelölése Deprez egyeirányítós Deprez lágyvasas 4. Feladatok Tr
B
K
D
R
Ua
+ Ub
V -
Uc
A mérési elrendezés Az ábrán B – olvadó biztosító, K – kapcsoló. Az ábrán látható mérési elrendezésen a háromfázisú hálózat minden fázisához 2-2 transzformátor csatlakozik. Az azonos fázisra kapcsolt transzformátorok primer tekercsei fordított fázisú feszültséget kapnak, ezért az 1F1U1Ü egységekből álló rendszer hatfázisú. Az egyes fázisokhoz tartozó áramkörök az egyenirányított oldalon kiiktathatók, így az előzőekben bemutatott kapcsolások megvalósításán túl különböző meghibásodások is szimulálhatók.
6
a) rajzolja fel az egyenirányított feszültség időfüggvényét a mérésvezető által magadott esetekre és ellenőrizze oszcilloszkópon. b) számítsa ki az egyenirányított feszültség középértékét, a kapott eredményt ellenőrizze voltmérővel. c) állapítsa meg, hogy a különböző típusú müszerek hogyan használhatóak hullámos egyenfeszültség mérésére.
Készítette: Dr. Kádár István Villamos Energetika Tanszék 2010
7
