Elektromechanika 6. mérés Teljesítményelektronika 1. Rajzolja fel az ideális és a valódi dióda feszültségáram jelleggörbéjét! Valódi dióda karakterisztikája:
Ideális dióda karakterisztikája (3-as jelű karakterisztika):
2. Mi a különbség az egyenirányító és a váltóirányító között? Ha az energia a váltakozó feszültségű (áramú) rendszerből az egyenfeszültségű (-áramú) rendszer felé áramlik, akkor egyenirányító üzemmódról beszélünk; ha az energiaáramlás iránya fordított, akkor pedig váltóirányító (inverter) üzemmódról beszélünk. 3. Definiálja a fázisszám, útszám, ütemszám fogalmakat! A különféle felhasználási igények miatt többféle áramirányító kapcsolást alkalmaznak. Csoportosításuk a fázisszám, az útszám és az ütemszám szerint lehetséges.
1
Fázisszám (f): A váltakozó áramú hálózat szerint egy- és háromfázisú megoldásokat különböztetünk meg.
Útszám (u): Attól függően, hogy az áramirányító transzformátor szekunder tekercsének egy adott menetében az áram egy- vagy kétirányban folyhat, egy- és kétutas kapcsolásokról beszélhetünk.
Ütemszám (ü): Az ütemszámot a készülék egyenfeszültségű kapcsain megjelenő jel legalacsonyabb rendszámú felharmonikus frekvenciájának és a váltakozó áramú oldal frekvenciájának hányadosa határozza meg. Az ütemszám azt jelzi, hogy a váltakozó feszültség egy periódusa alatt az egyenirányított feszültségben hány periódus van.
4. Rajzolja fel a dióda karakterisztikáját, valamint rajzjelét a vezetőirányú áram és feszültség bejelölésével! A dióda rajzjele:
A dióda karakterisztikája:
2
5. Hogyan szokás közelíteni a számítások során a dióda karakterisztikáját? Pontosabb számításoknál az 1-es jelű, közelítő számításoknál pedig a 2-es jelű karakterisztikával szokás helyettesíteni a dióda valós karakterisztikáját:
6. Rajzolja fel a tirisztor kapcsolási rajzjelét, nevezze meg az elektródákat! A tirisztor rajzjele:
Elektródák: A – anód; K – katód; V – vezérlőelektróda. 7. Magyarázza meg röviden, hogy miért lehet a tirisztort vezérelt egyenirányítónak, illetve vezérelt elektronikus kapcsolónak tekinteni? Záróirányú feszültség-igénybevétel (𝑢𝑇 < 0) esetén a tirisztor az 𝑢𝑣 vezérlőfeszültségtől függetlenül gyakorlatilag nem vezet áramot. A diódához hasonlóan a tirisztoron átfolyó áram sem lehet negatív. Nyitóirányú feszültség-igénybevétel (𝑢𝑇 > 0) esetén a tirisztor az 𝑢𝑣 feszültséggel már vezérelhető. Megfelelő amplitúdójú és időtartamú vezérlőfeszültség (𝑢𝑣 > 0) esetén a tirisztor vezetővé válik, bekapcsol, begyújt. 8. Mi a tirisztor gyújtásának és oltásának feltétele? A tirisztorok bekapcsolásának, gyújtásának két feltétele van: egyrészt a vezérlőelektródára megfelelő amplitúdójú és időtartamú vezérlőfeszültséget kell kapcsolni (𝑢𝑣 > 0); másrészt a tirisztoron a gyújtás pillanatában a feszültség-igénybevételnek nyitóirányúnak kell lennie (𝑢𝑇 > 0).
3
A tirisztorok kikapcsolásának, oltásának feltétele: a rajta átfolyó áramnak zérusra kell csökkennie (𝑖 𝑇 = 0), és rövid ideig – a tirisztorra jellemző ún. szabaddá válási ideig – záróirányú feszültségnek kell rájutnia (𝑢𝑇 < 0). 9. Rajzoljon fel egy soros R-L terhelésű, nulldióda nélkül 1.f 1.u 1.ü tirisztoros egyenirányító kapcsolást!
10. Rajzolja fel a 7. kérdés szerinti kapcsolásra az 𝒖𝟐 (𝒕), 𝑼𝑹 (𝒕), 𝑼𝑳 (𝒕) és 𝒖𝒕 (𝒕) feszültségek időfüggvényeit 𝜶 = 𝟔𝟎° gyújtásszög feltételezésével, és röviden indokolja azok menetét!
4
Az 𝑢2 tápfeszültség pozitív félperiódusában a 𝑡 = 𝑡𝑔 gyújtási időpontig (𝛼 gyújtási szögig) a tirisztor még szigetel (𝑖𝑡 = 0), a teljes 𝑢2 tápfeszültség rájut a tirisztor anódkatód kapcsaira, így az 𝑢𝑡 feszültség zérus. A 𝑡𝑔 időpontban a gyújtás következtében a tirisztor vezetővé válik (𝑖𝑡 ≠ 0); az anód-katód kapcsok közötti feszültség a 𝑡𝑔 időpontban ugrásszerűen közelítőleg zérusra törik le és a félperiódus végéig zérus is marad. Következésképpen a 𝑡𝑔 < 𝑡 < 𝑇/2 időintervallumban a teljes 𝑢2 tápfeszültség az 𝑅𝑡 ellenállás sarkaira jut. A tápfeszültség negatív félperiódusaiban a tirisztor – záróirányú igénybevétele miatt – nem vezethet, így 𝑖𝑡 = 0, 𝑢𝑇 = 0. 11. Hogyan számítható ki az 1f. 1u. 1ü. kapcsolásban az egyenirányított feszültség 𝑼𝟎 átlagértéke? Tiszta ohmos ellenállás-terhelés esetére az 𝑢𝑡 = 𝑢𝑡 (𝑡) egyenirányított feszültség egy periódusra vett átlagértéke: 𝑇/2
𝜋
1 1 𝑈2𝑚 (1 + cos 𝛼) = 𝑈0 = ∫ 𝑢2 𝑑𝑡 = ∫ 𝑈2𝑚 ∙ sin 𝜔𝑡 ∙ 𝑑𝜔𝑡 = 𝑇 2𝜋 2𝜋 𝑡𝑔
𝛼
=
1 + cos 𝛼 √2 ∙ 𝑈2𝑒𝑓𝑓 ∙ 𝜋 2
√2
ahol 𝜋 ∙ 𝑈2𝑒𝑓𝑓 = 𝑈𝑚 a lehetséges legnagyobb átlagérték, amely a teljes félperiódus alatti vezetés (𝛼 = 0) esetén jön létre. 12. Indokolja meg röviden, hogy miért zérus az egyenirányítókat terhelő induktivitásban indukált feszültség egy periódusra vett átlagértéke! 𝑢𝐿 -nek az egy periódusra vett átlaga zérus, mivel az 𝐿𝑡 fojtótekercs fluxusának egy periódusra vett átlagértéke zérus, hiszen árama és energiája a 𝑡 = 0 és a 𝑡 = 𝑡𝑘 időpontban egyaránt zérus. Tehát 𝑡𝑘
𝑡𝑘
𝑡𝑘
𝑑𝛷 ∫ 𝑢𝐿 𝑑𝑡 = ∫ 𝑑𝑡 = ∫ 𝑑𝛷 = 𝛷(𝑡𝑘 ) − 𝛷(𝑡𝑔 ) = 𝐿[𝑖(𝑡𝑘 ) − 𝑖(𝑡𝑔 )] = 0 𝑑𝑡
𝑡𝑔
𝑡𝑔
𝑡𝑔
13. Rajzolja fel az R-L terhelésű, nulldiódával kiegészített 1f. 1u. 1ü. egyenirányító kapcsolást, valamint a hozzátartozó 𝒖𝟐 (𝒕), 𝒖𝑹 (𝒕) és az 𝒊𝟐 (𝒕) időfüggvényeket!
5
14. Magyarázza meg a nulldióda szerepét az R-L terhelésű, 1f. 1u. 1ü. egyenirányító kapcsolásban! Az induktivitás által fenntartott 𝑖𝑡 terhelőáram a megfelelő polaritással beiktatott D nulldiódán keresztül záródni tud az 𝑢2 transzformátorfeszültség negatív félhullámainak ideje alatt is. 15. Mekkora a nulldiódával kiegészített, R-L terhelésű 1f. 1u. 1ü. egyenirányító kapcsolás 𝒖𝒕 (𝒕) kimenő feszültségének átlagértéke az 𝒖𝟐 (𝒕) transzformátor-feszültség csúcs-, illetve effektív értékével kifejezve? 𝑈𝑘 =
𝑈2𝑚 1 + cos 𝛼 √2 ∙ (1 + cos 𝛼) = ∙ 𝑈2𝑒𝑓𝑓 ∙ 2𝜋 𝜋 2
16. Rajzolja fel a váltakozó áramú átalakító kapcsolását!
6
17. Rajzolja fel a váltakozó áramú átalakító kapcsolásra az 𝒖𝒕 kimenőfeszültség időfüggvényét tetszőleges 𝟎 < 𝜶 < 𝝋 gyújtásszög esetére!
18. Rajzolja fel a váltakozó áramú átalakító kapcsolásra az 𝒖𝒕 kimenőfeszültség időfüggvényét 𝜶 > 𝝋 gyújtásszög esetére!
7
