BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM VILLAMOSMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR VILLAMOS ENERGETIKA TANSZÉK
Mérési útmutató Periodikus, nem szinusz alakú jelek értékelése, félvezetős egyenirányítók vizsgálata Az Elektrotechnika tárgy 6. sz. laboratóriumi gyakorlatához 1. A mérési gyakorlat célja az energetikában használt egyenirányító kapcsolások tanulmányozása, az egyenirányított mennyiségek mérési lehetőségeinek megismerése. 2. Diódás egyenirányító kapcsolások (AC-DC átalakítók) Váltakozó áramú energiát egyenáramú energiává, váltakozó irányú feszültséget (áramot) egyirányú feszültséggé (árammá) egyenirányítóval alakítanak át. 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, (mivel a primer- és a szekunder oldal között mágneses kapcsolat van) - a szükséges feszültségszint előállítása, - reaktanciája útján áramkorlátozás. 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 egyenirányítandó feszültség fázisainak száma, pl. 1F, 3F, 6F. Egyutas (1U) kapcsolásoknál a transzformátor szekunder tekercsében (vagy tekercseiben) csak egyirányú áram folyik, kétutas (2U) kapcsolásoknál mindkét irányban váltakozva.
1
Az ütemszám az egyenirányított feszültség vagy áram hullámosságát jellemzi, azt fejezi ki, hogy az egyenoldali alapharmonikus frekvencia (a hullámzás ismétlődési gyakorisága) hányszorosa a hálózati frekvenciának, pl. 1Ü, 2Ü, 3Ü, 6Ü.
1F
3F
U1f
U3f
1U
2U I
I
3Ü
u(ωt) Um
ωt 2π 3
π
4π 3
2π
-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 alapharmonikus frekvenciája megegyezik a hálózati tápfrekvenciával.
2
u(ωt) u(ωt)
Um
Um ωt 2π
π
Uk π
ωt 2π
-Um A egyenirányítandó és az egyenirányított feszültség időfüggvénye 1F1U1Ü kapcsolásnál Um – a szekunder oldali váltakozó feszültség amplitúdója, Uk – az egyenirányított feszültség középértéke. 1F1U2Ü egyenirányító kapcsolás D1 Tr -
U~
u(ωt) 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 alapharmonikus frekvenciája 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. Az egyenirányított feszültség alapharmonikus frekvenciája a hálózati tápfrekvencia háromszorosa. 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 időfüggvénye 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 A műszertípusok jelölése állandó mágneses lengőtekercses (Deprez) egyenirányítós Deprez lágyvasas vasmagos elektrodinamikus Állandó mágneses lengőtekercses (Deprez2) műszer (analóg) 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 forgatónyomaték is – arányos az állandónak tekinthető mágneses tér és a tekercsen átfolyó áram nagyságával, a mutató kitérése arányos a tekercs áramával (a tengely visszatérítő nyomatékát szolgáltató spirál rugó a lineáris tartományában működik). A hálózati frekvenciával változó áram (vagy áramösszetevő) nyomatékát a forgórész nem tudja követni a tekercs tehetetlensége miatt, ezért a műszer kitérése az áram vagy a feszültség középértékével arányos. Egyenirányítós Deprez műszer (analóg) Tulajdonképpen egy Deprez-rendszerű műszer, a bemenetén egy 1F2U2Ü egyenirányítóval és egy szűrőkondenzátorral. A szűrőkondenzátornak az a funkciója, hogy leválasztja a feszültség Uk egyen-komponensét. A műszer belső egyenirányítójára tehát csak váltakozó komponens(ek) jut(nak). A műszer kitérése a feszültség (egyenirányított váltakozó feszültség) középértékével arányos, de – mivel a műszert váltakozó mennyiségek mérésére tervezték – effektív értékre skálázzák.
2
Deprez, Marcel (1843-1918) francia mérnök
5
Lágyvasas műszer (analóg) 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 időben változó nyomatékát a forgórész nem tudja követni a lágyvas tehetetlensége miatt, ezért a műszer kitérése a nyomaték középértékével, tehát i(t)2 középértékével, azaz az áram vagy a feszültség effektív értékével arányos. Elektrodinamikus műszer (analóg) Az elektrodinamikus műszer abban különbözik a Deprez-rendszerű műszertől, hogy az álló mágneses teret nem állandó mágnes, hanem gerjesztett tekercs állítja elő. A mutatót kitérítő nyomaték az álló és a lengő tekercs áramának (állandó ellenállás esetén feszültségének) szorzatával arányos. Voltmérők esetén a két tekercset rendszerint sorba kapcsolják, így a kitérés a feszültség-pillanatérték négyzetének a középértékével, vagyis a feszültség effektív értékének a négyzetével arányos. Elektronikus digitális V ≅ DC állásban a feszültség középértékét mutatja, V ≅ AC állásban az általában szűrt váltakozó összetevő egyenirányított középértékéből szinusz alak feltételezésével korrigált effektív értéket jelzi. Elektronikus TRUE RMS mérő (digitális) DC állásban az egyenáramú összetevőt, a feszültség középértéket mutatja, AC állásban a beépített kondenzátor miatt csak a tetszőleges időbeli lefolyású váltakozó öszszetevő valódi (a definíciós képlettel számított) effektív értékét jelzi. 4. Mérési elrendezések Az ábrákon Tr – egyfázisú transzformátorok, Rt – terhelő ellenállás, B – olvadó biztosító, Rs – sönt ellenállás az áram vizsgálatához, Ro1, Ro2 – feszültség osztó ellenállások a hálózati fázisfeszültség vizsgálatához. Ba
Ua
Bb
Ub
Uc
Bc
N
Ro1 iN Rs
uc Ro2 N
ue+ ub2
ua2 ua1
Tra
uc2 uc1
ub1
Trb
Trc
0
1F1U1Ü egyenirányító kapcsolás mérési elrendezése 6
Rt
ue–
Ba
Ua
Bb
Ub
Uc
Bc
N
Ro1 iN Rs
uc Ro2 N
ue+ ub2
ua2 ua1
uc2
Tra
Rt
uc1
ub1
Trb
Trc
ue–
0
1F1U2Ü egyenirányító kapcsolás mérési elrendezése Ba
Ua
Bb
Ub
Bc
Uc
N
Ro1 iN Rs
uc Ro2 N
ue+ ub2
ua2 ua1
Tra
uc2 uc1
ub1
Trb
Rt
Trc
ue–
0
1F2U2Ü egyenirányító kapcsolás (1f híd-kapcsolás) mérési elrendezése Az ábrákon látható mérési elrendezésekben a hálózat aktív fázisához 1 transzformátor csatlakozik, 2 szekunder féltekerccsel. A szekunder feszültségek fordított fázisúak a középponthoz képest.
7
Ba
Ua
Bb
Ub
Uc
Bc
N
Ro1 iN Rs
uc Ro2 N
ue+ ub2
ua2 ua1
uc2
Tra
Rt
uc1
ub1
Trb
Trc
ue–
0
3F1U3Ü egyenirányító kapcsolás mérési elrendezése Ba
Ua
Bb
Ub
Bc
Uc
N
Ro1 iN Rs
uc Ro2 N
ue+ ub2
ua2 ua1
Tra
uc2 uc1
ub1
Trb
Rt
Trc
0
3F2U6Ü egyenirányító kapcsolás (3f híd-kapcsolás) mérési elrendezése
8
ue–
Ba
Ua
Bb
Ub
Uc
Bc
N
Ro1 iN Rs
uc Ro2 N
ue+ ub2
ua2 ua1
Tra
uc2 uc1
ub1
Trb
Trc
Rt
ue–
0
6F1U6Ü egyenirányító kapcsolás mérési elrendezése 5. Feladatok 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 műszerek közül melyek használhatóak hullámos egyenfeszültség mérésére.
Összeállította: Kádár István 2012. november
9
