BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁYI EGYETEM VILLAMOSMÉRÖKI ÉS IFORMATIKAI KAR VILLAMOS EERGETIKA TASZÉK 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. I D I D U D U z U D U z U D I D zárási tartomány Félvezető dióda jelképi jelölése, valóságos és ideális jelleggörbéje Az ábrán U D a diódán eső feszültség, I D a diódán átfolyó áram, U z 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 U 1f U 3f 1U 2U I I u() 3Ü 4 3 3-1F1U1Ü egyenirányító kapcsolás A fázisszám, útszám és ütemszám illusztrációja D U ~ U = R 1F1U1Ü egyenirányító kapcsolás egyenirányító transzformátor, D dióda, R fogyasztó ellenállás, U ~ hálózati váltakozó feszültség, U = egyenirányított feszültség, 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() u() - A egyenirányítandó és az egyenirányított feszültség időfüggvénye 1F1U1Ü kapcsolásnál a szekunder oldali váltakozó feszültség amplitúdója, az egyenirányított feszültség középértéke. 1F1U2Ü egyenirányító kapcsolás D 1 U ~ U = - R u() D 2 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 D 1 D 3 u() U ~ R U = D 2 - D 4 1F2U2Ü kapcsolás és az egyenirányított feszültség időfüggvénye Az egyfázisú egyenirányító hídkapcsolás (Graetz 1 -kapcsolás) 4 diódát tartalmaz. A transzformátor szekunder tekercsében mindkét irányban folyik áram: az egyik irányban a D 1 -R-D 4, a másik irányban a D 3 -R-D 2 elemeken keresztül. 1 Grätz, Leo (1856-1941) német fizikus 3
3F1U3Ü egyenirányító kapcsolás D U = 1 - U D 2 3f D 3 R 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() 3 3F1U3Ü kapcsolás egyenirányított feszültségének időfüggvénye 3F2U6Ü egyenirányító kapcsolás D 1 D 3 D 5 U 3f R U = - D 2 D 4 D 6 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. Középpont megcsapolású szekunder tekercsek alkalmazásával kapunk hatfázisú feszültséget, mert a két féltekercs feszültsége ellenfázisban van. 4
u() 3 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 (Deprez 2 ) 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 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. 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. 2 Deprez, Marcel (1843-1918) francia mérnök 5
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 csak az egyenáramú összetevőt, a feszültség középértéket mutatja, AC állásban pedig a beépített kondenzátor miatt csak a tetszőleges időbeli lefolyású váltakozó összetevő valódi (a definíciós képlettel számított) effektív értékét jelzi. 4. Mérési elrendezések Az ábrákon T r egyfázisú transzformátorok, terhelő ellenállás, B olvadó biztosító, sönt ellenállás az áram vizsgálatához,, feszültség osztó ellenállások a hálózati fázisfeszültség vizsgálatához. B a 1F1U1Ü egyenirányító kapcsolás mérési elrendezése Az 1F1U1Ü kapcsolásban csak az egyik szekunder féltekercsben csak az egyik félperiódusban folyik áram. 6
Az alábbi ábrákon látható elrendezésekben a hálózat aktív fázisához 1 transzformátor csatlakozik, 2 szekunder féltekerccsel. A szekunder feszültségek fordított fázisúak a középponthoz képest. B a 1F1U2Ü egyenirányító kapcsolás mérési elrendezése Az 1F1U2Ü kapcsolásban a két szekunder féltekercsben félperódusonként váltakozva folyik az áram. B a 1F2U2Ü egyenirányító kapcsolás (1f híd-kapcsolás) mérési elrendezése Az 1F2U2Ü kapcsolásban mindkét szekunder féltekercsben mindkét félperiódusban folyik áram. 7
B a 3F1U3Ü egyenirányító kapcsolás mérési elrendezése A 3F1U3Ü elrendezés az 1F1U1Ü kapcsolás háromfázisú változata. B a 3F2U6Ü egyenirányító kapcsolás (3f híd-kapcsolás) mérési elrendezése A 3F2U6Ü kapcsolásban csak a felső féltekercsek aktívak. A három fázis (fél) tekercs a csillagponthoz csatlakozik, az egyes fázisok áramköre a másik két fázison és a csillagponton keresztül záródik. 8
B a 6F1U6Ü egyenirányító kapcsolás mérési elrendezése A 6F1U6Ü elrendezés az 1F1U2Ü kapcsolás háromfázisú változata. A két féltekercs feszültsége a csillagponthoz képest egymással ellenfázisú. 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, milyen beállítás mellett. Összeállította: Kádár István 218. november 9