BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM VILLAMOSMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR VILLAMOS ENERGETIKA TANSZÉK Mérési útmutató Periodikus jelek vizsgálata, egyfázisú egyenirányító kapcsolások Az Elektrotechnika tárgy 5. sz. laboratóriumi gyakorlatához 1. A mérési gyakorlat célja az energetikában használt egyfázisú egyenirányító kapcsolások megismerése és tanulmányozása, az egyenirányított mennyiségek mérési lehetőségeinek megismerése. 2. Diódás egyenirányító kapcsolások Váltakozó áramú energiából egyenáramú energiát, váltakozó irányú feszültségből egyirányú 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, - 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. 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. 1
1F 3F U 1f U 3f 1U 2U I I u() 3Ü 2π π 4π 3 3 2π - A fázisszám, útszám és ütemszám illusztrációja 1F1U1Ü egyenirányító kapcsolás Tr D 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() u() π 2π U k π 2π - A egyenirányítandó és az egyenirányított feszültség időfüggvénye 1F1U1Ü kapcsolásnál a szekunder oldali váltakozó feszültség amplitúdója, U k az egyenirányított feszültség középértéke. 1F1U2Ü egyenirányító kapcsolás Tr D 1 U ~ U = - I = R u() U k D 2 π 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 D 1 D 3 I = u() U ~ R U = D 2 - D 4 π 2π 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. U k 1 Grätz, Leo (1856-1941) német fizikus 3
3. Az egyenfeszültség mérésére használt műszerek Deprez 2 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 az állandónak tekinthető 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 és egy szűrőkondenzátorral, ami leválasztja az U k egyen-komponenst, 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 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. Elektronikus TRUE RMS mérő DC állásban az egyenáramú összetevőt mutatja, AC állásban csak a váltakozó összetevő valódi (a definíciós képlettel számított) effektív értékét. Elektronikus digitális V DC állásban a feszültség középértéket mutatja, V AC állásban az egyenirányított közép értékből szinusz alak feltételezésével korrigált effektív értéket. A műszertípusok jelölése Deprez egyenirányítós Deprez lágyvasas 4. Mérési elrendezések Az ábrákon T r egyfázisú transzformátorok, R t terhelő ellenállás, B olvadó biztosító, R s sönt ellenállás, az áram vizsgálatához, R o1, R o2 feszültség osztó ellenállások a hálózati fázisfeszültség vizsgálatához. 2 Deprez, Marcel (1843-1918) francia mérnök 4
B a U a U b U c N B b B c R o1 i N u c R s R o2 N ua2 u b2 u c2 u a1 u b1 u c1 R t Tr a Tr b Tr c 0 1F1U1Ü egyenirányító kapcsolás mérési elrendezése B a U a U b U c N B b B c R o1 i N u c R s R o2 N ua2 u b2 u c2 u a1 u b1 u c1 R t Tr a Tr b Tr c 0 1F1U2Ü egyenirányító kapcsolás mérési elrendezése 5
B a U a U b U c N B b B c R o1 i N u c R s R o2 N ua2 u b2 u c2 u a1 u b1 u c1 R t Tr a Tr b Tr c 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. 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 hogyan használhatóak hullámos egyenfeszültség mérésére. Összeállította: Kádár István 2011. október 6