KURZUS: Elektrotechnika

MODUL: Áramirányítók

42. lecke: Áramirányítók

|  | Tanulási célok
| A lecke áttanulmányozása után Ön képes lesz:
| Saját szavaival ismertetni, hogy melyek a leggyakrabban használt áramirányító típusok. Saját szavaival elmagyarázni az egy- és háromfázisú egyenirányítók működését. Felrajzolni az egy- és háromfázisú egyenirányítók kapcsolását és az egyenirányított feszültség alakját. Saját szavaival értelmezni az egyenirányítók folyamatos és szaggatott vezetését.
| Tevékenységek
| Olvassa el figyelmesen az áramirányítók felépítésével és működésével foglalkozó részt! Tanulmányozza alaposan az egy- és háromfázisú egyenirányítók működését! Tanulmányozza alaposan a különböző terhelések hatását!
| Tananyag
| Napjainkban a megtermelt villamos energia a legtöbb esetben valamilyen átalakítás után jut el a fogyasztóhoz. Gyakori eset, hogy a rendelkezésre álló villamos energia valamelyik paramétere vagy akár több is, nem megfelelő egy adott fogyasztó számára. Néha a feszültség nagysága vagy frekvenciája vagy esetleg fázisszáma, néha pedig az áramneme nem megfelelő. Ezért különleges átalakító berendezéseket szokás használni. Amennyiben ezen átalakító berendezéseket úgynevezett félvezető elemekből készítik, akkor statikus áramirányítókról beszélünk.
| Az alábbiakban a leggyakrabban előforduló eseteket mutatjuk be.
| Az egyik leggyakrabban jelentkező igény, hogy a rendelkezésre álló váltakozó áramú (AC) energiát egyenáramúvá (DC) kell alakítani. Az ilyen berendezést egyenirányítónak nevezzük. Pl. a legtöbb elektronikai eszköz DC táplálást igényel. Ha nem áll rendelkezésre egyenáramú áramforrás, akkor a váltakozó áramú energiát kell egyenirányítani (másik gyakori alkalmazás az akkumulátortöltés).
| Egyenirányító
| Ennek a fordított esete, amikor egyenáramból készítünk váltakozó áramot, az ilyen eszközt váltóirányítónak vagy inverternek nevezzük:
| Inverter
| Néha nem megfelelő a rendelkezésre álló feszültségforrás feszültsége, ilyenkor a feszültség nagyságát kell megváltoztatni, átalakítani, ezeket az eszközöket nevezzük konverternek. Az ún. DC/DC konverterek az egyenáramot alakítják át egyenárammá, miközben a feszültség szintjét megváltoztatják. Például karóra DC/DC konvertere. Az AC/AC konverterek váltakozófeszültséget alakítanak váltakozófeszültséggé, miközben ennek nagyságát is megváltoztatják.
| DC/DC és AC/AC konverterek
| A DC/DC konverterek az egyenáramú energiát általában más feszültségű, de ugyancsak egyenáramú energiává alakítják át. Az AC/AC konverterek ehhez hasonlóan a váltakozó áramú energia esetén végeznek el hasonló átalakítást.
| Az ún. ciklokonverterek szintén váltakozófeszültséget alakítanak át váltakozófeszültséggé, azonban közben megváltozik a fázisszám és a frekvencia is. Az alábbi ábra mutatja vázlatosan a ciklokonverter bemenő és kimenő jelét. (A vastag vonallal rajzolt jel a kimenőjel.) Az egyfázisú kimenő jel frekvenciája az eredeti háromfázisú jel frekvenciájának az egyharmada lesz (f = 50/3 Hz). Ezt az átalakítást pl. az osztrák és német vasutaknál használják, ezért nem használhatóak az osztrák és német villamos mozdonyok Magyarországon és viszont, mivel eltérő feszültséget és frekvenciát használnak. (Megjegyzés: a legújabb gyártású villanymozdonyok már képesek átlépni az országhatárt, mert vegyes táplálásra tervezték azokat.)
| Egyenirányítók
| A váltakozófeszültséget úgy is egyenirányíthatjuk, hogy egy kapcsolót alkalmazunk a táplálás és a fogyasztó között, amit a szinuszhullám fél periódusa alatt nyitva, majd a másik fél periódus alatt zárva tartunk.
| Az egyenirányított szinuszos feszültség és áram alakja az alábbi ábrán látható az idő függvényében.
| Természetesen a gyakorlatban nem egy mechanikus kapcsolót, hanem egy olyan félvezető eszközt használnak, amelynek viselkedése, áram-feszültség jelleggörbéje jól közelíti az ideális kapcsolóét. Erre a célra félvezető diódát szokás használni. Ez egy olyan germán vagy szilícium alapú félvezető eszköz, amelynek kivezetései: anód és katód.
| Az ideális kapcsoló jelleggörbéje, feszültség-áram karakterisztikája és a dióda tényleges jelleggörbéje az alábbi ábrán látható.
| Tehát ha a kapcsoló zárt állapotában van, akkor a feszültség nulla és áram folyik. Nyitott kapcsoló állásnál szakadás van, nem folyik áram, de feszültség esik. A dióda az ún. könyökponttól vezet. Jellegzetes dióda paraméterek:
| A hagyományos diódák a zárótartomány letörési szakaszában nem használhatók, ugyanis ekkor tönkremennek. Az ún. ZENER diódák azonban a jelleggörbe letörési szakaszában is képesek tartósan működni, általában feszültség stabilizálásra használják.
| A legegyszerűbb egyenirányító kapcsolás egy diódát tartalmaz, ez látja el a kapcsoló feladatot. A dióda a szinuszhullám pozitív részénél nyit (rövid zár) és ezt a feszültséget rákapcsolja a terhelésre. A negatív félhullám esetén lezár, a terhelésre nem jut feszültség.
| 1F1U1Ü - 1 fázisú 1 utas 1 ütemű kapcsolás
| A szinuszos feszültség nullaátmenete után a dióda zár és megszakítja az áram folyását.
| Hány utas egy kapcsolás? - valójában az áramirányító transzformátor szekunder tekercsében folyó áram lehetséges irányának a száma. A szekunder tekercsben egy vagy két irányban tud áram folyni.
| Hány ütemű a kapcsolás? Ahány pozitív szinusz "sapkát" látunk az eredeti szinuszos jel egy periódusideje alatt.
| Ez a kapcsolás a kihasználtság szempontjából rossz, mert fél periódusig nulla a feszültség a terhelésen, másképpen fogalmazva nagy az egyenirányított jel hullámossága. Az egyenirányított jel ún. egyszerű középértéke az alábbiak szerint határozható meg:
| U e = 1 2 π ⋅ ∫ 0 2 π u(ω⋅t)⋅ω⋅t = 1 2 π ∫ 0 2 π U m ⋅sin⁡ω t⋅d ω t = U m 2 π [ −cos⁡ω t ] 0 π = U m 2 π [ 1+1 ]= U m π = 2 π ⋅U≅ 0,45 U ¯ ¯
| 1F1U2Ü (1 fázisú, 1 utas, 2 ütemű) egyenirányító
| Az egyenirányított feszültség hullámossága jelentősen csökkenthető, ha a hálózat egy periódusát tekintve mindkét félperiódusban történik egyenirányítás. A 2 diódás egyenirányító kapcsolást és a terhelésen lévő feszültség és áram időfüggvényét mutatja az alábbi ábra:
| A szinuszhullám pozitív félperiódusában a felső dióda van nyitott állásban, az alsó zárva van, ekkor a terhelésen jobbról balra folyik az áram. A következő félperiódusban a felső dióda lezár és az alsó nyit, a terhelésen most is jobbról balra folyik az áram. A kétszeres kihasználás miatt az egyenirányított feszültség középértéke az előző érték kétszerese lesz:
| Ue= 0.9U
| 1F2U2Ü (1 fázisú, 2 utas, 2 ütemű) egyenirányító
| 2 utas: mert az áramirányító transzformátor szekunder tekercsében 2 irányban folyhat az áram, természetesen egyidőben csak egy irányban
| 2 ütem: 2 db pozitív szinusz "sapka" látható egy periódus alatt
| A kapcsolás 4 diódát tartalmaz. Ezt az egyenirányító kapcsolást szokás hídkapcsolásnak, vagy Graetz egyenirányítónak nevezni. A kapcsolást és a terhelés feszültség, áram időfüggvényét az alábbi ábra mutatja:
| Az egyenirányított feszültség egyszerű középértéke:
| Ue= 0.9U
| Az egyenirányított jel hullámossága különböző szűrőkapcsolásokkal javítható.
| Szűrés: egydiódás egyenirányító esetén
| A legegyszerűbb szűrő a terheléssel párhuzamosan kapcsolt puffer vagy tároló kondenzátor. A kondenzátor a transzformátor szekunder feszültség csúcsértékére töltődik fel, ettől kezdve feszültsége a terhelés nagyságától függő mértékben csökken, ugyanis töltése a fogyasztón átfolyó áram következtében csökken.
| Természetesen léteznek más, bonyolultabb szűrőkapcsolások is, amelyekkel a hullámosság tovább javítható.
| 3F1U3Ü (3 fázisú, 1 utas, 3 ütemű) egyenirányító
| Az egyenirányított feszültség hullámossága tovább csökkenthető, ha az egyenirányító elemek számát tovább növeljük (3, 6, 12-re) és ennek megfelelően 3, 6, 12 fázisú egyenirányító kapcsolást alkalmazunk. Az alábbi ábra egy háromfázisú, egy utas, 3 ütemű kapcsolást és a hozzátartozó terhelés feszültség, áram időfüggvényeket ábrázolja.
| A kapcsolásból következően mindig az a dióda vezet és kapcsolja a tápfeszültséget az R ellenállásra, amelyiknek a pillanatnyi fázisfeszültsége a közös katódhoz képest a legpozitívabb. A másik két dióda zárt állapotban van, ugyanis egyszerre csak egy dióda vezet.
| A kapcsolás működési vizsgálatánál azt kell figyelemmel követni, hogy egy adott időpillanatban melyik dióda vezet. Az egyenirányított feszültség nem csökken le nullára, csak a szinuszok metszéspontjáig. Ezt hívjuk kommutációs pontnak. Ilyenkor az egyik dióda átadja a vezetést a másik diódának. Egy dióda -nyi ideig vezet. Az egyenirányított feszültség egyszerű középértéke általában véve:
| U e = 1 2 π P⋅ω ∫ − π P ω π P ω U m cos⁡ω t⋅d ω t = 2 ⋅U P π sin⁡ π P , azaz
| U e = 2 ⋅U⋅ p π ⋅sin⁡ π P
| ahol, p jelenti az ütemszámot. Jelen kapcsolásban
| Ue=1,17U
| 3F2U6Ü 3 fázisú hídkapcsolás (GRAETZ)
| Az alábbi ábra mutatja a háromfázisú hídkapcsolást (háromfázisú Graetz kapcsolás).
| Vizsgáljuk az ábra jobboldalán látható időfüggvényeket. Jelöljük a fázisokat 1,2,3-mal, illetve A és B oldali diódákat említve, beszélhetünk pl. 1A vagy 2B diódáról, azaz az 1-es fázishoz csatlakozó A oldali, vagy a 2-es fázishoz csatlakozó B oldali diódáról. 60°-os időosztásokat vizsgálva, az alábbi táblázat mutatja, hogy egy adott időszakaszban, melyik két dióda vezet. (Egy dióda 120°-nyi ideig vezet.)
60° | 120° | 180° | 240° | 300° | 360°
1A 2B | 1A 3B | 2A 3B | 2A 1B | 3A 1B | 3A 2B
| Az ábrában a piros görbe mutatja az egyenirányított feszültség alakját. Jól látható, hogy a hullámosság lényegesen jobb, mint az előző kapcsolások esetén, hiszen a feszültség már nem csökken nullára és jóval kisebb az ingadozás is. Ezt fejezi ki az egyenirányított feszültség egyszerű középértéke is, ugyanis:
| Ue=1,35U
| Természetesen szűrőkapcsolás (pl. puffer kondenzátor) alkalmazásával az egyenfeszültség tovább simítható.
| Terhelések
| Vizsgáljuk meg az egyenirányító kapcsolásokat különböző, nem csak R ellenállást tartalmazó terhelés esetén is. Az alábbi terhelések fordulnak elő a leggyakrabban:
| akkumulátor ohmos-induktív jellegű fogyasztók egyenáramú motorok armatúraköre
| Akkumulátor típusú terhelés
| Kapcsoljunk egy akkumulátort mint terhelést az egyenirányító kapcsolásra. Az akkumulátort egy ideális feszültséggenerátorral és egy vele sorosan kapcsolt ellenállással lehet helyettesíteni az áramkörben:
| Akkumulátor= ideális telep+ belső ellenállás
| 3 ábrát készíthetünk attól függően, hogy mennyire van az akkumulátor lemerülve. Erősen lemerült akkumulátor esetén a töltés megkezdésekor az akkumulátor feszültsége alacsony, ezért U0 feszültség kicsi. Ahogy az akkumulátor töltődik és az U0 feszültség növekszik a diódák egyre rövidebb ideig lesznek nyitva és a rajtuk folyó áram szakaszos lesz, mint azt az alábbi ábra is mutatja.
Akku állapota | Erősen lemerült állapot | Töltés alatt | Majdnem feltöltött állapot
Vezetés | folyamatos | Folyamatos vezetés határa | szaggatott
| Ohmos-induktív terhelés
| Legyen a terhelés most egy ohmos-induktív áramköri elem. Mint ismeretes, az induktivitás az áramváltozás ellen hat, az áram időbeni lüktetését fékezi, tehát simítja az áramot.
| A dióda vezetése alatt az alábbi differenciálegyenlet írható fel:
| L d i d t +R i= U m sin⁡ω t= 2 U sin⁡ω t
| A kialakuló áramot a differenciálegyenlet megoldása adja (az ábrában itr és ist eredőjeként id).

|  | Önellenőrző feladatok
| Töltse ki az alábbi feladatlapot!
| 1. Adja meg, hogy melyik válasz a helyes!
| Az inverter a váltakozó áramú energiát alakítja át egyenáramúvá.
| Az egyenirányító a váltakozó áramú energiát alakítja át egyenáramúvá.
| A konverter az egyenáramú energiát alakítja át váltakozó áramúvá.
| 2. Adja meg, hogy melyik válasz a helytelen!
| Az inverter az egyenáramú energiát alakítja át váltakozó áramúvá.
| Az egyenirányító a váltakozó áramú energiát alakítja át egyenáramúvá.
| Az AC/AC konverterek az egyenáramot alakítják át egyenárammá.
| 3. Adja meg, hogy melyik válasz a helyes!
| Az egy diódát tartalmazó egyenirányító kapcsolásban az egyenirányított feszültség középértéke: Ue ≈0,45U.
| A két diódát tartalmazó egyenirányító kapcsolásban az egyenirányított feszültség középértéke: Ue ≈0,45U.
| 4. Egészítse ki a következő mondatot! Az egyenirányított feszültség csökkenthető az egyenirányító elemek számának és szűrőkapcsolások alkalmazásával.
| 5. Egészítse ki a következő mondatot! A háromfázisú, 3 diódát tartalmazó egyenirányítókban mindig az a dióda vezet, amelyiknek a pillanatnyi fázisfeszültsége a közös katódhoz képest a .
| 6. Adja meg, hogy melyik válasz a helyes!
| A háromfázisú egyenirányítók esetén az egyenirányított feszültség nem csökken le nullára.
| Az egyfázisú hídkapcsolású egyenirányítók esetén az egyenirányított feszültség nem csökken le nullára.
| 7. Adja meg, hogy melyik válasz a helyes!
| Az egyfázisú hídkapcsolású egyenirányítók esetén az egyenirányított feszültség nem csökken le nullára.
| Az egyfázisú hídkapcsolású egyenirányítók esetén az egyenirányított feszültség fél periódusnyi idő alatt nulla értékű.
| Az egyfázisú, egy diódás egyenirányítók (1F1U1Ü) esetén az egyenirányított feszültség fél periódusnyi idő alatt nulla értékű.
| 8. Adja meg, hogy melyik válasz a helyes!
| Akkumulátor töltésekor ahogy nő az akkumulátor U0 feszültsége, úgy hosszabbodik a diódák áramvezetési ideje és a rajtuk folyó áram szakaszossá válhat.
| Akkumulátor töltésekor ahogy csökken az akkumulátor U0 feszültsége, úgy rövidül a diódák áramvezetési ideje és a rajtuk folyó áram szakaszossá válhat.
| Akkumulátor töltésekor ahogy nő az akkumulátor U0 feszültsége, úgy rövidül a diódák áramvezetési ideje és a rajtuk folyó áram szakaszossá válhat.
| 9. Adja meg, hogy melyik válasz a helyes!
| Akkumulátor töltésekor az áramvezetés mindig folyamatos. mert az akkumulátor állandóan rá van kapcsolva a töltő készülékre.
| Akkumulátor töltésekor az áramvezetés mindig szaggatott. mert az akkumulátor feszültsége a töltés során állandó.
| Akkumulátor töltésekor az áramvezetés lehet folyamatos vagy szaggatott. mert az akkumulátor feszültsége a töltés során állandóan változik.