Raportti Yksivaiheinen triac. xxxxxxx nimi nimi Hans Baumgartner xxxxxxx nimi nimi

Transkriptio

1 Raportti Yksivaiheinen triac xxxxxxx nimi nimi Hans Baumgartner xxxxxxx nimi nimi

2 1 Sisältö KÄYTETYT MERKINNÄT JA LYHENTEET JOHDANTO KIRJALLISUUSTYÖ Triacin toimintaperiaate Triacin käyttö Lähtöjännitteen tehollisarvon yhtälö Resistiivinen kuorma Induktiivinen kuorma MITTAUKSET SIMULOINTI TULOSTEN ANALYSOINTI Hyötysuhde ohjauskulman funktiona Tehokerroin Vääristymäkerroin THD Huippukerroin Harmoniset komponentit YHTEENVETO LIITE I LIITE II... 28

3 2 KÄYTETYT MERKINNÄT JA LYHENTEET CF DF f I P t T THD U η huippukerroin vääristymäkerroin taajuus virta teho aika aika kokonaisvääristymä jännite hyötysuhde

4 3 1. JOHDANTO Triac on puolijohdekomponentti, jonka toimintaperiaate on sama kuin kahdella vastakkain kytketyllä tyristorilla. Triacin avulla voidaan muuttaa vaihtovirran käyrämuotoa ja näin vaikuttaa piirissä kulutettavaan tehoon. Laboratoriotyössä on tutustuttu triacin toimintaperiaatteeseen sekä testattu ja analysoitu yksinkertaisia triac-kytkentöjä.

5 4 2. KIRJALLISUUSTYÖ 2.1 Triacin toimintaperiaate Triac on puolijohdekomponentti, jonka toimintaperiaate on sama, kuin kahdella vastakkain kytketyllä tyristorilla. Triacin ohjauskulmaa muuttamalla pystytään vaikuttamaan vaihtojännitteen käyrämuotoon ja näin kuormaan saatavaan tehoon. Triacin periaatteellinen piirikaavio ja kytkentä on esitetty kuvassa 2.1. Kuva 2.1 Triacin piirikaavio Triacin ohjauskulmaa muuttamalla voidaan sinimuotoista jännitettä rikkoa, jolloin kuormassa näkyvän jännitteen käyrämuoto on kuvan 2.2 mukainen. Kuva 2.2 Triacin lähtöjännitteen käyrämuoto Käytännössä ohjauskulmaa muutetaan kytkennällä, joka liipaisee eli saa triacin johtamaan tietyllä ajanhetkellä. Triac lakkaa johtamasta, kun jännitteen suunta muuttuu, jonka jälkeen triac on liipaistava uudestaan. Elektronisessa ohjauskytkennässä liipaisun ajoitus vaatii jännitteen nollakohdan tarkkailemista. Kun jännite ohittaa nollakohdan, alkaa ohjauspiiri laskea aikaa nollakohdan

6 5 ylittämisestä liipaisuhetkeen. Vaihtojännitteen jaksonajan, liipaisuhetken ajankohdan ja ohjauskulman suhde on yhtälön x mukainen. 2t 18 T o, (1) jossa α on ohjauskulma, t liipaisuaika ja T jaksonaika Triacin liipaisuun voidaan käyttää digitaalista mikrokontrolleria tai analogista kytkentää. Mikrokontrolleritoteutukseen voidaan käyttää esim. keskeytystä, jolloin kontrolleri alkaa laskea aikaa nollakohdan ylityksestä ja liipaisee triacin oikealla hetkellä. Liipaisu voidaan toteuttaa myös analogisesti esim. kuvan 2.3 vastuksen ja kondensaattorin muodostamalla kytkennällä. Kytkentä liipaisee triacin, kun kondensaattoriin on latautunut riittävä jännite liipaisuun (tyypillisesti luokkaa.7 V). Kuva 2.3 Triacin liipaisukytkentä Koska triacin liipaisujännite ei ole symmetrinen, ei kuvan 2.3 kytkennällä saatava jännitteen käyrämuotokaan ole näin ollen symmetrinen. Ongelma voidaan korjata lisäämällä kytkentään diac, joka on komponenttina huomattavasti triacia symmetrisempi. Kuvan 2.4 kytkennällä saadaan kuormalle menevästä jännitteestä lähes symmetristä.

7 6 Kuva 2.4 Triacin liipaisu diacin avulla Kytkentöjä suunniteltaessa on hyvä ottaa huomioon myös kytkentöjen erotus. Koska tulojännitteen nollakohdan havaitseminen vaati toimiakseen ohjauskytkennän kytkemisen verkkojännitteen nollajohtoon, on ohjauspiirin ja kuorman erottamiseen tarvittaessa kiinnitettävä huomiota. Erotukseen voidaan käyttää esim. liipaisujännitteen optista erotusta, johon löytyy valmiita optoerottimella varustettuja triac:ja. 2.2 Triacin käyttö Triacin virta ja jännitekestoisuudet rajoittavat sen käyttöä ja sitä käytetäänkin pienitehoiseen vaihtosähkön säätöön mm. lampun himmentimissä, tuulettimien säätöön tai pienitehoisten vaihtosähkömoottorien säätöön. Triacin käyttö on nykyään vähentynyt tasasähkösovellusten lisääntymisen myötä. 2.3 Lähtöjännitteen tehollisarvon yhtälö Sinimuotoisen jännitteen tehollisarvo U rms saadaan yhtälöstä U rms U sin ( t dt (2) ) Resistiivinen kuorma Käsitellään yksinkertaistettua piiriä jossa on triac, virtalähde ja resistiivinen kuorma. Kytkentä on esitetty kuvassa 2.5.

8 7 Kuva 2.5 Triac resistiivisellä kuormalla Resistiivisellä kuormalla piirin jännite on U sin( t) RI sin( ) (3) t Lisäksi piirissä on vielä triacin jännitehäviö mutta se voidaan sisällyttää tässä tarkastelussa kuormaan. Kun triacin syttymiskulmaa merkitään α:lla, on jännitteen käyrämuoto kuvan 2.2 mukainen. Jännitteen tehollisarvo saadaan yhtälöstä (2) muuttamalla integrointiväliä. Resistiivisellä kuormalla ei triacilla ole merkittävää sammumisviivettä, joten se jätetään tässä huomioimatta. Syttymiskulmalla α saadaan tehollisarvon yhtälö muotoon U U rms rms U 1 U 1 2 sin sin 2 2 ( ) d d (4) Ottamalla integraali ja sijoittamalla integrointirajat saadaan 1 sin 2 U rms U (5) Induktiivinen kuorma Induktiivisella kuormalla lähtöjännitteen määrittäminen on hieman hankalampaa, koska triacin sammumisaika riippuu voimakkaasti kuormasta. Induktiivinen kuorma syöttää piiriin energiaa, joka

9 8 hidastaa sammumista. Oletetaan piirin koostuvan virtalähteestä sekä resistiivisestä ja induktiivisesta kuormasta kuvan 2.6 mukaisesti. Kuorman resistiivinen osuus sisältää triacin jännitehäviön. Kuva 2.6 Triac kuormitettuna induktiivisella ja resistiivisellä kuormalla Piirin jännitteen käyrämuoto on pienillä induktanssin arvoilla kuvan 2.7 mukainen. β on sammumisviive. Sammumisajankohta β = π + β. Kuva 2.7 Triacin jännitteen käyrämuodot induktiivisella kuormalla Kuvasta 2.7 jännitteen käyrämuodon pinta-alasta saadaan jännitteen tehollisarvoksi 1 2 U rms U sin d (6) 3. MITTAUKSET Kuvien 2.5 ja 2.6 kytkennöistä mitattiin triacin tulojännite, -virta ja -teho, sekä lähtöjännite, -virta ja - teho eri ohjauskulman arvoilla. Resistiivisellä kuormalla käytetyt ohjauskulman arvot olivat, 45, 9 ja 135 astetta ja induktiivisella kuormalla, 18, 36, 72, 18 ja 126 astetta. Lisäksi oskilloskoopilla

10 9 mitattiin triacin lähtöjännitteen ja -virran käyrämuodot. Mittaustulokset on esitelty myöhemmin. Oskilloskoopin kuvaajat ovat liitteessä I. 4. SIMULOINTI Mitattuja kytkentöjä simuloitiin OrCAD Capture simulointiohjelmistolla, kuvan 4.1 kytkennällä. Kuva 4.1 Simuloinnissa käytetty kytkentä Kuvan 4.1 kytkennässä on triacin rinnalle jouduttu laittamaan snubber-kytkentä, jotta simulointi onnistuisi myös induktiivisella kuormalla. Ilman snubber-kytkentää triac jää johtamaan jatkuvasti ensimmäisen sytytyspulssin jälkeen. Traicin simulointi osoittautui muutenkin äärimmäisen vaikeaksi erityisesti induktiivisella kuormalla. Triacia ei ole tarkoitettu ohjaamaan induktiivisia kuormia, joten toimivan simulointikytkennän löytäminen oli erittäin haastavaa. Simulointitulosten kuvaajat on esitetty liitteessä II. 5. TULOSTEN ANALYSOINTI Taulukkoon 5.1 on listattu triacin lähtöjännitteen teoreettiset-, mitatut- ja simuloidut tehollisarvot. Triacin lähtöjännitettä induktiivisella kuormalla ei voida laskea teoreettisesti, vaan siihen tarvitaan komponenttikohtaisia, monimutkaisia numeerisia menetelmiä, joten näitä arvoja ei ole merkattu taulukkoon.

11 1 Taulukko 5.1 Triacin lähtöjännitteen mitatut, teoreettiset ja simuloidut arvot Resistiivinen kuorma Induktiivinen kuorma alpha Uout alpha Uout Mitt. Teor. Simul. Mitt. Simul Taulukon 5.1 arvot mitattiin kuvan 4.1 kytkennästä vastuksen tai vastuksen ja kelan yli. Alkuperäistä, kuvien 2.5 ja 2.6 mukaista kytkentää ei pystytty simulointiohjelmistolla simuloimaan, joten triacin lähtöjännitettä ei pystynyt mittaamaan suoraan triacin lähdöstä, joka on maa potentiaalissa. Taulukon 5.1 arvot on piirretty kuvaan Mitt. Teor. Simul Mitt. Simul U [V] 4 U [V] alpha alpha Kuva 5.1 Triacin lähtöjännitteen mitatut, teoreettiset ja lasketut arvot. Vasemmalla resistiivinen kuorma ja oikealla induktiivinen kuorma.

12 11 Kuvasta 5.1 ja taulukosta 5.1 voidaan havaita tulosten vastaavat erittäin hyvin toisiaan, joten voidaan todeta laskukaavojen olevan oikein ja simuloinnin toimineen vaikeuksista huolimatta. Yksi syy teoreettisten tulosten pieneen eroavaisuuteen on ainakin triacin jännitehäviö, jota ei laskuissa otettu lainkaan huomioon. 5.1 Hyötysuhde ohjauskulman funktiona Hyötysuhde (η) on syötetyn tehon ja kytkennästä saatavan tehon suhde. Laskuissa käytettiin tehomittarilla mitattuja arvoja. Taulukoissa 5.2 ja 5.3 sekä kuvissa 4.2 ja 5.3 on esitetty hyötysuhde ohjauskulman funktiona. P out (7) P in Taulukko 5.2 Ohjauskulma ja hyötysuhde resistiivisellä kuormalla Ohjauskulma Hyötysuhde Kuva 5.2 Hyötysuhde ohjauskulman funktiona resistiivisellä kuormalla

13 12 Taulukko 5.3 Ohjauskulma ja hyötysuhde induktiivisella kuormalla Ohjauskulma Hyötysuhde Kuva 5.3 Hyötysuhde ohjauskulman funktiona induktiivisella kuormalla Kuvaajista 5.2 ja 5.3 voidaan havaita triacin hyötysuhteen pienenevän merkittävästi ohjauskulman kasvaessa. 5.2 Tehokerroin Tehokerroin (cos φ) saadaan laskettua mittaustulosten virran ja syöttöjännitteen tulosta ja kuorman kuluttaman pätötehon suhteesta. Pout cos( ) (8) U I in out

14 13 Taulukko 5.4 Ohjauskulma ja tehokerroin resistiivisellä kuormalla Ohjauskulma Tehokerroin Kuva 5.4 Taulukko 5.5 Tehokerroin ohjauskulman funktiona resistiivisellä kuormalla Ohjauskulma ja tehokerroin induktiivisella kuormalla Ohjauskulma Tehokerroin

15 14 Kuva 5.5 Tehokerroin ohjauskulman funktiona induktiivisella kuormalla Kuvista 5.4 ja 5.5 voidaan havaita tehokerotoimen pienentyvän ohjauskulman kasvaessa ja lähestyttäessä 18 asteen ohjauskulmaa lähestyy tehokerroin nollaa. 5.3 Vääristymäkerroin Vääristymäkerroin saadaan laskettua perusaalloon ja virran tehollisarvon suhteesta. DF I s1 (9) I s Taulukossa 5.6 ja kuvassa 5.6 on esitetty resistiivisen kuorman vääristymäkerroin ohjauskulman funktiona. Virran tehollisarvo mitattiin laboratoriossa virtamittarilla ja perusaallon eli ensimmäisen harmonisen aallon virta saadaan mittaustulosten FFT:sta. FFT-kuvaajan arvo täytyy jakaa vielä neliöjuuri kahdella tehollisarvon saamiseksi.

16 15 Taulukko 5.6 Ohjauskulma ja vääristymäkerroin resistiivisellä kuormalla Ohjauskulma Vääristymäkerroin Vääristymäkerroin resistiivisellä kuormalla.95.9 Vääristymäkerroin Ohjauskulma [deg] Kuva 5.6 Taulukko 5.7 Vääristymäkerroin ohjauskulman funktiona resistiivisellä kuormalla Ohjauskulma ja vääristymäkerroin induktiivisella kuormalla Ohjauskulma Vääristymäkerroin

17 Vääristymäkerroin induktiivisella kuormalla Vääristymäkerroin Ohjauskulma [deg] Kuva 5.7 Vääristymäkerroin ohjauskulman funktiona induktiivisella kuormalla Kuvaajista 5.6 ja 5.7 voidaan nähdä vääristymäkertoimen pienenevän ohjauskulman kasvaessa. Kuvista ja niitä vastaavista taulukoista voidaan myös havaita vääristymäkertoimen olevan jopa yli yhden, joka ei kuitenkaan ole mahdollista, vaan johtuu mittaustarkkuudesta ja mittausjärjestelyistä. Käytännössä vääristymää ei ole, vaan kerroin on hyvin lähellä ykköstä. 5.4 THD Virran kokonaisvääristymä saadaan virran taajuusanalyysin avulla. Virran taajuusanalyysistä saadaan päätaajuuden amplitudi ja vähentämällä se kokonaisvirrasta saadaan laskettua harmonisten taajuuksien osuus. RMS arvoilla saadaan I dis, eli virran häiriökomponentti, laskettua vähentämällä kokonaisvirrasta I s päätaajuuskomponentti I s1. I dis I I (1) 2 s 2 s1 Kokonaisvääristymä saadaan päätaajuuden ja harmonisten taajuuksien suhteesta. THD(%) 2 2 I dis s s1 1 1 (11) I s1 I I I s1 Taulukoissa 5.8 ja 5.9 sekä kuvissa 5.8 ja 5.9 on esitetty virran kokonaisvääristymän resistiivisellä ja induktiivisella kuormalla eri ohjauskulmien arvoilla.

18 17 Taulukko 5.8 Kokonaisvääristymä resistiivisellä kuormalla Ohjauskulma I s I s THD(%) Kuva 5.8 Taulukko 5.9 Kokonaisvääristymä ohjauskulman funktiona resistiivisellä kuormalla Kokonaisvääristymä induktiivisella kuormalla Ohjauskulma I s1 I s THD(%)

19 18 Kuva 5.9 Kokonaisvääristymä ohjauskulman funktiona induktiivisella kuormalla Kokonaisvääristymän laskennassa on ainakin induktiivisella kuormalla havaittavissa epäjohdonmukaisuutta. Perustaajuuden tehollisarvo on suurempi kuin kokonaisvirran tehollisarvo, vaikka liitteessä I olevat FFT-kuvaajat ilmaisevat harmonisten komponenttien olevan merkittäviä. Virtamittari ei mahdollisesti ole laskenut ns. true-rms arvoa, vaan jotain muuta arvoa, joka ei ole ottanut kaikkia harmonisia komponentteja mukaan. 5.5 Huippukerroin Huippukerroin CF on huippuarvon suhde tehollisarvoon, puhtaalle siniaallolle huippukerroin on 2. I s peak CF (12) I s Tehollisarvot ja huippuarvot saadaan mittaustuloksista. Taulukoissa 5.1 ja 5.11 sekä kuvissa 5.1 ja 5.11 on esitetty huippukertoimen resistiivisellä ja induktiivisella kuormalla eri ohjauskulmien arvoilla.

20 19 Taulukko 5.1 Huippukerroin resistiivisellä kuormalla Ohjauskulma Huippukerroin Kuva 5.1 Taulukko 5.11 Huippukerroin ohjauskulman funktiona resistiivisellä kuormalla Huippukerroin induktiivisella kuormalla Ohjauskulma Huippukerroin

21 2 Kuva 5.11 Huippukerroin ohjauskulman funktiona induktiivisella kuormalla Kuvaajista 5.1 ja 5.11 voidaan havaita huippukerrointen kasvavan ohjauskulman kasvaessa. 5.6 Harmoniset komponentit Liitteessä I on esitetty mitattujen kytkentöjen taajuusanalyysien kuvaajat. Taulukoissa 5.12 ja 5.13 on signaalien kolmen merkitsevimmän harmonisen amplitudien mittausarvot sekä simuloinnilla saadut arvot. Taulukko 5.12 Virran ja jännitteen harmoniset komponentit resistiivisellä kuormalla alpha Mitt. Simul Taulukko 5.13 Virran ja jännitteen harmoniset komponentit induktiivisella kuormalla alpha Mitt. Simul Taulukoista 5.12 ja 5.13 voidaan havaita ensimmäisen harmonisen osuuden pienenevän ohjauskulman kasvaessa. Induktiivisella kuormalla voidaan myös havaita kolmen merkitsevimmän harmonisen olevan

22 21 ensimmäinen, kolmas ja viides, kun Resistiivisellä kuormalla kyseiset harmoniset olivat ensimmäinen, toinen ja kolmas. Taulukoista voidaan myös havaita mittaustulosten ja simuloitujen arvojen olevan erittäin lähellä toisiaan.

23 22 6. YHTEENVETO Työ oli aiheeltaan erittäin mielenkiintoinen ja vaikutti aluksi helpolta ja nopealta työltä. Tehtävät osoittautuivat kuitenkin huomattavasti vaikeimmiksi, kuin aluksi vaikutti. Mittaukset sinänsä olivat helppoja ja suoraviivaisia, mutta erityisesti simulointiosuus osoittautui lähes ylipääsemättömän vaikeaksi. Onneksi yksi ryhmämme jäsen löysi toimivan kytkennän, jota onnistuttiin käyttämään simuloinneissa. Loppujen lopuksi simulointitulokset osoittautuivatkin todella hyvin mittauksia vastaavaksi, mutta työtä simuloinnin toimintakuntoon saattamiseksi sai tehdä. Myös FFT-kuvaajien piirtäminen tuotti pientä päänvaivaa, kun mittausdatassa oli tallennettuna vain puoli jaksonaikaa signaaleista. Ratkaisu myös tähän ongelmaan löydettiin. Taulukoita, kuvaajia ja termejä mittausten analysointiosiossa oli kyllä pikkuisen liikaan, päähän niiden kaikkien laskemisessa meinasi hajota.

24 LIITE I U/I U/I t[s] t[s] Kuva I.1 Jännite (sininen) ja virta (vihreä) Kuva I.3 Jännite (sininen) ja virta (vihreä) resistiivisellä kuormalla, ohjauskulman resistiivisellä kuormalla, ohjauskulman arvolla o. Virta on skaalattu 1- arvolla 9 o. Virta on skaalattu 1- kertaiseksi. kertaiseksi U/I U/I t[s] t[s] Kuva I.2 Jännite (sininen) ja virta (vihreä) Kuva I.4 Jännite (sininen) ja virta (vihreä) resistiivisellä kuormalla, ohjauskulman resistiivisellä kuormalla, ohjauskulman arvolla 45 o. Virta on skaalattu 1- arvolla 135 o. Virta on skaalattu 1- kertaiseksi. kertaiseksi.

25 U/I t[s] Kuva I.5 Jännite (sininen) ja virta (vihreä) induktiivisella kuormalla, ohjauskulman arvolla o. Virta on skaalattu 1-kertaiseksi. 1 5 U/I U/I t[s] Kuva I.7 Jännite (sininen) ja virta (vihreä) induktiivisella kuormalla, ohjauskulman arvolla 72 o. Virta on skaalattu 1-kertaiseksi U/I t[s] t[s] Kuva I.6 Jännite (sininen) ja virta (vihreä) Kuva I.8 Jännite (sininen) ja virta (vihreä) induktiivisella kuormalla, induktiivisella kuormalla, ohjauskulman arvolla 36 o. Virta on ohjauskulman arvolla 18 o. Virta on skaalattu 1-kertaiseksi. skaalattu 1-kertaiseksi.

26 25 U/I t[s] f[hz] Kuva I.9 Jännite (sininen) ja virta (vihreä) Kuva I.11 Jännitteen taajuusanalyysi resistiivisellä induktiivisella kuormalla, kuormalla, ohjauskulman arvolla 45 o ohjauskulman arvolla 126 o. Virta on skaalattu 1-kertaiseksi..5 Mitatuista kuvaajista voidaan tehdä esimerkiksi Matlabilla taajuusanalyysi. Analyysia on tarkennettu zero padding tekniikan avulla, jolloin FFT-kuvaajasta saadaan pehmeämpi Kuva I f[hz] Jännitteen taajuusanalyysi resistiivisellä kuormalla, ohjauskulman arvolla 9 o f[hz] Kuva I.1 Jännitteen taajuusanalyysi resistiivisellä kuormalla, ohjauskulman arvolla o

27 f[hz] f[hz] Kuva I.13 Jännitteen taajuusanalyysi resistiivisellä kuormalla, ohjauskulman arvolla 135 o Kuva I.15 Jännitteen taajuusanalyysi induktiivisella kuormalla, ohjauskulman arvolla 36 o f[hz] Kuva I.14 Jännitteen taajuusanalyysi induktiivisella kuormalla, ohjauskulman arvolla o f[hz] Kuva I.16 Jännitteen taajuusanalyysi induktiivisella kuormalla, ohjauskulman arvolla 72 o

28 f[hz] Kuva I.17 Jännitteen taajuusanalyysi induktiivisella kuormalla, ohjauskulman arvolla 18 o f[hz] Kuva I.18 Jännitteen taajuusanalyysi induktiivisella kuormalla, ohjauskulman arvolla 126 o

29 28 LIITE II Kuva II.1 Jännite resistiivisellä kuormalla ohjauskulman arvolla o Kuva II.4 Virta resistiivisellä kuormalla ohjauskulman arvolla 45 o Kuva II.2 Virta resistiivisellä kuormalla ohjauskulman arvolla o Kuva II.5 Jännite resistiivisellä kuormalla ohjauskulman arvolla 9 o Kuva II.3 Jännite resistiivisellä kuormalla ohjauskulman arvolla 45 o Kuva II.6 Virta resistiivisellä kuormalla ohjauskulman arvolla 9 o

30 29 Kuva II.7 Jännite resistiivisellä kuormalla ohjauskulman arvolla 135 o Kuva II.1 Virta induktiivisella kuormalla ohjauskulman arvolla o Kuva II.8 Virta resistiivisellä kuormalla ohjauskulman arvolla 135 o Kuva II.11 Jännite induktiivisella kuormalla ohjauskulman arvolla 18 o Kuva II.9 Jännite induktiivisella kuormalla ohjauskulman arvolla o Kuva II.12 Virta induktiivisella kuormalla ohjauskulman arvolla 18 o

31 3 Kuva II.13 Jännite induktiivisella kuormalla ohjauskulman arvolla 36 o Kuva II.16 Virta induktiivisella kuormalla ohjauskulman arvolla 72 o Kuva II.14 Virta induktiivisella kuormalla ohjauskulman arvolla 36 o Kuva II.17 Jännite induktiivisella kuormalla ohjauskulman arvolla 18 o Kuva II.15 Jännite induktiivisella kuormalla ohjauskulman arvolla 72 o Kuva II.18 Virta induktiivisella kuormalla ohjauskulman arvolla 18 o

32 31 Kuva II.19 Jännite induktiivisella kuormalla ohjauskulman arvolla 126 o Kuva II.2 Virta induktiivisella kuormalla ohjauskulman arvolla 126 o