3. Pomiar i regulacja napięcia zmiennego

Układy regulacji i pomiaru napięcia zmiennego.
1. Cel ćwiczenia: Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z metodami regulacji napięcia zmiennego,
stosowanymi w tym celu układami elektrycznymi, oraz metodami pomiaru tego napięcia i
stosowanymi do tego celu przyrządami.
2. Wprowadzenie: Źródłami napięcia zmiennego mogą być generatory synchroniczne, sieć
elektroenergetyczna, różnego rodzaju transformatory oraz przemienniki energoelektroniczne.
Dla celów praktycznych konieczne jest dostosowywanie napięcia zasilania do poziomu
wymaganego przez odbiornik.
Do regulacji poziomu napięcia zmiennego można stosować różnego rodzaju urządzenia.
Najprostszym jest zastosowanie autotransformatora. Pozwala on na regulację napięcia od zera do
wartości większych od napięcia znamionowego. Należy pamiętać, że autotransformator nie
stwarza przerwy galwanicznej pomiędzy swoim uzwojeniem pierwotnym i wtórnym. Dlatego,
nawet przy nastawionej wartości napięcia na jego zaciskach 0V, stwarza on realne zagrożenie
porażeniem prądem elektrycznym.
a)
b)
U1
U2
U1
U2
I1
I2
N1
U1
I1
N2
U2
I2
Rys. 1. Autotransformatory.
Inną metodą jest zastosowanie transformatorów z odczepami po stronie pierwotnej lub
wtórnej. Przełączając odczepy transformatora nastawiamy napięcie wyjściowe. Taka regulacja
jest regulacją skokową.
Rys. 2. Transformatory z odczepami.
Nowoczesne technologie energoelektroniczne dają nam możliwość regulacji częstotliwości
i amplitudy napięcia zmiennego za pośrednictwem falowników. Po wcześniejszym
wyprostowaniu napięcia, następuje jego ponowna zamiana na napięcie przemienne z
wykorzystaniem kluczy energoelektronicznych. Aby uzyskać napięcie najbardziej zbliżone do
sinusoidalnego, stosuje się metodę regulacji PWM (z wykorzystaniem regulacji szerokości
impulsów).
Rys. 3. Falownik napięcia.
Rys. 4. Zasada regulacji napięcia z zastosowaniem metody PWM.
Jeżeli dysponujemy niezależnym generatorem synchronicznym, możliwa jest również
regulacja napięcia zmiennego za pomocą jego prądu wzbudzenia
Niezależnie od wspomnianych układów regulacji, napięciem zmiennym możemy
regulować, podobnie jak stałym, z wykorzystaniem regulatorów rezystancyjnych. Jednak są one
od nich znacznie mniej korzystne ze względu na straty energii elektrycznej.
W niniejszym ćwiczeniu zajmiemy się najprostszymi układami regulacji - układami
opartymi na autotransformatorach oraz na odczepach transformatorów. Działanie falownika
może zostać przedstawione i przeanalizowane na podstawie symulacji komputerowej.
Pomiaru napięcia zmiennego dokonujemy woltomierzem elektromagnetycznym lub
cyfrowym nastawionym na zakres pomiarowy prądu zmiennego.
3. Program ćwiczenia:
a. Pomiar napięcia przemiennego.
Dla 3 różnych wartości napięcia wyjściowego autotransformatora dokonać pomiaru napięcia
oraz wyznaczyć błąd względny i bezwzględny pomiaru napięcia:
a) Woltomierzem laboratoryjnym (przyrząd analogowy).
b) Multimetrem (przyrząd cyfrowy).
a) Typ woltomierza analogowego...........................
Wykonać trzy pomiary napięcia na wybranym zakresie pomiarowym.
Lp. UN [V] αmax[dz]
1 .
.
2 .
.
3 .
.
CV [V/dz] α[dz]
.
.
.
.
.
.
U[V] kl.dokł. ∆U[V]
.
.
.
.
.
.
.
.
.
δU[%]
.
.
.
Obliczenia:
Stała podziałki woltomierza
CV = UN/αmax
Wartość mierzonego napięcia
U = CV·α
Błąd bezwzględny pomiaru napięcia woltomierzem analogowym
∆U ±(klasa·UN)/100
Błąd względny pomiaru napięcia woltomierzem analogowym
δU = ±(∆U/U)·100
Jaki jest wpływ wartości mierzonego napięcia na błędy popełniane przyrządem analogowym?
b) Typ woltomierza cyfrowego...........................
Wykonać po trzy pomiary napięcia na dwóch wybranych zakresach pomiarowych.
Lp. UN [V] U[V] kl.dokł. ∆U[V] δU[%]
1
2
3
1'
2'
3'
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
Obliczenia:
Błąd bezwzględny pomiaru
napięcia woltomierzem
cyfrowym
∆U = ± a%·wskazania + b
Błąd względny pomiaru
napięcia woltomierzem
cyfrowym
δU = ±(∆U/U)·100
Wartości współczynników a i b należy wyszukać w dokumentacji technicznej danego przyrządu.
Jaki jest wpływ wartości mierzonego napięcia na błędy popełniane przyrządem cyfrowym?
b. Regulacja napięcia autotransformatorem.
Wyznaczyć zależność napięcia wyjściowego w funkcji położenia suwaka autotransformatora
U = f(x). Schemat układu pomiarowego jak w pkt.1.
X[%]
0
25
50
75
100
U[V]
.
.
.
.
.
c. Regulacja napięcia odczepami transformatora.
Wyznaczyć zależność napięcia wyjściowego w funkcji wybranego odczepu transformatora Schemat
układu pomiarowego jak na rys. 2.
Nr odczepu
U[V]
1
.
2
.
3
.
4
.
5
.
4. Opracowanie ćwiczenia:
a) Omów błędy występujące przy pomiarach napięcia różnymi miernikami. Jak zachowują się
poszczególne mierniki. Jak zmieni się wskazanie miernika cyfrowego przy chwilowym
odłączeniu analogowych?
b) Porównaj dokładność pomiarów wykonanych za pomocą różnych mierników i dokładność tych
samych mierników przy różnych zakresach pomiarowych.
c) Porównaj pomiary wykonane woltomierzami: analogowym i cyfrowym.
d) Jaki jest wpływ położenia suwaka na wartość napięcia wyjściowego z autotransformatora?
e) Jaki jest wpływ wybranego odczepu transformatora na wynik pomiaru?