A ns te ue rlo g ik i LL u LU i UD 1 D 2 V 1 V 2 e E

Aufgabe 3
werden. Dabei sollen jeweils zwei verschiedene Betriebsabläufe betrachtet
werden.
Zweiquadranten-Gleichstromsteller mit
Stromzwischenkreis
Bei der Bearbeitung aller Teilaufgaben ist von folgenden, vereinfachenden
Voraussetzungen auszugehen:
In Bild 1 sind die für diese Aufgabe benötigten Baugruppen durch ihre Ersatzschaltbilder dargestellt. Hierbei handelt es sich um eine Gleichspannungsquelle mit konstanter Spannung auf der Eingangsseite, einen Zweiquadranten-Gleichstromsteller und dessen Logikansteuerung, einen Gleichstromzwischenkreis und eine variable Ausgangsgleichspannungsquelle.
- Alle Halbleiterbauelemente sowie die Drossel L verhalten sich wie die
entsprechenden idealen Bauelemente.
- Die Ansteuerlogik arbeitet verzögerungsfrei.
- Die Spannung U weist stets ihren Nennwert UN auf.
S
A n s te u e r lo g ik
- Die variable Gleichspannung
Betrachtungszeitraum nicht.
iU
ändert
sich
im
jeweiligen
- Der Drosselstrom iL ist stets größer als null.
V 1
u L
D 2
e
U
E
D 1
- Es liegt stets der elektrisch eingeschwungene Zustand vor.
iL
Die Anlage hat folgende Kenngrößen:
L
V 2
Nennwert UN der Eingangsspannung U:
UN
=
540 V
Nennwert ILN des Zwischenkreisstromes IL :
ILN
=
70 A
Induktivität L der Zwischenkreisdrossel:
L
= 14,4 mH
E
Bild 1:
Ersatzschaltbild des Zweiquadranten-Gleichstromstellers mit
variabler Ausgangsspannung
Allgemeine Betrachtung der Schaltung
Die Ansteuerung der Ventile V1 und V2 des Zweiquadranten-Gleichstromstellers erfolgt mit Hilfe der in Bild 1 eingezeichneten Ansteuerlogik. Die
Zuordnung zwischen den Schaltzuständen der Ventile V1 und V2 sowie dem
am Eingang der Ansteuerlogik anstehenden, digitalen Steuersignal S ist
Tabelle 1 zu entnehmen.
Im Rahmen dieser Aufgabe soll das Verhalten des Zweiquadranten-Gleichstromstellers bei zwei verschiedenen Stromregelverfahren α und β untersucht
Übungen Leistungselektronik I
Aufgabe 3
Blatt 1
Fragen:
1. Tragen Sie in Tabelle 1 für jede der dort aufgeführten Schaltzustandskombinationen den jeweils zugehörigen Wert der Ausgangsspannung e
des Zweiquadranten-Gleichstromstellers ein.
Übungen Leistungselektronik I
Aufgabe 3
Blatt 2
S
S = 1
Tabelle 1:
Schaltzustandskombination
V1 ein,
Steuersignal
S
S = +1
Ausgangsspannung e
-0 ,5 A
e=
oder
Bild 2:
S=0
S = −1
iL - 1 k
Kennlinie des Zweipunkt-Hysteresegliedes für die Fragen 2 und 3
e=
2. Die Spannung E weist den Wert E = E1 = 180 V auf. Zum Zeitpunkt t = t1
ist iL = iL t =t1 = IK − 0,5 A . Welcher Wert des Steuersignals S wird vom
Hysteresegliedes nach Bild 2 unmittelbar im Anschluss an den Zeitpunkt
t = t1 ausgegeben?
V1 aus, V2 ein
V1 aus,
0 ,5 A
S = - 1
V2 ein
V1 ein, V2 aus
0
e=
V2 aus
Ermitteln Sie die Verläufe des Drosselstroms iL sowie der Ausgangsspannung e des Zweiquadranten-Gleichstromstellers bis zu jenem Zeitpunkt t1 + T1 > t1 , zu dem der Strom iL erstmals für t > t1 wieder den Wert
iL = IK − 0,5 A annimmt und zeichnen Sie den Verlauf des Stromes iL für
t1 ≤ t ≤ t1 + T1 in das zu dieser Frage vorbereitete Diagramm ein.
α Zweipunkt-Stromregelung mit Hysterese
In den Fragen 2 und 3 erfolgt die Stromregelung derart, dass die Differenz
zwischen dem Drosselstrom iL und einem von außen konstant vorgegebenen
„Kommandostrom“ Ik gebildet und dem Eingang des in Bild 2 gezeigten
Zweipunkt-Hysteresegliedes zugeführt wird. Bei der Ausgangsgröße des
Hysteresegliedes handelt es sich um das Steuersignal S für die Ansteuerlogik
des Zweiquadranten-Gleichstromstellers.
Geben Sie die Periodendauer T1 an und ermitteln Sie den arithmetischen
Mittelwert e sowie den Effektivwert eeff der Ausgangsspannung e des
Zweiquadranten-Gleichstromstellers bei diesem Betriebsablauf.
3. Die Spannung E weist nun den Wert E = E2 = −225 V auf. Zum Zeitpunkt
t = t 2 ist iL = iL t =t2 = IK − 0,5 A . Welcher Wert des Steuersignals S wird
vom Hystereseglied nach Bild 2 unmittelbar im Anschluss an den Zeitpunkt t = t 2 ausgegeben?
Geben Sie die Verläufe des Drosselstroms iL sowie der Ausgangsspannung e des Zweiquadranten-Gleichstromstellers bis zu jenem
Zeitpunkt t 2 + T2 > t 2 an, zu dem der Strom iL erstmals für t > t 2 wieder
den Wert iL = IK − 0,5 A annimmt und zeichnen Sie den Verlauf des
Übungen Leistungselektronik I
Aufgabe 3
Blatt 3
Übungen Leistungselektronik I
Aufgabe 3
Blatt 4
Stromes iL für t 2 ≤ t ≤ t 2 + T2 in das zu dieser Frage vorbereitete
Diagramm ein.
Geben Sie die Periodendauer T2 an und ermitteln Sie jenen Wert des
Kommandostromes IK , welcher vorgegeben werden muss, damit der
arithmetische Mittelwert IL des Drosselstroms iL seinen Nennwert
IL = ILN annimmt.
Geben Sie die Periodendauer T3 an und ermitteln Sie den arithmetischen
Mittelwert e und den Effektivwert eeff der Ausgangsspannung e des
Zweiquadranten-Gleichstromstellers bei diesem Betriebsablauf.
β Dreipunkt-Stromregelung mit Hysterese
In den Fragen 4 und 5 erfolgt die Stromregelung derart, dass die Differenz
zwischen dem Drosselstrom iL und einem von außen konstant vorgegebenen
„Kommandostrom“ Ik gebildet und dem Eingang des in Bild 3 gezeigten
Dreipunkt-Hysteresegliedes zugeführt wird. Bei der Ausgangsgröße dieses
Hysteresegliedes handelt es sich um das Steuersignal S für die Ansteuerlogik
des Zweiquadranten-Gleichstromstellers.
S
1
1 A
-1
Bild 3:
5. Die Spannung E weist den Wert E = E2 = −225 V auf. Zum Zeitpunkt
t = t 4 ist iL = iL t =t 4 = IK . Welcher Wert des Steuersignals S wird vom
Hystereseglied nach Bild 3 direkt im Anschluss an den Zeitpunkt t = t 4
vorgeschrieben?
Geben Sie die Verläufe des Drosselstromes iL sowie der
Ausgangsspannung e des Zweiquadranten-Gleichstromstellers bis zu
jenem Zeitpunkt t 4 + T4 > t 4 an, zu dem der Strom iL erstmals für t > t 4
wieder den Wert iL = IK annimmt und zeichnen Sie den Verlauf des
Drosselstromes iL für t 4 ≤ t ≤ t 4 + T4 in das zu dieser Frage vorbereitete
Diagramm ein.
Geben Sie die Periodendauer T4 an und ermitteln Sie jenen Wert des
Kommandostromes Ik , welcher vorgegeben werden muss, damit der
arithmetische Mittelwert IL des Drosselstromes iL seinen Nennwert
IL = ILN annimmt.
-
0
-1 A
Geben Sie die Verläufe des Drosselstromes iL sowie der
Ausgangsspannung e des Zweiquadranten-Gleichstromstellers bis zu
jenem Zeitpunkt t 3 + T3 > t 3 an, zu dem der Strom iL erstmals für t > t 3
wieder den Wert iL = IK annimmt und zeichnen Sie den zeitlichen Verlauf
des Stromes iL für t 3 ≤ t ≤ t 3 + T3 in das zu dieser Frage vorbereitete Diagramm ein.
iL - 1 k
-
Kennlinie des Dreipunkt-Hysteresegliedes für die Fragen 4 und 5
4. Die Spannung E weist den Wert E = E1 = 180 V auf. Zum Zeitpunkt t = t 3
ist iL = iL t =t3 = IK . Welcher Wert des Steuersignals S wird vom Hystereseglied nach Bild 4 unmittelbar im Anschluss an den Zeitpunkt t = t 3
ausgegeben?
Übungen Leistungselektronik I
Aufgabe 3
Blatt 5
Übungen Leistungselektronik I
Aufgabe 3
Blatt 6
1 k + 1 A
1 k
1 k -1 A
1 k + 1 A
1 k
1 k -1 A
1 k + 1 A
1 k
1 k -1 A
1 k + 1 A
1 k
1 k -1 A
t1
t2
t3
t4
iL
iL
iL
iL
t4 + 1 0 µ s
t3 + 1 0 µ s
t2 + 1 0 µ s
t1 + 1 0 µ s
t4 + 5 0 µ s
t3 + 5 0 µ s
t2 + 5 0 µ s
t1 + 5 0 µ s
t4 + 1 0 0 µ s
t3 + 1 0 0 µ s
t2 + 1 0 0 µ s
t1 + 1 0 0 µ s
Übungen Leistungselektronik I
t
t
t
t
Aufgabe 3
Blatt 7