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