Laborversuch 7, Skript

Praktikum "Grundlagen der ET für MB", Versuch 7 B (Drehstrom)
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Praktikumsversuch 7B "Drehstrom"
Inhalt
1
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7
Zusammenfassung, erforderliche Vorkenntnisse ........................................................................................................1
Schaltschütze...............................................................................................................................................................1
Drehstromasynchronmotor..........................................................................................................................................2
3.1 Aufbau und Funktionsprinzip..................................................................................................................................2
3.2 Sanftanlauf...............................................................................................................................................................4
Oszilloskop, Stromwandler, Trennverstätker..............................................................................................................7
4.1 Oszilloskop..............................................................................................................................................................8
4.2 Stromwandler ..........................................................................................................................................................9
4.3 Trennverstärker .......................................................................................................................................................9
Beschreibung des Versuchsaufbaus ..........................................................................................................................10
Versuchsvorbereitung ...............................................................................................................................................11
Versuchsdurchführung und Auswertung ..................................................................................................................12
7.1 Versuchsteil "Glühlampen" ...................................................................................................................................12
7.2 Versuchsteil "Motor" .............................................................................................................................................12
7.3 Auswertung............................................................................................................................................................12
Hinweis: Die schriftliche Ausarbeitung jedes Teilnehmers der Aufgaben aus
Abschnitt 6 ist eine Voraussetzung zur Teilnahme am Versuch!
1 Zusammenfassung, erforderliche Vorkenntnisse
In dem Versuch werden 2 Themen behandelt:
− Nichtsinusförmige Größen
− Sanftanlaufschaltung für einen Drehstrommotor
Die Versuche werden an einem 2,2 kW - Drehstromasynchronmotor mit Käfigläufer durchgeführt.
Erforderliche Vorkenntnisse:
Vorlesung "Grundlagen der Elektrotechnik" bis Kap. 8 des Vorlesungsmanuskriptes.
Anmerkungen:
1. Für den Fall, dass der Versuch durchgeführt wird, bevor in der Vorlesung Kap. 6, 7 und 8 des Vorlesungsmanuskriptes behandelt wurden, sollten mindestens die Kap. 6.1 und 7.5 durchgearbeitet und Kap. 8.1 und 8.2 gelesen
werden. Kenntnisse über die komplexe Wechselstromrechnung sind nützlich.
2. Die Funktionsweise der Asynchronmaschine kann und soll nicht im Rahmen dieses Versuches fundiert vermittelt
werden. Die hier enthaltene Zusammenfassung zur Asynchronmaschine soll nur einen Eindruck von dem Wirkungsprinzip geben. Die Funktion ist deshalb sehr vereinfacht dargestellt und die beschreibenden Gleichungen werden nicht angegeben. Die angeführten Kennlinien und Proportionalitäten am Ende von Kap. 3.1 sind statt dessen
aus plausiblen Abhängigkeiten hergeleitet, wobei bei einer strengen Betrachtungsweise die gezogenen Schlussfolgerungen nicht immer zwingend sind.
2 Schaltschütze
Schaltschütze (Schütze) sind elektromagnetisch betätigte Fernschalter, die zum Ein- und Ausschalten von größeren
Verbrauchern dienen. Der zu schaltende Strom wird dem Schütz (Abbildung 1) von außen über die beiden feststehenden Kontakte (5) zugeführt. Im Ruhezustand wird die an dem beweglichen Anker (1) befestigte Kontaktbrücke (4)
durch Rückzugfedern (7) von den festen Kontakten (5) getrennt. Wenn die Spule (3) von einem Hilfsstrom durchflossen wird, wird der Anker (1) des magnetischen Kreises von dem Kern (2) angezogen, und die Kontaktbrücke (4) schaltet den angeschlossenen Verbraucher ein. Mit Abschalten des Hilfsstromes sorgen die Rückzugfedern für ein Öffnen
der Kontakte.
Typisch werden in Schaltschützen 3 Hauptkontakte (für 3-phasigen Drehstrom) und einige Hilfskontakte von einem
gemeinsamen Magneten geschaltet. Die Hauptkontakte können für Ströme bis zu mehreren 100 A ausgelegt sein. Die
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Hilfskontakte sind erheblich schwächer konstruiert (bis einige A) als die Hauptkontakte und dienen für Steuerungszwecke, insbesondere zur elektrischen Anzeige des aktuellen Schaltzustandes des Schützes.
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2
1 beweglicher Teil des magnetischen Kreises (Anker)
2 feststehender Teil des magnetischen Kreises (Kern)
3 Spule zur Erzeugung des Magneflusses für die Einschaltkraft
4 bewegliche Kontakte
5 feste Kontakte
6 isolierender Kontaktträger
7 Rückholfeder
Abbildung 1: Prinzipieller Aufbau eines Schaltschützes
3 Drehstromasynchronmotor
3.1 Aufbau und Funktionsprinzip
Abbildung 2: Aufbau eines Drehstromasynchronmotors (Käfigläufer)
Asynchronmotoren (Abbildung 2) sind die in der Antriebstechnik am häufigsten vorkommenden Maschinen. Der Stator oder Ständer eines Asynchronmotors ist ebenso aufgebaut wie der Stator einer Synchronmaschine. Aus Blechringen
ist ein Hohlzylinder zusammengeschichtet. Am inneren Umfang befinden sich die Drehstromwicklungen. Zur Verteilung der Wicklungen kann man sich idealisiert vorstellen, dass diese um jeweils 120o/p auf dem Umfang versetzt angeordnet sind (Abbildung 3). Dabei steht p für die sogenannte Polpaarzahl, die noch näher erklärt wird. Bei einer Drehstrommaschine mit der Polpaarzahl 1 sind insgesamt sechs Anschlüsse aus der Maschine herausgeführt. Jeder Strang
kann so beliebig verschaltet werden. Zwei grundsätzliche Möglichkeiten sind weiterhin dargestellt. Die drei WickTechnische Universität Hamburg-Harburg, Institut für Elektrische Energiesysteme und Automation
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lungsstränge St1, St2 und St3 sind in Stern- oder Dreieckschaltung mit den drei Leitern L1, L2, L3 des speisenden Netzes
verbunden. Dadurch liegen unterschiedliche Spannungen an den Drehstromspulen an, und es stellen sich zwei Leistungsbereiche ein.
Beim Anschluss der Statorwicklung an ein Drehstromsystem wird ein magnetisches Drehfeld erzeugt. Der Wechselstrom je Spule erzeugt ein magnetisches Wechselfeld mit gleicher Phasenlage. Durch Überlagerung der Wechselfelder
entseht ein magnetisches Feld, das eine konstante Größe besitzt und sich bei p = 1 mit der Netzfrequenz fN dreht
(Abbildung 3). Bei Maschinen mit zwei Spulengruppen, die jeweils 180° des Umfanges einnehmen, legt das magnetische Feld während einer elektrischen Periode nur eine halbe Umdrehung zurück. Demnach ist die Drehzahl des Drehfeldes genau halb so groß wie die der Netzfrequenz fN. Die Anzahl der Feldwiederholungen über den Umfang wird
Polpaarzahl p genannt. Die Drehzahl des Drehfeldes oder die synchrone Drehzahl ist allgemein über
f Feld =
fN
p
gegeben. Für das übliche Netz mit 50 Hz sind somit die möglichen Drehzahlwerte 3000, 1500, 1000, 750 ... 1/min. Die
Nenndrehzahl des Motors liegt immer einige Prozent unter diesen synchronen Drehzahlen. Im Stator eines Asynchronmotors und in seinem Luftspalt treten die gleichen magnetischen Verhältnisse auf wie im Stator und Luftspalt einer
Synchronmaschine.
Abbildung 3:
Prinzip der Entstehung eines Drehfeldes in einer Drehstrommaschine
In der Bohrung ist der Rotor oder Läufer angeordnet, der ebenfalls aus Einzelblechen zusammengeschichtet ist. Die
Wicklungen des Rotors bestehen beim Kurzschlussläufer aus Stäben, die an den Stirnseiten alle miteinander verbunden
(kurzgeschlossen) sind. Wegen des käfigartigen Aufbaus der Wicklungen, wird der Rotor auch Käfigläufer genannt.
Elektrisch ist dieser Käfig mit einer kurzgeschlossenen Drehstromwicklung vergleichbar, deren Spulen nur jeweils eine
Windung besitzen.
Beim Schleifringläufer sind die Rotorwicklungen ähnlich wie die Statorwicklungen aufgebaut. Drei der sechs Anschlüsse sind über Schleifringe herausgeführt, während die anderen drei miteinander zu einem Sternpunkt verbunden
werden. Prinzipiell ist jedoch auch die Dreieckschaltung im Rotor denkbar.
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Die Arbeitsweise des Asynchronmotors wird an einem Käfigläufer erläutert. Der Rotor drehe sich mit einer Winkelgeschwindigkeit ω (<ωFeld) in Richtung des vom Ständer erzeugten Drehfeldes mit der Winkelgeschwindigkeit ωFeld. Die
relative Bewegung des Läufers gegenüber dem Drehfeld ist somit
∆ω = (ω Feld − ω ) ,
welches nach dem Induktionsgesetz zu einer Spannung mit der Frequenz
f2 =
∆ω
2π
in jeder Spule des Läufers führt. Aufgrund des Kurzschlusses fließt ein Strom in den Stäben des Käfigs, wodurch eine
Kraft vom Drehfeld auf den Läufer übertragen wird und an der Rotorwelle ein Drehmoment abgenommen werden
kann. Wenn ∆ω = 0 ist, d. h., der Rotor läuft synchron zum Drehfeld, kann keine Spannung in die Stäbe induziert werden. Das Drehmoment ist 0 (Leerlauf).
Die Differenz der Drehfeld- zur Rotordrehzahl bezogen auf die Drehfelddrehzahl wird als Schlupf bezeichnet.
s=
ω Feld − ω
ω Feld
s=1
s=0
⇔ ω=0
⇔ ω = ωFeld
Rotor steht
Leerlauf
Die Abbildung 4 zeigt eine typische, bezogene Drehmoment-Drehzahlkennlinie eines Asynchronmotors. Vom Leerlauf bis zum Kipppunkt steigt das Moment mit Zunahme des Schlupfes stark an, um danach typischerweise wieder
abzufallen.
Es kann hergeleitet werden, dass zwischen der im Läufer
entstehenden Verlustleistung PV2 und der mechanischen
Leistung Pmech gilt:
M/M n I/In
2 10
I/In
Kippunkt
1
5
Deshalb muss im normalen Betrieb der Schlupf klein sein
(typisch kleiner 3 %).
M/M n
1
0
0
Nennpunkt
PV2 = s/(1-s) ⋅ Pmech.
1
n/n 0
Aus diesen Zusammenhängen können für einen bestimmten
Schlupf s und vorgegebene Netzfrequenz fN folgende Proportionalitäten hergeleitet werden:
I1 ∼ UN
M ∼ U N2
Abbildung 4: Drehmoment und Strom über der
Drehzahl (typischer Verlauf)
Das Drehmoment ist quadratisch von der Netzspannung
abhängig.
3.2 Sanftanlauf
Der für das Einschalten eines Drehstromasynchronmotors aufzubringende sehr große Anlaufstrom überfordert oft die
verfügbare Stromversorgungseinrichtung (Abbildung 4) oder führt in dem Versorgungsnetz zu einem so starken Einbruch der Netzspannung, dass andere angeschlossene Verbraucher gestört werden können. Lampen würden z. B. kurzzeitig dunkler werden. Aus diesem Grund dürfen größere Motoren (ab einigen kW) nur in entsprechend ausgelegten
Stromversorgungsnetzen direkt eingeschaltet werden. Häufig ist es auch seitens der vom Motor angetriebenen Maschine oder Anlage wünschenswert, den Antrieb langsam hochzufahren anstatt wie bei einem direkten Einschalten in wenigen 100 ms. Das Y-∆-Anlassen oder Polumschaltungen ermöglichen ein stufenweises Anfahren. Feiner kann das Anfahren mit einem Frequenzumrichter geschehen: Die Netzspannung fester Frequenz wird dabei zunächst in eine Gleichspannung umgewandelt, die dann wiederun in eine Wechselspannung (Drehstrom) mit einstellbarer Frequenz umgewandelt wird. Die Frequenz und somit die Drehzahl des Motors kann somit elektronisch genau an die jeweiligen Anforderungn angepasst werden.
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Nur um den Anlauf sanfter zu gestaltet ist ein Frequenzumrichter jedoch eine sehr teuere Lösung. In sehr vielen Fällen
erfüllt eine sehr viel billigere elektronische Baugruppe (Sanftstarter, Sanftanlasser) den Zweck ebenso gut, indem nicht
die Frequenz sondern die Spannung für den Motor während der Anlaufphase von einem minimalen Wert allmählich bis
zum Nennwert erhöht wird. Wegen des in Kapitel 3.1 dargestellten quadratischen Zusammenhanges zwischen Drehmoment und Spannung bedeutet eine Verminderung der Spannung auf 50% bereits eine Verminderung des Drehmomentes auf 25% und somit eine Verlängerung der Anlaufzeit um den Faktor 4.
Ein Transformator mit regelbarer Übersetzung wäre im Prinzip zur Einstellung der Spannung geeignet. Praktisch ist so
ein Transformator heute verglichen mit Alternativen viel zu groß und viel zu teuer für diesen Zweck. Regelbare Widerstände zwischen dem Netz und dem Motor wären ebenfalls denkbar, und wurden früher auch gelegentlich eingesetzt.
Nachteilig ist, dass in den Widerständen während des Anlaufes wegen P=I2⋅R eine erhebliche Leistung in Wärme umgesetzt wird.
In heutigen Sanftstartern wird die Ausgangsspannung im Mittel dadurch vermindert, dass der Motor während einer
Periodendauer nur zeitweise mit dem Netz verbunden ist. Grob gesagt ist die Ausgangsspannung am Motor etwa proportional zu der Dauer der Einschaltung während einer Periode. (Das gleiche Verfahren wird auch in Dimmern zur
Steuerung der Helligkeit von Wohnzimmerlampen eingesetzt) Die Motorspannung und der Motorstrom sind bei diesem
Verfahren nicht mehr sinusförmig, glücklicherweise beeinträchtigt das den Anlauf des Motors nicht.
Kernelement eines Sanftstarters ist ein elektronischer Schalter, der als Thyristor bezeichnet
wird (Abbildung 5). Er ist aus einer Schichtung mehrerer verschiedener Halbleitermaterialen aufgebaut. Sein Verhalten ist durch folgende Regeln meistens genau genug beschrieben:
1.
2.
3.
Ein Stromfluss entgegen der Pfeilrichtung ist niemals möglich.
Ein Stromfluss in Pfeilrichtung entsteht, wenn die äußere Spannung das zugehörige
Vorzeichen hat und außerdem in den Steueranschluss G kurzzeitig ein Strom eingeleitet wird. Man bezeichnet das als "Zünden" des Thyristors.
Ein einmal entstandener Stromfluss bleibt (unabhängig von der Spanung an G) so
lange bestehen, bis die äußere Schaltung den Strom zu null macht oder sogar umkehren "möchte"; ("möchte", weil eine Umkehr ja nach Regel 1 ausgeschlossen
ist.)
U
G
I
Thyristor
U
G
I
TRIAC
Abbildung 5: SchaltZum Schalten von Wechselströmen werden zwei Thyristoren anti-parallel geschaltet. Bei
zeichen
kleine Leistungen (z. B. in Dimmern) sind diese beiden Thyristoren sogar gemeinsam aus
einer Halbleiterstruktur aufgebaut. Sie haben dann einen gemeinsamen Steueranschluss G, der je nach Polarität der
äußeren Spannung entweder den einen oder den anderen Thyristor zündet. (TRIAC).
u(t) α=0°
G
UNetz
Triac
α
α=60°
α=90°
α=150°
ω⋅t
R
(Lampe)
UR
Dimmer
UNetz
UR
Abbildung 6: Funktionsweise eines TRIACs
Die Skizze (Abbildung 6) zeigt das Prinzip eines Dimmers. Die Thyristoren können frühestens im Nulldurchgang der
Spannung zünden. Die Wartezeit zwischen dem Nulldurchgang als frühestmöglichen Zündzeitpunkt und er tatsächliche
Auslösung des Zündimpulses wird in einen Winkel umgerechnet, der als Zündwinkel α bezeichnet wird. Aus der Skizze wird deutlich, dass bei einem Zündwinkel α = 0 die Lampe die maximal mögliche Spannung erhält, bei α → 180°
gar keine Spannung mehr erhält. Diese Art der Steuerung wird auch Phasenanschnittsteuerung genannt.
Bei Drehstrom sind die Dinge zwar im Prinzip ebenso, dennoch wegen der Kopplungen zwischen den Strömen der
einzelnen Stränge etwas verwickelter. Folgende Fälle muss man unterscheiden:
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1.
2.
3.
4.
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Der Verbraucher ist im Stern geschaltet und der Mittelpunkt ist mit dem Nullleiter verbunden: In diesem Fall
liegen drei getrennte Wechselstromsystem vor, die wie oben beschrieben betrachtet werden können.
Der Sternpunkt des Verbrauchers ist nicht angeschlossen (Abbildung 7) oder der Verbraucher ist im Dreieck
geschaltet (wobei die Thyristoren immer in den Zuleitueng zu dem gesamten Verbraucher geschaltet sind):
Hier besteht die Besonderheit, dass nicht ein Leiter alleine gezündet haben kann. Ein Stromfluss erfordert immer wenigsten die Verbindung in zwei Leitern.
Der Verbraucher enthält – wie ein Motor - Spulen, die miteinander gekoppelt sind: Da auch in der augenblickliche nicht angeschlossenen Spule eine Spannung induziert werden kann, ergeben sich verwickelte Verhältnisse, die ohne Rechneruntertützung kaum zu analysieren sind.
Aus Fall 2 wird für kleine Leistungen abgeleitet, dass einer der Leiter ständig mit dem Netz verbunden sein
kann, weil ja die beiden anderen Zweige den Stromfluss bereits vollständig unterbinden können. Diese Art
wird in den Laborversuch eingesetzt.
Die folgende Darstellung zeigt die Vorgänge für den Fall 2 (gemäß
nebenstehendem Schema) für einen Zündwinkel von 40 °. In den rechten Diagrammen sind die drei Mittelpunksspannungen des Netzes
sowie die daraus generierten Zündimpulse eingetragen. Die Zündimpulse sind dabei bis kurz vor den nächsten Nulldurchgang der Spannung verlängert. In den linken Diagrammen sind die Leiterströme für
eine rein ohmsche Last dargestellt. Kurz vor dem mit "A" markierten
Zeitpunkt sind nur die Leiter 1 und 3 mit dem Netz verbunden. Der
Strom ist dafür gegeben durch: i3 = (u3-u1)/2/R (Kurve "c)"). Mit
Zündung des Triacs in Leiter 2 bei "A" sind alle drei Leiter mit dem
Netz verbunden und es liegt symmetrischer Betrieb vor, also : i3 =
u3/R. (Kurve "a)"). Leiter 2 übernimmt ein Teil des negativen Stromes
von Leiter , der und versorgt umgekehrt den Leiter 3 zusätzlich. Dies
verursacht die Sprungstellen in den Stromverläufen der Leiter 1 und 3.
Mit dem Nulldurchgang des Stromes in Leiter 1 bei "B" erlischt der
Triac in Leiter 1 und es bleibt nur die Verbindung der Leiter 2 und 3
mit dem Netz. (Kurve "b)").
i1
u1
i2
u2
i3
u3
Abbildung 7: TRIAC-Schaltung bei
Drehstrom für den Fall 2
α = 40°
2.8 bez. Strom1
1.0 bez. Spg1
B
0.0
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20
30
40 ms
0.0
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20
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40 ms
10
20
30
40 ms
10
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30
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-1.0
-2.8
2.8 bez. Strom2
1.0 bez. Spg2
0.0
10
20
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40 ms
A
-1.0
-2.8
2.8 bez. Strom3
a)
c)
0.0
0.0
10
b)
20
1.0 bez. Spg3
30
40 ms
0.0
-1.0
-2.8
Ströme in den drei Leitern; für Leiter 3 zusätzlich
dargestellt der Strom, der einstellen würde für:
a) Verbindung aller Leiter 1,2 und 3
b) Verbindung nur der Leiter 2 und 3
c) Verbindung nur der Leiter 1 und 3
Mittelpunktspannungen der drei Netzleiter und Zündimpulse;
Zündwinkel ist 40°
Abbildung 8: Ströme und Spannungen für den Fall 2
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Für den in dem Laborversuch zu untersuchenden Fall 4 (nur 2 Leiter mit TRIACS geschaltet) besteht eine Unsymmertrie zwischen den Leitern. Ausserdem bewirkt auch die Phasenverschiebung durch die Induktivitäten des Motors
eine Änderung der Kurvenform (Abbildung 9).
2.8 bez. Strom1
1.0 bez. Spg1
0.0
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0.0
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-2.8
2.8 bez. Strom2
1.0 bez. Spg2
0.0
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2.8 bez. Strom3
a)
b)
0.0
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1.0 bez. Spg3
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40 ms
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Ströme in den drei Leitern; für Leiter 3 zusätzlich
dargestellt der Strom, der einstellen würde für:
a) Verbindung aller Leiter 1,2 und 3
b) Verbindung nur der Leiter 1 und 3
Mittelpunktspannungen der drei Netzleiter und
Zündimpulse; Zündwinkel ist 40°. (Leiter 1 ist ständig
mit dem Netz verbunden)
Abbildung 9: Ströme und Spannungen für den Fall 4
Der in den Versuchen verwendete Sanftanlauf kann folgender skizze entnommen werden. Beim erreichen eines Zündwinkels von α = 0°, am Ende des Hochlaufs, schaltet das Schütz und überbrückt die TRIACs
L1
L2
L3
M
3~
Sanftanlauf
Abbildung 10: Drehstrommotor mit Sanftanlauf
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4 Oszilloskop, Stromwandler, Trennverstärker
4.1 Oszilloskop
Abbildung 11: Oszilloskop
Mit Hilfe eines Oszilloskops können sich zeitlich verändernde Vorgänge auf einem Bildschirm dargestellt werden. Die
Darstellung des Signals auf dem Bildschirm erfolgt in XY- Darstellung, wobei hier die X- Achse der Zeitachse t entspricht und die Y- Achse der Spannung U.
Hier erfolgt eine kurze Einführung in die für den Versuch benötigten Bedienelemente des im Versuch eingesetzten
Zweikanal- Oszilloskops des Typs Hameg HM 205-3 nach Relevanz für die Versuchsdurchführung:
POWER on/off (1)
Dient dem Einschalten des Oszilloskops.
Zeitbasis (10, 11)
Die Zeitbasis (10, 11 Time/Div.) legt den Zeitmaßstab der Darstellung auf dem Bildschirm fest. Die fest einstellbaren
Zeiteinheiten pro Kästchen (Einheit) betragen von 200 ns bis 5 Sekunden (10). Zwischenwerte können mit (11) eingestellt werden. Bitte achten Sie während des Versuches darauf, dass sich dieses Potentiometer immer am rechten Endanschlag befinden. Nur so ist auch gewährleistet, dass korrekte Messungen durchgeführt werden. Dimensionieren Sie die
Zeitbasis so, dass bei 50 Hz Netzfrequenz eine Periode auf dem Kästchenraster des Oszilloskops dargestellt wird.
Eingangskanäle (Kanal I: 16-20, Kanal II: 30-36)
Der Eingangsverstärker skaliert die y- Achse (Spannung) des Bildschirmes. Die beiden vorhanden Kanäle können unabhängig voneinander skaliert werden. So ist es möglich, zwei von der Amplitude unterschiedliche Eingangssignale zu
oszilloskopieren. Die Skalierung ist einstellbar von 5 mV bis 5 V pro Kästchen (24 bzw. 30). Weiterhin kann man Zwischenwerte mit den Potis 25, bzw. 31 einstellen. Bitte achten Sie auch hier wieder darauf, dass sich auch hier wieder
die Positionen dieser beiden Bedienelemente am rechten Anschlag befinden.
DUAL (28); CHOP (29)
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Um gleichzeitig zwei Kanäle darstellen zu können, muss der Zweikanalbetrieb eingeschaltet sein. Dies geschieht mit
der Taste „DUAL“ (28). Im Chopper- Betrieb (29) wird die Darstellung mit einer Frequenz von 200 Hz zwischen den
Eingangskanälen hin- und hergeschaltet, um ein flimmerfreies Bild darstellen zu können.
Y-Pos (21,36); GD (22,35)
Mit Y- Pos I und Y- Pos II (21,36) kann die horizontale Position des Strahles eingestellt werden. Um ein definiertes
Nullsignal zu erhalten, drückt man die Taste „GD“ (22 bzw. 35), dann können z.B. die Kanäle so eingestellt werden,
dass der Kanal 1 sich auf der oberen Hilfs-Nulllinie, der Kanal 2 sich auf der unteren befindet. Die Taste „GD“ sollte
dann wieder entriegelt werden.
Die am Motor anliegende Spannung beträgt max. 400 Volt (eff). Die Spannung wird über einen Trennverstärker reduziert, so dass max. ein Spitzenwert von ca. 7 Volt anliegt. Dimensionieren Sie die Einstellung der VOLTS/DIV., und
Lage der Strahlen so, dass das die Anzeigebereich für beide Kanäle optimal ausgenutzt wird.
X-Pos (2)
Reguliert die horizontale Verschiebung der Elektronenstrahlen.
Intens. (16); Focus (17)
Sollte wieder erwarten kein Bild auf dem Schirm sichtbar sein, kann man versuchen die Intensität und Focus des Strahles zu justieren. Aber Vorsicht: Wird das Oszilloskop eine längere Zeit mit zu hoher Intensität und Focuseinstellung
betrieben, kann das Gerät dauerhaft beschädigt werden.
Level (14)
Einstellung des Triggerpegels. Wenn der Pegel zu hoch gewählt wird, erscheint ebenfalls kein Bild auf dem Bildschirm.
Trig. AC-DC-LF-HF-~ (8)
Wählt die Art der Kopplung des Trägersignals, sollte zur Triggerung 50 Hz Netzfrequenz auf (~ ) stehen.
Bedienelemente für den Speicherbetrieb
Stor.On
Aktiviert den Speichermodus.
Single
Speicherung eines Einzelbildes. Das aktuelle Oszilloskopbild wird zum Zeitpunkt des Tastendruckes auf dem Schirm
„eingefroren“.
Reset
Rücksetzen des gespeicherten Bildes bei deaktivierter Single-Taste und erneute Speicherung eines Einzelbildes, wenn
die Single-Taste noch aktiviert ist.
4.2 Stromwandler
Für die Erfassung der Ströme werden Stromwandler eingesetzt, die die zu messenden Ströme (von bis zu mehreren
1000 A) in Werte von einigen Ampere umwandeln, die dann dem Leistungsmessgerät zugeführt werden. Stromwandler
sind wie Transformatoren aufgebaut, bestehen also aus 2 Spulen um einen gemeinsamen Eisenkern. Unter Vernachlässigung des Magnetisierungsstromes (Leerlaufstrom) gilt dafür U1/U2 = I2/I1 = ü, also I2 = ü ⋅ I1. Das Verhältnis ü ist
durch das Verhältnis der Windungszahlen w1 und w2 bestimmt. Der Strom I1 wird also mit dem Übersetzungsverhältnis
ü in einen Strom I2 übersetzt. Stromwandlertransformatoren müssen deshalb so konstruiert werden, dass der Magnetisierungsstrom gegenüber dem Nennstrom vernachlässigbar klein ist. Die zweite wichtige Kenngröße bei Stromwandlern ist die übertragbare (Schein)-Leistung. Nach dem Induktionsgesetz ist die Wechselspannung U2 ∼ w2 ⋅ φK. Da der
magnetische Fluss φK im Eisenkern durch dessen Abmessungen und die Sättigungsmagnetisierung des Eisens begrenzt
ist, ist auch die maximale Spannung und damit die Scheinleistung begrenzt. Der Widerstand im Sekundärkreis ("Bürde") des Stromwandlers darf deshalb einen maximalen Wert nicht überschreiten. Insbesondere darf der Sekundärkreis
nicht unterbrochen werden, solange noch ein Strom im Primärkreis fließt.
4.3 Trennverstärker
Dieser Messumformer (Trennverstärker) verstärkt eine Eingangsspannung im Bereich von 0... 100V linear auf eine
Ausgangsspannung von 0... 10V. Somit liegt diese dann in den Grenzen, die mit einem Oszilloskop messtechnisch
erfasst werden können.
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Des weiteren sind Ein- und Ausgang galvanisch getrennt. Das heißt, Eingangs- und Ausgangsstromkreis sind voneinander getrennt, das bedeutet, es ist keine direkte Verbindung vorhanden. Dies wird hier realisiert, in dem ein Übertrager
(Transformator, elektronischer Umspanner) zwischen Eingang und Ausgang geschaltet wird. Weitere Möglichkeiten
zur galvanischen Trennung elektrischer Stromkreise wären z.B.: Optokoppler, Relais, Transistoren, MotorgeneratorAggregate, u. v. m.
Der eingesetzte Universaltrenner wird über einen Mikrocontroller gesteuert, dieser muss durch eine Hilfsspannungsquelle gespeist werden. Diese Versorgungsspannung kann in einem Bereich von 20... 253 V AC/DC liegen.
Dem eigentlichen Trennverstärker ist ein Spannungsteiler vorgeschaltet. Dieser besteht aus den Widerständen
R1 = 270 kΩ und R2 = 30 kΩ. Wegen der Verhältnisgleichung
UA'
R1
resultiert daraus ein Verhältnis von
=
U E R1 + R 2
1/10.
Damit wird also die angelegte Spannung von maximal etwa 400V auf einen Bereich von 0... 40 V übersetzt.
Durch die Verschaltung des Spannungsteilers mit dem Trennverstärker ergibt sich eine Gesamtverstärkung von 1/100.
Es wird also der Eingangsspannungsbereich 0... 400 V linear auf den Ausgangsspannungsbereich von 0... 4 V abgebildet.
UE
30K
270KΩ
UA’
UA
Spannungsteiler
Trennverstärker
Abbildung 12: Schaltbild Spannungsteiler und Trennverstärker
5 Beschreibung des Versuchsaufbaus
Für den Versuch stehen folgende Geräte zur Verfügung:
•
ein Drehstrommotor ( Käfigläufer)
o Nenndaten bei 50 Hz:
o Nennspannung/ Nennstrom ∆
o Nennspannung/ Nennstrom Υ
o Nennleistung
o Nenndrehzahl
o Leistungsfaktor ( cos φ )
:
:
:
:
:
400 V / 4,7 A
690 V / 2,7 A
2,2 kW
1420 min-1
0,82
•
ein Hauptschalter (dreiphasig)
o Typ: Moeller CL-K2-PKZO-G
•
ein Klemmbrett für die Stromversorgung (L1, L2, L3, N, PE), steckbar
•
ein Motorschutzschalter
o Typ: Moeller PKZMO-6,3
Technische Universität Hamburg-Harburg, Institut für Elektrische Energiesysteme und Automation
Prof. Dr.-Ing. G. Ackermann, Eißendorfer Str. 38, 21073 Hamburg
01.03.2007
Praktikum "Grundlagen der ET für MB", Versuch 7 B (Drehstrom)
o
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Schaltschwellen regelbar: 4,0; 5,1; 6,3 A
•
ein Softstarter
o Typ Moeller DS4-340-7K5-MX
o Zeiten und Spannungen frei einstellbar:
ƒ Anlaufzeit
:
0 ... 10 sec.
ƒ Auslaufzeit
:
0 ... 10 sec.
ƒ Anlaufspannung :
30%... 100%
o Input:
ƒ Ue=110 ... 500 V AC; 50/60 Hz
ƒ Uc=15 … 30 V DC / 100 … 240 V AC
o Standard- Motor: 7,5 kW; 400 V; 50Hz
•
3 Glühlampen zum Testen der Schaltung
•
ein Schalter, einphasig
Für die Messung sind als Messgeräte vorhanden:
•
drei Stromwandler
o Hersteller: Müller Ziegler
o Übertragungsverhältnis: 30:1 A
•
zwei Trennverstärker
o Typ: Knick Vari Trans P 27 000 F1
o Spannungsverstärkung: 100:1 V
•
ein Zweikanal- Oszilloskop
o Typ: Hameg HM 205-3
Die Wandler, Schalter, Starter und Glühlampen sind auf Laborbrettern befestigt. Die Schaltung ist teilverdrahtet, Messgeräte und Motoren sind von Ihnen aufzubauen.
6 Versuchsvorbereitung
Die Aufgaben sind bearbeitet zum Versuchstermin mitzubringen. Sie sind Teil des Versuchsprotokolls und sollten in
einer entsprechenden Form dokumentiert sein.
1. Skizzieren Sie folgende Schaltung: Es sollen drei Glühbirnen (ohmsche Verbraucher) im Stern an den Sanftanlauf
aus Abbildung 10 angeschlossen werden. Der Sternpunkt wird an den Nullleiter angeschlossen.
2. Tragen sie (nach dem Muster in Abbildung 6), für die Zündwinkel von 30° und 120°, den Verlauf des Stromes der
zweiten Phase über der Zeit/ den Phasenwinkel auf, der sich bei dieser Schaltung einstellt. Die Nennleistung der
Glühbirnen beträgt P = 100 W. Bestimmen Sie die jeweiligen Effektivwerte!
3. Wie verändert sich die Helligkeit der drei Glühlampen während des Hochlaufs
a) mit angeschlossenem Sternpunkt,
b) ohne angeschlossenen Sternpunkt?
4. Zeichnen Sie drei Diagramme mit den Zeitverläufen der Spannung Ua, Ub und Uc für die Fälle (Abbildung 13):
• T1 geschlossen, T2 offen
• T1 offen, T2 geschlossen
• T1 und T2 geschlossen
(Wählen sie Ûa =
ˆ 2 cm)
5. Entwerfen Sie auf Basis des angegebenen Stromlaufplanes (Abbildung 10) aus eine Schaltung bei der der Motor im
Dreieck geschaltet ist. Es sollen die im Versuchsteil 7 beschriebenen, motorseitigen elektrischen Größen erfasst
werden. Ergänzen Sie die Schaltung um die Stromwandler und Trennverstärker.
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6. Ermitteln Sie für den oben angegebenen Nennpunkt des Motors den Schlupf und die Verluste im Läufer des Motors.
Ua
Ub
Uc
T1
T2
Abbildung 13: Schaltung zur Aufgabe 6.4
7 Versuchsdurchführung und Auswertung
Die mit dem Oszilloskop aufzunehmenden Zeitverläufe der elektrischen Größen sind von Hand zu skizzieren.
7.1 Versuchsteil "Glühlampen"
a) Bauen Sie die entworfene Schaltung auf. Setzen Sie statt des Drehstrommotors zunächst 6 Glühbirnen ein (je 2 in
Reihe geschaltet).
b) (Sternpunkt an Nullleiter): Aufnahme der Stromverläufe aller Phasen für unterschiedliche Zeitpunkte (z.B. 2s, 5s
und 8s) mit dem Oszilloskop.
c) (Sternpunkt nicht an Nullleiter): Paarweise Aufnahme der Verläufe U12 und I2 sowie U31 und I3. Vergleichen Sie
die Verläufe mit Abbildung 9.
7.2 Versuchsteil "Motor"
a) (Motor wird im Dreieck geschaltet): Aufnahme der Spannungsverläufe U12, U23 und U31 bei 0s (Triac in L2 und L3
sperren)
b) Motor zunächst ohne Sanftanlauf und anschließend mit unterschiedlichen Zeitrampen hochfahren.
7.3 Auswertung
Erstellen Sie im Anschluss an die Versuche ein Protokoll des Labors. Der Text soll stichpunktartig (Kurzsätze) verfasst
werden. Das Protokoll sollte folgenden Aufbau besitzen:
- Deckblatt mit Titel, Gruppen-Nr., Teilnehmer,...
- Einführung
- Versuchsaufbau und Durchführung
- Ergebnisse und Diskussion/ Interpretation
Die Ergebnisse aus der Versuchsvorbereitung nach Kap. 6 müssen in dem Protokoll enthalten sein.
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