FH Stralsund - antriebstechnik.fh

FH Stralsund
Fachbereich Elektrotechnik
Praktikum im Fach Leistungselektronik
Versuch LE 3
(Praktikum)
Grundlagen nichtkommutierender Stromrichter
Der Wechselstromschalter und -steller
Versuchsziel:
Kennenlernen der Wirkungsweise von nichtkommutiernden Stromrichtern am Beispiel des
Wechselstromschalters und -stellers.
3.
3.1.
Versuchsvorbereitung
Kolloquiumsfragen
1.
2.
9.
Erläutern Sie Aufbau und Wirkungsweise eines elektronischen Schalters für Wechselstrom!
Welche Probleme hat das Schalten induktiver und kapazitiver Verbraucher zur Folge? Welche Konsequenzen ergeben sich daraus hinsichtlich eines günstigen Schaltzeitpunktes?
Erläutern Sie Aufbau und Wirkungsweise eines elektronischen Stellers für Wechselstrom!
Welche grundsätzlichen Steuermöglichkeiten bestehen für Wechselstromsteller?
Leiten Sie die Steuerkennlinien für ohmsche und induktive Last bei Anschnittsteuerung ab! Geben Sie
den Verlauf der Steuerkennlinien an!
Begründen Sie, warum bei einer Lastinduktivität ≠ 0 mit Langimpulsen garbeitet werden muß!
Erläutern Sie, warum auch bei rein ohmscher Last ein Leistungsfaktor λ < 1 auftritt! Wie hängt der
Leistungsfaktor vom Aussteuerungsgrad ab?
Warum treten auch bei der Vollwellensteuerung Netzrückwirkungen auf? Wie berechnet sich der
Leistungsfaktor?
Nennen und skizzieren Sie Beispiele für technische Anwendungen von Wechselstromstellern!
3.2.
Funktion und Inbetriebnahme des Übungsmodells
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Das Übungsmodell besteht im wesentlichen aus einem Steuerteil und den 3 Leistungshalbleitern.
Als Leistungshalbleiter wurden ein Triac und zwei P-Gate-Thyristoren ausgewählt.
Am Simulationsmodell ist sowohl für die Einstellung des Phasenwinkels bei der Phasenanschnittsteuerung als
auch für die Festlegung der Einschaltdauer bei der Vollwellensteuerung ein extra Potentiometer zur
Aussteuerung vorgesehen, welches bei der entsprechenden Schalterstellung des obersten Umschalters aktiv wird.
Mit dem zweiten Schalter "Impulsdauer" kann die Dauer des Zündimpulses von t = 30 ms auf Langimpuls umgestellt werden.
Mit dem "Extern-Intern" - Wahlschalter kann der Zündzeitpunkt entweder über die eingebauten Potentiometer
(Intern) oder über ein analoges 0 - l0 V - Signal extern, z.B. von einer SIMATIC-Baugruppe o.ä. eingespeist
werden.
Zwischen dem Massepotential der externen Steuerung und der Masse des Übungsmodells muß dabei ein gemeinsames Bezugspotential hergestellt werden!
Der Synchroneingang Usync dient als Referenzspannung (Vergleichsspannung) bei Messungen, um die
ermittelten Spannungs- und Stromverläufe zeitgleich zur Netzspannung betrachten zu können. Zur zeitgleichen
Betrachtung ist allerdings am Zweistrahloszilloskop ein gemeinsamer Bezugspunkt erforderlich !
Die beiden Ausgänge 0o - 180o und 180o - 360o ermöglichen die getrennte Ansteuerung der positiven bzw.
negativen Netzhalbwelle.
Zur Ansteuerung des Triac werden beide Ausgänge gemeinsam benötigt. Beachten Sie dabei, daß die Ausgänge
nur über einen Zündübertrager an das Gate des Triac angelegt werden dürfen, da sonst die Zündübertrager
zerstört werden können !
Induktive Zündübertrager mit Schutzdioden sorgen für die galvanische Trennung von Steuer- und Laststromkreis.
An den Ausgängen der Zündübertrager keine leitende Verbindung zueinander herstellen!
Die Steuerung, mit der sowohl die Phasenanschnitt- als auch die Vollwellensteuerung realisierbar ist, wurde mit
dem integrierten Ansteuerbaustein TCA 785 aufgebaut. Sie ermöglicht somit die Zündung von Thyristoren und
Triacs bzw. einer Antiparallelschaltung von Thyristoren (Zündmöglichkeit bis 360o) über den kompletten
Leistungsbereich von 0 - 100 % Aussteuerbereich.
Die beiden Thyristoren ermöglichen über die beiden Steuerausgänge des TCA 785 die getrennte Ansteuerung
beider Netzhalbwellen, wie sie beim Triac sowieso möglich ist.
Der TCA785 liefert ausschließlich positive Zündimpulse. Deshalb ist die Antiparallelschaltung im
Simulationsmodell mit 2 P-Gate-Thyristoren ausgerüstet.
Alle Leistungshalbleiter sind mit einer TSE-Schutzbeschaltung versehen. Sie können also auch induktiv belastet
werden !
Ein LC-Filter sorgt für die entsprechende Funkentstörung. Diese ist auch für gemischt ohmsch-induktive
Belastung ausreichend!
Die eingebauten Meßwiderstände Rm=0,1W lassen mit dem Oszilloskop eine indirekte Strommessung ohne
äußere Zusatzbeschaltung zu.
Bei zeitgleichen Oszilloskop-Messungen muß jedoch ein gemeinsamer Massebezugspunkt vorhanden sein!
3.3.
Unfall- und Schadensverhütung
Für alle Messungen in diesem Praktikumsversuch gilt grundsätzIich:
1.
Inbetriebnahme bei Netzspannung nur durch den verantwortlichen Betreuer!
2.
Das Umstecken der Meßgeräte darf nur im spannungslosen Zustand erfolgen. Oszilloskopmessungen
an Netzspannung (230 V) nur mit dem dafür vorgesehenen Tastkopf 100 : 1 durchführen !
3.
Während der Messung den Messaufbau nicht verändern (Umstecken während des Meßvorganges vermeiden!)
4.
Bei Anschluß des Simulationsmodells ergeben sich zwei Möglichkeiten:
a) Anschluß über Trenntransformator 230 / 230 V. Dann darf bei den angeschlossenen Verbrauchern
kein Schutzleiter PE angeklemmt werden, da sonst die Schutzmaßnahme Schutztrennung aufgehoben
wird.
b) Anschluß an das normale 230 V - Netz. Dann sind die eingezeichneten Schutzleiter in den Übungen
anzuschließen.
Klären Sie die für Sie passende Schutzmaßnahme entsprechend den örtIichen Gegebenheiten mit Ihrem Betreuer
ab!
4.
4.1.
4.1.1.
4.1.1.1.
Versuchsdurchführung
Wechselstromsteller mit antiparallelgeschalteten Thyristoren
Ohmsche Last
Versuchsaufbau
Bauen Sie folgende Schaltung auf:
Rm = 0,5 Ω
RL = 1 x 0 ... 180 Ω/6A
4.1.1.2. Geräteeinstellungen
a)
Experimentierplatte
STEUERUNGSART: Phasenanschnittsteuerung (Schalter rechts)
IMPULSDAUER: Langimpuls (Schalter rechts)
EXTERN/INTERN: Extern (Schalter links)
b)
Trennverstärker
KANAL A (1+ und 1-): Ausgangsspannung UA - RANGE (V): 600
KANAL B (2+ und 2-): Thyristorspannung UV2 - RANGE (V): 600
KANAL C (3+ und 3-): Thyristorstrom IV2 - RANGE (V): 3
KANAL D (4+ und 4-): Ausgangsstrom IA - RANGE (V): 3
OUTPUT-MODE: Chop
CHOP-FREQUENZY: High; Feinsteller ganz rechts
MODE CH.D: D
c)
Oszilloskop
Signal vom Trennverstärker auf Kanal I
Tastkopf: Teiler 1:1
Verstärkung: Kanal I: 0,2 V/DIV
Zeitbasis: 0,5 ms/DIV (Feinsteller ganz rechts)
Eingangskopplung: Gleichstrom (Taste CH. I DC/AC gedrückt)
inventierend: nein (Taste INV.CH. I nicht gedrückt)
Triggerung: intern ∼ (Tasten TRIG EXT., TRIG. I/II und SLOPE nicht gedrückt)
Betriebsart: CH I (Tasten CH I/II, DUAL und ADD nicht gedrückt)
Schließen Sie an die Eingänge für die externe Steuerung die Sollwertspannungsquelle polaritätsmäßig richtig an.
Stellen Sie sicher, daß vor Einschalten des Schalters S die Sollwertspannungsquelle auf 0 V gestellt ist und der
Belastungswiderstand auf seinen maximalen Widerstandswert von 180 Ω !
4.1.1.3. Versuchsaufgaben
1.
Schalten Sie die Experimentierplatte (Semikronsteuerung) an die volle Transformatorspannung von
230 V!
Drehen Sie langsam die Sollwertspannung auf den Maximalwert von 5 V!
Stellen Sie den Lastwiderstand auf einen Widerstandswert, daß ein Laststrom von IA = 5 A fließt.
Behalten Sie diesen Widerstandswert bei und drehen Sie die Sollwertspannung wieder auf 0 V.
Nehmen Sie die inverse Steuerkennlinie USt = f(α) auf! Gehen Sie dabei in Schritten von α = 10° vor!
Nehmen Sie gleichzeitig die Kennlinien UAe, IAe = f(α) auf!
Übernehmen Sie für die Zündverzögerungswinkel α = 150°, α = 90° und α = 15° die Oszillographenbilder mittels Hardcopy durch das Oszilloskop DL 708!
Ermitteln Sie gleichzeitig den bei diesen α = ϕz auftretenden Stromflußwinkel ϕi.
2.
3.
Meßwerttabelle Wechselstromsteller mit ohmscher Last
α
15°
20°
30°
40°
50°
60°
70°
80°
90°
100°
110°
120°
130°
140°
150°
160°
170°
180°
USt
UAe
IAe
ϕi
4.
5.
Stellen Sie die Sollwertspannung wieder auf 0 V !
Schalten Sie die Experimentierplatte von der Spannungsversorgung. Lösen Sie die Leitungen an den
Ausgangsbuchsen der Platte und ermitteln Sie den ohmschen Widerstand des Lastkreises einschließlich der Zuleitungen.
4.1.2. Induktive Last
4.1.2.1. Versuchsaufbau
1.
Nehmen Sie den ohmschen Widerstand aus den Lastkreis und schalten an dessen Stelle eine induktive
Last (2 x 100 mH) in den Lastkreis !
Schalten Sie S wieder ein (Sollwertspannung = 0 V!).
2.
4.1.2.2. Geräteeinstellungen
1.
Behalten Sie alle Einstellungen an den Geräten entsprechend 4.1.1.2. bei !
4.1.2.3. Versuchsaufgaben
Nehmen Sie die Kennlinien UAe, IAe = f(α) auf ! Gehen Sie in Schritten von α = 10° vor.
Übernehmen Sie für die Zündverzögerungswinkel α = 150°, α = 90 und α = 20° die Oszillographenbilder mittels Hardcopy durch das Oszilloskop DL 708!
Ermitteln Sie gleichzeitig den bei diesen α = ϕz auftretenden Stromflußwinkel ϕi.
1.
2.
Meßwerttabelle Wechselstromsteller mit induktiver Last
α
0°
USt
UAe
IAe
ϕi
10°
20°
30°
40°
50°
60°
70°
80°
90°
100°
110°
120°
130°
140°
150°
160°
170°
180°
4.
5.
Stellen Sie die Sollwertspannung wieder auf 0 V !
Schalten Sie die Experimentierplatte von der Spannungsversorgung.
4.1.3. Ohmsch - Induktive Last
4.1.3.1. Versuchsaufbau
1.
Schalten Sie als Last eine Induktivität von 50mH sowie den gesamten Belastungswiderstand von
180 Ω in Reihe in den Lastkreis ! Schalten Sie S wieder ein.
Stellen Sie die Sollwertspannung auf max und stellen Sie den Lastwiderstand auf einen
Widerstandswert, daß ein Laststrom von IAe = 6 A fließt. Behalten Sie diesen Widerstandswert bei und
drehen Sie die Sollwertspannung wieder auf 0 V.
2.
4.1.3.2. Geräteeinstellungen
1.
Behalten Sie alle Einstellungen an den Geräten entsprechend 4.1.1.2. bei !
4.1.3.3. Versuchsaufgaben
Nehmen Sie die Kennlinien UAe, IAe, PL, UL, IL, QL, PFL = f(α) mit dem Amprobe DM-II auf ! Gehen
Sie in Schritten von α = 10° vor.
Übernehmen Sie für die Zündverzögerungswinkel α = 150°, α = 80° und α = 20° die Oszillographenbilder mittels Hardcopy durch das Oszilloskop DL 708!
Ermitteln Sie gleichzeitig den bei diesen α = ϕz auftretenden Stromflußwinkel ϕi.
1.
2.
Meßwerttabelle Wechselstromsteller mit ohmsch-induktiver Last
α
0°
UL
IL
PL
QL
PFL
UAe
IAe
ϕi
10°
20°
30°
40°
50°
60°
70°
80°
90°
100°
110°
120°
130°
140°
150°
160°
170°
180°
3.
4.
5.
Ermitteln Sie die Phasenverschiebung ϕ zwischen Strom und Spannung bei sinusförmigen Verlauf
dieser Größen!
Stellen Sie die Sollwertspannung wieder auf 0 V!
Schalten Sie die Experimentierplatte von der Spannungsversorgung. Lösen Sie die Leitungen an den
Ausgangsbuchsen der Platte und ermitteln Sie den ohmschen Widerstand des Lastkreises einschließlich der Zuleitungen.
5.
5.1.
Versuchsauswertung
Wechselstromsteller
5.1.0.
5.1.1.
Fügen Sie alle aufgenommenen Werte dem Protokoll in Form von Wertetabellen bei.
Stellen Sie in einem Diagramm die Kennlinien UAe/UL = f(α) für ohmsche-, ohmsch-induktive- und
induktive Belastung dar.
Stellen Sie in einem Diagramm die Kennlinien IAe/IA0 = f(α) für ohmsche-, ohmsch-induktive- und
induktive Belastung dar.
Stellen Sie in einem Diagramm die Kennlinien SAe/SA0 = f(α) für ohmsche-, ohmsch-induktive- und
induktive Belastung dar.
Stellen Sie in einem Diagramm die Kennlinien PFL = f(α) für ohmsch-induktive Belastung dar.
Berechnen Sie für die unter 4.1.1.3. ermittelten Werte für die Spannung UAe und dem Lastwiderstand
RL den Verlauf IAerech = f(α). Stellen Sie diesen Werte grafisch dar und vergleichen Sie ihn mit den
Verlauf IAemeß.
Berechnen Sie für die unter 4.1.2.3. ermittelten Werte für die Spannung UAe und dem bekannten Wert
der Belastungsdrossel den Verlauf IAerech = f(α) und vergleichen Sie ihn mit den Verlauf IAemeß.
Diskutieren Sie schriftlich alle dargestellten Verläufe !
Berechnen Sie aus dem unter 4.1.3.3. Pkt. 3 ermittelten Lastwinkel und der Lastinduktivität den bei
dieser Versuchsaufgabe eingestellten Lastwiderstand. Vergleichen Sie diesen berechneten Wert mit
dem gemessenen.
5.1.2.
5.1.3.
5.1.4.
5.1.5.
5.1.6.
5.1.7.
5.1.8.
6.
Literaturverzeichnis
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Bystron, Klaus: Leistungselektronik
München, Wien: Hanser, 1979
Felderhoff, Rainer: Leistungselektronik
München, Wien: Hanser, 1984
Jäger, Rainer: Leistungselektronik
Berlin und Offenbach: vde-verlag gmbh, 1993
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