Versuch EL-V1: Tiefsetzsteller

Versuch EL-V1: Tiefsetzsteller
Inhaltsverzeichnis
1
Lernziele
2
2
Versuchsinhalt
2
3
Einleitung
3
4
Sicherheitshinweise
3
5
Schaltbild und Bedienhinweise
4
6
Vorbereitungsanleitung
7
7
Versuchsaufgaben
9
8
Parameter des Versuchsstands
10
9
Literatur
11
EL-V1 - 1
1 Einleitung
Für diverse elektrische Anlagen ist es notwendig, aus einer konstanten Eingangs-Gleichspannung
eine variable Ausgangsspannung zu generieren. Um eine niedrigere Ausgangsspannung zu erzeugen,
kann ein Tiefsetzsteller eingesetzt werden. Die Drehzahlregelung einer Gleichstrommaschine
beispielsweise geschieht über die Variation der Ankerspannung. Für den Fall einer anfahrenden
Straßenbahn gilt, dass die Motorspannung erhöht werden und Leistung der Maschine zugeführt
werden muss, um die gewünschte Beschleunigung zu erreichen. Es wird eine Schaltung gefordert,
die aus der konstanten Fahrdrahtspannung verlustarm eine niedrigere einstellbare Motorspannung
generiert. Diese Anforderungen lassen sich durch den Tiefsetzsteller realisieren. Andere
Bezeichnungen dafür sind Abwärtswandler, step-down-converter oder buck-converter. Eingesetzt
werden sie überall, wo unterschiedlichste Verbraucher mit einer geringeren Betriebsspannung aus
einer Quelle mit einer höheren Gleichspannung versorgt werden. Als weitere Anwendungsbeispiele
sind akkubetriebene Geräte wie Handys und Laptops zu nennen.
2 Voraussetzungen und Lernziele
In diesem Versuch wird den Studenten das Funktionsprinzip des Tiefsetzstellers verdeutlicht. Dazu
wird das Wissen der Vorlesungsinhalte „Grundlagen der Energietechnik“ vorausgesetzt. Der
Versuch behandelt und vertieft Themen der Vorlesung „Leistungselektronik“, daher kann als
weiterführende Literatur das Skript dieser Vorlesung verwendet werden. Die Studenten sollen
erkennen, welchen Einfluss Schaltfrequenzen, Bauteilwerte, Aussteuerung und Lastverhalten auf
das Betriebsverhalten des Tiefsetzstellers haben. Des weiteren ist eine Dokumentation zu
Beobachtungen und Ergebnissen des Versuches anzufertigen.
3 Funktionsweise des Tiefsetzstellers
Bild 1: Schaltbild eines Tiefsetzstellers
Eine einfache Form eines Tiefsetzstellers besteht aus einem Transistor, einer Diode, einer
Induktivität und einer Last, welche hier durch einen Widerstand realisiert ist. In der weiteren
Betrachtung werden Ventilverluste vernachlässigt. Als Eingangsspannung dient eine konstante,
innenimpedanzfreie Gleichspannungsquelle mit der Spannung U. Die Ausgangsspannung nimmt
zwei verschiedene Werte an, die vom Schaltzustand des Transistors abhängig sind.
Wenn der Transistor eingeschaltet ist, liegt die Einsgangsspannung U über der Last und der
Induktivität an. Also gilt: U = u 2
Wenn der Transistor ausgeschaltet ist, liegt keine Spannung an der Last und der Induktivität an.
Also gilt: u 2 = 0
Es ergibt sich eine gepulste Ausgangsspannung u2, deren Mittelwert sich je nach Einschaltdauer des
Transistors, variieren lässt.
Aussteuerung: a =
T ein
T
Mittelwert der Ausgangsspannung: u 2 = U⋅a
Die Induktivität dient in einem Tiefsetzstellers als Energiespeicher, welche den Stromfluss während
beider Schaltzustände aufrecht erhalten soll.
Im Fall T ein liegt eine positive Spannung an der Induktivität an und es wird Energie in der Form
eines Magnetfeldes gespeichert. Außerdem kommt es zu einem ansteigenden Stromfluss, da
di
u l =L⋅
dt
Im Fall T aus liegt eine Spannung von 0 V an der Induktivität und der Last an. Jedoch ist im
Magnetfeld der Spule weiterhin Energie gespeichert, welche dafür sorgt, dass der Stromfluss
weiterhin aufrecht erhalten wird. Da der Transistor sperrt, muss ein alternativer Pfad für den Strom
eröffnet werden. Dieser verläuft über die Diode, welche durch den Strom in den leitenden Zustand
getrieben wird. Die Energie für diesen Stromfluss wird aus dem Magnetfeld entnommen, welches
sich abbaut und zu einem Absinken des Stromes führt.
Dieses wechseln des Stromkreises wird Kommutierung genannt.
Es gilt also:
0<t<T ein :
T Ein <t<T :
Tr leitet:
Tr sperrt:
i 1=i 2
,
i1 = 0
U CE = 0
,
i D = i2
,
u2 ≈ U
,
iD = 0
u2 = 0
,
u CE = U
,
Die Schaltzelle des Tiefsetzstellers muss zwingend niederinduktiv aufgebaut werden, da sich in den
Zuleitungen zu den Schaltelementen sonst aufgrund parasitärer Induktivitäten während des
Schaltens unerwünschte Spannungen auftreten können. Gemäß der Spulengleichung
u L (t )=L⋅
di L ( t )
dt
ergeben sich bei schnellen Stromänderungen ( di L /dt groß) hohe Spannungen an einer Induktivität.
Sämtliche Strompfade zwischen den Eingangskondensator sind demnach so aufgebaut, dass
fehlerfreies Schalten möglich ist.
Neben dem gewünschten Mittelwert u 2 ist der Ausgangsspannung stets eine störende Wechselspannungskomponente u 2 ~ überlagert. Sie treibt eine im wesentlichen durch die Lastimpedanz
bestimmten Wechselstrom. Unter vernachlässigung eines ohmschen Widerstandes gelten folgende
Annahmen:
u L = u2 = u2 ̄u 2
Daraus ergibt sich die Laststromänderung
IGBT leitet:
di 2
1
1
1
= ⋅u L = ⋅(U ū2 ) = ⋅U⋅(1r )>0
dt
L
L
L
IGBT sperrt:
di 2
1
1
1
= ⋅u L = ⋅(0 ū2) = ⋅U⋅r<0
dt
L
L
L
Im eingeschwungenen Betrieb muss u L = u2~ = 0 sein, i 2 (T ) = i 2 (0) und damit der Stromanstieg während der Ladezeit entgegengesetzt gleich dem Stromabfall während der Sperrzeit des
IGBT.
IGBT leitet:
∆i+ =
1
1
⋅u ⋅T = ⋅(1r )⋅U⋅r⋅T =∆ i
L L ein
L
1
1
IGBT sperrt: ∆ i - = ⋅u 2⋅(T T ein) = ⋅r⋅U⋅(1r )⋅T = ∆ i
L
L
Daraus ergibt sich die einfache Geradennäherung (konstantes di/dt) aus Bild 2. Der Strom schwankt
um ±∆ i / 2 um den Mittelwert i 2 .
Bild 2: Zeitverlauf von u2, uL und i2
Je höher die Schaltfrequenz f Z=1/T und die wirksame Induktivität L sind, desto geringer ist die
Stromschwankungsweite. Ist ∆ i zu groß und kann die Schaltfrequenz wegen der begrenzten
Schaltverluste des Transistors nicht entsprechend angehoben werden, wird eine zusätzliche
Glättungsdrosselspule Ld im Lastkreis erforderlich.
Da der Mittelwert der überlagerten Wechselspannung definitionsgemäß Null ist, muss jede einzelne
Halbschwingung unabhängig von ihrem Zeitverlauf betragsmäßig den gleichen Mittelwert besitzen.
Für den Gleichrichtmittelwert bedeutet dies:
T Ein
T
2
2
∣u L ~∣ = T ⋅∫ u L⋅dt = T ⋅∫ (u L )⋅dt
0
T
Ein
Überträgt man dieses Ergebnis auf die dem Mittelwert der Gleichspannung überlagerte
Oberschwingungsspannung u 2~ = u L mit der Periodendauer T = 1/ f Z , die vollständig an der
gleichstromseitigen Induktivität L abfallen möge, gilt für die Schwankungsbreite ∆ i des Ausgangsstroms i eines Gleichstromstellers:
∆i =
∣u 2 ~∣ T
1
⋅∫ u 2 ~⋅dt =
⋅
L
L 2
Für die Berechnung dieser Stromschwankungsbreite benötigt man also den Gleichrichtmittelwert
∣u2~∣ der dem Mittelwert der Gleichspannung überlagerten Wechselspannung. Er beträgt beim
Gleichstromtiefsetzsteller:
∣u2 ~∣ = 2⋅r⋅(1r )⋅U
4 Sicherheitshinweise
Alle in der Sicherheitsbelehrung genannten Vorschriften, Anweisungen und Hinweise sind strikt zu
befolgen. Dieser Versuch verwendet hohe Gleichspannungen und -ströme. Dies hat zur Folge, dass
die Gesundheitsrisiken stark erhöht sind. Im Gegensatz zu Wechselspannungen kommt es bei
Gleichspannung zu keiner Selbstlöschung von Lichtbögen im Nulldurchgang. Bei Berührungen
gleichspannungsführender Teile kann es zu Verkrampfungen der Gliedmaßen führen, sodass ein
eigenständiges Lösen nicht möglich ist. Die Inbetriebnahme des Versuchsstandes ist nur unter
Aufsicht erlaubt. Vor jeder Änderung des Induktivitätwertes ist der Versuchsstand auszuschalten
und der Betreuer um Zustimmung zu bitten. Alle Messgrößen sind berührgeschützt abgreifbar.
Nichtbeachtung von Sicherheitsvorschriften und Anweisungen führt zum sofortigen Ausschluss
von dem Versuch.
Es gilt: „Packst du an die Spannung dran, klingelt schon der Sensenmann.“
5 Schaltbild und Bedienhinweise
Bild 3 zeigt das Schaltbild des Versuchsaufbaus einschließlich der Bedienelemente so, wie Sie es
auch am Versuchsstand vorfinden.
Die Eingangsspannung des Tiefsetzstellers wird von einer B2-Brückenschaltung mit kapazitiver
Glättung bereitgestellt. Im folgenden Versuch kann sie als konstante Gleichspannungsquelle
betrachtet werden.
Die Ausgangsspannung kann zwischen 0 V und 200 V verstellt werden, der maximale DauerLaststrom beträgt 10 A . Die Schaltfrequenz ist auf mehrere diskrete Werte einstellbar. Als Last
dienen mehrere zuschaltbare Halogenlampen. Die Schaltung wird durch einen Mikrokontroller
(ATMega 16) gesteuert, der den Betriebszustand und die Mittelwerte einiger Messwerte auf einem
LCD anzeigt.
Die Induktivitätsänderungen erfolgen durch Umstecken eines Steckers im ausgeschalteten Zustand
nach Freigabe durch den Betreuer (siehe Sicherheitshinweise).
Machen Sie sich zunächst mit dem Schaltbild vertraut und vergleichen Sie dieses mit dem
entsprechenden Ersatzschaltbild des Tiefsetzstellers. Vollziehen Sie nach, welche Größen während
des Versuchs gemessen werden können.
Folgende Elemente befinden sich im Block „Steuerung“:
•
I/O: Hauptschalter für den Versuchsstand
•
Anzeige: Darstellung wesentlicher Größen des Versuches
•
Anzeigeumschaltung: Ermöglicht den Wechsel zwischen verschiedenen Anzeigen
•
Reset: Setzt den Mikrocontroller in den Grundzustand zurück
•
„r“: Einstellung des Tastverhältnisses
•
„f“: Einstellung der Schaltfrequenzen
•
Ansteuerfreigabe: Gibt die Steuersignale des Mikrocontrollers an den IGBT-Treiber frei.
Nur wenn die Freigabe gesetzt ist arbeitet der Tiefsetzsteller.
Wegen der Arbeitsgeschwindigkeit des Mikrocontrollers können nur Mittelwerte verarbeitet
werden. Diese werden in guter Näherung durch Tiefpassfilterung der Messgrößen angenähert.
Diese Werte dienen nur zur Orientierung, alle Messungen im Versuch werden mit Hilfe des
Zweikanal-Digitalspeicheroszilloskops TDS 1001B durchgeführt. Die Zeitverläufe können per
Knopfdruck als Grafik auf einem
USB
Stick
,
abgelegt werden. Das Oszilloskop unterstützt nur USB-Sticks mit einer Speicherkapazität
kleiner als 2GB. Jeder Student, der über einen solchen USB-Stick verfügt ist angehalten ihn mit zu
bringen. Notfalls stehen Lehrstuhl-USB-Sticks zur Zwischenspeicherung zur Verfügung von denen
die Messaufnahmen dann an eigenen Datenträger übertragen werden können. Das mitbringen eines
eigenen Datenspeichers ist also zwingend notwendig.
Bild 3: Schaltbild und Bedienelemente des Versuchs „Tiefsetzsteller“
6 Vorbereitungsanleitung und Ausarbeitungsleitfaden
Die Vorbereitungsaufgaben sind vor dem Versuch selbstständig zu lösen. Bevor die
Versuchsdurchführung beginnt, wird in einem Kolloquium überprüft, ob eine ausreichende
Vorbereitung vorliegt. Unzureichend vorbereitete Studenten werden vom Versuch ausgeschlossen,
da die angestrebten Lernziele nicht erreicht werden können, sowie ihre Sicherheit und die der
Mitstudenten gefährdet sein könnte.
•
Alle Vorbereitungsaufgaben sind vor dem Versuch zu bearbeiten und mit dem
Praktikumsbericht abzugeben.
•
Das Kolloquium soll dazu dienen, alle eventuellen Fehler und Fragen zu dem Versuch zu
beseitigen.
•
Alle Bilder und Skizzen sind ausführlich zu beschriften und müssen bei den entsprechenden
Aufgabenpunkten eingefügt werden.
•
Die Versuchsdurchführung ist bei jeder Versuchsaufgabe zu Beginn kurz zu beschreiben.
•
Jede dokumentierte Beobachtung und Beschreibung sind kurz zu diskutieren.
•
Beachten Sie, dass ihr Praktikumsbericht eine wissenschaftliche Ausarbeitung ist und
entsprechende Wortwahl und Form erfordert. Umgangssprachliche Ausdrucksformen sowie
Erlebnisberichte sind nicht zulässig.
•
Stützen Sie ihre Aussagen auf Fakten und stellen Sie Vermutungen nicht ohne
Begründungen auf.
•
Bei der Zeichnung von Kurvenverläufen sind ausschließlich Ausgleichsgeraden/ - kurven
zulässig.
•
Zeichnungen sind in ausreichender Größe mit Beschriftung anzufertigen, so dass die
Aussage klar erkennbar ist.
•
Mit Ausnahme der Vorbereitungsaufgaben ist jede Versuchsaufgabe auf einer neuen Seite
zu bearbeiten.
Fragen zur Schaltzelle:
6.1 Zeichnen sie das vollständige Ersatzschaltbild eines Tiefsetzstellers und benennen sie alle
relevanten Größen.
6.2 Beschreiben sie mit wenigen Worten wo während des Schaltens eine Kommutierung statt
findet. Zeichnen sie dafür die Ersatzschaltbilder des Tiefsetzstellers für t=T ein und t=T aus .
Fragen zum Ausgangsverhalten:
6.3 Definieren Sie das Tastverhältnis r und die Aussteuerung a, arbeiten Sie den Unterschied
heraus und geben Sie den Zusammenhang zwischen beiden als Gleichung an. Welche
Vereinfachung ist in diesem Versuch zulässig und warum? Wie groß ist U T im Verhältnis zu
UA ?
6.3 Skizzieren sie u d , i d , u L , i L , u T , i T für a=0,5 in das Diagramm 1. Der ohmsche Widerstand sei hier zu vernachlässigen, ebenso wie die Schaltverluste der einzelnen Elemente.
6.4 Bei welcher Aussteuerung tritt die maximale Laststromwelligkeit auf – und warum? Bitte
anhand einer Rechnung und einer Skizze belegen.
6.5 Wie wirkt sich der Wert der Glättungsspule L und der Schaltfrequenz f auf die Laststromschwankungsbreite ∆ i aus, und warum?
6.6 Skizzieren Sie den Verlauf der Spannung u 2 und des Laststroms i 2 für zwei Perioden, basierend
auf einer Berechnung.
a) wenn der Einfluss des Lastwiderstands R gering gegenüber dem der Glättungsspule L ist
( R≪ L )
b) wenn der Einfluss des Lastwiderstands R den Stromverlauf nennenswert beeinflusst.
( R≫ L )
Stellen sie für die Lösung des Problems eine DGL für ein RL-Glied mit abschnittsweiser
konstanter Spannung für eine Schaltperiode im eingeschwungenen Zustand auf. Beachten
sie, dass T =T aus+T ein beträgt und die Anfangsbedingungen für T aus und T ein jeweils unterschiedlich ausfallen.
7 Versuchsaufgaben
Die aus dem Versuch gewonnenen Erkenntnisse sind zu protokollieren, durch Oszilloskopbilder
bzw. Messwerte/Messreihen zu untermauern und in der Ausarbeitung darzustellen. Stellen Sie, wo
möglich, einen Bezug zu den Vorbereitungsfragen und den darauf gegebenen Antworten her.
Schalten Sie, wenn nicht anders angegeben oder abgesprochen, zwei Halogenlampen zu.
Schalten Sie vor jeder Änderung des Glättungsspulen-Induktivitätswerts den Versuch aus
und bitten Sie den Betreuer um Zustimmung zum Umstecken!
Versuche zur Charakterisierung des Ausgangsverhaltens:
7.1 Bestimmen Sie die zu den LCD-Anzeigen „SF 1“, „SF 2“, „SF 3“ und „SF 4“ zugehörigen
Schaltfrequenzen mit Hilfe des Oszilloskops.
7.2 Bestimmen Sie durch Messung das Steuerverhalten (Mittelwert der Ausgangsspannung als
Funktion des Tastverhältnisses r anhand der Tastverhältnisse 0,25 und 0,75 (Schaltfrequenz
„SF1“) und vergleichen Sie die Ergebnisse mit den Ergebnissen der Vorbereitung. Überprüfen
Sie dieses auf Abhängigkeit vom Laststrom i 2 . Nutzen Sie als Last sowohl zwei als auch sechs
Lampen.
7.3 Bestimmen Sie die Schwankungsbreite des Laststroms als Funktion des Induktivitätswerts bei
a=0,5 und hoher Schaltfrequenz. Überprüfen Sie auf Abhängigkeit vom Laststrom.
7.4 Bestimmen Sie die Schwankungsbreite des Laststroms als Funktion der Schaltfrequenz bei
geringstem Induktivitätswert. Führen Sie Messungen mit den Schaltfrequenzen „SF 1“ bis
„SF 4“ durch. Ermitteln Sie, in wie weit jetzt noch der Mittelwert des Laststroms mit der Mitte
des Schwankungsbereichs übereinstimmt und erklären Sie eventuelle Abweichungen mit den
Erkenntnissen aus der Vorbereitung.
7.5 Vergleichen Sie die Zeitverläufe des Laststroms für die Extremfälle (geringer Induktivitätswert,
niedrigste Schaltfrequenz) / (hoher Induktivitätswert, höchste Schaltfrequenz) für
•
a=0,5 und 4 zugeschaltete Lampen
Berechnen Sie die Zeitkonstante τ=L / R für die beiden Extremfälle mit Hilfe von Bild 2 und
vergleichen Sie die Werte mit der Periodendauer.
7.6 Wählen Sie den größtmöglichen Induktivitätswert und eine kleine Schaltfrequenz, bei der der
Verlauf des Laststroms noch Näherungsweise linear ist. Bestimmen Sie, in wie weit die
Schwankungsbreite von u 1 von der Aussteuerung bzw. dem Laststrommittelwert abhängt.
•
a=0,25 und 2 zugeschaltete Lampen
•
a=0,5 und 4 zugeschaltete Lampen
•
a=0,75 und 6 zugeschaltete Lampen
Versuche zur Charakterisierung der Schaltzelle:
Setzen Sie die Aussteuerung auf 0,5 und stellen Sie Bemessungsstrom ein. Arbeiten Sie mit der
Schaltfrequenz „SF 1“. Oszillographieren und diskutieren Sie die Kommutierungen zwischen den
beiden Leistungshalbleitern und zugehörige Effekte anhand von:
7.7 Spannung u 2 und Diodenstrom iD
7.8 Spannung u 2 und IGBT-Strom i T
7.9 Diodenstrom iD und IGBT-Strom iT
unter Betrachtung von Stromanstiegszeiten, Überspannung und Diodenrückstrom. In diesem
Versuchsteil, der Praxis-Effekte jenseits der im Studium vermittelten Grundfunktionsweisen
aufzeigt, wird der Betreuer Sie bei der Erarbeitung der Lernziele unterstützen.
Versuche zur Charakterisierung des Eingangsverhaltens:
Wählen Sie den höchsten Induktivitätswert und die höchste Schaltfrequenz sowie Bemessungsstrom.
7.10 Wählen Sie eine niedrige Schaltfrequenz. Betrachten Sie die Zeitverläufe des Netzstroms i S und
der Spannung u 1 am Oszilloskop. Führen Sie eine Fast Fourier Transformation (Oszilloskop:
„Measure/Messungen“ → „FFT“) durch. Analysieren sie die Beobachtungen und arbeiten sie
mit Hilfe des Betreuers die Ursachen dafür.
8 Parameter des Versuchsstands
Bemessungsspannung: 230 V / 50 Hz , Bemessungsleistung: 2 kW
Transformator, sekundär: 150 V / 20 A , L σ 2=350 µH , Rk,ges =100 m Ω
C1: 4,7 mF / 350 V
L: 5 mH / 55 m Ω
;
10 mH / 75 m Ω
;
20 mH / 107 m Ω
IGBT: 1200 V / 50 A , r T =20 m Ω , uT0=1,5 V
R: 1 bis 12 Halogenstablampen ( 230 V / 50 Hz / 500 W ), 10 davon zu- und abschaltbar, mit
folgender Strom-Spannungs-Charakteristik (Kaltleiterverhalten)
I /A
2
1
100
200
U /V
Bild 2: Strom-Spannungs-Charakteristik einer Halogenstablampe
Das Kaltleiterverhalten lässt den Strom deutlich langsamer sinken, als dies bei einem linearen
Widerstand der Fall wäre - für die Versuchsdurchführung ein kleiner Vorteil.
Die hochtemperaturfesten Lampen ermöglichen auf Dauer eine Belastung ohne forcierte Kühlung.
9 Literatur
(1)
Skript:
„Grundlagen der Energietechnik“
(2)
Skript:
„Leistungselektronik“
(3)
Buch:
„Mohan / Undeland: Power Electronics“
(4)
IPES-Online-Präsentationen: http://www.ipes.ethz.ch
(5)
Caspoc-Simulationsprogramm: http://www.caspoc.com