Institut für Leistungselektronik und Elektrische Antriebe Aufgabe 1

Institut für Leistungselektronik
und Elektrische Antriebe
Prof. Dr.-Ing. J. Roth-Stielow
Aufgabe 1
Experimentierplatz für einfache Stromrichterschaltungen
Zu Ausbildungs- und Experimentierzwecken soll eine Stromrichtermodellanlage aufgebaut
werden, die es gestattet, elektrische Energie zwischen einem vorhandenen Drehstromnetz
und einer Bleibatterie in beide Richtungen auszutauschen.
Für die folgenden Untersuchungen kann die Batterie als Ersatzspannungsquelle mit der
inneren Spannung Uq und dem Ohm'schen Innenwiderstand Ri betrachtet werden.
Die Energieumwandlung soll mittels eines Thyristorstromrichters erfolgen, für dessen
Ausführung zwei verschiedene Schaltungen in Betracht zu ziehen sind:
a)
Zweipulsige Mittelpunktschaltung
b)
Dreipulsige Mittelpunktschaltung
Die ideelle Gleichspannung soll so bemessen werden, dass bei voll geladener Batterie und
dem Steuerwinkel α = 0° gerade noch der Nennstrom des Stromrichters in die Batterie
fließen kann.
Zur Umschaltung von Gleich- auf Wechselrichterbetrieb ist ein Polwendeschalter
vorzusehen.
Die Bearbeitung der folgenden Teilaufgaben soll unter den Voraussetzungen der
idealisierten Theorie erfolgen.
Daten des Netzes:
Nennspannung
Nennfrequenz
UL0N
fN
=
=
400 V
050 Hz
Daten der Batterie:
Spannung im entladenen Zustand
Spannung im voll geladenen Zustand
Innenwiderstand
Maximaler Lade- und Entladestrom
Uqmin
Uqmax
Ri
IbN
=
=
=
=
100 V
150 V
200 mΩ
020 A
Daten beider Stromrichter:
Nennstrom
IdN
=
020 A
Übungen Leistungselektronik 2
Aufgabe 1
Blatt 1
1.1
Zeichnen Sie einen Übersichtsschaltplan für beide Schaltungen und tragen Sie die
Strom- und Spannungspfeile ein.
Für die Schaltung b) darf hierbei vereinfachend ein Drehstromtransformator in
Dy-Schaltung vorgesehen werden.
1.2
Berechnen Sie für beide Schaltungen
− den Effektivwert der ventilseitigen Sternspannung Us0 ,
− den Scheitelwert der von den Thyristoren aufzunehmenden Sperrspannung ûAK ,
− die für die Thyristoren zu wählende höchstzulässige periodische Spitzensperrspannung (UDRM, URRM ) bei 1,5- und zweifacher Sicherheit.
1.3
Berechnen Sie den Steuerwinkel α für den Fall, dass die entladene Batterie mit dem
maximal zulässigen Strom aufgeladen wird.
1.4
Zeichnen Sie für den Betriebszustand nach Teilaufgabe 1.3 den zeitlichen Verlauf
− der gleichgerichteten Spannung udiα und
− der Ventilströme iA
für beide Schaltungen in das Lösungsblatt 1 auf Seite 5 ein.
1.5
Berechnen Sie für beide Schaltungen
− die arithmetischen Mittelwerte IA
− die Effektivwerte IAeff
der Ventilströme bei Nennbetrieb.
1.6
Berechnen Sie den Steuerwinkel α für den Fall, dass die Batterie bei Uq = 110 V mit
dem maximal zulässigen Strom entladen wird.
Zeichnen Sie für diesen Fall in das Lösungsblatt 2 auf Seite 6 den zeitlichen Verlauf
der gleichgerichteten Spannung udiα sowie der Spannung uAK1 am Ventil 1 der Schaltung b).
1.7
Wie muss der Steuerwinkel α eingestellt werden, damit weder beim Einschalten der
Anlage noch beim Umschalten von Gleich- auf Wechselrichterbetrieb ein Gleichstrom
Id fließt?
Übungen Leistungselektronik 2
Aufgabe 1
Blatt 2
1.1
Übersichtsschaltpläne
Bild 1-A1
Bild 2-A1
Übungen Leistungselektronik 2
Aufgabe 1
Blatt 3
1.2
Höchstzulässige periodische Spitzensperrspannung
Bild 3-A1
Übungen Leistungselektronik 2
Aufgabe 1
Blatt 4
Lösungsblatt 1 zu Aufgabe 1.4
Bild 4-A1
Übungen Leistungselektronik 2
Aufgabe 1
Blatt 5
Lösungsblatt 2 zu Aufgabe 1.6
Bild 5-A1
Übungen Leistungselektronik 2
Aufgabe 1
Blatt 6
1.7
Umschalten von Gleich- auf Wechselrichterbetrieb
Schalterstellung I:
Bild 6-A1
Bild 8-A1
Übungen Leistungselektronik 2
Schalterstellung II:
Bild 7-A1
Bild 9-A1
Aufgabe 1
Blatt 7