Umwandlung elektrischer Energie mit Leistungselektronik
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Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München Prof. Dr.-Ing. Ralph Kennel Arcisstraße 21 Email: [email protected] Tel.: +49 (0)89 289–28358 D–80333 München Internet: http://www.eat.ei.tum.de Fax: +49 (0)89 289–28336 Umwandlung elektrischer Energie mit Leistungselektronik Wintersemester 2009/2010 . . . . . . . . . , . . . . . . Uhr, Hörsaal . . . . . . Arbeitszeit: 90 Minuten Name: Vorname: Matrikel-Nr.: Studiengang: Sitzplatz-Nr.: Hiermit bestätige ich, dass ich vor Prüfungsbeginn darüber in Kenntnis gesetzt wurde, dass ich im Falle einer plötzlich während der Prüfung auftretenden Erkrankung das Aufsichtspersonal umgehend informieren muss. Dies wird im Prüfungsprotokoll vermerkt. Danach muss unverzüglich ein Rücktritt von der Prüfung beim zuständigen Prüfungsausschuss beantragt werden. Ein vertrauensärztliches Attest - ausgestellt am Prüfungstag - kann gegebenenfalls innerhalb der nächsten Tage nachgereicht werden. Wird die Prüfung hingegen in Kenntnis der gesundheitlichen Beeinträchtigung dennoch regulär beendet, kann im Nachhinein kein Prüfungsrücktritt aufgrund von Krankheit beantragt werden. München, . . . . . . . . . (Unterschrift) Sollte der für die Lösung vorgesehene Platz nicht ausreichen, benützen Sie bitte jeweils die vorangehende Rückseite der Angabe! Lösungen werden nur auf den Angabenblättern berücksichtigt! INHALTSVERZEICHNIS 2 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung Raumzeiger 3 2 Blockbetrieb 4 3 Sinus-Dreieck- Modulation/Übermodulation 6 4 Raumzeigermodulation 7 5 Netzrückwirkungen- induktive Last 8 Aufgabe Punkte Soll Ist 1 2 3 4 5 Summe DHP Umwandlung elektrischer Energie mit Leistungselektronik WS 2009/2010 Aufgabe 1: 1 Einführung Raumzeiger 3 Einführung Raumzeiger √ Gegeben sind folgende Stranggrößen ia = imax , ib = − 12 imax , ic = − 21 imax und ua = 23 umax , ub = √ 0, uc = − 23 umax . Bei der Spannung und dem Strom handelt es sich um ideal sinusförmige Größen, welche alle diesellbe Amplitude besitzen und um 120◦ zueinander phasenverschoben sind(Drehstromnetz), die Belastung ist symmetrisch 1.1 Berechnen Sie die Raumzeiger für Strom und Spannung und zeichnen Sie diese. 1.2 Welche Besonderheit besitzt der Raumzeiger bei oben genannter Einspeisung in Bezug auf Betrag und Winkelgeschwindigkeit bei fortschreitender Zeit 1.3 Was bedeutet symmetrische“ Belastung in einen Drehstromnetz? ” 1.4 Welche Auswirkungen hat eine unsymmetrische Belastung auf den Strombetrag in Abhängigkeit von der Position des Raumzeigers Hinweise: 2 4 2 is = (ia + ib · ej 3 π + ic · ej 3 π ) 3 2 4 2 us = (ua + ub · ej 3 π + uc · ej 3 π ) 3 e e j 23 π j 34 π = −0, 5 + = −0, 5 − sin(30◦ ) = sin(45 ) = ◦ sin(60 ) = ◦ √ 3 2 √ 3 2 1 2 √ 2 2 √ 3 2 DHP Umwandlung elektrischer Energie mit Leistungselektronik WS 2009/2010 Aufgabe 2: 2 2.1 Blockbetrieb 4 Blockbetrieb Gegeben ist folgender Raumzeiger(roter Zeiger). Zeichnen Sie die dazu passenden Schaltzustände der IGBT’s des Wechselrichters Abbildung 2.1: Raumzeiger 2.2 Welche Vor- und Nachteile ergeben sich im Blockbetrieb im Vergleich zu einem pulsweitenmodulierten Signal. Gegeben sei folgende Schaltung. Abbildung 2.2: Prinzipschaltbild eines Spannungszwischenkreisumrichters 2.3 Berechnen Sie maximale und minimale Spannung für UM 0 . DHP Umwandlung elektrischer Energie mit Leistungselektronik WS 2009/2010 Aufgabe 2: 2.4 Blockbetrieb 5 Ergänzen Sie die Zeichnung um die angegebenen Spannungen. Abbildung 2.3: diverse Spannungen DHP Umwandlung elektrischer Energie mit Leistungselektronik WS 2009/2010 Aufgabe 3: 3 Sinus-Dreieck- Modulation/Übermodulation 6 Sinus-Dreieck- Modulation/Übermodulation 3.1 Erklären Sie wie die Pulsmuster für bei der Sinus-Dreieck- Modulation, bei einer vorgegebenen Sollspannung erzeugt werden. 3.2 Inwiefern wir sich eine Veränderung der Schaltfrequenz auf den Maschinenstrom aus. Welche Vor- und Nachteile entstehen bei Verringerung der Schaltfrequenz(jeweils 2)? 3.3 Durch Aufmodulation einer 3 harmonischen Schwingung kann eine Spannungsgrundwelle mit einem Spitzenwert von 1, 1ud /2 pro Strang erreicht werden. Berechnen Sie den Modulationsindex, für diese Spannung. 3.4 Erklären Sie die Besonderheiten für den Übermodulationsmodus 1 und 2 in bezug auf den Betrag und die Winkelgeschwindigkeit des Raumzeigers. 3.5 Welcher charakteristische Unterschied besteht zwischen linearer und nichtlinearer Modulation? Welche Auswirkungen hat das auf den Maschinenstrom? Hinweise: m= U1 U1,Block = Uef f √ 6ud π DHP Umwandlung elektrischer Energie mit Leistungselektronik WS 2009/2010 Aufgabe 4: 4 Raumzeigermodulation 7 Raumzeigermodulation 4.1 Leiten Sie die resultierenden Schaltzeiten für eine beliebige Sollspannung im dritten Sektor (120◦ -180◦ ) aus der Definition der Schaltzeiten für den ersten Sektor her (Schaltzeiten erster √ √ 3T0 Usoll 3T0 Usoll sin(ϕ) und t1 = sin( π3 − ϕ) . Berechnen sie anschließend die Sektor: t2 = Ud Ud Schaltzeiten für folgenden Raumzeiger usoll = u3d e(j5π/6) . 4.2 Zeichnen Sie ein beliebiges Pulsmuster des Raumzeigers aus der voherigen Aufgabe. Welche Freiheitsgrade besetehen bei der Wahl des Pulsmusters? 4.3 Erläutern Sie den Begriff Flattopmodulation“, nennen Sie einen Vor- und ein Nachteil dieser ” Modulation Hinweise: T0 Usoll = u1 t1 + u2 t2 + u0 t0 DHP Umwandlung elektrischer Energie mit Leistungselektronik WS 2009/2010 Aufgabe 5: 5 Netzrückwirkungen- induktive Last 8 Netzrückwirkungen- induktive Last Gegeben ist folgender Strom und Spannungsverlauf. Die Stromamplitude beträgt 10A und die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung 45◦ bei einer Frequenz von 50Hz. Abbildung 5.1: Blackbox 5.1 Berechnen Sie die Gesamtscheinleistung und die Gesamtblindleistung 5.2 Berechnen Sie die Grundschwingungsblindleistung und die Verzerrungsblindleistung 5.3 Warum verursachen höherharmonische Ströme aussschließlich Blindleistung? 5.4 Zeichnen Sie ein Schaltung, welche prinzipiell ein gleiches Verhalten wie die Eingangsgrößen in dieser Aufgabe aufweist. Hinweise: S = Un In S= q P 2 + Q2 P = Un In,1 cos(ϕ1 ) Q= q Q21 + D2 S1 = Un In,1 b1 = 2Zπ sin (ωt) dωt π 0 DHP Umwandlung elektrischer Energie mit Leistungselektronik WS 2009/2010
