Energietechnisches Praktikum I Versuch 11 - Home

INSTITUT FÜR HOCHSPANNUNGSTECHNIK
Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Armin Schnettler
Energietechnisches Praktikum I
Versuch 11
Gleichspannungserzeugung und –messung
INSTITUT
FÜR
HOCHSPANNUNGS
TECHNIK
RHEINISCHWESTFÄLISCHE
TECHNISCHE
HOCHSCHULE
AACHEN
1.1 Einleitung
Hohe Gleichspannungen lassen sich am einfachsten mittels Gleichrichtern aus
Wechselspannungen erzeugen. Im Versuch werden vor allem sog. Einweggleichrichter
verwendet. Zur Gleichspannungsmessung stehen ein einfaches Gleichspannungsmessgerät,
ein elektrostatischer Spannungsmesser sowie eine Kugelfunkenstrecke zur Verfügung.
Hohe Gleichspannungen dienen als Prüfspannungen für HGÜ-Komponenten und Kabel
sowie als Versorgungsspannungen für zahlreiche technische Anwendungen, wie z.B.
Bildschirmgeräte,
Röntgengeräte,
Elektronenmikroskope,
Kondensatorladegeräte,
Rauchgasfilter (Elektrofilter), Farbspritzanlagen und Oberflächenbeschichtungsanlagen.
1.2 Theoretische Grundlagen
1.2.1 Erzeugung von Gleichspannungen
Hohe Gleichspannungen werden aus Wechselspannungen durch Gleichrichtung, meist in
Verbindung mit einer Vervielfachungsschaltung gewonnen, da die erforderliche Leistung
gering ist.
Gleichspannungen sind oft von periodischen Funktionen überlagert. DIN VDE 0432 [133]
definiert deshalb als Prüfgleichspannung den arithmetischen Mittelwert.
U = = u (t )
Die Welligkeit wird durch den Überlagerungsfaktor (ripple factor)
du 1 2 × (umax - umin) )
=
U=
U=
beschrieben. Er darf bei Gleichspannungsprüfungen nicht mehr als 5% betragen.
In HGÜ-Netzen wird die Gleichspannung durch mehrpulsige Gleichrichterschaltungen
gewonnen. In Hochspannungsprüffeldern werden nur kleine Leistungen benötigt, deshalb
wird hier die Gleichspannung entweder durch Einweggleichrichterschaltungen oder mit
elektrostatischen Generatoren erzeugt.
1.2.2 Hochspannungsgleichrichter
Als Gleichrichter werden heute überwiegend Thyristoren verwendet. Als Gleichrichter für
Laborschaltungen werden im wesentlichen Reihenschaltungen von Halbleiterdioden oder
Hochvakuumventilen verwendet. Nur für höhere Ströme von mindestens einigen Ampere
kommen für Spannungen bis etwa 10 kV Quecksilberdampf-Stromrichter in Frage.
Hochvakuumventile werden bis zu Scheitelsperrspannungen von 100 kV ausgeführt. Aus
dem allgemeinen Laborbetrieb wurden sie durch die wegen des Fortfalls der
Kathodenheizung bequemer anzuwendenden Halbleiterventile verdrängt.
Im Gegensatz zu Hochvakuumventilen sind Halbleitergleichrichter keine echten Ventile,
da sie auch in Sperrrichtungen einen endlichen Strom führen können. Richtwerte für
Sperrspannungen und Durchlassströme der vorwiegend verwendete Halbleitergleichrichter
sind die in der folgenden Tabelle angegebenen Werte:
Halbleitermaterial:
Selen (Se) Germanium (Ge) Silizium (Si)
Scheitelsperrspannung je Zelle in [V]
30 - 50
Belastbarkeit der Sperrschicht in [A /cm2] 0,1 - 0,5
150 - 300
1000 - 2000
50 - 150
50 - 150
Se-Ventile erfordern gegenüber Si-Ventilen ein größeres Bauvolumen und ergeben einen
schlechteren Wirkungsgrad. Für Laboranlagen werden jedoch meist nur Ströme von
höchstens einigen 100 mA benötigt.
Für solche Anwendungen sind Se-Ventile bestens geeignet, da sie sich wegen hoher
Kapazität der Sperrschicht zu Einheiten mit Scheitelsperrspannungen bis etwa 600 kV
ohne Zusatzkondensatoren zur Spannungssteuerung zusammenschalten lassen.
1.2.3 Gleichrichterschaltungen
Die einfachste Gleichrichterschaltung ist der sog. Einweggleichrichter in Bild 1.
Bild 1 : Einweggleichrichter
Aus einer Wechselspannung werden mittels Kondensator und Ventil die negativen Anteile
„herausgefiltert“, es bleiben die positiven Halbwellen als wellige Gleichspannung. Der
gestrichelt
eingezeichnete
Kondensator
dient
der
Glättung
der
welligen
Ausgangsspannung.
Mehrpolige Gleichrichterschaltungen ermöglichen Gleichspannungen, die höher als der
Scheitelwert der gleichgerichteten Wechselspannung sind. In den Bildern 2 bis 4 werden
die bekanntesten dargestellt.
Bild 2:
Verdopplungsschaltung nach Villard
Bild 3:
Greinacherschaltung
Bild 4: Greinacherkaskade (3-stufig)
1.2.4 Gleichrichterschaltung unter Belastung
Bei einer Einweggleichrichtung mit Glättungskondensator ergibt sich der in Bild 5
gezeigte Spannungsverlauf.
t
Bild 5:
Gleichrichterschaltung unter Belastung
U stellt den zeitlichen Mittelwert der Spannung u(t) dar!
Die Stromflussdauer tv durch das Ventil ergibt sich aus der überlagerten Wechselspannung.
Sie wird um so kleiner, je besser die Spannung geglättet ist. Die Überlagerungen lassen
sich für
tv << T = 1 , DU << U
f
leicht berechnen. Die exponentielle Entladung von C während der Sperrdauer des Ventils
kann in diesem Fall durch einen linearen Verlauf ersetzt werden. Man erhält aus der
Ladungsänderung des Glättungskondensators während der Sperrdauer:
T
D U × C = ò i g ( t ) dt = i ×T
0
DU = ig ×
1
fC
DU lässt sich noch auf andere Arten bestimmen, wie aus Bild 5 zu entnehmen ist:
Bild 5: Graphische Bestimmung von DU
Mit Hilfe des Strahlensatzes lässt sich die Beziehung aufstellen:
T DU
1
=
=
$
t
f × R×C
U
Daraus folgt:
DU =
U$
f × R×C
R ist hier die gesamte ohmsche Belastung der Schaltung, C die Summe aller zur Glättung
beitragenden Kapazitäten. DU kann somit aus den Daten (R, C und f) der Schaltung
bestimmt werden.
Werden durch eine Scheitelwertmessung der überlagerten Wechselspannung positiver und
negativer Scheitelwert ermittelt, so erhält man aus der Summe ebenfalls DU.
Nähert man den Spannungsverlauf durch eine Sägezahnspannung an, so lässt sich der
Effektivwert der überlagerten Wechselspannung wie folgt berechnen:
U weff
1
=
T
T
ò ( f (t )) dt
2
0
T
2
tö
1 æ DU
=
- DU × ÷ dt
ç
ò
T 0è 2
Tø
DU
2
1
T
T
DU
=
2
1
T
é 2t 2 4 t 3 ù
+
êt ú
T
3 T 2 û0
ë
=
æ
t
t2 ö
ç
+
1
4
4
ò çè T T 2 ÷÷ødt
0
T
DU
4
1- 2 +
2
3
DU
=
2× 3
=
U weff
Bei der Auslegung von Schaltungen muss berücksichtigt werden, dass die Ventile vom
idealen Verhalten vor allem durch einen Spannungsabfall bei Stromfluss in
Durchlassrichtung abweichen. Hierdurch ergibt sich eine nichtlineare Abhängigkeit
zwischen dem Gleichstrom ig und der Gleichspannung U , die in Bild 6 dargestellt ist:
Bild 6: Belastungskennlinie
Für ig = 0 folgt aus der Transformatorspannung die ideale Leerlaufspannung U io = Uˆ Z .
Die sich aus einer gradlinigen Verlängerung der Belastungskurve bei großen Strömen
ergebende Leerlaufspannung U0 ist jedoch um einen beinahe Strom unabhängigen Betrag
U zelle je Sperrschicht (für Selen 0,6 V) kleiner. Daher gilt:
_
U io - U 0 = n × U zelle
Als die Güte G eines Gleichrichters definieren wir das Verhältnis:
G=
U0
U io
1.2.5 Elektrostatische Generatoren
In elektrostatischen Generatoren erfolgt eine Bewegung elektrisch geladener Körper
entgegen den auf sie wirkenden elektrostatischen Kräften.
Die häufigste Ausführung eines elektrostatischen Generators ist der 1931 von R. J. van de
Graaff angegebene Bandgenerator. Ein isolierendes Band wird über Rollen angetrieben
und durch eine Erregereinrichtung auf Niederspannungsseite elektrostatisch aufgeladen.
Hierzu wird eine stark inhomogene Elektrodenanordnung verwendet, in der durch
Stoßionisation an Spitzenelektroden gebildete Ladungsträger auf ihrem Weg zur
Gegenelektrode vom Band aufgefangen werden. Eine ähnliche Anordnung auf der
Hochspannungsseite dient zur Entladung des Bandes. Wird auf Hochspannungspotential
eine Erregereinrichtung mit entgegengesetzter Polarität für die abwärts laufende Bandseite
vorgesehen, ergibt sich aus der Ladungstrennung eine Verdoppelung des Stromes.
Bandgeneratoren sind in Drucktankausführungen bereits für Spannungen über 10 MV
ausgeführt worden, wobei Ströme von weniger als 1 mA üblich sind. Anstelle eines
isolierenden Bandes können auch hochisolierende Flüssigkeiten oder staubartige feste
Stoffe als Träger für die elektrischen Ladungen verwendet werden.
Für Spannungen bis zu einigen 100 kV wurden verschiedene Konstruktionen von
elektrostatischen Maschinen mit trommel- oder scheibenförmigen Läufern gebaut. Diese
haben u. a. den Vorteil einer guten Regelbarkeit der Ausgangsspannung auf hohe Konstanz
sowie
einer
kleinen
Eigenkapazität,
wodurch
ein
weitgehend
ungefährliches
Hochspannungsgerät gegeben ist (Felici 1957).
1.2.6 Messung hoher Gleichspannungen
Bei der Messung hoher Gleichspannung besteht, wie auch bei der Messung hoher
Wechselspannung (s. Versuch 1), das Problem, dass die zu messende Spannung nicht
direkt dem Messwerk zugeführt werden darf. Bei Gleichspannung werden deshalb
ohmsche Spannungsteiler verwendet. Ebenso können hohe Gleichspannungen mit
Kugelfunkenstrecken
und
mit
elektrostatischen
Messgeräten
(Starke-Schroeder,
Thomsonsche Spannungswaage) gemessen werden. Bei den beiden letztgenannten
Meßmethoden ist jedoch zu beachten, dass sich bei hoher Gleichspannung Raumladungen
vor den Elektroden ausbilden können. Da beide Meßmethoden „Feldstärkemessungen“
sind, führen die Raumladungen zur Verfälschung des Messergebnisses.
Bild 7: Messung hoher Gleichspannungen nach dem Generatorprinzip
Raumladungen können das Messergebnis ebenfalls verfälschen bei Spannungsmessungen
nach dem Generatorprinzip. An zwei Plattenelektroden ist die Messspannung angelegt.
Zwei vor einer halbkreisförmigen Öffnung rotierende Halbscheiben tauschen ihre an der
Öffnung influenzierten Ladungen aus. Der fließende Strom ist proportional zur angelegten
Messspannung. Der Vorteil dieses Messverfahrens liegt darin, dass die Messung
leistungslos ist.
1.3 Versuchsanleitung
1.3.1 Allgemeines: Vorsicht Hochspannung !!!
Der Versuchsaufbau erfolgt mit Elementen eines „Hochspannungsbaukastens“ und ist
damit problemlos. Versuche mit hoher Gleichspannung erfordern jedoch ganz besondere
Vorsicht. Bei Gleichspannung können durch kapazitive Aufladung nicht geerdete Teile
sehr hohe Spannungen führen, ohne dass die Teile an Hochspannung angeschlossen sind.
Deshalb ist besonders darauf zu achten, dass für den jeweiligen Versuchsaufbau nicht
benötigte kapazitive Bauelemente kurzgeschlossen sind. Auf einwandfreie Erdung der
gesamten Anlage ist zu achten.
Machen Sie sich mit dem Schaltpult und dem Sicherheitssystem der Anlage vor Beginn
des Versuches vertraut. Beim Betreten des Versuchsstandes ist zunächst die aufgebaute
Anlage mit der Erdungsstange zu erden. Grundsätzlich sollten die Versuche nicht in Eile
aufgebaut werden. Wenn Sie schon bei der Vorbereitung die Schaltpläne der
aufzubauenden Anlage studiert haben, so vermeiden Sie Fehler beim Aufbau.
1.3.2 Versuche mit einer Einweg-Gleichrichterschaltung
Aufnahme von Kalibrierkurven für verschiedene Gleichspannungs-Messgeräte nach
Schaltung in Bild 8
1.3.2.1 Aufbau
Bild 8:
Schaltung zur Aufnahme von Kalibrierkurven für verschiedene
Gleichspannungs-Messgeräte
Die Messschaltung nach Bild 8 ist mit folgenden Elementen auszuführen:
CM
Messkapazität mit 100 pF
CS
Stützkondensator mit 6000 pF
RM
Messwiderstand mit 280 MW
Der Unterkondensator zu CM sowie der Unterwiderstand zu RM sind nicht aufzubauen, sie
sind in die jeweiligen Messgeräte eingebaut:
Feststehende Geräte:
PT
Prüftransformator,
zweipolig
isoliert
mit
Mittelanzapfung
der
Hochspannungswicklung, Nennübersetzung 220 V/50-100 kV
GR
Selengleichrichter, Scheitelsperrspannung 140 kV
SM
Scheitelspannungs-Meßgerät mit Unterspannungs-Kondensator
Zu untersuchende Messgeräte:
GM
Gleichspannungsmessgerät für Anschluss an RM
EM
Elektrostatischer Spannungsmesser
KF
Kugelfunkenstrecke, Durchmesser 100 mm
Bei verschiedenen Schlagweiten (s = 5, 10, 15, 20 mm) ist die Wechselspannung langsam
bis zum Durchschlag der KF hochzufahren. Die Werte von U» , U= , UEM, bei denen der
Durchschlag erfolgte, sind aufzuschreiben. Da die Messergebnisse streuen werden, ist
jeder Versuch zweimal zu wiederholen. Die zur eingestellten Schlagweite s zugehörige
Spannung UKF ist der beigefügten Kalibrierkurve zu entnehmen.
1.3.2.2 Ausarbeitung
Graphische Darstellung der Kalibrierkurven
UKF/=/EM = f(U»)
1.3.3 Aufnahme der Belastungskennlinie des Selen-Gleichrichter
1.3.3.1 Aufbau
Bild 9: Schaltung zur Aufnahme der Belastungskennlinie von Selen-Gleichrichter
GR
Selengleichrichter mit einer Zellen-Schleusenspannung US = 0,6 V
ig
Belastungsstrom des Gleichrichters
RB
Belastungswiderstand
(übrige Bezeichnungen siehe 1.2.2.1)
1.3.3.2 Messung und Ausarbeitung
Anhand
zweier
Belastungsfälle
(RB = ¥ / 20 MW)
und
mit
einer
konstanten
Transformatorspannung U» = X sind zu messen:
·
Belastungsspannung U=
·
Belastungsstrom Ig
Die anschließende Ausarbeitung beinhaltet:
1. Graphische Ermittlung der realen Leerlaufspannung U0 durch Extrapolation
der Belastungsgeraden bis Ig = 0
2. Berechnung der Anzahl der eingebauten Zellen je Gleichrichter sowie der
Güte des gesamten Gleichrichters
3. Erklärung
der
Strommessgerät
Funktion
des
Hochspannungsschutzes
für
das
1.3.4 Bestimmung
der
Welligkeit
unterschiedlichen Belastungen
einer
Einweg-Gleichrichtung
bei
1.3.4.1 Aufbau
Bild 10:
Aufbau
Daten der Bauelemente:
CS= 6000 pF
RM= 280 M W
CB= 1200 pF
RB= ¥ / 20 MW
Abzulesende Messgeräte:
A
Amperemeter für Gleichstrom Ig
GM
Gleichspannungs-Messgerät
SM
Scheitelspannungs-Messgerät für Wechselspannungs-Anteile
KO
Kathodenstrahl-Oszillograph für Wechselspannungs-Anteile
1.3.4.2 Messung und Ausarbeitung
Anhand
zweier
Betriebsfälle
(RB= ¥ / 20MW)
und
bei
einem
konstanten
Gleichspannungswert U= = 50 kV sind zu messen:
- die Scheitelwerte der Überlagerungsspannung D U mit SM und KO
- der Gleichstromwert Ig
Beachten
Sie,
dass
(s .Oszillographenbild).
die
Damit
Überlagerungsspannung
ist
die
Stellung
nicht
des
symmetrisch
ist
Polaritätsschalters
am
Scheitelspannungsmessgerät nicht mehr ohne Einfluss. Bei Berücksichtigung des
Funktionsprinzips des SM ( siehe Versuch 1) erkennt man, wie die Messung mit dem SM
durchzuführen ist.
Zur Ausarbeitung:
Berechnung der Welligkeit für RB = ¥ / 20 MW mit Hilfe der DU-Bestimmung
1.
durch Oszillogramm, Scheitelwertablesung, Gleichstrommessung und aus den
Daten des Kreises
2.
Diskussion der berechneten Welligkeitswerte:
a)
Gründe für unterschiedlichen Ergebnisse
b)
Anwendung der einzelnen Bestimmungsmethoden
Erklärung der Messung von DU mit dem Scheitelspannungsgerät bei unsymmetrischer
Überlagerung
1.3.5 Versuchsaufbau einer einstufigen Greinacher-Schaltung
1.3.5.1 Aufnahme der Kennlinie der Greinacher-Schaltung
1.3.5.1.1 Aufbau
Bild 11
Schaltung
Daten der zu verwendenden Bauelemente:
CM
=
100
CS1, Cs,2
=
6000 pF
UT
effektive Transformatorspannung
RM
=
280 M W
UG
reale Greinachspannung
KO
pF
Kathodenstrahloszillograph
V1, V2 Gleichrichter-Ventile
1.3.5.1.2 Messung und Ausarbeitung
Bei unbelasteter Anordnung (nur RM) gemäß Bild 12 und den Transformatorspannungen
UT = 10, 20, 30 kV sind die Gleichspannungen der Greinacher-Verdoppelungsschaltung UG
zu messen.
Zur Ausarbeitung:
1.
Berechnung der theoretischen Greinacherspannung, d. h. unter Voraussetzung
von idealen Bauelementen.
2.
Darstellung der theoretischen (idealen) und der gemessenen (realen)
( )
Greinacherspannung in einem Diagramm U G = f U Teff
1.3.6 Oszillographieren des Einschwingvorganges
1.3.6.1 Einschwingvorgang
Bild 12
Graphische Darstellung des idealisierten Einschwingvorganges
In Bild 12 ist der idealisierte Einschwingvorgang über t =
9
T graphisch dargestellt. Die
4
Gleichspannung steigt dabei in drei Etappen bis 1,625 Û an.
1.3.6.2 Messung und Ausarbeitung
Die Abweichungen des Oszillogramms von Bild 13 sind zu beobachten und zu erklären.
Zur Ausarbeitung:
Beschreiben des Einschwingvorganges in den vier Zeitabschnitten 0 ® t1 ® t2® t3 ® t4
Anhang
1.4 Quellen
Küpfmüller
Einführung in die theoretische Elektrotechnik;
Springer-Verlag
Berlin, Heidelberg, New York, London, Paris, Tokyo, Hong Kong 1990.
Beyer, W. Boeck, K. Möller, W. Zaengl
Hochspannungstechnik
Springer-Verlag; Berlin, Heidelberg 1986.
D. Kind, K. Feser;
Hochspannungsversuchstechnik;
Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft GmbH
Braunschweig, Wiesbaden, 1995.
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