Messaufbau zur Messung - antriebstechnik.fh
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Fachhochschule Stralsund Fachbereich Elektrotechnik und Informatik Studienarbeit zum Thema: Messaufbau zur Messung von Strom und Spannung am PULSAR 2002 von Enrico Arndt Frank Müller D-Stralsund, Februar 2001 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis 1 Strom– Spannungsverläufe ..............................................................................2 1.1 Funktionsweise des Pulsar ............................................................................................2 1.2 Stromverlauf..................................................................................................................3 1.3 Spannungsverlauf ..........................................................................................................5 2 Die Messwandler .............................................................................................6 2.1 Der Stromwandler .........................................................................................................6 2.2 Der Spannungswandler .................................................................................................6 2.3 Einführung in den Halleffekt.........................................................................................6 2.4 Aufbau und Wirkungsweise ..........................................................................................7 3 Der Versuchsaufbau.........................................................................................9 4 Vorgehensweise .............................................................................................10 4.1 Sicherheitshinweise.....................................................................................................10 5 Anhang...........................................................................................................11 -I- Abbildungsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Abbildung 1.1: ESB der Pulsar 2002 mit Last ........................................................................2 Abbildung 1.2: Impulsform des Stromes.................................................................................4 Abbildung 1.3: Impulsform der Spannung ..............................................................................5 Abbildung 2.1: Darstellung der elektrischen Parameter beim Halleffekt ...............................7 Abbildung 2.2: Magnetisierungskennlinie ..............................................................................7 Abbildung 2.3: Umwandlung des Primärstromes in eine Ausgangsspannung........................8 Abbildung 3.1: Versuchsstand.................................................................................................9 - II - Abkürzungen Abkürzungen EMV Elektromagnetische Verträglichkeit ESB Ersatzschaltbild pps Pulse pro Sekunde - III - Vorwort Vorwort Die Messung von Ausgangsstrom und Ausgangsspannung am Pulsar hat zwei wichtige Hintergründe. Einmal sollen diese Informationen zur Optimierung der Schallquelle verwendet werden. Zum anderen bieten diese Werte einen Anhaltspunkt für den Nachbau eines solchen Hochspannungsgenerators. Nach Rücksprache mit einem Ingenieur aus dem EMV- Labor haben wir erfahren, dass der für die Störfestigkeitsprüfung und der Prüfung der elektromagnetischen Verträglichkeit von Betriebsmitteln verwendete Stoßspannungsgenerator (Surge Generator) ähnliche Strom- und Spannungsverläufe erzeugt, wie der Pulsar. Die Idee ist nun, den Surge Generator zur Simulation des Pulsar zu verwenden, um die gewählte Messtechnik zu testen und einen Laborversuchsstand zur Messung der Strom- und Spannungsverläufe einzurichten. Dabei werden uns auch die Erfahrungen des Ingenieurs beim Umgang mit dem Surge Generators weiterhelfen. -1- Strom- Spannungsverläufe 1 Strom– Spannungsverläufe 1.1 Funktionsweise des Pulsar Die Energie, die der Pulsar an seine Last abgibt ist in einer Kondensatorbank gespeichert. Diese kann in ihrer Kapazität verändert werden. Es stehen 3 Einstellungen zur Verfügung. Kapazität [µF] Energie [J] 20 150 40 300 60 450 Die gespeicherte Energie bezieht sich auf eine Spannung von 3900V. Weiterhin ist die abgegebene Energie abhängig von der eingestellten Pulsrate. Die maximale Pulsrate des Pulsar 2002 liegt bei 10 pps. Energie [J] max. Pulsrate [pps] 150 14 300 7 450 4,7 Die Kondensatorbank wird über eine Hochspannungsquelle aufgeladen, von der Spannungsquelle getrennt, so dass ein ständiges Nachladen der Kondensatoren verhindert wird und dann durch Schalten von Thyristoren über der Last entladen. Die abgegebene Spannung ist einstellbar zwischen 2500 – 4000V. Abbildung 1.1 zeigt das Ersatzschaltbild des Pulsars und seiner Last. Die Last kann im Fall des Sparkers als eine ohmsche und im Fall des Boomers als eine ohmsch induktive Last (ohmscher Anteil überwiegt) angenommen werden. L C Abbildung 1.1: R ESB der Pulsar 2002 mit Last -2- Strom- Spannungsverläufe 1.2 Stromverlauf Aus der Abbildung 1.1 ist zu erkennen, dass man zur Berechnung des Stromkreises eine Differentialgleichung 2. Ordnung aufstellen muss. Unter verschiedenen Bedingungen erhält man unterschiedliche Lösungen. Zuerst muss die charakteristische Gleichung gelößt werden: λ1/ 2 2 R 1 R =− ± − L⋅C 2⋅L 2⋅L Gl. 1-1 Je nachdem, welchen Wert die Bauelemente haben müssen drei Fälle unterschieden werden: 1. Fall: λ1 ≠ λ2 (reell) i (t ) = K ⋅ e λ ⋅t − K ⋅ e λ ⋅t 1 2 K= mit U ⋅C 1 1 − λ1 Gl. 1-2 λ2 Der maximal fließende Strom berechnet sich für den Zeitpunkt: λ2 ln λ i 1 λ − λ2 1 2. Fall: Gl. 1-3 λ1 = λ2 = λ (reell) i (t ) = K ⋅ t ⋅ e λ ⋅t K = −U ⋅ C ⋅ λ2 mit Gl. 1-4 Der maximal fließende Strom berechnet sich für den Zeitpunkt: − 1 i λ Gl. 1-5 -3- Strom- Spannungsverläufe 3. Fall: λ1/ 2 = α ± j ⋅ ω (komplex) i (t ) = eα ⋅t ⋅ K ⋅ sin (ω ⋅ t ) mit K =− U ⋅C ω ( ⋅ α2 +ω2 ) Gl. 1-6 Der maximal fließende Strom berechnet sich für den Zeitpunkt: ω arctan α i − ω Gl. 1-7 Wie schon im vorherigen Abschnitt erwähnt, gehen wir von davon aus, dass sich die Stromund Spannungsverläufe des Pulsar dem des Surge Generators entsprechen. Demzufolge beziehen sich alle weiteren Betrachtungen auf die Ausgangssignale des Surge Generators. Der Stromverlauf hat einen Kurvenverlauf der dem einer doppelexponential Funktion entspricht. Die entscheidenden Werte für die Auswahl des Strommesswandler sind Stromamplitude und Stirnzeit (Stromanstiegsgeschwindigkeit). Der zu erwartende Stromverlauf ist in Abbildung 1.2 dargestellt. Abbildung 1.2: T1 Stirnzeit T2 Halbwertzeit Impulsform des Stromes -4- Strom- Spannungsverläufe 1.3 Spannungsverlauf Der Spannungsverlauf ist ähnlich dem Verlauf des Stromes Abbildung 1.3: T1 Stirnzeit T2 Halbwertzeit Impulsform der Spannung -5- Messwandler 2 Die Messwandler 2.1 Der Stromwandler Zur Messung des Stromes verwenden wir den Stromwandler HA 500-SU, da wir davon ausgehen, dass der Ausgangsstrom um die 400A liegt. Der Stromwandler basiert auf den Messprinzip des Halleffekt. Die ausführlichen technischen Daten befinden sich im Anhang. 2.2 Der Spannungswandler Der Spannungswandler arbeitet mit dem selben Prinzip wie der Stromwandler. Die Spannung wird dabei in einen proportionalen Strom umgewandelt. Deshalb muss im Ausgangskreis ein Messwiderstand eingebaut werden. Die Berechnung findet nach folgenden Schritten statt. Zuerst wird der primär fließende Strom berechnet. 2.3 Einführung in den Halleffekt Der Halleffekt wurde 1879 von dem amerikanischen Physiker Edwin Herbert Hall an der Hopkins-Universität in Baltimore entdeckt. Der Halleffekt entsteht durch die Lorentz-Kraft, die auf die bewegten elektrischen Ladungsträger im Leiter einwirkt, wenn diese einem senkrecht zur Stromrichtung verlaufenden Magnetfeld ausgesetzt sind. Ein Plättchen aus Halbleitermaterial wird in Längsrichtung von einem Steuerstrom IC durchflossen (Abbildung 2.1). Die magnetische Flussdichte B übt auf die bewegten Ladungsträger, die den Strom bilden, in Querrichtung eine Lorentz-Kraft FL aus. Dadurch ändert sich die Zahl der Ladungsträger an den beiden Rändern des Plättchens und es entsteht eine Potentialdifferenz, die man als Hallspannung VH bezeichnet. -6- Messwandler Abbildung 2.1: Darstellung der elektrischen Parameter beim Halleffekt Für die beschreibende Anordnung mit senkrecht zum Strom verlaufenden Magnetfeld gilt: K VH = ⋅ I C ⋅ B d Gl. 2-1 2.4 Aufbau und Wirkungsweise Die direktabbildenden Stromwandler nutzen den Halleffekt. Die an der Entstehung der Hallspannung beteiligten magnetische Flussdichte B wird den zu messenden Strom IP erzeugt. Den Steuerstrom IC liefert eine Konstantspannungsquelle im Hallgenerator (Abbildung 2.3). Im linearen Bereich des Hysteresezyklus (Abbildung 2.3)ist B proportional zu IP und es gilt: Abbildung 2.2: Magnetisierungskennlinie B Luftspalt = Kons tan te(a ) ⋅ I P Gl. 2-2 -7- Messwandler Abbildung 2.3: Umwandlung des Primärstromes in eine Ausgangsspannung Für die Hallspannung ergibt sich: K V H = ⋅ I C ⋅ Kons tan te(a ) ⋅ I P d Gl. 2-3 Mit Ausnahme von IP sind alle Glieder dieser Gleichung konstant. Daher gilt: VH = Kons tan te(b) ⋅ I P Gl. 2-4 -8- Versuchsaufbau 3 Der Versuchsaufbau Zum Versuchsaufbau gehören folgende Geräte: - Der zu untersuchende Generator (Pulsar 2002) - 1 Stromwandler, 1 Spannungswandler - 1 Stromversorgung ( ± 15V / 100mA) - 1 Oszilloskop (2 Kanäle ) Zu beachten ist, dass der Pulsar nicht mit FI- Schutz betrieben werden kann. Weiterhin ist darauf zu achten, dass: - der Pulsar über den an der Vorderseite des Gerätes befindlichen Anschluss geerdet werden muss. - die für die Messungen verwendeten Messleitungen, müssen in Hochspannungsausführung sein - zum Schutz gegen direktes Berühren an den Messpunkten müssen Abdeckungen vorgesehen werden. (Wenn möglich gegenseitige Verriegelung mit der Energieversorgung) - während des Versuches dürfen keine Änderungen in der Schaltung vorgenommen werden. Pulsar 2002 230V AC Oszilloskop Messwandler Stromversorgung Fernbedienung Last Abbildung 3.1: Versuchsstand -9- Kanal Vorgehensweise 4 Vorgehensweise Als erstes soll die Leistungsfähigkeit der Wandler mit Hilfe des Surge– Generators ermittelt werden. Zu ermitteln sind Anstiegszeiten, Messgenauigkeit und Messbereich. Dieses erfolgt durch den Vergleich der vorhandenen Apparatur im Labor Nachrichtentechnik mit dem Ergebnis den wir durch die Messwandler erhalten haben. Erst durch diesen Vergleich können wir sagen in welchen Bereichen die Messwertes der Wandler mit der erforderlichen Genauigkeit arbeiten. Ist dieses geschehen kann man sich weiterhin noch Gedanken um eine Fehlerkorrektur machen. Dies erfolgt durch einrechnen von Korrekturfaktoren. Sind die Messwandler durchgetestet, kann man mit den Messaufbau (Siehe Abbildung 3.1) begonnen werden. Bei dem Durchmessen des Signals des Pulsar 2002 ist zu beachten, das die zuvor ermittelten Eigenschaften der Wandler beachtet werden. Es sollte nur in dem Messbereich gemessen werden, wo die Wandler eine ausreichende Genauigkeit aufweisen. 4.1 Sicherheitshinweise Spannungswandler dürfen nur mit kleiner Belastung oder im Leerlauf betrieben werden. Beim Überlasten von Spannungswandlern besteht Zerstörungsgefahr. Stromwandler dürfen nur mit belasteter oder kurzgeschlossener Ausgangswicklung arbeiten. Leerlaubetrieb ist verboten. Bei allen Messungen sollte man sich ständig vor Augen halten, das eine niederohmige Spannung von 4000 V zum Tode führt. Deshalb ist die Sicherheitsmaßnahmen zum Schutz gegen direktes Berühren einzuhalten. Dieses geschieht durch Abschranken und Abdecken. - 10 - Anhang 5 Anhang - 11 -
