Versuch EL-V2: Hochsetzsteller Inhaltsverzeichnis 1 Lernziele 2 2 Versuchsinhalt 2 3 Einleitung 3 4 Sicherheitshinweise 4 5 Schaltbild und Bedienhinweise 5 6 Vorbereitungsanleitung und Richtlinien für die äußere Form der Ausarbeitung 7 7 Versuchsaufgaben 9 8 Parameter des Versuchsstands 10 9 Literatur 11 EL-V2 - 1 1 Lernziele Hochsetzsteller werden zur verlustarmen Gewinnung einer Ausgangsspannung aus einer EingangsGleichspannung eingesetzt, wobei die Ausgangsspannung einen höheren Wert als die Eingangsspannung ausweist. Aufbauend auf den Kenntnissen aus der Vorlesung „Grundlagen der Energietechnik“ und dem vorher bearbeiteten Versuch EL-V1 „Tiefsetzsteller“ und unter Einbeziehung von Lehrmaterialien der Vorlesung „Leistungselektronik“ vertiefen die Studierenden ihr Verständnis für diese leistungselektronische Grundschaltung. Sie wenden theoretische Kenntnisse an, um die grundlegenden Eigenschaften der Versuchsschaltung einschließlich der wichtigsten Zeitverläufe mit Hilfe von Modellrechnungen vorherzusagen. Diese Vorhersagen werden im Versuch mit gemessenen Werten und Zeitverläufen verglichen. Durch diese Diskussion lernen die Studierenden Grenzen bisher erarbeiteter Modelle kennen und erweitern diese, um die gemessenen Zeitverläufe erklären zu können. Erklärungen für Abweichungen werden in Gruppenarbeit und mit Unterstützung des Versuchsbetreuers erarbeitet. Es kommt das gleiche moderne Digitalspeicher-Oszilloskop zum Einsatz, das schon im Versuch EL-V1 „Tiefsetzsteller“ verwendet wurde. Energieversorgung und Schaltzelle sind prinzipiell identisch mit den im Versuch EL-V1 verwendeten Komponenten, allerdings werden in der Schaltzelle andere Schaltelemente betätigt und die Ströme werden teilweise durch andere Methoden gemessen. Die Einarbeitungszeit verringert sich, Kenntnisse werden gefestigt und durch Analyse von Ähnlichkeiten und Unterschieden zum Versuch EL-V1 vertieft. Das schrittweise Herangehen auf Basis des in Versuch EL-V1 erworbenen Wissens ermöglicht eine eigenverantwortliche Vorbereitung des Versuchs auch dann, wenn die Schaltung selbst in der parallel zum Praktikum laufenden Lehrveranstaltung noch nicht behandelt wurde. Die Studierenden erlangen Verständnis dafür, wie elektrische Energie von einer niedrigen zu einer hohen Spannung transportiert werden kann und der Strom gezwungen wird, gegen die „natürliche“ Flussrichtung zu fließen und wo die technischen Grenzen dieses theoretisch bis zu unendlichen Spannungen anwendbaren Prinzips liegen. Durch Verfassen einer Ausarbeitung erlernen die Studierenden die präzise Darstellung technisch-wissenschaftlicher Sachverhalte einschließlich der exakten Dokumentation eines Versuchs. 2 Versuchsinhalt Die Studierenden verändern die Werte von Schaltfrequenz, Glättungsspule sowie ohmscher Last, um charakteristische Betriebszustände einzustellen. Kennwerte der Schaltung werden als Funktion charakteristischer Größen aufgetragen und Vorhersagen mit der Theorie verglichen. Gleiches erfolgt für charakteristische Zeitverläufe. Diese werden mit Hilfe eines Digitalspeicher-Oszilloskops aufgezeichnet und direkt als Bild auf einem „USB-Stick“ gespeichert. Sie können damit auf einfache Weise in die Ausarbeitung übernommen werden. Kenngrößen, wie Scheitelwert, Mittelwert und Effektivwert, werden ebenfalls mit Hilfe des Digitalspeicher-Oszilloskops ermittelt. Der Versuchsaufbau vermittelt einen Eindruck von der Größe der für zwei Kilowatt Leistung bei 50 Hertz Netzfrequenz erforderlichen Komponenten. Während im vorher durchgeführten Versuch EL-V1 „Tiefsetzsteller“ die Schaltzelle und ihr niederinduktiver Aufbau im Vordergrund standen, liegt hier der Schwerpunkt auf dem Verständnis für das Funktionsprinzip des Hochsetzstellers. Dieses ist erfahrungsgemäß für die Studierenden wesentlich schwieriger zu durchschauen als das des Tiefsetzstellers, weil der Strom gezwungen wird, gegen seine „natürliche“ Flussrichtung zu EL-V2 - 2 fließen – wobei naturgemäß keine physikalischen Gesetze verletzt werden können. Der Versuchsinhalt ist so ausgerichtet, dass eine Vorbereitung des Versuchs auch dann ohne übermäßigen Aufwand möglich ist, wenn das Funktionsprinzip der Schaltung noch nicht in einer Vorlesung behandelt wurde. 3 Einleitung Bei Wechselspannung werden Transformatoren zur effizienten Anpassung des Spannungsniveaus an die jeweilige Anwendung eingesetzt. In der Regel dienen sie auch der Potentialtrennung und erhöhten somit die Sicherheit. Transformatoren sind robust, aber auch – je nach Spannungsebene und Betriebsfrequenz – groß und schwer. Das Übersetzungsverhältnis ist normalerweise nicht veränderbar, die Ausgangsspannung daher nicht einstellbar. Hochsetzsteller werden zur verlustarmen Gewinnung einer Ausgangsspannung aus einer Eingangs-Gleichspannung (in Sonderfällen auch einer Eingangs-Wechselspannung) eingesetzt, wobei die Ausgangsspannung einen höheren Wert als die Eingangsspannung ausweist. Die im Versuch verwendete einfachste Schaltung bietet keine Potentialtrennung, durch Modifikation der Schaltung könnte jedoch ein kleiner und leichter Transformator im hochfrequenten Teil der Schaltung für eine Potentialtrennung sorgen, wenn diese aus Sicherheitsgründen notwendig ist. Die Erhöhung der Spannung erfolgt durch einen Schaltvorgang, der entweder die Eingangsspannung oder die Differenz aus Eingangs- und Ausgangsspannung an eine Glättungsspule legt. Grundprinzip (unbedingt nachvollziehen! Schaltbild siehe Bild1): Der Strom in einer Spule ist stetig, er ergibt sich als Integral der Spannung an der Spule. Umgekehrt ergibt sich die Spannung an der Spule u L aus der Ableitung des Stroms: uL = L ⋅ di dt Wird der IGBT zwischen Glättungsspule und Masse eingeschaltet (= Schalter geschlossen), steigt der Strom in der Glättungsspule, getrieben durch die (als konstant anzunehmende) Eingangsspannung u1 , linear an ( u L = u1 > 0 ). Es wird Energie in der Spule gespeichert. In dieser Zeit fließt kein Strom zur Lastseite. Wird der Schalter geöffnet (Schalter offen = IGBT sperrt) muss der Strom in jedem Fall weiter fließen. Er ist stetig! Er kann nur über die Diode zur Lastseite fließen – egal wie hoch die Ausgangsspannung (die Lastspannung) ist. Dabei wird Energie aus der Spule zur Lastseite übertragen und im dortigen Kondensator zwischengespeichert, um die Last weiter zu versorgen, wenn der Strom in der Spule bei wieder geschlossenen Schalter im nächsten Schaltzyklus wieder aufgebaut wird und kein Strom zur Lastseite fließt. Bei geöffnetem Schalter nimmt der Strom in der Spule in guter Näherung linear ab, denn an der Glättungsdrossel liegt die Differenz aus Eingangs- und Ausgangsspannung an ( u L = u1 − u 2 < 0 ), wobei die Ausgangsspannung in der Regel gut geglättet ist und ebenfalls als konstant angenommen werden kann. Je höher die Ausgangsspannung ist, umso schneller nimmt der Spulenstrom ab. Die Ausgangsspannung stellt sich als Mittelwert über eine Pulsperiode T ein. Der Wert der Ausgangsspannung liegt immer oberhalb des Wertes der Eingangs-Gleichspannung, der maximal erreichbare Wert hängt von den Eigenschaften der gewählten Bauelemente und dem Verhalten der angeschlossenen Last ab – bei EL-V2 - 3 Vernachlässigung der Last und der Bauelementeigenschaften wäre eine unendlich hohe Ausgangsspannung möglich. Die Ausgangsspannung könnte, wie beim Tiefsetzsteller, langsam verändert werden. In der Praxis wird sie jedoch meist lediglich konstant gehalten, vor allem weil Werte unterhalb der Eingangs-Gleichspannung nicht einstellbar sind. Dies ist in den meisten technischen Anwendungen nicht zielführend. Für eine zeitliche Veränderung der Ausgangsspannung, beispielsweise sinusförmig, wird in der Regel ein Wechselrichter nachgeschaltet. Ein Anwendungsbeispiel ist die Erzeugung einer 230 V / 50 Hz Wechselspannung aus der 12 V (oder 24 V) Gleichspannung in einem Kraftfahrzeug oder LKW mittels einer Kombination aus Hochsetzsteller und Wechselrichter. Der Zündfunke bei Ottomotoren wird übrigens auch durch die Nutzung des HochsetzstellerPrinzips (allerdings ohne Ausgangs-Glättungskondensator) generiert. Das Tastverhältnis bzw. die Aussteuerung kann im Betrieb verstellt werden. Damit kann der Hochsetzsteller als Stellglied hoher Verstärkung und sehr guten Wirkungsgrads in einer Regelstrecke eingesetzt werden. Das Haupteinsatzgebiet des Hochsetzstellers ist die geregelte oder gesteuerte Bereitstellung einer Ausgangs-Gleichspannung. 4 Sicherheitshinweise Alle in der Sicherheitsbelehrung gegebenen Vorschriften, Anweisungen und Hinweise sind strikt zu befolgen. Dieser Versuch verwendet hohe Gleichspannungen und –ströme. Wie in der Sicherheitsbelehrung erläutert sind einige Gefahren bei Gleichspannungen und –strömen größer als bei Wechselspannungen. Dies liegt daran, dass ein Gleichstromlichtbogen schwerer zu löschen ist als ein Wechselstromlichtbogen, weil die Ionisation der Luft im Plasmakanal des Lichtbogens ständig aufrecht erhalten wird. Beim Wechselstromlichtbogen nimmt diese Ionisation um den Nulldurchgang des Lichtbogenstroms deutlich ab, so dass bei Wiederanstieg der Spannung die Wahrscheinlichkeit einer Neuzündung des Lichtbogens geringer ist. Aus diesem Grund sind auch für Gleichstrom geeignete Schalter und Schütze grundsätzlich aufwändiger (Funkenlöschung) als für Wechselstrom ausgelegte Schaltelemente. Es ist auf jeden Fall zu vermeiden, durch Trennen des Stromkreises während des Versuchsbetriebs einen Lichtbogen hervorzurufen. Eine Trennung des Stromkreises bei ausgeschaltetem Versuchsstand ist unvermeidbar um die im Versuch verwendete Spule auf verschiedene Werte einzustellen. Dies darf nur in Absprache mit und nach Freigabe durch den Betreuer erfolgen. Vorsicht: Sobald der Versuch eingeschaltet wird liegt die Eingangsspannung über die Diode des Hochsetzstellers sofort am Ausgang an, auch ohne Freigabe des IGBT – je nach Tastverhältnis wird sie lediglich größer! EL-V2 - 4 5 Schaltbild und Bedienhinweise Grundlage des Versuchs ist ein Hochsetzsteller mit einer projektierten Leistung von 2 kW, der einphasig aus dem 230V / 50 Hz Wechselspannungsnetz gespeist wird. Die netzseitige Diodenbrücke ist aus dem Versuch EL-V1 „Tiefsetzsteller“ bekannt. Die Ausgangsspannung kann in kleinen Stufen zwischen der Eingangs-Gleichspannung und 200 V verstellt werden, der maximale Dauer-Laststrom beträgt 10 A. Die Schaltfrequenz kann auf mehrere Werte eingestellt werden. Als Last dient ein veränderlicher Widerstand, der ebenfalls aus dem Versuch EL-V1 „Tiefsetzsteller“ bekannt ist. Er ist mit per Schalter zuschaltbaren Halogenlampen realisiert. Die Schaltung wird durch einen Mikrokontroller (ATMega 16) gesteuert, der den Betriebszustand und einige Messwerte auf einem LCD anzeigt. Dieser kann über einen Reset-Taster in den Grundzustand versetzt werde, der aber nur nach Rücksprache mit dem Betreuer verwendet werden darf. Während des Versuchs werden die Werte von Schaltfrequenz, Glättungsspule und Tastverhältnis (und damit Aussteuerung) sowie Lastwiderstand verstellt. Im Falle der Glättungsspule erfolgt dies durch Umstecken eines Steckers im ausgeschalteten Zustand nach Freigabe durch den Betreuer (siehe Sicherheitshinweise). Bild 1 zeigt das Schaltbild des Versuchsaufbaus einschließlich der Bedienelemente so, wie Sie es auch am Versuchsstand vorfinden. Machen Sie sich zunächst mit dem Schaltbild vertraut und vergleichen Sie dieses mit dem entsprechenden Bild im Skript zur Vorlesung „Leistungselektronik“. Der Energiefluss geht von „links nach rechts“ (Niederspannung auf der „linken“ Seite). Beachten Sie bitte, dass im Skript zur Vorlesung „Leistungselektronik“ im Schaltbild des Hochsetzstellers der Energiefluss „von rechts nach links“ geht (Niederspannung auf der „rechten“ Seite, Definition der Stromrichtung geändert)! Die Gründe für diese Darstellung werden im Praktikum erörtert. Vollziehen Sie nach, welche Größen während des Versuchs gemessen werden können. Sie benötigen zunächst nur ein Grundverständnis der Schaltung, um die Funktion der Bedienelemente nachvollziehen zu können. Vorschläge für eine detaillierte Versuchsvorbereitung werden im nächsten Unterkapitel gegeben. Die Bedienelemente und die Messmöglichkeiten entsprechen denen im Versuch EL-V1 „Tiefsetzsteller“. Denken Sie bitte an einen USB Stick , Speicherkapazität ≤ 2GB, zur Speicherung der Zeitverläufe. Notfalls steht ein Lehrstuhl-USB-Stick zur Verfügung. EL-V2 - 5 Bild 1: Schaltbild und Bedienelemente des Versuchs „Hochsetzsteller“ EL-V2 - 6 6 Vorbereitungsanleitung und Richtlinien für die äußere Form der Ausarbeitung Die in der Literatur genannten Vorlesungen enthalten das gesamte für die Vorbereitung dieses Versuchs notwendige Wissen. Ergänzend kann natürlich auch auf die im Literaturverzeichnis angegebene Sekundärliteratur zurückgegriffen werden. Hier wird besonders auf die interaktiven IPES-Schaltbilder hingewiesen, die das Verständnis fördern können. Für besonders Interessierte steht auch das CASPOC-Simulationsprogramm am Lehrstuhl und auf der CIP-Insel zur Verfügung. Dabei ist auf die jeweils verwendete Nomenklatur zu achten. Hinweise für eine sinnvolle Vorbereitung ergeben sich aus den oben beschriebenen Lernzielen und Versuchsinhalten sowie dem Inhalt der genannten Vorlesungsskripte. Die folgenden Fragen müssen vor dem Versuch durchgearbeitet und beantwortet werden, eine korrekte (kurz gefasste) Antwort einschließlich Handskizzen (die gescannt werden dürfen) der Zeitverläufe ist der Ausarbeitung in schriftlicher Form voranzustellen. Ziel ist zum einen die im Ingenieurwissenschaftlichen Bereich wichtige Kommunikation mit Hilfe von Skizzen zu üben, zum anderen wird so verhindert, dass digital erstellte Zeitverläufe von Jahr zu Jahr bzw. Gruppe zu Gruppe weitergereicht werden. Sollten wir Kopien bereits eingereichter Zeitverläufe feststellen oder größere übereinstimmende Textpassagen finden, führt dies zu sofortiger Nicht-Testierung des Versuchs. Gruppenarbeit bei der Vorbereitung ist selbstverständlich erwünscht, ebenso wie bei der anschließenden Auswertung. Jeder Studierende muss jedoch eigene Skizzen vorlegen und die Sachverhalte mit seinen eigenen Worten beschreiben (verwenden Sie gerne eine Textverarbeitung, wir akzeptieren auch gut lesbare Handschrift), um Skizzen und Formulierungen zu üben. Nochmals: Identische Skizzen und Textpassagen (auch aus Ausarbeitungen früherer Jahre oder Skripten bzw. Bücher) werden nicht akzeptiert – formulieren Sie selbst! Achten Sie bitte bei den Skizzen auf korrekte Beschriftung der Achsen, verwenden Sie die Größen und Zählpfeilrichtungen wie im Schaltbild (Bild 1) angegeben. Ein Kolloquium vor dem Versuch überprüft, ob Sie ausreichend vorbereitet sind und hebt die teilnehmenden Studierenden auf einen ähnlichen Wissensstand. Dabei wird berücksichtigt, dass die Schaltung – je nach Versuchstermin – noch nicht in einer Vorlesung behandelt wurde. Sie müssen keine perfekten Antworten parat haben – aber eine gründliche Vorbereitung erkennen lassen, da wir Sie sonst von der weiteren Teilnahme am Versuch ausschließen, weil Sie die angestrebten Lernziele nicht erreichen können und Ihre Sicherheit, die Ihrer Mitstudierenden und auch die des Versuchsstands gefährden könnten. Fragen zum Ausgangsverhalten: 6.1 Geben Sie den Zusammenhang zwischen Tastverhältnis r und Aussteuerung a als Gleichung an und arbeiten Sie den Unterschied im Vergleich zum Tiefsetzsteller heraus. Wie hängt der Mittelwert der Ausgangsspannung von der Aussteuerung ab? 6.2 Geben Sie die Grundgleichung für eine Spule in differentieller und integraler Form an. Beschreiben Sie die Eigenschaften einer Spule anschaulich unter Verwendung der Begriffe Spannung, Strom, Magnetfeld, Energie. 6.3 Erklären Sie die Wertepaare von Induktivität und Widerstand für die Spule: Warum ändert sich der Widerstandswert bei verdoppeltem Induktivitätswert so, wie angegeben? EL-V2 - 7 6.4 Skizzieren Sie den Verlauf der Spannung uT, der Spulenspannung und des Spulenstroms für zwei Perioden. Erläutern Sie, was sich bei einer Verdoppelung des Induktivitätswertes ändert. Machen Sie sich dazu anhand von Skizzen mit den Zeitverläufen der wesentlichen Größen vertraut. 6.5 Begründen Sie, warum das Tastverhältnis nach oben hin beschränkt sein muss (im Versuch auf Werte zwischen 0 und 0,75). Was passiert bei einem Wert nahe 1? 6.6 Geben Sie die Definition des Wirkungsgrads an und erläutern Sie, wie der Wirkungsgrad aus Ausgangsleistung und Verlusten bestimmt werden kann. Überlegen Sie, warum bei begrenzter Messgenauigkeit und hohem Wirkungsgrad eine direkte Bestimmung des Wirkungsgrads nicht sinnvoll ist. Fragen zur Schaltzelle: 6.7 Beschreiben Sie mit wenigen Worten und erläuternden Skizzen, wo während des Schaltens eine Kommutierung stattfindet und welche Bauelemente und Strompfade betroffen sind. Hinweis: Für eine schnelle und bauteilschonende Kommutierung ist ein niederinduktiver Aufbau erforderlich. Details werden während des Versuchs mit Unterstützung des Betreuers erarbeitet, Sie benötigen dazu allerdings ein Grundverständnis des Vorgangs. EL-V2 - 8 7 Versuchsaufgaben Die Versuchsaufgaben dienen als Anregung. In Abstimmung mit dem Versuchsbetreuer sind Abwandlungen (und aus Zeitgründen auch Auslassungen) möglich. Ziel der Messungen ist es, Übereinstimmungen und Abweichungen zur Theorie aufzuzeigen. Die gewonnenen Erkenntnisse sind zu protokollieren, durch Oszilloskopbilder bzw. Messwerte/Messreihen zu untermauern und in der Ausarbeitung darzustellen. Dazu ist es unerlässlich, die jeweils gemessenen Größen und eventuelle Umrechnungsfaktoren bei der Messung zu dokumentieren und diese Informationen auch in die Ausarbeitung zu übernehmen. Stellen Sie in der Ausarbeitung, wo möglich, einen Bezug zu den Vorbereitungsfragen und den darauf gegebenen Antworten her. Halten Sie, wenn nicht anders angegeben oder abgesprochen, den Ausgangsstrom in der Nähe des Bemessungsstroms von 10 A. Schalten Sie vor jeder Änderung des Induktivitätswerts den Versuch aus und bitten Sie den Betreuer um Zustimmung zum Umstecken! Versuche zur Charakterisierung des Ausgangsverhaltens: 7.1 Bestimmen Sie durch Messung das Steuerverhalten (Mittelwert der Ausgangsspannung als Funktion des Tastverhältnisses) bei größtem Induktivitätswert und höchster Schaltfrequenz. 7.2 Bestimmen Sie die Schwankungsbreite des Eingangsstroms als Funktion des Induktivitätswerts bei a = 0.5 und höchster Schaltfrequenz. 7.3 Bestimmen Sie die Schwankungsbreite des Eingangsstroms als Funktion der Schaltfrequenz bei geringstem Induktivitätswert. 7.4 Vergleichen Sie die Zeitverläufe des Eingangsstroms für die Extremfälle (geringer Induktivitätswert, niedrigste Schaltfrequenz)/(höchster Induktivitätswert, höchste Schaltfrequenz). Verwenden Sie dazu die Oszillogramme aus den Unterpunkten 7.2 und 7.3. 7.5 Bestimmen Sie die Durchlassverluste des IGBT bei a = 0.5. Welche zusätzlichen Verluste treten beim Schalten auf? 7.6 Stellen Sie bewusst Lückbetrieb ein. Bedenken Sie, dass dann die feste Kopplung der Aussteuerung a an das Tastverhältnis r nicht mehr gegeben ist. Erklären Sie die dann auftretenden Strom- und Spannungsverläufe. Wie wird in diesem Fall Energie von der Seite mit niedriger Spannung zu der Seite mit hoher Spannung transportiert? Wie muss sich der Spulenstromscheitelwert ändern, wenn der Laststrommittelwert vergrößert wird? Versuche zur Charakterisierung der Schaltzelle: Setzen Sie das Tastverhältnis auf 0,5 und stellen Sie Bemessungsstrom ein. Oszillographieren und diskutieren Sie die Kommutierung und zugehörige Effekte anhand von: 7.7 Spannung uT und Diodenstrom iD 7.8 Spannung uT und IGBT-Strom iT 7.9 Diodenstrom iD und IGBT-Strom iT EL-V2 - 9 unter Betrachtung von Strom- und Spannungsanstiegszeiten, 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. Die erzielbaren Erkenntnisse sind unter anderem von der eingesetzten Messtechnik abhängig. 8 Parameter des Versuchsstands Bemessungsspannung: 230 V / 50 Hz, Bemessungsleistung 2 kW Sekundärspannung: 39 V / 77 A, Lσ2 = 35 µH, Rk,ges = 7 mΩ C1: 22 mF / 100 V C2: 4,7 mF / 350 V L: 0,5 mH / 7,5 mΩ; 1 mH / 10,5 mΩ IGBT: 1200 V / 50 A, rT = 20 mΩ, uT0=1,5 V R: 7 bis 20 Halogenstablampen (230 V/ 50 Hz / 500 W), 13 davon zu- und abschaltbar, mit folgender Strom-Spannungs-Charakteristik (Kaltleiterverhalten) I /A 2 1 100 200 Bild 2: Strom-Spannungs-Charakteristik einer Halogenstablampe EL-V2 - 10 U /V 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 Skript „Grundlagen der Energietechnik“ Skript „Leistungselektronik“ Buch „Mohan / Undeland: Power Electronics“ IPES-Online-Präsentationen: http://www.ipes.ethz.ch Caspoc-Simulationsprogramm: http://www.caspoc.com EL-V2 - 11