Komplexpraktikum Elektrotechnik II Versuch EE2: Ein- und dreiphasige Strom- und Spannungswandler 9/2012

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1 Praktikum Schutzrechnik Komplexpraktikum Elektrotechnik II Versuch EE2: Ein- und dreiphasige Strom- und Spannungswandler 9/2012 Versuchsteilnehmer: Praktikumsgr.: Abgabetermin: Protokollant: Eingangsdat.: Versuchsleiter: Testat:

2 1 Versuchsziel Kennenlernen der grundlegenden Eigenschaften ein- und dreipoliger Strom- und Spannungswandler Untersuchen des Einflusses der Bürde auf die Messgenauigkeit Kennenlernen verschiedener Schaltungsvarianten dreipoliger Spannungswandler 2 Voraussetzungen Folgende Kenntnisse werden vorausgesetzt: Funktionsweise von ein- und dreipoligen Transformatoren Aufgaben und Einsatzgebiete von Strom- und Spannungswandlern Arten von Strom- und Spannungswandlern wichtige Regeln im Umgang mit Strom- und Spannungswandlern 3 Sicherheitshinweise An Induktivitäten (z.b. Transformatoren und Wandlern) können bei Unterbrechung des Stromes hohe Induktionsspannungen auftreten. Deshalb ist vor jeder Änderung des Versuchsaufbaus stets die Versuchsschaltung vom Netz zu trennen. Auch bei Änderung des Messbereiches ist der Wandler vom Netz zu trennen. 4 Messaufgaben Hinweis: Notieren Sie sich die Werte der Nennbürden der verschieden Wandler. Diese werden für verschiedene Berechnungen während der Versuchsauswertung benötigt. Bei den Versuchen wird einheitlich der Maßstab 1:1000 für Strom und Spannung verwendet. Die Schaltpläne für die Versuche liegen am Versuchsplatz aus. 4.1 Stromwandler Bestimmung des Stromfehlers bei einem Stromübersetzungsverhältnis von 1:1 und einer sekundärseitigen Last von 0 Ω (Kurzschluss) mit einem einphasigen Stromwandler Die Schaltung mit dem einphasigen Stromwandler ist gemäß Abb. 1 aufzubauen. Zur Beachtung: Der Stromwandler darf sekundärseitig niemals offen betrieben werden! Zu Beginn des Versuches ist der Widerstandswert an der ohmschen Last auf 100 % einzustellen. An der sekundärseitigen Last (Bürde) für den Stromwandler ist zunächst 0 % einzustellen. Der Stromwandler ist zunächst so zu schalten, dass sich ein Stromübersetzungsverhältnis von 1:1 ergibt. 2

3 Bei Verwendung der Klemmen beträgt das Nennübersetzungsverhältnis 1:1. Bei Verwendung der Klemmen beträgt das Nennübersetzungsverhältnis 5:1. Steigern Sie die Spannung am Einphasentransformator vom Wert 0V beginnend und stellen Sie damit, bzw. durch Verändern der ohmschen Last nacheinander die Stromwerte I 1 =0,1A bis 1A in Schritten von 0,1A im Primärkreis des Stromwandlers ein. Ermitteln Sie die Funktion: I 2 =f(i 1 ) Tabelle 1 I 1 [A] 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 I 2 [A] Bestimmung des Stromfehlers bei einem Stromübersetzungsverhältnis von 5:1 und einer sekundärseitigen Last von 0 Ω mit einem einphasigen Stromwandler Wiederholen Sie den Versuch mit dem Übersetzungsverhältnis von 5:1! Variieren Sie den Strom auf der Primärseite von 1A bis 5A in Schritten von 0,5A. Ermitteln Sie die Funktion: I 2 =f(i 1 ) I 1 [A] 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 I 2 [A] Tabelle Bestimmung des Stromfehlers bei einem Stromübersetzungsverhältnis von 1:1 und einer sekundärseitigen Belastung mit Nennbürde mit einem einphasigen Stromwandler Die Nennbürde des Wandlers beträgt 5VA, das sind 5Ω bei einem sekundärseitigen Nennstrom von 1A. Stellen Sie den Widerstand der Bürde auf diesen Wert ein. Nutzen Sie dazu das Metra-Hit Digitalmultimeter. Achten Sie darauf, dass ein Stromübersetzungsverhältnis von 1:1 einzustellen ist. Wiederholen Sie Messungen der Aufgabe Ermitteln Sie die Funktion: I 2 =f(i 1 ) Tabelle 3 I 1 [A] 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 I 2 [A] 3

4 4.1.4 Untersuchung des Einflusses der Bürde (des Bürdenwiderstandes) auf den Sekundärstrom (Übersetzungsverhältnis 1:1) Der Einfluss der Bürde auf den Sekundärstrom ist am besten darstellbar, wenn man die Spannung auf der Sekundärseite des Wandlers als Funktion des Bürdenwiderstandes bei konstant gehaltenem Primärstrom aufnimmt. Schalten Sie hierzu ein Spannungsmessgerät an die Klemmen k und l des Stromwandlers. Variieren Sie den Wert des Bürdenwiderstandes vom Wert 0 Ω beginnend bis zum Maximalwert von 56 Ω in Schritten von ca. 5 Ω. Nutzen Sie zur Einstellung der Widerstandswerte das Digitalmultimeter Metra Hit 16S. Im Primärkreis des Wandlers ist dabei ein Strom von 1A einzustellen und durch Nachregeln der Versorgungsspannung oder des Lastwiderstandes konstant zu halten. Tabelle 4 R Bü [%] R Bü [Ω] U 2 [V] I 2 [A] Untersuchung des Verhaltens des Wandlers bei Überstrom (Übersetzungsverhältnis 1:1) Zur Untersuchung des Wandlerverhaltens bei Überstrom ist die Versuchsschaltung gemäß Abb. 2 aufzubauen. Achtung: Vor dem Umstecken der Bürde ist der Stromwandler vom Netz zu Trennen! Zur Beachtung: Benutzen Sie zur Messung des Sekundärstromes das analoge Multimeter A1716! Die Messung des Sekundärstromes I 2 beim Primärstrom I 1 =6A ist zügig durchzuführen, um eine Überlastung des Stelltransformators zu vermeiden. Variieren Sie den Strom I 1 im Primärkreis von 1A bis 6A in Schritten von 1A und messen Sie den dazugehörigen Strom im Sekundärkreis! Nehmen Sie die Funktion I 2 =f(i 1 ) auf! I 1 [A] I 2 [A] Tabelle 5 4

5 4.1.6 Strommessung mit dem Dreiphasen-Stromwandler Zum Kennenlernen der Funktion eines dreiphasigen Stromwandlers ist die Versuchschaltung nach Abb. 3 aufzubauen. Für die Versuchsdurchführung ist am Dreiphasentransformator sekundärseitig 380V Netzspannung zu stecken (Sternpunktbrücken bei ). 3 Messen Sie dreimal stichprobenartig die 3 Leiterströme mit Hilfe des Dreiphasenstromwandlers bei unterschiedlichen Einstellungen der ohmschen Last(80%,50%,20%); sowohl bei angeschlossenem und einmal bei abgetrenntem Neutralleiter. Messungen mit angeschlossenem Neutralleiter Messung 1 Messung 2 Messung 3 I L1 [A] I L2 [A] I L3 [A] Tabelle 6 Messungen mit abgetrenntem Neutralleiter Messung 1 Messung 2 Messung 3 I L1 [A] I L2 [A] I L3 [A] Tabelle 7 Um das Verhalten eines Stromwandlers bei unsymmetrischer Belastung zu untersuchen, wird die Last für den Spannungswandler (Kat.Nr.74515) ohne ihren Vorwiderstand parallel zum Einzelwiderstand der ohmschen Last im Leiter L3 geschaltet. Die ohmsche Last ist dabei auf einen Wert von 30% und der Parallelwiderstand auf 50% einzustellen. Messen Sie wiederum die 3 Leiterströme einmal bei angeschlossenem und einmal bei abgetrenntem Neutralleiter N: 5

6 angeschlossener N abgetrennter N I L1 [A] I L2 [A] I L3 [A] Tabelle 8 Wiederholen Sie die Messungen, nachdem Sie den Leiter L3 sekundärseitig vom Dreiphasentransformator abgetrennt haben: angeschlossener N abgetrennter N Tabelle 9 I L1 [A] I L2 [A] I L3 [A] Messung des Nullstromes mit Hilfe eines dreiphasigen Stromwandlers Ändern Sie zur Messung des Nullstromes bei unterschiedlichen Belastungen die Schaltung gemäß Abb. 4! Für die Versuchsdurchführung ist am Dreiphasentransformator sekundärseitig 380V Netzspannung zu stecken (Sternpunktbrücken bei ). 3 Die ohmsche Last ist so einzustellen, dass ein Strom von ca. 0,8A fließt. Messen Sie den Nullstrom bei symmetrischer und bei unsymmetrischer Last, indem Sie den Leiter L1 der ohmschen Last abklemmen. Messwert bei symmetrischer Last: I 0 = A Messwert bei unsymmetrischer Last: I 0 = A Demonstration des Differentialschutzprinzips eines Summenstromwandlers Für die Versuchsdurchführung ist am Dreiphasentransformator sekundärseitig 380V Netzspannung zu stecken (Sternpunktbrücken bei ). 3 Messen Sie den Summenstrom bei 3 unterschiedlichen Einstellungen der ohmschen Last. 6

7 R Last 30% 50% 70% I Summe A A A Tabelle 10 Ändern Sie die Versuchsschaltung so ab, dass der Außenleiter L 1 der Zuleitung nicht mehr über den Stromwandler geführt wird. Die ohmsche Last ist auf einen Wert von ca. 40% einzustellen. Messen Sie wiederum den Summenstrom. I Summe = A 4.2 Spannungswandler Messung des Übersetzungsverhältnisses eines einphasigen Spannungswandlers bei verschiedenen Primärspannungen und Bürden Die Schaltung mit dem einphasigen Spannungswandler ist gemäß Abb. 6 aufzubauen. Zur Beachtung: Bei der Versuchsdurchführung ist darauf zu achten, dass der Spannungswandler sekundärseitig niemals kurzgeschlossen betrieben werden darf! Zu Beginn des Versuches ist zunächst die Verbindung des Spannungswandlers zu seiner Last zu öffnen. Damit wird für die ersten Messungen der einpolige Spannungswandler sekundärseitig nur durch die hochohmige Bürde des Voltmeters belastet. Erhöhen Sie die Spannung am Einphasentransformator von 20V beginnend in Schritten von 40V bis 220V und ermitteln Sie die Funktionen: U =f(u ) und U =f(u ) U : 20 V 60 V 100 V 140 V 180 V 220 V U : U : Tabelle 11 7

8 4.2.2 Untersuchung der Abhängigkeit des Übersetzungsverhältnisses von der Bürde Für diesen Versuch ist die Last für den Spannungswandler gemäß Abb. 6 zuzuschalten. Am Einphasentransformator ist eine Spannung von 220V einzustellen. Messen Sie die Sekundärspannung des Wandlers an den Klemmen für verschiedene Werte der Bürde! Ermitteln Sie die Funktion: U 2 =f(bürde) Bürde [%] U 2 [V] Tabelle Messungen am dreiphasigen Spannungswandler realisiert durch drei einphasige Wandler mit Hilfswicklung in offener Dreieckschaltung Diese Wandlerschaltung eignet sich besonders dazu, unsymmetrische Betriebsfälle (z.b. Erdschlüsse oder Erdkurzschlüsse) zu erkennen. Bauen Sie die Versuchsschaltung nach Abb. 7 auf! Die gestrichelte Verbindung zwischen dem Außenleiter L 1 und dem Neutralleiter ist noch nicht herzustellen. Nutzen Sie zum Messen der Spannungen die Digitalmultimeter MetraHit 16S! Stecken Sie für die Versuchsdurchführung am Dreiphasentransformator die Spannung U N -10%. Messen Sie die 3 Spannungen der Sekundärwicklungen sowie die Spannung zwischen den Klemmen e und n! U1 U2 U3 Uen Tabelle 13 Zur Simulation eines Erdschlusses in einem IT Netz (Netz mit isoliertem Sternpunkt) ist die Verbindung des Neutralleiters N mit dem Dreiphasentransformator zu entfernen und die gestrichelte Verbindung am Wandler zu stecken. Messen Sie die Spannung an den Klemmen e und n des Wandlers. Uen= V Messungen am dreipoligen Spannungswandler realisiert durch zwei einpolig isolierte Wandler in V Schaltung Ändern Sie die Versuchsschaltung gemäß Abb. 8! Diese Schaltung liefert ein Abbild der drei Leiter-Leiterspannungen und wird nur zu Messzwecken im Falle symmetrischer Belastung eingesetzt. Messen Sie die drei sekundärseitigen Leiterspannungen bei symmetrischer Belastung. U1 U2 U3 Tabelle 14 8

9 Schaffen Sie einen unsymmetrischen Betriebszustand, indem Sie den Außenleiter L 1 zwischen dem Transformator und dem Wandler trennen. Wiederholen Sie die Messung! U1 U2 U3 Tabelle 15 Schließen Sie den Außenleiter L 1 wieder an den Wandler an und trennen Sie den Außenleiter L 2 ab. Wiederholen sie die obige Messung! U1 U2 U3 Tabelle 16 Schließen Sie den Außenleiter L 2 wieder an den Wandler an und trennen Sie den Außenleiter L 3 ab. Wiederholen sie die obige Messung! U1 U2 U3 Tabelle 17 9

10 5 Auswertung Stromwandler zu Berechnen Sie für jedes Paar von Messwerten die zugehörige Strommessabweichung F i! zu Berechnen Sie für jedes Paar von Messwerten die zugehörige Strommessabweichung F i! zu Berechnen Sie für jedes Paar von Messwerten die zugehörige Strommessabweichung F i und vergleichen Sie die gemessenen Werte mit denen der Aufgabe 4.1.1! zu Stellen Sie den Einfluss der Bürde auf den Sekundärstrom in einem Diagramm dar und interpretieren Sie das Ergebnis! zu Berechnen Sie für jedes Paar von Messwerten die zugehörige Strommessabweichung F i! Ermitteln Sie, bei welchem Strom I 1 der Wandler gerade mit seiner Bemessungsbürde belastet wird! zu Interpretieren Sie alle Messwerte! zu Interpretieren Sie die Messwerte! zu Vergleichen Sie die gemessenen Werte! Erklären Sie die Funktionsweise dieser Versuchsschaltung! Wo wird diese Schaltung angewandt? Spannungswandler zu Berechnen Sie für jedes Paar von Messwerten die zugehörige Spannungsmessabweichung F U! zu Berechnen Sie mit Hilfe der Messwerte der Aufgaben und die Scheinleistung S, die die beiden Sekundärwicklungen des Spannungswandlers aufnehmen, wenn die veränderliche Bürde auf minimale 400Ω (0%) eingestellt wird und auf der Primärseite Bemessungsspannung anliegt! Werden die Werte der Bemessungsbürde in einem Fall überschritten? zu Interpretieren Sie die Messwerte! Entsprechen die Messwerte Ihren Erwartungen? zu Interpretieren Sie die Messwerte! Welche Einschränkungen für den Einsatz dieser Wandlerschaltung lassen sich aus den Messergebnissen ableiten? 10

11 6 Kolloquiumsfragen 1. Für welche wesentlichen Aufgaben werden Wandler eingesetzt? 2. Was versteht man unter dem Begriff Bürde eines Wandlers? 3. Was versteht man unter dem Begriff Strommessabweichung und wie ist sie definiert? 4. Welche Angaben müssen auf dem Leistungsschild eines Spannungswandlers vorhanden sein? 5. Nennen Sie drei verschiedene Bauformen von Stromwandlern mit ihren Einsatzgebieten! 7 Verzeichnis verwendeter Formelzeichen F i F U I L1 I L2 I L3 I 1 I 2 I Summe k n R Bü R Last Strommessabweichung Spannungsmessabweichung Effektivwert des Stromes im Leiter L1 Effektivwert des Stromes im Leiter L2 Effektivwert des Stromes im Leiter L3 Effektivwert des Primärstromes Effektivwert des Sekundärstromes Summenstrom Bemessungsübersetzung Bürdenwiderstand Lastwiderstand U Spannung zwischen den Klemmen 1.1 und 1.2 U Spannung zwischen den Klemmen 2.1 und 2.2 U Spannung zwischen den Klemmen 3.1 und 3.2 I 0 Nullstrom U 1 beim einphasigen Strom und Spannungswandler - Primärspannung beim einphasigen Strom und Spannungswandler Sekundärspannung U 2 U 1 U 2 U 3 U en beim dreiphasigen Spannungswandler jeweilige gemessene Spannung laut Messgerätnummerierung beim dreiphasigen Spannungswandler jeweilige gemessene Spannung laut Messgerätnummerierung beim dreiphasigen Spannungswandler jeweilige gemessene Spannung laut Messgerätnummerierung Nullspannung 11

12 8 Literatur [1] Zube, B.: Selektivschutz für elektrische Netze und Anlagen, VDE Verlag, Berlin- Offenbach 1990 [2] Schossig, W.: Netzschutztechnik, Anlagentechnik für elektrische Verteilungsnetze Band 13, VWEW Verlag, Frankfurt am Main 1999 [3] Clemens Rothe: Schutztechnik in Elektroenergiesystemen 3. Auflage, Verlag Technik GmbH, Berlin 1991 [4] Müller Boog: Selektivschutz elektrischer Anlagen 2. Ausgabe, VWEW Verlag, Frankfurt am Main 1990 [5] Doemeland, W.: Handbuch Schutztechnik 5. Auflage, Verlag Technik GmbH, Berlin

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