Energietechnisches Praktikum I Versuch 11

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1 INSI FÜR HOCHSPANNNGSECHNIK Rheinisch-Wesfälische echnische Hochschule Aachen niv.-prof. Dr.-Ing. Armin Schneler INSI FÜR HOCHSPANNNGS ECHNIK RHEINISCH- WESFÄLISCHE ECHNISCHE HOCHSCHLE AACHEN Energieechnisches Prakikum I Versuch Gleichspannungserzeugung und messung

2 . Einleiung Hohe Gleichspannungen lassen sich am einfachsen miels Gleichrichern aus Wechselspannungen erzeugen. Im Versuch werden vor allem sog. Einweggleichricher verwende. Zur Gleichspannungsmessung sehen ein einfaches Gleichspannungsmessgerä, ein elekrosaischer Spannungsmesser sowie eine Kugelfunkensrecke zur Verfügung. Hohe Gleichspannungen dienen als Prüfspannungen für HGÜ-Komponenen und Kabel sowie als Versorgungsspannungen für zahlreiche echnische Anwendungen, wie z.b. Bildschirmgeräe, Röngengeräe, Elekronenmikroskope, Kondensaorladegeräe, Rauchgasfiler (Elekrofiler), Farbsprizanlagen und Oberflächenbeschichungsanlagen.. heoreische Grundlagen.. Erzeugung von Gleichspannungen Hohe Gleichspannungen werden aus Wechselspannungen durch Gleichrichung, meis in Verbindung mi einer Vervielfachungsschalung gewonnen, da die erforderliche Leisung gering is. Gleichspannungen sind of von periodischen Funkionen überlager. DIN VDE 043 [33] definier deshalb als Prüfgleichspannung den arihmeischen Mielwer. u() Die Welligkei wird durch den Überlagerungsfakor (ripple facor) u u max u min) beschrieben. Er darf bei Gleichspannungsprüfungen nich mehr als 5% beragen. In HGÜ-Nezen wird die Gleichspannung durch mehrpulsige Gleichricherschalungen gewonnen. In Hochspannungsprüffeldern werden nur kleine Leisungen benöig, deshalb wird hier die Gleichspannung enweder durch Einweggleichricherschalungen oder mi elekrosaischen Generaoren erzeug.

3 .. Hochspannungsgleichricher Als Gleichricher werden heue überwiegend hyrisoren verwende. Als Gleichricher für Laborschalungen werden im wesenlichen Reihenschalungen von Halbleierdioden oder Hochvakuumvenilen verwende. Nur für höhere Sröme von mindesens einigen Ampere kommen für Spannungen bis ewa 0 kv Quecksilberdampf-Sromricher in Frage. Hochvakuumvenile werden bis zu Scheielsperrspannungen von 00 kv ausgeführ. Aus dem allgemeinen Laborberieb wurden sie durch die wegen des Forfalls der Kahodenheizung bequemer anzuwendenden Halbleiervenile verdräng. Im Gegensaz zu Hochvakuumvenilen sind Halbleiergleichricher keine echen Venile, da sie auch in Sperrrichungen einen endlichen Srom führen können. Richwere für Sperrspannungen und Durchlasssröme der vorwiegend verwendee Halbleiergleichricher sind die in der folgenden abelle angegebenen Were: Halbleiermaerial: Selen (Se) Germanium (Ge) Silizium (Si) Scheielsperrspannung je Zelle in [V] Belasbarkei der Sperrschich in [A /cm ] 0, - 0, Se-Venile erfordern gegenüber Si-Venilen ein größeres Bauvolumen und ergeben einen schlecheren Wirkungsgrad. Für Laboranlagen werden jedoch meis nur Sröme von höchsens einigen 00 ma benöig. Für solche Anwendungen sind Se-Venile besens geeigne, da sie sich wegen hoher Kapaziä der Sperrschich zu Einheien mi Scheielsperrspannungen bis ewa 600 kv ohne Zusazkondensaoren zur Spannungsseuerung zusammenschalen lassen...3 Gleichricherschalungen Die einfachse Gleichricherschalung is der sog. Einweggleichricher in Bild. Bild : Einweggleichricher

4 Aus einer Wechselspannung werden miels Kondensaor und Venil die negaiven Aneile herausgefiler, es bleiben die posiiven Halbwellen als wellige Gleichspannung. Der gesrichel eingezeichnee Kondensaor dien der Gläung der welligen Ausgangsspannung. Mehrpolige Gleichricherschalungen ermöglichen Gleichspannungen, die höher als der Scheielwer der gleichgericheen Wechselspannung sind. In den Bildern bis 4 werden die bekannesen dargesell. Bild : Verdopplungsschalung nach Villard Bild 3: Greinacherschalung Bild 4: Greinacherkaskade (3-sufig)

5 ..4 Gleichricherschalung uner Belasung Bei einer Einweggleichrichung mi Gläungskondensaor ergib sich der in Bild 5 gezeige Spannungsverlauf. Bild 5: Gleichricherschalung uner Belasung sell den zeilichen Mielwer der Spannung u() dar! Die Sromflussdauer v durch das Venil ergib sich aus der überlageren Wechselspannung. Sie wird um so kleiner, je besser die Spannung gegläe is. Die Überlagerungen lassen sich für v, f leich berechnen. Die exponenielle Enladung von C während der Sperrdauer des Venils kann in diesem Fall durch einen linearen Verlauf ersez werden. Man erhäl aus der Ladungsänderung des Gläungskondensaors während der Sperrdauer: C i 0 g i g ( ) d i fc läss sich noch auf andere Aren besimmen, wie aus Bild 5 zu ennehmen is: Bild 5: Graphische Besimmung von Mi Hilfe des Srahlensazes läss sich die Beziehung aufsellen:

6 f R C Daraus folg: f R C R is hier die gesame ohmsche Belasung der Schalung, C die Summe aller zur Gläung beiragenden Kapaziäen. kann somi aus den Daen (R, C und f) der Schalung besimm werden. Werden durch eine Scheielwermessung der überlageren Wechselspannung posiiver und negaiver Scheielwer ermiel, so erhäl man aus der Summe ebenfalls. Näher man den Spannungsverlauf durch eine Sägezahnspannung an, so läss sich der Effekivwer der überlageren Wechselspannung wie folg berechnen: d d d f eff eff w w Bei der Auslegung von Schalungen muss berücksichig werden, dass die Venile vom idealen Verhalen vor allem durch einen Spannungsabfall bei Sromfluss in Durchlassrichung abweichen. Hierdurch ergib sich eine nichlineare Abhängigkei zwischen dem Gleichsrom i g und der Gleichspannung, die in Bild 6 dargesell is:

7 Bild 6: Belasungskennlinie Für i g 0 folg aus der ransformaorspannung die ideale Leerlaufspannung io ˆ. Z Die sich aus einer gradlinigen Verlängerung der Belasungskurve bei großen Srömen ergebende Leerlaufspannung 0 is jedoch um einen beinahe Srom unabhängigen Berag zelle je Sperrschich (für Selen 0,6 V) kleiner. Daher gil: _ io 0 n zelle Als die Güe G eines Gleichrichers definieren wir das Verhälnis: 0 G io..5 Elekrosaische Generaoren In elekrosaischen Generaoren erfolg eine Bewegung elekrisch geladener Körper engegen den auf sie wirkenden elekrosaischen Kräfen. Die häufigse Ausführung eines elekrosaischen Generaors is der 93 von R. J. van de Graaff angegebene Bandgeneraor. Ein isolierendes Band wird über Rollen angerieben und durch eine Erregereinrichung auf Niederspannungsseie elekrosaisch aufgeladen. Hierzu wird eine sark inhomogene Elekrodenanordnung verwende, in der durch Soßionisaion an Spizenelekroden gebildee Ladungsräger auf ihrem Weg zur Gegenelekrode vom Band aufgefangen werden. Eine ähnliche Anordnung auf der Hochspannungsseie dien zur Enladung des Bandes. Wird auf Hochspannungspoenial eine Erregereinrichung mi engegengesezer Polariä für die abwärs laufende Bandseie vorgesehen, ergib sich aus der Ladungsrennung eine Verdoppelung des Sromes.

8 Bandgeneraoren sind in Druckankausführungen bereis für Spannungen über 0 MV ausgeführ worden, wobei Sröme von weniger als ma üblich sind. Anselle eines isolierenden Bandes können auch hochisolierende Flüssigkeien oder saubarige fese Soffe als räger für die elekrischen Ladungen verwende werden. Für Spannungen bis zu einigen 00 kv wurden verschiedene Konsrukionen von elekrosaischen Maschinen mi rommel- oder scheibenförmigen Läufern gebau. Diese haben u. a. den Voreil einer guen Regelbarkei der Ausgangsspannung auf hohe Konsanz sowie einer kleinen Eigenkapaziä, wodurch ein weigehend ungefährliches Hochspannungsgerä gegeben is (Felici 957)...6 Messung hoher Gleichspannungen Bei der Messung hoher Gleichspannung beseh, wie auch bei der Messung hoher Wechselspannung (s. Versuch ), das Problem, dass die zu messende Spannung nich direk dem Messwerk zugeführ werden darf. Bei Gleichspannung werden deshalb ohmsche Spannungseiler verwende. Ebenso können hohe Gleichspannungen mi Kugelfunkensrecken und mi elekrosaischen Messgeräen (Sarke-Schroeder, homsonsche Spannungswaage) gemessen werden. Bei den beiden lezgenannen Meßmehoden is jedoch zu beachen, dass sich bei hoher Gleichspannung Raumladungen vor den Elekroden ausbilden können. Da beide Meßmehoden Feldsärkemessungen sind, führen die Raumladungen zur Verfälschung des Messergebnisses. Bild 7: Messung hoher Gleichspannungen nach dem Generaorprinzip Raumladungen können das Messergebnis ebenfalls verfälschen bei Spannungsmessungen nach dem Generaorprinzip. An zwei Plaenelekroden is die Messspannung angeleg. Zwei vor einer halbkreisförmigen Öffnung roierende Halbscheiben auschen ihre an der Öffnung influenzieren Ladungen aus. Der fließende Srom is proporional zur angelegen Messspannung. Der Voreil dieses Messverfahrens lieg darin, dass die Messung leisungslos is.

9 .3 Versuchsanleiung.3. Allgemeines: Vorsich Hochspannung!!! Der Versuchsaufbau erfolg mi Elemenen eines Hochspannungsbaukasens und is dami problemlos. Versuche mi hoher Gleichspannung erfordern jedoch ganz besondere Vorsich. Bei Gleichspannung können durch kapaziive Aufladung nich geerdee eile sehr hohe Spannungen führen, ohne dass die eile an Hochspannung angeschlossen sind. Deshalb is besonders darauf zu achen, dass für den jeweiligen Versuchsaufbau nich benöige kapaziive Bauelemene kurzgeschlossen sind. Auf einwandfreie Erdung der gesamen Anlage is zu achen. Machen Sie sich mi dem Schalpul und dem Sicherheissysem der Anlage vor Beginn des Versuches verrau. Beim Bereen des Versuchssandes is zunächs die aufgebaue Anlage mi der Erdungssange zu erden. Grundsäzlich sollen die Versuche nich in Eile aufgebau werden. Wenn Sie schon bei der Vorbereiung die Schalpläne der aufzubauenden Anlage sudier haben, so vermeiden Sie Fehler beim Aufbau..3. Versuche mi einer Einweg-Gleichricherschalung Aufnahme von Kalibrierkurven für verschiedene Gleichspannungs-Messgeräe nach Schalung in Bild Aufbau Bild 8: Schalung zur Aufnahme von Kalibrierkurven für verschiedene Gleichspannungs-Messgeräe Die Messschalung nach Bild 8 is mi folgenden Elemenen auszuführen:

10 C M C S R M Messkapaziä mi 00 pf Süzkondensaor mi 6000 pf Messwidersand mi 80 M Der nerkondensaor zu C M sowie der nerwidersand zu R M sind nich aufzubauen, sie sind in die jeweiligen Messgeräe eingebau: Fessehende Geräe: P Prüfransformaor, zweipolig isolier mi Mielanzapfung der Hochspannungswicklung, Nennübersezung 0 V/50-00 kv GR SM Selengleichricher, Scheielsperrspannung 40 kv Scheielspannungs-Meßgerä mi nerspannungs-kondensaor Zu unersuchende Messgeräe: GM EM KF Gleichspannungsmessgerä für Anschluss an R M Elekrosaischer Spannungsmesser Kugelfunkensrecke, Durchmesser 00 mm Bei verschiedenen Schlagweien (s = 5, 0, 5, 0 mm) is die Wechselspannung langsam bis zum Durchschlag der KF hochzufahren. Die Were von, =, EM, bei denen der Durchschlag erfolge, sind aufzuschreiben. Da die Messergebnisse sreuen werden, is jeder Versuch zweimal zu wiederholen. Die zur eingesellen Schlagweie s zugehörige Spannung KF is der beigefügen Kalibrierkurve zu ennehmen..3.. Ausarbeiung Graphische Darsellung der Kalibrierkurven KF/=/EM = f( )

11 .3.3 Aufnahme der Belasungskennlinie des Selen-Gleichricher.3.3. Aufbau Bild 9: Schalung zur Aufnahme der Belasungskennlinie von Selen-Gleichricher GR i g R B Selengleichricher mi einer Zellen-Schleusenspannung S = 0,6 V Belasungssrom des Gleichrichers Belasungswidersand (übrige Bezeichnungen siehe...).3.3. Messung und Ausarbeiung Anhand zweier Belasungsfälle (R B = / 0 M) und mi einer konsanen ransformaorspannung = X sind zu messen: Belasungsspannung = Belasungssrom I g Die anschließende Ausarbeiung beinhale:. Graphische Ermilung der realen Leerlaufspannung 0 durch Exrapolaion der Belasungsgeraden bis I g = 0. Berechnung der Anzahl der eingebauen Zellen je Gleichricher sowie der Güe des gesamen Gleichrichers 3. Erklärung der Funkion des Hochspannungsschuzes für das Srommessgerä

12 .3.4 Besimmung der Welligkei einer Einweg-Gleichrichung bei unerschiedlichen Belasungen.3.4. Aufbau Bild 0: Aufbau Daen der Bauelemene: C S = 6000 pf C B = 00 pf R M = 80 M R B = / 0 M Abzulesende Messgeräe: A GM SM KO Amperemeer für Gleichsrom I g Gleichspannungs-Messgerä Scheielspannungs-Messgerä für Wechselspannungs-Aneile Kahodensrahl-Oszillograph für Wechselspannungs-Aneile.3.4. Messung und Ausarbeiung Anhand zweier Beriebsfälle (R B = / 0M) und bei einem konsanen Gleichspannungswer = = 50 kv sind zu messen: - die Scheielwere der Überlagerungsspannung mi SM und KO - der Gleichsromwer I g Beachen Sie, dass die Überlagerungsspannung nich symmerisch is (s.oszillographenbild). Dami is die Sellung des Polariässchalers am Scheielspannungsmessgerä nich mehr ohne Einfluss. Bei Berücksichigung des

13 Funkionsprinzips des SM ( siehe Versuch ) erkenn man, wie die Messung mi dem SM durchzuführen is. Zur Ausarbeiung:. Berechnung der Welligkei für R B = / 0 M mi Hilfe der -Besimmung durch Oszillogramm, Scheielwerablesung, Gleichsrommessung und aus den Daen des Kreises. Diskussion der berechneen Welligkeiswere: a) Gründe für unerschiedlichen Ergebnisse b) Anwendung der einzelnen Besimmungsmehoden Erklärung der Messung von mi dem Scheielspannungsgerä bei unsymmerischer Überlagerung.3.5 Versuchsaufbau einer einsufigen Greinacher-Schalung.3.5. Aufnahme der Kennlinie der Greinacher-Schalung Aufbau Bild Schalung Daen der zu verwendenden Bauelemene: C M = 00 pf V, V Gleichricher-Venile C S, C s, = 6000 pf effekive ransformaorspannung R M = 80 M G reale Greinachspannung KO Kahodensrahloszillograph

14 Messung und Ausarbeiung Bei unbelaseer Anordnung (nur R M ) gemäß Bild und den ransformaorspannungen = 0, 0, 30 kv sind die Gleichspannungen der Greinacher-Verdoppelungsschalung G zu messen. Zur Ausarbeiung:. Berechnung der heoreischen Greinacherspannung, d. h. uner Voraussezung von idealen Bauelemenen.. Darsellung der heoreischen (idealen) und der gemessenen (realen) Greinacherspannung in einem Diagramm f G eff.3.6 Oszillographieren des Einschwingvorganges.3.6. Einschwingvorgang Bild Graphische Darsellung des idealisieren Einschwingvorganges In Bild is der idealisiere Einschwingvorgang über 9 4 graphisch dargesell. Die Gleichspannung seig dabei in drei Eappen bis,65 Û an Messung und Ausarbeiung Die Abweichungen des Oszillogramms von Bild 3 sind zu beobachen und zu erklären. Zur Ausarbeiung: Beschreiben des Einschwingvorganges in den vier Zeiabschnien 0 3 4

15 Anhang 5.4 Quellen Küpfmüller Einführung in die heoreische Elekroechnik; Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York, London, Paris, okyo, Hong Kong 990. Beyer, W. Boeck, K. Möller, W. Zaengl Hochspannungsechnik Springer-Verlag; Berlin, Heidelberg 986. D. Kind, K. Feser; Hochspannungsversuchsechnik; Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaf GmbH Braunschweig, Wiesbaden, 995.