Praktikum. Elektromagnetische Verträglichkeit

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1 Praktikum Elektromagnetische Verträglichkeit Versuch 1 Stromoberschwingungen und Flicker Gruppe 7 Versuchsdurchführung am Blattzahl (inkl. Deckblatt): 20 Seite 1 von 20

2 Inhaltsverzeichnis 1. Vorbereitung 1.1 Schaltung 1.2 Einfluß der Bauteile Grobe Bestimmung mit dem Parameter-Sweep Schaltung ohne Drosseln und ohne Vorwiderstand Schaltung ohne Drosseln, mit Vorwiderstand Schaltung mit Drosseln und Vorwiderstand Analyse ausgewählter Schaltungen Kapazität C1=22 µf Kapazität C1=100 µf Kapazität C1=4702 µf 1.3 Weitere Messungen und Interpretation THD und Klirrfaktor Schaltung mit den höchsten Verzerrungen Schaltung mit den niedrigsten Verzerrungen Ladezeit des Kondensators Ungünstigster Einschaltzeitpunkt Der Einfluß von extrem kleinen und großen Kapazitäten Kleine Kapazitäten Große Kapazitäten Einfluß der DC-Drossel auf lückenden & lichtlückenden Betrieb 2. Versuchsdurchführung 2.1 Stromoberschwingungsmessung Schaltung mit beiden Induktivitäten, mit 1,8 Ω Widerstand und 22 µf Kapazität Schaltung mit beiden Induktivitäten, ohne 1,8 Ω Widerstand und 22 µf Kapazität Schaltung mit DC-Induktivität, mit 1,8 Ω Widerstand und 22 µf Kapazität Schaltung mit AC-Induktivität, mit 1,8 Ω Widerstand und 22 µf Kapazität Schaltung ohne Induktivität, mit 1,8 Ω Widerstand und 22 µf Kapazität Schaltungen nach eigenem Ermessen 2.2 Flickermessung Beobachtungen Seite 2 von 20

3 2.2.2 Meßprotokoll Seite 3 von 20

4 1. Vorbereitung 1.1 Schaltung Eine Gleichrichterschaltung eines Netzteils ist Ausgangspunkt für die nachfolgenden Messungen: Durch die Bauteilvariation, die L1, L2 und R1 betrifft, wird nun die Schaltung ermittelt, die den höchsten Stromspitzenwert liefert. Dazu wird die Transientenanalyse von Electronics WORKBENCH MultiSIM 9 verwendet. Zusätzlich werden die total harmonic distortion (THD) über die Fourier-Analyse von Electronics WORKBENCH MultiSIM 9 ermittelt. Dieser wird der Einfachheit vorgezogen, was aufgrund der ähnlichen mathematischen Definition kein Problem darstellt. Der Klirrfaktor des Stroms ist (bis zur 40. Oberschwingung) bestimmt als als k= I I 2 I I 2 Dem Gegenüber steht der THD-Faktor (ebenfalls bis zur 40. Oberschwingung) als I I 40 THD= I 1 Abbildung 1: Netzgleichrichterschaltung Aufgrund der zahlreichen Kombinationsmöglichkeiten wird zuerst mit der Parameter- Sweep-Funktion in Abhängigkeit der Kapazität eine grobe Übersicht erschaffen. Seite 4 von 20

5 1.2 Einfluß der Bauteile Grobe Bestimmung mit dem Parameter-Sweep Mithilfe der Parameter-Sweep-Funktion wird die Kapazität stufenweise von 22 µf auf 812 µf erhöht. Der besseren Übersicht wegen werden nicht alle theoretischen Varianten miteinbezogen. Zunächst soll die Grundschaltung, die Gleichrichtung ohne Drosseln und ohne Vorwiderstand auf Stromoberschwingungen überprüft werden Schaltung ohne Drosseln und ohne Vorwiderstand Abbildung 2: Parameter-Sweep der Kapazität ohne L AC, L DC und R V Auf dem Bild ist deutlich erkennbar, daß mit zunehmender Kapazität nicht nur die Aufladezeit des Kondensators abnimmt, sondern auch die Stromaufnahme stark ansteigt. Bei einer weiteren Erhöhung wird die Aufladedauer noch weiter verkürzt und strebt für große Kapazitäten gegen Null, was dem Dirac-Stoß entspräche und somit ein unendliches Frequenzspektrum an Oberschwingungen zur Folge hätte, was beträchtliche Auswirkungen auf die THD hat. Durch den Umstand, daß man es in der Praxis mit realen Bauteilen zu tun hat, wird dieser Effekt abgeschwächt, läßt aber erkennen, daß durch einen Strombegrenzungswiderstand die Stromaufnahme abnehmen muß. Aus diesem Grund wird die Schaltung nun mit einem 1,8 Ω-Strombegrenzungswiderstand erweitert. Seite 5 von 20

6 Schaltung ohne Drosseln, mit Vorwiderstand Abbildung 3: Parameter-Sweep der Kapazität ohne L AC, L DC, mit R V Wie erwartet zeigt der Vorwiderstand die vermutete Wirkung. Die Stromspitzenwerte haben sich deutlich verringert. Zwischen den beiden größten Kapazitäten von 470 µf und 812 µf hat sich in der Stromaufnahme kaum etwas geändert, trotz des Kapzitätunterschiedes von fast Faktor 2. Ein Nebeneffekt der begrenzten Stromstärke ist die verlängerte Aufladedauer, die bei den größeren Kapazitäten zu beobachten ist und so natürlich auch Auswirkungen auf die THD hat. Als nächstes soll deswegen die Auswirkung von zusätzlichen Induktivitäten sowohl auf der Wechselspannungsseite (AC-Spule) als auch auf der Gleichspannungsseite (DC-Spule) beobachtet und analysiert werden. Seite 6 von 20

7 Schaltung mit Drosseln und Vorwiderstand Abbildung 4: Parameter-Sweep der Kapazität mit L AC, L DC und R V Diese Maßnahme verringert die Stromspitzenwerte für größere Kapazitäten und erhöht diese für kleine. Insgesamt ergeben sich aber flachere und breitere Kurvenverläufe des Stroms, sodaß hier vor allem bei großen Kapazitäten von niedrigeren Verzerrungen der Oberschwingungen ausgegangen werden kann Analyse ausgewählter Schaltungen Kapazität C1=22 µf Ohne R1 Mit R1 I S in A 3,0 3,0 THD in % 40,1 40,0 Ohne Drosseln I S in A 5,3 5,0 THD in % 69,3 62,7 Mit AC-Drossel I S in A 5,3 4,9 THD in % 69,3 62,7 Mit DC-Drossel Seite 7 von 20

8 I S in A 5,2 4,9 THD in % ,5 Mit beiden Drosseln Abbildung 5: Verlauf von Strom und Spannung der Schaltung mit L AC, L DC und R V Kapazität C1=100 µf Ohne R1 Mit R1 I S in A 8,9 7,9 THD in % 99,5 94,4 Ohne Drosseln I S in A 8,7 6,0 THD in % 89,9 80,9 Mit AC-Drossel I S in A 8,3 7,7 THD in % 91,7 89,2 Mit DC-Drossel I S in A 6,8 6,3 THD in % 73,7 72,5 Mit beiden Drosseln Seite 8 von 20

9 Abbildung 6: Verlauf von Strom und Spannung der Schaltung mit L AC, L DC und R V Kapazität C1=470 µf Ohne R1 Mit R1 I S in A 21,1 11,5 THD in % 170,1 123,3 Ohne Drosseln I S in A 7,5 5,1 THD in % 74,5 70,7 Mit AC-Drossel I S in A 7,9 7,2 THD in % 82,0 80,7 Mit DC-Drossel I S in A 5,9 5,7 THD in % 67,5 66,7 Mit beiden Drosseln Seite 9 von 20

10 Abbildung 7: Verlauf von Strom und Spannung der Schaltung mit L AC, L DC und R V 1.3 Weitere Messungen und Interpretation THD und Klirrfaktor Schaltung mit den höchsten Verzerrungen Aus kann man erkennen, daß bei der Schaltung ohne Drosseln und ohne Vorwiderstand bei der maximalen Kapazität die größten Verzerrungen durch die kurzen Stromspitzen (bei 812 µf etwa 26 A) entstehen. Die Fourieranalyse für diese Schaltung ergibt folgendes Bild: Abbildung 8: Fourieranalyse mit 812µF Kapazität ohne R V, L AC, L DC Aus der Analyse ergibt sich ein im Programm abgelesener THD-Wert von 197% Über die Tabellenwerte der Analyse kann mit der Formel aus 1.1 der Klirrfaktor bestimmt werden. Seite 10 von 20

11 Dieser liegt bei 89% Schaltung mit dem niedrigsten Verzerrungen Aus dem anfänglichen Parameter-Sweep folgt, daß die geringsten Verzerrungen bei der Schaltung mit der niedrigsten Kapazität, also 22 µf, ohne die Verwendung von Drosseln auftreten. Der Einfluß des Vorwiderstandes ist sehr gering, sodaß dieser mit guter Näherung vernachläßigt werden kann. Die Fourieranalyse ergibt für diese Schaltung folgendes Bild: Aus der Analyse ergibt sich in diesem Fall ein im Programm abgelesener THD-Wert von 40% Über die Tabellenwerte der Analyse kann mit der Formel aus 1.1 der Klirrfaktor bestimmt werden. Dieser liegt bei 37% Ladezeit des Kondensators Abbildung 9: Fourieranalyse mit 22µF Kapazität ohne R V, L AC, L DC Wenn die Netzspannung um die Differenz der Sperrspannung (ca. 0,7 V) größer als die Ausgangsspannung ist, dann wird der Kondensator geladen. Nach dem Scheitelwert der Spannung beginnt automatisch die Entladung, die Dioden sperren und der Kondensator glättet die Ausgangsspannung. Seite 11 von 20

12 Abbildung 10: Ladezeit des Kondensators t Aufladedauer Ungünstigster Einschaltzeitpunkt Sind keine Drosseln eingebaut, so ergibt sich der ungünstigste Einschaltzeitpunkt beim positiven als auch negativen Scheitelpunkt der Netzspannung. Beim Einbau von Drosseln verschiebt sich der Phasenwinkel des ungünstigsten Einschaltzeitpunkts um etwa ± /2. Grundsätzlich gilt, daß der Einschaltstrom nur durch die ohmschen Widerstände begrenzt wird, wenn keine Induktivitäten eingebaut sind. Mit dem Einsatz von Drosseln nimmt der maximale Strom in der Amplitude ab Der Einfluß von extrem kleinen und großen Kapazitäten Kleine Kapazitäten Der Ausgangsstrom für Kapazitäten C 0 ist frei von Oberwellen. Der Klirrfaktor wird somit ebenfalls gegen 0. Der aufgenommene Strom ist nur von der Belastung und des Vorwiderstandes abhängig Große Kapazitäten Bei sehr großen Kapazitäten bis in den mf-bereich kann der Kondensator nicht mehr vollständig geladen werden, da durch die Drosseln und dem Vorwiderstand die Stromaufnahme begrenzt wird. Seite 12 von 20

13 Abbildung 11: Überdimensionierter Kondensator mit L AC, L DC und R V in der Schaltung Einfluß der DC-Drossel auf lückenden & lichtlückenden Betrieb Im nichtlückenden Betrieb, auch Continious Current Mode, geht der Strom in der Spule nicht mehr auf Null zurück. Dies passiert bei großen Induktivitäten auf der DC-Seite und hat zur Folge, daß die Ausgangsspannung sinusförmig wird. Seite 13 von 20

14 Abbildung 12: Große Drossel auf der Gleichspannungsseite und somit nichtlückender Betrieb Seite 14 von 20

15 2. Versuchsdurchführung 2.1 Stromoberschwingungsmessung Nach VDE 0838 Teil: ist unsere Schaltung der Klasse A zuzuordnen. Dies wird vor der Messung als Parameter an der Meßeinrichtung eingestellt, ebenso werden die STANDARD TESTCONDITIONS und eine Meßdauer von 30 Sekunden ausgewählt Schaltung mit beiden Induktivitäten, mit 1,8 Ω Widerstand und 22 µf Kapazität 2,5 2 Strom in A 1,5 1 0, n Abbildung 13: Ausgabe für die beide Drosseln, Vorwiderstand und 22µF Kapazität Seite 15 von 20

16 2.1.2 Schaltung mit beiden Induktivitäten, ohne 1,8 Ω Widerstand und 22 µf Kapazität 2,500 2,000 Strom in A 1,500 1,000 0,500 0, Abbildung 14: Ausgabe für die beide Drosseln, ohne Vorwiderstand und 22µF Kapazität n Schaltung mit DC-Induktivität, mit 1,8 Ω Widerstand und 22 µf Kapazität 2,5 2 Strom in A 1,5 1 0, n Abbildung 15: Ausgabe für DC-Drossel, Vorwiderstand und 22µF Kapazität Seite 16 von 20

17 2.1.4 Schaltung mit AC-Induktivität, mit 1,8 Ω Widerstand und 22 µf Kapazität 2,500 2,000 Strom in A 1,500 1,000 0,500 0, n Abbildung 16: Ausgabe für AC-Drossel, Vorwiderstand und 22µF Kapazität Seite 17 von 20

18 2.1.5 Schaltung ohne Induktivität, mit 1,8 Ω Widerstand und 22 µf Kapazität 2,500 2,000 Strom in A 1,500 1,000 0,500 0, n Abbildung 17: Ausgabe ohne Drosseln, mit Vorwiderstand und 22µF Kapazität Schaltungen nach eigenem Ermessen Der Reihe nach wurden einige Messungen im Rahmen des Praktikums durchgeführt. Zuerst wurde die Kapazität erhöht, worauf es zu deutlichen Überschreitungen der Normwerte gab wie erwartet. Der Einsatz von Drosseln verbesserte dies zwar, dennoch bestätigten sich die Simulationen, die zeigten, daß mit Höhe des Glättungskondensators auch die Oberschwingungen zunehmen. Die Verringerung der Last von acht auf vier und dann auf zwei Lampen verbesserte das Ergebnis, sodaß hier die Grenzwerte der Norm eingehalten wurden. Dies liegt daran, daß die Stromaufnahme sinkt und mit ihr auch die Anteile der Stromoberschwingungen. 2.2 Flickermessung Es wird nur eine Kurzzeitflickermessung (zehn Minuten) ohne Induktivitäten und Strombegrenzungswiderstand gemäß EN durchgeführt. Die Kapazität beträgt 470µF Beobachtungen Bei unterschiedlichen Belastungen wird die Schaltung ein- und ausgeschaltet. Es kommt dabei zu folgenden Beobachtungen: Beim Einschalten steigt der Spannungsabfall an der Netzimpedanz, die Spannung an der Schaltung bricht ein, somit steigt d max, die maximale Abweichung von der Seite 18 von 20

19 vorher konstanten Spannung. Beim größten Einschaltstrom erfolgt auch der größte Spannungseinbruch; dies ist beim ungünstigsten Einschaltzeitpunkt, also beim Maximum oder Minimum der Netzspannung Seite 19 von 20

20 2.2.2 Meßprotokoll Seite 20 von 20

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