e) Ermitteln Sie aus den dynamischen Daten die Parameter für die Speicherladung Q S, die Sperrschichtkapazität

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1 Übung 1.1 DC-Analyse: Die nebenstehende Schaltung ist durch folgende Bauelementewerte gegeben: U 0 = 1 V, R1 = 100 Ω, R2 = 200 Ω, R3 = 50 Ω, Sperrsättigungsstrom der Diode D1: I s1 = 10 µa, der Diode D2: I s2 = 30 µa; die Temperaturspannung kt/e = 25 mv. Im letzten Iterationsschritt seien für die Diodenspannungen jeweils gerade 0,1 V ermittelt worden. Es sind in die Schaltung die Knotennummern einzutragen und es ist zu ermitteln: U 0 R3 R1 R2 D1 D2 a) Die Funktionen F i = Σ(i) für alle Knoten (allg. und in Zahlen) b) Die Jakobi-Matrix (allg. und in Zahlen) und deren Inversion (nur in Zahlen) c) Der Wert für alle u i (k+1). Übung 1.2 Transientenanalyse: Für die nebenstehende Gleichrichterschaltung soll für die Transientenanalyse die Diode durch den ohm schen Leitwert G D repräsentiert sein. Es ist die Knotenleitwertsgleichung aufzustellen: U a) Diskretisieren Sie im ersten Schritt alle Blindelemente nach der expliziten Eulermethode o b) Muß die erweiterte Knotenleitwertsmatrix verwendet werden; wenn ja, warum? c) Stellen Sie die Knotenleitwertsmatrix und die gesamte Gleichung ohne Erweiterung auf d) Fügen Sie in die Knotenleitwertsgleichung ggf. die Erweiterung an R1 L D C1 R2 C2 R3 Übung 1.3 AC-Analyse: Für die nebenstehende Schaltung ist die Knotenleitwertsmatrix für die Frequenz w aufzustellen. Die wirksamen Leitwerte der Dioden seien G D1, G D2, usw. ~ R1 D3 D4 D1 D2 C Übung 2.1 Modellbildung einer Diode R2 Aus den Durchlaß- und Sperrkennlinien der Netzdiode Ssi F38, sowie den weiteren Bauelementeangaben sind die Parameter für das Diodenmodell bei der Temperatur 25 0 C zu ermitteln. Die Diode soll im Arbeitspunkt I D = 100 A repräsentiert werden. a) Ermitteln Sie aus der halblogarithmischen Durchlaßkennlinie (bei 1 A) den Emissionsfaktor n. b) Wie groß ist der Sperrsättigungsstrom I S? c) Der Serienwiderstand R S ist bei 20 A, 100 A und 200 A zu ermitteln. d) Aus der Sperrkennlinie sind die Parameter für Durchbruchspannung und Sperrstrom bei der Durchbruchspannung abzuleiten. e) Ermitteln Sie aus den dynamischen Daten die Parameter für die Speicherladung Q S, die Sperrschichtkapazität bei U D = 0V und die Trägerlaufzeit t D. f) Geben Sie die Syntax mit den ermittelten Parametern für den Modellaufruf an. g) Wie ändern sich die Modellparameter prinzipiell bei hoher Betriebstemperatur?

2 Dynamische Daten der Diode SSi F38 Speicherzeit t s = 50 µs bei 200 A, Kapazität bei U D = V = 200 pf Kennlinien der Diode SSi F38 Sperrkennlinie Sperrstrom in ua ,1 0,01 Sperrspannung in V

3 Übung 2.2 Modellbildung Transformator: Das Modell eines Transformators ist mit Hilfe gekoppelter Induktivitäten zu erstellen. Seine Daten sind: Nennleistung P N = 1 kva Nennspannung primär U PN = 230 V Nennspg. sek. U SN = 100 V Frequenz f = 50 Hz Die Streuinduktivität soll 2% der Hauptinduktivität betragen, der Leerlaufstrom I P L 5 % des primären Nennstromes. a) Wie groß sind die Induktivitäten L1 und L2 sowie deren Kopplungsfaktor k zu wählen? b) Wie groß sind die primäre und die sekundäre Streuinduktivität? Für ein Energienetz soll folgender Drehstrom-Transformator durch das Modell eines idealen Übertragers und der Kurzschlußimpedanz auf der Oberspannungsseite dargestellt werden: Nennleistung P N = 100 kva Nennspannung primär U PN = 10 kv Nennspg. sek. U SN = 400 V Frequenz f = 50 Hz Kurzschlußspannung u k = 2 % + j 6 % a) Zeichnen Sie das Schaltbild und berechnen Sie die Größe aller Elemente b) Schreiben Sie die Netzliste als Subcircuit Übung 2.3 Modellbildung Gleichstrommotor: Die Netzliste ist für folgenden Gleichstrommotor zu erstellen: Nenndrehmoment M N = 30 Nm beim Ankerstrom I A = 20 A und Nenndrehzahl n N = 1400 min -1 Ankerwiderstand R A = 0,504 Ω, Ankerinduktivität L A = 10 mh Trägheitsmoment des Motors J M = 0,5 Nms 2 Trägheitsmoment der Last J L = 5 Nms 2 a) Wie groß sind das Produkt C M * Φ und die Nennspannung U N? b) Welchen Wert muß der die Trägheiten repräsentierende Kondensator haben? c) Welchen Wert muß die Stromquelle haben, welche das Lastdrehmoment darstellt? d) Stellen Sie die Netzliste als Subcircuit auf. Übung 2.4 Steuerung der Simulation: Eine Schaltung enthält mehrere Induktivitäten, die kleinste mit 10 µh, die größte mit 10 mh, sowie eine Diode mit einer Kapazität von 1 nf und einen Glättungskondensator mit 100 µf. Gewünscht wird die Simulation des gesamten Einschaltvorganges. Durch Abschätzen der möglichen auftretenden Schwingungsfrequenzen sollen die Parameter zur Steuerung der Simulation ermittelt werden: a) Wie groß sind die größte und die kleinste Schwingungsfrequenz? b) Wann ist die Simulation näherungsweise zu starten und zu stoppen? c) Welche kleinste Schrittweise (bei SIMPLORER) müssen Sie zulassen? d) Welche größte Schrittweite sollte maximal eingestellt werden und welche Datenschrittweite ist zum Abspeichern von 1024 Datenpunkten notwendig? Wie lautet der Steuerungsbefehl? e) Sie wollen ein Zeitfenster von 1 ms bis 1,2 ms genauer untersuchen und hierfür 2048 Datenpunkte abspeichern. Wie lautet nun der Steuerungsbefehl?

4 Übung 2. 5 Netzsimulation: An das skizzierte Industrienetz ist ein Stromrichter (z. B. ein U-Umrichter mit B6C-Eingangsgleichrichter) angeschlossen. Für eine Simulation der Vorgänge auf der 10 kv Ebene sind zu ermitteln: a) das Blockschaltbild mit den Modellen der Betriebsmittel für eine Phase. Der Stromrichter soll nur mit seinem Gleichrichterteil dargestellt werden. b) Die Größe der Elemente der Modelle (ohne den Stromrichter) c) Im 10 kv-netz soll die Blindleistung der Last 1 kompensiert werden. Welches Bauelement kann dies und welchen Wert muß es haben? Wo wird es zweckmäßigerweise eingebaut? d) Welchen Vorteil und welchen Nachteil bringen eine Reduzierung der Kurzschlußspannung der Transformatoren T1 und T2? 110 kv Netz Trafo T1 Last 2 2 km Trafo T3 0,4 kv 2 km 10 kv-netz 2 km Stromrichter 2 km Last 1 Trafo T2 110 kv Netz 110 kv/50hz Netze je 500 MVA 110kV/10kV-Trafos 10kV/0,4kV-Trafo Leitungen 10kV-Netz Last 1 Last 2 u K = u x =10% 10 MVA u K = u x = 5% 2 MVA R = 0,25 Ω/km X = 0,11 Ω/km C = 0,4 µf/km P = 1 MW S = 1,5 MVA P = 0,5 MW S = 1 MVA

5 Übungen am Rechner Projekte Bei den einzelnen Projekten ist ein Protokoll zu führen, in welchem enthalten sein müssen: Schaltung und Dimensionierung bei Beginn der Projektsimulation, Netzliste, Steuerungsparamter Antwort auf die wichtigsten nachfolgend gestellten Fragen. Die Antwort soll Diagramme, Zahlenergebnisse, Erläuterungen enthalten. Für ein Projekt ist ein Bericht abzugeben. Umfang ca. 5 Seiten, Abgabe am letzten Vorlesungstag. Übung 3.1: PSPICE: Brückengleichrichter Ziel dieser Aufgabe ist die Zeitanalyse einer einfachen Gleichrichterschaltung, bei der die wichtigsten Eigenschaften des speisenden Netzes, des Transformatiors und der Gleichrichterdioden berücksichtigt sind, so daß die Simulation auch die dynamischen Vorgänge der Schaltung richtig wiedergibt. Am einphasigen 230V/50 Hz Netz ist über einen Transformator (ü = 4, k = 0,99) ein Brückengleichrichter mit Leistungsdioden, Glättungsinduktivität (100mH), ein Glättungskondensator (1000 µf) und Ohm'scher Lastwiderstand (50 Ω) angeschlossen. Die Gleichrichterbrücke ist durch eine TSE-Schaltung zu schützen (R=5 Ω, C=0,1 µf). a) Zeichnen Sie ein simulationsgerechtes Schaltbild einschließlich der Knotennummern. b) Berechnen Sie überschlagsmäßig die Größe der Sekundärspannung und des Laststromes und überlegen Sie, welche Zeitkonstanten den Einschwingvorgang beim Einschalten bestimmen können. Die Transformatorinduktivitäten müssen so groß sein, daß der Leerlaufstrom nicht dominiert. c) Erstellen Sie die Netzwerkliste, wobei Sie den Brückengleichrichter in einer Unterschaltung zusammenfassen. Dimensionieren Sie die verwendeten Dioden für die richtige Sperrspannung und übergeben Sie die Durchbruchspannung und den Sperrstrom als variable Parameter an den Subcircuit. d) Simulieren Sie die Schaltung und betrachten Sie Lastspannung, Laststrom sowie Netzspannung und Netzstrom. e) Variieren Sie den Glättungskondensator und den Lastwiderstand. Wie ändert sich die Stromflußdauer in der Diode? Dateien: RECT.* Übung 3.2: ICAPS: MOSFET-Schalter mit induktiver Last Ziel dieser Übung ist die Ermittlung der Verluste eines MOSFET beim periodischen Ein- und Ausschalten bei verschiedenen Temperaturen. Auch sollen das Entstehen der Überspannung am Transistor beim Schalten beobachtet werden und Schutzmaßnahmen ausprobiert werden.

6 M o t o r Geben Sie die nebenstehende Schaltung zusammen mit den notwendigen Testpunkten mit dem Schaltungseditor von ICAPS ein. Verwenden Sie den MOSFET BUZ 45B. U DC = 300 V L = 50 µh a) Welche Amplitude muß der Steuerimpulsgenerator wenigstens liefern, damit der Transistor vollständig durchge- R = 50 Ohm RC = 10 Ohm schaltet wird? Wie sind seine Zeiten einzustellen, damit die Verluste bei einer Betriebsfrequenz f = 20 khz und einem RG = 100 Ohm BUZ 45 Tastverhältnis 1:1 ermittelt werden können? C = 10 nf b) Berechnen Sie den zeitlichen Verlauf von Transistorspannung und -strom bei den Temperaturen T = 25 o U Pulse C und 150 o C und betrachten Sie die Kurven mit INTUSCOPE. Was ist die Ursache für die Überspannung am MOSFET? Was können Sie dagegen tun? c) Berechnen Sie für eine Periode die Verlustleistung für T = 25 o C und 150 o C. Was dürfte der Hauptgrund für den Unterschied der Verlustleistung bei den Temperaturen sein? Dateien: MOSFET.* Übung 3.3 SIMPLORER: Mittelpunktschaltung; gesteuert und ungesteuert Es ist eine dreipulsige Mittelpunktschaltung am 400 V / 50 Hz Drehstromnetz - einmal ungesteuert mit Dioden und einmal gesteuert mit Thyristoren - zu simulieren. Für die Halbleiter ist das Zweigeradenmodell zu verwenden: U 0 = 1 V, r T = 10 mω, R sperr = 100 kω Spannungsquelle et ~ ~ ~ Komm.indukt. LK Dioden bzw. Thyristoren Glättungsindukt. LD a) Ungesteuerte M3U-Schaltung: Die Last bestehe aus einem Widerstand R = 100 Ω und einer Glättungsdrossel L d = 10 mh. Die Kommutierungsinduktivität sei L k = 0,25 mh. Zu untersuchen sind die Ströme in der Netzzuleitung und in der Last. Die Dauer des Kommutierungsvorganges ist zu ermitteln. b) Gesteuerte M3C-Schaltung: Die Last bestehe aus einer Glättungsdrossel (L d = 10 mh) und einem Gleichstrommotor, der durch seine Gegenspannung U A = 100 V, seinen Ankerwiderstand R A = 1 Ω und die Ankerinduktivität L A = 1 mh darzustellen ist. Zunächst sind die Thyristoren einzusetzen und anhand des Petrinetzes die Steuerung der Thyristoren zu erstellen. Der Steuerwinkel α soll in der Startwertzuweisung definiert werden. Der Netzstrom und der Laststrom sind für die Steuerwinkel α = 0 o, 30 o, 60 o zu ermitteln. Übung 3.4: SIMPLORER: Gesteuerte zweipulsige Brückenschaltung Lastwiderstand RL Dateien: M3U.* M3C.* Es sind die Netzwerkliste zu erstellen, die Thyristoreigenschaften (Ersatzkennlinie) zu definieren und die Steuerungsmechanismen für die Thyristoren in die Steuerdatei einzubauen. Am 230 V Netz (50Hz) ist über eine Kommutierungsdrossel (L k = 0,1 mh) eine zweipulsige Brückenschaltung mit Thyristoren angeschlossen. Auf der Gleichstromseite wird über eine Glättungsdrossel (L d = 100 mh) und einen Vorwiderstand (R Last = 10 Ω) ein Gleichstrommotor angeschlossen. Die Thyristoren werden mit einem konstanten Steuerwinkel a betrieben.

7 a) Zeichnen Sie für den Gleichstrommotor (Nennspannung = 220 V, Nenndrehzahl = /min, Ankerwiderstand und Ankerinduktivität vernachlässigt) das Ersatzschaltbild für die konstante Drehzahl /min. b) Zeichnen Sie ein simulationsgerechtes Schaltbild einschließlich der Knotennummern. c) Zeichnen Sie das Petrinetz für die Steuerung der Thyristoren d) Erstellen Sie die Netzwerkliste und die Steuerliste für die Thyristoren. Die Thyristoren sind durch Ersatzgeraden anzunähern (Sperrwiderstand 100 kω, Durchlaßwiderstand 0,02 Ω, Schwellspannung U 0 = 1V. e) Geben Sie als Ausgabewünsche die Spannung und den Strom der Kommutierungsdrossel, sowie die Ausgangsspannung und den Ausgangsstrom des Stromrichters ein. Wählen Sie geeignete Integrationsparameter. f) Simulieren Sie die Schaltung und betrachten Sie Lastspannung, Laststrom sowie Netzspannung und Netzstrom. g) Variieren Sie den Steuerwinkel der Thyristoren und die Glättungsinduktivität. Bei α = 60 o ist die Größe der Glättungsdrossel zu ermitteln, bei welcher kein Lücken auftritt. h) Verändern Sie die minimale und die maximale Schrittweite und ermitteln Sie den Einfluß auf die Rechenzeit und auf die graphisch dargestellten Simulationsergebnisse. Dateien: B2C.* Übung 3.5: ICAPS: Transformator Der ideale Transformator überträgt Strom und Spannung vom Netz zum Verbraucher formgetreu. Daneben überträgt er auch Störungen vom Verbraucher zum Netz. Zusätzlich zum Übersetzungsverhältnis beeinflussen die primäre und sekundäre Streuinduktivität und die Wicklungswiderstände die Transformation. Der reale Transformator zeigt jedoch Sättigungseffekte, Hysterese und ist frequenzabhängig. Diese Eigenschaften wirken sich besonders bei Lastschwankungen und beim Einschalten aus. Der Einschaltvorgang bei angeschlossenen Gleichrichtern mit kapazitiver Glättung kann sehr große Einschaltströme bewirken. Bei Schaltnetzteilen ist eine weitere Gefahr, daß der Kern in die Sättigung getrieben wird und der Transformator (oder auch die Drossel) ihre Induktivität verliert. Dies führt zu extrem schnell anwachsenden Strömen, welche in der Praxis den Halbleiterschalter schlagartig zerstören. Im vorliegenden Beispiel ist ein idealer Trafo mit einstellbarem Übersetzungsverhältnis mit einem Kern gekoppelt, der Sättigungseigenschaften zeigt. Der Transformator kann mit Sinus- und mit Rechteckspannung betrieben werden. Ein Anschluß zeigt eine zum magnetischen Fluß proportionale Spannung. Zuerst ist die sinusförmige Spannungsquelle zu verwenden (indem deren Spannung > 0 eingestellt und die Amplitude der rechteckförmigen Quelle = 0 gesetzt wird): a) Das Verhältnis zwischen Ausgangsspannung und Versorgungsspannung ist für verschiedene Belastungen zu ermitteln. b) Die Magnetisierungskennlinie ist für eine mittlere Belastung aufzunehmen. Wie groß sind der magn. Fluß und die magn. Feldstärke? Danach ist die Rechteckspannungsquelle zu verwenden c) Vergleichen Sie die Form der Versorgungsspannung und der Ausgangsspannung bei einer Betriebsfrequenz von 50 Hz d) Die Frequenz soll nun 50 khz sein. Betrachten Sie die Ausgangsspannung und erklären Sie deren Verlauf. Nehmen Sie die Magnetisierungskennlinie auf. Dateien: TRAFO.*

8 Übung 3.7: SIMPLORER: Netzwerksimulation Im skizzierten 6 kv/50hz-industrienetz sind die Netzrückwirkungen eines Motorantriebes zu ermitteln. Der Antrieb besteht aus einem Gleichstrommotor und einer Stromrichterschaltung. 6 kv Netz 2 km B 4 km 1 km C Last P=1 MW S=2 MVA Folgende Betriebsmitteldaten sind gegeben: Trafo Tr ü = 4 A Stromrichter B2C Motorlast L d R A E Motor Transformator Tr Nennscheinleistung S N = 5 MVA Kurzschlußspannung u K = 12 % (rein induktiv) Übersetzungsverh. ü = 4 6 kv-netz Kurzschlußleistung S K = 500 kva Alle Kabel Widerstandsbelag R = 0,25 Ω/km Reaktanzbelag X = 0,11 Ω/km Kapazitätsbelag C = 0,4 µf/km Last Wirkleistung P = 1 MW Leistungsfaktor S = 2 MVA Stromrichter Last: (Motor) Glättungsinduktivität L d = 20 mh Ankerwiderstand R = 0.25 Ω Nennspannung U N = 1000 V Nenndrehzahl n N = 1200 U/min Ist-Drehzahl n = 600 U/min Stromrichter B2C-Schaltung 2-pulsig Kommut. induktivität L k = 20 µh (in jeder Zuleitung!) Achtung: Bei der Lehrversion von SIMPLORER muß die Simulation aufgrund der Anzahl der Bauelemente auf eine Phase beschränkt werden, daher wird eine B2C-Schaltung verwendet und die unsymmetrische Netzbelastung vernachlässigt. a) Skizzieren Sie das Ersatzschaltbild des Netzes für eine Phase und berechnen Sie die Daten aller Elemente. Der Gleichstrommotor ist durch eine Gleichspannungsquelle darzustellen. b) Numerieren Sie alle Knoten und geben Sie die Schaltung in das Programm SIMPLORER ein. Welche Spannung muß die Quelle haben, welche den Motor bei n = 600 U/min repräsentiert? c) Ermitteln Sie den Steuerwinkel α, bei welchem die Stromrichterlast etwa 500 A der Brückenschaltung entnimmt. d) Die Stromoberschwingungen, die von der Stromrichterschaltung dem Transformator Tr entnommen werden, sind absolut und in % der Stromgrundschwingung zu ermitteln. Wie groß ist der Leistungsfaktor des aufgenommenen Stromes? e) Wie groß sind die Spannungseinbrüche auf der Primärseite des Transformators? Die Spannungsoberschwingungen sind relativ zur Spannungsgrundschwingung an der passiven Last zu ermitteln. Dateien: NETZB2C.*

9 Übung 3.8: ICAPS: Sechspulsiger Spannungs-Wechselrichter mit IGBT: Die Schaltung eines sechspulsigen Wechselrichters mit Blocksteuerung. ist mit dem Programmteil Schematic aufzubauen. Zweckmäßigerweise wird vorher das Ansteuerschema für die Schalter zeitlich festgelegt. Es sind Totzeiten von 10 µs zu berücksichtigen. Als Schalter werden IGBT s vom Typ: IRGBC40S und die Freilaufdiode MUR3060 verwendet. Die speisende Gleichspannung sei 400 V. Die Betriebsfrequenz sei 1000 Hz. Die Last soll zunächst dargestellt werden durch eine dreiphasige RL-Kombination (R = 10 Ω, L = 2 mh), für Frage f) zusätzlich durch eine die Motorinduktionsspannung darstellende Spannungsquelle. a) Ermitteln Sie den Verlauf von Strom und Spannung an der Last. Welche Scheitelwerte haben sie und welchen Effektivwert haben die entsprechenden Grundschwingungen? b) Welchen Strom entnimmt die Schaltung der speisenden Gleichspannung (Scheitelwert, Effektivwert, Mittelwert)? c) Wie groß sind die Verluste in einem IGBT und in einer Freilaufdiode? d) Wie groß ist die max. Sperrspannung an einem IGBT, wenn die Zuleitungsinduktivitäten zu den Halbleitern je 50 nh beträgt? e) Wie ändern sich die Größen nach a) bis c) bei einer Taktfrequenz von 2 khz? f) Die Last sei nun ein Motor, der pro Phase eine sinusförmige Gegenspannung von 200 V Scheitelwert synchron zur Taktfrequenz induziert. Der Lastwiderstand sei 1 Ω, L = 2 mh. Es sind der Laststrom und der Batteriestrom zu analysieren. Wie ändern sich die Verhältnisse, wenn sich die Motorspannung aufgrund sich ändernder Belastung in der Phasenlage zum Taktsignal ändert? Dateien: WR6.* Übung 3.9: ICAPS: Schaltnetzteil Dieses SNT soll aus einer 300V Gleichstromquelle (Netzgleichrichter mit kapazitiver Glättung) eine Gleichspannung von 30V (z. B. zum Laden einer 24V Batterie) erzeugen. Der geforderte Nennlaststrom beträgt ca. 4A. Eine der gezeigten Schaltungen soll verwendet werden. Die Regelung wird nicht mitsimuliert. Die Steuerung der MOSFET-Schalter soll bei einem Tastverhältnis von 50% gerade die Nennbelastung ermöglichen

10 a) Das Übersetzungsverhältnis des Trafos ist abzuschätzen. Dabei ist der Spannungsabfall der Dioden beim Laststrom mit ca. 1V zu berücksichtigen. b) Die Eigenschaften des Übertragers sind näherungsweise zu berechnen. c) Erstellen Sie das Schaltbild im Simulationsprogramm. d) Ermitteln Sie die grundsätzlichen Eigenschaften der Schaltung Ströme und Spannungen an den Bauelementen und an der Last Einfluß der Streuinduktivitäten des Trafos auf die Transistorspannung Verluste in den Halbleitern (Arbeitspunkt ungefähr bei Nennbelastung) Wirkungsgrad als Funktion der Belastung (Diagramm) Strom der Entmagnetisierungsdiode (beim Durchflußwandler) e) Welche Verluste entstehen im Trafo? f) Fügen Sie dem MOSFET und den Gleichrichterdioden eine Schutzbeschaltung hinzu und ermitteln Sie deren Einfluß. g) Berechnen Sie den Effektivwert und die Oberschwingungen des Batteriestromes h) Welche Verluste haben nach f) der MOSFET und die Gleichrichterdioden? Dateien: SPERRW.* DURCHFLW.* GEGENTW.*