Nullphasendurchgang. Leistungsmaximierung durch optimale Einschaltzeiten

Transkript

1 Nullphasendurchgang Leistungsmaximierung durch optimale Einschaltzeiten

2 Themen Gliederung: 1. Wechselstrom (Grundlagen) 2. Leistungsbilanz 3. Nullphasendurchgang im Projekt

3 1. Wechselstrom (Grundlagen: R, U, I) Abb. 1: Komplexer Widerstand Abb. 2: Arg(Z) Das ohmsche Gesetz gilt auch bei Wechselgrößen: Für komplexe Werte gilt: R = U I - Z R = U I - Z C = a bj = R e iωt - Z L = a + bj = R e iωt

4 1. Wechselstrom (Grundlagen: R, U, I) Für Z = a ± bj = R e ±iωt ist es nun möglich die Real/Komplex- Werte zu ermitteln und den Winkel (arg Z tan 1 φ = I Z R Z ) Die mathematischen Grundlagen gelten auch für U und I

5 1. Wechselstrom (Grundlagen: komplexe Leistung) Abb. 3: Komplexe Leistung Für die komplexe Leistung (var) gelten die selben Bedingungen wie für die Leistung von Gleichgrößen: P = U I Analog: var = P + Qj und P = U eff I eff und Q = var sin (φ)

6 2. Leistungbilanz: Wirkfaktor cosinus (x) Abb. 4: Generator / Verbraucher im Netz Abb. 5: Zeigeraddition In Dt.: dreiphasiges Wechselstromsystem: a. Alle drei Phasen sind möglichst symmetrisch zu belasten b. Praktische Anwendung: eine Phase wird benutzt für Verbraucher Vereinfachung der Berechnungen <0 c. Aber: auch wenn U str, so ist der Verbraucher jedoch Komplex und somit ist der Spannungsabfall über Z phasenverschoben

7 2. Leistungsbilanz: Optimierung Optimaler Verlauf (Ziel) Verlauf (zu kompensieren) Abb. 7: Leistung (Kondensator) Abb. 6: Leistung (Widerstand) Abb. 8: Leistung (Spule)

8 2. Leistungsbilanz: Optimierung Abb. 9: Leistung (Wiederstand)

9 3. Nullphasendurchgang im Projekt Kapitelübersicht: 1. Wechselstrom (Grundlagen) 2. Leistungsbilanz 3. Nullphasendurchgang im Projekt (1) Schaltung (2) Gleichrichter (3) Glättung (4) Optokoppler (5) Nulldurchgangsdetektion (6) Simulation

10 3.1 Schaltung Gleichrichter Nulldurchgangsdetektion

11 3.2 Gleichrichter Erzeugung einer gleichgerichteten Spannung: Symmetrische Steuerung (nur zwei Dioden leiten gleichzeitig) Netzspannung: u netz = û sin ωt Mittelwert der Ausgangsspannung: U = 1 T T û sin ωt dωt 0 = 2û π Bei positiver Netzspannung Leiter grün Bei negativer Halbwelle blau Dioden in Sperrrichtung rot Quelle:

12 3.3 Glättung Kondensator parallel zur Last Lädt sich bei aufsteigender Spannungsflanke auf Bei sinkender Flanke versorgt der Kondensator die Last Der Spannungsverlauf wird glatter Abb. 10: Gleichrichter mit Glättung

13 3.4 Optokoppler Besteht aus Leuchtdiode (Eingang) und Fototransistor (Ausgang) Eingang und Ausgang galvanisch getrennt Bei Stromfluss über Diode leitet der Transistor Quelle: Abb. 11: Optokoppler Quelle:

14 3.5 Nulldurchgangsdetektion Netzspannung fällt nahezu komplett über Widerstände R1 R4 ab D1 verhindert ein Stromrückfluss von C1 in die Basis von T1 T1 sperrt 50μs kurz vor und nach dem Nulldurchgang T2 sorgt für Stromfluss durch die LED des Optokopplers während des Nulldurchganges Somit schaltet der Optokoppler den Ausgang frei Glättungskondensator

15 3.6 Simulation U_out Abb. 12: Simulation

16 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Projektlabor To Infinity And Beyond!!!!

17 Quellenangabe: Quellen ( ): Peter Teske, T. G. (2012). Praktikum Netzwerke Laborskript. PR04, Zweitore.pdf. Berlin. Schäfer. (2009). Elektrische Energiesysteme. Praktikum_Trafo.pdf. Berlin. Schäfer. (2009). Skript zur Vorlesung Elektrische Energiesysteme. Berlin. Strunz, K. (2012). Skript zur Vorlesung. Kap. 4. Berlin. Unbekannt. (kein Datum). 8ung.at. Abgerufen am von Unbekannt. (kein Datum). elektroniktutor.de. Abgerufen am von Unbekannt. (kein Datum). gossenmetrawatt.com. Abgerufen am von Quelle: e/059_p_d.pdf Wikipedia. (kein Datum). Abgerufen am von

18 Leitfaden Kapitel: Vortragsstruktur 1. Kap: Grundlagen 1. R, U, I erklären am Zeiger Diagramm 1. Phasenwinkel (begriff: Nullphasenwinkel: von x-achse aus) 2. Betrag und Anteile 3. Leistung in Ihren Bestandteilen 2. Kap: Netzgröße beeinflusst Widerstand. 3. Kap: Phasenanschnittssteuerung (Dimmer:Analog zu unserer Heizung) Kapitel: Grundlagen Formeln: R = U I ; Z R = U I ; Z C = a bj = R e iωt ; Z L = a + bj = R e iωt Hier Wichtig: 1. Phasenverschiebung geschieht demnach auch im Netz. 2. Bei dreiphasiger Wechselspannung beträgt die Phasenverschiebung jeweils 120 Außerdem: 1. Blindleistung sorgt für Kosten. 2. Wirkleistung (Wirkungsgrad cos(x) = Wirkleistung: siehe Zeigerdiagram) 3. Um die Leistung P zu Maximieren, muss Q null werden, da VA immer gleiche Bilanz ergibt, demnach cos(x) = 1 4. Formeln nur ein kleiner Ausschnitt, aber hier kann man erkennen, wie Winkel und Betrag sich verhalten. 5. Erkläre Gleichung 6. Es gilt also bei Verbraucher mit hoher Leistung, vor allem Komplexer Leistungsaufnahme möglichst neutral zu konstruieren 7. Aufgaben der Ingenieure (Wir in dem Fall) auf nächster Folie Kapitel: Nullphasendurchgang (Projekt) 1. Nach der Optimierung des komplexen Widerstands (Herstellung der optimalen Kurven) 2. Gruppendiskussionsziel: 1. Optimale Zuschaltzeit um möglichst wenig Schaltvorgänge hervorzurufen 2. Wäre egal bei Bimetallsteuerung aber wir sind in der Leistungselektronik (Optokoppler wird vorgestellt) 3. Bei unterschiedlichen Spannungen nun galvanische Trennung, Sicherheitsaspekt, Störanfälligkeit geht runter sowie hoch 4. Vor/Nachteile der Leistungselektronik: 1. Verschleißarm (kein Kontaktfeuer) 2. Direkte / genaue Steuerung der Leistungsparameter