Versuch: Gleichstrom-Pulssteller

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1 Praktikum Leistungselektronik (Im Rahmen des Komplexpraktikums Elektrotechnik) Versuch: Gleichstrom-Pulssteller 1 Versuchsziel Kennenlernen der Funktionsweise abschaltbarer leistungselektronischer Bauelemente (bipolarer Leistungstransistor, Power-MOSFET, IGBT, GTO-Thyristor) in selbstgeführten Stromrichterschaltungen. Kennenlernen des Betriebsverhaltens von Gleichstrom-Pulssteller und Hochsetzsteller bei unterschiedlichen Steuerungs- und Regelungsverfahren und bei Anschluss unterschiedlicher Verbraucher. Kennenlernen der Funktionsweise von Mehr-Quadranten-Pulsstellern. 2 Voraussetzungen Unter Bezugnahme auf die Vorlesungen und Übungen der Lehrveranstaltung Leistungselektronik I werden folgende Kenntnisse vorausgesetzt: Statisches und dynamisches Verhalten sowie Kenn- und Grenzwerte der genannten abschaltbaren leistungselektronischen Bauelemente Aufbau und Funktionsweise transistorisierter Gleichstrom-Pulssteller und Hochsetzsteller sowie charakteristischer Strom- und Spannungsverläufe Strom- und Spannungsbeanspruchungen leistungselektronischer Bauelemente in selbstgeführten Stromrichterschaltungen (Gleichstrom-Pulssteller) Ermittlung/Berechnung der im Verbraucher umsetzbaren Wirkleistung bei unterschiedlichen Last- und Steuerungsverhältnissen Charakteristische Anwendungen von Gleichstrom-Pulsstellern Strom- und Spannungsmessung in leistungselektronischen Schaltungen mittels Oszilloskop 1

2 3 Versuchsdurchführung ACHTUNG ALLE UMBAUTEN DER VERSUCHSANLAGE SIND IM SPANNUNGSLOSEN ZUSTAND DURCHZUFÜHREN! 3.1 Gleichstrom-Pulssteller Messen Sie bei ohmscher Last ohmsch-induktiver Last Belastung mit einem Gleichstrom-Nebenschlussmotor den arithmetischen Mittelwert von Eingangsspannung, Ausgangsspannung, Eingangsstrom sowie Ausgangsstrom, den Effektivwert von Ausgangsspannung sowie Ausgangsstrom und die Eingangsleistung für den Fall einer Pulsbreitensteuerung! 1. Schließen Sie zunächst nur die ohmsche Last an! Stellen Sie dazu den Schleifer des Widerstandes auf die grüne Position (entspricht ca. 20 )! 2. An der Mikrocontroller-Baugruppe ist Stromrückkopplung (I) einzustellen! 3. Am Trennverstärker Vierkanal ist Kanal C auf /100 zu stellen! 4. Schalten Sie den dreiphasigen Schalter zwischen Transformator und Wechselrichter ein! Vor dem Einschalten ist die Schaltung durch einen Laboringenieur zu kontrollieren! 5. Öffnen Sie das Programm GSPS! 6. Wählen Sie hier unter Schaltung 4-QP, unter Taktungsverfahren Einseitige Taktung und unter Steuer-, Regelverfahren PWM / PFM! 7. Betätigen Sie im Programm den Schiebeschalter Eingabestatus, so dass Datenübergabe aktiviert wird und starten Sie diese anschließend mit START! 8. Sie können nun das Tastverhältnis in Zehnerschritten von 10 % auf 100 % erhöhen. Bei jedem Wert muss am Transformator der Mittelwert der Eingangsspannung erneut auf 200 V eingestellt werden! Ihre zugehörigen Messwerte können Sie nach dem Aufruf der GSPS.xlt - Excel-Vorlage eintragen. Hinweis Die Excel-Datei soll im Ordner Desktop\Praktikum\Gruppen abgelegt werden. 9. Schalten Sie danach den dreiphasigen Schalter zwischen Transformator und Wechselrichter aus! 10. Beenden Sie die Datenübergabe im GSPS-Programm, indem Sie STOPP betätigen! 11. Wiederholen Sie die Messung, indem Sie zum Widerstand eine Induktivität von 100 mh in Serie schalten! 2

3 Hinweis In der Excel-Datei befindet sich für den jeweiligen Aufgabenteil ein entsprechendes Tabellenblatt. 12. Wiederholen Sie die Messung, indem Sie als Belastung eine Induktivität mit 100 mh und den Gleichstrom-Nebenschlussmotor (rechte Gleichstrommaschine) in Reihe schalten! Hinweis Auf den Laborleitungen stehen die am Motor zu kontaktierenden Buchsen. 13. Schalten Sie die Erregung des Gleichstrom-Nebenschlussmotors Uerr.-GM am Labortisch ein! 14. Schalten Sie den Lüfter an der Pendelmaschine (linke Gleichstrommaschine) ein! 15. Schalten Sie die Spannungsversorgung für die Pendelmaschine mit dem schwarzen Drehschalter auf der linken Seite des Tisches ein! 16. Schalten Sie das Steuergerät für Pendelmaschine ein, indem Sie beim Einschalten der Schaltwippe S den Taster Display gedrückt halten! 17. Stellen Sie den Führungsgrößengeber auf 1,5 Nm bei (0 +10) V und MODE TORQUE CONTROL! 18. Führen Sie die Messungen durch! 19. Schalten Sie danach alles, was Sie eingeschaltet haben, wieder aus! Bestimmen Sie aus den aufgenommenen Kennwerten für jedes Tastverhältnis die in der Last umgesetzte Wirkleistung! Stellen Sie die Ergebnisse als Funktion des Tastverhältnisses grafisch dar! Berechnen Sie für den ohmschen sowie ohmsch-induktiven Lastfall (mit R = 20 und L = 100 mh) die umgesetzte Wirkleistung als Funktion des Tastverhältnisses und vergleichen Sie mit den Messergebnissen! Diskutieren Sie die auftretenden Abweichungen! Berechnen Sie die Welligkeit der Lastspannung als Funktion des Tastverhältnisses und stellen Sie den Verlauf ebenfalls grafisch dar! Oszillografieren Sie für den ohmschen und ohmsch-induktiven Lastfall die zeitlichen Verläufe von Eingangs-, Transistor- und Ausgangsspannung Eingangs- und Ausgangsstrom! 1. Am Oszilloskop sind folgende BNC-Leitungen anzuschließen: Ch1 Ch2 Ch3 u E u T u A 3

4 2. Öffnen Sie das Programm Xviewer! 3. Betätigen Sie hier die Schaltfläche Gerät kontrollieren, wählen Sie im erscheinenden Fenster das Oszilloskop aus und drücken Sie Verbinden! 4. Laden Sie auf der erscheinenden Geräteoberfläche die Einstellung für die Spannungsverläufe Flash Mem/GSPS_313_U.set, indem Sie folgende Tasten der Reihe nach betätigen: FILE (Datei mit Hilfe der Pfeiltasten markieren) Select Load Load Exec ESC 5. Stellen Sie den entsprechenden Lastfall her! 6. Schalten Sie den dreiphasigen Schalter zwischen Transformator und Wechselrichter ein! 7. Starten Sie im GSPS-Programm die Datenübergabe und wählen Sie ein Tastverhältnis von 50 %! 8. Stellen Sie am Transformator den Mittelwert der Eingangsspannung auf 200 V! 9. Speichern Sie den Bildschirminhalt des Oszilloskops, indem Sie im Fenster mit der Geräteoberfläche den folgenden Menüeintrag wählen: Datei Speichern Bild Hinweis Die Farbe-Option Ein (invert.) ersetzt den schwarzen Bildschirmhintergrund durch einen weißen. Hinweis Die Bild-Datei soll im Ordner Desktop\Praktikum\Gruppen abgelegt werden. 10. Schalten Sie danach den dreiphasigen Schalter zwischen Transformator und Wechselrichter aus! 11. Beenden Sie die Datenübergabe im GSPS-Programm, indem Sie STOPP betätigen! 12. Wiederholen Sie die Messung, indem Sie am Oszilloskop folgende BNC- Leitungen anschließen: Ch3 i E i A Die Oszilloskop-Einstellung für die Stromverläufe lautet: Flash Mem/GSPS_313_I.set! 13. Oszillografieren Sie die Stromverläufe auch für den anderen Lastfall! Konstruieren Sie aus den beiden Stromverläufen den Verlauf des Transistorstromes! Vergleichen Sie die Ergebnisse mit den idealisierten Verläufen! 4

5 3.1.4 Oszillografieren Sie für den Belastungsfall mit einem Gleichstrom- Nebenschlussmotor die zeitlichen Verläufe von Ansteuersignal für IGBT 1 und 4 Ausgangsspannung und -strom im Motorbetrieb bei einem alternierenden Taktungsverfahren! 1. Wählen Sie GSPS-Programm unter Schaltung 4-QP, unter Taktungsverfahren Alternierende Taktung und unter Steuer-, Regelverfahren PWM / PFM mit Bremschopper (ggf. dazu den Schiebeschalter Eingabestatus betätigen, so dass Datenübergabe deaktiviert wird)! 2. Betätigen Sie im Programm den Schiebeschalter Eingabestatus, so dass Datenübergabe aktiviert wird! 3. Geben Sie die Spannungsgrenzen für den Chopper vor (für ue_og [V] 208 und für ue_ug [V] 204)! 4. An der Mikrocontroller-Baugruppe ist Spannungsrückkopplung (U) einzustellen! 5. Der Mikrocontroller-Eingang AI-5.0/3 ist mit dem Trennverstärkerkanal B zu belegen! 6. Am Oszilloskop sind folgende BNC-Leitungen anzuschließen: Ch1 s 1 Ch2 s 4 Ch3 u A i A 7. Laden Sie die Oszilloskop-Einstellung für diese Verläufe Flash Mem/GSPS_314.set! 8. Schließen Sie nun die Gleichstrommaschine in Reihe mit der Induktivität und machen Sie den Maschinensatz betriebsbereit (Führungsgrößengeber auf 1 stellen bei ( ) V und MODE UNCONTROLLED)! 9. Schalten Sie den dreiphasigen Schalter zwischen Transformator und Wechselrichter ein! 10. Starten Sie im GSPS-Programm die Datenübergabe und wählen Sie ein Tastverhältnis von 80 %! 11. Stellen Sie am Transformator den Mittelwert der Eingangsspannung auf 200 V! 12. Speichern Sie den Bildschirminhalt des Oszilloskops, indem Sie im Fenster mit Oszillografieren Sie für den Belastungsfall mit einem Gleichstrom- Nebenschlussmotor die zeitlichen Verläufe von Ansteuersignal für IGBT 1 und 4 Ausgangsspannung Ein- und Ausgangsstrom 5

6 im Generatorbetrieb bei einem alternierenden Taktungsverfahren! 1. Stellen Sie das Tastverhältnis auf 30 %! 2. Stellen Sie den Führungsgrößengeber auf 2! Was stellen Sie fest bezüglich der Ausgangsspannung und der Drehzahl? Notieren Sie Ihre Beobachtungen! 3. Am Oszilloskop sind folgende BNC-Leitungen anzuschließen: Ch1 s 1 Ch2 s 4 Ch3 u A i E 4. Laden Sie die Oszilloskop-Einstellung für diese Verläufe Flash Mem/GSPS_315_UI.set! 5. Speichern Sie den Bildschirminhalt des Oszilloskops, indem Sie im Fenster mit 6. Am Oszilloskop sind folgende BNC-Leitungen anzuschließen: Ch1 s 1 Ch2 s 4 Ch3 i E i A 7. Laden Sie die Oszilloskop-Einstellung für diese Verläufe Flash Mem/GSPS_315_II.set! 8. Speichern Sie den Bildschirminhalt des Oszilloskops, indem Sie im Fenster mit 9. Beenden Sie die Datenübergabe im GSPS-Programm, indem Sie STOPP betätigen! 10. Schalten Sie danach den dreiphasigen Schalter zwischen Transformator und Wechselrichter aus! 11. Schalten Sie danach alles, was Sie eingeschaltet haben, wieder aus! Oszillografieren Sie bei ohmsch-induktiver Last und dem Fall einer Zweipunktregelung den zeitlichen Verlauf von Ausgangsspannung und -strom in zwei charakteristischen Arbeitspunkten! 1. An der Mikrocontroller-Baugruppe ist Stromrückkopplung (I) einzustellen! 2. Der Mikrocontroller-Eingang AI-5.0/3 ist mit dem Trennverstärkerkanal C zu belegen und die Verstärkung von Kanal C ist auf 1/3 V/A zu stellen! 3. Schalten Sie die Induktivität (jetzt: 400 mh) mit dem Widerstand in Reihe! 4. Wählen Sie im GSPS-Programm unter Schaltung 4-QP, unter Taktungsverfahren Einseitige Taktung und unter Steuer-, Regelverfahren Zwei- 6

7 punktregelung (ggf. dazu den Schiebeschalter Eingabestatus betätigen, so dass Datenübergabe deaktiviert wird)! 5. Betätigen Sie im Programm den Schiebeschalter Eingabestatus, so dass Datenübergabe aktiviert wird! 6. Geben Sie weiterhin im Programm (s. A/D-Wandler ) für ia/meßsignal [A/V] 3 vor! 7. Geben Sie für ia_soll [A] 5 und für ia_delta [A] 2,5 vor! 8. Starten Sie die Datenübergabe! 9. Laden Sie die Oszilloskop-Einstellung für diese Verläufe Flash Mem/GSPS_316.set! 10. Am Oszilloskop sind folgende BNC-Leitungen anzuschließen: Ch3 u A i A 11. Schalten Sie den dreiphasigen Schalter zwischen Transformator und Wechselrichter ein! 12. Stellen Sie den Schleifer des Widerstandes auf die gelbe Position! 13. Stellen Sie am Transformator den Mittelwert der Eingangsspannung auf 200 V! 14. Speichern Sie den Bildschirminhalt des Oszilloskops, indem Sie im Fenster mit 15. Stellen Sie nun den Schleifer des Widerstandes auf die blaue Position! 16. Stellen Sie am Transformator den Mittelwert der Eingangsspannung auf 200 V! 17. Speichern Sie den Bildschirminhalt des Oszilloskops erneut! 18. Welchen Einfluss hat die Größe des Widerstandes für die Zeitkonstante? Notieren Sie Ihre Beobachtungen! 19. Schalten Sie danach alles, was Sie eingeschaltet haben, wieder aus! Bestimmen Sie bei ohmsch-induktiver Last und dem Fall einer Zweipunktregelung die Ein- und Ausschaltzeit, die Periodendauer und das Tastverhältnis als Funktion vom Stromsollwert (bei vorgegebener Stromschwankungsbreite) und stellen Sie das Ergebnis grafisch dar! 1. Stellen Sie den Schleifer des Widerstandes auf die schwarze Position! 2. Geben Sie im GSPS-Programm für die Stromschwankungsbreite ia_delta [A] 1,25 vor! 3. Nachdem Sie alles Notwendige eingeschaltet haben, können Sie nun die Messungen starten und den Stromsollwert ia_soll [A] von 0,75 auf 8,5 erhöhen. Bei jedem Wert muss am Transformator der Mittelwert der Eingangsspannung erneut auf 200 V eingestellt werden! Ihre zugehörigen Messwerte (Einschaltzeit: +Width, Ausschaltzeit: -Width, Pe- 7

8 riodendauer: Period) können Sie am Oszilloskop ablesen und in der GSPS.xlt -Excel-Vorlage eintragen. 4. Schalten Sie danach alles, was Sie eingeschaltet haben, wieder aus! 5. Schließen Sie das Programm Xviewer! 3.2 Hochsetzsteller Messen Sie bei ohmscher Last und Pulsbreitensteuerung den arithmetischen Mittelwert der Eingangsspannung sowie von Ausgangsspannung und -strom und stellen Sie die Ergebnisse als Funktion der Einschaltzeit grafisch dar! 1. Öffnen Sie das Programm Xviewer! 2. Betätigen Sie hier die Schaltfläche Gerät kontrollieren, wählen Sie im erscheinenden Fenster das Oszilloskop aus und drücken Sie Verbinden! 3. Laden Sie die Oszilloskop-Einstellung Flash Mem/GSPS_321.set! 4. Am Oszilloskop sind folgende BNC-Leitungen anzuschließen: 5. Schalten Sie den dreipoligen Schalter ein! u S 6. Am Führungsgrößengeber sind die Einschaltzeiten einzustellen und am Oszilloskop (s. +Width ) abzulesen! Nehmen Sie dazu Messwerte vom linken bis zum rechten Anschlag des Führungsgrößengebers auf! Ihre Messwerte können Sie in der GSPS.xlt -Excel-Vorlage eintragen Oszillografieren Sie für den ohmschen Lastfall die zeitlichen Verläufe von Eingangsspannung und -strom Transistorspannung und -strom Ausgangsspannung und -strom und vergleichen Sie die Ergebnisse mit den idealisierten Verläufen! 1. Stellen Sie den Führungsgrößengeber so ein, dass ein Tastverhältnis von 0,5 entsteht! 2. Laden Sie die Oszilloskop-Einstellung Flash Mem/GSPS_322_U.set! 3. Am Oszilloskop sind folgende BNC-Leitungen anzuschließen: Ch1 Ch2 Ch3 u E (Trennverstärkerkanal B auf /100 stellen) u T (s. Spannungswandler) u A (s. Spannungswandler) u DR (s. Spannungswandler) 4. Speichern Sie den Bildschirminhalt des Oszilloskops, indem Sie im Fenster mit 5. Laden Sie die Oszilloskop-Einstellung Flash Mem/GSPS_322_I.set! 8

9 6. Am Oszilloskop sind folgende BNC-Leitungen anzuschließen: Ch1 i E (Trennverstärkerkanal B auf 1 V/A stellen) Ch2 i T (s. Stromwandler) Ch3 i A (s. Stromwandler) i C (s. Stromwandler) 7. Speichern Sie den Bildschirminhalt des Oszilloskops erneut! 8. Schalten Sie den dreipoligen Schalter aus! 4 Aufgaben zur Selbstkontrolle Erläutern Sie die Wirkungsweise der zu untersuchenden Schaltungen (Gleichstrom- Pulssteller und Hochsetzsteller) anhand der zeitlichen Verläufe von Strömen und Spannungen! Diskutieren Sie die Wirkungsweise der unterschiedlichen Steuerungsverfahren und der Zweipunktregelung! Diskutieren Sie den Einfluss verschiedener Lastfälle auf das Betriebsverhalten! 5 Hinweise zum Protokollinhalt Zeichnen Sie für jede zu untersuchende Schaltung das vollständige Schaltbild einschließlich der Zählpfeile der zu messenden Größen! Achten Sie bei der Darstellung zeitlicher Verläufe auf die Angabe der dazugehörigen Null-Linie und kennzeichnen Sie die einzelnen Verläufe durch eine entsprechende Legende! Interpretieren Sie alle Messergebnisse! Erklären Sie Abweichungen zur Theorie qualitativ und quantitativ! Vergleichen Sie die Messergebnisse mit den berechneten Größen! Versuchsanleitung_GSPS_1.3.doc, Fröde,