Fachhochschule Bielefeld 26. Juni 1997 Fachbereich Elektrotechnik

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1 Fachhochschule Bielefeld 6. Juni 1997 Fachbereich Elektrotechnik Professor Dr. Ing. habil. K. Hofer Klausur zu LEISTUNGSELEKTRONIK UND ANTRIEBE (LE) Bearbeitungsdauer: Hilfsmittel:.0 Zeitstunden Vorlesungsskriptum, Formelsammlung Seminarunterlagen, Taschenrechner Lösungsblätter ohne den Namen und die Matrikelnummer werden nicht bewertet. Die Aufgabenblätter bitte nicht mit abgeben. 1. Aufgabe (5 Punkte) In einer Helligkeitssteuerung, bestehend aus einem Wechselstromsteller (0 V/50 Hz) und dem ohmschen Widerstand einer Glühlampe, soll die dritte Harmonische des Netzstroms einen vorgegebenen Höchstwert nicht überschreiten. Die gesetzlichen Vorschriften nach DIN VDE 088, Teil verlangen, dass der Effektivwert der dritten Stromharmonischen unter. A bleiben muss. 1.1 Zeichnen sie das gesamte Schaltbild und die zeitlichen Verläufe der Netzspannung und des Netzstroms auf. 1. Wie nennt man einen solchen Stromverlauf? 1. In welche Anteile teilt sich die dem Netz entnommene Scheinleistung auf? 1.4 Worin besteht der Unterschied Zwischen dem Leistungsfaktor und dem Verschiebungsfaktor? 1.5 Geben Sie die Fourierkoeffizienten für den Verlauf des Netzstrom an. Bitte lesen Sie alle Aufgaben in Ruhe durch, bevor Sie starten!

2 1.6 Berechnen Sie damit den Effektivwert der dritten Stromharmonischen als Funktion des Steuerwinkels. 1.7 Bei welcher Aussteuerung ist die dritte Stromharmonische maximal? 1.8 Welchen Wert muss der Widerstand der Glühlampe mindestens besitzen, damit die gesetzlichen Vorschriften nicht verletzt werden? 1.9 Berechnen Sie die maximale Wirkleistung des Verbrauchers und geben Sie den zugehörigen Steuerwinkel an?. Aufgabe (5 Punkte) Der Antrieb einer Bergbahn besteht aus einem netzgeführten Gleichstromantrieb, der über einen Transformator (u K 10%) aus einem einphasigen Netz (15 kv, 50 Hz) gespeist wird. Die Bahn hat eine Masse von m 0 t und soll den Berg in Form einer schiefen Ebene vorwärts hoch und rückwärts herunter fahren. Die potentielle Energie muss generatorisch ins einphasige Netz zurückgespeist werden. Als Antriebsmotor soll eine fremderregte Gleichstrommaschine (R Ω, I dn ka, Ψ N 1 Vs, n N 400 min -1 ) verwendet werden..1 Zeichnen Sie das Schaltbild des Antriebs auf.. Welches Nennmoment und welche Nennleistung hat die Gleichstrommaschine?. In welchen Quadranten der M,n-Ebene muss die Maschine arbeiten? (Skizze).4 Welche Stromrichterschaltung ist hierfür erforderlich? (Begründung).5 Unter Berücksichtigung der Kommutierungseinflüsse sind zu berechnen:.5.1 Der induktive Gleichspannungsabfall.5. Die ideelle Leerlaufgleichspannung, wenn diese 0% über der Ankernennspannung liegen soll?.6 Wie lautet die Steuerkennlinie des Stromrichters? (Formel).7 Ermitteln Sie den stationären Steuerwinkel für die Bergfahrt und für die Talfahrt..8 Unter der Annahme eines vollkommen glatten Gleichstroms sind die dem Netz entnommene Scheinleistung, Wirkleistung, Grundschwingungsblindleistung und Verzerrungsleistung während der Bergfahrt zu berechnen..9 Welches Übersetzungsverhältnis hat der Transformator? Eine Musterlösung wird im Anschluss am LE-Labor ausgehängt!

3 . Aufgabe (5 Punkte) In einem Elektroauto wird die 1V-Batterie der Nebenaggregate (Licht, Blinker, Radio, etc.) über eine Elektronische Lichtmaschine aus der Traktionsbatterie nachgeladen. Zur Glättung, des Ladestroms (I d 5A) ist eine Induktivität (L) vorgesehen. Sämtliche Verluste dürfen bei den folgenden Betrachtungen vernachlässigt werden. 160 V Traktionsbatterie i 0 U Elektronische Lichtmaschine 160 / 1 V 0 d i d u L 1 V Batterie.1 Welcher Stromrichter kommt zum Einsatz und wie viele Quadranten der U d -I d - Ebene muss er abdecken?. Geben Sie das Schaltbild des Stromrichters an, wenn als Schalter ein IGBT verwendet wird.. Zeichnen Sie die zeitlichen Verläufe der Ausgangsgrößen (U d, i d ), sowie die Leitphasen der Ventile in ein Diagramm ein..4 Welches Tastverhältnis muss amn Stromrichter eingestellt werden? Wie groß ist die Einschaltzeit des Transistors, wenn mit f p 0 khz getaktet wird?.5 Dimensionieren Sie die Glättungsinduktivität so, dass der Ausgangsstrom eine Stromschwankung von 1A für beliebige Tastverhältnisse nicht überschreiten kann..6 Tragen Sie den zeitlichen Verlauf des Eingangsstroms ebenfalls in das Diagramm nach Punkt. ein..7 Welchen arithmetischen Mittelwert hat der Eingangsstrom?.8 Welche Wirkleistung wird der Traktionsbatterie entnommen?.9 Berechnen Sie den Effektivwert des Eingangsstroms sowie den Leistungsfaktor. Die Prüfungsergebnisse werden spätestens nächste Woche bekannt gegeben!!

4 4 4. Aufgabe (5 Punkte) Die Trommel eines Wickelantriebs für Stoffbahnen und Papierrollen hat eine Masse von m 100 kg und einen Radius von R 0.18 m. Sie hat die Form eines Hohlzylinders und wird von einem drehzahl-drehmomentengeregelten Motor plus Getriebe (Getriebemotor) geführt. Das Festgetriebe des Elektromotors hat ein Übersetzungsverhältnis von ü 4. Der Antrieb soll nun so ausgelegt werden, dass die Trommel des Wicklers in fünf Sekunden linear auf eine Umfangs-Nenngeschwindigkeit von v N 7 km/h beschleunigt werden kann. Als Widerstandsmoment tritt ein konstantes Reibmoment von M w Nm auf. 4.1 Skizzieren Sie den kompletten, mechanischen Aufbau und tragen Sie alle antriebstechnischen Parameter ein. 4. Welche Nenndrehzahl und welches Massenträgheitsmoment hat der Wickler? 4. Wie groß muss das Beschleunigungsmoment und das Antriebsmoment auf der Ausgangsseite des Getriebes ein? 4.4 Zeichnen Sie die zeitlichen Verläufe der Drehzahl und des Antriebsmoments während der Beschleunigungsphase auf. 4.5 Rechnen Sie das Antriebsmoment, das Massenträgheitsmoment und die Nenndrehzahl auf die Motorseite um, wenn das Getriebe einen Wirkungsgrad von 95% besitzt. 4.6 Für welche Nennleistung muss der Elektromotor ausgelegt sein? 4.7 Warum treibt man die Trommel des Wicklers nicht direkt mit der Motorwelle an? 4.8 Welche Quadranten muss der Elektroantrieb abdecken, wenn die Trommel des Wicklers auch abgebremst werden soll? 4.9 Berechnen Sie die in der Trommel bei Nenndrehzahl gespeicherte Rotationsenergie. Wir wünschen Ihnen einen klaren Kopf und viel Erfolg!!!!

5 Lösungen (nur Zahlenwerte) nichtsinusförmiger Wechselstrom S P + Q + D 1.4. λ P/S g i cos ϕ 1 1 cos( m 1) α 1 cos( m + 1) α sin( m + 1) α sin( m 1) α 1.5. am bm πr m 1 m + 1 πr m + 1 m a 1.7. α π/ 1 cos α 1 cos 4α R π I Lmax U/πR R > 1,8 Ω 1.9. Bei α 0 P max 1,66 kw b sin 4α sin α R π 4 I L a + b.. M N knm P mechn 50,7 kw.. 1. und 4. Quadrant.4. Vollgesteuerter B-SR.5. U di 1, U dn 8 V U dx d x U di u k / U di.6. U dα U di cos α - U dx.7. α B 5,5 α T 15,7.8. S 751 kva; P 56 kw; Q 1 91 kvar; D 40 kvar.9. ü Gleichstromsteller (Chopper), 1.Quadrant.4. T e /T0,075 T e,75µs.5. L mh.7. I 0 0,75 A.8. P 60 W.9. I 0eff 1,7 A λ 0,7 4.. n N 600 min -1 J 10,11 Ws³ 4.. M b 17 Nm M an * 150 Nm 4.5. n an 400 min -1 J a 0,6 Ws³ M an 9,4 Nm 4.6. P mechn 9,9 kw 4.7. Leistung wird über Drehmoment erzielt, kleines Motorvolumen und -gewicht Quadrant antrieben und. Quadrant bremsen 4.9. W rot 19,956 kws 5,54 Wh Stand: