FACHHOCHSCHULE Bielefeld 14. Juli 2008 Fachbereich Ingenieurwissenschaften

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1 FACHHOCHSCHULE Bielefeld 14. Juli 2008 Fachbereich Ingenieurwissenschaften Professor Dr.Ing.habil. K. Hofer Klausur zu LEISTUNGSELEKTRONIK UND ANTRIEBE (LEA) Bearbeitungsdauer: Hilfsmittel: 3.0 Zeitstunden Vorlesungsskriptum, Formelsammlung, Seminarunterlagen, Taschenrechner Lösungsblätter ohne den Namen und die Matrikelnummer werden nicht bewertet. Die Aufgabenblätter bitte nicht mit abgeben. 1. Aufgabe (25 Punkte) Eine 100 W Glühbirne soll mit einem einphasigen Wechselstromsteller (W1) in ihrer Helligkeit verstellt werden. Über die digitale Steuereinheit des Stromrichtergeräts kann der Effektivwert der Ausgangsspannung entweder über die Verstellung des Zündwinkels durch Phasenanschnitt oder über das Schaltverhältnis einer Schwingungspaketsteuerung verändert werden. Die Thyristorhalbleiter arbeiten am öffentlichen Netz (230 V/ 50 Hz) und dürfen als ideal betrachtet werden. 1.1 Welches Steuerverfahren findet bei Helligkeitssteuerungen Verwendung und warum? 1.2 Wo liegen die Vorteile der Schwingungspaketsteuerung und deren Einsatzgebiete? 1.3 Zeichnen Sie das vollständige Schaltbild mit der Schutzbeschaltung der Leistungshalbleiter. 1.4 Tragen Sie den Verlauf der Verbraucherspannung und des Netzstromes für Phasenanschnitt und einen Steuerwinkel von α = el. maßstäblich in ein Diagramm ein. 1.5 Berechnen Sie den Effektivwert der Ausgangsspannung sowie den Effektivwert und die Phasenverschiebung der Grundschwingung im Netzstrom für α = el. 1.6 Welche Scheinleistung entnimmt die Schaltung dem speisenden Netz? 1.7 Berechnen Sie die einzelnen Anteile der Scheinleistung. 1.8 Was sind die Ursachen für die Steuerblindleistung und die Verzerrungsleistung? 1.9 Tritt im Verbraucherkreis ebenfalls Blindleistung auf? 1.10 Bei welchem Steuerwinkel wird der Effektivwert der dritten Harmonischen im Netzstrom maximal, wie groß ist dieser Effektivwert und verletzt er die DIN VDE 0838 Norm? Bitte lesen Sie alle Aufgaben in Ruhe durch, bevor Sie starten!

2 2. Aufgabe (25 Punkte) Ein netzgeführter B2-Umkehrstromrichter erzeugt den Gleichspannungszwischenkreis für einen dreiphasigen Wechselrichter. In die Netzzuleitung (230V/50 Hz) ist ein Trenntransformator (u K = 4,5 %) eingeschleift. Darüber hinaus sorgt eine Glättungsinduktivität (L) im Gleichspannungs- Zwischenkreis für einen nahezu glatten Gleichstrom, dessen Maximalwert bei I dn = 10 A liegt. Sämtliche Verluste der Bauteile dürfen in guter Nährung vernachlässigt werden. L1 N Umkehrstromrichter Trenntransformator i L U L I d U di L C Wechselrichter U UV U V W 2.1 Geben Sie das vollständige Schaltbild des einphasigen Umkehrstromrichters plus Transformator an. 2.2 Worauf bezieht sich die Bezeichnung Umkehrstromrichter? 2.3 Was muss bei der Ansteuerung der Teilstromrichter beachtet werden? 2.4 Unter Vernachlässigung der Kommutierungseinflüsse (U dx = 0) sind die Steuerkennlinien des Umkehrstromrichters als Formel und in einem Diagramm anzugeben. Markieren Sie bitte die vier unterschiedlichen Arbeitsbereiche. 2.5 Welche Funktion übernimmt der Trenntransformator bei Kommutierungsvorgängen? Rechnen Sie die relative Kurzschlussspannung des Trafos (u K ) in den relativen, induktiven Gleichspannungsfall (d x ) für den Stromrichter um. 2.6 Wie groß sind die ideelle Leerlaufgleichspannung (U di ) und der induktive Gleichspannungsfall (U dx )? 2.7 Zeichnen Sie die Belastungskennlinien U dα = f(α, I d ) eines Teilstromrichter für verschiedene Steuerwinkel (α = 0, 60 0, 90 0, ) in ein Diagramm ein. (Kommutierung beachten!!) 2.8 Tragen Sie die Belastungskennlinien des zweiten Teilstromrichters unter Punkt 2.7 mit einer anderen Farbe ein. 2.9 Welche der Belastungskennlinien ist für die Versorgung eines Wechselrichters mit Spannungseinprägung ausreichend? (Begründung) 2.10 Skizzieren Sie für α = 0 0 el. die zeitlichen Verläufe von Netzspannung (u L ) und Netzstrom (i L ) bei Energieabgabe mit I d = I dn (Kommutierungseinflüsse dürfen vernachlässigt werden) Skizzieren Sie für α = el die zeitlichen Verläufe von Netzspannung und Netzstrom bei Energierückspeisung (I d = I dn ). Eine Musterlösung wird im Anschluss am schwarzen Brett ausgehängt! 2

3 3. Aufgabe (25 Punkte) Das Lüfterrad einer Raumluftanlage sitzt direkt auf der Welle einer permanenterregten Gleichstrommaschine (U an = 40 V, I dn = 5 A, n N = 4000 min -1, L = 55 mh) und soll über einen Einquadrant- Gleichstromsteller (Chopper) mit unterschiedlichen Drehzahlen angetrieben werden. Als E- nergiequelle dient eine 48-V Gleichspannungsversorgungsschiene. Der Chopper wird geräuscharm mit einer Pulsfrequenz von 20 khz zwischengetaktet. Sämtliche Schalt-, Reibungs- und Wärmeverluste dürfen vernachlässigt werden. 3.1 Geben Sie ein Blockschaltbild der kompletten Anordnung an. 3.2 In wie vielen Quadranten der M,n-Ebene arbeitet dieses Antriebssystem? (Begründung) 3.3 Zeichnen Sie das zugehörige Schaltbild des Gleichstromstellers. 3.4 Berechnen Sie das Tastverhältnis für Nennbetrieb. (Hinweis: R = 0) 3.5 Welche Leistung und welches Drehmoment gibt der Motor im Nennpunkt an den Lüfter ab? 3.6 Ermitteln Sie das erforderliche Drehmoment und die Leistung des Motors bei halber Nenndrehzahl. (Hinweis zum Lüfter: M ~ n 2 ) 3.7 Welche Werte gelten für die Motorspannung und den Motorstrom bei halber Nenndrehzahl und für welches Tastverhältnis stellen sie sich ein? 3.8 Zeichnen Sie die zeitlichen Verläufe der Motorspannung und des Motorstroms sowie des Gleichstroms aus der Gleichspannungsversorgung bei halber Nenndrehzahl in ein Diagramm. 3.9 Wie groß ist die Stromschwankungsbreite des Motorstroms in diesem Betriebszustand? 3.10 Bestimmen Sie den arithmetischen Mittelwert des Gleichstroms auf der Eingangsseite und geben sie seinen zeitlichen Verlauf im Bereich 0 < t < T e explizit als Zahlenwertgleichung an Durch welche Maßnahmen kann die Drehrichtung des Lüfters umgekehrt werden? Die Prüfungsergebnisse werden spätestens nächste Woche bekannt gegeben!! 3

4 4. Aufgabe (25 Punkte) Eine Drehstromasynchronmaschine (s N = 5 %, p = 1, P mech = 10 kw) arbeitet am öffentlichen Drehstromnetz ( 3 x 400 V/ 50 Hz). Zu Testzwecken wurde an der Welle eine fremderregte Gleichstrommaschine (Ψ N = 1 Vs, R = 0) angekoppelt, deren Ankerkreis aus einer vollgesteuerten B6- Schaltung gespeist wird. Das Stromrichterstellglied darf als ideal betrachtet werden. Die Eisen- und Reibungsverluste der Maschinen sind zu vernachlässigen. L1 L2 L3 R, L I d DAM M, Ω GM Ψ U d 4.1 Wie viele Quadranten der M,n- Ebene kann der Gleichstromantrieb abdecken? 4.2 Wie groß sind die Leerlaufdrehzahl und die Nenndrehzahl der Drehstromasynchronmaschine im Motorbetrieb? 4.3 Die Asynchronmaschine soll im Motorbetrieb (1. Quadrant) mit Nennleistung an der Welle belastet werden Welches Drehmoment muss die Gleichstrommaschine an der Welle aufnehmen? Geben Sie die Betriebszustände der beiden Maschinen und des Stromrichters an Berechnen Sie die Ankerspannung und den Ankerstrom der Gleichstrommaschine Für welchen Steuerwinkel stellt sich dieser Zustand ein? (Hinweis: α > 90 0 ) 4.4 Welcher Betriebszustand des Antriebssystems würde sich beim Verkleinern des Steuerwinkels auf α = 90 0 el. einstellen? 4.5 Durch welche Maßnahmen kann die Drehrichtung der Drehstromasynchronmaschine von Rechtslauf auf Linkslauf umgekehrt werden? 4.6 Wie groß ist die Nenndrehzahl der Drehstromasynchronmaschine im links laufenden Generatorbetrieb? (Hinweis: s < 0). 4.7 Die Asynchronmaschine soll im links laufenden Generatorbetrieb (4. Quadrant) mit Nennleistung an der Welle angetrieben werden Welches Nennmoment muss der Welle zugeführt werden? Geben Sie die Betriebszustände der beiden Maschinen und des Stromrichters an Berechnen Sie die Ankerspannung und den Ankerstrom der Gleichstrommaschine Für welchen Steuerwinkel (α < 90 0 ) stellt sich dieser Zustand ein? 4.8 Zeichnen Sie die drei Belastungsfälle nach Punkt 4.2, 4.3 und 4.6 maßstäblich in eine Drehzahl- Drehmoment-Ebene ein. Wir wünschen Ihnen einen klaren Kopf und viel Erfolg!!!! 4

5 Lösungen der LEA-Klausur vom (nur Zahlenwerte) 1.1 Phasenanschnittsteuerung, um flackern zu vermeiden. 1.2 Heizungssteuerung, weniger Blindleistung 1.3 W1 mit Glühlampe (ähnlich Bild 3.1. LE-Buch 1995) 1.4 u L (t), i L (t), î=0,61a (Verläufe ähnlich Bild 3.2. LE-Buch 1995) 1.5 U a =101,7V; I a1 = 0,134A; ϕ 1 = -50,7 1.6 S=44,2VA 1.7 P=19,5W; Q 1 =23,85VAr; D=Q D =31,69VAr 1.8 Steuerblindleistung Grundschwingungsverschiebungsblindleistung Verzerrungsleistung Abweichung von der Sinusform durch Oberschwingungen Nein I 3,max = 0,137A bei α = 90 ist kleiner als 2,3A (DIN EN ) 2.1. Trafo mit B2-Umkehrstromrichter und B6-WR Auf die Fähigkeit, das Vorzeichen des Gleichstroms umzukehren Es darf immer nur eine Teilbrücke angesteuert werden, sonst Netzkurzschluss. 2.4 Steuerkennlinie U d = f(α) (Bild 4.2.b) LE-Buch 1995) U d =sign(i d ) U di cos α 2.5 Kommutierungsinduktivität; d x =3,18%. 2.6 U dx =6,58V; 2.7 U dα =f(α, I d ) ähnlich Bild 4.3 b) LE-Buch U d =U di cos α +X k I d / π 2.9 U d =U di =const. (Obere Kennlinie) bei α=0 (SR1) und α=180 (SR2) Sinusspannung und Rechteckstrom. 3.1 Gleichstromsteller mit L und GS-Motor mit Lüfter. 3.2 Im 1. Quadranten; Bremsbetrieb nicht erforderlich. 3.3 Schaltbild Gleichsteller (ähnlich Bild 5.1. LE-Buch 1995). 3.4 T e /T= 0, P mech,n = 200W; M N = 0,48Nm. 3.6 M=0,12Nm; P mech =25W 3.7 I d =1,25A; U d =20V; T e /T= 0, Verläufe Diagramm u d, i d =f(t) ähnlich Bild 5.7 LE-Buch i d = 10,59mA 3.10 I 0 =0,52A; i 0 (t)=0,06a/µs*t + 1,25A Umpolen der Ankerspannung mit Schalter oder 2/4Q-Chopper Quadranten; vorwärts antreiben und rückwärts bremsen. 4.2 n 0 =3000 min -1 ; n N =2850 min M=33,5Nm; DAM=Motor; GM=Generator; B6=WR I d =-33,5A; U d =-298,5V; α=123,5 (WR). 4.4 für α=π/2 wird der Antrieb überlastet. 4.5 Durch Vertauschen zweier Phasen (Linksdrehfeld). 4.6 n N =-3150 min M=30,3Nm DAM=Generator; GM=Motor; B6=GR I d =30,3A; U d =330V α=52,3 (GR). 4.8 Diagramm: n=f(m) mit den 2 Maschinen-Kennlinien. Stand: