Versuch LE 2. (Praktikum)

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1 FH Stralsund Fachbereich Elektrotechnik und Informatik Praktikum im Fach Leistungselektronik Versuch LE 2 (Praktikum) Kommutierungsvorgänge beim netzgeführten Stromrichter Die Dreipuls-Mittelpunktschaltung Versuchsziel: Kennenlernen der inneren Wirkungsweise von netzgeführten Stromrichtern anhand der M3- Schaltung. Klärung der Begriffe Kommutierung, Überlappungswinkel, induktiver Spannungsabfall, Steuer- und Kommutierungsblindleistung sowie Netzspannungsverzerrung.

2 2 6. Versuchsdurchführung 6.1. Kolloquiumsfragen 1. Erklären Sie den Vorgang der Kommutierung! Wodurch wird eine ideale Kommutierung verhindert? Wie verlaufen Kommutierungsspannung und Kommutierungsstrom? 2. Diskutieren Sie qualitativ die Abhängigkeit des Überlappungswinkels u vom Steuerwinkel α, von der Kommutierungsspannung, von den Kommutierungsinduktivitäten und vom Gleichstrom I d! Wie lautet die zugehörende Gleichung? 3. Was versteht man unter dem Anfangsüberlappungswinkel u o? 4. Welche Bedeutung hat der Überlappungswinkel für die maximale Wechselrichteraussteuerung? 5. Erläutern Sie das Auftreten eines induktiven Gleichspannungsabfalls D x! Von welchen Größen hängt er ab? Was versteht man unter dem bezogenen Gleichspannungsabfall d x? 6. Geben Sie die Belastungskennlinie des realen Stromrichters bei idealer Glättung an und erläutern Sie die Ursachen für das Abfallen der Spannung! 7. Welche Auswirkungen hat die verzögerte Kommutierung auf das Blindleistungs- und Spannungsverhalten des Stromrichters? 8. Welche Netzrückwirkungen treten beim Betrieb eines Stromrichters auf? 6.2. Versuchsvorbereitung Machen Sie sich mit den theoretischen Grundlagen und der praktischen Versuchsdurchführung bereits vor Versuchsbeginn vertraut! Verändern Sie während des Versuches auf keinen Fall etwas an der Verdrahtung des Thyristorsatzes! 6.3. Versuchsaufgaben Untersuchung des Überlappungswinkels und der Blind- und Wirkleistungen a) Versuchsaufbau In die Experimentierplatte sind bereits Kommutierungsdrosseln von je 0,8 mh fest eingebaut. Zusäzlich sind Kommutierungsdrosseln von insgesamt 2,02 mh in jede Zuleitung zu schalten!

3 3 b) Geräteeinstellungen 1) Experimentierplatte SYNCHRONISATION: D IMPULSFOLGE: B6 DOPPELPULS: Aus INT./EXT.: Intern FREIGABE: Ein 2) Trennverstärker KANAL A (1+ und 1-): Ventilstrom i V1 RANGE (V): 3 KANAL B (2+ und 2-): Ventilstrom i V2 RANGE (V): 3 OUTPUT-MODE: Normal 3) Oszilloskop KANAL I (Ventilstrom i V1 ) + KANAL II (Ventilstrom i V2 ) VERSTÄRKUNG: variabel (z.b. 0,2 V/DIV) ZEITBASIS: variabel (z.b. 0,5 ms/div) (Feinsteller aber stets ganz rechts) EINGANGSKOPPLUNG: Gleichstrom (Taste CH. I DC/AC gedrückt) INVENTIERUNG: nein (Taste INV.CH. I nicht gedrückt) TRIGGERUNG: intern (Tasten TRIG EXT., TRIG. I/II und SLOPE nicht gedrückt) BETRIEBSART: ADD (Tasten CH I/II, DUAL und ADD gedrückt) Überlappungswinkel in Abhängigkeit vom Laststrom Untersuchen Sie die Abhängigkeit des Überlappungswinkels vom Laststrom I d! Bedingung: α = 0 = const. L K = L Kmax = 2,82 mh = const. Gehen Sie bei der Versuchsdurchführung nach folgendem Schema vor: 1. Spannungsversorgung ausschalten (S1 und S2: AUS)! 2. Transformatorspannung für den Brückengleichrichter auf Null drehen! 3. L K = L Kmax schalten! 4. Drehen Sie R L1 auf R L1max (180 Ω)! 5. Strommesser auf 3 A - Meßbereich stellen! 6. Spannungsversorgung zuschalten (S1: EIN)! 7. Unbedingt auf Rechtsdrehfeld achten! Gegebenenfalls sind zwei Zuleitungen zu vertauschen. 8. Experimentierplatte an das Drehstromnetz schalten (S2: EIN)! 9. Zündverzögerungswinkel auf α = 0 einstellen! 10. Transformatorspannung langsam aufregeln! Achten Sie auf U B! Im Bereich von oberhalb 200 V zünden die Thyristoren der Experimentierplatte, es kommt zu einem Sprung von U d auf ca V und ein entsprechender Laststrom beginnt zu fließen! 11. Drehen Sie die Transformatorspannung wieder auf 0 V! 12. Beginnen Sie mit der Versuchsdurchführung u = f(i d )! I d ist in 1 A - Schritten von 1 A bis 7 A einzustellen und der jeweilige Überlappungswinkel u durch geeignete Oszilloskopeinstellungen am Oszilloskop zu ermitteln! Dazu sind die Ventilströme i V1 und i V2 zu oszilloskopieren.

4 4 Meßwerttabelle u = f(i d ) I d 1 A 2 A 3 A 4 A 5 A 6 A 7 A u 13. Nach Beendigung der Versuchsreihe sind die Lastwiderstände wieder auf ihren Maximalwert und α auf α = α max zu stellen! 14. Schalten Sie S2 und S1 auf AUS! Überlappungswinkel in Abhängigkeit von der Kommutierungsinduktivität Untersuchen Sie die Abhängigkeit des Überlappungswinkels von der Größe der in den Netzzuleitungen geschalteten Kommutierungsinduktivität L K! Bedingungen: α = 0 = const. I d = I dmax = 6 A L Kmin = 0,8 mh Gehen Sie bei der Versuchsdurchführung nach folgendem Schema vor: In die Netzzuleitungen sind nacheinander folgende zusätzliche Kommutierungsdrosseln zu schalten: L N = 0 mh; L N = 0,16 mh; L N = 0,66 mh; L N = 1,2 mh; L N = 1,7 mh 1. Spannungsversorgung ausschalten (S1 und S2: AUS)! 2. Transformatorspannung für Brückengleichrichter auf Null drehen! 3. L K = L Kversuch schalten! 4. Drehen Sie R L1 auf R L1max (180 Ω)! 5. Strommesser auf 3 A - Meßbereich stellen! 6. Unbedingt auf Rechtsdrehfeld achten! Gegebenenfalls sind zwei Zuleitungen zu vertauschen. 7. Experimentierplatte an das Drehstromnetz schalten (S2: EIN)! 8. Zündverzögerungswinkel langsam auf α = 0 einstellen! Bei einem bestimmten Zündwinkel, entsprechend der jeweiligen Größe der Kommutierungsdrossel, kommt es zum Durchzünden der Thyristoren. Kommt es bei großer L K nicht zum Zünden der Thyristoren, dann ist die Mitspannung U B soweit zu erhöhen, bis die Thyristoren zünden. Anschließend ist U B wieder auf Null zu drehen! 9. Stellen Sie R L auf einen Wert, daß der maximale Laststrom von I d = 6 A fließt! 10. Ermitteln Sie den Überlappungswinkel u am Oszilloskop!

5 5 Meßwerttabelle u = f(l N ) L N 0 mh 0,16 mh 0,66 mh 1,2 mh 1,7 mh 2,02 mh u 11. Stellen Sie α auf α = α max und R L auf R Lmax! 12. Beginnen Sie wieder bei Punkt 1.! 13. Nach Beendigung der Versuchsreihe sind die Lastwiderstände wieder auf ihren Maximalwert und α auf α = a max zu stellen! 14. Schalten Sie S2 und S1 auf AUS! Überlappungswinkel und Leistungen in Abhängigkeit vom Zündverzögerungswinkel Untersuchen Sie die Abhängigkeit des Überlappungswinkels und der aufgenommenen und abgegebenen Blindbzw. Wirk- und Gleichstromleistung von der Größe des Zündverzögerungswinkels α! Bedingung: L N = 2,02 mh I d = I dmax = 5 A a) Versuchsaufbau

6 6 b) Geräteeinstellungen 1) Trennverstärker KANAL A (1+ und 1-): Leiter-Leiter-Spannung RANGE (V): 600 KANAL B (2+ und 2-): Ventilstrom i V1 RANGE (V): 3 OUTPUT-MODE: Normal 2) Oszilloskop KANAL I (Leiter-Leiter-Spannung) VERSTÄRKUNG: 2 V/DIV KANAL II (Ventilstrom) VERSTÄRKUNG: 1 V/DIV ZEITBASIS: 0,2 ms/div; zur Auswertung X.MAG. x 10 gedrückt (Feinsteller der Zeitbasis ganz rechts) EINGANGSKOPPLUNG: Gleichstrom (Taste CH. I DC/AC gedrückt) INVENTIERUNG: nein (Taste INV.CH. I nicht gedrückt) TRIGGERUNG: intern (Tasten TRIG EXT., TRIG. I/II und SLOPE nicht gedrückt) BETRIEBSART: ADD (Tasten CH I/II, DUAL und ADD gedrückt) Gehen Sie bei der Versuchsdurchführung nach folgendem Schema vor: Bei der Versuchsdurchführung ist α in einem Bereich von α = in 5 -Schritten und von in 10 -Schritten zu verstellen und die jeweiligen interessierenden Meßgrößen zu ermitteln. 1. Spannungsversorgung ausschalten (S1 und S2: AUS)! 2. Transformatorspannung für den Brückengleichrichter auf Null drehen! 3. Drehen Sie R L1 auf R L1max! (180 Ω)! 4. Strommesser auf 3 A - Meßbereich stellen! 5. Spannungsversorgung zuschalten (S1: EIN)! 6. Unbedingt auf Rechtsdrehfeld achten! Gegebenenfalls sind zwei Zuleitungen zu vertauschen. 7. Experimentierplatte an das Drehstromnetz schalten (S2: EIN)! 8. Zündverzögerungswinkel auf α = 0 einstellen! 9. Transformatorspannung langsam aufregeln! Achten Sie auf U B! Im Bereich von oberhalb 200 V zünden die Thyristoren der Experimentierplatte, es kommt zu einem Sprung von U d auf ca V und ein entsprechender Laststrom beginnt zu fließen! Stellen Sie die Zusatzspannung U B auf 220 V! 10. Beginn der Messreihe: Stellen Sie α auf den jeweils aktuellen Wert! Halten Sie I d = 5 A durch Verstellen der Lastwiderstände konstant. Achten Sie unbedingt darauf, daß α = α max = 140 und I d = 5 A nicht überschritten werden! 11. Ermitteln Sie bei jedem α aus der oszillografierten Leiterspannung die Kommutierungsdauer u in µs sowie die Tiefe des Spannungseinbruches (in Teilstrichen) an der Stelle des aufkommutierenden Ventilstromes! Messen Sie mit dem LMG 310 gleichzeitig P (L2), Q (L2), Q 1(L2), λ (L2), I d, U dα = f(α)!

7 7 α u P (L2) Q (L2) Q 1(L2) λ (L2) I d U dα Nach Beendigung der Versuchsreihe ist die Transformatorspannung zügig auf Null zu drehen und die Experimenteierplatte vom Netz zu schalten! Stellen Sie die Lastwiderstände wieder auf ihren Maximalwert und α auf α = a max! 13. Schalten Sie S2 und S1 auf AUS! Untersuchung der Augenblicksabweichungen der Spannung am Anschlußpunkt des Stromrichters von der sinusförmigen Netzspannung Gehen Sie bei der Versuchsdurchführung nach folgendem Schema vor: 1. Spannungsversorgung ausschalten (S1 und S2: AUS)! 2. Transformatorspannung für den Brückengleichrichter auf Null drehen! 3. Drehen Sie R L1 auf R L1max! (180 Ω)! 4. Strommesser auf 3 A - Meßbereich stellen! 5. Spannungsversorgung zuschalten (S1: EIN)! 6. Unbedingt auf Rechtsdrehfeld achten! Gegebenenfalls sind zwei Zuleitungen zu vertauschen. 7. Experimentierplatte an das Drehstromnetz schalten (S2: EIN)! 8. Zündverzögerungswinkel auf α = 0 einstellen! 9. Transformatorspannung langsam aufregeln! Achten Sie auf U B! Im Bereich von oberhalb 200 V zünden die Thyristoren der Experimentierplatte, es kommt zu einem Sprung von U d auf ca V und ein entsprechender Laststrom beginnt zu fließen! 10. Drehen Sie die Zusatzspannung U B wieder auf 0 V! 12. Stellen Sie einen maximalen Laststrom von 7 A ein! Achten Sie darauf, daß zuerst der Schiebewiderstand verstellt wird!

8 8 13. Oszilloskopieren Sie die Leiter-Leiter-Spannung u Anschluß (L1 - L2) am definierten Anschlußpunkt des Stromrichters. Oszillografieren Sie gleichzeitig den Ventilstrom i V2! 14. Speichern Sie ein gut auswertbares Oszillografenbild und machen Sie mittels dem HAMEG-Grafik- Printer eine Hardcopy! 15. Wiederholen Sie die Messung bei α = 90 und I d = 7A und machen Sie auch hiervon eine Hardcopy! 13. Nach Beendigung der Versuchsreihe ist die Transformatorspannung zügig auf Null zu drehen und die Experimenteierplatte vom Netz zu schalten! Stellen Sie die Lastwiderstände wieder auf ihren Maximalwert und α auf α = a max! 14. Schalten Sie S2 und S1 auf AUS! 7. Versuchsauswertung 7.1. Stellen Sie die Funktion u in = f(i d ) gafisch dar! 7.2. Stellen Sie die Funktion u in = f(l K ) grafisch dar! 7.3. Stellen Sie die Funktion u in = f(α) grafisch dar! 7.4. Stellen Sie die Funktion Q U den jeweiligen Steuerwinkel! 1 α (L2) dio I d = f( U dα U dio ) grafisch dar! Kennzeichnen Sie auf dem Kurvenverlauf 7.5. Stellen Sie die Funktion U dα = f(α) grafisch dar! Kennzeichnen Sie die Bereiche des Gleichrichter- U dio und des Wechselrichterbetriebes! 7.6. Stellen Sie die Funktionen P (L2), Q (L2), D (L2), P dα = f(α) in einem Diagramm grafisch dar! 7.7. Diskutieren Sie schriftlich Ihre gewonnenen Meßergebnisse und Diagramme! 7.8. Ermitteln Sie aus den erzielten Hardcopys die auf den Spitzenwert der oszillografierten Spannung bezogene prozentuale Größe der Spannungseinbrüche bei den verschiedenen Steuerwinkeln an der Stelle des aufkommutierenden Stromes! Legen Sie schriftlich die unter Punkt gewonnenen Erkenntnisse dar! Welcher Ventilzweig neben Zweig 1war bei dem betrachteten Spannungseinbruch an der Kommutierung beteiligt? Heften Sie die Hardcopys mit eingezeichneten Spannungs- und Strom- Nullinien im Protokoll ab! 8. Geräte 8.1. Grundlage a) schaltbare Drehstromeinspeisung: 3 x 380 V / 10 A mit Null- und Schutzleiter b) Netzgeführter Thyristorsatz: verdrahtet zur vollgesteuerte M3 - Schaltung c) Schalter mit Sicherungsautomat: 3 x 380 V / 10 A d) Drehfeldrichtungsanzeiger: 3 x 380 V e) Kommutierungsdrosseln: L K1 = 6 x 0,16 mh; L K2 = 3 x 0,5 mh; L K3 = 3 x 1,2 mh f) flinke Sicherung: 1 x 5 A FF 8.2. Zusatzspannungsquelle a) 6-Puls-Brückengleichrichter mit vorgeschaltetem Dreiphasen-Stelltransformator V 8.3. Belastung a) Glättungsdrossel:L L = 2 x 400 mh / 7 A b) Belastungswiderstand: R L = R L1 + R L2 R L1 = Ohm / 0,9... 5,5 A R L2 = Ohm / A

9 Meßgeräte a) Meßwiderstände: R m1... R m3 = 0,5 Ohm / 5 A b) Elektronischer Präzisions-Leistungsmesser LMG 310 c) Gleichstrommeßgerät (Drehspulmeßwerk oder elektronisch) d) Gleichspannungsmeßgerät (Drehspulmeßwerk oder elektronisch) e) 4 - Kanal-Trennverstärker f) Zweikanal - Oszilloskop g) Grafik-Printer 9. Literaturverzeichnis /1/ Bystron, Klaus: Leistungselektronik München, Wien: Hanser, 1979 /2/ Felderhoff, Rainer: Leistungselektronik München, Wien: Hanser, 1984 /3/ Jäger, Rainer: Leistungselektronik Berlin und Offenbach: vde-verlag gmbh, 1993