Versuch EL-V1: Tiefsetzsteller

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1 Versuch EL-V1: Tiefsetzsteller Inhaltsverzeichnis 1 Lernziele 2 2 Versuchsinhalt 2 3 Einleitung 3 4 Sicherheitshinweise 3 5 Schaltbild und Bedienhinweise 4 6 Vorbereitungsanleitung 7 7 Versuchsaufgaben 9 8 Parameter des Versuchsstands 10 9 Literatur 11 EL-V1-1

2 1 Einleitung Für diverse elektrische Anlagen ist es notwendig, aus einer konstanten Eingangs-Gleichspannung eine variable Ausgangsspannung zu generieren. Um eine niedrigere Ausgangsspannung zu erzeugen, kann ein Tiefsetzsteller eingesetzt werden. Die Drehzahlregelung einer Gleichstrommaschine beispielsweise geschieht über die Variation der Ankerspannung. Für den Fall einer anfahrenden Straßenbahn gilt, dass die Motorspannung erhöht werden und Leistung der Maschine zugeführt werden muss, um die gewünschte Beschleunigung zu erreichen. Es wird eine Schaltung gefordert, die aus der konstanten Fahrdrahtspannung verlustarm eine niedrigere einstellbare Motorspannung generiert. Diese Anforderungen lassen sich durch den Tiefsetzsteller realisieren. Andere Bezeichnungen dafür sind Abwärtswandler, step-down-converter oder buck-converter. Eingesetzt werden sie überall, wo unterschiedlichste Verbraucher mit einer geringeren Betriebsspannung aus einer Quelle mit einer höheren Gleichspannung versorgt werden. Als weitere Anwendungsbeispiele sind akkubetriebene Geräte wie Handys und Laptops zu nennen. 2 Voraussetzungen und Lernziele In diesem Versuch wird den Studenten das Funktionsprinzip des Tiefsetzstellers verdeutlicht. Dazu wird das Wissen der Vorlesungsinhalte Grundlagen der Energietechnik vorausgesetzt. Der Versuch behandelt und vertieft Themen der Vorlesung Leistungselektronik, daher kann als weiterführende Literatur das Skript dieser Vorlesung verwendet werden. Die Studenten sollen erkennen, welchen Einfluss Schaltfrequenzen, Bauteilwerte, Aussteuerung und Lastverhalten auf das Betriebsverhalten des Tiefsetzstellers haben. Des weiteren ist eine Dokumentation zu Beobachtungen und Ergebnissen des Versuches anzufertigen.

3 3 Funktionsweise des Tiefsetzstellers Bild 1: Schaltbild eines Tiefsetzstellers Eine einfache Form eines Tiefsetzstellers besteht aus einem Transistor, einer Diode, einer Induktivität und einer Last, welche hier durch einen Widerstand realisiert ist. In der weiteren Betrachtung werden Ventilverluste vernachlässigt. Als Eingangsspannung dient eine konstante, innenimpedanzfreie Gleichspannungsquelle mit der Spannung U. Die Ausgangsspannung nimmt zwei verschiedene Werte an, die vom Schaltzustand des Transistors abhängig sind. Wenn der Transistor eingeschaltet ist, liegt die Einsgangsspannung U über der Last und der Induktivität an. Also gilt: U = u 2 Wenn der Transistor ausgeschaltet ist, liegt keine Spannung an der Last und der Induktivität an. Also gilt: u 2 = 0 Es ergibt sich eine gepulste Ausgangsspannung u 2, deren Mittelwert sich je nach Einschaltdauer des Transistors, variieren lässt. Aussteuerung: a = T ein T Mittelwert der Ausgangsspannung: u 2 = U a Die Induktivität dient in einem Tiefsetzstellers als Energiespeicher, welche den Stromfluss während beider Schaltzustände aufrecht erhalten soll. Im Fall T ein liegt eine positive Spannung an der Induktivität an und es wird Energie in der Form eines Magnetfeldes gespeichert. Außerdem kommt es zu einem ansteigenden Stromfluss, da u l =L di dt

4 Im Fall T aus liegt eine Spannung von 0 V an der Induktivität und der Last an. Jedoch ist im Magnetfeld der Spule weiterhin Energie gespeichert, welche dafür sorgt, dass der Stromfluss weiterhin aufrecht erhalten wird. Da der Transistor sperrt, muss ein alternativer Pfad für den Strom eröffnet werden. Dieser verläuft über die Diode, welche durch den Strom in den leitenden Zustand getrieben wird. Die Energie für diesen Stromfluss wird aus dem Magnetfeld entnommen, welches sich abbaut und zu einem Absinken des Stromes führt. Dieses wechseln des Stromkreises wird Kommutierung genannt. Es gilt also: 0<t<T ein : Tr leitet: i 1 =i 2, U CE = 0, u 2 U, i D = 0 T Ein <t<t : Tr sperrt: i 1 = 0, i D = i 2, u 2 = 0, u CE = U Die Schaltzelle des Tiefsetzstellers muss zwingend niederinduktiv aufgebaut werden, da sich in den Zuleitungen zu den Schaltelementen sonst aufgrund parasitärer Induktivitäten während des Schaltens unerwünschte Spannungen auftreten können. Gemäß der Spulengleichung u L (t)=l di L (t) dt ergeben sich bei schnellen Stromänderungen ( di L /dt groß) hohe Spannungen an einer Induktivität. Sämtliche Strompfade zwischen den Eingangskondensator sind demnach so aufgebaut, dass fehlerfreies Schalten möglich ist. Neben dem gewünschten Mittelwert u 2 ist der Ausgangsspannung stets eine störende Wechselspannungskomponente u 2~ überlagert. Sie treibt eine im wesentlichen durch die Lastimpedanz bestimmten Wechselstrom. Unter vernachlässigung eines ohmschen Widerstandes gelten folgende Annahmen: u L = u 2 = u 2 u 2 Daraus ergibt sich die Laststromänderung IGBT leitet: di 2 dt = 1 L u L = 1 L (U u 2 ) = 1 L U (1 r)>0 IGBT sperrt: di 2 dt = 1 L u L = 1 L (0 u 2 ) = 1 L U r<0 Im eingeschwungenen Betrieb muss u L = u 2~ = 0 sein, i 2 (T ) = i 2 (0) und damit der Stromanstieg während der Ladezeit entgegengesetzt gleich dem Stromabfall während der Sperrzeit des IGBT. IGBT leitet: i + = 1 L u L T ein = 1 L (1 r) U r T= i IGBT sperrt: i - = 1 L u 2 (T T ein ) = 1 r U (1 r) T = i L Daraus ergibt sich die einfache Geradennäherung (konstantes di/dt) aus Bild 2. Der Strom schwankt um ± i/ 2 um den Mittelwert i 2.

5 Bild 2: Zeitverlauf von u 2, u L und i 2 Je höher die Schaltfrequenz f Z =1/T und die wirksame Induktivität L sind, desto geringer ist die Stromschwankungsweite. Ist i zu groß und kann die Schaltfrequenz wegen der begrenzten Schaltverluste des Transistors nicht entsprechend angehoben werden, wird eine zusätzliche Glättungsdrosselspule L d im Lastkreis erforderlich. Da der Mittelwert der überlagerten Wechselspannung definitionsgemäß Null ist, muss jede einzelne Halbschwingung unabhängig von ihrem Zeitverlauf betragsmäßig den gleichen Mittelwert besitzen. Für den Gleichrichtmittelwert bedeutet dies: u L ~ = 2 T 0 T Ein u L dt = 2 T T ( u L ) dt T Ein Überträgt man dieses Ergebnis auf die dem Mittelwert der Gleichspannung überlagerte Oberschwingungsspannung u 2~ = u L mit der Periodendauer T = 1/ f Z, die vollständig an der gleichstromseitigen Induktivität L abfallen möge, gilt für die Schwankungsbreite i des Ausgangsstroms i eines Gleichstromstellers: i = 1 L u 2 ~ dt = u 2~ L T 2 Für die Berechnung dieser Stromschwankungsbreite benötigt man also den Gleichrichtmittelwert u 2~ der dem Mittelwert der Gleichspannung überlagerten Wechselspannung. Er beträgt beim Gleichstromtiefsetzsteller: u 2 ~ = 2 r (1 r) U

6 4 Sicherheitshinweise Alle in der Sicherheitsbelehrung genannten Vorschriften, Anweisungen und Hinweise sind strikt zu befolgen. Dieser Versuch verwendet hohe Gleichspannungen und -ströme. Dies hat zur Folge, dass die Gesundheitsrisiken stark erhöht sind. Im Gegensatz zu Wechselspannungen kommt es bei Gleichspannung zu keiner Selbstlöschung von Lichtbögen im Nulldurchgang. Bei Berührungen gleichspannungsführender Teile kann es zu Verkrampfungen der Gliedmaßen führen, sodass ein eigenständiges Lösen nicht möglich ist. Die Inbetriebnahme des Versuchsstandes ist nur unter Aufsicht erlaubt. Vor jeder Änderung des Induktivitätwertes ist der Versuchsstand auszuschalten und der Betreuer um Zustimmung zu bitten. Alle Messgrößen sind berührgeschützt abgreifbar. Nichtbeachtung von Sicherheitsvorschriften und Anweisungen führt zum sofortigen Ausschluss von dem Versuch. Es gilt: Packst du an die Spannung dran, klingelt schon der Sensenmann. 5 Schaltbild und Bedienhinweise Bild 3 zeigt das Schaltbild des Versuchsaufbaus einschließlich der Bedienelemente so, wie Sie es auch am Versuchsstand vorfinden. Die Eingangsspannung des Tiefsetzstellers wird von einer B2-Brückenschaltung mit kapazitiver Glättung bereitgestellt. Im folgenden Versuch kann sie als konstante Gleichspannungsquelle betrachtet werden. Die Ausgangsspannung kann zwischen 0 V und 200 V verstellt werden, der maximale Dauer- Laststrom beträgt 10 A. Die Schaltfrequenz ist auf mehrere diskrete Werte einstellbar. Als Last dienen mehrere zuschaltbare Halogenlampen. Die Schaltung wird durch einen Mikrokontroller (ATMega 16) gesteuert, der den Betriebszustand und die Mittelwerte einiger Messwerte auf einem LCD anzeigt. Die Induktivitätsänderungen erfolgen durch Umstecken eines Steckers im ausgeschalteten Zustand nach Freigabe durch den Betreuer (siehe Sicherheitshinweise). Machen Sie sich zunächst mit dem Schaltbild vertraut und vergleichen Sie dieses mit dem entsprechenden Ersatzschaltbild des Tiefsetzstellers. Vollziehen Sie nach, welche Größen während des Versuchs gemessen werden können.

7 Folgende Elemente befinden sich im Block Steuerung : I/O: Hauptschalter für den Versuchsstand Anzeige: Darstellung wesentlicher Größen des Versuches Anzeigeumschaltung: Ermöglicht den Wechsel zwischen verschiedenen Anzeigen Reset: Setzt den Mikrocontroller in den Grundzustand zurück r : Einstellung des Tastverhältnisses f : Einstellung der Schaltfrequenzen Ansteuerfreigabe: Gibt die Steuersignale des Mikrocontrollers an den IGBT-Treiber frei. Nur wenn die Freigabe gesetzt ist arbeitet der Tiefsetzsteller. Wegen der Arbeitsgeschwindigkeit des Mikrocontrollers können nur Mittelwerte verarbeitet werden. Diese werden in guter Näherung durch Tiefpassfilterung der Messgrößen angenähert. Diese Werte dienen nur zur Orientierung, alle Messungen im Versuch werden mit Hilfe des Zweikanal-Digitalspeicheroszilloskops TDS 1001B durchgeführt. Die Zeitverläufe können per Knopfdruck als Grafik auf einem USB Stick, abgelegt werden. Das Oszilloskop unterstützt nur USB-Sticks mit einer Speicherkapazität kleiner als 2GB. Jeder Student, der über einen solchen USB-Stick verfügt ist angehalten ihn mit zu bringen. Notfalls stehen Lehrstuhl-USB-Sticks zur Zwischenspeicherung zur Verfügung von denen die Messaufnahmen dann an eigenen Datenträger übertragen werden können. Das mitbringen eines eigenen Datenspeichers ist also zwingend notwendig.

8 Bild 3: Schaltbild und Bedienelemente des Versuchs Tiefsetzsteller

9 6 Vorbereitungsanleitung und Ausarbeitungsleitfaden Die Vorbereitungsaufgaben sind vor dem Versuch selbstständig zu lösen. Bevor die Versuchsdurchführung beginnt, wird in einem Kolloquium überprüft, ob eine ausreichende Vorbereitung vorliegt. Unzureichend vorbereitete Studenten werden vom Versuch ausgeschlossen, da die angestrebten Lernziele nicht erreicht werden können, sowie ihre Sicherheit und die der Mitstudenten gefährdet sein könnte. Alle Vorbereitungsaufgaben sind vor dem Versuch zu bearbeiten und mit dem Praktikumsbericht abzugeben. Das Kolloquium soll dazu dienen, alle eventuellen Fehler und Fragen zu dem Versuch zu beseitigen. Alle Bilder und Skizzen sind ausführlich zu beschriften und müssen bei den entsprechenden Aufgabenpunkten eingefügt werden. Die Versuchsdurchführung ist bei jeder Versuchsaufgabe zu Beginn kurz zu beschreiben. Jede dokumentierte Beobachtung und Beschreibung sind kurz zu diskutieren. Beachten Sie, dass ihr Praktikumsbericht eine wissenschaftliche Ausarbeitung ist und entsprechende Wortwahl und Form erfordert. Umgangssprachliche Ausdrucksformen sowie Erlebnisberichte sind nicht zulässig. Stützen Sie ihre Aussagen auf Fakten und stellen Sie Vermutungen nicht ohne Begründungen auf. Bei der Zeichnung von Kurvenverläufen sind ausschließlich Ausgleichsgeraden/ - kurven zulässig. Zeichnungen sind in ausreichender Größe mit Beschriftung anzufertigen, so dass die Aussage klar erkennbar ist. Mit Ausnahme der Vorbereitungsaufgaben ist jede Versuchsaufgabe auf einer neuen Seite zu bearbeiten.

10 Fragen zur Schaltzelle: 6.1 Zeichnen sie das vollständige Ersatzschaltbild eines Tiefsetzstellers und benennen sie alle relevanten Größen. 6.2 Beschreiben sie mit wenigen Worten wo während des Schaltens eine Kommutierung statt findet. Zeichnen sie dafür die Ersatzschaltbilder des Tiefsetzstellers für t=t ein und t=t aus. Fragen zum Ausgangsverhalten: 6.3 Definieren Sie das Tastverhältnis r und die Aussteuerung a, arbeiten Sie den Unterschied heraus und geben Sie den Zusammenhang zwischen beiden als Gleichung an. Welche Vereinfachung ist in diesem Versuch zulässig und warum? Wie groß ist U T im Verhältnis zu U A? 6.3 Skizzieren sie u d, i d, u L, i L, u T, i T für a=0,5 in das Diagramm 1. Der ohmsche Widerstand sei hier zu vernachlässigen, ebenso wie die Schaltverluste der einzelnen Elemente. 6.4 Bei welcher Aussteuerung tritt die maximale Laststromwelligkeit auf und warum? Bitte anhand einer Rechnung und einer Skizze belegen. 6.5 Wie wirkt sich der Wert der Glättungsspule L und der Schaltfrequenz f auf die Laststromschwankungsbreite i aus, und warum? 6.6 Skizzieren Sie den Verlauf der Spannung u 2 und des Laststroms i 2 für zwei Perioden, basierend auf einer Berechnung. a) wenn der Einfluss des Lastwiderstands R gering gegenüber dem der Glättungsspule L ist ( R L ) b) wenn der Einfluss des Lastwiderstands R den Stromverlauf nennenswert beeinflusst. ( R L ) Stellen sie für die Lösung des Problems eine DGL für ein RL-Glied mit abschnittsweiser konstanter Spannung für eine Schaltperiode im eingeschwungenen Zustand auf. Beachten sie, dass T=T aus +T ein beträgt und die Anfangsbedingungen für T aus und T ein jeweils unterschiedlich ausfallen.

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12 7 Versuchsaufgaben Die aus dem Versuch gewonnenen Erkenntnisse sind zu protokollieren, durch Oszilloskopbilder bzw. Messwerte/Messreihen zu untermauern und in der Ausarbeitung darzustellen. Stellen Sie, wo möglich, einen Bezug zu den Vorbereitungsfragen und den darauf gegebenen Antworten her. Schalten Sie, wenn nicht anders angegeben oder abgesprochen, zwei Halogenlampen zu. Schalten Sie vor jeder Änderung des Glättungsspulen-Induktivitätswerts den Versuch aus und bitten Sie den Betreuer um Zustimmung zum Umstecken! Versuche zur Charakterisierung des Ausgangsverhaltens: 7.1 Bestimmen Sie die zu den LCD-Anzeigen SF 1, SF 2, SF 3 und SF 4 zugehörigen Schaltfrequenzen mit Hilfe des Oszilloskops. 7.2 Bestimmen Sie durch Messung das Steuerverhalten (Mittelwert der Ausgangsspannung als Funktion des Tastverhältnisses r anhand der Tastverhältnisse 0,25 und 0,75 (Schaltfrequenz SF1 ) und vergleichen Sie die Ergebnisse mit den Ergebnissen der Vorbereitung. Überprüfen Sie dieses auf Abhängigkeit vom Laststrom i 2. Nutzen Sie als Last sowohl zwei als auch sechs Lampen. 7.3 Bestimmen Sie die Schwankungsbreite des Laststroms als Funktion des Induktivitätswerts bei a=0,5 und hoher Schaltfrequenz. Überprüfen Sie auf Abhängigkeit vom Laststrom. 7.4 Bestimmen Sie die Schwankungsbreite des Laststroms als Funktion der Schaltfrequenz bei geringstem Induktivitätswert. Führen Sie Messungen mit den Schaltfrequenzen SF 1 bis SF 4 durch. Ermitteln Sie, in wie weit jetzt noch der Mittelwert des Laststroms mit der Mitte des Schwankungsbereichs übereinstimmt und erklären Sie eventuelle Abweichungen mit den Erkenntnissen aus der Vorbereitung. 7.5 Vergleichen Sie die Zeitverläufe des Laststroms für die Extremfälle (geringer Induktivitätswert, niedrigste Schaltfrequenz) / (hoher Induktivitätswert, höchste Schaltfrequenz) für a=0,5 und 4 zugeschaltete Lampen Berechnen Sie die Zeitkonstante τ=l/r für die beiden Extremfälle mit Hilfe von Bild 2 und vergleichen Sie die Werte mit der Periodendauer. 7.6 Wählen Sie den größtmöglichen Induktivitätswert und eine kleine Schaltfrequenz, bei der der Verlauf des Laststroms noch Näherungsweise linear ist. Bestimmen Sie, in wie weit die Schwankungsbreite von u 1 von der Aussteuerung bzw. dem Laststrommittelwert abhängt. a=0,25 und 2 zugeschaltete Lampen a=0,5 und 4 zugeschaltete Lampen a=0,75 und 6 zugeschaltete Lampen

13 Versuche zur Charakterisierung der Schaltzelle: Setzen Sie die Aussteuerung auf 0,5 und stellen Sie Bemessungsstrom ein. Arbeiten Sie mit der Schaltfrequenz SF 1. Oszillographieren und diskutieren Sie die Kommutierungen zwischen den beiden Leistungshalbleitern und zugehörige Effekte anhand von: 7.7 Spannung u 2 und Diodenstrom i D 7.8 Spannung u 2 und IGBT-Strom i T 7.9 Diodenstrom i D und IGBT-Strom i T unter Betrachtung von Stromanstiegszeiten, Überspannung und Diodenrückstrom. In diesem Versuchsteil, der Praxis-Effekte jenseits der im Studium vermittelten Grundfunktionsweisen aufzeigt, wird der Betreuer Sie bei der Erarbeitung der Lernziele unterstützen. Versuche zur Charakterisierung des Eingangsverhaltens: Wählen Sie den höchsten Induktivitätswert und die höchste Schaltfrequenz sowie Bemessungsstrom Wählen Sie eine niedrige Schaltfrequenz. Betrachten Sie die Zeitverläufe des Netzstroms i S und der Spannung u 1 am Oszilloskop. Führen Sie eine Fast Fourier Transformation (Oszilloskop: Measure/Messungen FFT ) durch. Analysieren sie die Beobachtungen und arbeiten sie mit Hilfe des Betreuers die Ursachen dafür. 8 Parameter des Versuchsstands Bemessungsspannung: 230 V / 50 Hz, Bemessungsleistung: 2 kw Transformator, sekundär: 150V / 20 A, L σ 2 =350µH, R k,ges =100mΩ C1: 4,7 mf / 350 V L: 5 mh / 55 mω ; 10 mh / 75 mω ; 20 mh / 107 mω IGBT: 1200V / 50A, r T =20 mω, u T0 =1,5 V R: 1 bis 12 Halogenstablampen ( 230 V / 50 Hz / 500 W ), 10 davon zu- und abschaltbar, mit folgender Strom-Spannungs-Charakteristik (Kaltleiterverhalten)

14 I /A U /V Bild 2: Strom-Spannungs-Charakteristik einer Halogenstablampe Das Kaltleiterverhalten lässt den Strom deutlich langsamer sinken, als dies bei einem linearen Widerstand der Fall wäre - für die Versuchsdurchführung ein kleiner Vorteil. Die hochtemperaturfesten Lampen ermöglichen auf Dauer eine Belastung ohne forcierte Kühlung. 9 Literatur (1) Skript: Grundlagen der Energietechnik (2) Skript: Leistungselektronik (3) Buch: Mohan / Undeland: Power Electronics (4) IPES-Online-Präsentationen: (5) Caspoc-Simulationsprogramm: