Leistungselektronik Grundlagen und Standardanwendungen. Praktikumsunterlagen

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1 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München Arcisstraße 21 D München eal@ei.tum.de Internet: Prof. Dr.-Ing. Ralph Kennel Tel.: +49 (0) Fax: +49 (0) Leistungselektronik Grundlagen und Standardanwendungen Praktikumsunterlagen

2 1 Einführung Das Simulationspraktikum zur Vorlesung Leistungselektronik - Grundlagen und Standardanwendungen wird mittels des OpenSource-Programms GeckoCIRCUITS durchgeführt. GeckoCIRCUITS kann auf der Seite heruntergeladen werden. Das Java-Programm ist sowohl unter Windows, Linux und MacOS lauffähig. In dem erhaltenen Zip-Archiv befindet sich auch ein Tutorial zu GeckoCIRCUITS. Für das Praktikum ist es empfehlenswert, dieses zu lesen bzw. durchzuarbeiten, um mit dem Programm vertraut zu werden. In den nachfolgenden Kapiteln finden Sie die Aufgabenbeschreibungen für insgesamt vier Versuche. Die Aufgaben sind vor dem jeweiligen Praktikumstermin zu Hause durchzuführen. In den Praktikumsstunden wird die Lösung der Aufgaben (ähnlich wie in der Zentralübung) vorgestellt. Zu den Praktikumsaufgaben werden keine Musterlösungen und Simulationsmodelle oder dergleichen online gestellt bzw. verteilt. Das Praktikum dient dazu, um ein tiefergehendes Verständnis leistungselektronischer Schaltungen zu erhalten und um erste Einblicke in die Simulation zu erhalten. Das Praktikum ist grundsätzlich prüfungsrelevant! Die Prüfung zur Veranstaltung Leistungselektronik - Grundlagen und Standardanwendungen enthält auch Fragen zum Praktikumsteil. 2

3 2 Diodengleichrichter Bauen Sie drei M1-Schaltungen, jeweils mit R-, RC- und RL-Last auf. Verwenden Sie dabei folgende Parameter: U = 230 V (Effektivwert) f = 50 Hz R = 100 Ω C = 50 µf L = 50 mh Simulieren Sie die Schaltung für 50 ms mit einem Simulationsintervall (dt) von 100 µs. Stellen Sie anschließend die Lastspannungen und Lastströme graphisch dar (jeweils ein eigener Graph für die Ströme und Spannungen). Erklären Sie die Strom- und Spannungsverläufe! Bauen Sie nun drei weitere M1-Schaltungen auf, ebenfalls mit den gleichen Parametern. Verwenden Sie nun allerdings einen Widerstand R = 50 Ω (signifikant kleiner). Simulieren Sie die Schaltungen erneut und stellen Sie die Lastspannungen und Lastströme graphisch dar (jeweils ein eigener Graph für die Ströme und Spannungen und jeweils eigene Graphen für R = 100 Ω und R = 50 Ω, insgesamt also vier Graphen). Welche Unterschiede in den Signalverläufen fallen Ihnen auf? Erklären Sie diese! 3

4 3 Netzgeführte Gleichrichter Bauen Sie drei B2-Schaltungen mit reiner Widerstandslast auf. Verwenden Sie für die erste Schaltung einen Zündwinkel α = 30, für die zweite α = 90 und für die dritte Schaltung α = 120. Verwenden Sie folgende weitere Parameter: U = 230 V (Effektivwert) f = 50 Hz R = 100 Ω Simulieren Sie die Schaltung für 50 ms mit einem Simulationsintervall (dt) von 100 µs. Plotten Sie die Ströme und Spannungen (jeweils ein eigener Plot für die Ströme und für die Spannungen). Erklären Sie die Strom- und Spannungsverläufe! Bauen Sie nun drei weitere B2-Schaltungen auf, ebenfalls mit den gleichen Parametern und Zündwinkeln. Verwenden Sie nun allerdings eine RL-Last anstatt einer reinen Widerstandslast. Die Induktivität soll L = 50 mh betragen. Plotten Sie erneut alle Spannungen und Ströme (jeweils separate Plots für die Spannungen und Ströme). Was fällt Ihnen auf? Erklären Sie die Strom- und Spannungsverläufe! 4

5 4 Kommutierung Bauen Sie eine M1-Schaltung mit netzseitiger Induktivität, RL-Last und Freilaufdiode auf. Verwenden Sie hierfür folgende Parameter U = 230 V (Effektivwert) f = 50 Hz L s = 1 H (netzseitige Induktivität) R = 100 Ω (Lastwiderstand) L = 1 H (Lastinduktivität) Simulieren Sie die Schaltung für 50 ms mit einem Simulationsintervall (dt) von 100 µs. Plotten Sie in einem ersten Graph die netzseitige Spannung U und den Spannungsabfall an der RL-Last. In einem zweiten Graph sollen die Spannungen an der Diode, an der Freilaufdiode und an der netzseitigen Induktivität L s dargestellt werden. Plotten Sie den netzseitigen Strom i s, den Strom durch die Freilaufdiode und den Laststrom in einem dritten Graph! Erklären Sie die erhaltenen Strom- und Spannungsverläufe! 5

6 5 Linearregler und DC/DC-Wandler Die folgenden Versuche dienen dazu, das Verständnis von Linearreglern und DC/DC-Wandlern zu vertiefen. 5.1 Linearregler In diesem Versuch soll als erstes ein Linearregler simuliert werden, bestehend aus einem NPN-Bipolartransistor, Widerständen und einer Zenerdiode. Da in GeckoCIRCUITS keine Zenerdioden zur Verfügung stehen, kann hierfür eine Gleichspannungsquelle mit der entsprechend nötigen Spannung verwendet werden. Die Eingangsspannung soll 12 V betragen (Gleichspannung), die Ausgangsspannung an der Last soll 5 V betragen. Als Last können Sie einen einfachen Widerstand mit R l = 5 Ω verwenden. Verwenden Sie den NPN-Transistor mit den voreingestellten Standard-Einstellungen. Verwenden Sie zur Simulation folgende weitere Parameter: R v = 10 Ω (Vorwiderstand) R c = 10 Ω (Kollektorwiderstand) R e = 10 kω (Emitterwiderstand) Simulieren Sie die Schaltung für 50 ms mit einem Simulationsintervall (dt) von 100 µs. Plotten Sie die Ein- und Ausgangsspannung und den Laststrom in jeweils separaten Graphen für die Ströme und Spannungen! Auf welchen Wert müssen Sie die Spannungsquelle (Zenerdiode) in etwa einstellen, damit Sie die gewünschte Ausgangsspannung an der Last (5 V) erhalten? Warum müssen Sie einen höheren Wert einstellen? Verändern Sie nun den Lastwiderstand R l und plotten Sie die Strom- und Spannungsverläufe erneut. Was fällt Ihnen auf? Nun soll zusätzlich eine reale Netzteilschaltung mit Linearregler, Transformator, B2-Brücke und Ladekondensator zum Puffern der pulsierenden Gleichspannung simuliert werden. Verwenden Sie hierfür folgende Parameter: U N = 230 V (Effektivwert) f N = 50 Hz Für den Linearregler können dieselben Parameter wie für den ersten Aufgabenteil verwendet werden. Für den Lastwiderstand können Sie einen Wert R l = 10 Ω verwenden. Der Effektivwert der Spannung auf der Sekundärseite des Transformators soll 16 V betragen. Warum muss diese so viel höher sein als die Ausgangsspannung des Linearreglers (Hinweis: Ausgangsspannung der B2-Schaltung)! Warum sollte die Spannung auf der Sekundärseite allerdings auch nicht allzu hoch sein? Zwischen welchen Kriterien muss eine Abwägung getroffen werden? Wie groß sollte der Wert für den Ladekondensator C dc gewählt werden? Sie können diesen auch iterativ mit Hilfe von Simulationen bestimmen. 6

7 Plotten Sie die netzseitige Eingangsspannung in einem separaten Graph. Stellen Sie die Ausgangsspannung der B2-Brücke und die Ausgangsspannung des Linearreglers in einem zweiten Graph dar. Passen Sie nun den Wert des Ladekondensators C dc so an, dass beide Spannungen Ihren Erwartungen entsprechen! In einem dritten Graph können Sie den Laststrom (Ausgangsstrom des Linearreglers) plotten. Was fällt Ihnen bei diesem auf? Warum ist dies so (Hinweis: Achsenskalierung beachten)? 5.2 Tiefsetzsteller Simulieren Sie einen Tiefsetzsteller (Buck-Converter)! Verwenden Sie hierfür einen idealen Schalter und eine Periodendauer T = 100 µs. Die Eingangsspannung soll U in = 12 V betragen. Verwenden Sie zur Simulation folgende weitere Parameter: L = 30 mh (Filterinduktivität) C = 470 µf (Filterkondensator) R l = 5 Ω (Lastwiderstand) Simulieren Sie die Schaltung für 200 ms mit einem Simulationsintervall (dt) von 1 µs. Warum muss hier das Simulationsintervall dt so klein gewählt werden? Stellen Sie ein bestimmtes (frei wählbares) Tastverhältnis ein! Plotten Sie in einem separaten Graph die Eingangsspannung, die Ausgangsspannung und die Spannung an der Induktivität L. In einem weiteren Graphen soll das Gating-Signal für den idealen Schalter S dargestellt werden. Stellen Sie in einem dritten Graph den Ausgangsstrom (Laststrom) des Tiefsetzstellers dar! Erklären Sie die erhaltenen Signalverläufe! Berechnen Sie den Mittelwert der Spannung an der Induktivität L! Warum hat dieser eine Abweichung von seinem Idealwert 0 V? Verändern Sie das Tastverhältnis zwischen Ein- und Ausgangsspannung! Stimmen die erhaltenen Werte mit den berechneten Werten überein? Erklären Sie ggf. die Abweichungen! 5.3 Hochsetzsteller Simulieren Sie einen Hochsetzsteller (Boost-Converter)! Verwenden Sie hierfür einen idealen Schalter und eine Periodendauer T = 100 µs. Die Eingangsspannung soll U in = 12 V betragen. Verwenden Sie für die Filterinduktivität L und für den Filterkondensator C dieselben Parameter wie in Kapitel 5.2, ebenso für den Lastwiderstand R l. Simulieren Sie die Schaltung für 1 s mit einem Simulationsintervall (dt) von 1 µs. Warum muss auch hier das Simulationsintervall dt so klein gewählt werden? Berechnen Sie das Tastverhältnis so, dass die Ausgangsspannung doppelt so hoch ist wie die Eingangsspannung! Plotten Sie in einem separaten Graph die Eingangsspannung, die Ausgangsspannung und den Spannungsverlauf über der Induktivität L. In einem weiteren Graph soll das Gating-Signal für den idealen Schalter S dargestellt werden. Stellen Sie in einem dritten Graph den Ausgangsstrom (Laststrom) des Hochsetzstellers dar! 7

8 Erklären Sie die erhaltenen Signalverläufe! Berechnen Sie den Mittelwert der Spannung an der Induktivität L! Warum hat dieser eine Abweichung von seinem Idealwert 0 V? Stimmt der berechnete Wert für die Ausgangsspannung mit dem Wert aus der Simulation überein? Erklären Sie ggf. die Abweichungen! 8