FACHHOCHSCHULE Bielefeld 9. Juli 2007 Fachbereich Elektrotechnik

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1 FACHHOCHSCHLE Bielefeld 9. Juli 2007 Fchbereich Elektrotechnik Professor Dr.Ing.hbil. K. Hofer Klusur zu LEISTNGSELEKTRONIK ND ANTRIEBE (LEA) Berbeitungsduer: Hilfsmittel: 3.0 Zeitstunden Vorlesungsskriptum, Formelsmmlung, Seminrunterlgen, Tschenrechner Lösungsblätter ohne den Nmen und die Mtrikelnummer werden nicht bewertet. Die Aufgbenblätter bitte nicht mit bgeben. 1. Aufgbe (25 Punkte) In einem einphsigen Elektrokocher (52,9 Ω, 230V/ 50Hz) soll der dreistufige Drehschlter durch einen einphsigen Wechselstromsteller (W1) ersetzt werden. Über die digitle Steuereinheit des Stromrichtergeräts knn der Effektivwert der Ausgngsspnnung entweder über die Verstellung des Zündwinkels durch Phsennschnitt oder über ds Schltverhältnis einer Schwingungspketsteuerung verändert werden. Die Leistungshlbleiter dürfen ls idel betrchtet werden. 1.1 Ws versteht mn unter dem Begriff der Phsennschnittsteuerung? (Skizze und Begründung) 1.2 Welche Vor- und Nchteile ht die Phsennschnittsteuerung? 1.3 Wie hängt beim Phsennschnitt die bgegebene Heizleistung vom elektrischen Widerstnd und vom Steuerwinkel b? 1.4 Berechnen Sie die jeweilige Heizleistung für die drei vorgesehenen Steuerwinkel α = 0, α = 90 0 und α = Nch welchem Prinzip erzeugt der Mikrocontroller die netzsynchronen Zündimpulse? 1.6 Ws versteht mn unter dem Begriff der Schwingungspketsteuerung? (Skizze und Begründung) 1.7 Welche Vor- und Nchteile ht die Schwingungspketsteuerung? 1.8 Wie hängt llgemein die bgegebene Heizleistung vom Einschltverhältnis (T e /T) b? 1.9 Berechnen Sie die jeweiligen Einschltverhältnisse für die drei vorgesehenen Leistungsstufen von 1 kw, 500 W und 200 W Welche Frequenz ht die Grundschwingung des Netzstroms, wenn ls Periodenduer für die Schwingungspketsteuerung zwnzig Netzperioden gewählt werden Welches der beiden Steuerverfhren bietet sich für die Wärmesteuerung einer Heizpltte n und wrum? 1.12 Lässt sich die Schwingungspketsteuerung bei einer Helligkeitssteuerung einsetzen? Bitte lesen Sie lle Aufgben in Ruhe durch, bevor Sie strten!

2 2. Aufgbe (25 Punkte) Ein netzgeführter B2-Stromrichter m 230V/50Hz-Netz speist den Getriebemotor eines kleinen Hebezeugs in einer Montgehlle. In die Netzzuleitung des Stromrichters ist eine Kommutierungsinduktivität (L K = 3 mh) eingeschleift. Drüber hinus sorgt eine Glättungsinduktivität im Gleichstromkreis für einen nhezu gltten Ankerstrom. Der Ankerwiderstnd der fremderregten Gleichstrommschine (P mech = 1,6 kw, N = 160 V) drf in guter Näherung vernchlässigt werden. 2.1 Wie viele Qudrnten muss der elektrische Antrieb n der Welle bdecken können? 2.2 Welche Vrinte eines netzgeführten B2-Stromrichters kommt für diese Anwendung in Frge? 2.3 Zeichnen Sie ds komplette Schltbild des Antriebssystems? 2.4 Geben Sie die Betriebszustände von Stromrichter und Mschine in den entsprechenden Qudrnten der M,n-Ebene für Heben und Senken n. 2.5 Trgen Sie die M,n-Kennlinie des Hebezeugs mit in ds Digrm unter Punkt 2.4 ein 2.6 Wie groß ist die ideelle Leerlufgleichspnnung und die Pulsigkeit der Gleichgrößen m Stromrichterusgng? 2.7 Berechnen Sie den induktiven Gleichspnnungsfll ( dx ) bei Nennstrom und geben Sie die Abhängigkeit der Ausgngsspnnung vom Steuerwinkel und Belstungsstrom n. 2.8 Stellen Sie für unterschiedliche Steuerwinkel (α = 0, 60 0 und ) die Stromrichterusgngsgrößen in Form eines Belstungsdigrmms mßstäblich dr. 2.9 Welcher Steuerwinkel muss sttionär eingestellt werden, dmit die Gleichstrommschine im Nennpunkt des ersten Qudrnten betrieben wird? 2.10 Wie groß ist unter Punkt 2.9 der Überlppungswinkel des Stromrichters? 2.11 Trgen Sie unter Berücksichtigung der Überlppung den zeitlichen Verluf der Ausgngsspnnung für Nennbetrieb in ds beiliegende Lösungsbltt ein Welchen zeitlichen Verluf ht der Netzstrom? (Ebenflls in ds Lösungsbltt eintrgen) 2.13 Berechnen Sie unter Vernchlässigung der Kommutierung den Leistungsfktor für Nennbetrieb uf der Netzseite? Eine Musterlösung wird im Anschluss m schwrzen Brett usgehängt! 2

3 3. Aufgbe (25 Punkte) Der Elektrontrieb für ein kleines Kinderkrussell besteht us einer permnenterregten Gleichstrommschine ( N = 180V, I dn = 10A, L d = 55 mh) und einem Mehrqudrnten-Chopper. Als Energiequelle dient ds öffentliche Netz (230 V, 50 Hz), ds über einen ungesteuerten Gleichrichter mit L,C-Glättungsglied den Chopper mit Gleichspnnung ( 0 di ) versorgt. m einen möglichst gltten Motorstrom zu erzielen, wird der Chopper mit 20 khz zwischen getktet. Sämtliche Schltund Wärmeverluste dürfen vernchlässigt werden. 3.1 In welchen Qudrnten der M,n-Ebene wird dieses Antriebssystem betrieben? 3.2 Wie heißen die zugehörigen Betriebsfunktionen des Choppers und der Mschine? 3.3 Geben Sie ds elektrische Schltbild der gesmten Anordnung n. 3.4 Wie groß ist ds Tstverhältnis im motorischen Nennpunkt der Mschine? 3.5 Zeichnen Sie die zeitlichen Verläufe der pulsierenden Gleichspnnung und des welligen Gleichstroms für den motorischen Nennbetrieb mßstäblich in ein Digrmm ein und mrkieren Sie die Leitphsen der m Stromfluss beteiligten Ventile. 3.6 Berechnen Sie die Stromschwnkungsbreite, die sich unter Punkt 3.5 einstellt 3.7 Durch welche Mßnhme knn die Gleichstrommschine in den genertorischen Bremsbetrieb (2. Qudrnt) gebrcht werden? 3.8 Wie groß ist ds Tstverhältnis im Genertorbetrieb mit 25 % Nennnkerspnnung? 3.9 Zeichnen Sie die zeitlichen Verläufe der pulsierenden Gleichspnnung und des welligen Gleichstroms gemäß Punkt 3.8 mßstäblich in ein Digrmm ein und mrkieren Sie die Leitphsen der m Stromfluss beteiligten Ventile Berechnen Sie die Stromschwnkungsbreite, welche sich unter Punkt 3.9 einstellt. Die Prüfungsergebnisse werden spätestens nächste Woche beknnt gegeben!! 3

4 4. Aufgbe (25 Punkte) Zur Positionierung des Werkzeugschlittens einer Fräsmschine wird ein geregelter Drehstromsynchronntrieb (n N = 3000 min -1, P mech = 500 W) eingesetzt, der über ein Festgetriebe (ü = 5, η Getr. = 0,9) die Gewindespindel (s = 5 mm/mdrehung, R = 50 mm, ) zur Schlittenverschiebung ntreibt. Ds Schlittensystem ht eine Msse von 225 kg und verurscht m Spindelumfng eine Widerstndskrft von F W = 100 N, die über dem gesmten Drehzhlbereich näherungsweise ls konstnt ngesetzt werden drf. s Schlitten m, v R Spindel 4.1 Skizzieren Sie den gesmten Aufbu des Antriebssystems. 4.2 In welchen Qudrnten muss der elektrische Antrieb rbeiten können? (Begründung) 4.3 Wie heißt der erforderliche Stromrichter und welche elektrischen Eigenschften bezüglich der Ausgngsspnnungen muss er ufweisen? 4.4 Berechnen Sie die Nenndrehzhl der Gewindespindel sowie die Nenngeschwindigkeit des Werkzeugschlittens. (Hinweis v = n. s) 4.5 Wie groß sind ds Mssenträgheitsmoment und ds Widerstndsmoment m Schft der Gewindespindel? Hinweis: J = m(s/2π) Rechnen Sie ds Mssenträgheitsmoment und ds Widerstndsmoment uf die Motorseite um. 4.7 Ermitteln Sie die Hochlufzeit vom Stillstnd bis zur Nenndrehzhl unter der Vorussetzung, dss Wellen und Zhnräder für den Motor ein zusätzliches Mssenträgheitsmoment von Ws 3 verurschen Nch welchem Verfhren werden hochdynmische Drehstromntriebe geregelt? 4.9 In welche Komponenten muss der Strngstrom dbei zerlegt? 4.10 Zeichnen Sie den idelen Hochluf der Drehzhl und die beiden Stromkomponenten qulittiv über der Zeit uf. Wir wünschen Ihnen einen klren Kopf und viel Erfolg!!!! 4

5 LEA-Klusur 2007 Lösungsbltt Nme:... Mtrikelnummer:.. Aufgbe 2 325V u L π 2π ωt i L +I d ωt -I d

6 Lösungen der LEA-Klusur vom (nur Zhlenwerte) 1.1 Durch Anschneiden der Netzspnnung wird der Effektivwert der Ausgngsspnnung verändert. (0 α π, f=const., Grundschw.frequenz = Netzfrequenz, Skizze ähnlich Bild 3.2 LE-Buch). 1.2 Vorteile: schnell, kein Flickern. Nchteile: Netz wird strk mit Oberschwingungen belstet. Schltung Wechselstromsteller mit ohmsch-induktiven Widerstnd (ähnlich Bild 3.1 LE-Buch) α sin 2α L α sin 2α Ohmsche Lst: = L 1 + PV = = 1 + π 2π R R π 2π 1.4 α = 0 P V0 = 1,0kW; α = 90 P V90 = 500W; α = 120 P V120 = 196kW. 1.5 Durch Vergleich eines netzsynchronen Sägezhns mit der Stellgröße. 1.6 Periodische Ein- und Ausschlten über mehrere Netzperioden (gnzzhlig). 1.7 Vorteil: weniger Oberschwingungen; Nchteil: flickern (Leuchtdichteschwnkungen) Te L Te Te = L Pv = = mit = 0,1,2,3,... T R R T T 1.9 P V = 1,0kW T e /T=1,0; P V = 500W T e /T=0,5; P V = 200W T e /T=0, f 1 = 2,5 Hz 1.11 Schwingungspketsteuerung, geringe Verzerrungsleistung Nein, wegen Helligkeitsschwnkungen (flickern) und 4. Qudrnt 2.2. Vollgesteuerter B2-Stromrichter B2-SR mit L und GNM, Getriebe und Seiltrommel (ähnlich Bild 4.7 LE-Buch) 2.4. n=f(m)-ebene. 1.Qudrnt: GR, Motor, heben; 4.Qudrnt.: WR, Genertor, senken siehe 2.4. M Hebe ist unbhängig von n di = 207V; p = 2. X K V 2.7. dx = 3V; dα = di cosα Id = 207V cosα 0, 3 Id π A 2.8. dα = f(i d ) ähnlich Bild 4.3.b LE-Buch 2.9. α = u = 2, λ = 0, Qudrnt (vorwärts ntreiben, vorwärts bremsen) Qudrnt: Motor, Tiefsetzsteller; 2. Qudrnt: Genertor, Hochsetzsteller 3.3 B2-GR mit L+C und 2Q-Chopper mit L+GNM und Krussell. 3.4 T e /T = 0, u d =f(t) und i d =f(t) ähnlich Bild 5.1. LE-Buch 3.6 i d = 21,4mA 3.7 für d < i kehrt sich die Stromrichtung um 2.Q. 3.8 T e /T = 0, u d =f(t) und i d =f(t) ähnlich Bild Q. LE-Buch 3.10 i d = 32mA Blockschltbild: Netz, Stromrichter, DAM. Getriebe, Spindel. 4.2 Fhr- und Positionierntriebe in 4 Qudrnten. 4.3 Frequenzumrichter erzeugt vribles Drehstromsystem (, f). 4.4 n* = 600 min -1 ; v = 50 mm/s. 4.5 J* = 142,5 µws³; M W * = 5,0 Nm. 4.6 J = 5,7 µws³; M W = 1,11 Nm. 4.7 M = 1,59 Nm; t H = 7ms. 4.8 Feldorientierte Regelung. 4.9 Flussbildende Komponente I x und momentbildende Komponente I y Digrmm: n, M~I y, I x = f(t). Stnd: G.Weinert