Praktikum Automatisierungstechnik

Transkript

1 Prof. Dr.-Ing. Joachim Böcker Praktikum Automatisierungstechnik Versuch Schaltnetzteile (Kurzbezeichnung: SNT) Hinweis: Die Teilnahme am Praktikum wird nur anerkannt, wenn: 1. Die Abgabe der Ausarbeitung spätestens 14 Tage nach Durchführung des Praktikums erfolgt ist. 2. Die vollständige Durchführung und Abgabe der gegebenenfalls erforderlichen Korrektur spätestens 4 Wochen nach Durchführung des Praktikums erfolgt ist. Die Durchsicht der Ausarbeitung durch das Fachgebiet erfolgt innerhalb 1 Woche nach dessen Abgabe

2 1 Einleitung Bei Schaltnetzteilen oder getakteten Stromversorgungen wird die aus dem Wechselspannungsnetz durch Gleichrichtung gewonnene Gleichspannung mit einer hohen Frequenz zerhackt, transformiert und wieder gleichgerichtet. Man unterscheidet grundsätzlich zwei verschiedene Wandlerprinzipien: Sperrwandler und Durchflußwandler. Sperrwandler ist die Bezeichnung des Übertragungsverhaltens einer Anordnung, bei der während der Durchlaßphase des Transistors Energie in einer Mehrwicklungsdrossel gespeichert wird, die in der Sperrphase an die Sekundärseite abgegeben wird. Da zwischen Primär- und Sekundärkreis kein direkter Energiefluß zustande kommt, sondern nur ein indirekter durch Zwischenspeicherung in der Mehrwicklungsdrossel, kann bei diesem Wandlertyp sekundärseitig ohne Zwischenschaltung einer Drossel auf einen Kondensator gespeist werden. Die Bezeichnung Durchflußwandler erklärt sich daraus, dass während der Durchlaßphase des Transistors ein Energiefluß zwischen Primärkreis und Sekundärkreis zustande kommt. Dem Laststrom überlagert sich primärseitig der Magnetisierungsstrom. Deshalb müssen Voraussetzungen dafür geschaffen werden, dass sich der Transformator wieder entmagnetisieren kann. Zum Studium dieser beiden Schaltungen empfiehlt sich das Skript zur Vorlesung Leistungselektronik. Einen kompakten Überblick zum Thema Schaltnetzteile gibt das Kapitel Stromversorgungen im Taschenbuch der Elektrotechnik (Kories, Schmidt-Walter; Verlag Harri Deutsch; dritte Auflage; 1998). Als weiterführende Literatur sei empfohlen: Power Electronics (Mohan, Undeland, Robbins; John Wiley & Sons; New York): Frontansicht Bestückungsseite WS Praktikum Automatisierungstechnik Versuch Schaltnetzteile (SNT) 2/11

3 2 Versuchsvorbereitung 2.1 Sperrwandler Bild 2.1 Prinzipschaltbild des Sperrwandlers Windungszahl der primären Wicklung Windungszahl der sekundären Wicklung Primäre Hauptinduktivität Sekundäre Hauptinduktivität Primäre Steuinduktivität Sekundäre Streuinduktivität Nennwert der Ausgangsspannung Nennwert der Ausgangsströme Nennwert des Einschaltverhältnisses Nennwert der Eingangsgleichspannung Schaltfrequenz Durchbruchspannung der Z-Diode Durchlaßwiderstand der Z-Diode N 1 = 72 N 2 = 20 L 1h = 203mH, L 2h = 158µH L 1σ = 13, 1µH L 2σ = 0723µH, U an = 20 V I an = 5 A D 1n = 03, U 0n f s U z r z = 200V = 50 khz = 750V = 0Ω Es gelten zunächst folgende Voraussetzungen: Die Streuinduktivitäten und die ohmschen Widerstände, mit Ausnahme von r 1, werden vernachlässigt. Die Ausgangsspannung U a sei ideal geglättet und der Magnetisierungsstrom hat eine geringe Welligkeit. Die Ventile sind als ideale Schalter zu betrachten Zeigen Sie, dass das Gleichspannungsübersetzungsverhältnis U a U 0 = D ü D r 1 D R ü 2 2 D 2 (1) D 2 ist, wobei T s die Zeitdauer für i 2 0 und ü = N 1 N 2 ist. WS Praktikum Automatisierungstechnik Versuch Schaltnetzteile (SNT) 3/11

4 Zeichnen Sie für r 1 R = 15, bei trapezförmigem Verlauf von i 2 die Funktion U a U 0 = fd ( 1 ). Stellen Sie eine Beziehung für den Wirkungsgrad η = fr ( 1, R, D 1 ) auf Skizzieren Sie maßstäblich für = 0Ω folgende Verläufe: a) Spannung an der Primär- und Sekundärwicklung b) Strom in der Primär- und Sekundärwicklung c) Spannung am Leistungstransistor d) Spannung an der Diode r 1 Es wird im folgenden die Streuung der gekoppelten Drosselspule nicht mehr vernachlässigt. Der Widerstand sei gleich 0Ω. r 1 t K Berechnen Sie die Zeiten für die Einschalt- und für die Ausschaltkommutierung unter folgenden Voraussetzungen: a) Der Transistor wird als idealer Schalter betrachtet, d. h. beim Ausschalten kommutiert der Transistorstrom schlagartig auf die Z-Diode. b) Der Magnetisierungsstrom sei während der Kommutierung konstant. Das gilt unter der Voraussetzung L 1h» L 1σ, L 2h» L 2σ. c) Die Anfangswerte der Ströme jedes Schaltzustandes sind die gleichen wie die bei den unter Punkt skizzierten Verläufen. Hinweis: Ersetzen Sie den Übertrager durch die T-Ersatzschaltung in Bild 2.2. t K2 Bild 2.2 T-Ersatzschaltung eines verlustlosen Übertragers Skizzieren Sie den primären und sekundären Strom i 1 () t und i 2 () t innerhalb einer Schaltperiode Zeichnen Sie einen Schaltplan für den Sperrwandler. Verwenden Sie hierzu das Bild 2.3. WS Praktikum Automatisierungstechnik Versuch Schaltnetzteile (SNT) 4/11

5 Hinweis: Einer der Anschlüsse ist mit dem Nullpotential des Ausgangskreises (Anschluß 9) zu verbinden. Bild 2.3 Versuchsaufbau: Sperrwandler 2.2 Durchflußwandler Windungszahl der primären Wicklung Windungszahl der sekundären -Wicklung Windungszahl der Entmagnetisierungswicklung Primäre Hauptinduktivität Primäre Streuinduktivität Sekundäre Streuinduktivität Sekundäre Streuinduktivität der Entmagnetisierungswickl. Drosselspule Nennwert der Ausgangsspannung Nennwert des Ausgangsstromes Nennwert des Einschaltverhältnisses Nennwert der Eingangsgleichspannung Schaltfrequenz Durchbruchspannung der Z-Diode Durchlaßwiderstand der Z-Diode N 1 = 36 N 2 = 7 N e = 20 L 1h = 322mH, L 1σ = 221µH, L 2σ = 014µH, L eσ = 108µH, L = 158µH U an = 5 V I an = 5 A D 1n = 03, U 0n f s U z r z = 100V = 50 khz = 750V = 0Ω WS Praktikum Automatisierungstechnik Versuch Schaltnetzteile (SNT) 5/11

6 Bild 2.4 Prinzipschaltbild des Durchflußwandlers Es gelten zunächst folgende Voraussetzungen: Der Transistor und die Dioden sind als ideale Schalter zu betrachten. Die Ausgangsspannung U a sei ideal geglättet und der Drosselstrom i L sei nicht lückend. Die ohmschen Widerstände bis auf r 1, die Streuinduktivitäten und der Magnetisierungsstrom werden vernachlässigt Zeigen Sie, dass sich das Gleichspannungsübersetzungsverhältnis bestimmen läßt durch: U a U 0 D 1 1 = mit ü = N. (2) ü r 1 D 1 N R ü 2 Zeichnen Sie für r 1 R = 3 die Funktion U a U 0 = fd ( ) Skizzieren Sie maßstäblich für r 1 = 0Ω innerhalb einer Periode die Ströme i 1, i 2 und i F, die Transistorspannung u T und die Diodenspannungen Wiederholen Sie Aufgabenpunkt unter Berücksichtigung des Magnetisierungsstromes. Skizzieren Sie dazu zusätzlich den Magnetisierungsstrom sowie den Strom durch die Diode V 4 für ü e = N 1 N e = 1. Wie groß ist die Entmagnetisierungszeit? Welchen Wert müßte haben, damit für D 1 = D 1n der Transformator gerade noch entmagnetisiert werden kann? Berechnen Sie für diesen Fall den durch die Diode maximal fließenden Strom und die maximale Transistorspannung. V 4 D µ T s ü e WS Praktikum Automatisierungstechnik Versuch Schaltnetzteile (SNT) 6/11

7 2.2.4 Versuchsaufbau Zeichnen Sie einen Schaltplan für den Durchflußwandler mit primärseitiger Entmagnetisierung. Verwenden Sie hierzu das Bild 2.5. Hinweis: Einer der Anschlüsse ist mit dem Nullpotential des Ausgangskreises (Anschluß 9) zu verbinden. Bild 2.5 Versuchsaufbau: Durchflußwandler WS Praktikum Automatisierungstechnik Versuch Schaltnetzteile (SNT) 7/11

8 3 Versuchsdurchführung Der Versuchsaufbau (Bild 2.6) besteht aus 1. einem Entstörfilter und Gleichrichter U1 für eine Eingangsspannung U = 220 V 2. einem Zwischenkreiskondensator 3. einer Steuereinrichtung 4. einem MOSFET V 1 5. vier Dioden V 2, V 3, V 4, V z 6. einem Ausgangskondensator und 7. zwei Übertragern Ü 1, Ü 2 Für die Versuchsdurchführung werden noch folgende Geräte benötigt: 1. Ein Zweikanal-Oszilloskop (Hewlett Packard) 2. Zwei Stromzangen und Verstärker AM Ein Einphasen-Trenntrafo (Jacke) 4. Ein Labornetzteil (Toellner 7730) 5. Drei Multimeter (BBC M 2030, HP 974A) 6. Zwei Belastungswiderstände 7,7 Ω und 15 A Nach dem Aufbau jeder Schaltung ist beim Einschalten wie folgt vorzugehen: 7. Die Amplitude der Eingangsspannung durch den einstellbaren Trenntrafo auf Null Volt einstellen, 8. den Lastwiderstand hochohmig einstellen, 9. die Versorgungsspannung für die Steuereinrichtung anlegen, 10. die Transistorspannug oszillographieren und das Einschaltverhältnis mit dem Labornetzteil auf einstellen, D n N1, Ü 3, N2 u DS 11. die Eingangsspannung bis zum Nennwert langsam hochfahren, 12. den Lastwiderstand variieren bis der Nennstrom erreicht ist. C a C 0 Beim Ausschalten ist zuerst die Eingangsspannung U auf Null Volt herunterzufahren und erst dann sind das Labornetzteil und die Versorgungsspannung der Steuereinrichtung auszuschalten. Alle Messungen sind - solange nichts anderes angegeben wird - im Nennbetrieb durchzuführen. WS Praktikum Automatisierungstechnik Versuch Schaltnetzteile (SNT) 8/11

9 Alle Ergebnisse sind in der schriftlichen Ausarbeitung zu kommentieren! Hinweis: An wesentlichen Teilen der Schaltung liegt die Netzspannung an! Beachten Sie die Sicherheitsbestimmungen! Bild 2.6 Versuchsaufbau 3.1 Sperrwandler Bauen Sie die Schaltung nach dem Bild 2.6 auf, nehmen Sie sie in Betrieb und stellen Sie den unter Punkt 2.1 angegebenen Arbeitspunkt ein. Beachten Sie, dass die Eingangsspannung U 0 den Wert von 200 V nicht überschreiten darf Steuerkennlinie, Belastungskennlinie, Wirkungsgrad a) Ermitteln Sie die Steuerkennlinie U a U 0 = fd ( ), für D= 0,1; 0,15; 0,2; 0,25; 0,3 und R = U an I an. Tragen Sie die Werte in einem Diagramm auf. Errechnen Sie den Widerstand r 1 unter der Annahme, dass die Gesamtverluste gleich sind mit den Verlusten an r 1. Benutzen Sie die unter Punkt ermittelte Gleichung Ua U0 = fdr (, 1, R) b) Ermitteln Sie den Wirkungsgrad des Sperrwandlers unter Berücksichtigung der Durchlaßverluste des Leistungstransistors. Die Messungen sollen im Nennbetrieb und an der Lückgrenze erfolgen. Errechnen Sie R DS( on) aus dieser Messung den Transistordurchlaßwiderstand. Vergleichen Sie den Wert mit dem unter Punkt a) errechneten Wert. c) Tragen Sie die Belastungskennlinie ( U a = fi ( a )) für I a < I an auf. Beachten Sie, dass die Ausgangsspannung U a den Wert von 20 Volt nicht überschreiten darf. WS Praktikum Automatisierungstechnik Versuch Schaltnetzteile (SNT) 9/11

10 3.1.2 Kommutierung und Induktivitäten Zur Übersicht oszillographieren Sie zuerst die Ströme i 1 und i 2 über eine Schaltperiode. Oszillographieren Sie dann paarweise die beiden Ströme während jeder Kommutierung. Entnehmen Sie aus diesen Oszillogrammen die Steilheiten der Ströme, indem Sie die Verläufe durch Geraden annähern. Ermitteln Sie: a) die Kommutierungszeiten und. b) die Streuinduktivität des Übertragers, wenn gilt: L h» L σ und L 1σ ü 2 L 2σ, c) die Hauptinduktivität des Übertragers für». Verändern Sie die Kommutierungsinduktivitäten, indem Sie um die Verbindungsleitungen 3-26 und 4-8 je einen Ringkern legen. d) Wiederholen Sie die Messungen zur Bestimmung der Kommutierungszeiten. e) Wiederholen Sie die Messung c (Belastungskennlinie) Ventilspannungen t K1 Oszillographieren Sie die Transistorspannung u DS und die Diodenspannung u D. Vergleichen Sie die Oszillogramme mit den unter skizzierten Verläufen. t K2 L h L σ 3.2 Durchflußwandler Bauen Sie die Schaltung nach dem Bild 2.5 auf, nehmen Sie sie in Betrieb und stellen Sie den unter Punkt 2.2 angegebenen Arbeitspunkt ein. Beachten, Sie dass die Eingangsspannuing U 0 den Wert von 100 V nicht überschreiten darf Steuerkennlinie, Belastungskennlinie a) Ermitteln Sie die Steuerkennlinie U a U 0 = fd ( ) für 0, 1 < D< D n und R = U an I an. Tragen Sie die Werte in einem Diagramm auf. b) Ermitteln Sie die Belastungskennlinie U a = fi ( a ). I a soll zwischen Lückgrenze und Nennstrom variieren. Tragen Sie die Werte in einem Diagramm auf Glättungsinduktivität Oszillographieren Sie den Strom durch die Glättungsdrossel. Ermitteln Sie den Wert der Glättungsinduktivität und vergeichen Sie ihn mit dem unter Punkt 2.2 angebenen Wert. WS Praktikum Automatisierungstechnik Versuch Schaltnetzteile (SNT) 10/11

11 3.2.3 Kommutierung, Streuinduktivität und Entmagnetisierung Zur Übersicht oszillographieren Sie zuerst die Ströme i 1, i 2, i L und i e über eine Schaltperiode. Nun sollen die Kommutierungsphasen betrachtet werden. Dazu oszillographieren Sie paarweise die Ströme: a) i 2, i L. b) i 1, i e. Entnehmen Sie den Oszillogrammen die Steilheiten der Ströme, indem Sie die Stromverläufe durch Geraden annähern, die Kommutierungszeiten und die Entmagnetisierungszeit Ventilspannungen Oszillographieren Sie die Transistorspannung u DS und den Summenstrom ( i 1 + i e ). Vergleichen Sie die Kurven mit den unter 2.2 skizzierten Verläufen. WS Praktikum Automatisierungstechnik Versuch Schaltnetzteile (SNT) 11/11