4 Ein- und dreiphasige Diodengleichrichtung

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1 4 Ein- und dreiphasige Diodengleichrichtung Abb.4.1 zeigt die in das ETH Zurich Converter Lab integrierte dreiphasige Gleichrichterbrücke mit der verschiedene Gleichrichterschaltungen experimentell analysiert werden können. Bei Verwendung von nur vier Dioden lassen sich die einphasigen, bei Verwendung aller sechs Dioden die dreiphasigen, ungesteuerten Brückengleichrichter untersuchen. Abb.4.1: Integrierte Gleichrichterbrücke des ETH Zurich Converter Lab Anmerkung: Beachten Sie für diesen Versuch, dass die Drehstromversorgung der Schaltungen jeweils zwingend die Phase 1 (R) des dreiphasigen Autotransformators beinhalten muss, da der dazwischengeschaltete Dreiphasen-Power-Analyser so eingestellt ist, dass er auf die besagte Phase 1 (R) triggert. 4.1 Einphasiger Brückengleichrichter mit ohmscher Last Abb.4.2: Einphasiger Brückengleichrichter mit ohmscher Last Der einfachste Fall ist der in Abb.4.2 dargestellte einphasige Brückengleichrichter mit ohmscher Last. Schließen sie die Wechselspannungsquelle (1Trafo, maximaler Effektivwert der Phasenspannung U 1,max = 35V) an Klemmen X 10 und X 12 an und belasten sie das System mit einem geeigneten Lastwiderstand R L an den Klemmen X 13 und X 9. Konfigurieren Sie die Relaiskontakte entsprechend. Das zugehörige Messergebnis ist in Abb.4.3 dargestellt. Sie erkennen, dass die Ausgangsspannung u L bzw. der Ausgangsstrom i L dem Betrag der Eingangsspannung u 1 bzw. dem Eingangsstrom i 1 entsprechen. Nachteilig ist der große Wechselspannungsanteil der Ausgangsspannung, der Leistungsfaktor dieser Anordnung ist jedoch kaum zu überbieten ( = ). Messwerte: U 1 = V I 1 = 8.497A 1

2 P 1 = 283.7W S 1 = 283.7VA = i 1 (Leitung) u 1 (X10 X12) i L (Leitung) u L (X13 X9) Abb.4.3: Zeitverläufe der Netzspannung u 1, des Netzstromes i 1, der Lastspannung u L und des Laststromes i L beim einphasigen Brückengleichrichter mit ohmscher Last. Die Ströme wurden in den Zu- und Belastungsleitungen gemessen. 4.2 Einphasiger Brückengleichrichter mit Glättungskondensator am Ausgang Abb.4.4: Einphasiger Brückengleichrichter mit Glättungskondensator am Ausgang und ohmscher Last. In Abb.4.4 ist der einphasige Brückengleichrichter mit Glättungskondensator und ohmscher Last dargestellt. Belassen sie die Wechselspannungsquelle (1Trafo) an den Klemmen X 10 und X 12 und belasten sie das System mit einem geeigneten Lastwiderstand R L an den Klemmen X 7 und X 9. Konfigurieren Sie die Relaiskontakte entsprechend. Das zugehörige Messergebnis ist in Abb.4.5 dargestellt. Sie erkennen, dass die Ausgangsspannung u L nun geglättet ist und die Ladung der Ausgangskondensatoren C 1 und C 2 nur in der Umgebung der Netzspannungsspitze erfolgt. Das Netz in diesem Labor hat eine 2

3 vergleichsweise hohe Impedanz, wodurch die Stromführungsdauer (Leitwinkel) sehr lang ist und dadurch der Leistungsfaktor mit = sehr hoch ist. Messwerte: U 1 = V I 1 = 9.306A P 1 = 258.2W S 1 = 313.3VA = i 1 (Zuleitung) u 1 (X10 X12) i D (I1) u L (X7 X9) Abb.4.5: Zeitverläufe der Netzspannung u 1, des Netzstromes i 1, der Lastspannung u L und des Kondensator-Ladestromes i D beim einphasigen Brückengleichrichter mit Glättungskondensator am Ausgang und ohmscher Last. Der Netzstrom wurde in der Zuleitung gemessen. 4.3 Einphasiger Brückengleichrichter mit ausgangsseitiger Induktivität und konstanter Ausgangsspannung Abb.4.6: Einphasiger Brückengleichrichter mit ausgangsseitiger Induktivität und konstanter Ausgangsspannung. 3

4 In Abb.4.6 ist der einphasige Brückengleichrichter mit ausgangsseitiger Induktivität, konstanter Ausgangsspannung und ohmscher Last dargestellt. Belassen sie die Wechselspannungsquelle (1Trafo) an den Klemmen X 10 und X 12, klemmen sie eine Induktivität mit ca. 40mH/10A (Abb.4.7) an die Klemmen X 13 und X 14 und belasten sie das System mit einem geeigneten Lastwiderstand R L an den Klemmen X 7 und X 9. Konfigurieren Sie die Relaiskontakte entsprechend. Abb.4.7: Glättungsinduktivität L A (40mH/4.4A) zur Glättung des Ladestromes. Das zugehörige Messergebnis ist in Abb.4.8 dargestellt. Sie erkennen, dass der Ladestrom des Kondensators i D nun geglättet ist und zu einer Stromführung während der vollen Netzperiode führt. Die Welligkeit an den Kondensatoren C 1 und C 2 wird dadurch nochmals reduziert. Der Leistungsfaktor ist mit = schon recht hoch. Messwerte: U 1 = V I 1 = 7.234A P 1 = 294.5W S 1 = 331.7VA = i 1 (Zuleitung) u 1 (X10 X12) i D (I1) u L (X7 X9) Abb.4.8: Zeitverläufe der Netzspannung u 1, des Netzstromes i 1, der Lastspannung u L und des Stromes i D der Glättungsinduktivität L A beim einphasigen Brückengleichrichter mit 4

5 ausgangsseitiger Induktivität, konstanter Ausgangsspannung und ohmscher Last. Der Netzstrom wurde in der Zuleitung gemessen. 4.4 Einphasiger Brückengleichrichter mit netzseitiger Induktivität und konstanter Ausgangsspannung Abb.4.9: Einphasiger Brückengleichrichter mit netzseitiger Induktivität und konstanter Ausgangsspannung. In Abb.4.9 ist der einphasige Brückengleichrichter mit netzseitiger Induktivität, konstanter Ausgangsspannung und ohmscher Last dargestellt. Belassen sie die Wechselspannungsquelle (1Trafo) an der Klemme X 12, klemmen sie eine Induktivität mit ca. 10mH zwischen die Klemme X 10 und die Wechselspannungsquelle und belasten sie das System mit einem geeigneten Lastwiderstand R L an den Klemmen X 7 und X 9. Konfigurieren Sie die Relaiskontakte entsprechend. Das zugehörige Messergebnis ist in Abb.4.8 dargestellt. Sie erkennen, dass der Ladestrom des Kondensators i D nun ständig die Nulllinie berühren muss und daher der Netzstrom i 1 eine große Phasenverschiebung zur Spannung u 1 erfährt. Bei einer großen Induktivität L A kann nur mehr eine geringe Wirkleistung aufgenommen werden. Der Leistungsfaktor = dieser Anordnung ist durch das ausgeprägt induktive Verhalten sehr gering. Messwerte: U 1 = 50.31V I 1 = 7.873A P 1 = 255.2W S 1 = 396.1VA =

6 i 1 (Zuleitung) u 1 (TRAFO X12) i D (I1) u L (X7 X9) Abb.4.10: Zeitverläufe der Netzspannung u 1, des Netzstromes i 1, der Lastspannung u L und des Stromes i D im Gleichspannungskreis beim einphasigen Brückengleichrichter mit netzseitiger Induktivität, konstanter Ausgangsspannung und ohmscher Last. Der Netzstrom wurde in der Zuleitung erfasst. 4.5 Dreiphasiger Brückengleichrichter mit ohmscher Last Abb.4.11: Dreiphasiger Brückengleichrichter mit ohmscher Last. In Abb.4.11 ist der dreiphasige Brückengleichrichter mit ohmscher Last dargestellt. Verbinden sie die Klemmen X X 12 mit einer einstellbaren Drehstromquelle (3Trafo, maximaler Effektivwert der Außenleiterspannung U N,max = 35V). Belasten sie das System mit einem geeigneten Lastwiderstand R L an den Klemmen X 13 und X 9 und konfigurieren sie die Relaiskontakte entsprechend. Das zugehörige Messergebnis ist in Abb.4.12 dargestellt. Sie erkennen, dass die Ausgangsspannung u L bzw. der Ausgangsstrom i L bereits bei ohmscher Last vergleichsweise gut geglättet wird, da die Ausgangsspannung stets der aktuell größten Außenleiterspannung u ij (ij = RS, ST, TR) entspricht. Die Eingangsströme i i (i = R, S, T) sind nur noch während der Leitphasen der zugehörigen Dioden proportional zur jeweiligen Außenleiterspannung. Der Leistungsfaktor dieser Anordnung beträgt =

7 Messwerte: U = (U R + U S + U T ) / 3 = V I = (I R + I S + I T ) / 3 = 8.585A P = 448.7W S = 470.1VA = i R (Leitung) u RS (X10 X12) i L (Leitung) u L (X13 X9) Abb.4.12: : Zeitverläufe der Außenleiterspannung u RS, des Netzstromes i R, der Lastspannung u L und des Laststromes i L beim dreiphasigen Brückengleichrichter mit ohmscher Last. Die Ströme wurden in den Zu- und Belastungsleitungen erfasst. 4.6 Dreiphasiger Brückengleichrichter mit Glättungskondensator am Ausgang Abb.4.13: Dreiphasiger Brückengleichrichter mit Glättungskondensator am Ausgang und ohmscher Last In Abb.4.13 ist der dreiphasige Brückengleichrichter mit Glättungskondensator am Ausgang und ohmscher Last dargestellt. Belassen sie die Drehstromquelle (3Trafo) an den Klemmen X X 12 und belasten sie das System mit einem geeigneten Lastwiderstand R L an den Klemmen X 7 und X 9. Konfigurieren Sie die Relaiskontakte entsprechend. Das zugehörige Messergebnis ist in Abb.4.14 dargestellt. Sie erkennen, dass die Ausgangsspannung u L nun geglättet ist und die Ladung der Ausgangskondensatoren C 1 und C 2 nur in der Umgebung der Netzspannungsspitze erfolgt. Das Netz in diesem Labor hat eine 7

8 vergleichsweise hohe Impedanz, wodurch die Stromführungsdauer sehr lang ist und dadurch der Leistungsfaktor mit = sehr hoch ist. Messwerte: U = V I = 9.508A P 1 = 507.0W S 1 = 555.5VA = i R (Zuleitung) u RS (X10 X12) i D (I1) u L (X7 X9) Abb.4.14: Zeitverläufe der Außenleiterspannung u RS, des Netzstromes i R, der Lastspannung u L und des Kondensator-Ladestromes i D beim dreiphasigen Brückengleichrichter mit Glättungskondensator am Ausgang und ohmscher Last. Der Netzstrom wurde in der Zuleitung gemessen. 4.7 Dreiphasiger Brückengleichrichter mit ausgangsseitiger Induktivität und konstanter Ausgangsspannung Abb.4.15: Dreiphasiger Brückengleichrichter mit ausgangsseitiger Induktivität und konstanter Ausgangsspannung. 8

9 In Abb.4.15 ist der dreiphasige Brückengleichrichter mit ausgangsseitiger Induktivität, konstanter Ausgangsspannung und ohmscher Last dargestellt. Belassen sie die Drehstromquelle (3Trafo) an den Klemmen X X 12, klemmen sie eine Induktivität mit ca. 40mH/10A (Abb.4.7) an die Klemmen X 13 und X 14 und belasten sie das System mit einem geeigneten Lastwiderstand R L an den Klemmen X 7 und X 9. Konfigurieren Sie die Relaiskontakte entsprechend. Das zugehörige Messergebnis ist in Abb.4.16 dargestellt. Sie erkennen, dass der Ladestrom des Kondensators i D nun beinahe ideal geglättet ist und zu einer Stromführung am Netz während ca. 2 / 3 der Netzperiode führt. Die Welligkeit an den Kondensatoren C 1 und C 2 ist minimal und in diesem Maßstab nicht mehr zu erkennen. Der Leistungsfaktor ist mit = sehr gut für eine passive Gleichrichtung. Messwerte: U = V I = 7.175A P = 430.8W S = 448.3VA = i R (Zuleitung) u RS (X10 X12) i D (I1) u L (X7 X9) Abb.4.16: Zeitverläufe der Außenleiterspannung u RS, des Netzstromes i R, der Lastspannung u L und des Stromes i D der Glättungsinduktivität L A beim dreiphasigen Brückengleichrichter mit ausgangsseitiger Induktivität, konstanter Ausgangsspannung und ohmscher Last. Der Netzstrom wurde in der Zuleitung erfasst. 9

10 4.8 Dreiphasiger Brückengleichrichter mit netzseitiger Induktivität und konstanter Ausgangsspannung Abb.4.17: Dreiphasiger Brückengleichrichter mit netzseitiger Induktivität und konstanter Ausgangsspannung. In Abb.4.17 ist der dreiphasige Brückengleichrichter mit netzseitiger Induktivität, konstanter Ausgangsspannung und ohmscher Last dargestellt. Schalten sie drei Induktivitäten L A mit je ca. 5mH zwischen die Drehstromspannungsquelle (3Trafo) und die Klemmen X X 12 und belasten sie das System mit einem geeigneten Lastwiderstand R L an den Klemmen X 7 und X 9. Konfigurieren Sie die Relaiskontakte entsprechend. Leider kann wegen eines Mangels an geeigneten Induktivitäten kein Messergebnis präsentiert werden. Versuchen sie selbst die Ergebnisse zu erfassen und zu interpretieren. 10