FACHHOCHSCHULE Bielefeld 3. Juli 2001 Fachbereich Elektrotechnik

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1 FACHHOCHSCHULE Bielefeld 3. Juli 2001 Fachbereich Elektrotechnik Professor Dr. Ing. habil. K. Hofer Klausur zu LEISTUNGSELEKTRONIK UND ANTRIEBE (LE) Bearbeitungsdauer: Hilfsmittel: 3.0 Zeitstunden Vorlesungsskriptum, Formelsammlung, Seminarunterlagen, Taschenrechner Lösungsblätter ohne den Namen und die Matrikelnummer werden nicht bewertet. Die Aufgabenblätter bitte nicht mit abgeben. 1. Aufgabe (25 Punkte) Ein einphasiger Wechselstromsteller wird am öffentlichen Wechselstromnetz (230V-50Hz) betrieben. Er soll wahlweise a) einen ohmschen Verbraucher (R = 100 Ω) und b) einen induktiven Verbraucher (X = 100Ω) speisen. Der Steuerwinkel ist in beiden Belastungsfällen fest auf α = eingestellt. Beantworten Sie die folgenden Fragen immer für beide Belastungsarten, damit ein direkter Vergleich der Ergebnisse möglich ist. 1.1 Zeichnen Sie die zeitlichen Verläufe der Netzspannung und des Netzstroms jeweils in ein Diagramm. a) ohmsch und b) induktiv 1.2 Berechnen Sie den gesamten Effektivwert des Netzstroms. a) ohmsch und b) induktiv 1.3 Welchen Effektivwert hat die Grundschwingung des Netzstroms? a) ohmsch und b) induktiv 1.4 Um welchen Winkel eilt die Stromgrundschwingung der Netzspannung nach? a) ohmsch und b) induktiv 1.5 Errechnen Sie die dem Netz entnommene Scheinleistung. a) ohmsch und b) induktiv 1.6 Wie viel Wirkleistung wird im Verbraucher umgesetzt? a) ohmsch und b) induktiv 1.7 Geben Sie die Grundschwingungsblindleistung an. a) ohmsch und b) induktiv 1.8 Wie groß ist der Anteil an Verzerrungsleistung? a) ohmsch und b) induktiv Bitte lesen Sie alle Aufgaben in Ruhe durch, bevor Sie starten!

2 2. Aufgabe (25 Punkte) Ein vollgesteuerter, netzgeführter B2-Stromrichter lädt über eine sehr große Glättungsinduktivität (L d ) im Gleichstromkreis eine 300 V-Notstrombatterie mit einem konstanten Gleichstrom von 12 A auf. Der Stromrichter wird wechselstromseitig an zwei Phasen des öffentlichen Drehstromnetzes (230/400V, 50 Hz) angeschlossen und darf für die folgenden Berechnungen als ideal betrachtet werden. 2.1 Zeichnen Sie das vollständige Schaltbild der Anordnung. 2.2 Berechnen Sie die ideelle Leelaufgleichspannung und den stationären Steuerwinkel. 2.3 Skizzieren Sie die zeitlichen Verläufe von Netzspannung und Netzstrom. 2.4 Welchen Scheitelwert und Effektivwert besitzt der Netzstrom? 2.5 Welche Ordnungszahlen treten im Spektrum des Netzstroms auf? 2.6 Berechnen Sie die Effektivwerte der Grundschwingung und der beiden niedrigsten Oberschwingungen im Netzstrom. 2.7 Wie groß ist für einen Steuerwinkel nach Punkt 2.2 die Wirkleistung auf der Gleichstromseite? 2.8 Mit welcher Grundschwingungsblindleistung wird nach Punkt 2.2 die Netzseite belastet und mit welcher Maßnahme könnte dieser Anteil deutlich verringert werden? 2.9 Berechnen Sie den stationären Steuerwinkel für den Fall, dass die Notstrom-Batterie von einem halbgesteuerten Gleichrichter aufgeladen werden soll? 2.10 Geben Sie den normierten Blindleistungsbedarf beider Stromrichtervarianten über der Aussteuerung in einem sogenannten Halbkreis-Diagramm an Markieren Sie die Grundschwingungsblindleistung bei der vorgegebenen Aussteuerung für beide Varianten in diesem Diagramm? 2.12 Wann macht es Sinn, eine B2-Schaltung mit der verketteten Spannung zu betreiben? Eine Musterlösung wird im Anschluss am LE-Labor ausgehängt! 2

3 3. Aufgabe (25 Punkte) Zwei Gleichspannungsquellen (U G1 und U G2 ) sind über die abgebildete Stromrichterschaltung miteinander verbunden. Zur Stromglättung ist eine Induktivität von L = 100 mh vorgesehen. Der IGBT-Leistungshalbleiter wird mit einer Periodendauer von T = 0,1 ms pulsweitenmoduliert. Kommutierungsvorgänge und Schaltverluste dürfen vernachlässigt werden. i G1 L i G2 D U G1 u L T u d U G2 3.1 In welchem Verhältnis müssen die Mittelwerte der beiden Gleichspannungen zueinander stehen? (Begründung) 3.2 Geben Sie die Richtung des Energieflusses an. 3.3 Wie nennt man diese Schaltung? 3.4 Nennen Sie einen praktischen Anwendungsfall. 3.5 Für ein Tastverhältnis von 0,3 sind die zeitlichen Verläufe von i G1, i G2 und u d aufzuzeichnen. 3.6 Berechnen Sie die Stromschwankungsbreite für den Fall, dass U G1 = 100 V beträgt. 3.7 Skizzieren Sie den Spannungsabfall u L an der Induktivität. 3.8 Welchen Effektivwert und welche Frequenz hat die Spannung an der Induktivität? Die Prüfungsergebnisse werden spätestens nächste Woche bekannt gegeben!! 3

4 4. Aufgabe (25 Punkte) Gegeben ist ein dreiphasiger Wechselrichter mit Spannungs-Zwischenkreis, der über einen B2- Gleichrichter aus dem öffentlichen Netz (230 V / 50 Hz) gespeist wird. Die Zwischenkreisspannung wird von einem Kondensator geglättet. Als Last ist eine 0,75 KW- Drehstromasynchronmaschine angeschlossen. Sämtliche leistungselektronischen Bauteile sollen ideales Verhalten haben. 4.1 Skizzieren Sie den Aufbau des kompletten Antriebs als Blockschaltbild. 4.2 Berechnen Sie den arithmetischen Mittelwert der Zwischenkreisspannung. 4.3 Zeichnen Sie den zeitlichen Verlauf einer Strangspannung bei Volltaktung mit 50 Hz maßstäblich in ein Diagramm. 4.4 Wie nennt man eine solche Spannung und welchen Effektivwert und Grundschwingungsgehalt hat sie? 4.5 Für einen Strangstrom von 3 A effektiv ist die Scheinleistung der Maschine näherungsweise zu berechnen. 4.6 Wie groß ist der Leistungsfaktor auf der Drehstromseite? 4.7 Zeichnen Sie den zeitlichen Verlauf des Strangstroms unter der Annahme λ cos ϕ in das Diagramm unter Punkt 4.3 mit ein. 4.8 Wo kommt die Blindleistung der Drehstromasynchronmaschine her und wie kann man sich Blindleistung in einem Gleichstromkreis vorstellen? 4.9 Dimensionieren Sie näherungsweise den Kondensator im Gleichspannungs-Zwischenkreis Wie verändert sich die Phasenverschiebung zwischen den Stranggrößen, wenn die Maschine im Generatorbetrieb arbeitet Wo bleibt die zurückgespeiste Energie? Nennen Sie zwei schaltungstechnische Maßnahmen Welchen Vorteil hat der Betrieb mehrerer Wechselrichter an einem gemeinsamen Gleich- Spannungs- Zwischenkreis. Wir wünschen Ihnen einen klaren Kopf und viel Erfolg!!!! 4

5 Lösungen der LE-Klausur vom (nur Zahlenwerte) 1.1. Verläufe von Netzspannung und strom bei ohmscher & induktiver Last 1.2. a) I L = 1,02 A ; b) I L = 0,96 A 1.3. a) I L1 = 0,71 A ; b) I L1 = 0,90 A 1.4. a) ϕ 1 = -50,7 ; b) ϕ 1 = a) S = 234,6 VA; b) S = 220,8 VA 1.6. a) P = 103,4 W; b) P = a) Q 1 = 126,4 VAr; b) Q 1 = 206,7 VAr 1.8. a) D = 168,4 VAr; b) D = 77,6 VAr Schaltbild B2-SR mit L und Notstrombatterie 2.2. U di = 360 V; α = 33, Zeitl. Verlauf von u L, i L î L = I L,eff = 12 A 2.5. m = 1, 3, 5, 7,..., oo. Nur ungeradzahlige 2.6. I L1 = 10,8 A; I L3 = 3,6 A; I L5 = 2,16 A 2.7. P d = 3,6 kw Q 1 = 2,39 kvar. Reduzierung durch halbgesteuerte Brücke α = 48, u d /U di = 0,833 Diagramm LEA-Buch Bild U G1 < U G von links (U G1 ) nach rechts (U G2 ) Hochsetzsteller (1Q-Chopper) Langsam drehende Gleichstrommaschine generatorisch abbremsen Zeitl. Verlauf von u G1, u G2, u d i d = 30 ma 3.7. Zeitl. Verlauf u L U L = 65,5 V; f = 10 khz Schaltbild Frequenzumrichter LEA-Buch Bild U d = 325 V 4.3. Zeitl. Verlauf von U u, I u Nichtsinusförmige Wechselspannung. U u = 153,2 V; g u = 0, S = 1379 VA λ = 0, ϕ = Q = 1157 VAr. Wechselanteil des welligen Gleichstromes C min = 34,9 µf ϕ 180, Strom eilt um mehr als 90 nach a) Rückspeisung mit Umkehrstromrichter, b) Energievernichtung im Widerstand mit Brems-Chopper Bremsenergie kann zum Betrieb anderer Antriebe verwendet werden. Stand: