FACHHOCHSCHULE Bielefeld 12. Juli 2004 Fachbereich Elektrotechnik

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1 FACHHOCHSCHULE Bielefeld 12. Juli 2004 Fachbereich Elektrotechnik Professor Dr.Ing.habil. K. Hofer Klausur zu LEISTUNGSELEKTRONIK UND ANTRIEBE (LEA) 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 (TRIAC) speist den Universalmotor einer Handbohrmaschine. Der Wechselstromsteller wird direkt an das öffentliche Netz (230V/50Hz) angeschlossen und darf als ideal betrachtet werden. Die Wirk- und Blindwiderstände der Anker- und Feldwicklung haben die Werte: R a = R f = X a = X f = 8,8 Ω. 1.1 Zeichnen Sie das elektrische Ersatzschaltbild. 1.2 Wie stellt sich ein festgebremster Universalmotor elektrisch für den Stromrichter dar? 1.3 Skizzieren Sie den zeitlichen Verlauf der Motorspannung und des Motorstroms für einen Steuerwinkel von α = und einen Stromflusswinkel von λ = Berechnen Sie den Effektivwert der Motorspannung für den Belastungsfall nach Wie groß ist der Effektivwert des Motorstroms bei festgebremster Maschine? 1.6 Welche Schein- Wirk und Blindleistung entnimmt der Antrieb dabei dem Netz? 1.7 Wie nennt man das Steuerverfahren mit einem variablen Steuerwinkel? 1.8 Die Zündimpulserzeugung (Synchronisation) arbeitet digital mit 10 bit. Bei welchem hexadezimalen Wert des netzsynchronen, digitalen Sägezahns erfolgt die Zündung, wenn α=120 0 ist? 1.9 Durch welche Maßnahme kann die Drehrichtung eines Universalmotors umgekehrt werden? Bitte lesen Sie alle Aufgaben in Ruhe durch, bevor Sie starten!

2 2. Aufgabe (25 Punkte) Gegeben ist ein symmetrisch halbgesteuerter Netzstromrichter in B2-Schaltung, der über eine sehr große Glättungsinduktivität (L d ) im Gleichstromkreis einen konstanten Gleichstrom von 10A für den fremderregten Gleichstrommotor eines Rührwerks in einer Großbäckerei liefert. Der Stromrichter wird wechselstromseitig an eine Steckdose (230V, 50 Hz) angeschlossen und darf für die folgenden Berechnungen als ideal betrachtet werden. 2.1 Zeichnen Sie das elektrische Schaltbild der Anordnung. 2.2 Welche Steuerfunktion hat dieser Stromrichter? (Formel und Skizze) 2.3 Wie viele Quadranten deckt dieser Antrieb ab und wie nennt man ihn? 2.4 Zeichnen Sie den zeitlichen Verlauf der Motorspannung und des Netzstroms für einen Steuerwinkel von α = 90 0 und einen konstanten Ankerstrom von 10 A. Tragen Sie die Leitphasen der einzelnen Leistungshalbleiter mit in das Diagramm ein. 2.5 Berechnen Sie den Gesamteffektivwert des Netzstroms sowie die aufgenommene Scheinleistung auf der Netzseite für den Betriebsfall nach Punkt Ermitteln Sie den Effektivwert der Grundschwingung im Netzstrom und dessen Phasenverschiebung gegenüber der Netzspannung. 2.7 Welcher Leistungsfaktor stellt sich auf der Netzseite ein? 2.8 Wie groß sind die Grundschwingungsblindleistung, die Wirkleistung und die Verzerrungsleistung auf der Netzseite? 2.9 Geben Sie die Abhängigkeit der Grundschwingungsblindleistung vom Steuerwinkel an und tragen Sie diese Funktion in ein Diagramm ein Für einen Motorwirkungsgrad von 80 % und ein Motornennmoment von 5 Nm ist die Drehzahl des Motors zu berechnen. Eine Musterlösung wird im Anschluss am schwarzen Brett ausgehängt! 2

3 3. Aufgabe (25 Punkte) Mit einer wasserstoffbetriebenen Brennstoffzelle (20 V) soll die Traktions-Batterie (48 V) eines kleinen Elektrofahrzeugs ständig mit einer Leistung von 50 W nachgeladen werden. Zur Spannungstransformation und zur Stromglättung ist eine Induktivität von L d = 0,01 H vorgesehen. Der IGBT-Leistungshalbleiter des Stromrichters wird mit einer Periodendauer von T = 0,05 ms pulsweitenmoduliert. Kommutierungsvorgänge und Schaltverluste dürfen ebenso vernachlässigt werden wie sämtliche ohmschen Verluste der Anordnung. Wasserstofftank Brennstoffzelle (20V, 50W) I BZ L d U BZ = 20V Stromrichter? I B U B = 48V Traktions- Batterie Elektroantrieb 3.1 Welcher Stromrichtertyp ist erforderlich, damit die Brennstoffzelle die Traktions-Batterie ständig nachladen kann? 3.2 Zeichnen Sie das elektrische Schaltbild der Anordnung. 3.3 Welche Einschaltzeit muss für diesen Ladevorgang eingestellt werden? 3.4 Zeichnen Sie die zeitlichen Verläufe der pulsweitenmodulierten Gleichspannung u d, des Brennstoffzellenstroms und des Batteriestroms maßstäblich in ein Diagramm. 3.5 Welche Stromschwankungsbreite hat der Brennstoffzellenstrom? 3.6 Berechnen Sie die arithmetischen Mittelwerte des Brennstoffzellenstroms und des Batteriestroms. 3.7 Wie nennt man die pulsweitenmodulierte Ausgangsspannung des Stromrichters? 3.8 Wie heißt der Faktor, der die Abweichung dieser Ausgangsspannung von einer idealen Gleichspannung angibt? 3.9 Ermitteln Sie diesen Faktor für den vorliegenden Belastungsfall Welchen Vorteil bringen Brennstoffzellen für Elektrofahrzeuge? Die Prüfungsergebnisse werden spätestens nächste Woche bekanntgegeben!! 3

4 4. Aufgabe (25 Punkte) Ein umrichtergespeister Drehstrom-Getriebemotor treibt die Seiltrommel eines Hebezeugs in einem vollautomatisierten Hochregallager an. Auf dem Typenschild der Drehstromasynchronmaschine sind die Nennleistung mit 80 kw und die Nenndrehzahl mit 2850 min -1 angegeben. Das Übersetzungsverhältnis des aufgeflanschten Festgetriebes beträgt ü = 12 und der Getriebewirkungsgrad liegt bei 81 %. Die Seiltrommel soll den Palettentisch mit einer Geschwindigkeit von 10 m/s bewegen. Das Gewicht der Gesamtlast am Seil beträgt 500 kg. 4.1 Zeichnen Sie ein vereinfachtes Strukturbild der Anordnung. 4.2 Berechnen Sie die Drehzahl der Seiltrommel und den erforderlichen Radius. 4.3 Rechnen Sie das Gesamtgewicht der Last auf die Ausgangsseite des Getriebes um. 4.4 Wie erscheint die Masse der Last an der Welle der Seiltrommel? 4.5 Berechnen Sie das Massenträgheitsmoment, das Widerstandsmoment und das Antriebsmoment an der Motorwelle. 4.6 In welcher Zeit kann der Elektroantrieb vom Stillstand auf seine Nenndrehzahl beschleunigen. 4.7 Zeichnen Sie das Drehmoment und die Drehzahl des Motors für diesen Hochlauf in einem Diagramm über der Zeit auf. 4.8 In welcher Zeit kann der Elektroantrieb von seiner Nenndrehzahl generatorisch stillgesetzt (abgebremst) werden? 4.9 Zeichnen Sie das Drehmoment und die Drehzahl des Motors für diesen Stillsetzvorgang in einem Diagramm über der Zeit auf Warum ist die Stillsetzzeit kürzer als die Hochlaufzeit? Wir wünschen Ihnen einen klaren Kopf und viel Erfolg!!!! 4

5 Lösungen der LEA-Klausur vom (nur Zahlenwerte) 1.1. Schaltung Wechselstromsteller mit Reihenschlussmaschine (Universalmotor) 1.2. Ohmsch-induktive Last (R+L), da U i = ψ Ω = Zeitliche Verläufe (ähnlich Bild 3.5 LE-Buch) 1.4. U a = 129,41V 1.5. I a = U a /Z= 5,2A 1.6. S = 1196VA; P = 476W; Q = 1097 VAr 1.7. Phasenanschnittsteuerung bit = 3FF H = π H ; α = 120 = 683digit = 2AB H Umpolung des Ankers oder der Feldwicklung Schaltung: Halbgesteuerter B2-SR mit Induktivität und GM-Last (ähnlich Bild 4.7 LE-Buch) 2.2. U dα = U di /2 (1 + cos α). Diagramm: U dα = f(α) Quadrant, Geradeausantrieb 2.4. Zeitliche Verläufe (ähnlich Bild 4.17 LE-Buch) 2.5. I L = 7,07A; S = 1,626kVA I L1 = 6,366A; φ 1 = α/2 = π/ λ = 0, Q 1 = 1035VAr; P = 1035W; D = Q d = 716VAr 2.9. Q 1 = U L I L1 sin φ 1. Diagramm: Q 1 = f(α) P mech = 828,3W; n = 1582min Hochsetzsteller (1Q-Chopper) 3.2. Schaltbild: BZ + L + Hochsetzsteller + Batterie 3.3. T e = (1-U BZ /U B )T = 29,2 µs Zeitlicher Verlauf von i BZ, i d, u d, i B i d = 58mA 3.6. I B = 1,042A; I BZ = 2,5A Pulsierende Gleichspannung 3.8. Welligkeit oder Formfaktor 3.9. F = U deff /U d = 1,55; w = 1, Große Reichweite (abhängig von Wasserstofftank), Hohe Energiedichte 4.1. Strukturbild: Netz, DAM, Getriebe, Seiltrommel Palette 4.2. n* = 237,5 min -1 ; r = 0,4m 4.3. m = 500kg; M* w = 2000Nm. Widerstandsmoment 4.4. J* = m r² = 80 Ws³. Massenträgheitsmoment 4.5. Motorseite: J = 0,556Ws³; M w = 205,8Nm; M a = 268,1Nm 2 J nn 4.6. Hochlaufzeit: th = π = 2, 66s M M a w 4.7. Diagramm: n, M = f(t) 4.8. Stillsetzzeit: t 0 = 0,35s 4.9. Diagramm: n, M = f(t) Das Widerstandsmoment muss beim Hochlauf mit aufgebracht werden und hilft beim Bremsen. Stand: