GLEICHSTROMSTELLER (GS) Versuchsaufgabe

Transkript

1 Fachhochschule Praktikum Versuch LEA3 + RUL3 Bielefeld Leistungselektronik und Antriebe Prof. Dr. Hofer FB Elektrotechnik Regelungstechnik und Leistungselektronik GLEICHSTROMSTELLER (GS Versuchsaufgabe Der Gleichstromsteller (Chopper ist ein leistungselektronisches Stellglied, das aus einer konstanten Gleichspannungsquelle die Leistungsabgabe an einen Gleichstromverbraucher kontinuierlich steuern kann. Er gehört zu den selbstgeführten Stromrichtern. Durch periodisches An- und Abschalten (PWM der Speisespannung U 0 an die Last kann der Mittelwert der Lastspannung U d zwischen 0 und U 0 eingestellt werden. Sein Anwendungsgebiet liegt hauptsächlich bei der Antriebssteuerung von elektrischen Fahrzeugen, sofern sie ihre Energie aus einer Batterie oder einer Gleichspannungsfahrleitung beziehen. Ziel des Versuches soll es sein, die Wirkungsweise des Leistungs- und Steuerteils im praktischen Betrieb kennenzulernen. Der Gleichstromsteller ist dabei ohmsch, ohmsch-induktiv und mit einer Gleichstrommaschine zu belasten. Außerdem sollen die Ausgangsgrößen hinsichtlich der Oberschwingungen (Fourier-Spektren analysiert werden. Versuchsdurchführung Der Gleichstromsteller mit vorgeschaltetem Gleichrichter und Zwischenkreispufferung wird über einen Trenntransformator zur galvanischen Trennung an das Wechselstromnetz angeschlossen. Die Taktfrequenz f=1/t beträgt ca. 20 khz. Die oszilloskopische Messung der Ströme erfolgt über im Leistungsteil eingebaute induktionsarme Shunts von 10mΩ. Als Last dient eine Kombination aus Schiebewiderständen, Induktivität und Gleichstrommaschine. Aufgabenstellung 1. Messungen bei U L = 230 V. 1. Bei ohmscher und ohmsch-induktiver Belastung sind für verschiedene Tastverhältnisse T e /T am Oszilloskop zu beobachten: u d, i d, u 0, i 0, i D. 2. Der Leistungsfaktor λ im Gleichstromkreis soll bestimmt werden. 3. Für R = 50 Ω und L 1 mh sind für verschiedene Tastverhältnisse T e /T zu messen: P L, I L, U 0, U d, I d und i d. 2. Auswertung 1. Die beobachteten Verläufe sind zu diskutieren. Erklären Sie das Prinzip der Pulsweitenmodulation (PWM. 2. Die Steuerkennlinie aus Messung 2.a U d = f ( T e /T ist aufzuzeichnen. 3. Berechnen Sie die Gleichstromleistung P 0 d = U d Id, P d den Gleichrichtgrad 0 Ud ( T Te η d1 = und die Induktivität L = für 3. PL id Zeichnen Sie getrennt für Messung unter 3. den Gleichrichtgrad η d1 = f ( T e /T. 4. Berechnung der Oberschwingungsspektren der gemessenen Kurvenverläufe zu 1. mit Hilfe von PC-Programmen.

2 FH Bielefeld LEA3+RUL3 Seite 2 Schaltbild L1 Netz 230V 50Hz N PE 10A Automat 230V Trenntransformator 2,5 kva Oszilloskop (i T,i D,i d,u d W, V,A Stromzange Power meter (U L,I L, P L,S L 10A ff Gleichstromsteller 230V 6A + C U 0 VV MOSFET T Shunts 10mΩ PWM-Steuerung 100pF D I d A U d V R L Widerstände (bifilar oder gewickelt LE3SB.dsf (C1999 G.Weinert Testfragen 1. Wodurch unterscheiden sich Halbleiterschalter für Wechselstrom bzw. Gleichstrom? 2. Erläutern Sie Aufbau und Wirkungsweise eines Gleichstromstellers. 3. Was versteht man unter Pulsweitenmodulation (PWM? 4. Welche leistungselektronischen Bauelemente können beim Gleichstromsteller als Schalter verwendet werden? 5. Warum ist bei Betrieb des Stellers an ohmsch-induktiver Last eine Freilaufdiode erforderlich? 6. Erklären Sie den Aufbau und die Funktion eines MOSFET. 7. Wie hängt die Schwankungsbreite des Laststromes i d von der Zeitkonstanten des Lastkreises und von der Taktfrequenz des Stellers ab? 8. Wann ist ein Glättungskondensator am Eingang des Gleichstromstellers erforderlich? 9. Wie kann bei einem Gleichstromstellerantrieb eine Nutzbremsung durchgeführt werden? 10. Welche Vorteile bzw. Nachteile haben Gleichstromsteller im Vergleich zu netzgeführten Stromrichtern (B2, B6 bei der Steuerung von Gleichstrommaschinen? Literatur [1] Hofer, K.: Moderne Leistungselektronik und Antriebe. VDE-Verlag, Berlin u. Offenbach, 1995 [2] Heumann, K.: Grundlagen der Leistungselektronik. Teubner-Verlag, Stuttgart, 1989

3 FH Bielefeld LEA3+RUL3 Seite 3 Messprotokoll: Versuchsdatum:... Bearbeiter: Oszilloskopische Beobachtungen a rein ohmsch b ohmsch-induktiv

4 FH Bielefeld LEA3+RUL3 Seite 4 2. Der Leistungsfaktor λ im Gleichstromkreis soll bestimmt werden. Das Poti zur Einstellung des Tastverhältnisses soll jeweils auf 60% stehen P S = U B I eff P = U B Iarith λ = S a ohmsche Belastung mit R L =50Ω b ohmsch-induktive Belastung mit R L =50Ω (gewickelt ; L 1 mh c ohmsch-induktive Belastung mit R L =50Ω (gewickelt ; L 40 mh 3. Ohmsch-Induktive Belastung bei U L = 230 V; R L = 50 Ω (gewickelt; L... mh. Poti T e /T P L /W U 0 /V U d /V I d /A i d /A P 0d /W η d1 0 % 20 % 30 % 40 % 50 % 60 % 70 % 80 % 90 % 100 % Diagramm: η d1 = f ( T e /T in Diagramm eintragen! U d = f (T e/t in Diagramm eintragen! LE3all.DOC

5 FH Bielefeld LEA3+RUL3 Seite 5 Schaltbild des Choppers LENZE 515 Kurzbeschreibung und technische Daten Pulsbreitenmodulierter Einquadranten-Chopper mit 1 kw Ausgangsleistung PWM der Ausgangsspannung mit ca. 20kHz Taktfrequenz durch Power-MOS-Transistoren Zwischenkreispufferung Tachobetrieb oder Ankerspannungsrückführung mit IxR-Kompensation Galvanische Trennung der Elektronikklemmen auch bei Ankerspannungsregelung Störmeldung bei Überstrom oder Kurzschluss an den Ankerklemmen mit TRIP-Anzeige durch LED. Daten: Eingang: U L1,N = V Ausgang: U A = 0-180V; I Amax = 6A; P d = 960W; max. Formfaktor 1,4; Feld: U F = 0,9 x U L1,N ; I Fmax = 0,6 A