Erzeugung hoher Gleichspannung

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1 Seite 1 von 16 Prof. Dr. -Ing. Robert Bach Prof. em. Dr.-Ing. Jan Meppelink Cornelius Epple B.Eng. FB EE Fachgebiet Hochspannungstechnik Praktikum Hochspannungstechnik Versuch 2: Erzeugung hoher Gleichspannung Version Organisation 1.1 Laborordnung Es gilt die Laborordnung des Hochspannungslabors. Achtung: Geladene Kondensatoren stellen eine Lebensgefahr dar. Vor Berühren sind solche Kondensatoren zu erden und kurzzuschließen. Insbesondere muss bei der Reihenschaltung von Kondensatoren darauf geachtet werden, dass jeder einzelne Kondensator kurzgeschlossen und geerdet ist. Die erfolgreiche Teilnahme am Praktikum ist eine Voraussetzung zur Zulassung zur Fachprüfung Hochspannungstechnik. 1.2 Versuchsberichte Jeder Student gibt einen eigenständig erstellten Versuchsbericht ab. Die Kopie des handschriftlich erstellten Messprotokolls ist zulässig. Im Falle von Rücksprachen, Fehlerverbesserungen, Nachträgen, Änderungen etc. ist der jeweilige Student verantwortlich. Für die Versuchsberichte sind die Vordrucke zu verwenden, die im Hochspannungslabor erhältlich sind. In diese Vordrucke sind Gruppenbezeichnung, die Namen der Teilnehmer etc. vollständig einzutragen. Mit dem Computer geschriebene Vordrucke müssen identischen Inhalt und Anordnung haben.

2 1.3 Abgabe der Versuchsberichte Seite 2 von Abgabe der Versuchsberichte Versuchsberichte werden spätestens 2 Wochen nach dem Versuch in der e-learning-plattform hochgeladen. 1.4 Rückgabe der Versuchsberichte Die Rückgabe erfolgt ebenfalls über die e-learning-plattform. 1.5 Ablauf des Versuchs Eine selbständige, gründliche Vorbereitung auf den Versuch wird erwartet, damit die Lernziele beim ersten Durchgang erreicht werden. Zur Vorbereitung gehört das Lesen des ausgegebenen Versuchsumdrucks, das Lesen der zugehörigen Kapitel im Skript Hochspannungstechnik und gegebenenfalls das Lesen der genannten Fachliteratur zur Vorbereitung oder Ausarbeitung des Versuchsberichts. Es wird eine schriftliche Überprüfung vor Beginn des Praktikums durchgeführt. Unvorbereitete Studenten werden zu einem neuen Termin gebeten. 2 Ziele des Versuchs Sie kennen die Schaltungen und Funktion einer Schaltung zur Erzeugung hoher Gleichspannungen. Sie kennen die Spannungsverdopplerschaltung. Sie kennen die Abhängigkeit der Anfangsund Durchschlagsspannung einer Spitze-Platte-Anordnung in Luft bei beiden Polaritäten. Sie kennen die Methodik der Strommessung von Vorentladungsströmen. Folgende Aufgaben und Fragen sollten Sie lösen und beantworten können: Zeichnen Sie die Einweggleichrichterschaltung. Welche Spannungen müssen die Dioden aushalten? Was bedeutet der Begriff der Überlagerung? Definieren Sie die Begriffe Überlagerung, Überlagerungsfaktor und den zeitlichen Mittelwert. Bitte visualisieren Sie dies mit einer Grafik. Welche Diodentypen eignen sich für Hochspannungsgleichrichter? Was ist der Polaritätseffekt bei einer Entladung unter Gleichspannung? Wie ist der lineare Mittelwert (arithmetischer Mittelwert) definiert? Wie ändert sich die Gleichspannung bei Belastung durch einen Widerstand? Zeichnen Sie eine Spannungsverdopplerschaltung! Erklären Sie die Funktion der Schaltung. 3 Literatur Aktuelles Vorlesungsskript Hochspannungstechnik Kind, Dieter: "Einführung in die Hochspannungsversuchstechnik", Vieweg Küchler, Andreas: Hochspannungstechnik, Springer Anwendbare Normen liegen zur Einsicht: VDE 0432

3 Seite 3 von 16 4 Grundlagen Die Grundlagen der Gleichspannungserzeugung finden Sie im Skript bzw. in der zitierten Literatur. 5 Versuchsdurchführung 5.1 Messung der Belastungskennlinie des Selen-Gleichrichters der Firma MWB In Abb. 1 wird die Schaltung zur Erzeugung hoher Gleichspannung gezeigt. Die Benennung erfolgt gemäß Tab. 1. Sie sollten diese Schaltung mit den vorhandenen Bauelementen selber aufbauen. Anmerkung: Während des Versuches wird mit verschiedenen Varianten dieser Schaltung gearbeitet. Abbildung 1: Schaltung zur Erzeugung hoher Gleichspannung Zur Bestimmung der Überlagerung wird ein spezieller kapazitiver Spannungsteiler verwendet. Auf die Funktionsweise dieses Spannungsteilers wird im Rahmen dieser Übung eingegangen.

4 5.1 Messung der Belastungskennlinie des Selen-Gleichrichters der Firma MWBSeite 4 von 16 U1 U2 Ug Ig T C M1 Bedeutung U1 Primärkreis der Wechselspannung V effektiv U2 Sekundäre Wechselspannung kV effektiv Ausgangsspannung = Gleichgerichtete Wechselspannung U2 Gleichgerichteter Strom im Hochspannungskreis der Hochspannungsschaltung Transformator 220V/100kV eff., 4, 6kV A Messkondensator 100pF, 100kV eff. für das Scheitelspannungsmessgerät SM (siehe Übung Messung hoher Wechselspannung SM Scheitelspannungsmessgerät Scheitelwert 2 Messgröße linearer Mittelwert der Wechselspannung U2 GM Digitales Gleichspannungsmessgerät linearer Mittelwert GR Gleichrichter (Selen), MWB Baukasten mit Schutzwiderstand 500kΩ eingebaut, max. Sperrspannung 140kV, I = 5mAef f. kontinuierlich Cs Rh Rn Stoßkondensator 10nF, 100kV DC Hochspannungswiderstand für den ohmschen Spannungsteiler, Messwiderstand R = 250MΩ, 140kV DC Niederspannungsteil des ohmschen Spannungsteiler (im GM), angepasst an das digitale Gleichspannungsmessgerät (GM) Rs Widerstand zur Ermittlung eines Kennlinienpunktes 10MΩ, 140kV DC, 60W Osz. Oszilloskop - LeCroy Spannungsverlauf C M2 Kapazitiver Spannungsteiler zur Bestimmung der Überlagerung CH = 103pF, CN = 99, 13pF, ü = 1015 Tabelle 1: Erläuterung der Bauelemente

5 5.1 Messung der Belastungskennlinie des Selen-Gleichrichters der Firma MWBSeite 5 von Bilder des Versuchsaufbaus Abbildung 2: Versuchsaufbau zur Ermittlung der Belastungskennlinie der Einweggleichrichtung Abbildung 3: Versuchsaufbau zur Ermittlung der Belastungskennlinie der Einweggleichrichtung

6 5.1 Messung der Belastungskennlinie des Selen-Gleichrichters der Firma MWBSeite 6 von Messung Der lineare Mittelwert I g des Stromes Ig (der gleichgerichtete Strom im Hochspannungskreis) wird mit einem Phywe Labormessgerät gemessen. Zur Aufnahme der Belastungskennlinie brauchen wir mindestens zwei Messpunkte: Betrachtung der theoretischen Spannung 1. Leerlauf bei 50kV eff. bzw. Û 2 = 50kV (kein Widerstand im Kreis) - die Leerlaufspannung wird theoretisch bestimmt. 2. Belastung durch den Messwiderstand Rm bei 50kV eff. bzw. Û 2 = 50kV - Messung I g, U 3. Zusatzbelastung durch Rs bei 50kV eff. bzw. Û 2 = 50kV - vorher Strom ausrechnen um Überlastung zu vermeiden, ggf. zweiten Rs in Reihe schalten. Der Spannungsverlauf U g (t), siehe Abb. 1 soll mit dem Oszilloskop (Digitalrecorder) beobachtet werden. Dabei soll die Überlagerung der Gleichspannung bestimmt werden. Der Wechselspannungsanteil wird über einen zweiten kapazitiven Spannungsteiler, der parallel zum ohmschen Spannungsteiler zu schalten ist, ausgekoppelt. Zur Erinnerung 1 : Gleichung Bedeutung U = 1 T T 0 u (t)dt Zeitlicher linearer (arithmetischer) Mittelwert δu = 1 2 (U max U min ) Überlagerung δu U = 1 2 (Umax U min) U Überlagerungsfaktor soll kleiner als 3% sein Auswertung Zeichnen Sie das komplette Schaltbild. Darstellung der Belastungskennlinie U = f( ( I ) - MS Excel oder ähnliches verwenden Plausibilitätskontrolle Darstellung des Versuchsergebnisses Überlagerung und Überlagerungsfaktor bestimmen. Darstellung der Spannungsverläufe U 2, U GR und U G im Leerlauf, aus den Ausdrucken (Screenshots) des Oszilloskops (Digitalrecorders) Weitere Darstellungen der im Versuch festgelegten Effekte 1 Nach DIN wird der zeitliche lineare Mittelwert definiert als U = 1 T der Begriff arithmetischer Mittelwert verwendet. T 0 u (t)dt. In Klammern wird noch

7 5.2 Messung des Polaritätseffektes an einer Spitze-Platte-Funkenstrecke Seite 7 von Messung des Polaritätseffektes an einer Spitze-Platte-Funkenstrecke Die folgende Übung soll Ihnen die elektrischen Entladungen in Luft aufzeigen. Die Entladungen bei Gleich- und Wechselspannung sind im Skript Hochspannungstechnik beschrieben. In unserem Versuch werden die Vorentladungen mit Hilfe eines geeigneten Strommesswiderstandes und dem Oszilloskop gemessen. Details der Messtechnik werden im Versuch erläutert Schaltbild und Aufbau Die Schaltung ist in Abb. 4 dargestellt. Abbildung 4: Schaltung zur Messung des Polaritätseffektes und der Vorentladungsströme

8 5.2 Messung des Polaritätseffektes an einer Spitze-Platte-Funkenstrecke Seite 8 von Bilder des Versuchsaufbaus Es wird der gleiche Versuchsaufbau wie unter Abschnitt verwendet. Lediglich in die Messfunkenstrecke sind Elektroden einzubauen. Abbildung 5: Versuchsaufbau zur Ermittlung des Polaritätseffektes Der Strommesswiderstand beträgt R m = 50Ω. Rm ist ein koaxial aufgebauter Strommesswiderstand. Der Skalierungsfaktor für den Strom ist U = I V 25Ω, d. h. ein Vorentladungsstrom von 1A erzeugt eine Spannung von 25 Volt. Die Höhe der, am Strommesswiderstand abfallenden, stromproportionalen Spannung wird mittels einer, mit ihrem Wellenwiderstand abgeschlossenen, Koaxialleitung an einem Oszilloskop gemessen. Durch den Abschluss mit dem Wellenwiderstand werden Reflektionen der Spannungsimpulse vermieden. I V ist der Vorentladungsstrom in der Funkenstrecke. Ein Filter schützt das Oszilloskop vor Überspannungen, die im Augenblick des Durchschlags der Funkenstrecke, aufgrund des hohen, fließenden Stromes entstehen. Die Schaltung dieses Filters zeigt Abb. 6 Abbildung 6: Schutzbeschaltung

9 5.2 Messung des Polaritätseffektes an einer Spitze-Platte-Funkenstrecke Seite 9 von Messung Zunächst werden die atmosphärischen Bedingungen festgestellt. Elektrodenanordnung Polarität Schlagweite Zu messende Größen 2 Spitze-Platte Positiv Negativ Tabelle 2: Untersuchungskonstellation s = 4cm U a und U d sowie Beobachtung der Vorentladungsströme

10 5.2 Messung des Polaritätseffektes an einer Spitze-Platte-Funkenstrecke Seite 10 von Auswertung Bitte kommentieren Sie Ihre Beobachtungen. In Abb. 8 und Abb. 10 sind die typischen Verläufe der Anfangs- und Durchschlagsspannung verschiedner Spitze-Platte-Funkenstrecken bei Gleichspannung über der Schlagweite dargestellt. Abbildung 7: Darstellung der Messwandlerbauspitze Abbildung 8: Darstellung der Anfangs- und Durchschlagsspannung für die verwendete Messwanlderbauspitze aus Abb. 8 im inhomogenen Feld einer Spitze-Platte- Funkenstrecke bei Gleichspannung

11 5.2 Messung des Polaritätseffektes an einer Spitze-Platte-Funkenstrecke Seite 11 von 16 Abbildung 9: Darstellung der Kupferlitzenspitze Abbildung 10: Darstellung der Anfangs- und Durchschlagsspannung für die verwendete Kupferlitzenspitze aus Abb. 9 im inhomogenen Feld einer Spitze-Platte-Funkenstrecke bei Gleichspannung

12 5.3 Die Greinacher Verdopplungsschaltung Seite 12 von Die Greinacher Verdopplungsschaltung Schaltbild und Aufbau Abbildung 11: Geinacher-Verdopplungsschaltung In diesem Versuchsabschnitt sind die beiden Dioden aus dem MWB Baukasten in Reihe geschaltet, da eine Diode für eine maximale Sperrspannung von 140kV, I = 5mAeff. ausgelegt ist, siehe Abb. 11. Der Kondensator C S1, C S2 hat jeweils 10nF 140kV DC. Die anderen Bauelemente wie zu Abb. 1 siehe Tabelle 1.

13 5.3 Die Greinacher Verdopplungsschaltung Seite 13 von Bilder des Versuchsaufbaus Abbildung 12: Versuchsaufbau Greinacher-Verdopplungsschaltung Messung Messen Sie die Gleichspannung mit dem digitalen Gleichspannungsmessgerät und bestimmen Sie die Überlagerung. Ändern Sie wie in den Belastungswiderstand Auswertung Zeichnen Sie das komplette Schaltbild. Arbeiten Sie die Unterschiede zur Einweggleichrichtung heraus. Abweichung der gemessenen Gleichspannung vom theoretischen Wert Û2 bestimmen. Mit welcher Spannung in Sperrrichtung werden die Dioden belastet? Überlagerung und Überlagerungsfaktor bestimmen.

14 Seite 14 von 16 6 Anlage Abbildung 13: Vorentladungen in Abhängigkeit der Polarität

15 Abbildung 14: Vorentladungen bei positivem Potential an der Spitze Seite 15 von 16

16 Abbildung 15: Vorentladungen bei negativem Potential an der Spitze Seite 16 von 16