Versuch LE 4. (Praktikum) Grundlagen selbstgeführter Stromrichter

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1 FH Stralsund Fachbereich Elektrotechnik Praktikum im Fach Leistungselektronik Versuch LE 4 (Praktikum) Grundlagen selbstgeführter Stromrichter Der selbstgeführte Stromrichter als DC-DC-Wandler (Tiefsetz-Steller) Der selbstgeführte Stromrichter als einphasiger Wechselrichter Versuchsziel: Kennenlernen des Wirkprinzips der Gleichstromstellung im Mehrquadrantenbetrieb bei unterschiedlichen Belastungen Analyse der Beteiligung der Ventile an der Stromführung in den einzelnen Betriebsarten und Zeitabschnitten Kennenlernen der Schaltfolge und Ansteuerung der Ventile in den einzelnen Phasen der Gleichstromstellung Analyse der Ausgangsstrom- und Ausgangsspannungsverläufe Bewertung der stufenlosen Spannungsstellung in mehreren Quadranten Untersuchung des Einflusses von Lastinduktivität und Pulsfrequenz Vermittlung von Gesetzmäßigkeiten der Überlagerung der Gleich- und Wechselkomponenten von Strom, Spannung und Leistung Untersuchung und Bewertung der Stromschwankungsbreite Betrieb als 1-phasiger Wechselrichter

2 Seite 2 von Versuchsdurchführung 1.1. Der selbstgeführte Stromrichter als DC-DC-Wandler Bauen Sie folgende Versuchsschaltung auf:

3 Seite 3 von Aufnahme der Zeitverläufe von Ausgangsspannung und Ausgangsstrom sowie die Betrachtung der Stromführung in den Ventilen 1. Lastkreis: R = 180 Ω L = 200 mh 2. Starten Sie mittels der Software PWM-Train die Datei "4Q-RL-Last.pwt". 3. Überprüfen Sie diese grundlegende Voreinstellung: Einstellungen - Vorgaben: 4. Stellen Sie, falls notwendig, den Tastgrad (Modulationsgrad) auf 50%. 5. Stellen Sie, falls notwendig, den Lastwiderstand auf seinen maximalen Wert von 180 Ω (ganz nach links). 6. Schalten Sie auf der IGBT-Plate den STOP-RUN-Schalter auf "RUN". 7. Überzeugen Sie sich, dass in der Software die Schaltfläche "EXT" nicht angeklickt ist und 8. klicken Sie auf die Schaltfläche "Play" (RUN-Modus). An der IGBT-Platte sollte die grüne RUN-LED leuchten. 9. Verändern Sie nun in der Software den Tastgrad in 5%-Schritten in Richtung 100% und beobachten Sie die dargestellten Größen. 10. Stellen Sie einen Tastgrad von 70% ein und stoppen Sie danach die Meßwertaufnahme (Schaltfläche "Play" anklicken) 11. Bewegen Sie mittels Pfeiltasten links/rechts auf der Tastatur des Notebooks den vertikalen Cursor auf der linken Bildschirmseite ganz nach links in das zweite Raster. Diskutieren Sie die zeitlichen Verläufe der Ausgangsspannung und des Ausgangsstromes sowie auf der rechten Bildschirmseite den Stromverlauf und die daran beteiligten Ventile.

4 Seite 4 von Machen Sie eine Hardcopy des Bildschirminhaltes und speichern Sie diese ab. 13. Bewegen Sie den vertikalen Cursor in die jeweils nachfolgenden Rasterabschnitte bis eine gesamte Periode beendet ist, diskutieren Sie die jeweiligen Zeitverläufe von Ausgangsspannung und Ausgangsstrom sowie den Stromverlauf in den beteiligten Ventile und speichern Sie den jeweiligen Bildschirminhalt ab. 14. "Play"-Schaltfläche anklicken. Variieren Sie den Tastgrad nun in 5%-Schritten in Richtung 0% und wiederholen Sie bei einem Tastgrad von 25% die Schritte 8. bis Stellen Sie den Tastgrad wieder auf 50% und klicken Sie auf "Play". 16. Stellen Sie unter Einstellungen - Vorgaben die Pulsfrequenz auf Hoch (1800 Hz). 17. Wiederholen Sie die Punkte 9. bis 15.

5 Seite 5 von Untersuchung der Pulsmuster-Generierung (PWM) Die Variation der Einschaltdauer der Ventile des untersuchten DC-DC-Wandlers erfolgt mit Hilfe einer Pulsweitenmodulation. Diese erfordert eine in der Amplitude veränderbare Modulationsfunktion sowie mindestens eine von der Frequenz und Amplitude konstante Trägerfunktion. Im Falle des hier untersuchten DC-DC-Wandlers wird als Modulationsfunktion eine variable Gleichspannung zwischen 0 V und 5 V verwendet. Dazu muß mittels Brücke eine Verbindung zwischen den Buchsen "REF.OUT" und "ANALOG IN" hergestellt sein. 1. Klicken Sie auf die Schaltfläche "EXT" sowie auf die "Play"-Schaltfläche. 2. Stellen Sie mittels Sollwertpoti auf der IGBT-Platte eine Modulationsspannung von 1V ein. Speichern Sie die jeweiligen Bildschirminhalte mittels Hardcopy. Wiederholen Sie diesen Schritt für eine Modulationsspannung von 2V, 2.5V, 3V sowie 4V. 3. Klicken Sie nach vollendeter Meßwertaufnahme wieder auf die "Play"-Schaltfläche und bringen Sie an der IGBT-Plate den "RUN-STOP"-Schalter in die Position STOP.

6 Seite 6 von Aufnahme der Steuerkennlinien Idealerweise liegt bei der Ausführung eines DC-DC-Wandler als Tiefsetzsteller über den Lastkreis eine pulsförmig rechteckige Ausgangsspannung und durch den Lastkreis fließt ein konstanter Gleichstrom. Die Welligkeit dieses Gleichstromes hängt vom Aussteuergrad (Tastgrad, Modulationsgrad), der Trägerfrequenz und der Größe der Induktivität im Lastkreis ab. Ein Bewertungsmaß für die Welligkeit des Laststromes bildet dabei der Formfaktor dieses Stromes F i = I eff /I d. Beträgt dieser 1, besitzt der Laststrom keine Wechselanteile mehr. A Der Formfaktor des Laststromes in Abhängigkeit von der Lastinduktivität 1. Lastkreis: R = 180 Ω L = 0 mh 2. Beenden Sie das Programm PWM-Train. 3. Laden Sie aus dem Ordner "LE_4" die Datei "4Q-RL-Last-Steuerkennlinie.pwm". 4. Überprüfen Sie diese grundlegende Voreinstellung: Einstellungen - Vorgaben: 5. Stellen Sie den Tastgrad auf 1% und bestätigen Sie mit "OK". 6. Klicken Sie anschließend auf die "Play"-Schaltfläche. Die eingestellten Größen werden in Schritten des Tastgrades von 2% aufgenommen. Beobachten Sie den Verlauf der aufgenommenen Größen und insbesondere den Verlauf des Formfaktors F i. 7. Machen Sie vom Bildschirm eine Hardcopy und speichern Sie diese ab. 8. Wiederholen Sie die Schritte für eine Induktivität von 200mH und 600mH.

7 Seite 7 von 10 B Der Formfaktor des Laststromes in Abhängigkeit von der Pulsfrequenz 1. Lastkreis: R=180 Ω L=0 mh 2. Wählen Sie unter Einstellungen - Vorgaben eine Pulsfrequenz (Trägerfrequenz) von 1800 Hz. 3. Klicken Sie anschließend auf die "Play"-Schaltfläche. Die eingestellten Größen werden in Schritten des Tastgrades von 2% aufgenommen. Beobachten Sie den Verlauf der aufgenommenen Größen und insbesondere den Verlauf des Formfaktors F i. 4. Machen Sie vom Bildschirm eine Hardcopy und speichern Sie diese ab. 5. Wiederholen Sie die Schritte für eine Induktivität von 200mH und 600mH. 6. Schalten Sie an der IGBT-Platte den "RUN-STOP"-Schalter auf STOP.

8 Seite 8 von Der selbstgeführte Stromrichter als einphasiger Wechselrichter Durch Änderung der Form des Modulationssignals können die 4 angesteuerten Ventile als 1- phasiger Wechselrichter betrieben werden. Dazu wird als Modulationsfunktion keine Gleichspannung mehr verwendet, sondern eine sinusförmige Wechselspannung variabler Frequenz und Amplitude (sinusbewertete PWM). Bei genügend großer Pulsfrequenz (Trägerfrequenz) und entsprechend großer Induktivität im Lastkreis wird der Ausgangsstrom dann ebenfalls sinusförmig. 1. Lastkreis: R = 180 Ω L = 600 mh 2. Trennen Sie an der IGBT-Platte die Verbindung zwischen den Buchsen "REF.OUT" und "ANALOG IN" auf. 3. Stellen Sie das Potentiometer auf die Stellung 1 (Rechtsanschlag). 4. Verbinden Sie den roten Stecker der BNC-Leitung vom Funktionsgenerator mit der Buchse "ANALOG IN". 5. Bringen Sie an der IGBT-Platte den "MODE"-Schalter in die Stellung PWM Control H.F (Es wird eine Trägerfrequenz von 1,8 khz eingestellt). 6. Stellen Sie am Frequenzgenerator eine Sinusfunktion mit einer Frequenz von 25 Hz und einer Amplitude von 0V (Poti ganz nach links) ein. 7. Schalten Sie den "RUN-STOP"-Schalter in die Position RUN. 8. Beobachten Sie den Spannungsmesser für die Ausgangsspannung. Sollte die Ausgangsspannung Werte größer 0V besitzen, dann justieren Sie den OFFSET des Funktionsgenerators dahingehend, dass die Ausgangsspannung minimal wird. 9. Stellen Sie nun die Amplitude der Sinusschwingung in Schritten von 1V von 0V auf 8V. Achten Sie dabei darauf, dass das Modulationssignal sinusförmig bleibt. 10. Ermitteln Sie bei jeder eingestellten Amplitude des Modulationssignals mit dem LMG 500 folgende Messwerte: LMG 500 Kanal 1 (Taste Default): Ausgangsspannung U Aeff, U Ad LMG 500 Kanal 1 (Taste Default): Ausgangsstrom I Aeff, I Ad LMG 500 Kanal 1: (Taste Current): Spitzen-Spitzenwert Ausgangsstrom I App LMG 500 Kanal 2 (Taste Default): Zwischenkreisspannung U DCeff, U DCd LMG 500 Kanal 3 (Taste Default): Zwischenkreisstrom (Shuntspannung) I DCeff, I DCd

9 Seite 9 von 10 U ModSpitze U Aeff U Ad I Aeff I Ad I App U DCeff U DCd I DCeff I DCd 0V 1V 2V 3V 4V 5V 6V 7V 8V 11. Speichern Sie für je zwei unterschiedliche Frequenzen und Amplituden des Modulationssignals die Signalverläufe des verwendeten Oszilloskops HMO 2024 auf einen USB-Stick ab. 12. Speichern Sie diese Signale (gleiche Frequenzen und Amplituden) bei einer niedrigen Modulationsfrequenz von 112 Hz. Bringen Sie dazu den "RUN-STOP"-Schalter in die Position STOP und den "MODE"-Wahlschalter in die Position PWM Control L.F Danach stellen Sie den "RUN-STOP"-Schalter wieder auf RUN und stellen am Funktionsgenerator die entsprechenden Frequenzen und Amplituden ein. 13. Stellen Sie abschließend die Amplitude des Modulationssignals wieder auf 0V und bringen Sie den "RUN-STOP"-Schalter in die Position STOP. 14. Drehen Sie den "MODE"-Schalter in die Position "RS 232". 15. Entfernen Sie den roten Stecker der BNC-Leitung und verbinden Sie an der IGBT-PLatte die Buchsen "REF.OUT" und "ANALOG IN" mittels Steckbrücke.

10 Seite 10 von Versuchsauswertung 2.1. DC-DC-Wandler Zu Aufgabe Erklären Sie anhand der gespeicherten Bildschirminhalte die Funktion der Schaltung. Gehen Sie dabei insbesondere auf die Funktion der Freilaufkreise ein. Welchen quantitativen Einfluß auf den Verlauf des Laststromes haben die Lastinduktivitäten und die Frequenz des Trägers? Zu Aufgabe Ermitteln Sie aus den aufgenommenen Verläufen der Gatespannungen das hier verwendete Trägerverfahren. Entscheiden Sie, ob es sich um ein Verfahren mit einem oder zwei Trägern handelt und bestimmen Sie die Form des/der Trägerfunktion(en). Weisen Sie Ihre Aussage grafisch nach Zu Aufgabe Wie verhält sich die Welligkeit des Laststromes in Abhängigkeit von der Größe der Lastinduktivität und der Pulsfrequenz der Schaltung. Worin liegen die Vor- und Nachteile in der Variation von Induktivität und Pulsfrequenz? Zu Aufgabe 1.2. Vergleichen Sie die gemessenen Werte mit der Tabelle 3 und 4 des Theoretikums für den Fall eines doppelten Trägers. Beurteilen Sie den Verlauf der Signale bei unterschiedlicher Trägerfrequenz.