4 Ein- und dreiphasige Diodengleichrichtung

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1 4 Ein- und dreiphasige Diodengleichrichtung Abb.4.1 zeigt die in das ETH Zurich Converter Lab integrierte dreiphasige Gleichrichterbrücke mit der verschiedene Gleichrichterschaltungen experimentell analysiert werden können. Bei Verwendung von nur vier Dioden lassen sich die einphasigen, bei Verwendung aller sechs Dioden die dreiphasigen, ungesteuerten Brückengleichrichter untersuchen. Abb.4.1: Integrierte Gleichrichterbrücke des ETH Zurich Converter Lab 4.1 Einphasiger Brückengleichrichter mit ohmscher Last Abb.4.2: Einphasiger Brückengleichrichter mit ohmscher Last Der einfachste Fall ist der in Abb.4.2 dargestellte einphasige Brückengleichrichter mit ohmscher Last. Schließen sie die Wechselspannungsquelle (1Trafo, maximaler Effektivwert der Phasenspannung U1,max = 35V) an Klemmen X10 und X12 an und belasten sie das System mit einem geeigneten Lastwiderstand RL an den Klemmen X13 und X9. Konfigurieren Sie die Relaiskontakte entsprechend. Das zugehörige Messergebnis ist in Abb.4.3 dargestellt. Sie erkennen, dass die Ausgangsspannung ul bzw. der Ausgangsstrom il dem Betrag der Eingangsspannung u1 bzw. dem Eingangsstrom i1 entsprechen. Nachteilig ist der große Wechselspannungsanteil der Ausgangsspannung, der Leistungsfaktor dieser Anordnung ist jedoch kaum zu überbieten (λ = ). Messwerte: U1 = V I1 = 8.497A P1 = 283.7W S1 = 283.7VA λ =

2 i1 (Leitung) u1 (X10 X12) il (Leitung) ul (X13 X9) Abb.4.3: Zeitverläufe der Netzspannung u 1, des Netzstromes i 1, der Lastspannung u L und des Laststromes i L beim einphasigen Brückengleichrichter mit ohmscher Last. Die Ströme wurden in den Zu- und Belastungsleitungen gemessen. Diskussion: Ist die Netzspannung sinusförmig? Der folgende Versuch zeigt Ihnen den Grund für die Spannungsform des Netzes. 4.2 Einphasiger Brückengleichrichter mit Glättungskondensator am Ausgang Abb.4.4: Einphasiger Brückengleichrichter mit Glättungskondensator am Ausgang und ohmscher Last. In Abb.4.4 ist der einphasige Brückengleichrichter mit Glättungskondensator und ohmscher Last dargestellt. Belassen sie die Wechselspannungsquelle (1Trafo) an den Klemmen X10 und X12 und belasten sie das System mit einem geeigneten Lastwiderstand RL an den Klemmen X7 und X9. Konfigurieren Sie die Relaiskontakte entsprechend. Das zugehörige Messergebnis ist in Abb.4.5 dargestellt. Sie erkennen, dass die Ausgangsspannung ul nun geglättet ist und die Ladung der Ausgangskondensatoren C1 und C2 nur in der Umgebung der Netzspannungsspitze erfolgt. Das Netz in diesem Labor hat eine vergleichsweise hohe Impedanz, wodurch die Stromführungsdauer (Leitwinkel) sehr lang ist und dadurch der Leistungsfaktor mit λ = sehr hoch ist. 2

3 Messwerte: U1 = V I1 = 9.306A P1 = 258.2W S1 = 313.3VA λ = i1 u1 (X10 X12) Abb.4.5: Zeitverläufe der Netzspannung u 1, des Netzstromes i 1, der Lastspannung u L und des Kondensator-Ladestromes i D beim einphasigen Brückengleichrichter mit Glättungskondensator am Ausgang und ohmscher Last. Der Netzstrom wurde in der Zuleitung gemessen. Diskussion: Warum ist ein hoher Leistungsfaktor erstrebenswert? 4.3 Einphasiger Brückengleichrichter mit ausgangsseitiger Induktivität und konstanter Ausgangsspannung Abb.4.6: Einphasiger Brückengleichrichter mit ausgangsseitiger Induktivität und konstanter Ausgangsspannung. In Abb.4.6 ist der einphasige Brückengleichrichter mit ausgangsseitiger Induktivität, konstanter Ausgangsspannung und ohmscher Last dargestellt. Belassen sie die Wechselspannungsquelle (1Trafo) an den Klemmen X10 und X12, klemmen sie eine 3

4 Induktivität mit ca. 40mH/10A an die Klemmen X13 und X14 und belasten sie das System mit einem geeigneten Lastwiderstand RL an den Klemmen X7 und X9. Konfigurieren Sie die Relaiskontakte entsprechend. Das zugehörige Messergebnis ist in Abb.4.8 dargestellt. Sie erkennen, dass der Ladestrom des Kondensators nun geglättet ist und zu einer Stromführung während der vollen Netzperiode führt. Die Welligkeit an den Kondensatoren C1 und C2 wird dadurch nochmals reduziert. Der Leistungsfaktor ist mit λ = schon recht hoch. Messwerte: U1 = V I1 = 7.234A P1 = 294.5W S1 = 331.7VA λ = i1 u1 (X10 X12) Abb.4.7: Zeitverläufe der Netzspannung u 1, des Netzstromes i 1, der Lastspannung u L und des Stromes i D der Glättungsinduktivität L A beim einphasigen Brückengleichrichter mit ausgangsseitiger Induktivität, konstanter Ausgangsspannung und ohmscher Last. Der Netzstrom wurde in der Zuleitung gemessen. 4.4 Einphasiger Brückengleichrichter mit netzseitiger Induktivität und konstanter Ausgangsspannung 4

5 Abb.4.8: Einphasiger Brückengleichrichter mit netzseitiger Induktivität und konstanter Ausgangsspannung. In Abb.4.9 ist der einphasige Brückengleichrichter mit netzseitiger Induktivität, konstanter Ausgangsspannung und ohmscher Last dargestellt. Belassen sie die Wechselspannungsquelle (1Trafo) an der Klemme X12, klemmen sie eine Induktivität mit ca. 10mH zwischen die Klemme X10 und die Wechselspannungsquelle und belasten sie das System mit einem geeigneten Lastwiderstand RL an den Klemmen X7 und X9. Konfigurieren Sie die Relaiskontakte entsprechend. Das zugehörige Messergebnis ist in Abb.4.8 dargestellt. Sie erkennen, dass der Ladestrom des Kondensators nun ständig die Nulllinie berühren muss und daher der Netzstrom i1 eine große Phasenverschiebung zur Spannung u1 erfährt. Bei einer großen Induktivität LA kann nur mehr eine geringe Wirkleistung aufgenommen werden. Der Leistungsfaktor λ = dieser Anordnung ist durch das ausgeprägt induktive Verhalten sehr gering. Messwerte: U1 = 50.31V I1 = 7.873A P1 = 255.2W S1 = 396.1VA λ = i1 u1 (TRAFO X12) Abb.4.9: Zeitverläufe der Netzspannung u 1, des Netzstromes i 1, der Lastspannung u L und des Stromes i D im Gleichspannungskreis beim einphasigen Brückengleichrichter mit netzseitiger Induktivität, konstanter Ausgangsspannung und ohmscher Last. Der Netzstrom wurde in der Zuleitung erfasst. 5

6 4.5 Dreiphasiger Brückengleichrichter mit ohmscher Last Abb.4.10: Dreiphasiger Brückengleichrichter mit ohmscher Last. In Abb.4.11 ist der dreiphasige Brückengleichrichter mit ohmscher Last dargestellt. Verbinden sie die Klemmen X10... X12 mit einer einstellbaren Drehstromquelle (3Trafo, maximaler Effektivwert der Außenleiterspannung UN,max = 35V). Belasten sie das System mit einem geeigneten Lastwiderstand RL an den Klemmen X13 und X9 und konfigurieren sie die Relaiskontakte entsprechend. Das zugehörige Messergebnis ist in Abb.4.12 dargestellt. Sie erkennen, dass die Ausgangsspannung ul bzw. der Ausgangsstrom il bereits bei ohmscher Last vergleichsweise gut geglättet wird, da die Ausgangsspannung stets der aktuell größten Außenleiterspannung uij (ij = RS, ST, TR) entspricht. Die Eingangsströme ii (i = R, S, T) sind nur noch während der Leitphasen der zugehörigen Dioden proportional zur jeweiligen Außenleiterspannung. Der Leistungsfaktor dieser Anordnung beträgt λ = Messwerte: U = (UR + US + UT ) / 3 = V I = (IR + IS + IT ) / 3 = 8.585A P = 448.7W S = 470.1VA λ = ir (Leitung) urs (X10 X12) il (Leitung) ul (X13 X9) Abb.4.11: : Zeitverläufe der Außenleiterspannung u RS, des Netzstromes i R, der Lastspannung u L und des Laststromes i L beim dreiphasigen Brückengleichrichter mit ohmscher Last. Die Ströme wurden in den Zu- und Belastungsleitungen erfasst. 6

7 4.6 Dreiphasiger Brückengleichrichter mit Glättungskondensator am Ausgang Abb.4.12: Dreiphasiger Brückengleichrichter mit Glättungskondensator am Ausgang und ohmscher Last In Abb.4.13 ist der dreiphasige Brückengleichrichter mit Glättungskondensator am Ausgang und ohmscher Last dargestellt. Belassen sie die Drehstromquelle (3Trafo) an den Klemmen X10... X12 und belasten sie das System mit einem geeigneten Lastwiderstand RL an den Klemmen X7 und X9. Konfigurieren Sie die Relaiskontakte entsprechend. Das zugehörige Messergebnis ist in Abb.4.14 dargestellt. Sie erkennen, dass die Ausgangsspannung ul nun geglättet ist und die Ladung der Ausgangskondensatoren C1 und C2 nur in der Umgebung der Netzspannungsspitze erfolgt. Das Netz in diesem Labor hat eine vergleichsweise hohe Impedanz, wodurch die Stromführungsdauer sehr lang ist und dadurch der Leistungsfaktor mit λ = sehr hoch ist. Messwerte: U = V I = 9.508A P1 = 507.0W S1 = 555.5VA λ = ir urs (X10 X12) Abb.4.13: Zeitverläufe der Außenleiterspannung u RS, des Netzstromes i R, der Lastspannung u L und des Kondensator-Ladestromes i D beim dreiphasigen Brückengleichrichter mit Glättungskondensator am Ausgang und ohmscher Last. Der Netzstrom wurde in der Zuleitung gemessen. 7

8 4.7 Dreiphasiger Brückengleichrichter mit ausgangsseitiger Induktivität und konstanter Ausgangsspannung Abb.4.14: Dreiphasiger Brückengleichrichter mit ausgangsseitiger Induktivität und konstanter Ausgangsspannung. In Abb.4.15 ist der dreiphasige Brückengleichrichter mit ausgangsseitiger Induktivität, konstanter Ausgangsspannung und ohmscher Last dargestellt. Belassen sie die Drehstromquelle (3Trafo) an den Klemmen X10... X12, klemmen sie eine Induktivität mit ca. 40mH/10A (Abb.4.7) an die Klemmen X13 und X14 und belasten sie das System mit einem geeigneten Lastwiderstand RL an den Klemmen X7 und X9. Konfigurieren Sie die Relaiskontakte entsprechend. Das zugehörige Messergebnis ist in Abb.4.16 dargestellt. Sie erkennen, dass der Ladestrom des Kondensators nun beinahe ideal geglättet ist und zu einer Stromführung am Netz während ca. 2 /3 der Netzperiode führt. Die Welligkeit an den Kondensatoren C1 und C2 ist minimal und in diesem Maßstab nicht mehr zu erkennen. Der Leistungsfaktor ist mit λ = sehr gut für eine passive Gleichrichtung. Messwerte: U = V I = 7.175A P = 430.8W S = 448.3VA λ =

9 ir urs (X10 X12) Abb.4.15: Zeitverläufe der Außenleiterspannung u RS, des Netzstromes i R, der Lastspannung u L und des Stromes i D der Glättungsinduktivität L A beim dreiphasigen Brückengleichrichter mit ausgangsseitiger Induktivität, konstanter Ausgangsspannung und ohmscher Last. Der Netzstrom wurde in der Zuleitung erfasst. 4.8 Dreiphasiger Brückengleichrichter mit netzseitiger Induktivität und konstanter Ausgangsspannung Abb.4.16: Dreiphasiger Brückengleichrichter mit netzseitiger Induktivität und konstanter Ausgangsspannung. In Abb.4.17 ist der dreiphasige Brückengleichrichter mit netzseitiger Induktivität, konstanter Ausgangsspannung und ohmscher Last dargestellt. Schalten sie drei Induktivitäten LA mit je ca. 5mH zwischen die Drehstromspannungsquelle (3Trafo) und die Klemmen X10... X12 und belasten sie das System mit einem geeigneten Lastwiderstand RL an den Klemmen X7 und X9. Konfigurieren Sie die Relaiskontakte entsprechend. Messwerte: U = 20.36V I = 1.28A P = 27.7W S = 45.28VA λ =

10 ir urs (X10 X12) Abb.4.177: Zeitverläufe der Außenleiterspannung u RS, des Netzstromes i R, der Lastspannung u L und des gleichgerichteten Stromes i D beim dreiphasigen Brückengleichrichter mit eingangsseitigen Induktivitäten, konstanter Ausgangsspannung und ohmscher Last. Man beachte insbesondere die gegenüber Abb.4.16 veränderten Strom- und Spannungsverläufe von u RS und i R sowie den markant tieferen Leistungsfaktor auf Grund des ausgeprägt induktiven Verhaltens. 10