FH Stralsund Fachbereich Elektrotechnik Praktikum im Fach Leistungselektronik Versuch LE 3 (Praktikum) Grundlagen nichtkommutierender Stromrichter Der Wechselstromschalter und -steller Versuchsziel: Kennenlernen der Wirkungsweise von nichtkommutiernden Stromrichtern am Beispiel des Wechselstromschalters und -stellers.
3. Versuchsvorbereitung 3.1. Kolloquiumsfragen 1. Erläutern Sie Aufbau und Wirkungsweise eines elektronischen Schalters für Wechselstrom! 2. Welche Probleme hat das Schalten induktiver und kapazitiver Verbraucher zur Folge? Welche Konsequenzen ergeben sich daraus hinsichtlich eines günstigen Schaltzeitpunktes? 3. Erläutern Sie Aufbau und Wirkungsweise eines elektronischen Stellers für Wechselstrom! 4. Welche grundsätzlichen Steuermöglichkeiten bestehen für Wechselstromsteller? 5. Leiten Sie die Steuerkennlinien für ohmsche und induktive Last bei Anschnittsteuerung ab! Geben Sie den Verlauf der Steuerkennlinien an! 6. Begründen Sie, warum bei einer Lastinduktivität 0 mit Langimpulsen garbeitet werden muß! 7. Erläutern Sie, warum auch bei rein ohmscher Last ein Leistungsfaktor λ < 1 auftritt! Wie hängt der Leistungsfaktor vom Aussteuerungsgrad ab? 8. Warum treten auch bei der Vollwellensteuerung Netzrückwirkungen auf? Wie berechnet sich der Leistungsfaktor? 9. Nennen und skizzieren Sie Beispiele für technische Anwendungen von Wechselstromstellern! 3.2. Funktion und Inbetriebnahme des Übungsmodells Das Übungsmodell besteht im wesentlichen aus einem Steuerteil und den 3 Leistungshalbleitern. Als Leistungshalbleiter wurden ein Triac und zwei P-Gate-Thyristoren ausgewählt. Am Simulationsmodell ist sowohl für die Einstellung des Phasenwinkels bei der Phasenanschnittsteuerung als auch für die Festlegung der Einschaltdauer bei der Vollwellensteuerung ein extra Potentiometer zur Aussteuerung vorgesehen, welches bei der entsprechenden Schalterstellung des obersten Umschalters aktiv wird. Mit dem zweiten Schalter "Impulsdauer" kann die Dauer des Zündimpulses von t = 30 ms auf Langimpuls umgestellt werden. Mit dem "Extern-Intern" - Wahlschalter kann der Zündzeitpunkt entweder über die eingebauten Potentiometer (Intern) oder über ein analoges 0 - l0 V - Signal extern, z.b. von einer SIMATIC-Baugruppe o.ä. eingespeist werden. Zwischen dem Massepotential der externen Steuerung und der Masse des Übungsmodells muß dabei ein gemeinsames Bezugspotential hergestellt werden! Der Synchroneingang U sync dient als Referenzspannung (Vergleichsspannung) bei Messungen, um die ermittelten Spannungs- und Stromverläufe zeitgleich zur Netzspannung betrachten zu können. Zur zeitgleichen Betrachtung ist allerdings am Zweistrahloszilloskop ein gemeinsamer Bezugspunkt erforderlich! Die beiden Ausgänge 0 o - 180 o und 180 o - 360 o ermöglichen die getrennte Ansteuerung der positiven bzw. negativen Netzhalbwelle. Zur Ansteuerung des Triac werden beide Ausgänge gemeinsam benötigt. Beachten Sie dabei, daß die Ausgänge nur über einen Zündübertrager an das Gate des Triac angelegt werden dürfen, da sonst die Zündübertrager zerstört werden können! Induktive Zündübertrager mit Schutzdioden sorgen für die galvanische Trennung von Steuer- und Laststromkreis. An den Ausgängen der Zündübertrager keine leitende Verbindung zueinander herstellen!
Die Steuerung, mit der sowohl die Phasenanschnitt- als auch die Vollwellensteuerung realisierbar ist, wurde mit dem integrierten Ansteuerbaustein TCA 785 aufgebaut. Sie ermöglicht somit die Zündung von Thyristoren und Triacs bzw. einer Antiparallelschaltung von Thyristoren (Zündmöglichkeit bis 360 o ) über den kompletten Leistungsbereich von 0-100 % Aussteuerbereich. Die beiden Thyristoren ermöglichen über die beiden Steuerausgänge des TCA 785 die getrennte Ansteuerung beider Netzhalbwellen, wie sie beim Triac sowieso möglich ist. Der TCA785 liefert ausschließlich positive Zündimpulse. Deshalb ist die Antiparallelschaltung im Simulationsmodell mit 2 P-Gate-Thyristoren ausgerüstet. Alle Leistungshalbleiter sind mit einer TSE-Schutzbeschaltung versehen. Sie können also auch induktiv belastet werden! Ein LC-Filter sorgt für die entsprechende Funkentstörung. Diese ist auch für gemischt ohmsch-induktive Belastung ausreichend! Die eingebauten Meßwiderstände R m =0,1W lassen mit dem Oszilloskop eine indirekte Strommessung ohne äußere Zusatzbeschaltung zu. Bei zeitgleichen Oszilloskop-Messungen muß jedoch ein gemeinsamer Massebezugspunkt vorhanden sein! 3.3. Unfall- und Schadensverhütung Für alle Messungen in diesem Praktikumsversuch gilt grundsätziich: 1. Inbetriebnahme bei Netzspannung nur durch den verantwortlichen Betreuer! 2. Das Umstecken der Meßgeräte darf nur im spannungslosen Zustand erfolgen. Oszilloskopmessungen an Netzspannung (230 V) nur mit dem dafür vorgesehenen Tastkopf 100 : 1 durchführen! 3. Während der Messung den Messaufbau nicht verändern (Umstecken während des Meßvorganges vermeiden!) 4. Bei Anschluß des Simulationsmodells ergeben sich zwei Möglichkeiten: a) Anschluß über Trenntransformator 230 / 230 V. Dann darf bei den angeschlossenen Verbrauchern kein Schutzleiter PE angeklemmt werden, da sonst die Schutzmaßnahme Schutztrennung aufgehoben wird. b) Anschluß an das normale 230 V - Netz. Dann sind die eingezeichneten Schutzleiter in den Übungen anzuschließen. Klären Sie die für Sie passende Schutzmaßnahme entsprechend den örtiichen Gegebenheiten mit Ihrem Betreuer ab!
4. Versuchsdurchführung 4.1. Wechselstromsteller mit antiparallelgeschalteten Thyristoren 4.1.1. Ohmsche Last 4.1.1.1. Versuchsaufbau Bauen Sie folgende Schaltung auf: R m = 0,5 Ω R L = 1 x 0... 180 Ω/6A 4.1.1.2. Geräteeinstellungen a) Experimentierplatte STEUERUNGSART: Phasenanschnittsteuerung (Schalter rechts) IMPULSDAUER: Langimpuls (Schalter rechts) EXTERN/INTERN: Extern (Schalter links) b) Trennverstärker KANAL A (1+ und 1-): Ausgangsspannung U A - RANGE (V): 600 KANAL B (2+ und 2-): Thyristorspannung U V2 - RANGE (V): 600 KANAL C (3+ und 3-): Thyristorstrom I V2 - RANGE (V): 3 KANAL D (4+ und 4-): Ausgangsstrom I A - RANGE (V): 3 OUTPUT-MODE: Chop CHOP-FREQUENZY: High; Feinsteller ganz rechts MODE CH.D: D
c) Oszilloskop Signal vom Trennverstärker auf Kanal I Tastkopf: Teiler 1:1 Verstärkung: Kanal I: 0,2 V/DIV Zeitbasis: 0,5 ms/div (Feinsteller ganz rechts) Eingangskopplung: Gleichstrom (Taste CH. I DC/AC gedrückt) inventierend: nein (Taste INV.CH. I nicht gedrückt) Triggerung: intern (Tasten TRIG EXT., TRIG. I/II und SLOPE nicht gedrückt) Betriebsart: CH I (Tasten CH I/II, DUAL und ADD nicht gedrückt) Schließen Sie an die Eingänge für die externe Steuerung die Sollwertspannungsquelle polaritätsmäßig richtig an. Stellen Sie sicher, daß vor Einschalten des Schalters S die Sollwertspannungsquelle auf 0 V gestellt ist und der Belastungswiderstand auf seinen maximalen Widerstandswert von 180 Ω! 4.1.1.3. Versuchsaufgaben 1. Schalten Sie die Experimentierplatte (Semikronsteuerung) an die volle Transformatorspannung von 230 V! Drehen Sie langsam die Sollwertspannung auf den Maximalwert von 5 V! Stellen Sie den Lastwiderstand auf einen Widerstandswert, daß ein Laststrom von I A = 5 A fließt. Behalten Sie diesen Widerstandswert bei und drehen Sie die Sollwertspannung wieder auf 0 V. 2. Nehmen Sie die inverse Steuerkennlinie U St = f(α) auf! Gehen Sie dabei in Schritten von α = 10 vor! Nehmen Sie gleichzeitig die Kennlinien U Ae, I Ae = f(α) auf! 3. Übernehmen Sie für die Zündverzögerungswinkel α = 150, α = 90 und α = 15 die Oszillographenbilder mittels Hardcopy durch das Oszilloskop DL 708! Ermitteln Sie gleichzeitig den bei diesen α = ϕ z auftretenden Stromflußwinkel ϕ i. Meßwerttabelle Wechselstromsteller mit ohmscher Last α U St U Ae I Ae ϕ i 15 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180
4. Stellen Sie die Sollwertspannung wieder auf 0 V! 5. Schalten Sie die Experimentierplatte von der Spannungsversorgung. Lösen Sie die Leitungen an den Ausgangsbuchsen der Platte und ermitteln Sie den ohmschen Widerstand des Lastkreises einschließlich der Zuleitungen. 4.1.2. Induktive Last 4.1.2.1. Versuchsaufbau 1. Nehmen Sie den ohmschen Widerstand aus den Lastkreis und schalten an dessen Stelle eine induktive Last (2 x 100 mh) in den Lastkreis! 2. Schalten Sie S wieder ein (Sollwertspannung = 0 V!). 4.1.2.2. Geräteeinstellungen 1. Behalten Sie alle Einstellungen an den Geräten entsprechend 4.1.1.2. bei! 4.1.2.3. Versuchsaufgaben 1. Nehmen Sie die Kennlinien U Ae, I Ae = f(α) auf! Gehen Sie in Schritten von α = 10 vor. 2. Übernehmen Sie für die Zündverzögerungswinkel α = 150, α = 90 und α = 20 die Oszillographenbilder mittels Hardcopy durch das Oszilloskop DL 708! Ermitteln Sie gleichzeitig den bei diesen α = ϕ z auftretenden Stromflußwinkel ϕ i. Meßwerttabelle Wechselstromsteller mit induktiver Last α U St U Ae I Ae ϕ i 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 4. Stellen Sie die Sollwertspannung wieder auf 0 V! 5. Schalten Sie die Experimentierplatte von der Spannungsversorgung.
4.1.3. Ohmsch - Induktive Last 4.1.3.1. Versuchsaufbau 1. Schalten Sie als Last eine Induktivität von 50mH sowie den gesamten Belastungswiderstand von 180 Ω in Reihe in den Lastkreis! Schalten Sie S wieder ein. 2. Stellen Sie die Sollwertspannung auf max und stellen Sie den Lastwiderstand auf einen Widerstandswert, daß ein Laststrom von I Ae = 6 A fließt. Behalten Sie diesen Widerstandswert bei und drehen Sie die Sollwertspannung wieder auf 0 V. 4.1.3.2. Geräteeinstellungen 1. Behalten Sie alle Einstellungen an den Geräten entsprechend 4.1.1.2. bei! 4.1.3.3. Versuchsaufgaben 1. Nehmen Sie die Kennlinien U Ae, I Ae, P L, U L, I L, Q L, PF L = f(α) mit dem Amprobe DM-II auf! Gehen Sie in Schritten von α = 10 vor. 2. Übernehmen Sie für die Zündverzögerungswinkel α = 150, α = 80 und α = 20 die Oszillographenbilder mittels Hardcopy durch das Oszilloskop DL 708! Ermitteln Sie gleichzeitig den bei diesen α = ϕ z auftretenden Stromflußwinkel ϕ i. Meßwerttabelle Wechselstromsteller mit ohmsch-induktiver Last α U L I L P L Q L PF L U Ae I Ae ϕ i 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 3. Ermitteln Sie die Phasenverschiebung ϕ zwischen Strom und Spannung bei sinusförmigen Verlauf dieser Größen! 4. Stellen Sie die Sollwertspannung wieder auf 0 V! 5. Schalten Sie die Experimentierplatte von der Spannungsversorgung. Lösen Sie die Leitungen an den Ausgangsbuchsen der Platte und ermitteln Sie den ohmschen Widerstand des Lastkreises einschließlich der Zuleitungen.
5. Versuchsauswertung 5.1. Wechselstromsteller 5.1.0. Fügen Sie alle aufgenommenen Werte dem Protokoll in Form von Wertetabellen bei. 5.1.1. Stellen Sie in einem Diagramm die Kennlinien U Ae /U L = f(α) für ohmsche-, ohmsch-induktive- und induktive Belastung dar. 5.1.2. Stellen Sie in einem Diagramm die Kennlinien I Ae /I A0 = f(α) für ohmsche-, ohmsch-induktive- und induktive Belastung dar. 5.1.3. Stellen Sie in einem Diagramm die Kennlinien S Ae /S A0 = f(α) für ohmsche-, ohmsch-induktive- und induktive Belastung dar. 5.1.4. Stellen Sie in einem Diagramm die Kennlinien PF L = f(α) für ohmsch-induktive Belastung dar. 5.1.5. Berechnen Sie für die unter 4.1.1.3. ermittelten Werte für die Spannung U Ae und dem Lastwiderstand R L den Verlauf I Aerech = f(α). Stellen Sie diesen Werte grafisch dar und vergleichen Sie ihn mit den Verlauf I Aemeß. 5.1.6. Berechnen Sie für die unter 4.1.2.3. ermittelten Werte für die Spannung U Ae und dem bekannten Wert der Belastungsdrossel den Verlauf I Aerech = f(α) und vergleichen Sie ihn mit den Verlauf I Aemeß. 5.1.7. Diskutieren Sie schriftlich alle dargestellten Verläufe! 5.1.8. Berechnen Sie aus dem unter 4.1.3.3. Pkt. 3 ermittelten Lastwinkel und der Lastinduktivität den bei dieser Versuchsaufgabe eingestellten Lastwiderstand. Vergleichen Sie diesen berechneten Wert mit dem gemessenen. 6. Literaturverzeichnis /1/ Bystron, Klaus: Leistungselektronik München, Wien: Hanser, 1979 /2/ Felderhoff, Rainer: Leistungselektronik München, Wien: Hanser, 1984 /3/ Jäger, Rainer: Leistungselektronik Berlin und Offenbach: vde-verlag gmbh, 1993