Versuch EL-V2: Hochsetzsteller Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 2 2 Voraussetzungen und Lernziele 2 3 Funktionsweise des Hochsetzstellers 3 4 Sicherheitshinweise 4 5 Schaltbild und Bedienhinweise 5 6 Vorbereitungsanleitung 7 7 Versuchsaufgaben 9 8 Parameter des Versuchsstands 10 9 Literatur 11 EL-V2-1
1 Einleitung Hochsetzsteller wandeln verlustarm eine kleinere Eingangsgleichspannung in eine größere Ausgangsgleichspannung um. Um dieses Prinzip zu verdeutlichen, wird das Beispiel einer bremsenden Straßenbahn mit Gleichstrommaschine betrachtet. Beim elektrischen Bremsvorgang fungiert der Motor als Generator, um Energie ins Netz zurück speisen zu können. Dessen Spannung nimmt proportional mit der Geschwindigkeit ab. Um Energie zurück in die Fahrleitung abzugeben, muss die kleinere Motorspannung mittels des Hochsetzstellers umgewandelt werden. Andere Bezeichnungen dafür sind Aufwärtswandler, step-up-converter oder boost-converter. 2 Voraussetzungen und Lernziele In diesem Versuch wird den Studenten das Funktionsprinzip des Hochsetzstellers verdeutlicht. Dazu wird das Wissen der Vorlesungsinhalte Grundlagen der Energietechnik vorausgesetzt. Der Versuch behandelt und vertieft Themen der Vorlesung Leistungselektronik, daher kann als weiterführende Literatur das Skript dieser Vorlesung verwendet werden. Die Studenten sollen erkennen, welchen Einfluss Schaltfrequenzen, Bauteilwerte, Aussteuerung und Lastverhalten auf das Betriebsverhalten des Hochsetzstellers haben. Des weiteren ist eine Dokumentation zu Beobachtungen und Ergebnissen des Versuches anzufertigen.
3 Funktionsweise des Hochsetzstellers Eine einfache Form eines Hochsetzstellers besteht aus einer Induktivität L, einer Eingangsspannungsquelle, einem Transistor, einer Kapazität C und einer Diode. Die Last ist durch den Widerstand R realisiert. Der Mittelwert der Eingangsspannung u 2 ist stets geringer, als die Ausgangsspannung U C. Es existieren zwei verschiedene Schaltzustände, die durch Ein- und Ausschalten des Transistors realisiert werden. In der weiteren Betrachtung werden Ventilverluste vernachlässigt. Wenn der Transistor eingeschaltet ist, wird die Spannung u 2 zu Null. Es gilt: u L + u 2 = 0, u L = L di 2 dt Wenn der Transistor ausgeschaltet ist, liegt die Ausgangsspannung U C an. Es gilt: u 2 = U C Die Aussteuerung und die relative Einschaltdauer ergeben sich zu: u 2 =a U C =(1 T EIN T )= (1 r) U C Die Induktivität L dient als Energiespeicher, der den Stromfluss bei beiden Schaltzuständen aufrecht erhält. Wenn der Transistor eingeschaltet ist, baut sich der negative Laststrom di 2 dt = 1 L u über die L Induktivität, die Spannungsquelle und den Transistor auf. Dieser Strom wird betragsmäßig größer. Das heißt, dass Energie im Magnetfeld der Induktivität gespeichert wird. Wird der Transistor ausgeschaltet, muss dem Stromfluss ein alternativer Pfad eröffnet werden. Dieser geht über die Diode, die durch den Stromfluss in den leitenden Zustand getrieben wird. Die Kapazität C 1 wird geladen. Es gilt: u C = u L + u 2
Die Energie für diesen Stromfluss wird von der Induktivität abgegeben. Das heißt, dass das Magnetfeld sich abbaut. Der negative Laststrom i 2 wird betragsmäßig kleiner. Die Kapazität wird über den Widerstand R entladen, sobald der Transistor wieder eingeschaltet wird. 4 Sicherheitshinweise Alle in der Sicherheitsbelehrung genannten Vorschriften, Anweisungen und Hinweise sind strikt zu befolgen. Dieser Versuch verwendet hohe Gleichspannungen und -ströme. Dies hat zur Folge, dass die Gesundheitsrisiken stark erhöht sind. Im Gegensatz zu Wechselspannungen kommt es bei Gleichspannung zu keiner Selbstlöschung von Lichtbögen im Nulldurchgang. Bei Berührungen gleichspannungsführender Teile kann es zu Verkrampfungen der Gliedmaßen kommen, sodass ein eigenständiges Lösen nicht möglich ist. Die Inbetriebnahme des Versuchsstandes ist nur unter Aufsicht erlaubt. Vor jeder Änderung des Induktivitätswertes ist der Versuchsstand auszuschalten und des Betreuers um Zustimmung zu bitten. Alle Messgrößen sind berührgeschützt abgreifbar. Nichtbeachtung von Sicherheitsvorschriften und Anweisungen führt zum sofortigen Ausschluss von dem Versuch. Es gilt: Packst du an die Spannung dran, klingelt schon der Sensenmann.
5 Schaltbild und Bedienhinweise Bild2 zeigt das Schaltbild des Versuchsaufbaus einschließlich der Bedienelemente so, wie Sie es auch am Versuchsstand vorfinden. Die Eingangsspannung des Hochsetzstellers wird von einer B2-Brückenschaltung mit kapazitiver Glättung bereitgestellt. Im folgenden Versuch kann sie als konstante Gleichspannungsquelle betrachtet werden. Die Ausgangsspannung kann zwischen 50 V und 200 V verstellt werden, der maximale Dauer-Laststrom beträgt 10 A. Die Schaltfrequenz ist auf mehrere diskrete Werte einstellbar. Als Last dienen mehrere zuschaltbare Halogenlampen. Die Schaltung wird durch einen Mikrokontroller (ATMega 16) gesteuert, der den Betriebszustand und die Mittelwerte einiger Messwerte auf einem LCD anzeigt. Die Induktivitätsänderungen erfolgen durch Umstecken eines Steckers im ausgeschalteten Zustand nach Freigabe durch den Betreuer (siehe Sicherheitshinweise). Machen Sie sich zunächst mit dem Schaltbild vertraut und vergleichen Sie dieses mit dem entsprechenden Ersatzschaltbild des Hochsetzstellers. Vollziehen Sie nach, welche Größen während des Versuchs gemessen werden können. Folgende Elemente befinden sich im Block Steuerung : I/O: Hauptschalter für den Versuchsstand Anzeige: Darstellung wesentlicher Größen des Versuches Anzeigeumschaltung: Ermöglicht den Wechsel zwischen verschiedenen Anzeigen Reset: Setzt den Mikrocontroller in den Grundzustand zurück r : Einstellung des Tastverhältnisses f : Einstellung der Schaltfrequenzen Ansteuerfreigabe: Gibt die Steuersignale des Mikrocontrollers an den IGBT-Treiber frei. Nur wenn die Freigabe gesetzt ist arbeitet der Hochsetzsteller. Wegen der Arbeitsgeschwindigkeit des Mikrocontrollers können nur Mittelwerte verarbeitet werden. Diese werden in guter Näherung durch Tiefpassfilterung der Messgrößen angenähert. Diese Werte dienen nur zur Orientierung, alle Messungen im Versuch werden mit Hilfe des Zweikanal- Digitalspeicheroszilloskops TDS 1001B durchgeführt. Die Zeitverläufe können per Knopfdruck als Grafik auf einem USB-Stick abgelegt werden. Das Oszilloskop unterstützt nur USB-Sticks mit einer Speicherkapazität kleiner als 2GB. Jeder Student, der über einen solchen USB-Stick verfügt ist angehalten ihn mit zu bringen. Notfalls stehen Lehrstuhl-USB-Sticks zur Zwischenspeicherung zur Verfügung von denen die Messaufnahmen dann an eigenen Datenträger übertragen werden können. Das mitbringen eines eigenen Datenspeichers ist also zwingend notwendig.
Bild 1: Schaltbild und Bedienelemente des Versuchs Hochsetzsteller
6 Vorbereitungsanleitung und Richtlinien für die äußere Form der Ausarbeitung Die Vorbereitungsaufgaben sind vor dem Versuch selbstständig zu lösen. Bevor die Versuchsdurchführung beginnt, wird in einem Kolloquium überprüft, ob eine ausreichende Vorbereitung vorliegt. Unzureichend vorbereitete Studenten werden vom Versuch ausgeschlossen, da die angestrebten Lernziele nicht erreicht werden können, sowie ihre Sicherheit und die der Mitstudenten gefährdet sein könnte. Alle Vorbereitungsaufgaben sind vor dem Versuch zu bearbeiten und mit dem Praktikumsbericht abzugeben. Das Kolloquium soll dazu dienen, alle eventuellen Fehler und Fragen zu dem Versuch zu beseitigen. Alle Bilder und Skizzen sind ausführlich zu beschriften und müssen bei den entsprechenden Aufgabenpunkten eingefügt werden. Die Versuchsdurchführung ist bei jeder Versuchsaufgabe zu Beginn kurz zu beschreiben. Jede dokumentierte Beobachtung und Beschreibung sind kurz zu diskutieren. Beachten Sie, dass ihr Praktikumsbericht eine wissenschaftliche Ausarbeitung ist und entsprechende Wortwahl und Form erfordert. Umgangssprachliche Ausdrucksformen sowie Erlebnisberichte sind nicht zulässig. Stützen Sie ihre Aussagen auf Fakten und stellen Sie Vermutungen nicht ohne Begründungen auf. Bei der Zeichnung von Kurvenverläufen sind ausschließlich Ausgleichsgeraden/ - kurven zulässig. Zeichnungen sind in ausreichender Größe mit Beschriftung anzufertigen, so dass die Aussage klar erkennbar ist. Mit Ausnahme der Vorbereitungsaufgaben ist jede Versuchsaufgabe auf einer neuen Seite zu bearbeiten. Fragen zum Ausgangsverhalten: 6.1 Zeichnen sie das ESB des Hochsetzstellers und benennen sie alle Größen. Zeichnen sie außerdem separat die einzelnen Kommutierungsmaschen. 6.2 Geben Sie den Zusammenhang zwischen Tastverhältnis r und Aussteuerung a als Gleichung an und arbeiten Sie den Unterschied im Vergleich zum Tiefsetzsteller heraus. 6.3 Wie hängt der Mittelwert der Ausgangsspannung von der Aussteuerung ab?
6.4 Geben Sie die Grundgleichung für eine Spule in differentieller und integraler Form an. Beschreiben Sie die Eigenschaften einer Spule anschaulich unter Verwendung der Begriffe Spannung, Strom, Magnetfeld, Energie. 6.5 Erklären Sie die Wertepaare von Induktivität und Widerstand für die Spule: Warum ändert sich der Widerstandswert bei verdoppeltem Induktivitätswert so, wie angegeben? 6.6 Skizzieren Sie den Verlauf der Spannung u T, der Spulenspannung u L und des Spulenstroms i L für zwei Perioden. Erläutern Sie, was sich bei einer Verdoppelung des Induktivitätswertes ändert. Machen Sie sich dazu anhand von Skizzen mit den Zeitverläufen der wesentlichen Größen vertraut. 6.7 Begründen Sie, warum das Tastverhältnis nach oben hin beschränkt sein muss (im Versuch auf Werte zwischen 0 und 0,75). Was passiert bei einem Wert nahe 1? 6.8 Geben Sie die Definition des Wirkungsgrads an und erläutern Sie, wie der Wirkungsgrad aus Ausgangsleistung und Verlusten bestimmt werden kann. Überlegen Sie, warum bei begrenzter Messgenauigkeit und hohem Wirkungsgrad eine direkte Bestimmung des Wirkungsgrads nicht sinnvoll ist. Fragen zur Schaltzelle: 6.9 Beschreiben Sie mit wenigen Worten und erläuternden Skizzen, wo während des Schaltens eine Kommutierung stattfindet und welche Bauelemente und Strompfade betroffen sind. Hinweis: Für eine schnelle und bauteilschonende Kommutierung ist ein niederinduktiver Aufbau erforderlich. Details werden während des Versuchs mit Unterstützung des Betreuers erarbeitet, Sie benötigen dazu allerdings ein Grundverständnis des Vorgangs.
7 Versuchsaufgaben Die Versuchsaufgaben dienen als Anregung. In Abstimmung mit dem Versuchsbetreuer sind Abwandlungen möglich. Ziel der Messungen ist es, Übereinstimmungen und Abweichungen zur Theorie aufzuzeigen. Die gewonnenen Erkenntnisse sind zu protokollieren, durch Oszilloskopbilder bzw. Messwerte/Messreihen zu untermauern und in der Ausarbeitung darzustellen. Dazu ist es unerlässlich, die jeweils gemessenen Größen und eventuelle Umrechnungsfaktoren bei der Messung zu dokumentieren und diese Informationen auch in die Ausarbeitung zu übernehmen. Stellen Sie in der Ausarbeitung, wo möglich, einen Bezug zu den Vorbereitungsfragen und den darauf gegebenen Antworten her. Halten Sie, wenn nicht anders angegeben oder abgesprochen, den Ausgangsstrom in der Nähe des Bemessungsstroms von 10 A. Schalten Sie vor jeder Änderung des Induktivitätswerts den Versuch aus und bitten Sie den Betreuerin um Zustimmung zum Umstecken! Versuche zur Charakterisierung des Ausgangsverhaltens: 7.1 Bestimmen Sie durch Messung das Steuerverhalten (Mittelwert der Ausgangsspannung als Funktion des Tastverhältnisses) bei größtem Induktivitätswert und höchster Schaltfrequenz. 7.2 Bestimmen Sie die Schwankungsbreite des Eingangsstroms als Funktion des Induktivitätswerts bei a=0,5 und höchster Schaltfrequenz. 7.3 Bestimmen Sie die Schwankungsbreite des Eingangsstroms als Funktion der Schaltfrequenz bei geringstem Induktivitätswert. 7.4 Vergleichen Sie die Zeitverläufe des Eingangsstroms für die Extremfälle (geringer Induktivitätswert, niedrigste Schaltfrequenz)/(höchster Induktivitätswert, höchste Schaltfrequenz). Verwenden Sie dazu die Oszillogramme aus den Unterpunkten 7.2 und 7.3. 7.5 Bestimmen Sie die Durchlassverluste des IGBT bei a=0,5. Welche zusätzlichen Verluste treten beim Schalten auf? 7.6 Stellen Sie bewusst Lückbetrieb ein. Bedenken Sie, dass dann die feste Kopplung der Aussteuerung a an das Tastverhältnis r nicht mehr gegeben ist. Erklären Sie die dann auftretenden Strom- und Spannungsverläufe. Wie wird in diesem Fall Energie von der Seite mit niedriger Spannung zu der Seite mit hoher Spannung transportiert? Wie muss sich der Spulenstromscheitelwert ändern, wenn der Laststrommittelwert vergrößert wird?
Versuche zur Charakterisierung der Schaltzelle: Setzen Sie das Tastverhältnis auf 0,5 und stellen Sie Bemessungsstrom ein. Oszillographieren und diskutieren Sie die Kommutierung und zugehörige Effekte anhand von: 7.7 Spannung u T und Diodenstrom i D 7.8 Spannung u T und IGBT-Strom i T 7.9 Diodenstrom i D und IGBT-Strom i T unter Betrachtung von Strom- und Spannungsanstiegszeiten, Überspannung und Diodenrückstrom. In diesem Versuchsteil, der Praxis-Effekte jenseits der im Studium vermittelten Grundfunktionsweisen aufzeigt, wird der Betreuer Sie bei der Erarbeitung der Lernziele unterstützen. Die erzielbaren Erkenntnisse sind unter anderem von der eingesetzten Messtechnik abhängig. 8 Parameter des Versuchsstands Bemessungsspannung: 230 V / 50 Hz, Bemessungsleistung 2 kw Sekundärspannung: 39 V / 77A, L σ 2 =35µH, R k,ges =7mΩ C1: 22 mf /100 V 22 mf / 100 V C2: 4,7 mf / 350V 4,7 mf / 350 V L: 0,5 mh / 7,5mΩ ; 1mH / 10,5 mω IGBT: 1200V / 50 A, r T =20 mω, u T0 =1,5 V R: 7 bis 20 Halogenstablampen ( 230 V / 50 Hz / 500 W ), 13 davon zu- und abschaltbar, mit folgender Strom-Spannungs-Charakteristik (Kaltleiterverhalten)
I /A 2 1 100 200 U /V Bild 2: Strom-Spannungs-Charakteristik einer Halogenstablampe Das Kaltleiterverhalten lässt den Strom deutlich langsamer sinken, als dies bei einem linearen Widerstand der Fall wäre - für die Versuchsdurchführung ein kleiner Vorteil. Die hochtemperaturfesten Lampen ermöglichen auf Dauer eine Belastung ohne forcierte Kühlung. 9 Literatur Skript Grundlagen der Energietechnik Skript Leistungselektronik Buch Mohan / Undeland: Power Electronics IPES-Online-Präsentationen: http://www.ipes.ethz.ch Caspoc-Simulationsprogramm: http://www.caspoc.com