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Laborbericht Leistungselektronik Versuch 3: Umrichter und Chopper Studiengang Elektro- / Informationstechnik - EEU

Betreuender Professor Prof. Dr.-Ing. Michel

Versuchsdurchführung 01.11.2017

Versuchsteilnehmer Gruppe A2

Andreas Robert Cezanne

747883

Ilias Belghanou

745150

Sebastian Klimek

745399

Marcel Moos

745464

Dennis Theil

745300

Leistungselektronik

Versuch 3: Umrichter und Chopper

Inhaltsverzeichnis 1.

2.

Einleitung ......................................................................................................................................... 3 1.1

Versuchsbeschreibung ............................................................................................................ 3

1.2

Versuchsaufbau ....................................................................................................................... 3

1.3

Graphen Oszilloskop ................................................................................................................ 4

Versuchsdurchführung .................................................................................................................... 5 2.1

Tiefsetzsteller .......................................................................................................................... 5

2.2

Hochsetzsteller ...................................................................................................................... 11

2.3

Chopper ................................................................................................................................. 12

2.4

Drehstromumrichter ............................................................................................................. 13

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Versuch 3: Umrichter und Chopper

1. Einleitung 1.1 Versuchsbeschreibung Ziel des Versuchs war es Schaltungen mit Konstantspannungszwischenkreis zu untersuchen. Hierbei wurde das Augenmerk auf Tiefsetz- bzw. Hochsetzsteller und auf einen 4-Quadranten-Steller (4Q-Steller) gelegt. Gleichfalls wurde auch ein Drehstromumrichter mit angeschlossener Asynchronmaschine behandelt. Der Versuch gliederte sich in drei Teilversuche, die an zwei verschiedenen Modellen stattfanden. Am ersten Modell waren der Tiefsetz- bzw. Hochsetzsteller aufzubauen. Zu Beginn war der Tiefsetzsteller für verschiedene Spulengrößen sowie zweier Diodentypen zu untersuchen. Sowohl bei Tiefsetzsteller als auch beim nachfolgenden Hochsetzsteller waren die charakteristischen Spannungs- und Stromverläufe zu oszillografieren. Im zweiten Teilversuch wurde der 4Q-Steller einem 1Q-Steller mit jeweils ohmsch-induktiver Last gegenübergestellt. Im letzten Teilversuch wurde der Drehstromumrichter behandelt und die Raumzeigermodulation verdeutlicht.

1.2 Versuchsaufbau

Abbildung 1: Tiefsetzsteller

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Versuch 3: Umrichter und Chopper

Abbildung 2: Hochsetzsteller

Abbildung 3: 4Q-Steller

Abbildung 4: Drehstromumrichter

1.3 Graphen Oszilloskop Für Bilder 3 bis 10: CH1: Diodenspannung CH2: Diodenstrom CH3: Transistorstrom CH4: Induktivitätsstrom

(orange) (blau) (violett) (grün) Seite 4

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Versuch 3: Umrichter und Chopper

2. Versuchsdurchführung 2.1 Tiefsetzsteller Die Stromwelligkeit bei einem Tastverhältnis d = 0,5 sollte etwa Δi ≈ 1A betragen. Dafür war entsprechend die Spulengröße mit U e = 50V, fs = 20kHz und R Last = 22Ω nach folgender Formel zu bestimmen:

∆ =

  ∗ ∗  



L = 625µH bzw. für die Schaltung verfügbar: L = 700µH.

Am Funktionsgenerator wurde d = 45% gewählt, da der Treiber des Modells einen Offset von 5% besaß.

Es sollte das Verhalten einer Standarddiode mit dem Verhalten einer „Ultra-Fast-Diode“, die normalweise in der Schaltung eingebaut ist, verglichen werden.

Bild 1: Tiefsetzsteller - Standarddiode

Bild 2: Tiefsetzsteller - Ultra-Fast-Diode

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Versuch 3: Umrichter und Chopper

Die Umschaltung zwischen Durchlass- und Sperrbetrieb findet bei der Ultra-Fast-Diode schneller statt als bei einer Standarddiode, d.h. der Rückstrom (CH2 – blau 1V ≙ 1A) ist um einiges geringer. Dadurch verringert sich der Ausschlag des Rückstroms immens und es entsteht nur ein kleiner Peak. Dieser Effekt lässt sich sehr gut durch Vergleich beider Bilder erkennen.

Nachfolgend wurden nun die charakteristischen Spannungs- und Stromverläufe bei ausgeschaltetem Regler für verschiedene Spulengrößen aufgenommen.

Bild 3: Tiefsetzsteller - L = 700µH

Bild 4: Tiefsetzsteller - L = 11mH

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Versuch 3: Umrichter und Chopper

Bild 5: Tiefsetzsteller - L = 340µH

Durch die Wahl einer größeren Induktivität (Bild 4) verringert sich die Stromwelligkeit. Zum Vergleich, siehe grüne Kurve (CH4) in Bild 3 und 4. Stellt man Bild 3 (L = 700µH) mit Bild 5 (L = 340µH) mit etwa halb so großer Induktivität gegenüber, erkennt man eine Verdopplung von Δi auf 2A bei L = 340µH zur ursprünglichen Spule mit L = 700µH. Das liegt daran, dass die Spule mit geringerer Größe sich bei Umschalten schneller laden und entladen kann.

Bild 6: Tiefsetzsteller - Spannungs- und Stromverläufe für d = 0,6

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Versuch 3: Umrichter und Chopper

Grafik 1: Tiefsetzsteller - Spannungen abhängig vom Duty Cycle

In Grafik 1 ist ein klarer linearer Verlauf der Ausgangsspannung abhängig den Ein- / Ausschaltzeiten des Transistors zu erkennen. Mit zunehmendem Tastverhältnis steigt die Ausgangsspannung auf das Niveau der Eingangsspannung an, was einem Tastverhältnis von d = 1 entspricht.

Bild 7: Tiefsetzsteller - Spannungs- und Stromverläufe für I d = 0,5A

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Versuch 3: Umrichter und Chopper

Grafik 2: Tiefsetzsteller - Spannungen abhängig vom Strom

Die Schaltung wechselt bei einem Strom I d < 0,47A (im Labor gemessen) in den lückenden Betrieb. Anhand der Grafik 2 ist dies am Knick des U a-Graphens zu erkennen. Im nicht-lückenden Betrieb verläuft die Kennlinie linear. Zur Berechnung des Innenwiderstands R i bildet man ein Steigungsdreieck über den U a-Graphen für Id > 0,47A (linearer Verlauf):  =

   

=

,  ,,

= |-1,9Ω| = 1,9Ω

Der Pulsgenerator war zu entfernen und der Regler einzuschalten. Dieser stellte das Tastverhältnis d variabel ein.

Bild 8: Tiefsetzsteller - Spannungs- und Stromverläufe bei I d = 0,25A (lückender Betrieb)

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Versuch 3: Umrichter und Chopper

Bild 9: Tiefsetzsteller - Spannungs- und Stromverläufe bei Id = 1A (nicht lückend)

Grafik 3: Tiefsetzsteller - Spannungen mit angeschlossenem Regler (d variabel)

Grafik 3 zeigt deutlich die Funktion des Reglers. Die Ausgangsspannung U a wird unabhängig der Eingangsspannung U e sowie I d auf dem gleichen Spannungslevel gehalten. Die lückende Diodenspannung (Bild 8: CH1 – orange) wird über d so ausgeregelt, dass es keine Auswirkung auf die Ausgangsspannung hat.

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Versuch 3: Umrichter und Chopper

2.2 Hochsetzsteller

Bild 10: Hochsetzsteller - Spannungs- und Stromverläufe bei Id = 0,3A (lückend)

Grafik 4: Hochsetzsteller mit angeschlossenem Regler (d variabel)

Aus Bild 10 und Grafik 4 wird ersichtlich, dass es sich hierbei um einen Hochsetzsteller handelt. Die Ausgangsspannung U a ist höher als die Eingangsspannung U e . Gleichzeitig wird durch den Regler Ua auf einen konstanten Wert gehalten, indem das Taktverhältnis entsprechend dem I d angepasst wird.

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Versuch 3: Umrichter und Chopper

2.3 Chopper Zu untersuchen war ein 4Q-Chopper mit ohmsch-induktiver Last im Zweipunktbetrieb. Anschließend folgte der Versuch zum 1Q-Steller im Dreipunktbetrieb. Die Eingangsspannung war auf 150V die Frequenz auf f = 1kHz zu justieren. Der Lastwiderstand sollte so eingestellt werden, dass bei d = 1 ein Laststrom von 5A floss. Nun sollte das Tastverhältnis von 100% zu 0% verändert werden und die Ausgangsspannung, der Ausgangsstrom sowie der Wechselanteil des Stroms aufgenommen werden.

Grafik 5: Ausgangsgeichspannungen 4Q- und 1Q-Chopper

Grafik 6: Ausgangsgleichströme 4Q- und 1Q-Chopper

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Versuch 3: Umrichter und Chopper

Grafik 7: Wechselanteile Ausgangsgleichströme 4Q- und 1Q-Chopper

Beim 4Q-Steller wurden nur die Quadranten 1 und 3 geschaltet, Quadranten 1 und 4 entfielen, da nur im Motorbetrieb gearbeitet wurde. Somit waren die Spannung und der Strom für das variable Tastverhältnis d entweder beide positiv oder beide negativ, siehe dazu Grafik 5 und Grafik 6. Aus Grafik 7 wird ersichtlich, dass der 4Q-Steller durch den Zweipunktbetrieb – somit nur zwischen positiver und negativer Spannung schaltet – eine größere Stromwelligkeit besitzt, als der 1Q-Steller im Dreipunktbetrieb (mit zusätzlichem Nullpunkt).

2.4 Drehstromumrichter CH1: Ch2: CH3: MATH:

Spannung U 1 (orange) Spannung U 2 (blau) Motorstrom (violett) verkettete Spannung U 12 (rot)

Ein charakteristisches Pulsmuster sowie ein Strom bei 25Hz war zu oszillografieren.

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Versuch 3: Umrichter und Chopper

Bild 11: Pulsmuster und Strom bei f = 25Hz

Die Scheitelwerte der Spannungen U 1 und U2 wird durch die durchgehende positive bzw. negative Pulsspannungen dargestellt. Der Motorstrom ist bis auf ein geringes Rauschen beinahe sinusförmig.

Bild 12: Bremsvorgang

Die Asynchronmaschine (ASM) wird durch schnelle Reduzierung der Frequenz gebremst. Kurzzeitig befindet sich die ASM im Generatorbetrieb; der Rotor rotiert schneller als das Drehfeld des Stators. Der Zwischenkreis wird überladen und es kommt zu einer Spannungsspitze von etwa 416V.

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