LE1 Labor B6C Rev A - Brückenschaltung PDF

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Leistungselektronik 1 (LE1) Laborversuch „Sechspulsbrückenschaltung (B6C)“ Prof. Dr. Götz Lipphardt, Dipl.-Ing. D. Cindea-Drimus, Dipl.-Ing. B. Mysz Fakultät für Elektrotechnik Institut für Leistungselektronik und Antriebstechnik Rev. A - WS 2017/18

0 Einleitung In diesem Laborversuch wird eine gesteuerte Sechspulsbrückenschaltung (B6C) untersucht. Folgender Ablauf ist vorgesehen: 1. Versuchvorbereitung (zu Hause) 2. Aufbau der Schaltung 3. Abnahme der Schaltung 4. Messung der Steuerkennlinie 5. Leistungsmessungen 6. Bestimmung des Oberschwingungsspektrums des Netzstroms 7. Versuchsauswertung und -bericht

0.1 Hinweise • Voraussetzung zur Teilnahme am Labor ist die erfolgreiche Durchführung eines Tests in Moodle. Dieser Test muss vor dem Labortermin bearbeitet werden. Beachten Sie dazu die im Terminplan der Lehrveranstaltung angegebenen Fristen. • Lesen Sie diese Laboranleitung sorgfältig und bereiten Sie sich auf den Laborversuch vor. • Die mit einem ∗ markierten Aufgaben müssen als Versuchsvorbereitung zu Hause durchgeführt werden. Ohne Versuchsvorbereitung ist eine Teilnahme am Labor nicht möglich. • Voraussetzung zur Teilnahme am Labor ist die Teilnahme an einer Sicherheitsunterweisung, die Sie durch Ihre Unterschrift bestätigen müssen. • Es gilt die ausgehängte Laborordnung. • Schaltungen dürfen nur nach vorheriger Abnahme durch den Dozenten oder einen Laboringenieur in Betrieb genommen werden.

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LE1-Laborversuch Sechspulsbrückenschaltung (B6C)

1 Grundlagen Am Beispiel der Sechspulsbrückenschaltung (B6C) werden in diesem Laborversuch zwei Phänomene untersucht.

1.1 Steuerkennlinien Stromrichter werden häufig als Stellglieder in Regelkreisen eingesetzt. Es ist daher wichtig, das Übertragungsverhalten des Stromrichters zu kennen. Hierbei wird das stationäre Verhalten durch die Steuerkennlinie beschrieben. Die theoretische bezogene Steuerkennlinie eines netzgeführten Stromrichters bei nichtlückendem Strom lautet: Udiα = cos α Udi0

mit

0° ≤ α < 180°

In der Praxis weicht das tatsächliche Verhalten des Stromrichters von der theoretischen Steuerkennlinie ab.

1.2 Steuerblindleistung Bei Vernachlässigung der Verluste im Stromrichter muss die auf der Gleichstromseite abgegebene Leistung gleich der drehstromseitig zugeführten Wirkleistung sein. Im folgenden wird immer von einem symmetrischen Drehstromsystem und von einer symmetrischen Belastung ausgegangen. Es genügt daher die Betrachtung der Strangsspannung US1 und des Strangstroms I S1 , da die anderen Strangspannungen bzw. Strangsströme lediglich phasenverschoben sind. Wenn man von einer rein sinusförmigen Netzspannung US1 ausgeht, dann kann nur die Grundschwingung des Netzstroms I S1,1 eine Wirkleistung verursachen. Ist der Gleichstrom vollkommen geglättet, erhält man die Beziehung 3 ·US1 · I S1,1 · cos ϕ1 ≈ Udi0 · I d · cos α. Da sich der Wert von I S1,1 bei konstantem I d und gesteuertem Stromrichter nicht ändert, ergibt sich hieraus cos ϕ1 ≈ cos α, d. h. mit zunehmendem Steuerwinkel α vergrößert sich der Verschiebungswinkel ϕ1 zwischen der Netzspannung US1 und der Grundschwingung des Netzstroms I S1,1 . Bis zu einem Steuerwinkel von 90° nimmt die aufgenommene Blindleistung zu. Die gesamte Grundschwingungs-Blindleistung setzt sich zusammen aus der Steuer- und der Kommutierungsblindleistung. Da ein sehr streuarmer Transformator benutzt wird, kann der Einfluss der Kommutierungsblindleistung vernachlässigt werden. Für die bezogene Blindleistung bzw. Wirkleistung der Grundschwingung erhält man folgende Beziehungen: Q1 Pdiα Udiα = cos α = = sin α Pdi0 Udi0 Pdi0 Trägt man demnach die bezogene Steuerblindleistung als Funktion der bezogenen Wirkleistung auf, so erhält man einen Halbkreis mit dem Radius 1. Bei Ausgangsspannung Null, d. h. z. B. beim Anfahren von Gleichstromantrieben, ist die Steuerblindleistung der Grundschwingung in der Größe der maximalen Gleichstromleistung. ©2017, Hochschule Mannheim, Fakultät für Elektrotechnik, Prof. Dr. G. Lipphardt

LE1-Laborversuch Sechspulsbrückenschaltung (B6C)

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1.3 Oberschwingungen Der Netzstrom I S1 der B6C-Schaltung ist nicht sinusförmig, sondern er entspricht dem Gleichstrom ±I d , wenn einer der beiden an einen Strang angeschlossenen Thyristoren leitet, ansonsten ist er Null. Deshalb setzt sich der Netzstrom aus der Grundschwingung I S1,1 sowie Oberschwingungen I S1,ν zusammen. Mit Hilfe einer Fourierzerlegung können die einzelnen Komponenten (Grundschwingung, Oberschwingungen) bestimmt werden. Dazu wird in der Regel die sogenannte FFT (Fast Fourier Transformation) verwendet.

2 Versuchsvorbereitung Folgende Bauteile werden im Versuch benötigt (siehe auch Schaltzeichen der Hauptbauteile im Anhang dieser Anleitung): • 1 Stromrichter-Transformator bestehend aus einer dreisträngigen Primärwicklung und zwei dreisträngigen Sekundärwicklungen • 1 Thyristorbaustein bestehend aus sechs Thyristoren jeweils mit Zündübertrager • 1 Steuersatz: Der Steuersatz liefert sechs jeweils um 60° phasenverschobene Zündimpulse zur Ansteuerung von sechs Thyristoren. Die Ausgabe der Zündimpulse erfolgt synchron zum Nulldurchgang der primärseitigen Netzspannung des Stromrichter-Transformators (Strangspannung uL1 des Strangs L1). Dabei ist nicht zwingend Zündimpuls 1 synchron zu uL1, sondern es kann auch einer der anderen Zündimpulse sein. Der Zündwinkel kann in Schritten zu je 10° im Bereich 0° ≤ α ≤ 150° verstellt werden. Es kann zwischen Einzel- und Doppelimpulsen umgeschaltet werden. Andere Einstelloptionen (z. B. Offset) werden nicht benötigt. • 1 Glättungsdrossel • 1 geregelter Belastungsstromrichter: Hierbei handelt es sich um einen B6C-Stromrichter, der fertig aufgebaut ist und nur gleichspannungsseitig angeschlossen werden muss. Außerdem ist mittels CEE-Drehstromstecker der Anschluss an das Netz herzustellen. Der Stromrichter verfügt über eine Stromregelung: Mittels Potentiometer kann der Sollwert des Gleichstroms I d eingestellt werden. • 2 Digitalmultimeter Keithley 2110 zur Messung von Udα und I d (mittels Shunt) • 1 Shunt zur Messung des Gleichstromes I d • 1 Digitales Leistungsmessgerät WT230 zur Messung von P, Q, S, U1 , I 1 . Das Gerät verfügt über ein Filter, das gemessene Frequenzen über 500Hz sperrt. • 1 Potentialtrenneinrichtung mit Messstellenumschalter zur Darstellung elektrischer Größen mittels Oszilloskop • 1 Strommesszange zur zeitlichen Darstellung des sekundärseitigen Strangstroms i 1 • 1 Oszilloskop Tektronix TDS 2014B • 4-mm-Messleitungen, Koaxialleitungen Für die Verarbeitung der Messergebnisse sind ein PC pro Tisch und ein Farblaserdrucker für das Labor vorhanden. Auf den Labor-PCs stehen als Tabellenverarbeitungsprogramm OpenOffice-Calc und Excel zur Verfügung.

©2017, Hochschule Mannheim, Fakultät für Elektrotechnik, Prof. Dr. G. Lipphardt

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LE1-Laborversuch Sechspulsbrückenschaltung (B6C)

Hinweise zum Schaltungsaufbau: • Verschaltung des Stromrichter-Transformators: primär Dreieckschaltung, sekundär Sternschaltung • Die Leistungsmessung erfolgt mit dem Leistungsmessgerät WT230 das zwischen StromrichterTransformator und B6C in die Schaltung eingebaut wird. • Die Thyristoren werden zu einer Drehstrom-Brücke (B6C) verschaltet. • Im Gleichstrom-Zwischenkreis liegt ein Shunt zur Strommessung und eine Glättungsdrossel zur Entkopplung der beiden Stromrichter. • Als Belastung dient ein stromgeregelter Stromrichter, der die Leistung ins Netz zurückspeist. • Mit dem Oszilloskop werden folgende Größen zeitlich dargestellt: – Kanal 1: uS1 (über den unteren Kanal der Potentialtrennung) – Kanal 2: Zündimpuls des Thyristors V1 , Gleichspannung ud , Spannung uV1 über dem Thyristor V1 (über den oberen Kanal der Potentialtrennung; mit Umschalter wählbar) – Kanal 3: Netzstrom i S1 (mittels Strommesszange) • Achtung: Während des Schaltungsaufbaus ist zunächst nur Zündimpuls 1 anzuschließen. Dieser kann über den Messstellenumschalter auch auf dem Kanal 2 des Oszilloskops sichtbar gemacht werden (siehe oben). Die übrigen Zündimpulse werden erst nach Durchführung von Punkt 3.1 angeschlossen.

2.1 Aufgaben 1. ∗ Skizzieren Sie das vollständige Schaltbild des Versuchsaufbaus mit allen Messgeräten aber ohne Steuersatz. Nummerieren Sie dabei die sechs Thyristoren in der üblichen Reihenfolge. 2. ∗ Beschreiben Sie, wie Sie messtechnisch ermitteln können, welcher der sechs Zündimpulse mit dem Nulldurchgang der primärseitigen Netzspannung des Stromrichter-Transformators (Strangspannung uS1 des Strangs L1) synchronisiert ist. Beachten Sie dabei, dass Messungen nur auf der Sekundärseite des Transformators durchgeführt werden dürfen, während die Synchronisation der Zündimpulse auf die primärseitige Spannung des Transformators erfolgt. Beachten Sie daher die Verschaltung des Transformators. Skizzieren Sie die korrekte Lage des Zündimpulses für α = 0° bezogen auf eine Periode der Netzspannung uS1. 3. ∗ Müssen Doppelimpulse verwendet werden oder reichen Einzelimpulse aus? 4. ∗ Welchen Wert der Spannung Udi0 erwarten Sie? 5. ∗ Skizzieren Sie den zeitlichen Verlauf (eine Periode) des Netzstroms i S1 unter der Annahme I d = konst. Welche charakteristischen Oberschwingungen erwarten Sie im Spektrum des Netzstroms? Geben Sie die Ordnungszahlen und Frequenzen der ersten vier charakteristischen Oberschwingungen an (bei Netzfrequenz 50Hz). 6. ∗ Bereiten Sie sich eine OpenOffice-Calc- oder Excel-Datei zur Erfassung der Messwerte vor. Orientieren Sie sich dabei am Aufbau der Tabellen im Anhang dieser Anleitung.

©2017, Hochschule Mannheim, Fakultät für Elektrotechnik, Prof. Dr. G. Lipphardt

LE1-Laborversuch Sechspulsbrückenschaltung (B6C)

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3 Versuchsdurchführung Achtung: Die korrekte Ein- und Ausschaltreihenfolge ist stets zu beachten!

3.1 Ermittlung des Zündimpulses für Thyristor V1 Ermitteln Sie, welcher der sechs Zündimpulse derjenige Zündimpuls ist, der zu Thyristor V1 gehört. Gehen Sie dabei so vor, wie Sie sich das unter Punkt 2.1, Frage 2, überlegt haben. Die übrigen Zündimpulse dürfen erst nach Abnahme dieses Punktes durch die Laboraufsicht verdrahtet werden. Nach der Verdrahtung aller Zündimpulse muss die Schaltung abschließend durch die Laboraufsicht abgenommen werden.

3.2 Aufnahme der Steuerkennlinie Stellen Sie den Laststrom (Gleichstrom I d ) zügig auf einen möglichst kleinen Wert ein (ca. 1A), bei dem kein Stromlücken auftritt. Fahren Sie zur Überprüfung den Bereich 0° ≤ α ≤ 150° durch. Messen Sie für die Zündwinkel α = 0°,20°,30°,40°,60°,80°,90°,100°,120°,140°,150° jeweils die Ausgangsgleichspannung Udα und den Wechselanteil der Ausgangsgleichspannung Ud∼ . Für die Zündwinkel α = 0° und α = 150° ist mit dem Oszilloskop uS1 und uV1 aufzuzeichnen.

3.3 Leistungsmessung Erhöhen Sie den Laststrom (Gleichstrom I d ) auf ca. I d = 5A. Messen Sie für alle Zündwinkel α = 0° . . . 150° in 10°-Schritten die Ausgangsgleichspannung Udα , die Wirkleistung P sowie die Blindleistung Q . Für die Zündwinkel α = 0°,30°,60°,90°,120°,150° sind mit dem Oszilloskop die Zeitverläufe von uS1, i S1 und udα aufzuzeichnen und zu speichern.

3.4 Bestimmung des Oberschwingungsspektrums des Netzstroms Stellen Sie den Zündwinkel auf α = 0°. Stellen Sie den Laststrom (Gleichstrom I d ) auf ca. I d = 5A ein. Bestimmen Sie am Oszilloskop mit Hilfe der Mathematikfunktion FFT das Oberschwingungsspektrum des Netzstroms i S1. Das Spektrum ist abzuspeichern.

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LE1-Laborversuch Sechspulsbrückenschaltung (B6C)

4 Versuchsauswertung und Testat Es ist pro Gruppe ein Versuchsbericht anzufertigen 1. Aus den Messungen ist die bezogene Steuerkennlinie Udα /Ud0 = f (α) zu ermitteln und in geeignetem Maßstab zusammen mit der theoretischen Steuerkennlinie in einem gemeinsamen Diagramm darzustellen (2 Kurven in 1 Diagramm). Die Ergebnisse der Messungen sind mit den theoretischen Werten zu vergleichen. Begründen Sie die Abweichungen! 2. Aus den Messungen ist die Spannungswelligkeit w U = Ud∼ /Ud0 = f (α) zu ermitteln und in einem Diagramm darzustellen. 3. Berechnen Sie auf Basis der Messungen die Steuerblindleistung Q 1rech und vergleichen Sie diese mit der gemessenen Blindleistung Q. Begründen Sie die Abweichungen! 4. Berechnen Sie auf Basis der Messungen die netzseitige Wirkleistung P1rech und die gleichspannungsseitige Wirkleistung Pd . Die Ergebnisse sind mit der wechselspannungsseitig gemessenen Wirkleistung P zu vergleichen. Begründen Sie die Abweichungen! 5. Stellen Sie das Verhältnis Q/Pdi0 = f (P /Pdi0 ) und das Verhältnis Q 1rech /Pdi0 = f (P1rech /Pdi0 ) grafisch dar. Vergleichen Sie die Verläufe! Was für eine Kurvenform ergibt sich? 6. Die mit dem Oszilloskop aufgezeichneten Kurvenverläufe sind der Ausarbeitung beizufügen. Dazu steht Ihnen in Moodle eine geeignete Vorlage im OpenOffice- oder Word-Format zur Verfügung, in die Sie die Bilder einfügen können. 7. Erläutern Sie anhand des aufgenommen Oszillogramms von u1 und uV1 für den Zündwinkel α = 150° warum der Zündwinkel auf αmax = 150° begrenzt ist. Was kann bei größeren Zündwinkeln passieren und welche Folgen hat das in der Praxis? 8. Erläutern Sie anhand des aufgenommenen Spektrums des Netzstroms welche Frequenzen auftreten. Warum enthält das Spektrum ggf. auch nicht-charakteristische Oberschwingungen? Der Versuchsbericht ist in Moodle als PDF-Datei hochzuladen (ein Bericht pro Gruppe). Die Gruppe erhält das Testat, sobald der Versuchsbericht einwandfrei ist.

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LE1-Laborversuch Sechspulsbrückenschaltung (B6C)

A Schaltzeichen der Hauptbauteile

B Tabellen zur Erfassung der Messwerte B.1 Messung der Lastkennlinie und der Welligkeit α Udα /V

0°

20°

30°

40°

60°

80°

90°

100°

120°

Ud∼ /V

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140°

150°

8

LE1-Laborversuch Sechspulsbrückenschaltung (B6C)

B.2 Leistungsmessung Im Folgenden sind die fett gedruckten Größen direkt gemessene Werte. Alle anderen Werte sollen aus den gemessenen Werten rechnerisch ermittelt werden: q Q 1rech = Pd0 · sin α,

P1rech = Pd0 · cos α,

S1 =

2 2 Q1rech + P1rech

150°

140°

130°

120°

110°

100°

90°

80°

70°

60°

50°

40°

30°

20°

10°

0°

α

Udα /V

Pd /W

P /W

P/Pdi0

P1rech /W

P1rech /Pdi0

Q/var

Q/Pdi0

Q 1rech /var

Q 1rech /Q di0

S/VA

S 1rech /VA

Pd = Udα · I d ,

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