Praktischer Teil

FH Stralsund
Fachbereich Elektrotechnik
Praktikum im Fach Leistungselektronik
Versuch LE 4
(Praktikum)
Grundlagen selbstgeführter Stromrichter
Der selbstgeführte Stromrichter als DC-DC-Wandler (Tiefsetz-Steller)
Der selbstgeführte Stromrichter als einphasiger Wechselrichter
Versuchsziel:
• Kennenlernen des Wirkprinzips der Gleichstromstellung im
Mehrquadrantenbetrieb bei unterschiedlichen Belastungen
• Analyse der Beteiligung der Ventile an der Stromführung in den einzelnen
Betriebsarten und Zeitabschnitten
• Kennenlernen der Schaltfolge und Ansteuerung der Ventile in den einzelnen
Phasen der Gleichstromstellung
• Analyse der Ausgangsstrom- und Ausgangsspannungsverläufe
• Bewertung der stufenlosen Spannungsstellung in mehreren Quadranten
• Untersuchung des Einflusses von Lastinduktivität und Pulsfrequenz
• Vermittlung von Gesetzmäßigkeiten der Überlagerung der Gleich- und
Wechselkomponenten von Strom, Spannung und Leistung
• Untersuchung und Bewertung der Stromschwankungsbreite
• Betrieb als 1-phasiger Wechselrichter

1. Versuchsdurchführung
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1.1. Der selbstgeführte Stromrichter als DC-DC-Wandler
1.1.1. Bauen Sie folgende Versuchsschaltung auf:

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1.1.2. Aufnahme der Zeitverläufe von Ausgangsspannung und Ausgangsstrom sowie die
Betrachtung der Stromführung in den Ventilen
1. Lastkreis:
R = 180 Ω
L = 200 mH
2. Starten Sie mittels der Software PWM-Train die Datei "4Q-RL-Last.pwt".
3. Überprüfen Sie diese grundlegende Voreinstellung:
Einstellungen - Vorgaben:
4. Stellen Sie, falls notwendig, den Tastgrad (Modulationsgrad) auf 50%.
5. Stellen Sie, falls notwendig, den Lastwiderstand auf seinen maximalen Wert von 180 Ω
(ganz nach links).
6. Schalten Sie auf der IGBT-Plate den STOP-RUN-Schalter auf "RUN".
7. Überzeugen Sie sich, dass in der Software die Schaltfläche "EXT" nicht angeklickt ist und
8. klicken Sie auf die Schaltfläche "Play" (RUN-Modus). An der IGBT-Platte sollte die grüne
RUN-LED leuchten.
9. Verändern Sie nun in der Software den Tastgrad in 5%-Schritten in Richtung 100% und
beobachten Sie die dargestellten Größen.
10. Stellen Sie einen Tastgrad von 70% ein und stoppen Sie danach die Meßwertaufnahme
(Schaltfläche "Play" anklicken)
11. Bewegen Sie mittels Pfeiltasten links/rechts auf der Tastatur des Notebooks den
vertikalen Cursor auf der linken Bildschirmseite ganz nach links in das zweite Raster.
Diskutieren Sie die zeitlichen Verläufe der Ausgangsspannung und des Ausgangsstromes
sowie auf der rechten Bildschirmseite den Stromverlauf und die daran beteiligten
Ventile.

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12. Machen Sie eine Hardcopy des Bildschirminhaltes und speichern Sie diese ab.
13. Bewegen Sie den vertikalen Cursor in die jeweils nachfolgenden Rasterabschnitte bis
eine gesamte Periode beendet ist, diskutieren Sie die jeweiligen Zeitverläufe von
Ausgangsspannung und Ausgangsstrom sowie den Stromverlauf in den beteiligten
Ventile und speichern Sie den jeweiligen Bildschirminhalt ab.
14. "Play"-Schaltfläche anklicken. Variieren Sie den Tastgrad nun in 5%-Schritten in Richtung
0% und wiederholen Sie bei einem Tastgrad von 25% die Schritte 8. bis. 10.
15. Stellen Sie den Tastgrad wieder auf 50% und klicken Sie auf "Play".
16. Stellen Sie unter Einstellungen - Vorgaben die Pulsfrequenz auf Hoch (1800 Hz).
17. Wiederholen Sie die Punkte 9. bis 15.

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1.1.3 Untersuchung der Pulsmuster-Generierung (PWM)
Die Variation der Einschaltdauer der Ventile des untersuchten DC-DC-Wandlers erfolgt mit Hilfe
einer Pulsweitenmodulation. Diese erfordert eine in der Amplitude veränderbare
Modulationsfunktion sowie mindestens eine von der Frequenz und Amplitude konstante
Trägerfunktion. Im Falle des hier untersuchten DC-DC-Wandlers wird als Modulationsfunktion
eine variable Gleichspannung zwischen 0 V und 5 V verwendet. Dazu muß mittels Brücke eine
Verbindung zwischen den Buchsen "REF.OUT" und "ANALOG IN" hergestellt sein.
1. Klicken Sie auf die Schaltfläche "EXT" sowie auf die "Play"-Schaltfläche.
2. Stellen Sie mittels Sollwertpoti auf der IGBT-Platte eine Modulationsspannung von 1V
ein. Speichern Sie die jeweiligen Bildschirminhalte mittels Hardcopy. Wiederholen Sie
diesen Schritt für eine Modulationsspannung von 2V, 2.5V, 3V sowie 4V.
3. Klicken Sie nach vollendeter Meßwertaufnahme wieder auf die "Play"-Schaltfläche und
bringen Sie an der IGBT-Plate den "RUN-STOP"-Schalter in die Position STOP.

1.1.4 Aufnahme der Steuerkennlinien
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Idealerweise liegt bei der Ausführung eines DC-DC-Wandler als Tiefsetzsteller über den Lastkreis
eine pulsförmig rechteckige Ausgangsspannung und durch den Lastkreis fließt ein konstanter
Gleichstrom. Die Welligkeit dieses Gleichstromes hängt vom Aussteuergrad (Tastgrad,
Modulationsgrad), der Trägerfrequenz und der Größe der Induktivität im Lastkreis ab.
Ein Bewertungsmaß für die Welligkeit des Laststromes bildet dabei der Formfaktor dieses
Stromes Fi = Ieff/Id. Beträgt dieser 1, besitzt der Laststrom keine Wechselanteile mehr.
A Der Formfaktor des Laststromes in Abhängigkeit von der Lastinduktivität
1. Lastkreis:
R = 180 Ω
L = 0 mH
2. Beenden Sie das Programm PWM-Train.
3. Laden Sie aus dem Ordner "LE_4" die Datei "4Q-RL-Last-Steuerkennlinie.pwm".
4. Überprüfen Sie diese grundlegende Voreinstellung:
Einstellungen - Vorgaben:
5. Stellen Sie den Tastgrad auf 1% und bestätigen Sie mit "OK".
6. Klicken Sie anschließend auf die "Play"-Schaltfläche. Die eingestellten Größen werden in
Schritten des Tastgrades von 2% aufgenommen. Beobachten Sie den Verlauf der
aufgenommenen Größen und insbesondere den Verlauf des Formfaktors Fi.
7. Machen Sie vom Bildschirm eine Hardcopy und speichern Sie diese ab.
8. Wiederholen Sie die Schritte für eine Induktivität von 200mH und 600mH.

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B Der Formfaktor des Laststromes in Abhängigkeit von der Pulsfrequenz
1. Lastkreis:
R=180 Ω
L=0 mH
2. Wählen Sie unter Einstellungen - Vorgaben eine Pulsfrequenz (Trägerfrequenz) von 1800
Hz.
3. Klicken Sie anschließend auf die "Play"-Schaltfläche. Die eingestellten Größen werden in
Schritten des Tastgrades von 2% aufgenommen. Beobachten Sie den Verlauf der
aufgenommenen Größen und insbesondere den Verlauf des Formfaktors Fi.
4. Machen Sie vom Bildschirm eine Hardcopy und speichern Sie diese ab.
5. Wiederholen Sie die Schritte für eine Induktivität von 200mH und 600mH.
6. Schalten Sie an der IGBT-Platte den "RUN-STOP"-Schalter auf STOP.

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1.2 Der selbstgeführte Stromrichter als einphasiger Wechselrichter
Durch Änderung der Form des Modulationssignals können die 4 angesteuerten Ventile als 1phasiger
Wechselrichter betrieben werden. Dazu wird als Modulationsfunktion keine
Gleichspannung mehr verwendet, sondern eine sinusförmige Wechselspannung variabler
Frequenz und Amplitude (sinusbewertete PWM). Bei genügend großer Pulsfrequenz
(Trägerfrequenz) und entsprechend großer Induktivität im Lastkreis wird der Ausgangsstrom
dann ebenfalls sinusförmig.
1. Lastkreis:
R = 180 Ω
L = 600 mH
2. Trennen Sie an der IGBT-Platte die Verbindung zwischen den Buchsen "REF.OUT" und
"ANALOG IN" auf.
3. Stellen Sie das Potentiometer auf die Stellung „1“ (Rechtsanschlag).
4. Verbinden Sie den roten Stecker der BNC-Leitung vom Funktionsgenerator mit der
Buchse "ANALOG IN".
5. Bringen Sie an der IGBT-Platte den "MODE"-Schalter in die Stellung „PWM Control H.F“
(Es wird eine Trägerfrequenz von 1,8 kHz eingestellt).
6. Stellen Sie am Frequenzgenerator eine Sinusfunktion mit einer Frequenz von 25 Hz und
einer Amplitude von 0V (Poti ganz nach links) ein.
7. Schalten Sie den "RUN-STOP"-Schalter in die Position RUN.
8. Beobachten Sie den Spannungsmesser für die Ausgangsspannung. Sollte die
Ausgangsspannung Werte größer 0V besitzen, dann justieren Sie den OFFSET des
Funktionsgenerators dahingehend, dass die Ausgangsspannung minimal wird.
9. Stellen Sie nun die Amplitude der Sinusschwingung in Schritten von 1V von 0V auf 8V.
Achten Sie dabei darauf, dass das Modulationssignal sinusförmig bleibt.
10. Ermitteln Sie bei jeder eingestellten Amplitude des Modulationssignals mit dem LMG 500
folgende Messwerte:
• LMG 500 Kanal 1 (Taste Default): Ausgangsspannung UAeff, UAd
• LMG 500 Kanal 1 (Taste Default): Ausgangsstrom IAeff, IAd
• LMG 500 Kanal 1: (Taste Current): Spitzen-Spitzenwert Ausgangsstrom IApp
• LMG 500 Kanal 2 (Taste Default): Zwischenkreisspannung UDCeff, UDCd
• LMG 500 Kanal 3 (Taste Default): Zwischenkreisstrom (Shuntspannung) IDCeff, IDCd

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UModSpitze UAeff UAd IAeff IAd IApp UDCeff UDCd IDCeff IDCd
0V
1V
2V
3V
4V
5V
6V
7V
8V
11. Speichern Sie für je zwei unterschiedliche Frequenzen und Amplituden des
Modulationssignals die Signalverläufe des verwendeten Oszilloskops HMO 2024 auf
einen USB-Stick ab.
12. Speichern Sie diese Signale (gleiche Frequenzen und Amplituden) bei einer niedrigen
Modulationsfrequenz von 112 Hz. Bringen Sie dazu den "RUN-STOP"-Schalter in die
Position STOP und den "MODE"-Wahlschalter in die Position „PWM Control L.F“ Danach
stellen Sie den "RUN-STOP"-Schalter wieder auf RUN und stellen am Funktionsgenerator
die entsprechenden Frequenzen und Amplituden ein.
13. Stellen Sie abschließend die Amplitude des Modulationssignals wieder auf 0V und
bringen Sie den "RUN-STOP"-Schalter in die Position STOP.
14. Drehen Sie den "MODE"-Schalter in die Position "RS 232".
15. Entfernen Sie den roten Stecker der BNC-Leitung und verbinden Sie an der IGBT-PLatte
die Buchsen "REF.OUT" und "ANALOG IN" mittels Steckbrücke.

2. Versuchsauswertung
2.1. DC-DC-Wandler
2.1.1. Zu Aufgabe 1.1.2.
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Erklären Sie anhand der gespeicherten Bildschirminhalte die Funktion der Schaltung. Gehen Sie
dabei insbesondere auf die Funktion der Freilaufkreise ein. Welchen quantitativen Einfluß auf
den Verlauf des Laststromes haben die Lastinduktivitäten und die Frequenz des Trägers?
2.1.2. Zu Aufgabe 1.1.3.
Ermitteln Sie aus den aufgenommenen Verläufen der Gatespannungen das hier verwendete
Trägerverfahren. Entscheiden Sie, ob es sich um ein Verfahren mit einem oder zwei Trägern
handelt und bestimmen Sie die Form des/der Trägerfunktion(en). Weisen Sie Ihre Aussage
grafisch nach.
2.1.3. Zu Aufgabe 1.1.4.
Wie verhält sich die Welligkeit des Laststromes in Abhängigkeit von der Größe der
Lastinduktivität und der Pulsfrequenz der Schaltung. Worin liegen die Vor- und Nachteile in der
Variation von Induktivität und Pulsfrequenz?
2.1.4. Zu Aufgabe 1.2.
Vergleichen Sie die gemessenen Werte mit der Tabelle 3 und 4 des Theoretikums für den Fall
eines doppelten Trägers. Beurteilen Sie den Verlauf der Signale bei unterschiedlicher
Trägerfrequenz.