BLE-P Wechselstromsteller.pdf - Elektrotechnik
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Elektrische Maschinen und Leistungselektronik Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Oberschelp „Leistungselektronik und elektrische Antriebe“ Fachbereich Elektrotechnik Laborversuch LA1 Wechselstromsteller Gliederung 1 Allgemeines 2 Strom - und Spannungsverläufe 3 Steuerkennlinien 4 Oberschwingungen und Leistungsfaktor 5 Betriebsbedingungen 6 Versuchsdurchführung 6.1 Schaltbild und Stückliste 6.2 Beschreibung des Versuchsaufbaus 6.3 Aufgabenstellung 7 Testfragen 8 Literatur Versuch LA1/Vers. 10/04 Wechsel-/Drehstromsteller Seite: 1
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Elektrische Maschinen und<br />
Leistungselektronik<br />
Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Oberschelp<br />
„Leistungselektronik und elektrische Antriebe“<br />
Fachbereich <strong>Elektrotechnik</strong><br />
Laborversuch LA1<br />
<strong>Wechselstromsteller</strong><br />
Gliederung<br />
1 Allgemeines<br />
2 Strom - und Spannungsverläufe<br />
3 Steuerkennlinien<br />
4 Oberschwingungen und Leistungsfaktor<br />
5 Betriebsbedingungen<br />
6 Versuchsdurchführung<br />
6.1 Schaltbild und Stückliste<br />
6.2 Beschreibung des Versuchsaufbaus<br />
6.3 Aufgabenstellung<br />
7 Testfragen<br />
8 Literatur<br />
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Labor für elektrische Maschinen und Leistungselektronik<br />
Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Oberschelp<br />
1 Allgemeines<br />
Sollen Wechselstromverbraucher ein- bzw. ausgeschaltet werden oder soll bei gleich<br />
bleibender Netzfrequenz der Spannungseffektivwert abgesenkt werden, so werden<br />
Wechselstromschalter oder -steller eingesetzt. Diese Geräte bestehen aus zwei gegenparallel<br />
geschalteten Thyristoren oder einem Zweirichtungsthyristor (Triac), welche abwechselnd<br />
die positive und negative Stromhalbwelle führen. Jede einzelne Stromhalbschwingung<br />
erlischt selbständig beim Nulldurchgang. Eine Kommutierung mit gleichzeitiger<br />
Stromführung zweier sich ablösender Ventilzweige tritt nicht auf. Es handelt sich<br />
um einen Stromrichtertyp ohne Kommutierung.<br />
Beim <strong>Wechselstromsteller</strong> können die einzelnen Stromhalbschwingungen durch eine<br />
Anschnittsteuerung mehr oder weniger verzögert eingeschaltet werden. Damit lässt sich<br />
die Leistungsaufnahme eines Verbrauchers kontinuierlich steuern. Der Wechselstromschalter<br />
hingegen legt die Netzspannung während einer ganzzahligen Anzahl von Netzperioden<br />
an den Verbraucher. Für größere Leistungen werden entsprechende Drehstromschalter<br />
bzw. -steller eingesetzt.<br />
Die elektronische Lösung hat gegenüber dem mechanischen Schalter (Schütz) den Vorteil<br />
der Wartungsfreiheit, der hohen Schaltspielzahl sowie der kontinuierlichen Verstellmöglichkeit<br />
über Phasenanschnitt. Weitere Vorteile der elektronischen- gegenüber den<br />
mechanischen Schaltern sind die hohe mögliche Schaltleistung von über 10 MVA, die<br />
geringe Einschaltverzögerung sowie die Geräuschfreiheit.<br />
Hauptanwendungsgebiete liegen bei der Steuerung von Heizungs- und Beleuchtungsanlagen<br />
sowie von Wechselstrommotoren.<br />
Das Ziel dieses Versuches ist es, die Funktion und das Betriebsverhalten des <strong>Wechselstromsteller</strong>s<br />
kennen zu lernen.<br />
2 Strom- und Spannungsverläufe<br />
Die Schaltung des <strong>Wechselstromsteller</strong>s mit ohmscher Last ist im Bild 1 gezeigt. Die<br />
beiden Thyristoren T 1 und T 2 können über den Steuersatz St zu einem beliebigen Zeitpunkt<br />
innerhalb der zugeordneten Halbschwingung der Netzspannung u(t) gezündet<br />
werden. Beim Nulldurchgang der Netzspannung liegt bei der ohmschen Last auch der<br />
Nulldurchgang des jeweiligen Thyristorstromes. Erst beim Zünden des Folgethyristors<br />
kommt es zu einem weiteren Stromfluss. Die zugehörigen Verläufe sind in Bild 2 dargestellt.<br />
Mit zunehmendem Steuerwinkel α wird die an die Last angelegte Spannungszeitfläche<br />
kleiner.<br />
Bild 1 Thyristorsteller<br />
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u<br />
0<br />
u(t)<br />
u L<br />
u T<br />
u L<br />
2<br />
t<br />
u T<br />
2<br />
i<br />
0<br />
i G<br />
0<br />
t<br />
i G1<br />
i(t)<br />
T2<br />
T1<br />
2 T1<br />
i G1 i G2<br />
t<br />
Bild 2 Strom- und Spannungsverläufe bei ohmscher Last<br />
Bei ohmsch induktiver Belastung ändert sich die Kurvenform des Stromes. Außerdem<br />
lässt sich der Strom im Bereich kleinerer Steuerwinkel nicht mehr steuern. Die fehlende<br />
Steuerungsmöglichkeit hängt vom induktiven Anteil der Last ab. Beim rein sinusförmigen<br />
Betrieb ergibt sich eine Phasennacheilung von ϕ = arctan⎜ ⎟ zwischen Span-<br />
⎛ ωL ⎞<br />
⎝ R ⎠<br />
nung und Strom. Für Steuerwinkel 0
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Der Beginn des Stromflusses liegt bei ωt=α>ϕ. Das Ende einer Stromhalbschwingung<br />
lässt sich nicht explizit angeben. Die Stromflußdauer entspricht dem Stromflußwinkel ε.<br />
Für einen Phasenwinkel ϕ=60° und den Steuerwinkeln α=30° und α=120° sind die zugehörigen<br />
Spannungs- und Stromverläufe in Bild 3 dargestellt.<br />
Bild 3 Ohmsch-induktive Belastung<br />
Der Fall rein induktiver Belastung hat in der Praxis weniger Bedeutung. Eine Herabsteuerung<br />
des Stromes ist hier erst für Steuerwinkel α>90° möglich. Oben angegebene<br />
Gleichung ergibt für R=0 und ϕ=90°, dass der Strom sich aus den „Kuppen von Sinushalbwellen“<br />
zusammensetzt. Die zugehörigen Zeitverläufe sind in Bild 4 dargestellt.<br />
Bild 4 Induktive Last<br />
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3 Steuerkennlinien<br />
Beim <strong>Wechselstromsteller</strong> wird neben der Ausgangsspannung auch der Ausgangsstrom<br />
als Steuergröße betrachtet. Aus den oben besprochenen zeitlichen Verläufen lassen<br />
sich die Effektivwerte U L und I berechnen und auf die jeweiligen Maximalwerte U und<br />
I max bei α=ϕ beziehen. Diese bezogenen Größen sind als Funktion des Steuerwinkels<br />
im Bild 5 dargestellt.<br />
Bild 5 Steuerkennlinien bei ohmscher und induktiver Last<br />
Aus den Steuerkennlinien ist zu erkennen, dass bei rein induktiver Last erst ab einem<br />
Steuerwinkel ϕ=90° ein Steuereffekt auftritt. Bei ohmsch-induktiver Last beginnt der<br />
Steuerbereich bei einem Steuerwinkel α, der dem Lastwinkel j entspricht. Ab α=ϕ sind<br />
die Steuerkennlinien monoton fallend. Sie enden alle für α=180° bei dem Wert 0.<br />
4 Oberschwingungen und Leistungsfaktor<br />
Der <strong>Wechselstromsteller</strong> entnimmt dem speisenden Netz, abgesehen von dem Betrieb<br />
mit Vollaussteuerung, keinen rein sinusförmigen Strom. Für das Netz bedeuten die<br />
Stromoberschwingungen zusätzliche Spannungsabfälle an den Netzimpedanzen, welche<br />
die sinusförmige Netzspannung verzerren. Für den Verbraucher können die Stromoberschwingungen<br />
ebenfalls unerwünscht sein. Zum Beispiel reagieren Wechselstrommotore<br />
auf die Stromoberschwingungen mit zusätzlicher Erwärmung und störenden<br />
Pendelmomenten.<br />
Im Bild 6 ist der Stromverlauf bei α=45° und ohmscher Last dargestellt. Es lässt sich<br />
daraus der für alle Belastungsfälle gültige Zusammenhang<br />
⎡ T ⎤<br />
i ⎢ω (t + ) = −i( ωt)<br />
2<br />
⎥<br />
⎣ ⎦<br />
;<br />
2π<br />
T = ω<br />
Ablesen. Das bedeutet, dass im Oberschwingungsspektrum nur Harmonische mit ungeraden<br />
Ordnungszahlen auftreten können.<br />
Durch die Anschnittsteuerung eilt die Grundschwingung des Stromes gegenüber der<br />
Netzspannung weiter nach, als es dem Phasenwinkel der angeschlossenen Last entsprechen<br />
würde.<br />
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Bild 6 Grundschwingung des Stromes und deren Wirk- und Blindanteil bei ohmscher<br />
Last und α=90°<br />
Neben der lastbedingten Blindleistung muss das Netz zusätzlich die so genannte Steuerblindleistung<br />
bereitstellen. Schon bei rein ohmscher Last nimmt der Phasenwinkel ϕ 1<br />
der Netzstromgrundschwingung mit steigendem Steuerwinkel α zu. Für unterschiedliche<br />
Lastwinkel ϕ ist in Bild 7 der Verlauf der Netzstromgrundschwingung ϕ 1 als Funktion des<br />
Steuerwinkels α gezeigt.<br />
5 Betriebsbedingungen<br />
Die Thyristoren müssen wegen der an Ihnen auftretenden Verlustleistung durch geeignete<br />
Maßnahmen (Kühlkörper) vor zu hohen Temperaturen geschützt werden. Die Auslegung<br />
der Kühleinrichtung erfolgt so, dass bis zu einer Umgebungstemperatur von<br />
40°C der Dauerstrom des Gerätes ohne Gefährdung der Thyristoren zulässig ist.<br />
Zum Schutz gegen gefährliche Überspannungen sind die Thyristoren mit einer RC-<br />
Kombination beschaltet. Als Überstrom und Kurzschluss-Schutz werden Schmelzsicherungen<br />
mit einer besonderen Strom-Zeit-Charakteristik verwendet (Halbleitersicherungen;<br />
Kennzeichen: gelber Ring). Normale Schmelzsicherungen dürfen nicht benutzt<br />
werden, da diesen keinen Schutz der Thyristoren gewährleisten.<br />
Werden <strong>Wechselstromsteller</strong> an Netzen mit kleiner Impedanz betrieben, z.B. in unmittelbarer<br />
Nähe großer Umspanner, so muss zur Begrenzung der Stromanstiegsgeschwindigkeit<br />
in den Thyristoren bei ohmscher Last eine Induktivität vorgeschaltet werden,<br />
damit<br />
L<br />
ges<br />
2 ⋅U<br />
≥ ⎛ di ⎞<br />
⎜<br />
dt<br />
⎟<br />
⎝ ⎠<br />
zul<br />
gewährleistet ist. Die Induktivität kann ggf. mit den Funkentstörmaßnahmen kombiniert<br />
werden.<br />
Der zunehmende Einsatz von leistungselektronischen Geräten führt zu störenden Oberschwingungen<br />
im Netzstrom und in der Netzspannung. Um diese Netzrückwirkungen zu<br />
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begrenzen, haben die Elektrischen Energieversorgungsunternehmen Grenzwerte für die<br />
Anschlussleistung von Verbrauchsgeräten festgelegt, welche den Normen DIN VDE<br />
0838 bzw. EN 60 555 entsprechen. Falls Verbrauchsgeräte die Norm nicht einhalten, ist<br />
eine Einzelzustimmung erforderlich.<br />
6 Versuchsdurchführung<br />
6.1 Schaltbild und Stückliste<br />
Stückliste<br />
Pos.<br />
1 Drehstromsteller 400V/10A<br />
2 Hauptschalter Einspeisung 3 x 63 A<br />
3 Spannungsmesser Multimeter Elavi 3, Fa. H&B<br />
4 Spannungsmesser Multimeter Elavi 3, Fa. H&B<br />
5 Strommesser Mavo eff 3, Fa. Gossen<br />
6 Strommesser Mavo eff 3, Fa. Gossen<br />
7 Leistungsmesser Wattavi K, Fa. H&B<br />
8 Stromwandler 5 … 100 A, Stw2, Fa. Gossen<br />
9 Stufenweise verstellbarer Lastwiderstand<br />
10 Induktivität 45mH/28A<br />
6.2 Beschreibung des Versuchsaufbaus<br />
Für die <strong>Wechselstromsteller</strong>versuche wird ein Pfad aus einem Drehstromsteller-<br />
Experimentiergerät mit Eingangssicherung, RC-Beschaltung und Steuerelektronik benutzt.<br />
Der Steller wird über einem Schalter mit dem Netz verbunden. Die Eingangs- und<br />
Lastspannung werden mit einem Dreheiseninstrument gemessen. Ebenso wird der<br />
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Netz- und Laststrom mit einem Dreheiseninstrument gemessen. Die ohmsche Last wird<br />
über einen Verstellwiderstand und die Lastinduktivität als Festwert vorgegeben.<br />
Zur Darstellung der Ströme mit dem Oszilloskop wird eine Strommesszange verwendet.<br />
Für die Messung der Spannungen werden potentialtrennende Tastköpfe verwendet. Die<br />
Verstellung des Zündwinkels erfolgt über ein Potentiometer welches im Experimentiergerät<br />
integriert ist. Die Messung der Wirkleistung an der Last erfolgt über ein Leistungsmessgerät.<br />
6.3 Aufgabenstellung<br />
6.3.1 Signalverläufe<br />
Bei ohmscher, ohmsch-induktiver und induktiver Last sind für verschiedene Steuerwinkel<br />
α zu beobachten: u(t), u L (t), i L (t) und u T (t) zu beobachten.<br />
Vergleichen Sie die Oszillogramme mit den theoretischen Signalverläufen.<br />
7.3.2 Steuerkennlinien<br />
Für a) R=27,5Ω und L=0<br />
b) R=27,5Ω und L=45mH<br />
c) R=0 und L=45mH<br />
sind als Funktion vom Steuerwinkel α zu messen:<br />
U, I, U L , I L , P<br />
Zeichnen Sie Steuerkennlinien<br />
U<br />
U<br />
L<br />
Lmax<br />
IL<br />
= f( α ) und<br />
I<br />
Lmax<br />
= f( α ) .<br />
7.3.3 Leistungsfaktor und Verschiebungsfaktor<br />
P<br />
Bestimmen Sie für alle drei Belastungsfälle den Leistungsfaktor λ = als Funktion<br />
U⋅I<br />
des Steuerwinkels α.<br />
Berechnen Sie den Phasenwinkel ϕ 1 als Funktion von α mit der Näherung, dass der<br />
Grundschwingungsverschiebungsfaktor cos ϕ 1 dem Leistungsfaktor entspricht.<br />
Schätzen Sie den Fehler bei dieser Näherung ab.<br />
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7 Testfragen<br />
1. Warum zeigt der Stellerstrom bei ohmsch-induktiver Belastung keinen angeschnittenen<br />
Sinusverlauf mehr?<br />
2. Weshalb lässt sich der <strong>Wechselstromsteller</strong> im Bereich 0