BLE-P Wechselstromsteller.pdf - Elektrotechnik

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

Labor für elektrische Maschinen und Leistungselektronik
Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Oberschelp
1 Allgemeines
Sollen Wechselstromverbraucher ein- bzw. ausgeschaltet werden oder soll bei gleich
bleibender Netzfrequenz der Spannungseffektivwert abgesenkt werden, so werden
Wechselstromschalter oder -steller eingesetzt. Diese Geräte bestehen aus zwei gegenparallel
geschalteten Thyristoren oder einem Zweirichtungsthyristor (Triac), welche abwechselnd
die positive und negative Stromhalbwelle führen. Jede einzelne Stromhalbschwingung
erlischt selbständig beim Nulldurchgang. Eine Kommutierung mit gleichzeitiger
Stromführung zweier sich ablösender Ventilzweige tritt nicht auf. Es handelt sich
um einen Stromrichtertyp ohne Kommutierung.
Beim Wechselstromsteller können die einzelnen Stromhalbschwingungen durch eine
Anschnittsteuerung mehr oder weniger verzögert eingeschaltet werden. Damit lässt sich
die Leistungsaufnahme eines Verbrauchers kontinuierlich steuern. Der Wechselstromschalter
hingegen legt die Netzspannung während einer ganzzahligen Anzahl von Netzperioden
an den Verbraucher. Für größere Leistungen werden entsprechende Drehstromschalter
bzw. -steller eingesetzt.
Die elektronische Lösung hat gegenüber dem mechanischen Schalter (Schütz) den Vorteil
der Wartungsfreiheit, der hohen Schaltspielzahl sowie der kontinuierlichen Verstellmöglichkeit
über Phasenanschnitt. Weitere Vorteile der elektronischen- gegenüber den
mechanischen Schaltern sind die hohe mögliche Schaltleistung von über 10 MVA, die
geringe Einschaltverzögerung sowie die Geräuschfreiheit.
Hauptanwendungsgebiete liegen bei der Steuerung von Heizungs- und Beleuchtungsanlagen
sowie von Wechselstrommotoren.
Das Ziel dieses Versuches ist es, die Funktion und das Betriebsverhalten des Wechselstromstellers
kennen zu lernen.
2 Strom- und Spannungsverläufe
Die Schaltung des Wechselstromstellers mit ohmscher Last ist im Bild 1 gezeigt. Die
beiden Thyristoren T 1 und T 2 können über den Steuersatz St zu einem beliebigen Zeitpunkt
innerhalb der zugeordneten Halbschwingung der Netzspannung u(t) gezündet
werden. Beim Nulldurchgang der Netzspannung liegt bei der ohmschen Last auch der
Nulldurchgang des jeweiligen Thyristorstromes. Erst beim Zünden des Folgethyristors
kommt es zu einem weiteren Stromfluss. Die zugehörigen Verläufe sind in Bild 2 dargestellt.
Mit zunehmendem Steuerwinkel α wird die an die Last angelegte Spannungszeitfläche
kleiner.
Bild 1 Thyristorsteller
Versuch LA1/Vers. 10/04 Wechsel-/Drehstromsteller Seite: 2

Labor für elektrische Maschinen und Leistungselektronik
Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Oberschelp
u
0
u(t)
u L
u T
u L
2
t
u T
2
i
0
i G
0
t
i G1
i(t)
T2
T1
2 T1
i G1 i G2
t
Bild 2 Strom- und Spannungsverläufe bei ohmscher Last
Bei ohmsch induktiver Belastung ändert sich die Kurvenform des Stromes. Außerdem
lässt sich der Strom im Bereich kleinerer Steuerwinkel nicht mehr steuern. Die fehlende
Steuerungsmöglichkeit hängt vom induktiven Anteil der Last ab. Beim rein sinusförmigen
Betrieb ergibt sich eine Phasennacheilung von ϕ = arctan⎜ ⎟ zwischen Span-
⎛ ωL ⎞
⎝ R ⎠
nung und Strom. Für Steuerwinkel 0

Labor für elektrische Maschinen und Leistungselektronik
Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Oberschelp
Der Beginn des Stromflusses liegt bei ωt=α>ϕ. Das Ende einer Stromhalbschwingung
lässt sich nicht explizit angeben. Die Stromflußdauer entspricht dem Stromflußwinkel ε.
Für einen Phasenwinkel ϕ=60° und den Steuerwinkeln α=30° und α=120° sind die zugehörigen
Spannungs- und Stromverläufe in Bild 3 dargestellt.
Bild 3 Ohmsch-induktive Belastung
Der Fall rein induktiver Belastung hat in der Praxis weniger Bedeutung. Eine Herabsteuerung
des Stromes ist hier erst für Steuerwinkel α>90° möglich. Oben angegebene
Gleichung ergibt für R=0 und ϕ=90°, dass der Strom sich aus den „Kuppen von Sinushalbwellen“
zusammensetzt. Die zugehörigen Zeitverläufe sind in Bild 4 dargestellt.
Bild 4 Induktive Last
Versuch LA1/Vers. 10/04 Wechsel-/Drehstromsteller Seite: 4

Labor für elektrische Maschinen und Leistungselektronik
Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Oberschelp
3 Steuerkennlinien
Beim Wechselstromsteller wird neben der Ausgangsspannung auch der Ausgangsstrom
als Steuergröße betrachtet. Aus den oben besprochenen zeitlichen Verläufen lassen
sich die Effektivwerte U L und I berechnen und auf die jeweiligen Maximalwerte U und
I max bei α=ϕ beziehen. Diese bezogenen Größen sind als Funktion des Steuerwinkels
im Bild 5 dargestellt.
Bild 5 Steuerkennlinien bei ohmscher und induktiver Last
Aus den Steuerkennlinien ist zu erkennen, dass bei rein induktiver Last erst ab einem
Steuerwinkel ϕ=90° ein Steuereffekt auftritt. Bei ohmsch-induktiver Last beginnt der
Steuerbereich bei einem Steuerwinkel α, der dem Lastwinkel j entspricht. Ab α=ϕ sind
die Steuerkennlinien monoton fallend. Sie enden alle für α=180° bei dem Wert 0.
4 Oberschwingungen und Leistungsfaktor
Der Wechselstromsteller entnimmt dem speisenden Netz, abgesehen von dem Betrieb
mit Vollaussteuerung, keinen rein sinusförmigen Strom. Für das Netz bedeuten die
Stromoberschwingungen zusätzliche Spannungsabfälle an den Netzimpedanzen, welche
die sinusförmige Netzspannung verzerren. Für den Verbraucher können die Stromoberschwingungen
ebenfalls unerwünscht sein. Zum Beispiel reagieren Wechselstrommotore
auf die Stromoberschwingungen mit zusätzlicher Erwärmung und störenden
Pendelmomenten.
Im Bild 6 ist der Stromverlauf bei α=45° und ohmscher Last dargestellt. Es lässt sich
daraus der für alle Belastungsfälle gültige Zusammenhang
⎡ T ⎤
i ⎢ω (t + ) = −i( ωt)
2
⎥
⎣ ⎦
;
2π
T = ω
Ablesen. Das bedeutet, dass im Oberschwingungsspektrum nur Harmonische mit ungeraden
Ordnungszahlen auftreten können.
Durch die Anschnittsteuerung eilt die Grundschwingung des Stromes gegenüber der
Netzspannung weiter nach, als es dem Phasenwinkel der angeschlossenen Last entsprechen
würde.
Versuch LA1/Vers. 10/04 Wechsel-/Drehstromsteller Seite: 5

Labor für elektrische Maschinen und Leistungselektronik
Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Oberschelp
Bild 6 Grundschwingung des Stromes und deren Wirk- und Blindanteil bei ohmscher
Last und α=90°
Neben der lastbedingten Blindleistung muss das Netz zusätzlich die so genannte Steuerblindleistung
bereitstellen. Schon bei rein ohmscher Last nimmt der Phasenwinkel ϕ 1
der Netzstromgrundschwingung mit steigendem Steuerwinkel α zu. Für unterschiedliche
Lastwinkel ϕ ist in Bild 7 der Verlauf der Netzstromgrundschwingung ϕ 1 als Funktion des
Steuerwinkels α gezeigt.
5 Betriebsbedingungen
Die Thyristoren müssen wegen der an Ihnen auftretenden Verlustleistung durch geeignete
Maßnahmen (Kühlkörper) vor zu hohen Temperaturen geschützt werden. Die Auslegung
der Kühleinrichtung erfolgt so, dass bis zu einer Umgebungstemperatur von
40°C der Dauerstrom des Gerätes ohne Gefährdung der Thyristoren zulässig ist.
Zum Schutz gegen gefährliche Überspannungen sind die Thyristoren mit einer RC-
Kombination beschaltet. Als Überstrom und Kurzschluss-Schutz werden Schmelzsicherungen
mit einer besonderen Strom-Zeit-Charakteristik verwendet (Halbleitersicherungen;
Kennzeichen: gelber Ring). Normale Schmelzsicherungen dürfen nicht benutzt
werden, da diesen keinen Schutz der Thyristoren gewährleisten.
Werden Wechselstromsteller an Netzen mit kleiner Impedanz betrieben, z.B. in unmittelbarer
Nähe großer Umspanner, so muss zur Begrenzung der Stromanstiegsgeschwindigkeit
in den Thyristoren bei ohmscher Last eine Induktivität vorgeschaltet werden,
damit
L
ges
2 ⋅U
≥ ⎛ di ⎞
⎜
dt
⎟
⎝ ⎠
zul
gewährleistet ist. Die Induktivität kann ggf. mit den Funkentstörmaßnahmen kombiniert
werden.
Der zunehmende Einsatz von leistungselektronischen Geräten führt zu störenden Oberschwingungen
im Netzstrom und in der Netzspannung. Um diese Netzrückwirkungen zu
Versuch LA1/Vers. 10/04 Wechsel-/Drehstromsteller Seite: 6

Labor für elektrische Maschinen und Leistungselektronik
Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Oberschelp
begrenzen, haben die Elektrischen Energieversorgungsunternehmen Grenzwerte für die
Anschlussleistung von Verbrauchsgeräten festgelegt, welche den Normen DIN VDE
0838 bzw. EN 60 555 entsprechen. Falls Verbrauchsgeräte die Norm nicht einhalten, ist
eine Einzelzustimmung erforderlich.
6 Versuchsdurchführung
6.1 Schaltbild und Stückliste
Stückliste
Pos.
1 Drehstromsteller 400V/10A
2 Hauptschalter Einspeisung 3 x 63 A
3 Spannungsmesser Multimeter Elavi 3, Fa. H&B
4 Spannungsmesser Multimeter Elavi 3, Fa. H&B
5 Strommesser Mavo eff 3, Fa. Gossen
6 Strommesser Mavo eff 3, Fa. Gossen
7 Leistungsmesser Wattavi K, Fa. H&B
8 Stromwandler 5 … 100 A, Stw2, Fa. Gossen
9 Stufenweise verstellbarer Lastwiderstand
10 Induktivität 45mH/28A
6.2 Beschreibung des Versuchsaufbaus
Für die Wechselstromstellerversuche wird ein Pfad aus einem Drehstromsteller-
Experimentiergerät mit Eingangssicherung, RC-Beschaltung und Steuerelektronik benutzt.
Der Steller wird über einem Schalter mit dem Netz verbunden. Die Eingangs- und
Lastspannung werden mit einem Dreheiseninstrument gemessen. Ebenso wird der
Versuch LA1/Vers. 10/04 Wechsel-/Drehstromsteller Seite: 7

Labor für elektrische Maschinen und Leistungselektronik
Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Oberschelp
Netz- und Laststrom mit einem Dreheiseninstrument gemessen. Die ohmsche Last wird
über einen Verstellwiderstand und die Lastinduktivität als Festwert vorgegeben.
Zur Darstellung der Ströme mit dem Oszilloskop wird eine Strommesszange verwendet.
Für die Messung der Spannungen werden potentialtrennende Tastköpfe verwendet. Die
Verstellung des Zündwinkels erfolgt über ein Potentiometer welches im Experimentiergerät
integriert ist. Die Messung der Wirkleistung an der Last erfolgt über ein Leistungsmessgerät.
6.3 Aufgabenstellung
6.3.1 Signalverläufe
Bei ohmscher, ohmsch-induktiver und induktiver Last sind für verschiedene Steuerwinkel
α zu beobachten: u(t), u L (t), i L (t) und u T (t) zu beobachten.
Vergleichen Sie die Oszillogramme mit den theoretischen Signalverläufen.
7.3.2 Steuerkennlinien
Für a) R=27,5Ω und L=0
b) R=27,5Ω und L=45mH
c) R=0 und L=45mH
sind als Funktion vom Steuerwinkel α zu messen:
U, I, U L , I L , P
Zeichnen Sie Steuerkennlinien
U
U
L
Lmax
IL
= f( α ) und
I
Lmax
= f( α ) .
7.3.3 Leistungsfaktor und Verschiebungsfaktor
P
Bestimmen Sie für alle drei Belastungsfälle den Leistungsfaktor λ = als Funktion
U⋅I
des Steuerwinkels α.
Berechnen Sie den Phasenwinkel ϕ 1 als Funktion von α mit der Näherung, dass der
Grundschwingungsverschiebungsfaktor cos ϕ 1 dem Leistungsfaktor entspricht.
Schätzen Sie den Fehler bei dieser Näherung ab.
Versuch LA1/Vers. 10/04 Wechsel-/Drehstromsteller Seite: 8

Labor für elektrische Maschinen und Leistungselektronik
Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Oberschelp
7 Testfragen
1. Warum zeigt der Stellerstrom bei ohmsch-induktiver Belastung keinen angeschnittenen
Sinusverlauf mehr?
2. Weshalb lässt sich der Wechselstromsteller im Bereich 0