4 Ein- und dreiphasige Diodengleichrichtung - ETH PES

4 Ein- und dreiphasige Diodengleichrichtung
Abb.4.1 zeigt die in das „ETH Zurich Converter Lab“ integrierte dreiphasige
Gleichrichterbrücke mit der verschiedene Gleichrichterschaltungen experimentell analysiert
werden können. Bei Verwendung von nur vier Dioden lassen sich die einphasigen, bei
Verwendung aller sechs Dioden die dreiphasigen, ungesteuerten Brückengleichrichter
untersuchen.
Abb.4.1: Integrierte Gleichrichterbrücke des „ETH Zurich Converter Lab“
Anmerkung: Beachten Sie für diesen Versuch, dass die Drehstromversorgung der
Schaltungen jeweils zwingend die Phase 1 (R) des dreiphasigen Autotransformators
beinhalten muss, da der dazwischengeschaltete Dreiphasen-Power-Analyser so
eingestellt ist, dass er auf die besagte Phase 1 (R) triggert.
4.1 Einphasiger Brückengleichrichter mit ohmscher Last
~
Abb.4.2: Einphasiger Brückengleichrichter mit ohmscher Last
Der einfachste Fall ist der in Abb.4.2 dargestellte einphasige Brückengleichrichter mit
ohmscher Last. Schließen sie die Wechselspannungsquelle (1~Trafo, maximaler Effektivwert
der Phasenspannung U 1,max = 35V) an Klemmen X 10 und X 12 an und belasten sie das System
mit einem geeigneten Lastwiderstand R L an den Klemmen X 13 und X 9 . Konfigurieren Sie die
Relaiskontakte entsprechend.
Das zugehörige Messergebnis ist in Abb.4.3 dargestellt. Sie erkennen, dass die
Ausgangsspannung u L bzw. der Ausgangsstrom i L dem Betrag der Eingangsspannung u 1 bzw.
dem Eingangsstrom i 1 entsprechen. Nachteilig ist der große Wechselspannungsanteil der
Ausgangsspannung, der Leistungsfaktor dieser Anordnung ist jedoch kaum zu überbieten
( = 0.9998).
Messwerte: U 1 = 33.390V
I 1 = 8.497A
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Fachpraktikum Leistungselektronik
IE1: Ein- und dreiphasige Diodengleichrichtung
P 1 = 283.7W
S 1 = 283.7VA
= 0.9998
i 1
(Leitung)
u 1 (X10 – X12)
i L
(Leitung)
u L (X13 – X9)
Abb.4.3: Zeitverläufe der Netzspannung u 1 , des Netzstromes i 1 , der Lastspannung u L und des
Laststromes i L beim einphasigen Brückengleichrichter mit ohmscher Last. Die Ströme wurden in
den Zu- und Belastungsleitungen gemessen.
4.2 Einphasiger Brückengleichrichter mit Glättungskondensator am Ausgang
~
Abb.4.4: Einphasiger Brückengleichrichter mit Glättungskondensator am Ausgang und ohmscher
Last.
In Abb.4.4 ist der einphasige Brückengleichrichter mit Glättungskondensator und ohmscher
Last dargestellt. Belassen sie die Wechselspannungsquelle (1~Trafo) an den Klemmen X 10
und X 12 und belasten sie das System mit einem geeigneten Lastwiderstand R L an den
Klemmen X 7 und X 9 . Konfigurieren Sie die Relaiskontakte entsprechend.
Das zugehörige Messergebnis ist in Abb.4.5 dargestellt. Sie erkennen, dass die
Ausgangsspannung u L nun geglättet ist und die Ladung der Ausgangskondensatoren C 1 und
C 2 nur in der Umgebung der Netzspannungsspitze erfolgt. Das Netz in diesem Labor hat eine
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IE1: Ein- und dreiphasige Diodengleichrichtung
vergleichsweise hohe Impedanz, wodurch die Stromführungsdauer (Leitwinkel) sehr lang ist
und dadurch der Leistungsfaktor mit = 0.8239 sehr hoch ist.
Messwerte: U 1 = 33.672V
I 1 = 9.306A
P 1 = 258.2W
S 1 = 313.3VA
= 0.8239
i 1
(Zuleitung)
u 1 (X10 – X12)
i D
(I1)
u L (X7 – X9)
Abb.4.5: Zeitverläufe der Netzspannung u 1 , des Netzstromes i 1 , der Lastspannung u L und des
Kondensator-Ladestromes i D beim einphasigen Brückengleichrichter mit Glättungskondensator am
Ausgang und ohmscher Last. Der Netzstrom wurde in der Zuleitung gemessen.
4.3 Einphasiger Brückengleichrichter mit ausgangsseitiger Induktivität und
konstanter Ausgangsspannung
~
Abb.4.6: Einphasiger Brückengleichrichter mit ausgangsseitiger Induktivität und konstanter
Ausgangsspannung.
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IE1: Ein- und dreiphasige Diodengleichrichtung
In Abb.4.6 ist der einphasige Brückengleichrichter mit ausgangsseitiger Induktivität,
konstanter Ausgangsspannung und ohmscher Last dargestellt. Belassen sie die
Wechselspannungsquelle (1~Trafo) an den Klemmen X 10 und X 12 , klemmen sie eine
Induktivität mit ca. 40mH/10A (Abb.4.7) an die Klemmen X 13 und X 14 und belasten sie das
System mit einem geeigneten Lastwiderstand R L an den Klemmen X 7 und X 9 . Konfigurieren
Sie die Relaiskontakte entsprechend.
Abb.4.7: Glättungsinduktivität L A (40mH/4.4A) zur Glättung des Ladestromes.
Das zugehörige Messergebnis ist in Abb.4.8 dargestellt. Sie erkennen, dass der Ladestrom des
Kondensators i D nun geglättet ist und zu einer Stromführung während der vollen Netzperiode
führt. Die Welligkeit an den Kondensatoren C 1 und C 2 wird dadurch nochmals reduziert. Der
Leistungsfaktor ist mit = 0.8878 schon recht hoch.
Messwerte: U 1 = 45.838V
I 1 = 7.234A
P 1 = 294.5W
S 1 = 331.7VA
= 0.8878
i 1
(Zuleitung)
u 1 (X10 – X12)
i D
(I1)
u L (X7 – X9)
Abb.4.8: Zeitverläufe der Netzspannung u 1 , des Netzstromes i 1 , der Lastspannung u L und des
Stromes i D der Glättungsinduktivität L A beim einphasigen Brückengleichrichter mit
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IE1: Ein- und dreiphasige Diodengleichrichtung
ausgangsseitiger Induktivität, konstanter Ausgangsspannung und ohmscher Last. Der Netzstrom
wurde in der Zuleitung gemessen.
4.4 Einphasiger Brückengleichrichter mit netzseitiger Induktivität und
konstanter Ausgangsspannung
~
Abb.4.9: Einphasiger Brückengleichrichter mit netzseitiger Induktivität und konstanter
Ausgangsspannung.
In Abb.4.9 ist der einphasige Brückengleichrichter mit netzseitiger Induktivität, konstanter
Ausgangsspannung und ohmscher Last dargestellt. Belassen sie die Wechselspannungsquelle
(1~Trafo) an der Klemme X 12 , klemmen sie eine Induktivität mit ca. 10mH zwischen die
Klemme X 10 und die Wechselspannungsquelle und belasten sie das System mit einem
geeigneten Lastwiderstand R L an den Klemmen X 7 und X 9 . Konfigurieren Sie die
Relaiskontakte entsprechend.
Das zugehörige Messergebnis ist in Abb.4.8 dargestellt. Sie erkennen, dass der Ladestrom des
Kondensators i D nun ständig die Nulllinie berühren muss und daher der Netzstrom i 1 eine
große Phasenverschiebung zur Spannung u 1 erfährt. Bei einer großen Induktivität L A kann nur
mehr eine geringe Wirkleistung aufgenommen werden. Der Leistungsfaktor = 0.6444
dieser Anordnung ist durch das ausgeprägt induktive Verhalten sehr gering.
Messwerte: U 1 = 50.31V
I 1 = 7.873A
P 1 = 255.2W
S 1 = 396.1VA
= 0.6444
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IE1: Ein- und dreiphasige Diodengleichrichtung
i 1
(Zuleitung)
u 1 (TRAFO – X12)
i D
(I1)
u L (X7 – X9)
Abb.4.10: Zeitverläufe der Netzspannung u 1 , des Netzstromes i 1 , der Lastspannung u L und des
Stromes i D im Gleichspannungskreis beim einphasigen Brückengleichrichter mit netzseitiger
Induktivität, konstanter Ausgangsspannung und ohmscher Last. Der Netzstrom wurde in der
Zuleitung erfasst.
4.5 Dreiphasiger Brückengleichrichter mit ohmscher Last
~
~
~
Abb.4.11: Dreiphasiger Brückengleichrichter mit ohmscher Last.
In Abb.4.11 ist der dreiphasige Brückengleichrichter mit ohmscher Last dargestellt.
Verbinden sie die Klemmen X 10 ... X 12 mit einer einstellbaren Drehstromquelle (3~Trafo,
maximaler Effektivwert der Außenleiterspannung U N,max = 35V). Belasten sie das System mit
einem geeigneten Lastwiderstand R L an den Klemmen X 13 und X 9 und konfigurieren sie die
Relaiskontakte entsprechend.
Das zugehörige Messergebnis ist in Abb.4.12 dargestellt. Sie erkennen, dass die
Ausgangsspannung u L bzw. der Ausgangsstrom i L bereits bei ohmscher Last vergleichsweise
gut geglättet wird, da die Ausgangsspannung stets der aktuell größten Außenleiterspannung u ij
(ij = RS, ST, TR) entspricht. Die Eingangsströme i i (i = R, S, T) sind nur noch während der
Leitphasen der zugehörigen Dioden proportional zur jeweiligen Außenleiterspannung. Der
Leistungsfaktor dieser Anordnung beträgt = 0.9545.
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IE1: Ein- und dreiphasige Diodengleichrichtung
Messwerte: U = (U R + U S + U T ) / 3 = 18.231V
I = (I R + I S + I T ) / 3 = 8.585A
P = 448.7W
S
= 470.1VA
= 0.9545
i R
(Leitung)
u RS (X10 – X12)
i L
(Leitung)
u L (X13 – X9)
Abb.4.12: : Zeitverläufe der Außenleiterspannung u RS , des Netzstromes i R , der Lastspannung u L
und des Laststromes i L beim dreiphasigen Brückengleichrichter mit ohmscher Last. Die Ströme
wurden in den Zu- und Belastungsleitungen erfasst.
4.6 Dreiphasiger Brückengleichrichter mit Glättungskondensator am Ausgang
~
~
~
Abb.4.13: Dreiphasiger Brückengleichrichter mit Glättungskondensator am Ausgang und
ohmscher Last
In Abb.4.13 ist der dreiphasige Brückengleichrichter mit Glättungskondensator am Ausgang
und ohmscher Last dargestellt. Belassen sie die Drehstromquelle (3~Trafo) an den Klemmen
X 10 ... X 12 und belasten sie das System mit einem geeigneten Lastwiderstand R L an den
Klemmen X 7 und X 9 . Konfigurieren Sie die Relaiskontakte entsprechend.
Das zugehörige Messergebnis ist in Abb.4.14 dargestellt. Sie erkennen, dass die
Ausgangsspannung u L nun geglättet ist und die Ladung der Ausgangskondensatoren C 1 und
C 2 nur in der Umgebung der Netzspannungsspitze erfolgt. Das Netz in diesem Labor hat eine
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IE1: Ein- und dreiphasige Diodengleichrichtung
vergleichsweise hohe Impedanz, wodurch die Stromführungsdauer sehr lang ist und dadurch
der Leistungsfaktor mit = 0.9127 sehr hoch ist.
Messwerte: U = 19.395V
I = 9.508A
P 1 = 507.0W
S 1 = 555.5VA
= 0.9127
i R
(Zuleitung)
u RS (X10 – X12)
i D
(I1)
u L (X7 – X9)
Abb.4.14: Zeitverläufe der Außenleiterspannung u RS , des Netzstromes i R , der Lastspannung u L und
des Kondensator-Ladestromes i D beim dreiphasigen Brückengleichrichter mit
Glättungskondensator am Ausgang und ohmscher Last. Der Netzstrom wurde in der Zuleitung
gemessen.
4.7 Dreiphasiger Brückengleichrichter mit ausgangsseitiger Induktivität und
konstanter Ausgangsspannung
~
~
~
Abb.4.15: Dreiphasiger Brückengleichrichter mit ausgangsseitiger Induktivität und konstanter
Ausgangsspannung.
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Fachpraktikum Leistungselektronik
IE1: Ein- und dreiphasige Diodengleichrichtung
In Abb.4.15 ist der dreiphasige Brückengleichrichter mit ausgangsseitiger Induktivität,
konstanter Ausgangsspannung und ohmscher Last dargestellt. Belassen sie die
Drehstromquelle (3~Trafo) an den Klemmen X 10 ... X 12 , klemmen sie eine Induktivität mit ca.
40mH/10A (Abb.4.7) an die Klemmen X 13 und X 14 und belasten sie das System mit einem
geeigneten Lastwiderstand R L an den Klemmen X 7 und X 9 . Konfigurieren Sie die
Relaiskontakte entsprechend.
Das zugehörige Messergebnis ist in Abb.4.16 dargestellt. Sie erkennen, dass der Ladestrom
des Kondensators i D nun beinahe ideal geglättet ist und zu einer Stromführung am Netz
während ca. 2 / 3 der Netzperiode führt. Die Welligkeit an den Kondensatoren C 1 und C 2 ist
minimal und in diesem Maßstab nicht mehr zu erkennen. Der Leistungsfaktor ist mit
= 0.9610 sehr gut für eine passive Gleichrichtung.
Messwerte: U = 20.820V
I = 7.175A
P = 430.8W
S = 448.3VA
= 0.9610
i R
(Zuleitung)
u RS (X10 – X12)
i D
(I1)
u L (X7 – X9)
Abb.4.16: Zeitverläufe der Außenleiterspannung u RS , des Netzstromes i R , der Lastspannung u L und
des Stromes i D der Glättungsinduktivität L A beim dreiphasigen Brückengleichrichter mit
ausgangsseitiger Induktivität, konstanter Ausgangsspannung und ohmscher Last. Der Netzstrom
wurde in der Zuleitung erfasst.
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IE1: Ein- und dreiphasige Diodengleichrichtung
4.8 Dreiphasiger Brückengleichrichter mit netzseitiger Induktivität und
konstanter Ausgangsspannung
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Abb.4.17: Dreiphasiger Brückengleichrichter mit netzseitiger Induktivität und konstanter
Ausgangsspannung.
In Abb.4.17 ist der dreiphasige Brückengleichrichter mit netzseitiger Induktivität, konstanter
Ausgangsspannung und ohmscher Last dargestellt. Schalten sie drei Induktivitäten L A mit je
ca. 5mH zwischen die Drehstromspannungsquelle (3~Trafo) und die Klemmen X 10 ... X 12 und
belasten sie das System mit einem geeigneten Lastwiderstand R L an den Klemmen X 7 und X 9 .
Konfigurieren Sie die Relaiskontakte entsprechend.
Leider kann wegen eines Mangels an geeigneten Induktivitäten kein Messergebnis präsentiert
werden. Versuchen sie selbst die Ergebnisse zu erfassen und zu interpretieren.
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