ETiT IV-Praktikum Versuch Gleichstromsteller - Institut für ...

Technische Universität Darmstadt
Institut für Stromrichtertechnik
und Antriebsregelung
Prof. Dr.-Ing. P. Mutschler
ETiT IV-Praktikum
Versuch Gleichstromsteller
Überarbeitete Neufassung 2003 – Version 2.2
Einführung
Der Praktikumversuch behandelt einen Zweiquadranten-Gleichstromsteller mit Stromumkehr,
der eine fremderregte Gleichstrommaschine oder einen Lastwiderstand speist. Folgende
Themen werden bearbeitet:
1. Grundlagen des Gleichstromstellers
�� Einquadrantenbetrieb
�� Zweiquadrantenbetrieb
2. Steuer- und Regelverfahren
�� Pulsbreitenmodulation
�� Zweipunkt-Strom-Regelung
�� PI-Regelung
3. Einsatzmöglichkeiten als Verstärker
�� Gleichstromsteller als Verstärker
�� Gleichstromsteller als Stellglied im Stromregelkreis
Ablauf des Praktikums
Vor dem Versuch ist die Anleitung sorgfältig durchzuarbeiten. Am Versuchsnachmittag wird
der praktische Teil des Versuchs unter Betreuung durchgeführt. Während der Versuchsdurchführung
wird die Vorbereitung nachgeprüft. Wer sich ungenügend auf den Versuch vorbereitetet
hat, kann von der Teilnahme ausgeschlossen werden.
Die meisten Messungen während des Versuchs werden mit einem digitalen Speicher-
Oszilloskop gemacht. Bereiten Sie sich darauf vor. Machen Sie sich zu Beginn des Versuchs
S. 1

mit der Bedienung des Geräts (Trigger, Spannungsablenkung, Zeitablenkung usw.) bekannt,
ansonsten kann die Zeit für die Versuchsdurchführung knapp werden. Nutzen Sie hierzu auch
den ersten Aufgabenpunkt in der Versuchsdurchführung.
Aufbau der Anleitung
Die Anleitung ist in folgende Abschnitte gegliedert: Theorie zum Gleichstromsteller und den
Steuer- / Regelverfahren, Versuchsaufbau, Versuchsvorbereitung und Versuchsdurchführung.
Die Erklärungen der Theorie in dieser Anleitung sind nur grundlegender Art, da sie als
bekannt voraus gesetzt werden (siehe Literaturhinweise im Anhang, insbesondere die
Vorlesungsskripte für „Grundlagen der Energietechnik“).
Sicherheitshinweise
Die verwendeten Spannungen im Praktikumversuch (140 V Gleichspannung und 220 V Drehspannung)
sind gefährlich. Der Versuch wurde so aufgebaut, daß die anliegenden Spannungen
weitgehend berührungssicher sind. Da jedoch während des Versuchs z. B. die Gleichspannung
gemessen werden soll, läßt sich eine absolute Berührungssicherheit nicht erreichen.
Der Student ist selbst dafür verantwortlich, daß er unter Spannung stehende Teile am
Versuchsaufbau nicht berührt! Im übrigen wird auf die Laborordnung des Instituts für
Stromrichtertechnik verwiesen. Vor dem Versuch muß eine entsprechende Erklärung unterschrieben
werden.
Während des Versuchs ist die Ausgangsspannung des Gleichstromstellers zu oszillografieren.
Dies darf nur mit einem 1:10-Tastkopf geschehen! Die Spitze des Tastkopfs ist bei ausgeschaltetem
Hauptschalter in die BNC-Buchse ein zu führen. Es darf in keinem Fall mit
„Bananensteckern“ gemessen werden (Verpolungsgefahr)!
Die übrigen Größen, die oszillografiert werden sollen, sind direkt an der Bedientafel mittels
Bananenstecker-BNC-Verbindungskabeln abzugreifen. Dabei ist darauf zu achten, daß die
Oszilloskopmasse mit der Elektronikmasse verbunden wird (schwarzer Stecker in die Massebuchse)
und, daß nicht verpolt wird. Das Oszilloskop ist über einen Trenntrafo anzuschließen!
S. 2

1 Einleitung .............................................................................................................. 4
2 Der Gleichstromsteller........................................................................... 5
2.1 Das Prinzip........................................................................................................ 5
2.2 Die Grundschaltung des Zwei-Quadrantenstellers ............. 5
2.2.1 Der Ein-Quadrantenbetrieb.................................................................. 6
2.2.2 Der Zwei-Quadrantenbetrieb .............................................................. 7
3 Steuer- und Regelverfahren............................................................. 8
3.1 Die Pulsbreitenmodulation ................................................................... 8
3.2 Die Strom-Zweipunkt-Regelung ...................................................... 8
3.3 Die PI-Regelung ........................................................................................... 8
4 Versuchsaufbau............................................................................................ 10
4.1 Leistungsteil................................................................................................... 10
4.1.1 Der Gleichstromsteller mit IGBTs................................................. 10
4.1.2 Die Kondensatorbatterie...................................................................... 11
4.1.3 Der Lastteil................................................................................................. 11
4.2 Die Asynchronmaschine....................................................................... 12
4.3 Die Signalverarbeitung .......................................................................... 12
4.4 Die Schutzmaßnahmen .......................................................................... 13
5 Versuchsvorbereitung........................................................................... 15
6 Versuchsdurchführung ....................................................................... 16
6.1 Untersuchung der Pulsweitenmodulation................................ 16
6.2 Untersuchung der Funktionsweise des GS ............................. 17
6.3 Der Gleichstromsteller als Verstärker ........................................ 17
6.4 Der GS als Stellglied im Stromregelkreis ............................... 18
7 Anhänge ................................................................................................................ 20
Literatur......................................................................................................................... 20
Benutzerordnung der Praktika...................................................................... 21
Warnung vor elektrischen Unfällen......................................................... 23
S. 3

1 Einleitung
Der Versuch Gleichstromsteller beinhaltet die Grundlagen zum verlustarmen Einstellen einer
Gleichspannung [1, 2, 3, 5, 9], bei idealen Halbleiterschaltern geschieht das Einstellen der
Spannung verlustlos. In der Realität haben die verwendeten Leistungshalbleiter (hier: IGBTs
und Dioden) Schalt- und Durchlaßverluste.
Gegenüber einem Spannungsteiler mit ohmschen Widerständen hat der Gleichstromsteller
(GS) den Vorteil, daß die Gleichspannung verlustarm stufenlos einstellbar ist. Als Nachteil
sei die entstehende Welligkeit des Stroms (Strom-Oberschwingungen) genannt.
Der im Versuchsstand aufgebaute GS kann sowohl als Tiefsetzsteller im Einquadrantenbetrieb
(U > 0, I > 0) wie auch als Tief- / Hochsetzsteller im Zweiquadrantenbetrieb mit
Stromumkehr (U > 0, I > 0 oder I < 0) betrieben werden.
Zur Steuerung bzw. Regelung des Laststromes stehen die Verfahren der Pulsweitenmodulation,
der Strom-Zweipunkt-Regelung und der PI-Regelung zur Verfügung.
S. 4

2 Der Gleichstromsteller
2.1 Das Prinzip
Der GS wird von der positiven Spannung UB versorgt. Durch das Ein- und Ausschalten – das
sogenannte Pulsen – der Spannung UB wird die Ausgangsspannung u2 und deren Mittelwert
Ud verstellt. Hierbei entsteht eine Reihe von Rechteckblöcken (siehe Bild 2.1), deren
Breite durch die Schaltfrequenz fs und die Aussteuerung � bestimmt ist [1, 2, 3]. Die Schaltfrequenz
ergibt sich aus dem jeweils gewählten Pulsverfahren. Die Höhe der Ausgangsspannung
ist der Mittelwert über den Zeitraum einer Schaltperiode Ts:
t
ein
U d � �U
B � t ein � f s �U
B � � �
Ts
Bild 2.1: Rechteckblöcke (Pulse)
2.2 Die Grundschaltung des Zwei-Quadrantenstellers
Bild 2.2 zeigt einen GS für
den Betrieb in zwei Quadranten
mit Stromumkehr [1, 2, 3,
9]. Die Schalter S1 und S2
sowie die Dioden D1 und D2
werden im Versuch durch ein
IGBT-Modul realisiert. Mit
der vorgegebenen Spannungsquelle
UB ist es möglich, die
Schaltung als Tiefsetzsteller
mit positiver Stromrichtung
oder als Hochsetzsteller mit
negativer Stromrichtung zu
betreiben. Für den Ein-Quadrantenbetrieb
sind nur Schalter
S1 und Freilaufdiode D2
relevant. Die Drossel Ld dient
zur Glättung des Laststromes
id.
Bild 2.2: Schaltung des Gleichstromstellers
U
B
S. 5

Wird an die Ausgangsklemmen des GS eine Gleichstrommaschine (hier: fremderregt) angeschlossen,
kann sie im Ein-Quadrantenbetrieb ausschließlich als Motor arbeiten. Darf Schalter
S2 betätigt werden, so ist auch generatorischer Betrieb der Gleichstrommaschine (GM)
möglich [10, 11, 12]. Den Zusammenhang stellt
Bild 2.4 dar.
Im folgenden werden die wichtigsten Gleichungen
der GM nochmals aufgeführt. Der Spannungsfall im
Ankerkreis über der Induktivität LA ist im stationären
RA LA Betrieb im Mittel null. In Nähe der Nenndrehzahl ist
der Spannungsfall über dem Widerstand RA im Vergleich
zur induzierten Spannung Urot (Gegenspannung)
gering und wird deshalb vernachlässigt. Damit
sind Ankerspannung UA und rotatorische Gegenspannung
Urot etwa gleich groß. Die magnetische Flußverkettung
Ψ errechnet sich aus dem Strom des Er-
UA IA U rot
L E
I
R E
E
U E
regerkreises IE und einer magnetischen Kopplungskonstanten
k. Das Moment Mel ist dem Laststrom IA
und die Drehzahl N (die Winkelgeschwindigkeit �rot)
der Ankerspannung UA proportional.
Bild 2.3: Ersatzschaltbild der GM
U
U
�
M
U
A
E
� R
� R
� k � I
el
rot
A
E
��
� I
� �
� I
� I
E
rot
A
E
A
� L � I�
A A �U
� L � I�
E
E
��
� 2�
N ��
Die Ankerkreisinduktivität LA wird ebenso zur Glättung des Stroms benutzt und addiert sich
entsprechend zum Wert Ld der zuvor angesprochenen Glättungsdrossel. Mit den Gleichungen
der GM ergeben sich die folgenden Zusammenhänge für die Spannung Ud und den Strom Id
des GS:
I
d
U
d
� I
A
� U
~ M
A
el
� U
rot
~ N
rot
� U
2.2.1 Der Ein-Quadrantenbetrieb
Bei der folgenden Erläuterung des GS sei
als Verbraucher immer eine GM angenommen.
Dies entspricht einer ohmschinduktiven
Belastung. Im Ein-Quadrantenbetrieb
können Laststrom id und die
Ausgangsspannung Ud, bezogen auf die in
Bild 2.2 dargestellten Zählpfeile, nur positive
Werte annehmen. Damit wird die
GM angetrieben und der Energiefluß ist
vom Netz (von der Batterie) zur Maschine
gerichtet. Durch Pulsen des Schalters S1
ergibt sich die der Ausgangsspannung
proportionale Leerlaufdrehzahl. Wenn der
rot
Bild 2.4: Darstellung der vier Betriebsbereiche
S. 6

Schalter S1 geschlossen ist, fließt der Strom von der Batterie in die Maschine und treibt sie
an. Wird der Schalter S1 geöffnet, so versuchen die Induktivitäten (Glättungsinduktivität Ld
und Induktivität der GM) den Strom weiter in positiver Richtung fließen zu lassen. Der
Lastkreis ist über die Freilaufdiode D2 kurzgeschlossen und die Induktivitäten geben einen
Teil ihrer gespeicherten Energie wieder ab. Nach einem Signal der Steuerung schließt
Schalter S1 wieder, so daß der Laststrom id dann ansteigt. Der GS für den Ein-Quadrantenbetrieb
wird Tiefsetzsteller genannt, weil bei ihm der Leistungsfluß von der Seite der
höheren Spannung (Batterie) zur Seite mit der tieferen Spannung (GM) gerichtet ist.
2.2.2 Der Zwei-Quadrantenbetrieb
Ausgehend vom Ein-Quadrantensteller läßt der Zwei-Quadrantenbetrieb entweder negativen
Strom (Zwei-Quadrantensteller mit Stromumkehr: I. und II. Quadrant) oder negative Spannung
(Zwei-Quadrantensteller mit Spannungsumkehr: I. und IV. Quadrant) zu. Im folgenden
ist unter dem Begriff „Zwei-Quadrantensteller / -betrieb“ immer derjenige mit Stromumkehr
gemeint, da nur diese Variante im Praktikum möglich ist.
Der Betrieb im ersten Quadranten wurde im letzten
Abschnitt erklärt. Die GM arbeitet als Motor und
kann z. B. ein Fahrzeug antreiben (Bild 2.5: mA > 0).
Im II. Quadranten bleibt die Drehrichtung der GM
erhalten, da die Spannung weiterhin positiv ist. Sie
wird jedoch von der hier als Last verwendeten
Asynchronmaschine (ASM) mechanisch angetrieben Bild 2.5: Definition der Momente
(Bild 2.5: mA < 0). Mit dem Schalter S2 wird die
Spannung u2 so eingestellt, daß sich die gewünschte Drehzahl einstellt. Bei geschlossenem
Schalter S2 ist die Maschine kurzgeschlossen. Es fließt ein negativer Strom, der dem Betrag
nach linear ansteigt. Nach dem Öffnen kommutiert er auf die Freilaufdiode D1 und die Induktivitäten
geben bis zum nächsten Einschaltzeitpunkt von S2 einen Teil ihrer gespeicherten
Energie ans Netz ab (generatorisches Bremsen). Bei konstanter Drehzahl gilt das Momenten-
Gleichgewicht und es gibt dann auch kein resultierendes Moment (mel - mA = mres = 0). Dies
wird bei Belastung mit der ASM angenommen.
Im Zwei-Quadrantenbetrieb kann die GM also angetrieben oder abgebremst werden. Es dürfen
aber niemals beide Schalter S1 und S2 gleichzeitig geschlossen sein, damit ein netzseitiger
Kurzschluß vermieden wird. Dies wird durch die Verriegelungseinheit in der Elektronik
gewährleistet.
S. 7

3 Steuer- und Regelverfahren
3.1 Die Pulsbreitenmodulation
Bei der Pulsbreitenmodulation ergibt der Vergleich
zweier Signale ein Pulsmuster, nach dem die Schalter S1
oder S2 angesteuert werden (Bild 3.1) [1, 2, 3].
Im Praktikum vergleicht ein Komparator eine Dreiecksspannung
uD mit einem Sollwertsignal UPW. Schalter S1
schaltet ein, sobald uD den eingestellten Sollwert überschreitet.
Ist uD < UPW, wird S1 ausgeschaltet. Im Zwei-
Quadrantenbetrieb wird dann S2 eingeschaltet.
Durch Verändern des Sollwerts kann die Pulsweite direkt
eingestellt und damit die Einschaltzeiten der Schalter
verlängert oder verkürzt werden. Eine Verstellung der Dreieckfrequenz beeinflußt sowohl
die Pulsbreite als auch die Schaltfrequenz fs. Das Verhältnis von Ein- und Ausschaltzeit wird
nicht beeinflußt. Die Schaltfrequenz fs entspricht der Frequenz der Dreieckspannung.
3.2 Die Strom-Zweipunkt-Regelung
Die Strom-Zweipunkt-Regelung (ZPR) ermittelt die Einund
Ausschaltzeitpunkte der Stromrichterventile aus
dem Sollwert und dem gemessenen Istwert des Stromes
[2]. Die Differenz Isoll – Iist wird einem Komparator
mit Hysterese zugeführt, wobei die Hysteresebreite 2�
ist. Die Hysterese bewirkt, daß der Strom immer zwischen
einem unteren und einem oberen Wert (Isoll ± �)
innerhalb des Toleranzbandes pendelt (Bild 3.2). In der
Mitte des Bandes liegt der Stromsollwert.
Beispiel Ein-Quadrantenbetrieb: Es sei Schalter S1 geschlossen.
Bei Erreichen der Hysteresegrenze Isoll + � Bild 3.2: Zweipunkt-Regelung
kippt die Ausgangsspannung des Komparators auf ihren
negativen Maximalwert (LOW) und Schalter S1 wird geöffnet. Der Strom fließt über die
Freilaufdiode mit abnehmendem Wert weiter. An der unteren Grenze angelangt, springt die
Spannung am Komparatorausgang auf den positiven Maximalwert (HIGH), was zum
Schließen von S1 führt. Danach kann der Strom wieder ansteigen und der Vorgang wiederholt
sich von neuem.
3.3 Die PI-Regelung
Bild 3.1: Pulsweitenmodulation
Die Aufgabe der Regelung ist, den Istwert Iist möglichst schnell und genau dem Sollwert Isoll
nachzuführen, damit die Regelabweichung �i klein ist. Bei der vorliegenden Strecke (GS,
GM, Meßglied) wird ein PI-Regler eingesetzt. Die Strecke besitzt zwei Verzögerungsglieder /
PT1-Glieder (GM, Meßglied) und ein Totzeitglied (GS). Das Meß- und das Totzeitglied können
regelungstechnisch nicht kompensiert werden. Der PI-Regler ist nach dem Betragsoptimum
ausgelegt [2, 5, 6, 7]. Dabei wird die Zeitkonstante, die sehr viel größer als die anderen
Zeitkonstanten ist, durch den PI-Regler kompensiert (hier: LR-Glied der GM incl. Drossel).
Das Totzeitglied wird hierbei durch ein PT1-Glied genähert. Eine weitere Näherung ist die
S. 8

Bildung einer Summenzeitkonstante T1� aus den Zeitkonstanten des Meßglieds T1M und des
Totzeitglieds TtGS. Der geschlossene Regelkreis kann somit durch ein PT2-Glied genähert werden.
Die Reglerverstärkung kR wird schließlich so eingestellt, daß sich die betragsoptimale
Dämpfung von d = 2 /2 ergibt. Als Hintergrund für die Auslegung steht die Minimierung
des Betrags der Regelabweichung. Das System ist damit auf nur einen Überschwinger des Istwerts
bei sprungförmiger Änderung des Sollwerts gedämpft (Bild 3.3) und es tritt keine bleibende
Regelabweichung auf. Die Auslegung nach dem Betragsoptimum kann als Kompromiß
zwischen einer kurzen Anregelzeit und einem geringen Überschwingen aufgefaßt werden.
Der Ausgang des PI-Reglers wird auf den Eingang der
PWM gelegt und liefert ihr das Sollwertsignal UPW (siehe
3.1). Entsprechend werden am Ausgang des Pulsweitenmodulators
die Steuersignale an die Schalter weitergegeben.
Je nachdem welcher Schalter angesteuert ist,
baut sich der Strom in der Induktivität auf oder ab. Die
Aussteuerung des GS ist variabel und folgt dem Sollwert
UPW. Im Gegensatz zur ZPR ermöglicht diese Regelung
immer eine konstante Schaltfrequenz.
Bild 3.3: PI-Regelung
S. 9

4 Versuchsaufbau
4.1 Leistungsteil
Zum Leistungsteil im Praktikumsaufbau gehören alle Bauteile, die für den maximalen
Betriebsstrom der GM (±50 A) oder der Asynchronmaschine ausgelegt sind. Diese sind
(Bild 4.1):
�� die Schütze und mechanischen Schalter,
�� die Asynchronmaschine (ASM),
�� die Gleichstrommaschine (GM) mit Erregerkreis,
�� die Drossel (LD) mit Innenwiderstand (RD),
�� der Lastwiderstand (RL) und
�� die IGBTs mit den antiparallelen Dioden (Dx) und der Ansteuerung durch Lichtwellenleiter
(LWL).
Bild 4.1: Schautafel für den Leistungsteil
In Bild 4.1 sind neben den oben genannten Komponenten zusätzlich die Meßinstrumente des
Versuchsstands eingezeichnet.
4.1.1 Der Gleichstromsteller mit IGBTs
Hinter dem Glasfenster des Versuchaufbaus sind zwei Halbleiter-Module der Firma
SEMIKRON auf einen Kühlkörper installiert. Das obere Modul (SKM 50 GB 120 D) enthält
die IGBTs 1 und 2 sowie die antiparallelen Freilaufdioden D1 und D2. IGBT B (SKM 50
S. 10

GAL 100 D) im unteren Modul wird benötigt, damit bei Betrieb im II. Quadranten die
erzeugte Leistung im Lastwiderstand RB umgesetzt und somit die Batterie nicht überladen
wird. Die Kondensatoren direkt an den Modulklemmen dienen zur Kompensation der Zuleitungsinduktivitäten.
Im Bild 4.2 links wird die
Schichtstruktur eines IGBT (1)
gezeigt. Rechts daneben ist
das Schaltungssymbol gezeichnet.
Der IGBT ist ein
MOS-bipolares Bauelement.
Gegenüber einem DMOS-
Transistor hat er auf der Kollektorseite
einen p + n-Übergang,
der im eingeschalteten,
leitenden Zustand Minoritätsladungsträger
in die n-Basis
injiziert. Dadurch besitzt er
einen kleineren Durchlaßwiderstand.
Die Ansteuerung erfolgt
zwischen Gate und
Emitter. Bei positiver Gate-
Spannung wird der IGBT eingeschaltet und bei positiver Kollektor-Emitter-Spannung in den
Leitzustand übergehen. Der IGBT hat eine parasitäre Thyristorstruktur. Jedoch ist der
n + Bild 4.2: Schichtstruktur und Schaltungssymbol des IGBT
p-Übergang durch einen Emitter-Kontakt kurzgeschlossen, so daß der Thyristor nicht einrastet
[2, 4, 8].
4.1.2 Die Kondensatorbatterie
Der GS wird von einer 140 V-Gleichspannungsquelle gespeist. Die Gleichspannungsquelle
wird durch eine Batterie im Keller unter dem Versuchsstand bereitgestellt. Sie ist nicht rückspeisefähig.
Eine vorgeschaltete Kondensatorbatterie schützt den GS vor Spannungseinbrüchen.
4.1.3 Der Lastteil
Auf der Versorgungsseite des GS stehen folgende Belastungsmöglichkeiten zur Verfügung:
�� Lastwiderstand RL,
�� Lastwiderstand RL mit vorgeschalteter Drosselspule Ld,
�� Gleichstrommaschine und
�� Gleichstrommaschine mit vorgeschalteter Drosselspule Ld.
Die GM kann sowohl motorisch als auch generatorisch arbeiten. Das entstehende Moment
nimmt die ASM auf oder gibt es ab. Am Potentiometer RE wird der Erregerstrom IE der GM
eingestellt.
1 IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor
S. 11

4.2 Die Asynchronmaschine
Die ASM ist über eine Kupplung mit der GM verbunden. Sie erzeugt das Lastmoment für die
GM. Der Anlauf der ASM erfolgt in Sternschaltung Y, damit ein zu großer Stromstoß im Einschaltaugenblick
vermieden wird. Danach wird der Schalter SASM auf Dreieckschaltung ∆ umgestellt.
Die Drehzahl der ASM ist im stationären Betrieb als starr anzusehen.
4.3 Die Signalverarbeitung
Zur Steuerung und Regelung der GS-Ausgangsgrößen ist eine Logik vorhanden. Sie hat die
Aufgabe, den Ist-Strom auf der Ein- und Ausgangsseite des GS zu erfassen und mit Informationen
über den aktuellen Schaltzustand des GS zu verarbeiten. Aufgrund der vorgegebenen
Sollwerte der Regelung und der eingestellten Pulsweite zur Steuerung muß die Logik die
Schaltzeitpunkte ermitteln und dem jeweiligen IGBT die Zündzeitpunkte übertragen. Die
Übersicht in Bild 4.3 ist eine prinzipielle Darstellung der Signalverarbeitung. Es bedeuten im
einzelnen (K = Komparator):
K1: IGBT 2 darf nur gezündet werden, wenn der ausgangsseitige Ist-Strom negativ
oder wenig über null ist (Id < 1 A).
K2: IGBT 1 darf nur gezündet werden, wenn der ausgangsseitige Ist-Strom positiv
oder wenig unter null ist (Id > -1 A).
K3: Meldet positiven Überstrom (Id > 40 A). IGBT 1 muß blockieren.
K4: Meldet negativen Überstrom (Id < -40 A). IGBT 2 muß blockieren. IGBT B
bleibt weiterhin leitend.
K5: Vergleicht uD mit UPW (PWM-Verfahren).
K6: Meldet, daß die Spannung an der GM weniger als 10 V beträgt, so daß IGBT 2
nicht gezündet wird.
K7: Meldet positiven Überstrom eingangsseitig des GS (Ie > 40 A). Batteriekurzschluß,
d.h. alle IGBTs müssen abschalten.
Impulsfreigabe (S03): Der Schalter S03 hat drei Stellungen:
�� in Stellung „1-Quadr.-Betrieb“ darf nur IGBT 1 gezündet werden,
�� in Stellung „NEIN“ werden keine Zündimpulse ausgegeben und
�� in Stellung „2-Quadr.-Betrieb“ dürfen alle IGBTs betrieben werden.
Logik / Verriegelung: Verarbeitet alle eingehenden Signale und ermittelt daraus
die Zündzeitpunkte für die IGBTs.
Ventilansteuerung: Die Zündimpulse aus der Logik gelangen über Lichtwellenleiter
zur Ventilansteuerung (Platinen links am Kühlkörper des IGBTs).
Über Treiberstufen werden die Ventile gezündet. Um unerwünschte Schwingungen
zu vermeiden, sind die Gate-Zuleitungen verdrillt und kurz gehalten.
S. 12

Bild 4.3: Blockschaltbild der Signalverarbeitung
4.4 Die Schutzmaßnahmen
Nach Einschalten der Leistungsschalter müssen Lüfter (Geräusch) und Elektronikteil (LEDs)
in Betrieb sein. Mit dem Hauptschalter HS wird über das Schütz C1 die Gleichspannungsquelle
eingeschaltet. Dabei müssen folgende Bedingungen erfüllt sein:
1. Impulsfreigabeschalter steht in Stellung „NEIN“ und
2. entweder der Erregerstrom der GM hat einen bestimmten Wert erreicht (IE > 0,7 A)
oder die ASM ist – in Dreieckschaltung angeschlossen – in Betrieb.
Nach dem Einschalten des Hauptschalters muß ca. 10 s gewartet werden, bis der Impulsfreigabeschalter
S03 betätigt werden kann. Dadurch wird der Kondensatorbatterie ausreichende
Aufladezeit bereitgestellt. Die Schalter S2 und S3 zur Auswahl der Belastung dürfen nur im
stromlosen Zustand verändert werden. Dazu muß der Hauptschalter wieder in Stellung „0“
gebracht werden. Bild 4.4 gibt einen schematischen Überblick zur Einschaltreihenfolge.
S. 13

Bild 4.4: Schaltbild zum Schutzkonzept (Anmerkung: Der Erregerstrom der GM muß für
die Impulsfreigabe größer 0,7 A sein, nicht wie im Bild IE > 0,6 A.)
S. 14

5 Versuchsvorbereitung
Die folgenden Fragen sollen bei der Vorbereitung auf den Versuch und die Klausur behilflich
sein. Die Antworten sind Teil der Ausarbeitung und sollen ebenfalls abgegeben werden.
1. Skizzieren Sie die Schichtstruktur eines IGBTs und geben Sie die Polung im Leitzustand
an! Wie ist die prinzipielle Funktionsweise?
2. Wie wird die Gleichspannung durch einen Gleichstromsteller geändert? Welche Vor-
und Nachteile hat dies gegenüber anderen Verfahren?
3. Wie sieht das Schaltbild eines Zweiquadrantenstellers mit Stromumkehr aus? Zeichnen
Sie ebenfalls einen Zweiquadrantensteller mit Spannungsumkehr und einen Vierquadrantensteller!
Markieren Sie beim Vierquadrantensteller die beiden zuvor angesprochenen
möglichen Zweiquadrantenstellertypen!
4. Zeichnen Sie die vier Quadranten, beschriften Sie die Achsen und kennzeichnen Sie
die Bereiche „Antreiben“ (Motor) und „Bremsen“ (Generator)!
5. Welche Ventile können im Zweiquadrantenbetrieb mit Stromumkehr (Frage 3) Strom
führen? In welchem der Quadranten befindet man sich jeweils (bitte in Skizze aus
Frage 4 eintragen)?
6. Wie sind die Zusammenhänge zwischen den Ausgangsgrößen des GS , der Drehzahl
und dem Moment der GM?
7. Skizzieren Sie näherungsweise jeweils eine Belastungskennlinie (Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie)
einer fremderregten GM im Motor- und Generatorbetrieb! Tragen Sie
außerdem die Grenzlinien ein! Von welchen Größen hängen die Grenzen ab?
8. Wodurch entsteht die Stromwelligkeit? Welche Folgen hat sie? Welche Frequenzen
erkennt man bei der Fourieranalyse eines pulsweitenmodulierten Stroms?
9. Wie ist der Stromverlauf bei der Strom-Zweipunkt-Regelung (GS mit Stromumkehr)
bei einem sprungförmigen Verlauf von I0 auf –I0 des Stromsollwerts (Skizze)?
10. Welche Steuer- und Regelverfahren für einen GS kennen Sie? Geben Sie jeweils eine
prinzipielle Erklärung (evtl. mit Blockschaltbild und Zeitdiagramm)!
11. Leiten Sie die bezogene Einschaltdauer (Aussteuerung) � als Funktion der Einschaltdauer
tEin, der Frequenz der Dreiecksspannung f∆, der Bezugsspannung UB und der
Sollwertspannung Ud her!
12. Von welcher Größe hängt die Taktfrequenz bei der ZPR ab?
13. Skizzieren Sie die geschlossene Regelstrecke Stromregler - GS - GM - Meßglied!
Tragen Sie die entsprechenden Übertragungsfunktionen ein. Hilfe: Der GS besitzt eine
Verstärkung kGS und eine Totzeit TtGS. Das Meßglied hat PT1-Verhalten.
14. Legen Sie einen PI-Regler für die oben angegebene geschlossene Regelstrecke nach
dem Betragsoptimum aus! Hilfe: Ein Totzeitglied kann hier vereinfachend durch ein
PT1-Glied genähert werden. Die Glättungszeitkonstante ist wesentlich größer als die
beiden anderen Zeitkonstanten (TtGS, T1Mess

6 Versuchsdurchführung
Machen Sie sich mit dem Versuchsaubau und dem Oszilloskop vertraut. Identifizieren Sie die
verschiedenen Bauteile des Versuchaufbaus.
Beachten Sie, daß der Ausgangsstrom während des Versuchs den folgenden Wert nicht übersteigen
sollte: |id|max < 25 A.
Bild 5.1: Schautafel der Signalverarbeitung
Einschalten:
�� Impulsfreigabe-Schalter S03 in Stellung „NEIN“ bringen.
�� Leistungsschalter für Wechselspannung (R-S-T) und Gleichspannung (-, 140 V=,
220 V=) einschalten. Lüfter und Elektronikteil sind in Betrieb.
6.1 Untersuchung der Pulsweitenmodulation
Oszillografieren Sie die Aussteuerung (Pulsweite), die Dreieckspannung und die Spannung
am Ausgang des Komparators. Beobachten Sie die Signale bei verschiedenen Aussteuerungen
und Taktfrequenzen. Legen Sie eine Tabelle an und tragen Sie einige Meßwerte für die Einschaltzeit,
die Periodendauer, die Taktfrequenz und die Aussteuerung ein. Erklären Sie die
Funktionsweise der PWM anhand eines Oszillogramms. Erläutern Sie die weitere Verarbeitung
des Signals.
S. 16

6.2 Untersuchung der Funktionsweise des GS
Einschalten:
�� Stellen Sie die Schalter S2 und S3 so ein, daß der GS mit Glättungsdrossel Ld und
Widerstandslast RL betrieben wird.
�� Erhöhen Sie den Erregerstrom der GM auf IE > 0,7 A, damit das Hauptschütz eingeschaltet
werden kann.
�� Schalten Sie den Hauptschalter HS ein.
�� Stellen Sie die Wahlschalter S01 und S02 so ein, daß die Ventile mit Pulsweitenmodulation
gesteuert werden.
�� Bringen Sie den Impulsfreigabe-Schalter S03 in Stellung „1-Quadr.-Betrieb“.
1. Oszillografieren Sie die Ausgangsspannung (mit Tastkopf 1:10) und den Ausgangsstrom
des GS bei einem Laststrom von 5 A, 10 A und 15 A im Einquadrantenbetrieb.
Beobachten und kommentieren Sie die Änderungen der Ausgangsspannung
und ihr Verhältnis zum Ausgang des Komparators von
Punkt 6.1 für verschiedene Aussteuerungen.
2. Bestimmen Sie die Umrechnungskonstante kMess (gilt während des ganzen Versuchs)
zwischen Ausgangsstrom Id und Meßspannung uId am Oszilloskop.
Messen Sie die Stromwelligkeit �i = kMess �u (benutzen Sie hierzu die Möglichkeit,
nur den AC-Anteil des Signals zu oszillografieren) in Abhängigkeit
der Taktfrequenz fT bei einem Ausgangsstrom von 10 A (konstante Aussteuerung
� = ½) und zeichnen Sie ein Diagramm �i = f(fT). Interpretieren Sie das
Diagramm.
Ausschalten:
�� Bringen Sie den Impulsfreigabe-Schalter in Stellung „NEIN“.
�� Schalten Sie den HS aus.
6.3 Der Gleichstromsteller als Verstärker
Einschalten:
�� Stellen Sie die Schalter S2 und S3 so ein, daß der GS die GM mit Glättungsdrossel Ld
speist.
�� Schalten Sie die ASM ein (Stern-Dreieck-Anlauf).
�� Schalten Sie den Hauptschalter HS ein.
�� Stellen Sie die Aussteuerung und den Erregerstrom der GM so ein, daß kein großer
Strom entstehen kann (Ein-Quadrantenbetrieb: etwa halber Erregerstrom bei Aussteuerung
“Null“ / Zwei-Quadrantenbetrieb: etwa halber Erregerstrom bei halber Aussteuerung)
und damit die Bauteile nicht übermäßig beansprucht sind.
�� Stellen Sie die Wahlschalter S01 und S02 so ein, daß die Ventile mit Pulsweitenmodulation
gesteuert werden.
�� Bringen Sie den Impulsfreigabe-Schalter S03 in Stellung „1-Quadr.-Betrieb“.
S. 17

1. Einfluß der Taktfrequenz:
Betreiben Sie den GS im Ein-Quadranten-Betrieb mit Glättungsdrossel und
einem Strom von etwa Id = 5 A bei einer Taktfrequenz von fT = 1kHz. Messen
Sie die Ausgangsspannung und –strom bei Änderung der Taktfrequenz im
möglichen Frequenzbereich. Legen Sie eine Tabelle mit einigen aussagekräftigen
Kennwerten an.
Wiederholen Sie den Versuchsteil ohne Glättungsdrossel sowie danach mit und
ohne Glättungsdrossel im Zwei-Quadrantenbetrieb. Erklären Sie das Verhalten
des GS.
Umschalten:
�� Bringen Sie den Impulsfreigabe-Schalter in Stellung „NEIN“.
�� Schalten Sie den HS aus.
�� Vermindern Sie den Erregerstrom der GM.
�� Stellen Sie die Schalter S2 und S3 entsprechend der folgenden Messung ein.
�� Wiederholen Sie den Einschaltvorgang (mit Beachtung „2-Quadr.-Betrieb“).
2. Belastungskennlinie:
Speisen Sie die GM ohne Glättungsdrossel im Ein-Quadrantenbetrieb. Nehmen
Sie die Belastungskennlinie ud = f(id) für eine Taktfrequenz von fT = 1 kHz und
einer Aussteuerung von � = ½ auf. Die Änderung des Laststroms erreichen Sie
durch Verstellen des Erregerstroms der Gleichstrommaschine.
Wiederholen Sie den Versuchsteil für kleine und negative Ströme im Zwei-
Quadrantenbetrieb sowie mit eingeschalteter Glättungsdrossel. Wie ändert sich
die Kennlinie mit eingeschalteter Glättungsdrossel für beide Fälle? Erklären
Sie das Verhalten!
6.4 Der GS als Stellglied im Stromregelkreis
In diesem Versuchsteil wird der GS im Zwei-Quadrantenbetrieb mit zugeschalteter Glättungsdrossel,
GM und ASM betrieben (Ein- und Ausschalten siehe 5.3).
�� Stellen Sie das für die jeweilige Aufgabe mit den Schaltern S01 und S02 das gewünschte
Regelverfahren ein
1. Stationäres Verhalten des Zweipunktreglers:
Bei Id = 25A wird der Erregerstrom (und damit die Ausgangsspannung) im
ganzen Bereich geändert. Oszillografieren und beobachten Sie die Ausgangsspannung
sowie den Ausgangsstrom des Gleichstromstellers. Messen Sie die
Taktfrequenz für die Erregerstromwerte IE = 0 A, 0,25 A, 0,5 A, 0,75 A und
1 A und tragen Sie diese in eine Tabelle ein.
2. Übergangsverhalten der Regler
Bei einem Erregerstrom von 0,25 A sollen Sollwertsprünge erzeugt werden
(Schalter unten links auf der Signaltafel), so daß der Ausgangsstrom zwischen
20 A und –20 A springt. Der Strom soll oszillografiert werden. Führen
Sie diesen Versuchsteil für den Zwei-Punktregler und den PI-Regler durch.
Diskutieren Sie die Ergebnisse.
S. 18

Umschalten (zu 3.):
�� Stellen Sie die Erregung der GM auf 1 A ein.
�� Schalten Sie die ASM aus.
3. Anfahren und Bremsen mit Stromregelung
Fahren Sie die GM aus dem Stillstand an und bremsen Sie anschließend wieder,
indem Sie erst einen positiven und dann einen negativen Sollwertsprung
im Betrieb mit ZPR erzeugen. Oszillografieren Sie die Ankerspannung (≈ Gegenspannung
~ Drehzahl) der Maschine und den Ankerstrom (~ Drehmoment)
für Sollwertsprünge von ±20 A. Analysieren Sie die Ergebnisse.
Ausschalten:
�� Bringen Sie den Impulsfreigabe-Schalter in Stellung „NEIN“.
�� Schalten Sie den HS aus.
�� Schalten Sie die Leistungsschalter für Gleich- und Wechselspannung aus.
Ausarbeitung
Zu jedem Punkt der Aufgabenstellung sind die Ergebnisse der Messungen und die Kurven
darzustellen und zu kommentieren.
S. 19

7 Anhänge
Literatur
[1] Mutschler, P.: Vorlesungsskript „Grundlagen der Energietechnik – Teil Stromrichtertechnik“,
Institut für Stromrichtertechnik und Antriebsregelung, TU Darmstadt, 2000
[2] Mutschler, P.: Vorlesungsskript „Leistungselektronik I und II“, Institut für Stromrichtertechnik
und Antriebsregelung, TU Darmstadt, 1994/95
[3] Mohan, N.; Undeland, T.M.; Robbins, W.P.: „Power Electronics: Converters, Applications
and Design”, John Wiley & Sons, New York, 1989
[4] Schlangenotto, H.: Vorlesungsskript „Leistungshalbleiterbauelemente“, Institut für
Stromrichtertechnik und Antriebsregelung, TU Darmstadt, 1992
[5] Hasse, K.: Vorlesungsskript „Einführung in die Regelungstechnik“ und „Regelung in
der Antriebstechnik“, Institut für Stromrichtertechnik und Antriebsregelung, TU
Darmstadt, 1995/96
[6] Isermann, R.: Vorlesungsskript „Regelungstechnik I“, Institut für Automatisierungstechnik,
TU Darmstadt, 2002
[7] Lutz, H; Wendt, W.: „Taschenbuch der Regelungstechnik“, Verlag Harri Deutsch, Thun
und Frankfurt/M, 3. Auflage 2000
[8] Schröder, D.: „Elektrische Antriebe 3 – Leistungselektronische Bauelemente“, Springer-
Verlag, Berlin – Heidelberg, 1996
[9] Schröder, D.: „Elektrische Antriebe 4 – Leistungselektronische Schaltungen“, Springer-
Verlag, Berlin – Heidelberg, 1998
[10] Binder, A.: Vorlesungsskript „Grundlagen der Energietechnik – Teil Energiewandlung“,
Institut für Energiewandlung, TU Darmstadt, 2000
[11] Binder, A.: Vorlesungsskript „Elektrische Maschinen und Antriebe 1“, Institut für
Energiewandlung, TU Darmstadt, 2000
[12] Fischer, R.: „Elektrische Maschinen“, Hanser-Verlag, München, 8. Auflage 1992
S. 20

Benutzerordnung der Praktika
1. Sicherheitsmaßnahmen
Institut für Stromrichtertechnik
und Antriebsregelung
Fachbereich 18
Landgraf-Georg-Str. 4
64283 Darmstadt
Telefon: (06151) 16-2166, 16-4396
Telefax: (06151) 16-2613
e-mail: sekr@srt.tu-darmstadt.de
http://www.srt.tu-darmstadt.de
Darmstadt, 28. März 2003
1.1. Jeder hat sich vor Beginn der Arbeiten im Praktikum über die Gefahren
durch elektrischen Strom zu informieren, ferner über mögliche Sicherheits-
und Hilfsmaßnahmen (Merkblätter „Warnung von elektrischen Unfällen“,
„Maßnahmen bei Elektrounfall“, Ort der Not-Aus-Einrichtung, des Feuerlöschers,
der Erste-Hilfe-Anweisung, des Telefons).
1.2. In allen Praktikumsräumen besteht eine Not-Aus-Einrichtung, die alle Experimentierspannungen
des Instituts (außer Licht und Wandsteckdosen)
abschaltet.
1.3. Arbeiten an spannungsführenden Teilen sind nicht gestattet. Vor jeder Änderung
der Schaltung eines Versuchs - z.B. Änderung des Meßbereichs
durch Umstecken - sind die Speisespannungen des Versuchs abzuschalten.
1.4. Die Praktikumsteilnehmer dürfen die Praktikumsräume nur während der
Praktikumszeiten betreten.
1.5. Für einen Praktikumsversuch sind ausschließlich die für diesen Versuch
bereitgehaltenen Leitungen zu verwenden.
1.6. Die Schalter an Fundament- und Wandschalttafeln und die Einspeiseschalter
der Versuche dürfen von Praktikumsteilnehmern nicht betätigt werden,
außer das Ausschalten in Notfällen.
1.7. Praktikumsteilnehmer dürfen bei eingeschaltetem Versuch den Raum hinter
der Bedienfront nicht betreten; besondere Vorsicht ist bei rotierenden Maschinen
geboten.
S. 21

1.8. Die Schalter an Wahlleitungsverteilern, der Niederspannungs-Schaltanlage
und der Fernsteuerung der 6kV-Anlage dürfen von Studenten nicht betätigt
werden, desgleichen dürfen Studenten die Verbindungen an Wahlleitungsverteilern
nicht ändern.
2. Beschädigung von Geräten und Anlagen
2.1. Schäden, auch wenn nicht selbst verschuldet, sind sofort zu melden.
2.2. Für Beschädigung von Anlagen, Geräten und Maschinen, Schaltleitungen,
Klemmen und anderen Institutseinrichtungen durch unsachgemäße Benutzung
haftet der Benutzer mit dem vollen für die Reparatur notwendigen
Betrag.
3. Bibliothek
3.1. Studenten dürfen Bücher und Zeitschriften aus Institutsbeständen nur in der
Bibliothek des Instituts (S3|10/323) benutzen.
4. Allgemeines
4.1. Es ist nicht gestattet, Besuch in den Praktikumsräumen zu empfangen oder
sich ohne zwingenden Grund in anderen Praktikums- oder Laborräumen
aufzuhalten.
4.2. Rauchen ist in den Praktikumsräumen während des Praktikums verboten.
5. Anerkennung der Benutzungsordnung der Praktika
5.1. Durch eigenhändige Unterschrift hat jeder Praktikumsteilnehmer die Kenntnis
der Benutzungsordnung zu bestätigen und sie anzuerkennen. Für nachteilige
Folgen, die durch Nichtbeachten der Benutzungsordnung entstehen,
kann der Schuldige zivilrechtlich und ggf. auch strafrechtlich zur Verantwortung
gezogen werden.
Prof. Dr.-Ing. Peter Mutschler
S. 22

Warnung vor elektrischen Unfällen
Institut für Stromrichtertechnik
und Antriebsregelung
Fachbereich 18
Landgraf-Georg-Str. 4
64283 Darmstadt
Telefon: (06151) 16-2166, 16-4396
Telefax: (06151) 16-2613
e-mail: sekr@srt.tu-darmstadt.de
http://www.srt.tu-darmstadt.de
Darmstadt, 28. März 2003
Jährlich ereignen sich in Deutschland zahlreiche tödliche Elektrounfälle bei Spannungen unter
1000 V. Bei etwa 75% dieser Unfälle beträgt die Spannung „nur“ 230 V oder weniger. Ein
großer Anteil der Verunglückten sind „Fachleute“. Fast alle Unfälle sind vermeidbar!
Jeder muß sich im Klaren sein, daß er sich und andere gefährden kann; deshalb muß jeder
stets vorsichtig und überlegt handeln.
Die Sternpunkte der im Institut vorhandenen Drehstromnetze und der Minuspol des Gleichstromnetzes
sind geerdet. Eine häufige Unfallursache ist deshalb die gleichzeitige Berührung
von spannungsführenden Teilen der Schaltung einerseits und geerdeten Teilen der Schaltung
oder von Wasserleitung, Heizung, Fundamenten, Maschinengehäusen anderseits.
Eine besondere Gefahrenquelle stellen aufgeladene Leistungskondensatoren (z.B. in Umrichter-Zwischenkreisen)
dar, die auch nach dem Abschalten noch längere Zeit Spannung haben.
Gefährlich sind unübersichtliche Aufbauten, Hektik oder Übermüdung.
Die Unfallgefahr wird verringert, wenn vor dem Einschalten die Stromkreise auf Schaltfehler,
sichtbare Isolationsfehler und lockere Klemmen überprüft werden.
Prof. Dr.-Ing. Peter Mutschler
S. 23

Institut für Stromrichtertechnik und Antriebsregelung Darmstadt, 28. März 2003
Erstmaßnahmen beim
ELEKTROUNFALL
1. NOTAUS betätigen - ist auch interner Notruf
2. Für bewußtlose Verunglückte den Notarztwagen
anfordern (Tel. 112) mit dem Hinweis „Elektrounfall“, dabei
mitteilen:
�� Wo ist es geschehen? Landgraf-Georg-Str. 6
�� Was ist geschehen? Elektrounfall
�� Wie viele Verletzte?
�� Welche Verletzungen? z.B. bewußtlos
�� Wer meldet?
�� Warten auf Rückfragen
�� Rettungswagen einweisen
3. Bei Atemstillstand oder Herzstillstand:
�� sofort Herz-Lungen-Wiederbelebung durch
Ausgebildete - jede Minute ist kostbar!
4. Unfallhelfer verständigen:
�� Herbig: Tel. 2713 Werkstatt gegenüber
�� Maul: Tel. 2713 Werkstatt gegenüber
�� Balzer: Tel. 7067 Raum S3|10/20
S. 24