Prosjekt- og laboratoriekompendium - Of the Clux

ENE202 – Elkraft 2
Høstsemester 2005: Kraftelektronikk
Prosjekt- og laboratoriekompendium
Les kompendiet nøye!
© Ole-Morten Midtgård
HiA 2005
Side 1 av 19

Innhold
1 Innledning........................................................................................................................... 3
2 Sikkerhet på laboratoriet .................................................................................................... 4
2.1 Hvorfor er sikkerhet viktig ....................................................................................... 4
2.2 Generelle regler.......................................................................................................... 4
2.3 Før du begynner ......................................................................................................... 5
2.4 Forholdsregler når en krets kobles opp ...................................................................... 5
2.5 Forholdsregler før en krets spenningssettes ............................................................... 5
2.6 Forholdsregler når en krets spenningssettes og når man endrer pådrag under drift... 5
2.7 Forholdsregler før man kobler fra spenning eller skrur ned spenningen ................... 6
2.8 Forholdsregler når man modifiserer en krets ............................................................. 6
2.9 Etter at du er ferdig..................................................................................................... 6
2.10 Spesielt for kraftelektronikk....................................................................................... 6
2.11 Spesielt for kondensatorer.......................................................................................... 6
2.12 Spesielt for oscilloskop .............................................................................................. 7
3 Oppgavene.......................................................................................................................... 8
3.1 Innledning................................................................................................................... 8
3.2 Step-down dc-dc omformer og turtallsstyring av dc-motor ....................................... 9
3.2.1 Innledning........................................................................................................... 9
3.2.2 Milepæler ......................................................................................................... 10
3.2.3 Mer om dc-dc omformeren .............................................................................. 10
3.2.4 Mer om dc-motoren.......................................................................................... 10
3.2.5 Mer om styreelektronikken .............................................................................. 11
3.2.6 Krav til turtallsstyringen................................................................................... 11
3.2.7 Krav til demonstrasjonene................................................................................ 12
3.2.8 Noen flere tips .................................................................................................. 12
3.3 Undersøkelse av diodelikerettere ............................................................................. 13
3.3.1 Bakgrunn .......................................................................................................... 13
3.3.2 Forberedelser.................................................................................................... 13
3.3.3 Milepæler ......................................................................................................... 13
3.3.4 Spesifikasjon .................................................................................................... 14
4 Evaluering ........................................................................................................................ 16
5 Rapportskrivning.............................................................................................................. 17
5.1 Forsiden.................................................................................................................... 17
5.2 Innholdsfortegnelsen ................................................................................................ 17
5.3 Sammendraget.......................................................................................................... 17
5.4 Innledningen............................................................................................................. 18
5.5 Teorikapittelet .......................................................................................................... 18
5.6 Kapittelet om målemetoder og instrumentering....................................................... 18
5.7 Resultatene ............................................................................................................... 18
5.8 Diskusjonen.............................................................................................................. 18
5.9 Konklusjonen(e)....................................................................................................... 19
5.10 Litteraturreferansene ................................................................................................ 19
5.11 Vedleggene............................................................................................................... 19
Side 2 av 19

1 Innledning
Dette kompendiet inneholder beskrivelser vedrørende en obligatorisk prosjektoppgave og en
obligatorisk laboratorieoppgave som begge skal utføres i høstdelen av faget Elkraft 2.
I starten av semesteret dannes det grupper på opp til fire studenter, som sammen står ansvarlig
for utførelsen. Det skal mot slutten av semesteret leveres en rapport for hver av oppgavene.
Kapittel 5 beskriver hvordan en laboratorierapport kan utarbeides. (For prosjektoppgaven må
studentene gjøre passende tilpasninger til denne malen.) Arbeidene vil bli vurdert og
karaktersatt. Kapittel 4 gir mer informasjon om evalueringen.
Laboratorieoppgaven, som omhandler eksperimenter på diodelikerettere, skal utføres i
laboratoriet for elektriske maskiner. Det er angitt noen milepæler som skal følges. Gruppene
vil få tildelt kjøretid hvor veiledning vil være tilgjengelig. Benytt denne anledningen og vær
godt forberedt. Studentene plikter å lese kapittelet om sikkerhet på laboratoriet i dette
kompendiet (kapittel 2), og å følge instruksjonene som er angitt der så langt det er
praktisk mulig! Dette er en forutsetning for å kunne arbeide på laboratoriet. At dette blir
gjort er en tillitssak mellom høgskolen og studentene.
Prosjektoppgaven går ut på å designe og bygge en energieffektiv elektrisk motordrift. Det er
angitt noen milepæler som skal følges. Det er satt opp fire arbeidsbenker i laboratoriet for
elektriske maskiner, hvor det praktiske arbeidet for denne oppgaven kan foregå. Snakk med
Per Vestøl dersom det oppstår større behov enn det er kapasitet for. I tillegg kan
elektronikklaboratoriet benyttes når labkjøring er timeplanfestet i faget. Snakk med Odd
Håberg dersom dere ønsker å bruke elektronikklaboratoriet utover dette.
Kapittel 3 inneholder mer informasjon om selve oppgavene.
Lykke til!
Side 3 av 19

2 Sikkerhet på laboratoriet
2.1 Hvorfor er sikkerhet viktig
I laboratoriet for elektriske maskiner kommer vi kontakt med spenninger (både AC og DC) på
flere hundre volt, og maskiner med noen kW ytelse. Spenningene er i seg selv farlige, da de
kan gi støt som for eksempel kan føre til sekundære skader som at vi skvetter til og faller. Da
utstyret vi bruker er svært åpent, er det en viss fare for at støt kan forekomme.
Det som imidlertid er farligere for menneskekroppen enn spenning i seg selv, er elektrisk
strøm. Strømstyrker i området helt ned til om lag 25 mA kan føre til akutt hjertelammelse.
Strømmene som flyter i de kretsene vi kobler opp i laboratoriet for elektriske maskiner ved
HiA, ligger gjerne i området noen A, og det er derfor klart at stor varsomhet kreves. Selv om
en feil ikke direkte skulle ramme et menneske, kan en kortslutning føre til varmeutvikling og
brann, som selvsagt også er farlig.
I laboratoriebenkene fins det vern som skal bryte jordfeilstrømmer større enn om lag 15 mA.
Det er derfor ikke grunn til å føle seg livredd på laboratoriet, men det er klart at aktsomhet er
nødvendig.
Det er videre ikke bare strøm og spenning som kan være farlig på laboratoriet. Vi har også
roterende elektriske maskiner som kjøres på turtall opp til 3000 omdreininger per minutt, og
som dessuten ved feilkoblinger kan komme til å ruse. De representerer derfor stor massefart,
og sliter en maskin seg løs, kan den gi fysisk skade. En annen tenkbar hendelse er at løse klær
eller langt hår vikler seg inn i de roterende delene.
Oppsummert:
• Elektriske støt kan ta liv.
• Roterende maskiner representerer stor massefart som vil gi skade dersom de bryter
løs. I verste fall kan liv gå tapt.
• Kortslutninger kan føre til brann. I verste fall kan liv gå tapt.
Derfor er sikkerhet på laboratoriet vår første prioritet! Dette sagt, så skal vi være klar over at
laboratoriet er et lavspentanlegg, og ytelsene er relativt begrensede. Det verst tenkelige
scenarioet er derfor ikke sannsynlig, men det er mulig. Et mer sannsynlig utfall av en feil, er
at man får en ubehagelig opplevelse (for eksempel et støt), uten noen videre konsekvenser.
Videre er det klart at dette laboratoriet er et studentlaboratorium på en høgskole, hvor poenget
er å lære. Derfor må det også være anledning til å koble og eksperimentere.
Av disse grunner har vi ikke detaljerte prosedyrer som må følges punkt for punkt. Vi krever
likevel at reglene som er satt opp punktvis under, følges så langt det er praktisk mulig. Vi
appellerer dessuten til den sunne fornuft.
2.2 Generelle regler
• Vær forberedt til laboratorieoppgaven som skal utføres.
• Møt aldri på laboratoriet påvirket av alkohol eller andre rusmidler.
• Det er forbudt å spise og drikke i laboratoriet. Ta heller eventuelt en pause og gå et
annet sted.
• Ha respekt for elektrisk energi.
Side 4 av 19

• Berør aldri åpne forbindelser så lenge spenning er tilkoblet.
• Ikke berør roterende deler.
• Dersom du har langt hår må du sette opp dette eller bruke hårnett eller lignende.
Unngå også å bruke klær eller smykker som henger ut fra kroppen.
• Forsikre deg om at kabler og lignende heller ikke kan vikle seg inn i de roterende
delene.
• Vær rolig og arbeid sakte nok i laboratoriet. Ikke stress!
• Det skal alltid være minst to personer tilstede. Det er forbudt å arbeide alene!
• Hold arbeidsplassen ryddig. Ikke la papir ligge og slenge på koblingen. Ha papirene
liggende på et separat sted.
• Du må vite hvor brannslokningsapparat og førstehjelpsutstyr er lokalisert i
laboratoriet.
• Unngå hvis mulig å løfte tunge maskiner og utstyr; bruk den portable krana istedenfor.
2.3 Før du begynner
• Sjekk at det er ryddig og ordentlig på arbeidsplassen. Hvis ikke, rydd først!
2.4 Forholdsregler når en krets kobles opp
• Sjekk merkeverdier for komponentene og måleutstyret som brukes. Hva er maksimalt
tillatt strøm og spenning Bruk riktige instrumenter i forhold til forventede
måleverdier.
• Vær sikker på at alle maskiner er montert godt nok sammen og festet skikkelig til
underlaget.
2.5 Forholdsregler før en krets spenningssettes
• Dobbeltskjekk dine koblinger. Det er en god ide å bruke et kretsdiagram og
sammenligne.
• Med mindre eksperimentet krever noe annet, sjekk at spenningen på utgangen av alle
variacer er null før du setter spenning på.
• Sjekk at eventuell last er riktig tilkoblet.
2.6 Forholdsregler når en krets spenningssettes og når man endrer pådrag
under drift
• Start med lave spenninger (skru spenningen forsiktig opp på variacene) for å forsikre
deg om at systemet oppfører seg som forventet.
• Følg med på måleinstrumentene. Er alle verdier som forventet
• Når du føler deg sikker på at systemet oppfører seg som forventet, endre pådrag
forsiktig opp til ønskede verdier og sjekk kontinuerlig måleinstrumentene.
• Hvis du opplever noe du oppfatter som rart (lukt, lyd, høye spenninger eller
strømmer), reduser pådraget, og kontakt eventuelt laboratoriepersonell før du
fortsetter.
• Når du arbeider med et spenningssatt system, bruk – så langt det er mulig – kun en
hånd mens du samtidig sørger for at resten av kroppen din ikke er i berøring med
ledende materiale. (Hold gjerne den andre hånda di i lomma, og bruk gjerne også sko
med gummisåler.)
• Hvis du ønsker å eksperimentere utover det oppgaveteksten sier, kontakt først
faglærer/laboratoriepersonell for å forsikre deg om at det er ok.
Side 5 av 19

2.7 Forholdsregler før man kobler fra spenning eller skrur ned spenningen
• Reduser spenningen sakte (hvis du bruker variac), og observer oppførselen til
systemet.
• Vær sikker på at maskinene har stoppet før du kobler ned.
2.8 Forholdsregler når man modifiserer en krets
• Når du skal gjøre endringer i oppsettet må du først koble fra spenningen og forsikre
deg om at de elektriske maskinene er stoppet. Vær sikker på at spenningen ikke kan
komme tilbake ved en tilfeldighet mens du jobber med oppsettet.
2.9 Etter at du er ferdig
• Rydd arbeidsplassen. Tenk på den som kommer etter deg.
2.10 Spesielt for kraftelektronikk
Svitsjet kraftelektronikk, som studentene skal jobbe med i prosjektoppgaven i Elkraft 2, kan
potensielt ha høyere spenning enn spesifikasjonene skulle tilsi. En step-up dc-dc omformer
(boost omformer) kan for eksempel ha en utgangsspenning som teoretisk går mot uendelig
hvis den jobber mot en åpen krets. I tillegg kan strømmene internt i slike omformere være
atskillig større enn den som forsynes til kretsen. En enkel step-down dc-dc omformer (buck
omformer) er et eksempel på en krets hvor utgangsstrømmen kan være mye større enn
inngangsstrømmen.
Vi skal også nevne at elektrolyttkondensatorer er mye brukt i kraftelektronikk. Disse kan i
prinsippet eksplodere, slik at en blir eksponert for potensielt skadelige kjemikalier. (Se
nedenfor om kondensatorer.)
• Respekter derfor også sikkerhetsreglene selv om du skulle jobbe med laveffekt
kraftelektronikk, slik som i prosjektoppgaven i Elkraft 2.
2.11 Spesielt for kondensatorer
Kondensatorer er energilagringselementer, og energien kan bli værende i kondensatoren også
etter at den er koblet fra måleoppsettet, med mindre kondensatoren har blitt utladet gjennom
en resistans. Det vil i så fall gå en viss tid før indre resistans sørger for at kondensatoren blir
utladet. For de store kondensatorene som blir brukt for eksempel i forbindelse med
laboratorieoppgaver om diodekoblinger, må dere derfor være ytterst varsomme med å berøre
kondensatorenes tilkoblingspunkter også etter at de er koblet fra.
• Vent tilstrekkelig lang tid før kondensatorene igjen berøres etter frakobling
• Bruk gjerne en ekstern motstand for å utlade kondensatoren
• Mål spenningen over kondensatoren for å forsikre deg om at den er lik null
De fleste kondensatorer har ingen spesiell polaritet, og det er derfor ikke av betydning hvilken
terminal som kobles til pluss eller minus. For elektrolyttkondensatorer er imidlertid dette ikke
sant! Disse har polaritet, og en må være nøye med å koble riktige poler sammen. Pluss til
pluss og minus til minus. Det dielektriske materialet som brukes i en elektrolyttkondensatorer
kan være et tynt sjikt av aluminiumoksid knyttet til en av to aluminiumsfolier. Hvis
polariteten reverseres løses dette sjiktet opp i elektrolytten, noe som fører til en kortslutning
mellom de to aluminiumsplatene, hvilket igjen kan føre til stor strøm, hvis den ytre krets kan
Side 6 av 19

levere. Elektrolytten vil da oppvarmes, noe som vil kunne føre til at kondensatoren
eksploderer. (Moderne elektrolyttkondensatorer har imidlertid som oftest en sikkerhetsventil.)
• Vær derfor forsiktig med elektrolyttkondensatorer, og pass på riktig polaritet
Les gjerne mer om dette på http://en.wikipedia.org/wiki/Electrolytic_capacitor
2.12 Spesielt for oscilloskop
Oscilloskop har vanligvis sikkerhetsjord via nettkabel, og skal derfor kobles til jordet
stikkontakt. Chassis og signaljord er koblet sammen, og dersom en skulle komme til å måle
en linjespenning på oscilloskopet, for eksempel, vil man kortslutte en fase til jord. Dette vil
medføre at jordfeilvern løser ut. Dette kan oppleves som irriterende der og da, og for å unngå
et slikt måleteknisk problem har det vært vanlig å bruke galvanisk skille (skilletrafo) mellom
oscilloskop og nett. Dette er en lettvint løsning på det måletekniske problem, men egentlig en
uheldig praksis, da man på denne måten jo samtidig fjerner oscilloskopets sikkerhetsjord. Det
er sikkerhet som er hele poenget med oscilloskopets jording! Dersom det oppstår behov for
galvanisk skille i forbindelse med målinger; bruk derfor heller skilletrafo mellom
kraftforsyning og nett, og la oscilloskopet så langt mulig ha sin sikkerhetsjord intakt.
• Ikke bruk skilletrafo mellom nett og oscilloskop! Får du kortslutning når du måler, har
du sannsynligvis behov for galvanisk skille, men dette bør du i så fall lage et annet
sted i oppsettet.
• Hvis du likevel konkluderer med at du absolutt må ha skilletrafo foran oscilloskopet,
må du være ytterst forsiktig med å berøre det, da chassiset nå meget vel vil kunne føre
fasespenning (som i eksempelet over), og dermed bli et livsfarlig instrument.
Side 7 av 19

3 Oppgavene
3.1 Innledning
Kompendiet inneholder følgende oppgaver:
• Prosjektoppgave: Step-down omformer og turtallsstyring av dc-motor
• Laboratorieoppgave: Undersøkelse av diodelikerettere
For hver oppgave er det angitt noen milepæler som skal følges. Studentene skal løse
oppgavene selvstendig. Hjelp er selvfølgelig mulig å få. En del av øvingstimene vil bli avsatt
for å kunne diskutere oppgavene med faglærer/veileder.
Når det gjelder laboratorieoppgaven vil hver gruppe få tildelt tid til å kjøre oppgaven med
veileder til stede. Det blir kun en mulighet for hver gruppe, så dersom veiledning ønskes på
labben, må denne tiden benyttes.
Prosjektoppgaven forutsettes gjort i all hovedsak utenom timeplanfestet tid, altså i den tid
studentene har til disposisjon.
Side 8 av 19

3.2 Step-down dc-dc omformer og turtallsstyring av dc-motor
3.2.1 Innledning
Settingen
Tenk deg at vi er en gjeng idealistiske gründere som ser for oss en fremtid med elektriske
kjøretøyer drevet av hydrogen fremstilt fra fornybar energi. Kjøretøyene kan være alt fra
gressklippere, via rullestoler, til biler.
Vi starter med blanke ark og kan ikke bygge på allerede opparbeidet kompetanse. Men
heldigvis har vi ett stort fortrinn: vi er unge, entusiastiske og dyktige nyutdannede ingeniører
fra Høgskolen i Agder! Og vi ønsker å skape en bedre verden – og god inntekt for oss selv i
samme slengen hadde heller ikke vært å forakte (tenker vi i vårt stille sinn). Vår spesialitet
skal være drivsystemet for kjøretøyene. Det er jo her vår kompetanse som energi- og
elkraftingeniører kan brukes.
Som selvoppnevnt sjef for denne gjengen med gründere bestemmer jeg at vi først må lære
konseptet og bevise for oss selv at dette kan vi få til. Vi danner derfor små prosjektgrupper
som hver skal bevise et enkelt konsept for et elektrisk drivsystem.
Oppgaven skal være å bygge fra grunnen et system hvor turtallet på en dc-motor kan
reguleres både i åpen og lukket sløyfe. Den elektriske strømforsyningen til motoren skal være
energieffektiv (vi må derfor bruke kraftelektroniske prinsipper).
Løsningen
Vi velger følgende grovspesifikasjon av systemet, som alle gruppene skal bygge sitt system
etter:
• dc-motor: Micro Motors RHE158, ca. 7 W nominell effekt
• mekanisk belastning: dc-generator av samme type knyttet til variabel motstand
• strømforsyning: selvbygd step-down dc-dc omformer med MOSFET-transistor
• strømkilde: laboratoriekraftforsyning (emulerer FC/batteri)
• styreelektronikk: driverkrets for dc-dc omformer, turtallsmåler (tachometer) og PIregulator
for styring i lukket sløyfe bygges selv
• komponentleverandør og kostnad: Vi bruker ELFA som komponentleverandør. Alle
komponentene i systemet skal finnes i ELFA’s sortiment. Total komponentkostnad
regnet ut fra ELFA’s priser skal være mindre enn kr. 350 inklusive merverdiavgift,
eksklusive motor, generator og ohmsk belastning.
Det gis flere detaljer nedenfor. Noen av øvingstimene vil dessuten bli avsatt for å diskutere
felles problemer i forbindelse med byggingen av de forskjellige delsystemene.
Side 9 av 19

3.2.2 Milepæler
Alle prosjektgruppene skal følge milepælene angitt under.
Prosjekt M1: Tirsdag 13.
september
Prosjekt M2: Tirsdag 4.
oktober
Prosjekt M3: Tirsdag 18.
oktober
Prosjekt M4: Tirsdag 15.
november
Prosjekt M5: Tirsdag 22.
november
Design av dc-dc omformer med MOSFET-driver ferdig.
Gruppen legger frem design for faglærer/veileder og tar ut
nødvendige komponenter fra ELFA-katalogen.
dc-dc omformer ferdig bygd. Gruppen demonstrerer riktig
funksjonalitet både for driver og omformer.
Design av øvrige systemer ferdig. Gruppen legger frem design
for faglærer/veileder og tar ut nødvendige komponenter fra
ELFA-katalogen.
Totalsystemet ferdig. Gruppen demonstrerer riktig
funksjonalitet for systemet både i åpen sløyfe og lukke sløyfe.
Teknisk rapport ferdig skrevet og levert til faglærer/veileder.
3.2.3 Mer om dc-dc omformeren
Dette er systemets hjerte. Vi tenker oss at omformeren skal kunne brukes i en rekke
anvendelser og den skal derfor designes med et lavpassfilter for glatting av utspenningen. Den
får følgende spesifikasjon:
• Inngangsspenning 15 V, antas konstant
• Utgangsspenning 0-15 V
• Lasten antas ohmsk med motstand som kan variere i området 14-100 ohm
• Luket drift (strømløse intervaller) skal unngås i alle driftstilfeller spesifisert over,
bortsett fra ved utgangsspenning mindre enn 5 V
• Maks tillatt rippel i utgangsspenningen er 5% 1
• Svitsjefrekvens 20 kHz anbefales 2
3.2.4 Mer om dc-motoren
RHE158 er en liten PM (permanentmagnet) dc-motor på om lag 7 W nominell effekt.
Nominell spenning er 12 V og nominell strøm 680 mA. Den er rimelig robust, og dere skal
ikke være redd for å kjøre den med 15 V spenning (eller mer). Den kan også ta et par ampere i
noen minutter uten større problem, men pass på: den blir i så fall varm! Dere vil kanskje
oppdage at det hadde vært fint å ha en dc-motor med mindre tap, slik at mer av effekten
kunne brukes til å drive lasten, men av praktiske og økonomiske årsaker må vi leve med
denne, og derfor vil dere sannsynligvis måtte overlaste motoren for å få testet systemet deres
skikkelig. Det er ok! Men som sagt: ikke kjør motoren veldig lenge i overlast, bare
tilstrekkelig til å teste systemet. Hvis den blir så varm at du ikke kan holde en finger på den i
mer enn ett sekund, er det på tide å la den hvile. En brukbar tommelfingerregel er at dersom
du kan holde fingeren din om lag 2 sekunder på en metallisk overflate, men så føler at du blir
brent, holder overflaten omtrent 60 ºC.
1 Det snakkes her om rippel slik som læreboka diskuterer det i figur 7-10. I tillegg til denne rippelen er det
sannsynlig at dere i praksis vil få (dempede) oscillatoriske forløp knyttet til avslag/påslag av transistor og diode.
Dette vil også representere rippel, kanskje atskillig større enn 5%. Dette er et praktisk problem av en annen
natur, og det kreves ikke at disse eventuelle oscillasjonene fjernes. (Men dere kan godt prøve hvis dere ønsker.)
2 Dere kan godt lage et system med mulighet for innstillbar svitsjefrekvens, f.eks. i området 5-50 kHz. Men
designet deres (valg av passive komponenter) må basere seg på et valg – og 20 kHz passer bra i dette prosjektet.
Side 10 av 19

Videre har RHE158 en turteller basert på Hall-effekten som gir et visst antall pulser per
omdreining. Dere må lage en frekvens til spenningsomformer for å ha et brukbart tachometer.
RHE158 har temmelig dårlig virkningsgrad. Lek dere litt med motoren, bli kjent med den,
mål og modeller. Hva er virkningsgraden Hvor mye skyldes giret, hvor mye skyldes
ankermotstand
Dere skal få utlevert motoren, generatoren og den variable motstanden. Men dere må selv
sette dem sammen i et drivtog, og sørge for å finne eventuelle komponenter fra ELFAkatalogen
som trengs for dette formålet.
Finn ut hva hele drivtoget koster ferdig sammenkoblet.
3.2.5 Mer om styreelektronikken
Vi skal demonstrere et konsept i dette prosjektet og det er derfor ikke et mål å lage state-ofthe-art
styreelektronikk. Enkle løsninger bør derfor velges, og det kan være lurt å følge
anbefalingene som blir gitt under. (En annen god grunn er at vi har et meget begrenset subsortiment
av ELFA’s på huset.)
For MOSFET-driveren anbefales at dere bruker løsningen som er skissert i figurene 7-3 og
28-3 i læreboka. I så fall trenger dere en sagtanngenerator og en komparator pluss en del
andre komponenter som motstander og kondensatorer. For sagtanngeneratoren anbefales at
dere bruker XR-2206 Monolithic Function Generator. For komparatoren anbefales LM 311
Voltage Comparator.
For tachometeret trenger dere en frekvens til spenningsomformer, og dere må velge ytre
komponenter slik at dere får det rette antall volt per hertz. En bra krets å ta utgangspunkt i er
LM2907N Frequency to Voltage Converter. (Det kan være lurt å benytte en spenningsfølger
basert på en operasjonsforsterker på utgangen av denne for å unngå eventuelle problemer når
tachometeret blir belastet.)
For tilbakekoblingen (styring i closed loop) kan dere implementere PI-regulatoren med fire
operasjonsforsterkere pluss ytre komponenter. Dere kan for eksempel bruke LF353N
operasjonsforsterkere.
3.2.6 Krav til turtallsstyringen
Kravet til turtallsstyringen i lukket sløyfe er:
• Stasjonært avvik i turtall er null (det vil si, turtallet er nøyaktig som foreskrevet)
• ”Rimelig” dynamisk respons (ikke noe kvantitativt her, men det bør ikke ta lengre tid
en noen få ”øyeblikk” å oppnå nytt turtall ved endring av referanse eller komme
tilbake til samme turtall ved endring av last)
• Turtallet skal kunne reguleres fra minimum til maksimum uavhengig av last (dvs den
variable motstanden). Maksimum er her definert som det maksimale turtall du kan
oppnå når drivtoget er sammenkoblet. Dere må eksperimentelt finne hva dette turtallet
er; det vil avhenge av maks belastning på generatoren og inngangsspenningen på dcdc
omformeren. (Prøv gjerne med noe mer enn 15 V.)
Et tips: Før dere forsøker på turtallsstyring i lukket sløyfe bør dere forstå hvordan systemet
fungerer i åpen sløyfe. Først når dette virker på en ordentlig måte, kan dere tenke på lukket
sløyfe.
Side 11 av 19

3.2.7 Krav til demonstrasjonene
Som vist i oversikten over milepæler skal det være to demonstrasjoner: en hvor dere viser at
dc-dc omformeren virker, og en hvor dere demonstrerer systemet. Dere må vise relevante
kurver og størrelser på oscilloskop for å demonstrere virkemåten, og dere må kunne forklare
virkningsmekanismene under demonstrasjonene.
3.2.8 Noen flere tips
Prosjektgruppene skal selv identifisere hva man trenger av komponenter, og sørge for uttak av
disse. Snakk med faglærer og veileder for dette formål. (Bruk gjerne milepælsmøtene.)
Arbeidsbenkene er i utgangspunktet ganske sparsommelig utstyrt med måleinstrumenter etc.
Utfordringer i denne forbindelse må prosjektgruppene løse etter hvert – og er i seg selv en del
av oppgaven og læringsprosessen. Per Vestøl og Odd Håberg bør kunne hjelpe med det meste
av praktiske spørsmål.
Vi skal ikke produsere kretskort for omformeren eller styreelektronikken. Istedenfor bruker vi
laboratoriekort. Dere må lodde komponentene selv. Det er helt sikkert mange i klassen som
har god loddetrening fra før. Spør eventuelt noen av dem dersom loddetrening behøves. Dere
kan også spørre Per Vestøl eller Odd Håberg om hjelp til å komme i gang dersom dere trenger
det. Det står også en del om lodning i ELFA-katalogen.
Hver gruppe får utlevert 2 laboratoriekort. Dette bør være tilstrekkelig. Det er lett å brekke
opp disse, hvilket kan være lurt for å lage delsystemer.
ELFA-katalogen: Foruten et bra sortiment har denne også mye god og interessant
faktainformasjon om komponenter.
”Needless to say:” Internett er en god kilde til informasjon om elektronikk og komponenter.
Vær oppmerksom på at hele ELFA-katalogen også fins på Internett.
Side 12 av 19

3.3 Undersøkelse av diodelikerettere
3.3.1 Bakgrunn
Diodelikerettere brukes ofte som første steg i dc kraftforsyninger, for eksempel slike som fins
i PC’er og annet elektronisk utstyr som bruker dc-spenning internt, det vil i praksis si all
elektronikk. Med andre ord utgjør diodelikeretteren et viktig delsystem i svært mye
kraftelektronikk, og elkraftingeniøren må derfor ha et godt grep om dens virkemåte, og
konsekvenser av dens bruk.
Videre er diodelikeretteren et spesialtilfelle av tyristoromformeren. Tyristoromformeren
brukes som kjent mye i HVDC-overføringer, og for dc-motorstyringer, blant annet. For å
forstå tyristoromformeren godt, må man forstå kommuteringsprosessen, det vil si prosessen
som foregår mens strømmen skifter fra et par med tyristorer til et annet. Nøyaktig den samme
prosessen foregår i diodelikeretteren, og en kan derfor bruke diodelikeretteren til å studere
dette fenomenet, og dermed også ha forstått kommuteringen i tyristoromformeren.
Oppgaven starter med å spesifisere eksperimenter der man går gjennom en del av
diodelikeretterens grunnleggende egenskaper, og glir etter hvert over i de mer avanserte
eksperimentene, som studiet av kommutering og tilbakevirkning på nettet.
Dere er nødt til å bruke oscilloskop i oppgaven. Dessverre har vi ikke digitale
lagringsoscilloskoper tilgjengelig, og dere må derfor bruke de analoge på laboratoriet for
elektriske maskiner. For bruk i rapport senere, kan det være greit å ha med seg et digitalt
kamera, og rett og slett ta bilder av skjermen. (Dette fungerer bra.) Ellers kan skjermbildet
også skisseres for hånd på laboratoriet.
3.3.2 Forberedelser
Gruppen skal selv planlegge og koble opp eksperimentene. Det er derfor svært viktig at
gruppen før selve laboratoriesesjonen(e) har tenkt igjennom og planlagt hva som skal gjøres
og hvilke resultater som forventes. Av denne grunn er det satt opp en milepæl ”Diode M1”
hvor gruppene skal ha tegnet koblingsskjema for hvert av eksperimentene som skal utføres.
Disse skal legges frem for og diskuteres med faglærer/veileder. Dere kan i den forbindelse
godt gå ned på laboratoriet for å sjekke tilgjengelig utstyr hvis dere ønsker.
3.3.3 Milepæler
Diode M1: Fredag 21.
oktober
Diode M2: Tirsdag 25.
oktober
Diode M3: Tirsdag 1.
november
Diode M4: Tirsdag 15.
november
Gruppene har lagt frem koblingsskjema for hvert av
eksperimentene som skal utføres. Gruppenes prosjektledere må
ta initiativ til møte med faglærer/veileder i god tid før denne
dato, og møtet kan godt holdes tidligere.
Gruppene 1, 2, 3 og 4 kjører diodelab
Øvrige grupper kjører diodelab
Laboratorierapport ferdig skrevet og levert til faglærer/veileder
Side 13 av 19

3.3.4 Spesifikasjon
I alle eksperimentene bruker vi enfase fullbro diodelikerettere. Trefase kan godt brukes som
enfase ved å koble seg inn på bare to av fasene. Dette er nødvendig på grunn av noe begrenset
med utstyr.
Eksperiment 1: grunnleggende virkemåte
Kobl opp en enfase fullbro diodelikeretter. Bruk en Variac foran likeretteren slik at dere
slipper å jobbe med full nettspenning. (Det foreslås at dere bruker opp til 100 V på ac-siden.)
På dc-siden skal dere bruke en skyvemotstand på R = 120 Ω, en spole med induktans L = 400
mH, og 3 kondensatorer, hver på 60 µF, eventuelt 4 kondensatorer hver på 40 µF, avhengig
av hva som er tilgjengelig.
Gjør klar nødvendige måleinstrumenter. Bruk oscilloskop til å ta bilde av spenning på dcsiden
og strøm på ac-siden. For sistnevnte må dere bruke en ”transfoshunt.” Tenk igjennom
om dere trenger andre galvaniske skiller.
• Dokumenter at formlen for utgangsspenning stemmer med læreboka ved resistiv
belastning for enfase fullbrolikeretter. Prøv å forklare eventuelle avvik. Ta bilde av
nettstrøm og dc-spenning.
• Studer omformerens virkemåte ved induktiv belastning (R og L i serie). Er det
forskjeller i spenningen på dc-siden sammenlignet med over Hva med strømmen på
ac-siden Forklar eventuelle forskjeller. Ta bilder.
• Fjern spolen fra belastningen. (Bruk bare R igjen.) Bruk spenning på ac siden lik 100
V. Kobl inn kondensator på dc-siden i parallell med lasten. Begynn med 60 µF, øk så
til 120 µF, og til sist til 160 µF. (Bruk eventuelt 40, 80, 120 og 160 µF.) Mål dcspenningen
for alle tilfellene, og ta bilde av både strøm på ac-siden og spenning på dcsiden.
Sammenlign med resultatene over, og forklar.
• Dere har nå studert 3 forskjellige belastninger: resistiv, induktiv og kapasitiv.
Sammenlign nettstrømmen i de tre tilfellene, og diskuter.
Eksperiment 2: kommuteringsprosessen
I dette eksperimentet bruker vi samme induktive belastning som over (R og L i serie). Kobl
inn en serieinduktans mellom Variac og likeretter. Bruk først 11 mH, dernest 100 mH.
Bruk induktiv belastning i eksperimentet. (For å få frem fenomenene selv om lasten er
begrenset i laboratoriet, overdriver vi i eksperimentet nettinduktansen.)
• Påvis at nettinduktans medfører et kommuteringsintervall. Studer både nettstrøm og
spenning på dc-siden. Ta bilder. Hvilke faktorer påvirker lengden på
kommuteringsintervallet
• Gjør om belastningen på dc-siden slik at den igjen er rent resistiv. Behold
”nettinduktansen”. Hvor ble det av kommuteringsintervallet Forklar.
Av kapasitetshensyn gjør gruppe 1, 3, 5 og 7 eksperiment 3. De øvrige gruppene gjør
eksperiment 4. (Dere kan godt gjøre begge eksperimentene dersom dere har lyst og det er
ledig utstyr.)
Eksperiment 3: forvrengning av nettspenning og nettstrøm
Benytt en enfase likeretter for eksperimentet. Vi skal sette opp et eksperiment der det påvises
hvordan nettspenningen i felles sammenkoblingspunkt (point of common coupling PCC) kan
Side 14 av 19

forvrenges ved omfattende bruk av diodelikerettere. (For å få frem fenomenene selv om lasten
er begrenset i laboratoriet, overdriver vi i eksperimentet induktansene på ac-siden.)
Kobl to like induktanser i serie mellom Variac og likeretteren. Bruk 100 mH eller 11 mH
avhengig av hva som er tilgjengelig.
• Bruk rent resistiv belastning på dc-siden. Studer spenningen ved PCC. Ta bilde.
• Bruk nå induktiv belastning. Studer spenningen ved PCC. Ta bilde. Sammenlign med
resistiv belastning. Forklar forskjellen. (Studer også nettstrømmen i de to tilfellene.)
• Bruk nå R og C i parallell som belastning på dc-siden. Bruk C=160 µF, og gjerne en
større resistans hvis tilgjengelig (koble for eksempel de tre motstandene i den oransje
trefasemotstanden i serie).
• Forklar.
Eksperiment 4: strøm i nøytrallederen (TN-system)
Sett opp et fireleder trefasesystem (TN-system). Ikke koble dere direkte inn på nettet men
bruk en trefase transformator (Y-koblet på sekundærsiden), slik at dere kan jobbe med
redusert spenning (for eksempel 100 V fasespenning eller mindre).
• Belast trefasesystemet symmetrisk med passive komponenter (for eksempel R og L i
serie, eventuelt bare R). Studer fasestrøm og strøm i nøytrallederen. Sammenlign med
teori.
Koble fra de passive komponentene, og kobl nå tre enfase likerettere symmetrisk på systemet.
Pass på at dere kobler omformerne slik et fireleder system brukes i praksis. (Det vil si: last
kobles mellom fase- og nøytralleder.) De tre likeretterne skal belastes på samme måte på dcsiden,
slik at dere har et symmetrisk trefasesystem.
• Studer fasestrømmer og strøm i nøytrallederen med induktiv belastning på dc-siden (R
og L i serie). Forklar. Sammenlign med teori.
• Studer fasestrømmer og strøm i nøytrallederen med kapasitiv belastning på dc-siden
(C og R i parallell). Forsøk å eksperimentelt påvise formel 5-63 i læreboka. Forklar.
Side 15 av 19

4 Evaluering
Det skal skrives rapport for både laboratorieoppgaven og prosjektarbeidet. Medlemmene i
gruppen står felles ansvarlig både for rapportene og gjennomføringen av oppgavene, og blir
evaluert under ett. Rapportene leveres som angitt i milepælene. De skal være skrevet i et
tekstbehandlingsprogram.
Laboratorieoppgaven, det vil si undersøkelsen av diodelikerettere, blir vurdert som Bestått
eller Ikke bestått. Bestått er en forutsetning for å kunne gå opp til eksamen. For sent levert
rapport blir ikke vurdert, og belønnes med Ikke bestått. Det samme gjelder dersom de andre
milepælene ikke blir fulgt.
Det blir satt bokstavkarakter på prosjektarbeidet. Hele karakterskalaen fra A til F blir benyttet.
Ikke bare rapporten teller; også prosessen er viktig, herunder:
• evne til å følge oppsatte milepæler
• problemløsning
• engasjement, innstilling og gruppens evne til å organisere arbeidet
• oppnådde resultater og presentasjon av disse
Det er videre en forutsetning at prosjektarbeidet er utført for å kunne gå opp til eksamen.
Det gis dermed totalt tre bokstavkarakterer i Elkraft 2, fordelt etter følgende nøkkel:
• Prosjektoppgave høst 5 studiepoeng
• Eksamen høst 5 studiepoeng
• Eksamen vår 5 studiepoeng
Side 16 av 19

5 Rapportskrivning
Det som står her om rapportskrivning passer best på laboratorieoppgaver. Gjør derfor
tilpasninger for prosjektoppgaven slik det høver seg.
(For prosjektoppgaven bør dere ta med noe om design av systemet, herunder forklare valg av
komponenter. Dere bør også diskutere mulige forbedringer og utvidelser av systemet, gjerne
under et kapittel som kan hete ”Videre arbeid.” Et annet viktig poeng for prosjektoppgaven er
å gi en oversikt over systemets kostnad, både komponentvis og totalt.)
Rapporten er en meget viktig del av arbeidet med et forsøk, undersøkelse eller
produktutvikling ettersom selve skrivingen av rapporten tvinger en selv til kritisk å evaluere
resultatene som ble oppnådd. Like viktig er det at rapporten er en måte å kommunisere
arbeidet til andre, for eksempel for at arbeidet skal kunne tas videre, eller – som på en
høgskole – for evaluering.
Det er ingen fasit for hvordan en rapport skal skrives. En teknisk rapport for en undersøkelse
av mindre omfang, som laboratorieoppgaven om diodelikerettere, kan for eksempel bestå av
følgende:
1. Forside
2. Innholdsfortegnelse
3. Sammendrag
4. Innledning
5. Noen kapitler som kan behandle
• teori
• målemetoder og instrumentering
• resultater
6. Diskusjon
7. Konklusjon
8. Litteraturreferanser
9. Vedlegg
5.1 Forsiden
Her skriver du
• Oppgavens tittel og når den ble utført
• Ditt eget navn, eventuelt navnet på alle i gruppen dersom det skrives en felles rapport
• Navnet på faget og at det er en laboratorierapport i dette faget
• Hvilken klasse du går i
• Eventuelt annen informasjon som du synes er nødvendig og relevant
5.2 Innholdsfortegnelsen
Her listes alle overskrifter som forekommer i rapporten ordrett slik de forekommer i teksten.
Rapporten skal sidenummereres, og sidetallet hvor overskriften befinner seg skal angis.
5.3 Sammendraget
I sammendraget bør du ha med en kort definisjon av hensikten med undersøkelsen, men
hovedtyngden skal ligge på en kort oppsummering av de viktigste resultater og konklusjoner.
Side 17 av 19

En typisk feil er at man i sammendraget skriver hva som skal gjøres i stedet for å rapportere
resultatene og konklusjonene fra det som faktisk er gjort.
Det kan derfor være lurt å skrive sammendraget helt til slutt når du faktisk vet hva dine
resultater og konklusjoner er!
Sammendraget skal være kort og konsist, maks en halv side for rapporter i denne
sammenhengen.
5.4 Innledningen
Innledningen bør omfatte formålet med undersøkelsen, og kan si noe om omfanget og
begrensningene. I en vitenskapelig avhandling vil man typisk ta med en oppsummering av
tidligere teorier og arbeider innen samme felt, for på den måten å redegjøre for
utgangspunktet for arbeidet. Disse laboratorieoppgavene tilhører ikke denne kategorien
arbeider, men man kan godt ta med noe om i hvilken sammenheng undersøkelsen er gjort, for
eksempel hvilke fag som gir teoretisk ballast for oppgaven.
5.5 Teorikapittelet
Her presenteres den teoretiske bakgrunn for oppgaven. Dreier det seg om en undersøkelse av
synkrongeneratoren, for eksempel, vil det være naturlig å behandle grunnleggende teori for
denne, inkludert en oversikt over de karakteristikker og ligninger som er relevante for den
undersøkelsen som er gjort. Husk å nummerere ligninger.
5.6 Kapittelet om målemetoder og instrumentering
Her kan en beskrive måleutstyret og målemetodene som er brukt, samt tegne koblingsskjema
og lignende. Beskrivelsen skal være fullstendig nok slik at undersøkelsen skal kunne
rekonstrueres.
5.7 Resultatene
Denne delen omfatter de faktiske resultatene fra undersøkelsen, både det som er målt og
bearbeidede data, for eksempel utregninger som er gjort i etterkant. Det skal gå klart frem av
rapporten hva som er observasjoner og hva som er beregninger. Data kan presenteres for
eksempel i tabeller eller grafer – velg det som er mest hensiktsmessig i sammenhengen. Vær
oppmerksom på at en graf ofte er lettere å lese enn en tabell. Pass på at figurer og tabeller
nummereres og gis en kort tekst med beskrivelse av innholdet. Vær også nøye med å angi
hvilke størrelser med enheter dine grafer illustrerer.
Det er ikke noe i veien for å slå sammen kapitlene om målemetoder/instrumentering og
resultater. Du kan da presentere måleresultatene direkte i tilknytning til beskrivelsen av hvert
måleoppsett som er benyttet.
5.8 Diskusjonen
Her skal resultatene kritisk analyseres og vurderes med sikte på å komme frem til en
konklusjon. Det skal legges vekt på å vurdere påliteligheten i målingene, og eventuelle
usikkerheter skal diskuteres.
Side 18 av 19

5.9 Konklusjonen(e)
Her trekker man slutninger av forsøket. Konklusjonen skal være en logisk konsekvens av den
foregående diskusjon. For at konklusjonen skal være lett å lese bør man kort nevne også de
viktigste resultater.
Diskusjons- og konklusjonskapitlene kan godt slås sammen, men pass da på at overskriften
gjenspeiler dette (Diskusjon og konklusjon).
5.10 Litteraturreferansene
For laboratorierapporter i grunnleggende fag er det nesten alltid veletablert teori og praksis
som gjenskapes, og det vil derfor ofte være lærebøkene som blir brukt som kilder. I
prosjektsammenheng, hvor man blir stilt overfor problemer som skal løses mer selvstendig,
vil det som oftest være nødvendig å søke i litteratur og andre kilder etter informasjon som
ikke står i lærebøkene som er blitt brukt i studiet. Da er det helt nødvendig å oppgi sine kilder.
Hvis dette ikke gjøres, vil man i verste fall kunne tolke det som et forsøk på fusk. Det er
uansett uetisk å ikke kreditere sine kilder. Derfor er det like greit å gjøre det til en vane å
oppgi sine referanser, enten dette er etablerte lærebøker, vitenskapelige artikler, Internett,
personlig kommunikasjon eller annet. Referansene nummereres, og tilstrekkelig informasjon
oppgis til at en leser enkelt vil kunne gjenfinne informasjonen.
5.11 Vedleggene
Her kan man ta med observasjoner og beregninger som er for omfattende til å tas med i
hoveddelen. Hoveddelen bør omfatte kun det som er vesentlig. Lange mellomregninger eller
resultater fra ”prøving og feiling” kan flyttes til vedlegg dersom man ønsker å dokumentere
dette. Videre kan man ta med datablader og lignende i denne delen.
Det er vanlig å la innledningen være kapittel 1, sammendrag og eventuelt forord er ofte
unummerert. Kapitlene nummereres fortløpende, og også underkapitlene bør nummereres.
Legg vekt på at rapporten får en ryddig og konsistent layout, og pass på at språket er korrekt.
Vær forsiktig med bruk av farger i dine figurer, og du trenger slett ikke mange forskjellige
fonter og fontstørrelser i rapporten. Gjør det enkelt.
Side 19 av 19