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Versuch EL-V2: Hochsetzsteller

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Inhalt 1 Einleitung ......................................................................................................................................... 3

2 Voraussetzungen und Lernziele....................................................................................................... 3

3 Funktionsweise des Hochsetzstellers .............................................................................................. 4

4 Sicherheitshinweise ......................................................................................................................... 5

5 Schaltbild und Bedienhinweise ........................................................................................................ 6

6 Vorbereitungsaufgaben und Richtlinien für die äußere Form der Ausarbeitung ........................... 8

7 Versuchsaufgaben ......................................................................................................................... 10

1 Einleitung Hochsetzsteller wandeln verlustarm eine kleinere Eingangsgleichspannung in eine größere

Ausgangsgleichspannung um. Um dieses Prinzip zu verdeutlichen, wird das Beispiel einer bremsenden

Straßenbahn mit Gleichstrommaschine betrachtet. Beim elektrischen Bremsvorgang fungiert der Motor

als Generator, um Energie ins Netz zurück speisen zu können. Dessen Spannung nimmt proportional mit

der Geschwindigkeit ab. Um Energie zurück in die Fahrleitung abzugeben, muss die kleinere

Motorspannung mittels des Hochsetzstellers umgewandelt werden. Andere Bezeichnungen dafür sind

Aufwärtswandler, step-up-converter oder boost-converter.

2 Voraussetzungen und Lernziele In diesem Versuch wird den Studenten das Funktionsprinzip des Hochsetzstellers verdeutlicht. Dazu wird

das Wissen der Vorlesungsinhalte „Grundlagen der Energietechnik“ vorausgesetzt. Der Versuch behandelt

und vertieft Themen der Vorlesung „Leistungselektronik“, daher kann als weiterführende Literatur das

Skript dieser Vorlesung verwendet werden. Die Studenten sollen erkennen, welchen Einfluss

Schaltfrequenzen, Bauteilwerte, Aussteuerung und Lastverhalten auf das Betriebsverhalten des

Hochsetzstellers haben. Des Weiteren ist eine Dokumentation zu Beobachtungen und Ergebnissen des

Versuches anzufertigen.

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3 Funktionsweise des Hochsetzstellers

Eine einfache Form eines Hochsetzstellers besteht aus einer Induktivität L, einer

Eingangsspannungsquelle, einem Transistor, einer Kapazität C und einer Diode. Die Last ist durch den

Widerstand R realisiert. Der Mittelwert der Eingangsspannung 𝒖𝟐̅̅̅̅ ist stets geringer, als die

Ausgangsspannung UC. Es existieren zwei verschiedene Schaltzustände, die durch Ein- und Ausschalten

des Transistors realisiert werden. In der weiteren Betrachtung werden Ventilverluste vernachlässigt.

Wenn der Transistor eingeschaltet ist, wird die Spannung 𝑢2zu Null. Es gilt:

𝑢L + 𝑢2̅̅ ̅ = 0, 𝑢L = −𝐿 ⋅𝑑𝑖2

𝑑𝑡

Wenn der Transistor ausgeschaltet ist, liegt die Ausgangsspannung UC an. Es gilt: 𝑢2 = 𝑈𝐶

Die Aussteuerung und die relative Einschaltdauer ergeben sich zu:

𝑢2̅̅ ̅ = 𝑎 ⋅ 𝑈𝐶 = (1 −𝑇EIN

𝑇) = (1 − 𝑟) ⋅ 𝑈𝐶

Die Induktivität L dient als Energiespeicher, der den Stromfluss bei beiden Schaltzuständen aufrechterhält.

Wenn der Transistor eingeschaltet ist, baut sich der negative Laststrom 𝑑𝑖2

𝑑𝑡= −

1

𝐿⋅ 𝑢L über die Induktivität,

die Spannungsquelle und den Transistor auf.

Dieser Strom wird betragsmäßig größer. Das heißt, dass Energie im Magnetfeld der Induktivität

gespeichert wird.

Wird der Transistor ausgeschaltet, muss dem Stromfluss ein alternativer Pfad eröffnet werden. Dieser geht

über die Diode, die durch den Stromfluss in den leitenden Zustand getrieben wird. Die Kapazität 𝐶1wird

geladen. Es gilt: 𝑢C = 𝑢L + 𝑢2̅̅̅

Die Energie für diesen Stromfluss wird von der Induktivität abgegeben. Das heißt, dass das Magnetfeld

sich abbaut. Der negative Laststrom 𝑖2wird betragsmäßig kleiner.

Die Kapazität wird über den Widerstand 𝑅 entladen, sobald der Transistor wieder eingeschaltet wird.

4 Sicherheitshinweise Alle in der Sicherheitsbelehrung genannten Vorschriften, Anweisungen und Hinweise sind strikt zu

befolgen. Dieser Versuch verwendet hohe Gleichspannungen und -ströme. Dies hat zur Folge, dass die

Gesundheitsrisiken stark erhöht sind. Im Gegensatz zu Wechselspannungen kommt es bei

Gleichspannung zu keiner Selbstlöschung von Lichtbögen im Nulldurchgang. Bei Berührungen

gleichspannungsführender Teile kann es zu Verkrampfungen der Gliedmaßen kommen, sodass ein

eigenständiges Lösen nicht möglich ist. Die Inbetriebnahme des Versuchsstandes ist nur unter Aufsicht

erlaubt. Vor jeder Änderung des Induktivitätswertes ist der Versuchsstand auszuschalten und des Betreuers

um Zustimmung zu bitten. Alle Messgrößen sind berührgeschützt abgreifbar. Nichtbeachtung von

Sicherheitsvorschriften und Anweisungen führt zum sofortigen Ausschluss von dem Versuch.

Es gilt: „Packst du an die Spannung dran, klingelt schon der Sensenmann.“

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5 Schaltbild und Bedienhinweise Bild2 zeigt das Schaltbild des Versuchsaufbaus einschließlich der Bedienelemente so, wie Sie es auch am

Versuchsstand vorfinden.

Die Eingangsspannung des Hochsetzstellers wird von einer B2-Brückenschaltung mit kapazitiver Glättung

bereitgestellt. Im folgenden Versuch kann sie als konstante Gleichspannungsquelle betrachtet werden.

Die Ausgangsspannung kann zwischen50Vund200Vverstellt werden, der maximale Dauer-Laststrom

beträgt10A. Die Schaltfrequenz ist auf mehrere diskrete Werte einstellbar. Als Last dienen mehrere

zuschaltbare Halogenlampen. Die Schaltung wird durch einen Mikrokontroller (ATMega 16) gesteuert,

der den Betriebszustand und die Mittelwerte einiger Messwerte auf einem LCD anzeigt.

Die Induktivitätsänderungen erfolgen durch Umstecken eines Steckers im ausgeschalteten Zustand nach

Freigabe durch den Betreuer (siehe Sicherheitshinweise).

Machen Sie sich zunächst mit dem Schaltbild vertraut und vergleichen Sie dieses mit dem entsprechenden

Ersatzschaltbild des Hochsetzstellers. Vollziehen Sie nach, welche Größen während des Versuchs

gemessen werden können.

Folgende Elemente befinden sich im Block „Steuerung“:

I/O: Hauptschalter für den Versuchsstand

Anzeige: Darstellung wesentlicher Größen des Versuches

Anzeigeumschaltung: Ermöglicht den Wechsel zwischen verschiedenen Anzeigen

Reset: Setzt den Mikrocontroller in den Grundzustand zurück

„r“: Einstellung des Tastverhältnisses

„f“: Einstellung der Schaltfrequenzen

Ansteuerfreigabe: Gibt die Steuersignale des Mikrocontrollers an den IGBT-Treiber frei.

Nur wenn die Freigabe gesetzt ist arbeitet der Hochsetzsteller.

Wegen der Arbeitsgeschwindigkeit des Mikrocontrollers können nur Mittelwerte verarbeitet werden. Diese

werden in guter Näherung durch Tiefpassfilterung der Messgrößen angenähert. Diese Werte dienen nur

zur Orientierung, alle Messungen im Versuch werden mit Hilfe eines Vierkanal -

Digitalspeicheroszilloskops durchgeführt. Die Zeitverläufe können per Knopfdruck als Grafik auf einem

USB-Stick abgelegt werden.

Das Mitbringen eines eigenen Datenspeichers ist also zwingend notwendig.

Bild 1: Schaltbild und Bedienelemente des Versuchs „Hochsetzsteller“

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6 Vorbereitungsaufgaben und Richtlinien für die äußere Form der Ausarbeitung

Die Vorbereitungsaufgaben sind vor dem Versuch selbstständig zu lösen. Bevor die Versuchsdurchführung

beginnt, wird in einem Kolloquium überprüft, ob eine ausreichende Vorbereitung vorliegt. Unzureichend

vorbereitete Studenten werden vom Versuch ausgeschlossen, da die angestrebten Lernziele nicht erreicht

werden können, sowie ihre Sicherheit und die der Mitstudenten gefährdet sein könnte.

Alle Vorbereitungsaufgaben sind vor dem Versuch zu bearbeiten und mit dem Praktikumsbericht

abzugeben.

Das Kolloquium soll dazu dienen, alle eventuellen Fehler und Fragen zu dem Versuch zu beseitigen.

Alle Bilder und Skizzen sind ausführlich zu beschriften und müssen bei den entsprechenden

Aufgabenpunkten eingefügt werden.

Die Versuchsdurchführung ist bei jeder Versuchsaufgabe zu Beginn kurz zu beschreiben.

Jede dokumentierte Beobachtung und Beschreibung sind kurz zu diskutieren.

Beachten Sie, dass ihr Praktikumsbericht eine wissenschaftliche Ausarbeitung ist und

entsprechende Wortwahl und Form erfordert. Umgangssprachliche Ausdrucksformen sowie

Erlebnisberichte sind nicht zulässig.

Stützen Sie ihre Aussagen auf Fakten und stellen Sie Vermutungen nicht ohne Begründungen auf.

Bei der Zeichnung von Kurvenverläufen sind ausschließlich Ausgleichsgeraden/ - kurven zulässig.

Zeichnungen sind in ausreichender Größe mit Beschriftung anzufertigen, so dass die Aussage klar

erkennbar ist.

Mit Ausnahme der Vorbereitungsaufgaben ist jede Versuchsaufgabe auf einer neuen Seite zu

bearbeiten.

Fragen zum Ausgangsverhalten:

6.1 Zeichnen sie das ESB des Hochsetzstellers und benennen sie alle Größen. Zeichnen sie

außerdem separat die einzelnen Kommutierungsmaschen.

6.2 Geben Sie den Zusammenhang zwischen Tastverhältnis r und Aussteuerung a als Gleichung an

und arbeiten Sie den Unterschied im Vergleich zum Tiefsetzsteller heraus.

6.3 Wie hängt der Mittelwert der Ausgangsspannung von der Aussteuerung ab?

6.4 Geben Sie die Grundgleichung für eine Spule in differentieller und integraler Form an.

Beschreiben Sie die Eigenschaften einer Spule anschaulich unter Verwendung der Begriffe Spannung,

Strom, Magnetfeld, Energie.

6.5 Erklären Sie die Wertepaare von Induktivität und Widerstand für die Spule: Warum ändert sich

der Widerstandswert bei verdoppeltem Induktivitätswert so, wie angegeben?

6.6 Skizzieren Sie den Verlauf der Spannung𝑢T, der Spulenspannung𝑢Lund des Spulenstroms𝑖Lfür

zwei Perioden. Erläutern Sie, was sich bei einer Verdoppelung des Induktivitätswertes ändert. Machen Sie

sich dazu anhand von Skizzen mit den Zeitverläufen der wesentlichen Größen vertraut.

6.7 Begründen Sie, warum das Tastverhältnis nach oben hin beschränkt sein muss (im Versuch auf

Werte zwischen 0 und 0,75). Was passiert bei einem Wert nahe 1?

6.8 Geben Sie die Definition des Wirkungsgrads an und erläutern Sie, wie der Wirkungsgrad aus

Ausgangsleistung und Verlusten bestimmt werden kann. Überlegen Sie, warum bei begrenzter

Messgenauigkeit und hohem Wirkungsgrad eine direkte Bestimmung des Wirkungsgrads nicht sinnvoll ist.

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7 Versuchsaufgaben Die Versuchsaufgaben dienen als Anregung. In Abstimmung mit dem Versuchsbetreuer sind

Abwandlungen möglich. Ziel der Messungen ist es, Übereinstimmungen und Abweichungen zur Theorie

aufzuzeigen. Die gewonnenen Erkenntnisse sind zu protokollieren, durch Oszilloskopbilder bzw.

Messwerte/Messreihen zu untermauern und in der Ausarbeitung darzustellen. Dazu ist es unerlässlich, die

jeweils gemessenen Größen und eventuelle Umrechnungsfaktoren bei der Messung zu dokumentieren und

diese Informationen auch in die Ausarbeitung zu übernehmen. Stellen Sie in der Ausarbeitung, wo möglich,

einen Bezug zu den Vorbereitungsfragen und den darauf gegebenen Antworten her.

Halten Sie, wenn nicht anders angegeben oder abgesprochen, den Ausgangsstrom in der Nähe des

Bemessungsstroms von10A.

Schalten Sie vor jeder Änderung des Induktivitätswerts den Versuch aus und bitten Sie den/die BetreuerIn

um Zustimmung zum Umstecken!

Versuche zur Charakterisierung des Ausgangsverhaltens:

7.1 Bestimmen Sie die vier unterschiedlichen Frequenzen des Versuchsstandes mit Hilfe der internen

Messung des Oszilloskops. Messen Sie dazu den Kanal 𝑈𝑈𝑇.

Bestimmen Sie zusätzlich die Periodendauer. Es müssen dazu keine Bilder aufgenommen

werden.

7.2 Die Größenordnung der gemessenen Signale am Oszilloskop entspricht nicht den realen Größen

innerhalb des Hochsetzstellers. Es werden Bild 1 und Bild 2 aufgenommen.

Bestimmen Sie den Mittelwert und die Amplitude der Signale 𝑈1 und 𝑈𝑈𝑇 für

a) 𝑎 = 0.95, 𝐿 = 1mH und 𝑓 = 𝑓1

b) 𝑎 = 0.75, 𝐿 = 1mH und 𝑓 = 𝑓1

Ermitteln Sie daraus geeignete Umrechenfaktoren 𝑘𝑈1[

𝑉real

𝑉Oszi]und 𝑘𝑈𝑇

[𝑉real

𝑉Oszi]für die Spannungen 𝑈1

und 𝑈T.

Bestimmen Sie zusätzlich 𝑈2.

Welche Aussagen lassen sich über die Aussteuerung und den Tastgrad machen?

7.3 Bei 𝑎 = 0.5,𝐿 = 1mHund 𝑓 = 𝑓1soll die maximale Stromschwankungsweite ermittelt werden. Keine

zusätzliche Last wird dazugeschaltet. Es werden Bild 3, Bild 4 und Bild 5 aufgenommen. Neben

dem Kanal 𝑈𝑈𝑇sollen die folgenden drei Kanäle aufgenommen werden:

a) 𝑈𝑖1

b) 𝑈𝑖𝑇

c) 𝑈𝑖𝐷

Ermitteln Sie darauf die Umrechenfaktoren 𝑘𝐼1[

𝐼real

𝑉Oszi], 𝑘𝐼𝑇

[𝐼real

𝑉Oszi]und𝑘𝐼𝐷

[𝐼real

𝑉Oszi] für alle drei Kanäle.

Diese können Sie über den Mittelwert des Stromes unter Beachtung der angelegten Last ermitteln

oder indem Sie eine Formel für die Stromschwankungsweite herleiten.

Ermitteln Sie den Mittelwert 𝑖1̅und die maximale Schwankungsweite 𝛥𝑖1des Stroms.

7.4 Bei 𝑎 = 0.5, 𝐿 = 0.5mH und 𝑓 = 𝑓1 werden die Kanäle 𝑈𝑈𝑇 und 𝑈𝑖1

gemessen. Keine zusätzliche

Last wird dazugeschaltet. Bild 6 wird aufgenommen.

Erklären Sie die Kennlinien unter Berücksichtigung der Messung von 7.3.

7.5 Bei 𝑎 = 0.5, 𝐿 = 0.5mH und 𝑓 = 𝑓2 werden die Kanäle 𝑈𝑈𝑇 und 𝑈𝑖1

gemessen. Keine zusätzliche

Last wird dazugeschaltet. Bild 7 wird aufgenommen.

Erklären die Kennlinien unter Berücksichtigung der Messung von 7.4.

7.6 Bei 𝑎 = 0.5, 𝐿 = 0.5mH und 𝑓 = 𝑓1 werden die Kanäle 𝑈𝑈𝑇 und 𝑈𝑖1

gemessen. Es wird die

maximal mögliche Last dazu geschaltet. Bild 8 wird aufgenommen.

Erklären die Kennlinien unter Berücksichtigung der Messung von 7.4.

7.7 Bei 𝑎 = 0.65, 𝐿 = 0.5mHund 𝑓 = 𝑓4werden die Kanäle 𝑈𝑈𝑇und 𝑈𝑖1

gemessen. Es werden Bild 9

und Bild 10 aufgenommen.

Die minimale Last wird verwendet.

Die maximale Last wird verwendet.

Erklären Sie die Verläufe der Kennlinien in Bezug auf Lückbetrieb und den Einfluss

der Last. Ist im Lückbetrieb der Zusammenhang aus Vorbereitungsaufgabe 6.3 gültig?

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8 Parameter des Versuchsstands

Bemessungsspannung: 230 V/50 Hz, Bemessungsleistung2 kW

Sekundärspannung: 39 V/77A, 𝐿𝜎2 = 35 µH, 𝑅k,ges = 7 m𝛺

C1: 22mF/100V

C2: 4,7mF/350V

𝐿1: 𝐿𝑁 = 0,5 mH, 𝑅 = 7,5 mΩ, 𝐼𝑁 = 85 𝐴, 𝐿0 = 737 μH

𝐿2: 𝐿𝑁 = 1 mH, 𝑅 = 10,5 mΩ, 𝐼𝑁 = 85 𝐴, 𝐿0 = 1474 μH

IGBT: 1200 V/50 A, 𝑟T = 20 m𝛺, 𝑢T0 = 1,5 V

R: 2 bis 12 Halogenstablampen (230 V/50 Hz/500 W), 10 davon zu- und abschaltbar, mit folgender

Strom-Spannungs-Charakteristik (Kaltleiterverhalten)

Bild 2: Strom-Spannungs-Charakteristik einer Halogenstablampe

Das Kaltleiterverhalten lässt den Strom deutlich langsamer sinken, als dies bei einem linearen Widerstand

der Fall wäre - für die Versuchsdurchführung ein kleiner Vorteil. Die hochtemperaturfesten Lampen

ermöglichen auf Dauer eine Belastung ohne forcierte Kühlung.

9 Literatur

Skript „Grundlagen der Energietechnik“

Skript „Leistungselektronik“

Buch „Mohan / Undeland: Power Electronics“

Caspoc-Simulationsprogramm: http://www.caspoc.com