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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