ENERGIETECHNISCHES PRAKTIKUM II

Versuch 4:

Geregelter Vier-Quadranten-Antrieb mit Gleichstrommaschine

1 EINLEITUNG....................................................................................................... 21.1 Last- und Antriebskennlinien.......................................................................................... 3

1.1.1 Lastkennlinien ....................................................................................................... 31.1.2 Fremderregte Gleichstrommaschine...................................................................... 41.1.3 Reihenschlussmaschine ......................................................................................... 5

1.2 Regelung einer fremderregten Gleichstrommaschine..................................................... 6

2 NETZGEFÜHRTER STROMRICHTER MIT SECHSPULS-BRÜCKENSCHALTUNG.. 8

3 SPEISUNG EINER FREMDERREGTEN GLEICHSTROMMASCHINE ÜBERNETZGEFÜHRTEN STROMRICHTER .................................................................11

4 REGELUNG EINES ELEKTRISCHEN ANTRIEBS MIT UMKEHRSTROMRICHTER13

5 SCHUTZMAßNAHMEN ......................................................................................17

6 VERSUCHSAUFBAU ..........................................................................................18

7 VERSUCHSPROGRAMM....................................................................................20

8 VERSUCHSPROTOKOLL ...................................................................................21

2

1 Einleitung

In Industrie und Verkehr werden eine Reihe mechanischer Bewegungen mit unterschiedlicherKraft und Geschwindigkeit benötigt. Die meisten dieser Bewegungen sind translatorisch oderrotatorisch. Sie werden heute zunehmend mit Hilfe von Elektromotoren rotatorisch vorgege-ben und, falls erforderlich, in translatorische umgesetzt. Der Elektromotor ist einelektromechanischer Wandler, der elektrische Energie in mechanische umsetzt. Zusammenmit einem Stellglied, das die elektrischen Größen des Netzes in die für den Motor erfor-derliche Form bringt, bildet er den Antrieb (Abbildung 1), der so auszulegen ist, dass die vomAnwender geforderten Bewegungen zustande kommen.

Energiequelle

Sensorsignale

SteuersignaleMesssignale/

Antrieb

mech. Last(Energiesenke)Umrichter Maschine

Steuerung/Regelung

SensorsignaleSchaltsignale/

Abbildung 1: Komponenten eines elektrischen Antriebssystems (Energiefluss im Motorbe-trieb)

Bei einem Antrieb mit fremderregter Gleichstrommaschine, wie er hier betrachtet wird, mussdie Spannung am Anker abhängig von der Drehzahl und dem Moment verändert werden. Frü-her löste man diese Aufgabe mit einem Maschinenumformer, dem "Leonard-Satz", heutewerden netzgeführte Stromrichter eingesetzt. Der Motor wird dabei aus einem vorhandenenDrehstromnetz über den Stromrichter mit Gleichspannung gespeist. Der Stromrichter dient alsStellglied für die Ankerspannung.

Stromrichter zeichnen sich gegenüber den mechanischen Umformern durch eine Reihe guterEigenschaften aus:

• keine bewegten Teile (bis auf den Lüfter bei großen Leistungen),

• geringe Verluste,

• geringe Geräusche,

• keine nennenswerte Wartung,

• geringer Raumbedarf und kein besonderes Fundament.

Die verwendete Stromrichterschaltung richtet sich nach den Forderungen, denen der Antriebgenügen muss. Wird z.B. nur ein positives Moment bei unterschiedlichen Drehrichtungen ge-fordert, so reicht ein netzgeführter Einfachstromrichter mit steuerbaren Ventilen aus (z.B. B6-Schaltung). Werden von der Gleichstrommaschine zusätzlich auch negative Drehmomenteverlangt, so ist ein Doppelstromrichter (auch Umkehrstromrichter genannt) erforderlich. Vonden vielen Ausführungsmöglichkeiten eines Umkehrstromrichters wird in diesem Prak-tikumsversuch die kreisstromfreie Antiparallelschaltung mit zwei Sechspuls-Brückenschaltungen behandelt.

3

1.1 Last- und Antriebskennlinien

1.1.1 Lastkennlinien

In Abbildung 2 sind einige idealisierte Grundtypen von Widerstandsmomenten dargestellt.Der Fall eines konstanten, drehzahlunabhängigen Widerstandsmomentes ist näherungsweisebei einem Aufzug gegeben (a). Ist das Moment vom Betrag her konstant, wechselt aber mitder Bewegungsrichtung das Vorzeichen, so wirkt das Widerstandsmoment immer bremsend.Ein Beispiel hierfür ist die trockene Reibung (b). Flüssige Reibung kennzeichnet sich dagegendurch ein geschwindigkeitsproportionales Widerstandsmoment (c). Eine Abhängigkeit vomQuadrat der Drehzahl ergibt sich bei Pumpen, Lüftern und der Luftreibung rotierender Ma-schinen (d).

Abbildung 2: Idealisierte Lastkennlinien

MW ist das Moment, das im stationären Betrieb auftritt. Bei Beschleunigungs- und Verzöge-rungsvorgängen kommt noch ein Beschleunigungsmoment MB hinzu, das dem Trägheitsmo-

ment J proportional ist: tn

JMdd

2B ⋅= π .

Bei der elektrisch erregten Gleichstrommaschine existiert der Freiheitsgrad, in welcher Artund Weise Anker- und Erregerkreis elektrisch verschaltet werden. Hierdurch ergeben sichverschiedene Typen von Gleichstrommaschinen, die im Folgenden diskutiert werden sollen.

4

1.1.2 Fremderregte Gleichstrommaschine

Werden Ankerkreis und Erregerkreis von zwei getrennten Energiequellen versorgt, so sprichtman von der fremderregten Gleichstrommaschine. Sie ist die in der heutigen Antriebstechnikweitverbreitetste Gleichstrommaschine, da bei ihr alle Freiheitsgrade der getrennten Steuer-barkeit des erregenden Feldes und des momentbildenden Ankerstromes erhalten bleiben.

UiUa

Ia Ra La

If

Lf Rf

Uf

M

Abbildung 3: Ersatzschaltbild der fremderregten Gleichstrommaschine

Für die Ankerspannung Ua gilt mit dem Fluss φ und der Maschinenkonstanten k die folgendeGleichung:

nkIRU πφ2aaa += . (1)

Das Antriebsmoment Ma kann direkt über den Ankerstrom eingestellt werden:

aa IkM ⋅= φ . (2)

Die Kennlinie der fremderregten Gleichstrommaschine, also die funktionale Abhängigkeit derDrehzahl vom Drehmoment, n = f(M), ergibt sich aus den Maschinengleichungen:

Mk

Rk

Uk

IRUk

Un ⋅

⋅−

⋅=

⋅−

=⋅

= 2aaaaai

)(p2p2p2p2 φφφφ(3)

Normalerweise wird der Fluss konstant gehalten. Als Kennlinie ergibt sich damit eine Gerademit einer negativen Steigung (Abbildung 4), welche von Ra abhängt. Je größer Ra ist, destostärker fällt die Drehzahl mit steigendem Drehmoment ab. Eine Maschine hoher Güte solltedaher einen möglichst kleinen Ankerwiderstand haben, so dass sich eine sehr steife (flache) n-M-Kennlinie ergibt. Über die Ankerspannung kann die Drehzahl verstellt werden: steigt dieAnkerspannung bei konstantem Drehmoment und Ankerstrom, so steigt auch die Drehzahl an.

5

n

M

n0,3

n0,2

n0,1

Ua

Abbildung 4: Kennlinienschar der fremderregten Gleichstrommaschine

Ist das Drehmoment M = 0, befindet sich die Maschine also im Leerlauf, so kann die Leer-laufdrehzahl n0 berechnet werden:

φkU

n⋅

=p2

a0 (4)

1.1.3 Reihenschlussmaschine

Wird die Erregerwicklung in Serie (Reihe) mit der Ankerwicklung verschaltet, so erhält mandie Reihenschlussmaschine.

UiUa

IaRa La

Lf Rf

Uf

M

Abbildung 5: Ersatzschaltbild der Reihenschlussmaschine

Zur Berechnung der Kennlinie der Reihenschlussmaschine wird angesetzt, dass der Fluss pro-portional zum Ankerstrom ist: af~ II =φ . Zusätzlich wird angenommen, dass keineSättigung in der Maschine auftritt. Mit dem Proportionalitätsfaktor k’ gilt

2aa 'und' IkMIkk ==φ

6

Daraus und aus den Maschinengleichungen lässt sich die Gleichung für die Kennlinie derReihenschlussmaschine ableiten:

'p2'p2'p2)(

p2faa

a

afaai

kRR

MkU

IkIRRU

kU

n⋅

+−

⋅⋅=

⋅⋅⋅+−

=⋅

=φ

(5)

Der Verlauf der Kennlinie ist sehr charakteristisch, man spricht daher auch häufig vom Rei-henschlussverhalten. Liegt kein Lastmoment an, so beschleunigt die Maschine auf sehr hoheDrehzahlen. Auf der anderen Seite sinkt die Drehzahl sehr stark mit dem Drehmoment ab.

Abbildung 6: Die Kennlinie der Reihenschlussmaschine

1.2 Regelung einer fremderregten Gleichstrommaschine

Die Vorgabe einer durch ein Stellglied einzustellenden Ankerspannung geschieht oft durcheine Steuerung, so dass komplizierte Lastzyklen (Reversieren, Beschleunigungsvorgänge etc.)exakt bewältigt werden können.

Im Nachstehenden wird die Struktur der Drehzahlregelung einer Gleichstrommaschine, dieüber einen Stromrichter aus dem Netz gespeist wird, betrachtet (Abbildung 7). In einem inne-ren Regelkreis wird der Ankerstrom geregelt. Über die Maschinengleichungen, in derGesamtheit auch als Maschinenmodell bezeichnet, wird aus dem Sollwert des Ankerstromesund der aktuellen Drehzahl die einzustellende Ankerspannung berechnet. Diese Vorgehens-weise wird als Vorsteuerung oder feed forward control bezeichnet. Da die Parameter desMaschinenmodells aber fehlerhaft sein können und sich mit der Temperatur verändern, mussnoch eine Rückkopplung eingefügt werden, welche auch als feed back control bezeichnetwird und eine Regelung im Gegensatz zu einer Steuerung auszeichnet. Die Differenz aus Soll-und Istwert des Ankerstromes wird auf einen PI-Regler gegeben, dessen Ausgang noch zu denErgebnissen, die aus den Berechnungen des Maschinenmodells resultieren, hinzuaddiert wird.

Die PI-Regelung sorgt dafür, dass der Fehler der Regelungsgröße zu Null wird. Sie kämeauch ohne die Vorsteuerung aus. Diese macht die Regelung jedoch schneller, da die Stellgrö-ße in Form der Ankerspannung Ua über das Maschinenmodell berechnet wird, wodurch dieGrößenordnung der Stellgröße korrekt gewählt wird. Der PI-Regler muss dann nur noch denauftretenden Fehler ausregeln.

7

n*PI M* I*a

PI

Steuerungs-logik

AC

DC

R + La as

M

Tacho

(feed back)Rückkopplung

Vorsteuerung(feed forward)

Ia

U*a

Ui

n

n

n

2pk

1k

Abbildung 7: Drehzahlregelung einer fremderregten Gleichstrommaschine

Für den äußeren Drehzahlregelkreis wird die Drehzahl über ein Tachometer gemessen. DerFehler der Drehzahl geht wiederum auf einen PI-Regler, dessen Ausgang in Form des Soll-drehmomentes über die Erregung in den Sollstrom umgerechnet wird.

8

2 Netzgeführter Stromrichter mit Sechspuls-Brückenschaltung

Richtet man mit der steuerbaren Sechspuls-Brückenschaltung (B6C-Schaltung) nachAbbildung 8 die Spannungen des Drehstromsystems gleich, so erhält man die in Abbildung 9dargestellte gleichgerichtete Spannung diaU .

n1

n4

n5

n2

n3

n6

Ldc

UqUdiα

U10

U20

U30

U12

U23

U31

i2

i1

i3

U+

U _

Ra

Abbildung 8: Gesteuerte B6-Schaltung (B6C) mit Glättungsdrossel und Belastung mit Ge-genspannung

Als Last wurde eine Gleichstrommaschine, dargestellt durch die Quelle Uq und den Innenwi-derstand Ra, und eine sehr große Glättungsinduktivität Ldc vorausgesetzt. Die Drossel erzwingteinen Strom Id, der als glatt angenommen werden kann. Dementsprechend sind die Ventil-ströme und die Netzströme i1 bis i3 blockförmig. Der Mittelwert der gleichgerichtetenSpannung diaU kann über den Steuerwinkel a verstellt werden. Bei vereinfachter Rechnung(ideale Kommutierung) ergibt sich folgender Zusammenhang:

απ

cos⋅= 12dia23

UU . (6)

Dabei ist U12 der Effektivwert der verketteten Leiterspannung. Dieser Zusammenhang wirdals Steuerkennlinie des Stromrichters bezeichnet.

9

0

Û10

u

ωt

U+

U-

U10 U20 U30

α

Û12

U12 U23 U31

Udiα

u

ωt0

ωt0Id

i

0π6- π

2 π 3π2 2π

0 π2 π 3π

2 2π

ωt

ωt'

2 3%π Id i1

1i1

Abbildung 9: Spannungs- und Stromverläufe der B6C-Schaltung für einen Steuerwinkela = 45°

Für Steuerwinkel von 0° bis 90° ist der Mittelwert der Ausgangsspannung positiv. Es wirdvom Gleichrichterbetrieb gesprochen, bei dem die Energie von der Wechselstromseite zurGleichstromseite transportiert wird.

Für Steuerwinkel von 90° bis 180° ist der Mittelwert der Ausgangsspannung negativ, wie an-hand von Gl. (6) zu sehen ist. Es wird vom Wechselrichterbetrieb gesprochen, bei dem dieEnergie von der Gleichstromseite zur Wechselstromseite transportiert wird. Dieser liegt vor,wenn die Gleichstrommaschine bremst und als Generator arbeitet.

Im Gleichrichterbetrieb kann der Steuerwinkel ohne Einschränkung zwischen 0° und 90° ein-gestellt werden. Im Wechselrichterbetrieb ist der Steuerwinkelbereich nicht bis 180°ausnutzbar. Zum einen dauert die Stromumschaltung (Kommutierung) von einem Ventil aufdas nächste wegen vorhandener Netzreaktanzen eine endliche Zeit, wobei der Kommutie-rungswinkel u mit dem Strom Id nichtlinear zunimmt. Außerdem ist einem Thyristor nach der

10

Leitzeit eine gewisse Erholzeit (Schonzeit tc) zu gewähren, bevor die Spannung am Thyristorwieder positiv wird.

Ist a + u + wtc > 180°, so bleiben die stromführenden Ventile weiter leitend. Dieses Kommu-tierungsversagen nennt man Wechselrichterkippen. Der Stromrichter verbindet dannunzulässig lange die Gleichspannungsquelle mit einer einzigen Phase des Drehstromnetzes, sodass diaU verschwindet. Der Mittelwert des Stromes steigt daher vom Ausgangswert d1I stark

an und strebt gegen den Wert adcd2 RUI = (Abbildung 10). Der Stromrichter kippt, d.h. erverliert seine Eigenschaft als Wechselrichter. Dieses führt bei Halbleiterstromrichtern in derRegel zur Zerstörung eines oder mehrerer Ventile, wenn diese nicht durch besonders ange-passte Sicherungen oder Schnellschalter geschützt sind. Um eine ausreichende Schonzeit(auch bei minimaler Netzspannung) sicherzustellen, werden die zulässigen Steuerwinkel inder Regel auf z.B. 150° begrenzt.

Û12

U12 U23 U31

Udiα1

u

wt0

Udiα2

R =Ua d2 q I

Uq

KippenRa d1 I

Abbildung 10:Zum Kippen des Wechselrichters

Mit Gl. (2) wird der erforderliche Strom im Gleichstromkreis Ia = Id und mit Gl. (l) die not-wendige Ankerspannung diaa UU = festgelegt. Im stationären Betrieb lassen sich so diegewünschte Drehzahl und das durch die Lastkennlinie gegebene Moment einstellen. Will mannun den Arbeitspunkt verstellen, so genügt es, die Spannung diaU entsprechend zu verändern.Da der Steuerwinkel sehr schnell beeinflusst werden kann, ist auch eine hohe Stromände-rungsgeschwindigkeit möglich: Der Stromrichter ermöglicht somit auch dynamische Last-wechsel. Bei einer Drehzahlregelung ist i.a. eine Ankerstromregelung unterlagert, wodurchein gutes dynamisches Verhalten erreicht wird. Außerdem lässt sich dabei leicht der Anker-strom begrenzen, was zum Schutz des Antriebes erforderlich ist.

Der Leitbereich jedes Thyristors beträgt bei Vernachlässigung der Kommutierung 120°. DerNetzstrom ergibt sich aus der Überlagerung der einzelnen Ströme in den Ventilen (s. i1 inAbbildung 9). Verwendet man einen gesteuerten Stromrichter, so ist näherungsweise die Pha-senverschiebung zwischen der Grundschwingung von Netzstrom und Netzspannung gleichdem Steuerwinkel a.

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3 Speisung einer fremderregten Gleichstrommaschine über netzge-führten Stromrichter

Die Drehzahl der konstant erregten Antriebsmaschine wird mit der Ankerspannung in Abhän-gigkeit des Momentes festgelegt. Mit größer werdendem Steuerwinkel wird die Spannung unddamit die Drehzahl kleiner und schließlich bei a » 90° zu Null. Treibt man nun die Maschineentgegen ihrem motorischen Drehsinn an, so wird sie zum Generator und liefert bei gleicherStrom- und Drehmomentrichtung eine negative Spannung.

Mit Hilfe einer B6-Schaltung als Stromrichter kann man, wie Abbildung 11 zeigt, nur dieHälfte des Betriebsdiagramms der fremderregten Gleichstrommaschine einstellen, da nur einpositiver Strom und damit ein positives Moment eingestellt werden kann. Der Drehsinn derMaschine bestimmt, ob sie als Motor oder als Generator läuft.

1,0

0,5

0

-0,5

-1,0

α = 0

α = 90°

α = 150°

Id,max

Udiα

Idc

Udi0

Abbildung 11:Betriebsbereich eines Einfachstromrichters

Schaltet man zwei gesteuerte B6-Brücken so zusammen, dass im Gleichstromkreis verschie-dene Stromrichtungen möglich sind, so kann die Gleichstrommaschine in beidenDrehrichtungen angetrieben und gebremst werden (Vierquadrantenantrieb, Abbildung 12).

12

1,0

0,5

0

-0,5

-1,0

α1 = 0°

α1 = 90°

α1 = 150°

Id,max

Udiα

Idc

Udi0

α2 = 0°

α2 = 150°

Abbildung 12:Betriebsbereich des Umkehrstromrichters

Eine mögliche Schaltung ist der kreisstromfreie Umkehrstromrichter, der in diesem Prakti-kumsversuch verwendet wird (Abbildung 13).

Ldc

Udiαi2

i1

i3

Id

Abbildung 13:Schaltung eines kreisstromfreien Umkehrstromrichters

Wegen des begrenzten Steuerwinkels im generatorischen Betrieb ist die verfügbare Spannungkleiner als im motorischen Betrieb. Das führt zu Schwierigkeiten, wenn der Steuerwinkelnicht auch zu kleinen Werten hin begrenzt wird.

13

4 Regelung eines elektrischen Antriebs mit Umkehrstromrichter

Die Regelung eines Umkehrstromrichters muss nach den Anforderungen des elektrischenAntriebes ausgelegt sein. Häufig wird von der Gleichstrommaschine eine genau einstellbareDrehzahl verlangt. Das Drehmoment wird dabei durch die mechanische Belastung vorgege-ben und ist meistens nicht konstant. Für diese Anforderungen sind die Regler derUmkehrstromrichter normalerweise ausgelegt; auch der in diesem Versuch verwendete arbei-tet nach diesem Prinzip. Die wesentlichen Regelparameter sowie Schwellen, die den Eingriffvon Schutzeinrichtungen bewirken, können von dem Benutzer dem jeweiligen An-triebsproblem durch Einlöten entsprechender Widerstände und Kondensatoren angepasst wer-den.

Das Regelkonzept (Stromleitverfahren) ist für einen Einfachstromrichter in Abbildung 14dargestellt. In der inneren Regelschleife wird der Stromsollwert mit dem Stromistwert vergli-chen. Die Differenz wird in einem Regelverstärker (Stromregler) mit PI-Verhalten verstärktund auf ein Linearisierungsglied gegeben, das die Steuerspannung für den Impulserzeugerliefert. Der Zündwinkelgenerator stellt die Verzögerung der Zündimpulse gemäß dieser Steu-erspannung ein. Der, wie die Steuerkennlinie (Gleichung 6) zeigt, von Natur aus Cosinus-förmige Zusammenhang zwischen dem Zündwinkel und der Spannung diaU wird durch dieLinearisierung kompensiert, so dass die Ausgangsspannung des Stromrichters diaU proportio-nal zu der Ausgangsspannung des Stromreglers ist. Der sich aufgrund der Ausgangsspannungund der Last einstellende Gleichstrom wird typischerweise auf der Wechselstromseite desStromrichters gemessen und als Stromistwert in den inneren Regelkreis zurückgeführt.

Abbildung 14:Struktur der Regelung eines Antriebs mit Einfachstromumrichter und fremder-regter Gleichstrommaschine

In dem übergeordneten Drehzahlregelkreis wird die Istdrehzahl mit der Solldrehzahl vergli-chen. Die Differenz wird mit einem Regelverstärker (Drehzahlregler) mit PI-Verhaltenverstärkt und ergibt den Stromsollwert für den unterlagerten Stromregelkreis. Dieser Strom-sollwert wird zum Schutz des Umkehrstromrichters begrenzt. Da der Strom im unmittelbaren

14

Zusammenhang mit dem Drehmoment der Gleichstrommaschine steht, ist deren maximalesDrehmoment ebenfalls begrenzt. Die Strombegrenzung kann verändert und so den jeweiligenAnforderungen angepasst werden. Der Stromrichter hat eine statistisch schwankende Totzeit,weil eine plötzliche Zündwinkelverstellung nicht unmittelbar, sondern erst beim Zünden desnächsten Ventils wirksam werden kann.

Die Regelung eines Umkehrstromrichters erfordert zusätzliche Maßnahmen, wie ausAbbildung 15 zu entnehmen ist. Bei dem hier verwendeten kreisstromfreien Umkehrstrom-richter darf jeweils nur ein Teilstromrichter, d.h. eine B6-Brücke, Strom führen undZündimpulse erhalten. Die Umschaltung der Stromrichtung wird von einer Umsteuerung her-beigeführt. Wenn der Stromsollwert, der vom Drehzahlregler geliefert wird, einen Wechselder Stromrichtung erfordert, muss abgewartet werden, bis der Strom in der alten RichtungNull geworden ist. Steuern der Zündimpulse in Wechselrichterendlage (maximales a) be-schleunigt dies und verhindert ein ungewolltes Wiederansteigen des Stromes. Eine Stromnull-Erkennungsschaltung gibt bei Unterschreiten einer sehr kleinen Stromschwelle das Stromnull-signal aus. Nach Sperrung der Zündimpulse muss eine stromlose Pauseabgewartet werden(Größenordnung l ms), welche die Schonzeit der Thyristoren enthält. Danach werden dieZündimpulse für den Teilstromrichter der neuen Stromrichtung freigegeben .

Da die Ausgangsspannung des einen Teilstromrichters mit a zunimmt und die des anderenmit a abnimmt, ändert sich (wenn keine besondere Maßnahme getroffen wird), beim Um-schalten der Regelsinn der Stromregelstrecke. Dieses wird dadurch vermieden, dass derStromistwert bereits als Betrag gemessen und die Polarität des Stromsollwertes beim Um-schalten gewechselt wird.

15

Abbildung 15:Struktur der Regelung eines Antriebes mit kreisstromfreiem Umkehrstrom-richter und fremderregter Gleichstrommaschine

16

Die induzierte Spannung der Gleichstrommaschine Uq, die für die Stromregelung eine Stör-größe darstellt, ändert sich nur langsam, so dass für die beiden gleichgerichteten Spannungenvor und nach der Umschaltung gilt:

20di2di10di1diq αα αααα coscos UUUUU −=≈=≈ .

Der Steuerwinkel muss demnach auch bei langsamen Stromänderungen im allgemeinen übereinen großen Bereich springen:

12 απα −≈ .

Da der Stromregler seinen Ausgangswert nicht schnell genug ändern kann, wird zum Ausgangdes Stromreglers ein dem Mittelwert der gleichgerichteten Spannung proportionaler Wertaddiert: Störgrößenaufschaltung, hier Spannungsaufschaltung. Ein Polaritätswechsel diesesWertes bei Umschalten liefert die erforderliche Zündwinkeländerung. Der Stromreglerbraucht somit nur noch den "dynamischen Anteil" der gleichgerichteten Spannung einzustel-len, das ist näherungsweise (bei Vernachlässigung der ohmschen Widerstände) die Differenzzwischen dem Mittelwert der gleichgerichteten Spannung und der in der Maschine induziertenSpannung, die an der Induktivität im Ankerkreis auftritt.

17

5 Schutzmaßnahmen

Im normalen Betrieb übernimmt die Steuer- und Regeleinrichtung den Schutz der Anlage. Dieeingebaute Strombegrenzung verhindert Überströme, die z.B. bei Laststößen und Drehzahl-sollwertsprüngen auftreten würden. Auch das speisende Netz wird überwacht. Bei Unterspan-nung oder starker Unsymmetrie werden die Zündimpulse gesperrt. Das vorgeschaltete Netz-schütz kann nur stromlos schalten.

Für den Fall, dass die Regelung versagt oder ein Kurzschluss auftritt, sind auf der Wechsel-stromseite des Umkehrstromrichters (s. Abbildung 16) Induktivitäten und Sicherungenvorhanden. Die Netzdrosseln begrenzen den Anstieg des Stromes in den Thyristoren, bis dieSicherungen auslösen. Bei diesen Sicherungen muss es sich um sehr schnelle Sicherungen mitdefiniertem Grenzlastintegral handeln, die außerdem für den Langzeitbereich angepasst seinmüssen.

Abbildung 16:Leistungsteil des Stromrichtergerätes

Um Überspannungen an den Thyristoren zu begrenzen, ist ein kleiner Hilfsgleichrichter vor-handen (Abbildung 16 unten), der in Verbindung mit den Netzdrosseln Spannungsspitzen desNetzes auf zulässige Werte reduziert und auch als TSE-Beschaltung wirkt.

18

6 Versuchsaufbau

Abbildung 17:Versuchsaufbau

19

In Abbildung 17 ist der Versuchsaufbau dargestellt. Über einen kreisstromfreien Umkehr-stromrichter, der aus zwei antiparallel geschalteten B6-Brückenschaltungen besteht, wird derAnker einer Gleichstrommaschine gespeist. Die Erregung dieser Gleichstrommaschine erfolgtungeregelt über einen Hilfsgleichrichter. Ein Tachogenerator auf der Antriebswelle liefert dasDrehzahlsignal.

Das Lastmoment wird von der Belastungsmaschine aufgebracht. Durch die pendelnde Auf-hängung ihres Ständers ist es möglich, das Drehmoment mit einem Biegestab zu erfassen. Aufbeiden Seiten des Biegestabes sind je zwei Dehnungsmessstreifen aufgeklebt, welche dieDehnung oder Stauchung an der Oberfläche des Stabes in Änderungen ihrer Widerständeüberführen. Sie sind zu einer Wheatstoneschen Brücke verschaltet, die von einer konstantenSpannung gespeist wird und eine dem Drehmoment proportionale Spannung liefert.

Der Leonard-Satz, der aus einer Asynchronmaschine und einer fremderregten Gleichstrom-maschine besteht, ermöglicht den Energietransport vom Drehstromnetz ins Gleichstromnetzund umgekehrt. Er erfüllt prinzipiell die gleichen Aufgaben wie ein Umkehrstromrichter. DieSteuerung erfolgt über das Feld der Gleichstrommaschine. Dessen Größe kann mit einemStelltransformator und seine Richtung mit einem Umschalter verändert werden.

20

7 Versuchsprogramm

1. Erläutern Sie den Sinn folgender Bauelemente in Verbindung mit einem Umkehrstrom-richter:

• Netzschütz,

• Sicherungen,

• Netzdrosseln,

• Stromregelkreis,

• Überspannungsschutz,

• Regel- und Steuereinheit und

• Glättungsdrossel.

2. Stellen Sie die Strom- und Spannungsverläufe für a = 75° und a =105° auf einem Oszil-loskop dar und zeichnen Sie diese.

3. Aufnahme der Kennlinie n = f(M) der Antriebsmaschine für verschiedene Solldrehzahlen.Erläutern Sie die Kennlinien.

4. Messung und Diskussion der Zeiten, die der Antrieb benötigt

a : zum Hochlaufen (von Stillstand bis Höchstdrehzahl)

b : zum Reversieren (von positiver zu negativer Höchstdrehzahl)

c : zum Bremsen (von Höchstdrehzahl auf Stillstand)

d : zum Auslaufen (von Höchstdrehzahl auf Stillstand).

21

8 Versuchsprotokoll

Abbildung 18:Vorlage zu 7.2

22

t

n / min-1

Abbildung 19:Vorlage zu 7.4 a)

t

n / min-1

Abbildung 20:Vorlage zu 7.4 b)

23

t

n / min-1

Abbildung 21:Vorlage zu 7.4 c)

t

n / min-1

Abbildung 22:Vorlage zu 7.4 d) (Id = 0)