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Praktikum Netzwerke und Schaltungen

Solar Energy Harvesting

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Liebe Teilnehmer,

wir freuen uns über euer Interesse an diesem modernen und spannenden ema der Elektrotechnik und begrüssen euch recht herzlich zum Praktikumsteil „Solar Energy Harvesting“. Um einen möglichst breiten Kenntnisstand abzudecken findet ihr in dieser Versuchsanleitung eine Vielzahl an Experimenten. Es ist nicht zwingend notwendig, dass ihr jeden Versuch im Detail abarbeitet – wich-tig ist, dass ihr euch beim Umgang mit dem Messequipment und den Versuchs-aufbauten sicher ühlt und den einen oder anderen interessanten Aspekt der Experimente im Hinterkopf behaltet. Zur Unterstützung stehen wir euch jeder-zeit zur Verügung – zögert nicht, bei Unklarheiten zu fragen. Gern nehmen wir auch euer Feedback zu diesem Praktikum entgegen.

Viel Spass und Erfolg wünschen euch

Alan, Silvan, Benjamin, Viviane, Christoph, Alexander, Simon, Till Martin, Kirill, Moritz, Julian, Pascal, Emanuel & Yunni

Zürich, im Februar 2020

Hinweise Die Unterlagen zum Praktikum, wie zum Beispiel diese Anleitung, können von der Institutswebsite heruntergeladen werden: hp://www.pes.ee.ethz.ch/education/laboratory-courses.html

Koordination des NuS-Praktikums:

Julian Böhler [email protected], Tel. +41 44 632 69 73

Pascal Niklaus [email protected], Tel. +41 44 632 03 78

v1.10, JB im Februar 2020

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Inhaltsverzeichnis 5

Inhaltsverzeichnis

Hinweise ......................................................................................................................... 3 Inhaltsverzeichnis ......................................................................................................... 5 Einleitung........................................................................................................................ 7 Sicherheitsvorschrien ................................................................................................ 8 Nachmiag 1 ................................................................................................................ 12 1 Photovoltaik ................................................................................................... 13 1.1 Inbetriebnahme der Beleuchtung ............................................................. 13 1.2 Kennlinien des Photovoltaikmoduls ........................................................ 16 2 Energiewandlung und Anpassung ........................................................... 22 3 Gleichspannungswandler – Tiefsetzsteller ............................................ 24 3.1 Auau und Funktionsweise des Tiefsetzstellers .................................. 24 3.2 Berechnung der erforderlichen Tiefsetzstellerinduktivität ................ 26 3.3 Messtechnische Bestimmung der Induktivität und der

Säigungsstromstärke ................................................................................. 31 Nachmiag 2 ................................................................................................................ 36 3.4 Bestimmung der erforderlichen Ausgangskapazität des

Tiefsetzstellers ............................................................................................... 37 3.5 Auau des Tiefsetzstellers ......................................................................... 41 4 Antriebstechnik I .......................................................................................... 47 4.1 Auau und Funktionsweise der Gleichstrommaschine...................... 47 4.2 Bestimmung der Motorkennlinie .............................................................. 49 Nachmiag 3 ................................................................................................................ 54 5 Gleichspannungswandler – Hochsetzsteller .......................................... 55 5.1 Auau und Funktionsweise des Hochsetzstellers ............................... 55 5.2 Auau und Inbetriebnahme des Hochsetzstellers ............................... 57 6 Betrieb eines leistungselektronischen Systems an einem

Photovoltaikmodul ....................................................................................... 63 6.1 Betrieb mit linearer ohmscher Last .......................................................... 63 6.2 Betrieb mit nichtlinearer Last (Steigrohrauau) .................................. 65

Inhaltsverzeichnis 6

6.2.1 Kennlinie des Lüers / Höhe des Balls im Steigrohr .............. 65 6.2.2 Betrieb des Steigrohrs mit dem Photovoltaikmodul ............... 66

7 Zusammenfassung ........................................................................................ 69 Anhang .......................................................................................................................... 70 8 Übersicht der Laboreinrichtung ................................................................ 71 8.1 Messequipment ............................................................................................. 71 8.2 Versorgungsgeräte ........................................................................................ 72 8.3 Versuchsauauten ....................................................................................... 73 9 Datenbläer ................................................................................................... 75 9.1 Gleichstrommaschine im Motorenprüfstand ......................................... 76 9.2 Solarmodul ..................................................................................................... 77 9.3 Hochleistungslüer SanAce40 im Steigrohr-Auau ........................... 80 ellenverzeichnis ..................................................................................................... 81

Einleitung 7

Einleitung

Steigendes Umweltbewusstsein und Energiepreise beschleunigen die Ver-breitung alternativer Energieerzeugung. Die quasi unerschöpfliche Energie der Sonne kann mithilfe von Photovoltaikmodulen in elektrische Energie umgewandelt werden.

Ziel dieses Praktikums ist, den Teilnehmern anschaulich die Komponenten der Energiewandlung während verschiedenen Versuchen aufzuzeigen und zu analysieren. Darüber hinaus haben die Teilnehmer die Möglichkeit, das sehr umfangreiche und moderne Messequipment eines Elektroingenieurs kennenzulernen und den Umgang mit diesen Geräten zu festigen.

Dabei werden den Studenten die Begriffe Leistung (auch Maximum Power Point – MPP), Wirkungsgrad und Energie anhand von anschaulichen Versu-chen mit Gleichstromstellern, Induktivitäten, Kondensatoren und Motoren nähergebracht. Es werden Dimensionierungen von Induktivitäten anschau-lich überprü, sowie die dem Stand der Technik entsprechenden Halbleiter (MOSFETs, Schoky-Dioden) mit den entsprechenden Ansteuermethoden eingesetzt.

Sicherheitsvorschriften 8

Sicherheitsvorschrien

An Ihrem Arbeitsplatz finden Sie ür jeden Teilnehmer ein Blatt

mit den im Praktikum geltenden Sicherheitsvorschriften. Lesen Sie diese aufmerksam durch, komplettieren Sie Ihre Personalien auf der Rückseite und bestätigten Sie mit Ihrer Unterschrift, dass Sie die Sicherheitsregeln gelesen und verstanden haben.

Bei allälligen Fragen oder Unklarheiten wenden Sie sich bitte jederzeit an eine Betreuungsperson.

Geben Sie anschliessend das unterschriebene Blatt bei einer Be-treuungsperson ab.

Im Folgenden sind die Sicherheitsregeln ür späteres Nach-schlagen nochmals aufgelistet.

Sie finden an jedem Arbeitsplatz auch ein laminiertes Blatt mit diesen Sicherheitsregeln.

Wenn bei Versuchen besondere Vorsicht geboten ist, wird dies mit solchen Warnhinweisen in der Anleitung nochmals verdeutlicht.

Sicherheitsregeln

1. Wenn praktisch gearbeitet wird, müssen jederzeit mindestens 2 Per-sonen im gleichen Raum anwesend sein (SUVA VORSCHRIFTEN!).

2. Jeder Studierende/Mitarbeitende merkt sich den Standort und die Bedienung des nächsten Notschalters, der im Notfall möglichst rasch betätigt werden soll.

3. Das Lichtnetz darf ür Versuche nicht benützt werden. Es ist nicht über den Notschalter geührt.


4. Die Versuche sind so aufzubauen, dass der Zugang zum Schaltpult frei bleibt und rotierende und spannungsführende Teile gegen zuällige Berührung geschützt sind. Im Interesse der Sicherheit ist ür Ordnung und Klarheit zu achten, nicht benutzte Kabel sind beid-seitig auszustecken und vollständig aus der Schaltung zu entfernen. Vergewissern Sie sich auch über die Lage der rotierenden Teile und stellen Sie sicher, dass von langen Haaren, weiten Kleidern, Halstüchern, …, keine Kontaktgefahr ausgeht.

5. Bei allen verwendeten Einheiten (Maschinen und Komponenten) sind die Erdanschlüsse zu verbinden. Gehäuse von Geräten dürfen nicht auf Spannung gelegt werden.

6. Die markierten maximalen Spannungs- und Stromwerte sind einzuhalten. Im Zweifelsfall kontaktieren Sie einen Assistenten. Ka-belquerschnitte sind so zu wählen, dass im Betrieb keine schädli-che Erwärmung auri.

7. Vor dem Einschalten ist der Versuchsauau jeweils durch einen Assistenten überprüfen zu lassen.

8. Es ist verboten, an unter Spannung stehenden Starkstromanlangen (Spannung ≥ 50 V oder Ströme ≥ 2 A) Änderungen an der Schal-tungstopologie vorzunehmen. Für jede Änderung des Systems ist dieses zuerst spannungsfrei zu schalten.

9. Es ist verboten, Versuchseinrichtungen unnötigerweise (zum Bei-spiel in Arbeitspausen) unter Spannung zu halten.

10. Defektes Material muss sofort gemeldet werden.

11. Folgende fünf Sicherheitsregeln müssen eingehalten werden:

1. Freischalten (z. B. Spannungsversorgung auf 0 V einstellen und Kabel trennen – Sicherheitshaube muss noch geschlos-sen bleiben).

2. Gegen Wiedereinschalten sichern.

3. Spannungsfreiheit überprüfen (z.B. überprüfen, ob Zwi-schenkreiskondensatoren auf ungeährliche Spannung < 60 V und ungeährliche Energie < 350 mJ entladen sind).


4. Erden und kurzschliessen (z.B. um sicherzustellen, dass Zwischenkreiskondensatoren tatsächlich entladen sind).

5. Benachbarte, unter Spannung stehende Teile abde-cken oder abschranken (→ Sicherheitshaube kann danach geöffnet werden)

12. Sämtliche Arbeiten an der Hausinstallation sind verboten.

13. Man studiere die Anschläge über Massnahmen ür erste Hilfe und bei Schadenereignissen. Im Notfall unverzüglich die ETH interne Notfallnummer (888) kontaktieren. Bei Unällen ist zusätzlich das Sekretariat zu benachrichtigen (Tel. intern 2 28 33).



Zur praktischen Arbeit in einem Labor gehören immer auch der Austausch und die Diskussion mit anderen anwesenden Personen. Deshalb: wenn Sie Fragen haben oder wenn Sie etwas genauer wis-sen möchten, als es in der Anleitung beschrieben ist, zögern Sie nicht, auf die Assistierenden zuzugehen und Ihre Fragen mit ihnen zu diskutieren!

Photovoltaik 13

1 Photovoltaik

Die Photovoltaik beschreibt die direkte Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie, welche durch Solarzellen ermöglicht wird. In diesem Ka-pitel wird die Solarzelle näher untersucht und die charakteristischen nicht-linearen Kennlinien messtechnisch ermielt. Als Lichtquelle im Labor wird ein Scheinwerfer eingesetzt, dessen Startverhalten zu Beginn kurz unter-sucht wird.

1.1 Inbetriebnahme der Beleuchtung

Die künstliche Lichtquelle ür das Photovoltaikmodul ist ein Scheinwerfer mit einer 400 W Hochdruck-Natriumdampflampe (Abb. 1.1). Dieser Lampen-typ erreicht seine volle Leuchtkra erst nach einer gewissen Zeit, die in die-sem Experiment ermielt werden soll.

Abb. 1.1: Scheinwerfer (Philips Tempo 3) mit Hochdruck-Natri-umdampflampe zur künstlichen Beleuchtung des Photovoltaik-moduls.

Verwenden Sie bei diesem Experiment eine Sonnenbrille, die Leuchtkraft des Scheinwerfers ist sehr hoch. Vermeiden Sie den direkten Blick in die Lampe und den Kontakt mit dem Scheinwer-fer – Verbrennungsgefahr!

Photovoltaik 14

Beim Aufnehmen von Messdaten im Labor bewährt es sich, eine entsprechende Excel-Tabelle vorzubereiten, in der die Messpunkte erfasst werden können. Dabei kann automatisch ein Plot erzeugt werden, so dass fortlaufend die Plausibilität von neuen Messpunk-ten beurteilt werden kann. Beachten Sie, dass nicht in jedem Fall die komplette Messtabelle ausgeüllt werden muss, wenn dies z. B. aufgrund eines deutlich sichtbaren Zusammenhangs, der mit we-niger Punkten bestätigt werden kann, nicht notwendig ist.

Dies wird hier im Praktikum ebenfalls so gehandhabt. Sie können entsprechend vorbereitete Excel-Workbook von der Website des Praktikums herunterlanden (Link).

Alle Aufgaben, deren Resultate in diesem Excel-Worksheet erfasst

werden sollten, sind mit einem kleinen Excel-Symbol ( ) gekenn-zeichnet. Für jede Aufgabe existiert ein entsprechendes Arbeits-blatt im Workbook.

Bauen Sie die Messschaltung nach Abb. 1.2 auf.

Messen Sie die Beleuchtungsstärke E des Scheinwerfers an einem festen Punkt auf dem Photovoltaikmodul in Abhängig-keit der Zeit. Tragen Sie die Helligkeitswerte (Lux) im vorberei-teten Excel-Worksheet („1.1 Leuchte“) ein und betrachten Sie den entsprechenden Verlauf als Funktion der Zeit.

Wie lange braucht der Strahler, bis er seine maximale Helligkeit erreicht?

Beobachten Sie den Lampenstrom mit dem Oszilloskop.

Versuchen Sie aus den Messwerten Strom und Spannung am Oszilloskop den Momentanwert und den Mittelwert der Leis-tung zu bestimmen. Verwenden Sie dazu den „Math“-Modus.

Photovoltaik 15

Die Beleuchtungsstärke ändert sich zunächst sehr schnell, so dass in der ersten Minute nach dem Start der Lampe mehrere Mess-punkte aufgenommen werden sollten. Danach genügt eine grö-bere Zeiteinteilung der Messpunkte.

Bezeichner Wert Kommentar A1 Schalterbox Schalterbox ür Scheinwerfer E1 230 V/400 W Scheinwerfer Philips Tempo 3 P1 Ch1, Ch2 Oszilloskop Agilent DSO-X 2004A P2 100 mV/A Stromzange Agilent 1146A P3 PAN LX1308 Luxmeter

Abb. 1.2: Messschaltung zur Stromaufnahme des Scheinwerfers mit Helligkeitsmessung.

Informationen zu den Schaltplansymbolen befinden sich im An-hang dieser Anleitung.

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Photovoltaik 16

1.2 Kennlinien des Photovoltaikmoduls

Im Prinzip sind Photovoltaikmodule eine Zusammenschaltung grossflächi-ger Fotodioden, die als Stromquellen arbeiten. In der Regel wird als Halb-leitermaterial Silizium verwendet, das in der Erdkruste in beliebig grossen Mengen zur Verügung steht. Man unterscheidet zwischen amorphen, mo-nokristallinen und polykristallinen Zellen. Das im Labor verwendete Modul besteht aus poly-kristallinem Silizium mit einem guten Verhältnis zwischen Wirkungsgrad und Kosten.

Im Halbleiter werden bei Zuührung von Lichtenergie freie Ladungsträger generiert. Aufgrund der Kombination einer n- und einer p-dotierten Silizi-umschicht wird ein elektrisches Feld gebildet (Raumladungszone), welches die freien Ladungsträger beschleunigt und letztendlich zum Stromfluss ührt. Die Oberfläche des Modules ist mit einer Siliziumnitrit-Schicht überzogen, welche die Lichtreflektion am Silizium stark reduziert und zu der typisch bläulich-schwarzen Farbe des Moduls ührt.

Das vollständige Ersatzschaltbild einer Solarzelle ist in Abb. 1.3(a) darge-stellt. Die Diffusionskapazität CD spielt ür den Gleichstrombetrieb keine Rolle. Der Parallelwiderstand Rp charakterisiert Kristallfehler (nicht-ideale Dotierung und andere Materialdefekte, welche den p-n-Übergang überbrü-cken) sowie Schadstellen an den Rändern und Kratzer an der Oberfläche. Der Serienwiderstand Rs erfasst den Bahnwiderstand im Halbleiter sowie Zulei-tungs- und Kontaktwiderstände.

Mithilfe des Ersatzschaltbildes kann die charakteristische Strom- und Span-nungskennlinie einer Solarzelle erklärt werden. Für das im Labor verwen-dete Photovoltaikmodul BP SX310J von BP Solar sind die Kennlinien in Abb. 1.3(b) dargestellt (die Daten wurden aus dem Datenbla des Herstellers ent-nommen). Man erkennt das typische nichtlineare Verhalten eines Moduls. Im Falle eines Kurzschlusses am Ausgang (U1 = 0 V) fliesst ein Kurzschluss-strom I1(sc), welcher den Endpunkt der Kennlinie auf der Ordinatenachse dar-stellt. Wird das Modul nicht belastet (I1 = 0 A), liegt die Leerlaufspannung U1(oc) am Modul an (Endpunkt der Kennlinie auf der Abszissenachse). In bei-

Photovoltaik 17

Iph

CD

Rs

Rp

… … … …

Fotostrom Diffusionskapazität Serienwiderstand Parallelwiderstand

(a) (b)

(c)

Elektrische Daten (Einstrahlung 1000 W/m2, Zellentemperatur 25 °C)

Maximale Leistung P1(max) 10 W Kurzschlussstrom I1(sc) 0.65 A

Spannung im MPP U1(MPP) 16.8 V Leerlaufspannung U1(oc) 21.0 V

Strom im MPP I1(MPP) 0.59 A

Abb. 1.3: (a) Vollständiges Ersatzschaltbild, (b) Strom- /Span-nungskennlinie des Photovoltaikmoduls BP SX310J bei einer Son-neneinstrahlung von 1000 W/m2 und unter-schiedlichen Modultemperaturen (extrahiert aus Datenbla; gestrichelt: aus U-I-Kennlinie berechnete spannungsabhängige Leistungskurve). (c) Charakteristische elektrische Daten des eingesetzten Moduls.

den Endpunkten ist die Ausgangsleistung P1 folglich gleich Null. Ausgehend von der spannungsabhängigen Stromkurve wurde durch Bilden des Produk-tes aus Spannung und Strom die die Ausgangsleistung als Funktion der Aus-gangsspannung berechnet und ebenso in die Grafik als gestrichelte Kurve eingezeichnet. Man erkennt unmielbar ein Maximum der Ausgangsleis-tung, den sogenannten „Maximum Power Point“ – kurz MPP.

Photovoltaik 18

Das primäre Ziel beim Betrieb eines Photovoltaikmoduls ist folglich den MPP zu erreichen, was nicht trivial ist, denn der MPP ist beispielsweise ab-hängig von der spektralen Verteilung der optischen Strahlung (infrarote Strahlung, Licht und ultraviolee Strahlung) und der Temperatur. Die Tem-peraturabhängigkeit ist deutlich in Abb. 1.3(b) zu erkennen: Der MPP er-streckt sich über den Bereich von 8.7 W / 13.8 V bei 75  Oberflächentemperatur bis zu 11.7 W / 20.1 V bei 0  Oberflächentemperatur.

Für die folgenden Experimente ist die Kenntnis des MPP elementar und soll deshalb in einem Experiment ermielt werden. Dazu wird das Photovoltaik-modul mit einer leistungsstarken (400 W) Hochdruck-Natriumdampflampe beleuchtet. Man wird erkennen, dass die vom Hersteller angegeben Daten (vgl. Abb. 1.3(b) und (c)) nicht erreicht werden können. Das liegt unter an-derem an dem vom Tageslicht abweichenden Spektrum der Lampe und der Temperatur des Panels. (Die Temperatur kann während des Versuchs mit IR-ermometern überprü werden.)

Verwenden Sie bei diesem Experiment wieder eine Sonnenbrille und vermeiden Sie den direkten Blick in die Lampe und die Be-rührung mit dem Scheinwerfer!

Photovoltaik 19


Messen Sie die Kennlinie U1 = f(I1) des Photovoltaikmoduls, indem Sie den Belastungswiderstand R1 verändern (ev. müssen sowohl der 100..600 Ω- als auch der 0..100 Ω-Widerstand verwen-det werden). Tragen Sie 10 – 20 Werte in sinnvollen Abständen im Arbeitsblatt „1.2 Photovoltaikmodul“ ein. Sie sollten diesen Versuch erst durchühren, nachdem sich die Lichtleistung der Lampe nicht mehr weiter verändert (warum?).

Errechnen Sie die Modulleistung in jedem Messpunkt und be-stimmen Sie den Punkt der maximalen Leistung, den sogenann-ten MPP (Maximum Power Point).

Schatten Sie das Photovoltaikmodul mit einem kleinen Blatt (z. B. mit einem Post-It, das Sie von den Assistierenden erhalten können) ab, so wie es auch bei realen Installationen beispiels-weise durch herabfallendes Laub vorkommen kann, und wieder-holen Sie die Kennlinienmessung.

Bestimmen Sie wieder den MPP – diesmal mit Abschattung. Notieren Sie die Kenndaten der beiden MPPs in Tab. 1.1 und/o-der im Excel-Arbeitsblatt.

Um wie viel Prozent ist die Leistungsähigkeit des Moduls mit einer verhältnismässig kleinen Abschattung durch das Blatt ab-gefallen? Werten Sie den prozentualen Leistungsabfall zum pro-zentualen Flächenwegfall aus.

Schätzen Sie den Wirkungsgrad der gesamten Anordnung ab.

Beachten Sie, dass der Kondensator C1 (2 x 4.7 mF) bereits in der Box auf der Rückseite des Solarmoduls integriert ist. Sie können

Photovoltaik 20

diese Box mit Hilfe eines Schraubenziehers öffnen und dies verifi-zieren. Es ist also kein externer Kondensator im Schaltungsaufbau vorzusehen.

Bezeichner Wert Kommentar B1 BP SX310J Photovoltaikmodul E1 230 V/400 W Scheinwerfer Philips Tempo 3 P1 U1 Multimeter Fluke 175 P2 I1 Multimeter Fluke 175

C1 2 x 4.7 mF/25 V Al-Elektrolyt-Kondensator (im Photovoltaikmo-dul integriert!)

R1 600 Ω od. 100 Ω Belastungswiderstand X1 230 V AC

Abb. 1.4: Messschaltung zur Aufnahme der Kennlinien des Photo-voltaikmoduls.

U1(MPP) P1(MPP) @ MPP

(V) (W) nicht abgeschattet abgeschattet

Tab. 1.1: Maximale Leistung im MPP bei voller Beleuchtung und bei teilweiser Abschaung und Spannung U1(MPP), bei welcher diese maximale Leistung bezogen werden kann.

Photovoltaik 21

Es ist also zu erkennen, dass je nach Sonneneinstrahlung die Spannung, bei der die maximale Leistung vom Photovoltaikmodul bezogen werden kann, variiert. Möchte man einen Verbraucher versorgen, der eine gegebene Ein-gangsspannung von beispielsweise 12 V erwartet, benötigt man eine Schal-tung, bei der auf der einen Seite eben diese 12 V ausgegeben werden, während gleichzeitig auf der anderen Seite die Spannung so eingestellt wer-den kann, dass das Photovoltaikmodul im MPP betrieben wird. Eine solche Schaltung muss also ein einstellbares Verhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung aufweisen. Am Beispiel des Tiefsetzstellers (Vin > Vout) und des Hochsetzstellers (Vin < Vout) werden in den folgenden beiden Ver-suchsnachmiagen zwei entsprechende Grundschaltungen der Leistungs-elektronik untersucht.

Energiewandlung und Anpassung 22

2 Energiewandlung und Anpassung

Bei der Verwendung erneuerbarer Energien werden mechanische, chemi-sche und photovoltaische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Um die gewonnene elektrische Energie letztendlich nutzen zu können sind leis-tungselektronische Systeme notwendig, welche unter anderem den Leis-tungsfluss regeln, Spannungsniveaus anpassen und Spannungsformen wandeln. Der Einsatz leistungselektronischer Systeme ist in Abb. 2.1 veran-schaulicht.

Abb. 2.1: Veranschaulichung der Energiewandlung und an-schliessende Anpassung, Regelung und Umwandlung der elektrischen Energie mithilfe leistungselektronischer Systeme.

Energiewandlung und Anpassung 23

Ausgehend von der in einem Photovoltaikmodul erzeugten Gleichspannung werden beispielsweise Wechselrichter eingesetzt zur Wandlung und Anpas-sung der generierten Gleichspannung in eine Wechselspannung zur Einspei-sung in das lokale Netz. Zum anderen werden Gleichspannungswandler zur Anpassung des Spannungsniveaus an den Verbraucher verwendet, beispiels-weise beim Laden einer Baerie oder beim Betreiben eines Gleichstrommo-tors. Das breite Spektrum der Leistungselektronik wird in den entsprechenden Verlesungen im ünen und höheren Semestern vermielt.

In diesem Praktikum beschränken wir uns auf die Verwendung eines Tief-setzstellers zur Ermöglichung des MPP-Betriebes und gleichzeitiger Anpas-sung an eine geringere Gleichspannung eines Verbrauchers (12 V) im nächsten Kapitel. In Kapitel 4 wird ein Hochsetzsteller eingeührt, mit dem ein Hochsetzen der Spannung möglich ist und beispielsweise ein 24 V-Ver-braucher angeschlossen werden kann.

Gleichspannungswandler – Tiefsetzsteller 24

3 Gleichspannungswandler – Tiefsetzsteller

Zur Anpassung der Ausgangsspannung des Photovoltaikmoduls an die eines Verbrauchers und zur Optimierung der Ausgangsleistung (MPP) wird in die-sem Kapitel ein Tiefsetzsteller (Englisch „buck converter“ oder „step-down converter“) eingesetzt. Im Abschni 3.1 wird die Funktionsweise des Tief-setzstellers kurz erläutert. Im Anschluss werden die Hauptkomponenten di-mensioniert, messtechnisch überprü und der Tiefsetzsteller in Betrieb genommen.

3.1 Aufbau und Funktionsweise des Tiefsetzstellers

Der Tiefsetzsteller gehört zu den nicht-potentialgetrennten Gleichspan-nungswandlern. Die Grundstruktur und eine mögliche technische Realisie-rung ist in Abb. 3.1 dargestellt. Am Eingang des Tiefsetzstellers befindet sich eine Spannungsquelle (das Photovoltaikmodul mit Spannung U1) und am Ausgang wird eine Last angeschlossen (symbolisiert durch einen Lastwider-stand R).

(a) (b)

Abb. 3.1 (a) Grundstruktur des Tiefsetzstellers. (b) Mögliche tech-nische Realisierung.

Es gibt grundsätzlich zwei Schaltzustände wie in Abb. 3.1 illustriert: Wäh-rend der Zeit ton befindet sich der Schalter in Position 1 (vgl. Abb. 3.1(a)) und an der Induktivität liegt die Differenz aus Eingangsspannung und Ausgangs-spannung (U1 – U2) an. Während der Zeit toff befindet sich der Schalter aus


Abb. 3.1(a) in Position 2 und an der Induktivität L liegt die Ausgangsspan-nung –U2 an. Unter der Annahme einer konstanten Eingangsspannung U1 und unter Vernachlässigung des schaltfrequenten Spannungsrippels am Kondensator C, das heisst, die Kapazität C sei hinreichend gross, sodass die Ausgangsspannung U2 konstant ist, ergeben sich die Strom- und Spannungs-verläufe an der Induktivität L wie in Abb. 3.2 dargestellt.

Abb. 3.2: Verlauf des Stromes iL und der Spannung uL an der In-duktivität L resultierend aus den beiden Schaltzuständen (konti-nuierliche Stromührung).

Der lineare Mielwert der Induktivitätsspannung uL ist im stationären Fall gleich Null (positive und negative Spannungs-Zeit-Flächen während der An- und Aus-Phase sind gleich gross), das heisst

𝑢 =

1

𝑇𝑢 𝑑𝑡 = 0 (3.1)


Setzt man die entsprechende Spannung der beiden Schaltzustände gemäss Abb. 3.2 in (3.1) ein, so ergibt sich

𝑢 =

1

𝑇(𝑡 (𝑈 − 𝑈 ) − 𝑡 ⋅ 𝑈 )

=1

𝑇(𝑡 (𝑈 − 𝑈 ) − (𝑇 − 𝑡 ) ⋅ 𝑈 ) == 0

(3.2)

Durch Umformen von (3.2) gelangt man direkt zum Spannungsüberset-zungsverhältnis des Tiefsetzstellers in Funktion des Tastverhältnisses D (D steht ür „duty cycle“):

𝑀 =

𝑈

𝑈=

𝑡

𝑇= 𝐷 (3.3)

Diese Herleitung soll an dieser Stelle genügen (es sei jedoch angemerkt, dass (3.3) nur im kontinuierlichen Betrieb des Tiefsetzstellers gilt, im sogenann-ten „lückenden Betrieb“ wird der Ausgangsstrom teilweise null und der Aus-druck ür D ändert sich). Da das Tastverhältnis D im Intervall von 0 bis 1 frei gewählt werden kann, wird mit (3.3) unmielbar deutlich, dass die Aus-gangsspannung des Tiefsetzstellers immer kleiner oder gleich (wenn ideale Bauteile verwendet würden) der Eingangsspannung ist.

Für eine vorgegebene Ausgangsspannung kann gemäss (3.3) das Testverhält-nis D so gewählt werden, dass die Eingangsspannung des Tiefsetzstellers ge-nau der MPP-Ausgangsspannung U1(MPP) des Photovoltaikmoduls entspricht und somit die maximale Leistung entnommen werden kann.

3.2 Berechnung der erforderlichen Tiefsetzstellerin-duktivität

Beispielha ist hier die Berechnung der erforderlichen Induktivität ür eine angenommene Spezifikation gezeigt. Wir nehmen an, der Tiefsetzsteller sei eingangsseitig ür die Nenndaten des Photovoltaikmoduls (P1(MPP) = 10 W,


U1(MPP) = 16.8 V, vgl. Abb. 1.3(c)) auszulegen. Am Ausgang soll eine Gleich-spannung von U2 = 12 V zur Verügung stehen, der angenommene Wir-kungsgrad des Tiefsetzstellers betrage η = 90 %.

Somit folgt aufgrund der Leistungserhaltung ür den Ausgangsstrom I2:

𝐼 =𝑃

𝑈=

𝜂𝑃

𝑈=

0.90 ⋅ 10W

12V= 0.75A (3.4)

Der Stromrippel betrage 10 % des Drosselstroms:

Δ𝑖 = 10% ⋅ 𝐼 = 0.1 ⋅ 0.75A = 75mA (3.5)

Die Einschaltdauer ton des Leistungstransistors ergibt sich mit dem Tastver-hältnis D zu:

𝐷 =

𝑈

𝑈=

12V

16.8V= 71.4%

𝑡 = 𝐷𝑇 = 𝐷1

𝑓=

0.714

5kHz= 143μs

(3.6)

Damit folgt der zur Einhaltung der Stromrippelspezifikation erforderliche Induktivitätswert zu:

𝐿 =

𝑢 Δ𝑡

Δ𝑖=

(𝑈 − 𝑈 )𝑡

Δ𝑖=

(16.8V − 12V) ⋅ 143μs

75mA = 9.2mH (3.7)

Die Induktivität, die Ihnen zur Verügung steht, ist eine Ferritdrossel des Typs Epcos E55/28/55 (Abb. 3.3) mit 176 Windungen eines Kupferlackdrah-tes mit 0.9 mm Durchmesser. Damit lässt sich der erforderliche AL-Wert be-rechnen. Der AL-Wert ist eine Kenngrösse, die von Herstellern spezifiziert gibt und bereits alle Materialkonstanten und die spezielle Geometrie der In-duktivität als Näherung zusammenfasst. Der benötigte AL-Wert ergibt sich also mit der gegebenen Windungszahl N zu:


𝐴 =

𝐿

𝑁=

9.2mH

176= 297nH (3.8)

Daraus kann nun der benötigte Luspalt s und die resultierende Säigungs-stromstärke IS (fragen Sie nach, wenn Ihnen der Begriff nicht bekannt sein sollte!) bestimmt werden:

𝐴 = Λ =

𝜇 𝐴

𝑠

⇒ 𝑠 =𝜇 𝐴

𝐴=

4𝜋 ⋅ 10Vs

Am⋅ 420mm

297nH= 1.78mm

𝐼 =𝐵 ⋅ 𝑠

𝜇 𝑁=

0.4T ⋅ 1.78mm

4𝜋 ⋅ 10 ⋅ 176= 3.22A

(3.9)

D. h. die Spule ist mit IS = 3.22 A bei einem Ausgangsstrom des Tiefsetzstel-lers von I2 = 0.75 A genügend überdimensioniert.


Abb. 3.3: Datenbla des zur Verügung stehenden Kerns EPCOS E55/28/55


Dimensionieren Sie nun den Tiefsetzsteller so, dass bei Betrieb

der Solarzelle im von Ihnen gemessenen MPP (vgl. Tab. 1.1, nicht abgeschatteter Fall) am Ausgang des Tiefsetzstellers eine Span-nung von U2 = 12 V bereitsteht.

Verwenden Sie also die gemessenen Werte ür U1(MPP) und P1(MPP) des Photovoltaikmoduls im MPP (vgl. Tab. 1.1), und folgen Sie den obigen Berechnungsschritten, wobei Sie folgende Annah-men treffen dürfen:

▷ η ≅ 90 %

▷ Schaltfrequenz fS = 5 kHz

▷ ΔiLpp soll etwa 10 % von IL = I2 betragen

▷ N = 176 (Spule am Arbeitsplatz)

Tragen Sie Ihre Zwischenresultate in die untenstehende Tab. 3.1 und/oder im Arbeitsblatt „3.2 Induktivitätsdim.“ ein.

Wie gross wird L? Welchen Luftspalt s müssen Sie folglich ein-stellen? Überlegen Sie sich auch, wo dieser Luftspalt im Kern überall auftritt, und was dies ür den zu messenden Wert bedeu-tet! Ist die resultierende Sättigungsstromstärke gross genug ür die Anwendung?

U1(MPP) P1(MPP) I2 ΔiLpp D ton L AL s sMess IS (V) (W) (A) (mA) (μs) (mH) (nH) (mm) (mm) (A)

Tab. 3.1: Dimensionierung der Tiefsetzstellerinduktivität ür die real am Photovoltaikmodul gemessene Spannung und Leistung im MPP.


3.3 Messtechnische Bestimmung der Induktivität und der Säigungsstromstärke

Die Induktivität und die Säigungsstromstärke können recht einfach mit ei-nem Oszilloskop und einer Stromzange bestimmt werden (siehe Messschal-tung gemäss Abb. 3.4). Dabei wird der Kondensator C1 über R1 definiert auf einen relativ kleinen Spannungswert (12 V) aufgeladen. Durch das Schliessen des Schalters S1 (realisiert durch Laborkabel) wird diese konstante Spannung an die Induktivität L1 gelegt, wodurch nach u = L ∙ di/dt der Strom linear steigt. Allerdings säigt die Induktivität recht bald und der Kondensator wird entladen. Aufgrund der Stromanstiegsgeschwindigkeit kann die Induk-tivität bestimmt werden und der Säigungsknick der Induktivität ist auch unmielbar ersichtlich.

Bauen Sie die Messschaltung nach Abb. 3.4 auf. Den Schalter

S1 können Sie durch Laborstrippen ersetzen.

Stellen Sie das Oszilloskop ein (Abb. 3.5(c)); fragen Sie einen Betreuer bei Problemen!

Versuchen Sie, ein Messergebnis nach (Abb. 3.5) zu erhalten.

Variieren Sie den Luftspalt indem sie die vorhandenen Kunststoffplättchen unterschiedlicher Dicke in verschiedenen Kombinationen zwischen die Kernhälften klemmen und üllen Sie die Messtabelle im Arbeitsblatt „3.3 Induktivität Stossver-such“ aus. Den Abstand zwischen den Kernhälften können Sie mit Hilfe der Fühlerlehren genau messen (beachten Sie aber, dass dieser Abstand sowohl im inneren als auch in den beiden äusseren Schenkeln auftritt – was heisst das ür den Luftspalt s?).

Interpretieren Sie den Plot von L und Isat als Funktion des Luft-spalts. Diskutieren Sie mit einer Betreuungsperson.


Schätzen Sie den Wicklungswiderstand der Spule ab und ver-gleichen Sie das Resultat mit einer Messung.

Bezeichner Wert Kommentar C1 22 mF/16 V Polarität beachten! G1 12 V Power Supply GW Instek GPS-3303 L1 D.U.T. Induktivität mit einstellbarem Luftspalt P1 Ch1-2 Oszilloskop Agilent DSO-X 2004A P2 100 mV/A Stromzange Agilent 1146A P3 UL Multimeter Fluke 175 R2 100 Ω/2 W S1 Schliesser Durch Laborstrippen herstellen

Abb. 3.4: Messschaltung zur Bestimmung der Induktivität und der Säigungsstromstärke miels Stossversuch.

Beim Anschliessen des Elektrolytkondensators muss unbedingt auf die korrekte Polarität geachtet werden! Explosionsgefahr! Verwenden Sie die bereitgestellten Schutzbrillen!


(a)

(b)

ANALOG Ch 1 Scale 1.00A/, Pos 2.00000A, Coup DC, BW Limit Off, Inv Off, Imp 1M Ohm Probe 10.0000 : 1, Skew 0.0s Ch 2 Scale 2.00V/, Pos 6.00000V, Coup DC, BW Limit Off, Inv Off, Imp 1M Ohm Probe 10.0000 : 1, Skew 0.0s TRIGGER Sweep Mode Normal, Coup DC, Noise Rej Off, HF Rej Off, Holdoff 40.0ns Mode Edge, Source Ch 2, Slope Rising, Level 5.97500V HORIZONTAL Mode Normal, Ref Center, Main Scale 1.000ms/, Main Delay 4.000000000ms ACQUISITION Mode Normal, Realtime On, Vectors On, Persistence Off

Abb. 3.5: Oszillogramm des Stossversuchs mit 2 ∙ 1 mm (a) und 2 ∙ 1.2 mm Luspalt (b) und Oszilloskop-Einstellungen.

Mit dem Messergebnis nach Abb. 3.5 ergibt sich beispielsweise folgender In-duktivitätswert:

𝐿 =

𝑈 ⋅ Δ𝑡

Δ𝑖=

12V ⋅ 3ms

3.82A= 9.42mH (3.10)

Die Säigungsstromstärke beträgt ür einen Luspalt von s = 2 ∙ 1.0 mm (vgl. Abb. 3.5(a)) etwas mehr als IS ≈ 3.25 A, was ziemlich gut mit dem in (3.9) be-rechneten Wert von 3.22 A ür s = 1.8 mm übereinstimmt.

Damit ist das Ende des ersten Versuchsnachmiages bereits erreicht! Nächs-tes Mal geht es mit der Dimensionierung des Ausgangskondensators des Tiefsetzstellers und der anschliessenden Inbetriebnahme der Schaltung wei-ter.


Holen Sie sich nun bei den Betreuungspersonen den Kurztest

zum ersten Versuchsnachmittag. Beantworten Sie die Fragen und besprechen Sie anschliessend Ihre Lösungen mit einer Be-treuungsperson.

Vergessen Sie nicht, Ihre Messresultate so zu speichern, dass Sie sie nächstes Mal wiederfinden können!

Gleichspannungswandler – Tiefsetzsteller 35 Gleichspannungswandler – Tiefsetzsteller 36


3.4 Bestimmung der erforderlichen Ausgangskapa-zität des Tiefsetzstellers

Der Ausgangskondensator C des Tiefsetzstellers bildet zusammen mit der Induktivität L ein Tiefpassfilter zweiter Ordnung. Dieses soll so ausgelegt werden, dass die an das Filter angelegte, getaktete Spannung nur zu einem kleinen Rippel in der Ausgangsspannung ührten. Eine einfache Dimensio-nierungsvorschri ür den Ausgangskondensator besteht darin, den Kon-densator C so zu wählen, dass die Resonanzfrequenz des LC-Filters 1 % der Schaltfrequenz beträgt:

𝑓 = 0.01𝑓 (3.11)

Damit ergibt sich bei einer Schaltfrequenz von fS = 5 kHz der Ausgangskon-densator C zu:

𝜔 =

1

√𝐿𝐶

⇒ 𝐶 =1

𝐿𝜔=

1

9.4mH ⋅ (2𝜋 ⋅ 50Hz)= 1.08mF

(3.12)

Der Kapazitätswert des am Arbeitsplatz vorhandenen 1 mF-Elektrolytkon-densators wird im folgenden Versuch durch Zeitkonstantenmessung verifi-ziert. Der Kondensator wird über einen Widerstand R auf eine Spannung aufgeladen. Die RC-Schaltung entspricht einem Tiefpass erster Ordnung und die Spannung am Kondensator steigt gemäss

𝑣 = 𝑉 ⋅ 1 − 𝑒 (3.13)

auf den Endwert an, wobei τ = R ∙ C die Zeitkonstante des RC-Gliedes be-zeichnet. Diese Zeitkonstante kann direkt gemessen werden, indem man die Tatsache verwendet, dass ür t = τ gilt:


𝑣 = 𝑉 ⋅ 1 − 𝑒 ≈ 0.63 ⋅ 𝑉 (3.14)

Über die Messung von τ kann bei bekanntem R indirekt also auch C gemes-sen werden.


Stellen Sie das Oszilloskop und den Funktionsgenerator ein (Rechtecksignal zwischen 0 V und 10 V, d. h. f = 1/T = 1/(8 s) = 0.125 Hz, Amplitude 10 Vpp, Offset 5 V – die Betreuenden helfen gerne beim Einstellen!) und versuchen Sie, ein Messergebnis nach Abb. 3.7 zu erhalten. Stellen Sie am Oszilloskop einen Cur-sor auf den Beginn des Ladevorgangs und den anderen Cursor auf 63 % des Endwerts, dort ist t = τ.

Warum ist die Eingangsspannung (Ch1) nicht rein rechteckör-mig? Wiederholen Sie die Messung ohne Kondensator.

Verwenden Sie nun ein Multimeter und messen Sie die Kapazi-tät damit direkt. Vergleichen Sie mit dem Ergebnis aus der Zeit-konstantenmessung.


Bezeichner Wert Kommentar C2 1 mF/63 V G2 Rechteck Funktionsgenerator Agilent 33210A P1 Ch1-2 Oszilloskop Agilent DSO-X 2004A R3 500 Ω

Abb. 3.6: Messschaltung zur Bestimmung des Kondensators durch Messung der Zeitkonstanten.

τ R C

(s) (Ω) (mF)

500

Tab. 3.2: Messung des Ausgangskondensators.



ANALOG Ch 1 Scale 2.00V/, Pos 5.95000V, Coup DC, BW Limit Off, Inv Off, Imp 1M Ohm Probe 10.0000 : 1, Skew 0.0s Ch 2 Scale 2.00V/, Pos 5.95000V, Coup DC, BW Limit Off, Inv Off, Imp 1M Ohm Probe 10.0000 : 1, Skew 0.0s TRIGGER Sweep Mode Auto, Coup DC, Noise Rej Off, HF Rej Off, Holdoff 40.0ns Mode Edge, Source Ch 1, Slope Rising, Level 2.55000A HORIZONTAL Mode Normal, Ref Center, Main Scale 500.0ms/, Main Delay 1.990000000000s ACQUISITION Mode Normal, Realtime On, Vectors On, Persistence Off

Abb. 3.7: Oszillogramm zur Messung des Ausgangskondensators des Tiefsetzstellers und Oszilloskop-Einstellungen

Mit dem Messergebnis nach Abb. 3.7 ergibt sich folgender Kapazitätswert:

mF

ms

RC 98.0

)50050(

540

(3.15)

Die Messung liefert 0.98 mF, das ist bei einer bei Elektrolytkondensatoren üblichen Kapazitätstoleranz von ±20 % durchaus plausibel.

Nachdem nun einige Dimensionierungsaspekte des Tiefsetzstellers beleuch-tet worden sind, wird im nächsten Schri die komplee Schaltung aufgebaut und in Betrieb genommen.


3.5 Aufbau des Tiefsetzstellers

Die Hauptkomponenten sind nun identifiziert und mit Hilfe des vorbereite-ten Chopper-Moduls kann ein einfacher Tiefsetzsteller aufgebaut werden, mit welchem eine Spannungsübersetzung von der MPP-Spannung des Pho-tovoltaikmoduls (ca. 16.8 V, vgl. Tab. 1.1) auf 12 V realisiert werden kann (Abb. 3.8). Der Einfachheit halber ist gegenüber der üblichen Anordnung in diesem Fall die Freilaufdiode oben und der MOSFET unten angeordnet. Dies erlaubt eine Ansteuerung des MOSFET mit einem auf Masse (GND) bezoge-nen Spannungssignal eines Funktionsgenerators. Im gegenständlichen Fall sind damit die Plus-Potentiale (+) miteinander verbunden, die grundsätzliche Funktionsweise des Stellers ändert sich nicht.

Bezeich-ner Wert Kommentar A1 Chopper Chopper Baugruppe


C1 1 mF/63 V G1 16.8 V Power Supply GW Instek GPS-3303 G2 Rechteck Funktionsgenerator Agilent 33210A L1 9.2 mH Induktivität mit einstellbarem Luftspalt (vgl. Ergeb-

nisse in Tab. 3.1) P1 Ch1-4 Oszilloskop Agilent DSO-X 2004A P2 100 mV/A Stromzange Agilent 1146A P3 I1 Multimeter Fluke 175 P4 I2 Multimeter Fluke 175 P5 U2 Multimeter Fluke 175 P6 U1 Multimeter Fluke 175 R1 100 Ω Belastungswiderstand

Abb. 3.8: Messschaltung zur Untersuchung des Tiefsetzstellers.

Bauen Sie die Messschaltung nach Abb. 3.8 auf. Verwenden Sie

ür die Einstellung des Luftspaltes der Induktivität Ihre Berech-nungen aus Tab. 3.1 (bzw. aus dem Arbeitsblatt „3.2 Induktivi-tätsdim.“. Stecken Sie zuerst den Strompfad (mit den Amperemetern) zusammen, und ergänzen Sie anschliessend die Spannungsmessgeräte. Achten Sie auf die Farben der Strip-pen (+ rot, GND schwarz).

Stellen Sie die Strombegrenzung des Netzgeräts auf ca. 1 A ein, Spannung vorerst 0 V, Ausgang noch aus.

Stellen Sie den Funktionsgenerator auf „Pulse“ mit einer Fre-quenz von 5 kHz, einer Amplitude von 10 Vpp, einem Offset von +5 V und einem Tastverhältnis von 20 %. Damit das mit dem vor-handenen Funktionsgenerator einfach möglich ist, muss dessen Ausgangsmodus auf „high impedance“ gestellt werden. Die Praktikumsbetreuung hilft gerne dabei und erklärt die Hintergründe!

Vergleichen Sie das Oszillogramm der Gatespannung (Ch1) mit den Einstellwerten des Funktionsgenerators. Sie sollten ein


Rechtecksignal mit einem Minimalwert von 0 V, einem Maxi-malwert von 10 V, einer Frequenz von 5 kHz und einem Tastver-hältnis von 20 % erkennen.

Sie können nun behutsam die Eingangsspannung des Tiefsetz-stellers auf den Wert der zuvor bestimmten MPP-Spannung er-höhen (z. B. 16.8 V). Wenn alles richtig funktioniert, erhöhen Sie dann zuerst das Tastverhältnis solange, bis am Ausgang die Nennspannung von 12 V anliegt und steigern danach den Aus-gangsstrom auf den Nennwert (I2 = P1(MPP)/12 V), indem Sie R1 anpassen. Sie sollten ein Oszillogramm nach Abb. 3.9 erhalten.

Vergleichen Sie die gemessenen mit den berechneten Werten (z. B. I2, ΔiLpp).

Variieren Sie nun die Last und das Tastverhältnis und beobach-ten Sie die Strom- und Spannungsformen am Oszilloskop; be-achten Sie dabei, dass der Lastwiderstand nur mit maximal 1 A belastet werden darf!

Verändern Sie behutsam (!) den Luftspalt der Induktivität und betrachten Sie den Stromrippel ΔiLpp. Vorsicht: bei zu kleinem Luftspalt sättigt die Spule!



(a)

(b)

(c)

ANALOG

Ch 1 Scale 5.00V/, Pos -7.50000V, Coup DC, BW Limit Off, Inv Off, Imp 1M Ohm

Probe 1.0000 : 1, Skew 0.0s

Ch 2 Scale 10.0V/, Pos 15.0000V, Coup DC, BW Limit Off, Inv Off, Imp 1M Ohm

Probe 10.0000 : 1, Skew 0.0s

Ch 3 Scale 500mA/, Pos 1.75000A, Coup DC, BW Limit Off, Inv Off, Imp 1M Ohm

Probe 10.0000 : 1, Skew 0.0s

Ch 4 Scale 500mA/, Pos 1.75000A, Coup DC, BW Limit Off, Inv Off, Imp 1M Ohm

Probe 10.0000 : 1, Skew 0.0s

TRIGGER

Sweep Mode Auto, Coup DC, Noise Rej Off, HF Rej Off, Holdoff 40.0ns

Mode Edge, Source Ch 1, Slope Rising, Level 3.00000V

HORIZONTAL

Mode Normal, Ref Center, Main Scale 50.00us/, Main Delay 0.0s

ACQUISITION

Mode Normal, Realtime On, Vectors On, Persistence Off

Abb. 3.9: Oszillogramm zur Messung des Tiefsetzstellers im Nennpunkt (a), Einschalt- (b) und Ausschaltverhalten (c) des MOSFET und Oszilloskop-Einstellungen.


Sie erkennen im Oszillogramm der Abb. 3.9 einen grossen Überschwinger beim Ausschalten des MOSFETs mit einer Spannungsbeanspruchung von 26.3 V bei einer Eingangsspannung von 16.8 V. Dies liegt an der großen Kom-mutierungsschleife, hauptsächlich bestehend aus der parasitären Induktivi-tät der Zuleitung und der parasitären Kapazität des MOSFET und den dadurch gebildeten LC-Schwingkreis. Die Schwingungsamplitude wird zu-sätzlich erhöht, da der Tiefsetzsteller über keinen eigenen Eingangskonden-sator verügt und die Kommutierung über den Ausgangskondensator des Netzgeräts erfolgen muss. Die Betreuungspersonen helfen gerne mit weite-ren Erklärungen zu diesem ema.

Wiederholen Sie daher die Messungen, nachdem Sie einen ge-

eigneten Kondensator unmittelbar am Eingang des Tiefsetzstel-lers angeschlossen haben. Sie werden erkennen, dass der Überschwinger beinahe nicht mehr erkennbar ist und die Span-nungsbeanspruchung des MOSFETs nun nur mehr 18.2 V be-trägt (Abb.3.10).

Abb. 3.10: Oszillogramm zur Messung des Tiefsetzstellers beim Ausschaltvorgang des MOSFET mit Eingangskondensator.


Sie haben bereits zuvor qualitativ den Einfluss des Tastverhältnisses D und des Laststromes I2 auf die Strom- und Spannungsformen betrachtet. Als nächstes sollen nun die zwei charakteristischen Kennlinien, U2 = f(I2) und U2 = f(D), des Tiefsetzstellers messtechnisch erfasst werden.

Messen Sie die Kennlinie U2 = f(I2) bei konstantem Tastver-hältnis D ausgehend vom Nennpunkt bis zum Leerlauf. Tragen Sie 10 – 20 Werte in sinnvollen Abständen im Arbeitsblatt „3.5a Tiefsetzsteller U2(I2)“ ein und bestimmen Sie jeweils den Wir-kungsgrad. Beachten Sie dabei den maximal zulässigen Strom im Lastwiderstand!

Bestimmen Sie den Ausgangswiderstand des Tiefsetzstellers.

Diskutieren Sie den Wirkungsgradverlauf.

Messen Sie nun die Kennlinie U2 = f(D) bei konstanter Belas-tung I2 mit D = 0…100 % (bzw. von 20 %...80 % mit den vorhande-nen Funktionsgeneratoren). Tragen Sie 10-20 Werte in sinnvollen Abständen im Arbeitsblatt „3.5b Tiefsetzsteller U2(D)“ ein.

Bestimmen Sie die Übertragungsfunktion U2 = f(D) des Tiefsetz-stellers.

Sehen Sie sich zum Abschluss die Strom- und Spannungsformen

im Lückbetrieb (Betriebszustand, bei dem der Spulenstrom zwi-schenzeitlich null wird) an. Überlegen Sie sich, in welchem Be-triebszustand sich dieses Verhalten einstellt (D, I2). Verwenden Sie gegebenenfalls den anderen Lastwiderstand mit einem Ein-stellbereich bis 600 Ω.

Antriebstechnik I 47

4 Antriebstechnik I

Eine mögliche Anwendung photovoltaischer Anlagen ist die Umwandlung der Energie der Sonne in mechanische Energie, beispielsweise durch Moto-ren. Diese Umwandlung soll in diesem Abschni näher untersucht werden, wobei sich die Untersuchung auf die Gleichspannungsanwendung be-schränkt. Der Auau und die Funktionsweise der eingesetzten permanent-erregten Gleichstrommaschinen werden zunächst zusammengefasst. Der Tiefsetzsteller wird eingesetzt um die Drehzahl zu regulieren. Die Kennlinien der Gleichstrommaschine werden messtechnisch ermielt.

4.1 Aufbau und Funktionsweise der Gleichstrom-maschine

Elektromotoren dienen der elektromechanischen Energiewandlung, beru-hend auf den Kräen, die verschiedene Magnetfelder aufeinander ausüben. Im Fall der betrachteten Gleichstrommaschinen wird ein stationäres magne-tisches Feld B durch Permanentmagnete im Stator (dem ruhenden Teil des Motors) erzeugt. Die Stromzuührung der Gleichspannungsquelle von der ruhenden Zuleitung zu den rotierenden Rotorspulen geschieht über Bürsten, die auf dem Stromwender schleifen (Abb. 4.1(b)). Der Stromwender bewirkt, dass der Strom in der oberen Häle des Motors immer aus der Zeichenebene hinaus und in der unteren Häle in die Zeichenebene hinein zeigt. Sobald die obere Leiterhäle in den unteren Motorbereich dreht, wird die Strom-richtung automatisch gewendet. Gemäss Rechtehandregel (siehe Grafik Abb. 4.2 (a)) wirkt diese Kra F auf den Leiter im B-Feld und der Rotor erährt eine Drehbewegung. Nur dank der Stromumkehrung wirkt eine gleichmässige Kra auf den Rotor, welcher dann eine gleichmässige Drehbewegung er-ährt. Ohne diese Stromumkehrung wäre eine Rotation nicht möglich und der Rotor würde in der horizontalen Position zum Stehen kommen.


F I l B

… … … …

Lorentzkraft Leiterstrom Weg ( Ladung q in Zeit t) Magnetische Flussdichte

Rw

Lw

uind

… … …

Wicklungswiderst. Wicklungsinduktivi. induzierte Spannung

(a) (b)

Abb. 4.2 (a) Lorentzkra auf einen stromdurchflossen Leiter im Magnetfeld. (b) Einfaches Ersatzschaltbild permanenterreg-ter Gleichstrommotor.

(a)

(b)

Abb. 4.1 Prinzip der Dreherzeugung. (a) Stromverlauf, (b) Feldverlauf und Kra-richtung.


Ein einfaches Ersatzschaltbild der permanenterregten Gleichstrommaschine ist in Abb. 4.2(b) dargestellt. Die Wicklung wird miels ohmschen Wider-stand Rw und einer Induktivität Lw modelliert. Die in der Wicklung indu-zierte Spannung wird durch eine drehzahlabhängige Spannungsquelle

nku Eind (4.1)

präsentiert, wobei kE eine Motorkonstante ist (Generator- oder Spannungs-konstante) und n die Drehzahl des Rotors. Teilweise wird in Datenbläern auch die Drehzahlkonstante kn angegeben, welche den Kehrwert der Gene-ratorkonstante kE repräsentiert. Analog zur Generator- oder Drehzahlkon-stante verknüp die Drehmomentkonstante kM das mechanische Drehmoment M und den aufgenommenen Motorstrom i:

ikM M (4.2)

Die Drehzahlkonstante und Drehmomentkonstante sind miteinander ver-knüp. Es gilt die Beziehung:

260000

Mn kk (4.3)

Die Motorkonstanten sind in der Regel in den Herstellerdatenblät-tern angegeben. Für die im Folgenden eingesetzten Maxon-Moto-ren befinden sich die Datenblätter im Anhang.

4.2 Bestimmung der Motorkennlinie

Eine der wichtigen Kennlinien ür Motoren zeigt die Drehzahl als Funktion des Drehmomentes bzw. als Funktion des Ankerstromes, der mit der Dreh-momentkonstante direkt gekoppelt ist (vgl. (4.2)). Um diese Kennlinie aufzu-nehmen wird ein Motorenprüfstand verwendet. Gespeist von einer Gleichspannungsquelle (Labornetzteil) wird die Ankerspannung mithilfe des


Tiefsetzstellers auf einen bestimmten Wert eingestellt. Der Motor ist gekop-pelt mit einer zweiten Gleichstrommaschine, die hier als Generator betrieben wird. Der Generator ist mit der Widerstandslast verbunden. Wird der Last-widerstand verringert, erhöht sich das Moment im Motor und damit auch der messbare Ankerstrom.

Zur Messung der Drehzahl wurde eine Lochscheibe an der Rotorwelle instal-liert. Mithilfe einer Lichtschranke werden pro Umlauf vier Spannungspulse erzeugt. Mit dem Oszilloskop können die Impulse direkt als Frequenz ausge-wertet werden.

Interessant ist auch die Übertragungseffizienz der Anordnung, die sich zum einem aus dem Verhältnis der mechanischen und elektrischen Leistung be-stimmen lässt

MnPmech

60

2 , (4.4)

oder direkt aus dem Verhältnis der vom Motor aufgenommen und vom Ge-nerator erzeugten elektrischen Leistung berechnet werden kann. Die Effizi-enz einer Gleichstrommaschine ergibt sich gerade aus der Wurzel der Gesamteffizienz der Ein- und Ausgangsschaltung (unter der Annahme, dass beide Motoren die gleiche Effizienz haben).

Bauen Sie die Messschaltung nach Abb. 4.3 auf. Erstellen Sie zu-

erst den Strompfad (mit den Amperemetern) und schliessen Sie dann die Spannungsmessgeräte an.

Stellen Sie die Strombegrenzung des Netzgeräts auf ca. 1 A ein, die Spannung auf ca. 16 V, Ausgang noch aus.

Stellen Sie den Funktionsgenerator auf „Pulse“ mit einer Fre-quenz von 5 kHz, einer Amplitude von 10 Vpp, einem Offset von +5 V und einem Tastverhältnis von 20 %.


Bereiten Sie am Oszilloskop alle nötigen Messungen vor (DC-RMS-Wert des Motorstromes, Motordrehzahl bzw. Frequenz der durch die Lichtschranke erzeugten Pulse), indem Sie das „Meas“-Menu verwenden. Stellen Sie sicher, dass die Strom-messzange vor diesem Versuch korrekt kalibriert ist.

Nehmen Sie die Schaltung in Betrieb und erhöhen Sie das Tast-verhältnis bis die Ankerspannung am Motor ca. 12 V beträgt.

Variieren Sie nun die Last (I2) und nehmen Sie die erforder-lichen Daten ür die Motorkennlinie auf und üllen Sie die Ta-belle im Arbeitsblatt „4.2 Motorkennlinie“ aus. Überlegen Sie sich, wie Sie von der gemessenen Frequenz der Lichtschranke auf die Motorendrehzahl umrechnen müssen.

Wiederholen Sie den Versuch mit einer geringeren Ankerspan-nung (z. B. 8 V, D entsprechend anpassen) und üllen Sie die zweite Tabelle im Arbeitsblatt aus.

Bezeichner Wert Kommentar A1 Chopper Chopper Baugruppe


G1 Rechteck, 5 kHz Funktionsgenerator Agilent 33210A G2 16 V Power Supply GW Instek GPS-3303 G3 5 V Power Supply GW Instek GPS-3303 L1 9.2 mH Induktivität mit einstellbarem Luftspalt P1 Ch1-4 Oszilloskop Agilent DSO-X 2004A P2 100 mV/A Stromzange Agilent 1146A P3 U1 Multimeter Fluke 175 P4 I2 Multimeter Fluke 175 P5 U2 Multimeter Fluke 175 R1 100 Ω Belastungswiderstand NUSLab Motorprüfstand

Abb. 4.3 Messschaltung zur Bestimmung der Motorkennlinie.

Da der Motor bereits eine eigene Induktivität besitzt, wäre prinzi-piell die externe Induktivität L nicht notwendig. Die Induktivität der Motorwicklung ist jedoch vergleichsweise gering, was zu ei-nem diskontinuierlichen Strom ühren würde (Lückbetrieb). In diesem Fall ist das hergeleitete Spannungsübersetzungsverhältnis nicht mehr gültig. (Die Theorie dazu wird in der Vorlesung Leis-tungselektronik im 5. Semester vermittelt.)

Sie können nun versuchen, anstelle des Netzgerätes die Solar-

zelle anzuschliessen. Durch Variation des Tastverhältnisses kön-nen Sie dann versuchen, den MPP anzufahren.

Bitte bearbeiten Sie nun den Kurztest ür den zweiten Nachmit-

tag und besprechen Sie Ihre Lösungen mit den Betreuungsper-sonen.

Vergessen Sie nicht, Ihre Messresultate so zu speichern, dass Sie sie nächstes Mal wieder finden können!

Antriebstechnik I 53 Antriebstechnik I 54

Gleichspannungswandler – Hochsetzsteller 55

5 Gleichspannungswandler – Hochsetzsteller

Im letzten Kapitel wurde ein Gleichspannungswandler ür eine Last ausge-legt, die eine geringere Spannung als die Ausgangsspannung des Photovol-taikmoduls aufweist. In diesem Kapitel wird ein Hochsetzsteller benutzt, um eine höhere Ausgangsspannung als die des Moduls zu erzeugen und immer noch die maximale Leistung zu entnehmen. In Abschni 5.1 wird zunächst eine kurze Einührung in den Auau und die Funktionsweise des Hochsetz-stellers gegeben. Anschliessend wird der Hochsetzsteller in Betrieb genom-men und in Kapitel 6 mit dem Photovoltaikmodul gekoppelt.

(a) (b)

Abb. 5.1 (a) Grundstruktur des Hochsetzstellers. (b) Mögliche technische Realisierung.

5.1 Aufbau und Funktionsweise des Hochsetzstellers

Mit dem Ziel eine höhere Ausgangsspannung zu generieren liegt es nahe, die elle und die Last der aus dem letzten Kapitel bekannten Tiefsetzsteller-Struktur (vgl. Abb. 3.1(a)) zu vertauschen. Die resultierende Schaltstruktur ist in Abb. 5.1(a) dargestellt. Wie beim Tiefsetzsteller werden wieder zwei Schaltzustände unterschieden: Befindet sich der Schalter in Abb. 5.1(a) in Po-sition 1, liegt die Eingangsspannung U1 über der Induktivität L an und die Induktivität wird aufmagnetisiert. Befindet sich der Schalter in Position 2, addieren sich die Spannungen an der Induktivität L und elle U1 zur Aus-gangsspannung U2 und die in der Induktivität gespeicherte Energie wird zur


Last übertragen. Die Induktivität fungiert beim Hochsetzsteller also als Spei-cherdrossel im Gegensatz zum Tiefsetzsteller, bei dem die Induktivität als Gläungsdrossel eingesetzt wird.

(a) (b)

Abb. 5.2 (a) Verlauf des Stromes iL und der Spannung uL an der Induktivität L resultierend aus den beiden Schaltzuständen (kon-tinuierliche Stromührung). (b) Spannungsübersetzungsverhält-nis.

Die resultierenden Spannungs- und Stromverläufe der Induktivität L sind in Abb. 5.2 ür einen kontinuierlichen Strom (Strom in der Induktivität sinkt nicht auf null) dargestellt. Das Spannungsübersetzungsverhältnis des Hoch-setzstellers kann analog zum Tiefsetzsteller über das Spannungszeitflächen-Gleichgewicht an der Induktivität hergeleitet werden:

𝑢 = 𝑈 ⋅ 𝐷 ⋅ 𝑇 + (𝑈 − 𝑈 ) ⋅ (1 − 𝐷) ⋅ 𝑇 == 0 (5.1)

Daraus erhält man unmielbar das Spannungsübersetzungsverhältnis:


𝑀 =

𝑈

𝑈=

1

1 − 𝐷 (5.2)

dessen Graph in Abb. 5.2(b) gezeichnet ist.

Aus der Abbildung Abb. 5.2(b) und auch aus Formel (5.2) ist unmielbar er-sichtlich, dass je nach Tastverhältnis (duty cycle) D theoretisch beliebig hohe Ausgangsspannungen eingestellt werden können. Darum ist beim Arbeiten mit dem Hochsetzsteller besondere Vorsicht geboten!

Wie aus der Gleichung ür das Tastverhältnis ersichtlich ist, kann die Ausgangsspannung theoretisch beliebig hohe Werte annehmen (wenn D gegen 1 geht). Besondere Vorsicht ist also geboten, um Personen und Geräte vor hohen Spannungen zu schützen!

Diese kurze Einührung der Funktionsweise soll an dieser Stelle genügen. (Der Hochsetzsteller wird in der Vorlesung Leistungselektronik näher be-handelt.) Eine mögliche praktische Realisierung, die im Folgenden aufgebaut und in Betrieb genommen wird, ist in Abb. 5.1(b) illustriert.

5.2 Aufbau und Inbetriebnahme des Hochsetzstel-lers

Dimensionieren Sie die Induktivität ür den Hochsetzsteller (12 V am Ein-gang, 24 V am Ausgang bei 1 A Ausgangsstrom) und verwenden Sie den ge-messenen Zusammenhang L = f(s) zur Einstellung des Luspalts (vgl. Arbeitsbla „3.3 Induktivität Stossversuch“). Die folgenden Messergebnisse wurden mit L = 9.2 mH realisiert.


Bauen Sie die Messschaltung nach Abb. 5.3 auf. Erstellen Sie zu-

erst den Strompfad (mit den Amperemetern) und schliessen Sie anschliessend die Spannungsmessgeräte an. Achten Sie auf die Farben der Strippen (+ rot, GND schwarz).

Stellen Sie die Strombegrenzung des Netzgeräts auf ca. 3 A ein, Spannung vorerst auf 0 V, Ausgang noch aus.

Stellen Sie den Funktionsgenerator auf „Pulse“ mit einer Fre-quenz von 5 kHz, einer Amplitude von 10 Vpp, einem Offset von +5 V und einem Tastverhältnis von 20 % (!) – warum ist das wich-tig?

Vergleichen Sie das Oszillogramm der Gatespannung (Ch1) mit den Einstellwerten des Funktionsgenerators. Sie sollten ein Rechtecksignal mit einem Maximalwert von 10 V, einem Mini-malwert von 0 V, einer Frequenz von 5 kHz und einem Tastver-hältnis von 20 % erkennen.

Sie können nun behutsam die Eingangsspannung des Hochsetz-stellers auf den Nennwert erhöhen (in diesem Fall auf 12 V). Wenn alles richtig funktioniert, erhöhen Sie anschliessend das Tastverhältnis und danach den Ausgangsstrom auf den Nenn-wert (24 V Ausgangsspannung, und max. 1 A Ausgangsstrom im Lastwiderstand) und vergleichen Sie die gemessenen mit den be-rechneten Werten. Sie sollten ein Oszillogramm nach Abb. 5.4 er-halten.

Variieren Sie die Last und das Tastverhältnis und beobachten Sie die Strom- und Spannungsformen am Oszilloskop. Beachten Sie dabei unbedingt die folgenden Sicherheitshinweise!


Seien Sie besonders vorsichtig beim Betrieb des Hochsetzstel-lers! Bei Entlastung oder fehlerhafter Einstellung des Tastverhält-nisses kann die Ausgangsspannung unzulässig hohe Werte annehmen, die zur Zerstörung der Komponenten ühren können (Explosionsgefahr)!

Es soll deshalb eine Überspannungsbegrenzungsdiode parallel zum Ausgangskondensator vorgesehen werden; Sie finden eine entsprechende Transient Voltage Suppressor (TVS) Diode im Klein-teilemagazin. Überlegen Sie sich, wie diese angeschlossen werden muss und besprechen Sie ihre Lösung mit einer Betreuungsperson.

Der Hochsetzsteller ist im ungeregelten Betrieb nicht Leerlauffest, d. h. der Hochsetz-steller darf niemals ohne Belastungswider-stand betrieben werden!

Beim Anschliessen des Elektrolytkondensators muss unbedingt auf die korrekte Polarität geachtet werden! Explosionsgefahr! Ver-wenden Sie die bereitgestellten Schutzbrillen!


Bezeichner Wert Kommentar A1 Chopper Chopper Baugruppe C1 1 mF/63V G1 12 V Power Supply GW Instek GPS-3303 G2 Rechteck Funktionsgenerator Agilent 33210A L1 9.2 mH Induktivität mit einstellbarem Luftspalt P1 Ch1-4 Oszilloskop Agilent DSO-X 2004A P2 100 mV/A Stromzange Agilent 1146A P3 I1 Multimeter Fluke 175 P4 I2 Multimeter Fluke 175 P5 U2 Multimeter Fluke 175 P6 U1 Multimeter Fluke 175 R1 100 Ω Belastungswiderstand

Abb. 5.3: Messschaltung zur Untersuchung des Hochsetzstellers.


Abb. 5.4: Oszillogramm zur Messung des Hochsetzstellers im Nennpunkt.

Wie beim Tiefsetzsteller sollen nun hier auch ür den Hochsetzsteller die beiden charakteristischen Kennlinien, U2 = f(I2) und U2 = f(D), aufgenommen werden.

Messen Sie die Kennlinie U2 = f(I2) bei konstantem Tastverhält-nis D ausgehend vom Nennpunkt. Tragen Sie 10-20 Werte in sinnvollen Abständen in Arbeitsblatt „5.2a Hochsetzsteller U2(I2)“ ein und bestimmen Sie jeweils den Wirkungsgrad. Ach-tung: beachten Sie den maximal erlaubten Strom im Lastwider-stand!

Bestimmen Sie den Ausgangswiderstand des Hochsetzstellers.

Diskutieren Sie den Wirkungsgradverlauf.

Messen Sie nun die Kennlinie U2 = f(D) bei konstanter Belas-tung I2 mit D = 0 % (Funktionsgenerator nicht angeschlossen) und D = 20…50 %. Tragen Sie 10 – 20 Werte in sinnvollen Abstän-den im Arbeitsblatt „5.2b Hochsetzsteller U2(D)“ ein. Achtung: D darf nur soweit erhöht werden, dass U2 < 35 V bleibt!

Bestimmen Sie die Übertragungsfunktion U2 = f(D) des Hoch-setzstellers.


Sehen Sie sich zum Abschluss wiederum die Strom- und Span-

nungsformen im Lückbetrieb an. Überlegen Sie sich, in welchem Betriebszustand sich dieses Verhalten einstellt (D, I2).

Vorsicht: Gefahr von hohen Ausgangsspannungen und Zerstö-rung der Messgeräte und Versuchsaufbauten!

Betrieb eines leistungselektronischen Systems an einem Photovoltaikmodul 63

6 Betrieb eines leistungselektronischen Sys-tems an einem Photovoltaikmodul

In den letzten beiden Teilen des Praktikums wurden ein Tief- und ein Hoch-setzsteller zur Einührung der Schaltungstopologie zunächst mit dem Labor-netzteil betrieben. Nun wird der Hochsetzsteller praxisnah wieder mit dem Photovoltaikmodul verbunden. Das Tastverhältnis D sollte nun so eingestellt werden, dass die maximale Leistung aus dem Photovoltaikmodul entnom-men wird.

6.1 Betrieb mit linearer ohmscher Last

Zunächst wird eine ohmsche Last verwendet. Verbinden Sie Ihr leistungs-elektronisches System (z. B. den Hochsetzsteller) mit dem Photovoltaikmo-dul (Abb. 6.1).

Versuchen Sie, das Photovoltaikmodul bei unterschiedlichen

Ausgangsspannungen U2 im Punkt maximaler Leistung (MPP) zu betreiben. Beachten Sie die Hinweise zum Aufbau des Hochsetzstellers vom vorherigen Versuch!

Berechnen Sie dazu zuerst, welches Tastverhältnis D Sie ein-stellen müssen, damit Sie die maximale Leistung, P1(MPP) (vgl. Tab. 1.1), bei einer Ausgangsspannung von U2 = 24 V beziehen können. Überlegen Sie sich ausserdem, ob Sie den 100 Ω oder den 600 Ω Lastwiderstand verwenden müssen (niemals im Betrieb umstecken!) Variieren sie den Lastwiderstand und tragen Sie anschliessend die entsprechenden Messwerte im Arbeitsblatt „6.1 PV & Boost“ ein.

Wiederholen Sie obigen Schritt ür den Fall, dass die maxi-male Leistung nun bei U2 = 32 V bezogen werden soll.


Diskutieren Sie die Resultate mit einer Betreuungsperson.


Der Hochsetzsteller darf niemals ohne Last betrieben werden!

Sehen Sie wie vorher eine Überspannungsschutzdiode am Aus-gang des Hochsetzstellers vor!

Polarität des Elektrolytkondensators beachten!

Bezeichner Wert Kommentar A1 Chopper Chopper Baugruppe B1 BP SX310J Photovoltaikmodul C1 1 mF/63 V Al-Elektrolyt-Kond. (Polarität beachten)

C2 2 x 4.7 mF/25 V Al-Elektrolyt-Kond. (Polarität beachten)

E1 230 V/400 W Scheinwerfer Philips Tempo 3 G1 Rechteck Funktionsgenerator Agilent 33210A L1 9.2 mH Induktivität mit einstellbarem Luftspalt P1 Ch1 Oszilloskop Agilent DSO-X 2004A P2 U2 Multimeter Fluke 175


P3 I1 Multimeter Fluke 175 P4 U2 Multimeter Fluke 175 P5 I2 Multimeter Fluke 175 R2 600 Ω Belastungswiderstand X1 230 VAC

Abb. 6.1: Messschaltung zum Betrieb eines Hochsetzstellers an ei-nem Photovoltaikmodul.

6.2 Betrieb mit nichtlinearer Last (Steigrohraufbau)

Der Steigrohr-Versuchsauau besteht aus einem Plexiglasrohr an dessen Ende ein Hochleistungslüer als nichtlineare Last installiert ist. Der Lüer hat eine nominale Eingangsspannung von 24 V, sodass ür einen Betrieb mit dem Photovoltaikmodul ein Hochsetzsteller eingesetzt werden muss.

6.2.1 Kennlinie des Lüers / Höhe des Balls im Steigrohr

Zunächst wird kurz der Versuchsauau etwas näher untersucht und die nichtlineare Kennlinie des Lüers aufgenommen.

Bauen Sie den Versuch gemäss Schaltplan (Abb. 6.2) auf. Als

Spannungsquelle verwenden Sie direkt das Labornetzteil.

Ermitteln Sie die Flughöhe des Balls im Steigrohr in Abhän-gigkeit der Versorgungsspannung, U2, und üllen Sie die ent-sprechende Tabelle im Arbeitsblatt „6.2 Steigrohr“ aus.

Die maximal zulässige Spannung des SanAce-Lüfters beträgt 26.4 V. Überschreiten Sie diese Spannung nicht, um den Lüfter nicht zu zerstören.


Bezeichner Wert Kommentar E1 24 V Lüfter SanAce40 109P0424J3013 G1 0...26 V Power Supply GW Instek GPS-3303 P4 I2 Multimeter Fluke 175 P5 U2 Multimeter Fluke 175

Abb. 6.2: Messschaltung zur Ermilung der Flughöhe eins Tisch-tennisballs in Abhängigkeit der Versorgungsspannung.

Das Ersatzschaltbild und eine Zusammenfassung der Funktions-weise des DC-Motors finden Sie im in Kapitel 4.1 (vgl. Abb. 4.1). Damit kann die charakteristische Motorkennlinie erklärt werden.

6.2.2 Betrieb des Steigrohrs mit dem Photovoltaikmodul

Mit der gemessenen Kennlinie (MPP!) des Photovoltaikmoduls in Kapitel 1.2 (vgl. S. 16) und den gemessenen Steigrohr-Kenndaten im vorangegangenen Abschni wird unmielbar deutlich, dass zum Erreichen einer hohen Steig-höhe des Balls der Einsatz eines Hochsetzstellers zur Spannungsanpassung notwendig ist. (Sie können gerne auch zunächst das PV-Modul direkt mit dem Lüer verbinden und die resultierende Flughöhe als Vergleich doku-mentieren.)


Bauen Sie die Messschaltung Abb. 6.3 auf und betreiben Sie die

Anordnung dementsprechend.

Stellen Sie das Tastverhältnis so ein, dass Sie eine möglichst grosse Steighöhe des Balls erreichen. Welches Tastverhältnis müssen Sie einstellen? Welche Spannung messen Sie direkt an der Solarzelle (U1)?


Der Hochsetzsteller darf niemals ohne Last betrieben werden!

Sehen Sie wie vorher eine Überspannungsschutzdiode am Aus-gang des Hochsetzstellers vor!

Polarität des Elektrolytkondensators beachten!


Bezeichner Wert Kommentar A1 Chopper Chopper Baugruppe B1 BP SX310J Photovoltaikmodul C1 1 mF/63 V Al-Elektrolyt-Kond. (Polarität beachten) C2 2 x 4.7 mF/25 V Al-Elektrolyt-Kond. (Polarität beachten) E1 230 V/400 W Scheinwerfer Philips Tempo 3 E2 24 V Lüfter SanAce40 109P0424J3013 G1 Rechteck Funktionsgenerator Agilent 33210A L1 9.2 mH Induktivität mit einstellbarem Luftspalt P1 Ch1 Oszilloskop Agilent DSO-X 2004A P2 U1 Multimeter Fluke 175 P3 I1 Multimeter Fluke 175 P4 U2 Multimeter Fluke 175 P5 I2 Multimeter Fluke 175 X1 230 VAC

Abb. 6.3: Messschaltung zum Betrieb eines Hochsetzstellers an ei-nem Photovoltaikmodul.

Zusammenfassung 69

7 Zusammenfassung

Anhand dieser Unterlage haben Sie gelernt, dass es im elektrotechnischen Laborbetrieb unerlässlich ist, Messschaltungen mit einer Dokumentation der verwendeten Messgeräte anzufertigen. Dabei sollten normgerechte Symbole und Bezeichnungen verwendet werden.

Diese Laborübung hat Ihnen anschaulich die Charakteristik eines Photovol-taikmoduls nähergebracht, der Maximum Power Point sollte Ihnen nun ein Begriff sein. Sie haben zwei Grundstrukturen der Leistungselektronik (Tief- und Hochsetzsteller) kennen und bedienen gelernt und diese messtechnisch verifiziert. Der Betrieb eines leistungselektronischen Systems im Verbund mit anderen Systemen wurde Ihnen nähergebracht.

Die wichtigen Begriffe Leistung, Energie, Wirkungsgrad wurden Ihnen in anschaulichen Versuchen gezeigt und einige Grundbegriffe der Elektronik (Kapazität, Induktivität, Säigung, Diode, MOSFET, PWM) wurden ange-wendet. Ausserdem haben Sie gelernt aktuelle, dem Stand der Technik ent-sprechende Messgeräte zu bedienen und verwenden.

Damit haben Sie das Ende des Versuchsteils (SEH) erreicht. Bitte

lösen Sie nun den Kurztest ür den dritten Nachmittag und be-sprechen Sie Ihre Lösungen mit den Betreuungspersonen.

Für Feedback zum Versuch SEH oder zum NuS-Praktikum im All-gemeinen können Sie sich gerne und jederzeit an die Praktikums-leiter wenden. Wir sind dankbar ür jeden Hinweis oder Verbesserungsvorschlag!

Zusammenfassung 70

Übersicht der Laboreinrichtung 71

8 Übersicht der Laboreinrichtung

An dieser Stelle werden die verwendeten Geräte im Labor zusammengefasst und die Verknüpfung zu den Symbolen in einem Schaltplan hergestellt.

8.1 Messequipment

Luxmeter (Beleuchtungs-stärke)

Pancontrol PAN LX-1308

Strommessgerät

(Multimeter) Fluke 175

Spannungsmes-gerät

(Multimeter) Fluke 175

Oszilloskop

Agilent MSOX2014A


Strommess-zange

Agilent 1146A

IR-ermome-ter

Fluke 62 mini

Mess- und Schalterbox (Netz)

m-pec

8.2 Versorgungsgeräte

Photovoltaik-modul

BP Solar BP SX310J


Beleuchtungs-quelle

Philips Tempo 3 (Hochdruck-Natriumdampf-lampe)

Gleichspan-nungsquelle

GvW Instek GPS-3303S

Signalgenera-tor

Agilent 33210A

8.3 Versuchsaufbauten

Widerstandslast

RUSA

1.2…100 Ω (max. 1 A)

100..500 Ω (max. 0.5 A)


Induktivität

RUSA

10 mH

Steigrohr

Lüer SanAce 40 24 V, 4.32 W (109P0424J3013)

Chopper

m-pec

Motorprüfstand

m-pec

Datenblätter 75

9 Datenbläer

Datenblätter 76

9.1 Gleichstrommaschine im Motorenprüfstand

Datenblätter 77

9.2 Solarmodul

Datenblätter 78

Datenblätter 79

Datenblätter 80

9.3 Hochleistungslüer SanAce40 im Steigrohr-Auf-bau

Datenblätter 81

ellenverzeichnis

[1] Probst, U.: Leistungselektronik ür Bachelors – Grundlagen und praktische Anwendungen. Carl Hanser Verlag München, 2008.

[2] Lenze: Die große Lenze Formelsammlung, 2001.

[3] Böhmer, E., Ehrhardt, D. und Oberschelp, W.: Elemente der an-gewandten Elektronik, 15. Auflage, Vieweg & Sohn Verlag, 2007.

[4] Kolar, J. W.: Leistungselektronik – Skriptum zur Vorlesung, 2006.

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