Vor Beginn der Praktikumsversuche findet eine Einführungsveranstaltung zur verwendeten Meßtechnik und zur Programmierung speicherprogrammierbarer Steuerungen statt.

Kurzbeschreibung der Versuche:

Netzgeführte Stromrichter (V1)

Es werden netzgeführte Stromrichterschaltungen behandelt, die außer bei Gleichstromantrieben auch bei Umrichterantrieben eingesetzt werden. Hierunter zählen zum einen ungesteuerte Gleichrichter für Umrichter mit Gleichspannungs-Zwischenkreis und zum anderen steuerbare, netzgeführte Stromrichter für Umrichter mit Gleichstrom-Zwischenkreis und für Direktumrichter. Diese Schaltungen werden durch Auswertung der Zeitverläufe von Strömen und Spannungen in ausgewählten Betriebspunkten analysiert. Außerdem werden gemäß einschlägiger Definitionen Kennwerte dieser elektrischen Größen ermittelt und ausgewertet.

Transistorsteller (V2)

In diesem Versuch werden die verschiedenen Varianten der Gleichstromsteller gezeigt: Tiefsetzsteller, Hochsetzsteller, Zwei- und Vierquadrantensteller. Alle Varianten werden mit IGBTs und Dioden im Leistungsteil aufgebaut. Die Steuerung erfolgt mit Hilfe eines Pulsweitenmodulators. Die Steller speisen eine Gleichstrommaschine, die mit Hilfe einer anderen Gleichstrommaschine belastet werden kann. Durch diesen Versuchsaufbau ist es möglich, Ansteuerverfahren und Funktionsweisen kennenzulernen, Kennlinien und Wirkungsgrade experimentell zu ermitteln.

Stationäres Betriebsverhalten einer Asynchronmaschine (V4)

Zuerst werden durch Messungen im Leerlauf und Stillstand die Parameter des Ersatzschaltbildes meßtechnisch bestimmt. Mit Hilfe der Parameter werden die Stromortskurve und die Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie berechnet. Durch Belastungsmessungen werden verschiedene Punkte auf den Kennlinien meßtechnisch überprüft. Anschließend wird bei konstanter Belastung und verschiedenen Drehzahlen der Einfluß der Drehzahlverstellung mit Zusatzwiderständen und mit Spannungsverstellung auf die Leistungsbilanz durch Leistungsmessungen ermittelt.

Umrichtergespeister Asynchronmotor (V5)

Eine Asynchronmaschine wird mit einem Pulsumrichter mit einstellbarer Spannung und Frequenz betrieben. Zunächst wird der Betrieb mit U/f = konst. bei unterschiedlichen Belastungen und Modulationsverfahren meßtechnisch untersucht. Der Motor wird sowohl im Grunddrehzahlbereich unterhalb der Nennfrequenz als auch im Feldschwächbereich betrieben. Dabei werden die Ständerspannungen und Ständerströme aufgezeichnet und deren Frequenzspektrum bei verschiedenen Modulationsverfahren des Pulsumrichters ausgewertet. Anschließend wird der Asynchronmotor an einem Pulsumrichter mit feldorientierter Regelung betrieben. Es werden wieder Spannungen und Ströme bei verschiedenen Belastungen aufgezeichnet und die Frequenzspektren ausgewertet. Die Auswertungen beim Betrieb mit U/f = konst. und feldorientierter Regelung werden verglichen.

Konventionelle und speicherprogrammierbare Steuerungen (V6)

Zunächst werden die Grundlagen der Steuerungstechnik und die Realisierung dieser Steuerungsfunktionen mit einer konventionellen Schützsteuerung bzw. mit einer modernen speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) erläutert. Im Versuch selbst wird ein Modell eines Lastenaufzuges gesteuert, das am Lehrstuhl zur Verfügung steht (2 Stockwerke, pro Stock eine Schachttür, keine Tür in der Lastenkabine, Maßstab ca. 1:5). Dazu muß die Steuerung der unteren Tür mit einer Schützsteuerung verdrahtet werden. Die obere Tür wird mit einer SPS (SIMATIC S7) verbunden, die dann entsprechend der erforderlichen Steuerung programmiert werden muß. Zusammen mit den bereits fertigen Steuerungsfunktionen für das Verfahren der Aufzugskabine ist das Modell am Ende des Versuchsnachmittages voll funktionsfähig.

Digitale Regelung eines Drehstrom-Servoantriebes (V11)

Servoantriebe haben die Aufgabe, Maschinenteile exakt zu positionieren oder entlang bestimmter Bahnkurven zu bewegen. Sie werden zum Beispiel in der Fertigungstechnik (Werkzeugmaschinen, Industrierobotern, usw.) eingesetzt. Heutzutage werden üblicherweise Drehstrommaschinen als Servomotoren gebraucht. Man unterscheidet bei diesen Motoren zwei Varianten: den älteren Blockstrom- und den moderneren Sinusstrommotor.
In diesem Versuch wird eine permanenterregte Synchronmaschine mit Sinusstrom untersucht. Neben der Wirkungsweise des Motors liegt der Schwerpunkt des Versuches auf dem Verständnis der digitalen Regelung.

Title:

Laboratory Electrical Drives

Credits: 2,5

Prerequisites

Lecture Electrical Power Systems and Drives
Profitable in addition: Lecture Electrical Drives (Part I), Power Electronics

Contents

The target of the practical course is the deepening and practical training of the subjects in the lecture Electrical Drives. The practical course contains seven experiments. The experiments are executed by groups of three students.

Before execution of the experiments an information over the measurement-devices and the programming language Step 7 takes place.

Line-Commutated Converter (V1)

The basic circuits of line-commutated converters are treated with, which are implemented in DC drives and in AC drives as well. To those converters belong uncontrolled rectifier bridges for cyclo-converters and for inverters with DC link voltage and silicon controlled rectifier for inverters with direct current link. These circuits are investigated in different operating points by analyzing the voltages and currents as functions of time. Typical definitions and characteristic values in this field of power electronics are applied to these electrical variables.

Transistor Chopper (V2)

The different kinds of DC-choppers are shown in this experiment: step-down and step-up converter, two-quadrant- and four-quadrant-chopper. All types work with IGBTs and diodes which are controlled by pulse width modulation. The choppers are feeding a DC-motor, which can be loaded by a second DC-motor. With this experimental setup it is possible to study control methods and functionality, to measure characteristic diagrams and efficiency factors.

Steady-state Operation of the Induction Machine (V4)

At first the machine's equivalent circuit parameters are determined by means of measurements at standstill and no-load operation. Based on this the circle diagram of the motor current and the speed-torque-characteristic is calculated and plotted. Further measurements are carried out under different load conditions to verify the characteristics. At constant load the stator voltage is varied and additional resistors are connected in the rotor-circuit to see the influence on speed and the power budget.

Converter-fed Asynchronous Motor (V5)

An asynchronous machine is in operation with a pulse converter with adjustable voltage and frequency. First case is an operation with a constant relationship of voltage to frequency with different loads and modulation procedures. The motor is operating as well in the base speed range below the nominal frequency as in the field weakening range. Thereby the stator voltage and the stator current are recorded and their frequency spectrum has to be analysed at the different modulation procedures. Subsequently the motor is running with another pulse converter which is working with vector control. Using different loads the voltages and currents in the stator are recorded again and their spectrums have to be analysed. The results of the two methods of control have to be compared.

Conventional and Programmable Controllers (V6)

The fundamental principles of the control technique and their realisation in conventional controllers with contactors and in modern programmable controllers are explained.
In the experiment itself a model of a lift for goods has to be controlled. The lift connects two floors and has only one door in each floor (no door inside of the cabin). The control of one door must be realised with contactors, the other one with the programmable controller SIMATIC S7. As the control for the movement of the cabin is already prepared, the model of the lift should completely work at the end of this laboratory.

Digital Control of a three-phase Servo Drive (V11)

Servo drives are used for precise positioning and movements of, e. g., robots, machine-tools, etc. Nowadays are used three-phase motors for these tasks. There are two kinds of servo-motors: a block-type current motor and a newer one with sinusoidal current.
In this experiment there is available a permanent-magnet synchronous machine with sinusoidal current. Besides the motor functionality, the operation of the digital control of this servo motor is analysed.