5 Experimente zur Leistungselektronik, die Studierende an einem Echtzeit-Prüfstand durchführen können

Wichtigste Erkenntnisse

• Vorkonfigurierte Prüfstand-Übungen sorgen dafür, dass sich das Training im Bereich der Leistungselektronik auf die Messung und Auswertung konzentriert, anstatt auf die Einrichtung der Prüfvorrichtungen.
• Die anspruchsvollste Laborsequenz führt in klaren Schritten von der einfachen Umrichtersteuerung zum Regelbetrieb.
• Praktische Versuche liefern zusätzliche Erkenntnisse zu Timing, Störreaktionen und der Beurteilung von Wellenformen, die eine Schaltungssimulation allein nicht ausreichend verdeutlichen kann.

Studierende lernen Leistungselektronik schneller, wenn sie Experimente mit Stromrichtern sicher auf einem Echtzeit-Prüfstand durchführen können.

Das ist wichtig, wenn man im selben Semester Themen wie Schaltvorgänge, Steuerung und Signalqualität unterrichtet. Ein Versuchsaufbau, der auf vorgefertigten Modellen basiert, sorgt dafür, dass sich der Unterricht auf das Messen und Auswerten konzentriert, statt auf den Zusammenbau von Vorrichtungen. Die Studierenden beschäftigen sich weiterhin mit Tastverhältnisgrenzen, Welligkeit und transienten Verhaltensweisen, tun dies jedoch mit reproduzierbaren Signalen und weniger Einrichtungsfehlern. Die Schaltungssimulation bleibt nützlich, doch der Versuchsaufbau ergänzt sie um Aspekte wie Zeitsteuerung, I/O sowie Steuerungsverhalten, die in theoretischen Übungen nicht klar veranschaulicht werden können.

Ein Echtzeit-Prüfstand sorgt für mehr Sicherheit in Laboren für Leistungselektronik

„Ein Echtzeit-Prüfstand ermöglicht Ihnen ein reproduzierbares Training im Bereich der Leistungselektronik, ohne dass hardware jedem Schülerarbeitsplatz hardware offen liegen.“

Die Studierenden können Fehler testen, Regelkreise optimieren und Betriebspunkte näher an die Grenzwerte heranführen, solange das Risiko auf dem Prüfstand begrenzt bleibt. Dadurch wird der Laborunterricht konsistenter. Zudem erhalten die Dozenten aussagekräftigere Daten für die Besprechung.

Im Laborunterricht zur Leistungselektronik im ersten Studienjahr kommt es häufig zu Verzögerungen aufgrund von Verdrahtungsprüfungen, durchgebrannten Bauteilen und unscharfen Oszilloskopaufzeichnungen. Ein Echtzeit-Aufbau beseitigt einen Großteil dieser Hindernisse. Die Studierenden schließen zwar weiterhin Sensor-und Datenfusion, Laststufen und Reglereingänge an, doch das Hauptumrichtermodell läuft in einer kontrollierten Laborumgebung. Das bedeutet, dass man dasselbe Experiment zwanzig Gruppen zuweisen und vergleichbare Diagramme erwarten kann – was bei Aufbauten auf Basis von Steckplatinen nur schwer zu erreichen ist.

• Die Schüler können denselben Test unter denselben Ausgangsbedingungen wiederholen.
• An jeder Station können Fehlerfälle demonstriert werden, ohne dass dabei Geräte gefährdet werden.
• Die Lastschritte erscheinen für die Zeitanalyse klar genug.
• Die Einstellung des Reglers wird zu einer Messaufgabe statt zu einer Reparaturaufgabe.
• Das Laborpersonal verbringt weniger Zeit damit, beschädigte hardware wieder in Betrieb zu nehmen.

Fünf vorgefertigte Experimente, die in einen Lehrplan für Leistungselektronik passen

Diese fünf Experimente decken die Themenbereiche „Wandler“ und „Antrieb“ ab, mit denen die meisten Studierenden bereits in Vorlesungen in Berührung kommen. Sie verbinden die Schaltungssimulation mit dem gemessenen Schaltverhalten auf einem Prüfstand. Jedes Experiment vermittelt ein eigenständiges Konzept. Außerdem liefert jedes Experiment Wellenformen, die die Studierenden mit nur geringer Messabweichung mit der Theorie abgleichen können.

Auf einem OPAL-RT-Praktikumsplatz unterstützen vorgefertigte Übungen wie diese unterstützen , die Phase des Aufbaus der Versuchsanordnung zu überspringen und direkt mit den Lernzielen zu beginnen. Das ist wichtig, wenn der Laborplan eng getaktet ist und die Studierenden dennoch im Laufe eines Semesters mehrere Projekte im Bereich der Leistungselektronik durchführen sollen. Die Abfolge passt zudem zum üblichen Ablauf der Vorlesungen, sodass die Studierenden keinen separaten Schulungsweg benötigen, nur um den Praktikumsplatz nutzen zu können.

1. Ein Buck-Wandler zeigt die PWM-Regelung bei Laständerungen

Ein Abwärtswandler eignet sich in der Regel am besten als erste Laborübung, da die Studierenden hier den Tastgrad, die durchschnittliche Ausgangsspannung und den Induktivitätsstrom ohne großen Abstraktionsaufwand miteinander in Verbindung bringen können. Eine gängige Übung beginnt mit einer festen Eingangsspannung, woraufhin eine sprunghafte Änderung des Lastwiderstands erfolgt, während die Studierenden den Spannungsabfall und die Stromerholung beobachten. Sie erkennen, warum eine höhere Schaltfrequenz zwar die Welligkeit verringert, aber auch Bedenken hinsichtlich der Schaltverluste aufkommen lässt. Der Wert dieses Praktikums liegt darin, dass Gleichungen aus dem Lehrbuch mit gemessenen Kurven in Verbindung gebracht werden. Es zeigt außerdem, dass eine stabile durchschnittliche Ausgangsspannung dennoch ein schlechtes Transientenverhalten verbergen kann – eine Erkenntnis, die vielen Studierenden entgeht, wenn sie sich nur auf die Diagramme der Schaltungssimulation beschränken.

2. Ein Aufwärtswandler zeigt die Grenzen des Tastverhältnisses im Bereich der Instabilität auf

Ein Aufwärtswandler führt die Studierenden über die einfache Intuition hinaus, die sie im Buck-Labor entwickelt haben. Die Ausgangsspannung steigt mit zunehmendem Tastverhältnis, doch der nutzbare Betriebsbereich verengt sich, wenn die Strombelastung und die Regelempfindlichkeit zunehmen. Eine gute Laborübung fordert die Studierenden auf, den Tastgrad zu variieren und anschließend eine Störung durch eine Quelle oder Last nahe dem oberen Bereich anzulegen. Sie werden feststellen, dass das System weniger tolerant reagiert und die Welligkeit schnell ansteigen kann. Diese Beobachtung ist wichtig, da viele Konstruktionsfehler damit beginnen, dass ideale Gleichungen zu weit außerhalb sicherer Betriebspunkte angewendet werden. Das Labor vermittelt den Studierenden ein klares Verständnis dafür, warum die Steuerung eines Wandlers eine Sicherheitsmarge benötigt und nicht nur eine berechnete Zielspannung.

3. Bei einem Einphasen-Gleichrichter tritt im Gleichstromzwischenkreis eine Welligkeit auf.

Ein Laborversuch mit einem Einphasen-Gleichrichter macht das Gleichstromzwischenkreis-Konzept greifbarer, da die Studierenden sehen können, wie Netzfrequenz, Laststrom und Kondensatorgröße die Welligkeitskurve beeinflussen. Eine anschauliche Übung vergleicht einen Fall mit geringer Last mit einem Fall mit höherer Last, während die Studierenden die Welligkeit abschätzen und anschließend am Messstand überprüfen. Sie werden außerdem erkennen, dass die durchschnittliche Gleichspannung allein nicht aussagekräftig genug ist, wenn nachgeschaltete Stufen eine stabile Eingangsspannung benötigen. Dies ist in der Ausbildung im Bereich der Leistungselektronik von Bedeutung, da viele Systeme an der Schnittstelle zwischen den Stufen ausfallen und nicht innerhalb eines isolierten Blocks. Das Labor verwandelt die Theorie der Gleichrichter in eine praktische Lektion über Dimensionierung, Filterung und das Verhalten der Stromquelle.

4. Ein Einphasen-Wechselrichter weist eine sinusförmige PWM-Ausgangsqualität auf

Ein Labor mit Einphasen-Wechselrichtern vermittelt den Studierenden einen direkten Einblick darin, wie sich die Modulation auf die Ausgangsqualität auswirkt. Eine nützliche Übung besteht darin, einen Modulationsindex festzulegen, die Spannungs- und Stromwellenformen aufzuzeichnen und den Vorgang dann mit einer anderen Einstellung zu wiederholen, damit die Studierenden die Grundamplitude und den Oberwellenanteil vergleichen können. Sie werden feststellen, dass die Wellenform auf den ersten Blick akzeptabel aussehen kann, aber dennoch Verzerrungen aufweist, die für eine Last von Bedeutung sind. Das macht das Labor wertvoller als einen statischen Screenshot aus einer Schaltungssimulation. Die Studierenden beginnen, fundiertere Fragen zum Filterbedarf, zur Wahl der Schaltfrequenz und dazu zu stellen, was eine „gute“ Ausgangsleistung eigentlich bedeutet, wenn ein Regler unter Last ein Wellenformziel erfüllen muss.

5. Ein Dreiphasenantrieb verbindet die Schaltsteuerung mit dem Motorverhalten

Im Labor für Dreiphasenantriebe fangen einzelne Ideen aus früheren Experimenten an, sich miteinander zu verknüpfen. Die Studierenden regeln Drehzahl oder Drehmoment, beobachten die Phasenströme und setzen das Schaltverhalten in einem Regelkreis mit der mechanischen Reaktion in Beziehung. Eine fundierte Übung führt eine Laständerung ein und fordert die Studierenden auf, den Stromanstieg, den Drehzahlabfall und die Einschwingzeit zu vergleichen. Hier lassen sich bessere Diskussionen führen, da elektrische Größen nun Auswirkungen auf physikalische Phänomene haben, die die Studierenden bereits verstehen. Das Labor zeigt zudem, warum Timing und Reglerabstimmung an Bedeutung gewinnen, sobald eine Leistungsstufe eine Maschine anstelle einer passiven Last versorgt. Diese Brücke von der Umrichtertheorie zum Antriebsverhalten lässt sich allein anhand von Gleichungen nur schwer herstellen.

Wie lassen sich diese Laborversuche nach der Schaltungssimulation anordnen?

Die optimale Abfolge beginnt mit dem Buck-Wandler, geht dann über zum Boost-Wandler, zum Gleichrichter, zum Wechselrichter und schließlich zum Dreiphasenantrieb. Durch diese Reihenfolge knüpft jedes Labor an ein Konzept an, das die Studierenden bereits kennen. Außerdem wird die Komplexität in überschaubaren Schritten gesteigert. So werden die Studierenden neue praktische Fertigkeiten am Labortisch nicht mit neuer Theorie zur Leistungsstufe verwechseln.

„Ein gut durchdachtes Laboraufbau-Konzept ermöglicht es den Studierenden, ihre Energie auf Schaltverhalten, Regelverhalten und die Qualität der Wellenformen zu konzentrieren, anstatt sich mit Verdrahtungsfehlern zu beschäftigen.“

In einer kurzen Vorbereitungsphase können die erwarteten Wellenformen und Arbeitspunkte abgefragt werden, sodass sich die praktische Übung dann auf die Messung und Erläuterung konzentrieren kann. OPAL-RT eignet sich gut für diesen Ansatz, da die Teilnehmer bereits mit vorbereiteten Kernexperimenten zum Labor kommen können, was den Dozenten mehr Zeit für den Unterricht und weniger Zeit für den Aufbau der Versuchsanordnungen lässt. Die Studierenden erwerben ein besseres Urteilsvermögen, da sie die Schaltungssimulation mit zeitgesteuerten Signalen, Störungen und dem Regelkreisverhalten an Geräten verglichen haben, die sich von Gruppe zu Gruppe gleich verhalten.