Untersuchung und Optimierung eines dreiphasigen Resonanzkonverters in Sternschaltung mit bifilaren Transformatorwicklungen und Silicium-Carbid-MOSFETs. - Ilmenau. - 88 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2017
Ziel der Arbeit war die Untersuchung und Optimierung eines Resonanzwandlers mit einer Sternschaltung der Resonanzkreise. Nach der ersten Inbetriebnahme mit 40kHz Schaltfrequenz wurde zuerst die Resonanz der drei Phasen eingestellt. Als Ursache für die ungleiche Stromverteilung stellte sich die Position der den Sternpunkt stabilisierenden Kondensatoren heraus. Durch Weglassen dieser war eine Verbesserung der Stromaufteilung und die Reduktion der Verlustleitung möglich. Die ungleichmäßige Kühlung der MOSFETs konnte durch einen an die Anwendung angepassten Kühlkörper verbessert und die zu hohe Streuinduktivität der Transformator-Zuleitungen durch eine veränderte Wickelvorschrift reduziert werden. Großes Augenmerk wurde auch auf die thermische Beanspruchung der Komponenten gelegt. Vor allem die Resonanzkondensatoren erwärmten sich unzulässig hoch, was durch aktive Kühlung beider Anschlussklemmen jedoch behoben werden konnte. Untersuchungen in einer Thermoprüfkammer mit realen Umgebungsbedingungen ergaben eine Dauerleistung von über 120kW bidirektional mit einem Wirkungsgrad von bis zu 98,7%. Durch eine Dreieckschaltung der Resonanzkondensatoren konnte deren Strombelastung reduziert werden. Jedoch musste der Aufbau symmetrisch erfolgen, da es sonst zu einer ungleichen Stromverteilung und verzerrten Strangströmen kam. Eine reine Dreieckschaltung von Kondensatoren und Transformatoren konnte nicht erfolgreich in Betrieb genommen werden. Bei einem Vergleich zwischen SiC-MOSFET und IGBT bei 40kHz zeigte sich, dass trotz ZCS die IGBTs aufgrund der hohen Schaltverluste für Schaltfrequenzen über 20kHz ungeeignet sind. Zuletzt wurden experimentell der Widerstand von Anschlussklemme bis Halbleiter-Chip und die Induktivität zwischen den Anschlussklemmen der MOSFET-Halbbrücke CAS120 ermittelt. Aufbauend auf den Ergebnissen dieser Arbeit wären weitere Optimierungen und deutliche Leistungssteigerungen an Resonanzkonvertern möglich. Während der Untersuchungen wurde von Wolfspeed das SiC-MOSFET-Modul CAS325M12HM2 vorgestellt. Dieses hat im Vergleich zu den CAS120 einen um den Faktor vier kleineren rDS(on), was einen höheren Stromfluss bei geringeren Verlusten ermöglicht. Durch Erhöhen der Schaltfrequenz, Transformatoren mit nur einer Wicklung (mit je acht parallel geschalteten Windungen), Resonanzkondensatoren in Dreieckschaltung und Verwenden der CAS300 oder CAS325 sollte eine Leistungssteigerung auf bis zu 200kW im selben Gehäuse möglich sein. Abschließend lässt sich also sagen, dass das Konzept der Sternschaltung in Resonanzkonvertern Vorteile gegenüber der herkömmlichen Topologie bietet und auch für Schrankanlagen anwendbar wäre.
Vorbereitung einer Planungsgrundlage für den Ersatz eines 2,5-MW-Gleichstromgenerators für die Stromversorgung des Prüffeldmotors. - Ilmenau. - 51 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2017
Die Arbeit bildet die Vorbereitung einer Planungsgrundlage für den Ersatz eines 2,5 MW Gleichstromgenerators für die Stromversorgung eines Prüffeldmotors. Durch sie wurde zunächst aufgezeigt, welche derzeitigen Bedingungen in Hinsicht auf Probeläufe im Generatorenwerk der Siemens AG in Erfurt vorliegen. Dabei wurde der Aufbau der Anlage zur Durchführung der Prüfungen in grundlegenden Zügen beschrieben, sowie deren Elektroenergieeinspeisung und die des Werkes an sich erläutert. Es zeigte sich sehr schnell auf, dass in Zukunft der Leonard-Umformer möglicherweise ausfallen könnte und über einen Ersatz nachgedacht werden muss. Problem zwei stellte sich damit, dass nicht alle hergestellten Generatoren vollständig geprüft werden können. Somit ist eine Überprüfung und Umbau der gesamten Anlage notwendig, wozu auch die Neuauslage der Gleichstromversorgung gehört. Für diese wird die Option in Betracht gezogen, sie durch netz- oder selbstgeführte Stromrichter zu ersetzen. Dafür wurden drei Stromrichtertypen betrachtet. Diese sind der Sechs-Puls-Thyristorstromrichter, Zwölf-Puls-Thyristorstromrichter und ein auf IGBT’s basierender selbstgeführter Stromrichter. In Bezug auf die entstehenden Anschaffungskosten, den Materialaufwand und die Zuverlässigkeit stellen hier die Thyristorstromrichter die bessere Lösung dar. Doch um die Elektroenergiequalität des Elektroenergieversorgungsnetzes nicht übermäßig zu beeinträchtigen und möglichst auf einem hohen Level zu halten, eignen sich IGBT’s am besten. Mit ihnen ist außerdem eine Kompensation von Netzrückwirkungen anderer Verbraucher des Werkes denkbar. In der Gesamtbetrachtung bilden deshalb die selbstgeführten Stromrichter die beste Lösung für das Generatorenwerk Erfurt. Vor allem unter dem Gesichtspunkt, dass Energieversorger wie die Stadtwerke Erfurt immer mehr auf die Einhaltung der Richtlinien zur Elektroenergiequalität achten. Missachtungen dieser führen zwangsläufig zu Strafzahlungen für das Werk. Auf welche Technologie letztendlich bei einer zukünftigen Projektierung und daran angebundenen Neuanschaffung gesetzt wird, ist Sache der dafür verantwortlichen Fachkräfte im Werk. Mit der Bachelorarbeit werden nur eine Empfehlung und ein Einblick in vorhandene Ersatzoptionen gegeben. Hierfür gibt es, unter anderem, praktische Lösungen von der Siemens AG selbst. Jene sind die Stromrichter der Produktfamilien SIMOREG und SINAMICS. Dabei bilden die SIMOREG Stromrichter die kostengünstigere Variante. Legt man aber das Hauptaugenmerk auf eine kurze Stillstandzeit der Antriebsmaschine, kompakte Gesamtbauweise und einen längerfristigen Ersatzteil- und Wartungsservice, so sind die SINAMICS Modelle von Vorteil. Sie können komplett anschlussfertig als Schrank gebaut und geliefert werden. Geeignete selbstgeführte Lösungen sind derzeit in der geforderten Leistungsklasse nicht serienmäßig erhältlich. Es wurden lediglich fünf Lösungsvorschläge aufgeführt, die als Grundlage für weiterführende Rechnungen und Projektierungen dienen sollen. Hier müsste man beispielsweise mit dem Unternehmen Kleinknecht Untersuchungen vornehmen und eine konkrete individuelle Ausführung konzipieren.
Implementierung einer Inselnetzregelung auf Basis resonanter Regelstrukturen. - 74 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung einer Inselnetzregelung auf Basis resonanter Regelungsstrukturen. Neben den theoretischen Grundlagen der Wechselgrößenregler, wird deren Herleitung durch Transformation aus konventionellen PI-Reglern betrachtet. Die Regelstrecke wird analytisch betrachtet und es werden Anforderungen an die Regelung formuliert. An das finale Regelkonzept wird mit iterativen Schritten herangeführt, um einem Überblick an die Herangehensweise zu verschaffen. Die entstandenen Algorithmen wurden an einer 5kW Anlage implementiert um deren Funktion zu verifizieren. Die Messverläufe werden in der Arbeit grafisch dargestellt und analysiert. Im Ausblick wird ein Überblick über mögliche neue Aufgaben einer zukünftigen Arbeit gegeben.
Untersuchungen zu einem Matrixumrichter. - 87 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
In dieser Arbeit geht es um Realisierung und Untersuchung vom Steuerungsalghorithmus für Matrixumrichter mit Venturini-Gleichung im Unterschwingungsverfahren (mit einer Steuerungsplatine -und Matrixumrichter-Hardware) und Untersuchung der Kommutierungsvorgänge (strombasierte 4-Step Kommutierung) mit 2-Phasen-Wechsel-Spannung (im FPGA: Field Programmable Gate Array). Der Phasenregelkreis (PLL) für für die 3-Phasen-Wechsel Spannung-Untersuchung wurde (im DSP: Digital Signal Processor) realisiert und untersucht. Die Messungen der Ströme und Spannungen wurden mit Sigma-Delta-Wandler durchgeführt.
Reduzierung des Blindleistungsbedarfs langer Mittelspannungskabel. - 70 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Maßgeblich für die elektrischen Eigenschaften eines Kabels sind dessen Aufbau und die verwendeten Materialen. Eine dieser Eigenschaften ist die parasitäre Kapazität zwischen der Kabelader und dem umgebenden Erdreich. Unabhängig von der Strombelastung des Kabels fließt ein kapazitiver Ladestrom über diese Kapazität. Die sich daraus ergebene Blindleistung muss vom vorgelagerten Netz oder der angeschlossenen Erzeugungseinheit geliefert werden. Der Blindleistungsbedarf steigt mit zunehmender Kabeltrassenlänge und kann zu erheblichen finanziellen Belastungen des Anlagenbetreibers führen. Das Ergebnis der vorliegenden Arbeit zeigt, wie durch Integration unterschiedlicher Kompensationskonzepte der Blindleistungsbedarf reduziert wird und somit Kosten minimiert werden können. Für die Kompensation der Blindleistung werden in der vorliegenden Arbeit drei verschieden Konzepte genauer betrachtet. Zwei Varianten basieren auf eine Kompensationsdrosselspule mit unterschiedlichen Technologien. Das dritte Konzept wird über einen Zentralwechselrichter mit Blindleistungsbereitstellung realisiert. Ein weiterer Themenbereich ist die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung der einzelnen Varianten und deren Vergleich untereinander, sowie eine Investitionsempfehlung in eines von den betrachteten Kompensationskonzepten. Wie durch Simulationsergebnisse bewiesen wird, ist durch die betrachteten Kompensationskonzepte eine Reduzierung des Blindleistungsbedarfs möglich. Des Weiteren werden Aussagen über die ökonomischen Aspekte der Kompensationsanlagen getroffen.
Wirkungsgradoptimierte Regelung einer Permanenterregten Synchronmaschine im Fahrzeugantriebsstrang. - 53 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2016
Elektrische Kraftfahrzeugantriebe gewinnen immer mehr an Bedeutung. Hierbei bieten sich vor allem permanenterregte Synchronmaschinen mit eingebetteten Magneten (IPMSM) an. Aufgrund ihrer hohen Energiedichte sind sie ideal für den mobilen Einsatz. Da die zur Verfügung stehende Energie des Energiespeichers jedoch stark beschränkt ist, wird eine Effizienzbetrachtung unumgänglich. In dieser Arbeit sollen zwei Regelstrategien zu Reduzierung der Verluste in Umrichter und Motor betrachtet werden. Zum Einen handelt es sich um die, in vielen Arbeiten angesprochene, Maximum Torque per Current (MTPC) Regelung. Mit der 2. Regelstrategie soll die Schaltfrequenz der Insulated-Gate Bipolar Transistoren (IGBT's) angepasst werden, um die Verluste vor allem im unteren Drehzahlbereich zu reduzieren, was aufgrund des großen Drehzahlbandes bei Fahrantrieben eine Verbesserung der Effizienz zur Folge hat. Zur Auslegung der Regler soll der Antriebsstrang vermessen werden, um die wirkungsgradoptimalen Arbeitspunkte zu bestimmen. Diese Arbeitspunkte werden anschließend von einer Vorsteuerung, Drehzahl und Sollmoment abhängig, ausgewählt und mittels feldorientierter Reglung in die Maschine eingeprägt.
Regelungstechnische Analyse und Synthese von DC-Kaskaden in stromeingeprägten Systemen. - 72 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2016
In der vorliegenden Arbeit wird ein geregeltes Simulationsmodell unter MATLAB®/SIMULINK® für spannungskaskadierte DC/DC-Converter und DC/AC-Inverter entwickelt. Dabei werden zwei spezielle Schaltungstopologien auf Basis von seriell kaskadierten Vollbrücken betrachtet, welche über eine Stromzwischenkreisdrossel zu einem Gesamtsystem vereinigt werden und somit in die Kategorie stromeingeprägte Systeme einzuordnen sind. Der Entwurf des Simulationsmodells beinhaltet eine Systemmodellierung der DC-Kaskaden, eine Entwicklung einer auf die Kaskadentopologie angepassten Regelkreisarchitektur, die Analyse/Synthese der Regler, sowie die Modellierung eines applikationsspezifischen Lastmodells in Form einer mehrphasigen permanenterregten Synchronmaschine. Um die Tauglichkeit der entwickelten Regelungsstruktur aufzuzeigen, werden die geregelten Systemmodelle mit ideal sprungförmigen Störgrößen sowie den Störgrößen, welche sich aus dem Lastmodell ergeben, belastet.
Elektrifizierung eines Mähdrescherschneidwerks. - 117 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Die Arbeit befasst sich mit der elektrischen Schwingungsdämpfung an einem Mähdrescherschneidwerk.
http://www.gbv.de/dms/ilmenau/abs/847920062hohma.txt
Entwicklung einer Mikrorechnerplattform zur Parameterbestimmung eines permanentmagneterregten Synchronmotors mittels eines neuartigen Gradientenabstiegsverfahrens. - 77 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2016
Die Bachelorthesis untersucht die simulative Umsetzung des von der Universität Hannover entwickelten Gradientenabstiegsverfahrens zur Parameterschätzung einer permanentmagnetisch erregten Synchronmaschine (PMSM). Mit dem Verfahren können die Parameter Widerstand, Induktivität, Flussverkettung als auch die Statortemperatur einer PMSM mit einer sehr hohen Genauigkeit sensorlos und in Echtzeit geschätzt werden. Das Schätzverfahren wurde in der Bachelorthesis vollständig beschrieben und ein gegebenes Matlab-Simulink Simulationsmodell des Verfahrens für die Anwendung auf einer Mikrorechnerplattform angepasst. Danach folgte die Entwicklung der Mikrorechnerplattform E1111 auf Basis der E1048-Steckkarte von ebm-papst. Ein Prototyp der neuen Mikrorechnerplattform E1111 wurde angefertigt und die Funktionsfähigkeit hergestellt (E1111.1). Abschließend wurde sie einzeln als auch an einem Versuchsstand getestet und mit einer für die PMSM Baugruppe 112 geeigneten Motorregelung programmiert.
Konzeption, Aufbau und Umsetzung eines Versuchsstandes zur Untersuchung und Schutzbeschaltung eines Relais. - 88 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2015
Die Arbeit befasst sich mit der Untersuchung eines Hochstromrelais. Die elektrischen und mechanischen Schalteigenschaften werden anhand von unterschiedlichen Schaltungen ermittelt. Dazu wurden mehrere Versuchsstände konzipiert, aufgebaut und umgesetzt. Außerdem geht es um die Entwicklung einer Schutzbeschaltung bei eingeprägtem Strom.