Wirkungsgradoptimale Regelung einer permanenterregten Synchronmaschine mit vergrabenen Magneten unter besonderer Berücksichtigung eins möglichst hohen Drehzahl- und Drehmomentstellbereichs. - 125 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2012
Das Bestreben nach einem hohen Wirkungsgrad elektrischer Maschinen ist sowohl für industrielle Anwendungen als auch für den Bereich der Elektromobilität interessant. Permanentmagneterregte Synchronmaschinen mit vergrabenen Magneten weisen hervorragende Eigenschaften in Hinsicht des Wirkungsgrades und der Leistungsdichte auf. Durch die Anordnung der Magnete innerhalb des Rotors der Maschine entsteht eine magnetische Anisotropie und erlaubt die zusätzliche Nutzung eines Reluktanzdrehmoments. Um diesen Effekt effizient auszunutzen sind konventionelle Regelungen nicht geeignet. Aus diesem Grund beschäftigt sich diese Arbeit mit der Entwicklung einer Regelstrategie, mit welcher die IPMSM wikrungsgradoptimal betrieben werden kann. Dabei werden die typischen Randbedingungen wie der hohe Drehzahl- und Drehmomentstellbereich, was einen Betrieb der Maschine in Feldschwächung erfordert, berücksichtigt. An erster Stelle steht die Ermittlung der Paramter für einen wirkungsgradoptimalen Betrieb der Maschine. Hierzu werden numerische Optimierungsstrategien vorgestellt, welche für einen Arbeitspunkt der IPMSM die optimalen Betriebsparamter ermitteln. Das Ziel ist dabei, die auftretenden elektrischen Verluste als auch die Eisenverluste in der Maschine zu minimieren um einen entsprechend hohen Wirkungsgrad zu erreichen. Um die geeignetste Strategie zu bestimmen, wurde eine genauere Untersuchung der Optimierungsstratgien in Bezug auf deren Verlustunterschiede untereinander durchgeführt. Das Ergebnis zeigt, dass bei einer verlustarmen Blechung der Maschine, die Eisenverluste bei der Berechnung der wirkungsgradoptimalen Paramter vernachlässigbar sind. Auf Basis dieser Optimierungstrategien wird ein Regelstratgie entwickelt, welche in der Lage ist, die zuvor berechneten, optimalen Paramter in die Maschine ein zu prägen. Die Grundlage bildet dabei ein unterlagerte feldorientierte Stromregelung. Insbesondere wird die Struktur eines Feldschwächregler vorgestellt, welcher in Lage ist, über einen weiten Drehzahlbereich das geforderte Solldrehmoment konstant zu halten und damit den maximalen Drehmomentstellbereich der Maschine nahezu vollständig ausnutzt. Die Funktionsfähigkeit der entwickelten Regelstrategie wird anhand einer Simulation in MATLABR-Simulink und anschließender Implementierung auf einem Prüfstand validiert. Insgesamt konnte gezeigt werden, dass die entwickelte Regelstrategie sowohl in der Simulation als auch am Prüfstand die gestellten Anforderungen erfüllt.
Einbindung des Fahrzeugenergiesystems in die SPS-Struktur und Erstellung einer grafischen Bedienoberfläche. - 62 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2011
In dem Laborgebäude für Elektrotechnik der TU Ilmenau ist das Fahrzeugenergiesystem Bestandteil der Laborausstattung und dient der Durchführung zahlreicher Experimente und Messungen. Die Kommunikation mit dem Bediener erfolgt dabei über ein CAN-Bus System. Bisher waren dazu ein CAN-Bus-Adapter und ein PC mit einer speziellen Software nötig. Infolge der im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Marktrecherche wurde eine Möglichkeit gefunden die Hardwarekonfiguration so zu modifizieren, dass das Fahrzeugenergiesystem in die bestehende SPS-Struktur integriert werden konnte. Zur Bewältigung der Steuerungsaufgaben des Fahrzeugenergiesystems über die SPS musste ebenso das SPS-Programm entsprechend angepasst werden. Schließlich konnte mit einer neuen Menüführung in den bereits vorhandenen Operator Panels das Fahrzeugenergiesystem bedienbar gemacht werden, ohne auf zusätzliche Steuergeräte, wie ein PC, zurückgreifen zu müssen.
Entwicklung eines PWM Generators für Dosier-, Förder- und Luftpumpen einer Brennstoffzelle zur Einbindung in die Berghof Prüfstandsoftware. - 80 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2011
Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Spannungsgenerator zur elektrischen Ansteuerung von Dosier-, Förder- und Luftpumpen einer Brennstoffzelle entwickelt. Dieser Generator wird in einen Prüfstand zur Qualitätskontrolle der genannten Pumpen eingebaut. Die benötigten Signale sind Rechteckspannungen, die von dem Mikrocontroller ATmega32 der Firma Atmel mit variabler Frequenz und Pulsbreite erzeugt werden. Die Betriebsspannung wird ebenfalls durch den Mikrocontroller eingestellt, indem eine vom Mikrocontroller ausgegebene analoge Spannung durch Operationsverstärker entsprechend verstärkt wird. Diese Spannung wird mittels MOS-FETs im Takt der vom Controller gebildeten Rechtecksignale geschaltet. Für die Luftpumpen wird ein Wechselsignal mit der Vollbrücke L298 von STMicroelectronics erzeugt, indem an die Eingänge der Brücke abwechselnd Spannungen angelegt werden und so positive und negative Pulse entstehen. Die Betriebsströme der Pumpen werden über Messwiderstände aufgenommen, also in eine proportionale Spannung umgewandelt, die geeignet verstärkt einer 0-10V Eingangsklemme zur Verfügung gestellt wird. Dieses System wird in die Prüfstandsoftware eingebunden. Die Kommunikation zwischen Steuer-PC und Mikrocontroller erfolgt über die RS232 Schnittstelle und mit Telegrammen im ASCII Format. Diese Telegramme haben ein bestimmtes Format und enthalten neben der zu ändernden Kanalnummer auch die entsprechenden Sollwerte für Frequenz, Pulsweite und Spannungsamplitude. Der Prüfstand wird von LabVIEW gesteuert, sodass auch ein LabVIEW Programm für die Kommunikation mit dem Generator erstellt wird, das die Kommunikation aufbaut und gültige Telegramme aus den Sollwerten der zentralen Datenbank erzeugt.
MATLAB-Simulation zur Bestimmung der Stromasymmetrien in parallel kaskadierten Stromrichtern. - 51 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2011
In der vorgelegten Arbeit wurde die Funktionsweise eines parallel kaskadierten Umrichters zur Erzeugung einer kochgenauen und hochdynamischen DC-Prüfspannung betrachtet. Der untersuchte Steller besteht aus 10 Halbbrücken, die versetzt getaktet werden. Jeweils 5 parallel kaskadierte Halbbrücken speisen die positive und die negative Klemme der Ausgangspannung. Damit sind beide Polaritäten des Ausgangsstromes möglich. Um die Stromasymmetrien der einzelnen Teilphasen zu bestimmen, wurden Simulationen mit unterschiedlichen Parametern des Leistungskreises durchgeführt. Die Asymmetrie der Schaltungselemente wurde manuell eingestellt. Dabei wurden die Kreisinduktivität und der Kreiswiderstand verändert, indem zusätzliche Elemente eingefügt wurden. Das zum praktischen Nachweis der Simulationsergebnisse benutzte Fahrzeugenergiesystem arbeitet im Stromregelungsmodus, dessen Dynamik stark reduziert wurde, um die gewünschten Effekte zu erreichen. Der Sollwert des Stroms wird vorgegeben. Zur künstlichen Erzeugung von Stromasymmetrien in den einzelnen Teilphasen, wird ein zusätzlicher Tastverhältnissprung sprungförmig mit einer einstellbaren Frequenz aufgeschaltet. Damit stellt sich kurzzeitig ein unterschiedliches Tastverhältnis in den Halbbrücken ein, welches zu einer Stromüberhöhung in einzelnen Halbbrücken führt. Im Ergebnis der Simulationen wurde ermittelt, dass es durch Veränderungen sowohl von Kreisinduktivität als auch vom Kreiswiderstand im Bereich von +/- 20% vom Nennwert kritische Stromasymmetrien entstehen können. Die maximale Stromerhöhung in den Teilphasen liegt bei ca. 20%. Die Zeitkonstante der kurzzeitigen Stromüberhöhung wird durch die Kreiselemente bestimmt. Je geringer der Kreiswiderstand ist, desto länger dauert es, bis nach einem Tastverhältnissprung die Stromüberhöhung abklingt. Eine Erhöhung der Frequenz der Tastverhältnissprünge verringert zwar die Amplitude Stromüberhöhung, aber gibt noch keine Aussage über die tatsächliche Erhöhung der Strombelastung der Leistungshalbleiter. Die nachgebildeten Stromüberhöhungen beschreiben die maximal auftretende Stromüberhöhung bezüglich des stationären Strommittelwertes nach einem Tastverhältnissprung in den einzelnen Halbbrücken. Der Modulatortyp bestimmt den Übernahmezeitpunkt des neuen Tastverhältnisses und damit indirekt auch die Stromasymmetrien. Für die sichere Auslegung der Leistungshalbleiter ist es notwendig diese zeitlich begrenzte Stromüberhöhung in einen entsprechenden Faktor zur Überdimensionierung der Halbleiter umzurechnen. Weitere Arbeiten sollten die Untersuchung des Einflusses der Parameter der Halbleiterschalter auf die Höhe der Stromasymmetrien zum Ziel haben. Ein weiteres Ziel für zukünftige Untersuchungen ist die Wirkung anderer Regelstrukturen. Dazu sollte der Einfluss der Regler-Parameter auf die Stromasymmetrien untersucht werden.
Umsetzung der geberlosen Drehzahlregelung eines Asynchromotors auf dem DSP TMS320F2808 und dem Mikrocontroller XC167CI. - 77 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2011
Die Masterarbeit beschäftigt sich mit der Umsetzung einer geberlosen rotorflussorientierten Drehzahlregelung für einen Asynchronmotor mit dem Mikrocontroller und dem DSP TMS320F2808. Ein Flussmodell wurde erstellt, um die Motordrehzahl zu schätzen. Und die geschätzte Drehzahl wurde als Istwert in der Regelung verwendet. Um den Statorfluss in dem Flussmodell genau berechnen zu können, wurde die reine Integration durch eine Integration mit einer programmierbaren Rückkopplung ersetzt. Als Eingangsgröße der Statorspannung wurde die Ausgangsspannung der Regler bzw. die Modulationsspannung verwendet. Zur Generierung der Ansteuersignale für sechs IGBT im Wechselrichter wurde das Supermodulationsverfahren verwendet. Für die Umsetzung der Regelung im Mikrocontroller bzw. im DSP wurde verschiedene Einheit verwendet. Gemäß dem Ergebnis der Experimente kann das Flussmodell über 3 Hz gut operieren.
Regelung einer fremderregten Gleichstrommaschine mit Feldschwächung im Vierquadrantenbetrieb. - 65 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2011
Eine fremderregte Gleichstrommaschine wurde mit Hilfe eines B6-IGBT-Wechselrichters im Vierquadrantenbetrieb geregelt. Dazu wurde für beide Drehrichtungen sowohl das Beschleunigen als auch Abbremsen implementiert. Weiterhin wurde die Zwischenkreisspannung mit Hilfe eines im Wechselrichter integrierten Bremschoppers regelungstechnisch auf einen Maximalwert begrenzt. Zudem wurde der Betrieb bei Drehzahlen größer der Nenndrehzahl mit Hilfe einer Feldschwächregelung realisiert. Alle Regelkreise wurden in Kaskadenstruktur aufgebaut, um die Inbetriebnahme zu vereinfachen und Betriebsgrößen begrenzen zu können. Bei der Parametrierung wurden folgende Optimierungsverfahren verwendet: Betragsoptimum, symmetrisches Optimum und Einstellregeln nach Chien, Hrones und Reswick. Als Mikrocontroller kam der 16-bit Controller XC167 der Firma Infineon zum Einsatz.
Realisierung einer 4kW-Netzeinspeisung mittels Mikrocontroller und FPGA. - 45 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2011
Im Rahmen dieser Arbeit ist ein Programm zur Netzeinspeisung entstanden. Dabei kommt ein Ansteuersatz bestehend aus dem Mikrocontroller Infineon XC167CI-32F und dem FPGA Xilinx Spartan XC3S50 zum Einsatz. Das Programm ermöglicht eine Grundschwingungsstromregelung unter Vorgabe der Sollwerte Idsoll und Iqsoll sowie eine Kompensationsregelung für die 5., 7., 11. und 13. Stromharmonische. Diese Regelungen werden auf dem Mikrocontroller gerechnet. Die Stromregler liefern einen gemeinsamen Spannungsraumzeiger, der mit Hilfe einer Raumzeigermodulation in Zündsignale für einen B6-IGBT-Wechselrichter umgewandelt wird. Die Raumzeigermodulation ist auf dem FPGA umgesetzt. Außerdem ermöglicht das Programm einen Inselbetrieb mit Stromregelung sowie einstellbarer Puls- und Ausgangsfrequenz. Die nötigen Berechnungen finden auf dem Mikrocontroller statt. Die Anlage kann zusätzlich im getakteten Betrieb arbeiten. Die Ausgangsfrequenz ist variabel. Das entsprechende Unterprogramm ist im FPGA realisiert. Während des gesamten Betriebs werden der Eingangsgleichstrom, die Ausgangsströme und die Zwischenkreisspannung per Software auf Einhaltung der Betriebsgrenzen überwacht. Die sensiblen Größen Modultemperatur, Ausgangsströme und Zwischenkreisspannung werden zusätzlich per Hardware überwacht. Ein Überschreiten der Betriebsgrenzen führt im FPGA zur Sperrung der Zündsignale.
Entwicklung eines Regelungskonzeptes für einen Solarwechselrichter mit einer Anschlussleistung von 30kW. - 68 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2011
Die Photovoltaikbranche ist ein Industriezweig, der im vergangenen Jahrzehnt schnelles Wachstum verzeichnete. Die Umweltbedingungen dafür schuf das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) im Jahr 2000, ebenso entscheidend war die Entwicklung der Halbleitertechnik. Förderbedingungen, die jeweils 20 Jahre an den Betrieb von Photovoltaikanlagen gebunden sind, machen langfristige Planungen und Investitionen zwingend notwendig. Das EEG schafft somit Anreize zur effizienten Nutzung von Erneuerbaren Energien. Die Anpassung der Vergütungssätze im August 2010 machte eine Kostensenkung im Anlagenbau erforderlich, um somit die prognostizierte Anlagenrentabilität zu erwirtschaften. In Anbetracht der weiterhin zu erwartenden Degression der Vergütung erhöht sich der Druck auf die Branche. Eine Reduzierung der spezifischen Kosten ist bei allen Komponenten einer Photovoltaikanlage, insbesondere bei den Wechselrichtern und der Module gefragt. Im Rahmen der Arbeit wird die Entwicklung eines Photovoltaikwechselrichters dokumentiert. Das Hauptaugenmerk liegt auf der Umsetzung der Anforderungen der Richtlinien "Erzeugeranlagen am Mittelspannungsnetz", "Erzeugeranlagen am Niederspannungsnetz" und weiteren relevanten Vorschriften. Desweiteren liegt ein Fokus der vorliegenden Arbeit auf der Minimierung der Herstellkosten unter Berücksichtigung des aktuellen Stands der Technik. Die Vorteile aus zentralem und dezentralem Wechselrichterkonzept wurden mittels eines DC- Zwischenkreises mit dezentralem MPP- Tracking kombiniert. Der DC- Zwischenkreis kann für alternative Energieformen genutzt werden und ist somit multifunktional.
Entwicklung einer Regelung zur Energie- und Dosisstabilisierung für ein Röntgenstrahlerzeugungssystem im MeV Bereich. - 105 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2011
Diese Arbeit behandelt die Entwicklung eines Kontroll- und Regelungssystems für ein eigenständiges Röntgenstrahlerzeugungssystem, auch Technischer Linac genannt. Der Technische Linac ist für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung und die Sicherheitstechnik konzipiert, da er in der Lage ist, ausgedehnte Objekte zu durchleuchten. Die bestehende Ansteuerung lässt derzeit nur eine Steuerung der Einzelkomponenten des Technischen Linacs zu. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer Regelung, die zur Dosis- und Energiestabilisierung des Technischen Linacs beiträgt. Die Beschreibung der Software und der darin enthaltenen Regelungsalgorithmen erfolgt im Zusammenhang mit den einzelnen anzusteuernden Komponenten des Technischen Linacs. Hierzu wurden für die bestehende Systemarchitektur Mess- und Schaltmodule entwickelt, welche eine Regelung der Systemparameter Injektorstrom, HF-Leistung, Dosis und Magnetronfrequenz ermöglichen. An einem aufgebauten Prototypen wurden die Mess- und Schaltmodule integriert und getestet. Die durchgeführten Messungen am Versuchsaufbau, die der Charakterisierung des Kontrollsystems dienten, wurden in der Arbeit dokumentiert und ausgewertet. Auf Grundlage der durchgeführten Messungen konnten Rückschlüsse auf die Funktionalität und Einsetzbarkeit des Kontrollsystems gezogen werden.
Implementierung einer Microcontrollersteuerung für einen active-front-end-Stromrichter zur Bereitstellung einer geregelten DC-Spannung . - 64 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2010
In der gegebenen Arbeit wurde eine aus zwei Wechselrichtern bestehende Laborspannungsquelle Netzwechselrichter - Quellewechselrichter untersucht. Für die Steuerung des Leistungsteils wurde ein Microcontroller eingesetzt. Der Netzwechselrichter generiert eine einstellbare geregelte DC-Spannung. Der Quellewechselrichter generiert ein in Frequenz und Spannungsamplitude stellbares Drehstromsystem, welches auf eine externe Spannung synchronisiert werden kann. Für dieses System wurde eine Betriebsführung für den Anschluss der Laborspannungsquelle zum Netz realisiert, indem eine direkte Netzkopplung oder eine Kopplung über einen Einspeisetransformator möglich ist. - Das Ziel der Regelung des netzseitigen Wechselrichters ist die Regelung der Zwischenkreisspannung. Für die Realisierung der Steuerhardware wurde eine Steuerkarte auf der Basis des digitalen Signalprozessors TMS320F28335 von Texas Instruments verwendet. Die realisierte Steuersoftware besteht aus einer Ablaufsteuerungsroutine für die Betriebsführung des Systems, der Netzsynchronisation, der Fehlererkennungsroutine und der Regelung des Netzwechselrichters. Im Ergebnis wurde die Regelung des netzseitigen Wechselrichters, Vorladung des Zwischenkreises vom Netz oder vom Transformator realisiert. Die erstellten Strukturen wurden durch eine wechselnde Belastung mit Energieverbrauchern oder Energiequellen auf statisches und dynamisches Verhalten getestet. - Zusätzlich wurde untersucht, wie die Verriegelungszeit der Transistoren die Netzstromoberschwingungen beeinflusst. Die Messung dieser Netzstromoberschwingungen erfolgte mit verschiedenen Verfahren - mit Messung durch reglerinterne Größen, Messung mit Vektorwattmeter PM300 und theoretische Berechnungen in Mathcad - durchgeführt. Die Ergebnisse der verschiedenen Messverfahren unterscheiden sich nicht wesentlich. Meßfehler sind nicht berücksichtigt. Da die Messwerte relativ klein bezüglich der Nenngrößen sind, sollten noch ausführlichere Messungen erfolgen. - Als zukünftige Aufgabe, steht die Realisierung der Regelung der Ausgangsspannung des QWR (Quellewechselrichter) und dessen Synchronisation auf die externe Spannung. - Weiterhin ist zum sicheren Betrieb der Laborspannungsquelle die vollständige Realisierung des Schutzkonzepts erforderlich. Es fehlt noch die Realisierung eines Übertemperaturschutzes und die Auswertung der SKIIP-Fehlersignale.