Abgeschlossene Studienabschlussarbeiten

Diese Arbeit trägt zur Entwicklung eines Stromrichtersystems für Experimentierzwecke bei, dessen Anwendung unter anderem in der Verbindung zweier Energieversorgungsnetze liegt, sodass zwischen beiden Energie ausgetauscht werden kann. Genau dieser Anwendungsfall wurde in einer Simulationsumgebung nachgebildet, in der das Streckenmodell in einem PLECS-Circuit, die Steuerung und Regelung in Matlab/Simulink hinterlegt ist. Auf Basis dessen konnten zum einen unterschiedliche Lastfälle durch Variation der Wirk- und Blindleistung simuliert werden, zum anderen eine Netzfilterauswahl anhand der Bewertung der Netzstromqualität hinsichtlich des Oberschwingungsgehaltes erfolgen. Ein weiterer, weitestgehend davon unabhängiger Aufgabenteil, war die Entwicklung einer Stromrichtersteuerschaltung, dessen Schwerpunkt das Hoch- und Herunterfahren des Stromrichtersystems sowie die Realisierung eines Sicherheitskonzeptes bildeten. Unter Berücksichtigung der gestellten Anforderungen erfolgte zunächst die Konzipierung, darauffolgend der Entwurf und abschließend die Dokumentation der Ergebnisse in einem Stromlaufplan, sodass zukünftig eine Beschaffung der benötigten Komponenten sowie der Aufbau eines Versuchsstandes erfolgen kann.

Als Ziel stellt sich die vorliegende Arbeit das Verhalten eines, am elektrischen Versorgungsnetz angeschlossen, synchronen Phasenschiebers durch ein leistungselektronisches Betriebsmittel zu emulieren. Dabei werden die typischen Charakteristiken der Synchronmaschine (SM) mit der neuartigen Realisierung verglichen, bspw. das Trägheitsdrehmoment oder die Blindleistungskompensation und die damit verbundenen Betriebsgrenzen. Als Berechnungsgrundlage für die mathematischen Modelle wird DIgSILENT-PowerFactory-Software eingesetzt, um die Dynamik der symmetrischen Komponenten im Nennzustand bzw. Fehlerfall zu betrachten. Die Vorteile die man von der leistungselektronischen Ausführung erwarten könnte sind einstellbare Streckenparameter und damit beliebige Flexibilität innerhalb der Einhaltung des maximalen Stromscheitelwertes. Die beiden Realisierungen der Blindleistungskompensationsanlagen werden bei maximaler Auslastung, d.h. bei Nennscheinleistung übererregt bzw. untererregt untersucht. Schlagwörter: Synchronmaschine, Emulation, Spannungswechselrichter, Phasenschieber, Blindleistungskompensation, Reglerentwurf, transiente Stabilität

Diese Arbeit ist Teil eines Hochleistungs-Steuerungssystems mit mehreren verteilten Knoten und einer Zentraleinheit, die auf einem Zynq UltraScale+ System-on-Chip (SoC) aufbaut. Dieses SoC besteht aus zwei Domänen: der Prozessor- und der Logik-Domäne. In einer zukünftigen Anwendung müssen beide Domänen Daten miteinander austauschen. Gefordert ist dabei eine äquidistante Abtastung und eine flexible Anbindung der Signale innerhalb der Logik. Zur Umsetzung dieses Datenaustauschs werden mehrere Optionen vorgestellt. Eine Lösungsmöglichkeit, die auf der Nutzung von Registern und des Advanced eXtensible Interface (AXI)-Bus basiert, wurde ausgewählt und implementiert. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass der Transfer die zeitlichen Anforderungen einer schnellen Interrupt-Routine erfüllen muss, werden Leistungsbewertungen vorgestellt.

Mikrocontroller sind in vielen Geräten vom Alltag bis hin zu Hightech-Anlagen zu finden, neben den normalen Computern meist für Datenverarbeitung. Ihre Leistung und Ausstattung können je nach Bedarf angepasst werden. Mikrocontroller und Sensoren sind meist in Bereichen angesiedelt, die von den Datenverarbeitungsbereichen entfernt sind. Die Kommunikation zwischen den beiden Bereichen sollte auf sichere und schnelle Weise erfolgen. Die Single-Pair-Ethernet-Schnittstelle (SPE) ist eine Lösung dafür, da sie mit einfachem Aufwand einen drahtgebundenen Datenaustausch entweder bis zu 5 GBit/s über eine Distanz von 15 Metern ermöglicht, oder mit 10 MBit/s über 1000 m in Industrieanlagen. Im Rahmen der Abschlussarbeit soll der Mikrocontroller MSP430FR4133 von Texas-Instrument als Single-Pair-Ethernet-Station für die Kommunikation programmiert werden. In dieser Arbeit soll SPE mit einer Datenrate von 10 MBit/s aber für schnelle Abtastzeiten bis zu 50 [my]s ausgenutzt werden. Dazu müssen zunächst Grundlagen untersucht werden. Zu Beginn wird der Timer und das Interrupt von dem Controller MSP430FR4133 dargestellt. Dabei werden die verschiedenen Register vom Timer_A gezeigt und gleichzeitig wird eine Instanz davon mit einem konkreten Beispiel konfiguriert. Anschließend wird das Konfigurieren des LCDs vom MSP430FR4133 dargestellt. Schließlich befasst die Arbeit sich erstens mit der Enhanced Universal Serial Communication Interfaces (eUSCI) im Synchron oder Asynchron Modus und zweitens soll die eUSCI im SPI Modus programmiert werden. Hier werden die Stärken und Schwächen von jedem Modus vorgestellt. Nachdem die eUSCI im SPI-Modus programmiert wurde, soll das Programm auf dem MSP430FR4133 geladen und ausgeführt werden. Das Ziel ist, die Datenrate des Controllers zu ermitteln sie sollte für die Datenrate für eine SPE-Verbindung (mindestens 10 Mbits/sec) ausreichen. Dafür werden die Signale an den entsprechenden Pins mithilfe eines Oszilloskops erfasst und veranschaulicht, die Signalverläufe können durch eine Messung verifiziert werden. Die Programmierung der eUSCI im SPI-Modus wird ausschließlich für die Programmierung des SPE-Adapters [SPA] verwendet. Hinweis: SPE-Station besteht aus dem MSP430FR4133 und einem SPE-Adapter mit einem FPGA versehen. In dieser Arbeit wird ausschließlich die Programmierung von MSP430FR4133 im SPI-Modus behandelt, die SPE-Karte soll bereitgestellt werden.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit Regelungsverfahren zur Last-Emulation von parallel-kaskadierten Zweipunktspannungswechselrichtern. Ziel ist es, den Stromrippel eines zu prüfenden Umrichters so zu regeln, dass das Verhalten einer virtuellen Impedanz emuliert wird. Aufgrund der Topologie des Emulationsumrichters können Kreisströme entstehen, diese werden durch die vorgestellte Regelungsstruktur vollständig unterdrückt, ohne den Ausgangsstrom zu beeinflussen. Zur Nachbildung einer virtuellen Impedanz wird ein entsprechendes Last-Modell erläutert, welches die Sollwerte für den Emulationsumrichter generiert. Alle Strukturen werden in Matlab/Simulink umgesetzt und mit dem HDL-Coder in einen FPGA überführt. Dadurch kann das System in Echtzeit simuliert und untersucht werden.

Nach der Modellierung und Simulation von 4 Schaltung habe ich ein tieferes Verständnis für das von Zustandsgraf erstellte Modell. Durch Simulink-Modell zur Simulation der Schaltung können Sie die verschiedenen Schaltzustände der Schaltung besser verstehen. Bei der Gestaltung diese Arbeit nahm die Schwierigkeit allmählich zu, die Modellierung beginnt mit einem Tiefsetzsteller und einem Hochsetzsteller, um zuerst das Modellierungsprinzip des Simulink-Modells zu verstehen. Für die Modellierung des Simulink-Modells besteht die Grundidee der Modellierung darin, den Schaltungszustand gemäß verschiedenen Schaltzuständen zu bestimmen und dann die Differentialgleichung gemäß der Ersatzschaltung zu berechnen, und das mathematische Modell der Schaltung kann gemäß gebildet werden auf die mathematische Beziehung der Gleichung, dann können gemäß verschiedenen Beurteilungsbedingungen verschiedene Zustände ausgegeben werden, um ein vollständiges Simulink-Modell zu erhalten. Der wichtigste Teil des Simulink-Modells ist das Design von Zustandsgrafen, der zustandsgraf enthält verschiedene Ausgangsschaltungszustände, die Beurteilungsbedingungen des Schaltungszustands, es besteht im Allgemeinen aus Schaltzuständen. Zum Beispiel kann ein Tiefsetzsteller umfasst das Zustandsgraf 3 Schaltzustände, so dass es bis 3 Schaltungszustände entspricht. Bei der Modellierung ein bidirektionales Tief/Hochsetzsteller werden als Schaltelemente IGBTs und antiparallele Dioden verwendet, wenn zwei IGBTs gleichzeitig ausgeschaltet werden, wird die Diode eingeschaltet, so dass die Leitungssituation in einer Periode komplizierter ist, was hier beachtet werden muss, ist die Bestimmung der Beurteilungsbedingungen für jeden Arbeitszustand, um das Simulink-Modell mit dem Modell im SimuPowerSystem konsistenter zu machen. Bei der Modellierung eines Bidirektionalen Dreiphasenstromrichters, die Entwicklung der erläuterten Modelle besteht in Allgemeinen aus zwei Teilen, der Dimensionierung des Stromkreises und dem Entwurf des Regelverfahrens. Während im detaillierten Modell die Brückenschaltung des SRs komponentenweise dargestellt wird, lässt sie sich im Mittelwertmodell durch eine Spannungsquelle ersetzen. Die Regelung der SRs wird aus vier Bestandteilen gebildet. In Bestandteil 1 werden die Zwischenkreisspannung, die Netzspannung und der Netzstrom erfasst. Mithilfe der Phasenregelschleife lässt sich der Netzwinkel ermitteln, womit der Netzstrom in dq-Größen transformiert werden kann. Im Bestandteil 2 werden die kaskadengeordneten Regler ausgeführt. Die daraus ermittelten Regelgrößen in dq0-Koordinaten werden in Bestandteil 3 in natürliche Koordinaten zurücktransformiert. Die so generierten dreiphasigen Größen sind ideal sinusförmig und werden direkt für das Mittelwertmodell eingesetzt. Wenn das SimuPowerSystem-Modell modelliert wird, können zuerst verschiedene Situationen im SimuPowerSystem-Modell simulieren, dann analysieren den Schaltzustand gemäß dem Strom in der Schaltung und die Spannung an den elektronischen Komponenten. Bei der Modellierung des Simulink-Modells wird das Dreiphasenmodell als drei Einphasenmodelle zur Modellierung betrachtet. Und der Hilfszustand wurde wegen der algebraischen Schleife in den Modellierungsprozess eingeführt, daher werden im Modellierungsprozess 6 Zustandsgraf benötigt, gleichzeitig wurde Nullspannung u_(y )für die Modellierung eingeführt und die Nullspannung in verschiedene Schaltzustände berechnet. Obwohl die Einführung des Hilfszustands die algebraische Schleife beseitigt, ergibt sich auch eine Abweichung gegenüber dem richtigen Zustand, die Zeit der Abweichung beträgt etwa einen Schritt, bei einer variablen Schrittweite kann die Abweichung ignoriert werden. Nach mehreren Simulationen erfüllen die Ergebnisse die erwarteten Anforderungen. In Zukunft können diese Modelle verwendet werden, um verschiedene Schaltzustände von Schaltkreisen zu untersuchen, es kann auch zum Einlernen verschiedener Schaltungen verwendet werden. Das Simulink-Modell kann den Schaltzustand der Schaltung unter verschiedenen Leitungsbedingungen besser analysieren. Wenn die Modellierungsmethode in Simulink während der nachfolgenden Recherche ändern können. Natürlich kann diese Methode in Zukunft auch zur Modellierung anderer elektronischer Schaltungen verwendet werden.

Die vorliegende Masterarbeit analysiert die nichtlineare Regelungsmethode Passivity-Based Control (PBC) mit dem Fokus auf die so genannte IDA-PBC (Interconnection and Damping Assignment Passivity-Based Control) für ein dreiphasiges Stromrichtermodell am AC-Netz mit LCL-Filter. Die Ziele dieser Arbeit sind zunächst die Untersuchung, Modellierung und Simulation einer in der Literatur ([5]) angegebenen Variante. Danach werden Erweiterungen des untersuchten Modells unter Verwendung eines Totzeitgliedes, approximiert durch ein PT1-Glied und einem Padé-Glied 2. Ordnung, eines Winkelbildners der Filterkapazitätsspannung, eines Phasenregelkreises (PLL) und/oder eines Spannungsregelkreises für die Zwischenkreisspannung vorgenommen. Des Weiteren werden die erweiterten Modelle untersucht, inwieweit diese sich auch passiv verhalten. Das gesamte System ([5]) wird in Port-Hamiltonscher Darstellung und im dq-Koordinatensystem des Netzes beschrieben. Die Netzspannung im dq-Koordinatensystem ist als eine konstante Eingangsgröße angenommen worden. Für die Modellierung und Simulationsuntersuchungen wird MATLAB/Simulink genutzt. Die Stabilitätsuntersuchungen werden mit Polstellen-Diagrammen des linearisierten Modells durchgeführt. Die Passivität der Systeme wird mit Hilfe einer kontinuierlichen Übertragungsfunktionsmatrix sowie ihrem Frequenzbereich untersucht.

In der gegenwärtigen Zeit sind leistungselektronische Systeme für die Integration erneuerbarer Energiequellen in existierende Elektroenergiesysteme von elementarer Bedeutung. Auch im Kleinspannungsumfeld enthält jedes Schaltnetzteil leistungselektronische Komponenten zur Energiewandlung. Somit sind auf dem Weg vom Erzeuger bis zum Verbraucher kaskadiert mehrere Ebenen der Leistungselektronik vorzufinden, welche jeweils mit ihren Verlusten die tatsächlich an den Verbraucher übertragene Leistung vermindern. Könnte man der Wirkungsgrad der leistungselektronischen Komponenten erhöhen, so gäbe es massive Energieeinsparungen innerhalb der Übertragungsstrecken. Bei einer weltweiten Stromerzeugung von 21.963 Terawattstunden (TWh) im Jahre 2014 könnte eine Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades um bereits 0,1 % eine Energieersparnis von rund 22 TWh bedeuten, was dem Energiebedarf einer Metropole gleichkäme. Neben dem Wirkungsgrad spielt auch gerade in der heutigen Zeit die Integrationsdichte eine immer größere Rolle, der Willen zur Verkleinerung von Baugruppen bei gleichbleibendem Systemverhalten ist ein starker Trend in der Energietechnik. Somit hat diese Arbeit als Thema, fähige Regelungsstrukturen für Netzwechselrichterstrukturen aufzubauen und diese auf Störfestigkeit und Führungsverhalten zu prüfen, sodass ein stabiles Systemverhalten auch für räumlich kleiner bemessene Bauelemente gewährleistet werden kann.

Das Ziel der Softwareentwicklung für eingebettete Systeme ist ein robustes und fehlerfreies Systemverhalten unter realen Umgebungsbedingungen. Diese Masterarbeit ist Teil eines Gesamtprojekts mit dem Ziel der Entwicklung eines Echtzeitdiagnosesystems für leistungselektronische Systeme. In dieser Arbeit werden die Grundlagen der Datenkommunikation zwischen einem PC und mehreren eingebetteten Systemen über Ethernet erarbeitet. Anschließend wird das Adressbasierte Dynamische Daten-Protokoll (ADDP) entworfen und auf einem TMS320F28379D Mikrocontroller von Texas Instruments mit externem Ethernet-Controller implementiert. Die Grundidee ist die Nutzung von freier Rechenzeit zur Kommunikation mit einem PC. Das jeweilige eingebettete System kann so unter realen Umgebungsbedingungen eingesetzt werden und wird dabei nicht durch die Kommunikation beeinträchtigt. Mit den gewonnenen Daten kann der Ablauf der Software nachvollzogen werden. Zusätzlich werden Anforderungen an die Diagnosesoftware "moni2" des Fachgebiets Leistungselektronik und Steuerungen in der Elektroenergietechnik definiert. Das Ergebnis wird vorgestellt. Das ADDP bietet Einsatzmöglichkeiten in den Bereichen Softwaretest, Diagnose, oder Sollwertvorgabe und Monitoring in verteilten Systemen.

Diese Arbeit demonstriert an einem praktischen Beispiel, wie die Simulink-Toolbox "HDL Coder" für die Umsetzung von Regelungsstrukturen in der Leistungselektronik genutzt werden kann. Dabei soll untersucht werden, inwiefern dieses Verfahren das herkömmliche zeitaufwändige Programmieren ersetzen kann. Die benötigten Strukturen werden in Simulink als Blockstruktur modelliert und mit dem HDL Coder in eine Hardwarebeschreibungssprache übersetzt. Auf einer ausgewählten Field Programmable Gate Array (FPGA)-Entwicklungsplattform wird das Ergebnis getestet. Vorangeht ein kurzer Abriss über die Konfiguration und Nutzung des Programms.

Leistungshalbleiter auf Basis von Siliziumkarbid besitzen dank überlegener Materialeigenschaften gegenüber Silizium mehrere Vorteile wie niedrigere Schaltver-luste, höhere Schaltgeschwindigkeiten, bessere thermische Leitfähigkeit sowie eine höhere Durchbruchfeldstärke. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Weiterentwicklung eines Inverters zum Betreiben verschiedener elektrischer Maschinen unter Prüfstandsbedingungen. Der Aufbau dient der Erforschung von praktischen Leistungsgrenzen im Umgang mit Halbleitermodulen die einen breiten Bandabstand aufweisen. Hierbei wird die Erweiterung der Leistungsfähigkeit durch Parallelführung mehrerer SiC-Halbleitermodule untersucht. Die, dafür benötigten, Grundlagen werden erläutert, wichtige Paramater mit einer Simulationssoftware berechnet und anhand des realen Aufbaus verifiziert. Das Ziel ist die Untersuchung des Schaltverhaltens bei hohen Schaltfrequenzen des Umrichters. Besonderes Augenmerk liegt auf der Synchronisation und dem Abgleich parallelgeführter elektrischer Schalter. Die Untersuchung transienter Vor-gänge sowie Verlustleistungsbetrachtungen bilden hierbei die Grundlage für Optimierungsverfahren. Anhand von Überspannungskompensation, Manipulation der Schaltgeschwindigkeit und Verfahren zur gleichmäßigen Stromverteilungen wird ein sicherer Betrieb der Anlage in geforderter Qualität gewährleistet.

Es wurde ein Demonstrator mit zwei Kaltgasdüsen konstruiert, der sich frei um seine vertikale Achse drehen kann, um den Zweck des Lageregelungssystems zu zeigen. Das gesamte System kann stattdessen auch horizontal aufgestellt werden, und ermöglicht somit die Messung der Schubkraft. Schwingungsprobleme, die durch mangelnde Steifigkeit verursacht wurden, konnten behoben werden. Eigene Elektronik wurde entwickelt, um den Funktionsumfang des Geräts zu ermöglichen und Kosten zu sparen. Die Kernkomponente ist ein Arduino UNO, der zur Durchführung und Aufzeichnung der Schubmessungen oder zum Betrieb des geschlossenen Regelkreises in den Demonstrationsmodi verwendet wurde. Dadurch ist der Demonstrator in der Lage, eine Rotation automatisch zu stoppen oder eine gewünschte Führungsgröße zu halten und auf physikalische Störungen sowie auf Bluetooth-Befehle zu reagieren. Ein numerisches Modell, das den Demonstrator in seiner statischen Schubmesskonfiguration simuliert, wurde in SimScape erstellt. Zur Modellierung der Strömungsverhältnisse in der Schubdüse wurde eine eigene SimScape-Komponente entwickelt. Es handelt sich um ein 1D-Modell, das den Übergang von der Unterschall- zur Überschallströmung implementiert und die resultierende Schubkraft berechnet. Ein Satz Düsen verschiedener Größen und Expansionsverhältnisse wurde manuell hergestellt. Schubmessungen wurden mit dem Demonstrator in seiner horizontalen Konfiguration durchgeführt. Eine Teilmenge dieser Messungen wurde verwendet, um unbekannte Modellparameter wie die Wärmeübertragung und den Strömungswiderstand innerhalb des Tanks und der Rohre oder der Strömungseinschnürung am Düsenhals einzustellen. Modell und Messungen zeigen Effekte wie Drosselung, Strömungsablösung und unterschiedliche Expansionsverhältnisse. Obwohl sie meist gut korrelieren, gibt es auch Eigenschaften, die nicht ausreichend modelliert sind. Zwar gibt es Raum für Verbesserungen, aber insgesamt ist der Demonstrator ein erfolgreicher erster Machbarkeitsnachweis der Fähigkeit von Copenhagen Suborbitals, eine sich drehende Kapsel mit Hilfe eines Kaltgas-Lageregelungssystems zu verlangsamen.

In Rahmen dieser Masterarbeit wurde vorhandenes MATLAB/Simulink Modell mit der LCL-Filterstruktur und neuer Variante der Regelungsstruktur erweitert. Mithilfe dieser Erweiterungen wurden nächste Schlussfolgerungen durch die Stabilitätsuntersuchung gemacht. - Obwohl Implementierung der LCL-Filterstruktur einigen positiven Effekt auf der Systemstabilität hat, ist sie nicht ausreichende Maßnahme gegen starken instabilisierenden Faktor, wie Anstieg der Stromrichteranzahl. - Auswahl der passenden Parameter des LCL-Filters kann auf der Verbesserung der Systemstabilität beeinflussen, wurde aber optimale Methode der Definition dieser Parameter sowie exakte Anhängigkeit zwischen ihnen und Stabilität nicht gefunden. - Verschiedene Varianten der PLL-Orientierung bei der LCL-Filterstruktur haben keinen bedeutenden Einfluss. - Verwendung der Leistungsregelung bei der konstanten Zwischenkreisspannung in der Modellkonfiguration mit Freileitung zeigte bessere Resultaten im Sinne von der Systemstabilität, als konstante Sollwertvorgabe des Regelstromes und Spannungsregelung. Steigerung der Systemkomplexität ist aber noch ein Schwerpunkt. - Einstellung der Filterparameter entsprechend Filterleistung kann mindestens bei dem LC-Filter eine Stabilitätsmaßnahme sein.

Die permanenterregte Synchronmaschine (PMSM) ist für viele Automobilhersteller einer der favoriserten Elektromotoren im Antriebsstrang des Automobils. Insbesondere hat sich die Ausführungsform mit eingebetten Permanentmagneten in der Rotorstruktur (IPMSM) etabiliert, da hier hohe Leistungsdichten und Wirkungsgrade durch hohe Ausnutzung erzielt werden. Bei einer hoch ausgenzuten IPMSM treten jedoch nichtlineare Phänomene wie magnetische Sättigungs- und Kreuzsättigungseffekte auf, welche nicht mehr vernachlässigt werden dürfen. Die Abbildungtreue des elektromagnetischen Verhaltens der IPMSM über das konventionelle Motormodell in rotororientierten Koordinaten ist dadurch nicht mehr gegeben. Vor diesem Hintergund wird im Rahmen dieser Arbeit ein recheneffizientes Motormodell entwickelt, welches magnetische Sättigungs- und Kreuzsättgungseffekte berücksicht. Das konventionelle Motormodell wird modifiziert, sodass die Effekte der Sättigung und Kreuzsättigung berücksichtigt werden können. Die nichtlinearen Phänomene werden hier über einen Modellansatz auf Basis der magnetischen Flussverkettung beschrieben. In einer Parameteridentifikation werden via FEM-Daten und einer experimentellen Vermessung in einem Prüfstandskonzept die Modelldaten für die magnetische Flussverkettung generiert. Die gewonnenen Daten werden analysiert und in die entworfene Modellstruktur in MATLAB®/SIMULINK® implementiert. Das erhaltene Streckenmodell des Motors wird anschließend eigenständig und in der Interaktion innerhalb einer Regelschleife mit einem Wechselrichtermodell anaylsiert und validiert. Abschließend wird das Regelungssystem erweitert, sodass es im Kontext einer möglichen Applikation - als elektrisches Antriebssystem - analysiert werden kann.

Die Forderung nach steigender Effizienz von Antriebssystemen im Automobilbau bei gleichzeitig sinkenden Kosten sowie hoher Betriebssicherheit verlangt alternative Energiewandlerkonzepte. Die Verwendung von Invertern ist aus heutiger Sicht bei Traktionsantrieben im Bereich mobiler Systeme mit elektrischen Aggregaten unumgänglich. Hierbei gewinnen Halbleiter auf Basis alternativer Materialien zunehmend an Bedeutung. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines Inverters zum Betreiben verschiedener elektrischer Maschinen unter Prüfstandsbedingungen. Das Ziel ist die Untersuchung von Siliziumkarbid als Halbleiterwerkstoff für den Einsatz bei elektrischen Antrieben bis zu einer Leistung von 450 kW. Die, dafür benötigten, Grundlagen werden erläutert, Vor- und Nachteile aufgezeigt, die Recherche der verwendeten Bauteile exemplarisch dargestellt und der Aufbau schrittweise erklärt. Besonderes Augenmerk liegt auf dem sicheren Betrieb der Anlage. Die Dimensionierung und Umsetzung verschiedener Baugruppen sind anhand von Rechnungen und Bildern dargestellt. Abschließend wird der Aufbau in Betrieb genommen, die Funktionalität, für ausgewählte Parameter, messtechnisch nachgewiesen sowie mögliche Verbesserungen in Aussicht gestellt.

Als Alternative zu einem bestehenden Prüfsystem für die Batterie- und Antriebsforschung in der Automobil-Industrie in Schaltschrank-Bauweise soll ein modulares System entwickelt werden, bei welchem die einzelnen Komponenten in Einschubmodulen untergebracht sind. Dabei können mehrere Module parallel und in Reihe verschaltet werden, um mit wenigen Komponenten einen großen Spanungs- und Strombereich abzudecken. Die Entwicklung eines solchen modularen Systems erfordert viele Anpassungen und Neuentwicklungen. Diese Arbeit konzentriert sich dabei auf das Halbbrücken-Modul (HBM), welches über eine vom Netz galvanisch getrennte Zwischenkreisspannung hochdynamisch Ausgangsspannung- und -Strom des Systems bereitstellt. Im ersten Teil der Arbeit liegt der Fokus auf dem leistungselektronischen System und der Untersuchung und Optimierung der Hardware-Komponenten. Zuerst werden die Verluste der Halbleiter im HBM anhand des Datenblatts und über Simulationsmodelle berechnet. Anschließend werden verschiedene Kühlkörper untersucht und verglichen. Auf Grundlage dieser Untersuchungen kann die Chip-Temperatur der Halbleiter und damit auch der maximale Ausgangsstrom des Moduls berechnet werden. Damit lassen sich auch Faktoren bestimmen, die den Ausgangsstrom limitieren. Des Weiteren wird diskutiert, wie die Systemdynamik gesteigert werden kann und wie sich die Phasenzahl des HBM auf relevante Systemparameter auswirkt. Im zweiten Teil der Arbeit liegt der Fokus auf der Entwicklung eines Regelungskonzepts für das modulare System. Die Regelung und Steuerung der Anlage soll in einer zentralen Ausgangsbaugruppe erfolgen. Zunächst werden die möglichen Verschaltungsvarianten mehrerer HBM vorgestellt und anschließend mehrere Ansätze zur Regelung von Ausgangsspannung und -Strom entwickelt und simulativ sowie experimentell untersucht und bewertet. Zuletzt wird die im HBM vorhandene Kreisstromregelung erläutert und ein abgeändertes Konzept vorgestellt, welches eine höhere Ausgangsdynamik ermöglicht.

Das Kernthema der Masterarbeit ist die simulative Nachbildung von Resonanzproblemen in Offshore-Windparks. Dazu sind Messergebnisse von bestehenden Offshore-Windparks aufgelistet. Darauf aufbauend werden Möglichkeiten genannt, wie man die Umrichter der Windenergieanlagen einschließlich ihrer Regelung im Modell abbilden kann. Als Umrichter-Modell setzt man dabei auf den Wechselgrößen-PI-Regler und einen netzseitigen Spannungswechselrichter. Der Aufbau und die Simulationen zu beiden Ansätzen finden in Matlab-Simulink statt. Ein Netzmodell des vollständigen Offshore-Windpark-Netzes in DIgSILENT PowerFactory greift auf den Wechselgrößen-PI-Regler als Umrichter-Modell zurück. Alle Modelle zeigen, wie die Regelungen der Umrichter in Zusammenspiel mit den Induktivitäten und Kapazitäten des Systems zu "harmonischen Instabilitäten" führen. Die Analysen dazu fanden im Zeitbereich statt, trotzdem wird ein Ausblick in die Frequenzbereichsanalyse des Problems gegeben.

Inhalt dieser Arbeit ist die Implementierung eines Ansteuerautomaten für eine Hochvolt-MMC-Stufe mit Siliziumkarbid-MOSFETs sowie deren experimentelle Verifizierung. Hierzu wird ein Modell entwickelt und mittels Matlab/Simulink werden verschiedene Ansteuerverfahren simulativ untersucht und verglichen. Zudem wird eine Ansteuerung, welche auf der Programmiersprache C basiert, für die in der Hochvolt-MMC-Stufe enthaltene Vollbrücke auf einem digitalen Signalprozessor der Firma Texas Instruments implementiert. Abschließend werden an einem Versuchsaufbau Messungen durchgeführt. Es wird dabei auf die Abschaltzeit der Stufe im Fehlerfall sowie die Strom- und Spannungsverläufe am Ausgang der Stufe und die Spannungsverläufe über den einzelnen Schaltern eingegangen.

In dieser Bachelorarbeit wird das Konzept einer Spannungsversorgung zur Prüfung des zukünftigen Akkuwinkelschleifers GWS 18 V High Power der Robert Bosch Power Tools GmbH im Rahmen der Qualitäts- und Zuverlässigkeitsprüfung entwickelt. Die Notwendigkeit einer neuen, leistungsfähigeren Spannungsversorgung wird auf Grundlage der Kenndaten der gegenwärtigen Spannungsversorgung sowie der des geplanten Erzeugnisses begründet. Durch die Anwendung einer Datenlogger-Auswertung und einer praktischen Versuchsreihe wird das Leistungsprofil des Vorgängermodells überprüft, das die Grundlage zur rechnerischen Herleitung der Leistungsanforderungen einer neuen Spannungsversorgung bildet. Eine Marktrecherche führt zur Auswahl relevanter Labornetzgeräte im benötigten Hochleistungsbereich. Mittels der Methode der Nutzwertanalyse werden zwei Spannungsversorgungen vorgeschlagen, die aus technischer und wirtschaftlicher Sicht optimal für die Qualitäts- und Zuverlässigkeitsprüfung geeignet sind.

Thema dieser Arbeit ist der Hardwareentwurf eines digitalen Motorcontrollers für Antriebe kleiner Leistung. Ziel ist die Entwicklung einer voll funktionsfähigen Elektronik, sowie die Inbetriebnahme eines Prototyps. Dafür benötigte Grundlagen werden erläutert und die Recherche der verwendeten Bauteile exemplarisch gezeigt. Außerdem wird der schaltungstechnische Entwurf anhand ausgewählter Schaltungsteile beschrieben und deren Funktion mithilfe von Gleichungen belegt. Der Leiterplattenentwurf wird mithilfe des EDA-Programms "Altium Designer" vorgestellt. Letztlich wird die Funktionalität messtechnisch nachgewiesen und mit theoretischen Annahmen verglichen, sowie auf mögliche Verbesserungen hingewiesen.

In diesem Papier war es notwendig, ein Perlenkettesystem für die Stabilität zu untersuchen. Dazu wurde ein mathematisches Modell geschaffen und auch ein Regelungssystem entwickelt. Das bedeutet, dass der Stromregelkreis im Filter auf ein Betragsoptimum abgestimmt ist. Und auch die Zwischenkreisspannung ist auch auf ein symmetrisches Optimum abgestimmt. Um die Stabilität des Systems zu überprüfen, wurden PN-Diagramme verwendet. Aber wie sich herausstellte, gibt es in einigen Fällen Wiederspruch zwischen den Ergebnissen, die die lineare Analyse ergibt, und die eine zeitliche Simulation liefert. In dieser Arbeit wird eine solche Wiederspruch beobachtet, wenn die Totzeit variiert wird. Abschließend wurden die Ergebnisse für die verschiedenen eingestellten Parameter erhalten. Dies gilt sowohl für Zeitkonstanten als auch für Stromnetzparameter sowie für die Anzahl der Stromrichter. Es wurde eine Instabilität bei Aufteilung der einzuspeisenden Gesamtleistung auf mehrere Stromrichter kleinere Leistung, deren Netzverknüpfungspunkte auf die gegebenen Netzabschnitte gleichmäßig aufgeteilt wurde, beobachtet.

Ein Solid State Transformator (SST) findet im kHz Bereich Anwendung. Auf diese Weise kann er bei geringerem Gewicht eine höhere Leistungsdichte erzielen. SSTs können kaskadiert verschalten werden um auf Mittelspannungsebene angewendet zu werden. Diese Arbeit unternahm einen Wirkungsgradvergleich zwischen Dual-Active-Bridge sowie Resonanzwandler (SRC) als mögliche DC-DC-Wandlertechnologien. Dazu wurden die theoretischen Grundlagen der Modellbildung dargelegt. Verluste der Kondensatoren sowie Halbleiter fanden dabei Berücksichtigung. Bei den Halbleiterverlusten wurden sowohl Durchlass- als auch Schaltverluste betrachtet. Beide Topologien wurden in einem ein- und dreiphasigen Aufbau unter verschiedenen Lastsituationen mittels Simulation untersucht. Der SRC bildete hier über die Frequenz einen weiteren Freiheitsgrad. Die Auswertung der gewonnenen Stromverläufe bzw. Messwerte über die jeweiligen Verluste bis hin zum Gesamtwirkungsgrad wurden beschrieben. Mittels grafischer Oberfläche werden die Parameter der Simulation festgelegt und die Ergebnisse übersichtlich dargestellt. Zu den Parametern gehören die Auswahl des verwendeten Transformators, des Schalters und des Zwischenkreis- sowie Resonanzkondensators. Die Schalterkennlinien wurden dazu aus dem Datenblatt in geeignete Approximations- bzw. Interpolationsfunktionen überführt. Sowohl bei den Kondensatoren als auch Schaltern ist eine unterschiedliche Auswahl für die Primär- und Sekundärseite möglich. Weiterhin können mehrere Elemente Parallel- bzw. in Serienschaltung gebracht werden. Eine dreiphasige Resonanztopologie erzielte den höchsten Wirkungsgrad. Weiterhin wurde die Zusammensetzung der Verluste im Bezug auf eine weitere Optimierung ausgewertet. Die Kaskadierungsmöglichkeiten mehrerer DC-DC Wandlerstufen über verschiedene Übersetzungsverhältnisse wurden aufgezeigt. Letztlich wurde über eine Gesamtbilanz abgeschätzt, welchen Wirkungsgrad eine SST-Topologie erreichen kann.

Die Arbeit befasst sich mit der Modellbildung einer permanentmagneterregten Synchronmaschine. Dazu wird zunächst die bekannte, lineare Ausführung im rotorfesten Koordinatensystem vorgestellt. Schwerpunkt dieser Untersuchung ist die Erweiterung des Modells durch die Effekte der Sättigung und Kreuzsättigung. Diese Erscheinungen werden vorgestellt, im Modell implementiert und ihre Auswirkung aufgezeigt. Mit Berücksichtigung dieser Phänomene werden alle verwendeten Induktivitäten vom Strom abhängig. Die neuen Eigenschaften besitzen einen nicht linearen Charakter. Einige Aspekte dieser weitreichenden Veränderungen werden vorgestellt. Mithilfe eines Modells der Maschine und der Messung elektrischer Größen kann der Lagewinkel des Rotors sensorlos erfasst werden. Dazu wird das erweiterte Modell transformiert. Nicht immer steht eine höchstmögliche Genauigkeit der Winkelerfassung im Vordergrund,meist reicht ein optimales Verhältnis zwischen Aufwand und Präzision. Dafür werden Vereinfachungen des komplexen nicht linearen Modells angeboten. Diese Modifkationen werden in einem MATLAB/Simulink-Modell simuliert und ihre Güte vorgestellt.

Ziel der vorliegenden Bachelorarbeit ist die Entwicklung eines LED-Treiberkonzeptes, bei dem der LED-Strom durch kombinierte Strom- und Spannungsregelung präzise und mit geringer Restwelligkeit eingestellt werden kann. Weiterhin wird durch Kombination der Regelungen der Wirkungsgrad des Treibers erhöht und damit die Verlustleistung gesenkt. Dabei werden verschiedene Varianten der Regelung untersucht, getestet und in Bezug auf den Schaltungsaufwand, die Bauelementekosten sowie den universellen Einsatz bewertet. Abschließend werden Empfehlungen für die weitere Verbesserung des Treiberkonzeptes gegeben.

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.

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.

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.

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.

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.

Zu Zeiten der erneuerbaren Energien und Elektromobilität gewinnen elektrische Energiespeicher immer mehr an Bedeutung. Im letzten Jahrzehnt konnte die Akkutechnologie in Hinsicht auf Lebensdauer, Kapazität, Leistungsfähigkeit, Gewicht und Sicherheit wesentlich verbessert werden. Im Gegensatz zu Bleiakkumulatoren sind moderne Lithium-Akkus wesentlich empfindlicher gegenüber Tiefentladung, Überladung und Überstrom. Deshalb wird in dieser Arbeit ein passives Battery-Management-System (BMS) mit dem integrierten Schaltkreis LTC6804-2 vorgestellt. Hauptbestandteil der Arbeit ist die Software, die für den eingesetzten Digitalen-Signal-Prozessor (DSP) in C geschrieben wurde. Aber auch die eingesetzte Hardware sowie die daraus resultierenden Einschränkungen und Vorzüge sind Inhalt der Arbeit.

Für den Einsatz von elektrischen Antrieben im Auto sind neue Antriebs- und somit auch Stromrichterkonzepte enorm wichtig. In dieser Arbeit wird ein Simulationsmodell in Matlab® Simulink® und der Toolbox SimPowerSystems zur Auslegung des leistungselektronischen Systems einer spannungskaskadierten Stromrichtertopologie mit Vollbrückenstufen für eine permanenterregte Synchronmaschine entwickelt. In die Betrachtungen gehen die Entwicklung des Ansteuerautomaten, die Berechnung der Halbleiterverluste sowie die Simulation des thermischen Systems mit verschiedenen Vorschlägen zur Kühlung ein.

Modulare Mehrpunktumrichter (Modular Multilevel Converter) sind eine neue und vielversprechende Technologie. Die Vorteile dieser Schaltungen in dem Bereich hoher Spannungen und Leistungen sind der reduzierte Filteraufwand und Zuverlässigkeit durch die Modularität. In dieser Arbeit wurde das Problem des Ausgleichs der Kondensatorspannungen in einer Kaskade des MMC untersucht. Die Grundlage der Arbeit ist die Erstellung eines zweckgerechten Modells einer Umrichterzweigs in MATLAB/Simulink. Anhand des Modells wurden Verfahren für den Ausgleich der Kondensatorspannung aus dem Stand der Technik sowie neue Methoden getestet und verglichen. Basierend auf den theoretischen Ergebnissen wurden die attraktivsten Symmetrierungsverfahren softwaretechnisch implementiert.

In der vorliegenden Arbeit ist die Modernisierung des Luftkühlsystems einer dreiphasigen Laborquelle mit der Leistung 150 kW durch die Implementierung einer Drehzahlsteuerung des den Lüfter antreibenden Asynchronmotors und durch die Entwicklung einer Regelung der Temperatur des Kühlkörpers betrachtet. Das Kühlsystem besteht aus einem Strangpresskühlkörper mit dreieckigen Rippen und einem durch einen Drehstrom-Asynchronmotor angetriebenen Querstromlüfter. Der Motor wird durch einen Frequenzumrichter mit einem Gleichspannungszwischenkreis gespeist und gesteuert. Im Rahmen der Arbeit wurde eine U/f-Drehzahlsteuerung des Lüfters im DSP TMS320F2808 des Umrichters implementiert. Außerdem wurde die Kommunikation durch eine CAN-Schnittstelle zwischen dem Umrichter und der Hauptsteuerung des Stromrichtersystems zur Betriebsbedienung des Kühlsystems eingerichtet. Über diese Kommunikationsschnittstelle erfolgt die Übertragung des Temperaturistwertes von der Hauptsteuerung der Laborquelle auf den Frequenzumrichter. Er liefert die aktuelle Motorfrequenz und seinen Status an die Hauptsteuerung der Laborquelle zurück. Auf der Steuerplatine des Umrichters wurde die Temperaturregelung mit einem PIRegler entwickelt und realisiert. Wegen unvermeidlicher erheblicher Quantisierungsfehler des Temperaturmesssignals wurde eine zusätzliche Signalverarbeitung hinzugefügt. Das modernisierte Kühlsystem bewährte sich während der Überprüfung als eine wirksame und sichere Lösung.

Die Prüfung von Produktionsgütern auf Funktionalität spielt in der Qualitätssicherung eine maßgebliche Rolle. Spezialanwendungen erfordern spezielle Prüfverfahren und -geräte. Diese Arbeit dokumentiert die Software-Entwicklung für eine spezielle Lösung zur Funktionskontrolle von Piller Bypass-Steuerungen. Grundlage der Programmierung ist die IEC 61131-3. Im ersten Teil dieser Abhandlung werden, neben einer Einführung in die Spezialanwendungen der Firma, die grundlegenden Inhalte und Möglichkeiten der Programmiernorm aufgezeigt. Der zweite Teil thematisiert die verwendeten Hardware-Komponenten des Herstellers "B&R Automation" sowie die geforderten Richtlinien und Bedingungen bei der Entstehung des Programms. Anschließend werden die Programmierung der Software und die Realisierung der visuellen Oberfläche eines Touch-Panels aufgezeigt. Abschließend enthält die Arbeit Vorschläge zur weiteren firmeninternen Optimierung des Prüfprozesses.

Die steigende Nachfrage nach immer höheren Leistungsdichten verlangt im Bereich der Leistungselektronik den Übergang zu größeren Schaltfrequenzen (>100 kHz). Die somit zunehmenden Schaltverluste stellen jedoch ein großes Problem für die Erhöhung der Effizienz dar. Durch den Einsatz eines LLC-Konverters können die Schaltverluste minimiert und hohe Wirkungsgrade über einen weiten Lastbereich erreicht werden. Gleichzeitig kann der LLC-Konverter sowohl im hochsetzenden- als auch im tiefsetzenden Betrieb arbeiten. Dadurch ist der Einsatz über einen weiten Eingangsspannungsbereich möglich. Durch den Einsatz von Synchrongleichrichtern kann die Effizienz weiter erhöht werden. Die Auswirkungen der verschiedenen frequenzabhängigen Betriebsbereiche auf die Bauelementebelastungen sind jedoch für die gegebenen Anforderungen noch nicht bekannt. Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines LLC-Konverters für einen extra weiten Eingangsspannungsbereich (24-55 Volt) mit Dioden- und Synchrongleichrichtung. Er soll als Demonstrator für eine kleine Ausgangsleistung von 20 W ausgelegt werden. Designmethoden aus bisherigen Veröffentlichungen konnten aufgrund der geringen Differenz zwischen Ein- und Ausgangsspannung nicht angewendet werden. Die Auslegung wurde zudem durch Vorgabe der Frequenz (<150 kHz) und Resonanzkreisspannung (<60 V) erschwert. In der Arbeit wurden daher zwei eigene Auslegungsmethoden erarbeitet. Eine der Methoden wurde für den Prototyp ausgewählt. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit ist die Anpassung des Überstromschutzes über den gesamten Arbeitsbereich. Dieses Problem wurde durch eine frequenzstabile Spannungsmessung unter Einkopplung der Eingangsspannung gelöst. Durch den weiten Frequenzbereich ergeben sich zudem besondere Anforderungen im unter- und überresonanten Betrieb bei Schwachlast an die Synchrongleichrichtung. Um die Funktion dennoch zu gewährleisten, wurden die Probleme untersucht, verschiedene Lösungsvorschläge erörtert und in die Schaltung integriert. Die erarbeiteten Auslegungsmethoden können für andere Spezifikationen in weiterführenden Arbeiten verwendet werden. Die theoretischen und praktischen Ergebnisse wurden an einem Prototyp verifiziert und validiert. Eine weitere Verwendung als Auslegungsmuster oder Konverter für Untersuchungen des Betriebsverhaltens in der Lehre ist somit möglich.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit sensorlosen Regelungsverfahren für bürstenlose Servomotoren. Basierend auf einer Literaturrecherche werden ausgewählte Verfahren zur sensorlosen Bestimmung der Kommutierungszeitpunkte betrachtet. Im Hauptteil der Arbeit wird dann der Betrieb eines Servomotors mit zwei ausgewählten Standardkommutierungsverfahren simulativ und experimentell untersucht. Dies geschieht mit der Intention, eine Testumgebung aufzubauen, mit der im Rahmen nachfolgender Arbeiten aufwendigere Kommutierungsverfahren (z.B. zum Betrieb bei unbekannter Last und bei niedrigen Drehzahlen) untersucht werden können. Bei beiden ausgewählten Verfahren werden die Kommutierungszeitpunkte für den Start des Servomotors gesteuert vorgegeben. Der Motor wird so auf eine vorgegebene Drehzahl beschleunigt und anschließend sensorlos geregelt. Beim ersten Verfahren geschieht dies durch die Auswertung der Nulldurchgänge der induzierten Gegenspannungen. Das zweite Verfahren ermittelt die Kommutierungszeitpunkte aus virtuell erzeugten Hall-Signalen. Wie bereits erwähnt, wird zur Analyse des Betriebsverhaltens zunächst ein detailliertes Simulationsmodell eines bürstenlosen Servomotors in Matlab SIMULINK aufgebaut und mit den ausgewählten Verfahren betrieben. Die Ergebnisse werden bewertet. Anschließend werden die Verfahren auf einer Zielhardware mit einem Testmotor prototypisch realisiert. Die relevanten Signalverläufe werden im Betrieb gemessen und ausgewertet. Die Ergebnisse aus der Simulation werden mit den Ergebnissen aus dem Praxistest verglichen und die verwendeten Verfahren werden abschließend bewertet.

In deutschen Mittelspannungsnetzen angeschlossene Photovoltaik-Wechselrichter dürfen sich bei Spannungseinbrüchen im Netz nicht von diesem trennen. Sie müssen für die Dauer des Einbruches je nach verbleibender Spannung einen Blindstrom zur dynamischen Netzstützung beziehen. Der Nachweis dieser Funktionalität ist für die Zertifizierung von Erzeugungseinheiten und -anlagen nach entsprechenden Richtlinien erforderlich. Dazu wird der Fehlerfall des Netzes simuliert und die Reaktionen von Wechselrichtern auf Spannungseinbrüche werden modelliert. Ein zu entwickelndes allgemeines Modell soll ein Anpassungsvermögen an das Zeitverhalten verschiedener Geräte besitzen. Abschließend wird eine Modellvalidierung an Beispielgeräten durchgeführt und ausgewertet.

In dieser wissenschaftlichen Arbeit werden die Regelungsstrategien Maximum Torque per Ampere (MTPA) und Verlustoptimierung für die Anwendung bei Synchronmaschinen mit vergrabenen Magneten vorgestellt. Dabei wird die MTPA-Regelung praktisch umgesetzt und mit dem etablierten Standardverfahren, der polradorientierten Regelung, für die Verwendung am aufgebauten Teststand über einen weiten Drehzahlbereich in Bezug auf den Gesamtwirkungsgrad, bestehend aus dem Wirkungsgrad der IPMSM und dem des Wechselrichters, verglichen. Die Verlustoptimierung hingegen wird nur im theoretischen Teil betrachtet und anhand vorhandener Messergebnisse mit den anderen Regelungsverfahren verglichen. Zur Einführung in die Masterarbeit wird der Aufbau der Synchronmaschine mit vergrabenen Magneten, Interior Permanent Magnet Synchronous Motor (IPMSM), und die sich daraus ergebenen Besonderheiten, spezifisch die unterschiedliche Ausprägung der Induktivitäten im d-q-Koordinatensystem, erklärt. Ebenfalls werden die für die Regelungsverfahren notwendigen Spannungsgleichungen ausführlich hergeleitet, um die im Anschluss folgende feldorientierte Regelung (FOR), die für die Umsetzung der verschiedenen Regelungsstrategien benötigt wird, vorzustellen. Die Idee der MTPA-Regelung ist es, dass Drehmoment mit einem minimalen Stromraumzeiger zu stellen. Der Aufbau dieses Regelungskonzeptes wird dabei systematisch hergeleitet und entstehende Besonderheiten werden ausführlich erklärt. Die MTPA-Regelung kann dabei in zwei verschiedenen Methoden im Digitalsignalprozessor (DSP) umgesetzt werden. Zu einem können die Sollwertvorgaben für die entsprechende Belastung in Tabellen und Kennlinienfeldern hinterlegt werden, zum anderen ist es möglich die Sollwerte direkt im Programm zu berechnen. Diese beiden regelungstechnischen Umsetzungen werden detailliert beschrieben. Mit Hilfe des Vergleichs der Regelungsstrategien soll eine Aussage getroffen werden, welches Verfahren einen möglichst hohen Wirkungsgrad der IPMSM und der dazugehörigen Leistungselektronik am Versuchsstand erzielen kann.

Permanenterregte Synchronmaschinen als Antriebe für Hochleistungsfahrzeuge geraten zunehmend in den Fokus. Besonders Maschinen mit in den Rotor eingelassenem Magneten wird in der Literatur zurzeit ein hohes Potential zugesprochen. Bei diesen Maschinen wird zur Minimierung der Verluste immer wieder die Maximum Torque per Current Ansteuerung vorgeschlagen. In der nachfolgenden Arbeit werden zwei Varianten zur wirkungsgradoptimierten Ansteuerung von permanenterregten Synchronmaschinen untersucht. Hierbei geht es zum einen um die bereits angesprochen Maximum Torque per Current Optimierung, zum anderen um eine Untersuchung der Leistungsumrichter-Pulsfrequenz auf den Wirkungsgrad. Um über die Auswirkungen der Optimierungen vergleichbare Aussagen treffen zu können, wurde das elektrische System eines Fahrzeuges in Matlab Simulink nachgebildet. Die durch die Simulation gewonnen Daten wurden nun auf einen realen Fahrzyklus des zugrundeliegenden Fahrzeugs angewendet. Hierdurch ließ sich ein guter Vergleich zwischen der normalen feldorientierten Regelung und den beiden Optimierungsstrategien erzielen. Die Ergebnisse dieser Arbeit lassen im Speziellen eine definierte Aussage über den Nutzen der Optimierungsstrategien im gewählten Beispiel zu. Als Verallgemeinerung lassen sie aber auch Rückschlüsse darauf zu, für welche Anwendungen die beschriebenen Optierungen sinnvoll sein können und wann der Aufwand den Nutzen überwiegt.

Diese Arbeit ist einem heute aktuellen Thema des maximalen Leistungsgewinnens aus einer Solaranlage gewidmet. Es wurde eine MPP-Regelung für einen DC/DC-Wandler realisiert, der die Energieübertragung aus einem Solargenerator an eine DC-Stromquelle versorgt. Damit eine maximale Energieausbeute erreicht wird, wurde aus einer Vielzahl von MPP - Algorithmen (Maximum Power Point) der am besten geeignete gewählt, weiter entwickelt und in eine Software für einen Mikrokontrollers, umgesetzt.

Die Arbeit beschäftigt sich mit Schutzmaßnahmen in netzgekoppelten Photovoltaikanlagen, die überwiegend im Leistungsbereich bis 10 kWp auf Hausdächern installiert werden. Für den gefährdungsfreien Betrieb erfordert das Anlagenkonzept technische Lösungen und Maßnahmen für den Personen- und Anlagenschutz, um die Anlage mit einer Lebensdauer von mindestens 20 Jahren zuverlässig und sicher betreiben zu können. Diese Forderung wird wegen der in den letzten Jahren stark zugenommen Zahl von PV-Anlagen immer bedeutungsvoller. Ausgehend vom technischen Aufbau der Anlagen werden die auf der DC-Seite der PV-Anlagen auftretenden Gefährdungen analysiert, die mit Elektrischem Schlag sowie Brandgefahr verbunden sind. Bestehende sicherheitsrelevante Normen und Regeln mit Anforderungen an Komponenten sowie die Installation bzw. den Betrieb der PV-Anlage werden überblicksartig dargestellt. Es folgt eine Aufteilung in Sicherheitskonzepte zum Schutz gegen elektrischen Schlag, Brandschutz, Blitz- und Überspannungsschutz sowie für einen störungsfreien Betrieb. Diese Sicherheitskonzepte enthalten Schutzeinrichtungen und Maßnahmen welche detailliert betrachtet und mit am Markt verfügbaren Produkten unterlegt werden. Weiterhin werden Schlussfolgerungen für die Sicherheit in PV-Anlagen gemacht.

Leistungselektronische Schaltungen für Strings aus mehreren galvanischen Zellen werden heutzutage weltweit untersucht. Um die Zellenlebensdauer und die verfügbare Batteriekapazität zu verbessern, werden klassische Reihenschaltungen aus mehreren Zellen mit Batteriemanagementsystemen ausgerüstet. In dieser Arbeit sind verschiedene Schalterkonzepte für ein Schalternetzwerk an einem Batteriespeicher entwickelt und verglichen worden. Ein Schalternetzwerk an einem Batteriespeicher erlaubt es, neben der Erfüllung der Batteriemanagementaufgaben die Ausgangsspannung stufig und/oder pulsend einzustellen. Daneben kann die Ausgangsspannung im Ruhezustand und in einem Fehlerfall unter den Wert der Schutzkleinspannung gesetzt werden. Konzepte mit den mechanischen und Halbleiterschaltern sowie mit Kombinationen aus beiden wurden untersucht, um die Vor- und Nachteile der zwei unterschiedlichen Schaltertypen im betrachteten Schalternetzwerk zu bestimmen. Als Vergleichskriterien wurden unter anderen die Durchlass- und Ansteuerverluste, die Lebensdauer der Schalter, Leckströme im Ruhezustand und die Schalterkosten betrachtet. An einem Versuchsaufbau wurden Messungen zum Nachweis der Schaltereigenschaften (Verlustmessungen, Schaltgeschwindigkeit, Schaltvorgänge) durchgeführt und die Wirkungsweise des Schalternetzwerkes nachgewiesen.

Moderne Antriebsumrichter mittlerer Leistung (ca. 30 kW bis 100 kW) arbeiten meist bei Pulsfrequenzen bis 20 kHz. Für schnell laufende hoch polige Maschinen ist eine Erhöhung der Pulsfrequenz wünschenswert. Mit den bisher üblichen Silicium-Bauelementen lassen sich für kaum noch höhere Pulsfrequenzen realisieren. Neue Bauteile aus Silicium-Carbid hingegen versprechen deutlich geringere Schaltverluste bei gleichzeitig niedrigeren Durchlassverlusten als sie Silicium-Bauteile aufweisen. Im Rahmen dieser Arbeit werden deshalb einige aktuelle Konzepte zur Nutzung von Silicium-Carbid-Bauteilen für höhere Pulsfrequenzen verglichen. Der Untersuchungsschwerpunkt liegt dabei auf der Bestimmung der verschiedenen Verlustanteile, sodass eine optimale Auswahl für einen Umrichter mit erhöhter Taktfrequenz möglich ist. Dabei wird auch der Einfluss von Chiptemperatur, Laststrom und Zwischenkreisspannung untersucht. Als Referenz dient ein Fast-IGBT4 in Kombination mit einer Si-pin-Emitter-Controlled-Diode von Infineon. Sie wird mit einer Kombination aus IGBT und SiC-Schottky-Diode von GeneSiC und einer Kombination aus SiC-MOSFET und SiC-Schottky-Diode von Powerex verglichen. Außerdem wird ein SiC-JFET von Infineon, dessen SiC-Body-Diode genutzt wird, als Alternative zu SiC-MOSFETs herangezogen. Die IGBTs und der SiC-MOSFET zeigen bei allen Temperaturen die geringsten Durchlassverluste. Bei den Dioden bieten die Si-pin-Diode und die SiC-Schottky-Diode (Powerex) die geringsten Durchlassverluste und eine sehr geringe Temperaturabhängigkeit. Bei den Schaltverlusten zeigt sich ein teilweise umgekehrtes Bild. Die herkömmliche Silicium-Lösung weist die mit Abstand größten Schaltverluste auf. Wird die Si-pin-Diode durch eine SiC-Schottky-Diode ersetzt, können insbesondere die Verluste beim aktiven Einschalten reduziert werden. Wird auch ein SiC-Transistor eingesetzt, betragen die Schaltverluste nur bis zu einem Drittel der Referenz-Kombination. In der Sperrspannungsklasse von 1200V lassen sich Schaltfrequenzen über 20 kHz bei heute üblichen Wirkungsgraden nur durch den Einsatz von SiC-Transistoren erreichen. Um das Potential solcher Transistoren aber tatsächlich ausnutzen zu können, muss die Resonanzfrequenz des Kommutierungskreises erhöht werden.

Bei der softwarebasierenden Steuerung von CNC-Bearbeitungsmaschinen kommen speicherprogrammierbare Steuerungen zum Einsatz. Während der Entwicklung und Anwendung dieser und anderer Software sind geeignete Tools von Bedeutung, um das richtige Verhalten zu verifizieren und die Ursachen evtl. auftretender Fehler aufzufinden. Eine Möglichkeit, Softwarezustände und insbesondere auch gezielt Werte einzelner Variablen festzuhalten, stellt die Verwendung von Loggern dar. In dieser Arbeit, die im Bereich der Software-Entwicklung der Firma Datron AG entstand, werden verschiedene Logging-Konzepte betrachtet. Ziel ist dabei die Implementierung eines Logging-Moduls für die SPS der CNC-Bearbeitungsmaschinen, die die Firma Datron AG entwickelt. Ausgehend von einer Recherche verschiedener Logging-Möglichkeiten wird ein Konzept entworfen, das auf das vorhandene SPS-Programmiersystem zugeschnitten ist. Die Implementierung des Loggers erfolgt unter Delphi. Die Besonderheit der gewählten Methode liegt in einer speziellen Zugriffsweise auf die Daten der SPS, die es ermöglicht, die Werte der Variablen aufzunehmen, ohne den Quellcode der SPS verändern zu müssen. Die Kommunikation zwischen Delphi-Programm und SPS erfolgt dabei unter Zuhilfenahme einer Bibliothek, die von der verwendeten SPS-Programmierumgebung zur Verfügung gestellt wird. Großer Wert wird auf die einfache Konfiguration des Loggers und auf die typsichere Aufbereitung der Daten gelegt.

Die Zielstellung der Arbeit ist eine strombegrenzte Spannungsregelung zu entwickeln um die Phasenfehler der Inselnetzspannung zu korrigieren und Überstrom im Inselnetz zu vermeiden. Dabei wurde eine Uniplatine mit einem Microcontroller von XC-167 verwendet, damit dem Regelungskonzept von Theorie nach Praxis umgesetzt kann. Zu Beginn wurde der Versuchsstand dimensioniert und gebaut. Danach wurde ein PWMModulator programmiert um ein Drehstromsystem zu bilden. Ein Messfilter wurde auch dimensioniert damit die Spannungsgrundwelle auszuwerten. Die Vorgehensweise der Programmierung und Filterdimensionierung wurde dokumentiert und kann als Lernmaterial verwendet werden. Dann wurde das Regelungskonzept entwickelt und durch Verwendung des Microcontrollers XC-167 das Regelungskonzept umgesetzt. Im Anschluss wurde die Regelung getestet mit verschiedener Last und mit der Theoretischen Betrachtungen verglichen.

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.

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.

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.

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.

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.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der geberlosen feldorientierten Regelung der permanenterregten Synchronmaschine mit oberflächenmontierten Magneten. In der Arbeit wurde ein Verfahren zur sensorlosen Lagebestimmung auf Basis der Rotoranisotropiewirkung, auf einem eingespeisten hochfrequenten rotierenden Testsignal basierend, umgesetzt und untersucht. Für die Trennung des hochfrequenten Stromes und Regelungsstromes werden Bandpass- und Bandsperr-Filter verwendet. Für die Positionserkennung wurden Hochpassfilter eingesetzt. Die Wirkungen der Hardware, insbesondere die Wirkung des Wechselrichters bei der Einprägung eines hochfrequenten Signals, auf die Genauigkeit der Positionserkennung wurden untersucht. Es ist auch ein alternatives Verfahren vorgeschlagen und implementiert wurden. Das Verfahren ist einfacher zu implementieren und besitzt bessere dynamische Eigenschaften bei der Winkelermittlung. Damit kann die Position auch genauer ausgewertet werden. Das Verfahren wurde in der Arbeit für die sensorlose und bewegungslose Messung des Ständerwiderstandes einer PMSM verwendet. Dafür wurde ein Strom entlang der d-Achse eingespeist. Das Ergebnis stimmt mit der Theorie überein. Die Arbeit des Verfahrens wurde bei der Einspeisung der Regelungsströme in unterschiedlichen Richtungen untersucht (unter Last).

Die fortschreitenden Automatisierung und Leistungssteigerung von Krananlagen bedingt einer einhergehenden Entwicklung von Sicherheitssystemen zum Schutz von Mensch und Maschine. Die Neukonzipierung einer Überlastsicherung von Krananlagen nach aktuellem Stand der Technik gewährleistet die Erhaltung eines hohen Sicherheitsstandards und normativen Bestimmungen. Die Basis der im Rahmen der Arbeit umgesetzten Überlastsicherung, welche die beim Heben von Lasten auftretenden Kräfte begrenzen soll, bildet das Automatisierungssystem "ET200S" von Siemens. Dabei erfolgt, zur Einhaltung der Norm, die Informationsverarbeitung und Kranansteuerung durchgängig zweikanalig. Die Zweikanaligkeit wird durch den Aufbau der Hardware in Kombination mit einer speziellen Softwarestruktur erzielt. Die verwendeten Komponenten und Prinzipien ermöglichten den Aufbau eines kompakten und flexibel einsetzbaren Sicherheitssystems, welches den Ansprüchen der aktuell geltenden Normen genügt.

Diese Arbeit untersuchte die Parallelschaltung von Leistungs-MOSFETs für den Einsatz in einem Tiefsetzsteller. Im Kapitel 2 wurden die zu Simulationszwecken eingesetzten Diode- und MOSFET-Modelle erläutert und das simulierte Schaltverhalten der Modelle den Messergebnissen der realen Halbleiterbauelemente gegenübergestellt. Die erzielten Ergebnisse ermöglichten eine gute Annäherung der Simulation an reale Messungen während der Schaltvorgänge. - Den Schwerpunkt dieser Arbeit stellte die analytische und simulative Untersuchung der Parallelschaltung von Leistungs-MOSFETs dar. Im Kapitel 3 wurden die Ursachen der asymmetrischen Stromverteilung für parallel geschaltete Leistungs-MOSFETS sowohl im eingeschalteten Zustand als auch während der Schaltvorgänge untersucht. Dabei wurden neben unterschiedlichen Halbleiterparametern auch der Einfluss von unsymmetrisch verteilten Streuinduktivitäten und Layoutimpedanzen auf die Stromsymmetrie analysiert. Durch fehlerhafte Anpassung der Bauelementparameter sowie die parasitären Impedanzen im Schaltungslayout werden die statischen (d.h. im Durchlasszustand) und dynamischen (d.h. im Schaltvorgang) Symmetrieverhältnissen der Parallelschaltung von MOSFETs beeinflusst.

Energieeinsparung bzw. Effizienzsteigerungen setzen in der Leistungselektronik die Reduzierung von Schalt- und Durchlassverluste der Leistungshalbleiter voraus. Das Schaltverhalten der resultierenden Leistungshalbleiter ist stärker abhängig von den parasitären Impedanzen der Schalterumgebung. Diese parasitären Elemente haben außerdem einen starken Einfluss auf das auftreten von hochfrequenten Schwingungen. Die Notwendigkeit eines Optimums zwischen EMV- und Effizienzanforderungen resultiert in Leistungshalbleitern, die nicht mit optimalen Schaltverhalten und Effizienz betrieben werden. Deshalb beschäftigt sich diese Bachelorarbeit mit der Analyse diese hochfrequenten Schwingungen. Es werden Schwingbedingungen für verschiedene Schaltungen auf unterschiedlichen Abstraktionsgraden abgeleitet und überprüft wie die Schwingungen beeinflusst werden können.

Im Verlauf der Diplomarbeit wurde die Drehzahlregelung mit dem [mu]C XC167CI und dem DSP TMS320F2808 realisiert. Zum Bestimmen der Drehzahl wurde eine Encoderplatine angefertigt, welche die Signale des Encoders so aufbereitet, dass die Drehzahl in den Controllern gemessen werden kann. Für den DSP mussten zusätzliche Platinen zur Anpassung der Messsignale (Zwischenkreisspannung und Ströme) erstellt werden, da dies auf dem Wechselrichterboard nicht zur Verfügung stand. Anschließend wurde die Kommunikation zwischen dem [mu]C und dem FPGA Spartan 3 sichergestellt. Mit der vom [mu]C berechneten Ausgangspannung (Betrag und Phasenwinkel) berechnet der FPGA die Ansteuersignale für den Wechselrichter. Ein nächster Schritt wäre, die zusätzlich angefertigten Platinen in das Layout des Wechselrichterboards zu implementieren.

Die zu lösende Hauptfragen dieser Arbeit war die Bildung eines Inselnetzes durch die Parallelschaltung von zwei Wechselrichtern. Für die Inselnetzbildung war die Entwicklung der Steuerung (Kapitel 3.1) notwendig. Sie entspricht völlig einem echten Netz. Das Inselnetz liefert eine sinusförmige Ausgangspannung mit einem Effektivwert von 220 V und einer Frequenz von 50 Hz. Weil die Kommunikation zwischen den Wechselrichtern fehlt, wird für die Synchronisation der PLL-Block benutzt. Er synchronisiert die Ausgangsfrequenz und die Ausgangsspannung des zuschaltenden Wechselrichters auf die Ausgangfrequenz und Ausgangspannung des Inselnetzes. Bei dieser Parallelschaltung gibt es folgende Probleme: Bei der Zuschaltung deines Wechselrichters auf ein Inselnetz gibt es einen großen Einschaltstrom (Abbildung 38) unter Belastung. Der Einschwingprozess nachdem Einschalten / Ausschalten der Belastung dauert 80 ms. Für der Paralleleinschaltung zwei Wechselrichter muss unbedingt ein Anpassungswiderstand benutzt werden. Der Ausgangstrom hat eine dritte Harmonische. Für Lösung dieser Probleme wurden ein P-Regler und ein Korrektur-Block (dieser wirkt wie ein virtueller Anpassungswiederstand für die Synchronisation) angewendet. Damit gab es folgende Ergebnisse: Genau Synchronisation zweier Wechselrichter. Kein Puls bei statische Arbeit. Übergangsvorgang dauert 4 ms. Ausgangsstrom ist sinusförmig. Die Regelung der Ausgangsspannung erfolgt im Bereich zwischen 207 V und 253 V. Der Ausgangsstrom ist sinusförmig und hat einen maximalen Effektivwert von 14.5 A. Die Kennlinie der Statik-Kennlinie der Ausgangspannung und der Ausgangsfrequenz in Abhängigkeit von den Stromkomponenten (Kapitel 4.2.2 Abbildung 34, 35) entspricht den theoretischen Kennlinien (Kapitel 1.3 Abbildung 10, 11; Kapitel 3.1.2.1, Abbildung 26 und Kapitel 3.1.2.2 Abbildung 27). Es gibt keine Einschaltstromspitze bei der Zuschaltung eines Wechselrichter unter Belastung. Als Nachteil dieser Regelung gibt es: Der Strom durch Wechselrichter ist nicht sinusförmig. Im Leerlauf gibt es einen Kreisstrom zwischen den Wechselrichtern. In der Praxis wurde festgestellt, dass ein Wechselrichter bei Belastung von 1 kW stabil arbeiten kann. Auch bei maximaler Ausgangsleistung von 3 kW kann der Wechselrichter für die zulässige Zeit stabil arbeiten. In dieser Zeit muss der zweite Wechselrichter die parallele Arbeit aufnehmen oder der bereits laufende Wechselrichter schaltet sich nach der eingestellten Zeit automatisch ab. Bei einer größeren Ausgangleistung müssen für einen Dauerbetrieb mehrere Wechselrichter parallel arbeiten und jeder Wechselrichter soll mit einer Leistung unter 1 kW belastet werden. Die Grenze für die Anzahl der parallel geschalten Wechselrichter gibt es nicht. Durch die Statik der Frequenz- und Spannungsregelung synchronisieren sich die Wechselrichter und teilen die Belastung gleichmäßig alle aktiven Wechselrichter auf. Auf dieser Grundlage kann man in der Zukunft jedes Hauses mit einer Solarbatterie ausstatten und ein Inselnutz bilden. Das erlaubt eine effektive Nutzung der Solarenergie.

Das Stellglied der Piezo-Injektoren ist der Piezo-Aktor. Die Aktoren werden über ihre wichtigste Kenngröße, den Hub, definiert. Zur Herstellung der Aktoren wird eine Keramik aus Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) verwendet. Bevor die Aktoren zum Verbau in Injektoren abgeliefert werden, erfolgt eine Endprüfung, die "Automatische Messug Aktor" (AMA). Im Rahmen der AMA werden die Aktoren dem Prooftest unterzogen. Während des Prooftest werden die Eigenschaften der PZT-Aktoren finl eingestellt. In dieser Thesis erfolgt eine Quantifizierung der Einflüsse der Prooftestparamter auf den Hub des Aktors. Mit Hilfe der gewonnenen Erkenntnisse, wird ein Versuchsplan aufgestellt, mit dem die Streuung des Aktorhubes eingegrenzt werden kann. Es gelang die Standardabweichung der Hubverteilungen der PZT-Aktoren um 23% bzw. 30% zu reduzieren.

Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde Implementierung von Oberschwingungsreglern für einen vierphasigen Wechselrichter mit oberschwingungsbelastetem Neutralleiter vorgestellt. Die Ausgangsspannung wurde in der Gleichgroßen zur Steuerung der Umrichter zerlegt. Diese Art des Wechselrichters ist eine gute Wahl für die Anwendungen der Inselnetzen mit der unsymmetrisch harmonischen Lasten. Der vierte Leiter wurde für die Nullsystemregelung verwendet. Simulationsergebnisse wurden mit experimentellen Ergebnissen für eine Prototyp-Wechselrichter verglichen,um die Gültigkeit der vorgeschlagenen Strategie zu überprüfen.

Die Verwendung von elektrischen Antrieben in Fahrzeugen bietet ein großes Potential die Energieeffizienz maßgeblich zu verbessern und dabei das Fahrzeug dynamischer zu betreiben. Dieser Schritt ist aufgrund der globalen Herausforderung zur Reduktion der Treibhausgase zwingend erforderlich. Die Grundlage hierfür bildet neben einem ausreichend großen elektrischen Energiespeicher die Leistungselektronik eines Hybrid-Fahrzeugs. - Frequenzumrichter für steuerbare Antriebe sind in dieser Leistungsklasse in Industrieanwendungen Stand der Technik. Um diese Technologie wirtschaftlich in Fahrzeugen anwenden zu können, bedarf es Innovationen um die strengen EMV-Normen, die für Fahrzeuge wegen der räumlichen Nähe zu sicherheitsrelevanten elektronischen Systemen und Rundfunkempfängern bestehen, zu erfüllen. - Diese Diplomarbeit liefert dazu einen Beitrag, indem sie die Wirkung passiver Filterelemente im Wechselrichter SKAI 2 analysiert und optimiert. Dabei werden als theoretische Grundlage die Erscheinungsformen und Ausbreitungswege elektromagnetischer Wellen sowie deren normgerechte Messung betrachtet. Es werden die Leistungshalbleiter als Quelle elektromagnetischer Störungen untersucht. Daraufhin wird die Filterentwicklung mit idealen Bauelementen beschrieben und verdeutlicht, warum die Messung der Frequenzeigenschaften der Systemkomponenten für einen EMV gerechten Entwurf eines leistungselektronischen Systems unerlässlich ist. - Mit Hilfe von Frequenzbereichssimulationen einzelner Filterelemente werden deren Filterwirkungen im Frequenzbereich analysiert und verifiziert. - In normgerechten Abstrahlungsmessungen werden die Systemeigenschaften des SKAI 2 untersucht und die Wirkung der Filterelemente nachgewiesen. Zur Optimierung der Filterwirkung werden die Filterelemente an die Emission der Störquelle angepasst und mögliche Verkopplungen durch veränderte Stromführung analysiert.- Abschließend werden Maßnahmen zur Verringerung der Störemission des Wechselrichters SKAI 2 vorgeschlagen.

Vorrangiges Ziel der vorliegenden Arbeit war die Erarbeitung einer dämpfungs- basierten Regelung (passivitätsbasierte Regelung). Der Vergleich bei dem Führungsverhalten und dem Störungsverhalten zeigt eine zufriedene stellende Übereinstimmung zwischen den Simulationsergebnissen und den experimentellen Ergebnissen. - Unter Einsatz der richtigen Parameter zeigt die Passivitäts- basierte Regelung ein besseres dynamisches Verhalten als die PI-Regelung. - In dieser Arbeit wurde eine passivitätsbasierte Regelung entwickelt. Das Ziel der Regelung besteht darin, die Ausgangsspannung bei Führungs- und Störgrößensprüngen stabil zu regeln. Die entwickelten Regelungsstrukturen wurden in einem DSP (Digitalsignalprozessor) implementiert. Angewendet wurde die Methode auf einen Resonanzumrichter.

In vielen Anwendungen werden heutzutage Schaltnetzteile zur Spannungsversorgung eingesetzt. Im Gegensatz zu linear geregelten Netzteilen können sie einen höheren Wirkungsgrad erreichen. Ein hoher Wirkungsgrad verbessert zum einen die Energieausbeute und verringert zum anderen den Aufwand zur Kühlung der Leistungselemente. - Um die zunehmenden Anforderungen an eine immer höhere Leistungsdichte zu erfüllen, werden neue Schaltnetzteiltopologien entwickelt und hinsichtlich ihres Wirkungsgrades und der Größe der verwendeten Bauteile optimiert. - Je nach Einsatzbereich bieten sich verschiedene Schaltnetzteilkonzepte an. - Ein Ansatz ist die Verwendung mehrstufiger Schaltnetzteile, in denen die Leistungsstellung von einer separaten Leistungsstufe übernommen wird. Der Hauptwandler ist in diesen Topologien nicht an der Leistungsstellung beteiligt, sondern arbeitet mit einem festen Tastverhältnis und dient im wesentlichen der Potentialtrennung zwischen Primär- und Sekundärseite des Netzteils. Die eingesetzten Bauteile des Hauptwandlers können für einen festen Arbeitspunkt optimal ausgelegt werden und tragen so zu einem höheren Wirkungsgrad bei. - Untersuchungsobjekt dieser Arbeit ist ein zweiphasiger Tiefsetzsteller zur Regelung der Ausgangsspannung des dreistufigen Schaltnetzteils mit 800W Ausgangsleistung und einer Ausgangsspannung von 12V. Der Tiefsetzsteller ist in den betrachteten Konzepten nach dem Hauptwandler auf der Sekundärseite des Netzteils angedacht (Postregulation). - Neben theoretischen Grundlagen zu Schaltnetzteilen und insbesondere zum zweiphasigen Tiefsetzsteller werden die Vorteile des mehrphasigen, 180_ phasenverschobenen Aufbaus herausgestellt und mehrere Steuerverfahren miteinander verglichen. Simulative Untersuchungen zu den angestellten Konzeptionen sollen die theoretischen Aussagen überprüfen und praktisch relevante Sachverhalte austesten. - Abschließend werden die praktische Herangehensweise beschrieben, Berechnungen zur Auslegung von Leistungs- und Ansteuerteil angestellt sowie erste Messergebnisse erbracht. Zudem wird gesondert auf einzelne Herausforderungen beispielsweise der Strommessung des betrachteten Anwendungsfalls eingegangen und Lösungsansätze analysiert.

Die Herausforderungen der Entwicklung und der dazu notwendigen Simulation von leistungselektronischen Baugruppen liegen in Effekten, die durch unvermeidbare parasitäre Elemente in modernen Leistungshalbleitern und im Kommutierungskreis während schneller Schaltvorgänge hervorgerufen werden. Eine gute Parametrierung der Elemente ist damit für die die Entwicklung begleitende Simulation von leistungselektronischen Baugruppen unerlässlich. Die Diplomarbeit zeigt deshalb exemplarisch, wie Parameter vom Kommutierungskreis und Schaltern bestimmt werden können. Der Schwerpunkt der Arbeit wird dabei auf die Parametrierung der Schalterkapazitäten gelegt. Datenblätter enthalten dazu nur unzureichende Informationen. Angegeben werden normalerweise so genannte Kleinsignalkurzschlusskapazitäten, die bei einer Schaltfrequenz von 1 MHz und bei einer Gate-Source-Spannung von 0V gemessen werden. Die Schalterkapazitäten sind jedoch nicht nur abhängig von der Drain-Source-Spannung, sondern auch von der Gate-Source-Spannung. Die Angaben in den Datenblättern enthalten damit kaum Informationen darüber, wie sich die Kapazitäten während des Schaltens verändern und sollten deshalb nicht für die Parametrierung verwendet werden. Die Diplomarbeit stellt eine Methode vor, wie die Schalterkapazitäten aus dynamischen Messungen bestimmt werden können. Dazu wurden nicht nur mathematische Grundlagen für die Bestimmung der nichtlinearen Kapazitäten erläutert und die Plausibilität der Kennlinien anhand von halbleiterphysikalischen Überlegungen verdeutlicht, sondern es ist auch eine einfache Modellvorstellung entwickelt worden, die die ermittelten Kapazitätskennlinien mittels umfangreicher simulativer Untersuchungen in einem zustandsgesteuerten Verhaltensmodell verifiziert hat.

Die rasante Entwicklung der letzten Jahre auf den Gebieten der Halbleitertechnik und der Leistungselektronik erschließt der Elektroindustrie immer neue Tätigkeitsfelder. Dabei sind Produkte für die Erhaltung der Elektroenergiequalität jetzt und auch in Zukunft besonders lukrativ. Bei der Belastung der Netze spielt der fließende Blindstrom eine entscheidende Rolle. Gerade Großverbraucher, die viele elektrische Maschinen betreiben müssen, sind durch die Netzbetreiber und Energieerzeuger angehalten, Anlagen zur Blindleistungskompensation zu installieren. Die Kompensation kann dabei passiv über zuschaltbare Kondensatoren oder aktiv über Stromrichteranlagen erfolgen. - In dieser Diplomarbeit wird die Regelung für eine Anlage zur aktiven Blindleistungskompensation beschrieben. Ausgehend von einem mehrschichtigen Regelungsentwurf werden alle notwendigen Schritte aufgezeigt. Die Verifizierung der Regelung erfolgt dabei an einem Matlab/Simulink Modell der Prototypenanlage.

Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde ein Luftversorgungsmodul für ein Brennstoffzellen-Testsystem aufgebaut und in Betrieb genommen. Der Aufbau der Hardware-Komponenten, die umgesetzte Mess- und Ansteuerungstechnik sowie die programmierten Softwarefunktionen des Steuergeräts zur Systemüberwachung, Steuerung und Regelung sind dokumentiert. Das Luftversorgungsmodul wurde ohne Brennstoffzellen-Stack mit einem Stackdummy (Platzhalter) getestet. Bei dem Einsatz von Brennstoffzellen-Stacks müssen die Reglerparameter an die neuen Systemeigenschaften angepasst werden. Dazu wurden Verfahren zur Ermittlung des Regelstreckenverhaltens und zur Bestimmung optimaler Reglerparameter vorgestellt. Durch Messungen wurden das Systemverhalten und der Betriebsbereich des Luftversorgungsmoduls bestimmt. Die Systemdynamik ist für erste Tests ausreichend. Die Ausregelzeit ist für direkte Fahrzeugantriebe jedoch zu hoch. Es wurden Vorschläge zur Verbesserung der Systemdynamik gemacht, sowie zur Erweiterung des Betriebsbereichs.