Einfluss von hochfrequenter Signaleinprägung bei PMSM im Stillstand bei Belastung. - 111 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2010
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).
Untersuchungen zur Reihenkaskadierung von Solarstromrichtern mit MPP-Tracking. - 117 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2010
Gemäß der technischen Aufgabe sind in dieser Arbeit sechs verschiedenen Topologien für die Reihenschaltung von Solarstromrichtern mit MPP-Tracking theoretisch betrachtet und untersucht worden. Diese Topologien sind: TST, HST, TST+HST mit Stromeinprägung (gemeinsamer HST) und mit Spannungseinprägung (gemeinsamer TST). Alle theoretischen Überlegungen sind in der Arbeit herbeigeführt. Dazu ist die programmtechnische Umsetzung realisiert. Um anschaulich zu verstehen, wie die MATLAB-Programme, die m-files, realisiert sind, stehen die Programmablaufpläne (PAPs) zur Verfügung (siehe Anhang 8.2). Alle Programme sind die technische Umsetzung der Überlegungen, die in dieser Arbeit gefasst wurden. Mit Hilfe der Programme wurden die untersuchten Kennlinien übersichtlich dargestellt und alle entsprechenden Parameter wurden in den Tabellen zusammengestellt. Alle Umgebungsbedingungen, das sind Bestrahlungsstärke G, Temperatur T, Laststrom I_L im Fall des gemeinsamen HST und Zwischenkreisspannung U_z im Fall mit gemeinsamen TST wurden willkürlich ausgewählt, um alle Sonderfälle abzudecken, die bei der Nutzung des Werkzeugs vorkommen können. Sowohl für die Solarzellen als auch für die Solarmodule wurde die effektive Solarzellenkennlinie genutzt. Es wurde auch berücksichtigt, dass in dieser Arbeit für die Steller ein verlustloses (ideales) Verhalten gilt. Der Einfluss der Bestrahlungsstärke auf die Kennlinie bei konstante Temperatur und der Einfluss der Temperatur auf die Kennlinie bei konstante Einstrahlung wurden untersucht. In Kapitel 4 wurde die Stromeinprägung untersucht. Der Laststrom wurde als konstant angenommen und die einzelne Module sind dadurch voneinander nicht abhängig. Der AP von einem Modul hat keinen Einfluss auf der AP von anderen. Dafür wurden die Kennlinien fürs PV-Modul gebildet. In Kapitel 5 verhält sich die Sache anders. Da dort eine Spannungseinprägung untersucht wurde, ist die Spannung gegeben und konstant aber nicht der Strom. Somit sind die einzelnen Module und Steller voneinander abhängig. Ändert sich die Leistung in einem PV-Modul, variiert nicht nur der eigene AP, sondern auch die AP der anderen Steller. Die AP der anderen Module können aber trotzdem gleich bleiben (z.B. wenn sie im MPP bleiben oder bei P_PV=0). Eigens dafür sind die PV+ST-Kennlinien gebildet und auch die Summenkennlinie, mit deren Hilfe es einfacher ist, den Ausgangsstrom I_a zu bestimmen und weiter in die einzelnen Kennlinien zu gehen. So können die AP der PV+ST bestimmt werden. Eine wichtige Schlußfolgerung besteht in Folgendem. Es ist immer schwierig eindeutig festzustellen, welche Topologie zum Anschluß von Solarstromrichtern optimal ist. Darum wird am Ende des Kapitels 4 und 5 ein Vergleich durch je zwei weitere kleine Tabellen vorgenommen, die die Leistungen aller untersuchten Topologien bei einer vorgegebenen Umgebungssituation (G und T für jedes Modul) zusammenführen. Die Ergebnisse der Tabellen zeigt eine mögliche Tendenz zur Vergrößerung der gewinnbaren Leistung im Abhängigkeit von der Topologie. Gemäß der Bedingung der verlustlosen Betrachtung, folgt aus den Tabellen (Kapitel 4 und 5), dass einzelne TST+HST die Aufgabe der Vergrößerung von nutzbarer Leistung am besten bewältigen. Bei den einzelnen TST und HST verhält sich die Sache anders. Als ein Beispiel kann die Stromeinprägung (gemeinsamer HST) betrachtet werden. Bei einzelnen TST können alle Solarmodule nur in dem Fall im MPP arbeiten, wenn der Laststrom I_L gleich oder größer dem maximalen I_MPP-Strom aller PV-Module ist. Bei einzelnen HST können alle Solarmodule nur in dem Fall im MPP arbeiten, wenn der Laststrom I_L gleich oder kleiner dem minimalen I_MPP-Strom aller PV-Module ist (nur ohne Berücksichtigung der Spannungsbegrenzungen). Mit Spannungsbegrenzungen macht es keinen Sinn einen kleinen Laststrom auszusuchen, wenn der Unterschied zu den gut bestrahlten Modulen (mit großem MPP-Strom) zu groß wird, da dort diese PV-Module sonst alle in der Spannungsbegrenzung arbeiten würden. Darum wird bei einzelnen TST und HST bei gleichen Umgebungszuständen die gesamte Ausgangsleistung kleiner sein als bei einzelnen TST+HST. Das heißt, wenn der Strom vergrößert oder verkleinert wird, werden auch mehr oder weniger PV-Module im MPP arbeiten. Deshalb ist es nicht so leicht zu sagen, was besser ist, einzelne TST oder HST zu verwenden. Bei eingeprägter Spannung ist das Problem das gleiche. Um maximale Leistung am Ausgang bei einzelnen TST zu bekommen, soll die Zwischenkreisspannung U_z relativ klein sein (z.B. bei 8 Solarmodulen und Umweltbedingungen aus der Tabelle 5.4 mit U_z=116 V, I_a=6,91 A können alle PV-Module im MPP arbeiten). Bei einzelnen HST (bei 8 Solarmodulen und Umweltbedingungen aus der Tabelle 5.4) mit Spannungsbegrenzungen kann die maximal mögliche Leistung gar nicht erreicht werden. Ohne Spannungsbegrenzungen ist sie erreichbar, aber nur bei relativ großer Zwischenkreisspannung U_z=1113 V (I_a=0,72 A).
Realisierung einer Überlastsicherung für Krananlagen entsprechend den Anforderungen von Steuerungskategorie 3 nach DIN EN ISO 13849-1. - 60 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2010
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.
Entwicklung einer seriellen Kommunikation mit einer Baudrate von 100 MHz für Stromrichtersteuerungen . - 85 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2010
In dieser Diplomarbeit wurde ein serielles Kommunikationssystem für die Kommunikation zwischen zwei FPGA-Karten entwickelt. Für die Arbeit sind zwei verschiedene Methoden implementiert und verglichen worden. Bei der ersten Variante mit Manchester-Codierung sind die erreichten Ergebnisse nicht optimal. Durch die Manchester-Codierung wird eine Taktrückgewinnung im Empfänger ermöglicht. Wegen der falschen Phasenlage der Daten wird eine Pausenerkennung eingesetzt. Um lange Pause zu vermeiden, wird der Leitungscode 8B10B verwendet. Mit der Übertragungsrate von 100 Mbps und 50 Mbps wird das Kommunikationssystem getestet. Es gibt Fehler mit beiden Übertragungsrate. Die Fehler können durch die Codierung und Decodierung verursacht werden. Außerdem haben die Schaltkreise ISL3259E, die als Sender und Empfänger verwendet werden, eine maximale Datenrate von 100 Mbps. Die Übertragungsrate der Daten liegt an der Grenze der Schaltkreise. Dies kann auch ein Grund dafür sein, dass die Daten mit einer Übertragungsrate von 100 Mbps nicht korrekt übertragen wurden. Bei der zweiten Variante mit NRZ-Codierung werden Daten im Empfänger dreifach abgetastet. Eine Fehlererkennung mit CRC-5 wird verwendet, um eine sichere Datenübertragung zu gewährleisten. Mit CRC-Verfahren können Fehler bei der Übertragung mit hoher Wahrscheinlichkeit entdeckt werden. Bei einer Übertragungsrate von 100 Mbps traten Fehler nur bei einer Karte auf. Das liegt an der verwendeten Hardware. Da nur zwei Karten zur Verfügung stehen, ist es nicht möglich, das entworfene Kommunikationssystem mit einer dritten Karte zu testen. Bei einer Übertragungsrate von 75 Mbps hat das Kommunikationssystem mit einer Kabellänge von 50 m einwandfrei funktioniert. Getestet wurden noch eine Gerade, ein Sägezahnsignal und ein Sinussignal. Diese Tests wurden erfolgreich durchgeführt. Die Datenübertragung mit 100 Mbps mit den Karten von SPARTAN XC3S500E ist bei beiden Varianten nicht erfolgreich. Bei der Variante mit Manchester-Codierung gibt es eine hohe Fehlerrate durch die Codierung und die Decodierung. Um das Problem zu lösen, musste bei der zweiten Variante mit NRZ-Codierung die Übertragungsrate auf 75 Mbps reduziert wer-den. Mit der Übertragungsrate von 75 Mbps können Daten mit einer Kabellänge bis 50 m korrekt übertragen werden. Die Fehler werden bei der Übertragung durch einen CRC-5 Algorithmus erkannt. Wie die Fehler behandelt werden, z. B. ob Fehler korrigiert werden sollen oder die fehlerhafte Datenpakete erneut gesendet werden sollen, wird in dieser Arbeit nicht behandelt. Eine weiterführende Arbeit könnte sich mit der Fehlerbehandlung beschäftigen.
Analyse von parasitären Effekten bei Parallelschaltung von Power MOSFETs im Tiefsetzsteller. - 88 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2010
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.
Umsetzung von Steuerpinzipien für verschiedene Stromrichtertopologien auf einem FPGA. - 60 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2010
Zielstellung der Arbeit ist die praktische Anwendung der Hardwarebeschreibungssprache VHDL mit Hilfe eines FPGAs. Dabei wurde ein Vergleich der vom FPGA umgesetzten Ergebnisse mit dem Idealwert der Theorie vorgenommen und verschiedene praktische Probleme sowie Lösungsansätze für einzelne Ansteuerverfahren von Stromrichtern gefunden. - Zu Beginn wurden drei Stromrichteransteuerverfahren theoretisch untersucht und der zu reichende Idealwert berachtet. Im Anschluss wurden die theoretischen Konzepte in jeweils einem FPGA Programm umgesetzt unt mittels FPGA realisiert. Dazu wurde die Software Xilinx ISE Design Suite verwendet. - Im Anschluss wurden die Ausgangsgrößen der einzelnen Stromrichter mit einem Oszillographen gemessen und mit den Idealwerten der theoretischen Betrachtung verglichen. Um eine genau Übereinstimmung zu erreichen, mussten Optimierungen des Lösungsansatzes im bestehenden Programm vorgenommen werden.
Analyse von hochfrequenten Schwingungen in Switching-Mode Power Supplies (SMPS). - 47 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2009
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.
Feldorientierte Regelung einer permanenterregten Synchronmaschine. - 69 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2009
Im Rahmen dieser Diplomarbeit wird für eine feldorientierte Regelung einer permanenterregten Synchronmaschine (PMSM) mit kleiner Spannung gemäß Bild 1.1 auf der Basis von Matlab/Simulink ein Simulationsprogramm erstellt. - Der Pulswechselrichter (PWR) wird wahlweise durch ein Mittelwertmodell, ein Modell mit idealem Schalter und ein MOSFET-Modell nachgebildet. Der Pulswechselrichter mit MOSFET wird unter Berücksichtigung von Durchlassverlusten, Zweigverriegelungszeit und der MOSFET durch eine Parallelschaltung aus Kapazität und kennliniengesteuerter Stromquelle nachgebildet. Im Kap. 6 in dieser Diplomarbeit werden die Sättigungseffekte (Ld=f(Id) und Lq=f(Iq) ) der Eisenwege der permanenterregten Synchronmaschine berücksichtigt, ansonsten wird die Induktivität als konstant angenommen. Im Kap. 5 wird statt des Drehzahlgebers auch ein Modell für den sensorlosen Betrieb verwendet.
Realisierung einer feldorientierten Regelung für Asynchronmaschinen auf einem DSP TMS320F2808 und einem [mu]C XC167CI sowie Umsetzung der Ansteuerung des Wechselrichters auf einem FPGA Spartan 3. - 84 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2009
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.
Inbetriebnahme eines netzgekoppelten Umrichters zur Speisung des Rotors einer Windkraftanlage. - 72 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2009
Enth. außerdem: Thesen
Zur Zeit steht die aktuelle Aufgabe, die erneuerbaren Energieressourcen für die Energieversorgung zu nutzen. Eine wichtige erneuerbare Energieressource ist die Windenergie. In dieser Arbeit ist die Regelung der Windkraftanlage mit der Doppeltgespeister Asynchronmaschine dargestellt. Die Vorteile dieses Systems sind das Sinken der Umrichterkosten und einen um etwa zehn Prozent höhere Energieausbeute als mit drehzahlfesten Anlagen. Der Umrichter besteht aus netzseitigem Wechselrichter und generatorseitigem Wechselrichter. Die Ziele der Regelung des netzseitigen Wechselrichters sind die Regelung der Netzstromkomponenten für die definierte Einstellung der Wirkleistungs- und Blindleistungsabgabe in das Netz und die Regelung der Zwischenkreisspannung. Das Ziel der Regelung des generatorseitigen Wechselrichters ist die Umsetzung der feldorientierten Regelung. Die Feldorientierung ist die Realisierung der Entkopplung von feld- und momentbildenden Stromkomponenten. In dieser Weise sind das Drehmoment und der Magnetisierungsstrom bzw. der Rotorfluss unabhängig voneinander regelbar. Für die Realisierung der Steuerhardware wurde die neue Steuerkarte auf der Basis des digitalen Signalprozessors TMS320F2808 von Texas Instruments verwendet und die Anpasskarte für die Ankopplung der Steuerkarte an das Leistungsteil aufgebaut. Die realisierte Steuersoftware besteht aus einer Ablaufsteuerungsroutine für die Betriebsführung des Systems, der Fehlererkennungsroutine für die Erkennung von dem Überstrom und anderen Fehlern und dem Steuerprogramm des Netzwechselrichters. Für die Inbetriebnahme der feldorientierten Regelung des Generators wurde ein Basisprogramm vorbereitet. Im Ergebnis wurde die Regelung des netzseitigen Wechselrichters getestet. Der Netzwechselrichter wurde mit einer externen Spannungsquelle in beiden Energieflussrichtungen bis zur Nennleistung getestet. Die Regelung der Zwischenkreisspannung und des Netzstroms hat die erforderliche hohe Dynamik. Der statische Fehler der Zwischenkreisspannungsregelung ist Null, aber die Oberschwingungen des Netzstromes sind noch zu groß. In der Regelung des Netzwechselrichters sind keine Regler für Oberschwingungen implementiert. Da die im Netz vorhandenen Spannungsoberschwingungen keine Gegenspannung am Wechselrichterausgang haben, fließt ein relativ großer Oberschwingungstrom. Diese Kompensation ist eine weitere Aufgabe für die Verbesserung der Netzspannungsqualität. Die Funktion der Software zur Steuerung des Generatorwechselrichters wurde mit einem Steuerprogramm zur Vorgabe von Frequenz und Spannungsamplitude der Generatorspannung getestet. Eine weitere Hauptaufgabe ist die Realisierung der feldorientierten Regelung und die Inbetriebnahme des Insel- und des Netzbetriebs mit einer Windquelle. Für ein schnelles Abbauen der Überspannung nach einem Lastabwurf sowie den Schutz der Anlage vor Überspannung ist es notwendig, einen Bremschopper anzusteuern. Eine weitere Aufgabe des Schutzsystems ist Realisierung eines Übertemperaturschutzes. Diese Funktion wird durch die Steuerkarte und die Verarbeitung der Temperatursignale der Wechselrichter realisiert.