Untersuchung, Dimensionierung und praktische Realisierung eines Hochfrequenz-Tiefsetzstellers als Regelstufe für ein dreistufiges Serverschaltnetzteilkonzept. - 81 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2007
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.
Aufbau und Inbetriebnahme eines Prüfstandes für Kleinantriebe mit elektronischer Meßwerterfassung. - 112 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2007
Aktuelle Entwicklungen bei dreiphasigen Umrichtern kleiner Leistung verwenden beim Aufbau an Stelle diskreter leistungselektronische Bauteile vollständig gekapselte Module aus IGBTs, Dioden und Treiber für eine dreiphasige Brückenschaltung. Diese sogenannten Integrated Power Modules (IPMs) vereinfachen den Schaltungsentwurf und den mechanischen Aufbau eines Umrichters erheblich. Zur Untersuchung dieser Module unter realen Betriebszuständen wird eine variable Last benötigt. - Die Diplomarbeit zeigt den mechanisch und elektrischen Aufbau eines Prüfstands mit der Kopplung aus einem Drehstrom Asynchronmotor und einer Wirbelstrombremse als variable Last. Dabei ist der Prüfstand so gestaltet, daß Motoren verschiedener Leistungsklassen eingesetzt werden können. Die Last läßt sich durch Veränderung des Erregerstroms der Wirbelstrombremse variieren. Die Bedienung, der Anschluß der zu prüfenden Baugruppe sowie der Meßgeräte erfolgt über ein räumlich vom Prüfstand getrenntes Bedienpult. Durch einen integrierten Mikrocontroller können Lastwechselzyklen auf der Basis von Zeitintervallen oder Meßgrößen automatisch durchgeführt werden. - Es werden zwei IPMs verschiedener Hersteller und ein Demoboard vorgestellt, die am Prüfstand eingesetzt wurden. Bei den durchgeführten Messungen wurde neben den elektrischen Eigenschaften der Bauteile auch ihr thermisches Verhalten untersucht, indem Meßzyklen mit unterschiedlicher Motorlast bei verschiedenen Betriebsbedingungen durchgeführt wurden.
Parameterextraktion einer Niedervolt Trench Gate MOSFET-Halbbrücke und Nachbildung in einem zustandsgesteuerten Verhaltensmodell. - 167 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2007
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.
Realisierung einer Parameterschätzung mittels DSP für eine Asynchronmaschine mit feldorientierter Regelung auf Basis der Least-Squares-Methode. - 70 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2007
In dieser Arbeit wurde ein Parameterschätzverfahren auf Basis der Methode der kleinsten Quadrate mit einem digitalen Signalprozessor umgesetzt. Angewendet wurde die Methode auf eine Asynchronmaschine im Stillstand.
Regelung/Test eines mehrstufigen Stromrichters zur Blindleistungskompensation und für Anwendungen in der Energietechnik. - 83 S Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2006
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.
Control of doubly-fed induction generators under asymmetrical grid conditions. - 81 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2006
In den letzten Jahren ist die Zahl der Windkraftanlagen zur Gewinnung elektrischer Energie stetig gestiegen. Damit stieg auch der Einfluss der WKAs auf die Stabilität der Netze und die Elektroenergiequalität. Ein wichtiges Entwicklungsziel ist daher die Anpassung der Windkraftanlagen an aktuelle und zukünftige Netzanschlussbedingungen. Besonders wichtig ist das Verhalten der Anlagen während asymmetrischen Netzbedingungen und insbesondere während Fehlern. Ein Ziel besteht darin, die Anlage auch während Fehler im Netz weiterbetreiben zu können (keine Netztrennung) und andererseits die zusätzlichen Belastungen für die Anlage gering zu halten. - In Windkraftanlagen werden häufig doppelt gespeiste Asynchronmaschinen eingesetzt. Daher bestand das Ziel dieser Arbeit darin, die Regelung einer doppelt gespeisten Asynchronmaschine an asymmetrische Netzbedingungen anzupassen. Als erster Schritt wurden dabei nur geringe aber langdauernde Asymmetrien im Netz betrachtet. - Sowohl für die maschinen- wie auch für die netzseitige Regelung wurde eine Regelungsstruktur entwickelt. Diese beinhalten zusätzlich zu den konventionellen Reglern Regler für die Gegensystemströme. Diese zusätzlichen Regler entsprechen zusätzlichen Freiheitsgraden, mit denen weitere Regelungsziele erreicht werden können. Das Ziel der maschinenseitigen Regelung war die Verringerung von Schwingungen des elektrischen Drehmomentes während Asymmetrien. Das Ziel der netzseitigen Reglung war die Reduktion von Schwingungen der Zwischenkreisspannung. In Simulationen konnten beide Ziele erreicht werden. - Alle Simulationen wurden mit PSCAD/EMTDC durchgeführt.
Aufbau, Ansteuerung und Parametrierung von Regelstrecken eines Luftversorgungsmoduls in einem Testsystem für Brennstoffzellenantriebe mit automobilspezifischen Komponenten. - 117 S Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2006
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.
Simulative Untersuchung des Schaltverhaltens von Hochvolt-MOSFETs im Tiefsetzsteller zur Verifizierung des Schaltermodells mit Hilfe des Simulationtools DIGSIM. - 60 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2006
Die Verifizierung des Schaltermodells ist anhand des Schaltverhaltens vom Hochvolt-MOSFET im Tiefsetzsteller durchgeführt. Hierzu ist das Betriebsverhalten des MOSFET-Modells in einem weiten Arbeitsbereich untersucht worden, indem die Kommutierungsvorgänge für unterschiedliche Gatewiderstände im Arbeitspunkt bei Nennstrom und für einen Gatewiderstand bei verschiedenen Lastströmen bewertet worden sind. Die Ermittlung einiger unveränderlicher Parameter erfolgte anhand der Datenblattangaben. Die Optimierung von veränderlichen Parametern ist mit Hilfe von gemessenen Schaltverläufen des MOSFET-Typs SPP11N60C2 empirisch durchgeführt. Die Charakterisierung der erzielbaren Genauigkeit des Strom- und Spannungsverlaufs im Arbeitspunkt beim Nennstrom ergab ein Fehlverhalten, dass sich in einem geringeren Überstrom beim Einschalten und einer geringeren Stromentlastung beim Ausschalten äußerte. Beim Ausschalten von kleineren Strömen als dem Nennstrom nahm der Fehler im Stromverlauf mit kleiner werdendem Spannungsanstieg ab. Dabei benötigt das Schaltermodell eine Optimierung der Parameter beim Arbeitspunktwechsel. Die Nachbildung des Gatekreises mit normierten Größen stellte sich als unzureichend dar. Dem Nutzer ist eine direkte Parametrierung der Schwellenspannung, der Treiberspannung und des Gatewiderstandes nicht gewährleistet. Desweiteren ist ein Vergleich zwischen gemessener und simulierter Steuerspannung nicht gegeben. Zusammenfassend sind der Gatekreis und die dv/dt-Gegenkopplung für die Spannungskommutierung ungenügend. Zur Analyse der Parameter bei hochfrequentem Schalten stellt das Simulationsmodell ein effektives und numerisch stabiles Werkzeug dar. Die Rechenzeit zur simulativen Bewertung einzelner Systemparameter auf den Kommutierungsvorgang benötigt am Standard-PC wenige Sekunden.