Abgeschlossene Studienabschlussarbeiten

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.