Entwicklung von Regelungsstrukturen und Optimierung der Leistungselektronik für modulare Tiefsetzsteller. - Ilmenau. - 112 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
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.
Einfluss von Netzparameter und Regelkreisstrukturen auf die Stabilität von Stromrichtern im Netzparallelbetrieb. - Ilmenau. - 68 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
Im Rahmen dieser Masterarbeit wurde die Untersuchung der Stabilität von Stromrichtern im Netzparallelbetrieb durchgeführt. Da das Untersuchungssystem komplex genug ist, gibt es viele Faktoren, von denen die Stabilität des Systems abhängt. Ihre Auswirkungen sind jedoch unterschiedlich, daher wurden in dieser Arbeit nur diejenigen behandelt, die den größten Einfluss hatten. So wurde gezeigt, dass durch die Einwirkung auf die Parameter des Regelungssystems, die Stabilität des Systems erreicht werden kann. Desweiteren wurde eine Lösung gefunden, um die Systemstabilität mit dem Einschalten eines elektronischen Widerstands zu verbessern. In diesem Fall kann je nach der ursprünglichen Netzwerkkonfiguration und dem gewünschten Effekt eine von zwei Optionen ausgewählt werden. Dabei kann die Systemstabilität auch mit einer größeren Anzahl von zusätzlich angeschlossenen Energiequellen erzeugt werden. Das konstruierte Modell ist ein universelles Modell, um die dezentralen Netze der Energieerzeugung zu untersuchen. So kann das Modell unter den Netzwerkeinstellungen angepasst werden, um die Auswirkungen verschiedener Faktoren auf den Betrieb eines solchen Systems zu untersuchen. Trotz aller Vorteile hat dieses Modell auch Einschränkungen, zum Beispiel durch die Anzahl der angeschlossenen Quellen (bisher maximal 11). Diese Einschränkung ist mit dem Prinzip der Leistungsteilung zwischen den Stromrichtern verbunden, die in der Arbeit beschrieben wird. Um die Zuverlässigkeit des Systems zu überprüfen, müsste als nächster Schritt ein Vergleich des Simulationsmodells mit dem Demonstrator-Modell durchgeführt werden.
Entwicklung von Berechnungsansätzen zur Bestimmung und Beherrschung harmonischer Instabilitäten in leistungselektronisch gespeisten Netzen mit ausgeprägtem Schwingungsverhalten. - Ilmenau. - 55 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
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.
Entwicklung eines hardwarenahen Messsystems mit zentralisierter datenbankbasierter Auswertung : Konzeptstudie zur "Cloud"-basierten SOH-Bestimmung von Li-Ionen Akkus. - Ilmenau. - 95 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
Lithium-Ionen Akkumulatoren in verschiedensten Anwendungen haben alle die Gemeinsamkeit, dass diese altern und nach einer gewissen Zeit ausgetauscht werden müssen. Die Bestimmung des Gesundheitszustandes solcher Batterien ist daher für eine optimale Nutzung unabdingbar. In dieser Arbeit wird untersucht, wie mit dem maschinellem Lernen der Gesundheitszustand simulierter Akkumulatoren möglichst genau bestimmt werden kann. Es zeigt sich, dass mit Daten, die aus der Vermessung einer Einzelzelle generiert wurden, der Gesundheitszustand von Einzelzellen und seriellen Verschaltungen von absolut identischen Zellen zuverlässig geschätzt werden kann. Weichen jedoch Lade- oder Gesundheitszustände in den Batterieverbunden voneinander ab oder sind die Zellen parallel verschaltet, lässt sich der Gesamtgesundheitszustand nicht mehr zuverlässig bestimmen. Des Weiteren wird untersucht, ob Defekte in Batterieverbunden detektiert werden können. Hier werden diverse Ansätze verfolgt, die jedoch zu dem Ergebnis führen, dass es nicht möglich ist mit dem simulierten Batteriemodell einen Defekt eindeutig zu identifizieren. Abschließend wird dargestellt, wie der Auswertungsalgorithmus zur Gesundheitszustandsbestimmung in die Cloud portiert und ein Netzwerk aus Messeinrichtungen aufgebaut werden kann.
Entwicklung und Verifizierung eines Ansteuerautomaten für eine SiC-MMC-Stufe. - Ilmenau. - 130 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2018
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.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
Energieeffizienz und Baugröße ist im Bereich der Niederspannungsumrichter ein maßgeblicher Faktor für die Kosten. Ein nach dem Stand der Forschung möglicher Ansatz für die Volumenreduktion des Umrichters ist die Verwendung einer Multileveltopologie. Zum Beginn der Arbeit sollen verschiedene Multileveltopologien für die gegebenen Anforderungen betrachtet und bewertet werden. Anschließend soll anhand einer geeigneten Topologie das Volumen des EMV-Filters abgeschätzt werden und mit dem Bauvolumen der passiven Bauelemente verglichen werden. Die Ergebnisse dieser Abschätzung werden anschließend auf ein Optimum im Betracht auf die Anzahl der Spannungslevel untersucht. Daraufhin soll eine Simulation des Multilevel Umrichters in Matlab Simulink erstellt werden, welche mit den theoretisch ermittelten Ergebnissen verglichen und bewertet wird.
Konzept einer Spannungsversorgung zur Prüfung des Akkuwinkelschleifers GWS 18 V High Power im Rahmen der Qualitäts- und Zuverlässigkeitsprüfung. - Ilmenau. - 91 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2018
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.
Entwicklung, Implementierung und Validierung von Regelungsstrukturen für seriell kaskadierte Stromrichtersysteme mit verteilten Energiespeichern. - Ilmenau. - 65 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Für ein seriell kaskadiertes Stromrichtersystem mit verteilten Energiespeichern, welches Teil eines Fahrzeugbordnetzes für Elektroantriebe ist, erfolgte in der vorliegenden Arbeit die Entwicklung einer Regelungsstruktur mit dazugehörenden unterschiedlichen Ansteuerverfahren. Ziel dieser ist es, eine zur Verlusteinsparung variabel einstellbare Zwischenkreisspannung für einen Antriebsstromrichter zu stellen. Darauf aufbauend wurden mehrere Algorithmen auf Basis von Zustandsautomaten für die Ansteuerung von sechs Akkumulatorstufen entworfen. Hinsichtlich einer Entlastung der Akkumulatoren bei der Energierückgewinnung und -speicherung wurde simulativ untersucht, ob dies mit Superkondensatoren, die in zusätzliche seriell angeordnete Stromrichterstufen integriert sind, möglich ist. Die Verifizierung der Modelle, Regler und Ansteueralgorithmen des Energiespeicher-Stromrichtersystems erfolgte simulativ mit dem Programm Matlab® Simulink®.
Hardware-Entwurf eines modularen digitalen Reglers für Kleinantriebe. - Ilmenau. - 69 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2017
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.
Programmierung eines Modularen Multilevelumrichters mit integrierten Batteriespeichern. - Ilmenau. - 60 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Modulare Multilevelumrichter (MMC) sind eine vergleichsweise neue Technologie mit großem Einsatzspektrum. In dieser Arbeit wurde ein MMC mit einem integrierten Batteriespeicher programmiert und in Betrieb genommen. Der Batteriespeicher wird über DC/DC Steller an die Stufen des MMC angebunden. Die Schwerpunkte der Arbeit beziehen sich auf die digitale Regelung des Batteriestellers, die Implementierung der Stromregelungsstrukturen und die programmtechnische Realisierung sowie die Fehlerbehandlung des MMC. Die Arbeit bildet die Grundlage auf denen zukünftige, experimentelle Forschungen und die Realisierung neuartiger Regelungsstrukturen aufbauen.