Abgeschlossene Studienabschlussarbeiten

Die vorliegende Arbeit lässt in drei Themenkomplexe unterteilt. Dabei werden die Steuer- und Regelverfahren der Asynchronmaschine, die Modifikation der Leistungshardware zur Erhöhung der Zwischenkreisspannung für den Umrichter, die messtechnische Bestimmung der Motorparameter und der einzelnen Funktionen der Steuersoftware dargestellt. Für die studentische Ausbildung wird die erarbeitete Steuersoftware eingesetzt, damit die verschiedenen Steuerungs- und Regelungsverfahren für Asynchronmaschinen in einem Praktikumsversuch untersucht werden können, um deren Eigenschaften sowie deren Vor- und Nachteile zu erkennen. Dieser Praktikumsversuch untermauert die in der Vorlesung vorgestellte Theorie zur Regelung von Asynchronmaschinen. Hauptaugenmerk wurde auf die Umsetzung der feldorientierten Regelung gelegt, da dieses Verfahren die Standardanwendung in der Praxis mit den besten dynamischen Eigenschaften darstellt.

Im Zuge der fortschreitenden Nutzung erneuerbarer Energien werden vermehrt Umrichter benötigt, die eine Gleichspannung in eine Wechselspannung und umgekehrt umrichten. Die Modularen Multilevel-Umrichter (MMC) stellt dabei eine passende Technologie dar. Die Halbleiterschalter in den Zellen eines Modularen Multilevel-Umrichters (MMC) haben jeweils eine maximale Stromtragfähigkeit, die im stationären Zustand nicht überschritten werden darf. In dieser Arbeit wurden verschiedene Konzepte einer Schalterstrombegrenzung im Modularen Multilevel-Umrichteruntersucht, simulativ in MATLAB/Simulink realisiert und umgesetzt. Im ersten Verfahren erfolgt die Schalterstrombegrenzung in kartesischen Koordinaten. Dazu wurde ein Optimierungsproblem mit Ungleichungsnebenbedingungen aufgestellt, dass mit Hilfe der Karush-Kuhn-Tucker-Bedingungen analytisch gelöst wurde. Dieses Verfahren wird erweitert auf eine Schalterstrombegrenzung in Alpha-Beta-Null-Koordinaten. Das Optimierungsproblem mit den Ungleichungsnebenbedingungen wird ebenfalls mit Hilfe der Karush-Kuhn-Tucker-Bedingungen analytisch gelöst. Die Besonderheit des zweiten Verfahrens besteht in der Einführung von Gewichtungsfaktoren im Zielfunktional. Dadurch können die Abweichungen der einzelnen Komponenten separat beeinflusst werden. So konnte ein gleichmäßiger Verlauf des DC-Stromes realisiert werden. Ebenfalls erfolgte eine dynamische Betrachtung der Auswirkung einer Schalterstrombegrenzung auf die Zweigenergiesymmetrierung sowie der Kondensatorspannungen.

Für die Einstellung eines Geschwindigkeitsreglers für ein Zweimassenschwinger-System sollen das motor- und lastseitige Massenträgheitsmoment und die spezifische Steifigkeit zur Laufzeit identifiziert werden. Dafür werden in dieser Arbeit die rekursive Form der Methode der kleinsten Fehlerquadrate (RLS) und der erweiterte Kalmanfilter Algorithmus (EKF) in MATLAB implementiert und auf simulativer Basis untersucht. Das dabei zu Grunde liegende Modell wurde bereits durch eine vorherige Arbeit validiert und ermöglicht außerdem die Abbildung des Sensorverhaltens zur Messwerterfassung. Um Fehler aufgrund nichtlinearer Einflüsse zu vermeiden werden die Schätzalgorithmen durch geeignete Maßnahmen erweitert. Anschließend wird der EKF zur Parameterschätzung an einem realen Zahnriemenantrieb getestet und das Verhalten bezüglich variierender Rausch-Kovarianzmatritzen, welche gemeinhin die Tuningparameter für diese Methode bekannt sind, mit selbstdefinierten Gütefunktionen untersucht. Im letzten Kapitel wird überprüft, wie sehr sich die Reglerverstärkung nach einem spezifischen Einstellkriterum in Abhängigkeit vom Schätzfehler verhält.

Mit dem Trend hin zur Elektromobilität kommen neue Herausforderungen, insbesondere in der Ladeinfrastruktur für elektrische Fahrzeuge. Das Ziel dieser Arbeit ist die Zuverlässigkeit und Diagnostizierbarkeit von EVs während des Laden der Traktionsbatterie an einer Wechselstromquelle zu erhöhen. Mit Hilfe von Messungen und Steuerungen herkömmlicher EV Ladegeräte, wird eine Möglichkeit die Netzinnenimpedanz zu messen, vorgestellt. Diese ist in der Lage, die Summe aller Impedanzen entlang der Stromschleife des Ladegerätes zu messen. Das Verhalten des gemessenen Netzinnenwiderstandes wird mit Hilfe von Netzereignissen, wie hochohmige Verbindungen und Wärmeentwicklungen bei Kabeln, in Simulation und Experiment analysiert. Von den gewonnen Daten wird eine Strategie abgeleitet, welchen den Messzeitpunkt bestimmt und entsprechende Reaktionen auf das Messergebnis vorschlägt.

Die Arbeit bildet die Vorbereitung einer Planungsgrundlage für den Ersatz eines 2,5 MW Gleichstromgenerators für die Stromversorgung eines Prüffeldmotors. Durch sie wurde zunächst aufgezeigt, welche derzeitigen Bedingungen in Hinsicht auf Probeläufe im Generatorenwerk der Siemens AG in Erfurt vorliegen. Dabei wurde der Aufbau der Anlage zur Durchführung der Prüfungen in grundlegenden Zügen beschrieben, sowie deren Elektroenergieeinspeisung und die des Werkes an sich erläutert. Es zeigte sich sehr schnell auf, dass in Zukunft der Leonard-Umformer möglicherweise ausfallen könnte und über einen Ersatz nachgedacht werden muss. Problem zwei stellte sich damit, dass nicht alle hergestellten Generatoren vollständig geprüft werden können. Somit ist eine Überprüfung und Umbau der gesamten Anlage notwendig, wozu auch die Neuauslage der Gleichstromversorgung gehört. Für diese wird die Option in Betracht gezogen, sie durch netz- oder selbstgeführte Stromrichter zu ersetzen. Dafür wurden drei Stromrichtertypen betrachtet. Diese sind der Sechs-Puls-Thyristorstromrichter, Zwölf-Puls-Thyristorstromrichter und ein auf IGBTs basierender selbstgeführter Stromrichter. In Bezug auf die entstehenden Anschaffungskosten, den Materialaufwand und die Zuverlässigkeit stellen hier die Thyristorstromrichter die bessere Lösung dar. Doch um die Elektroenergiequalität des Elektroenergieversorgungsnetzes nicht übermäßig zu beeinträchtigen und möglichst auf einem hohen Level zu halten, eignen sich IGBTs am besten. Mit ihnen ist außerdem eine Kompensation von Netzrückwirkungen anderer Verbraucher des Werkes denkbar. In der Gesamtbetrachtung bilden deshalb die selbstgeführten Stromrichter die beste Lösung für das Generatorenwerk Erfurt. Vor allem unter dem Gesichtspunkt, dass Energieversorger wie die Stadtwerke Erfurt immer mehr auf die Einhaltung der Richtlinien zur Elektroenergiequalität achten. Missachtungen dieser führen zwangsläufig zu Strafzahlungen für das Werk. Auf welche Technologie letztendlich bei einer zukünftigen Projektierung und daran angebundenen Neuanschaffung gesetzt wird, ist Sache der dafür verantwortlichen Fachkräfte im Werk. Mit der Bachelorarbeit werden nur eine Empfehlung und ein Einblick in vorhandene Ersatzoptionen gegeben. Hierfür gibt es, unter anderem, praktische Lösungen von der Siemens AG selbst. Jene sind die Stromrichter der Produktfamilien SIMOREG und SINAMICS. Dabei bilden die SIMOREG Stromrichter die kostengünstigere Variante. Legt man aber das Hauptaugenmerk auf eine kurze Stillstandzeit der Antriebsmaschine, kompakte Gesamtbauweise und einen längerfristigen Ersatzteil- und Wartungsservice, so sind die SINAMICS Modelle von Vorteil. Sie können komplett anschlussfertig als Schrank gebaut und geliefert werden. Geeignete selbstgeführte Lösungen sind derzeit in der geforderten Leistungsklasse nicht serienmäßig erhältlich. Es wurden lediglich fünf Lösungsvorschläge aufgeführt, die als Grundlage für weiterführende Rechnungen und Projektierungen dienen sollen. Hier müsste man beispielsweise mit dem Unternehmen Kleinknecht Untersuchungen vornehmen und eine konkrete individuelle Ausführung konzipieren.