Untersuchung von Strategien zum sensorlosen Betrieb eines bürstenlosen Servomotors. - 115 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2014
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit sensorlosen Regelungsverfahren für bürstenlose Servomotoren. Basierend auf einer Literaturrecherche werden ausgewählte Verfahren zur sensorlosen Bestimmung der Kommutierungszeitpunkte betrachtet. Im Hauptteil der Arbeit wird dann der Betrieb eines Servomotors mit zwei ausgewählten Standardkommutierungsverfahren simulativ und experimentell untersucht. Dies geschieht mit der Intention, eine Testumgebung aufzubauen, mit der im Rahmen nachfolgender Arbeiten aufwendigere Kommutierungsverfahren (z.B. zum Betrieb bei unbekannter Last und bei niedrigen Drehzahlen) untersucht werden können. Bei beiden ausgewählten Verfahren werden die Kommutierungszeitpunkte für den Start des Servomotors gesteuert vorgegeben. Der Motor wird so auf eine vorgegebene Drehzahl beschleunigt und anschließend sensorlos geregelt. Beim ersten Verfahren geschieht dies durch die Auswertung der Nulldurchgänge der induzierten Gegenspannungen. Das zweite Verfahren ermittelt die Kommutierungszeitpunkte aus virtuell erzeugten Hall-Signalen. Wie bereits erwähnt, wird zur Analyse des Betriebsverhaltens zunächst ein detailliertes Simulationsmodell eines bürstenlosen Servomotors in Matlab SIMULINK aufgebaut und mit den ausgewählten Verfahren betrieben. Die Ergebnisse werden bewertet. Anschließend werden die Verfahren auf einer Zielhardware mit einem Testmotor prototypisch realisiert. Die relevanten Signalverläufe werden im Betrieb gemessen und ausgewertet. Die Ergebnisse aus der Simulation werden mit den Ergebnissen aus dem Praxistest verglichen und die verwendeten Verfahren werden abschließend bewertet.
Entwicklung von Hard- und Software zur Demonstration von Farbänderung elektrochromer Module. - 49 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2014
In der Arbeit war es ein Gerät zu entwickeln, das die Farbänderung der elektrochromer Module demonstrieren sollte. Elektrochromie ist Zweig der Elektrochemie, der sich mit elektrochromen Stoffen beschäftigt. Solche Stoffe verfügen über eine Fähigkeit ihre Farbe unter Einfluss des elektrischen Feldes (meistens beim Anlegen einer bestimmten Gleichspannung) ändern zu können. Elektrochrome Materialien finden eine breite Anwendung in Industrie, z. B. Autorückspiegel mit einstellbarer Helligkeit, die sich bei der Hitze verdunkelnden Fenster usw. Das elektrochrome Modul, das in der Arbeit betrachtet wird, hat aber mehr als 2 Farbzustände. Solche Module fanden bisher nur wenig Anwendung. Um gewünschten Farbzustand zu kriegen, ist es in einer bestimmten Weise anzusteuern (verschiedene Spannungen für verschiedene Zeitdauer anzulegen). Im Laufe der Arbeit wurden die Eigenschaften eines Mustermoduls untersucht. Nach diesen Untersuchungen wurde ein Schaltungskonzept für den Demonstrator entworfen. Die erforderlichen Hardwarekomponenten wurden ausgewählt und ein Layout der Steuerplatine erstellt. Um den Demonstrator anzusteuern wurde ein entsprechendes Mikrocontrollerprogramm entwickelt. Da die exakte Spannungseinstellung wichtig für die richtige Färbung des Moduls ist, wurde eine Spannungsregelung realisiert und der dazu notwendige Regelungsentwurf durchgeführt. Die Tauglichkeit des Reglers wurde mithilfe von Matlab/Simulink Simulationen nachgeprüft.
Entwicklung eines generischen Modelles von Photovoltaik-Wechselrichtern zur Darstellung der dynamischen Netzstützung. - 79 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2014
In deutschen Mittelspannungsnetzen angeschlossene Photovoltaik-Wechselrichter dürfen sich bei Spannungseinbrüchen im Netz nicht von diesem trennen. Sie müssen für die Dauer des Einbruches je nach verbleibender Spannung einen Blindstrom zur dynamischen Netzstützung beziehen. Der Nachweis dieser Funktionalität ist für die Zertifizierung von Erzeugungseinheiten und -anlagen nach entsprechenden Richtlinien erforderlich. Dazu wird der Fehlerfall des Netzes simuliert und die Reaktionen von Wechselrichtern auf Spannungseinbrüche werden modelliert. Ein zu entwickelndes allgemeines Modell soll ein Anpassungsvermögen an das Zeitverhalten verschiedener Geräte besitzen. Abschließend wird eine Modellvalidierung an Beispielgeräten durchgeführt und ausgewertet.
Analyse und Optimierung eines aktiven bidirektionalen Batteriemanagementsystems für Lithium-Ionen-Akkumulatoren. - 115 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2014
In vielen Anwendungen werden Batterien eingesetzt, die aus mehreren in Reihe und parallel geschalteten Lithium-Ionen (Li-Ion) Akkumulatoren bestehen. Während des Betriebs werden sich die einzelnen Akkumulatoren innerhalb der Batterie allerdings, aufgrund von verschiedenen internen und externen Einflussfaktoren, nicht gleich verhalten. Dies führt beim Laden bzw. Entladen der Batterie insbesondere dazu, dass die einzelnen Akkumulatoren innerhalb der Batterie unterschiedliche Ladezustände annehmen. In der Praxis werden daher oft Batteriemanagementsysteme (BMS) eingesetzt, die den Ladezustand aller Li-Ion Akkumulatoren innerhalb der Batterie überwachen und nicht nur die Batterie als solche. In vielen BMS wird darüber hinaus auch der Ladezustand der einzelnen Akkumulatoren untereinander angeglichen. Dadurch kann die tatsächlich nutzbare Kapazität der Batterie gesteigert werden, da der Arbeitsbereich der Batterie nicht mehr durch einen einzelnen Akkumulator innerhalb der Batterie eingeschränkt wird. Dieser Vorgang wird auch als Balancing bezeichnet. Dabei sind verschiedene Techniken bekannt, die eingesetzt werden können, um den Ladezustand der Akkumulatoren innerhalb der Batterie gezielt anzugleichen. Eine davon nutzt bidirektionale DC/DC Wandler. Dies ist auch der Ansatz, auf den die vorliegende Arbeit aufbaut. Dabei handelt es sich bei dem eingesetzten bidirektionalen DC/DC Wandler um einen Forward-Flyback Wandler. Dieser wird rechnerisch, simulativ und praktisch hinsichtlich seines Betriebsverhaltens als Balancer in einem BMS analysiert. Anhand des praktisch realisierten Forward-Flyback Wandlers wird ebenfalls dessen Effizienz innerhalb der beiden Betriebsmodi Forward-Betrieb und Flyback-Betrieb untersucht. Dabei zeigt sich, dass der eingesetzte Forward-Flyback Wandler prinzipiell für die Anwendung in einem aktiven BMS geeignet ist, allerdings noch Optimierungspotenziale bezüglich des Wirkungsgrades aufweist.
Realisierung einer wirkungsgradoptimalen Maximum-Torque-Per-Ampere Regelung an einer Synchronmaschine mit vergrabenen Magneten und Vergleich mit etablierten Standardverfahren. - 106 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2013
In dieser wissenschaftlichen Arbeit werden die Regelungsstrategien Maximum Torque per Ampere (MTPA) und Verlustoptimierung für die Anwendung bei Synchronmaschinen mit vergrabenen Magneten vorgestellt. Dabei wird die MTPA-Regelung praktisch umgesetzt und mit dem etablierten Standardverfahren, der polradorientierten Regelung, für die Verwendung am aufgebauten Teststand über einen weiten Drehzahlbereich in Bezug auf den Gesamtwirkungsgrad, bestehend aus dem Wirkungsgrad der IPMSM und dem des Wechselrichters, verglichen. Die Verlustoptimierung hingegen wird nur im theoretischen Teil betrachtet und anhand vorhandener Messergebnisse mit den anderen Regelungsverfahren verglichen. Zur Einführung in die Masterarbeit wird der Aufbau der Synchronmaschine mit vergrabenen Magneten, Interior Permanent Magnet Synchronous Motor (IPMSM), und die sich daraus ergebenen Besonderheiten, spezifisch die unterschiedliche Ausprägung der Induktivitäten im d-q-Koordinatensystem, erklärt. Ebenfalls werden die für die Regelungsverfahren notwendigen Spannungsgleichungen ausführlich hergeleitet, um die im Anschluss folgende feldorientierte Regelung (FOR), die für die Umsetzung der verschiedenen Regelungsstrategien benötigt wird, vorzustellen. Die Idee der MTPA-Regelung ist es, dass Drehmoment mit einem minimalen Stromraumzeiger zu stellen. Der Aufbau dieses Regelungskonzeptes wird dabei systematisch hergeleitet und entstehende Besonderheiten werden ausführlich erklärt. Die MTPA-Regelung kann dabei in zwei verschiedenen Methoden im Digitalsignalprozessor (DSP) umgesetzt werden. Zu einem können die Sollwertvorgaben für die entsprechende Belastung in Tabellen und Kennlinienfeldern hinterlegt werden, zum anderen ist es möglich die Sollwerte direkt im Programm zu berechnen. Diese beiden regelungstechnischen Umsetzungen werden detailliert beschrieben. Mit Hilfe des Vergleichs der Regelungsstrategien soll eine Aussage getroffen werden, welches Verfahren einen möglichst hohen Wirkungsgrad der IPMSM und der dazugehörigen Leistungselektronik am Versuchsstand erzielen kann.
Realisierung einer elektronischen 3-phasigen Spannungsquelle und Senke. - 116S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2013
Die vorliegende Arbeit widmet sich der Entwicklung und Analyse von Regelungs- und Filterstrukturen für einen Dreiphasen-Dreileiter- RL-Last-Emulator. Ausgehend von der allgemeinen Beschreibung einer Mit- und Gegensystem-Netzstromregelung, werden sukzessive alle notwendigen Komponenten der gesamten Regelungsstruktur analysiert und hinsichtlich ihrer Eigenschaften und Eignung verglichen. Die vorgeschlagenen Regelungs- und Filterstrukturen für den RL-Last-Emulator ermöglichen die Nachbildung von symmetrischen und unsymmetrischen RL-Lasten. Der RL-Last-Emulator kann als Entwicklungs- und Testumgebung für Inselnetzwechselrichter oder allgemeiner als Belastung von AC-Spannungsquellen eingesetzt werden. Diese Arbeit stellt eine systemtheoretische Abhandlung dar, in der eine empfehlenswerte, störunanfällige Synchronisationsstruktur zur Netzwinkelsynchronisation analysiert wird und geeignete Stromistwertfilter für die dynamische Regelung der Mit- und Gegensystemströme entwickelt werden. Eine zentrale Rolle hierfür spielt der generalisierte Integrierer zweiter Ordnung (SOGI-QSG), ein frequenzadaptiver Filter. Für die Emulation der Dreiphasen-Dreileiter- RL-Last wird ein Lastmodell in rotierenden Mit- und Gegensystemkoordinaten entwickelt, welches die Stromsollwerte bereits, ohne nachgeschaltete Filterung, zerlegt ausgibt.
Analyse von wirkungsgradoptimierten Regelungsstrategien für einen Leistungsumrichter und deren Einfluss auf den Gesamtwirkungsgrad beim Einsatz als Fahrzeugantrieb. - 145 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2013
Permanenterregte Synchronmaschinen als Antriebe für Hochleistungsfahrzeuge geraten zunehmend in den Fokus. Besonders Maschinen mit in den Rotor eingelassenem Magneten wird in der Literatur zurzeit ein hohes Potential zugesprochen. Bei diesen Maschinen wird zur Minimierung der Verluste immer wieder die Maximum Torque per Current Ansteuerung vorgeschlagen. In der nachfolgenden Arbeit werden zwei Varianten zur wirkungsgradoptimierten Ansteuerung von permanenterregten Synchronmaschinen untersucht. Hierbei geht es zum einen um die bereits angesprochen Maximum Torque per Current Optimierung, zum anderen um eine Untersuchung der Leistungsumrichter-Pulsfrequenz auf den Wirkungsgrad. Um über die Auswirkungen der Optimierungen vergleichbare Aussagen treffen zu können, wurde das elektrische System eines Fahrzeuges in Matlab Simulink nachgebildet. Die durch die Simulation gewonnen Daten wurden nun auf einen realen Fahrzyklus des zugrundeliegenden Fahrzeugs angewendet. Hierdurch ließ sich ein guter Vergleich zwischen der normalen feldorientierten Regelung und den beiden Optimierungsstrategien erzielen. Die Ergebnisse dieser Arbeit lassen im Speziellen eine definierte Aussage über den Nutzen der Optimierungsstrategien im gewählten Beispiel zu. Als Verallgemeinerung lassen sie aber auch Rückschlüsse darauf zu, für welche Anwendungen die beschriebenen Optierungen sinnvoll sein können und wann der Aufwand den Nutzen überwiegt.
Entwurf einer übergelagerten Regelroutine für Normal- und Fehlerbetrieb von modularen Multilevelumrichtern im vermaschten HGÜ-System. - II, 88 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2013
Bei verstärkter Nutzung regenerativer, fluktuierender Energiequellen ergeben sich größere Transportwege für die elektrische Energieversorgung. Der Ausbau der dazu erforderlichen Übertragungsnetze sieht den Einsatz von Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungssystemen (HGÜ) vor. Der Einsatz sog. modularer Multilevelumrichter (MMC) wird als vorteilhaft angesehen. In der Arbeit wird der MMC mit Submodulen in Halbbrückenschaltung modelliert und untersucht. Einerseits ist der Entwurf einer Regelroutine für den Normalbetrieb aufgezeigt. Andererseits sind die minimalen Betriebsbedingungen aus dem Umrichtermodell abgeleitet. Weiterhin werden das Verhalten des Umrichters bei DC-seitigem Fehler und die notwendigen Maßnahmen zur Entkopplung des Fehlers vom AC-Netz beschrieben. Die Abhängigkeit der Fehlerbeherrschung von den Netz- und Umrichterparametern wird dargestellt.
Realisierung einer MPP-Regelung für einen DC/DC-Wandler zur Energieübertragung aus einem Solargenerator an eine DC-Stromquelle. - 70 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2013
Diese Arbeit ist einem heute aktuellen Thema des maximalen Leistungsgewinnens aus einer Solaranlage gewidmet. Es wurde eine MPP-Regelung für einen DC/DC-Wandler realisiert, der die Energieübertragung aus einem Solargenerator an eine DC-Stromquelle versorgt. Damit eine maximale Energieausbeute erreicht wird, wurde aus einer Vielzahl von MPP - Algorithmen (Maximum Power Point) der am besten geeignete gewählt, weiter entwickelt und in eine Software für einen Mikrokontrollers, umgesetzt.
Realisierung einer CAN-Kommunikation zwischen einem Displaycontroller und einer leistungselektronischen Baugruppe. - 65 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2013
In einem komplexen dezentralen Energiesystem bestehend aus Solargeneratoren, Brennstoffzelle, Batteriespeicher, Hochsetzsteller, Wechselrichter und mehrere Displaycontroller wird durch einen CAN-Bus die Datenkommunikation realisiert. Für dieses System wird als erster Schritt eine CAN-Kommunikation zwischen einem Displaycontroller und einer leistungselektronischen Baugruppe realisiert. Der Displaycontroller ermöglicht über eine Eingabebaugruppe die Betriebsführung (Ein/Ausschalten) der leistungselektronischen Baugruppe (z. B. Wechselrichter, Boost-Converter) und auch die Anzeige aktueller Größen aus der leistungselektronischen Baugruppe (Betriebszustand, Strom, Spannung, Leistung). Die CAN-Baugruppe ist Bestandteil der controllerinternen Hardware und ist der Kommunikationskanal über die Komponenten des Energiesystems Daten austauschen. Der Mastercontroller als Energiemanager analysiert diverse Eingangsgrößen (Istwerte, Status-Istwerte) und sorgt mit seinem SPS-Algorithmus für die zeitlich optimale Abstimmung von Erzeugung und Verbraucher. Über Einstellungen im Master-Controller kann der Bediener auch den Betrieb des dezentralen Netzes beeinflussen. Der Master-Controller im beschriebenen Minimalsystem mit zwei Slave-Controller sorgt mit seinen Zustandsgrafen für die Steuerung der Slaves des Minimalsystems. Die verschiedenen Zustandsgrafen werden beschreiben. Für dieses Minimalsystem wird eine CAN-Kommunikation realisiert.