FG Leistungselektronik und Antriebssysteme
Refine
Year of publication
Document Type
Way of publication
- Open Access (1)
Keywords
- Drehstromasynchronmaschine (6)
- Umrichter (5)
- Stromrichter (4)
- Notstromversorgung (3)
- Flussverkettungen (2)
- Flusswinkelmodell (2)
- Hybridantriebssystem für Lokomotiven (2)
- Matrixconverter (2)
- Matrixumrichter (2)
- Steuerverfahren (2)
Institute
BTU
Research profile line
The hybrid electric counter-rotating compressor (CRC) has the potential to improve power-specific fuel consumption in aircraft engines. However, due to its cascaded structure, a reduction or loss of driving power in a single compressor stage can significantly degrade the overall compressor performance. A short-circuit fault is a typical electrical failure in an electric motor that can lead to a complete loss of driving power. One innovative post-fault operation strategy is to utilize the braking capability of the failed motor at low speed to lock its corresponding compressor stage. In this way, the failed stage can function as a stator stage, still providing degraded flow-guiding capability and preventing reverse rotation. This article investigates the short-circuit protection strategy and post-fault operation of dual three-phase permanent magnet synchronous motors (DTP-PMSMs) for hybrid electric CRC applications. Analytical models are developed to characterize the post-fault behavior of the DTP-PMSM. Key design factors are defined, and their influence on post-fault performance is analyzed. Critical post-fault operating points are identified to evaluate and compare different protection strategies. Based on these results, an optimized short-circuit protection strategy is proposed for DTP-PMSMs in CRC applications. Finally, the analytical findings and the proposed strategy are validated through simulation.
Batterie-und Wasserstoff-Speicherkraftwerke sind in vielen Veröffentlichungen und energiepolitischen Dokumenten des Gesetzgebers als vorrangige emissionsfreie Ergänzung zur steigenden volatilen Einspeisung aus erneuerbaren Energien (EE) beschrieben. Allerdings sind ihre wichtigen technischen Auslegungsparameter wie installierte Leistung und Kapazität daraus nicht ableitbar. An dieser aktuellen Problematik wird im Energie-Innovationszentrum (EIZ) an der BTU Cottbus-Senftenberg geforscht. Ein EIZ-Multi-Speicherkraftwerk soll die Größe eines konventionellen Kraftwerkblocks von bis zu 600 MW haben und eine Batterie-Kurzzeit- sowie einen H2 -Langzeitspeicher umfassen.
This paper discusses the sizing and parameter estimation of a case-mounted permanent magnet synchronous motor designed for integration into a counter-rotating hybrid electrical compressor. The motor features a toroidal winding stator and a sinusoidal Halbach array permanent magnet rotor. The structure of the motor is modeled as several 2D hollow cylindrical layers for analysis and simulation. The motor model is developed with a focus on estimating parameters such as motor mass, power, and efficiency. Based on this model, a motor design algorithm is created to generate a motor design map. Serving as part of a multidisciplinary design approach, the electrical motor design map is generated as a look-up table for interfacing with other design disciplines, such as aerodynamic design, mechanical design, and propulsion system design. Therefore, motor design parameters are selected with particular emphasis on geometry and mechanical performance. The full factorial experimental method is applied to create the design map. Finally, comparative studies are conducted using the controlled variable method to analyze typical relationships between motor geometry, mass, power, efficiency, and design parameters.
Electrical model validation of magnetic cores for current sensing and loop filter applications
(2024)
This paper presents an analytical model for the rapid examination of the magnetic field distribution and electromagnetic characteristics of a Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM) featuring a toroidal winding stator (TWS) and a sinusoidal Halbach array rotor (SHAR). The analytical model for magnetic field distribution is established by solving the governing Laplace’s and Poisson’s equations of the vector magnetic potential. The no-load magnetic field distribution from SHAR and the magnetic field induced from the armature reaction are individually analyzed. According to superposition theory, the complete magnetic field distribution is derived. Furthermore, an analytical model for motor electromagnetic characteristics, including motor inductances, electromagnetic torque, and motor on-load induced voltage, is formulated. Lastly, the precision of the analytical model is verified through finite element analysis (FEA) simulations across various operational points.
In dieser Arbeit wird die Neue Direkte Spannungsregelung von dezentralen Erzeugungsanlagen in der PowerFactory Simulationsumgebung von der DIgSILENT GmbH implementiert und das Stabilitätsverhalten dieser Anlagen in Verteilernetzen untersucht. Auf die Vorgaben der VDE-AR-N-4110 und VDE-AR-N-4120 wird insbesondere eingegangen. Die Herleitung der mathematischen Modelle erfolgt im Laplace-Bereich und gibt die Möglichkeit her, neben ihrem Einsatz in Netzberechnungssoftware, die Auslegung und Optimierung der Regelung des gesamten Netzmodells zu berechnen. Die Ableitung der Regelungsmodelle der Wind-, Solar und statischen Generator-Anlagen erfolgt dabei in der Raumzeigerdarstellung im dq-Koordinatensystem. Mit Hilfe der Raumzeigerrechnung können elektrische Größen in Drehstromverbrauchern schnell berechnet und anschaulich im stationären Zustand als Gleichgrößen dargestellt werden.
Der erste Teil der Arbeit behandelt die Auswahl der Netztopologie und Netzmodelle in der Power Factory Simulationsumgebung. Die ausgewählten Benchmark-Modelle der ARGE FNB OST (Arbeitsgemeinschaft Flächennetzbetreiber Ost) sind synthetische 110-kV-Verteilernetze, die vorgelagerte Höchst- und nachgelagerte Mittelspannungsnetzmodelle beinhalten. Der gesamte Leistungsbedarf im Netz liegt bei Höchstlast 1.083 GW und verteilt sich auf die verschiedenen Spannungsebenen. Die stationäre Berechnung der Lastflüsse wird unter der Berücksichtigung des maximalen Anteils und der räumlichen Verteilung der Dezentralen Erzeugungsanlagen (DEA) als auch der Charakteristik der Verbraucherstrukturen durchgeführt.
Im zweiten Teil wird die Neue Direkte Spannungsregelung der dezentralen Erzeugungsanlagen implementiert. Die Regler werden unter Verwendung geeigneter Auslegungsverfahren, wie dem Betragsoptimum, hinsichtlich des dynamischen Führungsverhaltens eingestellt. Es wird durch die dynamische Simulation nachzuweisen, dass elektrische Verteilernetze auch mit sehr hohem Stromrichteranteil durch das neue Spannungsregelungsverfahren stabil und sicher betrieben werden können.
Im dritten Teil wird ein „worstcase“ betrachtet. Hier geht es um ein simuliertes Splitting-System Szenario. Ein großer Teil des Verteilernetzes trennt sich und bildet ein Inselnetzwerk. Das dabei entstehende Leistungsungleichgewicht, ein Sprung von ungefähr 5 bis 10 GW, soll durch die Spannungsregelung ausgeglichen werden.
The dual three-phase permanent magnet synchronous motors (DTP-PMSMs) are suitable in aircraft electric propulsion unit (EPU) application because of their good reliability and fault-tolerant capability. However, this fault-tolerant capability can get weakened or even eliminated in short circuit fault due to the influence of flux coupling between the two isolated three-phase sub-systems. In this paper, a mathematical model of DTP-PMSMs with different mutual inductance between the two sub-systems is developed and analyzed. Based on the model, different short circuit protection methods are discussed and compared. Finally, a simulation of an EPU consisting of a DTP-PMSM, and a simplified constant speed propeller (CSP), is implemented to verify the short circuit behaviors.