FG Leistungselektronik und Antriebssysteme
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Durch den Einsatz eines elektrischen Mehrmotorenantriebs können mechanische Komponenten, wie Getriebe und Differential, durch eine übergeordnete Steuerung ersetzt werden. In dieser Arbeit werden die Grundlagen zur Untersuchung eines solchen Fahrzeugantriebs an einem Laborversuchsstand geschaffen. Durch eine speziell ausgelegte übergeordnete Steuerung wird die experimentelle Untersuchung verschiedener Algorithmen für Fahrsicherheitssysteme und deren Funktion ermöglicht. Zum Einsatz kommen Axialflussmaschinen deren Bauform einen Einsatz als Radnabenmotor erlauben. Durch eine Anordnung von Belastungsmaschinen an der Antriebsachse erfolgt die Vorgabe realitätsnaher Belastungszustände und –profile. Vorteil gegenüber einem direkten Einbau und Funktionstest in einem Kraftfahrzeug ist die Möglichkeit das Fahrverhalten auch in kritischen Fahrsituationen untersuchen zu können. Das ganze ist ohne Gefährdung der Umgebung kostengünstig möglich.
Der computergestützte Entwurf neuer elektrischer Maschinen verkürzt die notwendigen Entwicklungszeiten deutlich. Numerische Verfahren ermöglichen die Berechnung komplizierter, wirklichkeitsnaher Maschinenmodelle. Unter Einbeziehung nichtlinearer Materialeigenschaften ist die exakte Modellierung dynamischer Vorgänge sowie die schnelle Optimierung der Maschinendaten entsprechend der jeweiligen Zielparameter möglich. Somit können auch bei kleinen zu fertigenden Stückzahlen genau auf die jeweilige Anwendung zugeschnittene Antriebssysteme mit vertretbarem Aufwand entwickelt werden. Der in dieser Arbeit untersuchte Permanent-Magnet-Motor (PMM) ist eine mehrpolige Sonderbauform der permanentmagneterregten Synchronmaschine, der als drehzahlvariabler, getriebeloser Direktantrieb eingesetzt wird. Er hat einen guten Wirkungsgrad und ist in der Lage, sehr große Drehmomente pro Volumeneinheit bei geringer Drehzahl abzugeben. Die erarbeiteten Maschinenmodelle dienen als Grundlage für weiterführende Untersuchungen, besonders hinsichtlich der weiteren Reduzierung von Rast- und Pendelmomenten und der präziseren Steuerbarkeit.
Die zukunftsorientierte Umgestaltung eines herkömmlichen Fahrzeugantriebes in mehrere Elektroantriebe ist eine Möglichkeit aus der Vielzahl von Antriebsvarianten für Elektrofahrzeuge. Ein modernes elektrisches Antriebssystem ist aus einem Elektromotor, einen Stromrichter und einer übergeordneten Steuerung zusammengesetzt. Diese Erneuerung der Antriebskonzeption für den Einsatz in Kraftfahrzeugen bildet den Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit. Ausgehend von den fahrzeugtechnischen Grundgleichungen werden programmierbare Strukturen und Algorithmen erarbeitet, die die Steuerung von zwei einzeln angetriebenen Rädern ermöglichen. Zur tiefgreifenden Untersuchungen der fahrzeugspezifischen Zusammenhänge und zur Erprobungen des neuartigen Antriebssystems wird ein Laborversuchsstand errichtet. Der Aufbau und die Gestaltung dieses Versuchsstandes für elektrische Fahrzeugantriebe erfolgt mit handelsüblichen Geräten.
Die derzeit verfügbaren Modelle zur Simulation von transienten Vorgängen in Asynchronlinearmaschinen sind entweder zu ungenau, zu angepasst oder zu langsam. Weder die Analyse des Antriebes mit der Finite-Elemente-Methode noch die Anwendung von herkömmlichen Zweiachsmodellen spiegeln die Vorgänge in der Maschine ausreichend wider. Die Entwicklung eines mathematischen Modells, welches die genannten Nachteile nicht aufweist, ist Gegenstand dieser Arbeit. Ausgehend von einem dreiphasigen Modell werden die Differentialgleichungen und die Bewegungsgleichung des Antriebes aufgestellt und am Beispiel eines Wirbelströmläufers Hinweise zur Parametrierung des Modells gegeben. Es erfolgt ein Vergleich zwischen Rechnung, FEMAnalyse und Messung am Beispiel eines konkreten Motors.
In the last years, energy prices for German households have been increasing constantly. Some reasons for that include: the dependency of Germany on external fossil fuels to supply its energy demand, the decision to invest in renewable energy generation and to shut down all its nuclear power plants. Nowadays households are already able to generate energy on-site, however the generation potential depends on climatic conditions as well as the specific location and the type of the building. The aim of this work is to evaluate whether a community of new efficient single-family houses can generate enough energy on-site to supply its electricity and heating demand over the year based on renewable energy sources and with the support of energy storage systems, including electric vehicles. The theoretical community is situated in the city of Cottbus, Germany. For this community, an electricity load profile was designed based on the use of common devices and separated in controllable and uncontrollable loads. Electricity is generated on-site through photovoltaic panels and small wind turbines, and the electricity generation potential is evaluated based on the community’s available space, which is rather limited, and the actual regulations in the State of Brandenburg. A comparison of the available technologies to supply the heating demand as well as to store energy in the household sector is presented and discussed. It is assumed that each household has an electric vehicle that can be charged and also discharged in the community as an extra energy storage system. A software simulation system was designed with which an energy balance analysis is carried out based on hourly values of supply and demand. Under the assumptions taken for this study, the results of the simulation show that the community is able to generate more energy than consumed throughout a year, however in a few occasions there is not enough energy available to supply the community’s energy demand. Water can be heated up to 70°C at least once a week preventing the bacterium Legionella to grow. The community is able to supply 99% of the uncontrollable load group demand and 97% of the controllable load group demand. There is enough energy available to heat space during the cold months, if heat pumps with a coefficient of performance greater than two are used. The electric vehicles can be charged using the energy generated in the community via grid or extra battery banks. If energy prices continue to increase, German households will try to find solutions to reduce their energy bills. The integration of several households forming a community network is a solution that optimizes the energy use and space (especially taking wind turbines in consideration), and reduces investments. However, the implementation of such a community still depends on the availability of space, improvement and price reduction of energy storage systems, regulations for energy exchange as well as willingness of the people living in such a community to adapt their daily routine according to the availability of energy.
Auf ausgewählten Gebieten der elektrischen Antriebstechnik ist der Einsatz kompakter Gleichstrommaschinen mit hohen Leistungsdichten notwendig. Bedingt durch hohe Frequenzen und Flussdichten stellen dabei die Eisenverluste selbst unter Verwendung hochwertiger Elektrobleche zwangsläufig einen signifikanten Anteil an den Gesamtverlusten dar. Die Bestimmung der Eisenverluste erfordert demzufolge häufig die Anwendung experimenteller Verfahren, die den Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit bilden. Durch eine sinnvolle Verbindung der numerischen Magnetfeldberechnung mit der Messung an geeigneten Messobjekten werden Eisenverluste in zwei Versuchsmaschinen mit neuartigen Statorwerkstoffen bestimmt. Dabei werden die auftretenden Magnetisierungsbedingungen sowie der Einfluss des Fertigungsverfahrens berücksichtigt. Zusätzlich wird durch grundlegende Untersuchungen der Beitrag der axialen Magnetisierung des Blechpaketes zu den Eisenverlusten ermittelt. Die erzielten Ergebnisse werden schließlich durch Versuchsstandsmessungen verifiziert.
In der 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. 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 sind synthetische 110-kV-Verteilernetze, die vorgelagerte Höchst- und nachgelagerte Mittelspannungsnetzmodelle beinhalten.
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.
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.
Steuerverfahren für Stromrichter basieren heute fast ausschließlich auf dem Prinzip der Raumzeigermodulation. Durch die Transformation des Dreiphasensystems in die Zwei-Komponenten-Ebene geht der Anteil verloren, der auf den drei Leitern gleichzeitig liegt. Daher weisen diese Steuerverfahren immer eine Gleichkomponente auf, deren Wert ständig wechselt. Bei dem hier vorgestellten Verfahren der Raumvektormodulation wird das Drehstromsystem nicht wie im Zeigermodell durch drei ebene 120°-Komponenten gebildet, sondern als räumliche Anordnung betrachtet. Dabei stehen die drei Achsen orthogonal aufeinander. Der durch Addition aller Komponenten entstehende Raumvektor bewegt sich in diesem Raumkoordinatensystem, wobei die Ausdehnung in z-Richtung der zu minimierenden Gleichkomponente entspricht. Die Kommutierungsverhältnisse sind im Matrixconverter komplizierter als beim Zwischenkreisumrichter. Außerdem ist eine völlig fehlerfreie Erfassung der Führungsgröße an den Sektorgrenzen nicht möglich. Mit dem neuen Verfahren können diese kritischen Bereiche gefahrlos um jeweils 30° überschritten werden.