Energie und Mobilität
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This paper presents two simulation models for two variants of a large chipper drive used in a paper mill. If a slip ring induction motor is used, the impact of a rotor circuit rheostat with respect to starting behavior and heavy duty load impulses can be examined. Furthermore a speed controlled squirrel cage induction machine will be investigated. The modeling language for both drives is Modelica. The simulation results for both drives are compared and discussed.
This paper presents a physical model of a squirrel cage induction machine with rotor topology. The machine is modeled in Modelica, an object oriented multi physical modeling system. The presented machine model is used to investigate electrical rotor asymmetries in induction machines. For the case of a single broken rotor bar a simulation model is compared with measurement results.
Innovative thermal model for the estimation of permanent magnet and stator winding temperatures
(2012)
In this paper an innovative thermal model for the determination of the temperatures of the permanent magnets and stator windings is presented. This model relies on one temperature sensor located in the stator core of the machine. The estimated stator winding and permanent magnet temperatures are determined by a simplified thermal lumped element network model with only two time constants. Due to the structure of the model and the measured stator core temperature the proposed thermal model is very robust. Distortion of the cooling circuit are inherently sensed such that the model can be used for the online prediction of temperatures. Experimental results based on an interior permanent magnet synchronous machine are presented to validate the presented model.
This paper introduces the new FundemantalWave library which is included in the Modelica Standard Library 3.2. The presented Modelica package provides models and components of rotating electrical three phase machines. The presented electrical machine models are fully compatible with the original Machines library of the electrical domain but rely on the concept of the magnetic potential and magnetic flux fundamental waves. In this article; the connector concept; the components and electric machine models of the FundemantalWave package will be explained. Additionally; the didactic advantages and the flexibility of the proposed package in with respect to considering more enhanced and sophisticated effects will be discussed.
From the rating plate data of an induction motor the nominal efficiency can be determined. Without detailed knowledge of equivalent circuit parameters, partial load behavior cannot be computed. Therefore, a combined calculation and estimation scheme is presented, where the consistent parameters of an equivalent circuit are elaborated, exactly matching the nominal operating point. From these parameters part load efficiencies can be determined.
In this paper a new model for the estimation of the stator winding and rotor cage temperatures of induction machines is presented. This model can be used in series applications of machines operated under dynamic load conditions where stator and rotor temperature shall be monitored. The proposed model relies on a simplified lumped element thermal equivalent circuit model where the stator core temperature serves as input quantity. The great advantage of this model is that it covers ambient and cooling conditions inherently. This leads to great simplicity and robustness. The parametrization and validation of the model through experimental data is presented. Advantages, drawbacks and possible implementations are discussed.
Abstract Electric machine theory and electric machine simulations models are often limited to three phases. Up to the Modelica Standard Libray (MSL) version 3.2 the provided machine models were limited to three phases. Particularly for large industrial drives and for redundancy reasons in electric vehicles and aircrafts multi phase electric machines are demanded. In the MSL 3.2.1 an extension of the existing FundamentalWave library has been performed to cope with phase numbers greater than or equal to three. The developed machine models are fully incorporating the multi phase electric; magnetic; rotational and thermal domain. In this publication the theoretical background of the machines models; Modelica implementation details; the parametrization of the models and simulation examples are presented.
In the literature, the effects caused by a single or several adjacently broken rotor bars, or a broken end ring are thoroughly investigated. The phenomenon of various nonadjacently broken rotor bars has not been studied so far in detail. Since nonadjacently broken rotor bars may give rise to fault signatures, which are not directly related with the fault extent, it is important to understand the nature of multiple electrical rotor asymmetries in induction machines. The purpose of this paper is thus to investigate several combinations of electrical rotor asymmetries, to systematically elaborate the phenomena related to the broken bars and end rings. In this paper, a sophisticated simulation model and measurement results are used to analyze the phenomenon rotor fault.
For a totally enclosed fan-cooled induction machine, two methods of numerical analysis are compared with measurements. The first numerical method is based on computational fluid dynamics (CFDs) and the second one uses a thermal equivalent circuit (TEC). For the analysis based on CFD, a 3-D induction machine including housing is modeled. The numeric solution of the flow equations is determined for stationary temperature distributions. For the TEC, a discretized one-and-a-half-dimensional model of the induction machine is considered. With the TEC model, stationary and transient operating conditions can be simulated. Measurement results are determined by iron-copper-nickel sensors embedded in the stator winding and the housing, as well as by an IR sensor for measuring the rotor temperature. With these measurement signals, stationary and transient operating conditions can be analyzed. For stationary operating conditions, additionally, the housing temperatures are determined by an IR camera. The investigated simulation and measurement methods reveal different local and global temperatures, and thus, only certain aspects and characteristics of the obtained temperatures can be compared. Nevertheless, certain conclusions can be drawn from comparing these aspects considering the actual restrictions of each of the applied methods.
From the rating plate data of an induction motor the nominal efficiency can be determined. Without detailed knowledge of equivalent circuit parameters, partial load behavior cannot be computed. Therefore, a combined calculation and estimation scheme is presented, where the consistent parameters of an equivalent circuit are elaborated, exactly matching the nominal operating point. From these parameters part load
efficiencies can be determined.
A Practical Thermal Model for the Estimation of Permanent Magnet and Stator Winding Temperatures
(2014)
A thermal model for the determination of the temperatures of interior permanent magnets and stator windings is presented in this paper. The innovation of the model relies on one temperature sensor being located in the stator core of the machine. Such sensor is simple to implement in many applications such as traction or EV, where reliability is critical. The estimated stator winding and permanent magnet temperatures are determined by a simplified thermal lumped element network model with only two time constants. It is shown that the proposed thermal model is very robust due to the structure of the model and the measured stator core temperature. The distortion of the temperature estimates caused by the cooling circuit is inherently accounted for such that the model can be used for robust online prediction of temperatures. Experimental results based on a forced water-cooled interior permanent magnet synchronous machine setup are presented to validate the effectiveness of the presented model.
A Parametrization Scheme for High Performance Thermal Models of Electric Machines using Modelica
(2012)
Thermal models offer great advantages for enhancement of design, protection and control of electric machines. Detailed thermal models take a great number of time constants into account and provide accurate prediction of the temperatures. However, to parameterize such models detailed geometric data are needed. Whenever such detailed information is not available, or the performance of the detailed models is not satisfying, simplified thermal models as described in this paper are advantageous. The calculation of parameters is described in detail, in order to achieve best accordance with temperatures obtained from measurements or from simulations with detailed thermal models. Thermal resistances are calculated from end temperatures of a test run with constant load (and known losses). Thermal capacitances are obtained using optimization to minimize deviation of simulated and measured temperatures during the whole test run. The thermal model of an asynchronous induction machine with squirrel cage is coupled with an electrical model of the drive. For validation, simulation results of an optimally parameterized simplified model are compared with temperatures obtained by simulation of a detailed thermal model, which in turn has been validated against measurement results, both for continuous duty S1 and intermittent duty S6 (6 minutes no-load followed by 4 minutes of 140% nominal load). The deviations are not more than 4 K which is quite satisfying.
Entwicklung eines Experimentalsystems zur Validierung adaptiver Regelungen mit einem OEM-Steuergerät
(2014)
Im Rahmen des Kooperationsprojektes "ACES" (Integrated Adaption of Linear Controllers for Embedded Systems) ist ein Prüfstand zur Validierung adaptiver Regelungen entwickelt und aufgebaut worden, der das dynamische Verhalten eines Kfz-Antriebstrangs aufweist. Ziel ist es, verschiedene Adaptionsverfahren auf ihre Einsetzbarkeit in OEM-Steuergeräten, die im Automotive-Bereich auf breiter Basis verwendet werden, kostengünstig testen zu können. Das Problem der aktiven Schwingungsdämpfung in Kfz-Antriebssträngen mit unbekannten und veränderlichen mechanischen Parametern stellt eine Pilotanwendung dar. Ein leicht anpassbarer mechanischer Prüfstand dient hierbei als vereinfachtes Modell eines Antriebstrangs. Dieser ist Bestandteil eitles Experimentalsystems mit einer informationstechnischen Architektur, die einen Betrieb engebetteter Regelungssysteme auf verschiedenen Plattformen gestattet. Das flexible mechanische und informationstechnische Design des Experimentalsystems gestattet die Variation von Parametern der zu regelnden Applikation durch leicht austauschbare mechanische Komponenten und gezielte Einbringung von Störgrößen. Zudem kann die Berechnung der Regelungsarchitektur auf einem Industrie-PC oder einem Steuergerät erfolgen. Weitere Vorteile des entwickelten Experimentalsystems sind die Berücksichtigung von Effekten, die aus dem Verhalten realer Sensoren und der CAN-basierten Signalübertragung entstehen. Insbesondere der Einfluss von Wortbreite und Latenz übertragener Signale auf die Adaption von Regelungen kann mit Hilfe des vorgestellten Experimentalsystems eingehend untersucht werden.
Bei Ottomotoren mit Direkteinspritzung besteht beim Kaltstart, den Warmlaufphasen und auch durch den Einfluss anderer Parameter wie z. B. des Einspritzzeitpunkts oder des Einspritzdrucks die Problematik, dass Kraftstoff an die Zylinderlaufbahn aufgetragen wird und sich mit dem Motoröl vermischen kann. Eine Verstärkung dieses Kraftstoffauftrags ist unter anderem der Verschiebung der Motorbetriebspunkte zu höheren Mitteldrücken und damit einem Wirkungsgrad optimaleren Betrieb geschuldet. Eine Veränderung der physikalischen und chemischen Eigenschaften des Motoröls durch die Verdünnung mit Kraftstoff ist die Folge. Durch die Verringerung der Viskosität des Motoröls kann es zu einer verminderten Schmierwirkung des Öls kommen, die im schlimmsten Fall zur Schädigung des Motors führt. Existierende Offline-Analysemethoden die zeitintensive Laboranalysen nach sich ziehen, als auch Online-Messverfahren die nicht den technischen Anforderungen hinsichtlich Genauigkeit und einer kurzen Messdauer entsprechen, stellen aktuell die einzigen Messmethoden zur Bestimmung der Schmierölverdünnung dar. Durch neue Entwicklungstrends bei Ottomotoren ist es jedoch unbedingt notwendig, die Mechanismen des Kraftstoffein- und -austrags in das und aus dem Motoröl genauer zu untersuchen. Mit der an der OTH Regensburg neu entwickelten Messtechnik wurde eine Vorgehensweise erarbeitet, mit der die zeitlichen Verläufe des Kraftstoffein- und -austragsverhaltens bei Ottomotoren quantitativ in kurzer Zeit bestimmt und optimiert werden können.
Especially at cold start and the warm-up operation GDI engines have an issue with oil dilution. Parameters such as injection timing and injection pressure impact the entry of fuel in the engine oil as well. With the adjustment of engine operating points to higher mean effective pressures resulting in downsizing concepts also an additional increase of fuel entry occurs. Fuel gets into the oil pan and is mixed with the engine oil so that the physical and chemical properties of the engine oil are changed. With the reduction of engine oil viscosity due to fuel entry a reduced lubricating effect can be caused. In the worst case damage to the engine occurs, To determine oil dilution online and offline measurement methods exist. A rather long analysis time in the laboratory is a disadvantage of the offline methods. Online methods are not correlating with technical requirements in terms of accuracy and a short measurement time. New trends in the development of gasoline engines require investigations of fuel in oil sorption and desorption processes. A new measurement technique which is developed at the OTH Regensburg enables to determine quantitative fuel in oil sorption and desorption processes. With this technique a procedure was generated to measure the oil dilution at gasoline engines and optimize them in a short time.
Beitrag und Praesentationsmaterial eines Vortrags ueber differenzierende Kohlenwasserstoffanalytik im Dieselabgas bei verschiedenen Motorbetriebszustaenden. Mit einem neu entwickelten, hochgenauen HC-Sensor werden unverbrannte HC im Abgas untersucht. Die differenzierende Untersuchung erfolgt an einem Massenspektrometer, das mit chemischer Ionisation arbeitet. Die Molekuele Ethin, Ethen und Propen wurden gezielt betrachtet. Es zeigt sich, dass bei kalten Betriebsbedingungen diese drei Komponenten etwa die Haelfte der gesamten HC Konzentration ergeben. Ein weiterer Punkt ist die Regeneration des Dieselpartikelfilters.
In future energy systems with high shares of fluctuating renewable energy generation, electricity storage will become increasingly important for the utilization of surplus energy. The Power-to-Gas (PtG) technology is one promising option for solving the challenge of long-term electricity storage and is theoretically able to ease situations of grid congestion at the same time. This article presents the perspectives of PtG in an 85% renewable energy scenario for Germany, quantifying an economic optimum for the PtG capacity as well as an optimized spatial PtG deployment.
Differenzierte Kohlenwasserstoffanalytik im Dieselabgas bei verschiedenen Motorbetriebszuständen
(2014)
Die für Dieselfahrzeuge gesetzlich vorgeschriebenen Grenzwerte bezüglich der Schadstoffkomponenten Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid können nur durch den Einsatz eines Diesel-Oxidationskatalysators erfüllt werden. Um erhöhte Emissionen infolge eines geschädigten Katalysators zu vermeiden, gilt es, dieses abgasrelevante Bauteil auch während des Betriebes zu überwachen. Die zukünftigen gesetzlichen Anforderungen an die Überwachung erfordern ein Verfahren das eine zuverlässige und hochgenaue Diagnose zulässt. Deshalb entwickelt eine Forschungsgemeinschaft aus Industrieunternehmen und Hochschulen einen neuartigen Kohlenwasserstoffsensor zur hochgenauen Analyse von unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Abgasstrang. Hierfür ist die Kohlenwasserstoffzusammensetzung des Dieselabgases bei verschiedenen Motorbetriebszuständen zu ermitteln. Zur differenzierten Untersuchung der Kohlenwasserstoffkomponenten wurde in der Arbeit ein Massenspektrometer eingesetzt, das mit chemischer Ionisation arbeitet. Anhand eines Abgasscreenings konnte eine Reihe von Kohlenwasserstoffen (Alkane, Alkene, Alkine, Alkadiene und aromatische Kohlenwasserstoffe) identifiziert werden, die typisch für das Dieselabgas stehen. Die Moleküle Ethin, Ethen und Propen wurden gezielt betrachtet. Die Ergebnisse zeigen, dass bei kalten Betriebsbedingungen diese drei Komponenten etwa die Hälfte der Gesamtkohlenwasserstoffkonzentration ergeben. Ein weiterer Punkt der Untersuchungen war die Diesel-Partikelfilter-Regeneration. Wie erwartet, lassen sich Kohlenwasserstoffmoleküle mit höheren Massen feststellen, die auf unverbrannten Dieselkraftstoff zurückzuführen sind. Anhand der Ergebnisse zeigte sich.dass sich das mit chemischer Ionisation arbeitende Massenspektrometer hervorragend für ein Abgasscreening eignet. Zahlreiche Kohlenwasserstoffe konnten identifiziert werden, die repräsentativ für das Dieselabgas stehen. Es sollten Moleküle bei verschiedenen Motorbetriebsbedingungen untersucht werden, die einen möglichst großen Anteil an der Gesamtkohlenwasserstoffkonzentration besitzen. Die Auswahl fiel aufgrund der gemessenen Massenspektren, vor und nach dem Diesel-Oxidationskatalysator, auf die Komponenten Ethin, Ethen und Propen. Zudem kann bei diesen Molekülen eine Masseninterferenz mit anderen Abgaskomponenten ausgeschlossen werden. Im unteren Teillastbereich und kaltem Motor machen diese Kohlenwasserstoffe bis zu 50%, gemittelt über alle Messstellen vor, im und nach dem Diesel-Oxidationskatalysator, der Gesamtkohlenwasserstoffkonzentration aus. Bei betriebswarmem Motor reduziert sich ihr Anteil auf ein Drittel Die höchste Konzentration unter den drei Komponenten besitzt dabei Propen. Mit steigendem Drehmoment nimmt der Anteil dieser drei Komponenten fortlaufend ab,was dafür spricht, dass Moleküle mit höheren Massen einen höheren Anteil einnehmen. Die Kohlenwasserstoff-Emissionen bewegen sich bei diesen Motorbetriebspunkten mit betriebswarmem Katalysator jedoch bereits bei sehr niedrigen Werten. Während der untersuchten Diesel-Partikelfilter-Regeneration mit späten Nacheinspritzungen zur Abgastemperaturerhöhung lassen sich Moleküle mit höheren Massen nachweisen. Diese sind typisch für die Reinkomponente Dieselkraftstoff. Der Anteil von Ethin, Ethen und Propen an der THC-Konzentration beträgt dann ca. 40%.