Überblick Institut für Antriebssysteme und

Transcrição

Leibniz-Universität Hannover
Institut für Antriebssysteme und Leistungselektronik
Einführung
Aktueller Überblick über die Universität:
9 Fakultäten
ca. 23.000 Studenten
ca. 300 Professoren
ca. 1200 wissenschaftliche Mitarbeiter
ca. 90 Mio. € eingeworbene Drittmittel p. a.
Fakultät für Elektrotechnik und Informatik
16 Institute in den Bereichen Elektrotechnik, Informationstechnik und Informatik
ca. 850 St
Studenten
d t iin d
den El
Elektrotechnik-Studiengängen
kt t h ik St di
ä
28 Fachgebiete mit 41 Professoren
Forschungsschwerpunkte:
Informations- und Nachrichtentechnik (5 Lehrstühle)
Elektrische Energietechnik (5 Lehrstühle)
Mikroelektronik (5 Lehrstühle)
Automatisierungstechnik (3 Lehrstühle)
Info matik (9 Lehrstühle)
Informatik
Leh stühle)
Fakultätsübergreifende Zusammenarbeit:
Mechatronik-Zentrum Hannover mit FB Maschinenbau
Laboratorium für Informationstechnologie
Laboratorium für Nano- und Quantenengineering
1
11/2013 – Ponick / Mertens
Ins
stitut
Institut für Antriebssysteme und
Leistungselektronik
2

Lage im Universitäts-Hauptgebäude
(Welfenschloss)

2 aktive Professoren
3 Oberingenieure
ca. 40 wissenschaftliche Mitarbeiter
4 technische Mitarbeiter
4 Sekretärinnen (Teilzeit)

Gesamtfläche 1440m²
ca 750m
ca.
750m² Labore
300m² Werkstatt und Lager
350m² Büros

ca. 2,1Mio
ca
2 1Mio € Drittmittel
(2011)

Gegründet 1924 (1884)
2000-2006
2000
2006 vollständig
modernisiert
L
Lehre
Lehrveranstaltungen
Vorlesungen im Grundstudium :
Grundlagen der elektromagnetischen Energiewandlung (Ponick, 3. Sem.)
Elektrische
Elekt ische Ant
Antriebstechnik
iebstechnik I+II (Mertens,
(M t
für
fü Mechatronik
M h t ik 3.-4.
3 4 Sem.
S
und
d Maschinenbau)
M hi
b )
Datenverarbeitungssysteme (Mertens, für Mechatronik 3. Semester und Maschinenbau)
Vorlesungen im Hauptstudium:
Leistungselektronik I+II (Mertens)

Regelung elektrischer Maschinen (Mertens)
L i t
Leistungshalbleiter
h lbl it und
d Ansteuerungen
A t
(M t )
(Mertens)
Elektrische Antriebssysteme (Ponick)
Berechnung elektrischer Maschinen (Ponick)
El kt i h KleinElektrische
Kl i und
d Servoantriebe
S
t i b (Ponick, auch für TU Braunschweig)
Elektronisch betriebene Kleinmaschinen (Ponick)
Dynamische Regelantriebe (Prof. Huth, TU Kaiserslautern)
Elektrische Bahnen (Dr. Hofstätter, Siemens AG)
Oberstufenlaboratorien:
10
Elektrische Maschinen (Ponick)
Leistungselektronik (Mertens)
Antriebssysteme (Ponick, Mertens)
Forrschung und Dien
nstleistun
ngen
Forschung und Dienstleistungen

•
•
•
•

12
Messungen von
transienten Verläufen
Wellenspannungen
Geräuschen
elektrische Größen
an elektrischen Maschinen, Antrieben und
Leistungselektronik im Institutslabor oder vor Ort
Berechnungen und Simulationen zu allen
Arten von elektrotechnischen Fragen im
Zusammenhang mit Maschinen, Antrieben und
Leistungselektronik
Erstellung oder Erweiterung von
Spezialsoftware nach Kundenwunsch
Schadensforschung und Beratung im
Zusammenhang mit Schadensfällen
Wissenschaftliche Bearbeitung
umfangreicherer
f
i h
P
Projekte
j kt im
i Rahmen
R h
von
Studien-, Diplom- und Doktorarbeiten
Ausstatttung
Laborausstattung
Elektrische Leistung:
Maximale Einspeiseleistung 850 kVA, 50 Hz
Bis zu 400 kVA bei 400 V, 50 Hz
Gleichspannungen bis zu 440 V, 200 A
Analoge Leistungsverstärker bis zu 30 kVA, 30 kHz
Mittelspannungslabor für Leistungselektronik
Kühlwasseranlage von 0 bis 80°C Vorlauf, 10kW
M
Messtechnik:
h ik
13

Div. mehrkanalige Speicheroszilloskope
(bis 2 GS/s)

Frequenzanalysatoren, auch zweikanalig,
für elektrische Signale oder Geräusche

Leistungsanalysatoren (bis 2 MHz)

Datenlogger bis zu 80 Kanälen

PC-Messtechnik
Forsch
hung
Forschungsrating Elektrotechnik des Wissenschaftsrates
RWTH Aachen und FhG-ISE Freiburg
Leibniz Universität Hannover
Dresden,, Karlsruhe,, München
31 bewertete Bereiche
3,2% entspricht 1 Bereich
15
Aus: Wissenschaftsrat Drs.1372-11, Köln, 15.6.2011: Ergebnisse
des Forschungsratings Elektrotechnik und Informationstechnik, S.35
Forsch
hung
Spezialsoftware (Eigenentwicklungen)

Berechnungsprogramme für verschiedene Maschinenarten (Gleichstrom-, Synchron- und
Induktionsmaschinen):
Berechnung des stationären Betriebsverhaltens
Simulation des transienten Verhaltens
Berechnung ...
... des Feldspektrums im Luftspalt
… der Stromverteilung im Dämpferkäfig
… der Spannungskurvenform
… von Pendelmomenten im stationären Betrieb
… des asynchronen Anlaufs (inkl. Erwärmung)
… der optimalen Wickelkopfabsteifung
… von Wellenspannungen
… zusätzlicher Verluste bei Stromrichterspeisung
… magnetisch
g
erregter
g
Geräusche in Drehfeldmaschinen
… der Stromverdrängung in Mehrphasenwicklungen
… torsions- und biegekritischer Drehzahlen
Spezialsoftware für verschiedene Arten von Kleinmaschinen
7.5
i1a
/ I1N
0.0
-15.0
Kup
pplungsmom. 2 / MN
10.0

-7.5
0.00
0.50
1.00
1.50
t [s]
[ ]
5.0
0.0
-5.0
0.00
16
0.50
1.00
1.50
2.00
t [s]
2.00
Forsch
hung
Berechnungsverfahren für elektrische Maschinen

Weiterentwicklung der analytischen Berechnungssoftware

g und Weiterentwicklung
g der Finite-Elemente-Software FEMAG in
Betreuung
Kooperation mit Prof. Reichert (ETH-Z)
- Entwicklung einer parameterbasierten Schnittstelle für Geometrien
- Entwicklung einer Schnittstelle für Ergebnisdaten
- Entwicklung eines transienten Moduls

Entwicklung kombinierter analytischnumerischer Berechnungsverfahren
q
Up
jXd Is
jXd Id
Usi
jXq Iq
Uq
ψ
jXσwiko Is
δi
Us
δ
d
ϕ
Id
Ud
Iq
Is
17
Forsch
hung
Integration numerischer und analytischer
Berechnungsverfahren für elektrische Maschinen
19
Forsch
hung
Antriebssysteme und Leistungselektronik:
Antriebe in Kraftfahrzeugen
22
Motorkonzepte:
Erarbeitung und vergleichende Bewertung von
E t
Entwurfsalternativen
f lt
ti
Konzeptvergleiche, z. B. hochdrehende, über
Getriebe angebundene Motoren versus
langsamlaufende Direktantriebe (gefördert durch
FVA)
Stromrichterkonzepte:
g von Potentialen und Grenzen neuer
Bewertung
Leistungshalbleitermaterialien für
Traktionsantriebe im Kfz (gefördert durch FVA)
Versuche zur Aufbau- u. Verbindungstechnik
Systembetrachtungen:
Wirkungsgradoptimale Speisung
Thermisch optimierte Speisung
Minimierung parasitärer Effekte (Geräusch,
Zusatzverluste ...)
Hilfsantriebe:
Stellantriebe
St ll t i b ohne
h Lagegeber
L
b
PM-Kommutatormotoren / bürstenlose Motoren
Forsch
hung
FEM-basierte Simulation und Antriebsregelung
Automatisierte Identifikation der Maschinenparameter via FEMSoftware
Analytische Modellierung permanenterregter Synchronmaschinen im
Zeitbereich
Quantifizierung der Rotorverluste und Drehmomentqualität bei
Umrichterspeisung auch im dynamischen Betrieb
Kombination von FEM-Simulationen und Antriebsregelung
-5
x 10
10
9.5
/H
8.5
Lastmoment / Nm
Moment
i_b / A
L
1d
d
i_a / A
10
9
i_c / A
8
i_a (ist) / A
0
7.5
u_a / V
20
40
7
-100
-50
0
Winkel ψ (U ,I ) / °el
50
P 1
80
100
100
u_a / V
i_b (ist) / A
60
Statorstrom I1 / A eff
i_dq / A
Winkelgeschw indigkeit / rad/s
Drehzahl / 1/min
i_c (ist) / A
u_b / V
Rotorw inkel / rad (elektrisch)
u_b / V
Motormoment / Nm
u_c / V
Verluste Rotor / W
Delta / rad
Drehzahl (ist) / 1/min
3000
Drehzahl (soll) / 1/min
-5
x 10
Drehzahl
10
Scope 1
Regelung
u_c / V
Scope 2
Verluste Ständer / W
Permanenterregte Synchronmaschine
C-Code
Scope 3
9.8
9.4
L
1q
/H
9.6
9.2
0
9
28
8.8
-100
20
40
-50
60
0
Winkel ψ (U ,I ) / °el
P 1
80
50
100
100
Statorstrom I / A
1
eff
Forsch
hung
Vorausberechnung von Magnetgeräuschen
Aufgabe:

Vergleich rein analytischer und rein numerischer Berechnungsverfahren
für Magnetgeräusche auch für umrichtergespeiste elektrische Maschinen

Erarbeitung kombinierter, zeiteffizienter Berechnungsverfahren
Resultate:
29

Analytische Berechnung des Luftspaltfelds für beliebige Betriebszustände

Analytische Berechnung der Radialzugspannungen

Neuartiges Verfahren zur Berechnung der mechanischen
Schwingungsanregungen bei beliebigen
Maschinengeometrien auf Basis von
Modalwertmatrix aus FEM-Modell

Ähnliche Genauigkeit wie bei rein numerischem
A
Ansatz
t bei
b i nur 1/1000 der
d Berechnungsdauer
B
h
d
Forsch
hung
ForWind project: Probabilistic safety assessment of
offshore wind turbines
Tasks:
Minimization of the costs for all involved components (grounding,
t
tower,
rotor
t bl
blades,
d
generator,
t
converters…)
t
)
involved: institutes of construction engineering, mechanical engineering
and electrical engineering of Hanover University
IAL-Electrical Machines and Drive
Systems
Projects of IAL
IAL-Power Electronics
33
Forsch
hung
Highly Utilized Electrically Driven Road Vehicles
26

Depending on drive system topologies
•
PMSM as high speed rotor
•
PMSM with concentrated windings

Electromagnetic dimensioning

Thermal modelling

Adaptive control strategies with respect to variable
system parameters (saturation,…)
Forsch
hung
Vorausberechnung von Lagerströmen I
Aufgabe:

Entwicklung eines parameterbasierten
Motor- und Kabelmodels für die
Vorausberechnung von Lagerspannungen
und Lagerströmen

Verbessertes
V
b
t elektrisches
l kt i h Ersatzmodell
E t
d ll für
fü
Wälzlager (IMKT)

Messtechnische Verifikation
Resultate:
37

Hervorragende Korrelation von Berechnung
und Messung sowohl für EDM- als auch für
zirkulare
ik l
L
Lagerströme
tö

Korrekte Vorraussage kritischer
Betriebsbereiche

Experimenteller Nachweis der Riffelbildung
auch durch EDM-Ströme in vierwöchigem
Dauerversuch
Forsch
hung
Sensorlose Regelung von permanenterregten
Synchronmaschinen
Aufgabe

Sensorloser Betrieb auch bei
Schleichdrehzahlen
Vcmd
Vorteile

Verringerung
e
ge u g von
o Kosten
oste u
und
d
Abmessungen
Steigerung der Robustheit
Neue Anwendungen bei extremen
Umgebungsbedingungen (z.
(z B
B. bei
hoher Schwingungsbelastung)
Redundanz
Resultat

40
Sensorless control structure:
ω̂
γˆ
Vu,v,w
iu,v,w
Test results of the implemented sensorless control:
Sensorloser Betrieb auch
bei 1 /min
hervorragende Dynamik
Automatische
Parameteradaption
Forsch
hung
Highly Efficient Converters Using SiC Devices
Task

Design and implementation of highly
efficient encapsulated inverter without any
moving parts
Demonstrate increase in power level and
power density when using SiC power
devices (active switches and diodes)
Results

Tool HeCSiC for calculation of convection
cooled 2-level inverters
Demonstrator of 10 kW converter with 4,2l
total volume, 2,4 l heat sink volume,
without any fans
Next step

41
Investigation
g
of output
p filter options
p
to
mitigate extremely high dV/dt at the
output terminals
Forsch
hung
Elektromagnetische Mikroantriebe
Mitwirkung an der Entwicklung der kleinsten
Serienantriebe (1,9-mm-Motor und Penny-Motor mit
g g
feinwerktechnischer Fertigung)
12-jährige Grundlagenforschung an mikrotechnisch
gefertigten Antrieben im DFG-Sonderforschungsbereich 516 mit Mikrotechnologen der TU
Braunschweig und der LUH; Ergebnisse u.a.:
ua:
• Mikrolinearmotoren mit passiver Magentlagerung
• Weltweit kleinste PM-Synchronmotoren mit 1 mm
D h
Durchmesser
• Realisierte Motorprinzipien: Synchron-,
geschaltete Reluktanz- und Hybridmotoren
44
Forsch
hung
Modellierung und Verlustberechnung von
leistungselektronischen Schaltungen
47

Simulation mit Simplorer und
Matlab/Simulink

Analytische Berechnung

Einfluss der Steuerverfahren auf
Verluste, Oberschwingungen etc.

Beispiel: Vergleich PWM mit SigmaDelta-Modulation
Forsch
hung
Steuer- und Modulationsverfahren
48

Untersuchung von Steuer- und Modulationsverfahren

wesentlicher Einfluss auf Qualitäts
Qualitäts- und Belastungsdaten
(Stromoberschwingungen, Effektivströme, Verluste)

Methoden: Analytische Berechnungsverfahren, Simulation, Messung

Beispiel: Sigma-Delta-Modulation (SDM)
Forsch
hung
New Topology for AC/AC Multilevel Converters
Task:

Topology for AC/AC conversion with optional inclusion of
energy storage and less modules than M²LC
Results:

“Hexverter” Toplogy with bidirectional modules

Good properties for generator / drive applications including
low frequencies

Challenge of synchronism can be solved

Functional verification of prototype
Next steps:
53

Investigation in asymmetric grids

Fault Ride-Through behaviour
Großprüffstand
GeCoLab –
Generator Umrichter Prüfstand
Generator-Umrichter-Prüfstand
57
Test von Antriebssystemen bis 1,2 MW, Fertigstellung Okt. 2014
G
Grundsät
tzlicher A
Aufbau
Einzelblatttester
58
Einzelblatttester nach IEC 60404-3 mit angepasstem Aufbau (250mm x 250mm)
Zweck: Datenermittlung
g im Bereich von 50 Hz bis 10 kHz und von 0,1
, T bis 2,1
, T
Forsch
hung
Industriepartner / Drittmittelprojekte
59