Leistungselektronik
Ansprechpartner
Prof. Dr.-Ing. Ansgar Ackva
Tel.: 0931-3511-6701
E-Mail: ansgar.ackva[at]fhws.de
Beschreibung
Die Leistungselektronik ist ein Teilgebiet der Elektrotechnik und ermöglicht vor allem die Umformung elektrischer Energie in Bezug auf die Spannungsform, die Höhe von Spannung und Strom sowie deren Frequenz. Die Arbeitsgruppe Leistungselektronik erforscht Möglichkeiten zur Optimierung von leistungselektronischen Systemen, insbesondere durch den Einsatz neuartiger Steuerverfahren für Stromrichter.
Die Arbeitsgruppe ist an beiden Standorten des TTZ, in Bad Neustadt und in Schweinfurt, mit jeweils einem eigenen Labor vertreten. In den Laboren gibt es unterschiedliche Möglichkeiten der Forschung, wie Stromrichter- und Motorprüfstände inkl. der erforderlichen Messtechnik (Strom-, Spannungs- und Leistungsmessung mit unterschiedlichen Leistungsmessgeräten und Datenrekordern).
Kernkompetenzen der Arbeitsgruppe Leistungselektronik:
- Hochdynamische direkte Stromregelung (mit SDHC- und SHC-Verfahren) für Stromrichter (2-, 3- und 5-Level), u.a. SiC-Stromrichter, auf dem FPGA
- Ausnutzung der hohen Dynamik der direkten Stromregelung für zusätzliche Aufgaben wie:
- Parallelschaltung
- Gleichtaktschwingungsdämpfung
- Inselnetzerzeugung
- Virtuelle Filterdämpfung
- Stromrichterprüfstände
- Nachbildung von Motoren
- Aktive Filter
- uvm.
- Digitale Signalverarbeitung im FPGA (SOGI, FFT, PLL, IIR-Filter, FIR-Filter, usw.)
- EMV-Betrachtung von passiven Bauteilen (Spulen, Kabel, Kapazitäten, usw.)
- Impedanzanalyse von Antriebssträngen im Common- und Differentialmode
- Ladesysteme (E-Mobility)
Projekte
GaN4AP - Anwendung neuartiger Leistungshalbleiter
Das Projekt GaN for Advanced Power Applications (GaN4AP) hat das ehrgeizige Ziel, die auf Galliumnitrid (GaN) basierten Halbleiter zum wichtigsten aktiven Leistungshalbleiter zu machen, welche in allen Stromrichtersystemen vorhanden sind, mit der Möglichkeit, Leistungselektroniksysteme mit nahezu null Energieverlust zu entwickeln. Das Projekt wird von der EU im Rahmen des Förderprogramms Horizon 2020 co-finanziert und beinhaltet die Zusammenarbeit von 35 Partnern über sechs Ländern der EU (Deutschland, Frankreich, Italien, Niederlande, Tschechische Republik und Polen). Das Forschungsvorhaben soll die Mikroelektronikkompetenz im Hinblick auf eine breite Digitalisierung stärken, weshalb dieses von der Europäischen Kommission gemeinsam mit Mitgliedsstaaten in der Initiative ECSEL gefördert wird.
Insgesamt soll es ermöglicht werden, eine neue Generation höchsteffizienter und energiesparender Leistungselektroniken auf den Markt zu bringen, wodurch der Energieverbrauch sowie der CO2-Ausstoß erheblich reduziert und damit ein erheblicher Beitrag zur Erreichung der Klimaziele geleistet werden. Das TTZ-EMO trägt dabei zu der Entwicklung eines Stromrichters auf Basis von GaN-Leistungshalbleitern für den Einsatz in industriellen Anwendungen bei.
Mehr Informationen unter:
GaN4AP - Projekt Webseite
CORDIS - Forschungsergebnisse der EU
Parallelschaltung von Stromrichtern zur Leistungserweiterung
In Industrieanlagen sind Stromrichter zu großen Stückzahlen in Schaltschränke eingebaut. Es ist auf eine einfache und schnelle Montage zu achten. Deshalb werden Stromrichterverbände (Mehrachsensysteme) mit Gleichstromschienen miteinander gekoppelt. Das dreiphasige Wechselstromnetz speist diese über rückspeisefähige Netzstromrichtern. Je nach System- bzw. Verbundleistung werden unterschiedliche Baugrößen mit unterschiedlicher Leistung eingesetzt. Industrieanlagen müssen heutzutage flexibel und erweiterbar sein.
Das Forschungsvorhaben greift diesen Trend auf und zielt auf die Entwicklung eines neuartigen, skalierbaren Stromrichters bestehend aus mehreren parallel geschalteten Stromrichtern ab. Die parallelen Stromrichter werden mittels direkter Stromregelung hochdynamisch angesteuert. Eine Kommunikation untereinander findet nicht statt. Jeder Stromrichter arbeitet also autark für sich, was das System maximal flexibel macht. Die zentrale Steuereinheit gibt lediglich Sollgrößen (Lastverteilung) und Freigaben vor.
Technisches Optimieren der gleichstromseitigen Gegentaktstörungsbelastung spannungseinprägender Stromrichter
Im Rahmen der Forschungsarbeiten werden unterschiedliche Ansätze zur Kompensation der Verzerrungsströme, die beim Einsatz spannungseinprägender Stromrichter an deren DC-seitigem Anschlusspunkt entstehen, untersucht und verglichen. Zu den untersuchten Ansätzen zählen spezielle Modulationsverfahren, alternative Stromrichter-Topologien sowie verschiedene passive und aktive Filtermethoden. Im Rahmen des Projektes wird eine Methodik entwickelt, durch deren Einsatz der für den individuellen Anwendungsfall optimale Ansatz ermittelt wird.
Impedanzanalyse in leistungselektronischen Energiesystemen
In leistungselektronischen Energiesystemen entstehen Resonanzfrequenzen. Dadurch können hohe Ströme fließen und im schlimmsten Fall zum Ausfall oder zur Zerstörung von Bauteilen führen. Die Impedanzanalyse bietet die Möglichkeit zu verstehen, wie die Resonanzfrequenzen entstehen und in welchem Bereich sie liegen. Daraufhin können geeignete Schutzmaßnahmen getroffen werden.
FPGA-basiertes Impedanzmessverfahren unter Last
Entwicklung eines eigenen Messsystems basierend auf einem FPGA, welches es erlaubt, Bauteile im interessierenden Frequenzbereich unter Last zu betreiben und gleichzeitig zu vermessen. Es soll damit möglich sein, die frequenzabhängige Impedanz eines Bauteils zu bestimmen und darzustellen.
Ein Beitrag zur Untersuchung der Verluste leistungselektronischer Stromrichter
Heutzutage werden bei der Verwendung von Leistungshalbleitern hohe Sicherheitsfaktoren einberechnet, da die entstehende Verlustleistung nicht exakt berechnet werden kann. So sollen die Halbleiter vor Überhitzung geschützt werden.
Durch Messungen soll die Berechnung der Verlustleistung verbessert werden und so die Leistungsdichte von Leistungsumrichtern erhöht werden.
Untersuchung des dynamischen Verhaltens von Gleichspannungsbordnetzen in Elektrofahrzeugen
Im Rahmen dieses Projektes wird das Hauptaugenmerk auf den DC-Zwischenkreiskondensator von spannungsgeführten Wechselrichtern gelegt. Dahingehend werden zunächst verschiedene Messmethoden erprobt, um das Ersatzschaltbild des Kondensators mit Bauteilwerten zu beschreiben und ggf. zu erweitern. Darauf aufbauend wird ein Simulations-Modell erstellt, das zur Auslegung des Zwischenkreises und für weitergehende Gesamtsystem-Simulationen eingesetzt werden kann.