Elektrische Maschinen

Fokus des Forschungsgebietes ist die Auslegung und Optimierung Rotierender Elektrischer Maschinen.

Zentraler Bestandteil der Arbeiten bilden analytische Rechenmodelle zur Durchführung eines  Grobentwurfs. Mit Hilfe numerischer Simulationen werden simultan zum Grobentwurf Feinheiten des Maschinendesgins untersucht. Mündet eine Entwicklungsstufe des Maschinendesigns in einem Prototyp werden dessen elektrischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften am eigenen Maschinenprüfstand erfasst und die Berechnungen validiert.

Die magnetischen Eigenschaften der eingesetzten Materialien werden für die Auswahl und Berechnung der elektrischen Maschinen an einem eigenen Prüfplatz bestimmt. Neben der Forschung an herkömmlicher Maschinendesigns wie Asynchronmaschine oder Permanenterregte Synchronmaschine werden wieder in den Fokus gerückte Maschinenkonzepte wie Reluktanzmaschine, Kaskadenmaschine, Mehrphasenmaschine oder „Flux-switching“ Maschinen näher untersucht. 

Mechatronische Systeme

Modellierung und energetische Bilanzierung und Optimierung des gesamten Antriebssystems von der Energieeinspeisung bis zum Arbeitsprozess.

Mittels einer übergreifenden und ganzheitlichen Optimierung wird eine höhere Systemeffizienz erreicht, die durch die klassische Betrachtung von Wirkungsgrad-Bestpunkten der einzelnen Komponenten nicht realisierbar ist.

Dabei werden neue Verfahren zur Modellbildung und Simulation sowohl des elektrischen Antriebsstranges, als auch der Einspeisung und Arbeitsmaschine bzw. mechatronischen Anlage eingesetzt. Daraus leiten sich durch analytische und numerische Optimierung neue Kriterien bzw. Algorithmen für die Auslegung, den Betrieb und die Regelung der Gesamtsysteme ab.

Ebenso können auf Basis dieser Modelle die relevanten Kenngrößen des realen Systems durch eine Parameteridentifikation  ermittelt und für die Anpassung des optimalen Betriebs genutzt werden.

Aufgaben / Beispiele:
Der Energiebedarf eines Aufzugantriebs lässt sich durch Rückspeisung um bis zu 25 % reduzieren. Die Energieausbeute eines Kleinwasser-Kraftwerks lässt sich durch einen optimierten  direktangetriebenen und drehzahlvariablen Wasserkraftgenerator um 20 – 25 % steigern. Pumpenantriebe können mittels einer modellbasierten Zustandsüberwachung wirkungsgradoptimal betrieben werden und bei Teillastbetrieb ca. 50 % der Antriebsenergie einsparen. 

Modellbasierte Systemoptimierung

Modellbildung und Simulation des elektrischen Antriebsstrangs, Entwicklung von robusten Ansteuerkonzepten, modellbasierte Gesamtsystemoptimierung

Erklärtes Ziel der Forschung ist es, einerseits Energieeinsparungspotentiale und Dynamikverbesserungen durch optimale Ansteuerung mittels der modellbasierten prädiktiven Regelung (MPC) bei elektrischen Antrieben aufzuzeigen und andererseits nachgelagerte Systeme (z.B. Pumpen) ohne zusätzliche Sensorik im idealen Betriebspunkt zu betreiben. Des Weiteren sollen vorteilhafte Eigenschaften herausgearbeitet werden, die sich aus der Kombination von Modellbildung und der Gesamtsystembetrachtung ergeben.  

Die modellbasierte prädiktive Regelung wird in der chemischen Prozessindustrie schon seit mehreren Jahrzehnten erfolgreich eingesetzt. Die Anwendung auf Systeme der Leistungselektronik und Antriebstechnik ist aufgrund der hohen Abtastraten und des daraus resultierenden hohen Rechenleistungsbedarfs dagegen neu und Gegenstand aktueller Forschung. Es ist vor allem wichtig, weitere Verbesserungen in der Modellbildung unter der Berücksichtigung realistischer Annahmen zu erzielen. Dies impliziert anwendungsnahe Forschung, welche die in der Theorie erarbeiteten intelligenten Regelungs- und Beobachtermodelle nutzt, den Übergang in die Anwendung durchführt und die Potentiale und Grenzen aufzeigt.

Die detaillierte Modellierung des zu regelnden Systems stellt einen zentralen Bestandteil der modellbasierten prädiktiven Regelung und Systemoptimierung dar, hier kann auf Forschungsergebnisse des Instituts zurückgegriffen werden. Insbesondere die bereits verifizierten Verlustmodelle verschiedener Maschinentypen aus vorherigen Forschungsprojekten finden hier Anwendung. So wird es möglich, die Betriebsverluste in das Gütekriterium der modellprädiktiven Regelung mit aufzunehmen und gezielt zu minimieren. Neben den Maschinenmodellen sind auch Modelle des Umrichters in verschiedenen Detaillierungsstufen vorhanden, mit deren Einsatz die Reduzierung der Umrichterverluste in den Leistungshalbleitern anwendungsnah erprobt wird. Die Modellierung der vollständigen Regelstrecke berücksichtigt hierbei auch mechanisch gekoppelte Systeme wie z.B. Pumpensysteme. Hierdurch kann ohne zusätzliche Sensorik eine Druck- oder Durchflussregelung erfolgen.

Leistungselektronik

Aufgabe der Leistungselektronik ist es, elektrische Energie mit hoher Effizienz in die von unterschiedlichsten Anwendungen und Verbrauchern jeweils benötigte Form umzuwandeln und den Leistungsfluss zu steuern.

Die elektrische Leistung erstreckt sich dabei über einen sehr weiten Bereich von typischerweise weniger als einem Watt bei Spannungsreglern in der Kommunikationselektronik bis hin zu mehreren Gigawatt bei Anlagen zur Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ). Als Bindeglied zwischen der Energietechnik und der Informationstechnik stellt sie deshalb eine Basis- oder Querschnittstechnologie dar. Aufgrund der hohen erreichbaren Wirkungsgrade und der großen Flexibilität wird sich die Bedeutung der Leistungselektronik vor allem in elektrischen Energienetzen in den kommenden Jahren noch deutlich verstärken. 

Embedded Systems

Moderne Regelungsalgorithmen für elektrische Antriebssysteme, wie z.B. die modellprädiktive Regelung, benötigen eine hohe Rechenleistung. Die Schnittstelle zwischen der Leistungselektronik und den entwickelten Regelungsverfahren bilden Berechnungsplattformen, typischerweise Mikrocontroller.

Diese messen Istwerte, berechnen die Regelung in Echtzeit und generieren Schaltsignale für die Leistungselektronik. Zusätzlich zu Mikrocontrollern gewinnen moderne System-ona-Chip Plattformen („SoC“) immer stärker an Bedeutung. Diese kombinieren Mikrocontroller und FPGA (Field Programmable Gate Array) in einem Chip. Durch die Kombination von FPGA und Mikrocontroller kann die Berechnung komplexer Algorithmen deutlich beschleunigt werden. Somit ist es möglich, Echtzeitanforderungen zu erfüllen, die vor wenigen Jahren nicht realisiert werden konnten. Entwickelte Regelungs- und Ansteuerkonzepte für Leistungselektronik und Antriebssysteme werden von Berechnungsplattformen in Echtzeit ausgeführt. Moderne Berechnungsplattformen ermöglichen den Einsatz perfomanter, rechenintensiver Regelungsverfahren.