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Alle Arbeiten können grundsätzlich auch als Forschungsmaster durchgeführt werden.
Forschungsmaster im Rahmen eines Forschungsvorhabens - Elektrische Antriebstechnik
Innovative energieeffiziente Antriebe mit Mehrphasenmaschinen
Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die Beschreibung allgemeingültiger Berechnungsansätze für mehrsträngige Induktionsmaschinen sowie geeignete Ansteuerkonzepte und -verfahren von Standardindustrieumrichtern, mit denen mehrphasige Induktionsantriebe methodisch ausgelegt und optimiert werden können um somit die hohen Anforderungen für den Einsatz der Antriebe in industrieller Umgebung erfüllen zu können.
Im Rahmen eines kooperativen Forschungsprojektes mit dem Industriepartner Afag GmbH soll die modellbasierte prädiktive Regelung (MPC) auf mechatronische Schwingförderer angewandt werden. Hierbei soll die Simulationsumgebung MATLAB/Simulink für die Modell- bildung und Evaluierung der Regelung genutzt werden, welche als Grundlage für eine reale Anwendung dient. Ziel ist der Wissenstransfer von Forschung zur Industrie.
- Modellierung von elektrischen und mechanischen Regelstrecken- Entwurf von Regelalgorithmen (Simulation und Experimentell)- Programmieren von Echtzeitsystemen mittels RCP- Ansteuerung von realen Antriebssystemen
Für die Entwicklung dieses neuartigen Ansteuerkonzepts muss das Schaltverhalten verschiedener IGBT und SiC-MOSFET-Generationen analysiert werden. Als Basis für die Kurzschlusserkennung soll beispielsweise der Verlauf der Gate-Spannung und des Gate-Stroms dienen. Für diese Untersuchungen ist der aktuell aufgebaute Schaltversuchsstand passend zu erweitern.
- Einarbeitung in das Schaltverhalten von IGBTs (bzw. SiC-MOSFETs), „Kennenlernen“ des aktuellen Workflows
- Durchführen von Schaltversuchen mit dem bisherigen Aufbau
- Aufbau und Vermessung einer Lastinduk-tivität mit mehreren Abgriffen für den Versuchsstand
- Teil-Automatisierung des Prüfstands mit MATLAB oder LabView
- Durchführung der Charakterisierung ei-nes Leistungshalbleiters mit geändertem Aufbau
- Dokumentation
- Grundlegendes Verständnis von IGBTs/ MOSFETs und deren Ansteuerung
- Erfahrungen mit MATLAB/Simulink sind wünschenswert
- Grundkenntnisse in der Programmiersprache C bzw. C++ sind von Vorteil
- Eigenständiges und zielgerichtetes Arbeiten
Umfeld der Arbeit:
Die kostengünstige und robuste Asynchronmaschine ist im industriellen Bereich in sehr vielen Anwendungen anzutreffen - von wenigen Kilowatt bis in den Megawattbereich. Aus Gründen der Effizienz und der günstigen Leistungselektronik, ist in den letzten Jahrzehnten ein Trend, weg vom Netzbetrieb und hin zum Umrichterbetrieb, zu erkennen. Zudem ist der Stand der Technik, Motoren direkt mit der Lastmaschine auf einen gemeinsamen Fundamentrahmen zu montieren und dem Kunden als kosteneffizientes Gesamtprodukt anzubieten. Durch die produktspezifischen Eigenschaften, zusammen mit den Elastizitäten des gewählten Fundaments beim Kunden, müssen aufgrund des Schwingungsverhaltens Drehzahlbereiche gesperrt werden. Ein, in den Grundzügen, bereits entwickeltes aktives System soll es ermöglichen, Motoren bei Drehzahlen zu betreiben, die aufgrund von Schwingungsresonanzen normalerweise nicht angefahren werden dürfen. Das am Institut ELSYS entwickelte Aktuatorsystem sitzt zwischen einem elastischen Strahlrahmenfundament und einem 2-poligen Asynchronmotor, welcher über einen Frequenzumrichter in seiner Drehzahl frei geregelt werden kann.
Themenbeschreibung:
Für eine bestmöglich Simulation und je nach Regelverfahren, ist eine genaues Modell des zu regelnden Systems sinnvoll bis unabdingbar. Bei überschaubar Systemgröße ist ein analytisches Modell noch händelbar. Bei größeren Modellen sind die Systemmatrizen meist nicht mehr überschaubar, sodass man sich u.a. FE-Programme zu nutze macht um an die gesuchten Systemmatrizen zu gelangen.
So ist das Ziel der Arbeit eine einfache, wenn möglich automatisierte, Kopplung für die Modellübertragung zwischen den beiden Programmen Ansys und Matlab/Simulink herzustellen und in letzterem ein Zustandsraummodell zu erstellen und zu analysieren / validieren.
Aufgaben & Ziele in Stichpunkten
Anforderungen !?
Und was ist für mich drin?
(Sie sind motiviert und am Thema interessiert, aber die Aufgaben/Anforderungen stimmen nicht vollends mit Ihren Interessen/Fähigkeiten überein? Kontaktieren Sie uns per Mail!)
Das vorhandene Aktuatorsystem wird mittels eines Entwicklungsboard (TMS320F28379D) von Texas Instruments und einem analogen Leistungsteil geregelt, sodass die mechanischen Schwingungen des Motors stark reduziert werden.Zum Zweck der Evaluierung soll, auf Basis eines vorhandenen Regelungskonzeptes, ein analoger Regler nebst Leistungsteil (kann evtl. übernommen werden) entworfen werden. Hierbei sollen der Regler und Leistungsteil auf die Rückführgröße entsprechend so reagieren, dass Stellglieder (bipolare Voice-Coils / Tauschspulenaktuatoren) die mechanischen Schwingungen des Motors reduzieren
Das vorhandene Aktuatorsystem wird mittels eines Entwicklungsboards (TMS320F28379D) von Texas Instruments und einem analogen Leistungsteil geregelt, sodass die mecha-nischen Schwingungen des Motors bereits stark reduziert werden können.
Zum Zweck der Evaluierung soll ein Leistungs-teil entworfen werden, welches das, vom µC er-rechnete PWM-Stellgröße, verstärkt und somit die elektrodynamischen Aktuatoren (bipolare Voice-Coils / Tauchspulenaktuatoren) antreiben kann.
Für verschiedene Untersuchungen ist es nötig, dem System über die Wellenenden des Motors verschiedene Unwuchtanregungen vorgeben zu können. Hierfür sollen Bauteile entwickelt werden, mit deren Hilfe es möglich ist, die ge-wünschten Unwuchtanregungen ins System einzukoppeln, um zum Bespiel eine statische und oder eine Momentenunwucht zu erzeugen bzw. zu simulieren.
Beschreibung:
Um den Wirkungsgrad permanenterregter Synchronmaschinen (PMSM) zu erhöhen, werden diese immer weiter im Grenzbereich betrieben. Hierbei besteht die Gefahr, dass die Permanentmagnete im Rotor über ihrer zulässigen Maximaltemperatur betrieben werden und dauerhaft entmagnetisieren. Daher ist eine Bestimmung der Magnettemperatur im laufenden Betrieb wünschenswert. Daher soll in dieser Abschlussarbeit eine faseroptische Lösung erarbeitet werden, über welche die Messdaten mittels eines optischen Drehübertragers, unbeeinflusst von den umgebenden Feldern störungsfrei aus dem Rotor zum Statorgehäuse übertragen werden können. Zudem muss die Sensorleiterplatte im laufenden Betrieb mit Energie versorgt werden. Auch hierzu ist eine faseroptische Lösung wünschenswert. Im Idealfall wird für Energieversorgung und Datenrückkanal dieselbe Faser verwendet (Halbduplex). In diesem Fall kann ein einfacher „on-axis“ Drehübertrager mit Polymerfasern (POF) aufgebaut werden. Durch den großen Kerndurchmesser von POF ist ein derartiger Drehübertrager mit einer einfachen und robusten Optik denkbar.
Aufgaben:
Ziele:
Thema des 3-semestrigen M-APR-Projekts:
Erforschung und Erprobung von Reinforcement Learning zur Regelung von elektrischen Antrieben.
Einbindung in übergeordnetes aFuE-Projekt, Laufzeit, Projektart:
Die Themenstellung ist in das Forschungsprojekt „KIRA“ eingebunden, in dem neuartige Regelverfahren für die elektrische Antriebstechnik untersucht werden. Das Projekt an der TH Nürnberg wird durch das Bayerische Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie mit ca. 240 T€ gefördert. Projektlaufzeit: 01.01.2021 – 31.6.2022. Zu bearbeiten ab SoSe 2021.
Übergeordnetes Projekt:
Ziel des Vorhabens „KIRA“ ist die Reduzierung der Schwingungsbelastung von elektrischen Antrieben durch neuartige Regelverfahren. Hierzu werden Regelverfahren auf Basis von Reinforcement Learning erforscht und erprobt.
Die Aufgabenstellung sieht die Erforschung und Erprobung von Verfahren aus dem Bereich des Reinforcement Learning für die Regelung von elektrischen Antrieben vor.
Schwerpunkte:
Das Thema ist in die folgenden Teilaspekte gegliedert:
Anforderungen:
Abschluss als:
Vorteilhaft folgende Vertiefungen / praktische Erfahrungen / Kenntnisse etc.:
Erforschung und Erprobung von intelligenten Regelungsverfahren für Antriebe im industriellen Umfeld (Industrie 4.0).
Neue Ansteuerkonzepte für Antriebe und leistungs-
elektronische Systeme (z.B. Netzeinspeisung, Batteriesysteme, usw.) ermöglichen im Rahmen des Gedankens von Industrie 4.0 einen energieeffizienteren Betrieb sowie eine „online“ Diagnose. Weiterhin können sekundäre Regelziele wie eine reduzierte Schwingungsbelastung der Maschinen realisiert werden. Neben dem Ansteuerkonzept werden auch leistungs-elektronische Schaltungen entworfen, welche einen modularen und miniaturisierten Betrieb dieser Systeme ermöglicht. Das Thema ist in ein internes Projekt angebunden, die diese Ansteuerkonzepte erforscht. Zu bearbeiten ab SoSe 2021.
Die Aufgabenstellung sieht die Erforschung und Erprobung von Verfahren zur Ansteuerung von Antrieben und leistungselektronischen Systemen vor.
Entwicklung von elektronischen Schaltungen sowie von FPGA-Designs für eine moderne Berechnungsplattform (UltraZohm).
Die Themenstellung ist in das Projekt KI-Power eingebunden. Im Rahmen von KI-Power wird eine heterogene Berechnungsplattform für leistungs-
elektronische Systeme auf Basis von Xilinx UltraScale+ erforscht. Das Projekt wird vom BMBF mit ca. 1,5 Mio. € gefördert. Projektlaufzeit bis 6/2023. Zu bearbeiten ab SoSe 2021.
Die Aufgabenstellung sieht die Entwicklung von elektronischen Schaltungen (PCB-Design) sowie die Entwicklung von IP-Cores (FPGA) vor.
Abschluss als:
Vorteilhaft folgende Vertiefungen / praktische Erfahrungen / Kenntnisse etc.
Entwicklung, Erprobung und Verifikation von regelungstechnischen Maßnahmen zur Reduktion der Schwingungsbelastung von elektrischen Antrieben.
Entwicklung, Erprobung und Verifikation von konventionellen Verfahren auf Basis der feldorientierten Regelung zur Reduktion der Schwingungsbelastung von elektrischen Antrieben. Ziel ist der Aufbau eines Referenzverfahrens zur Schwingungsreduktion.
Vorteilhaft folgende Vertiefungen / praktische Erfahrungen / Kenntnisse etc.:
Bachelorabschlussarbeit – Elektrische Maschinen und Anlagen
Technoökologische Optimierung einer MikroRankine-Anlage
In der Bundesrepublik Deutschland existieren 9.105 (Stand 2016) Kläranlagen. Der bei der Klärung anfallende Klärschlamm wird dabei entweder stofflich oder thermisch verwertet. Bevor der Klärschlamm thermisch genutzt werden kann, wird er in Faultürme weitergeleitet, wo Mikroorganismen diesen in ein Klärgas (Biomethan) umwandeln. Dieses Faulgas wird anschließend einem Gasmotor zugeführt und verbrannt. Dabei treibt der Gasmotor die Welle eines Generators an. Gemäß dem Gesetz der Kraft-Wärme-Kopplung entstehen bei diesem Prozess elektrische und thermische Energie. Um einen Teil der entstehenden thermischen Energie (Wärme) in elektrischen Strom umzuwandeln, wurde bei der Stadtentwässerung und Umweltanalytik Nürnberg (SUN) eine Mikro-Dampfturbinenanlage als Pilotanlage, mit einer elektrischen Leistung von 40kW, aufgebaut. Aktuell werden ca. 20-25 Prozent der erzeugten elektrischen Leistung für den Eigenverbrauch der Anlage und deren Komponenten wie zum Beispiel Ventile, Pumpen, Wechselrichter etc. verwendet.
Bachelor/Masterarbeit (BA/MA) – Elektrische Antriebstechnik
Modellbasierte Prädiktive Regelung (MPC)
Im Rahmen des Forschungsprojektes EnCN2 soll die modellbasierte prädiktive Regelung (MPC) auf Mehrphasenmaschinen angewandt werden. Mehrphasige elektrische Antriebssysteme erhalten zunehmend Aufmerksamkeit im Bereich anwendungsnaher Forschung aufgrund der erhöhten Ausfallsicherheit und Drehmomentdichte. Die modellprädiktive Regelung bietet hierbei die ideale Grundlage für die Ansteuerung und Optimierung der komplexen und nichtlinearen Regelstrecke. Mit Hilfe der Simulationsumgebung MATLAB/Simulink soll hierbei die Modellbildung und Evaluierung der Regelung durchgeführt werden, welche als Grundlage für eine experimentelle Evaluierung dient.
Im Rahmen des Forschungsprojektes EnCN2 soll die modellbasierte prädiktive Regelung (MPC) in Bezug auf die vorteilhafte Ansteuerung von elektrischen Antriebssystemen untersucht werden.Die modellprädiktive Regelung erhält zunehmend Aufmerksamkeit im Bereich anwendungsnaher Forschung aufgrund der flexiblen Anwendung sowie der vorrauschauenden Optimierung der Stellgrößenwahl. MPC bietet prinzipbedingt die ideale Grundlage für die Ansteuerung und Optimierung von komplexen und nichtlinearen Regelstrecken. Mit Hilfe der Simulationsumgebung MATLAB/Simulink soll hierbei die Modellbildung und Evaluierung der Regelung erfolgen, sowie als Grundlage für eine experimentelle Evaluierung dienen. Die genannte Abschlussarbeit soll in enger Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Bernhard Wagner, aus dem Bereich Regelungstechnik, erfolgen.
Mit über 8.600 Mitarbeitern ist AVL das weltweit größte unabhängige Unternehmen für die Entwicklung von Antriebssystemen (Verbrennungsmotoren, Hybrid Systeme, elektrische Antriebe) sowie Simulation und Prüftechnik für PKW, LKW und Schiffsmotoren
Modellbasierte Motorregelung mit Single-Shunt Strom-Messung
Im Bereich der Motorregelung spielt der wirtschaftliche Druck, hochperformante Systeme zu immer günstigeren Preisen anbieten zu können, schon immer eine große Rolle. Daher wird häufig versucht, Funktionalität von Hardware-Bausteinen in Software zu verlagern. In dieser Arbeit sollen Ansätze untersucht werden, um einen dreiphasigen Motor mit einem einzigen Stromsensor statt den üblichen zwei oder drei Sensoren zu betreiben und zu regeln („Single-Shunt Strommessung).
Forschungsmaster - Elektrische Antriebstechnik
Intelligente Antriebstechnik für Industrie 4.0
Neue Ansteuerkonzepte für Antriebe und leistungselektronische Systeme (z.B. Netzeinspeisung, Batteriesysteme, usw.) ermöglichen im Rahmen des Gedankens von Industrie 4.0 einen energieeffizienteren Betrieb sowie eine „online“ Diagnose. Diese Diagnose kann Aufschluss über den Zustand des Systems geben (Temperatur, Verschleiß, Lagerschaden, usw.).
Eines der vielversprechendsten neuen Ansteuerkonzepte ist die Modell Prädiktive Regelung (MPC), welche ein reges Interesse aus dem industriellen Umfeld erfährt.
Projekt-/Bachelor-/Masterarbeit
Ladestation für Elektrofahrzeuge mit einstellbarem Ladestrom
Über das Pilotsignal soll der Ladestrom vorgegeben werden. Im ersten Schritt wird ein kommerziell erhältliches Steuergerät untersucht. Anschließend soll das Pilotsignal über einen Linux-Controller erzeugt und an das Fahrzeug ausgegeben werden.
Bachelor/Masterarbeit (BA/MA) – Elektrische Antriebe
Mechanische und thermische Auslegung von elektrischen Maschinen
Ziel der Abschlussarbeit ist die Entwicklung eines mechanisch- / thermischen Modells einer elektrischen Maschine um diese Effekte bei der Auslegung berücksichtigen zu können. Ihre Aufgabe ist die Kopplung der elektromagnetische Feldrechnung an die numerische Simulationen für Strukturmechanik und Temperaturfelder (mit ANSYS Workbench). Weiterhin überführen Sie die Erkenntnisse der numerischen Simulation in ein ver-einfachtes, analytisches Ersatzmodell. Die entstandenen Modelle validieren Sie mess-technisch an Prototypen- bzw. Serienmaschinen.
Im Rahmen des Forschungsprojektes BlauPower soll ein hocheffizientes und kostengünstiges System für Kleinwasserkraftwerke entwickelt werden. Stand der Technik wird eine Asynchronmaschine (ASM) als Generator eingesetzt, die über ein Getriebe vom Wasserrad angetrieben wird und direkt ins Netz einspeist. Aufgrund dieses Aufbaues muss die Drehzahl am Wasserrad immer konstant sein. Dies führt zu Teilweise schlechten Betriebspunkten des Wasserrades.
Um das Wasserrad effizienter zu betreiben soll ein drehzahlvariables System eingesetzt werden. Somit muss ein Frequenzumrichter zwischen Generator und Netz eingesetzt werden. Da zusätzlich auf ein Getriebe verzichtet werden soll wird als Generator eine Transversalflussmaschine (TFM), die bei kleinen Drehzahlen und großen Drehmomenten vergleichsweise effizient ist, eingesetzt.
Die Netzeinspeisung sowie die Verwendung einer TFM stellen spezielle Anforderungen an den verwendeten Frequenzumrichter.
Für diesen Anwendungszweck soll im Rahmen einer Abschlussarbeit ein Frequenzumrichter aus-gelegt, aufgebaut und in Betrieb genommen werden.
Die Einsatzmöglichkeiten von 3D-Druckern im Be-reich der Entwicklung von elektrischen Maschinen soll im Rahmen einer Projektarbeit untersucht werden.
Themabeschreibung:
Durch den Einsatz von ferromagnetischen Fila-ment ist es möglich, Teile von elektrischen Ma-schinen mittels 3D-Druch herzustellen.
Mit dieser Fertigungsmethode ist es möglich kostengünstige Prototypen anzufertigen um beispielsweise innovative Maschinenkonzepte zu untersuchen.
Ihre Aufgabe wird es sein, solche Prototypen her-zustellen und dabei die Grenzen des ferromagnetischen 3D-Drucks zu ermitteln.
Bacheloerarbeit
Wirtschaftlich/Technische Analyse der Kaskadenmaschine
Da die Kaskadenmaschine eine sehr innovative Art von Elektromotor bzw. -generator ist, gibt es noch sehr wenig Betrachtungen zur Wirtschaftlichkeit eines Systems mit der Kaskadenmaschine.Die Aufgabenstellung der Bachelorarbeit umfasst die Analyse von gängigen Antriebssystemen auf Basis von permanenterregten Synchronmaschinen und Asynchronmaschinen, sowie eine ausführliche Analyse eines Systems mit Kaskadenmaschine. Dabei sollen sowohl technische, als vor allem auch wirtschaftliche Aspekte berücksichtigt werden.
Energieeffizienz Studie für ELSYS / GPE
Untersuchung der Energieverbräuche, Installation der Messtechnik, Verknüpfung der Daten und Auswertung. Identifikation von Einsparpotenzialen und Umsetzungsplänen.
Untersuchung verschiedene Verfahren zur integrierten Spannungsmesstechnik für Stromrichter
Potenzialgebundene und isolierte Übertragungstechnik. Untersuchung des Frequenzverhaltens, Genauigkeit und Störfestigkeit.
Reduzierter Frequenzumrichter für eine Kaskadenmaschine
Im aktuellen Stand des Forschungsprojekts der Kaskadenmaschine wird ein vorhandener Frequenzumrichter verwendet, dessen Leistung und Baugröße deutlich größer als nötig ist. Aufgabe der Bachelorarbeit ist es, den aktuellen Stand aufzunehmen und eine an die Leistung angepasste Version zu entwerfen, aufzubauen und in Betrieb zu nehmen. Zur Erprobung steht der vorhandene Prototyp der Kaskadenmaschine zur Verfügung. Die Herausforderung ist, ein robustes, kleines System zu entwickeln, welches sich im Idealfall direkt auf die Maschine montieren lässt.
Projekt-/Bachelor-/Masterarbeit - Microcontroller, DSP
Farbdisplay auf Basis organischer LED an Microchip PIC 18 Controller betreiben
Anwendungsgebiet: Smart Home ApplicationErstellen von grundlegenden Funktionsbibliotheken zur Initialisierung und zum Darstellen von Objekten auf dem Display.
Vergleich Energieverbrauch zu Standard-LCD Technik anhand eines vorhandenen kleinen Displays. Entwicklung einer Beispielapplikation zur Darstellung von Temperaturen und Betriebszustände.
Analogausgänge auf 4 Kanälen für PIC 18 Board für Stellantriebe
Hardwareentwicklung PWM oder DAC Komponenten an µC anbinden.Software Module / Objekte zur Ausgabe der analogen Spannungen.
Powerline Module für DC Netze
Module vorhanden. Inbetriebname, Untersuchung und Quantifizierung der Störfestigkeit der Übertragung auf DC Netze im Spannungsbereich ca. 400V bis 800V
3D-Darstellung von DSP Boards in Eagle
Anlegen der Bibliotheken für unsere Projekte (DSP Plattformboards)
Projekt-/Bachelor-/Masterarbeit - Leistungselektronik
Simulationstool für thermische Auslegung von Kühlsystemen für Leitungsteile
Für luft- und wassergekühlte Stromrichter soll ein Tool erstellt werden zur 3D Simulation der Temperaturen an den Halbleitern und Kühlkörpern. Zunächst sollen die physikalischen Zusammenhänge untersucht werden und geeignete Modell erstellt werden. Diese Modelle sollen so vereinfacht werden, dass mithilfe einer Beschreibung des Aufbaus und der Komponenten eine vereinfachte Berechnung in einer Tabellenkalkulation (z.B. Excel) durchgeführt werden kann.
Exemplarisch sollen die Funktionsfähigkeit und die Genauigkeit an Beispielen überprüft werden.
Aufbau eines IGBT Stromrichters für das Praktikum Leistungselektronik
Zwei-dreiphasige Stromrichterbrücken sollen mit einer DSP Steuerung verbunden werden und als Kompaktaufbau nach Vorgaben und Schaltplänen erstellt werden.Baugruppe, Schaltpläne und Software sind vorhanden.
Langzeitverhalten von IGBT Modulen
Untersuchung der elektrischen und mechanischen Eigenschaften von bereits gealterten IGBT Modulen. Es sollen darauf Erkenntnisse über Schädigungsmechanismen und Degradation der Verbindungstechnik gewonnen werden. Diese sollen mit bereits von anderen Instituten veröffentlichten Untersuchungen verglichen werden.
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