Ausgabe 2003 - Fachgebiet Leistungselektronik und Elektrische ...

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LEAiD - Newsletter Vol. 2 - März -2003 leiter schlagen negativ zu Buche, wenn sie mit anderen 2- pulsigen Topologien verglichen werden. Zusätzlich verursachen die Verbindungen zwischen der Sekundärseite des Transformators und der Drosselspulen - besonders bei hohen Ausgangsströmen - hohe ohmsche Verluste. Von den diskreten Komponenten, Bild 1 (a), mit drei Kernen, drei Hochstromwicklungen und fünf Hochstromverbindungen erhält man durch Integration der drei Kerne und der Sekundärwicklung des Transformators mit den Spulen eine einzige integrierte Komponente, siehe Bild 1 (b), mit einem Kern, zwei Hochstromwicklungen und drei Hochstromverbindungen. Durch Aufteilung der Primärwicklungen auf die zwei Außenschenkel des Magnetkerns und die enge Kopplung mit den Sekundärwicklungen können Streuinduktivitäten zwischen Primär- und Sekundärwicklungen, die eine zusätzliche Spannungsbeanspruchung der Halbleiter verursachen, drastisch reduziert werden. Schließlich wird die Polarität eines Wicklungssatzes geändert, was zur Änderung der Richtung des magnetischen Flusses führt. Der Fluss im Mittelschenkel ist dann die Summe der Flüsse in den Außenschenkeln. Die Luftspalte in den Außenschenkeln werden in den Mittelschenkel verlegt, um somit die Kernkosten weiter zu reduzieren und die EMI auf die anderen Schaltungsbauteile zu vermindern. Die resultierende Aufhebung der Flusswelligkeit im Mittelschenkel führt zu einer Verminderung der Kernverluste. Durch diese Transformationen werden Volumen, Kosten sowie die Verluste sowohl des Kerns als auch der Wicklungen reduziert. Diese integrierten Komponenten werden in planarer Bauform gefertigt, um die Vorteile wie flaches Profil, gesteuerte Streuinduktivität und reproduzierbare Herstellbarkeit zu nutzen. Nach Analyse und Modellbildung diser Bauteile wurde eine Entwurfsprozedur aufgestellt, gefolgt von einer Betrachtung der Optimierung der Kerngröße und der Wicklungen, unter Einbindung der Luftspalteeffekte auf Induktivitäten und Koppelfaktoren. Die Induktivitätsmatrix der integrierten Komponente werden sowohl analytisch als auch numerisch berechnet und zeigen gute Übereinstimmung mit der Messung, siehe unten. Eine 300nH Filterspule für einen DC-DC- Wandler (48V /1.6V- 15A), der mit einer Schaltfrequenz von 200kHz betrieben wird, ist in Bild 2 dargestellt. a) L ⎡ 431 ⎢ 533 = ⎢ 24.82 ⎢⎣ 24.22 533 433 25.15 21.82 24.82 25.15 1.3 0.98 24.22⎤ 21.82⎥ 0.98 ⎥ 1.28 ⎥⎦ p _ meas ⎢ ⎥ µ H b) Bild 1: (a) Diskrete und (b) integrierte magnetische Komponenten L ⎡ 435 ⎢ 435 = ⎢ 21.75 ⎢⎣ 21.75 435 435 21.75 21.75 21.75 21.75 1.236 0.939 21.75⎤ 21.75⎥ 0.939 ⎥ 1.236⎥⎦ p _ analyt ⎢ ⎥ µ Im Rahmen weiterer Untersuchungen werden dielektrische Kern- und Wicklungsverluste und die Temperaturerhöhung vorhergesagt. Darüber hinaus wird die Integration eines Eingangsfilters untersucht. H Bild 2: Aufbau der magnetischen Komponenten (a) und (b) Neues aus der Paderborner Bahntechnik B. Yang, A. Pottharst und B. Schulz Universität Paderborn, LEA Seit dem letzten LEAiD - Newsletter hat sich in der "Neuen Bahntechnik Paderborn" (NBP) schon einiges bewegt. Die Versuchsstrecke ist zwar noch nicht ganz fertig gestellt, jedoch sind die Fortschritte bei dem Aufbau der Strecke beachtlich. So sind die Arbeiten am elektrischen Teil der Strecke sowie die Arbeiten am Gleisweg abgeschlossen. Lediglich die Leitwarte, aus der schon bald die Shuttles und die Strecke gesteuert werden, ist noch nicht bezugsfertig. Auch der Aufbau des ersten Shuttles schreitet mit gro- - 4 -
LEAiD - Newsletter Vol. 2 - März -2003 ßen Schritten voran. So ist inzwischen der Rohbau des Shuttles komplett (s. Bild 1). Die Informationsverarbeitung, bestehend aus einem Industrie-PC und einem Echtzeitsystem, ist als zentrale Einheit betriebsbereit. Das Gleiche gilt auch für das Leistungsteil, das Bordnetz, die Kommunikationseinrichtungen sowie dem Großteil der Mechanik bzw. Hydraulik, bei dem unsere Projektpartner aus dem Mechatronik Laboratorium Paderborn (MLaP) die Federführung übernommen haben. und eine passive Reaktionsschiene montiert. Der Läufer und die Reaktionsschiene bilden eine Linear-Asynchronmaschine nach dem Kurzstator-Linearmotorprinzip. Der Läufer wird zum Kurzstator und das Motorprinzip kehrt sich um. Es werden aufbauend auf Untersuchungen zur feldorientierten Regelung und zum Direkt Torque Control verschiedene Regelkonzepte ( lineare Regelung und Slidingmode-Regelung) am Kurzstator-Linearmotor untersucht und durchgeführt. Neben den bereits im letzten Newsletter beschriebenen Forschungsschwerpunkten der Übertragung und der Speicherung der Bordenergie, in Langzeit(Akku)- und Kurzzeitspeicher(Supercaps), zeichnen sich schon jetzt eine Vielzahl von interessanten neuen Betätigungsfeldern ab. Diese Betätigungsfelder liegen sowohl im Bereich der Sicherheits- und Leittechnik als auch im Bereich der klassischen antriebstechnischen Reglungstechnik und natürlich nicht zuletzt in der Leistungselektronik. Daher stellt das NBP-Projekt für LEA auch in Zukunft ein sehr lohnendes Projekt mit hohem Forschungspotential dar. Bild 1: Aufbau des Shuttles Wenn die Arbeitsfortschritte weiter planmäßig verlaufen, dann können wir beim nächsten LEAiD Symposium bereits eine Vorführung der Bahntechnik gehen. Doch bevor es soweit ist, sind noch diverse Arbeitspakete zu erledigen. Als ein besonders interessantes Arbeitspaket hat sich die Ansteuerung der Umrichter herausgestellt. Entlang der Versuchsstrecke werden 84, über CAN-Bus vernetzte, Umrichter im Einsatz sein (s. Bild 2). Die Strom- und Frequenzsollwerte für die einzelnen Umrichter sollen über zwei redundante Funkkanäle vom Shuttle zur Leittechnik übertragen werden. Dabei spielt nicht nur die Datensicherheit eine große Rolle, sondern auch die Synchronität zwischen dem Echtzeitsystem im Shuttle und dem System, das die streckenseitige Leittechnik darstellt. Denn nur wenn dem Echtzeitsystem im Shuttle exakt bekannt ist, wann die von ihm vorgegebenen Sollwerte an der Strecke eingestellt sind, können die verschiedenen Shuttleregelkreise, z.B. für Geschwindigkeit oder Energiefluss, zuverlässig arbeiten. In der streckenseitigen Leittechnik wird an Hand der aktuellen Position und Geschwindigkeit des Shuttles entschieden, welche Streckenabschnitte bzw. Umrichter zu bestromen sind. Bei der Übergabe der Sollwerte über den CAN-Bus an die einzelnen Umrichter ist es von besonderer Bedeutung, dass die zu aktivierenden Umrichter synchron und zeitrichtig die Sollwerte übernehmen. Denn nur so ist es möglich, dass die ständig fortschreitende Magnetisierungswelle an den Stoßstellen der Statorabschnitte stetig ist. Dies ist jedoch für ein ruckfreies Fahren des Shuttles zwingend erforderlich. Im Weichenbereich wird auf Statorelemente verzichtet Bild 2: Inenansicht einer Schwerpunktstation Für weiterführende Informationen: http://www-nbp.upb.de http://www.sfb614.de LEA-Aktivitäten im Bereich Piezosysteme C. Kauczor und T. Schulte Universität Paderborn, LEA Piezoelektrische Aktoren finden sich bereits in zahlreichen Anwendungen in Forschung und industrieller Praxis. So werden sie z. B. zur Feinpositionierung oder Unterstützung von Bearbeitungsprozessen durch Ultraschall eingesetzt. Da gleich mehrere Arbeitsgruppen an der Universität Pa- - 5 -
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