In kommerziell genutzten Gebäuden mit einer auf Gleichspannung basierenden Energieversorgung finden sich Energiequellen und Lasten auf allen Spannungsebenen. Lokale Energieressourcen wirken hierbei überwiegend unterstützend und nicht versorgend. Die Systemumgebung bewirkt neben der Berücksichtigung beidseitiger Spannungsbänder auch einen hohen Anteil der Geräte in deren Teillastbereich.
In dieser Arbeit werden bewährte Topologien verschiedener Gleichspannungswandler hinsichtlich ihrer Eignung für einen bidirektionalen Leistungstransfer betrachtet. Besonderes Interesse kommt dabei dem Halbbrückenwandler mit aktiv-geklemmter und stromgespeister Gegentaktstufe zuteil. Die analytischen Betrachtungen der Modulationsverfahren werden durch simulations- und messtechnische Verifikationen validiert.
Weiterhin ist eine Betrachtung des Regelverfahrens und -verhaltens im Betrieb als Tiefsetzsteller Bestandteil der Untersuchung. Eine Analyse leitungsgebundener Störungen des Gleichspannungswandlers in tiefsetzende Leistungsflussrichtung und die Analyse des Betriebes als Hochsetzsteller schließen die Arbeit ab.
Aktualisiert: 2023-06-01
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In kommerziell genutzten Gebäuden mit einer auf Gleichspannung basierenden Energieversorgung finden sich Energiequellen und Lasten auf allen Spannungsebenen. Lokale Energieressourcen wirken hierbei überwiegend unterstützend und nicht versorgend. Die Systemumgebung bewirkt neben der Berücksichtigung beidseitiger Spannungsbänder auch einen hohen Anteil der Geräte in deren Teillastbereich.
In dieser Arbeit werden bewährte Topologien verschiedener Gleichspannungswandler hinsichtlich ihrer Eignung für einen bidirektionalen Leistungstransfer betrachtet. Besonderes Interesse kommt dabei dem Halbbrückenwandler mit aktiv-geklemmter und stromgespeister Gegentaktstufe zuteil. Die analytischen Betrachtungen der Modulationsverfahren werden durch simulations- und messtechnische Verifikationen validiert.
Weiterhin ist eine Betrachtung des Regelverfahrens und -verhaltens im Betrieb als Tiefsetzsteller Bestandteil der Untersuchung. Eine Analyse leitungsgebundener Störungen des Gleichspannungswandlers in tiefsetzende Leistungsflussrichtung und die Analyse des Betriebes als Hochsetzsteller schließen die Arbeit ab.
Aktualisiert: 2023-05-25
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In kommerziell genutzten Gebäuden mit einer auf Gleichspannung basierenden Energieversorgung finden sich Energiequellen und Lasten auf allen Spannungsebenen. Lokale Energieressourcen wirken hierbei überwiegend unterstützend und nicht versorgend. Die Systemumgebung bewirkt neben der Berücksichtigung beidseitiger Spannungsbänder auch einen hohen Anteil der Geräte in deren Teillastbereich.
In dieser Arbeit werden bewährte Topologien verschiedener Gleichspannungswandler hinsichtlich ihrer Eignung für einen bidirektionalen Leistungstransfer betrachtet. Besonderes Interesse kommt dabei dem Halbbrückenwandler mit aktiv-geklemmter und stromgespeister Gegentaktstufe zuteil. Die analytischen Betrachtungen der Modulationsverfahren werden durch simulations- und messtechnische Verifikationen validiert.
Weiterhin ist eine Betrachtung des Regelverfahrens und -verhaltens im Betrieb als Tiefsetzsteller Bestandteil der Untersuchung. Eine Analyse leitungsgebundener Störungen des Gleichspannungswandlers in tiefsetzende Leistungsflussrichtung und die Analyse des Betriebes als Hochsetzsteller schließen die Arbeit ab.
Aktualisiert: 2023-05-25
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Diese Arbeit hat den Anspruch, die Möglichkeit der Optimierung der induktiven Komponente im Zweiquadrantensteller hinsichtlich Volumen und Gewicht mithilfe magnetischer Kopplung, angepasster Modulationsverfahren und spezieller Materialien zu modellieren, zu validieren und zu bewerten.
Im Vordergrund steht zunächst die mathematische Modellierung der elektrischen und magnetischen Grundlagen über Schaltmuster, Stromformen und Reluktanzmodelle. Daran schließt sich eine theoretische Betrachtung der Optimierungspotenziale und der daraus resultierenden möglichen Volumen- beziehungsweise Gewichtsersparnis an. Es folgt eine systemtheoretische Beschreibung, um die Grundlage für eine zukünftige Strom- oder Spannungsregelung zu legen.
Die sich anschließende Materialstudie beinhaltet die Verarbeitung und Charakterisierung eines nanokristallinen niederpermeablen Magnetmaterials, welches für die Anwendbarkeit der Technologie eine wichtige Rolle spielt. Ein automatisierter Prüfstand zur Verlustmessung magnetischer Materialien mit niedriger Messdauer ist insbesondere für die speziellen Stromformen der gekoppelten Induktivität entwickelt und in Betrieb genommen worden.
Der zentrale Aspekt ist die Entwicklung eines Berechnungsprogramms zur optimierten Auslegung aller wichtigen Parameter und damit auch zum direkten Vergleich mit anderen Induktivitäten derselben Anwendung. Das entwickelte Verfahren bedient sich der Ergebnisse der vorherigen Studien und bindet die erarbeiteten Modelle ein.
Sämtliche Modelle und Algorithmen, die Anwendbarkeit und Möglichkeiten der Technologie gekoppelter Induktivitäten im Zweiquadrantensteller sowie das Potential bei optimaler Auslegung für einen weiten Anwendungsbereich werden im Experiment durch zwei Funktionsmuster validiert.
Aktualisiert: 2023-04-14
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Elektromagnetische Energiewandler können mit gesteigerter Leistungsdichte aufgebaut werden, wenn diese für eine höhere Betriebsfrequenz ausgelegt werden. Der Entwurf von kompakten Magnetkreisen resultiert in weniger Materialeinsatz für den weichmagnetischen Kern und für die Wicklungen.
Die dreiphasige Dual-Active Bridge wird eingesetzt, um eine mittelfrequente Erregung für Transformatoren mit hohen Leistungen zu ermöglichen. Der felderregende Strom innerhalb des Wandlers ist nichtsinusförmig, dementsprechend ist die Wahl eines geeigneten weichmagnetischen Materials für den beschriebenen Betrieb nicht trivial und ein Vergleich der verfügbaren Materialien ist notwendig. Die Identifikation der relevanten Materialeigenschaften und der auftretenden Effekte im einstelligen Kilohertz-Bereich sowie bei hohen Magnetisierungen erfolgt auf Basis einer metrologischen Vermessung. Die entgegenlaufenden Effekte durch einen Frequenzanstieg sind erhöhte spezifische Verluste, eine Reduktion der Magnetisierbarkeit, kompaktere Abmessungen des Transformators und geringere Oberflächen zur Abfuhr der Verlustwärme. Zur Lösung dieser vielparametrischen Problemstellung wird eine Evolutionsstrategie eingesetzt. Die gemessenen Materialeigenschaften werden direkt im Auslegungsprozess genutzt und die vorgestellte Rechenmethodik ermöglicht den Entwurf von dreiphasigen Leistungstransformatoren, welche auf den geplanten Einsatz maßgeschneidert sind.
Es wird ein dreiphasiger Transformator der Leistungsklasse von 200 kVA für den Mittelfrequenzbereich mit der vorgestellten Methodik prototypisch ausgelegt, aufgebaut, in Betrieb genommen und vermessen. Die erzielten Ergebnisse bestätigen eindrucksvoll die entwickelte und eingesetzte Methodik zur Auslegung von kompakten Mittelfrequenztransformatoren.
Aktualisiert: 2022-01-12
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Die mikromechanische Gleichspannungswandlung basierend auf verschiebungsabhängigen Kapazitäten stellt eine Alternative zu etablierten rein elektronischen Wandlern für den Spezialfall der kapazitiven oder piezoelektrischen Verbraucher dar. Durch ihre kleine Bauform und den Verzicht auf Induktivitäten bietet sie den Vorteil der On-Chip-MEMS- und CMOS-Integration und ermöglicht die Bereitstellung hoher elektrischer Gleichspannungen aus den verfügbaren Grundspannungen der Elektronik (z. B. 3, 5 bzw. 12 V). Von hohen Polarisationsspannungen profitieren nicht nur kapazitive Sensoren und Aktoren, sondern auch piezoelektrische Messverfahren. Diese Arbeit stellt eine umfangreiche Übersicht und Bewertung der möglichen Bauformen mikromechanischer Gleichspannungswandler sowie die konkrete Umsetzung, Charakterisierung und Modellbildung eines resonant arbeitenden Wandlers vor. Es wird auf Besonderheiten und Probleme im Entwurf eingegangen und ausgehend von den Ergebnissen ein Konzeptentwurf für einen optimierten resonanten Gleichspannungswandler erarbeitet.
Aktualisiert: 2021-09-13
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Die Bedeutung der Leistungselektronik ist in den letzten Jahren kontinuierlich gewachsen – das gilt sowohl für Schaltungstechniken und Leistungsbereiche als auch für Anwendungen. Das Lehr- und Nachschlagewerk bietet eine verständliche Einführung in das Pflichtfach und berücksichtigt diese Entwicklungen. So wurde die Neuauflage u. a. um Abschnitte zu brückenlosen PFC-Schaltungen und aktiven Filtern erweitert. Außerdem sind mit der Photovoltaik und der Windkraft neue Anwendungsfelder hinzugekommen. Der Band enthält viele Übungsaufgaben mit Lösungen.
Aktualisiert: 2023-04-02
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Die Bedeutung der Leistungselektronik ist in den letzten Jahren kontinuierlich gewachsen – das gilt sowohl für Schaltungstechniken und Leistungsbereiche als auch für Anwendungen. Das Lehr- und Nachschlagewerk bietet eine verständliche Einführung in das Pflichtfach und berücksichtigt diese Entwicklungen. So wurde die Neuauflage u. a. um Abschnitte zu brückenlosen PFC-Schaltungen und aktiven Filtern erweitert. Außerdem sind mit der Photovoltaik und der Windkraft neue Anwendungsfelder hinzugekommen. Der Band enthält viele Übungsaufgaben mit Lösungen.
Aktualisiert: 2023-04-15
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Diese Arbeit stellt eine neu entwickelte Filterentwurfsmethodik zum zielgerichteten und optimalen Entwurf von EMV-Filtern am Beispiel von Luftfahrtanwendungen vor. Die Notwendigkeit einer übergeordneten Methodik ergibt sich aus den gesamtheitlich formulierten Anforderungen, deutlich strengere ökonomische und ökologische Vorgaben für zukünftige Verkehrsflugzeuge zu erfüllen.
Neben der Analyse der kausalen Zusammenhänge zwischen Filterwirkung und Filterumgebung werden neuartige hybride Filtertopologien und Materialien für magnetische Bauelemente in den Entwurfsprozess integriert und die oftmals praktische und empirische Vorgehensweise bei der Filterauslegung durch gezielte Systemmodellierungen und Simulationen unterstützt. Dazu wird aus dem allgemeinen Modell der elektromagnetischen Störbeeinflussung heraus das elektrische Gesamtsystem in Teilsysteme unterteilt und anschließend in die Abstraktionsebenen Systembeschreibung, Schaltungsanalyse sowie Bauelementeauswahl aufgegliedert. Durch diesen simulativen Ansatz können frühzeitig im Systementwicklungsprozess die emittierten Störungen bestimmt werden. Grundlage ist hierfür die Implementierung der prägenden Einflussparameter eines jeden Teilsystems. Die Berücksichtigung der Systemumgebungsimpedanzen bei der Auswahl der optimalen Filtertopologie ermöglichen nicht nur eine tiefgreifende Systemanalyse in Hinblick auf die Filterwirkung. Sie reduzieren im Vergleich zum Stand der Technik die praktisch realisierten Filteraufbauten auf ein Minimum. Mit diesem umfassenden Systemmodell können neuartige hybride Filterstrukturen untersucht werden, die gegenüber den heute ausschließlich verwendeten passiven Filtern eine signifikante Gewichtsreduktion erzielen. Zusätzlich zu den analytischen und simulativen Betrachtungen sind diese konzeptionellen Überlegungen an einem aufgebauten Echtzeitsimulationssystem zur Nachbildung unterschiedlicher Flugszenarien validiert worden.
Aktualisiert: 2021-10-16
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Ein Baukasten für die Elektromobilität
In diesem umfangreichen Werk sind die Ergebnisse der Entwicklungstätigkeiten des Forschungsprojekts e performance zusammengefasst. Im Forschungsprojekt e performance haben Experten aus Wissenschaft und Industrie unter Koordination der AUDI AG einen universellen, modularen Systembaukasten für elektrifizierte Fahrzeuge entwickelt, mit dem es möglich ist, verschiedene Fahrzeugplattformen und Antriebsarten zu realisieren. Im Projekt wurde ein breites Spektrum an Technologien aus den Bereichen Antrieb, Energiespeicher, Thermomanagement, Vernetzungsarchitektur und HMI betrachtet, darunter leistungsoptimierte Synchron-
und Asynchronmotoren sowie ein innovatives, crashtaugliches Batteriesystem. Zur Demonstration der Technologien des Systembaukastens wurde im Projekt ein Technikträger auf Basis des AUDI R8 aufgebaut, der von drei E-Maschinen mit insgesamt 150 kW Leistung und 510 Nm Drehmoment angetrieben wird. Die innovative Fahrzeugbedienung über ein i-Pad in Kombination mit dem frei programmierbaren Kombiinstrument zeigt einen neuen Weg beim Thema HMI auf. Das über W-LAN gekoppelte i-Pad ersetzt die Bedienelemente in der Mittelkonsole und ermöglicht die Einstellung verschiedener Fahrmodi sowie die Bedienung der Klimaanlage, des Audiosystems, der Navigation und personalisierter Inhalte. Dieses Projekt lieferte außerordentlich wertvolle Erkenntnisse und Ergebnisse zu einem völlig neuen Systemansatz, die auch unmittelbar bei teilelektrischen Antrieben Einsatz finden werden.
Aktualisiert: 2021-04-16
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