Labor für Elektrische Antriebe und Leistungselektronik

Eine elektrische Maschine ist ein Energiewandler und entsprechend ihres Wirkungsprinzips unterscheidet man zwischen Gleichstrom- und Drehfeldmaschinen (Asynchron-, Synchron- und Synchron-Reluktanzmaschinen). Dabei können zwei Betriebsarten unterschieden werden. Im motorischen Betrieb nimmt die Maschine über die Zuleitungen elektrische Energie auf und gibt über die Welle mechanische Leistung ab. Beim generatorischen Betrieb nimmt die Maschine über die Welle mechanische Energie auf und gibt elektrische Energie über die Anschlussklemmen ab. Drehstrommaschinen können zudem entweder netz- oder stromrichtergespeist (und damit drehzahlvariabel) betrieben werden.

Die Forschungsabteilung des Labors befasst sich im Bereich der elektrischen Antriebstechnik im Wesentlichen mit folgenden Themen:

• Entwurf elektrischer Maschinen
  Auslegung und Dimensionierung des magnetischen Kreises und der mechanischen Konstruktion. Verlustanalyse und Optimierung bestehender Maschinen.
  
  
• Thermische Modellierung
  Erstellung von thermischen Simulationsmodellen von Asynchron- und Synchronmaschinen zur Abschätzung des thermischen Haushalts bei verschiedenen Maschinengeometrien bzw. Kühlkonzepten. Zusätzlich bietet sich die Möglichkeit der Echtzeitberechnung auf einem digitalen Signalprozessor.
  
  
• Hochdynamische Regelung elektrischer Maschinen
  Entwicklung und Inbetriebnahme von sensorlosen und sensorbehafteten feldorientierten Regelungen mit Implementierung der Steuer- und Regelalgorithmen auf einem digitalen Signalprozessor in der Programmiersprache C.
  
  
• Zustandsüberwachung elektrischer Maschinen
  Abschätzung der Magnettemperatur von permanenterregten Synchronmaschinen über mathematische Modelle.
  
  
• Magnetgetriebe
  Simulation und Verlustanalyse von Magnetgetrieben.

Übersicht über die Leistungselektronik mit ihren Teilgebieten

Die Umwandlung elektrischer Energie wird heutzutage fast ausschließlich durch den Einsatz leistungselektronischer Bauteile realisiert. Aufgrund des stetigen Fortschritts in der Entwicklung von Leistungshalbleitern über die letzten Jahrzehnte, bieten sie eine zuverlässige, flexible und effiziente Art und Weise um diese Umwandlung durchzuführen. Die Leistungselektronik ist das Bindeglied zwischen der Energieerzeugung und dem Verbraucher, wobei das Steuern und Umformen von Energie möglichst verlustfrei erfolgt. Deshalb werden elektronische Ventile, wie z.B. Dioden und Transistoren ausschließlich als elektronische Schalter betrieben. Die Teilgebiete der Leistungselektronik umfassen die Signalverarbeitung, Treiberschaltungen und den Leistungsteil an sich. 

Die Forschergruppe der Hochschule Aalen beschäftigt sich auf dem Bereich der Leistungselektronik mit folgenden technologischen Schwerpunkten (mit Projektbeispielen):

• Netzeinspeisung erneuerbarer Energien
  Einspeisung erneuerbarer Energien (z.B. Solarenergie) ins Versorgungsnetz und Entwicklung von innovativen Regelkonzepten wie die kommunikationslose AC- und DC-seitige Parallelschaltung von Wechselrichtern.
  
  
• Verbesserung der Netzqualität
  Entwurf und Simulation von Regelkonzepten zur Netzstabilisierung auf Mittelspannungsebene zum Schutz von Industriebetrieben vor Spannungsstörungen.
  
  
• Blindleistungskompensation
  Entwicklung eines Hybridfilters zur Kompensation von Grundschwinungs- und Verzerrungsblindleistung. Zusätzliche Implementierung eines netzschonenden Zuschaltverfahrens und eines rechenzeitoptimierten, repetitiven Regelverfahrens.
  
  
• Netzfreundliche Leistungsentnahme
  Netzfreundliche, energieeffiziente Leistungselektronik mit Zustandsüberwachung und aktivem Power Factor Controller zur Reduzierung von Netzrückwirkungen.
  
  
• Netzankopplung von Batteriespeichern
  Simulation und Inbetriebnahme der netzseitigen Hardware eines Batteriespeichers
  z.B.: Bremsenergienutzung im öffentlichen Nahverkehr, Erhöhung der Gesamteffizienz von Eigenverbrauchssystemen im Bereich von 5 - 10 kW durch Optimierungen hinsichtlich der verlustarmen DC/AC und DC/DC Wandlung.
  
  
• Kontaktlose Energie- und Datenübertragung
  Energie- und Datenübertragung für einen Antrieb in einem rotierenden System. Entwicklung eines Schwingkreiswechselrichters zur Erhöhung der Zuverlässigkeit und der Energieeffizienz.
  
  
• Hardwareentwicklung von Frequenzumrichtern
  
  
• Energiespeicherkonzepte zur Glättung von Leistungsspitzen
  Glättung der Leistungsspitzen durch einen Kondensatorspeicher und Bereitstellung der Grundlast über einen Batteriespeicher.
  
  
  
  

Einen weiteren wichtigen Arbeitsbereich des Labors stellt die zerstörungsfreie Materialuntersuchung mittels Ultraschall dar. Die Ultraschallmikroskopie von Halbleiter-Wafern arbeitet häufig mit der Puls-Echo Methode. Dabei wird ein kurzer Ultraschallimpuls ausgesendet und die reflektierten und wieder empfangenen Echos werden anschließend aufgezeichnet und ausgewertet. Über die Laufzeit zwischen dem Senden und Empfangen der Impulse kann eine Aussage über die Tiefe der erfassten Struktur getroffen werden. Die Intensität des Echos gibt Auskunft über den Impedanzunterschied der Materialien, womit zum Beispiel Einschlüsse in Materialien erfasst werden können. Um die Erzeugung eines Bildes der gesamten Probe zu ermöglichen, wird der Ultraschallmesskopf (Transducer) über die Probe verfahren, wobei eine minimale Auflösung von etwa 1µm erreicht werden kann. Dabei befasst sich die Forschungsabteilung mit folgenden Themen:

• Echtzeitfokusierung des Transducers
  Messung des Oberflächenechos und Nachführung der Z-Achse zum Höhenausgleich im laufenden Scan.
  
  
• Signalkonditionierung und Signalaufbereitung
  - Breitbandige Transformation der Echos zur Kontrastspreizung
  - Generierung von Echo-Synchronen Mustern zur zeitabhängigen Signalverstärkung bzw. Dämpfung
  
  
• Steuerung der Messauslösung (Trigger)
  Generierung von Triggersequenzen und Signalzusammenführung der Echos für mehrere Messköpfe pro Messpunkt mit einer zeitlichen Auflösung im Nanosekunden Bereich.
  
  
• Impulsgenerierung zur Transducer Anregung
  Generierung von kurzen Impulsen mit einer Dauer von 2-3 ns im Spannungsbereich von 100-500 V.