Stromrichtertechnik für Windkraftanlagen kleiner Leistung

112 pages 132 figures, 57 references.Technische Universität Ilmenau, Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik,Dissertation A, 2007The main matter of the presented study is the comparison of two different system configurations for small-scale wind power plants (2kW). A synchronous machine with permanent magnets was used as generator. The two studied configurations differ in their way of feeding the electrical power from the generator to the DC-link capacitor. The first topology deploys a conventional six-pulse voltage inverter with IGBTs. For the second topology a diode bridge and a conventional boost-converter is used.To evaluate the two system configurations the development and parameterisation of a generator model was necessary. Based on the model, control strategies for both topologies were deduced. These control strategies were developed based on the concept of field oriented control of synchronous generators. They regard the different topological specifics of the two system configurations.An important criterion for the comparison of both configurations was the achievable energy efficiency. To diagnose the efficiency with adequate accuracy the losses occurring in the system had to be calculated. Therefore, one focus of the presented study was the identification of the conduction and switching losses of the semiconductor elements by simulations.The development of a superordinated MPP-control allowed further improvement of the system. Another object of investigation were the different possibilities to feed the generated power of the wind plant to the grid or to a battery system.Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Vergleich von zwei unterschiedlichen Systemkonfigurationen für Windkraftanlagen kleiner Leistung (2kW). Als Generator wurde dabei eine PSM eingesetzt. Die beiden Konfigurationen unterscheiden sich grundsätzlich darin, wie die vom Generator erzeugte Energie in den Gleichspannungszwischenkreis eingespeist wird. Bei der ersten Topologie wird dazu ein konventioneller sechspulsiger Spannungswechselrichter auf IGBT-Basis eingesetzt. Die zweite Variante verwendet dazu eine Diodenbrücke in Verbindung mit einer klassischen Hochsetzstellertopologie. Zur Beurteilung der Systeme war zunächst die Entwicklung und Parametrierung eines geeigneten PSM-Modelles notwendig. Aufbauend auf diesen Untersuchungen wurden für die beiden zu vergleichenden Strukturen - auf dem Konzept der Feldorientierung basierende Regelungstoplogien - für den PSM abgeleitet. Die Regelungsstrukturen berücksichtigen dabei jeweils die topologischen Besonderheiten der beiden Vergleichsstrukturen. Ein wesentliches Vergleichskriterium für die beiden Konfigurationen war der damit zu erzielende Wirkungsgrad. Um diesen mit hinreichender Genauigkeit bestimmen zu können, war die Berechnung der im System auftretenden Verluste erforderlich. Besonders die simulative Bestimmung der von den Halbleiterbauelementen verursachten Durchlass- und Schaltverluste bildete einen Schwerpunkt dieser Arbeit. Durch die Entwicklung einer übergeordneten MPP-Regelung war es möglich, das System-verhalten weiter zu optimieren. Ein weiterer Untersuchungsgegenstand der Arbeit waren die möglichen Konfigurationen zur Netz- bzw. Batterieeinspeisung der durch die PSM bereitgestellten elektrischen Leistung

Auslegung und Bewertung elektrischer Maschinen mit Permanentmagneten im Stator für hohe Drehmomentdichten

Diese Arbeit beschäftigt sich mit elektrischen Maschinen mit Permanentmagneten im Stator und einer hohen volumetrischen Drehmomentdichten. In den letzten Jahren standen vor allem drei unterschiedliche Maschinentypen mit Permanentmagneten im Stator im Fokus der Forschung: • Doubly-Salient-Permanent-Magnet-Machine (DSM) mit Magneten im Statorjoch • Flux-Reversal-Permanent-Magnet-Machine (FRM) mit Magneten an den Statorzähnen • Flux-Switching-Permanent-Magnet-Machine (FSM) mit Magneten in den Statorzähnen Ein Vergleich dieser Maschinen für den Einsatz als hochausgenutzter Industrieantrieb (PN = 45 kW, nN = 1000 /min, MN = 430 Nm) zeigt, dass die Flux-Switching-Machine bei identischem Bauraum das höchste Luftspaltdrehmoment der drei Maschinentypen erzeugt. Um das Potential der Flux-Switching-Machine in verschiedenen Einsatzgebieten abschätzen zu können, werden mit Hilfe hergeleiteter Auslegungskriterien Maschinen für den Einsatz als Industrieantrieb, als Fahrzeugantrieb und als Windgenerator ausgelegt und mit konventionellen Maschinen mit Rotormagneten verglichen. Dieser Vergleich legt einen Einsatz der Flux-Switching-Machine speziell im Bereich kleiner und mittlerer Drehzahlen (< 3000 /min), kleiner und mittlerer Drehmomente (< 500 Nm) und damit kleiner und mittlerer Leistungen (< 50 kW) nahe. Zur Verifizierung der theoretischen Ergebnisse wird in dieser Arbeit ein ganzheitlicher Entwurf einer Flux-Switching-Machine (PN = 50 kW, nN = 1000 /min, MN = 470 Nm) inklusive Konstruktion, Fertigung und Vermessung durchgeführt. Die Messergebnisse werden anschließend mit den Werten baugleicher permanenterregter Synchronmaschinen mit Rotormagneten verglichen. Die Gegenüberstellung zeigt, dass die FSM im Betrieb einen hohen Wirkungsgrad im Teillastbereich aufweist und bei der Fertigung Vorteile durch die gröber segmentierten Statormagnete, den robusten Rotor und die offenen Statornuten besitzt. Demgegenüber stehen jedoch die Nachteile der hohen Geräuschentwicklung, eines schlechten Leistungsfaktors, hoher Ummagnetisierungsverluste und einer geringeren Drehmomentausbeute im Vergleich zu konventionellen PM-Maschinen mit Rotormagneten. Daher ist die Flux-Switching-Machine im Bereich von Maschinen mit hoher Drehmomentdichte nur in Anwendungen mit hohen Rotoranforderungen bezüglich Temperatur und Drehzahl einer Maschine mit Rotormagneten zu bevorzugen