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Untersuchung des Wirkungsgrades von Einphasen Betriebskondensator Asynchronmaschinen bei kostengünstigen Varianten der Drehzahlstellung

Energiesparen und Energieeffiziente Systeme sind aufgrund der Kyoto-Beschlüsse von 1997 und verschiedener EU-Programme wie z.B. der EU-Richtlinie 'Energy Using Products' (EUP) von steigender Bedeutung. Dabei sollen nicht nur die Großverbraucher und die Industrie, sondern auch die Haushalte einen entsprechenden Beitrag leisten. Einphasen-Asynchronmotoren werden aufgrund der Robustheit und des geringen Kaufpreises sehr häufig vor allem dort eingesetzt, wo ein Antrieb mit konstanter Drehzahl laufen soll. Im Haushalt sind typische Anwendungsbereiche z.B. die Pumpen und Lüfter im Heizungsbereich. Laut der 'Wilo-Herbstkampagne: Mit Hocheffizienz gegen CO2' ist eine ungeregelte Heizungspumpe mit 605kWh/Jahr nach dem Elektro-Herd mit 876kWh/Jahr der zweitgrößte Verbraucher im Haushalt. Bei ungeregelten Heizungspumpen läuft die Pumpe mit konstanter Drehzahl, die Fördermenge wird über meist elektrisch betätigte Stellventile verändert. Dies ist in höchstem Grade ineffizient. Eine Verbesserung kann erreicht werden, indem auf die Stellventile verzichtet und die Drehzahl der Pumpe entsprechend der gewünschten Fördermenge verändert wird. Im vorliegenden Forschungsgebiet werden die Konzepte Phasenanschnittsteuerung, Schwingungspaketsteuerung (als Voll- oder Halbschwingungssteuerung ausgeführt) und Erweiterte Schwingungspaketsteuerung (Halbwellensteuerung mit der Möglichkeit eine Halbschwingung umzupolen) hinsichtlich des dabei erzielbaren Wirkungsgrades untersucht.

E3ON: Effiziente elektrische Energiespeicher für den öffentlichen Nahverkehr

Die Hybridisierung von im öffentlichen Nahverkehr eingesetzten Fahrzeugen bietet die Möglichkeit signifikanter Treibstoff- und Emissionsreduktionen, da die Fahrzyklen gut vorhersehbar sind und häufige Brems- und Beschleunigungsvorgänge enthalten (Start-Stopp Betrieb). Der Einsatz verfügbarer elektrochemischer Speicher (Batterien, Ultracaps) zur Zwischenspeicherung der Bremsenergie ist zwar möglich, jedoch können die geforderten Leistungen bzw. die gewünschte Lebensdauer nur mit großem finanziellen Aufwand bzw. starker Überdimensionierung des Energiespeichers erreicht werden. Im Gegensatz zu den elektrochemischen Speichern bieten Flywheel-Speicher das Potenzial, eine hohe Leistungsdichte mit einer hohen Energiedichte zu verbinden. Durch den Einsatz moderner (Verbund-)Materialien sowohl im Schwungrad selbst wie auch in den Lagern können Flywheel-Speicher sehr kompakt und leicht gebaut werden. Außerdem erreichen sie bereits mit heute verfügbarer Lager-Technologie eine im Vergleich zu modernen Batteriesystemen deutlich erhöhte Lebensdauer. In dem Projekt E3ON soll die Realisierbarkeit von kompakten Flywheel-Speichern unter den in öffentlichen Nahverkehrsfahrzeugen gegebenen Rahmenbedingungen untersucht werden: Gemeinsam mit potenziellen Kunden (siehe beiliegende LOI) werden für Schienenfahrzeuge und Hybridbusse typische Lastprofile sowie extern auftretende mechanische Belastungen (Vibrationen, Fliehkräfte, ...) spezifiziert. Auf deren Basis werden die Hauptkomponenten des Systems (Schwungmasse und Lagerung, Motor/Generator, Umrichter) theoretisch und experimentell in Bezug auf Lebensdauer und Sicherheitsaspekte untersucht. Das Ergebnis der Forschungsarbeiten sind Realisierungsvorschläge für die einzelnen Komponenten sowie eine erste Abschätzung der unter den gegebenen Randbedingungen erreichbaren Lebensdauer und der Kosten. Daraus können die wichtigsten Parameter eines im Rahmen eines Folgeprojekts zu realisierenden Prototyps bzw. Vorseriengeräts abgeleitet werden, wobei speziell der erreichbare Wirkungsgrad (round-trip efficiency), der speicherbare Energieinhalt, die aufnehmbare bzw. abgebbare elektrische Leistung, die erreichbare Lebensdauer und der zu erwartende Preis von Interesse sind. Zusätzlich können die Projektergebnisse zur Beurteilung der Realisierbarkeit von noch weiter miniaturisierten Flywheel-Speichern herangezogen werden. Derartige Speicher eignen sich zum Einsatz in Hybrid- und Elektrofahrzeugen des zukünftigen Individualverkehrs.

INFOKO, Erforschung neuer hoch dielektrischer Polymerfolien für Leistungskondensatoren erhöhter Energiedichte und reduzierter Baugröße

Brückner wird anhand von den gestellten Anforderungen an die Applikationen mit den beteiligten Projektpartnern geeignete Folienrohstoffe selektieren und auf deren Verstreckbarkeit testen. Zur spezifizierten Auswahl kommen Laborextrusion und Laborreckrahmen zum Einsatz. Die gewonnen Erkenntnisse werden anschließend auf die Pilotanlage von Brückner übertragen um Rollenware für die Kondensator-Herstellung zu produzieren. Die so hergestellten Folien gehen dann an die Projektpartner Electronicon, wo die Folie metallisiert werden und anschließend in der Gesamtvorhabensbeschreibung genannten Kondensatoren verbaut werden. Diese Kondensatoren gehen dann in die Endanwendungstest zu Siemens. Diese Vorgehensweise des Projektes bildet die gesamte Herstellungskette von der Entwicklung der Nanopartikelcompounds und/oder Polymercompounds über die Folienentwicklung, des Kondensatorbaus bis hin zur Endanwendung in HGÜs ab.

INFOKO, Innovativer Folienkondensator für Umrichterstationen der Hochspannungsgleichstromübertragung insbesondere zur Technologieverbesserung der Anbindung von Off-Shore-Windanlagen

Ziel des Vorhabens ist die Erforschung der Herstellungs-, Einsatz- und Verwertungsbedingungen großer Folienkondensatoren für die Gleichstrom-Übertragung, durch Einsatz neuartiger Polymerfolien als Dielektrikum, zur Erhöhung der Energiedichte und zur Senkung der Eigenerwärmung. Vom Lehrstuhl für Kunststofftechnik (LKT) werden hierfür im Labormaßstab Folienmaterialien hergestellt, charakterisiert und zu Folien weiterverarbeitet. Zur Materialherstellung werden die Ansätze alternativer Polymermischungen ('Blends') und mit anorganischen, nanoskaligen Füllstoffen versetzte Kunststoffe ('Nano-Compounds') verfolgt. Beide Routen gilt es hinsichtlich der erreichten Zieleigenschaften und Anwendungstauglichkeit zu charakterisieren, zu optimieren und Wechselwirkungen entlang der Prozesskette aufzudecken. Konkret werden zunächst verschiedene Konzepte zur Einarbeitung der Füllstoffe im Doppelschneckenextruder verfolgt. Die Materialien werden dann hinsichtlich Homogenität, Füllstoffverteilung und (di)elektrischen Zieleigenschaften charakterisiert. Zudem werden die Blends/Compounds zu Folien weiterverarbeitet. An den Folien erfolgen thermische, mechanische, rheologische und (di)elektrische Untersuchungen. Zudem werden die Morphologie und Oberflächenbeschaffenheit geprüft, um ggf. Rückschlüsse auf eine Metallisierbarkeit zu ziehen. Das Zielmaterial wird dann aus dem Labor in einen seriennahen Prozess im großtechnischen Maßstab überführt.

Innovativer Folien-Kondensator, Erforschung großer Folienkondensatoren für Umrichter in der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung, deren Baugröße und Wärmeentwicklung durch neuartige Polymer-Verbundfolien unter Zugabe keramischer Nanopulver oder verlustarmer Polymere reduziert werden

Umrichterstationen für die effiziente Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) zur Netzanbindung regenerativer Energieerzeuger wie z.B. Windenergieanlagen benötigen zum stabilen Betrieb umfangreiche kapazitive Ladungsspeicher. Polypropylen-Folien sind dafür das bewährte Kondensator-Dielektrikum. Um den Bedarf der Umrichter an Stellfläche und Klimatisierung auf See und zu Land zu reduzieren, untersucht das Teilvorhaben Herstellungs- und Einsatzbedingungen neuartiger Polymer-Verbund-Dielektrika. Angestrebt werden serientaugliche Verfahren zur Steigerung der elektrischen Energiedichte und zur Senkung der dielektrischen Verluste der Kondensatorfolien. Die Bauteile werden unter anwendungsnahen Bedingungen getestet und bei Erfolg nach Ablauf des Vorhabens weiter entwickelt. Einfache Metalloxide, die als Pulver dem Polymer zugemischt werden, haben das Potential, die Dielektrizitätskonstante des Verbundmaterials und die im Kondensator speicherbare Ladungsmenge bei geringem Füllgrad merklich zu steigern, wenn die Partikelgröße bei wenigen 10 nm liegt und die Partikeloberflächen durch geeignete Liganden chemisch funktionalisiert sind. Die Verlustwärme des Bauteils soll dagegen durch Polymer-Zumischungen reduziert werden. Es werden prozesstechnische Machbarkeit, grundlegende festkörperphysikalische Wirksamkeit und das Verhalten im Umrichter untersucht. Im Hinblick auf spätere Serientauglichkeit werden prozesstechnische Alternativen nach industrieller Verfügbarkeit von Rohstoffen und Verfahren priorisiert. Versuchsplanung und Bauteilkonzepte werden kontinuierlich zum Projektfortschritt auf den Entwicklungsstufen: Folien-Rohmaterial, Folie und Kondensator durch optische, mechanische, thermische und elektrische Messtechnik unterstützt.

Teilvorhaben: Auslegung eines Hochdrehzahltraktionsantriebs und fahrzeuggerechte Spezifikation des PowerCores, Teilvorhaben: Skalierbare Power Cores als Umrichterbausteine für hocheffiziente Traktionsantriebe

Demonstration eines Systems zur Nutzung von latenter und sensibler Abluftwärme zur Erwärmung von Prozesswasser im Direktkondensator

Elektrische Antriebsmaschine mit in das Lagerschild integrierter SiC-Leistungselektronik - LaSiC, Teilvorhaben: Entwicklung eines Zwischenkreiskondensators für automotive Anwendung

Teilvorhaben: Regelungskonzepte für Drehfeldmaschinen mit verteilten Umrichtern, Teilvorhaben: Integrierter Zwischenkreiskondensator

Ziel des Vorhabens ist eine Weiterentwicklung der Kondensatoren hinsichtlich der Integrationsfähigkeit, der Energiedichte, der Temperaturbelastbarkeit und der Eignung für hohe Schaltfrequenzen. Dadurch soll eine Verbesserung der Zuverlässigkeit und der Robustheit der Kondensatoren erzielt werden. Im Rahmen des AP1 wird eine Systemspezifikation für die zu realisierenden Bauelemente erarbeitet. Ziel ist die Erarbeitung eines Zwischenkreiskondensators der sich optimal in das mechanische Aufbaukonzept des Antriebsystems einfügt. Das AP2 umfasst die Konzeptphase. Hier werden mögliche Kondensator-Konzepte erarbeitet und für die die Anwendungsbereiche Nutzfahrzeuge und Automation bewertet. Im AP3 werden die verschiedenen Konzepte im Hinblick auf die Zuverlässigkeit des Kondensators untersucht und beurteilt. Das AP4 versucht durch ein verbessertes Kühlkonzept die Temperaturbelastung des Kondensators zu senken. Im AP6 wird der Kondensator hergestellt, erprobt und in die Demonstratoren eingebaut. Nach dieser Systemerprobung wird im AP7 das Konzept final unter wirtschaftlichen und technischen Gesichtspunkten bewertet.

FHprofUnt 2014: LinkPack - Aufbau und Analyse kompakter Wechselrichtermodule mit integriertem DC-Link

Für neue Konzepte in den Bereichen Elektromobilität, Energiespeicherung und -Erzeugung stellt die Leistungselektronik eine wichtige Schlüsselkomponente dar. Eine wesentliche Herausforderung bei der Entwicklung leistungselektronischer Stellglieder ist eine niederinduktive Anbindung der internen Komponenten sowie die Aufbau- und Verbindungstechnik. Für diese beiden Arbeitsgebiete sollen im Rahmen des Projektes neue Konzepte entwickelt und im Praxiseinsatz erprobt werden. Als Grundidee sollen die klassischer Weise getrennt hergestellten Teilkomponenten Zwischenkreiskondensator (DC-Link) und Halbleitermodul (Leistungshalbleiter in entsprechenden Standardgehäusen) zu einem gemeinsamen Modul mit genau definierten und optimierten Betriebseigenschaften verbunden werden. Die neuen Module sollen schneller und effizienter schalten können, und gleichzeitig weniger elektromagnetische Störungen verursachen. Sie sollen in Zukunft helfen, moderne elektrische Antriebe effizienter und kompakter gestalten zu können. Ein weiteres Projektziel besteht darin, entsprechende Technologien dauerhaft an der Hochschule Landshut zu etablieren. Besonderes Augenmerk liegt hierbei auf der vergleichenden Untersuchung von konventionellen, siliziumbasierten Halbleiterbauelementen und neuen, gerade auf den Markt gekommenen SiC-Halbleitern. Diese ermöglichen ein sehr schnelles und energieeffizientes Schalten, verursachen aber auch deutliche Probleme im Bereich der elektromagnetischen Verträglichkeit. Aufbau und Test der geplanten Module, die Beantwortung der projektinternen Fragestellungen sowie die Etablierung des entsprechenden Knowhows sollen im Rahmen von insgesamt 7 Arbeitspaketen erfolgen: 1. Spezifikation integriertes Modul - 2. Konstruktion integriertes Modul - 3. Aufbau erster Modulprototypen / Aufbau Infrastruktur und Testumgebung - 4. Inbetriebnahme, Messung und Analyse - 5. Redesign und Weiterentwicklung - 6. Praxiseinsatz - 7. Dokumentation.

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