Leistungselektronikund Antriebstechnik

Unsere Ingenieursdienstleistungen

Mit uns erreichen Sie in kürzester Zeit Ihre Entwicklungsziele

Mit modernsten Ansätzen bieten wir innovative Vorentwicklungen, umfassende simulative und messtechnische Untersuchungen sowie weiterführende Systemanalysen in der Leistungselektronik sowie auf dem Gebiet der elektrischen Antriebs- und regenerativen Energietechnik an. Von der Analyse, Beratung und Konzeptrecherche bis hin zur Simulation und zum Test eines Protoptypen und der Serieneinführung des Produktes begleiten wir Sie und Ihre Projekte – wir bieten Ihnen dynamische und flexible Ingenieursdienstleistungen, speziell auf Ihre Anforderungen angepasst.

le-04

Leistungselektronik und Antriebstechnik

Überblick und Inhalt

Unser Team

Konzentrierte Fachkompetenz, langjährige Erfahrung und zukunftsorientierte Lösungsansätze

Die Analyse und Bewertung des Betriebsverhaltens von Leistungselektronik und elektrischen Antrieben sowie die Auslegung und Konzeption von leistungselektronischen Systemen erfordert konzentrierte Fachkompetenz, langjährige Erfahrung und zukunftsorientierte Lösungsansätze:  Mit unserem Team aus Experten mit verschiedenen Spezialisierungen im Bereich der Leistungselektronik, der elektrischen Antriebstechnik und der regenerativen Energieerzeugung erfüllen wir zuverlässig, flexibel und individuell die Bedürfnisse und Anforderungen unserer Kunden.

_MG_0983

Qualifizierung und umfassendes Know-How

Dabei entwickeln wir je nach Bedarf und Art der leistungselektronischen Anwendung neue, moderne Konzepte und arbeiten uns mühelos in bestehende Systemlandschaften ein. Durch die akademische Basis unseres Teams sowie stetige Schulungsmaßnahmen zur weiterführenden Qualifizierung können wir Sie mit umfassendem Know-How unterstützen. Befähigungsnachweise für spezifische Branchen, wie beispielsweise die Höhentauglichkeit oder Höhenrettungstrainings, sowie allgemeine Berechtigungen, wie zum Beispiel zum Schalten von Mittel- und Hochspannungen oder zum Arbeiten unter Spannung, ergänzen dabei unsere Expertise und ermöglichen eine praxisnahe Betreuung Ihrer Projekte.

le-08

Leistungen im Überblick

Auslegung und Konzeption von leistungselektronischen Systemen, Auswahl geeigneter Schaltungstopologien, thermische sowie elektrische Auslegung passiver und aktiver Bauteilkomponenten, Ansteuerung elektrischer Bauteilkomponenten, mechanischer Aufbau von Stromrichtern, Entwicklung von Leiterplatinen und Fertigung von Prototypen

Analyse und Bewertung des Betriebsverhaltens von Leistungselektronik und elektrischen Antrieben: Elektrisches und mechanisches Betriebsverhalten, thermisches Betriebsverhalten, Netzrückwirkungen, elektromagnetische Verträglichkeit, Simulation leistungselektronischer Systeme (ob offline oder mittels Software-/Hardware-in-the-Loop)

Erstellung unabhängiger Gutachten und neutraler Experteneinschätzungen für öffentliche Auftraggeber, Forschungseinrichtungen und Unternehmen

Beratung, Vorentwicklung und Fortbildung für die Industrie unter Einbeziehung von Systemkonzepten und Realisierbarkeitsstudien sowie der Unterstützung bei Problemfällen

_MG_1240

Leistungsfähiger Antriebsteststand

Zur Untersuchung und Optimierung von leistungselektronisch betriebenen Antriebssystemen dient ein Teststand in unserem Prüflabor. Der moderne, vollautomatisierte Teststand ermöglicht eine normgerechte wie genaue Charakterisierung von Gleichstrom-, Asynchron- und Synchronmotoren im direkten Netz- oder umrichtergespeisten Betrieb. Dabei kann der Fokus der Untersuchungen ausschließlich auf dem Frequenzumrichter, nur auf dem Elektromotor oder alternativ auf der Abstimmung beider Komponenten aufeinander liegen.

technische Daten

Prüfstandssteuerung

  • Manuelle oder vollständig automatisierte Testablaufsteuerung
  • Prüfung mittels S1 bis S10 Normprofilen oder Import komplexer Lastprofile bis 2.000 Stützstellen
  • Automatische Generierung von Prüfberichten oder -protokollen
  • Datenbankbasierte Archivierung von allen durchgeführten Prüfungen

Netzanschlussleistung

  • 3 x 400 V / 50 Hz
  • 80 A (Dauerbetrieb)
  • 100 A (überlastfähig)
  • Netzform: TN-C-System (IT-System möglich)
  • Zuschaltbarer spannungsgeregelter Stelltransformator (stufenlos regelbar von 0 bis 600 V)

Lastmaschine

  • umrichtergespeiste und permanenterregte Synchronmaschine
  • wassergekühlt mit geringem Eigenträgheitsmoment
  • 100 Nm Nenndrehmoment
  • 300 Nm Überlastdrehmoment
  • 2600 min‾¹ Nenndrehzahl
  • 3800 min‾¹ Maximaldrehzahl
  • kalibrierte Positions- und Drehzahlrückführung

Lastfrequenzumrichter

  • rückspeisefähig
  • 75 kW Nennleistung (Dauerbetrieb) prüflingsseitig
  • 37 kW Nennleistung (Dauerbetrieb) netzseitig
  • Regelung des Lastmomentes auf zusätzlich vorgesehen Drehmomentsensor

Prüflingsumrichter

  • 4 Prüfplätze, automatisch umschaltbar
  • Anbringung auf Teilmontageplatten für schnelles Umrüsten
  • vollständige Feldbuseinbindung für automatisiertes und reproduzierbares Testen
  • Möglichkeit der Einbringung von zusätzlichen Energiespeichern (z.B. zur Untersuchung von Frequenzumrichtern mit Batteriestützsystem)

Prüflingsmotoren

  • Schnelles Rüsten durch Adapterflansche
  • mechanische Aufnahme bis Baugröße (nach DIN EN 50347) 180M/L, auf Anfrage erweiterbar

Übersicht der normgerechten Prüfmethoden

Bestimmung der Kenngrößen von drehenden elektrischen Maschinen bei den Betriebsarten S1 bis S10 gemäß DIN EN 60034-1

Wirkungsgradbestimmung für

  • netzbetriebene Drehstromasynchronmotoren gemäß DIN EN 60034-2-1 (Methode 2-1-1A, Methode 2-1-1B, Methode 2-1-1C)
  • Umrichter gespeiste Synchronmotoren gemäß DIN EN 60034-2-1 (Methode 2-1-2A)
  • Umrichter gespeiste Synchron- und Asynchronmotoren gemäß DIN EN 60034-2-3 (Methode 6.2)

Beispiele für typische Prüfaufgaben

Optimierung des Systemverhaltens auf vorgegebene Anwendungsfälle für umrichtergespeiste, drehzahlvariable Drehstromantriebe

  • Erstinbetriebnahmen und Erstellung von serientauglichen Umrichter-Parametersätzen
  • Funktionsvalidierung des Antriebsverhaltens
  • Systemoptimierung, z.B. hinsichtlich verlustminimalen Betrieb oder Betrieb mit maximaler Drehmomentabgabefähigkeit

Elektrische Charakterisierung von Asynchron- und Synchronmotoren

  • Messung der Drehzahl-Drehmoment-, Reib- oder Sättigungs-Kennlinien
  • Bestimmung der elektrischen Ersatzschaltbildparameter
  • Abschätzung von Parameterstreuung von Serienmotoren
  • Thermische Charakterisierung sowie Bestimmung der thermischen Ersatzschaltbildparameter

Beurteilung des Betriebsverhaltens von Frequenzumrichtern

  • Erstinbetriebnahmen, Feldbuseinbindungen und Parametrierungen
  • Bewertung der Steuerungs- und Regelungsstrukturen und Parametriermöglichkeiten in Hinblick auf vorgegebene Anwendungsfälle und kritische Betriebszustände
  • Thermische Grenzwertbetrachtungen
  • Optimierung vorgegebener Parametereinstellungen zum Erreichen eines verbesserten Systemverhaltens

Zukunftsweisender Back-to-back-Teststand

Moderne Windenergieanlagen verwenden einen Frequenzumrichter zur Frequenzanpassung zwischen dem frequenzvariablen Generatorsystem und dem frequenzstarren Versorgungsnetz. Der fortschrittliche Back-to-back Teststand in unserem Prüflabor dient der gezielten Optimierung von Frequenzumrichtern in modernen Windenergieanlagen – beispielsweise durch die Erhöhung der Anschlussleistung pro Windenergieanlage. Mit unserem Teststand ist es unter anderem möglich ohne weitere Beschränkungen Frequenzumrichter bis 1.500 V zu testen. Zudem kann durch die Verwendung eines zusätzlichen Frequenzumrichters am Netzanschlusspunkt des Teststandes das Verhalten eines typischen Generators einer modernen Windenergieanlage nachgebildet werden.

technische Daten

Spezifikation des Teststandes

  • Nennstrom: 6.000 Arms
  • Nennspannung: 400 – … 1.500 Vrms (einstellbar)
  • Nennscheinleistung: 7,5 MVA
  • Nennverluste: 400 kVA (gesamt)
  • Leistungsfaktor: -1 … 0 … 1 (einstellbar)
  • Frequenz: 10 … 500 Hz (einstellbar)
  • DUT Umrichter: Zwei- und Dreistufige Frequenzumrichter
  • DUT Trägerfrequenz: 150 Hz … 15 kHz (einstellbar)

Besonderheiten des Teststandes auf einen Blick

  • Test von Frequenzumrichtern bis 1.500 Vrms
  • Messung der vollen Scheinleistung des Frequenzumrichters mit individuell vorgebbarer Regelung von Wirk- und Blindleistung
  • Messung unter dynamischen Lastbedingungen, z.B. FRT-Verhalten oder kurzzeit Überlastfähigkeiten

Individuell angepasst auf Ihren Bedarf

Fortbildung und Workshops

Wir bieten Ihnen Fortbildung in den Bereichen Leistungselektronik, elektrische Antriebe und regenerative Energietechnik. Von den grundlegenden Konzepten bis hin zu spezialisierten Anwendungsfällen, unser Team von akademisch qualifizierten Entwicklungsingenieuren stellt die Inhalte der Fortbildung speziell nach Kundenwunsch zusammen. Ob als Online- oder Präsenztermin, in kleiner oder großer Seminarteilnehmerzahl, bei Ihnen vor Ort oder in unserer Hauptgeschäftsstelle in Halle/Peißen, gerne erstellen wir Ihnen ein individuelles Angebot.

le-14

Workshop-Themen

  • Grundlagen der Leistungselektronik
  • Steuerung und Regelung drehzahlvariabler Antriebssysteme
  • moderne Regelungsmethoden in der Leistungselektronik
  • Pulsweitenmodulationsverfahren
  • Regelung netzgebundener Stromrichter
  • Auslegung leistungselektronischer Schaltungen und Antriebssysteme
  • regenerative Energieerzeugung
  • Leistungsqualität in dezentralen Energienetzen

Von der Idee bis zum Prototypen

3D-Konstruktion von Bauteilen

Die moderne 3D-Konstruktion ist zu einem zentralen Bestandteil der Prototypenentwicklung in der Leistungselektronik und elektrischen Antriebstechnik geworden. Mit unserer 3D-Konstruktionsdienstleistung im CAD-Design können Powerstacks und verwandte Bauteile der Leistungselektronik designt werden. Dabei arbeiten wir auf Basis etablierter Normen und relevanter Auslegungsmerkmale der Mechanik und Elektrotechnik unter Berücksichtigung der Isolationskoordination (z.B. nach DIN EN-61800-5-1 oder nach IEC 61287). Die anschließende Herstellung der Prototypen sowie der zugehörige Typtest kann in unseren Laboren erfolgen.

NX Design

Thermische Simulation

Thermische Charakterisierung von Leistungshalbleitern

Die Simulation thermischen Verhaltens ist ein wichtiger Bestandteil der Produktentwicklung temperaturempfindlicher Bauteile der Leistungselektronik und elektrischen Antriebstechnik. Mit unserem modernen Leistungshalbleiter- und Power-Stack-Teststand können thermische Ersatzschaltbilder von Power-Stacks sowie Schalt- und Durchlassverluste von Leistungshalbleitern in Power-Stacks bestimmt werden. Mit Hilfe dieser thermischen Ersatzschaltbilder werden virtuelle Power-Stacks erstellt und Lastprofile thermisch simuliert. Parameter wie beispielsweise Umgebungstemperatur, Schaltfrequenz und Schaltmuster können hier variabel eingestellt und die Auslegung von Systemen bis zu den systemimmanenten thermischen Grenzen erfolgen.

Webside_profile

Lebensdauerberechnung von Umrichtern

Lebensdauer verschiedener Antriebsanwendungen

Die Lebensdauer von Umrichtern für verschiedene Antriebsanwendungen kann je nach Belastung variieren und ist für die Planung und Auslegung von Wind- oder Lastantrieben von zentraler Bedeutung. Die Basis der Lebensdauerberechnung eines Umrichters stellt dabei das Lastprofil als Drehmoment-/Drehzahl-Profil oder Profil mit Umrichterströmen und -spannungen dar. Zudem werden thermische Impedanzen und Schaltenergien der Umrichter berücksichtigt, um die Verluste und anschließend die Temperaturen der Bauteile für ein Lastprofil zu berechnen. Die Auswertung der Temperaturzyklen erfolgt mit einem Standard-Rainflow mit durch Postprocessings optimierten Rainflow-Algorithmus.

Lebensdauerberechnung

Entwicklungsleiter Dr.-Ing Nils Hoffmann

Das Studium der Elektro- und Informationstechnik an der Technischen Fakultät der Christian-Albrechts-Universität (CAU) zu Kiel schloss Nils Hoffmann mit der Diplomarbeit zum Thema Prädiktive Regelung eines Antriebssystems mit schwingungsfähiger Last und nach einem Industriepraktikum bei Danfoss Drives A/S im Jahre 2009 ab. Als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Leistungselektronik und elektronische Antriebe vertiefte er sein Wissen und setzte sich intensiv mit weiterführenden Forschungsschwerpunkten der modernen und netzadaptiven Regelungsverfahren für Netzpulsstromrichter in der dezentralen regenerativen Energieerzeugung sowie prädiktiven Regelungsverfahren in der Leistungselektronik und Antriebstechnik auseinander.

Vita und Eckpunkte

Die Ergebnisse seiner Forschungsarbeiten präsentierte Nils Hoffmann regelmäßig auf internationalen und anerkannten Konferenzen wie der IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, bei welcher seine Vorträge in den Jahren 2011 und 2012 mit dem IEEE ECCE Student Presentation Award ausgezeichnet wurden. Als aktives Mitglied in der IEEE Industrial Electronics Society, der IEEE Industry Applications Society, der IEEE Power Electronics Society sowie der VDE Energietechnische Gesellschaft bleibt Nils Hoffmann auch nach seiner Tätigkeit an der Universität mit den aktuellsten Forschungsergebnissen und -entwicklungen vertraut. Die Tätigkeit als Gutachter für renommierte Fachzeitschriften wie beispielsweise IEEE Transactions on Power Electronics, IEEE Transactions on Industrial Electronics, IEEE Transactions on Industry Applications, IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, IEEE Transactions on Industrial Informatics und dem IET Journal Power Electronics zeigt die Wertschätzung seiner Fachkenntnisse.

Als Anerkennung der besonderen wissenschaftlichen und publizistischen Leistungen erhielt Nils Hoffmann im Oktober 2014 den VDE/ETG-Literaturpreis, welcher vom Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V. (VDE) und von der Energietechnischen Gesellschaft im VDE (ETG) verliehen wurde. Im Jahr 2014 hat Nils Hoffmann mit seiner Dissertationsschrift unter dem Titel Netzadaptive Regelung und Aktiv-Filter-Funktionalität von Netzpulsstromrichtern in der regenerativen Energieerzeugung seine Promotion mit dem Prädikat summa cum laude abgeschlossen. Gutachter im Promotionsverfahren waren Herr Prof. Dr. F. W. Fuchs (Christian-Albrechts-Universität zu Kiel), Herr Prof. Dr. F. Blaabjerg (Aalborg Universität, Dänemark) und Herr Prof. Dr. M. P. Kazmierkowski (Technische Universität Warschau, Polen).

Neben der wissenschaftlichen Forschung steht für Nils Hoffmann insbesondere der Technologietransfer in die Industrie im Vordergrund. Die entwicklungsnahe Forschung erfolgte mit namenhaften Unternehmen wie Danfoss Solar Inverters A/S, Danfoss Drives A/S, Danfoss High-Power-Converters Inc., kk-electronic A/S oder der Converteam GmbH (heute: GE Energy Power Conversion GmbH). Die zahlreichen Industriekooperationen auf dem Feld der Vorentwicklung und Beratung zeigten, dass die Forschungsergebnisse eine hohe Industrierelevanz aufweisen und in der Praxis Anwendung finden.

Vollständige Publikationsliste

Hoffmann, L. Asiminoaei, S. Hansen and F. W. Fuchs, „Shunt active filter with optimum reference generation algorithm for power factor and harmonic current compensation“, Proc. of IEEE Energy Conversion Congr. and Exposition, pp. 2784-2793, Sept. 2009.

Hoffmann, S. Thomsen and F. W. Fuchs, „Model based predictive speed control of a drive system with torsional loads – A practical approach“, Proc. of 14th Int. Power Electron. and Motion Control Conf., pp. T5-149, Sept. 2010.

Hoffmann, S. Thomsen and F. W. Fuchs, „Appropriate tuning and robust design of a generalized predictive speed controller for drive systems with resonant loads“, Proc. of IEEE Energy Conversion Congr. and Exposition, pp. 764-771, Sept. 2010.

Hoffmann, F. W. Fuchs and J. Dannehl, „Models and effects of different updating and sampling concepts to the control of grid-connected PWM converters – A study based on discrete time domain analysis“, Proc. of 14th Eur. Conf. on Power Electron. and Appl., pp. 1-10, Aug. 2011.

N. Hoffmann, R. Lohde, M. Fischer, F. W. Fuchs, L. Asiminoaei and P. B. Thøgersen, „A review on fundamental grid-voltage detection methods under highly distorted conditions in distributed power-generation networks“, of IEEE Energy Conversion Congr. and Exposition, pp. 3045-3052, Sept. 2011.

Hoffmann, F. W. Fuchs and L. Asiminoaei, „Online grid-adaptive control and active-filter functionality of PWM-converters to mitigate voltage-unbalances and voltage-harmonics – a control concept based on grid-impedance measurement“, Proc. of IEEE Energy Conversion Congr. and Exposition, pp. 3067-3074, Sept. 2011.

Hoffmann, M. Hempel, M.C. Harke and F.W. Fuchs, „Observer-based Grid Voltage Disturbance Rejection for Grid Connected Voltage Source PWM Con-verters with Line Side LCL filters“, Proc. of IEEE Energy Conversion Congr. and Exposition, pp. 69-76, Sept. 2012.

Hoffmann and F.W. Fuchs, „Online Grid Impedance Estimation for the Control of Grid Connected Converters in Inductive-Resistive Distributed Power-Networks Using Extended Kalman-Filter“, Proc. of IEEE Energy Conversion Congr. and Exposition, pp. 922-929, Sept. 2012.

Hoffmann, M. Andresen, L. Asiminoaei, F.W. Fuchs and P. B. Thøgersen, „Variable Sampling Time Finite Control-Set Model Predictive Current Control for Voltage Source Inverters“, Proc. of IEEE Energy Conversion Congr. and Exposition, pp. 2215-2222, Sept. 2012.

Thomsen, N. Hoffmann and F. W. Fuchs, „Comparative study of conventional PI-control, PI-based state space control and model based predictive control for drive systems with elastic coupling“, Proc. of IEEE Energy Conversion Congr. and Exposition, pp. 2827-2835, Sept. 2010.

Wessels, N. Hoffmann and F. W. Fuchs, „Regelung der negativen Spannungssequenz durch Windenergieanlagen – Negative sequence voltage control for wind turbines“, Internationaler ETG-Kongress, vol. ETG-FB 130, Nov. 2011.

W. Fuchs, N. Hoffmann, J. Reese, C. Wessels, R. Lohde, S. Grunau and F. Gebhardt, „Research Laboratory for Grid-integration of Distributed Renewable Energy Resources – Integration Analysis of DERs -“ Prof. of 14th Int. Power Electron. and Motion Control Conf., pp. 1-10, Sept. 2012.

W. Fuchs, F. Gebhardt, N. Hoffmann, A. Knop, R. Lohde, J. Reese and C. Wessels, „Research Laboratory for Grid-integration of Distributed Renewable Energy Resources – Design and Realization -“ Proc. of IEEE Energy Conversion Congr. and Exposition, pp. 1974-1981, 15-20 Sept. 2012.

Hoffmann and F. W. Fuchs, „Minimal Invasive Equivalent Grid Impedance Estimation in Inductive-Resistive Power-Networks using Extended Kalman-Filter“, IEEE Trans. Power Electron., vol. 29, no. 2, pp. 631-641, Feb. 2014.

Thomsen, N. Hoffmann and F. W. Fuchs, „PI Control, PI-Based State Space Control, and Model-Based Predictive Control for Drive Systems With Elastically Coupled Loads – A Comparative Study“, IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 58, no. 8, pp. 3647-3657, Aug. 2011.

Wessels, N. Hoffmann, M. Molinas and F. W. Fuchs, „StatCom Control at Wind Farms with Fixed Speed Induction Generators under Asymmetrical Grid Faults“, IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 60, no. 7, pp. 2864-2873, July 2013.

Panten, N. Hoffmann, N. and F. Fuchs, , „Finite Control Set Model Predictive Current Control for Grid-Connected Voltage-Source Converters with LCL-Filters: A study based on different State Feedbacks,“ IEEE Trans. Power Electron., vol. 31, no. 7, pp. 5189-5200, 2016.

Hoffmann, F.W. Fuchs, M.P. Kazmierkowski, and D. Schröder, „Digital current control in a rotating reference frame Part I: System modeling and the discrete time-domain current controller with improved decoupling capabilities,“ IEEE Trans. Power Electron., vol. 31, no. 7, pp.5290-5305, 2016.

Hoffmann, F. W. Fuchs und D. Schröder, „Indirekte Stromregelverfahren für Drehfeldmaschinen“ (Kapitelbeitrag) Elektrische Antriebe – Regelung von Antriebssystemen, 4. Auflage, Springer, ISBN 978-3-642-30095-0, 2015.

Hoffmann, “Grid-adaptive control and active-filter functionality of grid-connected PWM converters in renewable energy generation”, Dissertation, available online, urn:nbn:de:gbv:8-diss-163567, 2015.