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Prof. Dr.-Ing. Norbert GraßELSYS Prof. Dr.-Ing. Norbert Graß 02.02.2011 1

Prof. Dr.-Ing. Norbert GraßProf. Dr.-Ing. Armin Dietz

Georg-Simon-Ohm Hochschule Nürnberg

Untersuchung der Regelung für maximale Leistung (MPP=maximal power point)

in einem Einphasen Wechselrichter

Institut für Leistungselektronische Systeme

Prof. Dr.-Ing. Norbert GraßELSYS Prof. Dr.-Ing. Norbert Graß

Verbesserung der Qualität der Lehre

PraxisbezugAktualität der Forschungsprojekte

IndustriekontakteTeamarbeit und -organisation

Projektmanagement

IndustrieprojekteStromrichterPrototypenentwicklung Dienstleistungen

Grass Power Electronics GmbH

Aktivitäten

Leistungselektronik-Simulation-Steuerverfahren-Blindleistung, EMV-Prototypen bis 300 kW-IGBT Ansteuerung

Antriebstechnik:-Kfz Antriebe-Wirkungsgrad-Umrichterbetrieb-Prüfung

Microcontroller, FPGA:-Modularität-Eigenverbrauch-Objektorientiert (UML)-Modulationsverfahren-Messtechnik

Energieversorgung:-Dezentrale Einspeiser-Smart Grids-Energiemangement-Netzqualität

Angewandte Forschung und Entwicklung,

Institut ELSYS

10.02.2011 2

Prof. Dr.-Ing. Norbert GraßELSYS Prof. Dr.-Ing. Norbert Graß 10.02.2011 3

Das ELSYS Team

Prof. Dr.-Ing. Norbert Graß

ECPE (European Center of Power Electronics)

CompetenceCentre

Bay. Cluster „Leistungselektronik“ ClusterbeiratProf. Graß

Cluster „Mechatronik und Automation“ MitgliedELSYSProf. Dietz

IEEE IAS (Industrial Applications Society)Electrostatic Processes Comittee (EPC)

EPC Vice ChairProf. Graß

Organisationen

10.02.2011 4


Leistungsoptimierung eines Solarwechselrichters

1

2

PP

=η

Aufbau

10.02.2011 5



Kennlinien Solargenerator

790W 1,5kW

MPP90° Einstrahlung

30° Einstrahlung

10.02.2011 6



Messungen

30°Einstrahlung 90°Einstrahlung

Leistung P1 Leistung P2

Spannung U1 Strom I1

10.02.2011 7



Anzeige Wirkungsgrad


10.02.2011 8



Trendanzeige Wirkungsgrad


Wirkungsgrad η

95,00%

96,25%

10.02.2011 9

Prof. Dr.-Ing. Norbert Graß

Prof. Dr.-Ing. Norbert GraßProf. Dr.-Ing. Armin Dietz

Ohm-Hochschule Nürnberg Institut ELSYSKeßlerplatz 1290489 Nürnberg

Tel.: +49 (911) 5880 [email protected]@ohm-hochschule.dehttp://www.elsys-online.de

Vielen Dank

10.02.2011 10

02.02.2011 1

Prof. Dr.-Ing. Norbert GrassProf. Dr.-Ing. Armin Dietz

Georg-Simon-Ohm University of Applied Sciences Nuremberg

Aktives Oberschwingungsfilter

Institute for Power Electronic Systems

ELSYS Aktives Oberschwingungsfilter Prof. Dr.-Ing. Norbert Grass 10.02.2011

Wirkung von Oberschwingen im Netz

2

Neutralleiter: Oberschwingungsströme durch 3 teilbarer Ordnung addieren sich (Erklärung nächste Folie)

Transformatoren:Wirbelströme steigen mit Quadrat der Ordnungszahl VerlusteBeanspruchung Isoliersystem (Wicklungskapazitäten)GeräuscheOS drei teilbarer Ordnung bei Dreieckschaltung im Trafo zu Null addiert

Kompensations-Kondensatoren: Zusatzverluste 1/(ωC)Geräusche

Leitungen: Skineffekt Zusatzverluste


Oberschwingungsanalyse

3

∑

∫

∫

∫

+=

=

+=

−=+

=

=

=

)sin()(

arctan

)cos()sin()cos(

)sin()(1

)cos()(1

)(21

22

2

0

2

0

2

0

0

νν

ν

νν

ννν

νννν

π

ν

π

ν

π

ϕνω

ϕ

ϕνωνωνω

ωνωωπ

ωνωωπ

ωωπ

tctxba

bac

tctbta

tdttxb

tdttxa

tdtxa (Gleichanteil)∑−

=

−=

1

0

**2

*1 N

n

Nknj

nk exN

Xπ

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

+=

⎪⎪⎭

⎪⎪⎬

⎫

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

∑

∑−

=

−

=

kb

kak

kbkak

N

nnkb

N

nnka

xxxxx

Nknx

NX

Nknx

NX

arctan**2sin*1

**2cos*1 22

1

0

1

0

ϕπ

π

Diskrete Fourier Transformation:

N: Anzahl der Abtastpunkte pro Periodek: Nummer der Oberschwingung

A

N

TxN

X ⋅⋅= ∑1

1ν

Amplitude Phase

Mathematische Herleitung:

ν: Ordnung der Oberschwingungω= 2πf: Kreisfrequenzx(t): Zeitfunktion (Spannung oder Strom)


Effektivwert und Leistung

4

ννν

π

ϕϕϕ

ϕ

ωωωπ

cos...coscos

cos

)()(21

222111

11

2

0

∑

∫

⋅=

+⋅⋅+⋅⋅=

⋅⋅=

⋅=

IUPIUIUP

IUP

tdtituP

W

W

effW

W

• bei Spannungsoberschwingungen

mit Iν: Effektivwert Oberschwingung

• bei starrem Netz (keine Spannungsoberschwingungen, nur Stromoberschwingungen)

Wirkleistung wird nur durch Grundschwingung übertragen

Oberschwingungen von Spannung und Strom gleicher Ordnung übertragen Wirkleistung

(ohne Herleitung)

• Effektivwertberechnung: 2 2 2 21 2 3 ... NI I I I I= + + + +


Blind-, Scheinleistung für Grundschwingung

1

11

21

211

221

2

221

2

1111

cos

sin)sin()cos()(

)sin()cos()(sin

SP

QPS

DSS

IUQQD

IUQtbtatu

tbtatiIUQ

uu

ii

=

+=

+=

=−=

⋅⋅=+=+=

⋅=

∑

∑

=

ϕ

ϕνωνωνωνω

ϕ

νν

ννν

ννν

ννν

Steuerblindleistung:

Scheinleistung:

Leistungsfaktor (Verschiebefaktor):

S1P1

Q1

ϕ1

Grundschwingung

5


S1P1

Q1D

S

ϕ1

Blindleistung, Leistungsfaktor

SP

SP

QPS

DSS

IUQQD

IUQtbtatu

tbtati

IUQ

uu

ii

=

=

+=

+=

=−=

⋅⋅=+=+=

⋅=

∑

∑

∞

=

λ

ϕ

ϕνωνωνωνω

ϕ

νν

ννν

ννν

1

11

21

211

221

2

221

2

1111

1111

cos

sin)sin()cos()(

)sin()cos()(

sin

Steuerblindleistung:

Verzerrungsblindleistung:

Scheinleistung:

Leistungsfaktor (Verschiebefaktor):

Gesamter Leistungsfaktor:

Grundschwingung

Oberschwingungen

1

2

2

I

ITHD

∑∞

== υυ

Verzerrungsfaktor:

Total Harmonic Distortion:

6


Einfaches Modell für Netze und Verbraucher

7

UGen = ΔU + UAn

UAn = UGen - ΔU

Lineare Verbraucher:• R, L, C Verhalten• Wirkleistung P• Blindleistung Q1• Beispiel: Motoren

Nichtlineare Verbraucher:• Schaltnetzteile• Umrichter, Steller• negativer Widerstand

ΔU = INetz (R + jωL)


B2 Gleichrichter am Netz

8

-300

-200

-100

0

100

200

300

0 90 180 270 360 450 540 630 720wt

uN-uN(t)ILoaduC(t)iNetz(t)

Beispiel:UNetz = 230 VC = 2 mFILoad = 20 A


Pulsweitenmodulierter Gleichrichter (mit PFC)

U

V

W

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420

T1 T3 T5

T2 T4 T6

Pulsweitenmodulierte Ausgangsspannungen Netzströme

9



10

Messaufbau mit B6- Brückengleichrichter

Filterstrom Brückenstrom

Netzstrom


ELSYS Power Platforms

11

• Modular, flexibel und skalierbar• bis 1000 A / 300 kW• Schaltfrequenzen bis 100 kHz• Integrierte Messtechnik• Schutz- und Diagnosefunktionen


ELSYS Control Plattforms

12

Infineon 80XC167Xilinx Spartan 3

DSP TMS320F28335



13

Gelb: Außenleiterspannung u12 (t)Grün: Netzstrom i1 (t)

Zeitlicher Verlauf FFT Oberschwingungsspektrum (Netzstrom)

Exemplarische Messung der 5. harmonischen Oberschwingung mit einer Amplitude von 1,34 A

Netzgrößen bei inaktivem Filter



14



Die Amplitude der 5. harmonischen Oberschwingung ist um ca. 80% auf 0.28 A gesunken

Gezielte Kompensation der 5. Oberschwingung



15



Amplituden der Oberschwingungen deutlich kleiner (auch am sinusförmigeren Verlauf des Netzstromes erkennbar).

Gezielte Kompensation bis zur 11. Oberschwingung

ELSYS Aktives Oberschwingungsfilter Prof. Dr.-Ing. Norbert Grass 10.02.2011 16

Prof. Dr.-Ing. Norbert GrassProf. Dr.-Ing. Armin Dietz

Ohm-University Nuernberg Institute ELSYSKesslerplatz 12D-90489 Nuernberg

Phone.: +49 (911) 5880 [email protected]@ohm-hochschule.dehttp://www.elsys-online.de

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