05 Fakultät Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik
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Item Open Access Berührungslose Messung schnell veränderlicher Ströme(2014) Hudoffsky, Boris; Roth-Stielow, Jörg (Prof. Dr.-Ing.)Die berührungslose Strommessung wird im speziellen Anwendungsgebiet der Leistungselektronik bezüglich der Anforderungen an Messgeräte, des Stands der Technik und einem eigens entwickelten Messsystem behandelt. Die Herausforderung bei der Erfassung eines Stromverlaufs wird umso größer, je breitbandiger das Signal ist. Die für die Leistungselektronik typischen trapezförmigen Verläufe sind durch steile Flanken und dazwischenliegende Zeitabschnitte mit konstantem Strom gekennzeichnet. Sie enthalten neben dem Gleichanteil und der Grundschwingung viele hochfrequente Oberschwingungen. Für diese spezielle Signalform wird in dieser Arbeit der Zusammenhang zwischen erforderlicher Messgenauigkeit und benötigter Bandbreite eines Messsystems hergeleitet. Aus dieser Betrachtung kann eine Aussage darüber abgeleitet werden, welche Genauigkeit mit einem Messsystem bei angenommenem Tiefpassverhalten des Messgeräts erreicht werden kann. Andersherum kann eine Aussage darüber gemacht werden, welche Grenzfrequenz bei einer geforderten Genauigkeit notwendig ist. Aus hohen Anforderungen an die Genauigkeit resultiert bei trapezförmigem Signalverlauf eine große Bandbreite inklusive Gleichstrom. Nach dem Stand der Technik weisen direkt-abbildende und Nullfluss-geregelte Strommesssysteme PT1-Verhalten auf. Bei einer detaillierten Analyse etablierter Messsysteme wird festgestellt, dass die Kombination der Eigenschaften einer großen Bandbreite inklusive Gleichstromerfassung mit einer großen zulässigen Amplitude über den gesamten Frequenzbereich in einem Strommesssystem nicht gegeben ist. Diese Kombination ist allerdings für die breitbandige Strommessung besonders wichtig. Der Ansatz der stoßfreien Verkoppelung (HOKA-Prinzip) synthetisiert ein Messsystem aus zwei Sensoren: Gleichstrom und niederfrequente Ströme werden vom ersten Sensor (DC-Sensor), niederfrequente bis hochfrequente Ströme werden vom zweiten Sensor (AC-Sensor) erfasst. Dabei arbeiten die beiden Sensoren unabhängig voneinander und besitzen unterschiedliche Übertragungsfunktionen. Das Zusammenführen dieser zwei unterschiedlichen primären Sensoren führt zu einem breitbandigen Ausgangssignal. Bisher wurden zum HOKA-Prinzip keine Lösungen als zu öffnende Zange vorgestellt. Außerdem beschränken kommerzielle DC-Sensoren die Einsatzmöglichkeiten in Umgebungen mit großen Strömen bei hohen Frequenzen. Zur Vermeidung dieser Einschränkungen werden Lösungen vorgestellt und in Form eines Prototypen am Beispiel der Strommessung in der Leistungselektronik präsentiert. Die bisher vorhandene Technik zur Erfassung niederfrequenter Ströme stellt Messsysteme unterschiedlicher Genauigkeit bei einem weiten Bereich der maximal erfassbaren Amplitude zur Verfügung. Die berührungslosen Messverfahren, die für den DC-Sensor in Frage kommen, basieren auf der Erfassung des magnetischen Felds um einen Stromleiter, das in einem weichmagnetischen Kern gebündelt und über die Flussdichte ausgewertet wird. Dieser Kern kann in mancher Hinsicht die Messung negativ beeinflussen. Einerseits wird damit eine zusätzliche Induktivität in den zu messenden Stromkreis eingefügt, so dass die ursprünglichen Stromverläufe verändert werden. Andererseits können bei hochfrequenten Strömen so große Verluste im Kern entstehen, dass eine Messung nur kurz oder gar nicht möglich ist. Um die Verluste zu vermeiden und dennoch den Teil der gleichstromfähigen Erfassung für ein breitbandiges Messsystem zu erhalten, wird ein neues Konzept zur Gleichstrommessung vorgestellt. Die höherfrequenten Ströme werden mit einer Luftspule gemessen. Das neue Konzept beinhaltet die Messung des Magnetfelds um den stromführenden Leiter mit Induktionssensoren und verzichtet auf die Führung des magnetischen Flusses in einem Eisenkern. Den Induktionssensoren liegt der riesenmagnetoresistive- (GMR-) Effekt zu Grunde. Sie werden mit einer Biasspule vormagnetisiert und als Sensor-Spule-Kombination in einer ringförmigen Reihe um den zu messenden Leiter angeordnet. Ein Kanal des DC-Messsystems besteht neben der Kombination von Induktionssensor und Biasspule aus einer Ansteuer- und Auswerteschaltung. Mit dieser Technik wird ein Prototyp aufgebaut und im Betrieb untersucht. Zur Erfassung der höher- und hochfrequenten Ströme wird eine in Zangenform gewickelte Luftspule entworfen und aufgebaut. Die Ausgangssignale der beiden Sensoren werden über eine HOKA-Auswerteschaltung verkoppelt. Damit entsteht ein breitbandiges Strommesssystem als Zange ausgeführt, welches DC-Ströme von über 1000A messen kann. Der Frequenzbereich erstreckt sich bis über 10MHz, ebenfalls bei einer Amplitude von 1000A. Mit eigens aufgebauten Prüfplätzen werden neben der Untersuchung des neuen Strommesszangenkonzepts bestehende Strommesssysteme getestet. Die Eigenschaften der Messsysteme werden nach einem systematischen Vorgehen ermittelt, so dass ein qualitativer Vergleich der Geräte möglich ist.Item Open Access Neuartige Gleichrichtersysteme für die Wasserelektrolyse(2023) Bintz, Steffen; Roth-Stielow, Jörg (Prof. Dr.-Ing.)Die Wasserelektrolyse stellt als Speichertechnologie einen wichtigen Baustein zur Verstetigung volatiler regenerativer elektrischer Energiequellen wie Photovoltaik oder Windenergie dar. Großes Potential bringt die Erzeugung von Wasserstoff für eine Sektorenkopplung verschiedener Wirtschafts- bzw. Industriezweige bezüglich deren Bedarf chemischer Energieträger, der bisher aus fossilen Quellen bedient wird. Unter Voraussetzung einer angestrebten Integration von Wasserelektrolysesystemen in bestehende Infrastruktur, werden geeignete Gleichrichtersysteme benötigt, welche eine effiziente Elektrolyse-Prozessführung ermöglichen und sich günstig in das bestehende Wechsel- bzw. Drehspannungsnetz einfügen und gleichzeitig einen hohen Wirkungsgrad aufweisen. Die Anforderungen des Netzes für Gleichrichter ergeben sich aus Richtlinien zum Betrieb von Bezugs- bzw. Erzeugungsanlagen an das Mittelspannungsnetz und deren zu erwartende Entwicklung. Neben Anforderungen, welche für alle betrachteten Gleichrichtervarianten als konstruktiv und regelungstechnisch erfüllbar einzustufen sind, wie z.B. kurzzeitige Spannungseinbrüche oder Flicker, ergeben sich als Topologie-spezifische Eigenschaften der Grundschwingungsleistungsfaktor und die harmonische Stromverzerrung, mit denen die Netzbelastung bewertet werden kann. Bezüglich des Elektrolyse-Prozesses muss zunächst die Wechselwirkung von Prozess und Gleichrichter abgebildet werden. Dazu wird ausgehend von der chemischen Reaktion zur Aufspaltung von Wassermolekülen und dessen Nutzbarmachung im Elektrolyseur das elektrische Verhalten abgeleitet. Eine hierfür ausreichende Beschreibung ist durch ein RC-Doppelschichtmodell mit serieller Spannungsquelle gegeben, aus dessen ohmsch-kapazitivem Verhalten auf eine hohe Sensitivität gegenüber Spannungsschwankungen geschlossen werden kann. Darauf aufbauend werden Anforderungen an Qualität bzw. Welligkeit des dem Elektrolyseur zuzuführenden Gleichstroms abgeleitet. Durch Auswertung von Prozessuntersuchungen wird eine anzustrebende maximale Welligkeit definiert, welche geringen Energiebedarf und hohe Gasqualität bzw. Reinheit des produzierten Wasserstoffs gewährleistet. Um Gleichrichtersysteme auf Eignung zur Erfüllung der abgeleiteten Anforderungen untersuchen zu können, wird der Stand der Technik steuerbarer Hochstromgleichrichter, ausgehend von der sechspulsigen Thyristor-basierten Brückenschaltung als einfachstem Gleichrichter mit symmetrischer Netzbelastung, analysiert. Darauf aufbauend werden Varianten mit erhöhter Pulszahl, sowie zusätzlichen seriellen Wechsel- und Gleichspannungsstellern betrachtet. Im Kontext volatiler Energiequellen wird für Elektrolysesysteme ein Teillastbetrieb gefordert, bei dem die konventionellen Hochstromgleichrichter Netz- und Prozessanforderungen nicht ohne Zusatzaufwand erfüllen können. Entsprechend werden zusätzlich selbstgeführte Gleichrichter und bestehende Hybridkonzepte zur Kombination von Thyristor-basierten netzgeführten Gleichrichtern mit selbstgeführten Gleichrichtern vorgestellt. Diese versprechen aufgrund der Eigenschaft von selbstgeführten Gleichrichtern, Netz- und Ausgangsstrom weitestgehend frei einstellen zu können, bessere Ergebnisse bei der Erfüllung von Netz- und Prozessanforderungen. Da bestehende Gleichrichtersysteme nur bedingt in der Lage sind, Netz- und Prozessanforderungen über einen weiten Betriebsbereich bei hohem Wirkungsgrad in der angestrebten Anwendung zu erfüllen, werden neue Hybridgleichrichterkonzepte vorgestellt, welche auf die Elektrolyse-Anwendung mit ihren hohen Strömen bei vergleichsweise geringen Spannungen angepasst sind. Kern bildet hier die parallele Anordnung sechs- oder höherpulsiger Thyristor-basierter Gleichrichter mit gleichstromseitig parallelgeschalteten ein- oder mehrstufigen selbstgeführten Gleichrichtern, wodurch eine konstante Momentanleistungsübertragung erreicht werden kann. Die wechselspannungsseitige Kopplung erfolgt über zusätzliche Wicklungsgruppen im aus Sicherheitsgründen geforderten Trenntransformator. Ergänzt ist eine Hybrid-Gleichrichtervariante, welche die Sicherheitsanforderungen einer Wasserstoffprozessierung auf Erd-Potential ohne Trenntransformator ermöglicht. Zum Vergleich verschiedener Gleichrichtersysteme ist eine Simulationsmethodik entwickelt worden, die mit Hilfe von Datenblattwerten einzusetzender Komponenten parametrierbar ist und damit bereits im Entwurfsprozess von Gleichrichtersystemen zum Einsatz kommen kann. Die Genauigkeit der mit der Simulationsmethodik gewonnenen Ergebnisse wird anhand der zur Funktionsüberprüfung der neuen Hybridgleichrichter entworfenen 10 kW-Gleichrichter-Demonstratoren nachgewiesen. Im Ergebnis zeigt sich, dass Hybrid-Gleichrichter netz- und prozessseitige Anforderungen über weite Betriebsbereiche im Gegensatz zu nur thyristorbasierten Gleichrichtern erfüllen; der Wirkungsgrad dabei jedoch im Gegensatz zu vollständig selbstgeführten Gleichrichtersystemen nur geringfügig abfällt.