Tools

Siemens HungarySiemens Hungary

A projekt fő kutatási irányai

A projekt kutatási irányainak rövid ismertetője

A Siemens Zrt. és a Budapesti Műszaki Egyetem a Miniszterelnökség és a Kutatási, Technológiai és Innovációs Alap támogatásával megvalósuló közös projektje a 2014-es év során fontos előrelépéseket tett az elektromos autó hajtásinverterének és energiaellátó rendszereinek fejlesztésében. A projekt fő kutatási irányát kiegészítve több fontos fejlesztés történt elméleti, kutatási, illetve infrastrukturális szempontból. Kutatási eredmények közé sorolhatjuk az újfajta holtidő-kompenzációs eljárás kidolgozását, amelyet feszültséginverterek irányító egységei használnak a harmonikus kibocsátás szempontjából optimalizált működés érdekében. Emellett ki kell emelni, hogy egy redundáns védelmet biztosító akkumulátor felügyeleti rendszert fejlesztettünk ki, amely főleg biztonságkritikus felhasználási területeken, mint az elektromos autó vagy repülő, hordoz innovációs potenciát.

A kutatás-fejlesztési tevékenység eredményeként a 2014-es év végére létrejött egy komplex Hardware-in-the-Loop (HIL) szimulátoros környezet, amely emulálni tud teljes villamos hajtásokat, vagy azok bármely részegységét. A rendszer használatával csökken a vezérlőegységek fejlesztési és tesztelési ideje és költsége, illetve gyors és átfogó tesztelést biztosít teljesítményelektronikai eszközök irányító egységeihez.

Infrastrukturális fejlesztés a decemberben felavatott teljesítményelektronikai laboratórium a Siemens Zrt. Gizella úti telephelyén, valamint a Budapesti Műszaki Egyetem épületeiben épülő két, a projekt által támogatott laboratórium. Ezek közül az egyik a nagyáramú mérőhely, a Q épület alagsorában az Automatizálási és Alkalmazott Informatikai Tanszék laboratóriumában kapott helyet, míg a Villamos Energetika Tanszék által installált kisfeszültségű elosztóhálózati mintarendszer a V1 épületben található.

Holtidő kompenzációs eljárás

A vezérlési holtidőt PWM-VSI (impulzusszélesség modulált feszültséginverter) rendszerű átalakítók vezérlő egysége iktatja be, hogy az átkapcsolások során a teljesítmény félvezetők késleltetései miatt rövidzárlat ne következhessen be. Probléma, hogy a holtidő alatt az inverter kimenő feszültsége nem szabályozható. Ez torz feszültség és áram jelalakokat, valamint harmonikus torzítást okoz. Az eddig alkalmazott kompenzációs módszerek azonban kis terhelésű üzemállapotokban nem nyújtanak kielégítő eredményt. Kutatásunk során a holtidő alatti szaggatott vezetés eseteit feltártuk. Az okozott feszültség hibák meghatározása után kifejlesztettünk egy új modell alapú eljárást is. Vizsgálataink alapján a harmonikus torzítás (THD) jelentős csökkenését sikerült elérni, ami főleg a 10% körüli terhelések esetében látványos.

Alkalmazási területek:
Hálózatra kapcsolt inverterek és aktív egyenirányítók: a THD jelentősen csökkent, így a harmonikus kibocsátást korlátozó előírások könnyebben teljesíthetőek. Frekvenciaváltós hajtások: csökkentett veszteségek és jobb szabályozhatóság, különösen az érzékelő nélküli aszinkron motoros hajtások esetében.

Hardware-in-the-Loop szimulátor

A modern teljesítmény átalakítók vezérlőegységeinek (CU) fejlesztése költséges és időigényes feladat. Ezzel szemben a piac gyors eredményeket vár a felmerülő igényekre, természetesen a minőség romlása nélkül. A Hardware-in-the-Loop (HIL) szimulátor egy olyan tesztelési eljárás a teljesítményelektronikában használt vezérlőegységek számára, amelyben a HIL szimulátor a teljesítmény fokozat (főkör) valós idejű szimulációját végzi.

A Hardware-in-the-Loop (HIL) szimulátor tartalmazza a főkör modelljét, illetve a fokozat táplálásának és terhelésének modelljét. A HIL logikai szintekkel dolgozik, illetve paraméterezhető és monitorozható. Ez lehetővé teszi a fejlesztő számára, hogy a vezérlőegységet a főköri tervezés folyamatával párhuzamosan tesztelje. A főkör tesztelése mind hardveresen, mind szoftveresen megvalósítható bárminemű károsodás nélkül. Extrém helyzetek is reprodukálhatók a tesztelés során, ami nagyon ritkán tehető meg a valós rendszerben.

A Hardware-in-the-Loop (HIL) szimulátor valós időben képes emulálni a berendezés teljesítmény fokozatát. Napjainkban, a teljesítményelektronikában nagy kapcsolási frekvenciát alkalmaznak. A kis időállandóval rendelkező tranziensek valósághű szimulációjának érdekében nagy számítási sebesség elérése szükséges. Ennek érdekében HIL szimulátorunkban a hajtásrendszer modell állapotváltozói FPGA segítségével kerülnek kiszámításra. Ezáltal 10-100 ns-os számítási időlépés érhető el.

Legalább 3 erős érv indokolja a HIL szimulátor használatát teljesítményelektronikai fejlesztésekben:

  • párhuzamosítás lehetősége (CU tesztelése a főkör gyártatásával párhuzamosan)

  • biztonsági és minőségi követelmények,

  • költséges és veszélyes hibák elkerülése.

Alkalmazási területek:
Elektromos hajtásrendszereket az ipar szinte minden területén alkalmaznak. A modellek felhasználhatóak e rendszerek szabályozó algoritmusainak offline, szoftverkörnyezetben való fejlesztésére, tesztelésére. Továbbá HIL szimulátor alkalmazásával a vezérlőegység valós idejű hardveres és szoftveres tesztelése együttesen is megvalósítható.

Akkumulátoros rendszerek fejlesztései

Akkumulátoros rendszerekben akár egy cella vagy bármely rendszerszintű paraméter eltérése a definiált tartománytól a cellák vagy akár a teljes rendszer meghibásodásához vezethet. Továbbá mérgező gázok keletkezhetnek, valamint tűz- és robbanásveszély is fennáll. Emiatt legalább a cellafeszültségek és –hőmérsékletek, rendszerszintű feszültségek és áramok mérésére, valamint felügyeletére van szükség. A definiált tartományoktól való eltérés esetén az akkumulátor felügyeleti rendszer (Battery Management System - BMS) legkritikusabb feladata az akkumulátoros rendszer elektromos leválasztása a töltőtől vagy terheléstől, ezzel megszakítva a teljesítményáramlást, illetve megvédve az akkumulátort.

Alkalmazási területek:
BMS használata követelmény minden lítium alapú akkumulátoros rendszer esetén. Nagy megbízhatóságú BMS használata szükséges a korszerű biztonságkritikus alkalmazásokban, mint az elektromos autók és elektromos repülők, akár hibrid, akár teljesen elektromos hajtással rendelkeznek.

Nagyáramú mérőhely

A nagyáramú mérőhely egy korszerű, szakmai szempontból egyedülálló teljesítményelektronikai rendszer, amely mind a hazai, mind a külföldi elektronikai berendezés fejlesztő cégek számára gyors, megbízható és széleskörű funkcionális tesztelést tesz lehetővé prototípusok és gyártmányok vizsgálatára. A megépített rendszerben egy- és háromfázisú, szimmetrikus és aszimmetrikus hálózatok előállítására van lehetőség akár 520V feszültségen, 400Hz frekvencián és 130kW-os teljesítményszinten. Lehetőség nyílik különböző, a felhasználó által megadott hullámformájú feszültségalakok létrehozására; szigetüzem elleni védelem tesztelésére; 2kHz-es frekvenciáig harmonikus szuperpozícióra; akkumulátor, tüzelőanyag cella, állandó mágneses szinkrongép és egyedi karakterisztika emulálására; valamint vezetett harmonikus zavar kibocsátások mérésére is.

Kisfeszültségű elosztóhálózati mintarendszer

A mintarendszeren -közel valós hálózati körülmények között- vizsgálható az intelligens villamos autó töltő és a hálózaton üzemelő egyéb megújuló források (szél, nap) konverterei közötti kölcsönhatás. A mérési környezet alkalmas a különféle szabályozási stratégiák (pl. meddőteljesítmény alapjel állítás, teljesítmény lehatárolás), valamint a töltő és az elosztóhálózati üzemirányító rendszer közötti adatátviteli megoldások vizsgálatára is. Ily módon az elosztóhálózat működése a rákapcsolódó kiserőművekkel és nemlineáris fogyasztókkal együttesen optimalizálható a feszültségminőségi- és veszteség-minimalizálási követelmények szempontjából.