Energie, Elektronik, Umwelt

Labore

Folgende Labore werden im Rahmen der Vertiefung Energie, Elektronik, Umwelt für die Studierenden angeboten:

Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) werden vielfach zur Steuerung oder Regelung von Maschinen und Anlagen eingesetzt. Mit Hilfe von vernetzten, modularen SPS-Systemen lassen sich umfangreiche Prozesssteuerungen realisieren und industrielle Prozesse automatisieren. Mit standardisierter Hardware und Software können technische Prozesse gesteuert werden. Sie bilden die Basis vieler Leittechnikanlagen und werden in Anlagen zur

  • Produktionsleittechnik
  • Verfahrensleittechnik
  • Fertigungsleittechnik
  • Kraftwerksleittechnik
  • Netzleittechnik
  • Gebäudeleittechnik
  • Verkehrsleittechnik
  • Kommunikationsleittechnik

eingesetzt.

Im Labor Automatisierungssysteme lernen die Studierenden Aufbau, Projektierung und Programmierung von Speicherprogrammierbaren Steuerungen an praktischen Beispielen kennen. Auf aktuellen Speicherprogrammierbaren Steuerungen aus der Simatic Reihe werden mit Hilfe der Software TIA Portal in den Programmiersprachen KOP, FUP, AWL und GRAPH Aufgaben aus der Steuerungstechnik gelöst. Die im Labor erstellten Programme werden mit Hilfe von Simulatoren für Anlagen getestet. Somit lassen sich Steuerungen für verschiedene Anlagen wie z.B. Getränkeautomat, Lastenaufzug und Flaschenfülleinrichtung realisieren.

 

Klimawandel, Lärm- und Abgasemissionen, Abhängigkeit von ölexportierenden Staaten, Energiewandel sowie Verkehrsprobleme in Ballungsgebieten und Megacities erfordern ein Umdenken im Bereich der Mobilität. Elektrische Antriebe für Fahrzeuge auf der Straße, der Schiene, zu Wasser und sogar in der Luft bieten erfolgversprechende Lösungskonzepte und werden zukünftig die auf fossiler Energie basierenden Antriebe mehr und mehr verdrängen. Hierzu besteht im Bereich der elektrischen Energiespeicher und der elektrischen Antriebssysteme noch erheblicher Forschungs- und Ausbildungsbedarf.

In dem neu im Aufbau befindlichen Labor für Elektromobilität können Studierende der Studiengänge

  • Bachelor Elektrotechnik/Energietechnik
  • Master Elektrotechnik/Power 
  • Bachelor Mechatronik/Antriebstechnik
  • Bachelor und Master Wirtschaftsingenieurwesen 
  • Master Automobilentwicklung
  • Master Maschinenbau

Versuche mit elektrischen Fahrzeugantrieben und elektrischen Energiespeichern durchführen und an verschiedenen Projekten im Bereich der Elektromobilität wie zum Beispiel dem Gauss-Projekt arbeiten. Im Fokus stehen dabei die in Elektrofahrzeugen verwendeten elektrischen Maschinen, Leistungselektronik, Energiespeicher, Messtechnik sowie die erforderliche Steuerungs- und Kommunikationstechnik.

Dazu stehen im „Haus der Energie“ verschiedene Versuchsstände und Messgeräte zur hochpräzisen Leistungsmessung an Fahrzeugantrieben und elektrischen Energiespeichern zur Verfügung. Im Batterie-Labor, das sich derzeit im Aufbau befindet, können Versuche zur Speicherung von elektrischer Energie durchgeführt werden. In Planung befindet sich auch eine Fahrzeughalle, die zur praktischen Realisierung von Elektrofahrzeugprojekten und für Untersuchungen an kompletten Fahrzeugen vorgesehen ist. Ebenfalls geplant sind Solar-Carports mit angeschlossenen elektrischen Speichersystemen. Hiermit sollen Konzepte der regenerativen Energieversorgung von Elektrofahrzeugen im Zusammenspiel mit der Haustechnik des „Haus der Energie“ in Forschung und Lehre untersucht und weiterentwickelt werden. In separaten Räumen betreibt der Fachbereich ein Brennstoffzellenlabor, in dem ebenfalls für Elektrofahrzeuge relevante Versuche möglich sind.

Eine Fahrzeugflotte mit ein- bis vierrädrigen Elektrofahrzeugen, die zum Teil mit Messeinrichtungen ausgerüstet sind, erlaubt es, Elektromobilität zu „erfahren“ und dabei wissenschaftlich zu untersuchen.

Mit den Einrichtungen ist der Fachbereich in der Lage, Forschungsprojekte im Bereich der Elektromobilität durchzuführen.

 

Für die Leistungselektronik haben sich in den letzten Jahren neben den traditionellen Anwendungsfeldern wie drehzahlregelbaren Antrieben und Schaltnetzteilen große neue Märkte und Anwendungsfelder ergeben. Die Elektromobilität erfordert in besonderem Maße innovative Lösungen für Antriebe und Batteriemanagement. Auch die Anwendung in der Energieversorgung durch Solarwechselrichter ist ein neuer Massenmarkt geworden. Zusätzlich findet die Leistungselektronik in der Energieversorgung zunehmend Anwendung. Die Anbindung von Offshore-Windanlagen über Hochspannungsgleichstrom und der geplante HGÜ-Backbone für das deutsche Verbundnetz sind bekannte Beispiele.

Im Labor für Leistungselektronik werden Studierende der Studiengänge

  • Bachelor Elektrotechnik/Energietechnik
  • Master Elektrotechnik/Power 
  • Mechatronik/Antriebstechnik
  • Wirtschaftsingenieurwesen 

an leistungselektronischen Geräten und Anlagen geschult und für zukünftige Aufgaben vorbereitet.

Als Geräte stehen netzgeführte Stromrichter, Wechselstrom- und Drehstromsteller, Frequenzumrichter, verschiedene Chopperschaltungen, Solarwechselrichter und ein Matrixumrichter für Messungen und Versuche zur Verfügung.

Die Ausrüstung des Labors mit einer leistungsstarken Einspeisung, hochpräzisen Leistungsmessgeräten und schnellen Oszilloskopen erlaubt auch die Durchführung von Untersuchungen und Entwicklungsarbeiten mit und für Industriepartner. Die Kapazitäten des Labors für Leistungselektronik werden sinnvoll ergänzt durch die Möglichkeit, mit Mikroelektronik schnelle Signalschaltungen mit hoher zeitlicher Präzision zur Steuerung von Umrichtern zu generieren.

Für Schaltnetzteile stellen wir eine stark genutzte Seite zur Unterstützung bei der Entwicklung zur Verfügung.

Das Labor zur Lehrveranstaltung Modul BE16 Regelungstechnik der Vertiefungsrichtung Energie Elektronik Umwelt (EEU) findet im 4. bzw. 5.Semester statt und soll den Stoff der zugehörigen Vorlesung durch praktische Anwendung der gelehrten Inhalte vertiefen.

Die typische Vorgehensweise des Regelungstechnikers, nämlich die drei Schritte

  • Modellbildung und Identifikation der Regelstrecke („Was soll geregelt werden?“)
  • Theoretische Auslegung und Simulation des Regelkreises („Welchen Regler nimmt man und wie stellt man ihn ein?“) 
  • Praktische Implementierung und der Test des Reglers an der realen Regelstrecke („Funktioniert alles wie berechnet?")

werden den Studierenden in drei aufeinander aufbauenden Versuchen näher gebracht.

 

In 3er-Gruppen üben die Studierenden den praktischen Umgang mit einem frei beschaltbaren Experimentiermodell, welches den Studierenden z.T. bereits aus dem Fach Elektronik bekannt ist, und hier um Gleichstrommotor (DC-Motor), Drehzahlmessung und PID-Regler erweitert wird. Ziel des Labor ist es, eine Drehzahlregelung auf der Grundlage von Operationsverstärkern für den DC-Motor zu entwerfen, zu implementieren und zu testen.

Im Einzelnen besteht das Labor aus den folgenden Versuchen:

Versuch 1: Aufbau und Identifikation der Regelstrecke, u.a. :

  • Messung der statischen Spannung/Drehzahl-Kennlinie des DC-Motors  n = f(U)
  • Ermittlung des dynamischen Verhaltens des DC-Motors über:
    • Messung von Sprungantworten
    • Messung des Frequenzgangs mit Hilfe eines Sinusgenerators

Versuch 2: Reglerentwurf und Simulation

  • Auswertung der Messungen von Versuch 1 zur Bestimmung der Parameter der Regelstrecke
  • Berechnung der Parameter eines PID-Reglers mit verschiedenen Reglerentwurfsverfahren
  • Simulation des geschlossenen Regelkreises mit MATLAB/Simulink

Neben einfachen Einstellregeln für PID-Regler (Ziegler-Nichols, Chien-Hrones-Reswick) kommt hier auch eine numerische Regleroptimierung mit MATLAB/Simulink auf der Grundlage eines quadratischen Gütekriteriums zum Einsatz.

Versuch 3: Implementierung und Test des geschlossenen Regelkreises

  • Aufbau des realen Regelkreises samt DC-Motor und PID-Regler mit dem Experimentiermodell
  • Messung des dynamischen Verhaltens des geschlossenen Drehzahl-Regelkreises
  • Vergleich und Diskussion der Messung mit den Simulationsergebnissen aus Versuch 2

Kontakt

Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Birkenweg 8
64295 Darmstadt