LEAiD e.V. NewsletterMai 2013

www.lea-id.deSeite 1 von 13

Liebe ehemalige und jetzige LEAner/innen,liebe Förderer des Fachgebiets LEA!Herzlich willkommen zur 12. Ausgabe unseresLEAiD-Newsletters. Einleitend möchte ich wiederüber einige ausgewählte Neuigkeiten des letztenJahres berichten mit Fokus auf LEA-Internes. Zwarschieden im letzten Berichtsjahr die langjährigenMitarbeiter T. Grote, H. Figge, A. Specht, M. Lön-neker, M. Hu, Z. Cao - also fast eine halbe Gene-ration von LEA Mitarbeitern aus, aber im Zuge derFortsetzung von Industriekoooperationen und derneuen it´s OWL Projekte wurden auch die HerrenO. Wallscheid, C. Henkenius, T. Vogt und L. Keuckneu eingestellt.Immer noch stellt die Universität Paderborn diegrößte Baustelle im Stadtgebiet dar, so dasseinige von euch Ehemaligen den Uni-Campusbeim Besuch z.B. des IEEE chapter meetingsvom 22-23.11.2012, welches dSPACE und LEAausrichteten, kaum wiedererkannten: Für dievorgenannte Veranstaltung nutzten wir einenVorlesungsraum des 4-stöckigen O-Gebäudes,das nun die IW-Halle aus Pohlwegsicht verbirgtund die Informatik am Campus und das Paral-lelrechenzentrum beherbergt. Eine Erweiterungder IW-Halle nach Westen ist nun Standort derStiftungsprofessur Leichtbau, die von der BentelerAG finanziert wird. Vom Südring fällt das neueChemiegebäude K und das J-Gebäude auf. AmPohlweg entstanden noch weitere Studenten-wohnheime, die aber für die Aufnahme der 2500zusätzlichen Studenten an der UPB bedingt durchden Doppelabiturjahrgang sicher nicht ausreichen.Deshalb sind noch weitere im Bau, denn leider gibtes zwischen dem Studentenberg und der Belegungder Kasernen durch die Briten eine Überlappungvon mehreren Jahren. Dem Internetauftritt der UPBist entnehmbar, daß sich die Studierendenzahlvon 13.414 im Jahr 2008/09 auf knapp 19.000 imJahr 2012/13 bereits erhöht hat und sie wird in denkommenden Jahren auf prognostizierte 21.500anwachsen um danach wieder abzufallen. Deshalbsteht das Vorlesungsgebäude für 2 mal 400 Sitz-plätze zwischen dem N-Gebäude und dem Südringplus Seminarräume für die vorhandene Überlastzwischen 2012/13 - 2018 bereit. Hierin fand aucham 06.03.2013 Die Schülerinformationsmesse(E-Day) des Instituts für Elektrotechnik statt.Bautätigkeiten finden noch an der Erweiterung derMensa um 600 Plätze statt. Leider steht das imBau befindliche große Ausgleichsgebäude Q, dasauf dem Parkplatz und den Grünflächen, die demGebäude H im NO vorgelagert waren, nicht fürdie Renovierung der Gebäude P1-7 am Pohlwegzur Verfügung. Die Planung der Sanierung wird lt.

Kanzler frühestens 2015 angepackt. Auf der UPB-Webseite sind immer wieder aktualisierte Luft-aufnahmen vom Campus zu finden (groups.uni-paderborn.de/fotoarchiv/fotosluftaufnahmen.html),die auch den umgebauten Praktiker Markt an derWarburger Straße als neuen Bau für den Sport derUPB ausweist.Das Fachgebiet Schaltungstechnik wird seit März2012 von Herrn Prof. Scheytt vertreten. Inzwischenist auch die Nachfolge von Prof. Schuhmann inder Theoretischen Elektrotechnik geregelt, dennDr. Jens Förstner ist ganz frisch ab Juni diesenJahres im Amt. Herr Förstner hat in Marburg Phy-sik studiert und an der TU Berlin promoviert. Zu-letzt war er bislang Leiter einer Emmy-Noether-Nachwuchsgruppe an der Universität Paderborn.Mit der Besetzung der Professur „Regelungs- undAutomatisierungstechnik“ wird ein weiterer Anlaufunternommen. In vorangegangen Verfahren konnteleider kein geeigneter Kandidat gewonnen werden.Die Ausschreibung wird in Kürze erscheinen.Die Studentenzahlen sind in den letzten Semesterglücklicherweise auch in der Elektrotechnik ange-stiegen, so dass wir von der Vollauslastung nichtmehr weit entfernt sind. Bemerkenswerterweisemachen aber die Studenten im englischsprachi-gen Masterstudiengang „Electrical Systems Engi-neering“ inzwischen einen wichtigen Anteil aus. DieZahl der Bewerbungen für diesen Studiengang fürdas kommende Wintersemester ist nochmals ge-stiegen. Das hat dazu geführt, dass wir unsere Vor-lesungen „Leistungselektronik“, „Mechatronik undElektrische Antriebe“ sowie „Geregelte Drehstro-mantriebe“ nunmehr in Englisch anbieten. Skripteund Übungen stehen mittlerweile alle in Englischzur Verfügung. Ab dem Wintersemester soll auchdie Vorlesung „Elektronische Stromversorgungen“in Englisch angeboten werden.Trotz des kommenden doppelten Abiturjahrgangswird der Zugang zu den Bachelor-StudiengängenElektrotechnik und Wirtschaftsingenieurwe-sen/Elektrotechnik im Gegensatz zum Maschi-nenbau nicht zulassungsbeschränkt sein. Davonversprechen wir uns einen weiteren Zugang zurElektrotechnik, wenn wir auch hoffen, dann nichtaus allen Nähten zu platzen.Wirtschaft und Hochschulen der Region OWL ha-ben als herausragendes Kompetenz- und Hand-lungsfeld für Wachstum und Beschäftigung dasMotto „Intelligente Technische Systeme“ identifi-ziert und realisieren das Forschungs- und Ent-wicklungscluster „Zukunftsmeile Fürstenallee“ inPaderborn. Erster Teil dieser Zukunftskonzep-tion ist ein Fraunhofer Institut, das sich aufden Entwurf von mechatronischen Systemenund den dafür notwendigen Produktionssystemen

LEAiD e.V. NewsletterMai 2013

www.lea-id.deSeite 2 von 13

konzentriert. Das neu errichtete Gebäude wur-de im September 2011 bezogen. Näheres da-zu s. www.ipt.fraunhofer.de/mechatronik. Im Win-ter/Frühjahr 2011 schlossen sich die Hochschu-len OWL in Bielefeld, Lemgo und Paderborn un-ter der Leitung von Prof. Gausemeier zu einemSpitzencluster-Antrag „Intelligente Technische Sys-teme (it´s OWL)“ zusammen. Nach Überspringenauch der zweiten Hürde (Genehmigung der Vol-lanträge durch das BMFT) starteten wir mit un-seren langjährigen OWL-Industriepartnern (Delta-es, AEG-PS, siehe auch im Internet unter www.its-owl.de und Hella bereits 3 interessante, zeitlichversetzte sog. Innovationsprojekte und ein Clus-terquerschnittsprojekt zur Energieeffizienz, was ei-ne bemerkenswerte Öffentlichkeit in Wirtschaft undWissenschaft hervorruft. Ein weiteres Innovations-projekt wird noch Mitte 2013 mit der Fa. Miele ge-startet.Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)setzt die Förderung des Sonderforschungsbe-reichs Selbstoptimierende Systeme des Maschi-nenbaus (SFB 614) bis 6/2013 fort und fördert einTransferprojekt mit unserem langjährigen Indus-triepartner LTi, was das bisher erarbeitete Instru-mentarium der Selbstoptimierung nutzt. Im Trans-ferprojekt wird eine selbstoptimierende Antriebs-regelung auf Basis rekonfigurierbarer FPGA vonHr. M. Sun entwickelt. Der angestrebte Nutzenliegt in der einfacheren Adaptierbarkeit eines Stan-dardgeräts an verschiedene Konfigurationen undBetriebsbedingungen. Transferprojekte dienen lautDFG-Richtlinien dazu, Erkenntnisse der Grundla-genforschung eines Sonderforschungsbereichs un-ter Praxisbedingungen zu prüfen oder in eine pro-totypische Anwendung umzusetzen.Im DFG-Projekt „Reconfigurable System for Impro-ved Control Performance and Fault Tolerance ofVariable Speed AC Drives“ startete Hr. Buchholzdie Vorteile rekonfigurierbarer Regelungskonzep-te für elektrische Antriebe herauszuarbeiten (PCIM2012).Die Forschungszusammenarbeit auf dem Gebiethocheffizienter Solarwechselrichter hoher Leistungsetzten wir mit unserem langjährigen Partner LTiDRiVES in Unna fort, was zu weiteren Publikatio-nen im Berichtszeitraum von Herr Preckwinkel beiLTi und Herr Krishna bei uns führte (PCIM 2013).Ein EU finanziertes Projekt, in dem es um dieEntwicklung von Resonanzkonverter gespeistenHochspannungsprüfgeräten und von hochdynami-schen DC-Quellen ging, sollte dieses Jahr durchzwei Dissertationen von M. Hu und Z. Cao abge-schlossen werden, was eine Vielzahl von Publika-tionen hervorbrachte (u.a. auf der IECON 2012,APEC 2013).

Das Projekt „Entwicklung der Ansteuerung für diefrequenzvariable Umformung sehr großer Leistun-gen (>100MW) mit Thyristorstromrichtern zur Effi-zienzsteigerung von Turbo-Generator-Sätzen“ wur-de formal abgeschlossen. Hierbei soll bei mittel-großen Kraftwerken die starre Frequenzkopplungzwischen dem elektrischen Netz und dem Gene-rator zwecks Effizienzsteigerung durch einen Um-richter aufgehoben werden. Der Generator kanngegenüber dem elektrischen Netz eine anderePhasenlage, Frequenz und Amplitude aufweisen.Die Leistung wird durch einen Direktumrichter indas elektrische Netz übertragen und er kommt oh-ne einen Gleichspannungszwischenkreis aus. LEAbeschäftigt sich mit einem neuen Steuerverfahren,dass an einem herunterskalierten Direktumrichter-Prüfstand für 50 kW von Herr Lönneker erprobtwird. Letzter hat offene Fragestellungen noch in ei-nem Antrag an die DFG gebündelt, der noch zurEntscheidung ansteht. (EPE/ECCE 2013)Das vom Land NRW eingeworbene Projekt „Ent-wurfsumgebung E-Mobil“ wurde im Nov. 2010 be-gonnen, was auf der Seite von LEA durch dieHerren Peter und Leuer bearbeitet wird. Zur Re-duktion der kosten- und zeitintensiven Untersu-chungen an Prüfständen und Prototypen bei derEntwicklung hat es sich das Konsortium aus In-dustrieunternehmen aus NRW (dSPACE, DMecS)und der Universität Paderborn mit dem Fachge-biet LEA und dem C-LAB zur Aufgabe gemacht,eine Entwurfs- und Testumgebung zu entwickeln,mit deren Hilfe ein frühzeitiger simulationsgestütz-ter Test virtueller Steuergeräte und deren Zusam-menspiel in verschiedenen Fahrzeugstrukturen er-möglicht werden soll. Mehr zur Entwurfsmethodik,Simulation mittels virtueller Prototypen sowie demEntwurf neuartiger Regelungs- und Optimierungs-algorithmen für Elektromotor und Energiemanage-ment von E-Fahrzeugen wurde im Kontext des IE-EE German Chapter Meetings 11/2012, Elektromo-bilität in NRW - 1. Kompetenztreffen, 11/2012 in Es-sen, Kölner Mechatronik Forum, 10/2012, Köln undder IEMDC 5/2013 in Chicago vorgestellt. DiesesProjekt läuft im Herbst 2013 aus.Zum Schluss noch zu zwei aus der Industrie fi-nanzierten Projekten: Die AEG-PS fördert Untersu-chungen zu Industriestromrichtern mit hohem Wir-kungsgrad und Leistungsfaktor für Industrieanwen-dungen. Ergebnisse hierzu wurden von Herr Solan-ki 2012 auf der ECCE und PCIM 2013 vorgestellt.Die Herren Cao und Sun stellten zum Projekt „De-velopment of Simulation Platform for Electric DriveSystem of an AC Electric Locomotive“ mit der Fa.CSR Zhuzhou Electric Locomotives Resultate aufder PCIM 2012 vor, führten eine Reihe von Techno-

LEAiD e.V. NewsletterMai 2013

www.lea-id.deSeite 3 von 13

logietransfer workshops durch und CSR meldeteneinige Lösungen zu Patenten an.Ein weiteres neues Forschungsprojekt „Verfahrens-optimierung zur Steigerung der Energieeffizienzvon Elektroantrieben“ (VerfaS) findet in Koopera-tion mit VW-Kassel und der Uni Kassel statt. Esgeht über 3 Jahre, wird bei LEA von M. Paradkarbearbeitet und wird vom BMWi gefördert. Das Ge-samtziel des Projekts ist die Analyse, die Identifika-tion sowie die Modellierung aller wichtigen Größen,die einen Einfluss auf die Effizienz des elektrischenAntriebsstrangs haben, um anschließend mit demso erzielten Kenntnisgewinn eine verbesserte Re-gelstrategie zu entwickeln, mit der Motor mit einerhöheren Effizienz betrieben werden kann. UnsereAufgaben liegen dabei in der Entwicklung von Re-gelungsverfahren auf Basis detaillierter Verlustmo-delle.Im abgeschlossenen Berichtsjahr konnten wir be-reits 3 Promotionen (D. Pohlenz, C. Henke und C.Romaus) feiern, aber es wird ohnehin ein Rekord-promotionsjahr werden, weil der Lastabwurf bei ei-ner halben Fußballmannschaft von Doktorandennoch ansteht. Die Teilnahme an Tagungen war imBerichtszeitraum anges. der vielen Doktorandennur mittelmäßig, was nur ungenügend mit dem Ge-nerationswechsel an Doktoranden erklärt werdenkann.Ich hoffe auf ein Wiedersehen bei der einen oderanderen Promotionsfeier, aber zuvor bei unseremLEAiD Treffen am 21.06.2013 bei LTi-Drives inWaldgirmes bei Lahnau/Wetzlar. Bitte laßt euchdurch das bischen Fahrerei nicht von dem Besuchbei LTi abbringen, denn ihr seid auch zu einem Fir-menbesuch ab 11:00 willkommen. Zeigt mir diesenBesuchswunsch aber bitte vorher an, damit sich LTidarauf einstellen kann. Wünsche euch allen Kreati-vität, Schaffenskraft, Ausdauer und einen guten η.

Mit freundlichen GrüßenFür den Vorstand

Norbert Fröhleke

LEAiD 12. SymposiumDas diesjährige LEAiD-Symposium findet am21.06.2013 ab 13:45 Uhr bei LTi DRiVES GmbH inLahnau statt. Neben den sicher interessanten Vor-trägen wird auch die jährliche Mitgliederversamm-lung unseres Vereins durchgeführt. Vorher bietetsich die Möglichkeit an einer Firmenführung teilzu-nehmen. Im Anschluss an den offiziellen Teil wollenwir selbstverständlich wieder die Möglichkeit desgeselligen Beisammenseins nutzen.

Für die Anreise nach Lahnau wurde ein Reise-bus mit 50 Sitzplätzen angemietet. Es besteht dieMöglichkeit mit dem Reisebus mitzufahren, sofernfreie Plätze verfügbar sind. Wir bitten um recht-zeitige Anmeldung für die Busfahrt sowie die Fir-menführung unter peters@lea.upb.de oder schul-te@lea.upb.de.

Tagesordnung

07:45 Treffen an der Uni Paderborn (IW-Halle)

08:00-11:00 Hinfahrt mit Reisebus

11:15-12:45 Begrüßung, Firmenführung

12:45-13:45 Mittagsimbiss

13:45-14:00 Eröffnung LEAiD-Symposium

14:00-14:30 Mitgliederversammlung

1. Begrüßung und Eröffnung2. Feststellen der Beschlussfähigkeit3. Wahl der Versammlungsleitung4. Wahl der Protokollführung5. Bericht des Vorstandes6. Bericht der Kassenprüfer7. Entlastung des Vorstandes8. Wahlen9. Verschiedenes

14:30-14:45 Kaffeepause

14:45-15:45 Vortragsblock 1• Fachvortrag 1: LTi DRiVES GmbH• Fachvortrag 2: LTi DRiVES GmbH

15:45-16:15 Kaffeepause

16:15-17:15 Vortragsblock 2• Fachvortrag 3: Stefan Uebener• Bekanntgabe des LEAiD-Award Gewinners• Fachvortrag 4: (Gewinner des LEAiD-Awards)

17:15-20:00 Gemütliches Beisammensein

20:00-23:00 Rückfahrt mit Reisebus

LEAiD e.V. NewsletterMai 2013

www.lea-id.deSeite 4 von 13

Neue Mitarbeiter

Herr M.Sc. Oliver Wall-scheid ist seit dem2. November 2012 imFachgebiet LEA alswissenschaftlicher Mitar-beiter tätig. Er beschäftigtsich hierbei mit der Mo-dellierung und Regelungvon Permanentmagnet-Synchronmotoren für denEinsatz in automobilenAnwendungen. Sein

Studium des Wirtschaftsingeniuerwesens mitSchwerpunkt Elektrotechnik hat Herr Wallscheidan der Universität Paderborn mit Auszeich-nung absolviert und im Oktober 2012 mit einerMasterarbeit zum verlustoptimalen Betrieb vonAsynchronmotoren abgeschlossen. Zudem wur-den seine Bachelorarbeit mit dem DRIVE-E Award2011 (BMBF/Fraunhofer-Gesellschaft) und seineStudienarbeit mit dem LEAid Award 2012 prämiert.

Herr M. Sc. CarstenHenkenius ist seit dem23. Oktober 2012 imFachgebiet LEA alswissenschaftlicher Mitar-beiter tätig. Er beschäftigtsich hierbei mit derVerlust- und Wirkungs-gradoptimierung vonelektronischen Stromver-sorgungen. Sein Studiumder Elektrotechnik hatHerr Henkenius an der

Fachhochschule Südwestfalen Campus Soestabsolviert und im Oktober 2012 mit einer Mas-terarbeit über die digitale Regelung eines LLCGleichstromstellers abgeschlossen.

Herr M. Sc. Thors-ten Vogt ist seit dem12. November 2012im Fachgebiet LEA alswissenschaftlicher Mitar-beiter tätig. Er beschäftigtsich mit industriellenMicrogrids, insbesonderemit dessen Betriebs-führungsalgorithmenund leistungselektroni-schen Komponenten.Sein Bachelorstudium

der Elektrotechnik hat Herr Vogt an der Fach-

hochschule Südwestfalen (Soest) im Februar2011 absolviert. Das darauf folgende duale Mas-terstudium an der University of Bolton und derFachhochschule Südwestfalen (Soest) absolvierteer im Oktober 2012. In seiner Masterarbeit hatHerr Vogt die Regelung eines 3-Level Wech-selrichters entwickelt, welcher als Netzsimulatordas Emulieren verschiedene Szenarien an einemNetzanschlusspunkt ermöglicht.

Herr M. Sc. Lukas Keuckist seit dem 15. Januar2013 im Fachgebiet LEAals wissenschaftlicherMitarbeiter tätig. Er be-schäftigt sich hierbei mitoptimierten Stromver-sorgungen für elektrischangetriebene Fahrzeuge.Sein Bachelorstudium derElektrotechnik hat HerrKeuck an der Fachhoch-schule Südwestfalen,

Standort Soest absolviert. Das darauf aufbau-ende Masterstudium wurde in Kooperation mitder University of Bolton (UK) im November 2012abgeschlossen. Herr Keuck beschäftigte sich inseiner Masterarbeit mit einem Regelungsentwurffür Einspeiseumrichter, der durch gezielte Injek-tion von Harmonischen eine Reduzierung derOberschwingungen im Versorgungsnetz zum Zielhatte.

Highlights 2012/13

Übergabe des LEAiD-Awards 2012 an OliverWallscheid

LEAiD e.V. NewsletterMai 2013

www.lea-id.deSeite 5 von 13

Hutübergabe nach der Doktortaufe bei derPromotion von Daniel Pohlenz

Übergabe der Doktorurkunde nach bestandenerLEA-Prüfung an Daniel Pohlenz

Startformation Sommerausflug 2012 - ErsteDisziplin ist auch dieses Jahr das Radfahren

Besichtigung des Quax-Hangars am FlughafenPaderborn Lippstadt beim Sommerausflug 2012

LEA testet das Elektro-Hybridfahrzeug OpelAmpera

Teilnehmer des IEEE Chapter Meetings vom22-23.11.2012 in Paderborn bei dSPACE und LEA

Traditionelle „Ich bin doch nicht blöd“ Proklamationvor dem Media-Markt im Südring

Übergabe der Doktorurkunde nach bestandenerLEA-Prüfung an Christian Henke

LEAiD e.V. NewsletterMai 2013

www.lea-id.deSeite 6 von 13

Hutübergabe nach bestandener mündlicherPrüfung an Christoph Romaus

Außerplanmäßiger Halt vor dem Toys’R’us imSüdring zur Sonderproklamation

Übergabe der Doktorurkunde nach bestandenerLEA-Prüfung an Christoph Romaus

Das Fachgebiet stellt sich im Rahmen des E-Days2013 vor

Comparison of High-Power, High-CurrentRectifiersJITENDRA SOLANKI

Introduction

High current rectifiers are required in many indus-trial processes, especially in metal and chemical in-dustry [1]. Chemical electrolysis is used in metal re-fining (from impure stock) /winning (from ore). Hy-drogen, chlorine, sodium hydroxide, sodium chlo-rate, oxygen and adiponitrile production also utili-se the electrolysis process. Typical voltage require-ment is of the order of few hundred volts at sever-al kA current. Fig.1 shows a typical load curve ofa 1 MW electrolyser. Production rate is proportio-nal to the electric current and voltage depends onthe cell open circuit voltage and internal resistan-ce. Internal resistance varies with physical parame-ters such as temperature and age of the cell. 12-pulse thyristor rectifier is the most popular choicefor high-power high-current rectification. However,due to variable output voltage requirement, highreactive component in rectifier input current leadsto very poor power factor at higher firing angles.This variable reactive current component needs tobe compensated and for this a hybrid compensatoris proposed in [2]. System configuration is shownin Fig.2. This configuration uses 11th harmonic fil-ter for harmonic compensation and average reac-tive power compensation and DSTATCOM is usedfor variable reactive power compensation. Systemprovides advantages in terms of DSTACOM ratingreduction and inverter loss minimisation. Instead ofthyristor rectifier, 12-pulse diode rectifier followedby dc chopper is proposed in literature [1]. Fig.3shows the system configuration. The chopper ba-sed system provides distinct advantages over thethyristor based system in terms of constant highpower factor (>0.93), low current harmonics, bettercontrol over load current and voltage, lower outputfilter requirement and simpler control etc. [1]. To im-prove the THD and power factor further a 11th har-monic filter with appropriate reactive power com-pensation can be added at input.This paper compares the above stated options, 12-pulse thyristor rectifier with hybrid filter (TRHF) anda 12-pulse diode rectifier with passive filter followedby a multi-phase chopper (CRPF). The performan-ce of these rectifier systems is evaluated for sup-plying power to a high-power high-current industri-al load with certain input and output power qualityspecifications. Systems are designed to meet a setof performance criterion (input power factor>0.98

LEAiD e.V. NewsletterMai 2013

www.lea-id.deSeite 7 von 13

Fig. 1: Load curve

and current THD<5%) and then compared in termsof efficiency, size and cost.

Comparison

Comparison of the two systems is carried out forsupplying power to the load specified in Fig.1. Fig.4and 5 show the variation of power factor (PF) of thetwo topologies along the top and bottom load lines.It can be observed that with the help of appropriatereactive power compensation both systems are ab-le to meet the requirement i.e. PF 0.98. Variation ofinput current THD is depicted in Fig.6 and 7. It canbe seen that due to bigger passive filter TRHF pro-vides better harmonic cancellation characteristics.Also, with CRPF at light load, current THD beco-mes marginally higher than 5% limit.Fig.8 and 9 show the comparison of estimatedsystem level efficiencies which includes effect oflosses from semiconductors and magnetic com-ponents. For low-voltage high-current applicationsCRPF appears to be the clear winner. However, attop load line under full load condition, efficienciesof two systems are fairly close.Fig.10 shows the comparison of the estimated vo-lumes of the two considered rectifier systems. Vo-lumes of the selected components are calculatedwith the help of dimensions provided in datasheets.The transformer and filter inductors are the maincontributors to the size of the system. The sizesof the transformers are nearly similar for both to-pologies. However, sizes of AC and DC inductorsare bigger for CRPF. DC inductor size can be re-duced by increasing the no of phases or switchingfrequency of chopper section, however, increasein switching frequency will lead to higher switchinglosses. AC inductor size comes out to be bigger forCRPF because of lower capacitive reactive ratingof passive filter. But this difference in inductor sizesis offset by AC capacitor used for passive filter ofTRHF. This leads to overall bigger size of TRHF ascompared to CRPF.Major part of the cost of the system comes frommagnetic components especially the transformer.Since the TRHF transformer is slightly bigger thanCRPF transformer, cost of the former will be mar-ginally higher. To compare the cost of the filter in-

Fig. 4: Variation of input power factor of TRHF and CR-PF at top load line

Fig. 5: Variation of input power factor of TRHF and CR-PF at bottom load line

ductors, peak energy rating can be compared (atthe same operating frequency). Line frequency in-ductor peak energy ratings are 173.6 J and 126.8 Jfor TRHF and CRPF respectively, whereas DC si-de inductors ratings for TRHF and CRPF are 140.5J and 399.9 J respectively. Therefore the materi-al cost of inductors will be almost double in caseof CRPF as compared to TRHF. For comparison ofsemiconductor costs one need to estimate VA ra-tings of the components. However actual marketprice of semiconductor switches depend on ma-ny factors apart from VA rating, such as, producti-on volume, demand and availability etc. Since bothAC and DC capacitor ratings are higher in case ofTRHF, cost of the same will also be higher.

Fig. 6: Variation of current THD of TRHF and CRPF attop load line

LEAiD e.V. NewsletterMai 2013

www.lea-id.deSeite 8 von 13

Fig. 2: Basic block diagram of 12-pulse rectifier, passive filter and DSTATCOM (TRHF)

Fig. 3: Basic block diagram of 12-pulse diode rectifier with three-phase chopper and 11th harmonic input passive filter(CRPF)

LEAiD e.V. NewsletterMai 2013

www.lea-id.deSeite 9 von 13

Fig. 7: Variation of current THD of TRHF and CRPF atbottom load line

Fig. 8: Variation of estimated efficiencies of TRHF andCRPF at top load line

Fig. 9: Variation of estimated efficiencies of TRHF andCRPF at bottom load line

Fig. 10: Estimated size of different components used forTRHF and CRPF

Conclusions

Two topologies of high-current rectifiers, thyristorrectifiers with hybrid filter and chopper-rectifier withpassive filter have been compared for feeding ahigh-power (1 MW) high-current (4.5 kA) load witha set of specifications. The two systems have beendesigned to meet certain power factor, input currentTHD and output voltage and current ripple requi-rements. The analysis shows that CRPF providesbetter efficiency as compared to TRHF. However,this depends on the type of load. For loads with re-latively lower-current at higher operating voltagesand lighter filter requirements, TRHF can providebetter efficiency. Moreover hybrid filter can be agood power quality improvement option for retro-fit applications. The size of the TRHF is higher thanthe CRPF due to the bigger input passive filter.

References

[1] J. Solanki, N. Fröhleke, J. Böcker and P. Wall-meier, "Comparison of Thyristor-Rectifier with Hy-brid Filter and Chopper-Rectifier for High-Power,High-Current Application,ïn conf. proc. of PCIM2013. [2] J. Solanki, N. Fröhleke, J. Böcker and P.Wallmeier, Änalysis, Design and Control of 1MW,High Power Factor and High Current Rectifier Sys-tem,ïn conf. proc. of IEEE ECCE, 2012.

Design of a High Performance FerriteMagnet-Assisted Synchronous ReluctanceMotor for an Electric VehicleMILIND PARADKAR

Introduction

In the last decade environmental impact of the pe-troleum based-transportation along with rising cru-de prices have led to renewed interest in electrictransportation infrastructure. Today, most electricvehicles use permanent magnet synchronous mo-tors that contain rare-earth permanent magnets -NdFeB or SmCo. Such motors are invariably as-sociated with high power density, torque densityand efficiency. However, in the last two years the-re has been a continuous increase in the cost ofrare earth magnets. It is observed from the motordesigned with a rare earth magnet that the magnetaccounts for considerable cost share. This has for-ced the machine designers to think of suitable al-ternatives without a major compromise in terms ofperformance. A properly designed synchronous re-luctance motor assisted with ferrite magnets can bethought of as an alternative solution. The cost of

LEAiD e.V. NewsletterMai 2013

www.lea-id.deSeite 10 von 13

ferrite magnets is nearly an order of magnitude lesscompared with NdFeB magnets. However there isalso a risk of irreversible permanent demagnetiza-tion due to their rather low coercive field strength.Hence the rotor design should ensure that the fer-rite magnets do not suffer from irreversible perma-nent demagnetization under all operating conditi-ons.This article deals with the design of a ferrite assis-ted synchronous reluctance motor which deliversa peak power of 55 kW and a continuous powerof 30 kW at an operating speed of 2800 min−1,while operating with a nominal battery voltage of325 V. The maximum current drawn from the batte-ry should be limited to 400 A RMS. The maximumoperating speed is 14000 min−1.

Performance of ferrite magnet assisted syn-chronous reluctance motor

Fig.11 shows the structure of the designed 6 po-le ferrite magnet assisted synchronous reluctancemotor. The stator has a 3 phase distributed singlelayer winding with 54 slots with 3 slots-per-pole-per-phase (SPP). The rotor has 4 layers of flux bar-riers. The chosen grade of ferrite magnet is FB14H.The machine is analyzed at different operatingspeeds to meet the continuous power demand of30 kW along with 55 kW at 2800 min−1. At all theoperating speeds the design has to ensure that theferrite magnets do not undergo irreversible perma-nent demagnetization.Fig.12 shows the variation of developed torque overthe speed range under full load condition. It also in-dicates the estimated values of reaction torque andreluctance torque. It may be roughly stated that thereaction torque accounts for 10 percent of the de-veloped torque in the motor. Fig.13 shows also theinput RMS current under full load over the entirespeed range and also the variation of the corre-sponding phase voltage. Fig.14 shows the estima-te of variation of power factor and efficiency withspeed under full load condition. The power factorat full load is 0.74 at 2800 min−1.

Demagnetization analysis for overload

A major disadvantage associated with a ferrite ma-gnet is its increased susceptibility to irreversibledemagnetization due to a rather weak remanentflux density. Hence, the rotor design has to ensurethat the ferrite magnets do not suffer from irreversi-ble demagnetization. The motor design started witha 4-pole configuration. Due to higher armature re-action with a 4-pole design, the first layer of ferrite

Fig. 11: Cross-section of a pole of the designed motor

Fig. 12: Cross-section of a pole of the designed motor

magnets was demagnetized at peak power conditi-on (55 kW), although it was safe under continuousload operation. Consequently, a 6-pole design wasthen chosen with increased bore diameter. Also theflux barrier width at the sides was deliberately redu-ced. This offered the d-axis armature reaction flux

Fig. 13: Input Voltage and Current vs Speed

LEAiD e.V. NewsletterMai 2013

www.lea-id.deSeite 11 von 13

Fig. 14: Efficiency and Power factor vs Speed

Fig. 15: Flux density in the magnets at overload conditi-on

a lower reluctance path compared to the higher re-luctance offered by magnets. The motor developsa torque of 188 Nm at 2800 min−1 which deliveringa peak power of 55 kW. The RMS phase currentrequired during this condition is 295 A. The d and qcomponents of the current are respectively -255.5A and 147.5 A. This is the worst possible conditi-on for the magnets which can occur intermittently.Fig.15 shows the flux density in the magnet at thisoperating condition. Fig.15) shows the plot of fluxdensity along the width of the top magnet (indica-ted by line AB in Fig.15). The flux density in the topmagnets is around 0.2 T except at the edges whe-re it falls to 0.11 T. For the chosen ferrite magnetit is evident that the knee of the B-H curve doesnot appear in the second quadrant for temperatu-res higher than -20◦C, . Hence it can be concludedthat the design has ensured the magnets to be freefrom irreversible demagnetization under all conditi-ons.

Fig. 16: HiL Principle

Low Latency Hybrid Hardware-in-the-LoopSimulator for Railway Traction SystemM. SUN

Introduction

With the ever-growing intelligence and complexityof power electronic and drive system controllers,the real-time Hardware-in-the-Loop (HiL) simulati-on has gradually established itself as an indispensi-ble development and validation method in the pastdecade. In many high power applications like elec-tric traction, the HiL simulation is becoming an in-dispensible facility in high coverage and reproduci-ble tests of controller functions, like stress test andregression test of the traction control unit (TCU) ofhigh power AC railway traction system.In a HiL simulation, the developed controller is thedevice under test and connected to a virtual plantin the identical way as it is connected to the realplant, such as inverter and electric machine. Thevirtual plant or the HiL simulator is composed ofa real time computation machine (mostly a proces-sor) calculating the mathematical model of the plantand specific I/O hardware emulating the sensor andactuator. As can be seen from Fig.16.Since the HiL simulator works in real time and emu-lates exactly the electrical behavior of the actu-al sensor and actuator, the controller developmentcould be directly carried out on the HiL simulatorwithout waiting for the availability of the drive com-ponent prototypes or the risk of damaging them.

Low Latency Hybrid Hardware-in-the-Loop Si-mulator

The processor based HiL simulator runs to its li-mit when it comes to modern electric drive sys-tems that usually contain high speed power elec-tronic switches. Modern traction electric drive con-trollers modulate the actuating variables (AC vol-tage with variable frequency and amplitude) in-to high speed switching signals to turn on or offthe power electronic devices such as IGBTs. Un-

LEAiD e.V. NewsletterMai 2013

www.lea-id.deSeite 12 von 13

Fig. 17: Processor-based HiL Latency

like offline simulator, the HiL simulator works in re-al time and therefore employs deterministic fixed-step numerical algorithms. As a result, the HiLsimulator runs asynchronously with the controllerand makes the problem called inter-simulation timestep switching (ITS) unavoidable. Due to systemsoftware (real time operating system) and hard-ware (processor-I/O communication) overhead, theprocessor-based HiL simulator only samples thecontroller switching signals at a fixed time grid withrelatively large time distance compared to swit-ching period of the gating signals. The missed con-troller switching signals can lead to erroneous cal-culation of the drive system state variables and inworst case cause instability. Furthermore, the in-herent sequential execution mechanism and OSand firmware overhead introduce another severeproblem called extra latency which is best illustra-ted in Fig.17. This latency by HiL is much largerthan that of a real inverter-motor system even thepower rating is large. This will cause the controllerunder test reacts differently as it does on the testbench.The best solution to this problem would require ex-tremely small simulation step size (<10µs), the pro-cessor based HiL simulator runs into its limit be-cause of its inherent sequential instruction execu-tion and real time operating system overhead. Tomeet this challenge, the application of FPGA tech-nology has been given lots of impulses in the past 5years and the simulation time step has been redu-ced to several ten nanoseconds. Despite of all theadvantages gained, the FPGA based simulator suf-fers limited device resources (esp. when multiplierand divider are concerned) and longer compilationand synthesizing time of HDL design which com-promises the flexibility of automatic controller testsusually exhibited by processor based HiL simula-tors.To combine FPGA and processor in a hybrid HiLsimulator in order to keep the advantages of both,the computation load must be optimally distribu-ted. Due to the limitation of current FPGA device

Fig. 18: Principle of low latency hybrid HiL

technology, multiplication and division operationsshould be minimized both to reduce FPGA resour-ce consumption and to speed up synthesizing time.Since the rotor mesh equation is not directly effec-ted with switching actions of power electronic con-verters therefore its dynamic depends only on itsown time constant which is relatively large compa-red with simulation time step, it is resonable to lo-cate its simulation on the processor part of the HiLsimulator. Similarly the derivatives of the stator cur-rents i̇s in respect to time could be considered asthe sum of a part associated with switching action(i̇ss) and a part not associated with the switchingaction i̇s f whose details are shown in Fig.18. Thepart of state derivative not associated with the swit-ching actions can be considered as constant wi-thin a properly chosen processor time step and iscalculated and multiplied with FPGA cycle time onthe processor once per processor cycle to estimatethe increment of the state variable in one FPGA cy-cle. This increment is then transmitted to FPGA viahigh speed parallel communication bus. The partialincrement associated with switching actions is cal-culated on FPGA per FPGA cycle which is muchfaster than that of the processor (<100 ns). Theswitching function of the power electronic conver-ters is stored on the FPGA RAM memory and canbe initiated at start of the HiL simulation and canbe reconfigured by the test user. The state varia-bles are calculated by numerical accumulator usingexplicit Euler method on the FPGA with the incre-ments of state variables. From Fig.18 it is clear thatthe PWM signals from high dynamic controller willbe responded in one FPGA cycle thus the HiL deadtime could be greatly reduced. The consumption ofFPGA resource is minimized because multiplicati-on and division operations are greatly reduced and

LEAiD e.V. NewsletterMai 2013

www.lea-id.deSeite 13 von 13

transferred to the processor. The test flexibility isstill guaranteed, since most of the model parame-ters are configured and calculated on the proces-sor.

Aktuelles LEA-PersonalLeitung

Prof. Dr.-Ing. Joachim BöckerAOR Dr.-Ing. Norbert FröhlekeAR Dipl.-Ing. Christoph Romaus

Emeritus

Prof. Dr.-Ing. Horst Grotstollen

Sekretariat

Gabriela Rittner

Wissenschaftliche Mitarbeiter

Dipl.-Ing. Sven BolteDipl.-Ing. Oleg BuchholzM.Sc. Krishna Dora V.M.Sc. Carsten HenkeniusDipl.-Ing. Tobias HuberM.Sc. Lukas KeuckDipl.-Ing. Michael LeuerM.Sc. Milind ParadkarM.Sc. Klaus PeterDipl.-Ing. Alexander PetersDipl.-Ing. Wilhelm PetersDipl.-Ing. Christoph SchulteM.Tech. Jitendra SolankiDipl.-Ing. Karl Stephan StilleM.Sc. Meng SunM.Sc. Thorsten VogtM.Sc. Oliver Wallscheid

Doktoranden bei LEA

Dipl.-Ing. Christopher MasjosthusmannDipl.-Ing. Thorsten PapeDipl.-Ing. Heiko PreckwinkelM. Sc. Hosam SharabashM. Sc. Junbing TaoDipl.-Ing. Stefan Uebener

Technische Mitarbeiter

Dipl.-Ing. Helmut FothHans Josef GlunzNorbert Sielemann

Information zu LEAiDWeitere Informationen wie die Satzung unseresVereins und Aufnahmeanträge sowie ältere LEAiD-Newsletter sind auf unserer Webseite: www.lea-id.de zu finden.Der Vorstand von LEAiD e.V. ist unter der Email-adresse vorstand@lea-id.de erreichbar.