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    IEEE International Future Energy Challenge 2005

    The IEEE International

    Future Energy Challenge 2005

    IEEE International Future Energy Challenge 2005

  • 2

    IEEE International Future Energy Challenge 2005

    Potentialfreier Wechselstrom

    Inselbetrieb Netzeinspeisung

    Entwicklung eines interaktiven Wechselrichters für 1kW

    DC

    AC

    110V 60Hz

    220V 50Hz

    30 .. 60 V?

    IEEE International Future Energy Challenge 2005

    The IEEE International

    Future Energy Challenge 2005

    Team Aachen/Köln

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    IEEE International Future Energy Challenge 2005

    FH Köln University of Applied Sciences Cologne

    Institut für Automatisierungstechnik

    Aachen Köln

    IEEE International Future Energy Challenge 2005

    http://www.fec.rwth-aachen.de

    Öffentlicher Teil- Allgemeine Informationen

    - Vorstellung des Teams

    - Sponsoren

    - Links zu den Hochschulen

    Members-area

    - Aufsätze

    - Forum

    - Kontaktadressen

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    IEEE International Future Energy Challenge 2005

    ELECTRONICA 2004 München, 09 .- 12. November 2004

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    Sponsoren des Studententeams

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    Arbeiten im Labor

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    IEEE International Future Energy Challenge 2005

    boostconverter

    resonantconverter

    PWMinverter

    80V DC 400V DC

    ~

    220V110V AC

    30...60V DC

    ~Uin

    Uout

    Vorteile

    - Topologien aus Vorlesungen bekannt

    - Einzelne Leistungsstufen können unabhängig voneinander entwickelt und optimiert werden

    Nachteile

    - Höhere Gesamtverluste

    Gesamte Topologie

    IEEE International Future Energy Challenge 2005

    Entwicklung des HochsetzstellersErste Generation: Einphasiger Hochsetzsteller

    Probleme: - hohe Stromwelligkeit- Messshunts verursachen hohe Verluste

    0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 5060

    40

    20

    0

    20

    40

    60

    80

    100

    0.5us/div

    100

    60

    Ua1t

    IL1t

    50.010 t dt. 106.

  • 7

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    1kW Hochsetzsteller 30V .. 60V = > 80V

    Uin

    Uout

    Uds

    L1

    L2

    Q

    R

    S

    Uref

    IL1

    Iin

    IL2+Uv

    +

    Iref

    1 50R UR

    fs

    D1

    T1T2

    D2

    0 0.5 1 1.5 20

    5

    10

    15

    20

    25

    30Simulation interleaved operation Uin=50V30

    0

    I1 t( )

    I2 t( )

    Iin t( )

    20 tT

    0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200

    5

    10

    15

    20

    25

    30Measured input current at nominal load

    25.938

    0

    Iint

    20.010 t dt⋅ 106⋅

    Ergebnisse der Simulation Gemessene Signalverläufe

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    Wirkungsgrad des Hochsetzstellers

    91%

    92%

    93%

    94%

    95%

    96%

    97%

    1000900800700600500400300200150

    Output power

    Effic

    ienc

    y Uin=60VUin=45VUin=30V

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    boostconverter

    resonantconverter

    PWMinverter

    80V DC 400V DC

    ~

    220V110V AC

    30...60V DC

    ~Uin

    Uout

    Gesamte Topologie

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    Entwicklung des SerienresonanzwandlersErste Generation:

    Halbbrücken-ResonanzwandlerZweite Generation:

    Optimierter Vollbrücken-Resonanzwandler

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    Uout

    Uds

    Uin

    N1 N2

    CrσLIc

    T3T1

    T2 T4

    Ro

    Ca La

    Cs

    Cs

    Serienresonanzwandler

    Betriebsfrequenz nahe der Resonanzfrequenz

    ⇒ sinusförmiger Strom Ic

    ⇒ Schalten im Stromnulldurchgang (ZCS)

    ⇒Spannungsabfall an Lσ wird kompensiert

    rRESS CLff

    ⋅⋅⋅=≈

    σπ21

    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1060

    40

    20

    0

    20

    40

    60

    80

    100

    0.5us/div

    100

    60

    Ict 2.

    Uds1t

    Uds2t

    100 t dt. 106.

    IEEE International Future Energy Challenge 2005

    Uout

    Uds

    Uin

    N1 N2

    CrσLIc

    T3T1

    T2 T4

    Ro

    Ca La

    Cs

    Cs

    Messungen am Resonanzwandler

    0

    50

    100

    150

    200

    250

    300

    350

    400

    0 200 400 600 800 1000 1200

    Pa/W

    Ua/V

    0,00

    0,10

    0,20

    0,30

    0,40

    0,50

    0,60

    0,70

    0,80

    0,90

    1,00

    0 200 400 600 800 1000 1200

    Pa /W

    n

    Ua=f(Pa) Wirkungsgrad

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    Hochsetzsteller und Resonanzwandlerauf einer Platine

    Dritte Generation

    IEEE International Future Energy Challenge 2005

    boostconverter

    resonantconverter

    PWMinverter

    80V DC 400V DC

    ~

    220V110V AC

    30...60V DC

    ~Uin

    Uout

    Gesamte Topologie

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    Wechselrichter PCB (1. Generation)

    IEEE International Future Energy Challenge 2005

    Uds1 Uds2IL2

    IL1

    2C

    110V

    Uds1 Uds2IL2

    IL1C

    C

    220V

    Pulswechselrichter für 220V 50Hz und 110V /60Hz(2. Generation)

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    IEEE International Future Energy Challenge 2005

    Measurements of PWM Inverter Output (220V, 50Hz)

    Island mode U=220V, 50Hz

    0,9

    0,92

    0,94

    0,96

    0,98

    1

    0 200 400 600 800 1000 1200 1400

    output power [W]

    effic

    ienc

    y [W

    ]

    0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50400

    200

    0

    200

    400turn-on 220V 50Hz with 1kW load315.625

    315.625−

    Ut

    It 40⋅

    50.010 t dt⋅ 103⋅

    Inselbetrieb Netzbetrieb

    Wirkugsgrad

    IEEE International Future Energy Challenge 2005

    boostconverter

    resonantconverter

    PWMinverter

    80V DC 400V DC

    ~

    220V110V AC

    30...60V DC

    ~Uin

    Uout

    Gesamte Topologie

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    Microcontroller Board (1.Generation)

    IEEE International Future Energy Challenge 2005

    Microcontroller Board (3.Generation)

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    Uin

    Uo

    Uin

    Uo

    Uout

    Uout

    L2

    L1

    IL2

    IL1

    IL

    Iout

    IC

    Co

    Co C

    T1 T2

    T4T3R

    12

    ~

    AD

    AD

    AD

    AD

    AD

    T1 T2 T3 T4

    PWM

    ADuC7026

    Regelung des Pulswechselrichters für Netzeinspeisung und Inselbetrieb

    IEEE International Future Energy Challenge 2005

    Standalone Mode (110V) – 1kW Load Steps (0...100%)

    0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05200

    100

    0

    100

    200110V 60Hz load step 0 -> 1kW

    169.25

    155.75−

    U t

    I t 10⋅

    N dt⋅0 t dt⋅

    0.02 0.022 0.024 0.026 0.028200

    100

    0

    100

    200110V 60Hz load step 0 -> 1kW

    1us/div

    U/V

    169.25

    155.75−

    U t

    I t 10⋅

    0.03.02 t dt⋅

    0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05200

    100

    0

    100

    200110V 60Hz load step 1kW -> 0

    191.125

    158.875−

    Ut

    It 10⋅

    N dt⋅0 t dt⋅0.02 0.022 0.024 0.026 0.028

    200

    100

    0

    100

    200110V 60Hz load step 1kW -> 0

    191.125

    158.875−

    Ut

    It 10⋅

    0.030.02 t dt⋅

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    IEEE International Future Energy Challenge 2005

    Netzerkennung-und Ankopplung

    IEEE International Future Energy Challenge 2005

    Umschaltung in den Inselbetrieb nach Netzfehler

    0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500400

    200

    0

    200

    400 Change grid to island mode : 220V312.5

    321.875−

    Ut

    500.10 t dt⋅ 103⋅

  • 16

    IEEE International Future Energy Challenge 2005

    T3a T3c

    T3dT3b

    C2a

    C2b

    s1

    s5

    s6s3

    s4

    s2

    LEM

    virtualcurrent IL

    ~

    220V / 110V50Hz / 60Hzgrid mode

    110V

    220V

    island mode & emergency load

    Uin

    Cr

    N1 N2

    Ls

    Ca La

    Cs Cs

    U1

    Lf1

    Lf2

    Cf1 Cf2

    IC

    Is

    IL1

    80V DC

    350 DC

    U2

    U3

    DC to AC Converter Topology

    1stPCB

    2ndPCB

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    1 kW Interaktiver Wechselrichter (offenes Gehäuse)

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    8 Stunden vor dem Abflug nach USA

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    Köln-Aachener Team in Golden /USA

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    Arbeiten im Hotel in Denver, USA

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    Folgen der vielen Arbeit

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    National Renewable Energy Laboratory of the USA in Golden/Co

    Testgelände des Future Energy Challenge 2005

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    IEEE International Future Energy Challenge 2005

    Rocky Mountains

    Die schöne Seite des Wettbewerbes

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    Ausflug nach Denver

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    Ergebnisse der anderen Teams

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    Siegerehrung

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    IEEE International Future Energy Challenge 2005

    Das Studententeam erhielt Auszeichnungen fürOutstanding Presentation and Technical Documentation

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    IEEE International Future Energy Challenge 2005

    Potentialfreier Wechselstrom

    Inselbetrieb Netzeinspeisung

    1kW Interaktiver Wechselrichter

    DC

    AC

    110V 60Hz

    220V 50Hz

    30 .. 60 V


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