In vielen Bereichen der Technik hat die induktive, berührungslose Energieübertragung bereits erfolgreich Einzug gehalten mit progressiver Verbreitung. Währen sich das Leistungsniveau bisher im Bereich von einigen Watt bis zu maximal 50 kW bewegte, wird im Rahmen dieser Arbeit eine ausgeführte Anlage zur Bordenergieversorgung des Transrapid-Fahrzeugs beschrieben mit einer Leistung von 2 x 250 kW. Angesichts dieses hohen Niveaus gewinnen Wirkungsgradbetrachtungen zunehmend an Bedeutung. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit insbesondere im Bereich der Wirbelstromverluste sind allgemein formuliert und lassen sich auf jede Art von derartigen Anlagen d.h. Applikationen, in denen hochfrequent betriebene Kabel zum Einsatz kommen, anwenden. Nach einer allgemeinen Einführung in die Thematik der berührungslosen Energieübertragung folgt eine Übersicht zu den bisherigen Aktivitäten bzw. Veröffentlichungen in diesem Bereich. Anhand von sowohl Beispielen aus der Literatur als auch in Betrieb befindlichen Anlagen werden die Anwendungsgebiete und Einsatzmöglichkeiten dieser Technologie aufgezeigt. Im Sinne einer Systembeschreibung folgt in Kap.2 eine kurze Darstellung der wesentlichen Systemkomponenten gefolgt von Erläuterungen zu den Verlustmechanismen im Leiterwerkstoff bzw. Ferrit in Kap.3. Das Hauptanliegen dieser Arbeit besteht in der eingehenden, vornehmlich analytischen Untersuchung von wirbelstrombedingten Leiterverlusten (Skin and Proximity). So werden in Kap.4 im Hinblick auf die prinzpielle Eignung eine Reihe in Frage kommender Primärleiterkonfigurationen untersucht wie Litzleiter, massiver Bandleiter sowie massive ein- und mehrschichtige Rohrleiter. Neben den verlustbedingten Aspekten werden auch Eigenschaften wie Kopplungsgrad von Primär- und Sekundärseite sowie Induktivitätsbeläge behandelt. Numerische Methoden werden lediglich zur Bestätigung der analytischen Ergebnisse oder zu Zwecken der Visualisierung eingesetzt. Analytische Beschreibungen eignen sich immer dann besonders gut, wenn man an der Physik eines Effektes interessiert ist. Die Art des Einflusses eines Parameters lässt sich am einfachsten aus dem mathematischen Zusammenhang ableiten. Allerdings gehen solchen analytischen Beschreibungen in der Regel idealisierende, d.h. unter Umständen einschränkende oder zu sehr vereinfachende Annahmen voraus, welche bei der Interpretation zu berücksichtigen sind. So kann es gelegentlich zu scheinbar widersprüchlichen Ergebnissen kommen, deren Sachverhalt sich erst aufklärt, nachdem nachgewiesen wurde, dass sie unter nicht zutreffenden Voraussetzungen erhalten wurden. Eine Ausnahme diesbezüglich stellt die Untersuchung von Verlusten ausserhalb der elektrischen Leiter in einem stählernen bzw. stahlbewerten Fahrwegträger dar, wo eine analytische Lösung aus Gründen der Nähe von Eisen prinzipiell unmöglich ist. So werden beispielhaft zwei Fahrwegträgertypen aus Stahl bzw. Spannbeton hinsichtlich der Verluste verglichen und Massnahmen zu deren Minimierung z.B. durch Schirmung vorgestellt. In der Regel werden CPS (Contactless Power Supply)-Anlagen nachträglich in ein bereits bestehendes Umfeld, wie beispielsweise im Bereich der Bodenförderfahrzeuge den Fussboden einer Werkhalle, eingefügt. In diesen Fällen müssen die durch Wirbelströme verursachten Zusatzverluste im Bewehrungsstahl im Allgemeinen hingenommen bzw. durch Schirmung reduziert werden. Wie in Kap.5 gezeigt wird, können diese induzierten Proximityverluste die in den Kabeln auftretenden Verluste deutlich übersteigen, so dass es sinnvoll erschien, diesem Problem ein eigenes Kapitel zu widmen. In Kap.6 folgt die Beschreibung unterschiedlich kompensierter Pick-Up's (Aufnehmer) mit besonderer Berücksichtigung des Aufbaus und der elektrischen Eigenschaften. Im Unterschied zum Primärkabel werden hier die zusätzlichen Leiterverluste aufgrund der Nähe von Ferrit berücksichtigt. Auf die in ferromagnetischen Werkstoffen auftretenden Verluste wird im Sinne der Vollständigkeit nur kurz eingegangen, da es sich hierbei um eine eher werkstofftechnologische Thematik handelt. Dielektrische Verluste in Kondensatoren bzw. Kabelisolierungen werden mit Ausnahme des Koaxialkabels nicht näher berachtet. Kap.7 befasst sich mit der Berechnung des Kopplungsgrades zwischen Primärleiter und Pick-Up. Dabei werden zwei unterschiedliche Ausführungen des Primärteils nämlich der Litzleiter- sowie der Rohrleitertyp näher untersucht. Die theoretischen Betrachtungen haben ihren Ursprung in den MAXWELL'schen Gleichungen und führen i.A. über BESSEL'sche Differentialgleichungen zu den gesuchten, die Verluste beschreibenden mathematischen Ausdrücken. Der Umgang mit BESSEL-Funktionen ist nicht immer unproblematisch, so dass generell versucht wurde, besonders durch Tabellen im Anhang bzw. vergrösserte Ausschnitte technisch relevanter Bereiche in grafischen Darstellungen, der vorliegenden Arbeit eine gewisse Praxistauglichkeit zu verleihen. Einerseits ist es zwar sinnvoll, im Rahmen einer theoretischen Betrachtung beispielweise auch technisch nicht mehr sinnvoll zu realisierende Frequenzbereiche einzubeziehen, andererseits leidet dabei jedoch meist die Lesbarkeit jener Bereiche im unteren, öfter genutzten Frequenzbereich. Aufgrund der Themenvielfalt war eine getrennte Beschreibung von Theorie und Messergebnissen nicht möglich, so dass eine komponentenorientierte Gliederung gewählt wurde, in welcher alle Aspekte wie Analytik, Numerik und Messung für das entsprechende Anlagenteil separat behandelt bzw. einem direkten Vergleich unterzogen werden.
During the last years the contactless inductive power supply CPS is established in a variety of applications such as cranes, ground floor transportation systems, monorails and battery charging systems whereas the power level ranges between some few W and at most 50 kW. This thesis deals with the description of a system in order to energize the Transrapid vehicle with approximately 450 kW electrical power. In view of this level it is of significant importance to include efficiency considerations into the process of development of systems as large as the described. The thesis starts with an introduction in the topic of contactless energy transfer followed by a synopsis about the recent proceedings resp. activities within this matter. By means of examples in the recent literature as well as operating plants the wide application field of this technology is pointed out. For the purpose of a general system description chapter 2 introduces the basic components of the track (primary inverter, coaxial feeding cable, primary winding) and the vehicle (pick-up). In chapter 3 the origin of the major power losses such as skin and proximity effects in electrical conductors and hysteresis losses in soft ferrites are discussed. The main objective of this thesis is the detailed primarily analytical description of eddy current losses (skin and proximity) in conductors. Concerning this matter a variety of conductor types are presented and analyzed e.g. litzcables, massive rectangular strip conductors as well as round one- and multilayer pipe conductors. Numerical results are generated only for the purpose of verification. One exception is the numerical analysis of the so called induced proximity effect in conducting but not current-carrying structural elements e.g in the track. Normally a new CPS-system has to be integrated in an existing environment e.g the reinforced concrete floor in the production hall of a factory. Therefore it seemed to be meaningful to insert a special chapter in which the theory and some comparative measurements are presented. In order to minimize these losses a theoretical analysis of some shielding techniques are done. Prior to the presentation of the specific loss mechanisms within the pick-up (separated in conductor and ferrite losses) the according chapter starts with the description of the electrical behaviour of series resp. parallel compensated pick-ups. Due to the fact of ferrite material in the vicinity to the winding an additional so called external proximity effect has to be taken into account. Furthermore the magnetical coupling between the pick-up (energy receiver) on the one hand and a litz-type resp. pipe-type primary on the other hand are investigated numerically and by means of measurements. For the sake of completeness this thesis addresses the problem of dielectric losses especially in the coax cable under certain circumstances such as high frequency and high voltage. The theoretical considerations have their origin in the Maxwell equations and finally lead to Bessel differential equations which describe the eddy current lossses. Well, Bessel equations are not easy to handle without computer support, so it was decided to include some tables and enlarged parts of some general diagrams to allow a rough loss estimation which often is sufficient in the first distance. As a result of the variety of issues the theoretical descriptions e.g. in the first part of the thesis and measurement in the following was not possible, so a omponent-oriented disposition as described in chapter 2 was decided.
Systemverluste bei der berührungslosen induktiven Energieübertragung
2009
273 Seiten, Bilder, Tabellen, Quellen
Hochschulschrift
Deutsch
Stand der Technik , Verlustleistung , Energieübertragung , Blockschaltbild , Literatur , Forschung , Eisenverluste , Wirbelstromverluste , elektrischer Leiter , Rechenverfahren , Messung , Koaxialkabel , Herstellung , Rohr , Füllfaktor , Proximity-Effekt , Magnetschwebebahn , Abschätzung , Wirkungsgrad , Litze (Seil)
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