Der Lehrstuhl Mechatronik und Elektrische Antriebssysteme an der Rheinland-Pfälzischen Technischen Universität Kaiserslautern-Landau widmet sich der Forschung und Entwicklung von elektrischen Antrieben sowie der Hard- und Softwareentwicklung von Leistungselektronik für die verschiedensten Anwendungsbereiche. Hierzu zählen unteranderem Batteriesysteme, elektrische Energienetze und Antriebe.

In der Europäischen Union sind derzeit etwa 8 Milliarden Elektromotoren im Einsatz, die fast die Hälfte des Stromverbrauchs ausmachen. Die Elektromotorenindustrie ist sehr vielfältig und umfasst ein breites Spektrum an Technologien, Anwendungen und Größen, von kleinen Kühlventilatoren für Computer bis hin zu großen Motoren für die Schwerindustrie. Der Lehrstuhl für Mechatronik und elektrische Antriebssysteme verfügt über eine starke Forschungsgruppe und Experten, die an der Verbesserung der Leistung elektrischer Antriebe in verschiedenen Anwendungen wie Elektrofahrzeugen, Industrieautomatisierung, Integration erneuerbarer Energien sowie Haushalts- und Konsumgeräten arbeiten. Dieses Ziel kann durch die Verringerung der Leistungsverluste, die Minimierung der Motorgeräusche, die in Wohnbereichen, einschließlich Aufzügen und Elektrofahrzeugen, zu Unannehmlichkeiten führen können, und die Verbesserung der Motoreffizienz und -leistung erreicht werden.

Der Lehrstuhl für Mechatronik und elektrische Antriebssysteme hat umfangreiche Kompetenzen auf dem Gebiet der Spannungs- und Leistungsflussregelung in elektrischen Verteilnetzen. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der Integration und der Reduzierung der Baugröße der Regler. Die Arbeitsgruppe forscht sowohl an Leistungsflussreglern für Wechselstrom- als auch an Gleichstromnetze. Bei den Forschungstätigkeiten werden sowohl die Hardware als auch die Software für die Leistungsflussregler untersucht. Dabei werden neben der Funktion als Regler auch Zusatzfunktionen, wie Kompensation von Oberschwingungen und Filtern sowie der Ausgleich von Unsymmetrien im Netz und das Verhalten der Regler in Fehlerfällen untersucht. Für die Forschung und Entwicklung stehen Laboreinrichtungen sowie eine Vielzahl von Test- und Simulationswerkzeugen zur Verfügung.

Die steigende Elektrifizierung im Rahmen der Energiewende hat zu einer zunehmenden Belastung der Niederspannungsnetze geführt. Dies liegt unter anderem an der wachsenden Zahl von Photovoltaikanlagen, Elektrofahrzeug-Ladestationen und anderen elektrischen Verbrauchern und Erzeugern. Diese Veränderungen führen zu einer stark schwankenden Netzspannung, die sowohl die Untergrenzen als auch die Obergrenzen der zulässigen Spannungsbereiche überschreiten kann, wie in der Norm DIN EN 50160 vorgeschrieben (±10 % der Netznennspannung).

Solche Netzprobleme entstehen vor allem, weil Erzeugung und Verbrauch oft zeitgleich, aber in unterschiedlicher Intensität auftreten. Während die Einspeisung durch PV-Anlagen die Spannung anhebt, senken Verbraucher wie Ladestationen die Spannung ab. Dies führt zu einem volatilen Spannungsprofil, das die Netzstabilität gefährdet und lokale Überlastungen hervorrufen kann. In Abbildung 1 ist eine solcher Fall dargestellt.

Konventioneller Netzausbau:

Der Austausch oder die Verstärkung von Betriebsmitteln wie Transformatoren oder Leitungen kann zwar die Belastbarkeit und Spannungsstabilität erhöhen, ist jedoch oft mit hohen Kosten, zeitaufwendigen Baumaßnahmen und Beeinträchtigungen für Anwohner verbunden.

Regelbare Ortsnetztransformatoren (rONTs):

Diese Transformatoren können durch Anpassung des Übersetzungsverhältnisses die Spannung regulieren. Allerdings eignen sie sich nicht zur Steuerung von Stromflüssen oder zur Begrenzung thermischer Belastungen.

Spannungs- und Strangregler:

Diese Geräte können flexibel im Netz eingesetzt werden, um Spannungen zu regulieren, allerdings ohne eine direkte Steuerung des Stromflusses / Leistungsflusses.

Blindleistungsmanagement:

Die Kompensation von Blindleistung durch dezentrale Erzeugungsanlagen wird bereits angewandt, jedoch ist diese nicht ausreichend.

Netz-Topologieänderungen:

Eine Umstellung von strahlenförmigen (typische Bauweise von Niederspannungsnetzen, aufgrund eines einfach zu realsiereden Netzschutzes) auf vermaschte Netzstrukturen kann die Netzkapazität erhöhen und das Spannungsband verbessern, ist jedoch in ihrer Effektivität durch die Inhomogenität der Netzlast begrenzt. Siehe hierzu Abbildung 2.

Leitung 1 ist mit einem Strom von 220 A überlastet (typische Stromwerte in der Niederspannung gehen bis ca. 200 A) während Leitung 2 noch Kapazität hätte. Genau an dieser Stelle setzt das Konzept von Leistungsflussreglern an.

Zur Erklärung des Funktionsprinzip ist in Abbildung 3 eine regelbare Spannungsquelle, die einen Leistungsflussregler darstellt, in einen Leitungsabschnitt mit der Impedanz Z_AB zwischen den Knoten B und C integriert, die die Spannungen U_B und U_C, bzw.  aufweisen. Die Spannungsquelle erzeugt eine zusätzliche Spannungskomponente U₊, die in Betrag und Phase (Winkel ϑ) regelbar ist. Die eingeprägte Zusatzspannung U₊ bewirkt einen Zusatzstrom I₊ der sich gemäß dem Superpositionsprinzip zu den bestehenden Leitungsströmen I_AB und I_AC addiert. Dies führt zu einer gezielten Umverteilung der Leistungsflüsse innerhalb des Netzes.

Abbildung 4 zeigt die Netzsituation aus Abbildung 2 mit einem Leistungsflussregler (Power Flow Controller = PFC).

Der Lehrstuhl verfügt nicht nur über Fachwissen im Design und in der Entwicklung von Leiterplatten für die Leistungselektronik, sondern auch in den mechanischen Verbindungen, die zur Erreichung dieser Stromversorgung erforderlich sind.  Unser Fachwissen liegt im kompletten Design und der Entwicklung von Leiterplatten für die Leistungselektronik bis hin zur Simulation und Prüfung der montierten mechanischen Verbindung. Der Lehrstuhl hat Zugang zu Simulationssoftware wie Ansys Workbench sowie zu anderen Paketen wie Maxwell, Fluent und Motor CAD. Für das Testen ist das Labor mit Stromversorgungsgeräten ausgestattet, die bis zu 1200 A Strom liefern können.