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Institut für elektrische Antriebe, Leistungselektronik und Bauelemente

Foto der Maschinenhalle

Willkommen beim Institut für elektrische Antriebe, Leistungselektronik und Bauelemente (IALB)

Das Institut für elektrische Antriebe, Leistungselektronik und Bauelemente (IALB) gliedert sich in zwei Abteilungen der wissenschaftlichen Forschung und Lehre. Der Schwerpunkt der Forschungsgruppen sindElektrische Antriebstechnik und Bauelemente der Elektrotechnik.

 

Krogital - Digital Cloud-Twin Krogmann 15/50

In dem EFRE-geförderten Kooperationsvorhaben „Krogital - Digital Cloud-Twin Krogmann 15/50 in Bremen/Bremerhaven“ streben die Partner Axtrion GmbH & Co. KG und die zwei Institutionen der Universität Bremen (Bremer Centrum für Mechatronik [BCM] und Bremer Institut für Integrierte Produktentwicklung [BIK]) gemeinsam das Ziel an, eine von dem BCM-Mitgliedsinstitut für elektrische Antriebe, Leistungselektronik und Bauelemente [IALB] betriebene Windenergieanlage (WEA) durch die Einrüstung einer umfassenden Sensorik zu digitalisieren. Dazu ist es notwendig, hochfrequente Messdaten aus dem Betrieb kontinuierlich aufzuzeichnen. Nach der in dem Projekt vorzunehmenden Einrüstung der WEA mit moderner Sensortechnik durch das BCM und das BIK, werden die Daten fusioniert und in die Cloud zur intelligenten Weiterverarbeitung übertragen. Für diese Hardwareschnittstelle wird das BCM einen Datenlogger aufbauen und an der WEA einsetzen.

Die Bremer Firma Axtrion GmbH & Co. KG stellt Cloud-Dienste zur zentralisierten Datenablage und Weiterverarbeitung bereit und entwickelt standardisierte Schnittstellen, worüber die Daten in der Cloud zusammengeführt und in den Cloud-Datenspeichern strukturiert sowie unstrukturiert abgelegt werden. Für die Aufbereitung und Konsolidierung der Daten sowie deren Visualisierung in Echtzeit und Leistungskennzahlen- (KPI-) Ermittlung adaptiert Axtrion passende Cloud-Dienste und stellt sie dem Anwender zur Verfügung.

Die gewonnenen Informationen werden u. a. auch zur Erstellung einer Betriebshistorie der Anlage herangezogen, die in Verbindung mit den Produkt- bzw. Konstruktionsdaten zu einem aktuellen Anlagenzustand verknüpft werden kann. Schöpft man die Möglichkeiten der Industrie 4.0 aus, kann ein übergreifender Austausch anlagenspezifischer Informationen für verschiedene Anwendungsszenarien ermöglicht werden. Auf dieser Basis kann ein Digitaler Zwilling entwickelt werden, der verschiedenen Nutzergruppen eine virtuelle Windenergieanlage zur Verfügung stellen kann. So werden der jeweils aktuelle Status der physikalischen Anlage virtuell gespiegelt und individuell relevante Informationen ausgegeben.

Der Digitale Zwilling ist die Grundlage für die Integration eines umfassenden Konfigurationsmanagements, insbesondere einer optimalen Betriebsstrategie, die nicht nur eine maximale Energieausbeute garantieren, sondern u. a. auch auf die aktuellen Netzbedürfnisse eingehen oder im Hinblick auf eine prädikative Instandhaltung eine belastungsminimale Steuerung potentiell wartungsbedürftiger Anlagen ermöglichen kann. Insbesondere das Expertenwissen aus den Projekten am BIK sorgt für die Planung des Digitalen Zwillings. Das Institut ist maßgeblich für die Datenstruktur der geplanten Digitalisierung hinweisgebend.

Darauf aufsetzend arbeiten das IALB und das BIK in dem BMWi-Projekt „Konzept und Aufbau eines cyberphysischen Systems zur ganzheitlichen Entwicklung von Windenergieanlagen“ in einem neun Partner umfassenden Verbundvorhaben an der Nutzung des Digitalen Zwillings in diversen Anwendungsszenarien und an seiner Übertragbarkeit auf andere WEA im Multi-Megawatt-Bereich.

Forschungsprojekt: „Netzwiederaufbau mit Windenergie und Wasserstoff – wind2grid“

Förderschwerpunkt: I - Erneuerbare Energien und Energieeffizienz

Das Projekt wind2grid umfasst zwei Promotionsthemen, die in einem Projektteam aktuell bearbeitet werden. Ein erstes Kernziel des Forschungsvorhabens ist es, Windenergieanlagen mittels einer neu zu entwickelnden Methodik zur Schwarzstartfähigkeit eigenständig in die Lage zu versetzen, aus dem Stillstand den Betrieb aufzunehmen und ggfs. segmentiert das Stromnetz wieder aufzubauen. Heutige Windenergieanlagen verfügen noch nicht über diese Technik. Sie sind unfähig, nach einem Komplettabsturz der Stromnetzversorgung sich selbst bzw. die gesamte Verbindung bis zum Transportnetz wieder in Gang zu bringen.

Das zweite Kernziel des Vorhabens ist es, innovative Umsetzungen erarbeiteter Theorie in der Praxis aufzuzeigen. Hierzu steht die Erforschung eines Power-to-Gas Konzeptes für den Einsatz mit Wasserstoffspeichern in räumlicher Nähe von erneuerbaren Erzeugungsanlagen im Vordergrund. Zunächst wird durch den Einsatz von Elektrolyseuren aus überschüssiger elektrischer Energie Wasserstoff erzeugt. Der gespeicherte Wasserstoff wird dann bei Bedarf mittels Brennstoffzellen oder anderer Technologien (Power-to-Liquid) erneut verstromt. Im Rahmen des Forschungsvorhabens soll ein Konzept erforscht werden, bei dem die Energieversorgung beim Schwarzstart über die Energiequelle Wasserstoff realisiert wird.

Foto wind2grid
HiPE-WiND-Hallle
Prüffeld mit Klimaraum (links) an der Uni Bremen,

Hochleistungselektronik im Klimatest

Prüfstand in Bremen lässt komplette Umrichter großer Windenergieanlagen unter echten Belastungen testen

Im Durchschnitt alle zwei Jahre fällt eine Windenergieanlage aus - und führt zu Montageeinsätzen, Fehlersuche, Ersatzteilbeschaffung und Reparaturen, bei Offshore-Anlagen auch zu Schiffseinsätzen. Das ist komplex und kostet viel Geld und Zeit. Die Fehler liegen oft in der Leistungselektronik. Feuchte und Temperaturschwankungen belasten diese sehr. Unklar ist, welche Bauteile wegen welcher Probleme wann den Dienst versagen. Und wie dem vorzubeugen ist. Aufschlüsse soll das Verbundprojekt "HiPE-WiND" liefern.

Für Forschungen zu Ausfallursachen und verlässlicher Nutzungsdauer von Bauteilen der Hochleistungselektronik und ganzer Stromrichter sind an der Universität Bremen im Rahmen des Projekts nun Hightech-Prüfstände entstanden. Hier werden komplette Umrichtersysteme von Windenergieanlagen bis zur Zehn-Megawatt-Klasse in einem Klimaraum genau definierbaren Lasten ausgesetzt. Es sind Bedingungen, wie sie bei Windenergieanlagen in der Nordsee oder im Gebirge herrschen.

Der große HiPE-WiND-Klimaraum ist einer von nur wenigen, der Komponenten in diesen Dimensionen aufnehmen kann. Er lässt realitätsnah Umweltbedingungen nachbilden und mit hohen elektrischen Belastungen kombinieren. Er ermöglicht Langzeit-Belastungstests am ganzen Umrichter mit all seinen Interaktionen und damit Empfehlungen für präventive Wartungsmaßnahmen und das Erhöhen der Lebensdauer von elektronischen Komponenten.  Er liefert so wertvolle Impulse für das künftige Bauteil-Design. 

In der großräumigen Klimakammer können komplette Schaltschränke bei Teperaturen von minus 40 bis plus 120 Grad Celsius und bei unterschiedlichen Luftfeuchtigkeitswerten geprüft werden. HiPE-WiND-Ziel ist die Verlängerung der System-Betriebsdauer sowie die Ausfallprävention mit dem Fokus auf vorausschauende Instandhaltung mit dem rechtzeitigen Austausch von Komponenten. Die zeitlich beschleunigte Alterung der Umrichter-Komponenten im Prüflabor liefert Hinweise auf Schwachstellen der Stromrichter. Zur Zuverlässigkeit von Halbleiterkomponenten verfügen die Forscher mittlerweile über eine zwölfjährige Erfahrung. Das Testsystem berücksichtigt alle Lastfunktionen. Es ist anpassbar an Leistung und Betriebsspannung. Ein konstanter Wechsel der Temperaturen und Luftfeuchtigkeit sumuliert die starke Beanspruchung der Bauteile. Unter klimatisch verschiedenen Bedingungen und stetig wechselnden elektrischen Belastungen lässt sich im neuen "HiPE-Lab" eine 20-jährige Komponenten-Lebensdauer simulieren.

Daten zum Projekt "HiPE-WiND"

Federführend im Verbundprojekt "HiPE-WiND" (High Power Electronics in Wind Energy Plans) ist das Institut für Elektrische Antriebe, Leistungselektronik und Bauelemente, IALB, der Universität Bremen in Kooperation mit dem Fraunhofer Institut für Windenergiesysteme, Iwes, in Bremerhaven. 

Projektdaten "HiPE-WiND"

Eingebunden ist auch ForWind, das Zentrum für Windenergieforschung der Universitäten Oldenburg, Hannover und Bremen. Industriepartner sind Anlagenbauer Enercon, Breuer Motoren und Betriebsführungsspezialist WPD Windmanager. Das Projekt wird vom Bundeswirtschaftsministerium mit 11,5 Millionen Euro gefördert.

Quelle: HUSUM Wind, Die Messezeitung für die HUSUM Wind, Autor: Holger Raffel, Centrum für Mechatronik, Universität Bremen

Preis für Alexander Würfel

Februar 2018

Alexander Würfel, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für elektrische Antriebe, Leistungselektronik und Bauelemente (IALB), hat den mit 3.000 Euro dotierten Literaturpreis der Energietechnischen Gesellschaft im Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik erhalten.

Mit diesem Preis würdigt der Verband besondere wissenschaftliche und publizistische Leistungen auf dem Gebiet der elektrischen Energietechnik. Ausgezeichnet wurde er für seine Arbeit „Over Current Breaker Based on the Dual Thyristor Principle“. Er stellt darin einen neuartigen halbleiterbasierten Überstromschutzschalter für Gleichstrom vor, der sehr schnell abschaltet.

Bremer Uni Schlüssel 

Gruppenbild HipeWind

11,5 Millionen Euro Förderung: Wissenschaftler erforschen Lebensdauer der Leistungselektronik von Windenergieanlagen

Wichtig für die Energiewirtschaft: Offshore-Anlagen sollen zuverlässiger arbeiten Dezember 2017

Es ist eine Frage von großer Bedeutung für die deutsche Energiewirtschaft: Wie sieht es mit der Lebensdauer der Leistungselektronik in Windenergieanlagen aus? Welche Umwelt- und Lastbedingungen spielen für die Lebensdauer eine Rolle? Für die Beantwortung dieser Fragen hat das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie jetzt 11,5 Millionen Euro bereitgestellt. mehr

Neue Forschungsgruppe Leistungselektronik

1,5 Millionen Euro Förderung durch Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE)

November 2017

Die Nutzung der Windenergie ist in Deutschland eine Erfolgsgeschichte – und das ist auch hervorragender Forschung zu verdanken, unter anderem aus der Universität Bremen.

Mit dem Ziel, das Kompetenzfeld Leistungselektronik nachhaltig und dauerhaft im Land Bremen zu etablieren, wird im Rahmen eines vierjährigen, mit 1,5 Millionen Euro durch den Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) geförderten Projektes, eine neue Forschungsgruppe für Hochleistungselektronik von Windenergieanlagen an der Universität Bremen in Kooperation mit dem Fraunhofer Institut für Windenergiesysteme (IWES) aufgebaut. Angesiedelt wird die Forschungsgruppe „Hochleistungselektronik von Windenergieanlagen“ als neuer Arbeitsbereich im Bremer Centrum für Mechatronik (BCM).

Das Bremer Centrum für Mechatronik hat sich in den zwölf Jahren seines Bestehens bereits nachhaltig als eine interdisziplinäre wissenschaftliche Transfereinrichtung der Universität Bremen etabliert. Es ist heute ein anerkannter Entwicklungspartner zahlreicher Industriebetriebe. Neben seinem technologischen Know-how bietet es auch maßgeschneiderte branchenübergreifende Beratung an. Die neue Forschungsgruppe mit der der Ausrichtung auf anwendungsorientierte Forschung sowie Fort- und Weiterbildung im Bereich der Hochleistungselektronik wird die Transferaktivitäten des BCM um ein neues zukunftsweisendes Arbeitsgebiet erweitern. Durch die engen Kooperationen mit Firmen aus der Windenergiebranche wird der schnellstmögliche Transfer der Forschungsergebnisse in die industrielle Anwendung gewährleistet. Unterstützt wird der Aufbau durch das Institut für elektrische Antriebe, Leistungselektronik und Bauelemente (IALB).

Die Forschungsgruppe „Hochleistungselektronik von Windenergieanlagen“ soll als Kooperationspartner für technologieorientierte Firmen sowie klein- und mittelständischen Unternehmen wichtige Forschungs- und Transferfunktionen leisten. Im Fokus steht dabei die Entwicklung und Optimierung leistungselektronischer Anlagen für die Windenergie im On- und Offshore-Betrieb unter unternehmensspezifischen Aspekten. Die Leistungselektronik soll somit als systemrelevante Schlüsseltechnik für die Netzintegration der Windenergie im Lande Bremen und der Metropolregion Oldenburg fest verankert werden. Laut BCM-Geschäftsführer Holger Raffel sollen Arbeitsplätze im Innovationsfeld Hochleistungselektronik geschaffen, attraktive Dienstleistungsangebote für die Industrie entwickelt und das Windenergiecluster gestärkt werden.

Mittlerweile sind die meisten Windenergieanlagen maschinenbauliche und elektrotechnische Hightech-Produkte. Praktisch alle Windenergieanlagen der Multi-Megawatt-Klasse werden durch Leistungselektronik an das elektrische Netz angebunden. Auch bei der Anbindung von Offshore-Windparks an das Verbundnetz mit Hilfe einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) bildet die Leistungselektronik das Herzstück zur Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom und umgekehrt.

Nach wie vor stellt der stabile Betrieb des Stromversorgungssystems bei einem dominierenden Anteil fluktuierender Einspeisung eine große Herausforderung für das Gelingen der Energiewende dar. In der Windenergietechnik bildet die Leistungselektronik das Bindeglied zwischen dem mechanischen Teil des Antriebsstrangs und dem elektrischen Netz. Dabei muss sie den physikalischen Eigenschaften des Windes gerecht werden, aber auch die Anforderungen des elektrischen Netzes erfüllen. Tatsächlich reagiert das elektrische Stromversorgungssystem innerhalb von Sekundenbruchteilen sehr empfindlich auf eine Störung des Gleichgewichts aus eingespeister und verbrauchter Leistung im Stromnetz. Dieses Gleichgewicht muss in jedem Zeitaugenblick durch ausgeklügelte Regelungsmechanismen und durch den Einsatz von Hochleistungselektronik sichergestellt werden.

Dazu sollen während der Aufbauphase leistungsfähige Netz- und Anlagenmodelle entwickelt werden, mit denen sich die dynamischen Aspekte der Netzintegration auch im Millisekundenbereich untersuchen lassen. Mit ihrer Hilfe kann dann eine Optimierung der Regelung von Windenergieanlagen durchgeführt werden. Zusätzlich entstehen spezielle Experimentierplattformen wie beispielsweise ein 50 kW-Gondelprüfstand, an denen alternative Betriebskonzepte im kleinen Maßstab bereits im Labor experimentell erprobt werden können.