Multi-domain Optimalisation of Power Electronics – MOPE (EMVT 04301)

Titel
Multi-domain Optimalisation of Power Electronics – MOPE  (EMVT 04301)

Vermogenselektronica wordt steeds sneller. Een nadeel is dat daarmee ook de problemen door elektromagnetische interferentie (EMI) en thermische effecten toenemen. De ontwerpers moeten daar eigenlijk rekening mee houden, maar meestal worden de problemen pas achteraf opgelost. In het MOPE-project zal een integrale benadering worden ontwikkeld.

Het gebeurt steeds vaker dat vermogenselektronica, zoals frequentieomvormers en schakelende voedingen, storingen veroorzaken. Gevolgen: uitbrandende motoren, van slag zijnde regelsystemen in fabrieken, uitvallende navigatiesystemen op schepen. De oorzaak is dat de elektronica steeds geavanceerder wordt. Het schakelen gaat sneller en de spanningswisselingen zijn hoger. Daarmee nemen zowel de thermische bijeffecten als de elektromagnetische interferentie (EMI) toe. De ontwerpers van vermogenselektronica moeten daar eigenlijk rekening mee houden, maar vaak richten ze zich alleen op de functionele aspecten. Thermische en EMI problemen worden achteraf opgelost, door bijvoorbeeld filters, spoelen of afscherming van kabels aan te brengen. Omdat de bijeffecten toenemen, worden deze extra componenten steeds groter en zwaarder. Soms is het zelfs niet mogelijk om de problemen te verhelpen. ‘Ontwerpers zouden in een vroegtijdig stadium alle aspecten moeten meenemen, maar daarvoor zijn geen rekenmethodes beschikbaar’, vertelt Frank Leferink.

Integraal ontwerp
Het doel van het MOPE-project is om deze rekenmethodes te ontwikkelen, die de functionele, thermische en elektromagnetische aspecten van vermogenselektronica tegelijk uitrekenen. Met die kennis zal een integrale ontwerpaanpak worden ontwikkeld, waarmee vermogenselektronica zo kan worden ontworpen dat de EMI- en thermische effecten minimaal zijn. De EMI-reducerende componenten die toch nodig zijn kunnen optimaal worden ingepast in het ontwerp.

Het project richt zich op vermogenselektronica in aandrijvingen en mechatronica. Deze combinaties zijn het meest complex wat betreft interferentie, omdat de aandrijvingen zelf ook elektromagnetische componenten hebben. Als uitgangspunt worden motoren van tien kilowatt gekozen, die bijvoorbeeld in productiemachines met lopende banden zijn te vinden. De resultaten zullen echter eenvoudig vertaalbaar zijn naar andere machines, van wafersteppers die bewegen op nanometerschaal, tot aan vijftig megawatt machines in schepen. Daarnaast zijn ze te gebruiken voor andere toepassingen van vermogenselektronica, waar de bijeffecten meestal minder complex zijn.

 

Demonstratieomvormer
Het onderzoek bestaat uit modelleren, testen en ontwerpen. Om een goede ontwerpmethode te ontwikkelen, zullen de onderzoekers de effecten van verschillende EMI-reducerende maatregelen kwantitatief in kaart brengen. Die kennis ontbreekt nu. Het is bekend wat de componenten doen, maar niet in welke mate. Vervolgens zullen ontwerpregels en modellen worden gemaakt. De modellen worden gevalideerd met experimenten in testopstellingen.

Een belangrijk onderdeel is ook het ontwerp van een nieuwe industriële omvormer waarin de functionele, thermische en elektromagnetische effecten zijn geoptimaliseerd. Met deze demonstratieomvormer willen de onderzoekers de voordelen van de ontwerpmethode laten zien.

 

Multidisciplinair
‘Het unieke aan het project is de multidisciplinaire aanpak. Het gebeurt te weinig dat functionele, elektromagnetische compatibiliteit (EMC) en thermische effecten tegelijk worden benaderd’, vertelt Leferink. De onderzoekers willen daarom macro-modellen ontwikkelen die in normale ontwerpsoftware kunnen worden ingepast. De ontwerper krijgt op die manier de middelenom het ontwerp integraal te benaderen, zonder dat hij allerlei EMC-cursussen hoeft te volgen.

Daarnaast zal de demonstratieomvormer innovatief zijn. Kennis en nieuwe ideeën die tijdens het project worden opgedaan, zullen in de omvormer worden verwerkt. Samen met de nieuwe ontwerpmethode zal dit tot een radicaal ander ontwerp leiden.

Het onderzoek zal kennis opleveren die van nut is voor zowel de producenten van vermogenselektronica als de systeembouwers. De Nederlandse industrie is dan ook zeer geïnteresseerd in het project. Verschillende bedrijven zijn betrokken geweest bij de onderzoeksopzet en zullen deelnemen in de belangengroep die twee keer per jaar over de voortgang wordt geïnformeerd.

Delft en Twente
Het project is een samenwerkingsverband tussen de Universiteit Twente en de TU Delft. De Twentse promovendus zal zich bezig houden met het modelleren en valideren van het EMI-deel. De Delftse promovendus focust op de functionele en thermische aspecten

 

Uitvoerders

University of Twente, Faculty EWI,
Department of Electrical Engineering,
Telecommunication Engineering (TE), EMC
Anne Roc’h (AIO)
Prof.dr.ir.ing. Frank B.J. Leferink

TU Delft, Information Technology and Systems
Faculty, Electrical Power Processing Group (EPP)
Dongsheng Zhao (AIO)
Prof. dr. J.A. Ferreira, M.Sc Eng

 

Onderzoeksperiode
Eind 2004 – eind 2008