H Jahrgang

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1 H Jahrgang Kameragesteuerte mechanische Unkrautbekämpfung in Pflanzenreihen Mechanisierte Ernte von einjährigen Weidenund Pappelplantagen für die Pflanzgutgewinnung Mobiler Zapfwellengenerator für landwirtschaftliche Anwendungen Contents in English on:

2 Das Wissenschaftsportal für die Agrartechnik Der neue Weg: Das Online-Portal verbindet Information und Kommunikation: unabhängig, neutral und wissenschaftlich fundiert 2 gute Gründe, jetzt online zu gehen Laden Sie sämtliche Fachbeiträge ab dem Jahr 2000 in Deutsch und/oder Englisch herunter Bringen Sie sich auf den neuesten Stand agrarwissenschaftlicher Forschung

3 Traktoren 147 Florian Kogler, Gerald Kalteis, Johannes Heissenberger und Heinrich Prankl Mobiler Zapfwellengenerator für landwirtschaftliche Anwendungen Mithilfe des von der TU Wien entwickelten mobilen Zapfwellengenerators können vom Traktor aus diverse Systeme und Anbaugeräte mit elektrischem Strom versorgt werden. Neben einem 1x230-V- sowie einem 3x400-V-Ausgang, gibt es auch die Möglichkeit eine Asynchronmaschine (ASM) gesteuert sowie eine permanentmagneterregte Synchronmaschine (PSM) sensorlos geregelt zu betreiben. Somit können unter anderem auch Antriebe am Anbaugerät direkt bedient werden. Weiters kann unabhängig von der Zapfwellendrehzahl eine konstante Gleichspannung zur Verfügung gestellt werden. eingereicht 10. März 2014 akzeptiert 10. April 2014 Schlüsselwörter Zapfwellengenerator, elektrische Antriebe, permanenterregte Synchronmaschine, lagegeberlos, Inform Keywords PTO generator, electric drives, permanent magnet synchronous machine, sensorless, Inform Abstract Kogler, Florian; Kalteis, Gerald; Heissenberger, Johannes and Prankl, Heinrich Mobile PTO generator for agricultural usage Landtechnik 69(3), 2014, pp , 7 figures, 8 references A developed and constructed power take-off generator is used as a mobile electrical power supply. Such a device drives asynchronous motors in open-loop mode and permanent magnet synchronous motors in sensorless closed-loop mode. Furthermore, it is also possible to apply AC voltage, 3x400 V and 1x230 V, to use external electrical appliances. The possibility for constant DC link voltage independent of the PTO revolutions is also shown. n In der Vergangenheit wurden landwirtschaftliche Geräte fast ausschließlich durch direkte mechanische Kopplung der Zapfwelle oder über hydraulische Antriebe benutzt. Heute sind jedoch die Regelbarkeit und die Effizienz der Geräte ausschlaggebend. Elektrische Antriebe sind hier von großem Vorteil, da sie eine hohe Leistungsdichte bei gleichzeitig geringem Gewicht und einen Wirkungsgrad von 80 bis 90 Prozent aufweisen. Außerdem ist eine hochdynamische Drehzahl- und Momentregelung einfach zu implementieren. Neben den bisherigen elektrischen Komponenten in der Landwirtschaft wird in Zukunft auch der Anteil der elektrischen Antriebe im höheren Leistungsbereich bis hin zu Traktionsantrieben steigen, wie Marktforschungen zeigen [1]. Die benötigte elektrische Leistung solcher Antriebe muss vom Traktor bereitgestellt werden und wird in Zukunft bereits in der Serienausstattung der Zugmaschine zur Verfügung stehen. In der Übergangszeit wird für die Stromversorgung ein mobiler Zapfwellengenerator verwendet, um die Anforderungen elektrischer Anbaugeräte zu erfüllen [2; 3]. Anforderungen an einen Zapfwellengenerator Ein Zapfwellengenerator muss portabel sein und sollte leicht anzuschließen und zu demontieren sein. Von nahezu allen Herstellern wird dafür die Kombination einer Dreipunktaufhängung mit einer Steckdose gemäß dem Standardisierungsvorschlag der AEF [4] am Markt angeboten. Je nach Hersteller ist dieser Generator dann auch mobil einsetzbar, d. h. am Feld bei voller Fahrt betriebsbereit. Um einen ausgangsseitigen Umrichter anzuspeisen, der dann wiederum einen Elektromotor versorgt, ist es wichtig, eine konstante Zwischenkreisspannung bereitzustellen. Da die induzierte Spannung des Generators von der Drehzahl abhängig ist, sorgt ein aktiver Eingangsumrichter für die konstante Regelung dieser Spannung unabhängig von der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine und somit der Zapfwelle. Solch ein Umrichter ist bei diversen Herstellern

4 148 Traktoren Abb. 1 a) b) c) 3-D-Modell des Zapfwellengenerators (a), halbgeöffnete Leistungselektronik (b), Einsatz beim Feldversuch (c) (Fotos: TU Wien) Fig. 1: 3-D draft of the PTO generator (a), picture of the power pack, half open (b), PTO generator in the field (c) nicht Stand der Technik, sodass die Zapfwelle mit einer gewissen Drehzahl betrieben werden muss. Für den Einsatz von Getrieben spricht z. B. ein höherer Wirkungsgrad bei schneller drehenden elektrischen Maschinen; nachteilig wirken sich allerdings die Wirkungsgradeinbußen durch die Getriebestufe und ein erhöhter Wartungsaufwand aus. Im Folgenden wird der von der TU Wien entwickelte Zapfwellengenerator beschrieben und es werden getestete Anwendungen von Anbaugeräten und anderen Verbrauchern präsentiert. Der Zapfwellengenerator Der Generator besteht aus einer permanenterregten Synchronmaschine (PSM) mit einem Nennmoment von 165 Nm bei einer Nenndrehzahl von U/min. Kurzzeitig kann das dreifache Moment entnommen werden, d. h. die entnommene Leistung kann verdreifacht werden, um benötigte Spitzenlasten abzudecken. Die Maschine ist als Außenläufer mit vergrabenen Magneten in flusskonzentrierter Anordnung konzipiert. Die Spulen sind als konzentrierte Einschichtwicklung ausgeführt [5]. Die rotierenden Teile des Generators sind mit Schutzblechen ummantelt. Zentral über der Maschine sitzt die Leistungselektronik. An den Flanken ist die Wasserkühlung für die zwei Inverter angebracht. Gegenüber befindet sich eine Drossel und ein Leistungsrelais für die Ausgänge. In Abbildung 1 ist a) der Zapfwellengenerator als 3D-Modell, b) das Elektronikpaket für die zwei Leistungsinverter und c) die Montage des Gesamtpakets mittels Dreipunktaufhängung an der Frontzapfwelle eines Traktors zu sehen. Der Generator liefert einen dreiphasigen Wechselstrom. Die Frequenz sowie die Spannung sind dabei von der Drehzahl der Zapfwelle abhängig. Einer der beiden Leistungsumrichter erzeugt daraus mit einer aktiven dreiphasigen H-Brückenschaltung Gleichstrom mit konstanter Spannung und unabhängig von der Zapfwellendrehzahl, der in einen Zwischenkreis eingespeist wird. In Abbildung 2 ist der Regelalgorithmus dargestellt. Als Eingabeparameter wird die gewünschte Zwischenkreisspannung angegeben. Diese regelt direkt den gewünschten q-strom, der als momentbildender Anteil für eine Leistungsentnahme sorgt. Ein negativer q-strom sorgt für eine höhere Zwischenkreisspannung als die induzierte Spannung des Generators entsprechend der Zapfwellendrehzahl. Dabei wird der Umrichter als aktiver Hochsetzsteller betrieben. Abb. 2 Feldschwächgrenzen Field weakening limits ω u ref u act u i q ref max (T ) 0-1 i d ref i d act i d ud ref dq αβ u < 3 2 PWM Modulator Modulator udc ref udc i q ref i q Sollwert der Zwischenkreisspannung im Hochsetzbetrieb DC link voltage reference value step up chopper udc act i q act u 2 α + u 2 β dq ω uq ref high low UVW γ αβ αβ 123 αβ 123 TModul UDC I Phase UPhase Leistungselektronik Power electronics Beobachter Observer γemk EMK G IGBT-Modul IGBT module UDC Regelung der Zwischenkreisspannung Fig. 2: DC link voltage controller

5 149 Abb V-250A-IGBT wassergekühlter Leistungsumrichter (Foto: TU Wien) Fig. 3: 1200V-250A-IGBT water cooled high power inverter Steigt die Drehzahl der Zapfwelle über die nominale Drehzahl entsprechend der Zwischenkreisspannung, so wird der Generator im Feldschwächbetrieb betrieben. Mit dem Feldschwächparameter wird der d-strom erhöht und somit die induzierte Spannung der Maschine auf die Zwischenkreisspannung erniedrigt. Der Umrichter arbeitet als aktiver Tiefsetzsteller. Neben der konstanten Gleichspannung gibt es weitere verschiedene Ausgänge, die über einen zweiten Leistungsumrichter zur Verfügung gestellt werden: Asynchron-Modus: Steuerung einer ASM (open-loop) Synchron-Modus: Regelung einer PSM (closed-loop) Netzinselbetrieb: 3x400 V / 1x230 V mit jeweils 50 Hz Eingangs- sowie Ausgangsumrichter sind baugleich (Abbildung 3). Die Platine des Leistungsteils ist auf einem Aluminiumblock aufgebracht, an den eine Kühlung angeschlossen werden kann (Anschlüsse rechts, Abbildung 3). Ebenso sind die Zwischenkreiskondensatoren (schwarze Zylinder), die Strommessungen (schwarze Ringe am oberen Rand mittig) sowie die Spannungsmessung (blaue Blöcke am rechten Rand) zu erkennen. Zentral ist die Ansteuerung der IGBT-Leistungstransistoren (Insulated Gate Bipolar Transistor) angebracht. Über dem Leistungsteil sitzt die Steuerplatine mit dem Mikroprozessor und den Schnittstellen für diverse Ein- und Ausgangsignale [6]. Der Leistungsfluss der gesamten Anwendung ist in Abbildung 4 dargestellt. Die Zapfwelle als mechanische Eingangsleistung treibt den Generator an, der eine variable dreiphasige Wechselspannung an den ersten Umrichter anlegt. Dieser erzeugt die bereits erwähnte konstante Gleichspannung im Zwischenkreis. In einem zweiten Umrichter wird an den Ausgangsklemmen je nach gewünschtem Modus eine Spannung bereitgestellt. In der Abbildung ist als Beispiel ein Motor skizziert. Aus Sicherheitsgründen ist ein Isolationswächter implementiert, der eigenständig eine mögliche Isolationsverletzung überwacht. Wird eine solche festgestellt, wird über ein Relais an den Eingangsklemmen ein Kurzschluss geschaltet. Im Falle eines Lastabwurfs wird mittels Brems-Chopper der Zwischenkreis an einen Leistungswiderstand gelegt und die Spannung unterhalb eines Maximalbetrags gehalten. Messungen Der Zapfwellengenerator wurde mit einem Lastprüfstand vermessen und in einem Feldversuch getestet. In Abbildung 5 ist der grundsätzliche Ablauf des Hochsetzbetriebs zur Erzeugung der konstanten Zwischenkreisspannung dargestellt, bei dem im Leerlauf der Hochsetzer aktiviert wird (Abbildung 5, b). Die Ist-Zwischenkreisspannung (Ch2) folgt dabei dem vorgegebenen geglätteten Sollwert (Ch1). Nach anfänglicher kleiner Regelabweichung pendelt sich der q-strom (Ch3) ein und hält konstant den Wert, der benötigt wird, um die Zwischenkreisspannung zu stabilisieren. Der gemessene Phasenstromverlauf ist in Grün (Ch4) dargestellt. Abbildung 5 (a) zeigt eine Lastaufschaltung von etwa einem Drittel der Nennlast. Die bereits erhöhte und auf konstantem Niveau gehaltene Zwischenkreisspannung (Ch3) bricht ein. Abb. 4 Zapfwelle Power take-off PTO Generator Generator L1 L2 L3 U V W Motor Motor Schütz Contactor Inverter A Zwischenkreis DC link Inverter B Brems-Chopper Braking chopper 12 V Bordnetz 12 V on-board network PE L1 A2/+ L2 A2/- K3 Isolationswächter Insulation monitor Leistungsfluss des Zapfwellengenerators mit Brems-Chopper und Isolationswächter Fig. 4: Power flow of PTO generator with braking chopper and insulation monitor

6 150 Traktoren Abb. 5 a) b) Aktivierung des Hochsetzstellers, Ch1 3: 0,5/Div normierte Darstellung: 2 V entspricht dem Wert 1, Ch4: 10 mv entspricht 5 A(a), Lastaufschaltung im Hochsetzbetrieb, Ch2 4: 0,5/Div normierte Darstellung: 2 Volt entspricht dem Wert 1 (b) Fig. 5: Activating step-up chopper, Ch1 3: 0,5/Div. normalized values: 2 volt is 1, Ch4 10 mv equals 5 A (a), applied load, Ch2 4: 0,5/Div. normalized values: 2 V equals 1 (b) Der Regler reagiert auf diesen Fall und erhöht den negativen q-strom, um dem entgegenzuwirken (Ch2). In der Folge steigt die Zwischenkreisspannung wieder auf den Sollwert an. Die Dauer der Abweichung liegt bei rund 10 ms. Der d-strom- Anteil, der nur für die Feldschwächung benötigt wird, bleibt auf null (Ch4). Im Folgenden werden beispielhaft Messungen am Ausgang des Zapfwellengenerators im Netzinselbetrieb dargestellt (Abbildung 6). Der Sinusverlauf von Spannung und Strom des 1x230-V-Modus bei Volllast (Abbildung 6, a) zeigt, dass alle normativen Anforderungen erfüllt werden, somit externe elektrische Geräte betriebssicher verwendet werden können. Im zeitlichen Verlauf einer Volllastzuschaltung im 3x400-V-Modus (Abbildung 6, b) tritt ein geringer Einbruch der Zwischenkreisspannung U DC auf, in der Folge steigt der Zwischenkreisstrom I DC an und der Zapfwelle wird mehr Moment M E abverlangt. Es kommt zu einem geringen Drehzahleinbruch n E. Bei circa 10 Sekunden erfolgt ein Lastabwurf. Dabei wird, zum Beispiel durch einen Fehlerfall, der Leistungsfluss am Ausgang plötzlich unterbrochen. In der Folge steigt die Zwischenkreisspannung über einen Maximalwert und der Brems-Chopper schaltet einen Lastwiderstand an den Zwischenkreis, um die überschüssige Leistung abzuführen. Zur Sicherheit wird der Hochsetzbetrieb deaktiviert und die Zwischenkreisspannung sinkt daraufhin auf den Wert der induzierten Spannung entsprechend der aktuellen Zapfwellendrehzahl. Neben dem Inselbetrieb wurden noch einige Anbaugeräte getestet: Rohrmotor: Spezialanfertigung für einen Mähaufbereiter [7] Getriebemotor: für niedrige Drehzahlen wie Schwader [2] oder Grubberwalze Getriebeloser Motor: z. B. für Mäher oder Düngestreuer Abb. 6 a) b) Spannung [V]/Voltage [V] Strom [A]/Current [A] Bezogene Größe/Related dimension Zeit [s]/time [s] Zeit [s]/time [s] 1x230-V-Ausgang: Sinusverlauf bei Nennlast (a), 3x400-V-Ausgang bei Nennlastaufschaltung: Moment (M E ), Drehzahl (n E ) und Zwischenkreisspannung sowie -strom (U DC, I DC ) (b) Fig. 6: 1x230 V output: sinus curve at full load (a), 3x400 V output: characteristics of torque (M E ), revolution speed (n E ) and DC link values (U DC, I DC ) at full load (b)

7 151 Abb. 7 Drehmoment [Nm]/Torque [Nm] Drehzahl [s -1 ]/Revolution speed [s -1 ] Wirkungsgradverlauf des Getriebemotors Fig. 7: Efficiency map of a geared motor (DC link to shaft) Die typischen Anforderungen der Anbaugeräte bezüglich der Dynamik kann von den jeweiligen Elektromotoren vollständig erfüllt werden. Zusätzlich wurden die Wirkungsgrade vermessen, um die Effizienz von Elektromotoren im landwirtschaftlichen Einsatz untersuchen zu können. In Abbildung 7 ist als Beispiel die Muschelkurve eines Getriebemotors dargestellt. Verglichen wurde die Eingangsleistung am Zwischenkreis (ZK) und die abgegebene Leistung an der Welle. In einem sehr großen Drehzahl- und Momentbereich wird ein hoher Wirkungsgrad erreicht, der typisch für Elektromotoren dieser Art ist. Einige weitere gemessene Wirkungsgrade sind [6]: Generator: Zapfwelle/3-phasig: 94 %, Zapfwelle/ZK: 92 % Motoren: mit Getriebe 88 %, ohne Getriebe 89 % (ZK/Welle), Rohrmotor 95 % (3-phasig/Welle) 3x400 V / 1x230 V: 98 % (ZK/ohmscher Widerstand) Feldtest: 84 % (Zapfwelle/3-phasig Motorseite) Alle Messungen am Lastprüfstand sowie im Feldversuch wurden mit einer sensorlosen Rotorlageerfassung der PSM durchgeführt. Im hohen Drehzahlbereich (>15 %) wurde dabei das EMK-Modell (Elektromotorische Kraft, Spannungsmodell) verwendet. Im niedrigen Drehzahlbereich sowie im Stillstand wurde das INFORM-Verfahren (INdirekte Flussermittlung durch On-line Reaktanz-Messung) angewendet [8]. Eine Regelung von Elektroantrieben ohne Positionssensor und Drehzahlmesser ist für landwirtschaftliche Anwendungen wegen der geringeren Kosten und der Wartungsfreiheit unter rauen Einsatzbedingungen von großem Vorteil. der Technik. Der vorgestellte Generator kann nicht nur zur stationären Stromversorgung verwendet werden, sondern auch im Feldbetrieb bei voller Fahrt genutzt werden. Mit Dreipunktaufhängung und Steckdosen als Schnittstelle ist eine schnelle und leichte Montage bzw. Demontage möglich. Literatur [1] Karner, J.; Prankl, H.; Kogler, F. (2012): Electric Drives in Agricultural Machinery. CiGR-AgEng 2012 International Conference of Agricultural Engineering, Valencia, Spain, , images/fotosg/tabla_137_c0634.pdf, Zugriff am [2] Prankl, H.; Nadlinger, M.; Demmelmayr, F.; Schrödl, M.; Colle, T.; Kalteis, G. (2010): Mobile Electric Power Supply for Agricultural Machinery and Implements. International Conference on Agricultural Engineering - AgEng 2010, , Clermont-Ferrand, France, p. 265 [3] Prankl, H.; Nadlinger, M.; Demmelmayr, F.; Schrödl, M.; Colle, T.; Kalteis, G. (2011): Multifunctional PTO Generator for Mobile Electric Power Supply of Agricultural Machinery. VDI-MEG Land.TECHNIK AgEng 2011, , Hannover, Germany, pp [4] Staud, V. (2011): Spezifikation der Steckdose. Vortrag beim Kolloquium Elektrische Antriebe in der Landtechnik, , lfz Francisco Josephinum/BLT Wieselburg, Austria [5] Demmelmayr, F.; Eilenberger, A.; Schroedl, M. (2010): Sensorless electric traction drive with 500 Nm outer rotor permanent magnet synchronous machine. International Conference on Electrical Machines (ICEM), , Rome, Italia, pp. 1 7 [6] Kogler, F. (2013): Elektrische Antriebe in der Landtechnik, Dissertation, Institut für Energiesysteme und Elektrische Antriebe, Technische Universität Wien [7] Kogler, F.; Heissenberger, J.; Schrödl, M.; Hofinger, M.; Karner, J.; Prankl, H.; Kalteis, G.; Prandt-Stritzko, E. (2012): Optimierung einer Mäher- Aufbereiterwelle durch einen elektrischen Antrieb. Landtechnik 67(6), S [8] Schrödl, M. (1996): Sensorless Control of AC Machines at Low Speed and Standstill based on the INFORM Method. 31. IEEE-IAS Meeting, San Diego, USA, Band 1, pp Autoren DI Dr. Florian Kogler und DI Johannes Heissenberger sind wissenschaftliche Mitarbeiter an der TU Wien, Institut für Energiesysteme und Elektrische Antriebe (Leiter: Prof. Manfred Schrödl), florian.kogler@tuwien.ac.at DI Dr. Gerald Kalteis ist als Geschäftsführer der Firma HTD High Tech Drives für die Umrichtertechnologie als Firmenpartner zuständig. DI Heinrich Prankl ist mit dem Lehr- und Forschungszentrum Josephinum Wieselburg der Konsortialführer des Projekts. Hinweise Die Arbeit wurde im Rahmen des COMET-Projekts Future Farm Technology (FFT) der Forschungsförderungsgesellschaft gefördert. Das Thema wurde auf der VDI-Tagung LAND.TECHNIK 2013, Hannover, November 2013, vorgestellt und eine Kurzfassung im VDI-Bericht veröffentlicht (Bd. 2193, S ). Schlussfolgerungen Im Vergleich zu vielen anderen Zapfwellengeneratoren die am Markt verfügbar sind, kann die Zwischenkreisspannung durch die Drehzahlunabhängigkeit des Generators über einen sehr großen Bereich konstant gehalten werden. Der Entfall des Getriebes sorgt für eine höhere Ausfallssicherheit und geringere Wartungskosten. Die zur Verfügung gestellten Ausgänge sorgen für eine maximale Flexibilität. Vor allem die Methode zur sensorlosen Regelung einer PSM entspricht dem aktuellen Stand

8 Tractors 147 Kogler, Florian; Kalteis, Gerald; Heissenberger, Johannes and Prankl, Heinrich Mobile PTO generator for agricultural usage A developed and constructed power take-off generator is used as a mobile electrical power supply. Such a device drives asynchronous motors in open-loop mode and permanent magnet synchronous motors in sensorless closed-loop mode. Furthermore, it is also possible to apply AC voltage, 3x400 V and 1x230 V, to use external electrical appliances. The possibility for constant DC link voltage independent of the PTO revolutions is also shown. received 10. March 2014 accepted 10. April 2014 Keywords PTO generator, electric drives, permanent magnet synchronous machine, sensorless, Inform Abstract Landtechnik 69(3), 2014, pp , 7 figures, 8 references n Controllability and Efficiency are the most important requirements of agricultural drives. So far power drives have been realized by direct mechanical or hydraulic drives But meanwhile electric drives provide new and suitable properties, like a high power density, speed and torque control and all necessary interfaces. The efficiency is about 80 to 90 percent with a high power density at low weight. Besides the implements already equipped with electronic components the importance of electric power drives in agricultural engineering is expected to rise in future as market research shows [1]. But, until sufficient electrical power is installed on tractors, there is a demand for a mobile electric power supply. [2,3] Requirements to be fulfilled for a PTO-Generator A PTO-Generator should be portable with easy installation and easy use. Almost all manufacturer use a three-point hitch and the plug interface proposed as a standard from AEF [4]. The portability of the different products is not given in every case. So not every model can be taken as a generator on field. Also the advantage of a constant DC-link due to an active step-up converter, which makes the whole PTO-generator independent of the PTO revolutions and therefore independent of the engine speed, is not state of the art. Some manufacturers use gear boxes with their electric drives which increases efficiency high speed electric drives have better efficiency in comparison but decreases also the all-over-efficiency and inreases maintenance and installation costs. In the following article a PTO-generator designed and build by the University of Technology of Vienna is presented as well as tests with various external devices. The PTO-generator The generator unit is a permanent magnet synchronous machine (PMSM) with a nominal torque of 165 Nm at a nominal speed of 1000 rpm with a three time overload capability. It is an outer rotor machine with buried magnets and fractional-slot concentrated windings [5]. The generator is coated by iron sheets and has an interface to the power take off. It is mounted to a three-point hitch and surrounded by a two-inverter power pack on the top, radiator and pump for watercooling on the one side and plugs, choking coil and output mode switching relays on the other side. Figure 1 shows the whole PTO-generator device in a draft as well as a picture of the power pack itself and mounted on a tractor. The generator unit provides electrical power with a three phase alternating current depending on the power take off speed. A simple rectifier would result in a variable DC link voltage depending on the induced voltage of the machine. Therefore a active H bridge converter is used to supply a constant DC link voltage. Figure 2 shows the controller with two input parameters. With the DC link reference value the q-axes current is controlled. A negative current i q results in a higher DC link voltage than the induced voltage according to the actual PTO speed. The inverter is driven in an active step up chopper mode. In case the revolution speed respectively the induced voltage is higher than desired, the generator is driven in a field weakening mode. Field weak parameter controls the d-axes current which results in a lower induced voltage a step down converter. Besides a constant DC link voltage there are more output modes using a second identical inverter, see Figure 3: Asynchronous mode: for open-loop ASM Synchronous mode: sensorless close-loop PMSM Isolated network operation: 3x400 V / 1x230 V with 50 Hz Input and output inverter are the same type. The circuit board of the power part is installed on a aluminum block for water

9 148 Tractors Fig. 1 a) b) c) 3-D draft of the PTO generator (a), picture of the power pack, half open (b), PTO generator in the field (c) Fig. 2 Feldschwächgrenzen Field weakening limits ω u ref u act u i q ref max (T ) 0-1 i d ref i d act i d ud ref dq αβ u < 3 2 PWM Modulator Modulator udc ref udc i q ref i q Sollwert der Zwischenkreisspannung im Hochsetzbetrieb DC link voltage reference value step up chopper udc act i q act u 2 α + u 2 β dq ω uq ref high low UVW γ αβ αβ 123 αβ 123 TModul UDC I Phase UPhase Leistungselektronik Power electronics Beobachter Observer γemk EMK G IGBT-Modul IGBT module UDC DC link voltage controller Fig V-250A-IGBT water cooled high power inverter cooling purpose. One can see the DC link condensators (black cylinders), the current sensors (black rings on the upper end) and the voltage sensor (on the right hand side). In the center there is the control for the three power IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors). Above the power part there is control board with the microprocessor and the interfaces for various in and output signals [6]. The power flow of the PTO-generator is drafted in Figure 4. On the left hand side the PTO which drives the generator. The three-phase voltage is active rectified to the DC link in a first inverter working as a active step up converter. The second inverter then converts the voltage according to the currently used ouput mode. In the example an electric drive is powered. For safety reasons there is a braking chopper to limit the maximum DC link voltage. Furthermore an insulation monitor detects possible erros in the electrical system and switches off the power on the input side to protect the environment. Measurements The PTO-generator has been tested on the test bench and been used as a power supply on the field. The PTO-generator was tested on test bench as well as in field. In Figure 5 (a) measurements of the step up chopper is shown. In the left image, the chopper is activated and the actual DC link voltage (Ch2) follows the smoothed reference value (Ch1). Ch3 shows the needed q-axes current, after some control deviation a small amount sets the DC link voltage to the specified value. Ch4 shows the measured phase current. In Figure 5 (b) the DC link voltage is already at the reference value (Ch3) and a load of about one third of the nominal load is applied. The voltage has a slight breakdown, and the

10 149 Fig. 4 Zapfwelle Power take-off PTO Generator Generator L1 L2 L3 U V W Motor Motor Schütz Contactor Inverter A Zwischenkreis DC link Inverter B Brems-Chopper Braking chopper 12 V Bordnetz 12 V on-board network PE L1 A2/+ L2 A2/- K3 Isolationswächter Insulation monitor Power flow of PTO generator with braking chopper and insulation monitor Fig. 5 a) b) Activating step-up chopper, Ch1 3: 0,5/Div. normalized values: 2 volt is 1, Ch4 10 mv equals 5 A (a), applied load, Ch2 4: 0,5/Div. normalized values: 2 V equals 1 (b) Fig. 6 a) b) b) Spannung [V]/Voltage [V] Strom [A]/Current [A] Bezogene Größe/Related dimension Zeit [s]/time [s] Zeit [s]/time [s] 1x230 V output: sinus curve at full load (a), 3x400 V output: characteristics of torque (M E ), revolution speed (n E ) and DC link values (U DC, I DC ) at full load (b)

11 150 Tractors q-axis current goes to a certain level to load the DC link again and hold the voltage. As a result the DC-link rises to the reference value. The difference is is only for about 10 ms. The i d -current, which is only used for field weakening purposes, remains zero (Ch4). In Figure 6 measurements of the isolated network operation output mode is shown. Figure 6 (a) shows the sinusoidal voltage and current at the 1x230-V-mode at full load. Figure 6 (b) shows the 3x400-V-mode. In the idle mode a nominal load is applied. The DC link voltage has a slight breakdown, more current is requested, therefore the torque on PTO is higher, thus the revolution speed of the PTO has a slight breakdown too. Depending on the dynamic of the controllers a steady-state is reached after some time. In the case of load shedding (at 10 s) the DC link voltage rises excessive, the breaking chopper is activated and the PTO generator switched off, to be reseted externally. The DC link voltage drops down to the level of the corresponding induced voltage Besides the DC and AC output different PMSM with various agricultural usages were tested: outer runner tubular motor: special design, for example a mowing conditioner [7] gear motor: low revolutions needed, like hay rake [2], cultivator roller, gearless drives: high revolutions, like mower, fertiliser spreader, Typical dynamic requirements of agricultural application could be fulfilled. Additionally the efficiency of every PTO unit - motor combination was measured. In Figure 7 is an example for a geared PMSM presented. In a wide range a very high efficiency, typical for that kind electric drive. Some other maximum efficiencies are: [6] Generator: PTO shaft/3-phase: 94 %, PTO shaft/dc link (constant voltage): 92 % Motors: geared: 88 %, gearless: 89 % (DC/shaft), tubular drive: 95 % (3ph/shaft) 3x400 V / 1x230 V: 98 % (DC/ohmic resistance) Field test: 84 % (PTO shaft/3 phase motor input) Fig. 7 Drehmoment [Nm]/Torque [Nm] Drehzahl [s -1 ]/Revolution speed [s -1 ] Efficiency map of a geared motor (DC link to shaft) All the test bench and field test measurements where done sensorless using the back-emf model at high speeds (15 % and above) and the INFORM-model at low speed and standstill [8]. Closed loop control of electric drives without rotation and position sensors is highly sophisticated for agricultural usage, due to low costs and maintenance free operation in a rough environment. Conclusions: Compared to various other types of PTO-generators available on the market the DC-link voltage is independent of the motor speed on a wide range. No gear box is uses, therefore the fail safe time increases and maintenance costs degrease. Various output modes supply lots of possibilities. The sensorless controlling of PMSM is state of the art. The PTO-generator can be used in field as well as a stationary power supply. With three-point hitch and AEF-standardized plugs as interfaces setting up is easy. References [1] Karner, J.; Prankl, H.; Kogler, F. (2012): Electric Drives in Agricultural Machinery. CiGR-AgEng 2012 International Conference of Agricultural Engineering, Valencia, Spain, , images/fotosg/tabla_137_c0634.pdf, Zugriff am [2] Prankl, H.; Nadlinger, M.; Demmelmayr, F.; Schrödl, M.; Colle, T.; Kalteis, G. (2010): Mobile Electric Power Supply for Agricultural Machinery and Implements. International Conference on Agricultural Engineering - AgEng 2010, , Clermont-Ferrand, France, p. 265 [3] Prankl, H.; Nadlinger, M.; Demmelmayr, F.; Schrödl, M.; Colle, T.; Kalteis, G. (2011): Multifunctional PTO Generator for Mobile Electric Power Supply of Agricultural Machinery. VDI-MEG Land.TECHNIK AgEng 2011, , Hannover, Germany, pp [4] Staud, V. (2011): Spezifikation der Steckdose. Vortrag beim Kolloquium Elektrische Antriebe in der Landtechnik, , lfz Francisco Josephinum/BLT Wieselburg, Austria [5] Demmelmayr, F.; Eilenberger, A.; Schroedl, M. (2010): Sensorless electric traction drive with 500 Nm outer rotor permanent magnet synchronous machine. International Conference on Electrical Machines (ICEM), , Rome, Italia, pp. 1 7 [6] Kogler, F. (2013): Elektrische Antriebe in der Landtechnik, Dissertation, Institut für Energiesysteme und Elektrische Antriebe, Technische Universität Wien [7] Kogler, F.; Heissenberger, J.; Schrödl, M.; Hofinger, M.; Karner, J.; Prankl, H.; Kalteis, G.; Prandt-Stritzko, E. (2012): Optimierung einer Mäher- Aufbereiterwelle durch einen elektrischen Antrieb. Landtechnik 67(6), S [8] Schrödl, M. (1996): Sensorless Control of AC Machines at Low Speed and Standstill based on the INFORM Method. 31. IEEE-IAS Meeting, San Diego, USA, Band 1, pp Authors DI Dr. Florian Kogler and DI Johannes Heissenberger are junior scientists at the Institute of Energy Systems and Electrical Drives at the Technical University in Vienna (Head: Prof. Manfred Schrödl), florian.kogler@tuwien.ac.at DI Dr. Gerald Kalteis is CEO at HTD - High Tech Drives, company partner on main focus inverter technology, DI Heinrich Prankl is leader of the Institute of Education and Research in Wieselburg, consortial manager of the FFT-project. Notes The work was done within the COMET-project Future Farm Technology (FFT) sponsored by the Austrian Research Promotion Agency (FFG). The topic was presented at the VDI Conference LAND.TECHNIK 2013 in Hannover on 8 9 November 2013 and a summary was published in the VDI report (vol. 2193, pp ).

12 . ISSN Impressum Herausgeber Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft e.v. (KTBL), Darmstadt VDMA Fachverband Landtechnik, Frankfurt/Main Max-Eyth-Gesellschaft Agrartechnik im VDI (VDI-MEG), Düsseldorf Bauförderung Landwirtschaft e.v. (BFL), Hannover Geschäftsführender Herausgeber Dr. Martin Kunisch (KTBL) Bartningstraße 49, Darmstadt 69. Jahrgang Redaktionsleitung Dr. Isabel Kriegseis und Barbara Meyer (KTBL) Bartningstraße 49, Darmstadt Telefon , Fax Wissenschaftlicher Beirat Prof. Dr. T. Amon, Prof. Dr. H. Bernhardt, Prof. Dr.-Ing. S. Böttinger, Prof. Dr. habil. G. Breitschuh, Prof. Dr. habil. W. Büscher, Dr. M. Demmel, Prof. Dr. R. Doluschitz, Dr.-Ing. D. Ehlert, Prof. Dr. L. Frerichs, PD Dr. E. Gallmann, Prof. Dr.-Ing. M. Geimer, Dr. H. Georg, Dr. M. Geyer, Prof. Dr. J. Hahn, Prof. Dr. O. Hensel, Prof. Dr.-Ing. T. Herlitzius, PD Dr. E. F. Hessel, Prof. Dr. habil. B. Hörning, Prof. Dr.-Ing. B. Johanning, Prof. Dr. T. Jungbluth, Prof. Dr.-Ing. T. Meinel, Prof. Dr.-Ing. H.-J. Meyer, Prof. Dr. J. Müller, Prof. Dr.-Ing. A. Munack, Dr. S. Neser, Prof. Dr. T. Rath, Prof. Dr. Y. Reckleben, PD Dr. habil. M. Schick, Prof. Dr.-Ing. P. Schulze Lammers, Prof. Dr. H.-P. Schwarz, Prof. Dr. habil. J. Spilke, Prof. Dr. Ir. H. Van den Weghe, Prof. Dr. K. Vorlop, Dr. J.-K. Wegener, Dr. G. Wendl, Prof. Dr. K. Wild Die Zeitschrift und alle in ihr enthaltenen Beiträge und Abbildungen sind urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des KTBL unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Für unverlangt eingesandte Manuskripte kann keine Gewähr übernommen werden. Briefanschrift Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft e.v. (KTBL) Bartningstr. 49, Darmstadt Telefon , Fax ktbl@ktbl.de, Bankverbindung Volksbank Darmstadt BLZ Kto Hauptgeschäftsführer (kom.) Dr. Martin Kunisch Vertrieb und Anzeigenverwaltung Claudia Molnar Telefon , Fax abonnement@ktbl.de Anzeigenpreise/Anzeigenschluss Gültig sind zurzeit die Media-Daten 2014 unter Erscheinungsweise Zweimonatlich, jeweils zum Monatsende Bezugspreise Inland jährl. 162,60 einschließlich Zustellgebühren und MwSt. Ausland jährl. 165,00 einschließlich Versand Normalpost, Luftpost gegen Mehrkostenberechnung Gesamtherstellung Druckerei Silber Druck ohg, Niestetal