LEHRSTUHL FÜR LEISTUNGSELEKTRONIK

Das Projekt verfolgt einen ganzheitlichen Ansatz, um gehäuste GaN-Leistungshalbleiter-Bauelemente in Antriebsumrichter-Systemen einzusetzen. Das Ziel besteht darin, zu zeigen, unter welchen Randbedingungen der Einsatz von GaN-Leistungshalbleitern in Antriebswechselrichtern möglich ist und welche Perspektiven er bietet. Elektrische Antriebe stellen eine Volumenapplikation dar, die jedoch bis jetzt nicht von GaN und dessen vorteilhaften Eigenschaften – wie niedrigen Verlusten, die zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades beitragen – profitieren konnte.
Wichtige Forschungsfragen betreffen die Bewertung des Einflusses von GaN-Bauelementen auf das Systemverhalten, die Bewertung der erforderlichen Maßnahmen und Methoden für den Einsatz von GaN-Bauelementen in Antriebswechselrichtern, insbesondere im Hinblick auf Ansteuerung und Schutz der Bauelemente in den Wechselrichterzweigen, außerdem auf die Schaltung, Steuerung und Regelung des Leistungsteils und die Schnittstelle zur Maschine. Diese Themen stehen in enger Wechselwirkung zueinander und sollen mit einem ganzheitlichen Ansatz betrachtet werden, der theoretische und simulative Untersuchungen sowie deren experimentelle Validierung umfasst.

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Ziel ist die Entwicklung und Validierung eines Verfahrens zur testbasierten Qualifizierung von Leistungsmodulen auf Basis von Silizium-Karbid (SiC) für extrem hohe Zyklenzahlen. Dazu werden SiC-MOSFETs mit neuartiger und hochzuverlässiger Aufbau- und Verbindungstechnik mittels Lastwechseltests untersucht. Der Fokus liegt hierbei auf Prüfmethoden und Strategien zur Raffung der Tests, Konzepten für in-situ Fehlerindikation, Verfahren zur Kompensation von SiC-spezifischen Drifteffekten sowie dem physikalischen Verständnis der Fehlermechanismen.

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Das IESY befasst sich im Rahmen des Projektes mit Batteriespeichern am Netz, der Lehrstuhl für Leistungselektronik speziell mit den zugehörigen Stromrichtern und ihrer Regelung: Die bidirektionale Kopplung der Batterie, die in erster Näherung als nicht ideale Gleichspannungsquelle angesehen werden kann, deren Klemmenspannung u. a. vom Strom, dem Ladezustand und der Temperaturabhängig ist, an das Netz erfolgt über ein leistungselektronisches Stellglied. Hierfür kommen verschiedene Topologien in Frage, im einfachsten Falle liegt die Verwendung einer dreiphasigen, selbstgeführten Zweipunkt-Brückenschaltung nahe. Für die Modellierung des leistungselektronischen Stellglieds muss die Topologie berücksichtigt werden. Es ergeben sich typischerweise Zeitkonstanten im unteren Millisekunden-Bereich; im Vergleich zu elektrochemischen Vorgängen in der Batterie sowie im Hinblick auf die Regelung im Netz handelt es sich bei der Leistungselektronik mithin um ein Stellglied von recht hoher Dynamik. Neben den Topologien spielen in der Leistungselektronik die Bauelemente eine wesentliche Rolle.

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Ziel des Projekts GridBatt ist es, die besonderen Anforderungen bei der Verwendung eines Batteriespeichers zur Sicherstellung eines stabilen Netzbetriebes herauszuarbeiten, um den Speicher schon beim Entwurf (Auswahl Zellchemie, Technologie, Geometrie, Umgebungsbedingungen, etc.) an die Anforderungen anzupassen, das Speichersystem daraufhin optimal zu dimensionieren und auszulegen sowie dessen Betriebsführung zu optimieren. Nur eine ganzheitliche Betrachtung von der Zellchemie über die Schnittstelle zum System (üblicherweise der Umrichter), den Systemanforderungen und der jeweiligen Rückkopplungen ermöglichen es, das volle Potential von Speichertechnologien auszuschöpfen. Ein Abgleich der besonderen Anforderungen, die typischerweise eine hohe Leistung bei kleinem Energiedurchsatz und hoher Fluktuation erfordern, mit den vorhandenen aktuell wirtschaftlich nutzbaren Speichertechnologien zeigt, dass hier ein Defizit technischer Lösungen besteht.
Vielversprechend sind die Ansätze der Aluminium-Ionen-Batterie (AIB) mit Aluminium und Graphit als Elektrodenmaterial, für die Energiedichten im Bereich von 50-60 Wh/kg gezeigt werden. Darüber hinaus wurde bei einer Laderate von 100C eine Zyklenstabilität von 500.000 Zyklen erreicht.
Nach einer Kategorisierung der Anforderungen eines Batteriespeichers im elektrischen Netz (IESY) werden diese durch eine Übertragungsfunktion bestehend aus Netz, leistungselektronischem Stellglied und Regler in Belastungen für die Batterie transformiert (IESY und EST). Auf Grundlage dieser Anforderungen werden verschiedene Speichertechnologien für den dynamischen Betrieb untersucht und charakterisiert. Ziel ist hierbei eine standardisierte Testvorschrift für Speicher zur Netzstabilisierung, wie z.B. zur Erbringung von Momentanreserve (EST). Eine weitergehende Gap-Analyse soll zeigen, dass Aluminium-Ionen-Zellen die bestehende Lücke schließen können (IISB). Folglich wird die Aluminium-Ionen-Chemie genauer untersucht und auf die Eignung zur Erbringung von Systemdienstleistungen geprüft (IISB und EST).
Nach der Eignungsverifizierung erfolgt die Übertragung der Präparationsparameter auf kommerzielle Zellsysteme und deren Fertigung. Das Funktionsmuster einer Pouchzelle für den Einsatz in Speichersystemen zur Netzstabilisierung wird entwickelt und im Verbund in einem Funktionsdemonstrator getestet (IISB und EST).
In einer abschließenden Gesamtsimulation wird das Verhalten einer hochskalierten Aluminium-Ionen-Batterie im elektrischen Netz für ein bestimmtes Anwendungsszenario untersucht und insbesondere die Rückwirkungen vom Netz auf die Batterie und andersrum bewertet. Hieraus lassen sich besipeilsweise Rückschlüsse auf zu verbessernde Materialeigenschaften der Batterie oder angepasste Betriebsparameter des Umrichters schließen.

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Das Ziel des Forschungsprojektes ist, eine 3D-Integrationstechnologie zu entwickeln und zu verifizieren, mit der eine Hochintegration von leistungselektronischen Schaltungen auch bei kleinen und mittleren Stückzahlen kosteneffektiv möglich ist.

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Das Vorhaben Kompetenzzentrum eMobility greift die strukturbedingten Herausforderungen auf und entwickelt im Rahmen eines neu zu gründenden Kompetenzzentrums Lösungen in wichtigen Teilbereichen, welche die Kooperation zwischen KMU und universitärer Forschung und Lehre deutlich stärken. Das Wissen kann direkt in die betroffene Zulieferindustrie überführt werden und dort dazu beitragen, den Strukturwandel erfolgreich zu managen und neue wirtschaftliche Chancen zu nutzen. Neben der primären Zielsetzung des Aufbaus und Transfers von Kern-Know-How steht vor allem die langfristige Verankerung gewonnener Erkenntnisse in beschäftigungswirksamen wirtschaftlichen Strukturen im Vordergrund.
Das IAF verantwortet innerhalb des Vorhabens den Forschungsbereich GESAMTFAHRZEUG. Im Focus steht der Einsatzes neuartiger Antriebssysteme unter Realbedingungen. Als strategischer Forschungsansatz, getragen durch eine der Nachhaltigkeit verpflichteten Entwicklungsanspruch, steht die Langlebigkeit und damit Instandsetzungsfähigkeit elektromobiler Gesamtsysteme, hierbei speziell der Elektrospeichersysteme. Hierbei konzentrieren sich die Arbeiten auf die Entwicklung und Erprobung einer wartungsfreundlichen Energiespeichertechnologie in Modulbauweise, neue, einfache Systemarchitekturen für Fahrzeugsteuerungen und die systemische Gestaltung von Spezialanwendungen rund um die Batteriekonfektionierung.
Im Rahmen des Teilprojektes wird eine Systemarchitektur mit einer modularen Fahrzeug-Batterie erarbeitet: Die aus vielen Modulen zusammengesetzte Batterie ist über eine Leistungselektronik an das Hochvolt-Bordnetz angeschlossen. Die Leistungselektronik stellt das erforderliche Klemmenverhalten ein und und ist für das Lade- / Entlademanagement verantwortlich. Dieses Konzept erlaubt u.a. den Einsatz unterschiedlicher Zellentypen ohne Anpassung des Fahrzeugbordnetzes. Außerdem ist es möglich, das Hochvolt-Bordnetz bei einer geregelten und potentiell höheren Spannung als bisher üblich zu betreiben, was Optimierungspotential für Antriebskomponenten wie die elektrischen Maschinen sowie den Wirkungsgrad erschließt.
Bereits im Entwurfsstadium auf Baugruppen- und Systemebene soll durchgängig die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) berücksichtigt werden. Hierzu werden u. a. Feld-Simulationsmodelle für die Einzelzellen und das Batteriesystem erstellt. Dies ist von großer Bedeutung für die unmittelbare Anwendbarkeit der erzielten Ergebnisse in realen Systemen.
Das Teilprojekt des Kompetenzzentrums eMobility wird gemeinsam vom Lehrstuhl für elektromagnetische Verträglichkeit und dem Lehrstuhl für Leistungselektronik bearbeitet.

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Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung und Validierung eines Verfahrens zur testba­sierten Qualifizierung leistungselektronischer Baugruppen für extrem hohe Zyklenzahlen. Die hierfür zu lösenden wissenschaftlichen Fragen betreffen:

• Prüfmethoden zur Beschleunigung von Tests
• Frühindikatoren für Degradation und Ausfall
• Konzepte für eingebauten Selbsttest (BIST, built-in Self-test)

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Der Wirkungsgrad der Energieumwandlung von der Batterie hin zum Motor ist besonders relevant, um die begrenzten Energiereserven im Elektrofahrzeug optimal ausnutzen und damit die Reichweite steigern zu können. Um den ganzheitlichen Ansatz zu verwirklichen,arbeitet das Projekt an Verbesserungen in drei Bereichen: Energiespeicher, Motor und Zusammenspiel aller elektrischen Komponenten. Mit der Speicherung der immer wieder kurzzeitig auftretenden Bremsenergie in einem Superkondensator,statt wie bisher üblich in der Lithium-Batterie, werden Leistungsverluste vermieden und die Zahl der Ladezyklen verringert. Zusätzlich werden Spannungswandler und E-Motor mit neuartigen Regelungsverfahren optimal aufeinander abgestimmt, um weitere Energieverluste zu minimieren. Durchneue Mess- und Simulationsverfahren werden die genannten elektronischen Komponenten integriert, um eine gegenseitige Beeinflussung und Störgrößen im laufenden Betrieb zu minimieren.

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In Mitteldeutschland entsteht ein einzigartiges Versuchslabor, um die Herausforderungen im Hochspannungsnetz der Zukunft simulieren und erforschen können. Universitäten aus Sachsen-Anhalt und Thu¨ringen entwickeln gemeinsam mit der Industrie Steuerungs- und Regelungstechnologien, die das deutsche Strom-Transportnetz auf die Anforderungen der Energiewende vorbereiten.

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In diesem Verbundprojekt wird ein Prozess zum leitfähigen Kleben von Bauelementen der Leistungselektronikuntersucht. Dies umfasst die notwendigen Schritte vom Entwurf über die Fertigung bis zur Qualifizierung.

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Leistungselektronik ist unverzichtbarer Bestandteil des Smart Grids: Dies mag das Bild verdeutlichen, das schematisch ein Blockschaltbild eines Windparks zeigt, der mit drehzahlvariablen Windgeneratoren ausgerüstet ist, welche jeweils über Vollumrichter in eine Sammelschiene einspeisen, die über Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) mit selbstgeführten Stromrichtern ans Netz gekoppelt ist; eine solche Architektur bietet sich z. B. für offshore-Windparks an. Die dezentrale Einspeisung elektrischer Energie, die aus erneuerbaren Quellen erzeugt wurde, ins Netz erfolgt zu einem großen Teil über Leistungselektronik; Leistungsflüsse werden bei Energieübertragung mit Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) oder auch in Drehstromnetzen mit Flexible AC Transmission Systems (FACTS) leistungselektronisch gesteuert.

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Partner aus Industrie und Wissenschaft untersuchen im Rahmen dieses Projektes leistungselektronische Energiewandler und deren Schaltungstopologien, mit denen sich eine hohe Energieeffizienz von elektrischen Antrieben sowie bei der Einspeisung von aus erneuerbaren Quellen erzeugter elektrischer Energie ins Netz erreichen lässt.

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Basierend auf Vorarbeiten zur Bewertung der Zuverlässigkeit von Leistungselektronik unter Automotive-Bedingungen soll in diesem Verbundprojekt die Korrelation von Ausfallverhalten und -mechanismen bei Leistungshalbleiter-Modulen, welche mit verschiedenen Produktionsverfahren sowie Aufbau- und Verbindungstechniken hergestellt wurden, für automobiltypische Belastungsprofile mit repräsentativen Standardtests ermittelt werden. Hierdurch ist es möglich, verschiedene Fehlermechanismen separat zu betrachten. Die Extrapolation der sich für verschiedene Fehlermechanismen ergebenden Lebensdauerkurven erlaubt es, für das anwendungsspezifische Lastprofil denjenigen Fehlermechanismus festzustellen, der die Lebensdauer begrenzt, und diesen vorherzusagen. Dies ermöglicht es, eine für den Einsatz im Antriebsstromrichter von Elektro- oder Hybridfahrzeugen geeignete Auswahl der Leistungshalbleiter-Bauelemente zu treffen, so dass ohne Überdimensionierung die erforderliche Zuverlässigkeit erreicht wird. Darüber hinaus können die Ergebnisse zur Entwicklung verbesserter Leistungshalbleiter-Modulen beitragen, durch die das Auftreten kritischer Fehlermechanismen unter automobilen Einsatzbedingungen eliminiert wird.

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In diesem Verbundprojekt soll ein neues Anwendungsgebiet für die bisher vorwiegend für andere Anwendungen genutzte Schaltungstopologie des Dreipunktumrichters erschlossen werden. Der Dreipunkt-Umrichter für den Niederspannungsbereich erscheint für eine Reihe von Anwendungen den bisher verwendeten Schaltungen überlegen. Dies betrifft insbesondere die Verbesserung der Qualität der Ausgangsgrößen und die Verminderung des notwendigen Filteraufwandes

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Verbundprojekt – gemeinsam mit dem Lehrstuhl für elektromagnetische Verträglichkeit der Otto-von-Guericke Universität Magdeburg – zur Untersuchung und Optimierung der elektromagnetischen Verträglichkeit von Schaltnetzteilen mit ladungskompensierten MOSFETs

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Ziel des Verbundprojektes ist die Erforschung eines Konzeptes für ein neuartiges Leistungshalbleiter-Modul, das zum Einsatz in automobilen Anwendungen oder solchen der Luft- und Raumfahrt geeignet ist. Diese zeichnen sich durch hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit bei gleichzeitig extremen Umgebungebedingungen aus, welche das Bauelement belasten. Der Lehrstuhl für Leistungselektronik arbeitet im Zusammenspiel mit den Projektpartnern hierbei an der anwendungsbezogene Spezifikation und ihrer Umsetzung mit, übernimmt wesentliche Teile der Durchführung und Bewertung von Zuverlässigkeitsuntersuchungen am zu erforschenden Modulkonzept und führt simulative Untersuchungen parasitärer Elemente im Modulaufbau - insbesondere der elektrischen Widerstände und Induktivitäten - durch.

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Das Forschungsvorhaben beschäftigt sich mit der grundsätzlichen Analyse bestehender Zusammenhänge zwischen den Charakteristika der Feldexposition und den im Körper auftretenden elektrischen Größen mit Hilfe der numerischen Feldberechnung unter besonderer Berücksichtigung der Verhältnisse beim Widerstandsschweißen.

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Ziel des Projektes ist die Qualifikation von Leistungshalbleiter-Bauelementen mit neuartiger Aufbau- und Verbindungstechnik für Automobilanwendungen. Eine hierzu durchgeführte Bewertung soll den direkten Vergleich von Bauelementen nach Industriestandard mit solchen mit neuartiger Aufbau- und Verbindungstechnik erlauben. Dieser ist von großer Bedeutung, da somit das Potential der neuen gegenüber den bekannten Technologien für den Einsatz im automobilen Antriebsstrang ermittelt werden kann, wofür u. a. Kosten und Bauvolumen korrekt für die anwendungstypischen Anforderungen ausgelegter Systeme ausschlaggebend sind.

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Bekannte leistungselektronische Komponenten sollen an den Betrieb in einer Brennstoffzellenanlage angepasst werden: Hierzu zählen ein Wechselrichter sowie ein bidirektionaler und ein unidirektionaler Gleichspannungswandler.
Der Wechselrichter soll neben der Funktion der Leistungseinspeisung auch Systemdienstleistungen am Netz wahrnehmen. Hierzu sind die bereits in früheren Projekten erarbeiteten Algorithmen zu berücksichtigen und gegebenenfalls zu erweitern. Ferner sind Parameterbereiche für verschiedene Netzanschlussbedingungen zu untersuchen und es ist eine Anpassung der Steuerungskonzepte an diese Szenarien zu ermitteln. Wichtig ist auch die selbsttätige Erkennung der Netzzustände durch die Wechselrichtersteuerung.
Der bidirektionale Wandler soll als sehr schnelles leistungselektronisches Stellglied an den Zwischenkreis angekoppelt werden. Damit werden einerseits erweiterte Systemdienstleistungen des Netzwechselrichters ermöglicht, andererseits kann so auch bei Netzausfall die Brennstoffzelle gezielt heruntergefahren werden, da der Zwischenkreis mit dem angeschlossenen bidirektionalen Wandler und dem ihm zugeordneten Speicher große Mengen an Elektroenergie speichern kann.
Schließlich soll der unidirektionale Wandler Messsignale zur Diagnose der Brennstoffzelle generieren, wie sie in Voruntersuchungen im Projekt Intell-FC bereits realisiert wurden. Hier gilt es, geeignete Messbereiche und Messverfahren zu entwickeln, um diese in den Wandler zu integrieren. Auf diese Weise wird eine Vereinigung von Stellglied und Messmittel möglich.

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Leistungselektronische Stellglieder sind an der Schnittstelle zwischen Brennstoffzelle und Netz angeordnet, um den von der Brennstoffzelle abgegebenen Gleichstrom in netzkonformen Wechselstrom umzuformen, wobei dessen leistungsbestimmende Amplitude von Energiemanagement vorgegeben wird. In Verbindung mit einem Transformator können hierbei die Spannungsebenen angepaßt und galvanische Trennung erreicht werden.Anhand der für die Regelung der Leistungselektronik vorhandenen Soll- und Istwerte sollen im Rahmen dieses Projektes wesentliche Parameter von in Vorarbeiten entstandenen Brennstoffzellenmodellen während des laufenden Betriebes ermittelt werden.

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Integrierte Piezostrukturen für das adaptive Fahrwerk müssen mit leistungselektronischen Stellgliedern entsprechend von der Regelung vorgegebener Stellgrößen mit Spannungen bzw. Strömen beaufschlagt werden. Energieversorgung und Kommunikation können leitungsgebunden erfolgen; darüber hinaus soll eine kontaktlose Energie- und Datenübertragung untersucht werden; diese bietet sich wegen der rauhen Umgebungsbedingungen im Radkasten sowie wegen der teilweise an bewegten Fahrwerksteilen befestigten Baugruppen unter Gesichtspunkten von Zuverlässigkeit, Sicherheit und Montagefreundlichkeit besonders an. In beiden Fällen sollen standardisierte Schnittstellen, also das Kfz-Bordnetz zur Energieversorgung sowie ein im Kfz gebräuchliches Bussystem vorgesehen werden. Bedeutung kommt weiterhin der elektromagnetischen Verträglichkeit zu, die durch geringe Stromaufnahme des Systems bei Stellhandlungen - beispielsweise durch geeignete Energiespeicherung und -nutzung innerhalb des zu realisierenden leistungselektronischen Stellgliedes - begünstigt wird.

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Im Kfz-Bordnetz wird eine zunehmende Zahl elektrischer Verbraucher eingesetzt. Es muß mithin ein erhöhter Energiebedarf mit für sicherheitskritische Lasten hoher Zuverlässigkeit abgedeckt werden, was insbesondere bei verkürzter Betriebszeit des Verbrennungsmotors - z. B. durch verbrauchsmindernden Start-Stop-Betrieb - den Einsatz einer den herkömmlichen Generator ergänzenden Hilfsstromversorgung nahelegt. Hierzu bietet sich die Brennstoffzelle an. Ihr Fahrzeugeinsatz ist durch Lastzyklen gekennzeichnet, die im wesentlichen durch die Leistungsabgabe des Generators auf der einen sowie die Leistungsaufnahme durch die verschiedenen Lasten auf der anderen Seite bestimmt werden. Diese sind wiederum von Randbedingungen wie Fahrzyklen oder der Umgebung des Fahrzeugs - gekennzeichnet beispielsweise durch Beleuchtungsverhältnisse und Temperatur - abhängig. Es stellt sich daher die Aufgabe, einerseits den Brennstoffzellenstapel mit veränderlicher Leistung zu betreiben, andererseits nötigenfalls seine Betriebsdauer sowie die Amplitude und Veränderungsgeschwindigkeit der Leistungsschwankungen durch Einbeziehung zusätzlicher Energiespeicher zu begrenzen; als solche kommen neben der bereits im herkömmlichen Bordnetz vorhandenen Batterie auch Doppelschichtkondensatoren in Frage. Die Leistungsflüsse zwischen Generator und Brennstoffzelle, den Energiespeichern sowie den übrigen Teilen des Bordnetzes mit einer Vielzahl von Lasten können über leistungselektronische Stellglieder, die ohnehin zur Anpassung der Spannungs- bzw. Stromebenen erforderlich sind, geregelt werden. Ein übergeordnetes Lastmanagement übernimmt die Sollwertvorgabe. Durch das Zusammenspiel zu erstellender dynamischer Modelle können in einem Teil des Systems vorhandene Signale - beispielsweise bedingt durch eine von der Leistungselektronik als Störgröße erzeugte Stromwelligkeit - an anderer Stelle ausgewertet werden, was eine deutliche Vereinfachung der Sensorik in der Anwendung verspricht. Darüber hinaus bietet es sich an, Beobachter zu erstellen, die dem übergeordneten Lastmanagement regelungstechnisch relevante, jedoch nicht unmittelbar zugängliche Größen zu ermitteln erlauben. Für die übergeordnete und die dezentrale Betriebsführung sollen darauf basierend geeignete Strategien erarbeitet und in einem Versuchsstand erprobt werden. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sollen ohne erheblichen meßtechnischen Zusatzaufwand eine hinreichende Funktionalität des Gesamtsystems bei gegenüber dem Stand der Technik deutlich verbesserter Lebensdauer sicherstellen.

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Ausgehend von generell strenger werdenden Regelungen zu zulässigen Feldexpositionen an Arbeitsplätzen und der Relevanz dieser Sachlage für das Hochstromfügeverfahren Wider­standsschweißen verfolgt das beantragte Forschungsvorhaben eine zweigeteilte Strategie: Einerseits soll geklärt werden, ob die besonderen Bedingungen beim Widerstandsschweißen den Ansatz weniger restriktiver Grenzwerte rechtfertigen; andererseits sollen Voraussetzungen für den Einsatz zugeschnittener technischer Maßnahmen zur Reduzierung der Magnetfeld­exposition der Bediener von Widerstandsschweißeinrichtungen erarbeitet werden. Die als passive bzw. aktive Zusatzmaßnahmen zur Verminderung der im Arbeitsbereich auftretenden Magnetflussdichtewerte erforderlichen Abschirm- bzw. Gegenmagnetfelderzeugungs­einrich­tungen sollen hierbei an die, je nach Leistungsteiltyp unterschiedlichen Erfordernisse angepasst sowie mit vertretbarem Aufwand realisierbar sein und so mit den Wider­standsschweißeinrich­tungen kombiniert werden, dass eine Beeinflussung der technolo­gischen Schweißparameter und des betriebsmäßigen Ablaufs vermieden wird.

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In dezentralen Energieversorgungssystemen ist die von Brennstoffzellen abgegebene oder in Batterien zwischengespeicherte elektrische Energie für die Netzeinspeisung bzw. -nachbildung aufzubereiten. Ähnliche Fragestellungen entstehen gegenwärtig in der Automobilelektronik: In Hybrid- und zukünftigen Brennstoffzellenfahrzeugen werden zusätzlich zur 12V-Kleinspannung des konventionellen Bordnetzes höhere Spannungsebenen vorgesehen; die Klemmenspannung typischer Brennstoffzellen entsprechender Leistung kann wenige Hundert Volt betragen, während sich die Antriebsumrichter tendentiell an netzgekoppelten industriellen Geräten mit einer Zwischenkreisspannung von etwa 600V orientieren.Verschiedene allgemeine Ansätze zur Modellierung und Regelung nichtlinearer Systeme sind aus der Regelungstechnik bekannt. Sie sollen auf die genannten Stromrichter unter Einbeziehung möglicher Konzepte zu deren entlastetem Schalten angewandt werden, um so eine steuer- und regelungstechnische Optimierung der leistungselektronischen Systeme zu erreichen. Dies soll zur Darstellung effizienter, minimal aufwendig gestalteter Baugruppen mit geeignetem Betriebsverhalten beitragen.

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Bei Einsatz von Leistungselektronik in mobilen Anwendungen ist die verfügbare Betriebsspannung (beispielsweise bei Einsatz von Brennstoffzellen) prinzipbedingt meist sehr viel kleiner als in netzgespeisten Konfigurationen. Zwar muss das Leistungsteil eines Antriebes der bei gleichbleibender Leistung resultierenden Stromerhöhung genügen, es kann in seinem Aufbau jedoch vorteilhaft auf die niedrigere Betriebsspannung ausgelegt werden.Im Rahmen der hier beschriebenen Arbeiten soll ein dreiphasiges Niederspannungs-Leistungsteil konzipiert und realisiert werden, welches für den Einsatz in einer mobilen Anwendung am dort verfügbaren Bordnetz vorgesehen ist.Die niedrige Betriebsspannung ermöglicht den Einsatz von MOSFET-Bauelementen, siehe Bild. Diese können beispielsweise auf DCB oder IMS-Substraten isoliert aufgebaut und verschaltet werden. Im Vordergrund der Untersuchungen steht zunächst die elektrische und thermische Modellierung und Optimierung des Aufbaus, so dass für die Systemauslegung bedeutsame Effekte wie Streuinduktivitäten und Wärmespreizung bestimmt werden können.Neben theoretischen Betrachtungen und Messungen an Versuchsaufbauten ist der rechnergestützte Einsatz der FEM-Simulation ein wichtiger Teil der Arbeiten. Diese ermöglicht nicht nur eine Modellierung möglicher Designvarianten, sondern auch die Betrachtung weiterer Freiheitsgrade innerhalb der gleichen Berechnungsaufgabe. Damit lassen sich strukturmechanische Kontaktprobleme wie auch Einflüsse unterschiedlicher thermischer Verformung der Materialien einbeziehen.

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Die Umwandlung elektrischer Energie durch leistungselektronische Systeme erlangt stetig an Bedeutung. Neben Brennstoffzellensystemen gibt es eine Reihe weiterer dezentraler Energieversorgungseinrichtungen, die bei der Aufbereitung der erzeugten Elektroenergie auf leistungselektronische Prinzipien bei der Wandlung zurückgreifen.Brennstoffzellenbasierte Energieerzeugungssysteme werden im zukünftigem Verbund von Energieerzeugern Schlüsselkomponenten sein. Somit kommt der Aufbereitung der Elektroenergie aus einer Brennstoffzelle eine ganz wesentliche Bedeutung zu. Neben der Einspeisung von elektrischer Energie in das öffentliche Versorgungsnetz bzw. ein Inselnetz können die eingesetzten Wandler auch zur Steigerung der Netzqualität beitragen.Um eine Systembetrachtung durchführen zu können, ist es sinnvoll, das leistungselektronische System im Zustandsraum zu modellieren. Mit einem derartigen Modell lassen sich verschiedene Auslegungen durch Skalierungen bzw. Kaskadierungen mit vergleichsweise geringem Aufwand ableiten. Insbesondere die inzwischen wesentlich verbesserten digitalen Steuerungen ermöglichen eine Weiterentwicklung der Wandlertechnik in dezentralen Brennstoffzellen-Systemen.Sehr zweckmäßig wäre darüber hinaus eine weitergehende Auswertung und Nutzung von Zustandsgrößen der Leistungselektronik, um diagnostische Aussagen zur Brennstoffzelle treffen zu können. Diesbezüglich sind grundlagenorientierte Untersuchungen geplant.

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Moderne Schweißtechnologien finden in der Industrie breite Anwendung. Als dominierende Fügeverfahren sind dabei das Lichtbogenschweißen und das Widerstandsschweißen anzusehen. Bei beiden Verfahrensgruppen gewinnen die Varianten, die mit einer Pulsation des Leistungseintrages in den Prozess arbeiten, zunehmende Bedeutung.Die in diesem Teilprojekt der DFG-Forschergruppe 417 durchzuführenden Untersuchungen zielen auf eine Minderung der EMV-Probleme von Lichtbogen- und Widerstandsschweißanlagen mit gepulster technologischer Last. Schwerpunkte bilden leistungsteilinterne Maßnahmen zur Minderung der geleiteten Störemission von Inverterstromquellen für das Lichtbogenschweißen, wobei auch die Realisierung der Leistungsteile in Form von resonanten Schaltungstopologien einbezogen wird.Neben Fragen der elektromagnetischen Verträglichkeit zwischen Geräten (der technischen EMV) wird auch Fragen der elektromagnetischen Verträglichkeit zur Umwelt (EMVU) zunehmende Beachtung beigemessen. Die Bediener von Wider­standsschweiß­einrichtungen sind bei ihrer Tätigkeit den aus den hohen, im kA-Bereich liegenden Schweißströmen resultierenden Umgebungsmagnetfeldern ausgesetzt. Davon ausgehend werden im Rahmen des Forschungsvorhabens Finite-Elemente-Simulationen mit dem Programm ANSYS zur Analyse der sich ergebenden Feldverteilungen durchgeführt, in deren Rahmen auch der Einfluss der zu schweißenden Bauteile auf die Magnetfeldverteilung berücksichtigt wird. Bei ferromagnetischem Schweißgut können sich infolge von Feldkonzentrationen im Bereich der zu schweißenden Teile lokale Feldüberhöhungen ergeben.

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Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens werden die wissenschaftlichen Grundlagen für den Aufbau einer brennstoffzellenbasierten Energieversorgungsanlage mit 20 kW elektrischer Leistung untersucht und Lösungen für eine praktische Umsetzung erarbeitet. Diese Aufgabe schließt sowohl die Topologie und Bauelementeauswahl für den Umrichter der Brennstoffzelle und der Batterieanlage, als auch den Wechselrichter für Ankopplung an das Netz ein. Als Grundkonzept für die Anordnung der Wandler wurde die im Bild gezeigte Anordnung gewählt.Ein weiteres Ziel dieses Teilprojektes ist die simulationstechnische Untersuchung der erforderlichen Funktionseinheiten der Steuerungssoftware für die leistungselektronischen Komponenten in der Anlage. Hierbei wird ein besonderer Schwerpunkt auf die Analyse der Netzbelastung mit verschiedenen Steueralgorithmen gelegt. Die Kopplung zwischen Brennstoffzelle und Versorgungsnetz soll durch einen Umrichter und einen Wechselrichter erfolgen. Der erste Entwurf des genannten Umrichters bestand aus einem Hochsetzsteller mit geteilter Drossel, der eine galvanische Verbindung zwischen Brennstoffzelle und Wechselrichter aufweist. Gegenwärtig wird ein potentialtrennender Wandler mit ähnlichen elektrischen Eigenschaften wie denen des Hochsetzstellers entworfen und aufgebaut.Bestandteil der Anlage ist aber auch eine Batterieanlage, um Lastspitzen, Spannungseinbrüche des Netzes und Anregelzeiten der Brennstoffzelle überbrücken zu können. Zu untersuchen sind hier Fragen einer optimalen Regelung der in das Netz einzuspeisenden Leistungsanteile aus Brennstoffzelle und Batterie (Lastmanagement). Dazu werden zunächst verschiedene Topologien mit gegenwärtig verfügbaren leistungselektronischen Bauelementen modelliert und anschließend simuliert. Ein Prototyp für den ausgewählten bidirektionalen DC/DC-Wandler befindet sich gegenwärtig im Aufbau.Ferner wird der Wechselrichter neben seiner Energieeinspeisefunktion auch die Netzqualität am Einspeisepunkt durch Blindleistungskompensation verbessern. Spezielle Software für diese Aufgabe wird erstellt. Die bisherige Steuerung des Netzwechselrichters durch einen Mikroprozessor wird derzeit auf ein leistungsfähiges DSP-Steuerungssystem umgestellt.Nach der Realisierung der einzelnen leistungselektronischen Topologien und ihrer individuellen Regelschaltungen wird das Zusammenspiel innerhalb der Anlage steuer- und regelungstechnisch untersucht und optimiert unter Berücksichtigung der übergeordneten Steuerstrategie der Systemsoftware.

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Die kontaktlos-induktive Energie- und Datenübertragung ist eine innovative Technologie, die neue Möglichkeiten für die Versorgung beweglicher und stationärer Verbraucher mit Elektro­energie bzw. Daten eröffnet. Mit dieser Technologie können flexible Verbraucher über Luft­spalte hinweg zuverlässig versorgt werden. Dadurch können Steckkontakte und Stromzufüh­rungskabel über bewegte Trennstellen hinweg entfallen. Besonders vorteilhaft ist diese Technologie in Kraftfahrzeugen anwendbar zur Versorgung von beweglichen Anbauteilen wie Türen, Klappen, Sitzen, Lenkrad, Rädern, Sensoren, Aktoren, Spiegel, Beleuchtungs­elemente, Bedien- und Anzeigegeräte. Es werden neue Möglichkeiten für die Realisierung montagefreundlicher Module eröffnet, die aufgrund der kontaktlosen Trennstelle (mecha­nische = elektrische Schnittstelle) auch unter Service- und Wartungsaspekten einfach hand­habbar und flexibel nachrüstbar sind. Durch die leicht entnehmbaren Systeme können einer­seits Sicherheits-, Komfort- und Zusatzfunktionen erweitert bzw. die Robustheit und Zuver­lässigkeit erhöht werden. Im Projekt wurden Grundlagen zur Technologie sowie Konzepte für im Kfz technisch umsetzbare elektrische und magnetische Komponenten erarbeitet.

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Im Rahmen des Landesforschungsschwerpunkts "Automotive" sollen neue technische Konzepte für die zukünftige individuelle Mobilität erarbeitet werden. In jüngster Zeit wurden bereits zumindest teilweise elektrisch angetriebene Kfzs als Hybridfahrzeuge realsiert. Ein lokale Emissionen idealerweise vollständig vermeidendes Fahrzeug benötigt einen anderen Energiespeicher als Benzin oder Diesel; aus heutiger Sicht kommt hauptsächlich wasserstoffbasiertes Gas in Frage, mit dem in Brennstoffzellen elektrische Energie erzeugt werden kann. Entsprechende mit hinreichender Lebensdauer einsatztaugliche Systeme sollten durch Forschungsarbeiten innerhalb von voraussichtlich etwa sieben bis zehn Jahren zu entwickeln sein. Ziel dieses Forschungsprojektes ist die mathematische Modellierung und Optimierung des dynamischen Verhaltens von PEM Brennstoffzellen in automobilen Antriebssystemen: Die Dynamik eines PEM Brennstoffzellensystems wird wesentlich von dem Stack, dessen Peripherie, der Topologie und der Steuerung bestimmt: Das Betriebsverhalten des Stacks beeinflussen Partialdrücke des Reaktanden und Oxidanten, Temperatur, Feuchte und Last, seine Dynamik die benötigten externen Aggregate wie Luftversorgungsgebläse (-kompressor), die Betriebsführung (Stöchiometrie, Rezirkulationsbetrieb) und Steuerung der Komponenten (Algorithmen), sowie das Design der Anlage einschließlich der Dimensionierung eines zusätzlichen Energiespeichers (Batterie, Doppelschichtkondensatoren usw.), der unter den Gesichtspunkten von Kosten, Platzbedarf, Gewicht sowie Wartungsaufwand jedoch eine beschränkte Größe aufweisen sollte. Die Energiewandlung zwischen Brennstoffzellen, Speichern und Bordnetz mit Antrieb ist damit von wesentlicher Bedeutung für den Entwurf des brennstoffzellenbasierten automobilen Antriebssystems, an das im Fahrbetrieb hohe Anforderungen bezüglich der Dynamik gestellt werden. Von der Industrieelektronik mit entsprechend hohen Strömen übernommene Ansätze für die Leistungselektronik tragen den besonderen Anforderungen im Kfz nicht hinreichend Rechnung: Für Betrieb bei niedriger Spannung müssen parasitäre Elemente minimiert werden; weiterhin ist auch unter fahrzeugtypischen Umgebungsbedingungen wie Temperatur, Verschmutzung und Vibration zuverlässiger Betrieb sicherzustellen. Nicht zuletzt bestehen extreme Anforderungen an Bauform bzw. Volumen und Gewicht sowie Kosten.

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Das modifizierte Puls-Arc-Verfahren ist durch zwei unterschiedliche Prozessphasen gekennzeichnet: Die Pulsstromphase bestimmt hauptsächlich die Prozesseigenschaften, während die Grundstromphase die Entladung aufrecht erhält. Die Anwendung eines veränderlichen Magnetfeldes ermöglicht eine Anpassung der Feldstärke an den Verlauf des Bogenstromes. Die Fußpunkte würden unter Magnetfeldeinfluss in der Pulsstromphase eine kleinere Fläche überstreichen. Um zu verhindern, dass dies zu einer Verringerung der Beschichtungsrate führt, sollte in der Pulsstromphase auf die Anwendung eines Magnetfeldes verzichtet werden. Nach jedem Bogenstrompuls wird das Magnetfeld dann wieder benötigt, um die Fußpunkte auf eine definierte Bahn zu zwingen. Dieses Magnetfeld in der Grundstromphase bewirkt, dass sich die Fußpunkte nicht zu nah am Rand des Targets bewegen. Somit kann der Bogenstromimpuls die Fußpunkte nicht über den Rand hinaus bewegen, was zu einem unerwünschten Verlöschen des Bogens führen würde.Die Steuerung eines externen Magnetfeldes während der Verfahrenskombination von Steered-Arc- und modifiziertem Puls-Arc-Prozess ergibt für die Anwendung von gepulsten Prozessen neue Freiheitsgrade. So konnte z. B. beobachtet werden, dass die Anwendung eines auf den Bogenstrom synchronisierten Magnetfeldes eine Steigerung der Beschichtungsrate im Vergleich zu einem permanent wirkenden Magnetfeld hervorruft. Dem Nachteil einer verringerten Beschichtungsrate beim Einsatz von Permanentmagnetfeldern wird so durch die Synchronisation eines Magnetfeldes auf den gepulsten Bogenstrom entgegengewirkt. Bei nahezu allen verwendeten Pulsparametern verringert sich der Droplet-anteil bei einer TiN-Beschichtung durch die Anwendung eines Magnetfeldes beim modifizierten Puls-Arc-Verfahren im Vergleich zum Verfahren ohne Magnetfeldbeeinflussung. Die Verwendung eines auf den Bogenstrom synchronisierten Magnetfeldes im Vergleich zu einem permanent wirkenden Magnetfeld führt häufig zu einer geringeren Dropletemission.

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Untersuchungsgegenstand war die Erweiterung der Einsatzmöglichkeiten des Kondensatorimpulsschweißens. Dazu wurde hauptsächlich der zum Schweißen genutzte Impulstransformator untersucht, der die elektrischen Parameter des Schweißstromimpulses maßgeblich beeinflusst. Bestimmender Faktor für das elektrische Verhalten des Impulstransformators ist dabei vor allem die Transformatorkonstruktion, insbesondere auch die Anzahl und Aufteilung der Teilwicklungen auf dem Kern des Transformators und die sich daraus ergebende primäre und sekundäre Streuinduktivität.Für Transformatoren existieren Näherungsverfahren, nach denen sich die Parameter ihrer Ersatzschaltungen berechnen lassen. In den dargestellten Untersuchungen wurde gezeigt, dass diese Rechenverfahren auch für Impulstransformatoren anwendbar sind und Resultate liefern, die eine Vorausbestimmung von Ausgangsströmen der Kondensatorimpulsschweißeinrichtung ermöglichen. Diese Aussage ist ein wichtiges Ergebnis des Forschungsvorhabens. Die durchgeführten FEM-Simulationen führten zu Aussagen über die Stromdichteverteilung in den Wicklungen und die Magnetfeldverteilung bzw. den Verlauf von Magnetflusslinien im Kern bzw. im Kernfenster, die zum Verständnis der internen Vorgänge in Impulstransformatoren beitragen.In Schaltungssimulationen wurden Variationen wesentlicher Einflussparameter auf Höhe und Pulsbreite des Ausgangsstromes durchgeführt. Zudem wurde eine Versuchsanordnung aufgebaut, an der die Ergebnisse von Berechnung und Simulation überprüft werden konnten.Als Ergebnis des durchgeführten Forschungsvorhabens lässt sich festhalten, dass die zur Erweiterung des Anwendungsbereiches des Kondensatorimpulsschweißens notwendige Erhöhung der Sekundärströme bei Verkürzung der Schweißzeit u.a. durch Erhöhung der Ladespannung bei gleichzeitiger Verringerung der Kapazität des Speicherkondensators erreicht werden kann. Der Einfluss einer Sättigung des Kerns wirkt sich überwiegend auf den Primärstrom des Impulstransformators aus und hat nur einen geringen Einfluss auf den Sekundärstrom, wenn der Zeitpunkt des Eintritts der Sättigung nach dem Strommaximum des Sekundärstromes liegt. Beeinflusst wird dieser Effekt durch den Luftspalt. Hier kann eine Optimierung der Transformatorkonstruktion ansetzen.Bei den Untersuchungen wurde die Anlagenausführung mit einem einzelnen Transformator betrachtet, während in industriellen Anwendungen zur Erzeugung höherer Stromstärken auch mehrere Transformatoren parallelgeschaltet werden. Die erarbeiteten Verfahren, Werkzeuge und Ergebnisse lassen sich sinngemäß auch auf parallelgeschaltete Transformatoren anwenden.

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Für eine zunehmende Zahl von Spezialanwendungen aus der Transporttechnik, dem Maschinenbau, der Medizintechnik oder der Verfahrenstechnik besteht ein erhebliches Anwendungspotential für kontaktlose induktive Energieübertragungssysteme im Leistungsbereich bis zu einigen Kilowatt. Eine Hauptverlustquelle stellt derzeit die mehrfache Energiewandlung auf der Primärseite dar.Im Forschungsvorhaben wurde der Einsatz eines Matrixumrichters als primärer Stromrichter für kontaktlose Energieübertragungssysteme untersucht (vgl. Bild). Der Umrichter reduziert die Anzahl der notwendigen Energiewandlungen, vermeidet die Verwendung von Zwischenkreiskondensatoren und verringert die Verluste auf der Primärseite. Die spezielle Anwendung erfordert hohe Schaltfrequenzen (>100 kHz) und stellt damit besondere Ansprüche an die verwendeten leistungselektronischen Komponenten.Im Mittelpunkt der Arbeiten stand die Entwicklung eines universellen Kommutierungsverfahrens, welches einen Übergang zwischen den Eingangsphasen ohne Laststromunterbrechung und Kurzschlüsse ermöglichen muss, sowie der Aufbau eines geeigneten Laborgerätes. Die Analyse der Betriebszustände der einzelnen Module des Matrixumrichters stellt den ersten Schritt für die Evaluierung eines Kommutierungsverfahrens dar. Daraus konnten die wesentlichen Anforderungen und Einschränkungen abgeleitet werden. Um den Anforderungen an Schnelligkeit und Leistungsbedarf für die Steuerung des Umrichters gerecht zu werden, kommt ein DSP-FPGA-System zum Einsatz. Im Zuge der experimentellen Arbeiten wurden zusätzlich komplexe Treiber für die Leistungshalbleiter sowie ein optimierter Versuchsstand entwickelt und gefertigt.

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Das Ziel der vorliegenden Arbeit bestand in der Erweiterung des modifizierten Puls-Arc-Verfahrens auf einen Betrieb mit mehreren unabhängigen Verdampfern. Für neben theoretischen Untersuchungen durchgeführte Messungen standen industrielle Beschichtungsanlagen zur Verfügung. Als Katodenmaterial wurden Ti und TiAl eingesetzt. Der erste Teil der Arbeit befasste sich mit der Auswahl eines geeigneten Schaltungskonzeptes zur effizienten Pulsstromversorgung mehrerer Verdampfer. Hierbei wurde davon ausgegangen, dass alle Verdampfer symmetrisch angesteuert werden sollen und der gesamte Beschichtungsprozess nicht von verlöschenden Lichtbögen kritisch beeinflusst werden darf. Aus dem Vergleich mehrerer Konzepte hat sich die zyklische Verteilung des Pulsstromes, der von einer Quelle bereitgestellt wird, als am besten geeignet erwiesen. Die Aufrechterhaltung der einzelnen Bogenentladungen wird während des gesamten Entladungsprozesses von DC-Grundstromquellen gewährleistet. Mit dem gewählten Leistungsteilkonzept können auch die unerwünschte Parallelschaltung von Katoden und die damit verbundenen Zündschwierigkeiten vermieden werden. Als technische Lösung für einen gleichzeitigen Betrieb von mehreren Verdampfern wurde eine Zentraleinheit mit transistorisiertem Pulsverteiler (Demultiplexer) ausgewählt. Im Weiteren wurde ein Überblick über die notwendigen physikalischen Anforderungen an die Puls- und Grundstromquellen gegeben, die sich aus den beschichtungsprozesstechnischen Vorgaben und den plasmaphysikalischen Eigenschaften des Lichtbogens ergeben. Diesen wurde eine Inverterpulsstromquelle mit zwei asymmetrischen Halbbrückenwechselrichtern in Parallelschaltung gerecht. Anschließend wurden mit der entwickelten Pulsstromversorgung an zwei Beschichtungsanlagen Prozessuntersuchungen durchgeführt. Sie beinhalteten Ionenstrommessungen mit statischen und rotierenden Sonden sowie die Bestimmung der Beschichtungsrate und der Dropletemission: Es wurde festgestellt, dass die Gesamtionenstromdichte aufgrund energiemindernder Zusammenstöße bis zu 25% kleiner als die Summe der partialen Ionenströme von 3 Katoden war. Der mit rotierenden Sonden untersuchte Einfluss der Pulsamplitude auf die mittlere Ionenstromdichte kann im Bereich bis 500 A als gering eingeschätzt werden. Die normierte Beschichtungsrate stieg durch die Erhöhung des mittleren Ionenstroms auf das Substrat beim gepulsten Prozess bis um den Faktor 2,6 für TiN-Beschichtungen und um den Faktor 2,1 für TiAlN-Beschichtungen gegenüber der DC-Arc-Beschichtung an. Eine im Puls-Modus gegenüber dem DC-Modus erhöhte Teilchenionisation im Zusammenhang mit relativ geringer Partikelproduktion war die Ursache für die sehr dichte Mikrostruktur der abgeschiedenen TiAlN-Schichten. Gegenüber konventionellen DC-Stromversorgungen bietet die für mehrere Verdampfer entwickelte Pulsstromversorgung den entscheidenden Vorteil, dass dropletarme Schichten bei kürzeren Beschichtungszeiten hergestellt werden können.

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Die Verfahren des Lichtbogen- und Widerstandsschweißens zählen zu den dominierenden Fügetechnologien. Bei beiden Verfahrensgruppen gewinnen seit einiger Zeit die Varianten, die mit einer Pulsation des Leistungseintrages in den Prozess arbeiten, zunehmende Bedeu-tung. Die breite industrielle Anwendung dieser Verfahren und Anlagen einerseits und das hohe inhärente elektromagnetische Störpotenzial, das diese Anlagen für ihre Umgebung darstellen, erfordert eine systematische Analyse des Störpotenzials, der Möglichkeiten seiner Reduzierung und der Herstellung der EMV mit der Umgebung.Die Untersuchungen dienen dem Ziel einer Analyse, Klassifizierung und Modellierung der elektromagnetischen Störemissionen von Lichtbogen- und Widerstandsschweißanlagen mit gepulster technologischer Last unter besonderer Berücksichtigung der prozess- und strom-quellenrelevanten Anteile. Sie beinhalten die Störemissionen von Schweißlichtbögen, die Magnetfeldemissionen von Schweißanlagen und die Störemissionen getakteter Prozess-stromquellen bei niederfrequenter Lastpulsation. Durch die Schaffung geeigneter Modelle sollen wissenschaftliche Grundlagen für die Beschreibung und mögliche Verbesserungen der EMV dieser Technologien geschaffen werden.

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Dem Vorteil der geringeren Dropletemission stehen beim industriell etablierten Steered-Arc-Prozess im Vergleich zum Random-Arc die Nachteile, wie verringerter Ionenstrom und reduzierte Schichtbildungsrate gegenüber. Die Eigenschaften des modifizierten Puls-Arc-Verfahrens, wie die erhöhte Geschwindigkeit der katodischen Lichtbogenfußpunkte, die höhere Plasmaaktivierung und die Veränderung der räumlichen Emissionscharakteristik führen zu technologischen Vorteilen, wie z.B. der verbesserten Targetausnutzung, der Erhöhung des mittleren Ionenstromes am Substrat und damit der Erhöhung der Beschichtungsrate. Die immer noch zu hohe Dropletemission im Vergleich zum DC-Arc und die nicht definierbare Position der Spots am Impulsbeginn sind als Nachteile zu sehen.

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Bei den Stromquellen von Widerstandsschweißeinrichtungen stellen die eingesetzten Leistungshalbleiter die Quelle elektromagnetischer Störemissionen dar. Wegen der hohen Anschlußleistungen sind Netzfilter nicht immer anwendbar. Durch konstruktive Maßnahmen und Beeinflussung des Schaltverhaltens der Leistungshalbleiter sollen die Störemissionen gemindert werden.

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Dieses Verbundprojekt besitzt als Gesamtziel die Schaf-fung einer industriell einsetzbaren techni-schen Basis zur Erweiterung des Einsatzbe-reiches des Puls-Arc-Verfahrens auf Anlagen mit mehre-ren Verdampfern und die Er-arbeitung von darauf aufbauenden technologischen Lösungen.Als technologische Schwerpunkte sind die Verringerung der nachteiligen Dropletemis-sion der Verdampfer (insbesondere bei Al-hal-tigen Targets), die Verbesserung der Schichteigenschaften und der Leistungsfähigkeit der Schichten, die Erhöhung der Ab-scheiderate, eine deutliche Verkürzung der Beschichtungszeit und eine Erhöhung der Prozeßsicherheit zu nennen.

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Ziel des Forschungsvorhabens ist schwerpunktmäßig das durch Erhöhung der Übertragungsfrequenz erreichbare Verbesserungspotential zu analisieren. Darüber hinaus wird auch die Beeinflussung des Wirkungsgrades durch das Magnetsystem, die Lastbedingungen, die verwendeten Leistungshalbleiter und Stromrichtertopologien sowie durch die Strom- und Feldverdrängung untersucht. Einem weiteren Schwerpunkt bildet die elektromagnetische Verträglichkeit bei der induktiven Energieübertragung über einem großem Luftspalt. Mit den Untersuchungen soll geklärt werden, bis zu welchem Luftspalt und in welchem Leistungsbereich die induktive Energieübertragung zweckmäßig anwendbar ist.

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Untersuchungen zu den Bewegungseigenschaften des magnetisch stimulierten Lichtbogens für die Anwendung beim Bolzenschweißen stehen im Mittelpunkt dieses Forschungsvorhabens. Die Erzeugung eines radialsymmetrischen Magnetfeldes im Schweißspalt ist Voraussetzung für eine gleichmäßige und kreisförmige Umlaufbewegung des Lichtbogens. Unterschiedliche Anordnungen der Magnetspule, des Feldformers, der Schweißteilgeometrie oder unterschiedliche Materialien verändern jedoch die Eigenschaften dieses Magnetfeldes. Durch FEM-Simulation erhaltene Ergebnisse zeigen, daß in Abhängigkeit vom gewählten Werkstoff eine Optimierung des magnetischen Feldes notwendig und möglich ist.

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Bei der Vakuumbogenbeschichtung ist für die Ausbildung des Substrat-Schicht-Interfaces und der eigentlichen Hartstoffschicht der Ionenstrom von entscheidender Bedeutung. Inhalt der Arbeiten soll es daher sein, durch Nutzung der Freiheitsgrade einer gepulsten Bogenstromversorgung den Ionenstrom in seinem zeitlichen Verlauf und seinen Absolutwerten derart zu steuern, daß verbesserte Schichteigenschaften (Härte, Haftfestigkeit, Struktur, Oberflächenrauhigkeit) erreicht werden. Diese Vorgehensweise wird im folgenden als ionenstromadaptierte Bogenstromführung bezeichnet. Dem Verfahren liegt die Idee zu Grunde, ähnlich wie beim stromgeregelten MAGC-Schweißen oder der Stufenpulse beim MSG-Impulsschweißen, einzelne, während eines Stromimpulses ablaufende Prozesse gezielt steuern zu können.

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EMVU-relevante Feldemissionen von Widerstandsschweißmaschinen

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Die bisher in Widerstandspunktschweißinvertern eingesetzten netzfrequenten Hochstromdioden beeinflussen das Betriebsverhalten des Inverters in ungünstiger Weise. Inhalt des Forschungsvorhabens ist die Analyse des Durchlaß- und Schaltverhaltens derzeit verfügbarer Dioden und der Einflüsse der Gleichrichteranschluß- und Trafoausführung. Aus den gewonnenen Erkenntnissen soll ein Anforderungsprofil für derartige Dioden abgeleitet werden. Diese Arbeiten werden durch simulative Untersuchungen ergänzt. Ebenfalls werden Muster gehäuseloser Dioden untersucht. Weiterhin werden EMV-Aspekte und der Einfluß der Art der Ausgangsgleichrichterschaltung betrachtet.

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Beim MSG-Schweißen von Baustählen mit Wanddicken unter 0,5mm (Dünnbleche) ist die reproduzierbare Erzielung einer gleichmäßigen Nahtgeometrie nicht zufriedenstellend gelöst, weil das dünne Blech die hohen Energien weder aufnehmen noch ableiten kann. Mit einer Inverterstromquelle in Verbindung mit einer neuartigen Prozeßsteuerung soll durch eine angepaßte Energiezufuhr das Durchbrennen des Bleches verhindert und ein gleichmäßiger Einbrand sowie eine gleichmäßige und geringe Nahtüberhöhung erreicht werden.

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Induktives Vorwärmen beim Schweißen von Al-Konstruktionen

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Die Arbeiten zum vorliegenden Forschungsprojekt umfassen die Untersuchung des Durchschlagverhaltens experimenteller Elektrodenanordnungen. Dabei ist die Ermittlung von Paschenkurven, d.h. die Abhängigkeit der Durchschlagspannung vom Produkt aus Elektrodenabstand und Druck, als Ziel gesetzt.Die Arbeiten zum Projekt sollen dazu dienen, die Voraussetzungen für die Zündung eines Vakuumlichtbogens mit Hilfe eines Hochspannungsdurchschlags abschätzen zu können.

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Durch externe Magnetfelder sollen Schweißlichtbögen, speziell beim Nahtschweißen von nichtmagnetischen Werkstoffen unter Schutzgas, beeinflußt werden. Die Erhöhung von Produktivität und Qualität der Fügeoperationen und die Realisierung bisher nicht ausführbarer Schweißungen wird angestrebt.

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Aufgrund ihrer Leistungsdaten und der intermittierenden Betriebsart weisen Widerstandsschweißmaschinen Besonderheiten hinsichtlich der elektromagnetischen Störemissionen auf. Den Schwerpunkt des Forschungsthemas bilden die Netzrückwirkungen und die geleiteten Störemissionen dieser Maschinen. Weiterhin werden die gestrahlten Störaussendungen sowie die niederfrequenten Magnetfelder in der Umgebung von Widerstandsschweißmaschinen untersucht.

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Eine Prozeßsteuerung soll antizipierbare Prozeßstörungen beim Lichtbogenschweißen erfassen und entsprechend reagieren. Die notwendigen Algorithmen werden von den mentalen Fähigkeiten des Schweißers abgeleitet. Eine Simulation liefert die zu erkennenden Prozeßmuster.

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Untersuchung der speziell beim Hülsenschweißen von Aluminium auftretenden material- und prozeßtypischen Besonderheiten unter Berücksichtigung der magnetischen Lichtbogenbewegung. Durch eine optimale Gestaltung des radialsymmetrischen Magnetfeldes zur Lichtbogensteuerung und Einsatz von Wechselstromquellen sollen Erkenntnisse über die Anwendbarkeit magnetisch bewegter Schweißlichtbögen für das Hülsenschweißen von Aluminium gesammelt werden.

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Die neue Stromform des Stufenpulses für das MSG-Impulslichtbogenschweißen, wie sie mit einer am Institut, in Zusammenarbeit mit dem ISF der RWTH Aachen, entwickelten computergesteuerten Inverterstromquelle realisierbar ist, bildet den Ausgangspunkt für wissenschaftliche Untersuchungen. Dabei liegt der Schwerpunkt auf der Parameterfindung für Impulslichtbogenschweißprozesse, die es ermöglichen, schwierig zu verschweißende Werkstoffe zu verschweißen oder schweißtechnisch kritisch zu handhabende Verfahren, besser als bisher, zu bewältigen. Dazu zählen insbesondere die genaue Betrachtung der Vorgänge beim Verschweißen von druckaufgestickten Werkstoffen und Zwangslagenschweißuntersuchungen. Neben den materialtechnischen Auswertungen werden auch Hochgeschwindigkeitsaufnahmen zur Beurteilung von Schweißprozessen herangezogen.

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Das Arc-Verfahren mit pulsförmiger Bogenstromführung findet zunehmendes Interesse, wobei die Beeinflußbarkeit des Prozesses sowie die Schaffung und Anpassung elektronischer Stromquellen Forschungsschwerpunkte sind. Ziel dieses Projektes ist es, die bisher exemplarisch gewonnenen Erkenntnisse auf eine breitere wissenschaftliche und technologische Basis zu stellen. Dies soll vornehmlich durch eine umfassende Prozeßanalyse, vor allem hinsichtlich der Plasmaionisierung und des Lichtbogenverhaltens, und die Analyse der Wirkung elektrischer Parameter auf den Schichtbildungsprozeß erfolgen.

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Untersuchungen zu den Bewegungseigenschaften des magnetisch stimulierten Lichtbogens für die Anwendung beim Bolzenschweißen stehen im Mittelpunkt dieses Forschungsvorhabens. Die Erzeugung eines radialsymmetrischen Magnetfeldes im Schweißspalt ist Voraussetzung für eine gleichmäßige und kreisförmige Umlaufbewegung des Lichtbogens. Unterschiedliche Anordnungen der Magnetspule, des Feldformers, der Schweißteilgeometrie oder unterschiedliche Materialien verändern jedoch die Eigenschaften dieses Magnetfeldes. Durch FEM-Simulation erhaltene Ergebnisse zeigen, daß in Abhängigkeit vom gewählten Werkstoff eine Optimierung des magnetischen Feldes notwendig und möglich ist.

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