Institut für elektrische Antriebe, Leistungselektronik und Bauelemente
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- Andrea Adenauer
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1 Institut für elektrische Antriebe, Leistungselektronik und Bauelemente Die moderne Antriebs- und Energietechnik wird immer stärker durch das enge Zusammenwirken von elektrischen Maschinen, Leistungselektronik und Regelungstechnik geprägt. Diese systemübergreifende Technik bildet ein wichtiges Gebiet der Mechatronik und ist die Voraussetzung für die Entwicklung neuer Antriebe mit verbesserter Dynamik, Präzision und Leistungsdichte, wie sie für Anwendungen bei Bahnen, Elektromobilen, im Maschinen- und Anlagenbau oder der Medizintechnik benötigt werden. Da in einem Industrieland die Hälfte der elektrischen Energie durch elektrische Antriebe wieder in mechanische Energie umgewandelt wird, ist die große Bedeutung dieses Gebietes sofort ersichtlich. Auch bei der dezentralen Energiegewinnung, bei neuen Windkraftanlagen, in der Photovoltaik oder der zukünftigen Nutzung von Brennstoffzellen spielen Leistungselektronik und Regelungstechnik eine wichtige Rolle. Angesichts knapper werdender Ressourcen und dem Ziel die CO 2 -Emissionen nachhaltig zu verringern, gilt es, sowohl elektrische Antriebe als auch Energieanlagen mit höchsten Wirkungsgraden zu entwickeln. Ausstattung Das Institut verfügt über eine große Anzahl leistungsfähiger Rechnerarbeitsplätze. Die eingesetzten Simulationswerkzeuge werden laufend aktualisiert und entsprechen dem jeweils neuesten Stand der Technik. Für die Analysen von Bauelementen sind das die Finite-Elemente-Simulatoren Dessis, Medici und Tesca. Im Verbund mit Instituten der Mikrosystemtechnik steht auch Entwurfssoftware für Smart Power zur Verfügung. Außerdem sind unterschiedliche Magnetfeldsimulatoren und Softwarewerkzeuge für die Untersuchung technischer und thermisch-mechanischer Probleme der Aufbau- und Verbindungstechnik vorhanden. Für die Schaltungs- und Systemsimulation werden Programmpakete wie PSpice, Eldo, Saber und Matlab-Simulink eingesetzt. Profil des IALB Den breiten systemtechnischen Anforderungen entspricht die interdisziplinäre Forschung der beiden Arbeitsgruppen des Instituts auf den Gebieten Systemintegration elektrische Antriebe, Netzrückwirkungen, Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV), Leistungselektronik, Regelung von Antrieben und Antriebssystemen, Bewegungssteuerung, Leistungsschaltelemente, Smart Power, integrierte leistungselektronische Systeme und Photovoltaik. 76
2 Für experimentelle Untersuchungen und für die praktische Erprobung neuer Techniken und Verfahren verfügt das Institut über ein modernes Antriebslabor, das mit rechnergesteuerten Prüfständen und neuesten Messgeräten ausgestattet ist. Für die Hard- und Software- Entwicklung von Mikrorechnern sind leistungsfähige Werkzeuge vorhanden. Darüber hinaus stehen Messeinrichtungen für die Charakterisierung von Leistungsbauelementen und Solarzellen zur Verfügung. Lehrangebot Das Lehrangebot des Instituts steht im direkten Zusammenhang mit den Schwerpunkten der angewandten Forschung. Es umfasst die folgenden Vorlesungen: Grundlagen der Elektrotechnik und elektrischer Maschinen III Halbleiterbauelemente Werkstoffe, Bauelemente und Schaltungen I und II Optoelektronik Leistungselektronik und Stromrichtertechnik I und II Antriebsregelung und Mechatronik I und II Die hohe Bedeutung des experimentellen Funktionsnachweises findet ihren Niederschlag in den angebotenen Praktika Grundlagenlabor der Elektrotechnik Grundlagenlabor der Regelungstechnik (5. Semester) Labor der Antriebs- und Stromrichtertechnik (8. Semester) Im Praktikum Antriebs- und Stromrichtertechnik werden die Studenten mit allen in Antrieben benötigten Teilsystemen vertraut gemacht. Die Versuche reichen von Mikrorechner Hard- und Software, über Umrichterschaltungen bis hin zur Regelung von Antrieben und Antriebssystemen. In den Projekten, Studien- und Diplomarbeiten werden die theoretischen Kenntnisse vertieft. Je nach individueller Neigung können sowohl mehr theoretische oder mehr praktische Themen aus den Bereichen Leistungsbauelemente, Leistungselektronik, Mikroelektronik, Hard- und Software oder Antriebsregelung gewählt werden, die im Zusammenhang mit aktuellen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten stehen. Professoren Kooperationen In zahlreichen Forschungsprojekten kooperiert das IALB mit Industrieunternehmen und andern Forschungseinrichtungen im In- und Ausland. Darüber hinaus wird im Rahmen bilateraler Projekte der Transfer neuester Forschungsergebnisse in die Industrie durchgeführt. Berufsaussichten im Institut seit Bernd Orlik 1994 Dieter Silber 1986 Durch ihre anwendungsnahe Ausbildung haben die Absolventen des Instituts sehr gute Berufsaussichten. Über die Kernarbeitsgebiete des IALB hinaus sind sie auch in vielen anderen Bereichen der elektrotechnischen Industrie gefragt, in denen Erfahrungen in Systemkompetenz, analoger Schaltungstechnik, Simulationsverfahren oder Echtzeit- Signalverarbeitung eine Rolle spielen. Kontakt Sekretariat Telefon +49 (0) Fax +49 (0) Homepage 77
3 Bernd Orlik Elektrische Antriebstechnik Forschungsschwerpunkte Die Forschungsschwerpunkte sind in starkem Maße anwendungsorientiert und liegen in den folgenden Bereichen der Antriebssystemtechnik: Studium der Elektrotechnik an der TU Braunschweig; Promotion 1987 auf dem Gebiet der Antriebsregelung; Professor in Bremen seit 1994 Anstellungen Institut für elektrische Maschinen, Antriebe und Bahnen der TU Braunschweig; Lenze GmbH & Co KG und Piller GmbH Mitglied des Programmkomitees der SPS/IPC/ DRIVES, einem internationalen Kongress für angewandte Antriebs- und Automatisierungstechnik Antriebsregelung Bewegungsvorgänge bilden die Grundlage vieler technischer Systeme, wie zum Beispiel im Maschinen- und Anlagenbau, der Automobiltechnik oder in medizinischen Geräten. Für die Weiterentwicklung dieser Systeme bildet die Verbesserung der Bewegungen hinsichtlich Dynamik, Rundlauf und Präzision eine wesentliche Voraussetzung. Dazu liefert die Regelung elektrischer Antriebe einen wichtigen Beitrag. Auf diesem Gebiet verfügt das IALB über weitreichende Erfahrungen bei der Drehzahl- und Lageregelung, der Online- und Offline- Parameteridentifikation elektrischer Maschinen sowie der automatischen Einstellung und Adaption der Reglerparameter. Abb. 1 Parameteridentifikation und Regelung von Drehstrommaschinen ohne Drehzahlsensor Intelligente Frequenzumrichter Hier arbeitet das IALB an der Entwicklung neuartiger Umrichtertopologien, die eine Verringerung des Volumens und der Kosten rückspeisefähiger Frequenzumrichter ermöglichen. Diese Umrichter lassen sich nahezu rein elektronisch realisieren. Sie verfügen damit über besonders günstige Voraussetzungen für die Systemintegration in Motoren. 78
4 EMV Durch das schnelle Schalten großer Ströme und Spannungen werden in Frequenzumrichtern hochfrequente Wellen verursacht, die sich sowohl innerhalb wie auch außerhalb der Umrichter ausbreiten. Dadurch können sowohl die Umrichter selbst wie auch benachbarte Systeme in ihrer Funktion gestört werden. An den Wicklungen der angeschlossenen Maschinen können diese Wellen zu lokalen Überspannungen führen, die über einen längeren Zeitraum zur Zerstörung der Wicklung führen. Am IALB werden deshalb optimierte Aufbautechniken und Filter entwickelt, die die Ausbreitung dieser Wellen verhindern. Mechatronik Im Maschinen- und Anlagenbau verstärkt sich zunehmend der Trend, die Mechanik zu vereinfachen und die Prozessfunktionen durch das enge Zusammenwirken mit Leistungselektronik und frei programmierbaren regelungstechnischen Strukturen zu realisieren. Auf diesem weiten Gebiet arbeitet das IALB an der Regelung elastisch gekoppelter Mehrmassensysteme, der Bewegungssteuerung rotierend und linear bewegter Systeme und an der Entwicklung von Direktantrieben für Industrie- und Traktionsanwendungen. Dezentrale Energieanlagen Auch bei dezentralen Energieanlagen, wie zum Beispiel in Windkraftanlagen, Schiffsstromversorgungen oder in der Photovoltaik, bildet die Leistungselektronik zunehmend die Voraussetzung für innovative Lösungen. In diesem Bereich beschäftigt sich das IALB mit der technisch-wirtschaftlichen Systemoptimierung und der Entwicklung neuer Regelungsverfahren. Abb. 2 Antriebsregelung für Systeme mit gekoppelten Massen Abb. 3 Generatorsysteme für Windkraftanlagen und Schiffe 79
5 Dieter Silber Bauelemente der Elektrotechnik Forschungsschwerpunkte Die Forschungsinteressen betreffen vorwiegend Aspekte der Halbleiter-Leistungsbauelemente und der dazugehörigen Integration. Silizium-Materialeigenschaften Transport- und Rekombinationsvorgänge in Silizium sind grundlegend für das Verständnis von Leistungsbauelementen und Solarzellen. Daher werden Messverfahren für diese Parameter entwickelt (Abbildung 1). Diese Arbeiten sind typisch für das Grenzgebiet von Festkörperphysik und Elektrotechnik. Studium der Festkörperphysik; Promotion 1970 an der Universität Frankfurt; Professor in Bremen seit 1986 Anstellung Forschungsinstitut der AEG Abb. 1 TRMC-Messplatz zur berührungslosen lokalen Messung des Rekombinationsverhaltens Photovoltaik Durch die Arbeiten zu Siliziumparametern und die Untersuchungsmöglichkeiten für leistungselektronische Bauelemente ist auch eine enge Verbindung zur Physik der Solarzellen gegeben (Abbildung 2). Abb. 2 Rekombinationsverteilung in einer Solarzelle 80
6 Simulation und Modellbildung, Entwurf von Bauelementen Das Verhalten von Leistungsbauelementen wird durch Simulation der internen Feldstärke- und Stromverteilungen und durch Analyse der komplizierten elektrischen und thermischen Wechselwirkungen untersucht (Abbildung 3). Dies führt auch auf Konzepte für neuartige Bauelemente. Außerdem werden auf dieser Basis Modelle für Bauelemente in leistungselektronischen Schaltungen entwickelt. Leistungsmodule und integrierte Systeme Bei hohen Leistungen ist eine monolithische Integration nicht mehr möglich. Die Teilsysteme werden in kompakten Modulen integriert. Untersucht werden thermische und thermisch-mechanische Probleme der Aufbautechnik sowie interne induktive Effekte und EMV Probleme (Abbildungen 6 und 7). Abb. 3 Elektronenstromdichte im Source-Bereich eines HV-IGBT Hochspannungsintegration und Smart Power Die Hochspannungsintegration umfasst Leistungselektronik und Mikroelektronik. Sie ist besonders in der Automobilelektronik wichtig. Problematisch sind sehr hohe Umgebungstemperaturen sowie interne Isolationsanforderungen (Abbildungen 4 und 5). Abb. 5 Hochspannungsrelais mit integriertem bidirektionalen IGBT in SOI-Technik Abb. 6 Thermisch verursachte mechanische Scherspannungen in großflächigen Lötstellen Abb. 4 Temperaturüberwachung durch Einsatz eines Beobachters Abb. 7 Wirbelstromverteilung in einem Leistungsmodul 81
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