20. - 22.02.2018
Düsseldorf
EMV 2018
Internationale Fachmesse und Kongress für Elektromagnetische Verträglichkeit

 
 
 

Session 6c

Leistungselektronik

Termin

Donnerstag, 22.02.2018, 11:00 - 12:30 Uhr

Chairperson

Christian Paulwitz

Beschreibung

11:00 Leistungsaufnahme von LED-Lampen bei vorverzerrter Klemmenspannung
M.Sc. Anke Fröbel, Otto-von-Guericke-Universität, Magdeburg, Deutschland
Oberschwingungsströme, wie sie beispielsweise durch Vorschaltgeräte in Energiespar- oder LED-Lampen verursacht werden, stellen eine Herausforderung für die Stromnetze dar. Sie führen an den Netzimpedanzen zur oberschwingungsbehafteten Spannungsabfällen, sodass die Klemmenspannungen weiterer Verbraucher vorverzerrt werden. Der Vorteil von Energiespar- und LED-Lampen ist hauptsächlich die verminderte Energieaufnahme im Vergleich zur herkömmlichen Glühlampe. Im Fall einer vorverzerrten Klemmenspannung verändert sich jedoch die Leistungsaufnahme eines nichtlinearen Verbrauchers, sodass eine Energiesparlampe auch eine höhere Scheinleistung aufnehmen kann, als die Leistung der ersetzten Glühlampe.
Im Beitrag erfolgt eine Gegenüberstellung der Leistungsbegriffe in Hinblick auf die Unterscheidung von Zeit- und Frequenzbereich, Einphasen- und Mehrphasensysteme, verzerrten sowie unverzerrten Strömen und Spannungen, die Gesamt-Oberschwingungsverzerrung (engl.: total harmonic distortion, THD) und die Leistungsfaktoren. Es wird Bezug auf relevante Normen und das IEV genommen. Darüber hinaus wird auf die Wechselwirkung zwischen Oberschwingungsströmen und Oberschwingungsspannungen bei nichtlinearen Lasten, sowie die Leistungsaufnahme verschiedener handelsüblicher LED-Lampen eingegangen. Es wird gezeigt, wie unterschiedlich vorverzerrte Klemmenspannungen die Leistungsaufnahme der Lampen z.T. erheblich beeinflussen können. Insbesondere wird dargestellt, welchen Einfluss Phasenverschiebungen der einzelnen Oberschwingungsordnungen haben. Zur Veranschaulichung der einzelnen Leistungsanteile, die die Oberschwingungsströme und -spannungen der unterschiedlichen Ordnungen verursachen, wird zur Beschreibung der frequenzabhängigen Scheinleistung S eine mehrdimensionale Matrizendarstellung vorgeschlagen. Die Ergebnisse werden in Hinblick auf Belastung der Stromnetze bewertet.
11:30 Einfluss eines elektrisch nicht-leitenden Kühlkörpers auf gestrahlte und leitungsgebundene Störungen von Leistungshalbleitern
M.Sc. Stephan Chromy, Helmut-Schmidt-Universität - Universität der Bundeswehr Hamburg, Hamburg, Deutschland
Die steigenden Schaltfrequenzen von Leistungshalbleitern führen auch für deren Kühlung zu neuen Herausforderungen. Typischerweise werden luft- oder wassergekühlte Aluminiumkühlkörper eingesetzt. Aluminium bietet die Vorteile einer hohen Wärmeleitfähigkeit und einer leichten mechanischen Bearbeitbarkeit, besitzt aber ebenso eine hohe elektrische Leitfähigkeit. Diese führt, trotz einer elektrischen Isolierung des Kühlkörpers zum Leistungshalbleiter, zu einer Wirkung des Kühlkörpers als Antenne. Die unmittelbare Nähe des Kühlkörpers zu dem Leistungshalbleiter bedingt eine kapazitive Kopplung, sodass Spannungsflanken aus den Schaltvorgängen auf den Kühlkörper übertragen werden. Es kommt zu Abstrahlung und bei Verwendung einer Erdung zusätzlich zu Gleichtaktströmen. Eine potentielle Möglichkeit zur Verringerung der Abstrahlung bei gleichzeitiger Lösung der Erdungsproblematik stellt die Verwendung von Kühlkörpern aus Keramik dar. Insbesondere die Sinterkeramik Aluminiumnitrid (AlN) weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf, sodass eine ausreichende Kühlleistung erreicht werden kann. Gleichzeitig besitzt Aluminiumnitrid einen hohen spezifischen Widerstand, sodass die Wirkung eines solchen Kühlkörpers als Antenne reduziert wird. In diesem Vortrag wird über Untersuchungen hinsichtlich des Einflusses eines Kühlkörpers aus AlN bei der Verwendung mit Leistungs-MOSFETs auf gestrahlte und leitungsgebundene Störungen berichtet. Hierzu wurde ein TO-247-Gehäuse, wie es u. a. für Leistungs-MOSFETs verwendet wird, aus Metall nachgebildet. Mit dieser Nachbildung wird sowohl ein AlN-Kühlkörper als auch ein Kühlkörper aus Aluminium gleicher Geometrie betrachtet.
12:00 FPGA-basierte aktive Gegenkopplung der Schaltharmonischen von leistungselektronischen Systemen
M.Sc. Andreas Bendicks, Technische Universität Dortmund, Dortmund, Deutschland
Die voranschreitende Elektrifizierung des Kfz bedingt eine steigende Anzahl an leistungselektronischen Konvertern zur Energiewandlung und -verteilung. Aufgrund der zugrundeliegenden PWM-Signale können diese Systeme erhebliche elektromagnetische Störungen erzeugen, welche beispielsweise den Empfang von Funkdiensten, die für das automatisierte Fahren eine noch größere Bedeutung bekommen werden, verschlechtern oder unmöglich machen. In der Praxis werden in den Konvertern üblicherweise passive Filterstrukturen eingesetzt, welche jedoch groß, schwer und teuer sind.
In einer Forschungsarbeit des Arbeitsgebiets Bordsysteme werden aktive Gegenkopplungskonzepte untersucht und entwickelt. Bei diesen Konzepten werden die Störungen durch Gegenstörungen überlagert, wodurch es idealerweise zu einer vollständigen Auslöschung der Signale kommt. Dieser Ansatz verspricht im Vergleich zu passiven Lösungen eine erhebliche Bauraum- und Gewichtsreduktion, da die wesentliche Struktur aus Siliziumhalbleitern (und nicht aus vergleichsweise großen Spulen und Kondensatoren) besteht. Im Gegensatz zu den bisher üblichen Realisierungen kommen flexible FPGA-Signalverarbeitungssysteme anstelle von analogen Schaltungsstrukturen zum Einsatz.
Im Rahmen des Beitrags wird demonstriert, wie die aktive Gegenkopplung bis etwa 30 MHz auf FPGA-Systemen implementiert werden kann. Die besonderen Möglichkeiten und grundsätzlichen Begrenzungen werden herausgearbeitet und diskutiert. Das Vorgehen und die Wirksamkeit des Konzepts werden an einem praxisnahen Applikationsbeispiel demonstriert.

Referenten

Herr Andreas Bendicks
M.Sc. Andreas Bendicks
Technische Universität Dortmund, Dortmund, Deutschland
Andreas Bendicks hat seine Abschlüsse B.Sc. und M.Sc. in Elektrotechnik von der RWTH Aachen in den Jahren 2013 und 2016 erhalten. Derzeit ist er Doktorand am Arbeitsgebiet Bordsysteme der Technischen Universität Dortmund und beschäftigt sich unter anderem mit der FPGA-basierten aktiven Gegenkopplung der elektromagnetischen Störungen von leistungselektronischen Konvertern.
M.Sc. Stephan Chromy
Helmut-Schmidt-Universität - Universität der Bundeswehr Hamburg, Hamburg, Deutschland
Studium der Physik (B. Sc. und M. Sc.) an der Ruhr-Universität Bochum
Wissenschaftlicher Mitarbeiter Lehrstuhl für Oberflächentechnik im Maschinenbau der RTWH Aachen
Wissenschaftlicher Mitarbeiter Professur für Grundlagen der Elektrotechnik, Helmut-Schmidt-Universität - Universität der Bundeswehr Hamburg
M.Sc. Anke Fröbel
Otto-von-Guericke-Universität, Magdeburg, Deutschland
Anke Fröbel studierte Elektrotechnik an der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus und der Technischen Universität Wroclaw, Polen. Im Juni 2011 schloss sie an der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg ihr Studium im Bereich der elektrischen Energiesysteme mit dem Master of Science ab. Seit Juli 2011 ist sie wissenschaftliche Mitarbeiterin am Lehrstuhl für Elektromagnetische Verträglichkeit an der OvGU. Ihre aktuellen Forschungsschwerpunkte liegen in der Messung und Modellierung der Wechselwirkung von Oberschwingungsspannungen und -strömen.


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