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Grundlagen der elektromagnetischen Energiewandlung

(für 3. Semester), V2, Ü2

Vorlesung: Prof. Dr.-Ing. B. Ponick

Inhalt

Arten von Energiewandlern, Überblick über die verschiedenen Ausführungsformen und das Leistungsspektrum von elektrischen Maschinen und ihre wirtschaftliche Bedeutung.

Stationäres Betriebsverhalten von Gleichstrommaschinen: Aufbau, Induktion durch Drehung, Herleitung der Induktionsverteilung im Luftspalt aus Zonenplan, Strombelags- und Felderregerkurve, mechanische Kräfte, Wicklungsarten, Schaltungsarten, Drehmoment-Drehzahl-Kennlinien, Drehzahlstellung, Kommutierung, Segmentspannungskurve.

Verallgemeinerte Theorie von Mehrphasenmaschinen: Entstehung und Überlagerung der Wechselfelder der einzelnen Stränge, Ermittlung der zugehörigen Reaktanzen, Einführung der Oberwellenstreuung, Gesetz über die Aufspaltung der Luftspaltleistung, Drehmomentgleichung.

Analytische Theorie von Vollpol-Synchronmaschinen: Aufbau, Ersatzschaltbild, Spannungsgleichung, Leerlauf- und Kurzschluss-Kennlinie, Vorgänge bei der Synchronisation, Betrieb als über- oder untererregter Phasenschieber, Einfluss der Ankerrückwirkung, Zeigerbild, Stromortskurve, Drehmomentgleichung, Grenzen des stabilen Betriebs, Besonderheiten des Motorbetriebs.

Analytische Theorie von Induktionsmaschinen: Aufbau, Ersatzschaltbild, Spannungsgleichungen, Stromortskurve, Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie, Schleifring- und Käfigläufer, Stromverdrängungsläufer, Ausblick auf polumschaltbare Motoren, Anlasshilfen, Wicklungserwärmung beim Anlauf sowie Einphasen-Motoren.

Einführung in die Drehzahlstellung von Induktions- und Synchronmaschinen mittels Frequenzumrichtern.

 

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Elektrische Antriebe

(für 4. Semester), V2, Ü1

Vorlesung: Prof. Dr.-Ing. A. Mertens

Inhalt

Der Kurs bietet eine Einführung in elektrische Antriebe, die als mechatronisches System aus Aktoren, Sensoren, einer Steuerungselektronik und leistungselektronischen Stellgliedern aufgebaut sind. Basierend auf den elektromagnetischen Aktoren aus dem Kurs "Grundlagen der elektromagnetischen Energiewandlung", werden Kenntnisse über Aufbau und Varianten von elektrischen Antrieben für verschiedene Einsatzzwecke vermittelt. Anhand von praktischen Anwendungsbeispielen werden verschiedene Lösungen vorgestellt und ihre Eigenschaften miteinander verglichen. Dabei wird auch ein erster Überblick über die Regelung von elektrischen Antrieben gegeben.

 

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Einführung in das deutsche und europäische Energierecht

(für 5. Semester), V2

Vorlesung: Dr. jur. K. Gent, M.L.E.

Der Energiemarkt ist ein spezieller Markt. Aufgrund der europäischen Vorgaben, die mit dem EnWG 2005 in nationales Recht umgesetzt wurden, ist dieser Markt weitgehend reguliert. Die Teilnehmer werden mit den europäischen und nationalen "Energie-Rechtsgrundlagen" vertraut gemacht, es werden mögliche Umsetzungsdefizite aufgezeigt sowie die energienetzbezogenen Ansprüche und Verpflichtungen erläutert. Die Vorlesung wird dabei wesentlich durch die gemeinsame Erarbeitung von Lösungen zu aktuellen Praxisfällen geprägt. 

Vorlesungsziel ist es, den Teilnehmern die Fähigkeiten zu vermitteln, sich in diesen besonderen Markt einzuarbeiten.

 

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Energietechnologie

(für 1. Semester), V2

Inhalt

In dieser Vorlesung sollen die Studierenden im Studiengang Energietechnik gleich zu Beginn ihres Studiums einen Überblick über die Teildisziplinen der Energietechnik erhalten. Die Vorlesung ist deshalb als Ringvorlesung konzipiert. Das IAL übernimmt die Organisation und führt die Abschlussprüfung durch.

Jeder auf dem Gebiet der Energietechnik tätige Professor stellt dabei sein Fachgebiet vor, sodass die gesamte Breite der Energietechnik von der Kraftwerkstechnik über Strömungsmaschinen und elektrische Maschinen bis zum Energieversorgungsnetz behandelt wird. Die Einführungsvorlesung hält ein Gastvortragender aus der Industrie.

Die Veranstaltung besteht aus folgenden Einzelvorträgen:

  • Überblick / Primärenergieverteilung (Dr. Kranz)
  • Kraftwerkstechnik (Prof. Scharf)
  • Technische Verbrennung (Prof. Dinkelacker)
  • Thermodynamik (Prof. Kabelac)
  • Turbomaschinen (Prof. Seume)
  • Elektrische Maschinen (Prof. Ponick)
  • Leistungselektronik (Prof. Mertens)
  • Energiespeichersysteme (Prof. Hanke-Rauschenbach)
  • Hochspannungstechnik (Prof. Werle)
  • Energieversorgung (Prof. Hofmann)
  • Thermische Prozesse (Prof. Nacke)
  • Ressourcenschonende Energienutzung (Prof. Baake)

 

 

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Berechnung elektrischer Maschinen

(für 5. Semester), V2, Ü1

Vorlesung: Prof. Dr.-Ing. B. Ponick

Inhalt

Synchronmaschinen: Konstruktiver Aufbau und Kühlmethoden von Synchronmaschinen; Betriebsverhalten von Schenkelpolmaschinen im stationären Betrieb: Zeigerdiagramm, Ersatzschaltbild, Stromortskurve, Spannungsgleichungen, Potier-Dreiecke, permanenterregte Synchronmotoren, synchrone Reluktanzmotoren; Unsymmetrische Belastung von Synchrongeneratoren.

Einführung in die Drehfeldtheorie (Darstellung der Strombelags- und Feldkurve als unendliche Fourier-Reihen der räumlichen Wellen), zum Begriff der doppeltverketteten Streuung, Schrägung.

Elektromagnetischer Entwurf.

Theorie der Wicklungen: Entwurfsgesetze und Berechnung der Wicklungsfaktoren für Ganzloch- und Bruchlochwicklungen, strangverschachtelte Wicklungen, polumschaltbare Wicklungen, Görges-Diagramme zur Bestimmung der Felderregerkurve und des Koeffizienten der doppeltverketteten Streuung.

Parametrische Felder aufgrund von Leitwertschwankungen (z.B. Sättigungs-, Exzentrizitäts- und Nutungsfelder).

Theorie der Stromverdrängung in Käfigen; Felddämpfung durch Käfig- und Schleifringläufer; Felddämpfung durch parallele Wicklungszweige der Ständerwicklung.

Tangential gerichtete mechanische Kräfte (allgemeines Bildungsgesetz, asynchrone und synchrone Oberwellendrehmomente); Radial gerichtete mechanische Kräfte (Erzeugung des magnetisch erregten Lärms und mechanischer Schwingungen, einseitig magnetischer Zug und sein Einfluss auf die biegekritische Drehzahl der Welle).

Verlustarten; zusätzliche Verluste durch Oberwellen.

 

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Modellierung von elektromechanischen Mikrosystemen

(für 6. bzw. 8. Semester), V2, Ü1

Vorlesung: Prof. Dr.-Ing. W. Mathis,  Dr.-Ing. J. Steinbrink

Inhalt

Grundzüge mikroelektromechanischer und nanoelektromechanischer Systeme (MEMS und NEMS), deren Realisierung mit Verfahren aus der Mikrotechnologie bzw. Nanotechnologie erfolgt

Einführung anhand typischer MEMS- und NEMS-basierter Sensor- und Aktuatorsysteme, Grundlagen der mathematischen Modellbildung gekoppelter elektromechanischer Systeme unter besonderer Berücksichtigung der Mikro- und Nanotechnologie, Ausgangspunkte für numerische Simulationsverfahren, Multilevelansätze, um die hohe Komplexität solcher Systeme zu beherrschen, Beschreibung der elektromechanischen Modelle mit endlich vielen Freiheitsgraden mit Hilfe des Lagrangeformalismus und Modelle mit unendlich vielen Freiheitsgraden mit feldtheoretischen Modellen, Berücksichtigung  thermischer, fluidischer, optischer und quantenmechanischer Aspekte, Demonstration der Methoden anhand der oben genannten Beispiele.

Darstellung der Funktionsprinzipien, des Grobentwurfs, den Besonderheiten gegenüber "Makroausführungen" ausgehend von konventionellen Mikroaktuatoren, Übergang auf Mikrosysteme, Vermittlung der Grundlagen der feldtheoretischen Berechnungsmethoden (speziell elektromagnetisch) inklusive angemessener Materialbeschreibung der typischen Funktionswerkstoffe, Bestimmung des Betriebsverhaltens und der Ansteuerung von Mikrosystemen durch Simulationen einzelner Beispiele, Diskussion einiger halbleiterbasierte MEMS- und NEMS-Sensoren und deren Eigenschaften, Simulation des Verhaltens

Empfohlene Vorkenntnisse: Mikrosystemtechnik, Regelungstechnik, elektromagnetische Felder, elektrische Netzwerke

Elektrische Antriebssysteme

(für 4., 6. bzw. 8. Semester), V2, Ü1

Vorlesung: Prof. Dr.-Ing. B. Ponick

Inhalt

 

Betriebsverhalten von Induktionsmaschinen unter Berücksichtigung des Ständerwicklungswiderstands.

Besonderheiten der verschiedenen Antriebsarten beim Einschalten und beim Hochlauf: Betrachtung der Stoßgrößen, der Erwärmung und der Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie einschl. Sattelmomentbildung; Anlasshilfen.

Elektrische Bremsverfahren bei den unterschiedlichen Maschinenarten: Gegenstrombremsen, Gleichstrombremsen, generatorisches Nutzbremsen.

Drehzahlstellung bei Induktions- und Synchronmotoren: Erläuterung und Vergleich verschiedener Antriebssysteme bezüglich zusätzlicher Verluste, Erzeugung von Pendelmomenten und Kosten.

Erwärmung und Kühlung: Kühlarten, Betriebsarten, Anforderungen an die Energieeffizienz, Ermittlung der stationären und der transienten Wicklungserwärmung.

Einführung in die Berechnungsverfahren der symmetrischen Komponenten für Augenblickswerte und der Park-Transformation (Spannungsgleichungen, Augenblickswert des elektromagnetischen Drehmomentes) zur Simulation transienter Vorgänge. Nachbildung des mechanischen Wellenstranges (mehrgliedrige Schwinger, Betrachtungen zur mechanischen Dämpfung), Berücksichtigung der transienten Stromverdrängung. Diskussion der wichtigsten Ausgleichsvorgänge in Induktions- und Synchronmaschinen (Einschalten, symmetrische und unsymmetrische Klemmenkurzschlüsse, Spannungs-Wiederkehr, Netzumschaltung bzw. Fehlsynchronisation); Reaktanzen und Zeitkonstanten von Synchron­maschinen.

Konstruktive Einzelheiten: Bauformen, Schutzarten, explosionsgeschützte Maschinen, gegenseitige Beeinflussung von Kupplungs- und Lagerungsarten, Entstehung und Vermeidung von Wellenspannungen und Lagerströmen.

Betrachtungen zur Geräuschentwicklung von Antriebssystemen und ihrer Beurteilung.

 

 

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Elektrische Bahnen und Fahrzeugantriebe

(6. bzw. 8. Semester), V2, Ü1

Vorlesung: Dr.-Ing. G. Möller

Inhalt

In der Vorlesung werden sowohl die Grundlagen elektrischer Bahnen als auch Aspekte von elektrisch angetriebenen Straßenfahrzeugen behandelt.

Es wird eine Übersicht zu dem aktuellen Stand der Technik gegeben, wobei der Schwerpunkt auf der elektrischen Antriebsausrüstung liegt. Die Grundzüge der Auslegung von Bahnfahrzeugen von den Anforderungen bis zur kompletten Dimensionierung werden erläutert.
Das Gebiet umfasst dabei Fahrzeuge von der Straßenbahn bis zum Hochgeschwindigkeitsbereich. Weiterhin wird die elektrische Infrastruktur im Bahnbereich erklärt. Im Bereich der Fahrzeugantriebe wird auf die technischen Lösungen bei Hybridantrieben wie z.B. serienhybrid oder parallelhybrid eingegangen.

Als Grundlage werden Vorwissen auf den Gebieten Leistungselektronik und elektrische Antriebstechnik vorausgesetzt.

 

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Elektrische Klein-, Servo- und Fahrzeugantriebe

(5. bzw. 7. Semester), V2, Ü1

Vorlesung: Prof. Dr.-Ing. B. Ponick

Inhalt

Kostengünstige bzw. hochwertige Ausführungen, Übersicht über fremd- und selbstgeführte Motoren, grundsätzliche Konstruktionsmöglichkeiten, permanentmagnetische Werkstoffe.

Permanenterregte Gleichstrommotoren: Ausführungen (Walzen-, Scheiben-, Glockenläufer), Anwendungen, Magnetwerkstoffe, Betriebsverhalten, Drehzahlstellung.

Universalmotoren: Aufbau, Anwendungen, Betriebsverhalten, elektrische und elektronische Drehzahlstellung, Kommutierung.

Wechselstrom-Induktionsmotoren: Aufbau, Anwendungen, Wicklungsarten, Ausführungen (Kondensator-, Widerstandshilfsstrang-, Spaltpolmotor), Betriebsverhalten (verallgemeinerte Symmetrische Komponenten, Leitwertortskurve), Dreh­zahlstellung.

Wechselstrom-Synchronmaschinen: Aufbau (Ständer mit Nuten, ausgeprägten bzw. Klauen-Polen), Motoren mit Magnet-, Hysterese- und Reluktanzläufer.

Grundlagen der Servoantriebe (Gleichstrom-, Induktions- und Synchron-Servomotoren).

Fahrzeugantriebe: Klauenpol-Generatoren (Fahrrad, Kfz), Fahrmotoren (Arten, Besonderheiten, Energieeffizienz), Hilfsantriebe.

 

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Elektrische Klein- und Servoantriebe (auf Englisch)

(3. Semester im Masterstudiengang), V2, Ü1

Vorlesung: Dr.-Ing. C. Stübig

Inhalt

Grundlagen elektrischer Maschinen (Gleichstrommaschine, Induktionsmaschine, Synchronmaschine).

Übersicht über elektrische Kleinmaschinen: Einsatzmöglichkeiten, selbst- und fremdgeführte Motoren, gundsätzliche Konstruktionsmöglichkeiten, permanentmagnetische Werkstoffe.

Permanenterregte Gleichstrommotoren: Anwendungen, Magnetwerkstoffe, Betriebsverhalten, Drehzahlstellung.

Universalmotoren: Aufbau, Anwendungen, Betriebsverhalten, elektrische und elektronische Drehzahlstellung, Kommutierung.

Wechselstrom-Induktionsmotoren: Aufbau, Anwendungen, Ausführungen (Kondensator-, Widerstandshilfsstrang-, Spaltpolmotor), Betriebsverhalten, Dreh­zahlstellung.

Wechselstrom-Synchronmaschinen: Motoren mit Magnet-, Hysterese- und Reluktanzläufer.

Grundlagen der Servoantriebe (Gleichstrom-, Induktions- und Synchron-Servomotoren).

 

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Elektronisch betriebene Kleinmaschinen

(für 6. bzw. 8. Semester), V2, Ü1

Vorlesung: Prof. Dr.-Ing. B. Ponick

Inhalt

Grundsätzliche Eigenschaften und Vergleich von Schritt- und Elektronik-Motoren.

Anwendung numerischer Berechnungsverfahren und -werkzeuge zur Dimensionierung und Simulation elektronisch betriebener Kleinmaschinen.

Schrittmotoren: Ausführungen (Magnet-, Reluktanz-, Hybridläufer), Betriebsarten, Kenngrößen, Ansteuerung, Dämpfungsverfahren, dynamisches Betriebsverhalten.

Elektronikmotoren: Magnetwerkstoffe; Ausführungen mit verschiedenen Strangzahlen, Walzen- und Scheibenläufer, Motoren mit genutetem Ständer oder Luftspaltwicklungen, Hybridmotoren, Switched-Reluctance-Motoren; Betriebsverhalten.

Rotorlagegeber: Inkremental- und Absolutgeber, magnetische oder optische Wirkprinzipien, Resolver.

Elektronische Schaltungen für Kleinmotoren: Netzgeführte Stromrichter (ungesteuerte Gleichrichter, halbgesteuerte Brücken) und selbstgeführte Stromrichter (Gleich- und Wechselstromsteller, Phasenanschnitt-Steuerung)

Schutzarten und Normen

Berechnungsverfahren und -werkzeuge für Kleinmaschinen (numerische Feldberechnung, Simulation transienter Vorgänge)

 

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Leistungselektronik I

(5. Semester), V2, Ü1

Vorlesung: Prof. Dr.-Ing. A. Mertens

Inhalt

Aufgabe und Prinzip der Leistungselektronik (LE), Anwendungsfelder der LE, Bauelemente der LE, Verlustleistung und Kühlung.

Netzgeführte Stromrichter: Gesteuerte und ungesteuerte Gleichrichter für Wechsel- und Drehstromsysteme, Kommutierung, Netzrückwirkungen.

Selbstgeführte Stromrichter: Gleichstromsteller, Puls-Wechselrichter mit eingeprägter Spannung, Steuerverfahren und Modulation.

Stromrichtersysteme: Umkehrstromrichter, höherpulsige netzgeführte Stromrichter, Puslumrichter mit Spannungszwischenkreis.

Empfohlene Vorkenntnisse: Grundlagen der Elektrotechnik

 

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Leistungselektronik II

(6. bzw. 8. Semester), V2, Ü1

Vorlesung: Prof. Dr.-Ing. A. Mertens

Inhalt

Pulswechselrichter: Raumzeiger-Darstellung, Raumzeigermodulation, Optimierte Pulsmuster, nichtideale Eigenschaften von Pulswechselrichtern und Abhilfemaßnahmen.

Schwingkreise in der Leistungselektronik: Grundlagen, Kommutierungsschaltungen, Schaltentlastungen, Schwingkreiswechselrichter und Quasi-Resonanz-Stromrichter.

Schaltnetzteile: Transformatoren, Durchflußwandler, Sperrwandler.

Selbstgeführte Umrichter für hohe Leistungen: Mehrpunkt-Wechselrichter, Umrichter mit Stromzwischenkreis.

Empfohlene Vorkenntnisse: Grundlagen der Elektrotechnik, Leistungselektronik I

 

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Leistungshalbleiter und Ansteuerungen

(5. bzw. 7. Semester), V2, Ü1

Vorlesung: Prof. Dr.-Ing. A. Mertens

Lernziel:

Verständnis der Zusammenhänge zwischen dem strukturellen Aufbau der Leistungshalbleiter-Bauelemente und ihren Betriebseigenschaften. Darauf aufbauend soll der Einfluss der zu schaltenden Last, der Ansteuerung und der Beschaltung auf das Betriebsverhalten der Leistungshalbleiter an Beispielen verdeutlicht werden.

Stoffplan:

Wiederholung der Grundlagen der Halbleitertechnik

p-s-n-Übergang

Raumladungszone und Sperrverhalten; Sperrschichtkapazität

Durchlassverhalten; Trägerspeichereffekt bei bipolaren Bauelementen

Durchlassverhalten; Trägerspeichereffekt bei bipolaren Bauelementen; Zusammenhänge zwischen den geometrischen Parametern und den elektrischen Grenzdaten

Dynamische Vorgänge beim Ein- und Abschalten

Bipolartransistor

Thyristor

Aufbau von modernen MOSFETs und IGBTs

Ansteuerung und Schaltverhalten von MOSFETs, IGBTs und IGCTs

Integrierte Treiberschaltungen

Die Übung wird. z.T. von praktischen Experimenten begleitet.

 

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Regelung elektrischer Drehfeldmaschinen

(6. bzw. 8. Semester), V2, Ü1

Vorlesung: Prof. Dr.-Ing. A. Mertens

Inhalt

Die Studierenden sollen das dynamische Verhalten von geregelten Antrieben kennenlernen, die Prinzipien der feldorientierten Regelung für elektrische Drehfeldantriebe verstehen und Kenntnisse über die Eigenschaften der verschiedenen Verfahren erlangen. Dazu wird als erstes der komplette Regelkreis eines Gleichstromantriebs betrachtet. Schwerpunkt der Vorlesung sind Antriebe mit Asynchronmaschinen. Antriebe mit Synchronmaschinen werden ebenfalls betrachtet.

Stoffplan:

  • Dynamisches Verhalten der ungeregelten Gleichstrommaschine
  • Drehmoment- und Drehzahlregelung der Gleichstrommaschine
  • Lageregelung
  • Regelungstechnisches Modell der Drehfeldmaschinen
  • Prinzip der Feldorientierung
  • Feldorientierte Regelung der Asynchronmaschine
  • Reduzierte Modelle der Asynchronmaschine
  • Regelverfahren ohne Drehzahlgeber
  • Feldorientierte Regelung der Synchronmaschine

In der Übung, die teilweise mit Rechnerunterstützung angeboten wird, werden die Studierenden zunächst mit der Anwendung der Tools Matlab und Simulink vertraut gemacht. Die Übungsbeispiele werden anhand von Simulationen bearbeitet, die von den Studierenden selbst am PC durchgeführt werden. Dabei werden die in der Vorlesung dargestellten Zusammenhänge durch eigene Erfahrung vertieft.

Notwendige Vorkenntnisse: Grundlagen der elektromagnetischen Energiewandlung (Elektrotechniker) oder Elektrische Antriebe I u.II (Mechatroniker)

Empfohlene Vorkenntnisse: Leistungselektronik I und Elektrische Antriebssysteme

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