FOR 417: Electromagnetic Compatibility of Electrotechnological Processes with Pulsed Power
Final Report Abstract
Die Forschergruppe hat Probleme zur Elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) als interdisziplinäres Arbeitsgebiet der Elektrotechnik bearbeitet. Diese umfassen die Energietechnik, dezentrale Stromverteilungsnetze, (Leistungs-) Elektronik und Themen der Allgemeinen Elektrotechnik. Dementsprechend wurden Ergebnisse und Fortschritte insbesondere auf diesen Gebieten erzielt. Nachfolgend wird auf diese in der Reihenfolge der Teilprojekte eingegangen (TP1 bis TP5). Bei dem im Institut IESY vorhandenen Lichtbogen- und Widerstandsschweißanlagen wurden elektromagnetische Störquellen identifiziert, modelliert, berechnet und bei realistischen Prozessen verifiziert. Solche Störungen treten durch elektromagnetische Nah- und Fernfelder auf (Störemissionen) und werden galvanisch, kapazitiv und induktiv auf mehrere Komponenten des eigenen, aber auch auf benachbarte Systeme übertragen. Die Übertragungswege entstehen in der Hauptsache durch Störstrahlung, Einkopplung in Linearstrukturen und Weiterleitung in die Störsenken (meistens in die elektronischen Komponenten). Die aufgefundenen Störquellen wurden durch EMV-Gegenmaßnahmen soweit gedämpft, dass sie weit unter das Normalmaß absanken. Die angewandten Methoden und Maßnahmen zur Störreduzierung bei Inverterstörquellen für das Lichtbogenschweißen mit schnell schaltenden Leistungshalbleitern sind auf Störquellen anderer Art übertragbar. Maßnahmen zum Personenschutz gegen magnetische Felder in der Nähe solcher Anlagen haben die Normen zum Arbeitsschutz erweitert. Magdeburg ist eine der wenigen Universitäten weltweit, die auf dem Gebiet der Entwicklung numerischer Methoden zur Berechnung nichtlinearer Netzwerke mit Hilfe der partiellen Elemente Methoden (PEEC) arbeitet. Diese eignet sich als exakte Methode, insbesondere zur Simulation von Linearstrukturen, die an nichtlinearen Netzwerken angeschlossen sind. Das Verfahren wurde erweitert, so dass es nunmehr zu stabilen Lösungen im Zeitbereich führt, nachdem die Ursache der Instabilitäten erkannt und beseitigt worden waren. Eine Vereinfachung des Modells im Frequenzbereich wurde vorgeschlagen. Auf der Grundlage der exakten Maxwell'schen Gleichung wurden allgemeine, exakte Leitungsgleichungen entwickelt, die die Struktur der klassischen Leitungsgleichungen besitzen, jedoch für alle Frequenzen gültig und äquivalent zur Antennentheorie sind. Die bekannten klassischen Gleichungen sind ein Sonderfall im Grenzbereich sehr kleiner Frequenzen. Ein solches Werkzeug zur Berechnung beliebig verlegter Vielfachleitungen oder Mikrowellenleiterstrukturen ist bei sehr hohen Frequenzen (100 MHz) sehr wichtig. Störungen in elektrischen Stromverteilungsnetzen führen zur unerwünschten Verringerung der Netzeffizienz. Eine immer größer werdende Zahl nichtlinearer Verbraucher entnehmen unsymmetrisch Energie aus dem Netz. Hier gilt es gegenzusteuern. Dazu wurden zunächst eigene Rechenprogramme entwickelt, die dreiphasige Modelle der Netzstruktur berücksichtigen. Durch das aufgestellte Modell der Lastflüsse wurden die Störungen im gesamten elektrischen System berechnet und anhand eines Testsystems experimentell verifiziert. Sobald Störflüsse dieser Art bekannt sind, können Entstörmaßnahmen eingeleitet werden. Im Rahmen der EMV spielen Testumgebungen eine große Rolle. Hierzu zählen beispielsweise die Absorberhalle, TEM- und GTEM-Zellen, Freifeldanlagen und neuerdings auch Modenverwirbelungskammern (MVKs). Die zuletzt genannten haben die besondere Eigenschaft, dass das Testobjekt in einem Resonator hoher Güte verbracht und geprüft wird. Die in einer solchen Testumgebung generierten Felder sind statistischer Natur und führen somit zu ganz anderen Anregungen von Testobjekten als es in den anderen Testumgebungen der Fall ist. In der Realität treten solche Fälle immer dann auf, wenn empfindliche Elektronik in Schirmgehäusen untergebracht ist. Nichtlineares Antwortverhalten wirkt sich besonders stark aus. Die besonderen Vorteile des Einsatzes von MVKs bestehen in einem effektiven zeitersparenden Test verfahren, der schnellen Bestimmung der gesamten abgestrahlten Leitung eines Prüflings, insbesondere oberhalb sehr hoher Frequenzen, der neuen Möglichkeit der einfache Messung der Antenneneffektivität unbekannter Antennen. Soweit sich die erzielten Fortschritte auf spezielle Systeme beziehen, muss ihre Verallgemeinerung auf weitere Systeme nachgewiesen werden. Dabei muss berücksichtigt werden, dass ihre elektronische Packungsdichte weiter zunimmt und die Nutzfrequenzen immer weiter ansteigen. Bei Hochleistungsanlagen kommen Arbeitsschutzmaßnahmen hinsichtlich der Exposition in zu starken elektromagnetischen Feldern hinzu. Für die Simulation der leistungselektronischen Schaltung mit dominanten Halbleiterbauelementen gibt es zur Zeit noch keine befriedigende Simulationsmodelle, die den Anforderungen einer EMV-relevanten Analyse bei hohen Frequenzen genügen. Hier findet die weiterentwickelte PEEC-Methode eine gute Ausgangslage mit der erforderlichen Stabilität und Genauigkeit. Im Falle komplexer, beliebig verlegter Kabelbäume sollte bei sehr hohen Frequenzen die neuentwickelte Leitungstheorie angewandt und mit der PEEC-Methode zu einer leistungsstarken Hybridmethode für Leitungen und Netze von Hybridleiterbauelementen vereinigt werden. Ein solches Hybridmodell kann dann als Grundlage dienen, die elektromagnetische Wechselwirkung von elektronischen Systemen, die sich in Resonatoren befinden, zu berechnen. Bei der Untersuchung komplexer, elektrischer Netze wurde das Zusammenspiel vieler nichtlinearer Verbraucher analysiert. Jedoch war die Größe der Netze aus rechnerischen Gründen beschränkt. Hierdurch wurden einige Effekte vernachlässigt. Hier besteht in Zukunft Verbesserungsbedarf. Darüber hinaus muss geklärt werden, welches Zusammenspiel von Ursachen zu Netzausfällen führen. Es erscheint ziemlich unwahrscheinlich, dass es nur die nichtlinearen Verbraucher sind. Die Untersuchung zur EMV von Systemen in MVKs und TEM-Wellenleitern zeigen interessante Gegensätzlichkeiten. Diese müssen weiter durch Messungen, Analysen und numerische Rechnungen erklärt werden. Beide haben aber für unterschiedliche Einsätze ihre besonderen Vorteile.
