Auslegung und Optimierung von Generatoren für eine systemfähige Windkraftanlage kleiner Leistung

Die Entwicklung in der Windkrafttechnik ist aufgrund der Wirtschaftlichkeitserwartungen besonders auf große Anlagen im MW-Bereich ausgerichtet. Im unteren Leistungsbereich (5 bis 100kW) bilden Entwicklungen und Anlageninstallationen weitgehend Ausnahmen und erfüllen meist nicht die für Hybridanlagen notwendige Systemfähigkeit, was eine Einbindung in dezentrale Energiesysteme erschwert. Im Rahmen dieser Arbeit werden die elektrischen Komponenten für eine kostengünstige und systemfähige Windkraftanlage entwickelt, mit der die Nutzung erneuerbarer Energiequellen durch Einbindung der Windenergie in die modulare Energie-Systemtechnik erweitert und wesentlich verbessert wird. Dabei stellt der Generator als mechanisch-elektrischer Energiewandler die Schlüsselkomponente dar. Um den Teil- und Volllastbetrieb effektiv zu gestalten, wird bei der Auslegung und Optimierung des Generators nach dem Kennlinienverfahren möglichst großen Werten von Wirkungsgrad und Leistungsfaktor in einem weiten Spektrum der abgegebenen Leistung eine hohe Wichtigkeit beigemessen. Um hohe Energieerträge sowohl im Teil- als auch im Volllastbetrieb zu erzielen, wird der Generator polumschaltbar ausgeführt und im Betrieb entsprechend der aktuell eingespeisten Leistung zwischen zwei Drehzahlen geschaltet. Die durchgeführten Untersuchungen an mehrfach optimierten und speziell angefertigten Generatortypen sollen als Grundlage für die Gesamtkonzeption der Windenergieanlage dienen. Um die energetischen Auswirkungen und betriebstechnische Möglichkeiten der Auslegung zu ermitteln, werden im gesamten auftretenden Leistungsspektrum – Leerlauf bis 130% der Nennleistung – die mechanischen und elektrischen Verhaltensweisen in Abhängigkeit von der elektrisch abgegebenen Leistung bei unterschiedlichen Sättigungsgraden des Generators untersucht. Im Hinblick auf die Auslegung der mechanischen und elektrischen Komponenten wie z.B. des Getriebes und des Schleifringkörpers werden dynamische Zustandsänderungen wie verschiedene Kurzschlussvarianten und die Zuschaltung auf das Netz untersucht und dargestellt. Um den Anlagenbetrieb für nahezu alle Netze weltweit zu gewährleisten, wird eine polumschaltbare Einphasenmaschine für 240V / 60Hz ausgelegt. Der Generator kann mit Betriebskondensatorstufen im gesamten Leistungsbereich von Leerlauf bis Nennleistung ohne Laufgeräusche und Rüttelkräfte betrieben werden. Dabei soll der Einphasenasynchrongenerator nach dem gleichem Optimierungsverfahren wie beim Dreiphasigen Asynchrongenerator sowohl für die 4-polige als auch für die 6-polige Drehzahlstufe hohe Teillastwirkungsgrade erreichen. Um möglichst symmetrische Betriebsverhältnisse hinsichtlich Drehmomentschwankungen erreichen zu können, wird die Auslegung der Betriebskapazität an den Drehmomentschwankungen ausgerichtet und eine Optimierung der Betriebskapazität anhand minimaler Amplituden der Pendelmomente erreicht. Damit wird gezeigt, dass auch kleine Windkraftanlagen einen wertvollen Beitrag zur netzverträglichen und nachhaltigen Elektrizitätsversorgung leisten können.

Chemical gas sensors based on functionalized self-actuated piezo-resistive cantilevers

Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in der Anwendung funktionalisierter Mikrocantilever mit integrierter bimorpher Aktuation und piezo-resistiver Detektion als chemische Gassensoren für den schnellen, tragbaren und preisgünstigen Nachweis verschiedener flüchtiger Substanzen. Besondere Beachtung erfährt die Verbesserung der Cantilever-Arbeitsleistung durch den Betrieb in speziellen Modi. Weiterer Schwerpunkt liegt in der Untersuchung von spezifischen Sorptionswechselwirkungen und Anwendung von innovativen Funktionsschichten, die bedeutend auf die Sensorselektivität wirken.

Simulation and Design of a high speed Solid State Switch for Excimer Laser

Excimerlaser sind gepulste Gaslaser, die Laseremission in Form von Linienstrahlung – abhängig von der Gasmischung – im UV erzeugen. Der erste entladungsgepumpte Excimerlaser wurde 1977 von Ischenko demonstriert. Alle kommerziell verfügbaren Excimerlaser sind entladungsgepumpte Systeme. Um eine Inversion der Besetzungsdichte zu erhalten, die notwendig ist, um den Laser zum Anschwingen zu bekommen, muss aufgrund der kurzen Wellenlänge sehr stark gepumpt werden. Diese Pumpleistung muss von einem Impulsleistungsmodul erzeugt werden. Als Schaltelement gebräuchlich sind Thyratrons, Niederdruckschaltröhren, deren Lebensdauer jedoch sehr limitiert ist. Deshalb haben sich seit Mitte der 1990iger Jahre Halbleiterschalter mit Pulskompressionsstufen auch in dieser Anwendung mehr und mehr durchgesetzt. In dieser Arbeit wird versucht, die Pulskompression durch einen direkt schaltenden Halbleiterstapel zu ersetzen und dadurch die Verluste zu reduzieren sowie den Aufwand für diese Pulskompression einzusparen. Zudem kann auch die maximal mögliche Repetitionsrate erhöht werden. Um die Belastung der Bauelemente zu berechnen, wurden für alle Komponenten möglichst einfache, aber leistungsfähige Modelle entwickelt. Da die normalerweise verfügbaren Daten der Bauelemente sich aber auf andere Applikationen beziehen, mussten für alle Bauteile grundlegende Messungen im Zeitbereich der späteren Applikation gemacht werden. Für die nichtlinearen Induktivitäten wurde ein einfaches Testverfahren entwickelt um die Verluste bei sehr hohen Magnetisierungsgeschwindigkeiten zu bestimmen. Diese Messungen sind die Grundlagen für das Modell, das im Wesentlichen eine stromabhängige Induktivität beschreibt. Dieses Modell wurde für den „magnetic assist“ benützt, der die Einschaltverluste in den Halbleitern reduziert. Die Impulskondensatoren wurden ebenfalls mit einem in der Arbeit entwickelten Verfahren nahe den späteren Einsatzparametern vermessen. Dabei zeigte sich, dass die sehr gebräuchlichen Class II Keramikkondensatoren für diese Anwendung nicht geeignet sind. In der Arbeit wurden deshalb Class I Hochspannungs- Vielschicht- Kondensatoren als Speicherbank verwendet, die ein deutlich besseres Verhalten zeigen. Die eingesetzten Halbleiterelemente wurden ebenfalls in einem Testverfahren nahe den späteren Einsatzparametern vermessen. Dabei zeigte sich, dass nur moderne Leistungs-MOSFET´s für diesen Einsatz geeignet sind. Bei den Dioden ergab sich, dass nur Siliziumkarbid (SiC) Schottky Dioden für die Applikation einsetzbar sind. Für die Anwendung sind prinzipiell verschiedene Topologien möglich. Bei näherer Betrachtung zeigt sich jedoch, dass nur die C-C Transfer Anordnung die gewünschten Ergebnisse liefern kann. Diese Topologie wurde realisiert. Sie besteht im Wesentlichen aus einer Speicherbank, die vom Netzteil aufgeladen wird. Aus dieser wird dann die Energie in den Laserkopf über den Schalter transferiert. Aufgrund der hohen Spannungen und Ströme müssen 24 Schaltelemente in Serie und je 4 parallel geschaltet werden. Die Ansteuerung der Schalter wird über hochisolierende „Gate“-Transformatoren erreicht. Es zeigte sich, dass eine sorgfältig ausgelegte dynamische und statische Spannungsteilung für einen sicheren Betrieb notwendig ist. In der Arbeit konnte ein Betrieb mit realer Laserkammer als Last bis 6 kHz realisiert werden, der nur durch die maximal mögliche Repetitionsrate der Laserkammer begrenzt war.