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Elektrische Bahnantriebe (f. Elektrotechniker u. Maschinenbauer)

In dieser Vorlesung wird die Systematik der elektrischen Bahnantriebe für Gleich- und Wechselstrombahnen sowie für Bahnen mit dieselelektrischen Antrieben erläutert. Die unterschiedlichen Anforderungen an Hochgeschwindigkeitstriebfahrzeuge einerseits und Nahverkehrsfahrzeuge andererseits sowie deren Auswirkungen auf die Realisierung der jeweiligen Antriebe werden erarbeitet. Die Entwicklung netzrückwirkungsarmer Gleichrichter und der Wechselrichter zum Betrieb von Drehfeldmaschinen wird aufgezeigt. Detaillierte Erläuterungen der angewandten Fahrwerkstechnologien hinsichtlich möglichst geringer unabgefederter Massen und der Kurvengängigkeit bei Niederflurfahrzeugen schließen sich an. Außerdem werden Maßnahmen zur Reduzierung des spezifischen Energiebedarfs der Bahnfahrzeuge diskutiert.

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Power Electronics - Control, Synthesis and Applications (CSA)

Leistungselektronik hat im Allgemeinen das Ziel, eine elektrische Energieumwandlung mit hoher Effizienz durchzuführen. Der Kurs konzentriert sich auf folgende Aspekte des Konverter-Designs:

  • Minimale Wandlerverluste
  • Verluste in Halbleitern und Magnetika
  • Thermisches Design
  • Weichschaltender Betrieb von Halbleiterbauelementen zur Verbesserung der Leistungsdaten
  • Verwendung von Snubber-Schaltungen
  • Weichschaltende Wandler-Topologien
  • Galvanisch isolierte DC-DC-Wandler
  • Transformatoren in der Leistungselektronik mit uni- und bidirektionaler Kernanregung
  • AC-AC-Wandler
  • Regelung von spannungsgeführten Wandlern
  • Hochleistungselektronik
  • Beispiele

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Weitere Informationen zur Laborübung folgen in der Vorlesung bzw. im L2P-Lernraum.

 

Power Electronics - Fundamentals, Topologies and Analysis (FTA)

Die Leistungselektronik befasst sich mit der Steuerung und der effizienten Umformung elektrischer Energie mit Hilfe leistungselektronischer Schalter. Anwendungsgebiete sind z. B. elektrische Antriebs- und Stromversorgungssysteme im Automobilbereich, verteilte Stromerzeugung mittels Windkraftanlagen, Sonnenenergie oder Brennstoffzellen, Batteriesysteme, industrielle Antriebe, induktive Erwärmung sowie Leistungsflussregelung im Energieerzeugermassstab und Gleichstromübertragungssysteme. Die Vorlesung stellt zunächst Funktionsweisen und Topologien netzgeführter sowie selbstgeführter Stromrichter vor. Netzgeführte Stromrichter, welche mit der Frequenz des angeschlossenen Drehstrom- oder Wechselstromnetzes schalten, werden anhand wichtiger Anwendungen wie Umkehrstromrichter und Direktumrichter vorgestellt. Ein eigenes Kapitel ist den Netzrückwirkungen gewidmet. Selbstgeführte Stromrichter, wie Gleichstromsteller sowie strom- und spannungseinprägende Wechselrichter werden mit besonderem Fokus auf verschiedenen Steuer- und Regelverfahren, wie z. B. Stromregelung und Pulsdauermodulationsverfahren, betrachtet.

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Power Semiconductor Devices

In der Vorlesung werden die besonderen Anforderungen und Eigenschaften der Bauelemente der Energietechnik behandelt. Zu den Vorlesungsinhalten zählen Grundlagen der Halbleiterphysik, die besonderen Eigenschaften von Silizium und die Erweiterung der PN-Struktur auf die für die Leistungselektronik bedeutende PSN-Struktur. Ferner wird die Funktionsweise verschiedener Leistungshalbleiter mit Bipolar-Struktur erörtert. Dazu gehören der Transistor, der Thyristor und die thyristorbasierten Bauelemente TRIAC, GTO und GCT bzw. IGCT. Auch auf die MOSFET-Struktur und moderne Leistungshalbleiter mit sogenannter BIMOS-Struktur (IGBT, MCT, MTO) wird eingegangen. Ein wesentlicher Vorlesungsinhalt ist außerdem die Anwendungstechnik der genannten Bauelemente. Dazu gehören Treiberstufen zur Ansteuerung, Schutzbeschaltung, Bauelementegehäusetechnik, Durchlass- und Schaltverluste sowie die Kühlung der Halbleiter.

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Electrothermal Process Technology - Basics, Materials, High Power Applications

Die Vorlesung "Elektrothermische Prozesstechnik - Grundlagen, Werkstoffe, Hochleistungsanwendungen" wird die interdisziplinären Grundlagen der Induktionstechnik vorstellen sowie einige typische Anwendungen im Hochleistungsbereich zeigen. In den Übungen werden konkrete Beispiele für die Dimensionierung und Auswahl geeigneter Stromrichtertopologien und anderer prozesskritischer Schlüsselkomponenten vorgestellt.

  • Entwicklung und Bedeutung der Elektrowärme
  • Grundlagen der elektrischen Wärmeerzeugung
  • Grundlagen der Werkstofftechnik
  • Grundlagen der Wärmeübertragung
  • Industrielle Prozesswärmeanwendungen
  • Bauelemente und Anlagenkomponenten
  • Topologien der Leistungselektronik
  • Messung elektrothermischer Prozessgrößen
  • Ressourceneffizienz und Sicherheit

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Electrical Drives

Elektrische Antriebe werden heute in den Leistungsbereichen von wenigen Milliwatt bis zu einigen Megawatt gebaut und eingesetzt. Dabei weisen sie gegenüber anderen Antrieben signifikante Vorteile auf: Elektrische Energie ist fast überall einsetzbar und vergleichsweise einfach zu dezentralisieren, Leistung und Drehzahl sind durch eine Steuerung gut anpassbar, das maximale Drehmoment ist bereits im Stillstand verfügbar und nur wenige Teile sind beweglich.

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Elektrische Energie aus regenerativen Quellen

Inhalt:

  • Energiebedarf & Bereitstellung, Globale Probleme der Energieversorgung
  • Potentiale erneuerbarer Energiequellen
  • Kostenrechnung
  • Photovoltaik: phys. Grundlagen, Herstellungsverfahren, Systemtechnik -
  • Windkraft
  • Wasserkraft
  • Sonstige regenerative Quellen: Solarthermie, Biomasse, Geothermie, etc.
  • Einbindung regenerativer Quellen in die Elektrizitätsversorgung
  • Entwicklungsstand und Aussichten

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Grundgebiete der Elektrotechnik 2

Professor De Doncker liest diese Grundlagenvorlesung für Studierende des zweiten Semesters seit dem Sommersemester 1999. Nach einer Wiederholung mathematischer Grundlagen führt die Vorlesung die komplexe Wechselstromrechnung ein. Daran anschließend werden die konzentrierten Elemente Widerstand, Kondensator und Induktivität erläutert. Der Transformator wird daraufhin als Element eingeführt, das aus zwei magnetisch gekoppelten Spulen besteht. Ein eigenständiges Kapitel bildet das Thema Mehrphasensysteme, in dem vor allem auf die Erzeugung solcher Systeme eingegangen wird. Darauf aufbauend wird der Dreiphasentransformator behandelt. Die Vorlesung schließt mit nicht-linearen Bauteilen, Schaltungen und Schaltnetzteilen ab. Besondere Sorgfalt wurde auf die didaktische Gestaltung der Veranstaltung gelegt, was regelmäßig durch sehr gute Bewertungen der Studierenden im Rahmen des fakultätsinternen Qualitätsmanagements honoriert wird. Die Vorlesung wird vollständig mittels Datenprojektion vorgetragen. Fotos, Animationen und Videos werden eingesetzt, um die Vorlesungsinhalte zu veranschaulichen. Während der Vorlesung verdeutlichen Demonstrationsversuche den Zusammenhang zwischen Theorie und Praxis. Zu Vorlesung und Übung werden umfangreiche Manuskripte angeboten. Kleingruppenübungen und die Übungsklausur bieten individuelle Betreuung.

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Elektrische Nahverkehrssysteme

In dieser Vorlesung geht Prof. Müller-Hellmann auf jüngste Entwicklungen im Bereich der Nahverkehrssysteme ein. Hierbei werden sowohl Fragen der Technik als auch Fragen der Betriebsführung und des Managements behandelt. Die gesetzlichen Rahmenbedingungen für die Technik, den Betrieb und die Finanzierung werden umfassend erläutert. Nahverkehrssysteme und Fahrzeuge, wie z. B. Straßenbahnen, Stadt-, U- und S-Bahnen sowie neuartige führerlose Systeme, werden im Überblick dargestellt. Die einzelnen Systeme charakterisiert Prof. Müller-Hellmann über die Merkmale Betriebsweise, Beförderungskapazität, Investitions- und Betriebskosten. Dabei werden grundlegende Überlegungen wie Tagesspitzen und eine möglichst hohe Auslastung der eingesetzten Züge erläutert und Lösungskonzepte diskutiert. Zusätzlich werden Fragen der Energieversorgung und Sicherheitsaspekte elektrischer Nahverkehrssysteme behandelt. In der Regel rundet eine Exkursion zu einem Nahverkehrsunternehmen die Vorlesung ab.

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Hochfrequente Störungen in der Leistungselektronik

Im Rahmen des Seminars werden Grundlagen, Konzepte und Gegenmaßnahmen von hochfrequenten Störungen leistungselektronischer Systeme in Theorie und Praxis vermittelt. Vor dem Hintergrund des Einsatzes neuartiger schnellschaltender Halbleiter mit großer Bandlücke (z. B. SiC und GaN) kommen den Entstörmaßnahmen zur Sicherstellung eines zuverlässigen Betriebes in Zukunft höhere Bedeutung zu.

Studierende im Masterstudiengang werden an einem Theorietag durch Vorträge und Simulationsübungen praxisrelevante Lösungsmöglichkeiten für die Modellierung, Vermessung und Entstörung von leistungselektronischen Systemen erlernen. An einem weiteren Termin werden anschließend in Gruppen von maximal fünf Personen Laborexperimente zur Vermessung der Störaussendung, sowie der Entstörung von leistungselektronischen Systemen durchgeführt.

Das nächste Seminar findet am 17.10.2018 statt. Anmeldungen bitte per E-Mail an pruefung@isea.rwth-aachen.de.