Jahresbericht 2013 - Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg

Jahresbericht 2013 

der Lehrstühle für 

• Elektrische Antriebssysteme 

• Elektrische Netze und Alternative Elektroenergiequellen 

• Elektromagnetische Verträglichkeit 

• Leistungselektronik

Anschrift 

Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik 

Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg 

Universitätsplatz 2 Postfach 4120 

39106 Magdeburg 39016 Magdeburg 

Sekretariate 

• Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme 

Frau Wohner 

Gebäude 03 – Raum 129 E-Mail andrea.wohner@ovgu.de 

Telefon (0391) 67-18596 Telefax (0391) 67-12481 

• Lehrstuhl für Elektrische Netze und Alternative Elektroenergiequellen und 

Lehrstuhl für Leistungselektronik 

Frau Baumgarten 

Gebäude 09 – Raum 124 E-Mail melanie.baumgarten@ovgu.de 


• Lehrstuhl für Elektromagnetische Verträglichkeit 

Frau Morscheck 

Gebäude 09 – Raum 226 E-Mail janet.morscheck@ovgu.de 


URLs 

• Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme 

http://www.iesy.ovgu.de/Lehrstühle/Elektrische+Antriebssysteme 

• Lehrstuhl für Elektrische Netze und Alternative Elektroenergiequellen 

http://www.ovgu.de/lena 

• Lehrstuhl für Leistungselektronik 

http://www.ovgu.de/llge 

• Lehrstuhl für Elektromagnetische Verträglichkeit 

http://www.emv.ovgu.de 

b

Vorwort 

Sehr geehrte Leserinnen und Leser, 

mit diesem Jahresbericht möchten wir Ihnen Einblicke in unsere Arbeit geben und die aktuellen 

Entwicklungen und Ergebnisse vorstellen. Wie auch schon im vorigen Jahr umfasst der Bericht in 

diesem Jahr zusätzlich zu den Lehrstühlen des Instituts für Elektrische Energiesysteme (IESY) 

auch den Lehrstuhl für Elektromagnetische Verträglichkeit des neu gegründeten Instituts für 

Medizintechnik (IMT), das aus dem bisherigen Institut für Grundlagen der Elektrotechnik und 

Elektromagnetische Verträglichkeit (IGET) hervorgegangen ist. 

Überschattet wurde die Fertigstellung des Jahresberichtes vom plötzlichen Tod von Herrn Prof. 

Frank Palis, der am 5. November 2013 völlig unerwartet verstarb. Wir sind zutiefst betroffen 

und trauern um ihn. Prof. Palis war von 1994 bis 2011 Inhaber des Lehrstuhls Allgemeine 

Elektrotechnik/Elektrische Aktorik an unserem Institut. Wir verlieren mit ihm einen geschätzten 

Kollegen und Hochschullehrer. 

In der Lehre sind wir in zahlreichen Studiengängen vertreten. Über unser umfangreiches Lehrangebot, 

das mehr als 30 Lehrveranstaltungen umfasst, wird auf den folgenden Seiten berichtet. 

Mit 48 abgeschlossenen Forschungsprojekten, 15 Studien- und Bachelorarbeiten sowie 68 Diplomund 

Masterarbeiten waren unsere Lehrstühle bei den Studierenden sehr gefragt. Eine wichtige 

Stütze der Lehre bildet die internationale Kooperation, die sich in diesem Jahr erfreulich weiter 

entwickelt hat. Unsere Kontakte mit der TU Wroclaw, TU Donezk, TU Kharkow, aber auch die 

mit der TU Irkutsk haben uns viele gute Studenten beschert. 

Im Jahr 2013 haben wir einige Tagungen nicht nur aktiv besucht, sondern auch mitgestaltet. Als 

allererstes ist der „ETG-Kongress“ in Berlin im November 2013 zu nennen. Dort haben Professor 

Lindemann die Tagung „Elektromobilität“ und Professor Styczynski die Tagung „Security of 

Critical Infrastructure Today“ erfolgreich geleitet. Des Weiteren haben wir u. a. beim „IEEE 

Power & Energy Society General Meeting 2013“ in Toronto, bei der „European Conference 

on Power Electronics and Applications“ in Lille und bei der „Annual Conference of the IEEE 

Industrial Electronics Society 2013“ in Wien verschiedene Sitzungen geleitet und eine weitere 

Tagung in Istanbul organisiert. 

Die Ergebnisse unserer Arbeiten sind im Jahr 2013 belegt durch 5 Promotionen und mehr als 43 

wissenschaftliche Veröffentlichungen in angesehenen Zeitschriften bzw. Vorträge bei nationalen 

und internationalen Tagungen. Wir sind stolz, berichten zu können, dass unser Mitarbeiter PD 

Dr. Krysztof Rudion den Ruf einer W-3 Professur zur Integration von erneuerbaren Energien 

der Universität Stuttgart erhalten hat. Wir gratulieren Herrn Dr. Rudion zu diesem Ruf und 

wünschen ihm viel Erfolg bei der Ausführung dieser anspruchsvollen Tätigkeit. Außerdem wurde 

Herr Prof. Styczynski im Jahr 2013 zum Dr. h. c. der TU Donezk ernannt, was unsere gute 

Zusammenarbeit mit unserem wichtigen ukrainischen Partner unterstreicht. 

An dieser Stelle möchte ich all unseren Freunden wiederum recht herzlich für ihre Anregungen 

und ihre Hilfe danken. Unser Dank gilt erneut der Deutschen Forschungsgemeinschaft, dem 

BMWi, dem BMU und dem BMBF, dem Land Sachsen-Anhalt und jenen Firmen, die uns durch 

Aufträge und durch ihre Spenden unterstützt haben. 

Für das kommende Jahr wünsche ich Ihnen im Namen der Professoren und aller Mitarbeiterinnen 

und Mitarbeiter der berichtenden Lehrstühle Gesundheit, Glück und alles Gute. 

Magdeburg, im Dezember 2013 

Prof. Dr.-Ing. Roberto Leidhold 

Geschäftsführender Leiter des Instituts für elektrische Energiesysteme 

i

Inhaltsverzeichnis 

1 Personalia 3 

1.1 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 

1.1.1 Hochschullehrer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 

1.1.2 Wissenschaftliche Mitarbeiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 

1.1.3 Mitarbeiter in Technik und Verwaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 

1.1.4 Stipendiaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 

1.2 Lehrstuhl für Elektrische Netze und Alternative Elektroenergiequellen . . . . . . 3 


1.2.2 Lehrbeauftragte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 



1.3 Lehrstuhl für Elektromagnetische Verträglichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 




1.4 Lehrstuhl für Leistungselektronik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 




1.5 Institutsebene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 

1.5.1 Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 

1.5.2 Verwaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 

2 Studium und Lehre 7 


2.1.1 Vorlesungen, Übungen und Praktika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 

2.1.2 Abgeschlossene Forschungsprojekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 

2.1.3 Abgeschlossene Bachelor- und Studienarbeiten . . . . . . . . . . . . . . . 13 

2.1.4 Abgeschlossene Master- und Diplomarbeiten . . . . . . . . . . . . . . . . 13 








2.3.2 Abgeschlossene Studienarbeiten, Bachelorarbeiten und Forschungsprojekte 27 

2.3.3 Abgeschlossene Diplom- und Masterarbeiten . . . . . . . . . . . . . . . . 27 


2.4.1 Lehrveranstaltungen für Bachelor-Studiengänge . . . . . . . . . . . . . . . 28 

2.4.2 Lehrveranstaltungen für Master-Studiengänge . . . . . . . . . . . . . . . . 30 




iii

Inhaltsverzeichnis 


2.5.1 Kooperationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 

2.5.2 Exkursionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 

3 Forschung 39 


3.1.1 Forschungsprofil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 

3.1.2 Forschungsprojekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 

3.1.3 Veröffentlichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 




3.2.3 Promotionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 





3.3.3 Promotionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 





3.4.3 Promotionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 



3.5.1 Kooperationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 

3.5.2 Technische Gremien und Verbände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 

3.5.3 Kolloquien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 

iv

Nachruf 

Plötzlich und unerwartet verstarb am 5. November 2013 im Alter von 67 Jahren 

Prof. Frank Palis 

Die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik 

trauern um den langjährigen Inhaber des Lehrstuhles für Allgemeine Elektrotechnik 

und Elektrische Aktorik. 

Als gebürtiger Magdeburger studierte Prof. Frank Palis von 1964 bis 1969 das Fach 

„Elektrotechnik“ an der damals noch Technischen Hochschule „Otto von Guericke“ in Magdeburg. 

Im Anschluss promovierte er am renommierten Moskauer Energetischen Institut 

und verteidigte 1973 seine Dissertation. Seit 1974 war er erst als wissenschaftlicher Mitarbeiter 

und später als Oberassistent und Hochschuldozent an der Technischen Hochschule 

Magdeburg tätig. Nach seiner Habilitation im Jahr 1990 wurde er 1994 zum Professor 

für Allgemeine Elektrotechnik/Elektrische Aktorik an der Otto-von-Guericke-Universität 

berufen. 

Frank Palis konnte Menschen begeistern und beeindruckte oft durch seine Wortgewandtheit 

in vielen verschiedenen Sprachen. Seine stets freundliche, offene und sachliche Art war 

bei allen Kollegen geschätzt und sein Rat in verschiedensten Lebenslagen gefragt. Neben 

zahlreichen industrienahen Forschungskooperationen initiierte er auch zusammen mit dem 

Fraunhofer-Institut eine Robotergruppe und war in diesem Rahmen maßgeblich an der 

Entwicklung „zwei- und mehrbeiniger Roboter“ beteiligt. In den Jahren seiner wissenschaftlichen 

Arbeit begleitete er als Doktorvater eine Vielzahl von jungen Wissenschaftlern 

auf ihrem Weg zur Promotion. 

Wir trauern um einen hervorragenden Hochschullehrer, der sich stets auch in der Selbstverwaltung 

des Institutes und der Fakultät sowohl als Institutsleiter als auch als Prodekan 

engagierte. Die langjährige Zusammenarbeit auf dem Gebiet der studentischen Ausbildung 

mit den ukrainischen Hochschulpartnern, den Deutsch-Technischen Fakultäten in Donezk 

und Charkow und der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg ist fest mit seiner Person 

verbunden. Selbst im Ruhestand war er weiter als Koordinator für DAAD-Projekte tätig 

und betreute in diesem Rahmen das Programm der binationalen Promotion. 

Die Lücke, die Prof. Frank Palis hinterlässt, wird nur schwer zu schließen sein. Wir sprechen 

seiner Familie unser tiefes Mitgefühl aus und werden ihn stets in bester Erinnerung 

behalten. 

Magdeburg, im Dezember 2013 

1

1 Personalia 

1.1 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme 

1.1.1 Hochschullehrer 

• Prof. Dr.-Ing. Roberto Leidhold 

(Lehrstuhlleiter, geschäftsführender Leiter des Instituts für elektrische Energiesysteme) 

1.1.2 Wissenschaftliche Mitarbeiter 

• Dipl.-Ing. Andreas Bannack 

• Dr.-Ing. Denis Draganov 

• Dipl.-Ing. Niklas Förster 

• Dipl.-Ing. Andreas Gerlach (seit 01.05.2013) 

• Dr.-Ing. Thomas Schallschmidt 

• Dipl.-Ing. Mario Stamann 

1.1.3 Mitarbeiter in Technik und Verwaltung 

• Andrea Wohner (Sekretärin) 

1.1.4 Stipendiaten 

• Kemal Ibrahim Yassin, Adama Science and Technology University, Äthiopien 

• Dr. Pablo de la Barrera, Universidad Nacional de Rio Cuarto, Argentinien 

• Dr. Mouloud Adli, Université de Béjaia, Algerien 

• Dr. Emad Ahmed Hussein Abdelkarim, South Valley University Aswan, Ägypten 

1.2 Lehrstuhl für Elektrische Netze und Alternative Elektroenergiequellen 


• Prof. Dr.-Ing. Zbigniew Antoni Styczynski 

(Lehrstuhlleiter) 

• Prof. Dr.-Ing. Rainer Krebs – Siemens AG, Erlangen 

(Honorarprofessor: Fachgebiet Netzschutz und Leittechnik) 

• Prof. Dr.-Ing. Antje Orths – Energinet.dk, Dänemark 

(Honorarprofessorin: Fachgebiet Windenergie) 

3

1 Personalia 

1.2.2 Lehrbeauftragte 

• Dr.-Ing. Michael Buchholz, NTB Pyrbaum, Elektrounternehmen, Organisation 

• Dr.-Ing. Przemyslaw Komarnicki, FhG-IFF Magdeburg: Test- und Messverfahren 

• Prof. Dr.-Ing. habil. Waldemar Rebizant, TU Wroclaw, Polen: Digitale Schutztechnik 

• PD Dr.-Ing. habil. Krzysztof Rudion 


• M. Sc. Bartlomiej Arendarski (in Zusammenarbeit mit der Fraunhofer Gesellschaft, IFF 

Magdeburg) 

• M. Sc. Manswet Banka (seit 01.10.2013) 

• Dipl.-Ing. Paul Anton Bernstein 

• M. Sc. Illia Bielchev 

• Dr.-Ing. Hui Guo (bis 31.01.2013) 

• Dipl.-Ing. Ines Hauer 

• Dr.-Ing. Günter Heideck 

• Dr.-Ing. Maik Heuer 

• M. Sc. Philipp Kühne (seit 01.10.2013) 

• Dr.-Ing. Pio Lombardi 

• B. Sc. Genevieve de Mijolla (seit 01.10.2013) (Stipendiatin) 

• M. Sc. Natalia Moskalenko (in Zusammenarbeit mit der Siemens AG) 

• Dr.-Ing. Cuong Nguyen Mau 

• Dr.-Ing. André Naumann (in Zusammenarbeit mit der Fraunhofer Gesellschaft, IFF Magdeburg) 

• Dipl.-Ing. Steffen Rabe 

• M. Sc. Marc Richter 

• Dipl.-Ing. Christian Röhrig 

• PD Dr.-Ing. habil. Krzysztof Rudion (stellv. Lehrstuhlleiter, bis 30.11.2013) 

• Dr.-Ing. Martin Stötzer (Geschäftsführer von ZERE e. V.) 

• M. Sc. Przemyslaw Trojan (seit 01.10.2013) 

• Dr.-Ing. Christoph Wenge (in Zusammenarbeit mit der Fraunhofer Gesellschaft, IFF 

Magdeburg) 

• Dipl.-Ing. Michael Wenske 


• Melanie Baumgarten (Sekretärin) 

1.3 Lehrstuhl für Elektromagnetische Verträglichkeit 


• Prof. Dr.-Ing. Ralf Vick 

(Lehrstuhlleiter, geschäftsführender Leiter des Instituts für Medizintechnik) 

4

1.4 Lehrstuhl für Leistungselektronik 


• Dr. rer. nat. Sergey Tkachenko 

• Dr.-Ing. Moawia Al-Hamid 

• Dr.-Ing. Mathias Magdowski 

• Dipl.-Phys. Jörg Petzold 

• M. Sc. Anke Fröbel 

• M. Sc. Matthias Hirte 

• M. Sc. Ahmed Hassan 

• M. Sc. Enrico Pannicke 


• Janet Morscheck (Sekretärin) 



• Prof. Dr.-Ing. Andreas Lindemann 

(Lehrstuhlleiter, Dekan der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik) 


• Dipl.-Ing. Julia Bauch 

• Dr.-Ing. Reinhard Döbbelin 

(Mitglied des Vorstandes des Instituts für elektrische Energiesysteme) 

• Dr.-Ing. Wolfgang Fischer 

• Dipl.-Ing. (FH) Stefan Förster 

• Dipl.-Ing. Folkhart Grieger 

• M. Sc. Xudan Liu 

• M. Sc. Lars Middelstädt (seit 01.07.2013) 

• Dipl.-Ing. Bastian Strauß 


• Melanie Baumgarten (Sekretärin) 

5

1 Personalia 

1.5 Institutsebene 

1.5.1 Technik 

• Dipl.-Ing. Uwe Göranson (Leiterplattenlabor und Rechnernetz) 

• Dipl.-Ing. Katharina Mecke (Werkstofflabor und Videotechnik) 

• Jens-Uwe Schulz (Meister, Werkstatt) 

• Lothar Griep (Werkstatt) 

• Helge Müller (Werkstatt) 

• Solveig Kramer (Auszubildende, Werkstatt) 

• Sebastian Knittel (Auszubildender, Werkstatt) 

• Kevin Pesch (Auszubildender, Werkstatt, ab 01.08.2013) 

• Maximilian Halt (Auszubildender, Werkstatt, ab 01.08.2013) 

1.5.2 Verwaltung 

• Martina Krieger (Ökonomie, Buchhaltung am Institut für elektrische Energiesysteme) 

• Katja Gottschling (Ökonomie, Buchhaltung am Institut für Medizintechnik) 

6

2 Studium und Lehre 

Abkürzungen: 

SS 

WS 

V 

Ü 

P 

S 

SWS 

Sommersemester 

Wintersemester 

Vorlesung 

Übung 

Praktikum 

Seminar 

Semesterwochenstunden 


2.1.1 Vorlesungen, Übungen und Praktika 

Allgemeine Elektrotechnik 2 

— Electrical engineering and electronics — 

SS V 2 SWS: Prof. Dr.-Ing. Roberto Leidhold 

P 1 SWS: Dipl.-Ing. Andreas Bannack 

P 1 SWS: Dr.-Ing. Peter Milde 

P 1 SWS: Dipl.-Ing. Gerd Kuhlemann 

P 1 SWS: Dipl.-Ing. Niklas Förster 

P 1 SWS: Dipl.-Ing. Detlef Baumecker 

P 1 SWS: M. Sc. Marc Richter 

Ü 1 SWS: Dr.-Ing. Reinhard Döbbelin 

Ü 1 SWS: Dr.-Ing. Thomas Schallschmidt 

Ü 1 SWS: Dipl.-Ing. Julia Bauch 

Die Lehrveranstaltung wendet sich an Studenten nichtelektrotechnischer Studienrichtungen und 

vermittelt anwendungsbezogenes Grundwissen. Die Studierenden sollen in die Lage versetzt 

werden, die grundlegende Wirkungsweise und das Verhalten von elektrischen Maschinen und 

elektronischen Schaltungen nachzuvollziehen. Die wichtigsten Einsatzmöglichkeiten der Elektrotechnik 

sollen erkannt werden. Einfache Berechnungen und elementare Versuche im Labor 

werden durchgeführt. 

• Elektrische Maschinen 

• Analog- und Digitalschaltungen 

• Grundlagen der Elektronik 

• Leistungselektronik 

• Messung elektrischer Größen 

7


• Schutzmaßnahmen in elektrischen Anlagen 

— Allgemeine Elektrotechnik 1 vgl. auch Abschnitt 2.4.1 — 

Elektrische Antriebssysteme 

— Electrical drive systems — 

WS V 2 SWS: Prof. Dr.-Ing. Roberto Leidhold 


P 1 SWS: Dr.-Ing. Thomas Schallschmidt 

Dipl.-Ing. Mario Stamann 

SS P 1 SWS: Dr.-Ing. Thomas Schallschmidt 

Dipl.-Ing. Andreas Bannack 

Die Studierenden werden durch das Modul in die Lage versetzt, die Einsatzmöglichkeiten der 

elektrischen Maschinen zu bewerten und elektrischen Antriebssysteme grundlegend zu berechnen. 

Nach Abschluss des Moduls können die Studierenden, die stationären und dynamischen Modelle 

der einzelnen Bestandteile eines Antriebssystems, sowie dessen Wechselwirkung nachvollziehen. 

Sie sind befähigt, elektrische Maschinen und einfache Antriebssysteme im Labor zu prüfen. 

• Aufgaben, Funktionsgruppen und Struktur der elektrischen Antriebssysteme 

• Stationäres und dynamischen Verhalten der Arbeitsmaschinen 

• Modell der Gleichstrommaschine 

• Drehmomentregelung 

• Raumzeigerdarstellung zur Analyse von Drehfeldmaschinen 

• Modell der permanenterregten Synchronmaschine 

• Vereinfachtes Modell der Asynchronmaschine 

• Thermische Vorgänge 

• Wirkungsgrad des Antriebssystems 

Geregelte elektrische Antriebe 

— Controlled electrical drives — 

SS V 2 SWS: Dr.-Ing. Thomas Schallschmidt 

Ü 1 SWS: Dipl.-Ing. Mario Stamann 

P 1 SWS: Dr.-Ing. Thomas Schallschmidt 


Die Studierenden verfügen am Ende des Moduls über Kenntnisse zur Regelung von elektrischen 

Antrieben. Sie lernen geeignete Methoden für die Optimierung des Führungs- und Störverhaltens 

im Zeit- und Frequenzbereich kennen und anzuwenden. Neben kontinuierlichen Systemen, werden 

auch die speziellen Eigenschaften abgetasteter Systeme behandelt und die Möglichkeiten diskontinuierlicher, 

rechnergestützter Antriebsregelungen aufgezeigt. In Themenbezogenen Praktika 

und Übungen werden die vermittelten Methoden vertieft, eigenständig implementiert und nach 

technischen Gesichtspunkten beurteilt. 

• Einführung geregelte elektrische Antriebe 

8


• Dynamische Eigenschaften von elektrischen Antrieben 

• Reglerentwurfsverfahren für kontinuierliche und abgetastete (digital) Antriebssysteme 

• Sollwertvorsteuerung und optimale Trajektorienplanung 

• Störgrößenbeobachter 

Regelung von Drehstrommaschinen, früher Elektrische Antriebe II 

— Control of AC Machines — 


Dr.-Ing. Thomas Schallschmidt 

Ü 1 SWS: Dipl.-Ing. Mario Stamann 

Die Studierenden werden durch das Modul in die Lage versetzt, die Modelle der einzelnen Drehstrommaschinen 

und die damit verbundene Raumzeigerdarstellung nachzuvollziehen. Sie sind 

befähigt die Methoden zur Regelung von Drehstrommaschinen anzuwenden und die entsprechenden 

Regelkreise auszulegen. Sie können Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Maschinentypen 

und Regelungsmethoden je nach Anwendung bewerten. 

• Optimierung von Regelkreisen 

• Wechselrichter als Stellglied 

• Raumzeigerdarstellung 

• Modell der permanenterregten Synchronmaschine 

• Feldorientierte Regelung der permanenterregten Synchronmaschine 

• Modell der Asynchronmaschine 

• Feldorientierte Regelung der Asynchronmaschine 

• Direct Torque Control (DTC) 

• Doppelt-gespeiste Asynchronmaschine als Generator 

• Fremderregte Synchronmaschine als Generator 

Elektrische Fahrantriebe 

— Electric traction drives — 


Ü 1 SWS: Prof. Dipl.-Ing. Mario Stamann 

• Aufgaben und Struktur von Antriebssystemen 

• Kenngrößen von Bewegungsvorgängen und Lasten - insbesondere elektrischer Fahrantriebe 

• Mechanik des Antriebssystems, typische Widerstandsmomenten-Kennlinien von Lasten - 

insbesondere elektrischer Fahrantriebe 

• das mechanische Übertragungssystem 

• stationäres und dynamisches Verhalten von ausgewählten elektrischen Maschinen, ihre 

Drehzahl-Drehmomenten-Kennlinien, sowie Verfahren und Funktionsgruppen für die Drehzahlstellung 

• Schaltungsanordnungen und Steuerverfahren für den Anlauf, die Bremsung und die Drehzahlstellung 

von Drehstromantrieben 

• Strukturen geregelter elektrischer Antriebe 

9


Modellierung und Simulation elektrischer Antriebe, Seminar 

— Modelling and simulation of electrical drives — 


Dipl.-Ing. Niklas Förster 

Die Studierenden werden befähigt, komplexe elektromechanische Systeme zweckmäßig zu modellieren. 

Sie erwerben Kenntnisse zur Nutzung geeigneter Simulationssoftware (MATLAB, Comsol) 

und zur Interpretation von Simulationsergebnissen. Anhand von Modellen und unter Verwendung 

von Simulationen lernen die Teilnehmer elektromechanische Systeme zu analysieren, auszulegen 

und zu optimieren sowie Regelungen zu entwerfen. 

• Simulationssoftware 

• Modellbildung von elektrischen Maschinen, mechanischen Systemen, leistungselektronischen 

Stellgliedern, Sensoren und Regler in Betrachtung der Komplexität und Qualität 

• Modellreduktion 

• Schnittstellen zwischen mechanischen, elektrischen, magnetischen und thermischen Systemen 

• Einheitlicher Ansatz zur Modellierung von elektromechanischen Systemen 

• Modellierung komplexer elektromechanischer Systeme 

• Regelungstechnische Modelle 

• Validierung der Modelle, Planung der Simulationsversuche und Auswertung der Ergebnisse 

• Simulationsbasierte Auslegung elektromechanischer Systeme 

Speicherprogrammierbare Antriebssteuerungen 

— Programmable-logic controlled drives — 

SS V 2 SWS: Dipl.-Ing. Andreas Bannack 

Ü 1 SWS: Dipl.-Ing. Andreas Bannack 


• Aufgaben und Einsatzgebiete von Speicherprogrammierbaren Antriebssteuerungen 

• Steuerschaltung für Asynchronmaschinen (zum Anlassen, Bremsen, Reversieren und zur 

Drehzahlsteuerung) 

• binäre Steuerungstechnik (Realisierungsarten, Automatenstrukturen, dynamisches Verhalten 

und Optimierung binärer Steuerungen, Vollständigkeit und Widerspruchsfreiheit) 

• SPS-Anlagen für Antriebssteuerungen (Darstellung, Beschreibungsarten, Fachsprachen, 

Programmierung, Testung und Inbetriebnahme) 

• binäre Maschinen- und Anlagensteuerungen 

• Programmierübungen an SPS-gesteuerten Antriebsanlagen 

• speicherprogrammierbare Antriebsregelungen (Realisierungsarten, Programmstrukturen, 

digitale Messwerterfassung von Strom, Spannung, Drehzahl und Lage, Beschreibungsarten 

und Programmieroberflächen, Parametrierung von Umrichteranlagen, praktische Übungen 

an einer Antriebsautomatisierungsanlage) 

10


Elektrische Maschinen 

— Electrical machines — 


Ü 1 SWS: Dipl.-Ing. Niklas Förster 



Studierende sollen in die Lage versetzt werden, die Wirkungsweise der relevanten elektrischen 

Maschinen nachzuvollziehen. Sie können Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Maschinentypen 

und Aufbauvarianten bewerten. Sie sind befähigt die Modelle der Maschinen in stationären 

Zustand, zur Analyse des Betriebsverhaltens und Berechnung grundlegenden Einsatzfällen, 

anzuwenden. Sie können einschlägige Maßnahmen zur Wirkungsgradverbesserung der elektrischen 

Maschinen ergreifen. 

• Magnetkreise 

• Gleichstrommaschine 

• Transformator 

• Drehfeld 

• Asynchronmaschine 

• Synchronmaschine 

• Wirkungsgrad 

• Auswahl elektrischer Maschinen 

Unkonventionelle elektrische Maschinen 

— Unconventional Electrical Machines — 



Die Lehrveranstaltung vermittelt erweiterte Kenntnisse zu den elektrischen Maschinen und 

Aktoren, die in den Grundvorlesungen nicht angesprochen werden. Die Studenten können somit 

die Wirkungsweise, das dynamischen Verhalten und die Regelung der behandelten Maschinen 

nachvollziehen. Sie werden befähigt, die Integration der Maschinen in mechanischen Systemen zu 

analysieren und zu projektieren. 

• Elektromechanische Energiewandlung 

• Elektrische Maschinen mit begrenzter Bewegung 

• Reluktanzmaschinen 

• Schrittmotoren 

• Elektronisch kommutierte Gleichstrommaschine 

• Linearmotoren 

• Piezoaktoren 

11


Generatorsysteme zur regenerativen Energieerzeugung 

— Generator Systems for Renewable Energy — 



Dieses Modul soll die Studierenden in die Lage versetzen, die Randbedingungen der regenerativen 

Energieerzeugung und die Einsatzmöglichkeiten der unterschiedlichen elektrischen Maschinen 

nachzuvollziehen. Die Studierenden sind befähigt die elektrische Maschinen zu dimensionieren 

und die grundlegende Regelungsmethoden zur Optimierung der Energiegewinnung auszulegen 

(Maximum-Power-Point-Tracking). 

• Ziele der Regelung in Generatorsystemen 

• Elektrische Maschinen im Generatorbetrieb 

• Leistungselektronische Systeme für Generatoren 

• Generatorsysteme mit konstanter Drehzahl 

• Drehzahlvariable Generatorsysteme 

• Optimierung der Energiegewinnung durch Regelung 

• Generatorsysteme für alternierenden Energiequellen (z. B. Wellenkraftwerke) 

• Lineargenerator 

• Glättung der Ausgangsleistung (z. B. Schwungradspeicher, Ultracaps) 

Analyse und Berechnung elektromechanischer Strukturen Teilmodul II, Seminar 

— Analysis and calculation electromechanical structures — 

WS S 3 SWS: Prof. Dr.-Ing. Roberto Leidhold 

Dr.-Ing. Niklas Förster 

• Modellbildung von elektrischen Maschinen, mechanischen Systemen, leistungselektronischen 

Stellgliedern, Sensoren und Regler in Betrachtung der Komplexität und Qualität 

• Simulationssoftware 

• Modellreduktion 

• Einheitlicher Ansatz zur Modellierung von elektromechanischen Systemen 

• Schnittstellen zwischen mechanischen, elektrischen, magnetischen und thermischen Systemen 

• Regelungstechnische Modelle 

• Modellierung komplexer elektromechanischer Systeme 

12


2.1.2 Abgeschlossene Forschungsprojekte 

1. Shysh, Miroslav: Entwicklung einer IGR-Decodereinheit als Sensorelement eines Industrieroboters 

2. Balakan, Marianna: Digitaler Filterentwurf zur Dämpfung von Strukturschwingungen 

3. Eckhardt, Thomas: Freiprogrammierbare Regelungssysteme für elektrische Antriebssysteme 

4. Schopf, Tobias: Installation und Inbetriebnahme des Bordnetzes eines Elektrorollers 

5. Goldau, Arvid: Analyse und Optimierung einer Reibschweißanlage 

6. Würkner, Martin: Konzept zum Rührreibschweißprozess 

7. Engel, Tom: Marktrecherche zum aktuellen Stand der Ladetopologie bei Pedelecs 

8. Rando, Steffen: Exemplarische Inbetriebnahme eines Microcontroller-Evaluation-Boards 

2.1.3 Abgeschlossene Bachelor- und Studienarbeiten 

1. Kasper, Johanna: Sensorgestützte Ansteuerung eines BLDC-Motors (BA) 

2. Gronke, André: Microcontrollerbasierte Strom- und Spannungsmessung (StA) 

3. Horn, Benjamin: Positionsbestimmung für permanenterregte Synchronmaschinen mithilfe eines 

Mikrocontrollers (BA) 

2.1.4 Abgeschlossene Master- und Diplomarbeiten 

1. Aldinger, Karsten: Simulation und Aufbau eines Linearmotorversuchstandes (MA) 

2. Gerlach, Andreas: Entwurf und Implementierung einer feldorientierten Regelung für eine permanenterregte 

Synchronmaschine (DA) 

3. Nikitina, Oleksandra: Modellierung der Rotordynamik magnetisch gelagerter Rundtisch (MA) 

4. Tan Huang Ho: Entwicklung von Regelalgorithmen zur Realisierung einer Haspelschlagkompensation 

an einem Wickler (DA) 

5. Straube, Marcus: Modellierung eines Linearmotors (DA) 

6. Heinemann, Maik: Entwurf und Aufbau einer flexibel einsetzbaren Umrichter-Controller-Einheit 

(DA) 

7. Yyshnevetskyi, Ievgen: Entwicklung und Optimierung des FE Modells eines Transversalflussmotors 

mit FEM (MA) 

8. Kirchner, Juliane: Parameteranalyse einer Transversalflussmaschine (MA) 

9. Plate, Stephan: Leistungsregelung von drehzahlvariablen Drehstromgeneratoren (DA) 

10. Eckhardt, Thomas: Aufbau eines Linearmotorversuchsstandes (MA) 

11. Bieliaiev, Oleksandr: Entwurf und Berechnung eines Funktionsmusters des hochtourigen geschalteten 

Reluktanzmotors (MA) 

12. Yuan, Liu: Mehrgrößenregelung aktiv magnetisch gelagerter Maschinenrundtische (DA) 

13. Bilyi, Volodymyr: Simulation und Entwurf eines permanenterregten Luftspulen-Synchronmotors 

mit konzentrierten Wicklungen (MA) 

13




Regenerative Elektroenergiequellen - Systembetrachtung 

— Renewable energy sources — 

WS V 2 SWS: Prof. Dr.-Ing. Zbigniew Antoni Styczynski 

Ü 1 SWS: M. Sc. Marc Richter 

• Einführung, Energiebegriffe, Elektrische Energiesysteme, Smart Grid 

• Grundlagen des regenerativen Energieangebots, Energiebilanz 

• Photovoltaische Stromerzeugung 

• Stromerzeugung aus Wind 

• Stromerzeugung aus Wasserkraft 

• Brennstoffzellen 

• Elektrische Energiespeicher 

• Netzintegration regenerativer Erzeuger 

• Netzbetrieb lokaler Energieerzeuger 

Elektrische Energienetze I 

— Electric power network I — 

SS V 2 SWS: Prof. Dr.-Ing. Zbigniew Antoni Styczynski 


P 1 SWS: M. Sc. Marc Richter 

• Einführung (ENTSO-E, Netze in Deutschland) 

• Zukünftige Entwicklungen der Netze 

• Freileitungen und Kabel 

• Leit- und Schutztechnik 

• Betrieb von kurzen und langen Leitungen 

• Transformatoren, Spulen und Kondensatoren in elektrischen Energiesystemen 

• Frequenz- und Spannungsregelung 

• Per-Unit-Rechnung 

• Symmetrische Komponenten 

• Lastfluss- und Kurzschlussberechnungen 

14


Elektrische Energienetze II - Smart Grid 

— Electric power network II - Energy supply — 

SS V 2 SWS: PD Dr.-Ing. habil. Krzysztof Rudion 


• Einleitung, Grundlagen, Netzplanung 

• Betriebsmittelmodellierung und Netzbetrieb, Regelung, Parallelbetrieb von Generatoren 

• Beobachtbarkeit des Systems und State-Estimination, PMU und Wide-Area-Monitoring 

• Windpark Modellierung: Elektrische Aspekte, Wake und Reduktion 

• Elektrizitätswirtschaft, Diskontrechnung, Investitionsbewertung 

• Netzzuverlässigkeit, Definition, Verfahren, Netzplanung 

• Dynamic-Security-Assessment und Black-Out-Prevention 

• Liberalisierte Energiemarkt – Unbundling, Energiebörse, Netznutzentgelte 

• Stabilität des elektrischen Energiesystems - Statische Stabilität 

• Netzbetrieb - Systemregelung und Netzdienstleistungen 

• Netzsimulationen mit PSS®SINCAL & PSS®NETOMAC 

Elektromobilität 

— Electromobility — 

• Einführung 

SS V 2 SWS: Dr.-Ing. Przemyslaw Komarnicki 

Ü 1 SWS: Dr.-Ing. Przemyslaw Komarnicki 

• Physikalisch-technische Grundlagen (Stufen der Elektrifizierung, Kräfte, Energiewandlungskette) 

• Modellierung und Simulation 

• Komponenten (Energiespeicher, Bordnetz) 

• Mobilitätssysteme (Motivation, Potential, Ladeinfrastruktur, Komponenten, Standardisierung, 

Softwareentwicklung) 

• Geschäftsmodelle 

15


Grundlagen der elektrischen Energietechnik 

— Introduction to electric power engineering — 

WS V 2 SWS: Prof. Dr.-Ing. Zbigniew Antoni Styczynski 


• Einführung in elektrische Energiesysteme 

• Planung, Betrieb und Regelung von Netzen 

• Smart Grids 

• Schaltanlagen und Betriebsmittel 

• Schutztechnik und Fehlerarten 

• Kurzschlussbetrachtung 

• Konventionelle und regenerative Kraftwerksarten 

• Grundlagen elektrischer Maschinen 

• Grundlagen der Leistungselektronik 

Hochspannungstechnik/Elektroenergieversorgung 

— High-voltage engineering — 

SS V 2 SWS: Dr.-Ing. Heinz-Peter Scheibe 

Prof. Dr.-Ing. Zbigniew Antoni Styczynski 

Ü 1 SWS: Dr.-Ing. Heinz-Peter Scheibe 

Dipl.-Ing. Ines Hauer 

• Aufbau und Funktion von Energieübertragungssystemen auf hohem Spannungsniveau 

• Beanspruchung von Isolierungen, Isolationsberechnung 

• Hochspannungsgerechte Auslegung von Betriebsmitteln 

• Hochspannungsmesstechnik 

• Grundlagen der Wirtschaftlichkeitsrechnung in der Energietechnik – statische und dynamische 

Methoden 

• Zuverlässigkeitsrechnung 

• Aufgaben der Netzplanung: Organisation des deutschen Energiemarktes 

• Energiebörse 

16


Modellierung und Expertensysteme in der elektrischen Energieversorgung 

— Modelling and expert systems for power supply — 

• Modellierung 


Dr.-Ing. André Naumann 

Ü 1 SWS: Dipl.-Ing. Ines Hauer 

– Schaltvorgänge und Schaltgeräte (Definition, Konstruktion, Funktionsfähigkeiten und 

Modelle, Lichtbogen, Steuerung und Beherrschung 

– Darstellung von Wanderwellenvorgängen im Netz 

– Begrenzung von Überspannung 

• Expertensysteme 

– Expertensysteme in der Energieversorgung 

– Grundbegriffe der künstlichen Intelligenz 

– Wissensakquisition und Wissensrepräsentation 

– Entscheidungen bei nichtvollständigen Informationen 

– Fuzzy-Logik 

– Künstliche Neuronale Netze 

Netzschutz und Leittechnik 

— Power system protection — 

• Grundlagen 

• Schutzgenerationen 

• Schutzprinzipien 

WS V 2 SWS: Prof. Dr.-Ing. Rainer Krebs 

Ü 1 SWS: Prof. Dr.-Ing. Rainer Krebs 

Dipl.-Ing. Ines Hauer 

M. Sc. Marc Richter 

• Analoge und digitale Signalaufbereitung 

• Digitale Messalgorithmen 

• Entscheidungsmethoden und Logik 

• Künstliche Intelligenz für Schutzzwecke 

• Beispiele 

17


Photovoltaische Energiesysteme 

— Photovoltaic energy systems — 

• Energetisches Potential der Sonne 

• Physikalische Grundlagen 

SS V 2 SWS: PD Dr.-Ing. habil. Martin Wolter 


• Photoelektrische Effekte in Halbleitern 

• Photovoltaische Energiewandlung mit Solarzellen 

• Aufbau von Photovoltaikanlagen 

• Berechnung und Auslegung von Photovoltaikanlagen 

• Solar-Wechselrichter 

• Anwendung photovoltaisch erzeugter Elektroenergie 

Power Network Planning and Operation 

WS 2012/2013 V 2 SWS: PD Dr.-Ing. habil. Krzysztof Rudion 


WS 2013/2014 V 2 SWS: Dr.-Ing. André Naumann 


• ENTSO-E and German power network 

• Per-unit calculation 

• Overhead lines and cables 

• Symmetrical components 

• Future of power generation and power systems 

• Operation of short and long lines 

• Transformers, coils and capacitors in power systems 

• Load flow 

• Power system protection 

• Short circuit calculation 

• Frequency and voltage control 

18


Power System Economics and Special Topics 

WS 2012/13 V 2 SWS: Dr.-Ing. Pio Lombardi 

Dr.-Ing. Martin Stötzer 


WS 2013/14 V 2 SWS: Dr.-Ing. Pio Lombardi 

Dr.-Ing. Martin Stötzer 


• Power market fundamentals (liberalised energy market, pricing power, energy and capacity, 

cost calculation, market structure) 

• Network reliability (fundamentals in network reliability and investment policy, reliability and 

generation, VOLL-pricing, operating-reserve pricing, fundamentals of electricity markets) 

• Market architecture repetitorium (real time market, ancillary services, system services) 

• Power station scheduling (power transmission and losses, physical transmission limits, 

congestion pricing, auction) 

• Locational pricing, PTDF 

• New concepts (smart grids, virtual power plant, e-mobility) 

• Emission trading and renewables (Kyoto-protocol and flexible mechanisms, EU and German 

energy policy, CO 2 capture and storage, impact of CO 2 on generation costs) 

Renewable Energy Sources 

• Cost calculation 

• Energy Market 

• Marginal Costs 

• System Services 


Dr.-Ing. Maik Heuer 


• Introduction to renewable energy sources (definition, classification, overview) 

• Photovoltaic energy (physics and principle, potential, costs) 

• Wind energy (physics, potential, costs, function of wind turbines) 

• Fuel cells (fundamentals, types, applications) 

• Hydroelectric power plants, geothermal energy, biomass 

• Energy storage systems (hydro pump storage systems, compressed air storage systems, 

batteries, superconducting magnetic energy storage, flywheel) 

• Grid connection of renewables 

• Outlook 

19


Windenergie 

— Wind energy — 

SS V 2 SWS: Prof. Dr.-Ing. Antje Orths 


• Geschichte der Windnutzung 

• Potential der Windenergie 

• Physikalische Grundlagen 

• Aerodynamik 

• Komponenten der Windkraftanlage 

• Generatoren 

• Netzanschluss 

• Ökonomische Effizienz 

• Windenergie in der öffentlichen Diskussion 


1. Kirsten Villbusch: Vorbereitung des Lehrmaterials zur Vorlesung „Windenergie“ 

2. Przemyslaw Trojan: Analysis of the control loops in PEMFC systems 

3. Manswet Banka: IEC 61851-1 Schnittstelle für Elektrofahrzeuge 

4. Florian Witt: Analyse des Integrationsortes dezentraler Energiespeicher in Niederspannungsnetze 

mit unterschiedlichen Durchdringungsgraden 

regenerativer Energieerzeugung 

5. Ronny Brückner: Prüfung leistungselektronischer Komponenten für Brennstoffzellensysteme 

6. Khaled Karoonlatifi: Programmierung einer MATLAB-Applikation zur Visualisierung 

von PMU-Messdaten in einer grafischen Benutzeroberfläche 

7. Robert Goes: Inbetriebnahme des Strom- und Temperaturmesssystems 

8. Fabian Meishner: Entwicklung einer grafischen Benutzeroberfläche zur Darstellung 

CIM-konformer Netzdaten 

9. Tim Gärtner: Parameterüberprüfung und Integrationskonzept von Transformatoren 

für ein HGÜ-Labormodell 

10. Kateryna Kovalenko: Vorhersage zur Verfügbarkeit von mobilen Speicher 

11. Iana Tsyplakova: Berücksichtigung des Lebenszyklus von mobilen elektrischen 

Speichern in einem Mikrogridsystem 

12. Kyrylo Korolov: Kopplung von Windenergieanlagen mit unterschiedlichen Energiespeichersystemen 

13. Nicolae Doban: Adapting the protection system to fault detection in Smart Grid 

14. Viktor Vovchenko: Systemkonzepte für HGÜ-Anbindungen und Schutzprojektierung 

zur Inbetriebnahme eines VSC-HGÜ-Labormodells 

15. Ivan Fil: Dynamische Netzberechnung in PSS Netomac 

20


16. Kristina Dikun: Recherche zum Wide Area Protection und Control System 

17. Martin Heger: Untersuchungen zur Langzeitbeständigkeit von Brennstoffzellenmodulen 

im USV-Betrieb 

18. Aleksandr Fadieiev: Entwicklung des Konzeptes für PV-Anlagenanschluss 

19. Cheng Chen: Optimierung des Betriebs eines Mikrogrids durch Anwendung 

des Genetik-Algorithmus 

20. Hannes Dihn: Einzelspannungsüberwachung am Brennstoffzellenstack 

21. Tobias Wirl: Aufbereitung, Auswertung und Vergleich von Langzeitmessungen 

verschiedener Photovoltaiksysteme 

22. Joan Jimenez: DC cable technologies for HVDC applications 

23. Mario Lange: Analyse des Automatisierungsniveaus der Industriegebäude 

24. M. Budiguppe Shivaraju: Calculation methods for power system oscillations 

25. Benny Raberger: Energieeffiziente Produktion. Nutzung des Energiemanagementsystems 

(EMS) in Industrieunternehmen 

26. Paul Sandmann: Untersuchung von Gebäudekomponenten und deren Potenzial 

für das Lastmanagement 

27. Minh Duc Pham: Technische und wirtschaftliche Analyse von Studien zum Thema 

Brennstoffzelle 

28. S. Mallappa Hosur: Reactive power influence during voltage stability problems 


1. Christopher Toast: Erweiterung eines Modells zum optimierten Einsatz von Elektrofahrzeugen 

zur Bereitstellung von Minutenreserve 

2. Konrad Lindemann: Sicherheitsanalyse für ein leistungselektronisches Schaltungskonzept 

zur Einzelzellschaltung in Lithium-Ionen-Batterien für den Automotive 

Bereich 

3. Ghifar Nader: Datenbanksystem für Brennstoffzellensysteme 

4. Christian Klabunde: Untersuchung des stationären Übertragungsnetzbetriebs durch den Einsatz 

Speichersystemen bei einer hohen Anzahl regenerativer Energien 

5. Andreas Peter: Konzepte zur Eigenbedarfssicherung bei großflächigem Versorgungsausfall 

6. Kay Nowotnig: Sensitivitätsanalysen zur Behebung von Spannungsproblemen 

7. Claudia Rummel: Fallstudie zur Einführung von Biomethan in den Kraftstoffmarkt unter 

ökonomischen und ökologischen Aspekten 

21



1. Kevin Wegen: Untersuchung des rechtlichen Rahmens zum Einsatz von dezentralen 

Speichern in elektrischen Verteilnetzen 

2. Tom Tipolt: Integration einer Bio-Gas Brennstoffzelle im Rahmen eines virtuellen 

Kraftwerkes 

3. Jan Ciechanowicz: Entwicklung einer Software als Schnittstellenkomponente für das 

Labornetzmodell 

4. Ali Reza Uzzol: Online-Application of PMU on the Detection of Power System Oscillation 

5. Tobias Bachmann: Feuchtehaushalt von PEM-BZ-Systemen für USV-Anwendungen 

6. Annika Magdowski: Bestimmung des Installationspunkts und der Einspeisevorhersage für 

eine Kleinwindenergieanlage 

7. Yaroslav Anistratenko: Entwicklung eines generischen Netzmodells zur Untersuchung der 

Netzsicherheit bei Integration kontaktlos induktiver Ladepunkte für 

Elektromobilität 

8. Florian Voigt: Optimale Energieversorgungsstruktur für Industrieparks 

9. Daniel Eichelbaum: Standardkonforme Kommunikationsschnittstelle für synchrone HVDC- 

Messtechnik 

10. Philipp Kühne: Einführung und Bewertung von Qualitätskennzahlen für Brennstoffzellen 

11. Frank Heyder: Ermittlung des Bedarfes an dezentralen Energiespeichern in Niederspannungsnetzen 

mit unterschiedlichen Durchdringungsgraden 

regenerativer Energieerzeugung 

12. Kostiantyn Nashko: Regelung für Brennstoffzellensysteme mithilfe von modellgestützter 

Überwachung der Parameter 

13. Maryna Petrenko: Modellentwurf für die Regelung von PEM-Brennstoffzellensystemen 

14. Anna Shchetkina: Verteilnetznachbildung zur Untersuchung des automatischen Lastabwurfs 

anhand unterschiedlicher Szenarien 

15. Yunlong Deng: Entwicklung eines generischen Netzmodells zur Untersuchung des 

dynamischen Verhaltens bei Lastabwurf 

16. Strahinja Ljiljak: Bestimmung des technisch effektivsten Redispatchs zur Vermeidung 

von Engpässen 

17. Manswet Banka: Design of an electric vehicle charging controller and conformity test 

routines 

18. Joan Jimenez: Advanced DC cable model for a VSC HVDC lab system 

19. Przemyslaw Trojan: Reliability assessment of smart grid 

20. Simon Gerstlacher: Plausibilitätsprüfung und Datenmanagement von komplexen Energieversorgungsnetz- 

und Simulationsmodellen 

21. Chi Ma: Entwicklung des Tools für dynamischen Vorhersage des Energiezustands 

von Hauptsystemkomponenten für Gebäudekomplexe 

22


22. Marco Böse: Untersuchungen zum Betriebsverhalten von PEM-Brennstoffzellen 

bei tiefen Temperaturen 

23. Martin Fritsche: Langzeitmessung zur Signifikanzanalyse für Brennstoffzellen-Parameter 

24. Lehao Duan: Betriebsstrategien für Brennstoffzellensysteme 

25. Iashchenko Olesia: Entwicklung der dynamischen Vorhersage von Energieverbräuchen 

für Gebäudekomplexe 

26. Olga Kyrykova: Optimierungsstrategien für thermischen Teil eines Energiemanagementsystems 

im Gebäudekomplex 

27. Robert Goes: Messung von Temperatur- und Stromdichteverteilung in Brennstoffzellen 

28. Pavlo Emerziian: Entwicklung und Erprobung eines Signalerzeugers zur Prüfung der 

Schutzkonzepte im Smart-Grid-Labor 

29. Lysenko Dmytro: AC-Filterauslegung für ein physikalisches HGÜ-Labormodell 

30. Steven Kunert: Einsatz von Energiespeichern zur Spannungshaltung in stark EEGgeprägten 

ländlichen Mittelspannungsnetzen 

31. Konrad Heideck: Entwicklung und Modellierung von netzorientierten Speicherführungsstrategien 

zum Einsatz in Verteilungsnetzen mit hohen Anteilen regenerativer 

Erzeugung 

32. Fabian Meishner: Konzeption und Durchführung von Tests zur Untersuchung zeitsynchroner 

HGÜ-Messgeräte 

33. Felix Müller: Simulation eines Batteriemanagementsystems für LiFePO4-Batterien 

34. Daniel Gipp: Entwicklung einer MATLAB-Applikation zur Berechnung geeigneter 

Maßnahmen in kritischen Netzsituationen 

23




EMV Elektrischer Systeme 


WS V 2 SWS: Prof. Dr.-Ing. Ralf Vick 

Ü 1 SWS: Dr.-Ing. Mathias Magdowski 

• Gesetzliche Anforderungen und Standardisierung 

• Elektromagnetische Kopplung, Schirmung und Filterung 

• EMV-Analyse, Anwendung numerischer Verfahren 

• Beeinflussungsmodelle für spezifische Anordnungen 

• EMV-gerechte Schaltungsauslegung 

• Personenschutz 

• Messtechnik 

Grundlagen der Elektrotechnik I 

WS V 3 SWS: Prof. Dr.-Ing. Ralf Vick 

Ü 2 SWS: Dr.-Ing. Hans-Jürgen Scheibe 

Dr.-Ing. Mathias Magdowski 

Die Vorlesung behandelt Grundbegriffe und Elemente elektrischer Stromkreise und gibt einen 

Überblick über die Berechnung resistiver elektrischer Netzwerke (linear und nichtlinear). Weiterhin 

werden die Grundlagen der Vierpoltheorie eingeführt. 

Grundlagen der Elektrotechnik (Praktikum I) 

WS P 2 SWS: M. Sc. Anke Fröbel 

Dr.-Ing. Hans-Jürgen Scheibe 

Dipl.-Phys. Jörg Petzold 

P 1 SWS: Dr.-Ing. Mathias Magdowski 


Das Praktikum dient der Vermittlung grundlegender praktischer Erkenntnisse und Erfahrungen 

beim Einsatz moderner Mess-, Simulations- und Auswertetechnik, wobei dem Messen mit dem 

digitalen Speicheroszilloskop große Bedeutung zukommt. Im Detail gehören dazu laborpraktische 

Untersuchungen von Gleich- und Wechselstromkreisen, von Zweipolen mit linearem und nichtlinearem 

Strom-Spannungs-Verhalten sowie Auseinandersetzung u. a. mit der Problematik von 

Ortskurven, nichtharmonischen periodischen Vorgängen, Resonanzkreisen und Ausgleichsvorgängen 

in Gleich- und Wechselstromnetzwerken. 

24


Modern Concepts of EMC and EMC Measurements (Laboratory Experiments) 

WS P 2 SWS: Prof. Dr.-Ing. Ralf Vick 

The students gain hands-on experience in EMC measurement techniques during the following 

experiments: 

• measurements in the semi-anechoic chamber 

• measurements in the reverberation chamber 

• characterization of filters 

• numerical calculation of electromagnetic fields and couplings 

• transmission line perturbations 

• shielding efficiency 

Vorkurs Mathematische Grundlagen der Elektrotechnik 

WS Blockveranstaltung Dr.-Ing. Mathias Magdowski 

Der Vorkurs dient der Wiederholung wichtiger mathematischer Grundlagen speziell für Studierende 

der Elektrotechnik. 

1. Vorlesung Zahlen und Einheiten, Funktionen, Winkelfunktionen, Exponentialfunktion 

2. Vorlesung Differentialrechnung, Differentialquotient, Differentiationsregeln, Differentialgleichungen 

3. Vorlesung Integralrechnung, unbestimmtes und bestimmtes Integral, Integrationsregeln, Mittelwert 

und Effektivwert 

4. Vorlesung Lineare Algebra, Vektoren, Skalarprodukt, Vektorprodukt 

5. Vorlesung Matrizen, Matrixmultiplikation, inverse Matrix, lineare Gleichungssysteme 

Analyse und Berechnung elektromechanischer Strukturen 

SS V 2 SWS: Prof. Dr.-Ing. Ralf Vick 


• Einführung in die Beschreibung von Signalen im Zeit- und Frequenzbereich, lineare und 

nichtlineare Systeme, Beschreibung von Netzwerkstrukturen 

• Simulation elektrischer Netzwerke 

• Berechnung magnetischer Kreise 

• Modellierung mechanischer Systeme als äquivalente elektrische Netzwerke 

• Kombination von Netzwerk- und Feldberechnungsverfahren 

• Zusammenwirken von Leistungselektronik und elektrischen Maschinen 

25


Elektromagnetische Verträglichkeit 

• Einführung in die EMV 


Ü 1 SWS: Dr.-Ing. Hans-Jürgen Scheibe 

• Klassifizierung und Charakterisierung von Störquellen 

• Koppelmechanismen und Gegenmaßnahmen 

• EMV-Analysemethoden zur Behandlung elektromagnetischer Kopplung basierend auf dem 

λ/2-Dipolmodell 

• Schirmung nach Schelkunoff, Einkopplung durch Aperturen, Messung der Schirmdämpfung 

• Verkabelung, Massung, Filterung, Schutzschaltungen 

• EMV-Mess- und Prüftechnik (Überblick) 

EMV-Messtechnik 



• Einführung, Begriffe, Definitionen (Messgrößen, Einheiten, dB-Skala, Rauschen, Signale, 

Messunsicherheit) 

• Spektrum- und Netzwerkanalyse, Zeitbereichsmessverfahren 

• Antennen, Messschaltungen und Komponenten 

• Messung der Streu- und Transferimpedanzmatrizen 

• EMV-Messplätze und -Umgebungen 

• Feld- und leitungsgebundene Emissionsmessungen 

• Störfestigkeitsuntersuchungen 

• Standardisierte Messverfahren 

Grundlagen der Elektrotechnik II 


Ü 2 SWS: M. Sc. Anke Fröbel 



Ü 1 SWS: Dipl.-Phys. Jörg Petzold 



Die Vorlesung behandelt elektrische Netzwerke und ihre Berechnung, resistive Netzwerke (linear, 

nichtlinear), Netzwerke bei harmonischer Erregung (komplexe Wechselstromrechnung, Ortskurven, 

duale und äquivalente Schaltungen, 2-Tor-Schaltungen bei Wechselstrom, Wechselstromschaltungen 

mit technischer Bedeutung, Mehrphasensysteme), Leitungen als Vierpole, Netzwerke mit 

nichtsinusförmiger periodischer Erregung und Ausgleichsvorgänge in Netzwerken. 

26


Grundlagen der Elektrotechnik (Praktikum II) 

SS P 2 SWS: M. Sc. Anke Fröbel 



P 1 SWS: Dr.-Ing. Mathias Magdowski 


Das Praktikum dient der Vermittlung grundlegender praktischer Erkenntnisse und Erfahrungen 

beim Einsatz moderner Mess-, Simulations- und Auswertetechnik, wobei dem Messen mit dem 

digitalen Speicheroszilloskop große Bedeutung zukommt. Im Detail gehören dazu laborpraktische 

Untersuchungen von Gleich- und Wechselstromkreisen, magnetischen Kreisen und Übertragern, 

ebenen Feldern, Energiewandlungsprozessen und von Zweipolen mit nichtlinearem Strom-Spannungs-Verhaltens 

sowie Auseinandersetzung u. a. mit der Problematik von Kompensations- und 

Brückenschaltungen und der Simulation von Ausgleichsvorgängen in Gleich- und Wechselstromnetzwerken. 

Modern Concepts of EMC und EMC Measurements 



• basic principles of electromagnetic compatibility 

• regulatory requirement of EMC compliant products 

• overview of international EMC standards and measurement procedures 

• analytical and numerical method for the analysis of EMC problems 

• electromagnetic coupling, shielding and filtering 

• countermeasures against electromagnetic interference 

2.3.2 Abgeschlossene Studienarbeiten, Bachelorarbeiten und Forschungsprojekte 

Martin Krüger: 

Andreas Hönow: 

Felix Middelstädt: 

Jean-Baptiste Weh: 

Auslegung von Filtern für Nebenaggregate in elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen 

Untersuchung der Optimierungsmöglichkeiten eines RFID-Tunnels 

Messung der Rückstreuung einer Monopolantenne 

Analyse ausgewählter Power-Quality-Parameter für LED-Lampen 

2.3.3 Abgeschlossene Diplom- und Masterarbeiten 

Saquib Siddiqui: 

Bilal Hussain: 

Ihsan Ullah: 

Zhongkun Deng: 

Development of a Simulation Model for the Prediction of the Electromagnetic Interference 

Caused By Circuit Breakers in High Voltage Direct Current Transmission 

Systems 

Modelling of Low-Voltage Harmonic Interaction Phenomena by Frequency Coupling 

Matrices 

Measurement of the Stochastic Electromagnetic Field Coupling into a Double Wire 

Transmission Line in a Reverberation Chamber 

Comparison of Different EMC Measurement Environments with Electromagnetic Simulation 

and Measurement 

27



2.4.1 Lehrveranstaltungen für Bachelor-Studiengänge 

Grundlagen der Leistungselektronik 

— Introduction to power electronics — 


• Gleichstromsteller 

SS V 2 SWS: Prof. Dr.-Ing. Andreas Lindemann 


Dipl.-Ing. Julia Bauch 

WS P 1 SWS: Dr.-Ing. Reinhard Döbbelin 

Dr.-Ing. Wolfgang Fischer 


– Tiefsetzsteller 

– Hochsetzsteller 

– Zwei-Quadranten-Steller — Brückenzweig 

• H-Brücke (selbstgeführt mit Spannungszwischenkreis) 

• dreiphasige Brückenschaltung (selbstgeführt mit Spannungszwischenkreis) 

• Netzgeführte Brückenschaltungen 

– ungesteuerter Gleichrichter 

– vollgesteuerte Brückenschaltung 

unter besonderer Berücksichtigung von 

• Schaltungen 

• Strom- und Spannungsverläufen 

• Steuerverfahren 

• Anwendungsbeispielen 

Bauelemente der Leistungselektronik 

• Leistungshalbleiter-Bauelemente: 

– MOSFET 

– IGBT 

– Diode 

– Thyristor 

— Power semiconductor devices — 


Ü 1 SWS: Dr.-Ing. Wolfgang Fischer 

P 1 SWS: Dr.-Ing. Wolfgang Fischer 

Dr.-Ing. Reinhard Döbbelin 


28


unter besonderer Berücksichtigung von 

– Funktionsweise 

– statischem und dynamischen Verhalten 

– Aufbautechnik 

– schaltungsgerechter Auslegung 

• Ansteuerung, Systemarchitektur 

Simulation und Entwurf von Leistungselektronik 

— Simulation and design of power electronics — 

SS V 2 SWS: Dr.-Ing. Reinhard Döbbelin 


• Rechentechnische Simulation leistungselektronischer Schaltungen am Beispiel des Simulationsprogramms 

SIMPLORER 

• Modellbildung bei leistungselektronischen Bauelementen 

• Besonderheiten der Messtechnik in der Leistungselektronik 

• Funktionsprinzipien und Anwendung digitaler Messmittel 

• Signalanalysesoftware 

• Integration von Leistungshalbleitern 

• Ausführung leistungselektronischer Baugruppen 

Bauelemente der Elektronik 

— Electronic devices — 

• Halbleiter 

• Diode 

• Bipolar-Transistor 

• Feldeffekt-Transistor 

• weitere Bauelemente 

WS V 2 SWS: Prof. Dr.-Ing. Andreas Lindemann 


und Kollegen 

29


Allgemeine Elektrotechnik 1 

— Electrical engineering and electronics 1 — 

• Grundbegriffe 

• Stromkreise 

• Wechselgrößen 






M. Sc. Marc Richter 

Dipl.-Ing. Niklas Förster 

und Kollegen 

• elektrische und magnetische Felder 

Veranstaltung für Nicht-Elektrotechniker; Allgemeine Elektrotechnik 2 vgl. auch Abschnitt 2.1.1 

2.4.2 Lehrveranstaltungen für Master-Studiengänge 

Schaltungen der Leistungselektronik 

— Power electronic circuits — 

• resonante Schaltungen 



– lastgeführte Stromrichter, z. B. Schwingkreis-Wechselrichter 

– Entlastungsnetzwerke, z. B. ARCP-Umrichter 

• selbstgeführte Schaltungen 

– Varianten 

∗ Mehrpunkt-Umrichter 

∗ Stromzwischenkreis-Umrichter 

∗ Matrix-Umrichter 

– Steuer- und Regelverfahren 

∗ Raumzeiger 

∗ Modellbildung und Stromregelung beim Gleichstromsteller 

• netzgeführte Stromrichter — Varianten 

– Umkehrstromrichter 

– höherpulsige Brückenschaltungen 

– Wechselstromsteller, Drehstromsteller 

• Kombination von Grundschaltungen 

30


– netzfreundliche Gleichrichter mit Korrektur des Leistungsfaktors — z. B. einphasig 

mit geregeltem Hochsetzsteller 

mit Anwendungsbeispielen u. a. aus dem Bereich der erneuerbaren Energie 

Systeme der Leistungselektronik 

— Power electronic systems — 




• Stromversorgungen — Schaltnetzteile 

– Sperrwandler 

– Durchflusswandler 

• Leistungselektronik zur Nutzung von aus erneuerbaren Quellen erzeugter elektrischer 

Energie 

– Photovoltaik 

– Windenergie 

– drehzahlvariable Pumpspeicherkraftwerke 

– Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) 

• Leistungselektronik im Automobil 

– Übersicht 

– Zuverlässigkeit 

– Ladetechnik: kontaktlose Energieübertragung 

Steuerung von Leistungselektronik 

— Control in power electronics — 

SS S 3 SWS: Dr.-Ing. Wolfgang Fischer 

• Komponenten der Informationsverarbeitung, Steuerung, Regelung, Anpassung sowie des 

Schutzes in leistungselektronischen Schaltungen 

• Integration von Steuerungskomponenten und Leistungshalbleitern 

• Simulation ausgewählter Beispiele 

31


Systemintegration von Leistungselektronik 

— System integration of power electronics — 






Submodul A 

• Allgemeines 

– Gegenstand und Entwicklung der Leistungselektronik 

– Grundfunktionen leistungselektronischer Schaltungen 

• Grundschaltungen leistungselektronischer Quellen 

– Tiefsetzsteller 

– Hochsetzsteller 

– Brückenzweig 

– Brückenschaltung 

– Durchflusswandler 

Submodul B 

• Systemintegration am Beispiel einer Schweißstromquelle 

• Einführung in das Simulationsprogramm SABER, Programmteile und Bibliotheken 

• Ablauf einer Schaltungssimulation 

• Dynamische Modelle von Leistungshalbleitern und deren Parametrierung 

• Analyse von Betriebsverhalten, Verlustleistung, Leistungsfaktor, dynamischem Verhalten 

Submodul C 

• Netzrückwirkungen 

• Höherfrequente geleitete Störemission 

• Zuverlässigkeit von Leistungshalbleitern 

Die Submodule A und B wurden wahlweise angeboten. 

32


Power Electronics 




• introduction 

• buck-/boost chopper, phase leg 

– function 

– applications 

• functional principle plus ratings and characteristics of main power electronic components 

– MOSFET 

– IGBT 

– diode 

– aspects of packaging 

• circuit theory, behaviour and dimensioning of components in converters 

– static 

– dynamic 

• H-bridge 

– control method: pulse width modulation (PWM) 

– application: inverter, rectifier 

• three-phase bridge 

– control method: pulse width modulation (PWM) 

Advanced Power Electronics 

SS V 1 SWS: Dr.-Ing. Wolfgang Fischer 


P 1 SWS: Dr.-Ing. Wolfgang Fischer 



• system design by combinations of basic circuits 

• selected advanced circuits, e. g. 

– power factor correction 

– switched mode power supplies 

– bidirectional operation of DC/DC converters 

• selected systems with advanced circuits, e. g. 

– grid-connected multi-stage converters 

33


Power Electronic Components and Systems 

• power electronic components 

– active devices 





∗ derivation of device base equations 

∗ functionality, ratings and characteristics of IGBT, MOSFET and diode 

∗ packaging and assembly 

– passives 

∗ inductive components — inductors, transformers 

∗ capacitive components — capacitors 

• power electronic systems 

– component stress in selected systems 

– dimensioning 

– reliability 


1. Hadi Amiri: Mehrpunktumrichter für kleine und mittlere Leistungen 

2. Linda Behrens: Untersuchung des Schaltverhaltens und der geleiteten Störemissionen 

zweier vom Aufbau und Anschlusskonzept unterschiedlicher IGBT- 

Module 

3. Marcus Gnade: Programmierung einer Prüfstromquelle 

4. Marcus Jandl: Untersuchung des Schaltverhaltens und der geleiteten Störemissionen 

bei Einsatz eines speziellen Treibers zur optimierten Ansteuerung der 

Leistungshalbleiter 

5. Oleksandr Krykun: Optimierung der digitalen Steuerung eines Dreipunktumrichters 

6. Moritz Meinhardt: Programmierung der Steuerung eine Stromrichters 

7. Alexander Preibisch: Algorithmus für Mehrspulensysteme 

8. Carsten Rehse: Wechselrichter für batteriebetriebene Antriebssysteme 

9. Franz Reichardt: Literaturrecherche über die Fehlermechanismen bei aktiven und passiven 

Belastungstests von Leistungshalbleiter-Bauelementen 

10. Jan Ressel: Leistungselektronische Wandler für moderne Leuchtmittel 

11. Stefan Richert: Anpassung und Optimierung von Treiberstufen zur Ansteuerung von 

Leistungshalbleitern unterschiedlicher Leistungsklassen 

12. Norman Täschner: Thermische Untersuchungen am Simulationsmodell eines Lastwechselversuchsstandes 

34



1. Claudia Lehmann: Parallelschaltung von MOSFETs 


1. Hadi Amiri: Experimenteller Aufbau eines modularen Multilevelumrichters 

2. Lars Ballhorn: Gleichstromsteller mit gekoppelten Spulen 

3. Tim Gärtner: Fehleranalyse von Betriebsdaten 

4. Pavlo Ihonin: Entwicklung eines Werkzeugs zur Bewertung von Widerstandsschweißeinrichtungen 

hinsichtlich elektrischer Körperfeldstärken basierend auf 

einer Referenzdatenbank 

5. Marcus Jandl: Analyse von Steuerverfahren einer H-Brücke und Implementierung 

einer entsprechenden Ansteuerschaltung für ausgewählte Steuerverfahren 

6. Christoph Kaufhold: Regelung von Gleichspannungswandlern 

7. Tobias Kerner: Erweiterung der Prozesssteuerungssoftware eines Lastwechselversuchsstandes 

8. Hartmudt Köppe: Multiresonanzsysteme 

9. Lars Middelstädt: Drosseln für Leistungselektronikanwendungen 

10. Patrick Nulsch: Aufbau und Konzipierung einer Prüfplattform zur Aufnahme von 

LHL-Bauelementen für einen Lastwechselversuchsstand 

11. Mykola Ostroushko: Aufbau eines Wandlers und Simulation 

12. Alexander Preibisch: Optimiertes Sekundärmodul 

13. Marius Rohde: Untersuchung eines Übertragungssystems 

14. Jian Tang: Wechselrichter mit Stromzwischenkreis 

15. Yan Xia: Generalisierte Modulationsstrategie für ein HGÜ-System mit mehreren 

Wandlern 

16. Mao Xu: Vergleichende Betrachtung zur simulativen Bestimmung der Verlustleistung 

von Leistungshalbleitern 

17. Yongchun Zhang: Analyse des Schaltverhaltens paralleler CoolMOS-Transistoren 

35



2.5.1 Kooperationen 

Doppel-Diplom-Programm mit der Technischen Universität Wroclaw -– Verteidigung und 

feierliche Zeugnisübergabe 1 

Am 30.08.2013 fand an der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg die Verteidigung der 

Masterarbeiten von drei Studenten statt. Sie studierten im Rahmen des Doppeldiplom-Programms, 

einer Kooperation mit der Technischen Universität Wroclaw. Es war bereits der zweite Durchgang, 

bei dem Studenten das zweijährige englischsprachige Masterstudium erfolgreich beendeten. Dabei 

wurden die ersten zwei Semester in Wroclaw und die letzten zwei Semester inkl. Masterarbeit in 

Magdeburg absolviert. Auf Grundlage von Verträgen zwischen beiden Universitäten bekommen die 

Studenten sowohl von der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg als auch von der Technischen 

Universität Wroclaw jeweils ein Diplom ausgehändigt. 

Die diesjährigen Absolventen waren Herr Manswet Banka, Herr Joan Jimenez und Herr Przemyslaw 

Trojan. Ihnen wurden am 28.09.2013 von Prof. Waldemar Rebizant (Dekan der Fakultät 

für Elektrotechnik der Technischen Universität Wroclaw) und Prof. Andreas Lindemann (Dekan 

der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik der Otto-von-Guericke-Universität 

Magdeburg) in Wroclaw die Diplome überreicht. Bei der Veranstaltung war auch Prof. Zbigniew 

Styczynski anwesend, Lehrstuhlleiter des Lehrstuhls für Elektrische Netze und Alternative Elektroenergiequellen 

in Magdeburg. Die Überreichung der Diplome war mit der Eröffnungsfeier des 

akademischen Jahres der TU Wroclaw und mit der Auszeichnungen für besondere Verdienste 

von Mitarbeitern verbunden. 

Abbildung 2.1: Aushändigung der Doppeldiplome an der TU Wroclaw am 28.09.2013 – v. l. n. r.: 

Prodekan Dr. Tomasz Sikorski, M. Sc. Manswet Banka, M. Sc. Joan Jimenez, M. Sc. 

Przemyslaw Trojan, Dekan Prof. Andreas Lindemann, Dekan Prof. Waldemar 

Rebizant, Prorektor Prof. Jerzy Walendziewski 

1 von M. Sc. Manswet Banka 

36


2.5.2 Exkursionen 

ENERCON Besichtigung im Rahmen der Windenergievorlesung 2 

Zum Abschluss der Windenergievorlesung fand am 12. Juli 2013 die traditionelle Exkursion zur 

Firma ENERCON in Magdeburg Rothensee statt. Nachdem die 21 teilnehmenden Studenten am 

Standort begrüßt wurden, erhielten sie zu Beginn der Betriebsbesichtigung allgemeine Informationen 

über die Geschichte des Werks, aber auch über zukünftige Entwicklungen und geplante 

Wirtschaftskonzepte. Ausführlich wurden die Fragen der Studenten beantwortet, wobei besonders 

die Themen Repowering und Recycling von Altanlagen im Mittelpunkt stand. Anschließend 

wurden den Studenten die Werkstüren geöffnet. Sie erhielten Einblicke in die umfangreichen Fertigungsprozesse, 

wobei sie sich die entsprechenden Zwischenschritte, u. a. Generatorenwicklungs-, 

Rotorblätter- oder Gondel-Fertigung näher anschauen konnten. Vor den Werkshallen konnte man 

auch einige Generationen an Windkraftlagen im Betrieb sehen, an denen man auch die technische 

Entwicklung und Veränderung der Flügelformen nachvollziehen konnte. Besonders beeindruckend 

war die E-126, die mit 7,5 MW die derzeit leistungsstärkste Windkraftanlage der Welt ist. Vor 

ihrem gewaltigen Betonturm ist auch das Abschlussfoto entstanden. 

Abbildung 2.2: Studenten vor der Windkraftanlage E-126 

2 von Dipl.-Ing. Paul A. Bernstein 

37

3 Forschung 


3.1.1 Forschungsprofil 

Inhalte 

Gegenstand der Forschung im Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme sind neben der elektrischen 

Maschine auch die Regelung und das leistungselektronische Stellglied sowie die Interaktion 

der Komponenten im Gesamtsystem. 

Neben der Entwicklung neuer und der Weiterentwicklung von bestehenden Konzepten für 

die Optimierung solcher Systeme, werden auch neue bisher nicht genutzte Anwendungsfelder 

für elektrische Maschinen erschlossen. Hierfür steht die Vereinfachung der Konstruktion des 

elektrischen und des mechanischen Systems durch einen angepassten und erweiterten Einsatz der 

Regelung sowie der Leistungselektronik besonders im Mittelpunkt der Betrachtungen. Ziel ist es, 

insbesondere die Produktionskosten und den Betriebsaufwand eines elektrischen Antriebssystems 

zu reduzieren und gegebenenfalls bestehende konventionelle Systeme zu ersetzten. 

Schwerpunkte 

Magnetisch gelagerte Systeme für universelle Anwendungen Aktiv magnetisch gelagerte 

Systeme besitzen ein breites Anwendungsspektrum, was auf die bekannten Vorteile, wie Berührungslosigkeit, 

Verschleißfreiheit und die über die Regelung beeinflussbare Dämpfung und 

Steifigkeit, zurückzuführen ist. Dem gegenüber steht ein erhöhter Hardware- und Kostenaufwand, 

bezogen auf Sensorik, Aktorik, Leistungselektronik und Reglerkomponenten. Am Beispiel eines 

in 5 Freiheitsgraden magnetisch gelagerten Werkzeugmaschinenrundtisches, der in Abbildung 3.1 

dargestellt ist, werden verschiedene technische Fragestellungen experimentell untersucht. 

Neben einer Erprobung von zentralen und dezentralen Regelungen zur Positionierung des Schwebekörpers 

werden auch Konzepte für die Kompensation der Nichtlinearität im gesamten Arbeitsbereich 

analysiert. Dabei bezieht sich die Nichtlinearität auf die Luftspaltabhängigkeit der 

Induktivität und dem quadratischen Zusammenhang zwischen Magnetkraft und Strom. 

Weiterhin werden aufgrund der technischen Realisierung dieser Lagerung, Möglichkeiten der 

aktiven Schwingungsdämpfung untersucht. Durch Erweiterungen der bestehenden Regelalgorithmen 

kann eine Dämpfung interner und externer Schwingungen erreicht werden, wodurch dieses 

Lagerprinzip auch zur Schwingungsisolation eingesetzt werden kann. 

Ziel ist es, den höheren gerätetechnischen Aufwand zu verringern, eine höhere Verfügbarkeit und 

Robustheit sowie universellere Anwendungsmöglichkeiten gegenüber der konventionellen Technik 

zu erreichen. 

39

3 Forschung 

Abbildung 3.1: Magnetisch gelagerter Rundtisch 

Gegenseitig ergänzende Auslegung der elektrischen Maschine und der Regelung Die Regelung 

elektrischer Maschinen basiert fast immer auf der zur regelnden Maschine. Bei der Auslegung 

der elektrischen Maschinen hingegen, wird meistens der Regler nicht betrachtet. Berücksichtigt 

man die Möglichkeiten der Regelung schon bei der Maschinenauslegung, wie in Abbildung 3.2 

gezeigt ist, so kann z. B. eine höhere Leistungsdichte bei gleichzeitig niedrigerem Produktionsaufwand 

realisiert werden. Daher werden neue Auslegungskriterien und Auslegungsmethoden der 

Maschine im Zusammenhang mit der Regelung untersucht. Auslegungsziele wie Leistungsdichte, 

Wirkungsgrad, Zuverlässigkeit und Produktionsaufwand werden hierbei in Betracht gezogen. 

Abbildung 3.2: Regelung von Maschinen nicht sinusförmiger elektromotorischer Kraft 

Elektrische Antriebssysteme mit optimaler Integration in der Arbeitsmaschine In elektrischen 

Antriebssystemen wird in der Regel die elektrische Maschine mit der Arbeitsmaschine mit 

Hilfe eines mechanischen Übertragungssystems verbunden. Das erlaubt z. B. den Einsatz von standardisierten 

rotierenden Maschinen. Die Art und die Kenngrößen der Bewegungsabläufe werden 

dann über Getriebe, Kugelgewindetrieb, Zahnriemen, Kurbeltrieb etc. an die Arbeitsmaschine 

angepasst. 

Mechanischen Übertragungssysteme sind durch ihren Verschleiß und der damit verbundenen 

Wartung gekennzeichnet und sie beeinflussen zudem die Dynamik, die Zuverlässigkeit und den 

Wirkungsgrad des gesamten Antriebssystems. In Abhängigkeit der Anwendung können durch 

die Reduzierung der mechanischen Übertragungssysteme wichtige Vorteile erzielt werden. Dafür 

muss die elektrische Maschine optimal an die Arbeitsmaschine angepasst werden. Dieser Ansatz, 

der in Abbildung 3.3 dargestellt ist, erfordert daher neue Konzepte für elektrische Maschinen 

sowie dessen Auslegung und Regelung. 

Lagegeberlose (sensorlose) Regelung elektrischer Maschinen Die Position bzw. die Lage ist 

eine wichtige Rückführgröße für geregelte elektrische Antriebe. Normalerweise werden hierfür 

Lagegeber eingesetzt. Sie sind aber ein aufwendiger Bestandteil des Antriebes. Der Lagegeber 

und die entsprechende Signalübertragung zum Regler sind auch die Ursache für eine erhöhte 

40


Abbildung 3.3: Einsatz von elektrischen Linearmaschinen bei Verbrennungsmotoren 

Störanfälligkeit des Antriebes. In einige Anwendungen kann es auch vorkommen, dass raue 

Umgebungsbedingungen den Einsatz von Lagegebern verhindern. 

Die Lage des Motorläufers kann aber auch indirekt über die Messung nur elektrischer Größen, z. B. 

Phasenspannung und/oder Phasenstrom, ermittelt werden. Diese Methode wird als sensorlose oder 

lagegeberlose Regelung bezeichnet und ist in Abbildung 3.4 schematisch gezeigt. Die lagegeberlose 

Regelung wird schon seit zwei Jahrzehnten in der wissenschaftlichen Literatur behandelt, wurde 

aber bislang kaum von der Industrie umgesetzt. Der dadurch entstehende Forschungsbedarf 

bezieht sich besonders auf eine höhere Genauigkeit, Dynamik und Parameterunabhängigkeit, 

besonders im unteren Geschwindigkeits- und Stillstandsbereich. 

Abbildung 3.4: Sensorlose Regelung elektrischer Maschinen 

3.1.2 Forschungsprojekte 

Entwicklung von direkt angetriebenen elektrischen Maschinen für Verbrennungsmotoren 1 

Entwurf von hochdynamischen elektrischen Maschinen zur Verbesserung des Verbrennungsprozesses 

Einleitung Schon seit über einem Jahrhundert sind die Menschen auf Mobilität angewiesen. 

Um auch in Zukunft mobil zu bleiben, sind verschiedene Voraussetzungen zu erfüllen. So werden 

unter anderem Antriebe benötigt, welche mit höchster Effizienz die begrenzten Rohstoffe nutzen. 

Dieser Grundgedanke ist auch relevant für die aktuelle Abgasgesetzgebung, welche durch die 

Europäische Kommission beschlossen wurde. 

1 von Prof. Roberto Leidhold und Dipl.-Ing. Andreas Gerlach 

41

3 Forschung 

Eine Möglichkeit zur Effizienzsteigerung des Antriebsstrangs sind elektrische Hybridantriebe 

(HEV, Hybrid Electric Vehicle). Sie sind durch mindestens einen Verbrennungsmotor und einen 

Elektromotor/-Generator gekennzeichnet. 

Der Verbrennungsmotor hat die Möglichkeit hohe Spitzenmomente abzugeben. Dies ist möglich, 

da durch die Verbrennung von Kraftstoff sehr viel Energie frei gesetzt wird. Der Kraftstoff besitzt 

eine hohe Energiedichte. Dies bedeutet, dass lediglich geringste Mengen von ihm notwendig sind, 

um die gespeicherte Energie in mechanische Energie umzuwandeln. Nachteilig ist, dass Abgase, 

hohe Wärmeverluste und hohe Geräuschemissionen bei der Verbrennung entstehen. Weiterhin 

schränkt die Kurbelwelle den Bewegungsablauf des Kolbens stark ein. Das hat zur Folge, dass 

der Verlauf des Zylinderhubs und somit auch die Kompression/Expansion der Gase nicht linear 

erfolgen kann. Es gibt noch viele weitere Probleme, welche beim Betrieb von Verbrennungsmotoren 

entstehen. 

Die elektrische Maschine hat beim HEV verschiedene Funktionsmöglichkeiten. So kann es mit 

ihr möglich sein den Verbrennungsmotor auf eine Startdrehzahl zu bringen, selbst ein Antriebsmoment 

zur Verfügung zu stellen, durch Rekuperation Energie wieder zu gewinnen, auftretende 

Schwingungen zu dämpfen und Drehmomentenwelligkeiten zu beseitigen. In dem Forschungsprojekt 

soll aufgezeigt werden, wie groß die Funktionsvielfalt von elektrischen Antrieben, bezogen 

auf Verbrennungsmotoren, ist und wie dieses Potential gesteigert werden kann wie z. B. durch 

einer optimalen Auslegung eines elektrischen Antriebs, Nutzung eines Direktantriebs und noch 

vieles mehr. 

Ziele Es soll bei diesem Forschungsprojekt analysiert werden, was für Optimierungsmöglichkeiten 

existieren, um die Leistungsfähigkeit/Funktionsvielfalt bei der Kombination aus Verbrennungsmotor 

und elektrischen Maschine zu erhöhen. Hierzu sind beispielhaft folgende Fragestellungen 

zu erörtern: 

• Wie lässt sich optimal die bereitgestellte Energie des Verbrennungsmotors in elektrische 

Energie wandeln? 

• Welche Anforderungen werden an die elektrische Maschine gestellt, um einen Verbrennungsmotor 

zu betreiben? 

• Wie lassen sich elektrische Maschinen optimal für den Verbrennungsprozess entwickeln? 

• Wie stark kann eine elektrische Maschine den Bewegungsablauf des Zylinderkolbens optimieren? 

• Ist es möglich den Zylinderdruck ohne Drucksensoren zu ermitteln? 

• Wenn ja wie genau sind die entwickelten Messmethoden? 

• Wie können die Verbrennungsgeräusche/ -Schwingungen mithilfe eines elektrischen Antriebs 

minimiert werden? 

• Kann die elektrische Maschine genutzt werden, um verschiedene Verdichtungsverhältnisse 

zu erzielen, um hierbei unterschiedliche Kraftstoffe für denselben Verbrennungsmotor zu 

nutzen? 

• Ist es möglich einen Freikolbenmotor lediglich mithilfe eines Lineargenerators/-Motors zu 

betreiben? 

• Was für Probleme entstehen beim Betrieb eines Freikolbenmotors mit einem Lineargenerator 

/-Motor? 

42


Durch die Kombination aus Freikolbenmotor und elektrischem Linearantrieb kann der Bewegungsverlauf 

des Zylinders variiert werden (siehe Abbildung 3.5). Hierdurch kann der Verbrennungsprozess 

durch variabel einstellbare Ladungswechselzeiten, unterschiedliche Hubhöhen und 

somit auch unterschiedliche Kompressionsverhältnisse und noch Vieles mehr optimiert werden. 

Durch die Möglichkeit unterschiedlicher Kompressionsverhältnisse einstellen zu können, ist man 

in der Lage auch unterschiedliche Kraftstoffe zu verwenden. 

Verbrennungsmotor 

Freikolbenmotor mit 

Lineargenerator/ -Motor 

F k 

L PL 

M M 

F k 

L PL 

F el 

Abbildung 3.5: Darstellung Verbrennungsmotor und Lineargenerator/-Motor 

Aktueller Stand und Vorgehen Um dieses komplexe Thema zu bewältigen, wurden Modelle 

erstellt, validiert und anschließend Simulationen durchgeführt, bevor reale Messungen aufgenommen 

werden. Dies ermöglicht, dass rechtzeitig Fehler erkannt werden und Maßnahmen für 

die realen Durchführungen getroffen werden können. Es können somit sehr schnell verschiedene 

Betriebsstrategien getestet und das Betriebsverhalten analysiert werden. Außerdem gibt die 

Simulation erste Hinweise, wie die Regler eingestellt werden müssen, wie groß das aufzubringende 

elektromotorische Moment sein muss, wie die Oszillierbewegung des Kolbens den Bewegungsablauf 

beeinflusst und vieles Weitere. 

Im nächsten Schritt ist es notwendig, die entwickelten Funktionen auf einem Versuchsstand (siehe 

Abbildung 3.6) zu realisieren. Es wurde eine Kombination aus einem Verbrennungsmotor mit 

Kurbelwelle und einem Servomotor ausgewählt. Als Besonderheit ist hierbei zu erwähnen, dass auf 

größere Schwungmassen verzichtet wird um hochdynamische Regelungen durchführen zu können. 

Die gewonnenen Informationen dienen als Grundlage zur Auslegung eines elektrischen Antriebs 

für einen Freikolbenmotor. Der aktuelle Versuchsaufbau ist in der Abbildung dargestellt. 

Zündspule 

Luftfilter 

Kraftstofftank 

Vergaser 

Abgasanlage 

Balgkupplung 

Servomotor 

Wechselrichter 

Verbrennungsmotor 

Netzanschluss 

Abbildung 3.6: Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus 

43

3 Forschung 

Mit diesem Versuchsaufbau können verschiedene Betriebsstrategien getestet, neuartige Funktionen 

für die Kombination aus Elektro- und Verbrennungsmotor entwickelt und der Druck 

im Kompressionsraum des Verbrennungsmotors bestimmt werden. Aus den Ergebnissen von 

letzterem Experiment lässt sich ermitteln, wie groß die Kräfte auf dem Zylinderkopf sind, um 

hieraus einen Elektromotor zu entwickeln, welcher die Gaskräfte des Verbrennungsmotors direkt 

in elektrische Energie umwandeln soll. Zu den neuartigen Funktionen, die entwickelt werden sollen, 

zählen unter anderem die Möglichkeit Pausen zwischen den einzelnen Taktzyklen einzubauen, 

eine konstante Geschwindigkeit während des Hubverlaufs/konstanter Kompressionsverlauf oder 

sogar gänzlich variable Hubgeschwindigkeiten vorgeben zu können. 

Entwicklung von PM-Synchronmaschinen mit nicht sinusförmiger EMK (Sensorless 

method for the compensation of cogging torque in PM synchronous machines) 2 

Abstract The cogging torque in PM synchronous machines can be reduced by taking measures 

in the design of the machine or by means of the control system of the drive. For compensating the 

cogging torque through the control, it is required to know the position of the rotor with accuracy. 

Consequently, the implementation of such a method using a sensorless estimated position is very 

difficult. An encoderless method is proposed, which determines directly the compensating torque 

signal without resolving the estimated position. The proposal is developed for machines with 

concentrated windings and fractional slot pitch, where the cogging torque is of special concern. 

Introduction Permanent Magnet (PM) synchronous machines can be classified by the winding 

configuration in integral-slot pitch and fractional-slot pitch. Machines with integral-slot pitch 

have been the dominating type in the past. In the last decade, the machines with fractional-slot 

pitch have gain interest due to several advantages their present. The main advantage is that the 

windings are concentrated and non overlapping, which simplifies the construction of the machine, 

reduces the coil overhang and allows higher fill factor. This results in lower manufacturing costs, 

lower copper losses and higher power densities. In addition, by adequate design, they have lower 

cogging torque than machines with integral-slot pitch and distributed windings. 

In the design of the machine, the mitigation of the cogging torque and increase of the EMF quality 

is often linked with more complex construction and with a detriment of the EMF magnitude 

(consequently of the power density). In addition, asymmetries due to constructive features, like 

keybar slots or notches, and manufacturing tolerances have negative impact on the cogging 

torque. 

Conventional control strategies for PM synchronous machines require either a sinusoidal EMF 

waveform for the field oriented control or trapezoidal for the block commutation. If the EMF does 

not meet the required waveform, the excitation torque will have a ripple component. Nevertheless, 

there are several control approaches for producing a ripple free excitation torque in machines 

with non sinusoidal EMF. 

The present paper proposes a new approach for the sensorless synthesis of the cogging torque 

compensation signal. The compensation signal is obtained directly from the magnetic saliencies 

without requiring to resolve the position. This is possible by combining saliencies with two 

and four times the fundamental frequency. To keep a fast current control, there is not injected 

any additional excitation signal in order to avoid interaction with the current control or to 

perturb the torque. The excitation is provided by the PWM and the response is measured with 

current-derivative sensors. 

2 von Prof. Roberto Leidhold und Dipl.-Ing. Niklas Förster 

44


A simulation model was set up for testing the proposal. The flux linkage due to the permanent 

magnets, the inductance matrix, and the cogging force are function of the position and were 

obtained by the finite elements method (FEM). An outer rotor PM synchronous machine with 12 

slots and 10 poles was considered. In order to illustrate the application of the proposed method 

the machine was designed for easy manufacture and power density, i. e. open slots and unequal 

tooth widths, whereas this design targets affect negatively in the cogging force. 

Model of the Machine The PM synchronous machine is modeled in the stator reference frame, 

including the homopolar component (αβ0). The voltage equation is: 

u = R · i + dψ 

dt 

with, 

ψ = L(θ) · i + ψ PM (θ) , (3.2) 

] T ] T [ 

] T 

where u = 

[u α u β u 0 , i = 

[i α i β i 0 and ψ = ψ α ψ β ψ 0 are the voltage, current 

and flux linkage vectors, respectively. The stator resistance is denoted by R, the inductance 

[ 

] T 

matrix by L and the vector of flux linkage due to the PM by ψ P M = ψ P Mα ψ P Mβ ψ P M0 . 

The inductance matrix and the vector of PM flux linkage are functions of the electric angular 

position θ. 

The torque of the machine is: 

(3.1) 

[ ] 3/2 0 0 

T M = i T dψPM (θ) 

0 3/2 0 

+ T C (θ) , (3.3) 

0 0 3 dθ 

where T C (θ) is the cogging torque. By inserting (3.2) into (3.1) it yields: 

u = R · i + dL(θ) 

dθ 

where the ω = dθ /dt is the electric angular speed. 

· ω · i + L(θ) · di 

dt + dψ PM(θ) 

· ω (3.4) 

dθ 

The magnetic saliencies are expressed in the inductance matrix, and they can be evaluated from 

the response to a voltage excitation. In the present proposal, the excitation is given by the 

pulse-width modulation (PWM), while the response is the current time-derivative. The switching 

frequency of the PWM is much higher than the fundamental one. Consequently, for the purpose 

of analyzing the saliencies, only the high frequency relevant terms of (3.4) will be considered, as 

usual in sensorless control e. g.: 

u = L(θ) · di 

(3.5) 

dt 

The time-derivative of the current as function of the applied voltage can be obtained by solving 

(3.5): 

di 

dt = L−1 (θ) · u (3.6) 

A PM synchronous machine with fractional slot-pitch windings and a geometry as shown in 

Fig. 3.7 was considered. It has an outer rotor, 12 slots, 10 poles and windings on alternate teeth. 

The machine was designed with open slots and unequal tooth width for simple manufacture and 

improved power density. 

The inductance matrix L(θ) from (3.7), the PM flux linkage ψ P M (θ) and the cogging force T C (θ) 

of the machine were computed by the two-dimensional FEM, as function of the angular position. 

45

3 Forschung 

rotor 

B' 

C' 

B 

stator 

C 

6,5 

A 

A 

100 

11 

A' 

A' 

C' 

B' 

C 

B 

Figure 3.7: Geometry of the PM synchronous machine with 12 slots, 10 poles and outer rotor. 

Sizes are in mm. 

The obtained numerical data was interpolated by a Fourier series. The elements of the inverse 

inductance matrix required in (3.6): 

⎡ 

L −1 ⎢ 

a αα a αβ a ⎤ 

α0 ⎥ 

(θ) = ⎣a βα a ββ a β0 ⎦ (3.7) 

a 0α a 0β a 00 

The cogging torque is shown in Fig. 3.8 as a function of the electrical angular position. The 

rated torque of the machine is 28 N m. Also the PM flux linkage was computed by the FEM but 

is only used for the simulation. 

4 

3 

Cogging torque T C 

(Nm) 

2 

1 

0 

−1 

−2 

−3 

−4 

0 90 180 270 360 

Electrical angle (deg) 

Figure 3.8: The cogging torque as function of the electrical angular position. 

Synthesis of the signal for compensating the cogging torque The cogging torque is an 

additive term in the torque produced by the machine (see (3.3)). In order to compensate it, 

the cogging torque signal has to be determined and subtracted from the torque reference. This 

compensating signal can be obtained using a perturbation observer, a function obtained off-line in 

the commissioning process of the drive, or using a parametrized function which is adapted online. 

All these methods require to know the actual position and the effectiveness of the compensation 

is highly dependent on the quality of the position signal. 

By using the elements of the inverse inductance matrix L −1 (θ), the compensating signal can 

be composed without requiring to resolve the position. The elements of the inverse inductance 

46


matrix are estimated without requiring a position sensor as described later. 

a 1 = a αα − a ββ (3.8) 

Multiplying functions with 2 and 4 times the fundamental frequency, functions are obtained with 

6 and 12 times the fundamental frequency, forming a Fourier-like base to approximate periodic 

functions. 

The cogging torque is then approximated by: 

T Comp = p 1 a 1 a α0 + p 2 a 1 a β0 + p 3 a αβ a α0 + p 4 a αβ a β0 + p 5 a 1 a α0 a β0 

+ p 6 a 1 (a 2 α0 − a 2 β0) + p 7 a αβ a α0 a β0 + p 8 a αβ (a 2 α0 − a 2 β0) (3.9) 

The coefficients p 1 to p 8 are computed off-line by minimizing the function: 

∫ 

f = 

2π 

0 

( 

T C (θ) 2 − T Comp (θ) 2) dθ (3.10) 

The cogging torque function T C (θ) has to be obtained in the commissioning process. 

Approximated Cogging Torque (Nm) 

4 

3 

2 

1 

0 

−1 

−2 

−3 

T C 

T Comp 

T Comp 

−T C 

−4 

0 90 180 270 360 

Electrical angle (deg) 

Figure 3.9: Approximated cogging torque signal for compensation, actual cogging torque (from 

FEM) and the approximation error. 

In Fig. 3.9 the approximated cogging torque is shown together with the actual one (from FEM) 

and the difference between both. For the purpose of implementing the approximation function in 

real-time, it is required to estimate the relevant elements of the inverse inductance matrix. This 

has to be with the least possible delay and without degrading the current control. 

Estimation of the magnetic saliencies The elements of inverse inductance matrix in (3.7) 

can be determined from (3.6) when different samples of the instantaneous voltage and their 

correspondent current time-derivative are known. 

To estimate the elements a α0 and a β0 , as required for the approximation of the cogging function 

(3.9), a homopolar voltage excitation is necessary. The homopolar excitation is be provided 

by the standard space vector PWM, when the neutral point of the machine is connected to a 

midpoint of the DC-Link. The neutral point is however connected through an LC filter to limit 

the homopolar current. 

47

3 Forschung 

i d ∗ =0 

i q 

∗ 

Current 

controller 

dq 

αβ 

u ∗ 

SV PWM 

Current 

sensor 

i 

Current 

derivative 

sensor 

PMSM 

ABC 

i 

ADC 

d i 

dt 

dq 

S/H 

ADC 

1/ K T 

T Comp̂θ 

1/ 2 

Eq. (9) 

atan2 

unwrap 

a 1 

a αβ 

a β0 

a α0 

Eq. 

(14)-(15) 

and (8) 

1/ z 

1/ z 

u 1 

u 2 

u 3 

d i 1 

/dt 

1/ z 

d i 2 

/dt 

1/ z 

d i 3 

/dt 

Figure 3.10: Block diagram of the method for estimating the inverse inductance matrix and 

compensation of the cogging torque. 

Short time before each switching transition of the inverter, the time-derivatives of the α- and 

β-currents are sampled, and the switching state stored. Considering that the third sample 

corresponds to a zero-vector (switching state 〈000〉 or 〈111〉), the voltages u α3 = 0 and u β3 = 0. 

The equations can then be solved as: 

⎡ 

⎢ 

a ⎤ ⎡ ⎤ 

di αα 

α1 

dt 

⎥ ⎢ di 

⎣a αβ ⎦ = M · ⎣ α2 

⎥ 

dt 

a 

di α3 

α0 dt 

⎡ 

⎢ 

a ⎤ ⎡ ⎤ 

di β1 

βα ⎥ 

dt 

⎣a ββ ⎦ = M · ⎢ di β2 ⎥ 

⎣ dt 

a di β0 β3 

dt 

⎦ (3.11) 

⎦ (3.12) 

with 

⎡ 

⎢ 

M = ⎣ 

u β2 

σ 

−u α2 

σ 

u β1 

σ 

u α1 

σ 

u 02 u β1 −u 01 u β2 

⎤ 

u 03 σ 

u 01 u α2 −u 02 u α1 

⎥ 

u 03 σ 

0 0 

1 

u 03 

⎦ (3.13) 

and 

σ = u α1 u β2 − u α2 u β1 (3.14) 

Equations (3.11) to (3.12) are used in the scheme of Fig. 3.10. In the upper half of this figure, the 

block diagram of a conventional PMSM drive is shown. It consists on the PMSM, a voltage source 

inverter, a space vector PWM, and a current control loop implemented in the rotor-oriented 

reference frame. The reference of the control system is the quadrature current i q , which is 

proportional to the torque T M = K T i q . The current control loop is synchronized with the PWM, 

on which the current is sampled in the midpoints of the zero vectors. 

48


In the bottom half of Fig. 3.10, the proposed algorithm is shown. The current time-derivatives 

and the inverter state, which is used to compute the instantaneous voltage, are also sampled in 

synchronism with the PWM. In this case, they are sampled short before each state transition of 

the inverter. 

The current and the previous two samples of voltage and current derivative (u 1 , u 2 , u 3 , di1 /dt, 

di 2/dt, di3 /dt) are fed to the block implementing (3.11) and (3.12). In this way the elements of 

the inverse inductance matrix are determined. From a 1 and a αβ , the double of the electrical 

angle of the rotor is obtained by using the four-quadrant arctangent: 

2ˆθ = atan2(a αβ , a 1 ) (3.15) 

This angle is used for the reference frame transformations, i. e. the field oriented control. 

The elements a 1 , a αβ , a α0 and a β0 are used for approximating the cogging torque with (3.9), 

which, after dividing by the torque constant K T , is subtracted from the quadrature current 

reference. 

A simulation model was used in order to initially test the algorithm of Fig. 3.10. The results are 

shown in the following section. 

Simulation results For the simulation, the PMSM was modeled with (3.1) to (3.3). The position 

dependent functions L(θ), ψ(θ) and T C (θ) were obtained by a parametric magnetostatic FEM. 

The geometry was chosen for simple manufacture and high power density, disregarding the 

cogging torque. The cogging torque is about 10 % of the rated torque. The average torque 

constant is K T = 1.85 N m A −1 , the average self inductance is L αα = 3 mH, and the rated current 

is i qN = 15 A. The space vector PWM was simulated with a 10 kHz switching frequency. The 

inverter had ideal switches and a 560 V DC-link. The PMSM was assumed being driven at a 

constant speed of 150 rpm by the external load. 

In Fig. 3.11 the torque T M is shown as function of the time for an initial current i q = 0 A, 

which is increased to i q = 4 A at t = 50 ms. The results are shown in Fig. 3.11a without and in 

Fig. 3.11b with the proposed cogging torque compensation. The cogging torque is reduced from 

3 N m (10 % of the rated torque) to 0.5 N m (1.8 % of the rated torque). 

12 

12 

10 

10 

8 

8 

Torque (Nm) 

6 

4 

2 

Torque (Nm) 

6 

4 

2 

0 

0 

−2 

−2 

−4 

0 20 40 60 80 100 

time (ms) 

(a) without compensation 

−4 

0 20 40 60 80 100 

time (ms) 

(b) with the proposed cogging torque sensorless compensation 

Figure 3.11: Torque as function of the time. 

49

3 Forschung 

Conclusion A new method for the active sensorless compensation of the cogging torque in PM 

synchronous machines was proposed. The compensating signal is directly approximated using the 

estimated elements of the inverse inductance matrix. It is not required to resolve the position for 

the compensation, however it can also be computed from these elements in order to implement 

field orientation or position control. 

For estimating the elements of the inverse inductance, it was chosen to use current-derivative 

sensors. These sensors are very simple, inexpensive and can be placed within the inverter unit. 

For effectively compensate the cogging torque a fast current control is required. Preferably, the 

current control should be implemented in an FPGA in order to avoid the typical computation 

delay of one sample period. To determine the parameters of the approximating function, it is 

required to measure the position in the commissioning process. Therefore, the commissioning 

should be integrated with the production final tests. 

The proposed method is targeting machines with concentrated windings and fractional-slot pitch, 

designed for simple manufacture and high power density. Assuming such a machine, the proposed 

method was initially tested by simulation. It shows about 83 % reduction of the cogging torque. 

Even though the cogging torque is of higher significance at low speed and with low load, it should 

be researched how the approximated torque becomes distorted with higher loads. 

Entwicklung einer getriebelos verwendbaren Transversalflussmaschine (TFM) für 

Anwendungen im Maschinen- und Anlagenbau 3 

Einleitung Erstmals wurde die Transversalflussmaschine (Transversal flux machine, TFM) schon 

im Jahre 1895 von V. M. Mordi vorgeschlagen. Leider gab es damals keine Möglichkeit der 

rechnergestützten Projektierung und automatisierten Fertigung. Jedoch gewinnen die TFM 

in den letzten Jahrzehnten durch die Entwicklung in der Computersimulation und in den 

modernen Fertigungstechnologien immer mehr an Bedeutung. Derzeit beschäftigen sich einige 

Forschungsgruppen aktiv mit den Fragen der Projektierung und der Fertigung von Maschinen 

dieses Typs. Diese Forschungsarbeiten zeigen ein großes Potenzial der TFM bezüglich energetischer 

Kennwerte bei einem großen spezifischen Drehmoment und bei gutem Massevolumenverhältnis. 

Außerdem begünstigt die TFM die Realisierung einer mehrpoligen Konstruktion (20 bis 60 

Pole), was den Weg zur Herstellung langsamlaufender Maschinen mit großem Drehmoment als 

Direktantrieb (getriebelos) weiter eröffnet. Heutzutage ist es mit diesem Maschinentyp möglich, 

einfachste, wirtschaftlich günstige und sichere Statorwicklungen einzusetzen. 

Trotz dieser Vorteile sind nur einige Firmen an der Herstellung von TFM interessiert. Risiken 

bei der Einführung neuer Fertigungstechnologien und die Erhöhung der Fertigungskosten halten 

viele Firmen von der Einführung der Fertigung dieser Maschinen ab. 

Im vorliegenden Forschungsbericht werden Simulationsprozesse beschrieben, die auf eine einfache 

TFM-Konstruktion als Außenläufer mit flacher Permanentmagnetanordnung basieren. Die Vorund 

Nachteile dieses Maschinenansatzes können dadurch gut anschaulich dargestellt werden und 

es ist möglich neue Einsatzfelder zu erschließen. Mit diesem Ziel wurden die Finite-Elemente- 

Softwaretools wie ANSYS EM, COMSOL und COSMOS zur Simulation eingesetzt. 

Die wichtigsten Ergebnisse wurden experimentell überprüft. Bei der Simulation und bei den experimentellen 

Versuchen kam ein Industriemuster des Motors der schweizerischen Firma SERVAX 

zum Einsatz. Auf der Grundlage der durchgeführten Untersuchungen wird ein patentierbares Muster 

einer TFM entwickelt, die sich durch verbesserte dynamische Eigenschaften sowie Gewichtsund 

Baugrößenkennwerte und einen geringeren Bedarf aktiver Materialien auszeichnet. 

3 von Prof. Frank Palis und Dipl.-Ing. Mario Stamann 

50


Funktionsprinzip der Maschine Der Stator besteht aus einer Ringwicklung, auf der die U- 

förmigen Blechpakete gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Ein U-förmiges Blechpaket hat 

zwei Zähne, die durch einen Permanentmagnet in flacher Anordnung verbunden sind. Auf der 

Außenseite des Läufers ist die gleiche Polanzahl wie auf dem Stator angeordnet. Sie können als 

Permanentmagnete (PM TFM) oder Stahlmagnete (Induktor-TFM) ausgeführt sein. Weiterhin 

wird eine Maschine mit Permanentmagneten betrachtet (siehe Abbildung 3.12). 

Abbildung 3.12: 3D-Modell der betrachteten Transversalflussmaschine 

Wird die Statorwicklung von einem Strom durchflossen, so verschieben sich die Pole des Läufers 

in die Neutralstellung, d. h. die Permanentmagnete des Läufers verbleiben in dieser Stellung und 

stehen den Zähnen der U-förmigen Blechpakete direkt gegenüber. Das maximale Drehmoment 

wird dann erreicht, wenn die Zähne der U-förmigen Blechpakete des Stators sich genau zwischen 

den Magneten des Läufers mit unterschiedlichen Polen befinden. Dabei hängt das Moment nicht 

von der Stromrichtung in der Wicklung ab. Abbildung 3.13 zeigt den Aufbau einer Statorwicklung 

mit den U-förmigen Blechpaketen und den Rotor mit Permanentmagneten. 

(a) Statorwicklung mit U-förmigen Blechpaketen 

(b) zweiphasiger Rotor mit Permanentmagneten 

Abbildung 3.13: Transversalflussmaschine der schweizerischen Fima Servax 

Um ein kontinuierliches Weiterdrehen des Läufers zu erreichen, muss mindestens noch eine, axial 

zur Ausgangswicklung versetzte, zweite Statorwicklung vorhanden sein. Diese zweite Statorwicklung 

muss mit einem bestimmten Winkelversatz bezüglich der ersten Ausgangswicklung 

angeordnet sein, wobei die Permanentmagnete im Läufer keinen Winkelversatz haben. Aufgrund 

dieser Anordnung steht ein Statorpol immer zwischen den Magneten des Läufers mit unterschiedlichen 

Polen, sodass bei Vorhandensein eines Stromes in einer der beiden Wicklungen immer eine 

Tangentialkraft bzw. ein Drehmoment am Läufer hervorgerufen wird. 

Die Abhängigkeit des Drehmoments vom Strom und von der Läuferposition ist eine nichtlineare 

Funktion und wird durch erhebliche Schwankungen von bis zu 20 % des Nominalwertes gekennzeichnet. 

Zur Glättung dieser Schwankungen kann die Anzahl axial angeordneter Statorwicklungen 

51

3 Forschung 

erhöht werden, was bereits bei einigen Firmen zum Einsatz kommt. Dies führt allerdings zur 

Erhöhung der Baugröße in axialer Richtung, zu einer komplexeren Fertigungstechnologie und 

auch zu entsprechend höheren Fertigungskosten. 

Abbildung 3.14: Konstruktion der zweisträngigen TFM MDD1-91-2 (Servax) 

In den letzten Jahrzehnten wurden aktiv Forschungsarbeiten zur Erhöhung des spezifischen 

Drehmoments von Transversalflussmaschinen durchgeführt. Als Ergebnis entstanden Maschinen 

in unterschiedlichsten konstruktiven Ausführungen. Darunter findet man auch Transversalflussmaschinen 

mit konzentriertem Magnetfluss (Sammleranordnung), zwei- und Vierläufer-Ausführungen 

in doppelseitiger Anordnung und Transversalflussmaschinen mit krallenähnlichen Polen. 

Das große spezifische Drehmoment der Transversalflussmaschine wird aufgrund der folgenden 

zwei Eigenschaften erreicht: 

• im Vergleich zu den klassischen elektrischen Maschinen mit longitudinalem Magnetfluss 

kann bei Transversalflussmaschinen der flussführende Eisenquerschnitt und der Wicklungsquerschnitt 

voneinander unabhängig ausgelegt und optimiert werden 

• die Statorwicklung hat keine Wicklungsköpfe, wodurch sich Gewicht, Baugröße und Streuflüsse 

um ca. 25 % bis 30 % verringern 

Im beschriebenen Projekt wird durch die Auswahl optimaler Stromformen ein Ansatz zur Verringerung 

der Drehmomentwelligkeit und die gleichzeitige Erhöhung des Drehmoments vorgeschlagen. 

Dabei bleibt die Konstruktion der Maschine unverändert und die Fertigungskosten erhöhen sich 

nicht. 

Simulation und Darstellung der magnetischen Feldverteilung Zur Beurteilung der dynamischen 

Eigenschaften dieser Maschine wurden zunächst 3D Modelle der magnetischen Feldverteilung 

des Statorkernes und des Rotors mit Permanentmagneten erstellt. Zusätzlich wurde die 

Wechselwirkung der Rotor- und Statorfelder statisch und dynamisch simuliert. 

Aufgrund dieser Untersuchungen können qualitative und quantitative Aussagen zur magnetischen 

Feldverteilung gemacht werden und das Drehmoment berechnet werden. Die Flussdichteverteilung 

in Abbildung 3.15 stellt eine augenblickliche dynamische Flussänderung bei sich drehendem Rotor 

mit sinusförmigem Stromverlauf in der Statorwicklung bei 50 Hz dar, die während der Untersuchungen 

realisiert wurde. Eine vektorielle Darstellung des Magnetfeldes zeigt Abbildung 3.16, aus 

der die maximale magnetische Ausnutzung der Blechpakete des Stators und die Leistungsfähigkeit 

der Permanentmagnete des Rotors hervorgehen. Die Ursache der Drehmomentschwankungen 

lässt sich ebenfalls mit Hilfe dieser Abbildung erklären. 

Das Feldmodell zeigt die Bildung der Tangentialkraft als Ursache für die Entstehung des Drehmomentes. 

Durch eine weitere Simulation der Drehmomentdynamik und deren harmonische 

52


Abbildung 3.15: Flussdichteverteilung im Rotor bei Maximalstrom (sinusförmig mit 50 Hz) 

Frequenzanalyse kann die Form des Statorstromes unter Berücksichtigung der räumlichen Anordnung 

der Statorwicklungen zeitlich und örtlich abgebildet werden. 

Abbildung 3.16: Vektorielle Darstellung des Magnetfeldes und Drehmomentwelligkeit 

Zur vollständigen Ermittlung der Eigenschaften der untersuchten Transversalflussmaschine wurde 

die Erwärmung der Maschine im Nennbetrieb simuliert. Dabei konnte die optimale Nutzung 

der Maschinenelemente bestätigt werden, da die Temperatur der Wicklung von 130 ◦ C nicht 

überschritten wird (siehe Abbildung 3.17). Dies entspricht der Isolierklasse F. 

Abbildung 3.17: Wärmezustandsbild einer Phase der TFM im Nennbetrieb 

Experimentelle Untersuchungen Für praktische und experimentelle Untersuchungen wurde 

die in Abbildung 3.18 dargestellte Versuchsanlage aufgebaut. Zur Aufprägung von Lastmomenten 

und zur Parameterermittlung im generatorischen Betrieb dient eine Gleichstrommaschine, die 

über eine Drehmomentmesswelle mit der Transversalflussmaschine gekoppelt ist. Im Folgenden 

sind die Parameter der Versuchsmaschine der Firma Servax Drives Landert Motoren GmbH 

aufgelistet: 

53

3 Forschung 

Anzahl der Phasen: 2 

Anzahl der Windungen pro Wicklung: 236 

maximale Drehzahl: 

Anzahl der Polpaare: 20 

maximales Drehmoment: 

900 min −1 

9 N m 

Der konstruktive Aufbau der Transversalflussmaschine ist in detaillierter Form in den Abbildungen 

3.12, 3.13 und 3.14 dargestellt. 

Abbildung 3.18: Versuchsstand zur Parameterermittlung 

Abbildung 3.19 zeigt das Rastmoment in Abhängigkeit vom Drehwinkel. Die Grundschwingung 

ergibt sich aufgrund der Polpaarzahl, wobei die Komponente mit der doppelten Frequenz durch 

Reaktionsmomente hervorgerufen wird. 

Rastmoment in Nm 

0.3 

0.2 

0.1 

0 

−0.1 

−0.2 

Rastmoment Servax TFM 

50 min − 1 

0 50 100 150 200 250 300 350 

Drehwinkel in Grad 

Abbildung 3.19: Rastmoment in Abhängigkeit vom Drehwinkel bei 50 min −1 

In den Diagrammen in Abbildung 3.20 sind die auf den Mittelwert bezogenen Drehmomente und 

die zugehörigen Ständerströme bei einer Drehzahl von 100 min −1 im zeitlichen Verlauf abgebildet. 

Durch eine Fourieranalyse, deren Ergebnis in Abbildung 3.21 zu sehen ist, wird bestätigt, dass 

die Veränderung der Frequenz von der Anzahl der Pole und dem Drehmoment abhängt. 

Zusammenfassung und Ausblick Die hier gezeigten experimentellen und theoretischen Untersuchungen 

konnten die technischen Anforderungen an die Konstruktion und den Betrieb 

einer Transversalflussmaschine aufzeigen und eröffnen den Weg zur Weiterentwicklung und 

Verbesserung dieses Maschinentyps. 

Das Projektziel ist die Entwicklung einer langsamlaufenden Transversalflussmaschine im 10 kW- 

Bereich mit verbesserten Baugrößenkennwerten und reduzierter Drehmomentwelligkeit. Ohne 

zusätzlichen Konstruktions- und Energieaufwand ermöglicht ein optimiertes Ansteuerverfahren 

54


0.2 

100 min -1 

M in Nm 

0.1 

0 

-0.1 

-0.2 

0 0.05 0.1 0.15 

t in s 

I1/I2 in A 

1 

0.5 

0 

-0.5 

Strangstrom 1 

Strangstrom 2 

-1 

0 0.05 0.1 0.15 

t in s 

Abbildung 3.20: Drehmomentwelligkeit und zugehörige Stromverläufe bei 100 min −1 

0.05 

0.05 

100 min −1 

0.04 

0.04 

M C 

in Nm 

0.03 

0.02 

50 min −1 0 50 100 150 200 

M C 

in Nm 

0.03 

0.02 

0.01 

0.01 

0 

0 50 100 150 200 

f in Hz 

0 

f in Hz 

Abbildung 3.21: Fourieranalyse des Drehmomentverlaufes bei 50 min −1 und 100 min −1 55

3 Forschung 

der Leistungselektronik eine deutliche Verringerung der Drehmomentschwankungen, wodurch 

sich die Einsatzbereiche dieser Maschinen erweitern lassen. 

3.1.3 Veröffentlichungen 

Zeitschriften- und Konferenzbeiträge 

• M. Stamann, Th. Schallschmidt, R. Leidhold: Control of magnetic bearings as rotary 

tables for mill and drill machining of heavy workpieces; 15th International Conference on 

Automatic Control, Modelling and Simulation (ACMOS ’13) Brasov; Romania, June 1–3, 

2013 

• M. Stamann, Th. Schallschmidt, R. Leidhold, F. Palis: Einsatz magnetisch gelagerter 

Maschinenrundtische zur spanenden Werkstückbearbeitung; Kongress: Magdeburger Maschinenbau-Tage; 

25.–26.9.2013, Magdeburg 

• S. Dymko, R. Leidhold, S.Peresada: Induction motors torque control with torque per 

ampere ratio maximization; Kongress: Magdeburger Maschinenbau-Tage; 25.–26.9.2013, 

Magdeburg 

• Th. Schallschmidt, M. Stamann, F. Palis, R. Leidhold: Low-Speed-Generator nach dem 

Transversalflussprinzip; Kongress: Magdeburger Maschinenbau-Tage; 25.–26.9.2013, Magdeburg 

• Th. Schallschmidt, M. Stamann, F. Palis, R. Leidhold: Magnetisch gelagerte Rundtische 

als intelligente Werkzeugmaschine; Kongress: Fachtagung Antriebssysteme; 17.–18.2013 

Nürtingen 

• E. Abdelkarim, R. Leidhold, M.M. Aly, M. Abdel-Akher: Control of Plug-in Hybrid Electric 

Vehicles as Smart Grid Support within PV/Wind Power Generations, Intelec 2013 35th 

International Telecommunications Energy Conference, Smart Power and Efficiency, 13–17 

October 2013, Hamburg 

• N. Förster, R. Leidhold: Sensorless method for the compensation of cogging torque in PM 

synchronous machines, 39th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, 

IECON 2013, 10–14 November 2013, Vienna, Austria 

56




Das Forschungsprofil des LENA umfasst hauptsächlich Themen der mathematischen Modellierung, 

der optimalen Planung und des Betriebes von elektrischen Energienetzen mit sehr hohem Anteil 

Erneuerbarer Energien. Da sich die Erzeugungsanlagen der Erneuerbaren Energien zum größten 

Teil in der Verteilnetzebene befinden, ist der Fokus seit 15 Jahren auf diese Spannungsebene 

konzentriert. Schwerpunkte der wissenschaftlichen Untersuchungen liegen auf den Themen 

Beobachtbarkeit, Messverfahren, Energiespeicherung (hier auch H2-BZ) und Elektromobilität. 

Durch Beteiligung an zahlreichen nationalen und internationalen Projekten, aber auch durch 

Gremienarbeit, wird die wissenschaftliche Kompetenz des Lehrstuhls weiterentwickelt und kann 

heute allgemein dem Forschungsfeld „Smart Grid“ zugeordnet werden. Die Ergebnisse der 

Forschung sind vielen wissenschaftlichen Veröffentlichungen zu entnehmen. Im Weiteren wird 

in zahlreichen Beispielen gezeigt, welche Ergebnisse der Lehrstuhl im Rahmen ausgewählter 

wissenschaftlicher Projekte 2013 erbracht hat. 


IRSES-ELECON: Internationale Vernetzung unterstützt die Smart Grid Entwicklung 4 

Eine zeitnahe und erfolgreiche Konzeptionierung und Umsetzung eines Smart Grids, das eine 

intelligente Vernetzung aller Akteure im elektrischen Versorgungsnetz durch innovative Kommunikationstechnologien 

bedeutet, erfordert eine starke Zusammenarbeit der weltweiten Kompetenzen 

und die Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses. Innerhalb des IRSES-ELECON-Projekts 

wird speziell die Zusammenarbeit junger, europäischer und brasilianischer Wissenschaftlicher 

gefördert. Im Vordergrund der Untersuchungen stehen eine Potentialanalyse und Umsetzungskriterien 

für ein aktives Lastmanagement und die Identifikation der nichttechnischen Verluste. 

Weiterhin wird eine innovative Kommunikationsinfrastruktur mit angepassten dezentralen Modellen 

thematisiert, da sie eine wichtige Voraussetzung für die technische Realisierung des Smart 

Grids darstellen. Das ELECON-Projekt hat im Einzelnen folgende Ziele: 

• Konsolidierung eines internationalen Netzwerks von wissenschaftlichen Einrichtungen zwischen 

der EU und Brasilien, 

• Nutzung von modernen Methoden und innovative Techniken zur Analyse des Stromverbrauchs 

und die Förderung der Energieeffizienz, 

• Erwerb und Austausch von wissenschaftlichem Know-how zwischen der EU und Brasilien, 

• Durchführung von Benchmark-Studien mit realen Daten, 

• Etablierung einer starken Basis für zukünftige, langfristige Kooperationen. 

Die EU ist in einer guten Situation, die Übermittlung des konsolidierten Fachwissens im Bereich 

der Energietechnik international zu fördern und somit weltweit schnelle, effektive Veränderungen 

in diesem Bereich voranzutreiben. Brasilien ist ein sehr wichtiger Partner der EU mit einzigartigen 

Netzstrukturen und Erfahrungen im Bereich der Energietechnik. Das komplementäre Know-how 

und das hohe wissenschaftlichen Niveau, das durch das Austauschprogramm unterstützt wird, 

werden zu qualitativ hochwertigen Ergebnisse führen und die Grundlage für eine dauerhafte 

Zusammenarbeit schaffen. 

Im Rahmen des ersten planmäßigen Austausch war Herr Kühne, Doktorand am LENA, im 

Zeitraum vom 27.6.-30.9.2013 am IF-SC (Instituto Federal de Santa Catarina) in Florianópolis in 

4 von Dipl.-Ing. Ines Hauer 

57

3 Forschung 

Brasilien. Er hatte die Aufgabe die aktuell eingesetzten Technologien für die Datenübertragung im 

elektrischen Netz in Brasilien zu recherchieren. Im Rahmen seines Aufenthaltes wurde Herr Kühne 

von Kollegen das LABPLAN der UFSC (Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis) 

unterstützt. Durch die Zusammenarbeit konnten breit gefächerte Kompetenzen genutzt werden, 

um einen ersten Eindruck über die Situation des elektrischen Sektors in Brasilien zu gewinnen. 

Durch verschiedene Fachgespräche mit Mitarbeitern, Wissenschaftlern und Professoren, konnte 

ein zusammenhängendes Bild über die Rolle von Smart Grids in einem zukünftigen brasilianischen 

Stromnetz gewonnen werden. Zudem wurde Herrn Kühne die Möglichkeit geboten verschiedene 

Einrichtungen wie den Sapiens Park zu besuchen, welcher sich mit der Integration von dezentraler 

regenerativer Energieerzeugung mit Hilfen von intelligenten Netzen beschäftigt. 

In einem selbst organisierten Ausflug konnte außerdem das binationale Wasserkraftwerk Itaipu, 

welches das derzeit zweitgrößte Kraftwerk der Welt ist, besichtigt werden. Die während seines Aufenthaltes 

gewonnen Erkenntnisse, fasste Herr Kühne in einem umfangreichen Bericht zusammen. 

Die Arbeit wird eingeleitet mit einem Überblick über die aktuelle Situation des Energiesektors 

(Generation, Transmission und Distribution) und der Märkte. Anschließend folgt der Fokus auf 

Smart-Grid-Technologie in Brasilien und entsprechend der Schwerpunktvorgabe aus WP 4 auf die 

Kommunikationstechnologien in Elektrischen Netzen. Dazu wurden verschiedene Technologien 

charakterisiert und mit den brasilianischen Voraussetzungen verglichen. Abschließend wird ein 

Überblick über aktuelle Smart-Grid-Pilotprojekte in Brasilien gegeben und einige repräsentative 

Beispiele genauer vorgestellt. Neben der Erweiterung seines wissenschaftlichen Erfahrungsschatzes 

konnte Herr Kühne in zahlreichen Gesprächen auch eigene Erfahrungen aus Deutschland an die 

brasilianischen Kollegen weitergegeben. Nicht zuletzt konnten wertvolle kulturelle, persönliche 

und sprachliche Kompetenzen gewonnen werden, was zusammengefasst den Aufenthalt in Brasilien 

zu einer sehr profitabel Erfahrung für alle beteiligten Seiten gemacht hat. Die Vorbereitungen 

für den Aufenthalt der brasilianischen Kollegen in Deutschland laufen. 

Untersuchungen zu Maßnahmen bei kritischen Zuständen im Übertragungsnetz von 50 

Hertz Transmission 5 

Im Rahmen des Drittmittelprojektes „Untersuchungen zu Maßnahmen bei kritischen Zuständen 

im Übertragungsnetz von 50 Hertz Transmission“ wird das gegenwärtige Lastabwurfkonzept 

der Regelzone analysiert. Der automatische Lastabwurf ist eine ultima-ratio-Maßnahme zur 

Eindämmung von Systembilanzstörungen in elektrischen Netzen. Zur Berücksichtigung des 

hohen Anteils volatiler Erzeuger sind Anpassungen der Frequenzrelaisparameter und deren 

Installationsorte notwendig, um einen Lastabwurf in der benötigten Größenordnung sicher 

zu stellen. Daher soll die klassische Methode, bei der die Parametrierung der Relais und die 

Umsetzung des 5-Stufenplans auf Grundlage der Jahreshöchstlast erfolgt, zukünftig von dem 

Lastmittelwertansatz abgelöst werden. 

In einer Studie wird untersucht, inwieweit die in den bisherigen Stufen abgeschaltete Last, dessen 

Festlegung abhängig von der Methode unterschiedlich berechnet wird, die Netzfrequenz normgerecht 

stabilisiert. Zur Bestimmung der Höchstlasten und Mittelwerte als Eingangsparameter der 

untersuchten Methoden werden die Leistungsflüsse an den Umspannstationen im untersuchten 

Netzgebiet statistisch ausgewertet. Für die Untersuchungen der Wirksamkeit des automatischen 

Lastabwurfs in verschiedenen Einspeise -und Lastszenarien auf die Netzfrequenz unter Zugrundelegung 

beider Ansätze wird ein entwickeltes dynamisches Netzmodell der 50 Hertz Regelzone 

verwendet. Die Studie gibt Aufschluss über die Eignung der Methoden unter den geänderten 

zunehmend dezentralen Erzeugungsstrukturen. Im Rahmen der Studie wird das Konzept sowie 

die mathematische Methode zum Vergleich der beiden Ansätze dargelegt. 


58


Integration von Erneuerbare-Energie-Anlagen in die Verteilnetze strukturschwacher Räume 

(INEV) 6 

Strukturschwache Räume zeichnen sich durch ein ungünstiges Verhältnis von (niedriger) Abnahmeleistung 

und (relativ hoher) Leistung der angeschlossenen Erneuerbare-Energie-Anlagen aus. 

Daraus entstehen sowohl technische, betriebswirtschaftliche als auch regulatorische Probleme. Die 

Integration von dezentral aufgestellten EE-Anlagen in die Verteilnetze auf der Niederspannungsund 

Mittelspannungsebene schafft für die Verteilnetzbetreiber, insbesondere für jene in strukturschwachen 

Regionen, Probleme, deren Behebung Ziel des Forschungsvorhabens ist. 

Im Einzelnen werden Referenznetze für strukturschwache Regionen gebildet, mit deren Hilfe 

eine modellgestützte Evaluation von ausgewählten technischen Maßnahmen zur Stabilisierung 

des Lastganges in Nieder- und Mittelspannungsnetzen durchgeführt wird. Parallel dazu finden 

die Beschreibung typischer Prozesse und die Abhängigkeit der dazugehörigen Aufwände von 

der EEG-Durchdringung durch die Modellierung der Transaktionskosten statt. Dabei sollen 

betriebswirtschaftliche Lösungsvorschläge erarbeitet werden. Auf deren Basis werden Benchmarks 

für regulatorische Anreiz-Systeme abgeleitet und Vorschläge für Veränderungen der gegenwärtigen 

Regulierungspraxis erarbeitet. Die Studie wird in Zusammenarbeit mit FH Lausitz durchgeführt 

und dient als der Stärkung der Forschung an den Fachhochschulen. 

Modellgestützte Regelung von Brennstoffzellen 7 

Wegen ihrer hohen Wirkungsgrade bei der Energiewandlung (neben weiteren Vorteilen wie 

Geräuscharmut, geringe Emissionen, ideale Voraussetzungen für Kraft-Wärme-Kopplung und 

effizientem Teillastbetrieb) besitzen Brennstoffzellen ein großes Zukunftspotenzial. Kombiniert 

mit der energetischen Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen als Brennstoff ist es möglich, 

ein System mit einer hocheffizienten und nachhaltigen Elektroenergieerzeugung auf der Basis 

erneuerbarer Energiequellen zu schaffen. 

In der Kombination aus Sensoren und Aktoren liegt die Möglichkeit der Automatisierung der 

BZ-Prozesse. Nach der Auslegung der Sensorik und Aktorik sowie einer Zentralsteuerung (siehe 

Abbildung 3.22) in den vorherigen Jahren wurde letztere nun zu einer modularen und modellgestützten 

Zentralregelung (siehe Abbildung 3.23) erweitert. Der modulare Aufbau ermöglicht 

eine einfachere Entwicklung und Testung der Einzelsysteme, Steueralgorithmen können so ohne 

Gesamtanlage realisiert werden. Um eine optimierte Betriebsführung mit bedarfsgerechter Anpassung 

der Gesamtanlage zu ermöglichen, werden Softwaremodelle in einem Modul der Regelung 

eingesetzt, welche beispielsweise den Feuchtehaushalt simulieren oder die Messwerte analysieren 

und auswerten und der Zentralregelung somit wichtige zusätzliche Informationen zu den reinen 

Messsignalen zur Verfügung stellen. 

Drei weitere Module dienen zur Versorgung der Medienkreisläufe der Brennstoffzellenanlage 

und werden in der Zentralsteuerung zusammengeführt. Ein fünftes Modul überwacht die Systemparameter 

und erkennt Fehlerzustände welche z. B. Notfallmaßnahmen bedingen und bis 

zur Notabschaltung der Anlage führen können. Außerdem bietet die Zentralsteuerung eine 

Schnittstelle für den Benutzereingriff und eine Fernsteuerung an. 


7 von Dipl.-Ing. Paul A. Bernstein 

59

3 Forschung 

Gasaufbereitung 

H2 

Luft 

Niederspannung 

Brennstoffzellensystem 

100 A (DC) 

Hochsetzsteller 

Energiekonditionierung 

= 

~ 

230 V 

50 Hz 

dezentrale 

Regelung (SPS) 

dezentrale 

Regelung (SPS) 

dezentrale Regelung (Microcontroller) 

Zentralsteuerung 

Datenverarbeitung/-aufzeichnung 

Abbildung 3.22: Dezentrales Steuerungskonzept mit Zentralsteuerung 

Zentralregelung 

(modular und modellgestützt) 

Modul 

Modelle 

Modul 

O2-Versorgung 

Modul 

H2-Versorgung 

Modul 

Kühlung 

Modul 

Sicherheit 

• Wasserbilanz 

• Stromdichte 

• Zellspannung 

• Wissensbasierte 

Diagnose 

• Zusätzliche 

Messwerte 

• Berechnung 

Luftmassenbedarf 

• Regelkreis 

Kompressor 


Befeuchtung 


H2-Druck 


Rezirkulation 

• Purging 


Kühlwasserpumpe 


Wärmetauscher 

• Überwachung 

von Systemparametern 

• Diagnose 

• Erkennung 

von Fehlern 

• Notfallmaßnahmen 

Abbildung 3.23: Intelligente, modellgestützte Zentralregelung mit 5 Untermodulen 

60


Dynamic Energy Management System for Complex Infrastructures (ViERforES II) 8 

Durch steigende Energiekosten in einem Unternehmen gewinnt das Thema „effizientes Energiemanagement“ 

immer mehr an Bedeutung. Mithilfe der Einführung eines Energiemanagementsystems 

(EMS) in einem Unternehmen sollen zukünftig Kostenreduzierung bzw. -kontrolle sowie die 

Einhaltung von rechtlichen Vorschriften erreicht werden. In Rahmen des Projektes „ViERforES 

II“ wurde ein neuartiges dynamisches Energiemanagementsystem (DEMS) entwickelt, um die 

kontinuierliche Überwachung, Steuerung und den Schutz von Systemkomponenten (Energieverbraucher, 

Energieerzeuger und Energiespeicher) der komplexen Infrastrukturen zu realisieren. 

Als Pilotimplementierung (Live-Demonstrator) wurde das entwickelte dynamische Energiemanagementsystem 

am „Virtual Reality and Trainings Center“ (VDTC) Gebäude vom Fraunhofer 

Institut IFF Magdeburg umgesetzt und getestet. Das entwickelte DEMS setzt die im internationalen 

Standard ISO 50001 definierten Anforderungen um, und bietet darüber hinaus zusätzliche 

Funktionalitäten, um die neuen Anforderungen einer komplexen Infrastruktur mit dynamischem 

Steuerungspotenzial zu gewährleisten: 

• IKT-Schnittstellen zur Integration von regenerativen Energieerzeugern, steuerbaren Lasten, 

elektr. Speichern, 

• Echtzeit-Monitoring der Systemkomponenten, 

• Dynamische Vorhersagen der Energieerzeugung, des Stromverbrauchs und der Verfügbarkeit 

von mobilen Speichern, 

• Dynamische Steuerung von Systemkomponenten (ökonomisch und ökologisch orientiert). 

Diese Teilsysteme und Funktionen werden innerhalb des Gesamtsystems in einer Infrastruktur 

vernetzt und betrieben. Dabei werden Hardwarekomponenten in Gruppen aufgeteilt: Energieverbraucher 

(steuerbare und nichtsteuerbare Energielasten); Speichertechnologien (stationäre/mobile 

elektrische Speicher und notwendige Ladeinfrastruktur); Energieerzeuger (Mix aus erneuerbaren 

und konventionellen Energiequellen), deren Messtechnik über eine IKT-Infrastruktur miteinander 

verbunden wurden. 

Abbildung 3.24: Arbeitsphasen des dynamischen Energiemanagementsystems (DEMS) 

Das Software-System, bestehend aus einer drei-Schichten-Architektur (Datenhaltung, Anwendungslogik 

und Benutzeroberfläche) kommuniziert über entsprechende IKT-Schnittstellen (GLT) 

mit den Systemkomponenten. Das dynamisches Energiemanagementsystem bietet drei verschiedene 

Funktionsbetriebe: Online-Monitoring (Überwachung des Systems), Vorhersage und Steuerung 

(siehe Abbildung 3.24). Der Online-Monitoring-Funktionsbetrieb ermöglicht eine echtzeitfähige 

Zustandsüberwachung der Systemhauptkomponenten, wie beispielsweise die Darstellung der 

8 von M. Sc. Natalia Moskalenko, Dr.-Ing. Pio Lombardi, Dr.-Ing. Przemyslaw Komarnicki 

61

3 Forschung 

aktuellen Stromverbräuche (z. B. Gesamtstromverbrauch, Stromverbrauch der Klima- und Lüftungsanlage, 

usw.) und einer wetterbedingten regenerativen Energieerzeugung. Diese Daten 

bilden die Grundlage für den Vorhersagebetrieb. 

Im Vorhersagebetrieb werden die zukünftigen Zustände der Systemhauptkomponenten prognostiziert 

(siehe Abbildung 3.25)) und anhand dieser Informationen die optimale Arbeitsweise für die 

Komponenten des kommenden Tages berechnet. Um das Steuern von Geräten zu ermöglichen 

und zu verbessern, ist es wichtig die Komponenteneigenschaften für das nächste Zeitintervall 

zu bestimmen. Die Prognosefunktionen ermöglichen die Berechnung des künftigen operativen 

Status der Hauptsystemkomponenten, d. h. die Vorhersage des gesamten Stromverbrauchs (mit 

einer durchschnittlichen prozentuale Abweichung (MAPE) etwa 5 %), der Energieerzeugung aus 

erneuerbaren Energiequellen (MAPE etwa 10 %) und der Verfügbarkeit der mobilen elektrischen 

Speicher (MAPE etwa 9 %). Basierend auf dieser Analyse werden die optimalen Betriebsabläufe 

jedes Elementes für das nächste Zeitintervall berechnet. 

Abbildung 3.25: Vorhersage von zukünftigen Zuständen der Systemkomponenten. (KNN -– Künstliche 

Neuronale Netze) 

Der Steuerungsbetrieb verwendet die Daten aus der Vorhersage und vergleicht diese mit den 

Echtzeitdaten des Systems. Ausgehend von diesem Vergleich berechnet das DEMS die optimalen 

operativen Steuerungsalgorithmen für das nächste Zeitintervall. Die Steuerungsalgorithmen setzen 

den Ablaufplan für alle Systemkomponenten, welche von aktuellen Stromtarifen oder Umweltbedingungen 

abhängig sind, um. Die echtzeitfähigen Steueralgorithmen ermöglichen zusätzlich 

die Reduktion von Lastspitzen (und der entsprechenden Kosten). Für den Steuerungsbetrieb 

wurden zwei Strategien entwickelt - ökonomisch und ökologisch. Der Hauptunterschied zwischen 

diesen beiden Strategien liegt in der Definition der Zielfunktion. Die wirtschaftliche Strategie 

hat als Ziel die Stromkosten abhängig von Stromtarifen zu minimieren; die Zielfunktion der 

ökologischen Strategie fokussiert sich auf die CO 2 -Emissionsreduktion. Als Unterfunktionen 

ermöglichen beide Strategien die Lebensdauer des Speichers durch optimale Auf- und Entladung 

sowie Stromverbrauchs-Linearisierung und Lastspitzenminimierung zu verlängern. 

SeJu Seminar: Entwicklung eines Mess- und Diagnosemoduls inkl. Kontaktierung für 

Brennstoffzellen 9 

Das SeJu Seminar ist ein interaktives Seminar zwischen dem Lehrstuhl für Maschinenbauinformatik, 

insbesondere integrierte Produktentwicklung, und dem Lehrstuhl für Entrepreneurship. 

9 von Dr.-Ing. Maik Heuer, Dipl.-Ing. Michael Wenske, M. Sc. Philipp Kühne, B. Sc. Christian Rinne 

62


Im Rahmen dieses Seminars arbeiten Betriebswirtschafts- und Maschinenbaustudenten in interaktiven 

Teams zusammen und entwickeln gemeinsam einen passenden Prototypen sowie einen 

bankreifen Businessplan für eine reale Geschäftsidee. Der Lehrstuhl für elektrische Netze und alternative 

Elektroenergiequellen hat im Sommersemester 2013 an dem Seminar als Projektpartner 

unter dem Namen „messBar“ teilgenommen. Ziel der Seminarteilnehmer war es, ein Mess- und 

Diagnosemodul inklusive Kontaktierung für Brennstoffzellen im Prototypenstatus zu entwickeln. 

Durch enge Zusammenarbeit der Studenten untereinander und dem Team des LENA-Lehrstuhls 

konnte ein erster Prototyp entwickelt werden. 

Abbildung 3.26: Kontaktarm für die BZ, sowie Darstellung des Auswertungsmoduls 

Die Abbildung 3.26 zeigt die von den Studenten entworfenen Kontaktarm für die Brennstoffzelle 

und das Gesamtkonzept inklusive Messmodul und optionaler Visualisierung. Die Studenten vom 

Lehrstuhl für Entrepreneurship haben zum Ende des Seminars einen ausführlichen Businessplan 

vorgelegt, welcher den zukünftigen Gründern zur Verfügung gestellt wird. Dieser Businessplan 

umfasst eine Markt- und Wettbewerbsanalyse sowie einen ausführlichen Finanzplan. Alle Ergebnisse 

des Seminars wurden am Ende des Semesters vor Professoren, Ideengebern und Vertretern 

aus Politik und Wirtschaft präsentiert. 

Projekt Baikal: Fertigung und automatisierter Test von Membranen für Brennstoffzellen 10 

Im Projekt Baikal forschen die Technische Universität Irkutsk und der Lehrstuhl LENA der 

Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg an der Entwicklung und Diagnose von Membranen für 

Brennstoffzellen sowie an automatisierten Testverfahren, um eine schnelle und effiziente Analyse 

der Membranen durchzuführen. Die Forschungsschwerpunkte der TU Irkutsk liegen im Bereich 

der Fertigung von Membranen mit verschiedenen Materialzusammensetzungen und Katalysatorbeladungen 

sowie der optischen „post mortem“-Analyse durch zwei- und dreidimensionale 

Aufnahmen verschiedener Mikroskope. Die Aufgaben des LENA bestehen in der Projektierung 

einer automatisierten Messumgebung zum Test verschiedener Membranen und der Integration von 

Diagnosesystemen, um während der Messung die Eigenschaften der Membranen zu quantifizieren. 

Das Schema des Teststands ist in Abbildung 3.27 dargestellt. 

Aufgrund der verschiedenen Parameter bei der Fertigung von Membranen wurde ein effizienter 

Messablauf entwickelt, damit mit möglichst wenigen Messungen die unterschiedlich konfigurierten 

Membranen verglichen und eine Bewertung für detailliertere Messungen vorgenommen werden 

kann. Dazu wurden die wesentlichen Einflussparameter zur Charakterisierung von Membranen 

10 von Dr.-Ing. Maik Heuer 

63

3 Forschung 

hydrogen storage 

metal hydride 

hand valve 

load 

electrolyzer 

safety valve 

air filter 

air compressor 

MFC 

MFC 

heater & 

humidifier 

heater & 

humidifier 

p ϕ T 

I 

single cell 

25 cm² 

p ϕ T V p T 

p 

T 

purge valve 

exhaust 

EIS 

Abbildung 3.27: Systemkonzept zur Analyse von Membranen 

im Betrieb bestimmt und die oberen und unteren Betriebsgrenzen definiert, für die ein sicherer 

und stabiler Betrieb erforderlich ist (siehe Abbildung 3.28). Es wird davon ausgegangen das ein 

stabiler Betrieb an den Grenzbereichen einen stabilen Betrieb innerhalb der Grenzen zulässt. 

gas temperature [°C] 

80 

stochiometry [-] 

ΔI/(I nom · s) [%/s] 

50 

10 

20 

1.05 

3.0 

100 

0 0.4 

1.0 

gas humidity [%] 

current density [A/cm²] 

Abbildung 3.28: Betriebsgrenzen verschiedener Parameter für die entwickelten Membranen 

Nach der Fertigstellung der Messumgebung erfolgt die Durchführung von Messungen zur Potenzialabschätzung 

verschieden konfigurierter Membranen. Aus den besten Membranen wird dann 

ein Mehrzeller aufgebaut und das langfristige Verhalten untersucht. 

Brennstoffzellen-USV: Zuverlässige und effiziente Stromversorgung für Kommunikationsund 

Mobilitätssysteme 11 

Das Verbundprojekt befasst sich zusammen mit dem Industriepartner mit der Entwicklung und 

Analyse einer Unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) auf Basis einer PEM-Brennstoffzelle. 

Das Projektziel ist die Analyse der einzelnen Systembestandteile bestehend aus Verfahrenstechnik, 

Brennstoffzelle, Leistungselektronik, Steuerung und Gehäuse für den Einsatz als USV 

und die Implementierung sowie Erprobung von anwendungsabhängigen Betriebsstrategien. Die 

Funktionalität der USV für den Outdoor-Betrieb wird an einem aufgebauten Funktionsmuster 

getestet. 

Im Berichtszeitraum wurde das Systemkonzept des USV-Systems durch einen schaltbaren Bypass- 

Wechselrichter erweitert (siehe Abbildung 3.29), um im Normalbetrieb die zweifachen Wandlungsverluste 

über den 48 V Zwischenkreis zu umgehen und den Standby-Verbrauch der Anlage 

11 von Dr.-Ing. Maik Heuer 

64


zu minimieren. Im Netzausfall erfolgt innerhalb von weniger als 10 Millisekunden die Umschaltung 

auf den Zwischenkreis. Die Brennstoffzelle erreicht in 15 Sekunden die Nennleistung. In 

der Zwischenzeit wird die Last von der Batterie versorgt. Der Funktionstest und die Kommunikationsprüfung 

der einzelnen Komponenten sind erfolgt. Im nächsten Schritt folgen die 

Implementierung der Komponenten in das Outdoor-Gehäuse und der Test der entwickelten 

Betriebs- und Sicherheitsroutinen. Anfang 2014 wird die Anlage außen aufgestellt, um bei winterlichen 

Umgebungstemperaturen durch simulierte Netzausfälle und Netzstörungen regelmäßig 

die USV-Funktion der Anlage und das Verhalten der Brennstoffzelle bei tiefen Temperaturen zu 

testen. 

200 W 

1000 W 

220 V AC 

48 V DC 

1500 W 200 - 1500 W 

350 W 

Abbildung 3.29: Systemkonzept der Brennstoffzellen USV 

Aufgrund geringer Netzausfallzeiten von durchschnittlich 15 Minuten pro Jahr in Deutschland 

kann die Betriebsdauer und Anzahl der USV-Einsätze sehr gering sein. Unter Umständen kommt 

das System mehrere Jahre nicht zum Einsatz. Um die sichere Funktion der Brennstoffzelle als 

Energielieferant im USV-Betrieb auch nach Jahren zu gewährleisten, wurde eine Brennstoffzelle 

nach über zwei Jahren Stillstand gestartet. Die Abbildung 3.30 zeigt die Spannungs-Strom- 

Kennlinie einer Brennstoffzelle im Jahr 2010 und 2013 für die identischen Betriebsbedingungen 

beim Hochfahren der Anlage im Nennarbeitspunkt von 100 A. Im Nennarbeitspunkt sank die 

mittlere Spannung aller Zellen von 670 mV auf 643 mV. Dies entspricht einem Leistungsverlust 

nach über zwei Jahren Stillstand von 4 %. Bei einer Leistungsreserve von 20 % ist die Sicherstellung 

der Energieversorgung durch die Brennstoffzelle im USV-Betrieb gewährleistet. Um dieses 

Leistungsverlust aufrecht zu erhalten oder zu minimieren, können ein turnusmäßiger Betriebstest 

zur Aktivierung der Membran oder die Abdichtung der Zelle mit einem Inertgas zur Vermeidung 

von alterungsbedingten Nebenreaktionen erfolgen. 

Das Projekt ADELE 12 

Mit Hilfe von Netzmodellen und entsprechenden Jahressimulationen innerhalb des Transportnetzes 

lassen sich die Folgen des deutlichen Anstiegs der an das Netz gekoppelten Leistungen 

installierter Erzeugungsanlagen wesentlich besser einschätzen und der Einsatz von Flexibilitätsoptionen 

– mit dem Schwerpunkt Speicher – nachvollziehen. Insbesondere zielt das Projekt ADELE 

auf die Integration eines adiabaten Druckluftspeichers (siehe Abbildung 3.31), der weltweit 

ersten Pilotanlage, geplant für die Installation im Umland von Magdeburg. Das Projektkonsortium 

besteht aus Vertretern der Maschinenbauindustrie, der Elektroenergieerzeugung, des 

Übertragungsnetzbetriebes und der Forschung. 

12 von Dipl.-Ing. Christian Röhrig 

65

3 Forschung 

Abbildung 3.30: Vergleich der U-I-Kennlinie der Brennstoffzelle nach einer Stillstandszeit von 

über zwei Jahren. 

Abbildung 3.31: Schematischen Aufbau einer unterirdischen adiabaten Druckluftspeicheranlage 

(Quelle: www.dlr.de) 

66


Der Lehrstuhl LENA trägt in diesem Projekt die Verantwortung für die netztechnische Simulation 

und Einflussbewertung der Speichertechnologie sowohl an mehreren Standorten integriert als 

auch mit unterschiedlichen Leistungsstufen (0,26 GW bis 5 GW). Zur Simulation der definierten 

Integrationsszenarien dient die statische Lastflussanalyse in 1-Stunden-Schritten für das Jahr 2023 

(siehe Abbildung 3.32). In diesem Simulationszeitraum werden drei Ausbaustufen des Speichers 

hinsichtlich des Einflusses auf den Netzbetrieb untersucht. Die statischen Netzsimulationen 

werden am LENA ausgeführt bzw. ausgewertet und durch einen Übertragungsnetzbetreiber als 

Projektpartner begleitet. 

Im Hinblick auf die Systemregelung und die Systemstabilität werden die dynamischen Eigenschaften 

der adiabaten Speichertechnologie bezüglich deren Einflusspotentials hin untersucht. 

Eine separate, dynamische Untersuchungsreihe analysiert das Zeitverhalten des Speichers. Dabei 

nimmt das Vermögen der Speicherart zur Lieferung von Regelleistung im Bereich der Primär- und 

Sekundärreserve eine besondere Bedeutung ein. Zu diesem Zweck ist ein dynamisches Speichermodell 

entwickelt worden, das in kaskadierter Form und unter Berücksichtigung der statischen und 

zeitabhängigen Parameter des Speichersystems die Aktivierung zur Erbringung von Regelleistung 

nachbildet. Neben den technischen Fragestellungen werden Analysen zu den organisatorischen 

Voraussetzungen mit dem Hintergrund des Unbundlings durchgeführt, die zum Betrieb eines 

Speichers im elektrischen Netz, unter der Berücksichtigung verschiedener, beteiligter Akteure, wie 

Netzbetreiber und Energiehändler sowie eines möglichen Speicherbetreibers notwendig sind. 

Abbildung 3.32: Schema der Methodik für den Vergleich der netztechnischen Untersuchungsszenarien 

Der EEnergy Abschlusskongress 13 

Das in 2008 ins Leben gerufene Programm „E-Energy – IKT-basiertes Energiesystem der Zukunft“ 

wurde in 2012 erfolgreich beendet. Die ausgewählten Modellregionen haben am 17./18.01.2013 im 

Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie in Berlin ihre Forschungsergebnisse vorgestellt. 

Während das Spektrum der smarten Lösungen innerhalb der Modellregionen von der praktischen 

Umsetzung der Grundlagen zu Demand-Side-Integration bis hin zur Modellierung eines virtuellen 

Kraftwerkes verlief, haben die Modellregionen neben der erfolgreichen theoretischen Lösungserarbeitung 

und Umsetzung von Integrationskonzepten, ein hohes Maß an wissenschaftlicher und 

praktischer Erfahrung gesammelt. 

Das Individuum Mensch ist in der erfolgreichen Nutzung von Smart Grids ein wesentlicher Einflussfaktor, 

was die zahlreichen Feldtests bezeugten. Vertreter aus Politik, Wirtschaft und Wissenschaft 

13 von Dipl.-Ing. Christian Röhrig 

67

3 Forschung 

nutzten die Möglichkeiten der facettenreichen Darstellung ihrer in den 6 Modellregionen gesammelten 

Erfahrungen. Der Lehrstuhl LENA war neben Verteil- und Übertragungsnetzbetreibern, 

Elektronikindustrievertretern weiteren Forschungseinrichtungen, und Erzeugungsanlagenbetreiber 

als Konsortialpartner in der regenerativen Modellregion Harz – RegModHarz integriert. 

Im Fokus stand dabei die Untersuchung des elektrischen Netzes innerhalb der Modellregion, da 

neben der aktuellen Netzbelastung weitere Zukunftsszenarien simulativ auf den Einfluss steigender 

Anteile regenerativer Erzeugung untersucht wurden. Lösungen im Sinne des zukünftigen 

Smart Grid, wie das Freileitungsmonitoring, welches zur wetterabhängigen Belastungsindikation 

von Freileitungen genutzt werden kann, sowie die netzgeführte Betriebsweise des in der Region 

vorhandenen Pumpspeicherkraftwerkes wurden simulativ erprobt und Vorschläge erarbeitet, wie 

mit Hilfe zukünftiger Integrationsansätze die effiziente Netznutzung bei zukünftig installierten 

Erzeugungsleistungen unter der Maßgabe eines sicheren Netzbetriebes, bei gewohnter Netzzuverlässigkeit 

erhalten werden kann. So ergab die Untersuchung, dass beispielsweise der Netzbetrieb, 

welcher derzeit bereits Abregelvorgänge des Erzeugungsmanagements bei zu hoher Einspeiseleistung 

erfordert, bei Nutzung des Freileitungsmonitorings bis zum Jahr 2020 einen nahezu 

abregelungsfreien Netzbetrieb gewährleisten könnte. Damit würde das Integrationspotential an 

erneuerbarer Energie um mehr als 60 % gegenüber dem angesetzten Ausgangszustand in 2008 

erhöht werden. 

Weitere Erfolge wurden mit der Integration des weltweit ersten PMU-Monitoringsystems in öffentlichen 

Verteilungsnetzen erzielt. Innerhalb des 110 kV-Netzes wurden 10 Messeinheiten integriert, 

welche ihre Synchrophasor-Messdaten sekundengenau über die kommunikative Anbindung an 

einen Messdatenserver an der OvGU senden und über eine eigens entwickelte Applikation in einer 

speziellen Datenbank gespeichert werden. Mit Hilfe einer Visualisierungssoftware können die 

Daten über eine Online-Applikation autorisiert fernausgelesen werden und ausgewertet werden. 

Das E-Energy-Programm wird als Anstoß weiterer zukunftsweisender bundesweit geförderter 

Projekte betrachtet. Zu diesem Zweck kann die in RegModHarz erschaffene Messinfrastruktur in 

möglichen Anschlussvorhaben weitere Nutzung finden. 

Abbildung 3.33: Herr Ludwig Karg (3. von rechts) und Prof. Styczynski mit der Magdeburger 

Gruppe vom LENA und vom Fraunhofer IFF in der Lobby des Bundeswirtschaftsministeriums 

68


Projekt: ESPEN - Potentiale elektrochemischer Speichern in elektrischen Netzen in 

Konkurrenz zu anderen Technologien und Systemlösungen 14 

Die Wirtschaftlichkeit, Stabilität und Zuverlässigkeit der Stromversorgung hängt heute von der 

Dominanz relativ weniger, großer und leistungsstarker Kraftwerke, einer großen Reservekapazität 

von schnell aktivierbaren Spitzenlastkraftwerken, der Inertia elektromechanischer Synchronmaschinen, 

und leistungsfähigen Transport und Verteilnetzen ab, die sich durch in Europa durch einen 

hohen Vermaschungsgrad auszeichnen. Außer wenigen, großen Pumpwasserspeicherkraftwerken 

sind so gut wie keine Energiespeichereinheiten in der Stromwirtschaft im Einsatz. Diese werden 

zukünftig zunehmend notwendiger, da die Stromversorgung einem großen Wandel unterliegt. 

Die Folgerungen daraus für die Versorgungssicherheit und -stabilität werden erst mittelfristig 

zum Tragen kommen. Von besonderer Bedeutung sind dabei, die zunehmende dezentrale Einspeisung 

aus fluktuierenden erneuerbaren Energiequellen, und insbesondere die Zunahme von 

Wechselrichtern statt Synchronmaschinen für die Einspeisung führt zu einer neu zu denkenden 

Energiesystemstruktur. 

Das Projekt ESPEN- Potentiale elektrochemischer Speichern in elektrischen Netzen in Konkurrenz 

zu anderen Technologien und Systemlösungen konzentriert sich daher auf die Frage, 

welche elektrochemischen Speicher geeignet sind, einen Beitrag zur Wirtschaftlichkeit, Stabilität 

und Sicherheit der zukünftigen Stromversorgung (Kraftwerkspark und Netze) im Vergleich zu 

anderen Technologien und Systemlösungsansätzen zu leisten. Die Ergebnisse erlauben dann die 

Erstellung eines Leitfadens für die weiteren technischen Entwicklungsschritte zu erstellen und 

Anpassungen der technischen und wirtschaftlichen Rahmenbedingungen vorzuschlagen. Ziel ist, 

den wirtschaftlichen Einsatzbereich von elektrochemischen Energiespeichern zu maximieren. 

Andere Energiespeicher, insbesondere thermische und stoffliche Speicher, Pumpwasser- und 

Druckluftspeicher müssen deshalb ebenfalls betrachtet werden, um die Anwendungsgrenzen für 

elektrochemische Speicher identifizieren zu können. Das Projektkonsortium beschäftigt sich im 

Rahmen dieses Verbundprojektes vorrangig mit der Modellierung von generischen Niederspannungsnetzstrukturen, 

um die Einflüsse von Speicher auf die Versorgungssicherheit insbesondere 

durch eine zunehmende Installation von kleinen Photovoltaik-Systemen zu untersuchen. Hierzu 

werden sowohl städtische als auch vorstädtische und ländliche Netzgebiete nachgebildet. 

Abbildung 3.34 zeigt dazu ein Beispiel in einem ländlichen Netz für eine Leitung, die durch 

eine hohe PV-Penetration in einem Szenario 2033 hoch belastet ist. Durch den Einsatz des 

Speichers reduziert sich die Auslastung, wenn der Betrieb netzgeführt ausgelegt ist. Im Weiteren 

erfolgt in diesem Projekt eine Betrachtung der Unsymmetrie im elektrischen Netz aufgrund der 

zahlreichen Einzelkomponenten. Durch entsprechende Szenarien werden die relevanten Grenzfälle 

untersucht. 

Neben der Untersuchung zur optimalen Integration von Speichern in und deren Rückwirkung 

auf das elektrische Netz werden die rechtlichen und technischen Rahmenbedingungen für kleine 

dezentral verteilte Speichereinheiten betrachtet. Dabei werden Themen der Systemdienstleistungen 

und des Informationsaustausch zwischen den einzelnen Akteuren untersucht. Ausgehend 

von der Ist-Analyse sollen im Kontext der Simulationsergebnisse Ansätze für die Anpassung der 

Rahmenbedingungen erarbeitet werden, um den technisch notwendigen Einsatz von Speichern 

bei steigendem Anteil regenerativer Energien wirtschaftlich zu ermöglichen. 

14 von Dr.-Ing. Martin Stötzer 

69

3 Forschung 

HäufigkeitdderdAuslastungdvondLeitungd27 

8 

7 

2012 2033dOhnedSpeicher 2033dMitdSpeicher 

LW 

6 

LW 

Häufigkeitd[O] 

5 

4 

3 

2 

1 

+ - 

SP01 

LW 

LW 

LW 

+ - 

0 

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 

Betriebsmittelauslastungd[O] 

Hausanschluss 

Landwirtschaft 

PV-Anlage 

SP02 

(a) Häufigkeit der Auslastung von Leitung 27 

(b) ländlich geprägtes Netzgebiet 

Abbildung 3.34: Vergleich der Leitungsauslastung durch den netzgeführten Einsatz von Speichern 

in einem ländlich geprägten Netzgebiet 

Projekt SecVer – Sicherheit und Zuverlässigkeit von Verteilungsnetzen auf dem Weg zu 

einem Energieversorgungssystem von morgen 15 

Im Vorhaben SECVER fokussieren sich die Projektpartner auf eine Ausarbeitung eines neuen 

Mess- und Auswertungsverfahrens zur Stabilisierung des Netzbetriebes bei einer hohen lokalen 

erneuerbaren Erzeugung. Zunächst werden Algorithmen und Systeme für ein übergreifendes Monitoring 

der Verteilnetzebene und deren vollständige Beobachtbarkeit unter Anwendung digitaler 

Messtechnologien entwickelt. Hierbei wird auf grundlegende Erkenntnisse aus dem E-Energy- 

Projekt Regenerative Modellregion Harz (RegModHarz) zurückgegriffen und weiterentwickelt. 

Unter anderem wurde hier der Prototyp eines zeitsynchronen, hochgenauen Monitoring-Systems 

im Verteilungsnetz geschaffen, der als ein Ausgangspunkt für das hier beschriebene Vorhaben 

dient. Im Fokus steht dabei das übergreifende Monitoring im Kontext der Steuerbarkeit ausgewählter 

Erzeugungsanlagen und Lasten, welches insbesondere zur Regelung der Spannung und des 

Blindleistungshaushaltes im Bereich der Verteilungsnetzebene der 110 kV und der Mittelspannung 

dient. 

Abgeleitet aus den Erkenntnissen der zeitsynchronen Messung und Datenverarbeitung können 

bestehende steuerungstechnischen Maßnahmen/Regelwerke zur sicheren, zuverlässigen Führung 

von Verteilungsnetzen erweitert werden. Es werden somit die Potenziale untersucht, in wie 

weit die Koordination der Spannungsregelung unter der Randbedingung des Einflusses hoher 

Volatilität der regenerativen Erzeugung in einem lokalen Netzgebiet der Verteilungsnetzebene 

durch hochaufgelöste Messungen durchgeführt werden kann. Als sensorische Elemente finden 

PMUs zur Erreichung der vollständigen Beobachtbarkeit eines Netzgebietes sowie RTUs zur 

Steuerung von ausgewählten erneuerbaren Erzeugern, Lasten oder anderer Netzbetriebsmittel 

Einsatz. Die PMUs sind in den letzten Jahren weiterentwickelt (letztes Normupdate 2011, 

Beteiligung durch Partner des Projektkonsortiums) und erlauben mit weniger Messeinheiten eine 

volle Beobachtbarkeit des Netzes zu erreichen. Dieses Produkt wird inklusive der notwendigen 

Kommunikationstechnik und integrativer Leitstellenapplikationen getestet und bewertet (siehe 

Abbildung 3.35). 

15 von Dr.-Ing. Martin Stötzer 

70


Abbildung 3.35: Visualisierung zur Zielstellung des SecVer-Gesamtvorhabens 

Das Teilvorhaben der Otto-von-Guericke-Universität in dem Projekt konzentriert sich im Wesentlichen 

auf die Erarbeitung von Algorithmen zur Auswertung der zeitsynchronen Messungen. Dazu 

wird ein Netzmodell basierend auf den Vorarbeiten des RegModHarz-Projektes weiterentwickelt. 

Für die Auswertung der hochaufgelösten Netzdaten werden die kritischen Netzknoten im Hinblick 

auf deren Sensitivität der Verletzung der normgerechten Spannungs- und Betriebsmittelauslastungsgrenzen 

im Zusammenhang mit unterschiedlichen EE-Ausbauszenarien. Ausgehend von den 

entwickelten Algorithmen sollen Handlungsempfehlungen für das Leitwartenpersonal entwickelt 

und in geeigneter Form dargestellt werden. Neben den simulationstechnischen Untersuchungen 

sollen die Systeme mit den implementierten Algorithmen in einem Feldtest eingesetzt werden. 

71

3 Forschung 

SeaSecure – Integration und Parallelbetrieb von VSC-HGÜ-Anlagen zur Erhöhung der 

Beobachtbarkeit und der Systemsicherheit durch intelligente Betriebsführung 16 

Der Betrieb von Offshore-Windenergiesystemen insbesondere bei Ausführung mit mehreren 

Anschlusspunkten an das Energiesystem auf dem Festland stellt an die Netzführung besondere 

Anforderungen. Die Gleichstromübertragungen (HVDC) auf Basis von selbstgeführten Umrichtern 

(VSC) bieten ein reiches Potential für die Steuerung von Lastflüssen und die optimale Nutzung 

der auf See produzierten erneuerbaren Energie. Jedoch gibt es derzeit nur begrenzt praktische 

Erfahrung mit derartigen Systemen. 

Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es, systemübergreifende intelligente Betriebsführungsstrategien 

für VSC-HGÜ-Systeme zu entwickeln, die einerseits eine optimale Nutzung z. B. von Offshore- 

Windenergie ermöglichen und andererseits die hohe vorhandene Systemsicherheit und Stabilität 

des gesamten Europäischen Netzes weiterhin gewährleisten (siehe Abbildung 3.36). 

Abbildung 3.36: Optimale Anbindung und Betriebsstrategien von Windparks durch Weitbereichserfassungssysteme 

Mit Hilfe von Software-Simulationen wurde zunächst der Parallelbetrieb von AC- und DC-Netzen 

im Verbund analysiert und die netzstützende Wirkung im statischen Fall ausgewertet. Für die 

dynamischen Simulationen sind im Vorfeld Fehlerszenarien definiert worden. Unter anderem 

wurde auch das Frequenzverhalten bei einer großräumigen Auftrennung eines ENTSO-E-ähnlichen 

Beispielnetzes in zwei Sektoren zunächst ohne und anschließend mit HGÜ-Systemunterstützung 

untersucht (siehe Abbildung 3.37). 

Zur Analyse weiterer Auswirkungen auf die Netzstabilität erfolgen weitere Schritte der Projektpartner 

parallel zueinander. Ein umfangreicher Test dieses Messsystems ist mit Hilfe des an 

der OvGU entwickelten HGÜ-Labormodells möglich. Im Fokus stand hierbei der Aufbau einer 

VSC-HVDC-Strecke im Labormaßstab (kW-Bereich). Durch eine modellhafte Nachbildung einer 

Punkt-zu-Punkt-Anbindung eines Offshore-Übertragungssystems (siehe Abbildung 3.38) können 

verschiedene repräsentative Testszenarien, wie zum Beispiel schnelle Richtungsänderungen der 

Leistungsflüsse oder Fehlerfälle durchgeführt, messwerttechnisch erfasst und analysiert werden. 

Auf diese Weise ist u. a. die Validierung der entwickelten DC-Messeinrichtung auf Ihre Funktionalität 

und Genauigkeit hin möglich. Darüber hinaus können mit Hilfe des Modells Ergebnisse aus 

16 von Dipl.-Ing. Steffen Rabe, M. Sc. Marc Richter 

72

Frequenz [mHz] 

Frequenz [mHz] 


800 

600 

400 

200 

0 

-200 

-400 

-600 

-800 

-1000 

-1200 

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 

Zeit [s] 

(a) ohne HVDC-Stützung 

100 

50 

0 

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 

-50 

-100 

-150 

Zeit [s] 

(b) mit HVDC-Stützung 

Abbildung 3.37: Frequenzverhalten bei großräumiger Netztrennung 

praktisch implementierten Testszenarien ergänzend zu den Softwaresimulationen für die Entwicklung 

neuer Betriebsstrategien gewonnen werden. Besondere Herausforderungen liegen deshalb in 

erster Linie im Erreichen eines authentischen Betriebsverhaltens des skalierten Systems. Durch 

übertragene Topologien, mathematische Skalierungsansätze und spezialangefertigte Komponenten 

soll es dem einer realen VSC-basierten HGÜ-Anlage weitestgehend nahe kommen. 

3~ 

AC 

V AC = 380V 

V DC = ±300V 

3~ 

AC 

V AC = 380V 

P max = 1 kW 

Abbildung 3.38: Schematischer Aufbau des HVDC-Labormodels 

Die Schwerpunkte der weiteren Forschung liegen u. a. in der technischen Umsetzung einer 

optimalen Betriebsführung des Gesamtsystems. Nach Integration noch ausstehender Peripheriekomponenten, 

beispielsweise von Filtern, können anschließend intensive Tests gestartet werden. 

Projekt „Baikal“ -– Smart Grid for the Energy Efficient Power System of the Future 17 

Das Hauptziel des Projekts „Smart Grid for the Energy Efficient Power System of the Future“ 

(auch bekannt als Baikal-Projekt) ist es, eine Forschungsinfrastruktur im Bereich der 

17 von M. Sc. Natalia Moskalenko, Dr.-Ing. Pio Lomarbdi, Dr.-Ing. Pio Lombardi 

73

3 Forschung 

Stromerzeugung, Energieeffizienz und Energieeinsparung aufzubauen. Das Projekt ist realisiert 

in Kooperation mit der National Research Irkutsk State Technical University (NR ISTU). Die 

Idee des Projekts besteht aus drei wesentlichen Aspekten: der Gründung einer Arbeitsgruppe 

aus russischen Wissenschaftlern, die sich mit den Thema Smart Grid beschäftigen; der Einführung 

einer neuen Vorlesung über intelligente Netze (Smart Grid) und dem Aufbau einer 

Labor-Infrastruktur im Bereich Photovoltaik, Brennstoffszelle und Virtual Reality. Im Einzelnen 

wurden dabei folgende Labore errichtet: 

Baikal Lab A: Laboratory A-1 Blockheizkraftwerke, Brennstoffzellen und Energiespeicher. 

Die Hauptaufgabe dieses Labors ist die Automatisierung der Prüfung von Membranen für 

Brennstoffzellen sowie die Forschung und Entwicklung von Bio-Membran mit einer längeren 

Lebensdauer (siehe Abbildung 3.39a). 

Baikal Lab B: Laboratory B-1 und B-2: Simulation zur Optimierung, Beobachtbarkeit und 

Steuerung von Smart Grids In diesen Laboren sind 15 Arbeitsplätze eingerichtet, die mit modernen 

Rechnern inklusive Berechnungsprogrammen, wie MATLAB ® oder PSS Sincal ® ausgestattet 

sind (siehe Abbildung 3.39b). 

Baikal Sub-Lab B-3: 3D-Netzplanung Durch dieses Labor lernen die Studenten Smart Grid 

Thematiken aus unterschiedlichen Perspektiven kennen. Die folgenden Szenarien (Werkzeuge) 

sind zurzeit verfügbar (siehe Abbildung 3.39c): 

• S1: Planung von Netzen (Freileitungssystem) 

• S2: Wartung von Transformatoren 

• S2: Planung und Wartung von Schutzrelais 

Baikal Sub-Lab B-4: PV-Labor In diesem Labor können die Studenten verschiedene PV-Module 

testen. Zusätzlich erfahren sie auch Aspekte zur optimalen Betriebsführung von PV Modulen für 

die Stromerzeugung (siehe Abbildung 3.39d). 

Baikal Lab C: C1 und C2 Laboratory – PMU, Schutzgeräte und FACTS In diesem Labor man 

kann die PMU in statischen und dynamischen Szenarien testen und zertifizieren. Die wichtigsten 

Geräte sind dabei die PARMA PMU, die Satelliten-Zeitsynchronisation (GPS, GLONASS), 

der Signal- Generator (Tabor), der Verstärker (Omicron CMS) und das Messsystem (National 

Instruments). Das Schutzlabor beinhaltet die folgenden Komponenten: Schutzeinrichtungen 

(Siemens), Schutz-Test-Set (Omicron CMC) und Software (Siemens) (siehe Abbildung 3.39e). 

Baikal Sub-Lab C-3: Smart Grid Testmodell Das Labor ermöglicht den Studenten, ihr Wissen 

über den Betrieb und die Modellierung von Smart Grids zu erweitern (siehe Abbildung 3.39f). 

Neben den Laboren wurden in Rahmen des Projekts „Baikal“ sechs Dissertationen abgeschlossen 

und mehr als 100 wissenschaftliche Arbeiten zu nationalen und internationalen Konferenzen und 

Zeitschriften veröffentlicht. 

Ein wesentliches Ergebnis des Projekts „Baikal“ ist die Unterzeichnung einer Kooperation über 

ein Doppeldiplomabkommen zwischen der Otto-von-Guericke-Universität (OvGU), der National 

Research Irkutsk State Technical University (November 2012) und der Wroclaw University of 

Technology (WrUT) und der NR ISTU (März 2013). 

74


(a) Labor A-1 Blockheizkraftwerke, Brennstoffzellen 

und Energiespeicher 

(b) Labor B-1 und B-2: Simulation zur Optimierung, 

Beobachtbarkeit und Steuerung von Smart Grids 

(c) Sub-Lab B-3: 3D-Netzplanung 

(d) PV-Labor 

(e) Laboratory C1 und C2: PMU, Schutzgeräte und 

FACTS 

(f) Sub-Lab C-3: Smart Grid Testmodell 

Abbildung 3.39: Labore des Projektes „Baikal“ 

75

3 Forschung 

Modellprojekt: Magdeburg energieeffiziente Stadt -– MD-E4 Maßnahme B2 

(Lastmanagement) 18 

Dieses Projekt läuft seit dem Jahr 2011. Der Lehrstuhl ist mit der Maßnahme „Unterstützung der 

Netzqualität durch automatisierte Verteilstationen und Lastmanagement“ (kurz Lastmanagement) 

mit anderen Partnern beteiligt. Immer mehr dezentrale Erzeuger werden in das örtliche Netz 

integriert. Durch die Maßnahme werden Konzepte und Beispiele geschaffen, die eine gewohnte 

Qualität und Stabilität der elektrischen Netze der Stadt sichern. Durch die Maßnahme können 

bestehende Kapazitäten besser genutzt werden. Leistungsflüsse im Netz können optimiert und 

dadurch ein eventueller Netzausbau vermieden werden. 

Die Maßnahme läuft planmäßig, wobei die erste und zweite Phase: („Analyse der Anforderungen 

und Potentiale“ und „Entwicklung von Konzepten und Modellen“) abgeschlossen sind. Die dritte 

Phase, die die Umsetzung beinhaltet, ist bereits in der Vorbereitung bzw. Bearbeitung. 

Im Konsortium wurde beschlossen, zunächst die Realisierung im Hochschulnetz vorzunehmen. 

Dazu wurde ein Standort ausgewählt, der der zukünftigen Netztopologie im Netz der Stadt (SWM) 

nahe kommt. Durch die Wahl dieses Schrittes wird das Risiko des Umbaus von Stationen innerhalb 

der Versorgung der Verbraucher minimiert. Für dieses Ziel wurden im vergangenen Jahr Hersteller 

für Messtechnik kontaktiert. Aufgrund von positiven Erfahrungen mit ihren Produkten wurde 

die Firma „Wago“ ausgewählt. Durch die Zusammenarbeit und aktuelle Anlässe sind innovative 

Produkte entstanden, wie z. B. eine spezielle Messklemme für die Erfassung von Zuständen 

elektrischer Netze. Die neue Klemme wird für den Einsatz in unserem Lehrstuhl vermessen. 

Derzeit liegt ein konkretes Angebot bei der SWM zur Prüfung, wobei der Standort innerhalb der 

Universität unstrittig ist. Zudem ist er bereits mit der zuständigen Abteilung abgestimmt. Der 

Einbau der Technik erfolgt durch die zuständige Abteilung innerhalb der Universität. Durch eine 

entsprechende Kommunikationsschnittstelle haben alle Beteiligten passwortgeschützten Zugriff 

auf die Ergebnisse. Mit dem Test sollen Erfahrungen für den späteren Einsatz innerhalb des 

Versorgungsnetzes der Stadt gewonnen werden. Bei der Umsetzung innerhalb des Stadtnetzes 

werden die SWM stärker mit einbezogen, da ein Großteil der Realisierung im Netz durch sie 

vollzogen werden muss. 

Kompetenzzentrum Energienetze und Regenerative Energien (Fraunhofer IFF und OVGU 

Magdeburg) 19 

Der Lehrstuhl Elektrische Netze und Alternative Elektroenergiequellen arbeitet wissenschaftlich 

eng mit dem Fraunhofer Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung (IFF) Magdeburg 

zusammen. Im Kompetenzzentrum Energienetze und Regenerative Energien wird in gemeinsamen, 

themenbezogenen Projekten an Lösungen zu konkreten Fragestellungen an der Schnittstelle von 

Wissenschaft und Praxis geforscht. Die Mitarbeiter des LENA beschäftigen sich zusammen mit 

Ingenieuren des Geschäftsfeldes Prozess- und Anlagentechnik (PAT) des Fraunhofer IFF mit 

der Entwicklung von effizienten und sicheren elektrischen Verteilungsnetzen mit einem hohen 

Anteil regenerativer Energiequellen. Weitere Entwicklungen befassen sich mit steuerbare Lasten 

sowie mit stetig zunehmenden stationären und mobilen Energiespeichern. Schwerpunkt ist jeweils 

der Einsatz von moderner Informations- und Kommunikationstechnologie. Die Zusammenarbeit 

wurde bereits im Rahmen der zahlreichen gemeinsamen öffentlichen aber auch industriellen 

Projekte innerhalb der letzten neun Jahren erfolgreich ausgebaut und verstärkt. Sie wird im 

Folgenden durch ausgewählten Themen vorgestellt. 

18 von Dr.-Ing. Günter Heideck 

19 von Dr.-Ing. Przemyslaw Komarnicki 

76


Ein Beispiel für eine solche erfolgreiche Zusammenarbeit ist das Kooperationsprojekt „Reg- 

ModHarz – Regenerative Modellregion Harz“ (2008–2012). Die Hauptziele dieses Teilprojekts 

waren für die Magdeburger die Entwicklung von neuen online Systemüberwachungsapplikationen. 

Diese basieren auf zeitsynchronisierten, hochpräzisen und schnellen Netzparametermessungen 

und sind für den Einsatz in Verteilungsnetzen und virtuellen Kraftwerken geeignet. Wesentliche 

Ergebnisse sind die erste europaweite praktische Implementierung von zehn Phasor Measurement 

Units (PMU) im Verteilnetz sowie die entwickelten Online-Auswertetools, die eine kontinuerliche 

und präzise Online-Überwachung des beobachteten Verteilnetzes erlauben. Daraus lassen sich 

Erkenntnisse für den weiteren Einsatz dieser Technologie gewinnen, wie z. B. eine dedizierte 

Steuerung des Verteilnetzes bzw. die Realisierung derer Komponenten. Dies wird als weiteres 

gemeinsames Ziel des Kompetenzzentrums verfolgt. 

Abbildung 3.40: Aufbau und Installation der PMU-Messeinheiten in Verteilnetz 

Ein weiteres Beispiel der stellt das Projekt „SeaPowerGrid Secure (2010–2013)“ dar. In diesem 

Projekt hat der LENA und die PAT mit Industriepartnern unterschiedliche Technologien praktisch 

sowie auch simulationstechnisch erforscht und analysiert. Das für die Planung und den 

technischen Betrieb von HGÜ-Netzstrukturen notwendige simulationstechnische Werkzeug wird 

dabei genutzt, um das Verhalten und die Auswirkungen von HGÜ-Netzen auf den Betrieb der 

Verbundsysteme zu bewerten. Diesbezüglich sind Regelalgorithmen zur Leistungsübertragung 

oder zu sicherheitstechnischen Fragen unentbehrlich. Zum einen wird untersucht, ob und in 

welchem Maße sich die Betriebsführung der Verbundnetze durch eine weitere Vermaschung 

untereinander mittels HGÜ verändert und zum anderen, wie sich auch das Verhalten im Fehlerfall 

auf die daran angeschlossenen Netze auswirkt. Damit ist eine wichtige, zu klärende Fragestellung, 

welche Betriebsstrategien für einen stabilen Betrieb des Gesamtsystems (HGÜ mit AC- 

Verbundsystem) notwendig sind – sowohl unter Normalbedingungen als auch im Fehlerfall. Hierfür 

müssen Regelalgorithmen entwickelt, getestet und optimiert werden. Diese Untersuchungen 

wurden auf Grundlage von Anforderungen an die Anschlussbedingungen der Verbundnetze, des 

Schutzsystems sowie des Betriebsführungssystems von HGÜ-Netzen durchgeführt. 

Abbildung 3.41: Offshore HVDC System mit Wide Area Synchronized Measurement (links) und 

das gemeinsam entwickelte SynDC – synchronisiertes DC Messystem (rechts) 

Die Wissenschaftler beider Einrichtungen arbeiten zusammen in Rahmen des Net2Storage Projekts 

(2013) an einer Netzstudie zur Integration von Großspeichern in Verteilnetzstrukturen für 

77

3 Forschung 

ein Unternehmen. Das Projekt befasst sich mit den ausgewählten technischen Aspekten der 

Integration von Energiespeichern in die Verteilungsnetze mit besonderem Fokus auf die 110 kV- 

Spannungsebene, ohne dabei die Umsetzbarkeit der Konzepte aus ökonomischer Sicht in einem 

realen System in Betracht zu ziehen. Dabei wird grundsätzlich der Einfluss des Speichers auf den 

Betrieb des Verteilnetzes (aus Sicht des Verteilnetzbetreibers) analysiert und eine qualitative 

Bewertung des möglichen Beitrages zur Unterstützung des Netzbetriebes durch eine Platzierung 

des Speichers im Verteilnetz durchgeführt. Unterschiedliche Szenarien werden betrachtet, die 

den Standort des Speichers (nah bzw. fern zu Verbraucher, Last oder Umspannwerk), die 

Lastsituation in dem Verteilnetz (Stark- bzw. Schwachlast), die Erzeugungssituation (Stark- bzw. 

Schwachwind und/oder PV) sowie den aktuellen Betriebsmodus des Speichers (Laden, Entladen 

oder abgeschaltet) umfassen. Basierend auf den Untersuchungen dieser ausgewählten Szenarien 

wurden mögliche Empfehlungen zur Größe bzw. Lokalisierung des Speichers im Verteilnetz 

abgeleitet. 

Durch steigende Energiekosten in einem Unternehmen, gewinnt das Thema „effizientes Energiemanagement“ 

immer mehr an Bedeutung. Mithilfe der Einführung eines Energiemanagementsystems 

(EMS) in einem Unternehmen sollen zukünftig Herausforderungen bezüglich der Kostenreduzierung 

bzw. -kontrolle sowie die Einhaltung von rechtlichen Vorschriften erreicht werden. In 

Rahmen des Teilprojektes ViERforES II (2011–2013) wurde von PAT und LENA ein neuartiges 

dynamisches Energiemanagementsystem (DEMS) entwickelt, um die kontinuierliche Überwachung, 

Steuerung und den Schutz von Systemkomponenten (Energieverbraucher, Energieerzeuger 

und Energiespeicher) der komplexen Infrastrukturen zu realisieren. Das effiziente und in Übereinstimmung 

mit der ISO 50001 entworfene Energiemanagement kann zu einer großen Energieund 

Kosteneinsparungen bei Industrie und Dienstleistungsgewerbe bzw. in Gebäudekomplexen 

führen. Aufgrund der Tatsache, dass solche Unternehmen eine große Menge an Energie 

verbrauchen (z. B. liegt der durchschnittliche Stromverbrauch ohne Heizung und Lüftung in 

Büros bei 80 kW m −2 a −1 ), führt sogar eine geringe Energieeffizienzsteigerung zu erheblichen 

Kostenersparnissen. Für solche Zwecke ist ein Energiemanagementsystem (EMS) notwendig, 

welches als eine Zusammenbindung aus Hardware und Software in einem eingebetteten System 

agiert. 

Abbildung 3.42: Dynamisches Energiemanagementsystem – Struktur und Komponenten (GLT- 

Gebäudeleittechnik) 

Das Thema Elektromobilität wurde als eine technologische Erweiterung des RegModHarz-Vorhabens 

im Projekt Harz.EE-mobility (2009-2011) bearbeitet. Dort untersuchten die Forscher des 

LENA und PAT, wie Fahrer eines Elektromobils CO 2 -neutral-erzeugte elektrischer Energie laden 

78


können und die Reichweite der Elektromobile durch eine optimale Platzierung von Ladestationen 

deutlich ausgedehnt werden kann. Der Fahrer wird entsprechend des Ladezustandes seines 

Fahrzeuges so geleitet, dass er seine Fahrstrecke unter Nutzung am Weg liegender Ladestationen 

entsprechend den aktuellen Erfordernissen arrangieren kann. Eine intelligente Lösung, basierend 

auf Informations- und Kommunikationstechnologien stimmt dabei das Angebot an regenerativen 

Energien, die Belange des Energienetzes und die Mobilitätsanforderungen der Fahrzeugnutzer 

aufeinander ab. Das Projekt setzt dabei auf offene und international standardisierte Schnittstellen, 

wie die IEC 61850 oder die IEC 61970, um die Verbreitung der erarbeiteten Technologien über 

die Modellregion hinaus zu unterstützen. 

Abbildung 3.43: Das Elektromobilitätssystem und Komponenten 

Mitarbeiter des Fraunhofers unterstützen auch die LENA-Kollegen bei der Realisierung des 

Kooperationsprojektes „Baikal – Smart Grid for the Energy Efficient Power System of the Future“ 

zusammen mit führenden russischen Universitäten, wie der „Staatlichen Technischen Universität 

Irkutsk“ (ISTU). Das Hauptziel des Projekts ist es, eine Forschungsinfrastruktur auf dem Gebiet 

der Energieerzeugung, Energieeffizienz und Energieeinsparung einzurichten. Als Forschungsthema 

sind die Entwicklung von Smart-Grid-Strategien und -technologien angenommen, welche von 

sehr hoher Bedeutung während der Umstrukturierung des russischen Energiesystems hin zu 

einem modernen, hocheffizienten Energiesystem sind. Ein weiterer Schwerpunkt ist eine Gruppe 

von Forschern mit angemessener Ausrüstung zu bilden, um nachhaltig Forschung und Lehre 

durchzuführen. Das vorgeschlagene Konzept basiert auf drei Säulen: dem der Aufbau einer 

Forschungsgruppe der russischen Wissenschaftler, der Einführung einer neuen Lehrveranstaltung 

über intelligente Stromnetze und dem Aufbau einer Labor-Infrastruktur mit vier Laboren: 

Labor 1: 

Labor 2 und 3: 

Labor 4: 

Blockheizkraftwerke, Brennstoffzellen und Energiespeicher, 

Simulation zur Optimierung, Beobachtbarkeit und Steuerung von intelligenten 

Stromnetzen, 

PMU, Schutz- und FACTS-Geräte, und die Einführung eines neuen Vortrag 

über intelligente Stromnetze. 

Abbildung 3.44: SmartGrid Forschungs- und Seminarmodel 

79

3 Forschung 

Die gemeinsamen wissenschaftlichen Ergebnisse des LENA und der PAT sind in zahlreichen 

Veröffentlichungen in nationalen und internationalen Zeitschriften und Konferenzen publiziert. 

Eine weitere Kooperation umfasst die Betreuung von studentischen Arbeiten (Master, Diplom, 

Bachelor und Forschungsprojekte), die am Fraunhofer IFF realisiert werden. 

3.2.3 Promotionen 

Dr.-Ing. Christoph Wenge: Optimaler Betrieb von mobilen Speichern im Smart Grid. 

–Mobilitätsleitwarte– 

Gutachter: 

• Prof. Dr.-Ing. Zbigniew A. Styczynski, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg 

• Prof. Dr.-Ing. Peter Zacharias, Universität Kassel 

• Dr.-Ing. Przemyslaw Komarnicki, Fraunhofer-Institut Magdeburg 

verteidigt am 12. November 2013 

Elektrofahrzeuge bieten die Möglichkeit einer Mobilität ohne lokale CO 2 -Emissionen und ohne die 

Verwendung fossiler Energieträger. Um eine uneingeschränkte Elektromobilität bei gleichzeitiger 

optimaler Nutzung regenerativer Energien zu realisieren sind Elektrofahrzeuge als steuerbare 

Lasten beziehungsweise elektrische Speicher in das elektrische Energieversorgungsnetz zu integrieren. 

Für diese „Vehicle to Grid“-Konzepte sind Informations- und Kommunikationstechnik 

(IKT) im Elektrofahrzeug, der Ladeinfrastruktur sowie im elektrischen Netz erforderlich, um 

einen Informationsaustausch zum Elektrofahrzeug und damit die Steuerung des Ladeprozesses zu 

ermöglichen. Das Management der mobilen elektrischen Speicher, der Elektrofahrzeuge, zu dem 

die Beobachtung, die Koordination, die Navigation sowie das gesteuerte Laden gehören wird von 

den Mobilitätsleitwarten realisiert. Das Gesamtsystem aus Elektrofahrzeugen, Ladeinfrastruktur 

und IKT im elektrischen Netz kann als Elektromobilitätssystem bezeichnet werden. 

Abbildung 3.45: Elektromobilitätssystem 

80


In dieser Arbeit wird das Elektromobilitätssystem mit den enthaltenen Komponenten und der 

IKT-Struktur betrachtet. Vertiefend werden, als notwendige Instrumente für die Netzintegration 

von Elektrofahrzeugen, die Schnittstellen (elektrischen und IKT) sowie die Mobilitätsleitwarte 

als übergeordnetes zentrales Managementsystem im Elektromobilitätssystem beschrieben. 

Unter Verwendung der Daten aus der Harz.EE mobility-Leitwarte erfolgte die Entwicklung 

von Simulationsmodellen für Elektrofahrzeuge. Mittels dieser erstellten Elektrofahrzeugmodelle 

lässt sich in Fallszenarien die Auswirkung von Elektrofahrzeugen im Niederspannungsnetz auf 

die Spannungsqualität untersuchen. Mit Fahrprofilen von Elektrofahrzeugen aus der Harz.EE 

mobility-Leitwarte lassen sich Methoden zur Elektrofahrzeugmodellierung für den streckenbezogenen 

Energiebedarf ableiten. Die Untersuchungen und die Ergebnisse der Arbeit im Bereich 

der Netzintegration von Elektrofahrzeugen zeigen das Potential auf, welches sich durch eine 

Standardisierung der elektrischen und der IKT-Schnittstellen im Elektromobilitätssystem ergibt 

und es wird die Realisierung eines Elektromobilitätssystems präsentiert. 

Abbildung 3.46: Gratulation an Christoph Wenge am Otto-von-Guericke-Denkmal 

Dr.-Ing. Johannes Rolink: Modellierung und Systemintegration von Elektrofahrzeugen aus 

Sicht der elektrischen Energieversorgung 

Gutachter: 

• Prof. Dr.-Ing. Christian Rehtanz, Technische Universität Dortmund 


verteidigt am 22. Februar 2013, Technische Universität Dortmund, Fakultät für Elektrotechnik 

und Informationstechnik 

Dr.-Ing. Mike Ifland: Lastmanagement privater Letztverbraucher zwischen Energiemarkt 

und Smart Grid 

Gutachter: 

• Prof. Dr.-Ing. Dirk Westermann, Technische Universität Ilmenau 


• Prof. Dr.-Ing. Rafael Mihalic, Universität Ljubljana, Slovenien 

81

3 Forschung 

verteidigt am 11. November 2013, Technische Universität Ilmenau, Fakultät für Elektrotechnik 

und Informationstechnik 

Dr.-Ing. Philip Sebastian Gronstedt: Systembasierte Integration erneuerbaren 

Energiewandlung über die Mehrwegevermarktung virtueller Pools 

Gutachter: 

• Prof. Dr.-Ing. Bernd Engel, Technische Universität Braunschweig 


• Prof. Dr.-Ing. Michael Kurrat, Technische Universität Braunschweig 

verteidigt am 11. Dezember 2013, Technische Universität Braunschweig, Fakultät für Elektrotechnik, 

Informationstechnik und Physik 



[1] M. Heuer, P. A. Bernstein, M. Wenske und Z. A. Styczynski, „Results of Current Density 

Distribution Mapping in PEM Fuel Cell Dependent on Operation Parameters“, Energies, 

Bd. 6 (8), S. 3841–3858, 2013. 

[2] K. Rudion, A. G. Orths und P. B. Eriksen, „Offshore Power System Operation Planning 

Considering Energy Market Schedules“, IEEE Transactions on Sustainable Energy, Bd. 4, 

Nr. 3, S. 725–733, 2013. doi: 10.1109/TSTE.2013.2265786. 

[3] P. Lombardi, C. Röhrig, K. Rudion, R. Marquardt, M. Müller-Mienack, A. S. Estermann, 

Z. A. Styczynski und N. I. Voropai, „Dimensioning of an A-CAES pilot installation: a study 

case“, in IEEE Transactions on Smart Grid - Special Issue on Energy Storage Applications 

for Smart Grid, 2013. 

[4] S. Balischewski, C. Wenge, C. Röhrig, P. Komarnicki und Z. A. Styczynski, „Zellenrecycling 

im stationären Batteriespeicher - Zellselektion, Speicherkonzeption und Systemtests“, in 

Tagungsband zum Power and Energy Student Summit 2013 in Bielefeld. - Bielefeld : 

Fachhochsch. 2013, S. 1–6. 

[5] X. Ma, C. Wenge, P. Komarnicki und Z. A. Styczynski, „Elektrofahrzeugmodellierung zur 

streckenbezogenen Verbrauchsprognose“, in Tagungsband zum Power and Energy Student 

Summit 2013 in Bielefeld. - Bielefeld : Fachhochsch. 2013, S. 17–22. 

[6] P. Lombardi, T. Sokolnikova, P. Komarnicki und Z. A. Styczynski, „Power to Gas as 

an alternative energy storage solution to integrate a large amount of renewable energy: 

Economic and technical analysis“, in Proc. of CIGRE SC C6 Colloquium, Yokohama, 

2013.10.6-9. 

[7] N. Moskalenko, P. Lombardi und P. Komarnicki, „Dynamic Energy Management System 

based on the Multi-Criteria Control Strategy“, in Proc. of CIGRE SC C6 Colloquium, 

Yokohama, 2013.10.6-9. 

[8] P. A. Bernstein, M. Heuer und M. Wenske, „Fuel Cell System as Part of the Smart Grid“, 

in Proc. of IEEE Grenoble PowerTech 2013, ISBN 978-1-4673-5667-1, Grenoble, France, 

2013.06.16-20. 

82


[9] I. Hauer, C. Röhrig, K. Rudion, Z. A. Styczynski, A. Naumann und K. P., „Concept, 

architecture and components of a smart distribution control center“, in Proc. of IEEE 

Grenoble PowerTech 2013, ISBN 978-1-4673-5667-1, Grenoble, France, 2013.06.16-20. 

[10] N. Moskalenko, P. Lombardi und P. Komarnicki, „Control Strategies and Infrastructure for 

a Dynamic Energy Management System (DEMS)“, in Proc. of IEEE Grenoble PowerTech 

2013, ISBN 978-1-4673-5667-1, Grenoble, France, 2013.06.16-20. 

[11] T. Sokolnikova, K. Suslov, P. Lombardi und Z. Styczynski, „Use of economic index for 

optimal storage dimensioning with an autonomous power system“, in Proc. of IEEE 


[12] V. Stepanov, K. Suslov, E. Kozlova und Z. A. Styczynski, „Electric Demand and Management 

Capabilities of an Industrial Enterprise and Technical and Economic Preconditions 

for their Implementation“, in Proc. of IEEE Grenoble PowerTech 2013, ISBN 978-1-4673- 

5667-1, Grenoble, France, 2013.06.16-20. 

[13] M. Stötzer, Z. A. Styczynski, K. Hänsch, A. Naumann und P. Komarnicki, „Concept and 

Potential of Electric Vehicle Fleet Management for Ancillary Service Provision“, in Proc. of 

IEEE Grenoble PowerTech 2013, ISBN 978-1-4673-5667-1, Grenoble, France, 2013.06.16-20. 

[14] N. I. Voropai, Z. A. Styczynski, I. N. Shushpanov und K. Suslov, „Mathematical Model and 

Topology Method for Reliability Calculation of Distribution Networks“, in Proc. of IEEE 


[15] P. Lombardi, X. Ge, T. Sokolnikova und Z. Styczynski, „Optimal management tool for micro 

grids with a high penetration of renewable energy sources“, in Proc. of NEIS Conference 

(Nachhaltige Energieversorgung und Integration von Speichern), Hamburg, 2013.09.12-13. 

[16] P. A. Bernstein und M. Heuer, „Autonomous Fuel Cell System“, in The power grid of the 

future - Proceedings No. 2, Irkutsk, 2013, S. 75–78. 

[17] I. Bielchev, B. Arendarski und A. Naumann, „IEC Interfaces for Smart Energy Systems“, 

in The power grid of the future - Proceedings No. 2, Irkutsk, 2013, S. 61–65. 

[18] N. Moskalenko, C. Wenge und P. Komarnicki, „Energy Management System with an 

Electric Vehicle Integration“, in The power grid of the future - Proceedings No. 2, Irkutsk, 

2013, S. 55–60. 

[19] M. Richter, S. Rabe und K. Rudion, „Model of an HVDC Transmission System: Scaling 

Problems“, in The power grid of the future - Proceedings No. 2, Irkutsk, 2013, S. 71–74. 

[20] C. Röhrig, M. Powalko und I. Golub, „PMU in Smart Distribution Grids: Placement and 

Test Measurements“, in The power grid of the future - Proceedings No. 2, Irkutsk, 2013, 

S. 66–70. 

[21] T. Sokolnikova, K. Suslov und P. Lombardi, „Electric Energy Storage Systems versus 

Autonomous Power System: Modeling, Simulations and Economic Issues“, in The power 

grid of the future - Proceedings No. 2, Irkutsk, 2013, S. 48–54. 

[22] C. Wenge, P. Komarnicki und Z. A. Styczynski, „Mobility System and Charging Strategies“, 

in The power grid of the future - Proceedings No. 2, Irkutsk, 2013, S. 79–83. 

[23] I. Bielchev, A. Naumann und Z. A. Styczynski, „Adaptive protection for Smart Grids with 

distributed generation“, in The power grid of the future - Proceedings No. 3 (Baikal II 

Conference Irkutsk), Irkutsk, 2013.09.19-20, S. 26–31. 

[24] M. Heuer, Z. A. Styczynski, A. Chesnokova und N. A. Ivanov, „Optimal set up for full 

automatic measurements of polymer fuel cell membrane characteristics“, in The power grid 

of the future - Proceedings No. 3 (Baikal II Conference Irkutsk), Irkutsk, 2013.09.19-20, 

S. 52–56. 

83

3 Forschung 

[25] N. Moskalenko und K. P., „Artificial neuronal networks for load forecasting applications“, 

in The power grid of the future - Proceedings No. 3 (Baikal II Conference Irkutsk), Irkutsk, 

2013.09.19-20, S. 63–69. 

[26] T. Sokolnikova, K. Suslov, P. Lombardi und Z. A. Styczynski, „Use of electric energy storage 

for energy balance in isolated power systems“, in The power grid of the future - Proceedings 

No. 3 (Baikal II Conference Irkutsk), ISBN 978-3-940961-98-3, Irkutsk, 2013.09.19-20, 

S. 57–62. 

[27] N. I. Voropai, I. N. Shushpanov, P. Trung Son, K. Suslov und Z. A. Styczynski, „Security 

modeling and estimation of active distribution electric networks“, in The power grid of the 

future - Proceedings No. 3 (Baikal II Conference Irkutsk), Irkutsk, 2013.09.19-20, S. 1–8. 

[28] K. Rudion, Z. A. Styczynski, A. G. Orths, M. Powalko und H. Abildgaard, „Reliability 

Investigations for a DC Offshore Power System“, in Proc. of IEEE PES General Meeting 

2013, Vancouver, Canada, 2013. 

[29] S. Rabe, M. Richter, C. Wenge, H. Guo, P. Komarnicki, C. O. Heyde und R. Krebs, „Impact 

of HVDC Offshore System Integration on Power Network Stability“, in Internationaler 

ETG Kongress 2013, VDE, Berlin, 2013.11.05-06. 

Dissertationen und Bücher 

[1] J. Nitsch und Z. A. Styczynski, Res electricae Magdeburgenses 2013: Res electricae Magdeburgenses, 

Magdeburger Forum zur Elektrotechnik. Magdeburg, 2013, Herausgeberschaft. 

[2] R. Krebs, C. Heyde, H. Guo, Z. A. Styczynski, S. Rabe, M. Richter, P. Komarnicki und C. 

Wenge, „Integration von AC und DC Offshore Netzen - Beeinflussung der Systemstabilität“, 

in Netzregelung und Systemführung. - Berlin [u.a.] : VDE-Verl. Ser. ETG-Fachbericht; 136, 

CD-ROM. 2013. 

Beiträge zu Kolloquien u. a. Vorträge 

[1] P. A. Bernstein, „Modellbasierte Regelung von Brennstoffzellensystemen“, Dresdener Kreis 

2013 in Duisburg, 2013.04.03-04. 

[2] N. Moskalenko, „Steuerungsstrategien und Infrastruktur für ein dynamisches Energiemanagementsystem 

(DEMS)“, Dresdener Kreis 2013 in Duisburg, 2013.04.03-04. 

[3] K. Rudion, „Reliability Investigations for a DC Offshore Power System“, IEEE General 

Meeting 2013 in Vancouver, Canada, 2013.07.21-25. 

[4] S. Rabe, „Design Approach of a VSC HVDC Laboratory Model for Behavioral Analysis of 

the Offshore Power System“, IEEE General Meeting 2013 in Vancouver, Canada, 2013.07.21- 

25. 

[5] C. Röhrig, „Optimal utilization of grid structures for maximized integration of renewable 

generation“, IEEE General Meeting 2013 in Vancouver, Canada, 2013.07.21-25. 

[6] Z. Styczynski und M. Buchholz, „Three pillars of smart grid“, Invited Lecture at the 

Grenoble PowerTech 2013, 2013.06.16-20. 

84




Vier wesentliche Schwerpunkte werden durch das Forschungsprofil des Lehrstuhls für Elektromagnetische 

Verträglichkeit (EMV) abgedeckt: 

• Analyse und Modellierung komplexer Systeme, 

• EMV-Messverfahren, 

• EMV in der Medizintechnik, 

• Netzrückwirkungen und Power Quality. 

Die EMV-Analyse und Modellierung komplexer Systeme beinhaltet insbesondere die Analyse der 

Ein- und Auskopplung elektromagnetischer Felder in/aus Systeme und Verkabelung, die Modellierung 

der Verkopplung im System und die Ein- und Auskopplung in/aus Komponenten. Einerseits 

steht die stochastische Einkopplung in Leitungen im Focus. Stochastische elektromagnetische 

Felder treten in Modenverwirbelungskammern oder elektrisch großen und geometrisch komplexen 

Hohlraumresonatoren wie Flugzeugrümpfen auf. Die Analyse der Einkopplung dieser Felder in 

Leitungen und alternativ die Einkopplung von elektromagnetischen Feldern in stochastische 

Leitungsstrukturen ist essentiell für die EMV-Analyse komplexer Systeme. Am Lehrstuhl werden 

die entsprechenden Theorien entwickelt und verifiziert. 

Ziel weiterer Arbeiten ist es, EMV-gerechte Systeme kosteneffizient zu entwerfen, d. h. Methoden 

und Modelle für eine Bearbeitung der EMV in der Konstruktions- und Designphase zur Verfügung 

zu stellen. Dabei stehen die EMV automatisierter Elektroantriebe und die EMV im Kfz im 

Focus der Forschungsaktivitäten. Auch interdisziplinäre Aktivitäten, wie z. B. die Fehlerortung 

in Energieversorgungskabeln können diesem Forschungsschwerpunkt zugeordnet werden. 

Der Themenkomplex der EMV-Messverfahren beinhaltet insbesondere die Weiterentwicklung 

von EMV-Mess- und Prüfverfahren. Insbesondere die Modenverwirbelungskammer (MVK) als 

alternative Messumgebung wird intensiv erforscht, ebenso der Vergleich von Emissionsmessungen 

und Störfestigkeitstests zwischen etablierten und alternativen Messumgebungen. 

Medizintechnische Geräte erfordern eine besondere Beachtung der EMV, um den zuverlässigen 

Betrieb in jeder Situation sicherzustellen, woraus sich ein weiterer Forschungsschwerpunkt ableitet. 

Dabei steht aber nicht nur die EMV von medizintechnischen Produkten im Focus der Arbeiten, 

auch die Beeinträchtigung von bildgebenden Verfahren in der Diagnostik durch die Rückwirkung 

von medizinischen Werkzeugen, Implantaten oder Geräten ist Inhalt der Forschungsaktivität. 

Dabei ist der Lehrstuhl aktiv in den Forschungscampus Medizintechnik eingebunden. 

Der vierte Schwerpunkt Netzqualität und Power Quality leitet sich aus dem verstärkten Einsatz 

von leistungselektronischen Betriebsmitteln in elektrischen Versorgungsnetzen ab, da diese 

Rückwirkungen im elektrischen Energieversorgungsnetz bedingen. Diese Entwicklung erfordert 

gesteigerte Beachtung der Spannungsqualität im Netz. Im Rahmen des Forschungsschwerpunktes 

werden Modelle zur Vorhersage des Verhaltens der harmonischen Ströme erarbeitet und 

verifiziert. 

85

3 Forschung 


Anregung von Substrukturen in quaderförmigen Resonatoren durch elektrisch kleine 

Öffnungen 20 

Die Einflüsse von Öffnungen in leitfähigen Wänden von Hohlraumresonatoren auf die innere 

Feldverteilung sind entscheidend für die Kenntnis der Schirmdämpfung eines Gehäuses. Aktuelle 

Arbeiten beschreiben die durch die Apertur hervorgerufene Kopplung eines äußeren elektromagnetischen 

Feldes mit dem inneren Feld. So angeregte Hohlraum-Moden können gerade im 

hochenergetischen Resonanzfall, weitere Aperturen anregen und so einen Beitrag zum äußeren 

gestreuten Spektrum liefern. Diese Arbeit widmet sich anhand eines quaderförmigen Hohlraumresonators 

der mehrere Aperturen aufweist (siehe Abbildung 3.47a), der Fragestellung, in wie 

weit eine Aussage über die Wechselwirkung zwischen den Hohlraummoden und des gestreuten 

Feldes des Resonators anhand von analytischen Modellen getroffen werden kann. 

Zu diesem Zweck wird in einem ersten Schritt ein analytischer Ausdruck für die Feldverteilung 

im Inneren des Resonators verwendet. Für eine effiziente Berechnung der sich ergebenen 3fach- 

Summe (Spiegelung in x-, y- und z-Richtung) wird diese auf eine 2fach-Summe reduziert. Damit 

ist mit vertretbarem Rechenaufwand die Berücksichtigung einer, für die Konvergenz der Summe, 

genügend großer Zahl an Summanden sichergestellt. Das so an jedem Ort des Resonators bekannte 

Feld wird im Anschluss zur Anregung einer zweiten Apertur, die die inneren Hohlraummoden 

in den Freiraum abstrahlt (siehe Abbildung 3.47b), verwendet. Außerdem wird dem Ausdruck 

eine Güte zugeordnet, wodurch die Verluste durch die endliche Leitfähigkeit der Wände und die 

Aperturen berücksichtigt werden können, um eine quantitative Aussage über die von der Apertur 

abgestrahlten Leistungen treffen zu können. Dies ist nötig, da auch äußere Resonanzen auftreten, 

die die inneren Resonanzen überlagern und eine Analyse erschweren. 

y 

a 

y 1 

x 

Ee ⃗ 

⃗H e 

⃗ k 

ϑ A 

ϕ A 

z 1 

d 

x 2 

z 2 h 

b 

z 

Leistungsdichte, SA in W m −2 

10 −9 Frequenz, f in Hz 

10 −15 

10 −21 

10 −27 

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 

·10 8 

(a) Resonator mit 2 Aperturen 

(b) Abgestrahlte Leistungsdichte der 2. Apertur in 10 m 

Entfernung 

Abbildung 3.47: Streuung an einem Hohlraumresonator mit Öffnungen 

Vorverstärkerentkopplung bei der Entwicklung neuer Empfangsspulen für die 

Magnetresonanztomographie 21 

Die Vorverstärkerentkopplung ist eine wichtige Technik der Entwicklung neuer Spulen für 

die Magnetresonanztomographie. Im Kern geht es darum, die destruktive Kopplung zwischen 

20 von Dipl.-Phys. Jörg Petzold 

21 von M. Sc. Enrico Pannicke 

86


verschiedenen Empfangsspulen zu unterdrücken, indem man verhindert, dass die induzierte 

Spannung keinen Strom antreiben kann. Obwohl weit verbreitet, existieren keine grundlegenden 

Regeln für den Entwurf einer solchen Schaltung. 

Am Lehrstuhl für Elektromagnetische Verträglichkeit wurde in Kooperation mit dem Max-Planck- 

Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften in Leipzig ein einfaches und elegantes Konzept 

entwickelt, um diese Lücke zu schließen. Anstatt die Entkopplung als Resultat verschiedener 

Resonanzen zu betrachten, lässt sich diese auch mittels der Leitungstheorie erklären. Mit diesem 

Konzept ist es nun mehr möglich, die Entkopplung mit jeder Art von Verstärker zu realisieren, 

vorausgesetzt seine Leistungs- ist ungleich seiner Rauschanpassung. Des Weiteren lässt sich der 

Grad der Entkopplung abschätzen und mit anderen Entwürfen vergleichen ohne langwierige 

Messungen durchführen zu müssen (siehe Abbildung 3.49). 

0 

Strom, (I /A)/dB → 

-20 

-40 

-60 

-80 

-100 

R L = 1 Ω 

R L = 5 Ω 

R L = 20 Ω 

30 35 40 45 50 55 60 65 70 

Frequenz, f /MHz → 

Abbildung 3.48: Strom in der Empfangsspule für verschiedene Einflüsse des Körpers. Diese äußern 

sich zum größten Teil durch einen veränderten Widerstand R L der Spule 

Ein weiteres Problem bei der Entwicklung von Spulenanordnungen in der Magnetresonanztomographie 

liegt in deren Nähe zum menschlichen Körper. Dessen Einflüsse spiegeln sich in Form 

von Verstimmungen des gewollten Verhaltens in der Spule wieder. Diese Einflüsse möglichst 

gering zu halten, ist Aufgabe des Entwicklers. Mit dem neuen Konzept zur Beschreibung der 

Vorverstärkerentkopplung wurde auch eine andere Eigenschaft dieser Schaltung hervorgehoben – 

ihre Unempfindlichkeit gegenüber äußeren Einflüssen. Während sich die Empfangseigenschaften 

einer herkömmlichen Spulen mit jeder Veränderung extrem stark variieren können, bleiben diese, 

wenn die Vorverstärkerentkopplung verwendet wird, konstant (siehe Abbildung 3.48). 

Eigenschaften von Volumenleiter mittels analytischer und numerischer Verfahren 22 

Theoretische Betrachtungen von Leitungen beruhen in der Regel auf der Annahme von Dünndrahtanordnungen, 

wozu bereits viele bekannte und publizierte wissenschaftliche Erkenntnisse vorliegen. 

In der Praxis, z. B. in Elektrofahrzeugen, energietechnischen Anlagen und Überlandleitungen, 

werden allerdings zum Großteil Volumenleiter (dicke Leitungen) eingesetzt. Eine Übertragung 

der Beschreibung von Dünndrahtanordnungen auf Volumenleiter ist jedoch nicht möglich ist, 

und so gibt es nur wenige konkrete wissenschaftlich begründete Aussagen für Volumenleiter. 

Die Kenntnis der elektromagnetischen Eigenschaften und des Verhaltens von Volumenleiter hinsichtlich 

ihrer elektromagnetischen Verträglichkeit ist eine wichtige Voraussetzung zur optimalen 

wirtschaftlichen Nutzung von Leitungen in der Praxis. 

22 von M. Sc. Xiaowei Wang 

87

3 Forschung 

0 

Strom, (I /A)/dB → 

-20 

-40 

-60 

Z in = 5 MΩ 

Z in = 50 kΩ 

Z in = 5 kΩ 

-80 

49 49.5 50 50.5 51 

Frequenz, f /MHz → 

Abbildung 3.49: Strom in der Spule für verschiedene Eingangswiderstände Z in des Vorverstärkers 

Die Analysen werden anhand des Modells eines dicken zylindrischen Volumenleiters über einer 

perfekt leitenden Masseebene durchgeführt, wie er in Abbildung 3.50 gezeigt ist. Der Leiter 

zeigt entlang der z-Achse und hat den Durchmesser 2a. Die Leiterachse ist im Abstand h von 

einer leitfähigen Masseebene angeordnet. Die Anregung erfolgt durch eine ebene Welle mit 

dem Wellenvektor ⃗ k und der elektrischen Feldstärke ⃗ E. Der eingekoppelte Strom kann in die 

Komponenten i z und i ϕ zerlegt werden. 

Die Eigenschaften von Volumenleiter werden mit denen dünner Leitungen verglichen. Die numerischen 

Ergebnisse werden für einen Volumenleiter mit zwei analytischen Ergebnissen verglichen. 

Das numerische Resultat wird mittels CST (Computer Simulation Technology), basierend auf 

dem FDTD–Verfahren (Finite-Difference Time-Domain), erarbeitet. Die analytischen Ergebnisse 

werden mittels der modalen Parameter der Leitungssupertheorie und der asymptotischen Annäherungsmethode 

erarbeitet. Die Stromverteilung entlang des Volumenleiters wird für alle drei 

Methoden miteinander verglichen. Hierbei werden die Vorteile und die Effizienz der Methoden 

analysiert. 

⃗E 

θ 

2a 

⃗ k 

x 

i z (ϕ, z) 

ϕ 

z 

i ϕ (ϕ, z) 

y 

h 

88 

Abbildung 3.50: Anregung des Volumenleiters durch eine ebene Welle


Entwicklung neuer Geräte und Instrumente für die interventionelle Magnetresonanztomographie 

23 

Die Entwicklung neuer Geräte und Instrumente für die interventionelle Magnetresonanztomographie 

stellt besondere Anforderungen an das Produktdesign. Insbesondere muss darauf geachtet 

werden, dass 

• keine ferromagnetischen Stoffe verwendet werden, 

• extrem hohe Störpegel im Umfeld des Tomographen auftreten können, 

• der Tomograph selbst empfindlich gegenüber Störungen ist und 

• alle Systems eine starke Wechselwirkungen mit dem menschlichen Körper ausbilden können. 

Besonders für den letzten Punkt ist es wichtig, die Erwärmung des menschlichen Körpers während 

des Eingriffes genau einschätzen zu können bzw. zu wissen welchen Einfluss diverse Instrumente 

oder Materialien haben. Simulationen sind zur Zeit der einzige Weg verlässliche Angaben 

darüber machen zu können, weshalb sich um diese Aufgabe in den letzten Jahren verschiedenste 

Programmpakete etabliert haben. Jedoch handelt es sich dabei meist um kommerzielle Software. 

Am Lehrstuhl für Elektromagnetische Verträglichkeit wurde deshalb eine alternative Herangehensweise 

überprüft, indem ausschließlich frei verfügbare Programmpakete bzw. Modelle für die 

Berechnung verwendet wurden. Ziel war es zu zeigen, dass auch eine solch komplexe Fragestellung 

durch die geschickte Kombination diverser Tools bewerkstelligt werden kann. In Abbildung 3.51 

ist dies am Beispiel einer SAR-Berechnung in einem Kind zu sehen. Eine solche OpenSource- 

Lösung bietet folgende Vorteile: 

• freie Verfügbarkeit des Quellcodes, 

• keine Lizenzgebühren und 

• hohe Flexibilität, 

erfordert jedoch auch eine hohes Verständnis des Anwenders für die einzelnen Arbeitsschritte. 

Abbildung 3.51: Berechnung der vom menschlichen Körper absorbierten Energie, während einer 

MR-Untersuchung 

23 von M. Sc. Enrico Pannicke 

89

3 Forschung 

Propagation of Current Waves along a Transmission Line with Randomly Located 

Non-Uniformities 24 

Investigation of the propagation of current and voltage waves along different wiring structures 

constitutes one of the main groups of problems in electrical engineering. In practice often electrical 

parameters in such transmission lines are known only statistically (e. g. cars, etc.). In previous 

works we investigated stochastic transmission lines which are described by classical Telegrapher’s 

equations for an inhomogeneous line. It was assumed that the coordinate dependence of height 

of the line is a Gaussian random process which allows obtaining explicit expressions for the 

geometric coordinate function, as well as for the correlation functions for the capacitance and 

inductance per-unit length. It follows that the classical TL equations can be reduced to a second 

order „Schrödinger“ equation for an auxiliary function of the current with a real-valued stochastic 

„potential“. The correlation function of this potential has a sharp peak form, and for a relative 

long wavelength can be considered as a δ-function. 

Such equations have been studied very intensively in recent decades. The interesting results 

of this theory are the following: if the region of stochastic non-uniformity is long enough, the 

line reflects the incident wave with probability one, due to multiple re-reflections of the wave in 

internal sub-regions of the line. However, for some realizations the amplitude of current waves 

can essentially increase in some regions in comparison to the average value, but on the whole, 

the current wave is reflected from the stochastic line. 

At the same time, a current wave propagating along an inhomogeneous transmission line radiates, 

which also leads to damping of the wave amplitude. Moreover, in the regions with high amplitude, 

the radiation losses (as any other losses) essentially increase. An important issue here is the 

consideration of the „competition“ of the stochastic and radiative decay of the amplitudes of 

current waves. 

The accurate accounting of radiation effects in the frame of a previous approach leads to the 

necessity to use the Full Wave Transmission Line Theory (FWTLT), which gives an exact 

description of currents and potentials propagating along the line for arbitrary frequencies. To 

define the corresponding parameter matrix which is generally different from the classical one, 

effective perturbation theory can be applied giving the connection with the geometry of the 

wire in explicit form. Again the generalized Telegrapher’s equations can be reduced by some 

differential transformation to a second order „Schrödinger“ equation for an auxiliary function 

of the current. However, in contrast to the low-frequency case, the corresponding „potential“ 

has an imaginary part which is connected with radiation losses. The corresponding analytical 

calculations for the stochastic systems are very cumbersome and are not completed at this time. 

Moreover, corresponding numerical calculations (by FWTLT or by direct numerical method, i. e. 

method of moments) do not deliver results in a relative short time for a necessary number of 

statistical treatments (10 4 to 10 5 ). 

In the preset research, we consider another model of a stochastic transmission line, which yields 

results in a reasonable time. We consider a transmission line with a set of equal but randomly 

located non-uniformities (see Fig. 3.52). The line points in the z-direction and has the radius r 0 . 

The line is located in the height h above a conducting ground plane. The non-uniformities are 

represented by N lumped impedances Z. These impedances are randomly placed along the line, 

with an average distance L and a standard deviation σ 0 . At the beginning of the line there is a 

forward travelling wave e −jkz as well as a sum of reflected waves R Σ(N) · e jkz . At the end of the 

line there is as sum of transmitted waves D Σ(N) · e −jkz . 

24 von Dr. rer. nat. Sergey V. Tkachenko 

90


e −jkz +R Σ(N) · e jkz 

Z 

2r 0 

L 

D Σ(N) · e −jkz 

σ 0 

h 

z 

Figure 3.52: Stochastic chain of lumped impedances. 

As an example, one can consider a non-uniform line geometry as well as a load on the line. The 

parameters of the line were chosen to L = 1 m, N = 4, L Σ(N) = 4 m, h = 12.9 cm, r 0 = 1 mm, 

and Z c = 333 Ω. The parameters L ind = 0.2 µH and R = 5 Ω were use for the load. The 

reflection coefficients R and transmission coefficients D for current waves for such structures 

can be obtained analytically or numerically for all frequencies, taking into account radiation 

during the scattering. These coefficients define the transfer matrix for a single non-uniformity. 

Assuming that the non-uniformities are arranged not very closely to each other (to exclude the 

influence of radiation current modes), one can calculate the total transfer matrix as a product of 

transfer matrices of propagation along uniform regions of the line with random length and known 

equal transfer matrices for each scatterer. The total transfer matrix defines the total reflection 

and transmission coefficients for the entire chain. During the calculation one has to define the 

scattering matrix for a non-uniformity only once for all series of the statistical treatment (for 

each frequency). 

We have then investigated the average square absolute value of the transmission coefficient. On 

the first step, scattering without accounting of radiation was considered (see Fig.3.53a). In this 

case, for the weak disorder (small σ) the frequency dependence of the reflection coefficient keeps 

a zone structure: for some frequencies the transmission coefficient is small (forbidden zones), but 

for some frequencies it is about one (allowed zones). Strong randomization of the chain breaks 

the zone structure and the effect only remains for the lowest zones. 

〈|D(k)| 2〉 

Transmission coef., 

1 

0.8 

0.6 

0.4 

0.2 

determenistic, σ = 0 stochastic, σ = L /100 

stochastic, σ = L /20 stochastic, σ = L /10 

0 

0 5 10 15 20 

Wave number, k (in m −1 ) 

(a) without accounting of radiation effects 

〈|D(k)| 2〉 

Transmission coef., 

1 

0.8 

0.6 

0.4 

0.2 

determenistic, σ = 0 

stochastic, σ = L /10 

0 

0 5 10 15 20 

Wave number, k (in m −1 ) 

(b) with accounting of radiation effects 

Figure 3.53: Average square of the transmission coefficients of current waves through a chain of 

lumped loads for different values of randomization. 

On the next step, we investigate the influence of radiation effects on the zone structure and its 

competition with stochastic effects. The result of such calculations is presented in Fig. 3.53b. 

One can observe that the radiation effect radically changes the picture of the penetration for the 

deterministic chain: higher allowed zones become much smaller. However, for the stochastic case 

91

3 Forschung 

qualitatively the curve is the same as for non-radiating approximation (with different amplitude), 

and the zone structure is retained for several of the lower zones. 

2 

1 

C/2n 

2 

1 

Power Cable Modeling and Simulation in the Frequency Domain 25 

4 

In order to study the influence of the characteristics of power cables on the high frequency 

currents at the transient state, it is necessary to use precise models of the power cable that take 

into account the skin effect, the proximity effect and dielectric losses. For example a pulse-width 

modulated R/n (PWM) L/n inverter-to-motor output cable is often a costly system item, especially if 

1 2 1 2 

a long length is required. Also special cable geometry and voltage rating concerns need to be 

addressed when using a PWM drive, to control common mode (CM) leakage currents that lead 

2 2 

to system EMI problems, and differential mode (DM) reflected wave over-voltages that lead to 

G/2n C/2n 

cable/motor failures at the cable end termination. 

G/2n 

1 

1 

A model of one basic lumped of the three-conductor shielded cable, taking into account the skin 

and proximity effects, and the dielectric losses is represented in Fig. 3.54. In total 29 of these 

basic lumped element were used to model 1 m of cable. 

(c) 

RLC 

MET 

(Z_S 

TH 

CON 

6 nH 

0 

R-L 

ladder 

R-L 

ladder 

K_ab = 0.3 

6 nH 

R-C 

ladder 

DMC 

R-C 

ladder 

DMC 

F 

0 

0 

R-L 

ladder 

1.8 m 

6 nH 

K_ag = 0.3 

1.28 nH 

R-C 

ladder 

DMC 

R-C 

ladder 

CMC 

R-C 

ladder 

CMC 

R-C 

ladder 

CMC 

0 

Figure 3.54: Basic lumped element for modeling a three-conductor shielded cable. 

4 K 

2 1 

0.72 pF 

2 20 K 

2 1 

6.32p 

1.5 pF 

0 

2 1 

0 0 

2 1 

0 

CMC 

(a) 

5 K 

2 1 

The comparison between the simulated results of the input impedance of the cable in the frequency 

domain and experimental measurements is represented in Fig. 3.55 at common mode. The other 

1 

1 

end of the cable was either open-circuited or short-circuited. 

Direktivität von parasitären Strahlern 26 

2 5 K 

2 1 

2 

2 

Zur Bestimmung der0.72 gestrahlten pF Störaussendung existieren 0.2 pFalternative Messverfahren, mit denen 

z. B. die abgestrahlte 1 Leistung 20 M bestimmt wird, die sich1 

nicht 1000 M direkt in eine messbare Feldstärke 

2 1 

2 1 

umrechnen lässt. Für die Umrechnung zwischen der maximalen Feldstärke, die ein Prüfling 

erzeugt, und der gemessenen abgestrahlten Leistung wird die Direktivität benötigt, die bei 

parasitären Strahlern in der Regel nicht bekannt sind. Bekannte Modelle zur Abschätzung der 

Direktivität basieren auf Modellen, bei denen die Abstrahlung aus einer bestimmten Anzahl 

zufällig verteilter Quellen statistisch ausgewertet wird. Inwieweit dieser Ansatz die statistische 

25 von M. Sc. Ahmed Hassan 

26 von M. Sc. Matthias Hirte 

0.1 pF 

DMC 

(b) 

RLC 

MET 

(Z_S 

CM 

RLC 

MET 

(Z_O 

CM 

92


impedance, |Z| in Ω 

10 3 

10 2 

10 1 

10 0 

10 4 frequenzy, f in Hz 

simulated 

measured 

impedance, |Z| in Ω 

10 1 

10 0 

10 −1 

simulated 

measured 

10 2 

frequenzy, f in Hz 

10 4 10 5 10 6 10 7 10 8 

10 4 10 5 10 6 10 7 10 8 

(a) with an open-circuited end 

(b) with a short-circuited end 

Figure 3.55: Common mode impedance values of a 1 m long power cable. 

Verteilung der Direktivität realer Prüflinge beschreibt, wurde bislang nur unzureichend untersucht. 

Die durchgeführten Untersuchungen bezogen sich deshalb auf reale Prüflinge. Untersucht wurde 

eine metallische Box, auf der eine oder zwei strahlende Stromschleife angebracht sind. Die 

elektromagnetischen Parameter der Prüflingen sind mit Feldsimulationen (CST) gewonnen 

worden. Zur Verifizierung der Simulationen wurde ein Prüfling aufgebaut und vermessen. Die 

Messergebnisse haben eine gute Übereinstimmung mit der Simulation. Aus einer Vielzahl von 

simulierten Prüflingen konnte der Mittelwert und die Unsicherheit der Direktivität in Abhängigkeit 

von der elektrischen Länge des Prüflings ermittelt werden (siehe Abbildung 3.56). 

Direktivität, D 

10 

8 

6 

4 

2 

Mittelwert 

Mittelwert + Unsicherheit 

Mittelwert - Unsicherheit 

0 

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 

Elektrische Länge, ka 

Abbildung 3.56: Mittelwert der Direktivität mit Berücksichtigung der Unsicherheit 

Filterdesign mit Hilfe von Netzwerksimulationssoftware 27 

Der Einsatz von leistungselektronischen Schaltungen ist für den Betrieb von elektrischen Geräten 

notwendig. Diese Schaltungen verursachen elektromagnetische Störungen. Mit Hilfe von Filtern 

können die Störungen reduziert werden. Die resultierenden leitungsgebundenen Störungsarten 

lassen sich anhand von Filterschaltungen dämpfen. Um das Verhalten einer Filterschaltung 

ohne Messung darzustellen, kann mithilfe empirisch ermittelter Ersatzschaltbilder der einzelnen 

Bauteile die Impedanz der Schaltung simuliert werden. Für die Wahl der richtigen Bauelemente 

und Filter ist es in der EMV wichtig, die Ausbreitungsverhältnisse der geleiteten Störungen und 

27 von Dr.-Ing. Moawia Al-Hamid 

93

3 Forschung 

das Frequenzverhalten der einzelnen Bestandsteile zu kennen. Es wurde ein Verfahren entwickelt, 

mit dem es möglich ist, die Ersatzparameter der einzelnen Bauteile und die daraus resultierende 

Impedanz einer Filterschaltung ohne aufwendige Messungen zu bestimmen. 

Mithilfe der Software PSpice ist es möglich, die einzelnen Ersatzschaltbilder der Bauelemente 

im Programm zu implementieren und deren Frequenzverhalten zu simulieren. Für den Entwurf 

einer Filterschaltung sollten zunächst die Impedanzen der einzelnen Bauteile aus dem Ergebnis 

der Simulation mit den Angaben des Herstellers verglichen werden. Durch die Verknüpfung 

der Ersatzschaltbilder ist es möglich, das Verhalten einer kompletten Schaltung zu simulieren. 

Um die Anwendbarkeit der vorgestellten Methode für beliebige Schaltungen zu prüfen, wurden 

mehrstufige Filter gemessen und simuliert. Abhängig von den elektrischen Eigenschaften der 

Bauelemente lässt sich die Gesamtimpedanz der Schaltung variieren und auf das Störspektrum 

anpassen. 

Das Verfahren basiert auf der korrekten und genauen Angabe der Impedanzen vom Hersteller. 

Zunächst wurden die äquivalenten Ersatzschaltparameter der einzelnen Bauteile ermittelt. Die 

Parameter vom Kondensator und der Gegentaktimpedanz einer stromkompensierten Drossel 

lassen sich schnell über die abgelesenen Werte der Resonanzfrequenz und den ohmschen Verlusten 

bestimmen. Mithilfe von Widerstandswerten ist es möglich, die Parameter für die Simulation der 

Gegentaktimpedanz zu ermitteln. Der Einfluss der komplexen Permeabilität auf die Gleichtaktimpedanz 

wurde mithilfe des Bausteins GFREQ im PSpice-Simulationsmodell integriert. Anhand 

von Stützpunkten lässt sich ein beliebiger Impedanzverlauf mit diesem Simulationsbaustein 

nachbilden. Anschließend wurden verschiedene Filterschaltungen untersucht. Am Beispiel einer 

einfachen Filterstruktur konnten Simulations- und Messergebnisse validiert werden (siehe 

Abbildung 3.57). 

G1 

IN+ OUT+ 

IN- OUT- 

GFREQ 

L y 

C y 

R Cu R Cu 

2·R Fe 

Cp/2 

L 1 L 2 

2·R Fe 

R y 

R y 

Cp/2 

G2 

IN+ OUT+ 

IN- OUT- 

GFREQ 

C y 

L y 

Gleichtaktimpedanz, |Z| in Ω 

10 4 

10 2 

Messung 

Simulation 

10 4 10 5 10 6 10 7 10 8 

10 6 Frequenz, f (in Hz) 

R Bez 

(a) Simulationsmodell 

(b) Vergleich von Messung und Simulation 

Abbildung 3.57: Einfache Filterschaltung 

Analyse ausgewählter Power-Quality-Parameter für LED-Lampen 28 

Die Forderung, elektrische Last durch die Verwendung effizienter Beleuchtung zu reduzieren, 

resultiert seit einiger Zeit in gesteigertem Interesse an LED-Lampen. Aufgrund der erforderlichen 

Gleichrichter weisen LED-Lampen jedoch, ähnlich wie die bereits verbreiteten Energiesparlampen, 

im Vergleich zu den konventionellen Lichtquellen signifikante Unterschiede im Strom-Spannungs- 

Verhalten auf. Dementsprechend wird die Power Quality des angrenzenden Energieversorgungsnetzes 

beeinflusst. Eine Untersuchung ausgewählter Power-Quality-Parameter ist erforderlich, um 

28 von M. Sc. Anke Fröbel 

94


mögliche Grenzwertverletzungen der relevanten Normen auch bei sehr hoher Durchdringung des 

Niederspannungsnetzes mit LED-Lampen auszuschließen. Die möglichen Einflüsse der Lampen 

sind besonders dann wichtig, wenn viele weitere nichtlineare Lasten im Netz vorhanden sind, so 

dass mit Wechselwirkungen zu rechnen ist. 

Mittels leitungsgebundener Labortests wurden für verschiedene, handelsübliche LED-Lampen 

unterschiedlicher Leistungen und Hersteller die Strom-Spannungs-Kennlinien aufgenommen. Um 

auch mögliche Störbeeinflussungen der Lampen selbst durch das Energieversorgungsnetz zu 

untersuchen, wurden zusätzlich die Bedingungen an den Anschlussklemmen so variiert, dass u. a. 

eine Vorbelastung der Versorgungsspannung mit Oberschwingungen nachgebildet wurde. 

Strom, i(t) in A 

0.6 

0.4 

0.2 

0 

(a) Einschaltphase Lampe 3 (5 W) (b) Zoom Lampe 3 (5 W) 


1.5 

1 

0.5 

0 

(c) Einschaltphase Lampe 10 (8 W) (d) Zoom Lampe 10 (8 W) 


3 

2 

1 

0 

0 20 40 60 80 100 120 140 

Zeit, t in ms 

(e) Einschaltphase Lampe 5 (8 W) 

−0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 

Zeit, t in ms 

(f) Zoom Lampe 5 (8 W) 

Abbildung 3.58: Stromverlauf verschiedener LED-Lampen während der Einschaltphase 

Die gewonnen Messdaten wurden im Zeit- und Frequenzbereich analysiert. Besonderer Fokus 

wurde auf die erzeugten Oberschwingungen sowie den Leistungsfaktor gelegt. Dabei wurde 

zwischen dem Startprozess und dem Normalbetrieb unterschieden. Anschließend erfolgt eine 

Bewertung der Ergebnisse hinsichtlich der Normen DIN EN 61000-3-2 und DIN EN 50160. 

Beispielhafte Messergebnisse sind in Abbildung 3.58 gezeigt. 

Beim Betrieb mehrerer verteilter Oberschwingungserzeuger treten in der Regel Dämpfungs- und 

Diversitätseffekte (engl. attenuation and diversity effects) auf. Sowohl die Amplituden als auch 

die Phasenwinkel der Stromoberschwingungen variieren mit dem Grad der Verzerrung der Versorgungsspannung. 

Diese Effekte tragen in der Regel dazu bei, dass die von den nichtlinearen Lasten 

erzeugten Oberschwingungen reduziert werden und sich somit das gesamte Oberschwingungslevel 

im Netz verringert. Durch unterschiedliche Kombinationen von mehreren LED-Lampen in Reihenbzw. 

Parallelschaltung und Analyse der Strom-Spannungs-Kennlinien wurde gezeigt, dass sich 

der Gesamtbetrag der Stromoberschwingungen verringert. 

95

3 Forschung 

Analysis of Induced Current on a Thin Wire Located Symmetrically inside a Cylinder 29 

The different kinds of transmission lines, PCB, chips, etc. determine the functioning of modern 

radio and electronic equipment. On the other hand, these objects, in addition to their useful 

functions (transfer signals and energy along the transmission lines and conductors of PCB, signal 

processing in chips, etc.) can be subject to the impact of various electromagnetic interferences, 

both external and generated by the other used devices and components. In this case, these 

elements work as passive antennas and scatterers. Moreover, the scattered current can propagate 

along the transmission lines to the ports of receivers and may enter the sensitive parts of 

electronics causing failure or even damage of the devices. Often this electronic equipment is 

located inside the conductive enclosure of different geometric shapes, both due to design features 

of the product as a whole (e. g., inside computer housing, satellite box, aircraft fuselage, etc.), as 

well as specifically to shielding from external electromagnetic interferences. Thus, the problem of 

the calculation of currents and voltages in transmission lines, antennas and scatterers inside the 

conductive enclosures for both lumped and distributed excitations is topical in EMC. 

Existing numerical methods (Method of Moments, Transmission-Line Matrix Method, etc.) allow 

considering specific cases only, but do not describe the general physical picture of the interaction. 

From another hand, classical transmission line approximation for the lines in a resonator is 

applicable only in a restricted frequency range, because the interaction of the resonator and 

the transmission line or (and) antenna modes arising in such objects can change the coupling 

radically. This leads among other effects to a shift of the resonant frequencies of the resonator. 

Thus, the analytical description of the interaction of high-frequency electromagnetic fields with 

wire structures in cavities has become a topic of interest. Moreover, it itself is an interesting 

problem of mathematical physics. To solve this problem several approximate methods can be 

offered. 

However, an exact solution is of particular interest, because it is valid for arbitrary frequencies 

and different distances of the wire from the walls, and it can be used for checking of numerical 

calculations. Such method was developed for the thin wire in rectangular resonator. For the 

exact solution of this problem, a technique of theoretical physics is used for the investigation of a 

„wire in resonator“ system that has high symmetry. The considered wire is parallel to four of the 

resonator walls and is perpendicular to the other two walls which it connects. This configuration 

allows exact analytical solution by spatial Fourier transformation with any kind of excitation 

(distributed, lumped) and loads. Moreover, during the investigation of the exact equations for 

the induced current, one can separate the term that correspond to the transmission line (TL) 

approximation from those that correspond to the cavity modes and then evaluate the effect 

of different resonances. Some examples of application of the developed method are the next: 

calculation of the mutual coupling of an internal small antenna with a transmission line and the 

coupling of one transmission line with another, calculation of the transfer function „external field 

→ induced voltage“ for the coupling of an electromagnetic field penetrating through an aperture 

to the transmission line, consideration of an transmission line with many loads, etc. 

Another canonical form of a resonator that is important for practical applications is a circular 

cylinder. The model of a cylindrical cavity with internal wiring can be used, for example, for 

aircraft fuselages. If we would like to obtain an exact solution for the EM field coupling to the 

thin wire structure in a cylindrical resonator using symmetry properties, three kinds of wire 

configurations can be considered: 

• straight wires in parallel to the axis of a circular cylinder that connects its basis (see 

Fig. 3.59a), 

• coaxial circular loops inside a cylinder, 


96


• radial wire, which is perpendicular to the side wall inside cylinder. 

Geometrically, all of these wire configurations correspond to coordinate lines of cylindrical 

coordinate systems. The solution of the Pocklington (or Mixed Potential) integral-differential 

equation for the scattered current for all of these configurations can be found by the Fourier 

transform on the basis of the same function system as for the resonator for any exciting field 

which, of course, also has to be expanded into a Fourier series, including lumped sources. 

In this work, we consider a simple, but practically important case of the thin wire, which connects 

two opposite caps of the cylinder and parallel to the cylinder axis. The wire can be loaded and 

excited by a lumped or by a distributed source. The procedure of the solution of Pocklington 

equation for such wires in cylindrical cavity is, in general, similar to the corresponding approach 

in rectangular cavity, however, with another Green’s function. 

The Green’s function of the cylinder in the required form is derived in three steps. On the first 

the free space Green’s function in Cartesian coordinates is written in the cylindrical coordinates 

using the integral representation and summation theorem for Bessel functions. Then we find 

a Greenâ€s function for the infinite waveguide by adding additional terms to ensure the 

implementation of the zero boundary condition for the resulting Green’s function on the cylinder 

walls. Thereafter, in the third step, the cylinder is closed at both ends and the previous Green’s 

function using the principle of mirror is transformed finally in the Green’s function for a finite 

cylinder. Then, we deal with the calculation of the current induced in the line by an arbitrary 

internal field. Due to the symmetry of the considered line the spatial Fourier series for the 

induced current has the same form as the Fourier series expansion function for the resonator’s 

Green’s function in the direction of the wire. This circumstance allows obtaining the coefficients 

in the Fourier series for the current in explicit form. 

x 

y 

U 0 

h 

L 

r 0 

2R 

Z L 

(a) Sketch of the wire inside the cylinder with L = 2 m, 

R = 0.5 m, h = 7 cm, r 0 = 1 mm, and U 0 = 1 V 

z 

Current, |I(ω)| in mA 

10 

8 

6 

4 

2 

PROTHEUS 

Analytical result 

Classical TL theory 

0 

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 

Frequency, f (in GHz) 

(b) Current induced in the matched load Z L = Z c = 

296 Ω and h = 7 cm 

Figure 3.59: Induced current on a thin wire located symmetrically inside a cylinder. 

Finally, the general result is applied to the specific problem, when the wire with the characteristic 

impedance Z c is fed at the beginning (near the one cap) by a lumped voltage source and is 

loaded at the end (near another cap) by a lumped impedance. The results are compared with 

those of numerical simulation with PROTHEUS code and excellent agreement is achieved (see 

the example in Fig. 3.59b). 

97

3 Forschung 

Messung der Einkopplung von statistischen Feldern in eine gerade Doppelleitung 30 

Am Lehrstuhl für Elektromagnetische Verträglichkeit wurde eine Theorie zur Einkopplung von 

statistischen Feldern in ein Leitungen entwickelt und bereits in mehreren Veröffentlichungen 

vorgestellt. Diese Theorie wurde schon durch Messungen an Einfachleitungen über einer leitfähigen 

Ebene validiert und sollte durch weitere Experimente mit einer geraden und gleichförmigen 

Doppelleitung bestätigt werden. Dazu wurde ein entsprechender Messaufbau in der großen 

Modenverwirbelungskammer an der Otto-von-Guericke-Universität in Magdeburg errichtet. 

Zur Anregung der Leitung wird ein zeitlich sinusförmiges Signal mit einem Signalgenerator 

erzeugt, über einen Leistungsverstärker verstärkt und in die Kammer eingespeist. Das erzeugte 

statistische Feld, das in die Doppelleitung einkoppelt, kann mit acht Feldsonden gemessen werden. 

Die eingekoppelte Spannung am Anfang der Leitung wurde mit einem Digitalspeicheroszilloskop 

mit einem Eingangswiderstand von 50 Ω nach Betrag und Phase gemessen. Gegenüber vorherigen 

Messungen befand sich die Doppelleitung im Arbeitsvolumen der Kammer und wurde über ein 

Symmetrierglied, welches in Abbildung 3.60a dargestellt ist, mit dem zur Messung verwendeten 

Oszilloskop verbunden. 

Die Messung wurde für unterschiedliche Leitungslängen von 10 cm bis 150 cm und verschiedene 

Abschlusswiderstände über einen weiten Frequenzbereich und ein Ensemble von Rührerpositionen 

durchgeführt. Zahlreiche statistische Kenngrößen wie der Mittelwert, die Standardabweichung, 

der Minimal- und Maximalwert sowie die Verteilungsfunktion des komplexen Zeigers der eingekoppelten 

Spannung am Anfang der Leitung wurden bestimmt und mit theoretischen Vorhersagen 

verglichen. Im Allgemeinen zeigt sich eine gute Übereinstimmung zwischen den experimentellen 

Ergebnissen und den theoretischen Vorhersagen, wie z. B. für den Mittelwert 〈|U(0)|〉 des Betrags 

der eingekoppelten Spannung am Anhang der Leitung, der in Abbildung 3.60b gezeigt ist. Dieser 

Mittelwert wurde mit der kammerspezifischen Konstante E 0 und den halben Abstand h zwischen 

beiden Leitern normiert, um eine dimensionslose Größe zu erhalten. 

2 

Messung 

Theorie 

〈|U(0)|〉/E0h 

1.5 

1 

0.5 

0 

200 400 600 800 1 000 

Frequenz, f (in MHz) 

(a) Anschluss des Anfangs der Doppelleitung an das 

Symmetrierglied 

(b) Normierter Mittelwert des Betrags der eingekoppelten 

Spannung am Anfang der 150 cm langen, leerlaufenden 

Leitung 

Abbildung 3.60: Experimentelle Untersuchung der Einkopplung von statistischen Feldern in eine 

gerade und gleichförmige Doppelleitung 

30 von Dr.-Ing. Mathias Magdowski 

98


Singularity Expansion Method (SEM) for Long Terminated Transmission Lines 31 

Transmission lines as well as wire antennae play an important role in EMC. They serve for 

the transmission of desired signals between electronic devices of different kinds. On the other 

hand, they are the subject of different kind of electronic interferences. Induced overvoltages 

are often the reason for the failure of electronic devices. Different numerical methods (such as 

MoM, FDTD, etc.) can be adopted to calculate induced currents and voltages but they are not 

very helpful to gain inside into the physics of the coupling phenomena, especially when they are 

calculated in time domain. 

In contrast, the analytical Singularity Expansion Method (SEM) represents the scattering object 

as a set of oscillators thus giving a physically transparent and precise tool for the coupling 

phenomena, both, in the frequency domain and in the time domain. Recently, this method has 

attracted an increased interest in connection with the definition of the complex eigen frequencies 

of a finite straight wire for target identification. 

It would be of great interest to apply the SEM to the analysis of loaded transmission lines 

above a conducting ground to define their eigen frequencies and response in the time domain. In 

previous works, this problem was considered using the classical Transmission Line (TL) theory. 

In particular, it was shown that as a result of the action of a finite sinus-like pulse, transients in 

the system can greatly exceed the steady-state oscillations, and this effect can cause failures of the 

electronic components in the early stages of such an exposure. Of course, the TL approximation 

does not describe radiation effects, which can be important for high frequencies, when the 

wavelength is comparable with the height of the line. 

⃗E 

x 

⃗ k 

2r 0 

h 

Figure 3.61: Open-circuited transmission line above a perfect conducting ground plane. 

In this work, we considered a long horizontal thin-wire line above perfect conductive ground 

illuminated by an incident high frequency plane wave. A simple case of an open-circuit line 

was investigated (see Fig. 3.61); even though, the developed method can also be applied for the 

general case of a line with arbitrary loads, if the asymptotic scattering and reflection coefficients 

for the scattered current waves are known. 

To obtain the frequency domain solution for the induced current in the main, central part of the 

wire, the earlier developed so named asymptotic approach is used. For the response function 

(„external field amplitude → induced current“) of the line in frequency domain it gives an 

excellent agreement with the result of a NEC numerical simulation (see Fig. 3.62a). The zeros of 

the denominator of the response function yield the SEM poles of the first layer. This set of poles 

yields the main contribution to the susceptibility of the transmission line to an external pulse 

excitation in time domain. By the use of these poles we have found the time response function 

in an explicit analytic form. The calculation of the pulse excitation of the wire has shown an 


z 

99

3 Forschung 

excellent agreement with the results of numerical simulations obtained using NEC and numerical 

Fourier transformation (see Fig. 3.62b). 

Response, |K(jω)| in m Ω −1 

10 0 Angular frequency, ω (in 10 9 s −1 ) 

10 −1 

10 −2 

10 −3 

10 −4 

NEC 

Asymptotic method 

10 −5 

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 

(a) Response function of a long open-circuited transmission 

line (L = 10 m, h = 0.5 m, r 0 = 1 mm, z = 5 m, 

θ = 90°) in the frequency domain 

Current, i(t) in mA 

4 

2 

0 

−2 

−4 

NEC 

Asymptotic approach & SEM 

0 0.5 1 1.5 2 

Time, t (in s) 

·10 −6 

(b) Excitation by a damped sinusoidal pulse with 

E(t) = E 0 · e −αt · sin(ωt) · h(t), E 0 = 1 V m −1 , 

ω = 2π · 67 MHz and α = 10 6 s −1 

Figure 3.62: Simulation examples. 

Two interesting physical effects were observed: radiation damping of the inducing current and the 

domination of transient oscillation for a high-frequency sinusoidal excitation were observed. 

Auslandsforschungsaufenthalt am National Institute of Standards and Technology (NIST) 

in Boulder (Colorado) zur Messung der Einkopplung von statistischen Feldern in eine 

verdrillte Doppelleitung 32 

Verdrillte Leitungen werden in vielen Bereichen der Kommunikations- und Informationstechnik 

angewendet, da sie eine höhere Störfestigkeit gegenüber äußeren elektromagnetischen Feldern 

und magnetischen Wechselfeldern besitzen. Eine Theorie zur Simulation der Einkopplung von 

statistischen elektromagnetischen Feldern in solche Leitungen wurde am Lehrstuhl für Elektromagnetische 

Verträglichkeit entwickelt. Solche Felder treten z. B. in elektromagnetischen 

Modenverwirbelungskammern, einer alternativen Testumgebung für gestrahlte EMV-Tests, oder 

in elektrisch großen und geometrisch komplexen Hohlraumresonatoren, wie Flugzeug- oder 

Schiffsrümpfen auf. 

Validierende Messungen zu dieser Theorie wurden von Dr. Magdowski im Rahmen eines Auslandsforschungsaufenthalts 

am National Institute of Standards and Technology (NIST, siehe 

Abbildung 3.63a) in Boulder (Colorado) in den USA durchgeführt. Im Zeitraum vom 06. Juli 

bis zum 31. August 2013 arbeitete Dr. Magdowski dazu in der Arbeitsgruppe um Dr. Perry 

Wilson, Dr. Christopher Holloway, Dr. David Hill, Galen Koepke und John Ladbury an der 

Electromagnetics Division. Für die Experimente wurde ein entsprechender Messaufbau (siehe 

Abbildung 3.63b) in der ETS-Lindgren-Modenverwirbelungskammer erstellt. Die Abmaße der 

Kammer betragen 2,9 m × 4,2 m × 3,6 m. Die erste Hohlraumresonanz liegt bei etwa 55 MHz. Da 

die Kammer mit zwei Rührern ausgestattet ist, liegt die niedrigste nutzbare Frequenz bei nur 

etwa 200 MHz. Mit Hilfe eines Netzwerkanalysators wird die Kopplung zwischen einer Antenne 

und der verdrillten Leitung sowie zwischen beiden Antennen gemessen. Aus den gemessenen 

Streuparametern können dann die Güte der Kammer und das gesuchte Verhältnis U /E 0 von 

eingekoppelter Spannung am Anfang der Leitung und kammerspezifischer Konstante bestimmt 

werden. 


100


(a) Dr. Magdowski am NIST 

(b) Messaufbau in der ETS-Lindgren-MVK 

Abbildung 3.63: Auslandsforschungsaufenthalt am NIST in Boulder (Colorado) zur Messung der 

Einkopplung von statistischen Feldern in eine verdrillte Doppelleitung 


Dr.-Ing. Berthold Panzner: Synthetic Aperture Radar Focusing Techniques for Subsurface 

Radar Imaging 

Gutachter: 

• Prof. Abbas Omar, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg 

• Prof. Ralf Vick, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg 

• Prof. Shaofang Gong, Universität Linköping/Schweden 

verteidigt am 18. Dezember 2012 an der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg 



[1] S. V. Tkachenko, R. Rambousky und J. B. Nitsch, „Electromagnetic field coupling to a 

thin wire located symmetrically inside a rectangular enclosure“, IEEE Transactions on 

Electromagnetic Compatibility, Bd. 55, Nr. 2, S. 334–341, Apr. 2013. doi: DOI10.1109/ 

TEMC.2012.2216532. 

[2] S. V. Tkachenko, J. B. Nitsch, R. Vick, F. Rachidi und D. Poljak, „Singularity expansion 

method (SEM) for long terminated transmission lines“, in International Conference on 

Electromagnetics in Advanced Applications (ICEAA), Turin, Italien, Sep. 2013, S. 1091– 

1094. doi: 10.1109/ICEAA.2013.6632411. 

[3] S. V. Tkachenko, H.-J. Scheibe, X. Wang und R. Vick, „Propagation of current waves along 

a transmission line with randomly located non-uniformities“, in International Conference 

on Electromagnetics in Advanced Applications (ICEAA), Turin, Italien, Sep. 2013, S. 1286– 

1289. doi: 10.1109/ICEAA.2013.6632456. 

101

3 Forschung 

[4] R. Rambousky, S. V. Tkachenko und J. B. Nitsch, „Calculation of currents induced in a 

long transmission line placed symmetrically inside a rectangular cavity“, in International 

Symposium on Electromagnetic Compatibility, IEEE, Hrsg., Bd. 1, Denver, CO, USA, Aug. 

2013, S. 796–801. doi: 10.1109/ISEMC.2013.6670519. 

[5] S. Sesnic, D. Poljak und S. V. Tkachenko, „Analytical modeling of a transient current 

flowing along the horizontal grounding electrode“, IEEE Transactions on Electromagnetic 

Compatibility, Preprint version. doi: 10.1109/TEMC.2013.2250289. 

[6] M. Al-Hamid, M. Leone und S. Schulze, „Possible improvement of the correlation method for 

GTEM cell emission tests“, in International Symposium on Electromagnetic Compatibility 

(EMC Europe), 2013, S. 191–196. 

[7] M. Al-Hamid, R. Vick, M. Krüger und T. Rinkleff, „Determination of equivalent circuit 

parameters of current compensated chokes and their use in filters with an application 

example“, in International Symposium on Electromagnetic Compatibility (EMC Europe), 

2013, S. 1022–1027. 

[8] A. Hassan, M. Al-Hamid und R. Vick, „A methodology for modeling a power cable in 

frequency domain“, in 19th International Conference on the Computation of Electromagnetic 

Fields (Compumag), Budapest, Hungary: Budapest University of Technology und 

Economics, Juni 2013, S. 2. 

[9] A. Fröbel und R. Vick, „Chosen aspects for harmonic analysis in distribution networks“, in 

22nd International Conference on Electricity Distribution (CIRED), Juni 2013, S. 4, isbn: 

978-1-84919-732-8. 

[10] M. Magdowski und R. Vick, „Simulation of the stochastic electromagnetic field coupling 

to an unshielded twisted pair of wires“, in International Symposium on Electromagnetic 

Compatibility, IEEE, Hrsg., Bd. 1, Denver, CO, USA, Aug. 2013, S. 33–37. doi: 10.1109/ 

ISEMC.2013.6670377. 

[11] ——, „Elektromagnetische Verträglichkeit - Grundlagen, Anforderungen, Nachweis“, Motortechnische 

Zeitschrift, Bd. 74. Jahrgang, Nr. 06, S. 494–499, Juni 2013, issn: 0024-8525 

10814. 

[12] ——, „Untersuchung der Richtwirkung der Einkopplung von ebenen Wellen in eine Leitung“, 

Advances in Radio Science, Bd. 11, S. 265–270, 2013. doi: 10.5194/ars-11-265-2013. 

Adresse: http://www.adv-radio-sci.net/11/265/2013/. 

[13] J. Bauch, S. Schulz, A. Lindemann, M. Al-Hamid und R. Vick, „Investigation of the 

forecast of radiated electromagnetic emissions of power converters using switching waveform 

analysis“, in PCIM Europe. Berlin: VDE-Verlag, Mai 2013, S. 1399–1406. 


[1] E. Pannicke, „EMV in der interventionellen Magnetresonanztomographie“, in 11. Magdeburger 

EMV-Industrieseminar, Experimentelle Fabrik Magdeburg, Nov. 2013. 

[2] J. Petzold, „Streuung an Hohlraumresonatoren mit öffnungen“, in EMV-Doktorandentreffen 

des IEEE Germany Section EMC Society Chapter, Technische Universität Braunschweig, 

Sep. 2013. 

[3] E. Pannicke, „EMV in der Magnetresonanztomographie“, in EMV-Doktorandentreffen des 

IEEE Germany Section EMC Society Chapter, Technische Universität Braunschweig, Sep. 

2013. 

102




Das Forschungsprofil des Lehrstuhls für Leistungselektronik trägt der rasch fortschreitenden 

Entwicklung in diesem Gebiet der Elektrotechnik Rechnung, die maßgeblich geprägt wird durch 

die Verfügbarkeit neuer, optimierter Bauelemente einerseits sowie durch gestiegene Anforderungen 

an verschiedene technische Systeme andererseits, die zweckmäßigerweise unter Einsatz 

leistungselektronischer Stellglieder realisiert werden. So zählt die Leistungselektronik zu den 

Schlüsseltechnologien für energieeffiziente elektrische Verbraucher, für die Netzeinspeisung von 

aus erneuerbaren Quellen erzeugter elektrischer Energie und für die Elektromobilität. 

Der enge Zusammenhang von Komponenten- und Systemebene findet am Lehrstuhl für Leistungselektronik 

bei der Forschung zu leistungselektronischen Schaltungen und Systemen mit 

neuen Bauelementen Berücksichtigung: Die betrachteten neuen Leistungshalbleiter-Bauelemente 

umfassen insbesondere weiterentwickelte MOSFETs, IGBTs und Dioden, aber auch Bauelemente 

aus Halbleitermaterialien mit großem Bandabstand wie SiC oder GaN; darüber hinaus ist die 

Aufbau- und Verbindungstechnik von nicht zu vernachlässigender Bedeutung, da sie das elektrische 

und thermische Verhalten sowie die Zuverlässigkeit der Leistungselektronik mitbestimmt. 

Aktuelle Arbeiten beziehen sich hierbei schwerpunktmäßig auf Schaltungen bzw. Systeme, zu 

denen Antriebsumrichter, Stromversorgungen und auch speziell resonante Umrichter gehören. Zu 

den zu untersuchenden Aspekten zählen die elektrische Funktionsweise unter Berücksichtigung 

parasitärer Elemente, die thermische Auslegung, eine geeignete Ansteuerung und Regelung, die 

die Zuverlässigkeit bestimmenden Betriebsbedingungen sowie elektromagnetische Verträglichkeit 

bzw. Umweltverträglichkeit. Nur ein Verständnis der Wechselwirkung zwischen Bauelement und 

Schaltung bzw. System erlaubt eine fundierte und anwendungsgerechte Optimierung. 

Die hierfür am Lehrstuhl für Leistungselektronik angewandte Methodik ist geprägt durch eine 

Kombination theoretischer Untersuchungen – wie Berechnung, Modellbildung und Simulation – 

mit experimentellen Arbeiten – insbesondere an Bauelement, leistungselektronischem System 

und Prozess. Angesichts des ausgeprägt interdisziplinären Charakters vieler der beschriebenen 

Arbeiten hat sich eine Zusammenarbeit mit Arbeitsgruppen anderer Lehrstühle, außeruniversitären 

Instituten sowie industriellen Partnern bestens bewährt. Für die gute Zusammenarbeit und 

auch die diese oft erst möglich machende Förderung sei allen Partnern an dieser Stelle herzlich 

gedankt. 

Einige der im Jahr 2013 bearbeiteten Projekte werden im folgenden Abschnitt detaillierter erläutert. 

Viele von ihnen sind den oben genannten Schwerpunktthemen der elektrischen Energieversorgung 

unter Einbeziehung erneuerbarer Quellen sowie der der Automobiltechnik zuzuordnen. 


A Theoretical Analysis of N + 1 and 2N + 1 Phase-Shifted Carrier-Based PWM Strategies 

in Modular Multilevel Converters 33 

The modular multilevel converter (MMC) is widely considered to be a promising converter topology 

for high power applications especially in the area of high-voltage direct current transmission. It 

is reported that a commercial MMC-HVDC project named Trans Bay Cable went operational in 

2010. 

33 von M. Sc. Xudan Liu 

103

3 Forschung 

Figure 3.64 shows the topology of one phase leg of MMC. The control loop of phase A is also 

depicted in Fig. 3.64. According to the model of MMC, the reference signal of the upper arm 

and the lower arm can be represented as 

Vna ∗ = V dc 

2 + V a 

∗ 

V ∗ 

pa = V dc 

2 − V ∗ 

a , 

(3.16a) 

(3.16b) 

where Va 

∗ is the sinusoidal reference. It can be seen from this equation that the reference signal 

of upper arm and lower arm have a 180 degrees phase shift. In the PWM strategies block, the 

reference signal is compared with phase-shifted carriers as shown in Fig. 3.65. However, only the 

total number of SMs that need to be switched on in each arm is decided by the PWM strategies 

block, the specified SMs which are to be turned on are decided by the sorting method. 

Va* 

Vdc/2 

_ 

+ 

+ + 

PWM 

Strategies 

SUM 

SUM 

n pa 

n na 

Sorting 

Sorting 

Vcja 

Vcja 

i pa 

SM 1 

SM 2 

SM n 

L 

a 

L 

SM n-1 

V pa 

L d 

V DC /2 

V a 

O 

V DC /2 

SM 2n-1 V na 

L d 

SM 2n 

i na 

i a 

I d 

S 1 

C 1 

V SMi 

D 2 

S 2 

D 1 

On-state 

S 1 

C 1 

V SMi 

S 2 

D 1 

D 2 

Off-state 

i th SM in phase A 

Figure 3.64: Topology and control strategies of one phase leg of MMC. 

To achieve better performance and less calculation effort, many kinds of control and modulation 

strategies have been proposed for MMC. Among them, phase-shifted PWM (PSPWM) has 

attracted lots of attention because of its simplicity and good harmonic performance. For each 

arm, PSPWM consists of N carriers and a fixed phase difference is introduced to the adjacent 

carriers. The carriers have the same frequency ω c and the same peak to peak amplitude. The 

ith carrier in PSPWM can be defined as 

y i (ω c , φ i ) = (−1) [α] (α mod 2) where α = ω ct + φ i 

π 

(3.17) 

When N is even, N + 1 voltage levels can be generated by introducing a phase difference of 2π /n 

to the adjacent carriers, while the carriers for upper arm and lower arm are the same, so the 

eight carriers in Fig. 3.65a can be expressed as 

C 5 = C 1 = y 1 (ω c , 0) C 6 = C 2 = y 1 (ω c , π /2) (3.18a) 

C 7 = C 3 = y 1 (ω c , π) C 8 = C 4 = y 1 (ω c , 3π /2) (3.18b) 

104


C 2 C 1 C 4 C 3 

* 

V na 

C 6 C 5 C 8 C 7 

* 

V pa 

V pa 

V na 

V a 

C 2 C 1 C 4 C 3 

* 

V na 

C 6 C 5 C 8 C 7 

* 

V pa 

V pa 

V na 

V a 

Phase shift 45 degrees 

(a) N + 1 PSPWM 

(b) 2N + 1 PSPWM 

Figure 3.65: Carrier phase-shifted PWM for phase A of MMC (f c = 250 Hz). 

As can be seen, C 1 (C 3 ) has a 180 degrees phase shift with respect to C 2 (C 4 ). Therefore, the 

carriers in N + 1 PSPWM have symmetrical characteristics with respect to the time axis. This 

conclusion can also be easily extended to any carrier numbers when N is even. Since the reference 

signal of upper arm and lower arm of MMC have also a 180 degrees phase shift, it can be known 

that there are always N sub modules that are switched on in each phase. Therefore, the output 

voltage of phase A can be expressed as 

V a = V na − V pa 

2 

+ L 2 

d 

dt (i na − i pa ) = n pa 

N V dc − V dc 

2 + L d 

2 dt (i na − i pa ) (3.19) 

where n na and n pa is the number of SMs in on state in the upper arm and lower arm respectively, 

and n na + n pa = N in N + 1 PSPWM, n na and n pa ∈ (0, 1, . . . N). Thus, the voltage step in 

N + 1 PSPWM is V dc /N and N + 1 voltage levels can be generated. 

However, in 2N + 1 PSPWM shown in Fig. 3.65b, a phase difference of π /n is introduced to the 

carriers in the upper arm. Then the SMs which are turned on are not always equal to N, but 

equal to N − 1 or N + 1 in some instants. An additional intermediate voltage level V dc /2N will be 

generated and 2N + 1 total voltage levels can be obtained finally. Since circulating current is 

generated by the voltage difference and can be described as 

L di a 

dt = V dc 

2 − V na + V pa 

2 

= V dc 

2 − n pa + n na 

2N V dc (3.20) 

Given that the voltage of SMs cannot be changed suddenly, the circulating current will be 

increased in 2N + 1 modulation. 

It is assumed that double-edge modulation with nature sampling is used in the analyzed PSPWM 

105

3 Forschung 

methods. Take phase A as an example, and the output voltage can be written as 

v a (t) = v na(t) − v pa (t) 

= V dc 

2 2 M cos(ω 0t) 

+ 2V ∞∑ ∞∑ 

dc 

1 

Nπ 

m J 2n−1 

m=1 n=−∞ 

(Nm π 2 M ) 

sin 

( 

[Nm + 2n − 1] π ) 

cos (Nmω c t + [2n − 1] ω 0 t) 

2 

(3.21) 

From (3.21), it can be seen that the only output voltage harmonics will be sideband harmonic 

components centered around the Nth carrier multiples. In other words, the effective switching 

frequency of N + PSPWM is N times of carrier frequency. FFT And window: increasing 1 of 150 cycles the of selected SM numbers signal 

FFT window: 1 of 150 cycles of selected signal 

in 

1 

1 

each arm can significantly reduce the harmonics. Moreover, the harmonic contents of common 

0.5 

mode 0.5 voltage can also be analyzed with the same method in a three phase system. 

0 

Similarly, in the case of 2N +1 PSPWM, there is a complete harmonic cancellation of the switching 

−0.5 

−0.5 

harmonics up to the 2Nth carrier group sideband harmonics, which is also in accordance with 

the results of 2N + 1 voltage levels. 

2.8 2.802 2.804 2.806 2.808 2.81 2.812 2.814 2.816 2.818 

Time (s) 

0 

2.8 2.802 2.804 2.806 2.808 2.81 2.812 2.814 2.816 2.818 

Time (s) 

0.12 

Fundamental (50Hz) = 0.9969 , THD= 26.67% 

0.05 

0.045 

Fundamental (50Hz) = 0.9977 , THD= 13.80% 

0.1 

0.08 

0.04 

0.035 

0.03 

Mag 

0.06 

Mag 

0.025 

0.02 

0.04 

0.015 

0.02 

0.01 

0.005 

0 

0 20 40 60 80 100 

Harmonic order 


0 

0 20 40 60 80 100 

Harmonic order 


Figure 3.66: Simulated harmonic contents of phase voltage of MMC. 

Mag 

0.2 

0.18 

0.16 

0.14 

0.12 

0.1 

0.08 

0.06 

0.04 

0.02 

0 

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95100 


Mag 

0.1 

0.09 

0.08 

0.07 

0.06 

0.05 

0.04 

0.03 

0.02 

0.01 

0 

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95100 


Figure 3.67: Calculated harmonic contents of phase voltage of MMC (per-unit values). 

An inverter model with four SMs in each arm was built in MATLAB/Simulink, and the carrier 

frequency is 500 Hz. Figure 3.66 and Fig. 3.67 show the simulated and calculated harmonic 

contents of phase voltage of MMC, respectively. It is seen that the harmonic analysis is in 

accordance with the simulation. 2N + 1 PSPWM shows better THD performance as N + 1 

106


PSPWM, since the Nth carrier group sideband harmonics are eliminated in 2N + 1 PSPWM. A 

small-scale prototype is also under development so as to provide detail experimental results. 

Leistungselektronik zur Energieeffizienzsteigerung für erneuerbare Energien und Antriebe 34 

Stand der Technik Bei der allgemein bekannten Zweipunkt-Topologie des dreiphasigen Umrichters 

wird die Ausgangsspannung zwischen Null und der Zwischenkreisspannung gepulst. 

Durch diesen großen Spannungshub ergeben sich hochfrequente Oberschwingungen im Ausgangsstrom. 

Diese Oberschwingungen erzeugen Energieverluste, EMV-Probleme sowie schädliche 

Lagerströme und transiente Überspannungen bei Motoren. Für die Verminderung dieser Probleme 

sind Filtermaßnahmen erforderlich, die Bauraum beanspruchen und zusätzliche Energieverluste 

erzeugen. 

Der Mehrpunkt-Umrichter (multilevel converter) ist eine interessante Alternative zum bisher 

eingesetzten Zweipunkt-Umrichter. Mit einem Dreipunkt-Umrichter wird die Ausgangsspannung 

in mehrere Stufen (hier zwei) unterteilt und die Höhe der Spannungssprünge am Ausgang wird 

reduziert. Dieses Prinzip kann auf Mehrpunkt-Umrichter erweitert werden. Die Schaltungstopologien 

von Mehrpunkt-Umrichtern sind prinzipiell bekannt, werden jedoch bisher überwiegend 

bei Mittelspannung und höheren Leistungen eingesetzt, um die Zwischenkreisspannung von z. B. 

10 kV so herunterzuteilen, dass IGBTs mit einer maximalen Sperrspannung von zur Zeit 6,5 kV 

zum Einsatz kommen können. 

Für den betrachteten Anwendungsfall kleinerer Leistung kommen aus der Gruppe der Mehrpunkt- 

Umrichter zunächst die 3L-NPC-Topologien in Betracht, da hier die Zahl der Leistungshalbleiter- 

Bauelemente nicht übermäßig steigt. Neben der Topologie des Leistungskreises spielt auch das 

Steuerverfahren eine große Rolle für die Eigenschaften und die Anwendbarkeit des Umrichters. 

Auch hier ist die Vielfalt groß. 

Steuerverfahren Zur Untersuchung prinzipieller Steuerverfahren ist eine Betrachtung des Leistungsteils 

des Mehrpunkt-Umrichters auf Systemlevel, d. h. unter der Annahme idealer, verlustfreier 

Leistungshalbleiter-Schalter ausreichend. Ein verbreitetes Steuerverfahren ist die trägerbasierte 

Pulsbreitenmodulation (sinusoidal carrier-based PWM). Für die folgenden Topologien wurden 

Simulationsmodelle mit dem Programm PSIM erstellt: 

• Single-phase 5L Cascaded - HB (CHB) 

• 3L Natural Point Clamped (NPC) 

• 3L Capacitor Clamped or Flying Capacitor (FC) 

Bei der Realisierung der Pulsbreitenmodulation können für jede Topologie wiederum mehrere 

Varianten unterschieden werden. Mit den erstellten Modellen kann der Einfluss der Last und 

der Schaltfrequenz auf die Qualität des Ausgangsstroms bzw. der Ausgangsspannung bezüglich 

der auftretenden Harmonischen untersucht werden. Die Generierung der Ansteuersignale ist 

Grundlage für die digitale Implementierung in ein DSP-System. 

Exemplarisch soll hier die Simulation der Topologie „3L Natural Point Clamped (NPC)“ mit 

dem Steuerverfahren „Phase Disposition (PD)“ dargestellt werden. Abbildung 3.68 zeigt das 

Modell des dreiphasigen Leistungsteils mit einer konstanten Zwischenkreisspannung und geteiltem 

Zwischenkreis. Die Last ist ohmsch-induktiv. Die Halbleiter werden dabei als ideal angenommen. 

Die Steuersignale werden bei dem betrachteten Verfahren durch den Vergleich von drei um 120° 

phasenverschobenen Sinusfunktionen der Ausgangsfrequenz 50 Hz mit sechs Trägersignalen generiert. 

Drei der Trägersignale sind gegenüber den drei anderen vertikal verschoben. Die Frequenz 

34 von Dr.-Ing. Wolfgang Fischer 

107

3 Forschung 

der Trägersignale bestimmt die Schaltfrequenz der Transistoren. Die zugehörige Schaltung ist in 

Abbildung 3.69 dargestellt. 

Abbildung 3.68: PSIM-Simulationsmodell des Leistungsteils, NPC-Topologie 

Abbildung 3.69: PSIM-Simulationsmodell der Steuerung für das Steuerverfahren PD-SPWM 

Man erkennt in Abbildung 3.70 die nahezu sinusförmigen Ausgangsströme, die verkettete Ausgangsspannung, 

die Stufen von ±U z und ± Uz /2 und 0 aufweist sowie die Transistorspannung an 

T11 mit etwa Uz /2. Die Spannung am Zwischenkreiskondensator ist lastabhängig nicht konstant 

108


und weist eine 150 Hz-Welligkeit auf. 

Abbildung 3.70: Ausgangsströme, verkettete Ausgangsspannung und Transistorspannung (simuliert) 

Einphasiger Aufbau Gegenstand der experimentellen Untersuchungen war zunächst ein einphasiger 

Umrichter in 3L-NPC-Topologie mit diskreten IGBTs. Ziel war es, die Belastung der 

einzelnen Transistoren zu bestimmen und Aussagen über den Einfluss der Steuerung/Regelung 

zu gewinnen. Abbildung 3.71 zeigt ein Phasenmodul mit IGBTs vom Typ IXEH40N120D1 auf 

einer induktivitätsarmen Leiterplatte mit den beiden Zwischenkreiskondensatoren, den vier 

Treiberstufen auf einem Kühlkörper. 

Die Ansteuersignale wurden von einem DSP-System entsprechend den vorher beschriebenen 

Steuerverfahren erzeugt. Die Taktfrequenz betrug 2 kHz bei einer Zwischenkreisspannung von 

zunächst 160 V. Die Last war ohmsch-induktiv (33,2 Ω und 1,6 mH). Abbildung 3.72 zeigt die 

prinzipielle Funktion der Schaltung. Mit dem Phasenmodul wurde das grundsätzliche Verhalten 

der Schaltung im gesteuerten und geregelten Betrieb untersucht. Es dient als Grundlage für die 

Erweiterung auf eine dreiphasige Ausführung. 

Phasenwinkelabhängige Verluste an den Leistungshalbleitern Wie die Untersuchungen ergeben 

haben, sind die Belastungsverhältnisse an den Leistungshalbleitern, insbesondere die 

109

3 Forschung 

Abbildung 3.71: Phasenmodul, Aufbau mit diskreten IGBTs 

Abbildung 3.72: Phasenmodul, Messgrößen u sin (gelb), i a (grün), u T 11 (blau) 

110


Verlustleistung, erheblich vom Phasenwinkel zwischen Netzspannung und Netzstrom abhängig. 

Da dieser Zusammenhang komplexer Natur ist, wurde für das Phasenmodul ein erweitertes 

Simulationsmodell auf der Basis des Programms SABER entwickelt. Es enthält parametrierte 

dynamische Modelle für die 4 IGBTs und die 6 Dioden, parasitäre Induktivitäten sowie eine 

netzsynchrone Stromregelung. Die Last ist jetzt das starre Netz, das über eine Drossel mit 

dem Phasenmodul verbunden ist. Interessanterweise ist die Darstellung der Verluste über dem 

Phasenwinkel symmetrisch. Bei einem Phasenwinkel von null hat die Verlustleistung der Transistoren 

T11, T14 ein Maximum, während die Transistoren T12, T13 ein Minimum aufweisen. Die 

Verlustleistung der Clamping-Dioden ist ebenfalls maximal, während die antiparallelen Dioden 

der Transistoren überhaupt nicht belastet werden, siehe Abbildung 3.73. 

Abbildung 3.73: Verluste der Leistungshalbleiter in Abhängigkeit vom Phasenwinkel (Simulation, 

NPC-Topologie, einphasig) 

Dreiphasiger Aufbau Für den dreiphasigen Umrichter in 3L-NPC-Topologie wurden drei IGBT- 

Module vom Typ F3L50R06 von Infineon verwendet, die jeweils ein komplettes Phasenmodul 

beinhalten, siehe Abbildung 3.74. Mit einer speziell entwickelten Leiterplatte war es möglich, 

einen sehr kompakten Aufbau zu realisieren. Erste Messungen zeigten die Funktionsfähigkeit des 

Aufbaus bei verringerter Leistung an einem dreiphasigen Netz. 

Weitere Arbeiten 

Arbeiten geplant: 

Auf der Grundlage der bisher erreichten Ergebnisse sind folgende weitere 

• Test und Optimierung des Labormusters des Mehrpunkt-Wechselrichters, insbesondere 

Erhöhung der Ausgangsleistung 

• Optimierung der Baugruppen Gate-Treiber, Stromversorgung, Schutz Anpassung eines 

neuen Steuerungssystems an das Labormuster 

• Optimierung der Steuerungsverfahren 

• Analyse der Beanspruchung der Leistungshalbleiter und Kondensatoren 

• Untersuchung des Zusammenwirkens mit einem Laborantrieb 

• Einbeziehung neuartiger Bauelemente und Abschätzung ihres Anwendungspotenzials 

111

3 Forschung 

Abbildung 3.74: Dreiphasiger Aufbau mit IGBT-Modulen 

Zuverlässigkeit von Leistungselektronik unter Automotive-Bedingungen 35 

Für die Untersuchung der Zuverlässigkeit von Leistungshalbleiter-Bauelementen unter Berücksichtigung 

der Belastungen von Automotive-Bedingungen hat sich die Vorgehensweise, welche in 

Abbildung 3.75 dargestellt ist, als geeignet erwiesen. Durch die Anwendung bzw. den Anwender 

wird ein Belastungsprofil definiert, bei Automotive-Bedingungen in aller Regel ein Zyklus wie 

zum Beispiel der Neue Europäische Fahrzyklus oder die Artemis Fahrzyklen. 

Mission Profile 

(Fahrzyklus) 

Elektrische Eigenschaften 

IGBT/Diode 

Verluste 

Thermisches Modell 

Leistungshalbeiter-Bauelemente 

Temperaturprofil 

Thermische Bedingungen 

Klassifizierte Temperaturhübe ∆T 

Kühlbedingungen 

Berechnung notwendiger 

Testzyklen 

Abbildung 3.75: Vorgehensweise zur Bestimmung Fahrzyklus basierter Lastwechsel-Parameter 

Der erste Schritt ist die Ermittlung eines Verlustleistungsprofils, welches die Belastungen durch 

Schaltvorgänge und Durchlassverluste beschreibt. Aus den Verlusten wird mit thermischen 

Modellen der zu untersuchenden Leistungshalbleiter-Bauelemente unter Berücksichtigung der 

thermischen Rand- und der Kühlbedingungen ein Temperaturprofil berechnet. Die Bestimmung 

der Verluste und des daraus resultierenden Verlustleistungsprofils wird idealerweise mittels geeigneter 

Systemsimulation bestimmt. Als Beispiel wäre hier MATLAB mit dem Werkzeug PLECS 

zu nennen. Für die Ermittlung geeigneter Lastwechselparameter aus dem Temperaturprofil wird 

dieses durch einen geeigneten Zählalgorithmus ausgewertet und die klassifizierten Temperaturhübe 

sind mit dem gewünschten Lebensdauermodell umzurechnen. Diverse Lebensdauermodelle 

35 von Dipl.-Ing. Bastian Strauß und Dipl.-Ing. Folkhart Grieger 

112


sind in der Literatur zu finden, wobei die Wahl vor allem von den Anforderungen und vom 

Aufbau des zu untersuchenden Leistungshalbleiter-Bauelements abhängt. Die experimentelle 

Qualifikation erfolgt durch aktive Lastwechsel. Hierbei werden die zu untersuchenden Leistungshalbleiter-Bauelemente 

zyklisch mittels Laststroms aktiv aufgeheizt und anschließend abgekühlt, 

so dass sich ein Temperaturhub ∆T vj der Chiptemperatur einstellt. Es erfolgt eine kontinuierliche 

Zyklisierung bis zum Lebensende, welches durch einen Anstieg der Durchlassspannung U CE bzw. 

des thermischen Widerstandes R thj definiert ist. 

Für die experimentelle Qualifizierung der aktiven Belastung von Leistungshalbleiter-Bauelementen 

existiert am Lehrstuhl für Leistungselektronik der Otto-von-Guericke-Universität eine 

geeignete und flexible Testumgebung. Diese besteht aus einem Labor-Rechner zur Einstellung 

der Prozessparameter und zur Visualisierung der Messwerte. Mittels Ethernet kommuniziert 

der Labor-Rechner mit einem Echtzeitsystem, auf welchem die eigentliche Prozessteuerung und 

Messwerterfassung abläuft. Der Vorteil des Echtzeitsystems ist seine deterministische Zeitmessung 

von 1 ms und die Möglichkeit, autonom vom Labor-Rechner zu arbeiten. Des Weiteren ist das 

Echtzeitsystem mit einem FPGA ausgestattet, welcher die Messung der Durchlassspannung mit 

einer Abtastzeit von 10 µs und dazu synchron der Temperatur mit einer Abtastzeit von 100 ms 

durchführt. 

Für die Bereitstellung der Leistung kommt ein Stromrichter mit Mikrocontroller-basierter Steuerung 

zum Einsatz. Das Echtzeitsystem kommuniziert mit dem Stromrichter via serieller Schnittstelle. 

Für die indirekte Messung der virtuellen Sperrschichttemperatur T vj ist der Stromrichter 

mit einer Prüfstromquelle ausgestattet, welche einen Prüfstrom I prf von 50 mA bis 300 mA treiben 

kann. Die Ansteuerspannung U GE für aktive Bauelemente, wie zum Beispiel MOSFETs und 

IGBTs, wird ebenfalls durch den Stromrichter bereitgestellt. Das Konzept und der Aufbau der 

gesamten Testumgebung sind in Abbildung 3.76 dargestellt. Der Versuchsaufbau ist geeignet, 

einen maximalen Laststrom I L von 500 A bei einer Ausgangsspannung von 30 V zu treiben. 

Abbildung 3.76: Gesamtaufbau des Lastwechselversuchsstandes 

Die zu untersuchenden Halbleiter werden auf einen Kühlkörper aufgespannt und in Serie verschaltet. 

Es ist möglich, bis zu zehn aktiv anzusteuernde Halbleiter auf einer Prüflingsplattform 

113

3 Forschung 

unterzubringen. Die Kühlbedingungen können mittels Temperiergerät voreingestellt werden. Die 

oben genannte Flexibilität basiert auf den voneinander unabhängig einstellbaren Parametern 

Aufheizzeit t on , Abkühlzeit t off und Laststrom I L . 

Die Untersuchung der Zuverlässigkeit von Leistungshalbleiter-Bauelementen erfordert Kenntnis 

über deren Betriebseigenschaften. Dies umfasst unter anderem die thermischen Widerstände von 

dem zu untersuchenden Chip zum Kühlkörper R thjh bzw. zum Gehäuse R thjc (bei Modulen mit 

Bodenplatte), da diese ein Ausfallkriterium darstellen. Mit der oben beschriebenen Testumgebung 

ist es möglich, die thermischen Widerstände R thjh und R thjc zu messen. Voraussetzung hierfür ist 

die Erfassung der entsprechenden Kühlkörper- und Gehäusetemperaturen T h und T c . Die Module 

werden deshalb auf Adaptern aufgespannt, in welchen Kanäle und Bohrungen zur Aufnahme 

von Thermoelementen vorgesehen sind. Die Thermoelemente sind geometrisch unterhalb der zu 

untersuchenden Chips anzubringen, Abbildung 3.77. 

T h T c T h T c 

Bonddraht 

Chip 

Lotschicht 

Kupfer 

Keramik 

Kupfer 

Lotschicht 

Bodenplatte 

Wärmeleitpaste 

Kühlkörper 

Thermoelemente 

Abbildung 3.77: Positionierung von Thermoelementen zur Bestimmung der Wärmewiderstände 

Chip zu Kühlkörper R thjh und Chip zu Gehäuse R thjc 

Die Bestimmung der virtuellen Sperrschichttemperatur T vj erfordert die Aufnahme einer Kalibrierkurve 

im Klimaschrank. Dabei handelt es sich um die Messung der temperaturabhängigen 

Durchlassspannung U CE bei einem kleinen Prüfstrom I prf = 50 mA bis 300 mA in einem 

Temperaturbereich von T a = 10 ◦ C bis 160 ◦ C. Durch kubische Interpolation der gemessenen 

Kalibrierkurve ergeben sich vier Koeffizienten α 0 bis α 3 , mit denen aus der gemessenen Spannung 

U CE entsprechend Gleichung (3.22) die Sperrschichttemperatur T vj zurückgerechnet wird. 

T vj = α 3 · U 3 CE + α 2 · U 2 CE + α 1 · U CE + α 0 (3.22) 

Die indirekte Messung der maximalen Sperrschichttemperatur T vj erfolgt jeweils nach Abschaltung 

des Laststroms I L , sobald der Prüfstrom I prf fließt. In Abbildung 3.78 ist der gemessene Verlauf 

der Spannung U CE für einen Abkühlvorgang nach Abschaltung des Laststroms dargestellt. Aus 

der zuvor ermittelten Kalibrierkurve ist die zugehörige virtuelle Sperrschichttemperatur T vj 

bestimmt worden. 

Für die Bestimmung des Wärmewiderstandes R thj wird der folgende Zusammenhang der thermischen 

Impedanz Z thj genutzt: 

Z th,on = Z th,off · (−1) + R thj mit R thj = Z th,off (t = 0) (3.23) 

Der Zeitpunkt t = 0 entspricht dem Abschaltzeitpunkt des Lastroms. Durch ein im Versuchsaufbau 

bedingtes di /dt des Lastroms I L sowie durch Rekombinationseffekte im Leistungshalbleiter beginnt 

der Messvorgang verzögert (ca. 300 µs bis 500 µs). In dieser Zeit kühlt der Chip bereits wenige 

Kelvin ab, so dass das Maximum der Sperrschichttemperatur approximiert werden muss. Aus der 

maximalen Chiptemperatur T vj , der Kühlkörper- bzw. Gehäusetemperatur T h und T c , sowie der 

114


550 

140 

500 

120 

450 

100 

U / mV 

400 

350 

U CE - T1 

T vj - T1 

80 

60 

ϑ / °C 

300 

40 

250 

20 

200 

0 

0 10 20 30 40 50 

t / s 

Abbildung 3.78: Temperaturverlauf T vj eines Leistungshalbeiter-Chips nach Abschalten des Laststroms 

I L berechnet aus der Durchlassspannung U CE 

eingespeisten Verlustleistung P v während der Aufheizphase ist der jeweilige Wärmewiderstand 

zur entsprechenden Bezugstemperatur (T h bzw. T c ) zu berechnen. 

R thj = T vj − T 

P v 

(3.24) 

Modul auf DAB-Basis für den Einsatz in thermisch hoch belasteten Automobil-, Luft- und 

Raumfahrtanwendungen 36 

Ein Ansatz zur weiteren Steigerung der Zuverlässigkeit von Leistungshalbleiter-Bauelementen 

ist der Austausch des konventionellen DCB-Substrats (Direct-Copper-Bonding) durch ein neues 

DAB-Substrat (Direct-Aluminum-Bonded). Das heißt, dass die konventionelle Kupfermetallisierung 

durch eine Aluminiummetallisierung ersetzt wird. Der Vorteil von Aluminium gegenüber 

Kupfer ist das kleinere Elastizitätsmodul und die geringere Fließspannung im Grenzschichtbereich 

zwischen den Verbindungsschichten. Dies wird allerdings mit einem größeren thermischen 

Ausdehnungskoeffizienten und einer schlechteren Wärmeleitfähigkeit erkauft. 

Für die Untersuchung der Zuverlässigkeit der Verbindungsschichten mittels Temperaturschocks 

wurden Muster mit DCB- und DAB-Substrat bei ansonsten identischer Aufbau und Verbindungstechnik 

aufgebaut, Abbildung 3.79. 

U z+ 

T 1 

D 1 

M 

D 2 

U z− 

Abbildung 3.79: Konfiguration der untersuchten Halbbrückenmodule 

36 von Dipl.-Ing. Folkhart Grieger 

T 2 

115

3 Forschung 

Die Temperaturschocks sind mit zwei unterschiedlichen Testparametern durchgeführt worden. 

Test 1: 

Test 2: 

∆T a1 = −55 ◦ C bis 125 ◦ C 

∆T a2 = −55 ◦ C bis 200 ◦ C 

Abbruchbedingung der Tests ist jeweils ein Ausfall bezüglich der elektrischen Parameter, welche 

in äquidistanten Zeitschritten gemessen wurden. Für den ersten Test mit ∆T a1 = 180 K erfolgen 

die Messungen alle 50 Zyklen und beim zweiten Test mit ∆T a1 = 255 K werden die Messungen 

auf Grund der erhöhten Belastung alle 11 Zyklen durchgeführt. Ein Modul gilt als ausgefallen, 

wenn sich einer der folgenden Parameter ändert: 

• Durchlassspannung 

• Verlust der Sperrfähigkeit 

• Versagen Isolation 

In Abbildung 3.80 sind Verläufe der Durchlassspannung U CE für unterschiedliche Module dargestellt. 

4 

3,5 

3 

DAB3 HS - 100A 

DAB3 HS - 160A 

DAB3 LS - 100A 

DAB3 LS - 160A 

4 

3,5 

3 

DCB4 HS - 100A 

DCB4 HS - 160A 

DCB4 LS - 100A 

DCB4 LS - 160A 

U / V 

2,5 

U / V 

2,5 

2 

2 

1,5 

1,5 

1 

0 100 200 300 400 500 600 700 

1 

0 100 200 300 400 500 600 700 

N 

N 

(a) DAB 

(b) DCB 

Abbildung 3.80: Verlauf der Durchlassspannung U CE verschiedener Modultypen 

Als Zusammenfassung des ersten Tests, in welchem insgesamt 12 Module mit Temperaturschocks 

beaufschlagt wurden, ist festzuhalten, dass die DAB-basierten Module im Mittel länger überlebt 

haben als die DCB-basierten, wobei sich jeweils die Durchlass-Spannung als Fehlerkriterium 

herausstellte. Werkstofftechnische Untersuchungen erfolgten am Fraunhofer IWM in Halle (Saale). 

Mittels SAM (Scanning Accoustic Microscopy) sind Aufnahmen der Verbindungsschichten 

entstanden, welche Auskunft über Delaminationen geben. In Abbildung 3.81 sind Aufnahmen 

von je einem DAB-basierten Modul und einem DCB-basierten dargestellt. 

Zwischen der Keramik und der Metallisierung des DAB-basierten Moduls gibt es augenscheinlich 

keine Ablösungserscheinungen. Im Gegenteil dazu sind bei dem DCB-basierten Modul deutliche 

Delaminationen im Bereich der Lastanschlusslaschen und der Ränder zu erkennen. 

Unter dem Lichtbildmikroskop sind bereits deutliche Ausbrüche der Keramik für die DCBbasierten 

Module im Bereich der Lastanschlüsse zu erkennen, Abbildung 3.82. Die geringere 

thermomechanische Beanspruchung der Keramik bei den DAB Substraten ist eine Folge der geringeren 

Fließspannung in den Grenzschichten der Aluminiummetallisierung. Die Arbeit verlagert 

sich bei den DAB-basierten Modulen von der Grenzschicht in die Metallisierung hinein. 

116


(a) DAB 

(b) DCB 

Abbildung 3.81: SAM-Aufnahmen der Verbindungsschicht Metallisierung und Keramik – Fraunhofer 

IWM Halle 

Riss in der Keramik 

Riss in der Keramik 

Abbildung 3.82: Querschliff im Bereich eines Lastanschlusses (Aufnahme mit dem Lichtmikroskop 

– Fraunhofer IWM Halle) 

Prozess zum leitfähigen Kleben von Bauelementen für die Hochleistungselektronik 37 

In Zusammenarbeit mit der Professur für Aufbau- und Verbindungstechnik des IMTEK der 

Albert-Ludwigs-Universität Freiburg (Breisgau) wird in diesem Projekt ein Fertigungsprozess 

optimiert, welcher das Kleben sowohl von aktiven als auch passiven Bauelementen auf Substraten 

der Leistungselektronik – v. a. DCB, vgl. Bild 3.83, und Stanzgitter – ermöglicht. Solchermaßen 

hergestellte Bauelemente werden hinsichtlich ihrer elektrischen und thermischen Eigenschaften 

sowie ihrer Zuverlässigkeit charakterisiert und anwendungsnah erprobt. 

Abbildung 3.83: IGBT-Chip auf Substrat 

37 von M. Sc. Lars Middelstädt 

117

3 Forschung 

Flexible switching speed control to improve switching losses and EMI by a gate driver with 

adjustable gate current 38 

During design and adjustment of driver circuitry of a power converter IGBT switching speed has 

to be considered due to the occurring switching losses and the high du /dt and di /dt values that 

cause conducted and radiated electromagnetic disturbances and stress the isolation of transformer 

or induction machine windings. 

Using a standard IGBT driver a gate resistor needs to be chosen which provides low switching 

losses and thus high efficiency on the one hand and ensures compliance with EMI limits and 

keeps electrical stress of machine windings in reasonable limits on the other hand. A gate driver 

with multi-stage constant current source would solve this problem much more efficiently. For this 

current source gate driver (CSD) it can be presumed that mainly the IGBT collector-emitter 

voltage slope during turn-on has to be controlled over the whole range of collector current and 

temperature because it is faster than the turn-off speed and thus defines the electromagnetic 

emissions. 

To investigate the benefit of the gate driver with adjustable current compared to a standard driver 

with gate resistor and voltage source measurements of switching characteristics and conducted 

emissions have been carried out for a buck converter with a 1200 V/200 A IGBT4 half-bridge 

module (see Fig. 3.84). 

load for double-pulse 

measurement 

L 1 

L 2 

L 3 

C DC 

or 

i G 

u CE 

load for conducted 

EMI measurement 

i C u GE 

Figure 3.84: Circuit diagram of the buck converter. 

The control concept of the current source gate driver (CSD) is based on the direct proportionality 

between IGBT collector-emitter voltage slope du CE /dt and gate current I G during the Miller 

plateau. 

du CE 

dt 

≈ 

I G 

C GC 

(3.25) 

Thus, an adjustable current source which impresses a constant gate current can be used to 

determine the voltage slope of turn-on (see Fig. 3.85). The turn-off behaviour of the current 

source gate driver is chosen to be equal to a standard gate driver. 

current set 

V CC 

I G 

C 

Gate 

turn-on 

V EE 

GND 

R G,off 

turn-off 

E 

38 von Dipl.-Ing. Julia Bauch 

Figure 3.85: Schematic of current source gate driver. 

118


First, the benefit of the gate driver with adjustable gate current is investigated while changing 

the switched collector current and keeping the gate current amplitude constant (I G = 0.5 A) 

obtaining equal switching losses for turn-on at nominal IGBT current and thus switching speed 

compared to the standard driver (see Fig. 3.86). The conducted emissions of the converter with 

both drivers are the same (fig. 3.87, left). For smaller collector currents the collector-emitter 

voltage slope during turn-on is steeper. But, using the current source gate driver it is less steep 

compared to the standard driver (fig. 3.86, right). Furthermore, it is more or less constant over 

the current range, what can be explained by equation (3.25). 

Additionally to the slower switching slopes the reverse recovery current peak is reduced (fig. 3.86, 

right). All these effects together lead to less conducted emissions for the current source gate 

driver at 1 /10 of the nominal collector current (fig. 3.87, right). Furthermore, in total smaller 

switching losses occur with the current source gate driver because the higher turn-on losses are 

overcompensated by the smaller recovery losses. 

turn−on U CE 

= 500V, I C 

= 200A 


= 500V, I C 

= 20A 

U CE 

/V 

400 

200 

U CE 

standard driver 

U CE 

current source gate driver 

U CE 

/V 

400 

200 

U CE 


U CE 


I C 

/A 

U GE 

/V 

I G 

/A 

0 

−0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 

t /µs 

300 

200 

100 

I standard driver 

C 

I C 


0 

−0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 

t /µs 

15 

10 

5 

0 

U GE 


U GE 


−5 

−0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 

t /µs 

1.5 


G 

I current source gate driver 

G 

1 

0.5 

0 

−0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 

t /µs 

(a) at nominal collector current 

I C 

/A 

U GE 

/V 

I G 

/A 

0 

−0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 

t /µs 

100 


C 

50 

I C 


0 

−0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 

t /µs 

15 

10 

5 

0 

U GE 


U GE 


−5 

−0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 

t /µs 

1.5 


G 

I current source gate driver 

G 

1 

0.5 

0 

−0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 

t /µs 

(b) at low collector current 

Figure 3.86: Comparison of the turn-on of the IGBT driven by a standard gate driver and a 

current source gate driver. 

U CE 

= 500V, I C 

= 200A 

U CE 

= 500V, I C 

= 20A 

80 

80 

U dist 

/dB µV 

70 

60 

U dist 

/dB µV 

70 

60 

50 

standard gate driver 


50 



10 6 10 7 

frequency /Hz 

10 6 10 7 

frequency /Hz 

(a) at nominal collector current 

(b) at low collector current 

Figure 3.87: Comparison of the conducted emissions for standard gate driver and current source 

gate driver. 

Next, the amplitude of the gate current is varied and the resulting advantages are presented. As 

shown in Fig. 3.88 and 3.89 a gate current of 0.7 A leads to equal switching characteristics and 

thus disturbances for I C = 20 A with both driver systems. 

119

3 Forschung 


= 500V, I C 

= 20A 

U CE 

/V 

400 

200 

U CE 


U CE 


I C 

/A 

U GE 

/V 

I G 

/A 

0 

−0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 

t /µs 

80 

60 

I C 


I C 


40 

20 

0 

−0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 

t /µs 

15 

10 

5 

0 

U GE 


U GE 


−5 

−0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 

t /µs 

1.5 

I G 

standard driver I G 


1 

0.5 

0 

−0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 

t /µs 

Figure 3.88: Comparison of the turn-on behaviour at 20 A, I G = 0.7 A. 

Supposed, the maximum allowed du CE /dt value, due to EMI reasons and electrical and thermal 

stress of load windings and insulation, is 3.7 kV µs −1 . This value is reached at 1 ⁄10 of nominal 

IGBT current using the standard driver or the current source gate driver with I G = 0.7 A. For 

higher currents the du CE /dt value is smaller. Thus, the maximum allowed switching speed is not 

reached with the mentioned driver settings and therefore higher losses than in principle possible 

have to be accepted. Increasing the gate current will lead to faster IGBT voltage transients 

and thus reduced losses. With the maximum allowed du CE /dt value it would be even possible to 

increase the gate current further to achieve a greater reduction of the losses. 

Additionally, this approach with adjusting the gate current depending on the collector current 

amplitude can be extended by considering the temperature of the IGBT module for further 

optimization of the operational behaviour of the power converter. Of course, higher switching 

speed will lead to higher disturbances. But, as Fig. 3.89 shows, the increase in the interference 

level is quite small. Thus, the reduction of the switching losses from 38.5 mJ to 34.9 mJ, which 

means 10 %, should be worth this increase of the interference level. 

U CE 

= 500V, I C 

= 20A 

U CE 

= 500V, I C 

= 200A 

80 

80 

U dist 

/dB µV 

70 

60 

U dist 

/dB µV 

70 

60 

50 


current source gate driver, I G 

= 0.7A 

50 


current source gate driver, I G 

= 1.0A 

10 6 10 7 

frequency /Hz 

10 6 10 7 

frequency /Hz 

(a) at low collector current 

(b) at nominal collector current 

Figure 3.89: Comparison of the conducted emissions for standard gate driver and current source 

gate driver. 

The investigation shows that using a gate driver with adjustable current source can optimize the 

120


performance of the converter system. By setting the gate current depending on the collector 

current, a du CE /dt value can be adjusted that is below the maximum allowed one but nevertheless 

obtaining losses as small as possible for high currents and comply EMI limits and limitations 

due to stress of the load insulation for small currents. 

Referenzsystem für die Bewertung von elektrischen Gewebefeldstärken und -stromdichten 

im menschlichen Körper beim Widerstandsschweißen 39 

Der Einsatz hoher Ströme in industriellen Anlagen und bei bestimmten Produktionsprozessen 

ist speziell mit dem Auftreten intensiver Magnetfelder verbunden, denen im Bereich dieser 

Einrichtungen agierende Beschäftigte ausgesetzt sind. Als Hochstrom-Fügeverfahren ist davon 

auch das Widerstandsschweißen betroffen, wobei große Ströme in den Sekundärkreisen der 

Schweißanlagen niederfrequente Magnetfeldexposition hervorrufen (siehe Abbildung 3.90). 

Abbildung 3.90: Schaltungstopologie und Leistungsteil einer Inverter-Schweißstromquelle 

Zu deren Schutz muss die Exposition der Bediener der Anlagen bestimmt, ausgewertet und mit 

den Grenzwerten, die für die elektrischen Feldkenngrößen durch Regelwerke festgesetzt sind, 

verglichen werden. 

Grundsätzlich entsteht in einem menschlicher Körper, der sich in einem sich zeitlich ändernden 

Magnetfeld befindet, gemäß Induktionsgesetz ein elektrisches Feld, verbunden mit sich in 

bestimmten geschlossenen Schleifen im Körper ausbildenden Strömen, die sich körpereigenen 

Strömen (z. B. Reizweiterleitung in den Nerven) überlagern können. Mit den dadurch möglicherweise 

hervorgerufenen Reizwirkungen ist die – ausgehend von der Vorschriftensituation – im 

Niederfrequenzbereich zu betrachtende Feldexpositionswirkung gegeben. 

Die Arbeiten befassten sich mit der systematischen Untersuchung von Arbeitsplatz-/Expositionssituationen 

der industriellen Praxis, wobei eine Vielzahl möglicher Situationen betrachtet 

wurde, um eine repräsentative Bandbreite an Maschinentypen und Bedienerpositionen sowie 

Stromkurvenformen zu erfassen. 

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden zur Vorbereitung einer einfach anzuwendenden 

Bewertungsmethodik die vorteilhaften Möglichkeiten computergestützter Feldsimulation genutzt, 

welche es gestattet, die resultierenden Werte aus der Wechselwirkung des einfallenden und 

induzierten Feldes im Inneren des menschlichen Körpers zu bestimmen. 

Die Untersuchungen wurden mit der Feldberechnungssoftware EMPIRE XCcel, welche die 

Finite Differenzen Methode im Zeitbereich (FDTD) verwendet, unter Verwendung des Mensch- 

Modells Duke (Ursprung: Virtual Family, Fa. IT’IS Foundation, Zürich, Schweiz) durchgeführt. 

Exemplarische geometrische Anordnungen aus Bediener und Schweißkreis aus der industriellen 

39 von Dipl.-Ing. (FH) Stefan Förster und Dr.-Ing. Reinhard Döbbelin 

121

3 Forschung 

Körper Box 

Schweißstrom I 

Abstand d 

Winkel 1 (90°) 

z 

Armabstand b 

Ausladung a 

Höhe h 

Winkel 1 (0°) 

Winkel 2 (90°) . 

z 

. 

x 

y 

x 

y 

Abbildung 3.91: Geometrische Parameter der Expositionssituationen 

Praxis (siehe Abbildung 3.91) bilden mit zugehörigen Prozessparametern die Basis der Datensätze 

eines erstellten Referenzsystems zur vereinfachten Bewertung ähnlicher Situationen. 

Für den dabei notwendigen Abgleich mit den Datenbankinhalten werden standardisierte Rechteckschweißkreise 

in Anlehnung an einen existierenden Katalog der Flussdichteverteilung verwendet, 

deren Äquivalenz mit den Sekundärkreisen der Widerstandsschweißeinrichtungen in vielen Fällen 

über die quasistatische Verteilung der magnetischen Feldstärke bzw. Flussdichte im Freiraum 

mittels einfach handhabbarer analytischer Methoden ermittelbar ist. 

Die resultierenden Werte der elektrischen Körperfeldstärken im Inneren des menschlichen Körpers 

bei Durchsetzung mit der veränderlichen magnetischen Flussdichte können dann der spezifischen 

Expositionssituation zugeordnet werden. Im Ergebnis der systematischen Analyse von Situationen 

und zugehörigen Parametern sowie der Durchführung darauf basierender umfangreicher Simulationsreihen 

wurde das Referenzsystem als computergestützte Datenbank entwickelt und umgesetzt 

(siehe Abbildung 3.92), um vergleichbare Situationen mit geringem Aufwand hinsichtlich der 

auftretenden Körperfeldstärken im Vergleich mit den Grenzwerten der Regelwerke bewerten zu 

können. 

Hierfür wurden die Grenzwerte derzeit anerkannter Regelwerke sowie Körperfeldstärken und 

-stromdichten und zugehörige geometrische Parameter konkreter Expositionssituationen in ein 

Datenbanksystem, welches die Datenbanksprache SQL in Verbindung mit frei zugänglicher Software 

verwendet, implementiert. Durch das Mensch-Modell werden 77 Gewebetypen berücksichtigt 

und entsprechend der Anforderungen der Regelwerke in die Gewebegruppen Zentralnervensystem, 

Rückenmark und restliche Gewebetypen unterschieden. 

Für eine übersichtliche Datenbankabfrage werden zusätzlich zu den Einzelwerten jedes Gewebetyps 

die auftretenden Maximalwerte für jede Gewebegruppe im Einzelnen sowie für alle möglichen 

Kombinationen der drei Gruppen ermittelt und ebenfalls abgelegt. Die Datensätze sind über 

einfach handhabbare Formulare für verbreitete Webbrowser nach Eingabe von Prozessparametern 

und praktisch leicht ermittelbarer geometrischer Randbedingungen zugänglich. 

122


Abbildung 3.92: Schematische Darstellung von Datenstruktur und Abfragemethodik des Referenzsystems 


Dr.-Ing. Wulf-Toke Franke: Vergleich von Siliziumkarbid-Leistungshalbleitern und ihre 

Anwendung in einem wirkungsgradoptimierten PV-Wechselrichter 

Gutachter: 

• Prof. Dr.-Ing. Friedrich W. Fuchs, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel 

• Prof. Dr.-Ing. Andreas Lindemann, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg 

verteidigt am 14. Januar 2013 an der Christian-Albrechts-Universität Kiel 

Dr.-Ing. Samuel Araujo: On the Perspectives of Wide-Band Gap Power Devices in 

Electronic-Based Power Conversion for Renewable Systems 

Gutachter: 

• Prof. Dr.-Ing. habil. Peter Zacharias, Universität Kassel 


verteidigt am 15. Februar 2013 an der Universität Kassel 

Dr.-Ing. Elisabeth Schulze: Die Niedertemperatur-Verbindungstechnik zum Aufbau von 

Leistungselektronikmodulen für Elektrotraktion im Automobil 

Gutachter: 


• Prof. Dr.-Ing. Friedrich W. Fuchs, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel 

123

3 Forschung 

Abbildung 3.93: Gratulation an Elisabeth Schulze am Otto-von-Guericke-Denkmal 

verteidigt am 26. August 2013 

Bauraum und Gewicht, Lebensdauer und Zuverlässigkeit sowie Kosten sind die zu optimierenden 

Variablen für Leistungselektronik im Automobil. Die Niedertemperatur-Verbindungstechnik 

(NTV) hat das Potential, auch hier deutliche Fortschritte zu bringen. 

Daher steht im Fokus der vorliegenden Arbeit die Anwendung der Niedertemperatur-Verbindungstechnik 

für den Aufbau von Leistungselektronikmodulen, wie sie für elektrische Fahrzeugantriebe 

eingesetzt werden. Zunächst werden ausgehend von der Struktur eines elektrischen Antriebsstrangs 

und den vorherrschenden Betriebs- und Umweltbedingungen die allgemeinen Anforderungen an 

Leistungselektronik für Elektrotraktion im Automobil beschrieben und anschließend der derzeitige 

Stand der Aufbau- und Verbindungstechnik von Leistungselektronikmodulen vorgestellt. Eine 

zentrale Stellung nimmt hier die Zusammenfassung vorhandener Erkenntnisse auf dem Gebiet 

der Niedertemperatur-Verbindungstechnik ein. 

Basierend auf der Analyse bekannter Anwendungsmöglichkeiten der Niedertemperatur-Verbindungstechnik 

für Leistungselektronikmodule und der Auswertung der vorliegenden Lebensdauertests 

wurden drei neue Aufbaukonzepte für Leistungselektronikmodule entwickelt. Diese Konzepte 

werden hinsichtlich ihrer thermischen, thermomechanischen und elektrischen Eigenschaften miteinander 

verglichen und beispielhaft das Design eines Konzepts anhand einer konkreten Anwendung 

erarbeitet. 

Nachteilig für den Einsatz der Niedertemperatur-Verbindungstechnik war bisher die aufwendige 

und kostenintensive Prozessführung. Daher wurde ein neues Fertigungsverfahren für NTV- 

Leistungsmodule inklusive eines dafür benötigten zentralen Bauteils entwickelt und somit die 

Grundlagen für eine Verfahrensentwicklung zur Herstellung von NTV-Leistungsmodulen in einer 

Serienanwendung gelegt. Die Realisierung dieses Prozesses unter Laborbedingungen wird anhand 

von Prototypen, siehe Abbildung 3.94, unter Beweis gestellt. 

Dr.-Ing. Sebastian Schulz: Untersuchung und Optimierung der elektromagnetischen 

Verträglichkeit von Umrichtern unter besonderer Berücksichtigung von Aufbautechnik und 

Ansteuerung der Leistungshalbleiter 

Gutachter: 

124


Abbildung 3.94: Muster eines NTV-Leistungsmoduls mit Prototypengehäuse 


• Prof. Dr.-Ing. Hans-Günter Eckel, Universität Rostock 

• Dr. Peter Kanschat, Infineon Technologies AG 

verteidigt am 29.11.2013 

Abbildung 3.95: Gratulation an Sebastian Schulz am Otto-von-Guericke-Denkmal 

In der vorliegenden Arbeit werden die von Antriebsumrichtern erzeugten leitungsgebundenen 

Störemissionen untersucht. Der hierbei betrachtete Frequenzbereich erstreckt sich, entsprechend 

125

3 Forschung 

der derzeit geltenden Normen für drehzahlveränderbare Antriebe und auch andere leistungselektronische 

Geräte, bis 30 MHz. Dies ist zugleich der Frequenzbereich, der in der derzeit geltenden 

Norm für drehzahlveränderbare Antriebe und auch sonstige leistungselektronische Geräte festgelegt 

ist. Leitungsgebundene Störungen von Antriebs- und Industrieumrichtern weisen besonders 

in diesem Frequenzbereich Auffälligkeiten und Überschreitungen der Grenzwerte des Störpegels 

auf. Eine nachträgliche Entstörung des Umrichters ist mit erheblichen finanziellen Aufwendungen 

verbunden. 

Jeder leistungselektronische Wandler ist Quelle von elektromagnetischen Störungen. Neben 

dem Grundstörpegel, welcher von den elektronischen Wandlern zur internen Versorgung der 

IGBT-Treiber und der Mess- und Steuereinheit verursacht wird, entsteht der hauptsächliche 

Anteil der Störemissionen beim Schalten der Leistungshalbleiter. Durch die Modifikation des 

untersuchten Drehstrom-Antriebsumrichters zu einem Steller, ist es unter Beibehaltung der 

parasitären Komponenten des Aufbaus möglich, alle Arbeitspunkte und Pulsmuster stabil einzustellen 

und jedem Schaltverhalten des Leistungshalbleiters gezielt und reproduzierbar genau 

ein Störspektrum gegenüberzustellen. Es wird gezeigt, dass sich die spektralen Analysen der 

einzelnen Schaltverläufe in den Störspektren widerspiegeln. Eine Variation des Schaltverhaltens 

hat eine Veränderung der spektralen Zusammensetzung des Schaltverlaufes und somit auch des 

Störspektrums zur Wirkung. 

Durch Variation der Ansteuerungs-, Eingangs- und Lastparameter wurde eine sehr große Anzahl an 

Einzelmessungen mit unterschiedlichen Parametern durchgeführt. Die aus den Datensätzen dieser 

Messungen resultierenden spektralen Analysen der Einzelschaltverläufe und die Störspektren 

werden durch frequenzabschnittsweise Mittelwertbildung statistisch ausgewertet. Als Ergebnis 

dieser Analyse liegt dem Gesamtstörpegel des betrachteten Umrichters eine Linearkombination 

aus den spektralen Komponenten des geschalteten Stromes, der Spannung über dem IGBT und 

des Grundstörpegels zu Grunde. Dieser Zusammenhang lässt sich im nächsten Schritt in ein 

physikalisches Modell überführen. Der leitungsgebundene Gesamtstörpegel des Umrichters setzt 

sich aus Gleich- und Gegentaktstörungen zusammen. 

Geht man davon aus, dass die Gleichtaktstörungen primär von hohen du /dt, wie es beim Schalten 

von Spannungen auftritt, hervorgerufen werden und analog dazu alle geschalteten Ströme mit den 

jeweils auftretenden di /dt für Gegentaktstörungen verantwortlich sind, können Ersatzschaltbilder 

erstellt werden, welche die wesentlichen parasitären Elemente enthalten. Unter Zuhilfenahme 

dieser Ersatzschaltbilder lässt sich nun das Übertragungsverhalten für die im Leistungshalbleitermodul 

am IGBT auftretenden Strom- und Spannungskomponenten ermitteln und mit dem 

Grundstörpegel eine Störprognose erstellen. 

Da sich viele parasitäre Elemente des Aufbaus nur schwer ermitteln lassen, da sie entweder sehr 

klein oder aufgrund ihrer ungünstigen Anordnung nicht genau messbar sind, ist es unvermeidbar, 

einige dieser Elemente abzuschätzen. Eine genaue Störvorhersage benötigt hingegen eine genaue 

Kenntnis des Aufbaus und seiner Umgebung und ist somit mit einem erheblichen Aufwand 

verbunden. Lassen sich die parasitären Elemente des Aufbaus jedoch messen bzw. abschätzen, ist 

das in dieser Arbeit vorgeschlagene Verfahren sehr gut geeignet, um eine erste Störprognose mit 

geringem Aufwand durchzuführen oder den Einfluss von Parametern zu untersuchen. 

Die Erweiterung des statistischen Ansatzes lässt eine schnelle und unkomplizierte experimentelle 

Ermittlung der Störübertragungsparameter zu. Diese Übertragungsparameter können mit nur 

wenigen Messungen bestimmt werden und lassen eine schnelle Störprognose innerhalb einer engen 

Variation der Ansteuer- oder Schaltparameter zu. Die in dieser Arbeit gezeigten Zusammenhänge 

zwischen den geleiteten Störemissionen und dem Einzelschaltverhalten eines Leistungshalbleiters 

geben einen Einblick in die Zusammensetzung des geleiteten Störspektrums. Unter Berücksichtigung 

dieser Zusammenhänge können Umrichterkomponenten genau so dimensioniert werden, 

dass sie ein spezielles Störübertragungsverhalten aufweisen. Darüber hinaus zeigt sich, dass eine 

126


optimierte Pulsform und somit auch ein optimiertes Schaltverhalten einen wesentlichen Beitrag 

zur Reduktion der geleiteten Störemissionen leistet. Durch Beachtung dieser Einflussfaktoren 

können gleich zu Beginn einer Hardwareentwicklung das angestrebte Störverhalten berücksichtigt 

und somit die Aufwendungen für eine nachträgliche Entstörung maßgeblich reduziert werden. 



• X. Liu, A. Lindemann, Y. Zhou: Performance evaluation of different carrier-based modulation 

strategies in Modular multilevel converter; PCIM Europe 2013, 14.-16.05.2013, 

Nürnberg 

• J. Bauch, S. Schulz, A. Lindemann: Investigation of the forecast of radiated electromagnetic 

emissions of power converters using switching waveform analysis; PCIM Europe 2013, 

14.-16.05.2013, Nürnberg 

• T. Poller, M. Bohlländer, J. Lutz, B. Böttge, F. Grieger, A. Lindemann, H. Knoll: Comparison 

of the thermal cycling capability between power modules with DAB and DCB 

substrates with Al 2 O 3 ceramic; PCIM Europe 2013, 14.-16.05.2013, Nürnberg 

• S. Förster, R. Döbbelin, A. Lindemann: Referenzsystem für die Bewertung von elektrischen 

Gewebefeldstärken und -stromdichten im menschlichen Körper beim Widerstandsschweißen; 

22. DVS-Sondertagung Widerstandsschweißen, Duisburg 2013 

• A. Lindemann: Technologie/Leistungselektronik; E7.2 VDE-Kongress 2012, ETG Mitgliederinformation, 

Nr. 2 Juni 2013 

• A. Lindemann: Potential of Wide Bandgap Semiconductors in Power Electronic Applications; 

Electronics in Motion and Conversion, September 2013, S. 36 

• B. Strauß, F. Grieger, A. Lindemann: Zuverlässigkeitsuntersuchungen an leistungselektronischen 

Bauelementen im Lastwechselversuchsstand; 11. Magdeburger Maschinenbau-Tage 

2013, 25.-26.09.2013, Magdeburg 

• S. Förster, F. Grieger, A. Lindemann: Berechnung und Messung des Wärmewiderstandes 

leistungselektronischer Bauelemente unter Berücksichtigung der Wärmespreizung; Internationaler 

ETG-Kongreß – Fachtagung Forschung und Entwicklung für die Elektromobilität, 

Berlin, 2013, ETG-Fachbericht 139, VDE Verlag Berlin/Offenbach 

Dissertationen und Bücher 

• A. Lindemann, F. Grieger: Schaltungsspezifische Belastungen der Bauelemente; Lehrbuch: 

Dierk Schröder – Leistungselektronische Schaltungen, Springer Vieweg, 3. Auflage, S. 

913-936 

— Dissertationen siehe Abschnitt 3.4.3 — 


• X. Liu, A. Lindemann: Smart control of DC transmission; Smart Grid Nord, 19.-20.06.2013, 

Hannover 

• J. Bauch, T. Ferianz, A. Lindemann: Optimierung der Schaltverluste durch Einsatz eines Gate-Treibers 

mit einstellbarem Gatestrom; 42. Kolloquium Halbleiter-Leistungsbauelemente 

und ihre systemtechnische Anwendung, Freiburg i. Br., 28.-29.10.2013 

127

3 Forschung 


3.5.1 Kooperationen 

Studienaufenthalte ausländischer Wissenschaftler am Institut 

• Dr. K. V. Suslov 

(Lehrstuhl für Elektrische Netze und Alternative Elektroenergiequellen, 05.04.2013–22.05.2013 und 

20.10.2013–19.11.2013) 

• M. Sc. T. T. Sokolnikova 

(Lehrstuhl für Elektrische Netze und Alternative Elektroenergiequellen, 30.04.2013–29.05.2013 und 

22.09.2013–06.10.2013) 

• Prof. N. Grebchenko 

(Lehrstuhl für Elektrische Netze und Alternative Elektroenergiequellen, 01.10.2013–15.10.2013) 

• Prof. V. S. Stepanov 


• Dr. N. N. Solonina 


• Dr. I. N. Shushpanov 


• Prof. V. V. Fedchishin 

(Lehrstuhl für Elektrische Netze und Alternative Elektroenergiequellen, 03.11.2013—11.11.2013) 

• Prof. V. Kalaschnikow, Dekan 


3.5.2 Technische Gremien und Verbände 

• Prof. Lindemann: 

– Senior Member des Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), Chair of 

Awards Committee der Power Electronics Society (PELS) 

– Associate Editor at Large der IEEE Transactions on Power Electronics 

– Counselor der IEEE Student Branch „Otto von Guericke“, Magdeburg 

– Past Chairman 2005-2006 des Joint IAS/PELS/IES German Chapters 

– Mitglied von VDE und ETG sowie Vorsitzender des Fachbereichs Q1 der ETG 

– Mitglied des International Steering Committees der European Power Electronics and 

Drives Association (EPE) 

– Mitglied des Fachbeirates der Konferenz PCIM (Power Conversion, Intelligent Motion) 

• Prof. Styczynski: 

– VDE ETG V2, Mitglied 

– VDE ETG, Mitglied 

– CIGRE NC SC 6, Stellvertretener Leiter 

– CIGRE WG C6.15 Electric Energy Storage, Leiter 

– FNN FK MNS, Mitglied 

– ZERE e. V., Vorstandsvorsitzender 

– CRIS International Institute, President 

– IEEE, Senior Member 

• Prof. Leidhold: 

– VDE und ETG Mitglied 

128


– IEEE Member 

• Prof. Vick: 

– Mitglied im Verein Deutscher Ingenieure (VDI) 

– Mitglied der Energietechnischen Gesellschaft (ETG) im Verband der Elektrotechnik, 

Elektronik und Informationstechnik (VDE) 

– Mitglied im Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) 

∗ Senior Member 

∗ Mitglied der Electromagnetic Compatibility (EMC) Society 

– Gutachter für die IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility 

– Mitglied der Joint Task Force A-H der International Electrotechnical Commission 

(IEC) 

3.5.3 Kolloquien 

14. Treffen des Dresdener Kreises in Duisburg und Eindhoven in Dresden 40 

Vom 3. bis 5. April 2013 fand wieder das inzwischen zum festen Bestandteil des Jahreskalenders 

gewordene Treffen des Dresdener Kreises statt. Dieses jährliche Seminar bringt Teilnehmer der 

Technischen Universität Dresden, der Leibniz Universität Hannover, der Universität Duisburg- 

Essen und der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg auf den Fachgebieten der elektrischen 

Energieversorgung bzw. elektrischen Netze zusammen. Grundidee ist der Erfahrungs- und Informationsaustausch 

durch eine Auswahl an Vorträgen von Kollegen aller beteiligten Lehrstühle mit 

anschließenden vertiefenden Diskussionen sowie in Form gemeinsamer Exkursionen. 

In diesem Jahr bot der Dresdener Kreis dabei gleich zwei Neuerungen auf. Zum Einen wurde 

das Treffen um einen Tag verlängert und darüber hinaus war der Dresdener Kreis in diesem 

Jahr für den zweiten Teil des wissenschaftlichen Kolloquiums in den Niederlanden zu Gast. 

Am ersten Tag in Duisburg fanden vier der insgesamt acht Doktorandenvorträge statt mit 

anschließendem Rundgang durch die Räumlichkeiten und Labore des Fachgebiets „Elektrische 

Anlagen und Netze“. Der zweite Tag führte die Gruppe dann auf Einladung von Prof. Kling an das 

„Department of Electrical Engineering“ der Technischen Universität Eindhoven. Hier gab es nach 

den Vorträgen ebenfalls eine Führung durch die Labore des Fachbereichs mit einem ganz besonders 

eindrucksvollen Spektakel. Das alte, für Forschungszwecke nicht mehr genutzte Hochstromlabor 

beherbergt zu Anschauungs- und Demonstrationszwecken einen Tesla-Transformator, mit dem es 

möglich ist über eine pulsweitenmodulierte Zu- und Abschaltung der Teslaspule, eine gezielte 

„Ausgabe“ von Büschelentladungen und damit verbundenen hochfrequenten, hörbaren Impulsen 

zu generieren. Die Ergebnisse waren beeindruckende, akustische Darbietungen u. a. der bekannten 

Titelmusik aus dem Film „Der Fluch der Karibik“ sowie des legendären „Hummelflugs“ vom 

russischen Komponisten Nikolai Rimski-Korsakow. Dieses faszinierende Erlebnis bleibt wohl allen 

Teilnehmern noch lange in bester Erinnerung! Abschließend war natürlich auch noch etwas Zeit, 

die Altstadt von Eindhoven zu erkunden. 

Abgerundet wurden beide Tage mit schönen, geselligen Abendessen als Ausklang und den damit 

verbundenen Gelegenheiten für zahlreiche interessante, fachliche aber auch private Gespräche. Es 

bleibt der Blick auf den kommenden 15. Dresdener Kreis im Jahr 2014, der dann wieder von der 

OvGU Magdeburg organisiert – allerdings in Leipzig stattfinden – wird. 

40 von Dipl.-Ing. Steffen Rabe 

129

3 Forschung 

Abbildung 3.96: Teilnehmer des 14. Dresdener Kreises während des Besuchs der TU Eindhoven 

ego.-Businessplanwettbewerb Sachsen-Anhalt: Erfolgreiche Teil-nahme durch das Team 

horizon-tec 41 

Das Team horizon-tec, bestehend aus den o. g. Personen, hat in diesem Jahr an dem ego.- 

Businessplanwettbewerb 2013 in Sachsen-Anhalt teilgenommen. Der Businessplanwettbewerb 

ging über drei Phasen. In der ersten Phase sollte ein kurzes Ideenpapier eingereicht werden, welches 

die grundlegende Geschäftsidee kurz be-schreibt. In der zweiten Phase sollten die Teilnehmer 

einen kleinen Businessplan schreiben, welcher sich auf das Marketing, das Unternehmenskonzept 

und die Chancen und Risiken fokussiert. Die Aufgabe der letzten Phase bestand darin, einen 

bankreifen Businessplan zu schreiben welcher einen starken Fokus auf den Finanz-plan hat. Das 

Team horizon-tec konnte sich in der Rubrik Wissenschaft und Techno-logie in der ersten Phase 

den dritten Platz und in der zweiten Phase den zweiten Platz sichern. In der letzten Phase 

belegte das Team den dritten Platz. Somit konnte sich das Team in jeder Phase einen Platz auf 

dem Siegertreppchen und Prämien von bis zu 1000€ sichern. 

Das Team nahm mit der Geschäftsidee DiLiCo (Diagnostic to ensure lifetime and reduce costs) 

an dem Wettbewerb teil. Mit der Hilfe dieses Diagnosetools für Brenn-stoffzellen sollen die 

Qualitätsstandards für Brennstoffzellen in der Massenproduktion erhöht und die Kosten für die 

Qualitätssicherung gesenkt werden. Der nächste Schritt des Teams ist die Teilnahme an dem 

deutschlandweiten Businessplanwettbewerb von Science4Life. 

5th ECPE SiC & GaN User Forum – Potential of Wide Bandgap Semiconductors in Power 

Electronic Applications: Report of Conclusions 42 

General ECPE Wide Bandgap User Forums have established as an international event where 

users – i. e., engineers developing advanced power electronic converters – and manufacturers of 

Silicon Carbide (SiC) and Gallium Nitride (GaN) devices meet biannually for a fruitful exchange. 

It this year took place in München. The main technical focus has been on new developments with 

41 von Dr.-Ing. Maik Heuer, Dipl.-Ing. Michael Wenske, M. Sc. Philipp Kühne, B. Sc. Christian Rinne 

42 von Prof. Dr.-Ing. Andreas Lindemann 

130


Abbildung 3.97: Gewinner des ego.-Businessplanwettbewerbs 2013 

SiC and GaN transistors including related aspects like circuit design and packaging. Renowned 

experts from all over the world have been invited to explain state of the art and trends, to 

foster physical understanding, to in depth explain their research and development work in 

technical presentations and to share their knowledge in discussions. The User Forum this way 

has established a platform to share experience and ideas, to discuss and find out which power 

electronic systems are predestinated for usage of SiC or GaN, how to appropriately design-in 

those novel, almost ideal but also challenging components, and which open issues need to be 

addressed. It aimed at finding and pointing out approaches to exploit the high potential of those 

devices and to support their beneficial introduction in power electronic systems. The major 

findings are summarised in the following: 

State of the Art and Trends All types of novel SiC transistors – i. e., the voltage controlled, 

normally-off MOSFET, the voltage controlled, mostly normally-on JFET and the current 

controlled bipolar junction transistor – are explored for applications. Compared to earlier 

work concentrating on power supplies or photovoltaic inverters in the lower Kilowatt range it is 

remarkable that the development of a traction inverter with SiC transistors and diodes has been 

reported which needs to cover a power range of several hundreds of Kilowatts. In addition, for 

the first time details have been given about several development projects aiming at the use of 

GaN devices in industrial and other applications; this also includes fundamental investigations 

about appropriate operation modes and circuits, where hard and soft switching operation of GaN 

transistors – the latter up to 1 MHz – have been demonstrated. It turned out that the power 

semiconductor devices are well suited for such high frequencies, but inductive components limit 

their performance. Consideration of the circuit including semiconductors and passives from a 

system point of view further permitted to estimate the economic viability using wide bandgap 

devices under different conditions and operational modes. 

The device side was highlighted with a critical review of SiC material, epi and device technology, 

showing the major progress made in these areas during the recent years without hiding open 

issues. GaN devices were addressed with an introduction into the functional principle of the high 

electron mobility transistor (HEMT) and presentations of particular transistors manufactured 

on silicon substrates as the most cost efficient solution. Controlling the very fast devices may 

be some challenge to be facilitated with integrated circuits as have been outlined with respect 

to normally-on SiC JFETs. Another important issue is specific packaging which at least needs 

to be low inductive. Further it is an enabling factor for high temperature operation; this is an 

important feature in some special applications, however will hardly be exploitable to significantly 

131

3 Forschung 

miniaturise the chips for reasons of thermal runaway. Finally, semiconductor devices and package 

determine reliability and robustness of the components in the circuit: These subjects have been 

addressed as a crucial factor for industrial implementation of novel devices. SiC components 

have reached a considerable degree of maturity. It is further helpful to profit from insights gained 

in other application areas – such as with GaN devices for high frequency applications; obviously 

work still remains to be done in this respect. 

Conclusion and Outlook System and device related research and development have led to 

remarkable results: With SiC diodes being already established in industrial applications, SiC 

transistors can be expected to follow soon in a rather broad power range. Circuit designers will 

like the fact that there are still various solutions, i. e., types of devices. GaN transistors are 

subject to device and application development; they may compete with SiC devices starting 

in the lower voltage range, i. e. with blocking voltages around 600 V. Advances in packaging 

as reqired especially with respect to minimised parasitics, have been reported on product and 

research level and need to go on. This also applies to necessary qualification of reliability and 

robustness. 

Power electronics is an enabling technology to reach goals like energy efficiency and energy 

supply from renewable sources. Wide bandgap devices and the related circuits and systems are a 

fascinating and rapidly evolving part of it. An update about further progress in this area will be 

available on the occasion of the next ECPE SiC & GaN User Forum. 

Schaltungstechnik für GaN-Bauelemente in der Leistungselektronik – ETG-Workshop am 

04.11.2013 in Berlin 43 

Unter Leitung von Frau Prof. Dieckerhoff (TU Berlin), Herrn Prof. Kaminski (Universität Bremen) 

sowie Herrn Prof. Lindemann (Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg) richtete der 

Fachbereich Q1 der ETG im VDE erstmals einen Workshop zur Schaltungstechnik für GaN-Bauelemente 

in der Leistungselektronik aus. Während Bauelemente aus diesem Halbleiter-Material 

in der Hochfrequenztechnik bereits seit längerem etabliert sind, stellen die am Markt als Muster 

und erst teilweise als Produkt verfügbaren GaN-Leistungsbauelemente die Schaltungsentwickler 

vor teils neue Herausforderungen. So bestand das Ziel des halbtägigen Workshops darin, den Austausch 

unter Anwendern von GaN-Leistungshalbleitern zu fördern, Lösungsansätze beispielsweise 

bezüglich geeigneter Schaltungstechnik zu finden, Potentiale für zukünftige anwendungsorientierte 

Arbeiten auszuloten, aber auch offene Fragen festzuhalten. Die anwesenden Forscher und 

Entwickler aus Hochschulen, Forschungsinstituten und Industrie nutzten die Gelegenheit zu 

angeregter Diskussion der von den eingeladenen Vorträgen behandelten Themen. 

11. Magdeburger Industrieseminar für Elektromagnetische Verträglichkeit am 05.11.2013 44 

Unter der Leitung von Prof. Vick fand in diesem Jahr das mittlerweile 11. EMV-Industrieseminar 

in Magdeburg mit dem Thema „Specials – Sonderthemen, Aktuelles und Neues aus der EMV- 

Industriepraxis“ statt. Das Seminar dient dem Erfahrungsaustausch zwischen Mitarbeitern 

und Forschern der Otto-von-Guericke-Universität sowie Ingenieuren und Techniker aus kleinen 

und mittleren Unternehmen der Region. Insgesamt konnten in diesem Jahr 165 Gäste aus 

etwa 130 Firmen gezählt werden. Weiterhin umfasste das Seminar eine Ausstellung, in der 

etwa 20 Anbieter von Messtechnik und EMV-Produkten ihre neuesten Entwicklungen und das 

dazugehörige Anwendungsportfolio vorstellten (siehe Abbildung 3.98). 

43 von Prof. Dr.-Ing. Andreas Lindemann 


132


Den Hauptteil des Seminars bildeten 18 Vorträge, die in drei parallelen Sitzungen präsentiert und 

diskutiert wurden. Die Vortragsthemen zeichneten sich, wie in jedem Jahr, durch einen hohen 

Anwendungsbezug und große praktische Relevanz aus. Präsentiert wurden die Vorträge zum 

großen Teil durch Industriepartner, aber auch durch Mitarbeiter des IESY und des IMT. Zu den 

diesjährigen Vortragsthemen zählten unter anderem: 

• Sichere Fernkommunikation mit Maschinen und Anlagen, 

• Oberschwingungen und Überlastung von Neutralleitern in dreiphasigen Stromsystemen, 

• Filterdesign auf der Basis von Herstellerangaben, 

• Optimierung von gestrahlten Störemissionen eines einphasigen Gleichrichters mit Leistungsfaktorkorrektur, 

und 

• EMV in der interventionellen Magnetresonanztomographie. 

Als Besonderheit gab es in diesem Jahr einen englischsprachigen Workshop von EMCoS, einem 

Entwickler für Simulationssoftware auf dem Gebiet der EMV (http://www.emcos.com/). In 

diesem Workshop wurden unter anderem folgende Themen behandelt: 

• effiziente Modellierungs- und Simulationstechniken für EMV-Probleme in der Industrie mit 

Hilfe von EMCoS-Werkzeugen 

• Vorstellung von praxisnahen Simulationsergebnissen durch OEMs aus dem Automobilbereich 

• Live-Vorführung der Simulation von gestrahlten und geleiteten Emissionen eines Kfz- 

Bordnetzes 

Aller Voraussicht nach findet auch im nächsten Jahr ein EMV-Industrieseminar statt. Das 12. 

EMV-Seminar wird dann unter dem Motto „EMV-Technologien für die Medizintechnik“ stehen 

und am 04.11.2014 stattfinden. 

Abbildung 3.98: Erfahrungsaustausch zwischen Ausstellern und Gästen des 11. Magdeburger 

EMV-Industrieseminars am 05.11.2013 (Foto: Stefan Berger) 

133

Jahresbericht 2013 - Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg

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