Im Netz der Elektroenergieversorgung werden einzelne Netzkomponenten und Betriebsmittel durch Verbindungen elektrisch zusammengeschaltet. Dabei werden häufig Schraubenverbindungen mit Stromschienen eingesetzt. Diese müssen über mehrere Jahrzehnte zuverlässig hohe Ströme tragen können. Abhängig von der sich einstellenden Temperatur an den Verbindungen altern diese mit der Zeit. Die Alterung wird je nach Verbindungssystem von verschiedenen Mechanismen beeinflusst, die alle parallel ablaufen. Bei ruhenden, stationären elektrotechnischen Verbindungen, deren Kontaktpartner aus verschiedenen Materialien bestehen, können abhängig von der Paarung intermetallische Phasen (IMP) entstehen. Die sich bildenden IMP haben schlechtere elektrische und mechanische Eigenschaften als die reinen Metalle. Daraus resultiert ein höherer Verbindungswiderstand. Die erzeugte Verlustleistung sowie die Temperatur der Verbindung steigen an. Dies kann zum Ausfall der Verbindung führen. In der Elektroenergietechnik werden aufgrund ihrer guten elektrischen Leitfähigkeit häufig die Werkstoffe Aluminium und Kupfer sowie das Beschichtungsmetall Silber bei Temperaturen von üblicherweise 90 °C bis 200 °C eingesetzt. Speziell bei Aluminium-Kupfer-Verbindungen, die nicht langzeitstabil sind, wird als maßgebliche Ausfallursache das Bilden von IMP gesehen. Die IMP des Systems Al-Cu wurden in der Vergangenheit bereits vielfach untersucht. Das Übertragen der Ergebnisse auf die Problematik stromtragender Verbindungen der Elektroenergietechnik ist jedoch nicht ohne Weiteres möglich. Der relevante niedrige Temperaturbereich zwischen 90 °C und 200 °C spielt bei vielen Untersuchungen nur eine untergeordnete Rolle. Zusätzlich können die Eigenschaften der IMP bei unterschiedlichen Herstellungsverfahren voneinander abweichen. Zum System Al-Ag ist in der Literatur nur wenig bekannt. Deshalb wurden für diese Arbeit phasenreine IMP der Systeme Al-Cu und Al-Ag mit unterschiedlichen Herstellungsverfahren bei möglichst identischen Randbedingungen hergestellt. Diese wurden mit einer speziell für diese Proben entwickelten Messeinrichtung elektrisch charakterisiert und der ermittelte spezifische elektrische Widerstand der IMP und ihr Temperaturbeiwert mit Werten aus der Literatur verglichen. An verschiedenen Schraubenverbindungen mit Stromschienen aus Aluminium und Kupfer wurden Langzeitversuche von bis zu 3 Jahren durchgeführt. Der Verbindungswiderstand wurde abhängig von der Zeit ermittelt. An ausgewählten Verbindungen wurde zusätzlich in zwei identischen Versuchen der Einfluss der Belastung mit Dauer- und Wechsellast auf das Langzeitverhalten untersucht. Mithilfe der an den IMP ermittelten elektrischen Eigenschaf-ten wurde deren Einfluss auf den Verbindungswiderstand berechnet. Die Ergebnisse dieser Modellrechnung wurden mit den Ergebnissen aus den Langzeitversuchen verglichen. Ausgewählte Verbindungen wurden dazu mikroskopisch untersucht. Es wurde festgestellt, dass die IMP nicht ausschließlich das Langzeitverhalten stromtragender Verbindungen bestimmen. Es muss mindestens ein weiterer Alterungsmechanismus einen signifikanten Einfluss haben. Die Untersuchungen deuten darauf hin, dass dabei Sauerstoff eine zentrale Rolle spielen könnte. / In electrical power supply networks a huge number of electrical joints are used to connect transmission lines, conductors, switchgears and other components. During operation these joints are aging due to different aging mechanisms. Depending on the type of the joint several aging mechanisms can take place at the same time. For stationary joints with contact partners made of different materials, the formation of intermetallic compounds (IMC) may be an issue. These IMC have worse electrical and mechanical properties compared to the pure metals. Therefore, the presence of IMC in the contact area results in a higher joint re-sistance and the temperature and the thermal power losses increase. Typical temperatures for high current joints are between 90 °C and 200 °C. Due to their good electrical conductivity aluminum and copper are often used as conductor materials and silver as a coating material. Especially bimetal joints made of aluminum and copper are not long term stable. The formation of Al-Cu IMC is held responsible as a cause of failure. The IMC of the System Al-Cu have already been studied by several authors. However, it is difficult to apply the results directly to electrical joints in power supply networks. In many studies the low temperature range between 90 °C and 200 °C is not regarded. In addition, the properties of the IMC may vary due to different preparation processes. There is only little information about the system Al-Ag in the literature. For this work, phase pure IMC of the systems Al-Cu and Al-Ag were prepared by different preparation processes using similar process parameters. These IMC samples were electrically characterized with a specially developed measuring device. The specific electric resistivity and the temperature coefficient of resistance were determined and compared to values taken from the literature. Various combinations of bus bar joints made of aluminum and copper were investigated in long term tests for up to three years. The joint resistance was determined as a function of time. In addition, for selected joints two identic setups were operated with continuous load and alternating load. The long term behavior was investigated with regard to the load ap-plied. Using the results of the electrical characterization of the IMC their influence on the joint resistance was calculated theoretically. The results of the calculation were compared to the results determined in the long term tests. Selected joints were examined microscopi-cally after termination of the long term tests. It was found, that the long term behavior of bimetal electrical joints with the combination Al-Cu and Al-Ag cannot be exclusively described by the growth of IMC. At least there is one further aging mechanism involved. The studies suggest, that oxygen may have a significant influence.

In Geräten und Anlagen des Stromnetzes werden Steckverbinder mit hoher Stromtragfähigkeit eingesetzt, wenn bewegliche Teile kontaktiert werden oder Betriebsmittel mit geringem Aufwand montier- und demontierbar sein müssen. Die elektrische Verbindung der Leiter wird dabei oft mit federnden Kontaktelementen realisiert. Die Kontaktelemente müssen als Teil der Strombahn während der Lebensdauer des Geräts den Betriebsstrom im Kiloampere-Bereich und im Fehlerfall bis zu einige Sekunden lang den eine Größenordnung höheren Kurzschlussstrom tragen. In der vorliegenden Arbeit wurden Rechenmodelle für die innere Erwärmung von Hochstrom-Kontaktsystemen im stationären Dauerbetrieb und im transienten Kurzschlussfall entwickelt. Das elektrische und mechanische Langzeitverhalten im Temperaturbereich (105…180) °C wurde experimentell mit stromdurchflossenen, fettgeschmierten Modellsteckverbindern, die regelmäßig getrennt und neu gesteckt wurden, untersucht. Modellerstellung, Rechnungen und Versuche wurden beispielhaft mit Kontaktelementen vom Typ Multilam durchgeführt. Kontaktelemente und Leiter bestanden aus versilbertem Kupfer. Für das stationäre Betriebsverhalten wurden die mit der analytischen Spannungs-Temperatur-Beziehung nach Kohlrausch berechneten Ergebnisse mit einem Erwärmungsversuch verifiziert. Die Temperaturdifferenz zwischen Kontaktelement und Leiter ist bei Standardanwendungen, wie in Schaltanlagen, mit ≤ 3 K sehr klein. Deshalb ist die Leitertemperatur als Zielgröße beim Dimensionieren der Dauerstrombelastbarkeit ausreichend. Bei Kurzschlussstrombelastung wurde im Kontaktsystem eine schnelle, räumlich unterschiedlich ausgeprägte Erwärmung numerisch berechnet. Leiter und Kontaktelement erwärmen sich kontinuierlich, wobei die mittlere Endübertemperatur im Kontaktelement aufgrund des kleineren stromtragenden Querschnitts eine Größenordnung höher ist. Die Kontakte führen bei 50 Hz-Wechselstrom aufgrund ihrer vernachlässigbaren Wärmekapazität 100 Hz-Temperaturzyklen aus. Dabei können die Maximaltemperaturen noch deutlich größer als die mittlere Temperatur der Kontaktelemente sein. Im Langzeitversuch waren nach 16 000 h Betriebszeit bei 180 °C und regelmäßigen simulierten Steckvorgängen die Verbindungskräfte noch genügend groß, um die elektrischen Anforderungen eines neuen Kontaktsystems zu erfüllen. Allerdings führte bei einer Betriebstemperatur von 105 °C ein thermisch instabiles Schmierfett zum vorzeitigen elektrischen Ausfall eines Teils der Steckverbinder.:Einleitung Hochstrom-Kontaktsysteme – Stand der Technik Theorie der Kontakte bei hoher Strombelastung Stationäres elektrisch-thermisches Betriebsverhalten Transientes elektrisch-thermisches Betriebsverhalten Langzeitverhalten Zusammenfassung Ausblick / Switchgear and devices for the power grid use high-power connectors if moving parts have to be contacted or equipment shall be easily mountable and dismountable. The electrical connection of the conductors is often realized by spring-loaded contact elements. As part of the main circuit, contact elements must carry the full operating current in the kiloampere-range for the entire service life of the device. In case of a fault, the short-circuit current, which is one order of magnitude larger, has to be carried for up to several seconds. In this thesis, calculation models for the inner temperature rise of high-power contact systems in steady-state continuous operation, as well as for the transient short-circuit load case were developed. Electrical and mechanical long-term performance in the temperature range from 105 to 180 °C was experimentally investigated with current carrying, grease-lubricated model connectors which were regularly unplugged and replugged. Modelling, calculations and experiments were exemplarily carried out with Multilam contact elements. Conductors and contact element consisted of silver-plated copper. The analytical voltage-temperature relation was used to calculate the steady-state performance; calculations were verified with a temperature-rise test. The temperature difference from contact element to conductors is very small (≤ 3 K) for standard applications like switchgear. Thus, it is sufficient to use the conductor temperature as a criterion for the design of the continuous ampacity of high-power contact systems. At short-time load, a fast spatially inhomogeneous temperature rise was numerically calculated. Conductor and contact element continuously heat up; due to the smaller current carrying cross section, median final temperature rise in the contact element is one order of magnitude larger than in the conductors. Because of their negligible thermal capacity, contacts perform 100 Hz temperature cycles at 50 Hz AC load; the maximum contact temperatures may be significantly higher than the median temperature of the contact elements. In the long-term test, after 16 000 h operating time at 180 °C and regular plugging operations, contact elements maintained enough joint force to meet the requirements of a new contact system. At 105 °C however, a thermally instable grease led to electrical failure of part of the connectors.:Einleitung Hochstrom-Kontaktsysteme – Stand der Technik Theorie der Kontakte bei hoher Strombelastung Stationäres elektrisch-thermisches Betriebsverhalten Transientes elektrisch-thermisches Betriebsverhalten Langzeitverhalten Zusammenfassung Ausblick

This work presents a 6.5-kV 1-kA SiC bipolar diode module for megawatt-range medium voltage converters. The study comprises a review of SiC devices and bipolar diodes, a description of the die and module technology, device characterization and modelling and benchmark of the device at converter level. The effects of current change rate, temperature variation, and different insulated-gate bipolar transistor (IGBT) modules for the switching cell, as well as parasitic oscillations are discussed. A comparison of the results with a commercial Si diode (6.5 kV and 1.2 kA) is included. The benchmark consists of an estimation of maximum converter output power, maximum switching frequency, losses and efficiency in a three level (3L) neutral point clamped (NPC) voltage-source converter (VSC) operating with SiC and Si diodes. The use of a model predictive control (MPC) algorithm to achieve higher efficiency levels is also discussed. The analysed diode module exhibits a very good performance regarding switching loss reduction, which allows an increase of at least 10 % in the output power of a 6-MVA converter. Alternatively, the switching frequency can be increased by 41 %.:1 Introduction 2 State of the art of SiC devices and medium-voltage diodes 2.1 Silicon carbide diodes and medium-voltage modules 2.2 Medium-voltage power diodes 3 Characterization of the SiC PiN diode module 37 3.1 Introduction 3.2 Experimental setup 3.3 Experimental results: static behaviour 3.4 Experimental results: switching behaviour 3.5 Comparison with 6.5-kV silicon diode 3.6 Oscillations in the SiC diode 3.7 Summary 4 Comparison at converter level 4.1 Introduction 4.2 Power device modelling 4.3 Determination of maximum converter power rating 4.4 Analysis 4.5 Increased efficiency through model predictive control 4.6 Summary 5 Conclusion

Rund 70 % der Energieaufnahme von elektrischen Antriebssystemen wird von quasistationären Antrieben in Transportanlagen hervorgerufen. Eine gesteigerte Energieeffizienz führt neben reduzierten Energiekosten zu weiteren Nutzeffekten, wie z.B. einem verringerten Kühlaufwand, einem kleinerem Bauraum und einer höheren Lebensdauer der Komponenten. Zur Steigerung der Energieeffizienz dieser Transportanlagen werden in dieser Arbeit Methoden zur Auslegung der zugehörigen Antriebssysteme unter besonderer Berücksichtigung des Förderprozesses erarbeitet. Als repräsentative Transportanwendungen werden Pumpen- und Förderbandanlagen untersucht. Dabei wird das gesamte elektromechanische System analysiert, um das volle Energiesparpotenzial zu erfassen – beginnend mit dem Lastprofil des transportierten Förderguts bis hin zur elektrischen Energieversorgung. Hierzu werden alle Systemkomponenten modelliert, um die Verluste in verschiedenen Betriebspunkten im Volllast- und Teillastbereich abzuschätzen. Darauf aufbauend erfolgt die Erarbeitung praktikabler Projektierungshinweise und prozessspezifischer Auswahldiagramme, welche eine schnelle Vorauswahl der energieeffizientesten Antriebstopologie ermöglichen. Da die Verlustmodelle auf frei zugänglichen Datenblattangaben basieren, können die vorgestellten Methoden und Auswahlkriterien bereits in einem frühen Projektierungsstadium zur Auslegung einer energieeffizienten Transportanlage angewandt werden.

Increasingly complex applications and recent shifts in technology scaling have created a large demand for microprocessors which can perform tasks more quickly and more energy efficient. Conventional microarchitectures exploit multiple levels of parallelism to increase instruction throughput and use application specific instruction sets or hardware accelerators to increase energy efficiency. Reconfigurable microprocessors adopt the same principle of providing application specific hardware, however, with the significant advantage of post-fabrication flexibility. Not only does this offer similar gains in performance but also the flexibility to configure each device individually. This thesis explored the benefit of a tight coupled and fine-grained reconfigurable microprocessor. In contrast to previous research, a detailed design space exploration of logical architectures for island-style field programmable gate arrays (FPGAs) has been performed in the context of a commercial 22nm process technology. Other research projects either reused general purpose architectures or spent little effort to design and characterize custom fabrics, which are critical to system performance and the practicality of frequently proposed high-level software techniques. Here, detailed circuit implementations and a custom area model were used to estimate the performance of over 200 different logical FPGA architectures with single-driver routing. Results of this exploration revealed similar tradeoffs and trends described by previous studies. The number of lookup table (LUT) inputs and the structure of the global routing network were shown to have a major impact on the area delay product. However, results suggested a much larger region of efficient architectures than before. Finally, an architecture with 5-LUTs and 8 logic elements per cluster was selected. Modifications to the microprocessor, whichwas based on an industry proven instruction set architecture, and its software toolchain provided access to this embedded reconfigurable fabric via custom instructions. The baseline microprocessor was characterized with estimates from signoff data for a 28nm hardware implementation. A modified academic FPGA tool flow was used to transform Verilog implementations of custom instructions into a post-routing netlist with timing annotations. Simulation-based verification of the system was performed with a cycle-accurate processor model and diverse application benchmarks, ranging from signal processing, over encryption to computation of elementary functions. For these benchmarks, a significant increase in performance with speedups from 3 to 15 relative to the baseline microprocessor was achieved with the extended instruction set. Except for one case, application speedup clearly outweighed the area overhead for the extended system, even though the modeled fabric architecturewas primitive and contained no explicit arithmetic enhancements. Insights into fundamental tradeoffs of island-style FPGA architectures, the developed exploration flow, and a concrete cost model are relevant for the development of more advanced architectures. Hence, this work is a successful proof of concept and has laid the basis for further investigations into architectural extensions and physical implementations. Potential for further optimizationwas identified on multiple levels and numerous directions for future research were described. / Zunehmend komplexere Anwendungen und Besonderheiten moderner Halbleitertechnologien haben zu einer großen Nachfrage an leistungsfähigen und gleichzeitig sehr energieeffizienten Mikroprozessoren geführt. Konventionelle Architekturen versuchen den Befehlsdurchsatz durch Parallelisierung zu steigern und stellen anwendungsspezifische Befehlssätze oder Hardwarebeschleuniger zur Steigerung der Energieeffizienz bereit. Rekonfigurierbare Prozessoren ermöglichen ähnliche Performancesteigerungen und besitzen gleichzeitig den enormen Vorteil, dass die Spezialisierung auf eine bestimmte Anwendung nach der Herstellung erfolgen kann. In dieser Diplomarbeit wurde ein rekonfigurierbarer Mikroprozessor mit einem eng gekoppelten FPGA untersucht. Im Gegensatz zu früheren Forschungsansätzen wurde eine umfangreiche Entwurfsraumexploration der FPGA-Architektur im Zusammenhang mit einem kommerziellen 22nm Herstellungsprozess durchgeführt. Bisher verwendeten die meisten Forschungsprojekte entweder kommerzielle Architekturen, die nicht unbedingt auf diesen Anwendungsfall zugeschnitten sind, oder die vorgeschlagenen FGPA-Komponenten wurden nur unzureichend untersucht und charakterisiert. Jedoch ist gerade dieser Baustein ausschlaggebend für die Leistungsfähigkeit des gesamten Systems. Deshalb wurden im Rahmen dieser Arbeit über 200 verschiedene logische FPGA-Architekturen untersucht. Zur Modellierung wurden konkrete Schaltungstopologien und ein auf den Herstellungsprozess zugeschnittenes Modell zur Abschätzung der Layoutfläche verwendet. Generell wurden die gleichen Trends wie bei vorhergehenden und ähnlich umfangreichen Untersuchungen beobachtet. Auch hier wurden die Ergebnisse maßgeblich von der Größe der LUTs (engl. "Lookup Tables") und der Struktur des Routingnetzwerks bestimmt. Gleichzeitig wurde ein viel breiterer Bereich von Architekturen mit nahezu gleicher Effizienz identifiziert. Zur weiteren Evaluation wurde eine FPGA-Architektur mit 5-LUTs und 8 Logikelementen ausgewählt. Die Performance des ausgewählten Mikroprozessors, der auf einer erprobten Befehlssatzarchitektur aufbaut, wurde mit Ergebnissen eines 28nm Testchips abgeschätzt. Eine modifizierte Sammlung von akademischen Softwarewerkzeugen wurde verwendet, um Spezialbefehle auf die modellierte FPGA-Architektur abzubilden und eine Netzliste für die anschließende Simulation und Verifikation zu erzeugen. Für eine Reihe unterschiedlicher Anwendungs-Benchmarks wurde eine relative Leistungssteigerung zwischen 3 und 15 gegenüber dem ursprünglichen Prozessor ermittelt. Obwohl die vorgeschlagene FPGA-Architektur vergleichsweise primitiv ist und keinerlei arithmetische Erweiterungen besitzt, musste dabei, bis auf eine Ausnahme, kein überproportionaler Anstieg der Chipfläche in Kauf genommen werden. Die gewonnen Erkenntnisse zu den Abhängigkeiten zwischen den Architekturparametern, der entwickelte Ablauf für die Exploration und das konkrete Kostenmodell sind essenziell für weitere Verbesserungen der FPGA-Architektur. Die vorliegende Arbeit hat somit erfolgreich den Vorteil der untersuchten Systemarchitektur gezeigt und den Weg für mögliche Erweiterungen und Hardwareimplementierungen geebnet. Zusätzlich wurden eine Reihe von Optimierungen der Architektur und weitere potenziellen Forschungsansätzen aufgezeigt.

In Deutschland und Europa ist im Zuge der Energiewende erforderlich, mehr Elektroenergie mit bestehenden Freileitungen zu transportieren. Eine technische Lösung, mit der dieses Ziel erreicht werden kann, ist das Umbeseilen der Freileitung mit Hochtemperatur-Leiterseilen mit geringem Durchhang (High Temperature Low Sag – HTLS conductors). Diese Leiterseile haben gegenüber konventionellen Leiterseilen (z. B. Aluminium/Stahl-Leiterseilen) höhere Bemessungsströme und temperaturen. Die stromführenden Verbindungen mit HTLS-Leiterseilen werden damit ebenfalls höher thermisch belastet. Diese sind für den zuverlässigen und sicheren Betrieb der Freileitung sehr wichtige Betriebsmittel. Neben anderen Verbindungstechnologien hat sich bei den stromführenden Verbindungen mit konventionellen Leiterseilen das Sechskantpressen seit Jahrzehnten bewährt. Aus der Literatur sind fast ausschließlich empirische Untersuchungen mit dieser Verbindungstechnologie bekannt. Das elektrische Kontaktverhalten von Pressverbindungen wurde bisher nur unzureichend untersucht. In dieser Arbeit wird dazu ein elektrisches Modell vorgestellt und weiterentwickelt, mit dem das elektrische Kontaktverhalten von Pressverbindungen genauer beschrieben werden kann. Weiterhin werden prinzipielle Zusammenhänge zwischen der Stromverteilung in den Kontaktpartnern und deren Einfluss auf den Verbindungswiderstand dargestellt. Als Ergebnis von theoretischen und experimentellen Untersuchungen konnten allgemeine Empfehlungen für das Dimensionieren von Pressverbindungen mit konventionellen und HTLS-Leiterseilen erarbeitet werden. Aus der prinzipiellen Funktionsweise einer Pressverbindung ist bekannt, dass der Form-, der Kraft- und der Stoffschluss in der Verbindung das elektrische Kontaktverhalten beeinflussen. Insbesondere der Kraftschluss wurde in der Literatur bislang nur näherungsweise berechnet. In den bekannten analytischen Modellen werden die Geometrie der Kontaktpartner sowie das Werkstoffverhalten vereinfacht und die mechanischen Belastungen beim Fügen der Verbindung nicht genau genug berücksichtigt. Aus den genannten Gründen wurde das Fügen von Pressverbindungen mit mehrdrähtigen Leiterseilen mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) berechnet. Die Press- und Kontaktkräfte konnten damit für alle Kontaktflächen in einer Verbindung ermittelt werden. Es konnte gezeigt werden, dass insbesondere hohe Press- und Kontaktkräfte die Ursache für ein gutes elektrisches Kontaktverhalten einer Pressverbindung sind. Die physikalischen Ursachen dieses Zusammenhangs werden diskutiert. Das Langzeitverhalten von Pressverbindungen mit Verbund-Leiterseilen wurde experimentell untersucht. Die Ergebnisse der durchgeführten Langzeitversuche zeigen den Einfluss der Kontaktkraft im elektrischen Langzeitverhalten qualitativ auf. Bei den Pressverbindungen, für die nur sehr geringe Kontaktkräfte berechnet wurden, war das elektrische Langzeitverhalten weniger stabil. / In Germany and in Europe it is due to the “Energiewende” necessary to transmit more electrical ener-gy with existing overhead transmission lines. One possible technical solution to reach this aim is the use of high temperature low sag conductors (HTLS-conductors). Compared to the common Aluminium Conductor Steel Reinforced (ACSR), HTLS-conductors have higher rated currents and rated tempera-tures. Thus the electrical connections for HTLS-conductors are stressed to higher temperatures too. These components are most important for the safe and reliable operation of an overhead transmission line. Besides other connection technologies, hexagonal compression connections with ordinary transmis-sion line conductors have proven themselves since decades. From the literature, mostly empirical stud-ies with electrical tests for compression connections are known. The electrical contact behaviour, i.e. the quality of the electrical contact after assembly, of these connections has been investigated insuffi-ciently. This work presents and enhances an electrical model of compression connections, so that the electrical contact behaviour can be determined more accurate. Based on this, principal considerations on the current distribution in the compression connection and its influence on the connection re-sistance are presented. As a result from the theoretical and the experimental work, recommendations for the design of hexagonal compression connections for transmission line conductors were devel-oped. Furthermore it is known from the functional principle of compression type connections, that the elec-trical contact behaviour can be influenced from their form fit, force fit and cold welding. In particular the forces in compression connections have been calculated up to now by approximation. The known ana-lytical calculations simplify the geometry and material behaviour and do not consider the correct me-chanical load during assembly. For these reasons the joining process of hexagonal compression con-nections with stranded overhead transmission line conductors was calculated with the finite element method. The compression forces and the residual contact forces were determined for all contacts be-tween barrel and conductor as well as between the wires of the conductor. It was shown, that high compression and residual contact forces are the main cause of good electrical contact behaviour. The physical relations are discussed. The electrical long-term behaviour was furthermore investigated in experiments. The results confirm the influence of the residual contact force on the long-term behaviour qualitatively. Those compression connections, which had only small residual contact forces, were less stable in the long-term tests.

In this thesis, we investigate physical-layer network coding in an L × M × K relay network, where L source nodes want to transmit messages to K sink nodes via M relay nodes. We focus on the information processing at the relay nodes and the compute-and-forward framework. Nested lattice codes are used, which have the property that every linear combination of codewords is a valid codeword. This property is essential for physical-layer network coding. Because the actual network coding occurs on the physical layer, the network coding coefficients are determined by the channel realizations. Finding the optimal network coding coefficients for given channel realizations is a non-trivial optimization problem. In this thesis, we provide an algorithm to find network coding coefficients that result in the highest data rate at a chosen relay. The solution of this optimization problem is only locally optimal, i.e., it is optimal for a particular relay. If we consider a multi-hop network, each potential receiver must get enough linear independent combinations to be able to decode the individual messages. If this is not the case, outage occurs, which results in data loss. In this thesis, we propose a new strategy for choosing the network coding coefficients locally at the relays without solving the optimization problem globally. We thereby reduce the solution space for the relays such that linear independence between their decoded linear combinations is guaranteed. Further, we discuss the influence of spatial correlation on the optimization problem. Having solved the optimization problem, we combine physical-layer network coding with physical-layer secrecy. This allows us to propose a coding scheme to exploit untrusted relays in multi-user relay networks. We show that physical-layer network coding, especially compute-and-forward, is a key technology for simultaneous and secure communication of several users over an untrusted relay. First, we derive the achievable secrecy rate for the two-way relay channel. Then, we enhance this scenario to a multi-way relay channel with multiple antennas. We describe our implementation of the compute-and-forward framework with software-defined radio and demonstrate the practical feasibility. We show that it is possible to use the framework in real-life scenarios and demonstrate a transmission from two users to a relay. We gain valuable insights into a real transmission using the compute-and-forward framework. We discuss possible improvements of the current implementation and point out further work. / In dieser Arbeit untersuchen wir Netzwerkcodierung auf der Übertragungsschicht in einem Relay-Netzwerk, in dem L Quellen-Knoten Nachrichten zu K Senken-Knoten über M Relay-Knoten senden wollen. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Informationsverarbeitung an den Relay-Knoten und dem Compute-and-Forward Framework. Es werden Nested Lattice Codes eingesetzt, welche die Eigenschaft besitzen, dass jede Linearkombination zweier Codewörter wieder ein gültiges Codewort ergibt. Dies ist eine Eigenschaft, die für die Netzwerkcodierung von entscheidender Bedeutung ist. Da die eigentliche Netzwerkcodierung auf der Übertragungsschicht stattfindet, werden die Netzwerkcodierungskoeffizienten von den Kanalrealisierungen bestimmt. Das Finden der optimalen Koeffizienten für gegebene Kanalrealisierungen ist ein nicht-triviales Optimierungsproblem. Wir schlagen in dieser Arbeit einen Algorithmus vor, welcher Netzwerkcodierungskoeffizienten findet, die in der höchsten Übertragungsrate an einem gewählten Relay resultieren. Die Lösung dieses Optimierungsproblems ist zunächst nur lokal, d. h. für dieses Relay, optimal. An jedem potentiellen Empfänger müssen ausreichend unabhängige Linearkombinationen vorhanden sein, um die einzelnen Nachrichten decodieren zu können. Ist dies nicht der Fall, kommt es zu Datenverlusten. Um dieses Problem zu umgehen, ohne dabei das Optimierungsproblem global lösen zu müssen, schlagen wir eine neue Strategie vor, welche den Lösungsraum an einem Relay soweit einschränkt, dass lineare Unabhängigkeit zwischen den decodierten Linearkombinationen an den Relays garantiert ist. Außerdem diskutieren wir den Einfluss von räumlicher Korrelation auf das Optimierungsproblem. Wir kombinieren die Netzwerkcodierung mit dem Konzept von Sicherheit auf der Übertragungsschicht, um ein Übertragungsschema zu entwickeln, welches es ermöglicht, mit Hilfe nicht-vertrauenswürdiger Relays zu kommunizieren. Wir zeigen, dass Compute-and-Forward ein wesentlicher Baustein ist, um solch eine sichere und simultane Übertragung mehrerer Nutzer zu gewährleisten. Wir starten mit dem einfachen Fall eines Relay-Kanals mit zwei Nutzern und erweitern dieses Szenario auf einen Relay-Kanal mit mehreren Nutzern und mehreren Antennen. Die Arbeit wird abgerundet, indem wir eine Implementierung des Compute-and-Forward Frameworks mit Software-Defined Radio demonstrieren. Wir zeigen am Beispiel von zwei Nutzern und einem Relay, dass sich das Framework eignet, um in realen Szenarien eingesetzt zu werden. Wir diskutieren mögliche Verbesserungen und zeigen Richtungen für weitere Forschungsarbeit auf.

Ultrasonic transducers are used in many fields of daily life, e.g. as parking aids or medical devices. To enable their usage also for mass applications small and low- cost transducers with high performance are required. Capacitive, micro-machined ultrasonic transducers (CMUT) offer the potential, for instance, to integrate compact ultrasonic sensor systems into mobile phones or as disposable transducer for diverse medical applications. This work is aimed at providing fundamentals for the future commercialization of CMUTs. It introduces novel methods for the acoustic simulation and characterization of CMUTs, which are still critical steps in the product development process. They allow an easy CMUT cell design for given application requirements. Based on a novel electromechanical model for CMUT elements, the device properties can be determined by impedance measurement already. Finally, an end-of-line test based on the electrical impedance of CMUTs demonstrates their potential for efficient mass production.

Der Ausbau dezentraler Energieanlagen wie fotovoltaischen Anlagen beeinflusst die Netzzustände signifikant. Dabei ist unsicher, wo und in welchem Maße deren Ausbau zukünftig erfolgt. Es ist nun an den Netzbetreibern gleichzeitig die aktuellen Herausforderungen zu meistern und die Netzplanung und -regelung für die Zukunft zu aktualisieren. Eine statistische Methode wird entwickelt, die Verteilnetzplanung unter Einsatz von quasi-stationär modellierten ”Smart Grid”-Lösungen wie Blindleistungsreglern und regelbaren Ortsnetztransformatoren ermöglicht. Durch Stichprobenverfahren werden Unsicherheiten wie Ort, Größe und Leistungsprofile der Energieanlagen in das Netzmodell eingebunden. Diese als probabilistischer Lastfluss bekannte Methode wird durch Gütemaße im Bereich geringer Kombination evaluiert. Beispiele probabilistischer Netzplanung werden an Netztopologien präsentiert.:Abbildungsverzeichnis iv Tabellenverzeichnis viii Abkürzungsverzeichnis viii Formelzeichen x 1. Einleitung 1 1.1. Definition der Herausforderung 1 1.2. Netzplanung 2 1.3. Ziel der Arbeit3 1.4. Struktur der Arbeit 5 2. Normen und technische Rahmenbedingungen 6 2.1. DIN EN 50160 6 2.2. VDE-AR-N 41057 2.3. Technische Anschlussbedingungen 9 2.4. Erneuerbare-Energien-Gesetz 11 2.5. Zusammenfassung 12 3. Gliederung probabilistischer Lastflussverfahren 13 3.1. Punktschätzende und iterative Verfahren 14 3.2. Gliederung nach Stichprobenverfahren 15 3.3. Reduzierung des Grundraumes 16 3.3.1. Cluster-Analyse17 3.3.2. Ausreißerbehandlung 21 3.3.3. Wahrscheinlichkeits- und Verteilungsfunktion 21 3.4. Methode der Stichprobenziehung 22 3.4.1. Einfache Zufallsstichprobe 23 3.4.2. Systematische Stichprobe24 3.4.3. Geschichtete Zufallsstichprobe 25 3.5. Reduzierung des Stichprobenraumes 26 3.6. Invertierung von Stichproben 26 3.7. Zusammenfassung 27 4. Vergleich probabilistischer Verfahren 28 4.1. Nicht-Gaußsche Eingangsdaten 28 4.2. Bestimmung notwendiger Clusterzentren 29 4.3. Erstellung des Stichprobenraumes pro Kombination 31 4.4. Gütemaße und Effizienz von Stichprobenverfahren 33 4.4.1. Median 34 4.4.2. Median der absoluten Abweichung vom Median 37 4.4.3. Maximale normierte Perzentilsdifferenz 40 4.4.4. Zusammenfassung 43 4.5. Streuung der Stichprobenverfahren bei wiederholter Ausführung 44 4.5.1. Median 44 4.5.2. Median der absoluten Abweichung vom Median 45 4.5.3. Maximale normierte Perzentilsdifferenz 47 4.5.4. Zusammenfassung 49 4.6. Sensitivität bei unterschiedlicher Anzahl statistischer Netzknoten 52 4.6.1. Median 52 4.6.2. Median der absoluten Abweichung vom Median 54 4.6.3. Maximale normierte Perzentilsdifferenz 56 4.6.4. Zusammenfassung58 4.7. Notwendige Kombinationen für Ziel-Gütemaße 59 5. Software-basierte probabilistische Verteilnetzplanung 61 5.1. Struktur der entwickeltenSoftware 61 5.2. Last- und Erzeugungsprofile 63 5.2.1. Synthetische Haushaltslast 63 5.2.2. Elektrofahrzeug 64 5.2.3. Wärmepumpe 65 5.2.4. Photovoltaische Anlagen 66 5.2.5. Windenergieanlagen 66 5.3. Optimale Auswahl nach Regeleffizienz 67 5.4. DezentraleWirkleistungsregler 68 5.4.1. P(U)-Regler für Schnellladeinfrastruktur 68 5.4.2. P(U)-Regelung von Wärmepumpen gemäß thermischer Grenzen 69 5.5. Blindleistungsregler 72 5.5.1. Zentrale Steuerung 73 5.5.2. Dezentrale Regelung 75 5.5.3. Verteilte Regelung 79 5.6. Regelbarer Ortsnetztransformator 83 5.7. Automatisierte Netzausbauplanung 86 5.7.1. Transformatortausch 87 5.7.2. Vergrößerung des Leiterquerschnitts 89 5.7.3. Zusätzliche Stichleitung 89 5.7.4. Kostenberechnung 90 5.8. Zusammenfassung 91 6. Anwendungsfälle probabilistischer Planung 92 6.1. Verwendete Verteilnetzmodelle 94 6.2. Abschätzung der Auswirkung von PV-Anlagenausbau 95 6.2.1. Unterschiede der Planungsverfahren zur Schätzung der PVA-Nennleistung 95 6.2.2. Einfluss der Blindleistungsregelung auf mögliche Anlagenleistung 100 6.3. Abschätzung von Netzauslastungen in Wohngebieten 106 6.3.1. Annahmen und Szenarien 107 6.3.2. Auswertung der Knotenspannungen 110 6.3.3. Auswertung der Betriebsmittelauslastungen 116 6.4. Zusammenfassung 118 7. Zusammenfassung und Ausblick 119 Literaturverzeichnis 121 Anhang 135 A. Statistische Merkmale 135 A.1. Empirische Wahrscheinlichkeitsfunktion 135 A.2. Kumulative empirische Verteilungsfunktion 136 A.3. Quantile 136 A.4. Interquartilsabstand 137 B. PLF-Methoden 138 B.1. Veröffentlichte PLF-Methoden 138 B.2. Test Gaußsche Verteilung 138 C. Definitionen 140 C.1. Symbole für Flussdiagramme 140 C.2. Zählpfeilsystem 140 D. Ergänzende Ergebnisse 142 E. Danksagung 143 / Development of distributed energy units such as photovoltaic systems affects grid states significantly. It is uncertain, where and to what extent the development of these units is carried out in the future. It is now up to the distribution system operator to cope with todays grid challenges and to update grid planning and control for the future. A statistical method is developed, which incorporates quasi-stationary modeled ”smart grid” solutions such as reactive power controllers and on-load tap-changers. Uncertainties such as location, size and power profiles of energy systems are integrated into the grid model by sampling. This method is known as probabilistic load flow and is evaluated by quality measures at low combinations. Examples on probabilistic grid planning of different grid topologies are presented.:Abbildungsverzeichnis iv Tabellenverzeichnis viii Abkürzungsverzeichnis viii Formelzeichen x 1. Einleitung 1 1.1. Definition der Herausforderung 1 1.2. Netzplanung 2 1.3. Ziel der Arbeit3 1.4. Struktur der Arbeit 5 2. Normen und technische Rahmenbedingungen 6 2.1. DIN EN 50160 6 2.2. VDE-AR-N 41057 2.3. Technische Anschlussbedingungen 9 2.4. Erneuerbare-Energien-Gesetz 11 2.5. Zusammenfassung 12 3. Gliederung probabilistischer Lastflussverfahren 13 3.1. Punktschätzende und iterative Verfahren 14 3.2. Gliederung nach Stichprobenverfahren 15 3.3. Reduzierung des Grundraumes 16 3.3.1. Cluster-Analyse17 3.3.2. Ausreißerbehandlung 21 3.3.3. Wahrscheinlichkeits- und Verteilungsfunktion 21 3.4. Methode der Stichprobenziehung 22 3.4.1. Einfache Zufallsstichprobe 23 3.4.2. Systematische Stichprobe24 3.4.3. Geschichtete Zufallsstichprobe 25 3.5. Reduzierung des Stichprobenraumes 26 3.6. Invertierung von Stichproben 26 3.7. Zusammenfassung 27 4. Vergleich probabilistischer Verfahren 28 4.1. Nicht-Gaußsche Eingangsdaten 28 4.2. Bestimmung notwendiger Clusterzentren 29 4.3. Erstellung des Stichprobenraumes pro Kombination 31 4.4. Gütemaße und Effizienz von Stichprobenverfahren 33 4.4.1. Median 34 4.4.2. Median der absoluten Abweichung vom Median 37 4.4.3. Maximale normierte Perzentilsdifferenz 40 4.4.4. Zusammenfassung 43 4.5. Streuung der Stichprobenverfahren bei wiederholter Ausführung 44 4.5.1. Median 44 4.5.2. Median der absoluten Abweichung vom Median 45 4.5.3. Maximale normierte Perzentilsdifferenz 47 4.5.4. Zusammenfassung 49 4.6. Sensitivität bei unterschiedlicher Anzahl statistischer Netzknoten 52 4.6.1. Median 52 4.6.2. Median der absoluten Abweichung vom Median 54 4.6.3. Maximale normierte Perzentilsdifferenz 56 4.6.4. Zusammenfassung58 4.7. Notwendige Kombinationen für Ziel-Gütemaße 59 5. Software-basierte probabilistische Verteilnetzplanung 61 5.1. Struktur der entwickeltenSoftware 61 5.2. Last- und Erzeugungsprofile 63 5.2.1. Synthetische Haushaltslast 63 5.2.2. Elektrofahrzeug 64 5.2.3. Wärmepumpe 65 5.2.4. Photovoltaische Anlagen 66 5.2.5. Windenergieanlagen 66 5.3. Optimale Auswahl nach Regeleffizienz 67 5.4. DezentraleWirkleistungsregler 68 5.4.1. P(U)-Regler für Schnellladeinfrastruktur 68 5.4.2. P(U)-Regelung von Wärmepumpen gemäß thermischer Grenzen 69 5.5. Blindleistungsregler 72 5.5.1. Zentrale Steuerung 73 5.5.2. Dezentrale Regelung 75 5.5.3. Verteilte Regelung 79 5.6. Regelbarer Ortsnetztransformator 83 5.7. Automatisierte Netzausbauplanung 86 5.7.1. Transformatortausch 87 5.7.2. Vergrößerung des Leiterquerschnitts 89 5.7.3. Zusätzliche Stichleitung 89 5.7.4. Kostenberechnung 90 5.8. Zusammenfassung 91 6. Anwendungsfälle probabilistischer Planung 92 6.1. Verwendete Verteilnetzmodelle 94 6.2. Abschätzung der Auswirkung von PV-Anlagenausbau 95 6.2.1. Unterschiede der Planungsverfahren zur Schätzung der PVA-Nennleistung 95 6.2.2. Einfluss der Blindleistungsregelung auf mögliche Anlagenleistung 100 6.3. Abschätzung von Netzauslastungen in Wohngebieten 106 6.3.1. Annahmen und Szenarien 107 6.3.2. Auswertung der Knotenspannungen 110 6.3.3. Auswertung der Betriebsmittelauslastungen 116 6.4. Zusammenfassung 118 7. Zusammenfassung und Ausblick 119 Literaturverzeichnis 121 Anhang 135 A. Statistische Merkmale 135 A.1. Empirische Wahrscheinlichkeitsfunktion 135 A.2. Kumulative empirische Verteilungsfunktion 136 A.3. Quantile 136 A.4. Interquartilsabstand 137 B. PLF-Methoden 138 B.1. Veröffentlichte PLF-Methoden 138 B.2. Test Gaußsche Verteilung 138 C. Definitionen 140 C.1. Symbole für Flussdiagramme 140 C.2. Zählpfeilsystem 140 D. Ergänzende Ergebnisse 142 E. Danksagung 143

The still increasing demand of electrical energy and the rising popularity of renewable energy sources in today's world are two important developments that necessitate the need for innovative solutions in the field of power electronics. Parallel operation of converters is one possible method in trying to bridge an increased current demand. The classical two-level converters, which are the standard in low voltage applications, are rarely adopted in medium and high voltage applications due to the voltage limits on power semiconductor devices. That is one reason for the growing popularity of multilevel converter topologies in medium and high-voltage applications. Although an increase in the number of voltage levels of a multilevel converter has its advantages, there are also challenges posed due to the increased number of switching devices. This has resulted in three-level converters being the most popular compared to converters of higher voltage levels. In this dissertation, the unified operation of parallel connected three-level converter units as a multilevel converter of higher voltage levels is proposed. The mathematical basis for operating parallel connected converter units as a single multilevel converter and the governing equations for such systems are derived. The analysis and the understanding of these equations are important for assessing practicality of the system and devising appropriate control structures. Parallel operation of converter units operating as multilevel converter have their own set of challenges, the two foremost being that of load-sharing and the possibility of circulating and cross currents. Developing solutions to address these challenges require a thorough understanding of how these manifest in the proposed system. Algorithms are then developed for tackling these issues. The control structures are designed and the developed algorithms are implemented. The operation of the system is verified experimentally. / Die weiterhin steigende Nachfrage nach elektrischer Energie und die zunehmende Verwendung erneuerbarer Energiequellen in der heutigen Welt sind zwei wichtige Entwicklungen, die die Notwendigkeit innovativer Lösungen im Bereich der Leistungselektronik erfordern. Der Parallelbetrieb von Stromrichtern ist eine mögliche Methode, um einen erhöhten Strombedarf zu decken. Der klassische Zweipunkt-Spanungszwischenkreisstromrichter, der bei Niederspannungsanwendungen weit verbreitet ist, wird aufgrund der Spannungsgrenzen für Leistungshalbleiterbauelemente zunehmend weniger in Mittel- und Hochspannungsanwendungen eingesetzt. Die begrenzte Spannungsbelastbarkeit der Leistungshalbleiterbauelemente ist ein Grund für die wachsende Beliebtheit von Mehrpunkt-Stromrichtertopologien in Mittelund Hochspannungsanwendungen. Obwohl eine Erhöhung der Anzahl der Spannungsstufen eines Mehrpunkt-Stromrichters Vorteile hat, gibt es auch Herausforderungen und Nachteile aufgrund der erhöhten Anzahl von Leistungshalbleitern. Dies hat dazu geführt, dass der Dreipunkt-Stromrichter die verbreiteste Topologie im Vergleich zu anderen Stromrichtern mit einer höheren Anzahl von Spannungsstufen ist. In dieser Dissertation wird der Betrieb von parallel geschalteten Dreipunkt-Stromrichtereinheiten als ein Mehrpunkt-Stromrichter mit erhöhter Anzahl an Spannungsstufen vorgeschlagen. Die mathematische Basis für den Betrieb von parallel geschalteten Stromrichtereinheiten als ein Mehrpunkt-Stromrichter und die beschreibenden Gleichungen eines solchen Systems werden abgeleitet. Die Analyse und das Verständnis dieser Gleichungen sind wichtig für die Beurteilung der Praktikabilität des Systems und die Erarbeitung geeigneter Regelstrukturen. Der parallele Betrieb von Stromrichtereinheiten hat seine eigenen Herausforderungen, wobei die beiden wichtigsten die Lastverteilung und die Möglichkeit von Kreis- und Querströmen sind. Die Entwicklung von Lösungen zur Bewältigung dieser Herausforderungen erfordert ein gründliches Verständnis dafür, wie sich diese Phänomene in dem vorgeschlagenen System manifestieren. Algorithmen zur Lösung dieser Probleme werden anschlieend entwickelt. Die Regelstrukturen werden entworfen und die entworfenen Algorithmen implementiert. Die Funktionsweise des Systems wird experimentell überprüft.