Begleitend zur Diplomarbeit von Markus Armann: "Untersuchung des Einsatzes von Doppelschichtkondensatoren zur Pufferung der Auswirkungen kurzzeitiger Änderungen der Einstrahlungsintensität in Photovoltaikanlagen", 4/2001.

Gegenstand der Diplomarbeit ist die Informationselektronik zur Steuerung und Regelung einer komplexen leistungselektronischen Einrichtung. Der energetische Teil der Einrichtung ist als Prozeß zu betrachten, den die Informationselektronik steuern und regeln soll. Aus der Funktionsweise der energetischen Einrichtung und ihrem Schutz sind die Anforderungen an die Informationselektronik abzuleiten. Wechselwirkungen zwischen Informationselektronik und dem energetischen Teil sind sorgfältig zu erkunden und gegebenenfalls Anlaß zur Modifizierung des energetischen Teils. Über das leistungselektronische System ist noch nicht endgültig entschieden. Es kann ein einphasiger Wechselrichter sein. Nach gegenwärtigem Erkenntnisstand besteht das leistungselektronische System aus einem Tiefsetzsteller und einem Hochsetzsteller. Der Tiefsetzsteller soll die Eingangsspannung U_1 verringern und die der Spannungsquelle U_1 entnommene Energie in eine Spannungsquelle U_2 einspeisen. Es gilt U_2 = ü*U_1 mit 0 <= ü <= 1. Der Hochsetzsteller soll der Spannungsquelle U_2 die Energie so entnehmen, daß sich hier eine wählbare konstante Spannung U_2 ergibt. Diese aus U_2 entnommene Energie wird der Eingangsspannungsquelle U_1 zurückgeführt. Die Kombination aus Tiefsetzsteller und Hochsetzsteller hat zum Ziel, daß in beiden Schaltungen die eingesetzten IGBT und Dioden mit Nennstrom und Nennspannung belastet werden. Durch die Rückführung der Energie soll dabei die Nennschaltleistungen der Ventile erreicht werden, ohne daß ein hoher Energieumsatz eintritt. Im quasistationären Zustand nimmt die leistungselektronische Einrichtung dann lediglich die Verlustarbeit auf. Die Steuer- und Regeleinrichtung soll diese Betriebsart der leistungselektronischen Einrichtung in allen Arbeitspunkten gewährleisten. Dies gilt auch für den Anlauf aus dem energielosen Zustand, bei dem zunächst die Spannung U_2 auf den eingestellten Sollwert aufzubauen ist. Einstellbar sollen die Spannungen U_1, U_2 und der vom Tiefsetzsteller in die Spannungsquelle U_2 eingespeiste Strom sein. Durch die selbsttätige Regelung ist der Hochsetzsteller so zu führen, daß die Spannung U_2 = const. gilt. Der Arbeitspunkt des Tiefsetzstellers soll frei einstellbar sein. Die Betriebsweise des Tiefsetzstellers ist alternativ eine Spannungssteuerung oder eine Zweipunkt-Stromregelung. Der Steuereinrichtung des Tiefsetzstellers und der Regelung des Hochsetzstellers sind Schutzfunktionen zu überlagern, die eine Überlastung oder Zerstörung der Halbleiterventile und der sonstigen Schaltelemente verhindern. Alternativ soll der Betrieb umkehrbar sein. Das bedeutet, daß der Arbeitspunkt des Hochsetzstellers frei einstellbar ist und der Tiefsetzsteller die Voraussetzungen für diese Einstellbarkeit schafft. Gegenstand der Diplomarbeit ist folglich die Informationselektronik, sie umfaßt die Steuer- und Regeleinrichtung zur Gewährleistung der Funktionen von Tiefsetz- und Hochsetzsteller und deren Schutz und schließt die Funktionen zur automatischen Inbetriebsetzung und Außerbetriebsetzung ein. Es ist nicht Gegenstand der Diplomarbeit, die energetischen Komponenten und Schaltungen zu dimensionieren. Aus dem Verständnis ihrer Wirkungsweise sind jedoch selbständig und umfassend die Anforderungen an die Steuer- und Regeleinrichtung abzuleiten. Für die Realisierung der Steuer- und Regeleinrichtung sind möglichst (sofern finanziell realisierbar) handelsübliche Baugruppen zu verwenden. Auf eine robuste Ausführung und hohe Zuverlässigkeit sowie EMV-Festigkeit ist besonderer Wert zu legen. Als Diskussionspartner für die Schnittstellen zwischen Informationselektronik und energetischem Schaltungsteil steht Herr Dr. Schreiter zur Verfügung. Von ihm werden auch der Entwurf und die Dimensionierung des Tiefsetz- und des Hochsetzstellers vorgenommen. Fragen zur Funktion dieser Schaltungsteile sind an ihn zu richten. Wegen der hohen Spannung (2000 V) und großen Ströme (1000 A) im energetischen Teil ist eine sorgfältige, durch Erfahrung geprägte Konstruktion und Ausführung wichtig. Die Aufgaben Konstruktion, Werkstattaufträge, Beschaffung, Arbeitsschutz, Kühlung usw. werden deshalb von Herrn Kumm in Abstimmung mit Herrn Dr. Schreiter wahrgenommen. Vor dem Aufbau des energetischen Prozesses und der Realisierung der Informationselektronik sind beide Teilsysteme simultan durch Simulation zu erproben. Diese Aufgabe wird durch Herrn Dr. Jakob ausgeführt. Die Diplomaufgabe gemäß Thema wird von Herrn Dr. Seyfarth betreut. Angestrebt wird eine moderne Lösung, z. B. durch den Einsatz eines Signalprozessors zur Steuerung und Regelung. Dies soll eine hohe Flexibilität durch nachträgliche Modifikation der Software gestatten. Wenn nötig, sind hierzu die Erfahrungen am Lehrstuhl Antriebstechnik bei Herrn Prof. Hofmann zu nutzen. An den Halbleiterventilen im energetischen Teil sollen Messungen durchgeführt werden. Diese sind als Prüflinge auswechselbar anzuordnen. Für die Auswahl der Meßtechnik und das Einfügen geeigneter Spannungsteiler und breitbandiger Meßwiderstände zeichnet Herr Dr. Schreiter verantwortlich. Die Treiberschaltungen für die Prüflinge sind so zu gestalten, daß die Ansteuerparameter in weitem Bereich einstellbar sind. Dies soll die Möglichkeit eröffnen, den Einfluß der Treibersignale auf die Schalteigenschaften und statischen Eigenschaften der Halbleiterventile zu untersuchen. Da die Halbleiterventile mit einem internen Schutz bei etwa dem zweifachen Nennstrom ausgerüstet sind, sollte die Versuchseinrichtung die Funktion und Wirksamkeit dieser Schutzmaßnahme zu untersuchen gestatten. Die Regeleinrichtung und die Spannungsquelle U_1 sind so zu konzipieren, daß während des Anlaufs der Schaltung bis zum Erreichen der eingestellten Nennwerte die Leistungsaufnahme aus dem Netz etwa 10 kW nicht übersteigt.

Beim Offsetdruck findet die Übertragung der Druckfarbe von der Druckform auf den Bedruckstoff im Druckwerk statt, wobei mindestens zwei Walzen aufeinander abrollen. Deshalb können die Vorgänge im Druckwerk als ein Rollkontaktproblem aufgefaßt werden. Umfassende Untersuchungen liegen zu ¨Klassischen¨ Rollvorgängen vor, bei denen eine Walze treibt und die andere mitgenommen wird. Dabei wurden elastische und viskoelastische Materialeigenschaften sowie homogene und inhomogene ( bandagierte ) Walzen berücksichtigt. Charakteristisch für die Rollvorgänge im Offsetdruckwerk ist, daß eine der Walzen mit einem im Verhältnis zum Walzendurchmesser sehr dünnen, viskoelastischen und anisotropen Belag, dem Gummituch, versehen ist. Aus technologischen Gründen müssen die Walzen im Druckwerk synchron angetrieben werden. Auch dadurch unterscheidet sich der Rollvorgang im Offsetdruck vom ¨klassischen¨ Rollvorgang. Eine weitere Besonderheit besteht darin, daß das am Rollvorgang beteiligte Belagmaterial nicht fest mit dem Walzenkern verbunden, sondern nur lose aufgespannt ist. In der vorliegenden Arbeit werden mit Hilfe der Methode der Finiten Elemente die Beanspruchung des Gummituches und das Verhalten des Bedruckstoffes Papier im Druckspalt untersucht. Dabei wird nach derzeitigem Erkenntnisstand erstmalig der vollständige Prozeß simuliert. Es wird nur der stationäre Fall betrachtet. In Ermangelung eines geeigneten Modells zur Beschreibung der Temperatur- und Feuchtigkeitsabhängigkeit der Materialparameter des Papiers werden diese Einflüsse vernachlässigt. Anhand von parallel zu den numerischen Untersuchungen durchgeführten Qualitäts- und Meßdruckversuchen wird die Genauigkeit der Simulationsergebnisse eingeschätzt. Dies ist notwendig, da das komplexe Zusammenspiel der anisotropen elastischen und viskoelastischen Eigenschaften des Gummituches, der Reibung zwischen den einzelnen Kontaktpartnern, der Klebwirkung der Druckfarbe und den Einstellgrößen der Druckmaschine nur schwierig erfaßbar ist.

Das Ziel der Arbeit besteht in der Ermittlung einer optimalen Lösung für den Verarbeitungsvorgang ¨Beschichtung mit dünnen Flüssigkeitsschichten¨. Die Untersuchungen sind dabei auf hochviskose Flüssigkeiten, insbesondere Offsetdruckfarbe, fokussiert. Sinkende Auflagenhöhen in der Druckindustrie erfordern Beschichtungseinrichtungen, die reaktionsschnell sind, schnell einen stationären Betriebszustand erreichen und eine hohe Reproduziergenauigkeit aufweisen. Zunächst findet eine Analyse des Standes der Technik und eine systematische Untersuchung des Verarbeitungsvorgangs statt. Dabei erfolgt eine Unterteilung in fünf Teilaufgaben: Separieren und Beschleunigen, Dosieren, Vergleichmäßigen, Auftragen und Rückführen. Für unbekannte Teillösungen werden Prinzipversuche durchgeführt. Die Synthese möglicher Teillösungen ergibt mehrere Gesamtlösungen. Die beste Gesamtlösung wird in einem Versuchsstand umgesetzt. Dort erfolgen mit einer ausgewählten Offsetfarbe Experimente zum Dosierverhalten und zu auftretenden Belastungen. Die Experimente beinhalten Einflüsse von Parametern, die während des Betriebs variiert werden können. Zur Verifikation der Ergebnisse dienen theoretische Modelle, welche die vorhandene Strömung abbilden und das Dosierverhalten simulieren. Vergleiche zwischen Experimenten und Simulationen ermöglichen Aussagen über eine Vorherbestimmbarkeit des Dosierverhalten für geänderte geometrische und ki-nematische Randbedingungen und stoffliche Eigenschaften.

Die vorliegende Arbeit stellt sich zum Ziel, einen Beitrag zur Lösung von Führungs-bewegungsaufgaben (FBA) unter Verwendung ebener Führungskurvengetriebe (FKG) zu leisten. FKG sind kombinierte Getriebe; sie bestehen aus Gliedergruppen von Koppel- und Kurvengetrieben und haben die Aufgabe, Punkte auf Bahnen oder Ebenen durch Lagen zu führen. Die zur Auslegung wichtigen Entwurfsschritte, wie Bewegungsdesign, Struktur- und Maßsynthese sowie deren exemplarische Integra-tion in ein 3D-CAD-System unter der Maßgabe der weiteren konstruktiven Gestal-tung des Vorentwurfs, werden erörtert und an Beispielen demonstriert. Im Bewegungsdesign werden die zur Beschreibung der FBA geeigneten Verfahren weiterentwickelt und an Beispielen angewendet. Neben der mathematischen Be-schreibung stellt die Arbeit Untersuchungen zum Einsatz eines kommerziellen CAD-Systems zur grafischen Beschreibung der FBA an. Zur Lösung des Problems "Finden" einer Getriebestruktur für eine vorgegebene FBA wird ein Lösungskatalog mit praxistauglichen Getriebestrukturen erstellt. Für die Maßsynthese ebener FKG erweist sich die Aufteilung in die Schritte "Synthese des Koppelgetriebes" und "Synthese des Kurvengliedes" als erforderlich. Dazu eignen sich allgemeine Verfah-ren wie das der Optimierung in Verbindung mit kinematischen Analysen für das Koppelgetriebe oder das Polbahnverfahren für das Kurvenglied.

Für den Plasma-MIG-Schweißprozess wurde exemplarisch eine Ablaufsteuerung auf PC-Basis entwickelt, welche flexibel innerhalb kürzester Zeit umgestellt, weiterentwickelt und damit geänderten Anforderungen schnellstmöglich angepasst werden kann. Aufgrund einheitlicher Schnittstellen ist ein Anschluss anderer Verfahren/Hybridverfahren jederzeit unkompliziert möglich.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Anwendung von Methoden der Zeit-Frequenz-Analyse zur Diagnostik der Verzahnungen in Getrieben anhand von Schwingungssignalen. Es werden neue Analysemethoden aus der Zeit-Frequenz-Analyse zur Verbesserung der Diagnosetechnik, wie die “Koeffizientenanalyse aus Zeit-Frequenz-Darstellungen“ oder die “Drehwinkel-Ordnungs-Darstellungen in Polarkoordinaten“ eingeführt. Basierend auf diesen Analyseverfahren wird eine geeignete Diagnosestrategie vorgestellt, mit der auch bei instationären Betriebszuständen Verzahnungsschäden sicher erkannt werden können. Zur praktischen Anwendung der Zeit-Frequenz-Analyse in der Verzahnungsdiagnose wird ein Rechenprogramm entwickelt, in dem eine Vielzahl von Signalanalyseprozeduren implementiert sind, um somit eine zuverlässige diagnostische Beurteilung von Verzahnungszuständen zu ermöglichen. In einem umfangreichen Versuchsprogramm werden die Anwendungsmöglichkeiten der beschriebenen Mittel und Verfahren auf verschiedenen Verzahnungsschäden in mehreren Abstufungen demonstriert, und die Eignung der Methoden wird beurteilt.

Die Dissertation liefert Grundlagen zum Zerstäuben von hochviskosen pseudoplastischen Druckfarben zur Farbdosierung in Offsetdruckwerken. Basierend auf experimentellen Un-tersuchungen zum rheologischen Verhalten verschiedener Offsetdruckfarben und zu ihrem Zerstäubungsverhalten werden die Ergebnisse anhand einer Dimensionsanalyse numerisch betrachtet. Eine grobe Abschätzung der möglichen Störung der Beschichtungsqualität einer Walze im Farbwerk durch eingebrachte Tropfen zeigt die prinzipielle Eignung des Zerstäubens zum Einsatz in einem Sprühfarbwerk. Das Entwicklungspotential des Verfah-rens und mögliche Verbesserungen werden abschließend diskutiert.

Das thermische Spritzen ist geeignet Kompositschichten herzustellen, deren Einsatzgebiet hauptsächlich im Verschleißschutz liegt. Bisher lag der Schwerpunkt in der Untersuchung partikelverstärkter Schichten. Inhalt der vorliegenden Arbeit ist die Herstellung und Charakterisierung von C-kurzfaserverstärkten Schichten mit einer Aluminiummatrix. Als Spritzverfahren kamen das DC-Plasmaspritzen und das HF-Plasmaspritzen zur Anwendung. Die Aluminiumpulver und Kohlenstoffkurzfasern werden dafür agglomeriert. Gegenübergestellt wurden für beide Spritzverfahren die Mikrostrukturen der Schichten und das Verschleißverhalten. Die Kompositschichten können im Vergleich mit unverstärktem Aluminium ein deutlich verbessertes Verschleißverhalten aufweisen. Dies konnte in Gleit- und Schwingverschleißprüfungen nachgewiesen werden. Weiterhin wird auf eine für thermisch gespritzte Schichten charakteristische Fasereinbettung in die metallische Matrix hingewiesen, die zu einem speziellen Schädigungsmechanismus bei den Verschleißtests führt.

Schichten auf Basis von Molybdändisilizid werden mittels Hochgeschwindigkeitsflammspritzens an Stelle der heute gebräuchlichen Plasmaspritzverfahren erzeugt. Für die Herstellung der Spritzpulver kommen die Hochenergiemahlung und anschließend das drucklose Sintern zum Einsatz. Zur gezielten Einstellung der Schichtporosität werden relevante Prozessparameter mit Hilfe der statistischen Versuchsplanung ermittelt. Anschließend erfolgt die Abscheidung von MoSi2-Schichten mit unterschiedlichen Porositätsniveaus. Als für die Nutzung von Molybdändisilizidschichten im Hochtemperaturbereich relevanteste Systemeigenschaft wird das Oxidationsverhalten bei unterschiedlichen Temperaturen im Bereich von 500 °C bis 1500 °C untersucht. Dafür kommen thermogravimetrische Methoden, Temperaturwechselfestigkeits- und Thermoschockversuche zur Anwendung. Ein Praxistest in einer Hausmüllverbrennungsanlage prüft die Korrosionsbeständigkeit der MoSi2-Beschichtungen in einer möglichen Anwendung. Zusätzlich zur Analyse der Schichtgefüge mit licht- und elektronenmikroskopischen Verfahren, Röntgenfeinstrukturanalyse und Sauerstoffgehaltsmessungen werden die mechanischen Kennwerte Oberflächenrauheit und Mikrohärte bestimmt. Die Untersuchungsergebnisse weisen nach, dass hochgeschwindigkeitsflammgespritzte Molybdändisilizidschichten nach entsprechender Gefügeoptimierung im Temperaturbereich von 500 °C bis 1500 °C, vor allem bei Temperaturen oberhalb von 1200 °C, als Oxidationsschutzschichten empfohlen werden können.