LEHRSTUHL FÜR

ELEKTROMAGNETISCHE

VERTRÄGLICHKEIT

Hintergrund und Problemstellung: Vor Kurzem wurde eine dekorative Effektbeleuchtung im Foyer des Siemensgebäudes (Gebäude 09) an der Otto-von-Guericke-Universität installiert. Diese besteht aus einer Deckenbeleuchtung aus zahlreichen LED-Leuchtstäben, LED-Lichtleisten um einer Informationsstele sowie einem 8 x 8 x 8-LED-Würfel. Alle diese Leuchtelemente sind einzeln in ihrer Lichtfarbe sowie Intensität steuer- und programmierbar, verwenden für die Ansteuerung aber jeweils eigene Schnittstellen und Programmiersprachen.

Aufgabe: Aufgabe des Forschungsprojektes ist es, ein Konzept zu entwickeln, mit dem die einzelnen Elemente zu einem gesamten dekorativen Beleuchtungskonzept vereinigt werden können. Dazu ist zunächst der aktuelle Stand der Ansteuerung hardware- und programmiertechnisch nachzuvollziehen und zu dokumentieren. Anschließend sollen verschiedene Möglichkeiten einer gemeinsamen Ansteuerung der Deckenbeleuchtung und der Informationsstele erarbeitet, diskutiert und verglichen werden. Das vielversprechendste Konzept ist dann umzusetzen und ebenfalls zu dokumentieren.

• Dokumentation des aktuellen Standes der Ansteuerung
• Erarbeitung und Test einfacher Ansteuer- und Programmierbeispiele für die Deckenbeleuchtung bzw. die Informationsstele über die entsprechenden DMX- und RGB-Controller
• Erarbeitung und Diskussion verschiedene Konzepte für eine übergreifende Gesamtansteuerung
• praktische Umsetzung des vielversprechendsten Konzeptes
• Diskussion von Möglichkeiten einer interaktiven Steuerung durch Besucher*innen über die Informationsstele
• Dokumentation der Ergebnisse auf ca. 45 Seiten
• Präsentation der Ergebnisse in etwa 20 Minuten

Supervisor: Dr.-Ing. Mathias Magdowski

Hintergrund und Problemstellung: Die Theorie von Schellkunoff zur Berechnung der Schirmdämpfung einer ausgedehnten metallischen Wand ist ein etabliertes Werkzeug der elektromagnetischen Verträglichkeit zur Abschätzung der Schirmungswirkung von Gehäusen. Die Berechnung findet dabei für harmonische Anregung im Frequenzbereich statt. In der Literatur werden jedoch auch vermehrt Messverfahren und Kenngrößen für die transiente Bewertung der Schirmdämpfung für bestimmte zeitabhängige Pulse vorgeschlagen.

Aufgabe: Im Rahmen der Arbeit soll die Umsetzbarkeit der bekannten Schellkunoff-Theorie vom Frequenzbereich in den Zeitbereich untersucht werden. Dabei sind sowohl neue, direkte Ansätze im Zeitbereich sowie Ansätze zur Transformation der bekannten Frequenzbereichslösung in den Zeitbereich zu analysieren. Die dabei stattfindende inverse Fouriertransformation kann dann je nach Möglichkeit sowohl analytisch als auch numerisch durchgeführt werden. Das entwickelte Verfahren ist für einige Standardpulse zu testen und zu bewerten.

• Literaturrecherche zur vorhandenen Schellkunoff-Theorie
• Literaturrecherche zu Bewertungskriterien der transienten Schirmdämpfung
• Entwicklung eines Ansatzes zur direkten Berechnung der transienten Schirmdämpfung im Zeitbereich
• Transformation der vorhandenen Frequenzbereichslösung in den Zeitbereich
• Test des Verfahrens für einige typische Pulsformen

Supervisor: Dr.-Ing. Mathias Magdowski

Hintergrund und Problemstellung: Viele Störphänomene der elektromagnetischen Verträglichkeit wie galvanische, kapazitive oder induktive Kopplung sowie entsprechende Gegenmaßnahmen wie Massung, Filterung oder Schirmung können viel einfacher verstanden werden, wenn sie praktisch demonstriert werden. Deshalb erfreuen sich EMV-Demonstrations-Einheiten oder "Demo-Boxen" seit mehreren Jahrzehnten größerer Beliebtheit.

Aufgabe: Aus einem alten Metallgehäuse soll eine eigene EMV-Demonstrations-Box erdacht, entwickelt und aufgebaut werden. Als Basis stehen dafür zahlreiche Anregungen aus der Literatur bereit. Die Box soll möglichst simpel im Aufbau, mechanisch und elektrisch stabil, einfach zu transportieren und leicht zu bedienen sein. Im Gegensatz zu den typischen Aufbauten in der Literatur, bei denen ein vollwertiger Spektrumanalysator zur Demonstrationsmessung benötigt wird, soll hier ein viel günstiger SDR-Empfänger (software defined radio) benutzt werden, der nur einen Computer mit einem freien USB-Anschluss voraussetzt.

• Literaturrecherche über existierende EMV-Demo-Boxen
• Gestaltung und Entwicklung einer eigenen EMV-Demo-Box
• Aufbau und Konstruktion der entsprechenden Box
• Inbetriebnahme und Dokumentation der Handhabung

Betreuer: Dr.-Ing. Mathias Magdowski

Hintergrund und Problemstellung:  In Niederspannungsanlagen kann es durch die Verwendung verschiedener Betriebsmittel zu leitungsgebundenen Störungen kommen. Diese können Netzanschlussparameter so beeinflussen, dass ein Betrieb nach Norm nicht mehr zulässig ist. Andererseits können sie in sensiblen Bereichen einen Einfluss auf Betriebsmittel und Messungen wie der Störemmissionsmessung haben. Zur Vermeidung solcher Störeinflüsse kommen Netzfilter zum Einsatz, in der Lage sind Störungen durch Anordnung verschiedener Induktivitäten und Kapazitäten zu negieren. Jedoch können diese Filter auch einen Einfluss auf verschiedene genormte Mess- und Prüfmethoden haben. Beispielsweise können Schleifenimpedanzmessungen in TN-Netzen und Isolationsüberwachungen in IT-Netzen fehlerbehaftet sein, so dass Prüfsiegel nicht vergeben werden können oder gar die Gefahr von Personenschäden besteht.

Aufgabenstellung: Im Rahmen eines Forschungsprojektes oder einer Bachelorarbeit besteht daher die Aufgabe, sich mit verschiedenen Topologien von Netzfiltern vertraut zu machen, deren Wirkungsweise zu erläutern und Rückschlüsse auf die Beeinflussung von Standardmessverfahren im Niederspannungsnetz zu ziehen. Die theoretische Aufarbeitung soll parallel an den im Einsatz befindlichen Netzfiltern des Lehrstuhls für Elektromagnetische Verträglichkeit untersucht werden.

Betreuer: M.Sc. Benjamin Hoepfner

Hintergrund und Problemstellung: Modenverwirbelungskammern werden häufig benutzt, um Störfestigkeitstests mit hohen Feldstärken durchzuführen. Die Kammer wirkt dabei als Resonator, in dem möglichst wenig Verluste auftreten sollen. Im eingeschwungenen Zustand entspricht die Eingangsleistung genau der Verlustleistung. Aus dem Unterschied zwischen der Messung der Verluste in der leeren Kammer und der mit einem Prüfling beladenen Kammer lässt sich somit prinzipiell die eingekoppelte Leistung in den Prüfling bestimmen.

Aufgabenstellung: Ein solche indirekte Messung ist in verschiedenen Frequenzbereichen mit unterschiedlichen Prüflingen in den drei Modenverwirbelungskammern am Lehrstuhl für EMV durchzuführen. Als Prüfling sollen zunächst sehr einfache Monopolantennen mit einer Hauptresonanz benutzt werden. Aus der Frequenzabhängigkeit der in den Prüfling eingekoppelten Leistung sollte sich dann die Resonanzfrequenz und Bandbreite des Prüflings bestimmen lassen.

Die Messergebnisse sind durch eine direkte Messung der tatsächlich in den Prüfling eingekoppelten Leistung zu validieren. Die auftretenden Unsicherheiten bei der indirekten Messung sowie deren Ursachen sind zu diskutieren.

Betreuer: Dr.-Ing. Mathias Magdowski

Hintergrund und Problemstellung: Für das Feld in Modenverwirbelungskammern ist eine statistische Beschreibung notwendig. Diese umfasst die Verteilung der Feldgrößen an einem Raumpunkt sowie die räumliche Korrelation zwischen benachbarten Raumpunkten. Typischerweise wird dabei von Zirkularität ausgegangen, was bedeutet, dass der Real- und Imaginärteil der komplexen Zeiger der Feldkomponenten statistisch unabhängig voneinander sind und die gleiche statistische Verteilung aufweisen. Daraus folgt, dass das Feld statistisch homogen, isotrop, unpolarisiert und inkohärent ist. Auf Basis dieser Annahmen lassen sich dann z.B. auch die Maximalwerte der Feldkomponenten und damit die Fehlerwahrscheinlichkeit für einen Prüfling bestimmen.

In der Praxis wird das Feld aber stets eine gewisse Elliptizität aufweisen, also eine Verschiedenheit des Real- und Imaginärteils der komplexen Feldkomponenten. Um die tatsächlichen Feldeigenschaften zu bestimmen, sind Messungen in Modenverwirbelungskammern notwendig, die bisher nur mit linear polarisierten Antennen durchgeführt wurden.

Aufgabenstellung: Ziel dieses Projekts ist es, die komplexen Streuparameter zwischen einer linear und einer zirkular polarisierten Antenne sowie zwischen zwei zirkular polarisierten Antennen zu messen. Für diese Messung steht ein vektorieller Netzwerkanalysator zur Verfügung. Als linear polarisierte Antennen sind verschiedene logarithmisch-periodische Dipol- und Hornantennen vorhanden. Als zirkular polarisierte Antenne ist eine Helixantenne vorhanden, nach deren Vorbild eine zweite zu fertigen ist. Die Messung der Streuparameter ist über einen weiten Frequenzbereich für verschiedene Rührerpositionen durchzuführen und anschließend auszuwerten.

Betreuer: Dr.-Ing. Mathias Magdowski

Hintergrund und Problemstellung: Kabel gehören zu den wichtigsten Koppelpfaden von äußeren elektromagnetischen Feldern in daran angeschlossene Apparate. Im der Praxis treten dabei häufig nicht nur einzelne Kabel, sondern ganze Kabelbäume auf, die als ein Leitungsnetzwerk aufgefasst werden können. Das externe Feld kann oft als ebene Welle angenähert werden, zumindest unter Fernfeldbedingungen.

Für die Simulation der Einkopplung von ebenen Wellen in Leitungsnetzwerke im Frequenzbereich existieren schon einige Verfahren. Diese können aber nicht angewandt werden, wenn das Leitungsnetzwerk mit nichtlinearen Lasten wie z.B. einer Diode abgeschlossen ist. Stattdessen muss die Simulation direkt im Zeitbereich stattfinden, was für eine einzelne Leitung auch schon durchgeführt wurde.

Aufgabenstellung: Im Rahmen des Projekts soll dieser vorhandene Ansatz auf ein Leitungsnetzwerk erweitert werden, indem die Wechselwirkung der einzelnen Leitungen an den Verbindungspunkten berücksichtigt wird. Zur Vereinfachung kann angenommen werden, dass die einzelnen Leitungen gerade, gleichförmig und verlustarm sind. Für rein lineare Lasten und eine bestimmte Pulsanregung soll der Zeitverlauf der eingekoppelten Spannung (bzw. des Stromes) berechnet und mit der Frequenzbereichslösung und anschließendes inverser Fouriertransformation verglichen werden. Anschließend soll auch der entsprechende Zeitverlauf für ein Netzwerk mit einer nichtlinearen Last simuliert werden.

Betreuer: Dr.-Ing. Mathias Magdowski

Hintergrund und Problemstellung: Für das Feld in elektrisch großen Resonatoren mit komplexer Geometrie (z.B. Autokarosserien, Flugzeugrümpfe, ...) ist prinzipiell eine deterministische Beschreibung möglich: Allerdings ist diese von geringem Wert, das nur sehr geringe Änderungen in der Frequenz, der Raumposition oder den elektromagnetischen Randbedingungen zu komplett anderen Feldbedingungen führen können. Deshalb wird häufig eine statistische Feldbeschreibung benutzt, die sich auch experimentell in elektromagnetischen Modenverwirbelungskammern nachbilden lässt. Befindet sich ein Prüfling in einem solchen statistischen Feld, muss auch die Einkopplung statistisch beschrieben werden. Für die Abschätzung und Berechnung dieser Einkopplung existieren verschiedene Methoden, darunter das sogenannte Random Coupling Model und die Plane Wave Integral Representation.

Aufgabenstellung: Ziel dieses Projekts ist es, eine vorgegebenes Einkoppelproblem mit beiden Methoden zu lösen und die beiden Lösungswege miteinander zu vergleichen (z.B. nötige Parameter, Rechenaufwand, Genauigkeit, ...). Als Einkoppelproblem soll dabei die Feldeinkopplung in eine Einfachleitung über einer leitfähigen Ebene im Inneren einer Modenverwirbelungskammer untersucht werden. Dabei existieren für die Methode der Plane Wave Integral Representation schon zahlreiche analytische und numerische sowie experimentelle Untersuchungen am Lehrstuhl für EMV, so dass für den Vergleich nur eine Lösung per Random Coupling Model gefunden werden muss.

Die zu untersuchenden Lösungen sind dann z.B. die eingekoppelte Spannung (bzw. der Strom) an einem Leitungsende als komplexer Zeiger. Dieser Zeiger kann dann durch seine Kenngrößen wie z.B. Real- und Imaginärteil, Betrag und Phase oder durch das leistungsproportionale Betragsquadrat dargestellt werden. Von diesen Kenngrößen können dann die frequenzabhängigen Mittel, Minimal- oder Maximalwerte, die Standardabweichung, die Verteilungs- und Dichtefunktion oder die allgemeinen statistischen Momente bestimmt werden.

Betreuer: Dr.-Ing. Mathias Magdowski

Hintergrund und Problem: Um regenerative Erzeuger wie Photovoltaikmodule oder Brennstoffzellen, die in erster Näherung eine Gleichspannung und einen Gleichstrom erzeugen, mit dem Wechselspannungsnetz zu verbinden, werden üblicherweise netzgeführte Stromrichter (engl. grid connected power converters, GCPC) eingesetzt. Eine wichtige Problemstellung aus Sicht der elektromagnetischen Verträglichkeit sind Störungen, die durch den Stromrichter verursacht werden. Diese könnten in leitungsgeführte Störungen auf der Netzseite und in Störungen auf der Gleichspannungsseite unterteilt werden.

Aufgabe: Im Rahmen einer Abschlussarbeit sollen besonders die gestrahlten Störemissionen auf der Gleichspannungsseite untersucht werden, die durch die dort auftretenden symmetrischen und asymmetrischen Störströme erzeugt werden. Dazu sind die Strompfade in einem handelsüblichen Photovoltaikmodul im Rahmen einer Feldsimulation durch geeignete Draht- und Flächenelemente nachzubilden und die Störfeldstärke in einem bestimmten Abstand zu berechnen. Die dafür nötigen Softwarepakete wie Concept-II, NEC oder Feko stehen am Lehrstuhl für Elektromagnetische Verträglichkeit bereit.

Betreuer: Dr.-Ing. Mathias Magdowski

Hintergrund und Problem: Kabel und Verbindungsleitungen stellen einen wichtigen Einkoppelpfad für elektromagnetische Störungen in Geräte und Systeme dar. Oft ist die genaue Einfallsrichtung der Störung unbekannt oder das anregende Feld kann als eine Überlagerung vieler ebener Wellen mit beliebigen Einfallsrichtungen, Polarisationen und Phasenlagen aufgefasst werden. Solche Bedingungen werden als statistische Felder bezeichnet.

Aufgabe: Im Rahmen eines Forschungsprojekts soll die Einkopplung solcher Felder in verschiedene, einfache Leitungsanordnungen simuliert werden. Dazu soll das Programm CONCEPT-II benutzt werden, das vor Kurzem in einer Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Hamburg-Harburg für diese Aufgabe erweitert wurde und am Lehrstuhl für Elektromagnetische Verträglichkeit zur Verfügung steht. Die Simulationsergebnisse sind mit experimentellen Ergebnissen aus Messungen zu vergleichen, die in vorherigen Projekten am Lehrstuhl für EMV erarbeitet wurden und ebenfalls zur Verfügung stehen.

Betreuer: Dr.-Ing. Mathias Magdowski

Hintergrund und Problem: Modenverwirbelungskammern sind alternative Umgebungen für gestrahlte Test der Elektromagnetischen Verträglichkeit. Die normenkonforme Validierung und die Messverfahren sind in einem internationalen Standard, der IEC (International Electrotechnical Commission) 61000-4-21, beschrieben. Dieser Standard ist auch in einen entsprechenden DIN- (Deutsches Institut für Normung) und VDE-Standard (Verband der Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik) übersetzt worden. Die normenkonforme Validierung ist allerdings ein aufwendiges und langwieriges Verfahren. Außerdem ist es ein iteratives Verfahren, bei dem eine vorher gewählte niedrigste nutzbare Frequenz (engl. lowest usable frequency, LUF) nur bestätigt oder abgelehnt wird.

Aufgabe: Im Rahmen der Arbeit sollen Optimierungsmöglichkeiten für eine kürzere Validierung untersucht werden, bei der die Anzahl der örtlichen Messpunkte (zur Zeit acht) reduziert wird. Dabei muss die Anzahl der Frequenzpunkte erhöht werden, um die gleiche Genauigkeit zu erreichen. Da die Messung eines Frequenzpunktes typischerweise deutlich schneller erfolgt, als die Messung eines Ortspunktes, kann eine deutliche Zeitreduktion erreicht werden.Weiterhin soll ein nicht-iteratives Verfahren zur Bestimmung der LUF entwickelt werden, das die LUF nach der Validierungsmessung festlegt. Dazu ist ein entsprechenden Kriterium zu definieren, das die LUF in Bezug auf eine gewünschte statistische räumliche Feldhomogenität innerhalb des Arbeitsvolumens der Kammer bestimmt.

Betreuer: Dr.-Ing. Mathias Magdowski

Hintergrund und Problem: Die GTEM-Zelle stellt für Untersuchungen der Elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) ein wichtiges Werkzeug dar. Sie besteht aus einem sich pyramidenförmig aufweitenden Außenleiter rechteckigen Querschnitts, in dem ein asymmetrisch in der Höhe angeordneter, sich ebenfalls aufweitender, plattenförmiger Innenleiter (Septum) aufgehängt ist. Am Ende der metallisch abgeschlossenen Zelle ist auf einer Kugelkalotte eine Wand aus pyramidenförmigen Absorbern angeordnet. Die Normmessung in der Absorberhalle ist relativ zeitaufwendig. Im Gegensatz dazu ist die Durchführung von Emissionsmessungen in der GTEM-Zelle mit weniger Aufwand verbunden. Die Norm EN 61000-4-20 beschreibt einen Emissionstest in einem TEM-Wellenleiter - wie z.B. eine GTEM Zelle - basierend auf der Messung der induzierten Spannung am Zellenport. Da die GTEM-Zelle ein geschlossener Wellenleiter ist, wird die Kabelverlegung für die Testobjekte in der GTEM-Zelle diskutiert und untersucht, um den Einfluss auf die Störemission zu minimieren.

Aufgabe: Anhand eines definierten Testobjektes mit angeschlossenen Leitungen soll der Einfluss der Kabelverlegung auf die Störemission in der GTEM-Zell durch Normmessungen untersucht werden. Die gemessene Spannung am Zellenport soll nach Norm korreliert werden. Der dafür geforderte mathematische Ansatz wurde bereits mit Hilfe des Programmpaketes Matlab programmiert. Zur Validierung der Messergebnisse stehet ein MOM-Simulationsmodells der GTEM-Zelle 1750 bereits zur Verfügung. Die beiden Ergebnisse sollen verglichen und diskutiert werden. Ein weiteres Ziel kann noch sein -abhängig von der Art der aufgenommene Arbeit-, die Ergebnisse der GTEM-Zelle mit den Messergebnisse in der Absorberhalle zu vergleichen.

Betreuer: Dr.-Ing. Moawia Al-Hamid

Hintergrund und Problem: Elektromagnetische Verträglichkeit ist „die Fähigkeit eines Apparates, einer Anlage oder eines Systems, in der elektromagnetischen Umwelt zufriedenstellend zu arbeiten, ohne dabei selbst elektromagnetische Störungen zu verursachen, die für alle in dieser Umwelt vorhandenen Apparate, Anlagen oder Systeme unannehmbar wären“ (Richtlinie 2004/108/EG). Im Rahmen der EMV-Vorlesung werden Methoden zur Analyse einfacher Beeinflussungsprobleme und der entsprechenden Modellbildung vermittelt sowie die Fähigkeit zur Auslegung von Gegenmaßnahmen entwickelt.

Aufgabe: Neue Ansätze liefern neue Kenntnisse zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit verschiedener Betriebsmittel und deren Analyse. Diese Erkenntnisse sollen durch entsprechende Ausarbeitung und Aufbereitung vielen jungen Studenten im Rahmen der EMV-Vorlesung zugänglich gemacht bzw. näher gebracht werden. Dazu sollen entsprechende Informationen gesammelt und in die bestehende Vorlesung eingearbeitet, sowie ein Konzept für eine weiterführende Veranstaltung erstellt werden. Im Einzelnen sind folgende Teilaufgaben zu bearbeiten.

• Fundierte Literaturrecherche über die Grundlagen der EMV sowie den aktuellen Stand der Entwicklung neuer Analysemethoden und Normen/ Richtlinien
• Überarbeitung der alten Vorlesungsunterlagen
• Erarbeitung einer digitalen Foliensammlung mit dem aktuellen Stand

Vermittelte Kenntnisse: Detaillierte Einsicht in das Fachgebiet EMV, Inspiration für Masterarbeit

Betreuer: M. Sc. Benjamin Hoepfner