Untersuchung der Effizienzpotentiale von anti-resonant betriebenen Hochleistungs-Ultraschallsystemen im Vergleich zum resonanten Betrieb

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Axel Mertens; Dr.-Ing. Jens Twiefel
• Fachliche Zuordnung: Mechanik ; Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 382779182

Ultraschallanwendungen haben sich seit Langem in zahlreichen industriell genutzten Verfahren etabliert. Viele Anwendungen, wie z.B. das Ultraschallschweißen benötigen immer effizientere und schnellere Ultraschallsysteme. Das Augenmerk dieses Vorhabens liegt darauf, den Erkenntnisstand für Ultraschallsysteme mit leistungselektronischer Speisung in Bezug auf Aufschwingverhalten und Effizienz zu erweitern. Bis heute gibt es keinen objektiven Vergleich und keine Bewertung, bei welchen Bedingungen welcher Betriebspunkt bzw. welche Reglerstrategie vorteilhaft ist. Insbesondere bezüglich der Eigenschaften des antiresonanten Betriebs weist der Stand der Forschung erhebliche Lücken auf.Im Rahmen des geplanten Forschungsvorhabens soll daher ein Ultraschallsystem bestehend aus einem Ultraschallschwinger und einer geeigneten Leistungselektronik im Antiresonanzbetrieb untersucht und mit einem vergleichbaren System im Resonanzbetrieb gegenübergestellt werden.Es soll erforscht werden, inwieweit durch den Einsatz neuartiger Halbleitertechnologien (Hier: GaN) die Verluste in den Leistungshalbleitern und in der gesamten Speisung trotz hoher Schaltfrequenz im Bereich bis ca. 1 MHz reduziert werden können. Von großer Bedeutung ist dabei die Frage, inwiefern aufgrund einer hohen Schaltfrequenz die Filter reduziert werden können. Dabei sind auch zusätzliche Verluste in den Filterbauelementen zu untersuchen und in die Betrachtung einzubeziehen. Für eine Nutzung derselben Leistungselektronik für den Resonanz- und für den Antiresonanzbetrieb ist eine Anpassung der Spannung erforderlich, die mit Hilfe eines HF-Transformators erfolgen soll. Auch dieser HF-Transformator, der für hohe Spannungen ausgelegt werden muss, soll bezüglich seiner Eigenschaften, wie Streuinduktivität, Wicklungs- und Koppelkapazität, und seiner Verluste genau betrachtet werden.Die Untersuchung unterschiedlicher modellbasierter Regleralgorithmen in Bezug auf Geschwindigkeit, Stabilität und Effizienz ist Teil des beantragten Vorhabens. Hierbei spielen der Betriebspunkt und die Belastung des Ultraschallschwingers eine entscheidende Rolle. Hierfür ist eine Weiterentwicklung einer vorhandenen Lastemulationshardware geplant. Mit Hilfe dieser Hardware lassen sich unterschiedlichste Regelalgorithmen mit einer hohen Lastdynamik und hervorragenden Reproduzierbarkeit testen. Eine wichtige Frage, die hier beantwortet werden soll, ist die nach dem effizienteren Betriebspunkt. In der Literatur wurden bisher lediglich Piezokeramiken untersucht, wobei hier die Hypothese aufgestellt wurde, dass der Antiresonanzbetrieb der energetisch effizientere ist. Es sind jedoch kaum Untersuchungen für Verbundschwinger zu finden. Man kann die Verluste im Verbundschwinger in dielektrische, mechanische und Kopplungsverluste unterteilen. Ein weiteres Ziel des Vorhabens ist die Identifikation und Trennung dieser Mechanismen. Hierbei gilt es, die Verlustmechanismen experimentell zu trennen und die Modelle zu validieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Jörg Wallaschek