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

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.

Ziel des Forschungsprojekts „Untersuchung der Effizienzpotentiale von antiresonant betriebenen Hochleistungs-Ultraschallsystemen im Vergleich zum resonanten Betrieb“ war es, einen objektiven Vergleich der beiden vielversprechenden Betriebspunkte Resonanz und Antiresonanz vorzunehmen. Wegen der starken Einschränkungen Aufgrund der Coronapandemie und den damit verbundenen Homeoffice-Zeiten wurden die meisten Untersuchungen anhand von Modellen und Simulationen durchgeführt. Um die Verlustmechanismen im Schwingsystem zu analysieren wurden die drei piezoelektrischen Verlusteffekte, mechanische Dämpfung, dielektrische Verluste und Kopplungsverluste in Übertragungsmatrizen für piezoelektrische Elemente abgebildet. Zur Untersuchung wurden Verbundschwinger im Spannungs- und Stromeingeprägten Betrieb verglichen. Dabei fiel auf, dass die dielektrischen und die Kopplungsverluste einen ähnlichen Einfluss haben, wobei beide im stromeingeprägten Betrieb vorrangig in der Resonanz wirken, im spannungseingeprägten Betrieb dagegen primär in der Antiresonanz. Es gelang, jeweils ein elektromechanisches Ersatzmodell zu entwickeln, in dem die Verlusteffekte abgebildet werden. Dabei wurde ein komplexer Übertragungsfaktor eingeführt, der die Kopplungsverluste mitberücksichtigt. Ein wichtiges Ergebnis besagt, dass für den Resonanzbetrieb eine Spannungseinprägung und für den Antiresonanzbetrieb eine Stromeinprägung zu bevorzugen ist. Zur Regelung in Resonanz und Antiresonanz wurde jeweils eine um den Arbeitspunkt linearisierte Zustandsraumdarstellung entwickelt, bei der Phase und Amplitude (Strom für Resonanzbetrieb, Spannung für Antiresonanzbetrieb) die Zustandsgrößen sind und die Frequenz, sowie die jeweils andere Amplitude, die Eingangsgrößen sind. Hiermit wurden Richtlinien zur Auslegung entsprechende Regler für Frequenz und Amplitude erarbeitet. Zum effizienten Betrieb wurde ein Leistungselektronischer Verstärker zum Betrieb von Ultraschallschwingern mit einer Leistung von bis zu P = 1 kW aufgebaut. Durch die Verwendung von Transistoren basierend auf GaN (Gallium-Nitrid) konnte eine Schaltfrequenz von fsw = 600 kHz realisiert werden, was die Erzeugung von Ausgangsignalen mit einer Grundfrequenz von bis zu f0 = 30 kHz ermöglicht. Zur Erhöhung der Leistung kann ein Parallelbetrieb zweier identischer Verstärkermodule genutzt werden. Hier ist die Abstimmung von Filter, Transformator und Piezoschwinger unter Berücksichtigung der Leitungen in Zukunft noch weiter zu verbessern. Trotzdem war es in den ersten Versuchen schon möglich, eine Leistung von P = 557 W in das Testsystem einzuspeisen. Da zur galvanischen Trennung und zur Impedanzanpassung stets ein Transformator benötigt wird, wurde eine Modellierung des durch das Ultraschallsystem belasteten Transformators durchgeführt. Dabei zeigte sich die Notwendigkeit von auf den Betriebspunkt angepassten Transformatoren, für die es, wenn die Blindleistung minimiert werden soll, nur ein sehr kleines Auslegungsfenster gibt. Hier ist zukünftig eine ganzheitliche Auslegungsmethodik anzustreben, was weiteren Forschungsbedarf bedeutet. Für die Gesamtsystemmodellierung wurden auch Filterkomponenten und der Transformator in Übertragungsmatrizen abgebildet. Mit entsprechenden Modellen wurden verschiedene Szenarien zum Betrieb von Ultraschallsystemen mit hoher Leistung betrachtet, um die Betriebspunkte miteinander zu vergleichen. Hierbei wurde deutlich, dass sich beide Betriebspunkte eignen, jedoch eine unterschiedliche Abstimmung der Ultraschallkomponenten, insbesondere der Amplitudentransformation des Schwingsystems, benötigen. Für sehr hohe Leistungen > 3 kW wird die Abstimmung auf den antiresonanten Betrieb schwieriger, wenn eine Kapazitätskompensation vorgesehen ist. Ist diese nicht vorhanden, nähern sich die Betriebspunkte von Resonanz und Antiresonanz einander an, wenn die Prozessdämpfung zunimmt. Sobald diese so groß ist, dass es keinen Phasennulldurchgang mehr gibt, ist das Phasenminimum in beiden Fällen der identische Arbeitspunkt. Zur experimentellen Untersuchung wurden Lastschwingsysteme ausgelegt und aufgebaut. Dabei wurden zwei Ultraschalltransducer über ein Schwingsystem gekoppelt, einer der Transducer dient zum Antrieb und der andere emulierte die Prozesslast. In ersten Untersuchungen mit konventionellen Verstärkern konnten mehrere kW übertragen werden. Umfangreiche experimentelle Untersuchungen mit dem neuen Wechselrichter konnten leider noch nicht abgeschlossen werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Operation of Ultrasonic Power Transducers in Resonance and Anti-resonance Mode, IWPMA 2019, 1.-4. October, Lyon, France, Presentation only
  Ilja Pletner & Jens Twiefel
• Comparison of CP-Compensated Anti-resonant and Resonant Operation Mode using an Ultrasonic Transducer, IWPMA 2020, 22.-25. September, virtuell, Presentation only
  Ilja Pletner & Jens Twiefel
• GaN HEMT based inverter for driving ultrasonic transducers. 2020 23rd International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS), 683-688. IEEE.
  Fauth, Leon; Jusko, Steffen; Friebe, Jens & Mertens, Axel
• Modellbasierter, resonanter Betrieb schwach gedämpfter Ultraschallsysteme, Dissertation, Institut für Dynamik und Schwingungen, Leibniz Universität Hannover
  Ille, Igor
• Piezoelectric Ultrasonic Power Transducers. Encyclopedia of Materials: Electronics, 276-285. Elsevier.
  Hemsel, Tobias & Twiefel, Jens