Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entstehung und Wirkung von Gleichtaktstörungen in elektrischen Antriebssystemen. Parasitäre Gleichtaktimpedanzen bilden zusammen mit Gegentaktimpedanzen des Antriebssystems parasitäre Resonanzschwingkreise aus, welche von den Schalthandlungen der eingesetzten Umrichter im Antriebssystem zum Schwingen angeregt werden. Einer der beiden Schwerpunkte befasst sich mit der Entwicklung einer analytischen Berechnungsmethode, um die vorhandenen parasitären Gleichtaktpfade sowie deren Resonanzfrequenzen zu ermitteln. Der zweite Schwerpunkt behandelt die Möglichkeit der aktiven Dämpfung von Gleichtaktstörungen. Hierzu analysiert ein Algorithmus jede einzelne Schaltflanke im Umrichter auf deren Wirkung im Gleichtaktsystem. Anschließend kann diese zeitlich derart verschoben werden, dass die Schaltflanke eine bestmögliche Dämpfung im Gleichtaktsystem erzielt. Einleitend werden die notwendigen Grundlagen zur Umrichtertechnik sowie der Ausbildung und Anregung von Resonanzschwingkreisen am Beispiel eines RLC-Reihenschwingkreises erklärt, der stellvertretend für das stark reduzierte Gleichtaktmodell eines modernen Antriebssystems steht. Die Literaturrecherche gibt einen detaillierten Einblick über aktuelle Methoden der Reduktion von Gleichtaktstörungen wieder. Viele wissenschaftliche Veröffentlichungen behandeln modifizierte Ansteuerverfahren für die eingesetzten Umrichter, welche gezielt die Gleichtaktspannungen eines jeden Spannungsraumzeigers ausnutzen. Die Theorie und Funktionsweise des neuen Steuerverfahrens HCad, wird mathematisch hergeleitet und anhand eines idealen Simulationsmodells untersucht. Die Auswertung der Simulationsergebnisse ermöglicht es bereits, die dämpfende Wirkung unter idealen Bedingungen zu quantifizieren. Die Umsetzung eines praxisnahen Laborprüfstands dient der Verifikation und dem Vergleich realer Messungen mit den in der Simulation gewonnen Erkenntnissen. Die durchgeführten Messreihen bestätigen die Möglichkeit, Gleichtaktstörungen mithilfe einer zeitlichen Flankenverschiebung im Umrichter zu bekämpfen. Des Weiteren ist gezeigt, dass die Anwendung der aktiven Gleichtaktdämpfung neben der eigentlichen Aufgabe eines Steuerverfahrens in vollem Umfang und über den kompletten Modulationsbereich eines Umrichters möglich ist.
In lithium-ion batteries, depending on the requirements, many individual cells are connected in series and parallel. Despite very similar individual cell parameters after production, they can develop differently during the subsequent ageing process due to intrinsic and extrinsic influences. A pronounced parameter variation of the assembled cells ultimately leads to a reduced utilisation of the lithium-ion battery and thus also to a reduced lifetime. The aim of this work is therefore to gain a better understanding of the origin and development of parameter variation during the ageing process. The work is divided into three major parts. At the beginning, parameters such as capacity and internal resistance of 480 brand-new cells of one production batch are recorded. The obtained values allow the calculation of the production-related parameter variation of the cells. In order to investigate the development of the parameter variation during cell ageing, numerous ageing tests are carried out in this work. These are divided into single cell tests and module tests. With the help of single cell ageing tests, the development of the parameter variation of unconnected cells is investigated. Here, several cells are combined into groups and aged under identical conditions. In order to show the influence of different operating conditions on the parameter variation during single cell ageing, the cell groups are aged at different temperatures and different load currents. Finally, by ageing various self-built modules, the development of the parameter variation of cells connected in series and in parallel is investigated. By varying the load current and the number of cells connected in parallel, further dependencies are investigated. The measured data show that both the load on the cells and the ambient temperature have a decisive influence on the development of parameter variation. Operating conditions near the lithium plating boundary are particularly problematic. Since the onset of lithium plating varies slightly between the ageing cells, there are extreme differences in the ageing rate over a certain period of time. This ultimately leads to large parameter variations in the tests carried out. The cells used in this work are cylindrical cells in 18650 format with a nominal capacity of 2.6 Ah (Samsung ICR18650-26J). The high-energy cells consist of a NMC cathode and a graphite anode.
Lithium-Ion Batteries (LIBs) are being used in more and more areas of application. At the same time, their chemical composition and their designs are constantly evolving. Major developments are also taking place in the field of Battery Management Systems (BMSs), which are essential for the safe operation of LIBs. The focus is on intelligent charge redistribution between individual cells, called Active Balancing (AB). This thesis deals with the possibilities and limitations of AB. An empirical long-term experiment provides new insights into the ageing behaviour of batteries that are actively balanced during their entire service life. The main objective of this work is to to demonstrate influences on the ageing behaviour of batteries that are still unknown at present. A literature study shows that previous work in this area is often based on theoretical approaches and rarely has a functional proof through measurement results. Most significant statements from literature are examined. These include the increase in discharge capacity, energy efficiency and service life associated with AB, as well as lower parameter variation of the individual cells installed in the battery. Before starting the empirical experiment, the current state of the art is captured and a universal AB topology is selected from a large number of known systems. The operating behaviour as well as the balancing algorithms are explained in detail in order to be able to understand the influences occurring during the ageing of the batteries. The ageing experiment itself is a comparison test between commercial Passive Balancing (PB) and the novel AB. Two identical battery packs are aged under uniform conditions, but with the two different BMSs mentioned above. At the end of the ageing process, the battery packs are disassembled and the parameters of all individual cells are determined for further investigation. The main contribution of this work is the proof of effects through AB, especially with large battery loads. Both the increase in discharge capacity and the service life are demonstrated. The work shows how parameter variation of individual cells can be made visible during operation. It also presents diagnosis and calculation methods. The energetic efficiency of the batteries cannot be increased, since the self-consumption of the power electronics of the AB system is always higher than with PB. However, the overall efficiency of the battery increases due to an increase in capacity and an extension of the service life. The thesis also shows that with lower battery loads, the use of AB is not beneficial any more or may lead to negative effects. In such applications conventional PB is sufficient. The results obtained during pack ageing are additionally substantiated and extended by the measurement results of the individual cells. At the end of the thesis, all results and contributions are summarised. Suggestions for optimisation as well as further research ideas are presented as a possible starting point for further scientific studies.
Camera Re-Localization with Data Augmentation by Image Rendering and Image-to-Image Translation
(2020)
Self-localization of cars, robots or Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) as well as self-localization of pedestrians is and will be of high interest for a wide range of applications.
A major task is autonomous navigation of vehicles, whereas the localization in the surrounding scene is a key component.
Since cameras are well-established built-in sensors in cars, robots and UAVs, there is little to no extra cost in utilizing them for subsequent localization.
The same applies for pedestrian localization, where smartphones serve as mobile platforms for cameras.
Camera re-localization, where the pose of a camera is determined with respect to a certain scene, is therefore a valuable process to solve or support localization solutions of such vehicles or pedestrians.
Cameras are low-cost sensors that are established commonly in the everyday life of humans and machines.
The support of camera re-localization is not limited to applications related to navigation but can in general be applied to support image analysis or image processing tasks as scene reconstruction, detection, classification or alike.
For these purposes, this thesis concerns the improvement of the camera re-localization task.
As Convolutional Neural Networks (CNNs) and hybrid pipelines to regress camera poses are recently competing against established hand-crafted designed pipelines reaching similar or superior accuracies, the focus is set on the former in this thesis.
The main contributions of this thesis include the design of a CNN to regress camera poses, with focus on a lightweight architecture fitting the requirements to be applicable on mobile platforms.
This network achieves accuracies in the same order as CNNs with larger model sizes.
Furthermore, the performance of CNNs is highly depending on the quantity and quality of training data utilized for their optimization.
Hence, further contributions are considering image rendering and image-to-image translation to extend such training data in terms of Data Augmentation (DA).
3D models are utilized for image rendering to valuable extend training datasets.
Generative Adversarial Networks (GANs) serve for DA by image-to-image translation. Whereas image rendering is increasing the quantity of images in datasets, image-to-image translation on the other hand aims to enhance the quality of such data.
Experiments are carried out on datasets augmented by image rendering and image-to-image translation. It is shown, that both approaches valuable enhance the localization concerning accuracy.
Therefore, state-of-the-art localization is improved by DA in this thesis
Carbonation and chloride induced reinforcement corrosion influences the load bearing behaviour of reinforced concrete structures and consequently shortens its durability. This occurs basically due to the following three points: (i) the loss of steel cross section, (ii) the loss of concrete cross-section due to cracking and spalling, and (iii) the loss of bond action between steel and concrete. The present work is limited to studies on the influence of chloride induced reinforcement corrosion on bond behaviour between steel and concrete. In this context the question arises of which components to ensure bond integrity are affected in any manner by reinforcement corrosion? To solve these issue primarily experimental studies on different specimen geometries were performed in the past. These include concentric and eccentric pull-out specimens and bending beams. There have been studies performed both with and without transverse reinforcement, which is in this work uniformly called stirrup or stirrup reinforcement. Due to the long periods of time for both the depassivation of the concrete cover as well as the progress of reinforcement corrosion, almost all previous studies have been accelerated in this regard. In previous studies it was determined that the degree of acceleration affects the date of the initial cracking and the change in bond strength. Both, this fact and the great variety of different test specimens led to a large variation in bond strength values with respect to the corrosion of reinforcement. For this reason it has been difficult to assign the geometric and corrosion parameters to certain effects on the bond behaviour. As a contribution to disentangle these issues, experimental studies on beam-end specimens were performed, which serve as the basis for the fundamental mechanisms of bond under corrosive attack. The corrosion of the reinforcement was accelerated potentiostatically, but this was done in comparison with the known studies in a most gentle manner with only five fold in excess of the maximum corrosion rate occurring in nature. The focus of the study was on the nature and distribution of corrosion products, the relationship between corrosion rate and measurable crack width in the concrete cover and the effects of reinforcement corrosion on bar end displacement as well as on bond strength. The tests were performed separately for specimens with and without stirrups, and the specimens with stirrups were further divided into two groups. First, the stirrups were electrically connected to the longitudinal bars, so that the stirrups corroded accelerated. Secondly, the stirrups were electrically decoupled from the longitudinal bars, whereby only the longitudinal bars corroded accelerated. This allowed a qualitative statement about the influence of weakened stirrups on bond behaviour. Subsequently, the obtained results were discussed in the context of results from other researchers. From this e.g. new insights into the dependence of the bond strength of the acceleration of reinforcement corrosion are obtained. Furthermore qualitative statements about the influence of geometrical parameters such as bar diameter and concrete cover on the change of bond strength are made. More precise statements in this regard were possible by numerical studies of finite element models. As part of the numerical investigations, which covered especially more geometrical parameter variations, the influence of different bar diameters and concrete covers on bond strength at different stages of corrosion was investigated. In addition by means of numerical investigations, a quantitative statement on the utilization of the stirrup reinforcement could be made. Using the above findings, a model was created that allows an estimation of the residual bond strength. The model consists of calculating the so-called reference bond strength with no corrosion effect, a description of the decrease in confining action of concrete and the effect if existing of a stirrup reinforcement, which is also weakened by corrosive action. This model distinguishes itself on one hand from purely empirical models that have emerged from the regression of experimental data. Compared to very complex analytical models, the proposed model impresses with its simplicity and user-friendly form.
Ganzheitliche Automatisierung mechatronischer Systeme in der Medizin am Beispiel Strahlentherapie
(2012)
Ziel dieser Arbeit war es, technologische und methodische Optimierungsansätze zu entwickeln und zu untersuchen, mittels derer effiziente, sichere und qualitativ hochwertige mechatronische Behandlungssysteme realisiert werden können. Das entwickelte hochflexible und universell einsetzbare Strahlentherapiegerät eröffnet dabei ein unerreicht breites Applikationsspektrum und lässt sich aufgrund vielfältiger neuartiger Assistenzfunktionen sehr gut in die klinikspezifischen Workflows integrieren. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass durch die integrierte Entwicklung von Behandlungssystemen unter Einbezug der mechatronischen Positioniergeräte sowie bedarfsgerechter automatisierungstechnischer Assistenzsysteme erhebliche Effizienz- und Qualitätssteigerungen in der Medizin erzielt werden können.
Determinanten der Markenpersönlichkeit : relevante Einflussgrößen und mögliche Transfereffekte
(2011)
Eine rechnergestützte Untersuchung zu Kombinationsmöglichkeiten und Kategorisierung von Determiners
(2006)
1. In den vergangenen Jahren hat das Interesse an der NP und ihren Bestandteilen stark zugenommen, weshalb auch verstärkt zum Thema „Determiners“ geforscht wurde. Jedoch gibt es hierbei stark divergierende Meinungen. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurde daher zunächst ein Forschungsüberblick erstellt, in dem verschiedene für die hier geführte Diskussion besonders relevante Positionen untersucht und wichtige Unterschiede heraus gearbeitet wurden. 2. Dabei konnte festgestellt werden, dass in den verschiedenen Werken u.a. Kontroversen darüber herrschen, ob Determiners eine Wortart oder eher eine funktionale Gruppe darstellen, ob sie die Köpfe der NP sind, ob sie mit den Pronomina und/oder sogar Adjektiven gleichzusetzen sind, in welchem Bezug dazu die Quantoren stehen, wie sie und ihre Kombinationsmöglichkeiten am Besten darstellbar sind und ob für eine adäquate theoretische Erfassung primär syntaktische Kriterien ausreichen. Diese Probleme wurden im zweiten Teil der Arbeit behandelt. 3. Nach gründlicher Abwägung aller Fakten wird es hier als sinnvoller erachtet, Determiner nicht als Wortart, sondern als funktionale Kategorie zu betrachten. Als Grund dafür kann genannt werden, dass sie sich aus formalen Gründen nicht gut rechtfertigen lässt, die Kategorie insgesamt sehr heterogen ist und auch aus dem epistemologisch begründeten Ökonomiebestrebungen redundant ist, weil sich die Vertreter dieser Kategorie bereits anderen Wortarten zurechnen lassen. 4. Eine Unterscheidung und Abgrenzung zwischen Determination und Modifikation in der Nominalphrase ist entgegen einiger Gegenpositionen nach den hier vorgenommenen Erwägungen sinnvoll, da wesentliche Unterschiede zwischen den beiden Funktionen bestehen, die diese Dichotomie rechtfertigen. 5. Als Kopf der Nominalphrase wird hier das Nomen gewertet, da es trotz aller Gegenargumente als das Element betrachtet wird, dass die grammatischen Eigenschaften (Genus, Numerus – sofern noch im Englischen vorhanden) den pränominalen Wörtern diktiert und auch aus kognitiver Sicht eine wichtigere Rolle spielt. 6. Auf Dependenz-/Valenzansätze kann bei der Beschreibung der Nominalphrase und der Determination nicht verzichtet werden, da nur unter deren Einbeziehung bestimmte grammatische Phänomene und so auch die Determiners adäquat beschrieben werden können. Da aber auch die Konstituentenanalyse für die Beschreibung relevant ist, ist es für eine besonders erklärungstüchtige Theorie sinnvoll, beide Methoden miteinander zu verbinden. 7. Auch wenn die hier untersuchten Wörter hoch frequent sind, unterliegen ihre Kombinationsmöglichkeiten starken Restriktionen und sind dann teilweise von außerordentlich niedriger Frequenz. Diese Kombinationsmöglichkeiten variieren stark, d.h. jedes Wort der hier analysierten Kategorie ist sehr idiosynkratisch und lässt sich in kein rigides Schema pressen oder durch die Annahme einiger weniger features erklären. Vielmehr erfordert jedes untersuchte Wort eine genaue Darstellung im Sinne einer Einzelwortgrammatik. 8. Auch andere Faktoren bestimmen den Gebrauch von Determiners entscheidend. Dazu gehören die Textsorte, das Register und die Sprachvarietät. In der vorgenommenen Korpusstudie wurden im Besonderen die Unterschiede zwischen britischem und amerikanischem Englisch untersucht, wobei viele statistisch signifikante Abweichungen auftraten. Auch derartige grammatische Homonyme zeigen, dass eine erklärungstüchtige Darstellung das Einbeziehen vieler verschiedener Faktoren bedarf. Syntax, Semantik und Pragmatik liefern, in jeweils unterschiedlicher Ausprägung wertvolle Erkenntnisse für das im Rahmen der vorliegenden Arbeit behandelte Thema. 9. Die Ergebnisse der Korpusstudie zu Unterschieden im amerikanischen und britischen Englisch unterstützen die Hypothese, dass die Konstruktionen all the children und all of the children funktionsgleich sind, da erstere im BE frequenter ist, letztere hingegen im AE. Dies untermauert die Annahme, dass der pronominale Gebrauch im zweiten Fall der Determination synonym und funktionsgleich mit dem des ersten Falls ist. Daher werden beide einer Kategorie zugerechnet, die wiederum dem Nomen angehört. 10. Floating quantifiers, d.h. nachgestelltes all, both und each lassen sich nicht mit wenigen Regeln vollständig beschreiben, sondern bedürfen ebenfalls einer Einzelwortbeschreibung. 11. Durch die in der hier vorliegenden Arbeit gewonnenen Ergebnisse konnte insgesamt gezeigt werden, dass Determiners im Rahmen einer Einzelwortgrammatik besonders gut dargestellt werden können, da in diesem Bereich viele unterschiedliche Informationen von Bedeutung sind, die nicht nur auf einige wenige (syntaktische) Regeln reduziert werden können. Solche relevanten Informationen können so sinnvoll in den theoretischen Beschreibungsapparat einbezogen werden.zeige weniger
Verbrauchsfern erzeugter Strom aus regenerativen Energien kann über große Distanzen am wirtschaftlichsten mittels der Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) transportiert werden. Die HGÜ führt zu einer veränderten elektrischen Belastung der Hochspannungskomponenten. Transiente Übergangsvorgänge bestimmen die elektrischen Feldverteilungen. Bei der Berechnung elektrischer Feldverteilungen in Isoliersystemen für die Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) mit Hilfe der Finiten-Elemente-Methode (FEM) wurden die dielektrischen Eigenschaften bisher in Form von Permittivitäten und parameterabhängigen Leitfähigkeiten berücksichtigt. Langsame Polarisationsvorgänge werden dabei nicht berücksichtigt. Für die Berechnung komplexer Isoliersysteme durch die FEM ist deshalb die Beschreibung der langsamen Polarisationsvorgänge im Isolierstoff durch Differentialgleichungen wünschenswert, die direkt in die FEM einbezogen werden und mit denen je nach Bedarf sowohl einzelne Polarisationsmechanismen als auch ihre Überlagerungen berücksichtigt werden können. In dieser Arbeit werden hierfür auf Basis des bekannten Debye-Ansatzes, und in Analogie zum Netzwerkmodell, zusätzlich zu den Gleichungen, die Verschiebungs- und Leitungsströme beschreiben, weitere Differentialgleichungen direkt in die FEM einbezogen, welche die feld- und temperaturabhängigen Polarisationsströme individuell abbilden. Die Materialfunktionen und ihre Parameter werden durch Messung von Polarisations- und Depolarisationsströmen (PDC) ermittelt. Durch die Implementierung von beliebigen Polarisationsmechanismen in einem FEM-Programm wurde eine Lücke der Berechnungsmöglichkeiten von komplexen, auch dreidimensionalen Isoliersystemen geschlossen, in denen oftmals stationäre oder transiente Temperaturgradienten vorliegen und in denen sich transiente elektrische Feldverteilungen ausbilden. Zur Verifizierung des beschriebenen Berechnungsverfahrens werden transiente Potentialverläufe an den Steuerbelägen von entsprechend modifizierten Hochspannungsdurchführungen unter Gleich- und Umpolspannungen sowie unter thermischen Gradienten gemessen. Dabei kann eine bisher nicht erreichte Übereinstimmung der transienten und stationären Potentialverläufe zwischen FEM-Simulation und Messung erzielt werden. Auswirkungen auf Prüf- und Belastungsszenarien werden anhand von Simulationen diskutiert.
In dieser Arbeit wird ein neues automatisches Verfahren zur Erfassung von Gebäuden aus Digitalen Oberflächenmodellen entwickelt. Im Gegensatz zu den meisten bisher in der Literatur beschriebenen Verfahren wird in diesem Ansatz die Rekonstruktion der Gebäude eng mit der Interpretation verknüpft. Es wird ein topologischer Ansatz zur Gebäuderekonstruktion gewählt, der die integrierte Auswertung von unterschiedlichen Datenquellen ermöglicht.
Die Topologie eines Objektes lässt sich durch einen CW-Komplex repräsentieren. In dieser Arbeit werden CW-Komplexe zur Repräsentation der Topologie der Gebäudeoberfläche genutzt. Die Bestandteile des CW-Komplexes, die Zellen (Punkte, Kanten und Flächen), werden lokal klassifiziert. Zur Verbesserung der lokalen Klassifikationen werden Nachbarschaftsbedingungen mittels bedingter Wahrscheinlichkeiten berücksichtigt. Dazu wird eine Nachbarschaftsordnung auf dem CW-Komplex definiert und ein verkoppeltes Markoff-Zufallsfeld formuliert. Wir lernen die Gebäudemodelle automatisch aus repräsentativen Interpretationen. Die Gebäude werden lokal -aufgrund der Klassifikation der Zellen - mittels robuster Schätzverfahren rekonstruiert. Die Gebäudetypen der rekonstruierten Gebäude werden durch das Markoff-Zufallsfeld klassifiziert.
Zur Veranschaulichung des Potentials und Beurteilung des Verfahrens werden synthetische und reale Beispiele in einem verallgemeinerten geometrischem Modellraum angeführt und diskutiert.
Diese Arbeit befasst sich mit dem Fließpressen metallischer Kleinstteile, wobei insbesondere auf die bei der Miniaturisierung auftretenden Größeneffekte eingegangen wird. Einen wesentlichen Schwerpunkt bilden grundlegende Untersuchungen zu Miniaturisierungseffekten bei der Reibung und deren Auswirkungen auf die erforderlichen Prozesskräfte und die Formausbildung. Des weiteren wird der Einfluss der Mikrostruktur auf den Prozess untersucht.
This thesis is concerned with combining the perceptual abilities of mobile robots and human operators to execute tasks cooperatively. It is generally agreed that a synergy of human and robotic skills offers an opportunity to enhance the capabilities of today’s robotic systems, while also increasing their robustness and reliability. Systems which incorporate both human and robotic information sources have the potential to build complex world models, essential for both automated and human decision making. In this work, humans and robots are regarded as equal team members who interact and communicate on a peer-to-peer basis. Human-robot communication is addressed using probabilistic representations common in robotics. While communication can in general be bidirectional, this work focuses primarily on human-to-robot information flow. More specifically, the approach advocated in this thesis is to let robots fuse their sensor observations with observations obtained from human operators. While robotic perception is well-suited for lower level world descriptions such as geometric properties, humans are able to contribute perceptual information on higher abstraction levels. Human input is translated into the machine representation via Human Sensor Models. A common mathematical framework for humans and robots reinforces the notion of true peer-to-peer interaction. Human-robot information fusion is demonstrated in two application domains: (1) scalable information gathering, and (2) cooperative decision making. Scalable information gathering is experimentally demonstrated on a system comprised of a ground vehicle, an unmanned air vehicle, and two human operators in a natural environment. Information from humans and robots was fused in a fully decentralised manner to build a shared environment representation on multiple abstraction levels. Results are presented in the form of information exchange patterns, qualitatively demonstrating the benefits of human-robot information fusion. The second application domain adds decision making to the human-robot task. Rational decisions are made based on the robots’ current beliefs which are generated by fusing human and robotic observations. Since humans are considered a valuable resource in this context, operators are only queried for input when the expected benefit of an observation exceeds the cost of obtaining it. The system can be seen as adjusting its autonomy at run-time based on the uncertainty in the robots’ beliefs. A navigation task is used to demonstrate the adjustable autonomy system experimentally. Results from two experiments are reported: a quantitative evaluation of human-robot team effectiveness, and a user study to compare the system to classical teleoperation. Results show the superiority of the system with respect to performance, operator workload, and usability.
Policies for Web Services
(2009)
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den physikalischen Phänomenen von elektromechanischen Ausgleichsvorgängen in elektrischen Energiesystemen sowie mit der Identifikation ihrer Ursachen mittels Weitbereichsmesssystemen (WAMS) im praktischen Netzbetrieb. Dabei besteht der Anspruch, einen Beitrag zum tiefergehenden Verständnis des natürlichen und erzwungenen, dynamischen Systemverhaltens zu leisten. Darüber hinaus werden innovative Methoden der Ursachenidentifikation vorgestellt und mittels Simulation validiert, um technologische Weiterentwicklungen auf diesem Gebiet zu unterstützen.
Die Abhandlung fasst den aktuellen Stand der wissenschaftlichen Erkenntnisse zum elektromechanischen Verhalten von Verbundsystemen zusammen. Neben der Vorstellung einer geeigneten Modellierung dieser Systeme und bewährter Berechnungsmethoden im Frequenz- und Zeitbereich, befasst sich die Arbeit mit der Ausbreitung von Systemereignissen. Zunächst wird die Ausbreitung konzeptuell in zwei Komponenten -- elektromechanische Wellenausbreitung und simultane Beschleunigung -- zerlegt und anschließend werden deren Abhängigkeiten theoretisch fundiert aufgezeigt. Sie werden insbesondere durch das Spannungsniveau des Netzes, die Impedanzen und die Struktur der Netztopologie, die Trägheiten der Turbosätze in den Erzeugungseinheiten sowie durch den Arbeitspunkt des Systems charakterisiert.
Weiterhin werden die Auswirkungen periodischer Anregungen mit verschiedenen Frequenzen im System betrachtet. Ihr Einfluss auf die Synchronmaschinen und deren gegenseitigen Leistungsaustausch stellt den Untersuchungsgegenstand dar. Es wird dabei deutlich, dass im Bereich schwach gedämpfter, niederfrequenter Moden eines elektrischen Energiesystems Resonanzerscheinungen auftreten können, die systemcharakteristische Amplituden- und Phasenverhältnisse zwischen Netzgebieten zur Folge haben. Davon unberührt bleibt die durch das System angenommene Frequenz der Ausgleichsvorgänge. Bei Anregefrequenzen oberhalb der natürlichen Moden des Systems ist die Ausbreitung der Anregung zunehmend eingeschränkt.
Die Abhandlung fasst darüber hinaus den aktuellen wissenschaftlichen Stand zur Lokalisierung von Ursachen elektromechanischer Ausgleichsvorgänge mittels Weitbereichsmesssystemen zusammen, mit welchen systemweite Messungen synchronisiert durchgeführt werden. Eine besondere Aufmerksamkeit erhalten dabei die Methoden, die auf der elektromechanischen Ausbreitung und der Modalinformation aus Frequenzaufzeichnungen basieren. Ihr theoretisches Konstrukt wird in der Arbeit vertieft vorgestellt. Anschließend werden sie mit Hilfe eines dynamischen Modells des kontinentaleuropäischen Synchronverbunds (CESA) auf ihre Eignung für den praktischen Einsatz im Systembetrieb hin geprüft. Das Beurteilungskriterium besteht hierbei in der Erörterung, inwieweit ein von einem Fehler betroffener Teil eines Netzgebiets durch die verwendeten Methoden identifiziert werden kann.
In den Fällen transienter Ausgleichsvorgänge zeigen sich teilweise deutliche Unterschiede in den Ergebnissen der verschiedenen Lokalisierungsmethoden auf Basis der Ausbreitung. Die nicht-parametrischen Methoden ermöglichen dabei im Durchschnitt eine bessere Zuordnung des betroffenen Netzgebiets. Unter diesen ist die eigens eingeführte Methode der Zeit-Distanz-Verhältnisse durch die Priorisierung der zuerst detektierenden Messstellen in der Regel der Ursache am nächsten. Bei der umfassenden Analyse zeigt sich jedoch auch, dass die den Methoden zugrundeliegenden Annahmen und die tatsächlichen Bedingungen eines realen Systems auseinanderliegen können und dadurch systematisch Abweichungen entstehen. Mögliche Wege zur Annäherung der Theorie an die Praxis werden im Rahmen der Abhandlung genannt.
In den Fällen erzwungener Ausgleichsvorgänge kann bis auf die Spezialfälle stets eine eindeutige Zuordnung des betroffenen Netzgebiets mittels der Methoden auf Basis der Modalinformation erfolgen. Dabei wird, abhängig von den Phasenbeziehungen der beteiligten Schwingungspartner, die Entscheidung anhand der Amplituden und der voreilenden Kohärenzgruppe, die einen geringeren Dämpfungsbeitrag liefert, gefällt. Die Spezialfälle zeichnen sich durch die Bildung mehrerer kohärenter Schwingungsgruppen aus und damit durch eine mögliche Fehlinterpretation anhand der gewählten Kriterien.
Grundsätzlich wird aufgezeigt, dass die vorgestellten Verfahren zur Ursachenidentifikation zu den Maßnahmen gehören, die der zunehmenden Komplexität des dynamischen Verhaltens elektrischer Energiesysteme entgegengestellt werden können. Zukünftig gilt es, die festgestellten Einschränkungen der Methoden durch tiefergehende Untersuchungen und Weiterentwicklungen auszuräumen sowie für den praktischen Einsatz zu ertüchtigen. Hierfür bildet die vorliegende Arbeit mit der Behandlung der zugrundeliegenden physikalischen Phänomene sowie der Lokalisierungsmethoden eine fundierte Basis.
In der vorliegenden Arbeit wird ein Programmcode zur numerischen Modalanalyse dreidimensionaler Fluide in komplexen akustischen Systemen, speziell in Resonatoren, entwickelt. Mit diesem Code ist es möglich, turbulente Strömungen im Rahmen der Modalanalyse zu berücksichtigen. Hierzu wird ein realistisches Strömungsprofil, ermittelt mithilfe eines 3D-Navier-Stokes-Lösers, verwendet. Der Hauptteil der Arbeit befasst sich mit der Herleitung der für die Berechnung notwendigen Galbrun-Gleichung und deren Aufbereitung zur numerischen Analyse. Für die numerische Umsetzung kommt die Methode der finiten Elemente in Verbindung mit komplex konjugierten, infiniten Astley-Leis Elementen zur Anwendung. Die infiniten Elemente werden genutzt, um in den betrachteten Außenraumproblemen die Abstrahlung in das Fernfeld abzubilden. Nach der Anwendung des entwickelten Programmcodes auf einfachere Modelle erfolgen Untersuchungen zur Intonation einer Blockflöte. Hierzu wird das Fluid innerhalb und im Nahfeld des Instruments unter Berücksichtigung des turbulenten Strömungsprofils, welches sich beim Spielen der Blockflöte ausbildet, betrachtet. Im Ergebnis stehen die Eigenwerte des Instruments in Abhängigkeit von der gewählten Griffkombination. Zur Evaluierung der Ergebnisse und zur Untersuchung des Einflusses der Strömung auf den Klang erfolgt der Vergleich mit den exakten Eigenfrequenzen. Die Galbrun-Gleichung wurde bereits von anderen Autoren untersucht und auf akustische Problemstellungen angewendet. Im Rahmen dieser Arbeit erfolgt jedoch erstmalig die Anwendung der Galbrun-Gleichung auf Eigenwertprobleme. Darüber hinaus sind der Autorin keine Arbeiten bekannt, die sich mit dreidimensionalen Modellen befassen. In der vorliegenden Arbeit werden somit erstmals komplexe dreidimensionale Modelle unter Anwendung der Galbrun-Gleichung untersucht.