Energie und Mobilität
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This paper presents two simulation models for two variants of a large chipper drive used in a paper mill. If a slip ring induction motor is used, the impact of a rotor circuit rheostat with respect to starting behavior and heavy duty load impulses can be examined. Furthermore a speed controlled squirrel cage induction machine will be investigated. The modeling language for both drives is Modelica. The simulation results for both drives are compared and discussed.
This paper presents a physical model of a squirrel cage induction machine with rotor topology. The machine is modeled in Modelica, an object oriented multi physical modeling system. The presented machine model is used to investigate electrical rotor asymmetries in induction machines. For the case of a single broken rotor bar a simulation model is compared with measurement results.
Innovative thermal model for the estimation of permanent magnet and stator winding temperatures
(2012)
In this paper an innovative thermal model for the determination of the temperatures of the permanent magnets and stator windings is presented. This model relies on one temperature sensor located in the stator core of the machine. The estimated stator winding and permanent magnet temperatures are determined by a simplified thermal lumped element network model with only two time constants. Due to the structure of the model and the measured stator core temperature the proposed thermal model is very robust. Distortion of the cooling circuit are inherently sensed such that the model can be used for the online prediction of temperatures. Experimental results based on an interior permanent magnet synchronous machine are presented to validate the presented model.
This paper introduces the new FundemantalWave library which is included in the Modelica Standard Library 3.2. The presented Modelica package provides models and components of rotating electrical three phase machines. The presented electrical machine models are fully compatible with the original Machines library of the electrical domain but rely on the concept of the magnetic potential and magnetic flux fundamental waves. In this article; the connector concept; the components and electric machine models of the FundemantalWave package will be explained. Additionally; the didactic advantages and the flexibility of the proposed package in with respect to considering more enhanced and sophisticated effects will be discussed.
From the rating plate data of an induction motor the nominal efficiency can be determined. Without detailed knowledge of equivalent circuit parameters, partial load behavior cannot be computed. Therefore, a combined calculation and estimation scheme is presented, where the consistent parameters of an equivalent circuit are elaborated, exactly matching the nominal operating point. From these parameters part load efficiencies can be determined.
In this paper a new model for the estimation of the stator winding and rotor cage temperatures of induction machines is presented. This model can be used in series applications of machines operated under dynamic load conditions where stator and rotor temperature shall be monitored. The proposed model relies on a simplified lumped element thermal equivalent circuit model where the stator core temperature serves as input quantity. The great advantage of this model is that it covers ambient and cooling conditions inherently. This leads to great simplicity and robustness. The parametrization and validation of the model through experimental data is presented. Advantages, drawbacks and possible implementations are discussed.
Abstract Electric machine theory and electric machine simulations models are often limited to three phases. Up to the Modelica Standard Libray (MSL) version 3.2 the provided machine models were limited to three phases. Particularly for large industrial drives and for redundancy reasons in electric vehicles and aircrafts multi phase electric machines are demanded. In the MSL 3.2.1 an extension of the existing FundamentalWave library has been performed to cope with phase numbers greater than or equal to three. The developed machine models are fully incorporating the multi phase electric; magnetic; rotational and thermal domain. In this publication the theoretical background of the machines models; Modelica implementation details; the parametrization of the models and simulation examples are presented.
In the literature, the effects caused by a single or several adjacently broken rotor bars, or a broken end ring are thoroughly investigated. The phenomenon of various nonadjacently broken rotor bars has not been studied so far in detail. Since nonadjacently broken rotor bars may give rise to fault signatures, which are not directly related with the fault extent, it is important to understand the nature of multiple electrical rotor asymmetries in induction machines. The purpose of this paper is thus to investigate several combinations of electrical rotor asymmetries, to systematically elaborate the phenomena related to the broken bars and end rings. In this paper, a sophisticated simulation model and measurement results are used to analyze the phenomenon rotor fault.
For a totally enclosed fan-cooled induction machine, two methods of numerical analysis are compared with measurements. The first numerical method is based on computational fluid dynamics (CFDs) and the second one uses a thermal equivalent circuit (TEC). For the analysis based on CFD, a 3-D induction machine including housing is modeled. The numeric solution of the flow equations is determined for stationary temperature distributions. For the TEC, a discretized one-and-a-half-dimensional model of the induction machine is considered. With the TEC model, stationary and transient operating conditions can be simulated. Measurement results are determined by iron-copper-nickel sensors embedded in the stator winding and the housing, as well as by an IR sensor for measuring the rotor temperature. With these measurement signals, stationary and transient operating conditions can be analyzed. For stationary operating conditions, additionally, the housing temperatures are determined by an IR camera. The investigated simulation and measurement methods reveal different local and global temperatures, and thus, only certain aspects and characteristics of the obtained temperatures can be compared. Nevertheless, certain conclusions can be drawn from comparing these aspects considering the actual restrictions of each of the applied methods.
From the rating plate data of an induction motor the nominal efficiency can be determined. Without detailed knowledge of equivalent circuit parameters, partial load behavior cannot be computed. Therefore, a combined calculation and estimation scheme is presented, where the consistent parameters of an equivalent circuit are elaborated, exactly matching the nominal operating point. From these parameters part load
efficiencies can be determined.
A Practical Thermal Model for the Estimation of Permanent Magnet and Stator Winding Temperatures
(2014)
A thermal model for the determination of the temperatures of interior permanent magnets and stator windings is presented in this paper. The innovation of the model relies on one temperature sensor being located in the stator core of the machine. Such sensor is simple to implement in many applications such as traction or EV, where reliability is critical. The estimated stator winding and permanent magnet temperatures are determined by a simplified thermal lumped element network model with only two time constants. It is shown that the proposed thermal model is very robust due to the structure of the model and the measured stator core temperature. The distortion of the temperature estimates caused by the cooling circuit is inherently accounted for such that the model can be used for robust online prediction of temperatures. Experimental results based on a forced water-cooled interior permanent magnet synchronous machine setup are presented to validate the effectiveness of the presented model.
A Parametrization Scheme for High Performance Thermal Models of Electric Machines using Modelica
(2012)
Thermal models offer great advantages for enhancement of design, protection and control of electric machines. Detailed thermal models take a great number of time constants into account and provide accurate prediction of the temperatures. However, to parameterize such models detailed geometric data are needed. Whenever such detailed information is not available, or the performance of the detailed models is not satisfying, simplified thermal models as described in this paper are advantageous. The calculation of parameters is described in detail, in order to achieve best accordance with temperatures obtained from measurements or from simulations with detailed thermal models. Thermal resistances are calculated from end temperatures of a test run with constant load (and known losses). Thermal capacitances are obtained using optimization to minimize deviation of simulated and measured temperatures during the whole test run. The thermal model of an asynchronous induction machine with squirrel cage is coupled with an electrical model of the drive. For validation, simulation results of an optimally parameterized simplified model are compared with temperatures obtained by simulation of a detailed thermal model, which in turn has been validated against measurement results, both for continuous duty S1 and intermittent duty S6 (6 minutes no-load followed by 4 minutes of 140% nominal load). The deviations are not more than 4 K which is quite satisfying.
Entwicklung eines Experimentalsystems zur Validierung adaptiver Regelungen mit einem OEM-Steuergerät
(2014)
Im Rahmen des Kooperationsprojektes "ACES" (Integrated Adaption of Linear Controllers for Embedded Systems) ist ein Prüfstand zur Validierung adaptiver Regelungen entwickelt und aufgebaut worden, der das dynamische Verhalten eines Kfz-Antriebstrangs aufweist. Ziel ist es, verschiedene Adaptionsverfahren auf ihre Einsetzbarkeit in OEM-Steuergeräten, die im Automotive-Bereich auf breiter Basis verwendet werden, kostengünstig testen zu können. Das Problem der aktiven Schwingungsdämpfung in Kfz-Antriebssträngen mit unbekannten und veränderlichen mechanischen Parametern stellt eine Pilotanwendung dar. Ein leicht anpassbarer mechanischer Prüfstand dient hierbei als vereinfachtes Modell eines Antriebstrangs. Dieser ist Bestandteil eitles Experimentalsystems mit einer informationstechnischen Architektur, die einen Betrieb engebetteter Regelungssysteme auf verschiedenen Plattformen gestattet. Das flexible mechanische und informationstechnische Design des Experimentalsystems gestattet die Variation von Parametern der zu regelnden Applikation durch leicht austauschbare mechanische Komponenten und gezielte Einbringung von Störgrößen. Zudem kann die Berechnung der Regelungsarchitektur auf einem Industrie-PC oder einem Steuergerät erfolgen. Weitere Vorteile des entwickelten Experimentalsystems sind die Berücksichtigung von Effekten, die aus dem Verhalten realer Sensoren und der CAN-basierten Signalübertragung entstehen. Insbesondere der Einfluss von Wortbreite und Latenz übertragener Signale auf die Adaption von Regelungen kann mit Hilfe des vorgestellten Experimentalsystems eingehend untersucht werden.
Bei Ottomotoren mit Direkteinspritzung besteht beim Kaltstart, den Warmlaufphasen und auch durch den Einfluss anderer Parameter wie z. B. des Einspritzzeitpunkts oder des Einspritzdrucks die Problematik, dass Kraftstoff an die Zylinderlaufbahn aufgetragen wird und sich mit dem Motoröl vermischen kann. Eine Verstärkung dieses Kraftstoffauftrags ist unter anderem der Verschiebung der Motorbetriebspunkte zu höheren Mitteldrücken und damit einem Wirkungsgrad optimaleren Betrieb geschuldet. Eine Veränderung der physikalischen und chemischen Eigenschaften des Motoröls durch die Verdünnung mit Kraftstoff ist die Folge. Durch die Verringerung der Viskosität des Motoröls kann es zu einer verminderten Schmierwirkung des Öls kommen, die im schlimmsten Fall zur Schädigung des Motors führt. Existierende Offline-Analysemethoden die zeitintensive Laboranalysen nach sich ziehen, als auch Online-Messverfahren die nicht den technischen Anforderungen hinsichtlich Genauigkeit und einer kurzen Messdauer entsprechen, stellen aktuell die einzigen Messmethoden zur Bestimmung der Schmierölverdünnung dar. Durch neue Entwicklungstrends bei Ottomotoren ist es jedoch unbedingt notwendig, die Mechanismen des Kraftstoffein- und -austrags in das und aus dem Motoröl genauer zu untersuchen. Mit der an der OTH Regensburg neu entwickelten Messtechnik wurde eine Vorgehensweise erarbeitet, mit der die zeitlichen Verläufe des Kraftstoffein- und -austragsverhaltens bei Ottomotoren quantitativ in kurzer Zeit bestimmt und optimiert werden können.
Especially at cold start and the warm-up operation GDI engines have an issue with oil dilution. Parameters such as injection timing and injection pressure impact the entry of fuel in the engine oil as well. With the adjustment of engine operating points to higher mean effective pressures resulting in downsizing concepts also an additional increase of fuel entry occurs. Fuel gets into the oil pan and is mixed with the engine oil so that the physical and chemical properties of the engine oil are changed. With the reduction of engine oil viscosity due to fuel entry a reduced lubricating effect can be caused. In the worst case damage to the engine occurs, To determine oil dilution online and offline measurement methods exist. A rather long analysis time in the laboratory is a disadvantage of the offline methods. Online methods are not correlating with technical requirements in terms of accuracy and a short measurement time. New trends in the development of gasoline engines require investigations of fuel in oil sorption and desorption processes. A new measurement technique which is developed at the OTH Regensburg enables to determine quantitative fuel in oil sorption and desorption processes. With this technique a procedure was generated to measure the oil dilution at gasoline engines and optimize them in a short time.
Beitrag und Praesentationsmaterial eines Vortrags ueber differenzierende Kohlenwasserstoffanalytik im Dieselabgas bei verschiedenen Motorbetriebszustaenden. Mit einem neu entwickelten, hochgenauen HC-Sensor werden unverbrannte HC im Abgas untersucht. Die differenzierende Untersuchung erfolgt an einem Massenspektrometer, das mit chemischer Ionisation arbeitet. Die Molekuele Ethin, Ethen und Propen wurden gezielt betrachtet. Es zeigt sich, dass bei kalten Betriebsbedingungen diese drei Komponenten etwa die Haelfte der gesamten HC Konzentration ergeben. Ein weiterer Punkt ist die Regeneration des Dieselpartikelfilters.
In future energy systems with high shares of fluctuating renewable energy generation, electricity storage will become increasingly important for the utilization of surplus energy. The Power-to-Gas (PtG) technology is one promising option for solving the challenge of long-term electricity storage and is theoretically able to ease situations of grid congestion at the same time. This article presents the perspectives of PtG in an 85% renewable energy scenario for Germany, quantifying an economic optimum for the PtG capacity as well as an optimized spatial PtG deployment.
Differenzierte Kohlenwasserstoffanalytik im Dieselabgas bei verschiedenen Motorbetriebszuständen
(2014)
Die für Dieselfahrzeuge gesetzlich vorgeschriebenen Grenzwerte bezüglich der Schadstoffkomponenten Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid können nur durch den Einsatz eines Diesel-Oxidationskatalysators erfüllt werden. Um erhöhte Emissionen infolge eines geschädigten Katalysators zu vermeiden, gilt es, dieses abgasrelevante Bauteil auch während des Betriebes zu überwachen. Die zukünftigen gesetzlichen Anforderungen an die Überwachung erfordern ein Verfahren das eine zuverlässige und hochgenaue Diagnose zulässt. Deshalb entwickelt eine Forschungsgemeinschaft aus Industrieunternehmen und Hochschulen einen neuartigen Kohlenwasserstoffsensor zur hochgenauen Analyse von unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Abgasstrang. Hierfür ist die Kohlenwasserstoffzusammensetzung des Dieselabgases bei verschiedenen Motorbetriebszuständen zu ermitteln. Zur differenzierten Untersuchung der Kohlenwasserstoffkomponenten wurde in der Arbeit ein Massenspektrometer eingesetzt, das mit chemischer Ionisation arbeitet. Anhand eines Abgasscreenings konnte eine Reihe von Kohlenwasserstoffen (Alkane, Alkene, Alkine, Alkadiene und aromatische Kohlenwasserstoffe) identifiziert werden, die typisch für das Dieselabgas stehen. Die Moleküle Ethin, Ethen und Propen wurden gezielt betrachtet. Die Ergebnisse zeigen, dass bei kalten Betriebsbedingungen diese drei Komponenten etwa die Hälfte der Gesamtkohlenwasserstoffkonzentration ergeben. Ein weiterer Punkt der Untersuchungen war die Diesel-Partikelfilter-Regeneration. Wie erwartet, lassen sich Kohlenwasserstoffmoleküle mit höheren Massen feststellen, die auf unverbrannten Dieselkraftstoff zurückzuführen sind. Anhand der Ergebnisse zeigte sich.dass sich das mit chemischer Ionisation arbeitende Massenspektrometer hervorragend für ein Abgasscreening eignet. Zahlreiche Kohlenwasserstoffe konnten identifiziert werden, die repräsentativ für das Dieselabgas stehen. Es sollten Moleküle bei verschiedenen Motorbetriebsbedingungen untersucht werden, die einen möglichst großen Anteil an der Gesamtkohlenwasserstoffkonzentration besitzen. Die Auswahl fiel aufgrund der gemessenen Massenspektren, vor und nach dem Diesel-Oxidationskatalysator, auf die Komponenten Ethin, Ethen und Propen. Zudem kann bei diesen Molekülen eine Masseninterferenz mit anderen Abgaskomponenten ausgeschlossen werden. Im unteren Teillastbereich und kaltem Motor machen diese Kohlenwasserstoffe bis zu 50%, gemittelt über alle Messstellen vor, im und nach dem Diesel-Oxidationskatalysator, der Gesamtkohlenwasserstoffkonzentration aus. Bei betriebswarmem Motor reduziert sich ihr Anteil auf ein Drittel Die höchste Konzentration unter den drei Komponenten besitzt dabei Propen. Mit steigendem Drehmoment nimmt der Anteil dieser drei Komponenten fortlaufend ab,was dafür spricht, dass Moleküle mit höheren Massen einen höheren Anteil einnehmen. Die Kohlenwasserstoff-Emissionen bewegen sich bei diesen Motorbetriebspunkten mit betriebswarmem Katalysator jedoch bereits bei sehr niedrigen Werten. Während der untersuchten Diesel-Partikelfilter-Regeneration mit späten Nacheinspritzungen zur Abgastemperaturerhöhung lassen sich Moleküle mit höheren Massen nachweisen. Diese sind typisch für die Reinkomponente Dieselkraftstoff. Der Anteil von Ethin, Ethen und Propen an der THC-Konzentration beträgt dann ca. 40%.
Solar energy represents a clean, natural and sustainable source of energy. Solar photovoltaic panels can be installed on roofs of structures or in the ground. This contribution focusses on ground-mounted systems, which are presently widely implemented. At present limited guidelines on the design of solar ground-mounted structures are available. Usually standards for the design of normal buildings are applied. However, the design of ground-mounted structures significantly differs from common structural design by: (1) a lower design lifetime (20-25 years) is accepted; (2) failure is not associated with the loss of human life; (3) resistance uncertainties need due attention; (4) uplift wind forces dominating structural reliability are associated with a large scatter. That is why the reliability analysis and optimal design of ground-mounted solar systems is investigated herein. The failure costs and especially their ratio to the initial costs are analyzed considering the data provided from the industry. Probabilistic reliability analyses are carried out and optimum design levels are computed for representative cost ratios. The optimal target reliability depends on the ratio between failure and initial costs; reliability index of 3.5 corresponds to a reasonable cost ratio of 10.
Die Liberalisierung der Blindleistung und Schaffung von regionalen nicht ausschreibungspflichtigen Q-Beschaffungsprozessen ermöglicht vor allem künftig erhebliche Kostenreduktionspotenziale. Allerdings ist die Etablierung mit umfangreichen Eingriffen in den heutigen Normen- und Gesetzesrahmen verbunden. Damit diese Potenziale gehoben werden können, bedarf es einerseits der Möglichkeit der Kostenanrechnung im Rahmen der Netznutzungsentgelte, andererseits eines Anreizsystems, sinnvoll und sorgsam mit Q umzugehen. Grundsätzlich ist vorher gründlich zu untersuchen, ob und ab welchem Zeitpunkt die Liberalisierung der Blindleistung zielführend ist und wie im Detail die Liberalisierung der Blindleistung auszugestalten wäre.
Tire model TMeasy
(2007)
This paper describes the semi-physical tire model TMeasy for vehicle dynamics and handling analyses, as it was applied in the ‘low frequency tire models’ section of the research programme tire model performance test (TMPT). Despite more or less weak testing input data, the effort for the application of TMeasy remains limited due to its consequent ‘easy to use’ orientation. One particular feature of TMeasy is the wide physical meaning of its smart parameter set, which allows to sustain the identification process even under uncertain conditions. After a general introduction, the modelling concept of TMeasy is compactly described in this paper. Taking the standard tire interface (STI) to multibody simulation system (MBS) software into account, the way to apply TMeasy is briefly shown. This includes three selected examples of application. The final comments of the authors on TMPT describe the experiences and earnings received during the participation in that programme.
In der Automobilindustrie ist neben der Elektromobilität und dem Leichtbau auch das Gebiet der Fahrerassistenz ein Zukunftsfeld. Speziell Fahrerassistenzsysteme, wie z.B. der Stauassistent, sind in Hinblick auf das autonome Fahren als dessen Vorstufe zu sehen. Aktuelle Assistenzfunktionen basieren auf der Präsenz des Fahrers. Die Fahrerassistenzsysteme sind nur durch Funktionen der Elektrik/Elektronik ermöglicht worden. Durch Maßnahmen der "Funktionalen Sicherheit" müssen Risiken, die durch Fehler der Elektrik/Elektronik zu Gefahren führen könnten, unter eine akzeptierte Grenze gesenkt werden. Die Diskussion über die gesetzlichen Grundlagen für das autonome Fahren ist erst am Anfang des öffentlichen Interesses. In diesem Zusammenhang ist es sinnvoll, die Notwendigkeit der Anpassung der bestehenden normativen Anforderungen zur funktionalen Sicherheit in die Diskussion mit einzubeziehen. Im ersten Ansatz wird in diesem Paper untersucht, ob von anderen Anwendungen mit automatisiertem Fahrbetrieb, wie er bei Schienenfahrzeugen realisiert ist, Ableitungen möglich sind. Im zweiten Ansatzpunkt wird konkret unter dem Gesichtspunkt des autonomen Fahrens zum Automobil auf die Gefahren-und Risikoanalyse, gemäß ISO 26262 Teil 3 eingegangen. Im Rahmen dieser Diskussion werden die drei Bewertungskriterien der Gefahren- und Risikoanalyse (severity, probability of exposure and controllability) im Paper beleuchtet. Es wird gezeigt, dass für autonomes Fahren ein zusätzliches Bewertungskriterium der Situationskomplexität sinnvoll ist, das das Umfeld einbezieht. Denn die Kontrollierbarkeit ist auf den Fahrer bezogen. Bei dem neuen Kriterium werden unter anderem der Einfluss durch die Verkehrsdichte sowie die Car-2-Car Kommunikation oder auch Fehler bzw. Ausfälle in der Car-2-X Kommunikation (zur Infrastruktur) berücksichtigt.
In the forming tools for pressing car body parts, heavy blankholders are used to prevent buckling and wrinkling of the blank. During each press cycle, those large masses need to be lifted, raising thereby the structural dynamic load on the forming tool and on the press. Therefore a detailed knowledge about the forming tool dynamics is essential for an accurate and robust design of forming tools. In this paper, a dynamic finite element method (FEM) simulation of selected automotive forming tool is presented enabling identification of regions of critical stresses. For validation of the simulation results, the kinematic responses of the tool's components are compared with the measurements obtained in an experiment.
For the dynamic simulation of on-road vehicles, the model-element "tire/road" is of special importance, according to its influence on the achievable results. Sufficient description of the interaction between tire and road is one of the most challenging tasks of vehicle modeling. Two groups of tire models can be classified: handling models and structural or high-frequency models. Usually, various assumptions are made in modeling vehicles as multibody systems. Therefore, in the interest of balanced modeling, the precision of the complete vehicle model should stand in reasonable relation to the performance of the applied tire model. Handling tire models are characterized by a useful compromise between user friendliness, model complexity, and efficiency in computation time on the one hand, and precision in representation on the other hand. The present paper describes the general approach of the semi-physical tire model TMeasy for vehicle dynamics and handling simulation and its enhancement for bore torque simulation in Version TMeasy 5. A parameter fitting process realized by TESIS DYNAware and the validation of real tire behavior by simulation with DYNA4 is presented. Even with first guess parameters, the TMeasy tire model behaves in a realistic and plausible manner. Parameter estimation is intuitive and datasets from previous model versions can be easily migrated. After parameter fitting, the simulation results correlate well with both the tire test rig and full vehicle measurements. The enhancement of a three-dimensional slip calculation in the latest version does not modify the model behavior for high slip conditions, but improves the results not only for highly dynamic situations but also for low speed maneuvers such as parking.
Festbettspeicher bieten die Möglichkeit, thermische Energie auf einem hohen Temperaturniveau zu speichern. Die oft kugelförmigen Schüttgüter bestehen aus Materialien hoher Dichte und Wärmekapazität. Neben der Wärmespeicherung können mithilfe dieser Schüttungen partikelbeladene Abgase entstaubt werden. Die Strömungs-, Wärmetransport- und Entstaubungsvorgänge bei der Speicherung von Wärme in einem Schüttschichtwärmeübertrager werden in Zusammenarbeit mit Fraunhofer Umsicht, Institutsteil Sulzbach-Rosenberg, untersucht. Einen entscheidenden Aspekt der Arbeiten stellt die numerische Simulation der im Wärmeübertrager ablaufenden Vorgänge dar. Die transiente Simulation von Schüttschichtwärmeübertragern ist nur mit Vereinfachungen möglich, da aufgrund der komplexen Geometrie und der daraus folgenden feinen Vernetzung eine enorme Rechenleistung benötigt wird. Bei den in diesem Beitrag vorgestellten Ergebnissen werden die physikalischen Vorgange in einem Ausschnitt der Schüttschicht simuliert, in dem die Kugelgeometrie detailliert modelliert ist. Die Ergebnisse der numerischen Simulation werden durch analytische Berechnungen aus der Literatur bestätigt. Eine Reihe von Parametervariationen zeigen die Einflüsse verschiedener Größen beispielsweise auf den Druckverlust sowie den Unterschied zwischen radialer und axialer Durchströmung einer Schüttschicht. Die Entstaubung partikelbeladener Gase innerhalb einer Schüttschicht wird zunächst anhand einer Einzelkugel untersucht; die Erweiterung auf die Entstaubung in einer Kugelpackung ist vorgesehen. Die Ergebnisse der numerischen Simulationen sollen mit den an einem Versuchsstand experimentell bestimmten Daten verglichen werden.
Kostenminimaler Netzanschluss einer 8-MW-PV-Anlage mithilfe regelbarer Ortsnetztransformatoren
(2014)
Die steigende Anzahl der Erzeugungsanlagen (EZA) in den Verteilnetzen zwingt viele Verteilnetzbetreiber zum kostenintensiven Netzausbau. Dabei sind die EZA gemäß EEG am technisch und wirtschaftlich günstigsten Verknüpfungspunkt anzuschließen. Zur Bestimmung dieses Punktes ist ein Vergleich sinnvoller Netzanschlussvarianten durchzuführen. Regelbare Ortsnetztransformatoren (RONT) erweitern seit Kurzem die Netzanschlussmöglichkeiten, auch auf Mittelspannungsebene. Das Beispiel eines Anschlusses für eine 8-MW-PV-Anlage zeigt, dass der optimale Netzanschluss eine Kombination zwischen RONT, Spannungsblindleistungsregelung, Trennstellenverlagerung und Leitungsverstärkung sein kann. In diesem Fall bemerkenswert ist, dass der RONT-Einsatz die Netzanschlusskosten um rd. 60 % gegenüber einer separaten Anbindung am Umspannwerk reduziert. Die Autoren beschreiben eingangs die Problematik hoher Netzausbaukosten beim Anschluss von Photovoltaik-Flächenanlagen. Das Vorgehen der durchgeführten Netzanalyse im konkreten Fall (Abb.: Grafische Darstellung des südlichen MS-Netzes der Stadtwerke Kehlheim mit angedeuteter Einspeiseleistung) und die 6 analysierten Netzanschlussvarianten werden beschrieben und diskutiert (Abb.: Gegenüberstellung der Investitionen der verschiedenen Netzausbauszenarien). Die oben genannte günstigste Anschlussvariante besteht aus folgender Kombination: Verlegung der vorhandenen Netztrennstelle zwischen zwei 20-kV-Stränge; Verstärkung einer bestehenden Freileitungsstrecke über 1 km; Einsatz von maximal 15RONT sowie Spannungsblindleistungsregelung durch die PV-Flächenanlage.
In this technical report, (1) the benefits of the new technology for future energy supply are discussed, (2) the climate protection effect of wind gas is discussed, and (3) a reasonable use of wind energy for gas generation is analyzed. In particular, windgas in the heat market is discussed in the utilization cascade of wind energy. The new "power-to-gas" concept opens up completely new possibilities for the integration of renewable energies and for coupling the electricity and gas grids. The Sabatier process, which has been known for 100 years, was first developed for this purpose in 2008 under the leadership of the Center for Solar Energy and Hydrogen Research and Fraunhofer IWES (formerly ISET) with electrolysis to create the "power-to-gas" concept for energy storage. A first pilot plant was built by ZSW Stuttgart on behalf of SolarFuel in 2009. This plant proves the technical feasibility of the new technology. Renewable gas is stored, transported and used as required as control and reserve energy via reconversion, e.g. in combined cycle power plants. In this way, decentrally generated renewable electricity is converted into a CO2 -neutral energy carrier with high energy density. The key advantage of renewable methane is the use of existing infrastructure such as gas grids, gas storage and end-use equipment for the integration of renewable energy. Technologies for natural gas are state of the art and commercially available. Methane also has three times the energy density of hydrogen.
Wie groß ist der Speicherbedarf in Deutschland in der weiteren Umsetzung der Energiewende? Welche Rolle spielen Batteriespeicher, Pumpspeicher, Power-to-Gas etc. im Kontext anderer Flexibilitätsoptionen auf den verschiedenen Netzebenen? Wie entwickelt sich der Markt für Batterien und Wasserstoff? In unserer Agora-Speicherstudie haben wir auch erstmalig den Begriff Power-to-X definiert und damit die bis dato entstandenen Begriffe Power-to-Gas, Power-to-Liquids, Power-to-Products, Power-to-Chemicals etc. zusammengefasst.
Effects of Quality Control on Reliability of Reinforced Concrete Structures according to Eurocodes
(2016)
The effect of quality control on structural reliability represents an increasingly important concern of designers and thus is investigated in this contribution, focusing on reinforced concrete structures. Recent European documents for structural design – Eurocodes, fib Model Code 2010 and ISO 2394:2015 for general principles on structural reliability indicate that the partial factors may be adjusted to available information on the quality control of structures. In particular, the partial factors for concrete and steel strength may be significantly reduced taking into account actual execution quality and related available data. Using probabilistic methods of structural reliability, effects for execution quality are investigated in this contribution considering two fundamental reinforced concrete members: a beam (or slab) exposed to bending and a short column exposed to compression. It is shown that the reliability of reinforced concrete members may vary with the load ratio of variable and permanent actions. It appears also that the structural members of a basic quality, designed using unreduced partial factors, have a greater reliability level than the members of an increased quality, designed using the partial factors reduced according to EN 1992 1 1. This provides the basis for recommendations for further code developments.
This paper proposes the possible switching synchronization strategies of an automotive dual-inverter against the background of minimizing the RMS DC-link capacitor current. The publication mainly focuses on the straight-ahead motion of a rear axle with one electric drive per wheel. In addition to it, a dual-inverter consisting of two subinverters with a common DC-link capacitor is taken into consideration. These sub-inverters each have three phases and are based on a 2-level voltage-source-topology. To control the electrical machines, the continuous Space-Vector-Modulation strategy is used. For this application, different control signal synchronization strategies of the two sub-inverters of the dualinverter are presented. Apart from the existing strategies, this paper proposes a new method, which inherits a compromise between low complexity and high effectiveness. In contrast to previous publications, the resulting capacitor currents are quantified and subsequentlyevaluated. This novel quantification, which is dependent on the dual-inverter’s operating point, provides a base for targeted dimensioning of the capacitor. Moreover, this forms the foundation for further investigations of vehicle’s cornering, as well as for the possible synchronization of stand-alone inverters. In the context of this publication, the presented results are verified by experimentally determined data of a motor-inverter system.
Im Rahmen des Projektes C/sells wurden mehrere Mittelspannungsnetze modelliert, um die aktuellen Spannungsverhältnisse und Leitungsauslastungen nachbilden zu können. Zudem wurden, angelehnt an den Netzentwicklungsplan, Szenarien für den zukünftigen PV-Zubau und die potenzielle Entwicklung der Elektromobilität entworfen. Auf Basis der Ergebnisse lässt sich eine Netzanalyse hinsichtlich Spannungs- und Stromgrenzwertüberschreitungen sowie zu deren potenziellen Auftrittszeitpunkten und Auftrittsdauern durchführen. Parallel wurde anhand von Sensitivitätsanalysen untersucht, welche Wirksamkeit Flexibilitätseinsätze an den verschiedenen Netzknoten auf den Engpass haben. Dadurch kann bestimmt werden, wie effektiv die verfügbaren, in der Regel örtlich gebundenen Flexibilitätsanbieter eingesetzt werden können. Da die Sensitivitäten arbeitspunktabhängig sind, wurden verschiedene Zeitpunkte im Jahresverlauf berechnet und die jeweilige Änderungen der Wirksamkeit ausgewertet. Neben der Höhe der Leistungsabweichung wurde die Flexibilitätsanforderung auch anhand der Einsatzzeitpunkte und Einsatzdauer sowie anhand der Häufigkeit der nötigen Flexibilitätseinsätze charakterisiert. Aus den gewonnenen Erkenntnissen soll abgeleitet werden, inwiefern sich der flexible Einsatz der Verbrauchsanlagen in der Netzplanung verankern lässt. Besonders relevant ist deshalb, mit welcher Verlässlichkeit die Flexibilität abgerufen werden kann. Eine sehr hohe Verlässlichkeit lässt sich je nach Flexibilitätsanbieter möglicherweise nicht oder nur zu sehr hohen Preisen gewährleisten. Die Eignung der Flexibilitätseinsätze wird somit sowohl aus technischer als auch aus wirtschaftlicher Sicht bewertet. Da eine vollständige Verlässlichkeit ohnehin nicht sichergestellt werden kann (technische Störungen einer Anlage, Wettereinflüsse, etc.), werden auch Fallback-Strategien, z. B. Einspeisespitzenkappung, in die Analyse einbezogen.
In Zusammenarbeit mit den Kreiswerken Cham wurde an der OTH Regensburg das Trinkwasserversorgungsgebiet mit allen relevanten Pumpen und Hochbehältern nachgebildet. Mithilfe des Modells kann die aktuelle, füllstandgesteuerte Betriebsweise unter Einhaltung der Randbedingungen (Grenzwerte der Behälterfüllstände, elektrische Verschaltung der Pumpen) simuliert werden. Daraus lässt sich auch das gesicherte, für die Netzplanung geeignete Flexibilitätspotenzial anhand der Leistungsabweichung gegenüber dem regulären Fahrplan, der Einsatzdauer, dem Einsatzzeitpunkt und der Pause zwischen den Flexibilitätsabrufen charakterisieren. In einem Feldversuch wurde vordergründig untersucht, inwiefern der Einsatz von Flexibilität in der Trinkwasserversorgung technisch umsetzbar ist.
Die Energiewende führt zu einem steigenden Zubau erneuerbarer Energieerzeugungsanlagen im Verteilungsnetz. Ebenso ist mit einem verstärkten Zuwachs der Elektromobilität zu rechnen, der zu einer weiteren Ausreizung der zulässigen Spannungsbereiche und Leitungsauslastungen beitragen kann. Um die Aufnahmefähigkeit des Verteilungsnetzes zu erhöhen, wurden in der Vergangenheit verschiedene Lösungen entwickelt und etabliert. Ein zusätzlicher Baustein zur Behebung von Netzengpässen und Spannungsproblemen sind zeitliche Verlagerungen von Einspeisungen und Verbrauchslasten in der Mittelspannungsebene. Diese sogenannten Flexibilitätsmaßnahmen sind derzeit noch nicht Stand der Technik. Um einen hohen Nutzen stiften zu können, indem sie zu einer effizienten Einsparung an Asset beitragen, müssen sie in der Netzplanung abbildbar gemacht werden. Dazu sind einerseits geeignete technische und zuverlässigkeitstheoretische Anforderungen an die Flexibilitätsmaßnahmen herauszuarbeiten, um eine möglichst hohe Gesamteffizienz bei Netz- und Anlagenbetreibern zu erzielen und andererseits ein Verfahren zu finden, mit dem Manipulationsmöglichkeiten (INC-DEC-Gaming) ausgeschlossen bzw. geringgehalten werden können.
Im Rahmen dieser Arbeit erfolgt die Untersuchung der wirkleistungsabhängigen Spannungssensitivität an den Knoten eines Mittelspannungsnetzstranges. Hierfür wird eine Reihe von Arbeitspunkten durch die Variation der Wirkleistungsentnahmen bzw. Einspeisungen an den Netzknoten sowie des Verschiebungsfaktors und der Spannungssollwertvorgabe am Bilanzknoten erzeugt. Die Ergebnisse zeigen eine direkte Abhängigkeit von der Spannung des untersuchten Netzknotens. Hierbei steigt die Sensitivität bei fallenden Spannungswerten. Diese können sowohl durch Wirk- und Blindleistungsbelastungen als auch durch eine veränderte Referenzspannung am Umspannwerk bedingt werden. Darüber hinaus liegt eine Beeinflussung durch die Wirkleistungsbelastung und deren Verteilung über den Netzstrang hinweg vor. Je höher die Belastung der Leitung bis zum Knoten der Flexibilität ausfällt sowie je stärker sich die Last hin zu diesem Punkt verlagert, desto höher ist die Sensitivität. Dies gilt ebenfalls für Arbeitspunkte mit gleichbleibender Spannung in den betrachteten Knoten. Des Weiteren wird die Anpassung eines multiplen linearen Regressionsmodells vorgenommen. Dieses ermöglicht eine Abschätzung der Sensitivitätswerte durch die Kenntnis einiger, die Belastungssituation des Netzes bestimmender Parameter.
Green hydrogen via renewable powered electrolysis has a high relevance in decarbonization and supply security. Achieving economically competitive hydrogen production costs is a major challenge in times of an energy price crisis. Our objective is to show the economically optimal installed capacity of electrolysers in relation to wind and solar power so swift and credible statements can be made regarding the system design. The ratio between renewable generation and electrolysis power as well as scaling effects, operating behaviour and development of costs are considered. Hydrogen production costs are calculated for four exemplary real PV and wind sites and different ratios of electrolysis to renewable power for the year 2020. The ideal ratio for PV systems is between 14% and 73% and for wind between 3.3% and 143% for low and high full load hours. The lowest hydrogen production costs are identified at 2.53 €/kg for 50 MW wind power and 72 MW electrolysis power. The results provide plant constructors the possibility to create a cost-optimized design via an optimum ratio of electrolysis to renewable capacity. Therefore, the procedures for planning and dimensioning of selected systems can be drastically simplified.
A Theoretical Comparison of Different Virtual Synchronous Generator Implementations on Inverters
(2022)
The goal to overcome the global climate crisis leads to a rising demand for the usage of Renewable Energy Sources (RES). Decentralized control strategies are needed to allow the integration of RES into the grid. The Virtual Synchronous Generator (VSG) is proposed as a method to add virtual inertia to the grid by emulating the rotating mass of a Synchronous Generator (SG) on the control algorithm of an inverter. This paper presents the VSG control structure as well as the mathematical description in a unified form. Due to the fact that classical droop control can be seen as a special form of the VSG, their correlation is highlighted by evaluating the steady state output characteristics of the inverter. Furthermore, a theoretical comparison between different VSG topologies, including the VISMA-Method 2 and the synchronverter, is given. In order to achieve better voltage stability, principles to add virtual impedance to the inverter's output are described.
Due to the very high fossil energy demand, the glass industry is looking for innovative approaches for the reduction of CO2 emissions and the integration of renewable energy sources. In this paper, we present a novel power-to-gas concept, which has no impact on established melting processes and discuss it for this purpose. A special focus is set on the required CO2 capture from typical flue gases in the glass industry, as this process has not been investigated in detail yet. We used a process simulation approach to investigate post-combustion CO2 capture by absorption processes, followed by a techno-economic evaluation. Our investigations found the designed CO2 capture plant to be approx. 400 times smaller than absorption based CO2 separation processes for conventional power plants. Due to the many options for waste heat utilization, the waste heat required for CO2 desorption can be generated in a particularly efficient and cost-effective way. The resulting CO2 avoidance costs range between 41-42 €/t CO2, depending on waste heat utilization for desorption, and thus offer a cost effective way of CO2 removal from glass industry melting processes. These costs are well below the values of 50-65 €/t CO2 described so far for comparable industrial applications. In addition, we describe optimization options, like solvent and process improvements, to enable further cost reductions. These results motivate further research and development on the overall process presented in this work.
The Logical Execution Time (LET) has recently been integrated in multi-core automotive systems to ensure timing and dataflow determinism. Although buffering mechanisms are introduced to incorporate LET semantics, they do not guarantee that tasks are executed within their LET frames. In fact, LET and buffering semantics are violated if scheduling is not designed to execute all tasks within their LET frames and in a specific order. In this paper, we describe a scheduling synthesis technique for Fixed-Priority Scheduling (FPS) to achieve resource-efficient execution of LET systems. The proposed approach considers LET semantics, scheduling overheads, and delays caused by operating system operations and provides the possibility to optimize the schedule with respect to aspects like scheduling overheads. Our performance and feasibility evaluation shows that the proposed algorithm provides results in a reasonable amount of time for models of complex industrial applications. Thus, the integration of the proposed algorithm into an automated process is of high benefit to accelerate the development of vehicle applications.
Non-road sectors, such as agriculture and construction machinery, require high energy densities and flexibility in use, which is why diesel engines are mainly used. The use of climate-neutral fuels, produced from renewable energies, such as Oxymethylene Ether (OME) as a diesel substitute, can significantly reduce CO2 and pollutant emissions in these sectors. In addition to CO2 neutrality, OME also offers improved combustion characteristics compared to diesel fuel, eliminating the soot–NOx trade-off and thus enabling new opportunities in engine design and calibration. In this paper, the combustion of pure OME on a close-to-production, single-cylinder non-road diesel engine with a pump–line–nozzle injection system is analyzed. A variation of the center of combustion at constant power output was performed for diesel and OME at different operating points. Two injectors were investigated with OME. A study on ignition delay and a detailed thermodynamic analysis was carried out. In addition, the exhaust emissions CO, NOx, VOC, as well as particulate-matter, -number and -size distributions were measured. With OME, a significantly shorter ignition delay as well as a shortened combustion duration could be observed, despite a longer injection duration. In addition, the maximum injection pressure increases. VOC and CO emissions are reduced. Particulate matter was reduced by more than 99% and particle number (>10 nm) was reduced by multiple orders of magnitude. The median of the particle size distribution shifts from 60 to 85 nm (diesel) into a diameter range of sub 23 nm (OME). A significant reduction of NOx emissions with OME enables new degrees of freedom in engine calibration and an efficiency advantage without hardware adaption.
The laminated steel core of transformers is one of the main sources of the generated sound, as it is excited by different electromagnetic effects during its normal operation. If the core is excited in its eigenfrequencies, the sound generated by a transformer will increase significantly. Therefore, knowledge of the core’s eigenmodes and -frequencies in an early design stage can decrease expenses by avoiding costly modifications that might be required to avoid the sound levels exceeding the specified values after the final factory acceptance test. The current study focuses on developing a core resonance model to determine the eigenmodes and -frequencies of a transformer core. The core’s geometry was simplified to a connected-beam structure and a numerical-based approach was applied. The accuracy of the developed model was validated against finite element method (FEM), using ANSYS on a reference core model.
During the factory acceptance test, the sound levels are measured. If the measured sound levels exceed pre-specified values, modifications on the transformer’s active part and/or tank need to be conducted. Tank resonance, if occurs, at twice main power frequency and its higher harmonics is one of the main reasons of amplifying the generated sound levels. Therefore, it is preferable to know already in the design stage about the occurrence of the tank resonance and propose reliable tank solutions. The current study presents a newly developed model for calculating the mode shapes and its corresponding eigenfrequencies of the tank.
Dieser Bericht entstand im Rahmen der Lehrveranstaltung „Forschungsmethoden und Seminar (FMS)“ im Sommersemester 2022 auf Initiative der Studierenden des Masterstudiengangs „Elektro- und Informationstechnik
(MEI)“.
Diese Lehrveranstaltung hat das Ziel, systematisch an das wissenschaftliche Arbeiten, speziell die Wissenschaftskommunikation, heranzuführen. Daher war geeignete Literatur zu einem individuellen Thema zu recherchieren, Veröffentlichungen auf ihre Relevanz hin zu beurteilen und letztendlich eine eigene Ausarbeitung basierend auf der Literaturrecherche zu erarbeiten und diese in einem Vortrag zu präsentieren.
Parallel dazu erfolgte im Theorieteil die entsprechende Hinführung zu den verschiedenen Elementen der Wissenschaftskommunikation:
• Bedeutung der Wissenschaftskommunikation für die Arbeit der Ingenieure
in Forschung und Entwicklung
• Literaturrecherche, Suchmaschinen, Sichtung und Analyse vorhandener
Publikationen, Bewertung der Qualität aufgefundener Fachliteratur,
Auswahl geeigneter Materialien für die eigene Arbeit
• Aufbereitung und Darstellung der recherchierten technischer Inhalte
in Form einer seitenanzahlbegrenzten wissenschaftlichen Ausarbeitung
• Einhalten formaler Randbedingungen bzgl. Strukturierung, einschl.
Bildnachweise und Zitationsstile
• Peer-review-Prozess bei wertschätzender Beurteilung der Leistung
anderer
• Publikumsangepasstes Aufbereiten komplexer fachlicher Inhalte mit
hochschulöffentlicher Präsentation der Ergebnisse
• Führen mündlicher wissenschaftlicher Diskurse
Nachdem die Masterstudierenden in der Regel über noch keine eigene wissenschaftliche Forschungserfahrung bzw. -inhalte verfügen, lag der wählbare Schwerpunkt der Literatursuche auf der Bearbeitung von vorgegeben aktuellen technischen oder gesellschaftspolitischen Forschungsthemen.
The Twistbeam axle suspension is a cheap and robust layout for rear axles at front wheel driven midsize cars. Appropriate models have to take the elastic deformation of the torsion beam into account. A Finite Element approach requires detailed informations of the material properties and the shape which are usually only available in the final production stage. This paper presents a lumped mass model which can easily be integrated into a multibody vehicle model and can be used in the early stage of development. An approximation by the design kinematics further reduces the complexity of the model and considers only the kinematic properties of the Twistbeam suspension. Simulations using a nonlinear and three-dimensional vehicle model with different maneuvers, such as steady-state cornering, step steer input, and driving straight ahead on random road, demonstrate the performance and, in particular, the difference of the presented Twistbeam suspension models.
Dieser Bericht entstand im Rahmen der Lehrveranstaltung „Forschungsmethoden und Seminar (FMS)“ im Wintersemester 2021/22 auf Initiative der Studierenden des Masterstudiengangs „Elektro- und Informationstechnik (MEI)“.
Diese Lehrveranstaltung hat das Ziel, systematisch an das wissenschaftliche Arbeiten, speziell die Wissenschaftskommunikation, heranzuführen. Daher war geeignete Literatur zu einem individuellen Thema zu recherchieren, Veröffentlichungen auf ihre Relevanz hin zu beurteilen und letztendlich eine eigene Ausarbeitung basierend auf der Literaturrecherche zu erarbeiten und diese in einem Vortrag zu präsentieren. Parallel dazu erfolgte im Theorieteil die entsprechende Hinführung zu den verschiedenen Elementen der Wissenschaftskommunikation:
• Bedeutung der Wissenschaftskommunikation für die Arbeit der Ingenieure in Forschung und Entwicklung
• Literaturrecherche, Suchmaschinen, Sichtung und Analyse vorhandener Publikationen, Bewertung der Qualität aufgefundener Fachliteratur, Auswahl geeigneter Materialien für die eigene Arbeit
• Aufbereitung und Darstellung der recherchierten technischer Inhalte in Form einer seitenanzahlbegrenzten wissenschaftlichen Ausarbeitung
• Einhalten formaler Randbedingungen bzgl. Strukturierung, einschl. Bildnachweise und Zitationsstile
• Peer-review-Prozess bei wertschätzender Beurteilung der Leistung anderer
• Publikumsangepasstes Aufbereiten komplexer fachlicher Inhalte mit hochschulöffentlicher Präsentation der Ergebnisse
• Führen mündlicher wissenschaftlicher Diskurse
Nachdem die Masterstudierenden in der Regel über noch keine eigene wissenschaftliche Forschungserfahrung bzw. -inhalte verfügen, lag der wählbare Schwerpunkt der Literatursuche auf der Bearbeitung von vorgegeben aktuellen technischen oder gesellschaftspolitischen Forschungsthemen.
The TMeasy is a tyre model suitable for vehicle handling analyses and enables easy parametrisation. Recently, a convenient interface to Modelica was implemented by DLR to support the TMeasy also for vehicle modelling in multi-physical domains. This paper focuses especially on the particular problem of reliable reproduction of the tyre’s bore torque which occurs during parking manoeuvres. It outlines the theory behind it, discusses the Modelica interface implementation, and presents the results of parameter identification which were achieved based on real experiments with DLR’s research platform ROboMObil.
Virtual testing procedures have become a standard in vehicle dynamics. The increasing complexity of driver assistance sys-
tems demand for more and more virtual tests, which are supposed to produce reliable results even in the limit range. As a consequence,
simplified vehicle models, like the classical bicycle model or 4-wheel vehicle models, have to be replaced by a fully three-dimensional
and nonlinear vehicle model, which also encompasses the details of the suspension systems. This paper presents a passenger car model,
where the chassis, the four knuckles, and the four wheels are described by rigid bodies, the suspension system is modeled by the generic
design kinematics, and the TMeasy tire model provides the tire forces and torques in all driving situations.