Energie und Mobilität
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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.