Elektrotechnik
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In this paper the application of Active Disturbance Rejection Control (ADRC) for discrete-time field-oriented PMSM current control is discussed. ADRC offers an interesting alternative to established current control algorithms due to the considerably simplified control engineering process. After introducing the ADRC approach and the plant model, the possibilities for tuning the controller and the comprised state space observer are examined in detail. In particular, the adequate consideration of the modulator delay in the ADRC’s extended state observer is investigated, leading to a new ADRC current control algorithm. This allows a parameterization for very fast dynamics, so that almost deadbeat behavior is achievable. All investigations are validated by means of practical measurements.
Die Energiewende und der beschleunigte Ausbau von Wärmepumpen, Photovoltaikanlagen und Ladeinfrastruktur verändern die Lastverläufe in den Niederspannungsnetzen grundlegend. Klassische Planungsansätze mit statischen Gleichzeitigkeitsfaktoren und konservativen Worst-Case-Annahmen stoßen zunehmend an Grenzen und können zu überdimensionierten oder verspäteten Netzausbaumaßnahmen führen.
Auf Basis von Mess-, Netzstamm- und Wetterdaten aus dem Projekt „JenErgieReal“ wird in dieser Arbeit eine datengetriebene Methodik zur strukturellen Typisierung und Verhaltensanalyse von Niederspannungsnetzsträngen in Jena entwickelt. Hochaufgelöste Messwerte an Transformatorstationen werden mit Netzstammdaten verknüpft, um Stränge hinsichtlich Topologie, Kundenspektrum und technologischer Ausstattung zu beschreiben und in Strang-typen zu klassifizieren.
Für diese Strangtypen werden standardisierte Last- und Einspeiseprofile zu synthetischen Energieverläufen skaliert und mit gemessenen Verläufen verglichen. Aus den Abweichungen werden Toleranzbänder und Bewertungskennzahlen abgeleitet, die Aussagen zur Datenqualität, zur Plausibilität der Netzdaten und zum typischen Strangverhalten ermöglichen. Szenarioanalysen zeigen, wie unterschiedliche Ausbaupfade von Wärmepumpen, Photovoltaik und Elektromobilität die Netzbelastung beeinflussen.
In der Arbeit wurde erfolgreich ein Konzept einer Hochstrom DC-DC-Wandlertopologie erarbeitet. Um die gewünschten Anforderungen zu erfüllen, wurde für die praktische Umsetzung eine geeignete Induktivität und mehrere Leistungsschalter ermittelt. Aufgrund der eingeschränkten Anzahl von geeigneten Bauelementen ließen sich die Verlustleistungen nicht signifikant verringern. Die Wandlertopologie wurde auf einer Leiterplatte aufgebaut, welche eigenständig entworfen wurde.
Die Ansteuerung der Wandlertopologie erfolgte mit einem eigens programmierten und parametrierten Mikrocontroller. Das entwickelte digitale Regelkonzept ermöglicht eine gezielte Regelung der Ausgangsspannung und des Ausgangsstromes.
Aufgrund der auftretenden Stromrippel musste für die Synchron-Wandler ein analoger Rückstrom-Schutz entworfen werden.
Anhand der resultierenden Verluste und der Temperaturanstiege bedarf es individueller Kühlkonzepte für die Induktivität und der Leistungsschalter. Der Entwurf dieser war nicht Bestandteil der Arbeit und muss in einem Folgeprojekt betrachtet werden.
Das Ziel der Konzeption einer regelbaren Hochstrom-DC/DC-Wandlertopologie wurde erfüllt. Der Aufbau der Wandlertopologie konnte aufgrund des nicht ausgearbeiteten Kühlkonzepts jedoch noch nicht getestet werden.
Im Zuge der angestrebten Netzmodernisierung spielt der Aspekt der Effizienz und Betriebssicherheit bestehender Infrastrukturen im ElektroEnergienetz eine bedeutende Rolle. In diesem Zusammenhang wurde unter anderem im Mittelspannungsnetz der Stadt Gera festgestellt, dass eine bestehende 10kVMittelspannungskabeltrasse , die bereits seit mehreren Jahrzehnten in Betrieb ist, zunehmend störanfällig wird. Die Mittelspannungskabel weisen altersbedingte Materialermüdungen, Störungen mit entsprechenden Ausfallzeiten und erhöhte Instandhaltungsaufwände auf, was sowohl aus wirtschaftlicher als auch aus technischer Sicht ein Handeln erforderlich macht.
Das dabei angestrebte Ziel ist, diese störanfälligen Leitungen mittelfristig außer Betrieb zu nehmen und durch eine kostengünstige und zukunftssichere Alternative zu ersetzen. Die Optimierung der dabei bestehenden Netzstruktur soll eine zentrale Rolle spielen.
Die bisherige Aufteilung in sechs Mittelspannungsringe soll auf drei leistungsfähigere Ringe reduziert werden, um eine effizientere Netzführung zu ermöglichen und dabei hinsichtlich der Betriebssicherheit auch redundante Versorgungswege aufzubauen, die im Falle von Wartungsarbeiten oder Störungen die Versorgungssicherheit erhöhen.
Dabei ergibt sich die Möglichkeit, ein technisch veraltetes und wartungsintensives Schalthaus schrittweise außer Betrieb zu nehmen, welches bislang zur Steuerung und Sicherung der sechs Mittelspannungsringe genutzt wurde. Dessen technische Ausstattung entspricht nicht mehr dem heutigen Stand der Technik und verursacht zunehmende Wartungs und Betriebskosten.
Durch die geplante Netzoptimierung kann zukunftsperspektivisch das Schalthaus außer Betrieb genommen werden, die Netzsicherheit gesteigert und die Betriebskosten gesenkt werden.
Diese Arbeit leistet somit einen wesentlichen Beitrag zur wirtschaftlichen Optimierung, zur Störprävention und zu einer nachhaltigen Optimierung des regionalen Stromverteilnetzes.
Die Diplomarbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung von Konzepten zur ressourcenschonenden Nutzung von Primärenergie sowie der Aufzeigung von Möglichkeiten derer praktischen Umsetzung in Bürogebäuden. Dabei werden die Themenbereiche der Gebäudeheizung, Wärmerückgewinnung, Wärmespeicherung und Bereitstellung elektrischer Energie betrachtet.
Hierzu wird ein auf theoretischen Grundlagen basierender Vergleich verbreiteter Heizsysteme durchgeführt. Hierbei findet eine Analyse unter ökologischen und ökonomischen Gesichtspunkten statt, wobei auch die Umsetzbarkeit unter realen Bedingungen beachtet wird. Nachfolgend werden Konzepte der Wärmerückgewinnung aus der Abwärme eines Serverraums vorgestellt und auf ihre Umsetzbarkeit untersucht.
Zur möglichst kostengünstigen Versorgung mit elektrischer Energie werden verschiedene elektrische Energietarife miteinander verglichen. Dabei wird auch deren Zusammenwirken mit einer bereits vorhandenen PV-Anlage geprüft. Bei der Analyse der Daten der PV-Anlage zeigte sich eine übermäßige Netzeinspeisung während den Wochenenden. Um einen höheren Eigenverbrauch zu erreichen, bietet sich die Umwandlung elektrischer Energie in Wärme und deren Speicherung zur späteren Verwendung zur Gebäudeheizung an. Hierzu wird die Möglichkeit der Aufheizung eines Pufferspeichers mit einer Luftwärmepumpe betrachtet. In diesem Zusammenhang werden die Vor- und Nachteile der thermischen Speicherung beleuchtet sowie der energetische und monetäre Nutzen herausgestellt.
Bei BMW Motorrad werden in den verschiedenen Fahrzeugerprobungen eine Vielzahl von Messdaten gesammelt. Im Rahmen der Diplomarbeit sollen Prozesse und Tools entwickelt werden um diese großen Datenmengen verarbeiten zu können und damit nutzbar zu machen.
Es handelt sich im speziellen um Daten die über Fahrzeugdiagnose, sogenannte CheckIn's und CheckOut's, oder über verbaute Datenlogger aufgezeichnet werden. Die Datenlogger zeichnen die komplette Kommunikation auf dem im Motorrad verbauten Bussystemen auf. Im Weiteren werden interne Messgrößen mittels CCP (Can Calibraiton Protocol), XCP (Universal Measurement and Calibration Protocol) und DLT-Traces (Diagnostic Log and Trace) von verschiedenen Steuergeräten aufgezeichnet. Diese "Big Data" werden auf verschiedenen Servern und Laufwerken gespeichert.
In der BMW Group wurden und werden schon verschiedene Ansätze entwickelt, um diese großen Datenmengen verarbeiten und auswerten zu können. Leider kann diese Toolchain nicht 1:1 übernommen werden. Zum einen sind die bei Motorrad verwendeten Datenlogger zum PKW unterschiedlich zum anderen werden die Daten im Vergleich zum PKW auf unterschiedlichen Wegen
zur Verfügung gestellt.
Im Rahmen einer Konzeptarbeit soll erarbeitet werden, inwieweit die PKW-Toolchain von PKW verwendet werden kann. Teilbereiche, die durch die vorhandene Toolkette nicht abgedeckt werden können, müssen durch selbst entwickelte Pythonskripte subsistiert werden. Etwaige Prozesslücken sollen durch das Etablieren von Ersatzprozessen geschlossen werden.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine umfassende, systematische Analyse der energetischen Verluste in leistungselektronischen Antriebssystemen durchgeführt. Ziel war es, die relevanten Ursachen für Energieverluste in den unterschiedlichen Funktionsgruppen zu identifizieren und darauf aufbauend gezielte Optimierungsstrategien für eine Steigerung des Gesamtwirkungsgrades zu entwickeln.
Ein Schwerpunkt lag auf der Analyse der Verlustmechanismen in modernen Leistungs-Halbleitern, insbesondere SiC-MOSFETs. Durch eine mathematische Modellierung des Schaltverhaltens sowie durch experimentelle Betrachtungen wurden die dynamischen und statischen Verlustanteile differenziert betrachtet. Die Tatsache, dass parasitäre Effekte und schaltungsspezifische Besonderheiten einen maßgeblichen Einfluss auf das reale Verhalten ausüben, verdeutlicht die Notwendigkeit praxisnaher Validierung und Messstrategien. Ergänzend zur analytischen Betrachtung wurden verschiedene Methoden zur Bestimmung der Durchlass-, Sperr- und Schaltverluste vorgestellt. Die Ergebnisse belegen, dass die bestmögliche Reduktion von Schaltverlusten nur im Zusammenspiel aus optimierter Bauteilauswahl, angepasster Ansteuerstrategie und geeigneter Gateversorgung realisierbar ist.
Ein weiteres zentrales Thema war die Untersuchung der Versorgungskonzepte für die Treiberschaltungen. Hier wurden verschiedene topologische Ansätze unter Berücksichtigung ihrer Verlustmechanismen und ihrer Eignung für galvanisch getrennte Versorgung analysiert. Es wird betont, dass insbesondere bei Anwendungen mit hohen Schaltfrequenzen und erhöhten Anforderungen an EMV und Leistungsdichte die Wahl des Versorgungskonzepts entscheidend zur Effizienz beiträgt.
Die Auswahl und Auslegung der Zwischenkreiskondensatoren erwies sich als weiterer Schlüsselbereich. Die Gegenüberstellung verschiedener Technologien, MLCC, Folien- und Aluminium-Elektrolytkondensatoren, verdeutlichte, dass die Minimierung der Verlustleistung stets in Abhängigkeit von Kapazitätsbedarf, Bauraum und Kosten zu betrachten ist. Die detaillierte Analyse der frequenzabhängigen Eigenschaften, insbesondere von RESR und LESL, machte deutlich, dass die ideale Bauelementwahl immer ein Kompromiss zwischen Verlustminimierung, thermischem Management und wirtschaftlichen Faktoren ist.
Nicht zuletzt wurde der Einfluss der Anbindung und Leiterbahngestaltung auf das Gesamtsystem untersucht. Es zeigte sich, dass parasitäre Induktivitäten und Widerstände maßgeblich das Verhalten der Energiespeicher und somit die Systemeffizienz beeinflussen.
Insgesamt konnte durch gezielte Schaltungs- und Bauteilmodifikation eine rechnerische Reduktion der Gesamtverlustleistung nachgewiesen werden. Die Validierung dieser theoretischen Ergebnisse durch experimentelle Untersuchungen bildet einen essenziellen Schritt für zukünftige Arbeiten. Weiterführend ist insbesondere die experimentelle Erprobung alternativer Ansteuerverfahren, wie resonante Gate-Treiber oder induktive Mitkopplung, von großem Interesse, um das Potenzial neuer Halbleitertechnologien voll auszuschöpfen.
Angesichts des rasanten Fortschritts in der Halbleiterentwicklung und der steigenden Anforderungen an die Energieeffizienz elektronischer Systeme bleibt die fortwährende Erforschung und Optimierung von Verlustmechanismen ein zentrales Betätigungsfeld der Leistungselektronik. Die vorliegende Arbeit leistet dazu einen grundlegenden Beitrag, indem sie die wichtigsten Einflussgrößen systematisch erfasst und bewertet.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Konzeptionierung einer automatischen Schraubmaschine (ASM) für den Gleisbau. Diese dient zum automatischen Verschrauben und Lösen der Befestigungsmittel zwischen Schienen und Schwellen. Es erfolgt eine rechtliche Einordnung für die Entwicklung, sowie die Definition möglicher Anwendungsfälle für den Betrieb. Geeignete Technologien für den Antrieb und die Bremsen, für die Steuerung, sowie für die Energieversorgung werden vorgestellt und entsprechende Konzepte für die
Umsetzung entwickelt. Abschließend erfolgt eine Bewertung der Modularisierbarkeit der Konzepte, des Bauraums und des Gesamtgewichts.
Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit der strategischen Planung und dem gezielten Ausbau öffentlicher AC-Ladeinfrastruktur in Kärnten. Ziel ist die Entwicklung eines Bewertungssystems, das potenzielle Standorte anhand technischer, wirtschaftlicher und nutzerspezifischer Kriterien objektiv beurteilt. Die Arbeit reagiert auf die bisher fehlende Strategie beim weiteren Ausbau von Wechselstrom-Ladepunkten.
Neben einer umfassenden Analyse der aktuellen Infrastruktur und rechtlichen Rahmenbedingungen wird die Standortauswahl durch GIS-gestützte Analysen unterstützt. Ein Beispielstandort wird technisch geplant, wirtschaftlich bewertet und als Referenzprojekt ausgearbeitet, um die praktische Umsetzbarkeit der entwickelten Strategie zu demonstrieren.
Optimierung eines Schutzkonzeptes für Einspeiseumspannwerke in Hoch- und Höchstspannungsnetzen
(2025)
Ziel dieser Diplomarbeit war die Optimierung des Schutzkonzepts eines 400-kV-Einspeiseumspannwerks. Die Untersuchung konzentrierte sich auf einen spezifischen Fehlerfall, der sich in Form eines einpoligen Erdkurzschlusses innerhalb der Mittelspannungsebene ereignete. Anhand von Störfallmeldungen wurden das Verhalten verschiedener Schutzeinrichtungen analysiert und Optimierungspotenziale identifiziert. Die Analyse zeigte deutliche Schwächen klassischer Schutzfunktionen in Netzen mit stromrichterdominierter Einspeisung. Das Kurzschlussverhalten der Erzeugungseinheiten führte dabei zu einer Überlagerung von Last- und Fehlerströmen, wodurch insbesondere der Distanzschutz in seiner Arbeitsweise negativ beeinflusst wurde.
Zur Verbesserung der Selektivität wurden gezielte Anpassungen an der Parametrierung der Schutzfunktionen vorgenommen. Die Wirksamkeit dieser Maßnahmen konnte durch einstellwert- und systembasierte Schutzprüfungen im Rahmen eines Laboraufbaus bestätigt werden. Aus der durchgeführten Optimierung lässt sich eine Verfahrensweise zur Konzeption von Schutzsystemen ableiten, die eine Vereinfachung des Planungsprozesses ermöglicht.
In der vorliegenden Arbeit wird die Geschwindigkeitsermittlung bei Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor anhand von Videomitschnitten über eine Frequenzanalyse der Tonspur untersucht. Ziel ist es, die Methodik des Verfahrens wissenschaftlich fundiert darzulegen und einen Handlungsleitfaden für die Erstellung von Gutachten auf dieser Basis zu entwickeln. Zu diesem Zweck wurden sowohl Versuche unter laborähnlichen Bedingungen als auch reale Testfahrten unter dem Einfluss typischer Störeinflüsse durchgeführt.
Analysiert wurden sowohl die Verfahrensgrenzen als auch Einflüsse wie Schlupf, der Abrollradius der Reifen und der Dopplereffekt. Die Ergebnisse der Auswertungen zeigen, dass das Verfahren faktenbasierte Erkenntnisse liefert und sich innerhalb beschriebener Rahmenbedingungen in der Praxis anwenden lässt.
Der zunehmende Leistungsbedarf infolge der Elektrifizierung u.a. von Mobilität und Wärmeversorgung verändert die Anforderungen an die Energienetze. Die Übertragungsfähigkeit der Netze ist Aufgabe des Netzbetreibers. Damit verbunden sind Kosten für den Umbau oder den Ausbau des Netzes. Ziel dieser Arbeit ist es, zu beurteilen, ob eine Änderung der Nennspannung von 10 kV auf 20 kV die
Leistungsübertragung im Mittelspannungsnetz kosteneffizient steigern kann. Es wurden zunächst die technischen Herausforderungen einer solchen Spannungsumstellung beleuchtet und die notwendigen Maßnahmen abgeleitet.
Anschließend wurde eine Kostenkalkulation für die Umstellung des bestehenden Netzes durchgeführt. Auf Basis des umgestellten Netzes wurden zwei mögliche Lastszenarien bis 2045 untersucht. Diese beschreiben ein wahrscheinliches und ein
Worst-Case-Szenario für die zu erwartenden Belastungen in Zwickau. Es wurden Netzanpassungen mit einer Abschätzung des technischen und finanziellen Aufwandes durchgeführt. Das Ergebnis der Arbeit ist ein Ausbauplan des Netzes mit der dafür notwendigen Kostenzusammenstellung für die beiden Netzszenarien sowie ein Ablaufplan für die Umstellung des Netzes.
This work investigates the economic feasibility of using a battery energy storage system (BESS) for grid reinforcement in low-voltage (LV) power grids. We study the combined benefit of BESS when, on the one hand, it provides voltage stabilization as a grid service and, on the other hand, participates in the spot market for energy trading. We develop a detailed residential LV network model that accounts for the growing adoption of photovoltaic systems and heat pumps. Economic viability is assessed by calculating the net present value of the BESS over its lifetime. A section of the power grid of Jena, Germany, is used as a case study. The results demonstrate that integrating voltage stabilization and spot market trading enhances the cost-effectiveness of BESS for grid reinforcement with a financial improvement of roughly 57% compared with a single use-case solution.
Both the ability to suppress disturbances and the simplicity of plant modeling within the active disturbance rejection control (ADRC) approach are enabled by its observer and largely dependent on its sufficiently fast tuning. This, however, may require high observer gain values, which increase the controller’s susceptibility to measurement noise. To reduce the noise sensitivity without requiring any change to the controller structure, this article transfers the results of a continuous-time method called half-gain tuning to the discrete-time domain. Applied only to ADRC’s observer, the closed-loop dynamics will remain almost unaffected. Explicit tuning equations for the discrete-time observer gains are derived. A detailed examination performed analytically, in simulation, and in experiment reveals how much of the theoretical noise reduction promised by the continuous-time method can still be achieved in the discrete-time domain. In summary, an observer tuning method is presented that delivers a substantial reduction in noise sensitivity in practically relevant scenarios and can be applied minimally invasively to existing ADRC control loops.
Für das Maschinenbauunternehmen Niles-Simmons ist es entscheidend, wettbewerbsfähig zu sein. Dazu bedarf es einer fortlaufenden Entwicklung von effizienten Maschinen.
Die Energieeinspeisung in jede Maschine von Niles-Simmons wird aktuell durch Drehstrom realisiert. Aktuell gibt es Entwicklungen, diese Energieversorgung mit Gleichstrom zu realisieren, wodurch bestimmte Vorteile erreicht werden können, allerdings auch Herausforderungen entstehen.
Ziel dieser Arbeit ist es eine Gleichstromversorgung für eine NSH-T Maschine zu entwickeln, sowie deren Vor- und Nachteile darzustellen. Eine Teilaufgabe ist die Erstellung eines Stromlaufplanes für die DC-Einspeisung einer N30 MC.
