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Boost converters suffer from a bandwidth limitation caused by the right-half plane zero (RHPZ), which occurs in the control-to-output transfer function. In contrast, there are many applications that require superior dynamic behavior. Further, size and cost of boost converter systems can be minimized by reduced voltage deviations and fast transient responses in case of large signal load transients. The key idea of the proposed ΔV/Δt-intervention control concept is to adapt the controller output to its new steady state value immediately after a load transient by prediction from known parameters. The concept is implemented in a digital control circuit, consisting of an ASIC in a 110 nm-technology and a Xilinx Spartan-6 field programmable gate array (FPGA). In a boost converter with 3.5V input voltage, 6.3V output voltage, 1.2A load, and 500 kHz switching frequency, the output voltage deviations are 2.8x smaller, scaling down the output capacitor value by the same factor. The recovery times are 2.4x shorter in case of large signal load transients with the proposed concept. The control is widely applicable, as it supports constant switching frequencies and allows for duty cycle and inductor current limitations. It also shows various advantages compared to conventional control and to selected adaptive control concepts.
Externe Ladeinfrastruktur kann rechtskonform aus dem Stromnetz einer öffentlichen Liegenschaft versorgt werden. Bisher war die Vorgabe, die Versorgung über einen eigenen (neuen) Netzanschlusspunkt zu realisieren. Die hier vorgestellte Lösung ist ökologisch, wirtschaftlich und technisch deutlich günstiger und dient als Muster für die weitere Erschließung landeseigenen Parkraums in ganz Baden-Württemberg. Ein virtuelles Kraftwerk ermöglicht den gemeinschaftsdienlichen Betrieb.
This article proposes several modified quasi Z-source dc/dc boost converters. These can achieve soft-switching by using a clamp-switch network comprised of an active switch and a diode in parallel with a capacitor connected across one of the inductors of the Z-source network. In this way, ringing at the transistor switching node is mitigated, and the voltage at the turn-on of the transistor is reduced. Even a zero voltage switching (ZVS) of the main transistor is possible if the capacitor in the clamp-switch network is adequately chosen. The proposed circuit structure and operating mode are described and validated through simulations and measurements on a low-power prototype.
This paper introduces a highly scalable heteromodular origami art technique for constructing 3D framework structures using elementary struts and connectors folded from uncut sheets of standard A4 office paper. The presented technique, named ZEBRA, allows the design of meter-scale architectural objects, such as truss bridges and towers, which are capable of bearing substantial mechanical loads. Moving parts, ranging from simple levers to complete multi-bar linkages, can be integrated into static frameworks using a set of kinematic extensions. An overview is given of how the ZEBRA system can be used to teach university students various theoretical and practical aspects of the engineering sciences in an entertaining and hands-on way.
Für das Gelingen der Wärmewende und des von Klimaschutzminister Robert Habeck eingeforderten Wärmepumpenhochlaufs gilt es mannigfaltige Herausforderungen zu lösen. Welche Chancen in diesem Zusammenhang eine Kombination von Wärmepumpe und Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) eröffnet, wird im folgenden Beitrag erörtert.
Wissen schaffen für klimafreundliche Energietechnik : das Erfolgsgeheimnis der Kraft-Wärme-Kopplung
(2017)
Als hocheffiziente Energieerzeugungstechnologie spielt die KWK eine wichtige Rolle bei der Energiewende und dem Klimaschutz. Gerade für den Gebäudebereich und Unternehmen kann die KWK eine wirtschaftliche und umweltschonende Möglichkeit sein, Strom und Wärme zu erzeugen. Für die Planung, Umsetzung und den Betrieb von KWK-Anlagen werden fachkundige Handwerke und Ingenieure gebraucht. Aus diesem Grund hat das Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft in den Jahren 2015 und 2016 zusammen mit dem Handwerkstag Baden-Württemberg ... den Qualifizierungskurs "Kraft-Wärme-Kopplung - Kompetenz für den Wärme- und Energiemarkt von heute und morgen" durchgeführt... Aufgrund des Erfolges der Seminarreihe wird diese auch 2017 ff. fortgesetzt.
Am Beispiel von zwei Unternehmen mit stark unterschiedlichen Strom- und Wärmebedarfswerten zeigt sich, dass aufgrund einer Amortisationszeit im günstigsten Fall von etwa 2 Jahren der Einsatz von Blockheizkraftwerken in jedem Fall wirtschaftlich lohnenswert ist. Dabei wird deutlich, dass die Auslegung des Blockheizkraftwerkes stark von den Strom- und Wärmebedarfswerten abhängt und dass der Pufferspeicher keinesfalls zu klein ausgelegt werden sollte. Das gute wirtschaftliche Ergebnis gilt bereits für den standardmäßig eingesetzten wärmegeführten Betrieb des Blockheizkraftwerkes, wobei eine intelligente stromoptimierte Steuerung mit Lastspitzenmanagement die Wirtschaftlichkeit weiter verbessert. Grundsätzlich ist darauf zu achten, dass Blockheizkraftwerke auf einen längerfristigen Betrieb ausgelegt sind. Bei jährlichen Betriebszeiten von 4.000 Stunden bis 8.000 Stunden ergibt sich ein Betrieb des Blockheizkraftwerkes über 6 bis 12 Jahre.
Der elektrische Wirkungsgrad stellt eines der wichtigsten Bewertungskriterien für BHKW dar, da über diese Größe ausgedrückt wird, wie viel des Wertproduktes „elektrische Energie“ bezogen auf die eingesetzte oder aufzuwendende Brennstoffenergie produziert werden kann. Ein hoher elektrischer Wirkungsgrad ist somit gleichbedeutend mit hohen Erlösen aus dem Verkauf der erzeugten elektrischen Energie und damit eine grundlegende Voraussetzung für einen wirtschaftlichen Betrieb eines BHKWs. Folglich sind die Hersteller von BHKW bestrebt, den elektrischen Wirkungsgrad ihrer Geräte kontinuierlich zu verbessern und nach oben zu treiben. Dieses Bemühen zeigt sich eindrucksvoll an der Entwicklung der mechanischen Effizienz von Gasmotoren der Firma GE Jenbacher. Während mit Motoren der Baureihe 6 im Leistungsbereich 1,8 – 4,4 MWel im Jahr 1988 eine mechanische Effizienz von 34% erreichbar war, liegt dieser Wert mittlerweile bei etwa 47,5%. Diese enorme Steigerung konnte im Wesentlichen durch eine Erhöhung des mittleren effektiven Zylinderarbeitsdrucks von etwa 10 bar im Jahr 1988 auf derzeit 24 bar erzielt werden. Dabei hilft der Magerbetrieb, der gleichzeitig ein Zurückdrängen der NOx-Emissionen bewirkt, die Klopfgrenze zu höheren Drücken hin zu verschieben. Eine sichere Zündung des Gas-Luft-Gemisches wird durch die Vorkammerzündung erreicht.
Willingness-to-pay for alternative fuel vehicle characteristics : a stated choice study for Germany
(2016)
In the light of European energy efficiency and clean air regulations, as well as an ambitious electric mobility goal of the German government, we examine consumer preferences for alternative fuel vehicles (AFVs) based on a Germany-wide discrete choice experiment among 711 potential car buyers. We estimate consumers’ willingness to-pay and compensating variation (CV) for improvements in vehicle attributes, also taking taste differences in the population into account by applying a latent class model with 6 distinct consumer segments. Our results indicate that about 1/3 of the consumers are oriented towards at least one AFV option, with almost half of them being AFV-affine, showing a high probability of choosing AFVs despite their current shortcomings. Our results suggest that German car buyers’ willingness-to-pay for improvements of the various vehicle attributes varies considerably across consumer groups and that the vehicle features have to meet some minimum requirements for considering AFVs. The CV values show that decision-makers in the administration and industry should focus on the most promising consumer group of ‘AFV aficionados’ and their needs. It also shows that some vehicle attribute improvements could increase the demand for AFVs cost-effectively, and that consumers would accept surcharges for some vehicle attributes at a level which could enable their private provision and economic operation (e.g. fast-charging infrastructure). Improvement of other attributes will need governmental subsidies to compensate for insufficient consumer valuation (e.g. battery capacity).
”I have never seen one who loves virtue as much as he loves beauty,” Confucius once said. If beauty is more important as goodness, it becomes clear why people invest so much effort in their first impression. The aesthetic of faces has many aspects and there is a strong correlation to all characteristics of humans, like age and gender. Often, research on aesthetics by social and ethic scientists lacks sufficient labelled data and the support of machine vision tools. In this position paper we propose the Aesthetic-Faces dataset, containing training data which is labelled by Chinese and German annotators. As a combination of three image subsets, the AF-dataset consists of European, Asian and African people. The research communities in machine learning, aesthetics and social ethics can benefit from our dataset and our toolbox. The toolbox provides many functions for machine learning with state-of-the-art CNNs and an Extreme-Gradient-Boosting regressor, but also 3D Morphable Model technolo gies for face shape evaluation and we discuss how to train an aesthetic estimator considering culture and ethics.
Bei der Zerspanung mit geometrisch definierter Schneide (z.B. Drehen, Fräsen, Bohren, Reiben, Sägen, Hobeln, Stoßen, Räumen) werden Zerspanwerkzeuge mit einer definierten Schneidengeometrie verwendet. Die Werte der einzelnen geometrischen Maße basieren auf Richt- und Erfahrungswerten. Die Definition der einzelnen Geometriemerkmale (z.B. Winkel) sind in DIN 6581 enthalten. In den letzten Jahren wurden zur Ermittlung des Prozessverhaltens unterschiedlicher Geometrieparameter Forschungsprojekte durchgeführt, die die Einflüsse der Schneidengestaltung untersuchen (z.B. Zabel 2010). Die Schneidengeometrie wird in der Regel mit den Verfahren Schleifen, Erodieren oder Laserbearbeitung erzeugt. Die Werkzeuge werden auf Universal- oder Spezial(werkzeugschleif)maschinen hergestellt und aufbereitet. Die Ausstattung und der Automatisierungsgrad richtet sich nach den zu bearbeitenden Merkmalen der Werkzeuge und deren Häufigkeit.
Die Additive Fertigung bietet großes Potenzial zur Erschließung neuer, flexibler und innovativer Fertigungsprozesse mit kurzen Durchlaufzeiten. Erhöhte Komplexität und die Integration von Funktionen in Bauteile wird gefördert. Zur Steigerung der Konkurrenzfähigkeit und weiteren Ausweitung des Einsatzgebietes sind automatisierte Fertigungsschritte nach dem Bauprozess erforderlich. Werkzeugmaschinen spielen auch in der Prozesskette der Additiven Fertigung eine zentrale Rolle bei der Erzeugung von genauen Funktionsflächen. Dabei ist evtl. eine andere Auslegung aufgrund reduzierter Zerspanvolumen und geringeren Flächen möglich.
Lehr- und Übungsbuch zur Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung für Aus- und Fortbildung, Studium und Praxis. Das Lehrbuch beschreibt den Aufbau und die Eigenschaften der wichtigsten metallischen und nicht-metallischen Werkstoffe (Stähle, Eisengusswerkstoffe, Nichteisenmetalle und deren Legierungen, Kunststoffe, keramische Werkstoffe und Verbundwerkstoffe) sowie die Wechselwirkungen zwischen Werkstoffeigenschaften und Fertigungsverfahren. Es enthält jeweils ein Kapitel zur Tribologie und zur Werkstoffprüfung sowie die aktuelle europäische und internationale Werkstoffnormung. Für die 5. Auflage wurden Teile des Bildmaterials aktualisiert. Die CD enthält zusätzlich Musterklausuren mit Lösungsvorschlägen sowie das gesamte Bildmaterial des Buches in Dateiform zur Unterrichts- oder Vorlesungsgestaltung. Geeignet zur Verwendung am Whiteboard.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (100) und ein Verfahren zum elektrischen Verbinden und Trennen zweier elektrischer Potentiale (1, 2). Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Verwendung der Vorrichtung (100). Dabei umfasst die Vorrichtung (100): – ein erstes Modul, welches einen ersten und einen zweiten Transistor (10a, 10b) umfasst, wobei der erste Transistor (10a) antiseriell zu dem zweiten Transistor (10b) geschaltet ist; und – ein zweites Modul, welches einen dritten und einen vierten Transistor (10c, 10d) umfasst, wobei der dritte Transistor (10c) antiseriell zu dem vierten Transistor (10d) geschaltet ist; wobei das erste Modul und das zweite Modul parallel geschaltet sind.
Die Bereitstellung von Wärme ist für ungefähr die Hälfte des Endenergieverbruchs in Deutschland verantwortlich und, angesichts eines Anteils erneuerbarer Energien an der Wärmebereitstellung von heute 14%, auch für einen bedeutenden Anteil der Treibhausgasemissionen. Die Bundesregierung strebt an, bis 2050 die Wärmeversorgung klimaneutral zu gestalten, sodass drei Ziele den zukünftigen Wärmemarkt und seine Innovationserfordernisse prägen: Reduktion des Wärmebedarfs, Steigerung des Anteils erneuerbarer Energien, Ausbau der Nah- und Fernwärmenetze. Für attraktive Geschäftsmodelle nicht minder wichtig sind jedoch die Kundenbedürfnisse, die sich auch aufgrund technologischer Entwicklungen stetig wandeln. Dementsprechend eröffnen sich neue Optionen für Geschäftsmodelle im Wärmesektor, z.B. erneuerbare Wärme mit Flatrate oder partizipative Wärme mit Energiesparanreizen.
In diesem Beitrag wird ein kapazitiver Low Power DC-DC Wandler mit 15 konfigurierbaren Übersetzungsverhältnissen, einem hohen Eingangsspannungsbereich von 5 V bis 20 V und einer konstanten Ausgangsspannung von 5 V vorgestellt. Bei einer Ausgangsleistung von 5 mW wird ein maximaler Wirkungsgrad von 81% erreicht. Die Implementierung erfolgt in einem 350 nm Hochvolt-CMOS-Prozess. Während es für niedrige Eingangsspannungen eine Vielzahl an Topologien und Konzepten gibt, wurden vollintegrierte SC-Wandler für höhere Eingangsspannungen (> 8 V) bisher nur wenig untersucht. Höhere Spannungen erfordern den Einsatz von Hochvolttransistoren und eine aufwändigere Ansteuerung. Um über einen weiteren Eingangsspannungsbereicht mit hoher Genauigkeit und hohem Wirkungsgrad zu wandeln, erweist sich die Topologie des rekursiven Switched-Capacitor Wandlers (RSC Wandler) als vorteilhaft. In der vorliegenden 4-Bit Implementierung ist der RSC Wandler aus N = 4 2:1 Serien-Parallel Wandler-Zellen aufgebaut. Durch verschiedene Anordnung der einzelnen Zellen können 2ᴺ -1 = 15 Wandlungsverhältnisse realisiert werden. Mittels Rekursion werden in jedem Wandlungsverhältnis alle Kapazitäten genutzt, wodurch die Stromfähigkeit und der Wirkungsgrad des Wandlers deutlich verbessert werden. Einheitliche 2:1 Wandler-Zellen ermöglichen einen modularen Aufbau des Layouts.
Ein virtuelles Kraftwerk ist ein Verbund von Energieanlagen, koordiniert von einem gemeinsamen Leitsystem, um eine bessere Ausnutzung wetterabhängiger Energiequellen oder die gemeinsame Vermarktung von erzeugtem Strom zu ermöglichen. Der Demonstrator Virtuelles Kraftwerk Neckar-Alb ist eine Demonstrationsplattform für Forschung und Lehre, die Anlagen auf dem Campus der Hochschule Reutlingen und verteilte Anlagen in der Region Neckar-Alb integriert.
In order to evaluate the performance of different stapes prosthesis types, a coupled finite element (FE) model of human ear was developed. First, the middle-ear FE model was developed and validated using the middle-ear transfer function measurements available in literature including pathological cases. Then, the inner-ear FE model was developed and validated using tonotopy, impedance, and level of cochlea amplification curves from literature. Both models are based on pre-existing research with some improvements and were combined into one coupled FE model. The stapes in the coupled FE ear model was replaced with a model of a stapes prosthesis to create a reconstructed ear model that can be used to estimate how different types of protheses perform relative to each other as well as to the natural ear. This will help in designing of new innovative types of stapes prostheses or any other type of middle-ear prostheses as well as to improve the ones that are already available on the market.
The Virtual Power Plant Neckar-Alb is a demonstration platform for operation, optimization and control of distributed energy resources, which are able to produce, store or consume electric energy. A heterogeneous set of distributed energy devices has been installed at the Campus of Reutlingen University by the Reutlingen Energy Centre (REZ) of the School of Engineering. The distributed energy devices have been combined to local microgrids and connected to an operative central power plant with additional participants. The demonstration platform serves students, researchers and industry experts for education and investigation of new technologies, devices and software.
Today the optimization of metal forming processes is done using advanced simulation tools in a virtual process, e.g. FEM-studies. The modification of the free parameters represents the different variants to be analysed. So experienced engineers may derive useful proposals in an acceptable time if good initial proposals are available. As soon as the number of free parameters growths or the total process takes long times and uses different succeeding forming steps it might be quite difficult to find promising initial ideas. In metal forming another problem has to be considered. The optimization using a series of local improvements, often called a gradient approach may find a local optimum, but this could be far away from a satisfactory solution. Therefore non-deterministic approaches, e.g. Bionic Optimization have to be used. These approaches like Evolutionary Optimization or Particle Swarm Optimization are capable to cover a large range of high dimensional optimization spaces and discover many local optima. So the chance to include the global optimum increases when using such non-deterministic methods. Unfortunately these bionic methods require large numbers of studies of different variants of the process to be optimized. The number of studies tends to increase exponentially with the number of free parameters of the forming process. As the time for one single study might be not too small as well, the total time demand will be inacceptable, taking weeks to months even if high performance computing will be used. Therefore the optimization process needs to be accelerated. Among the many ideas to reduce the time and computer power requirement Meta- and Hybrid Optimization seem to produce the most efficient results. Hybrid Optimization often consists of global searches of promising regions within the parameter space. As soon as the studies indicate that there could be a local optimum, a deterministic study tries to identify this local region. If it shows better performance than other optima found until now, it is preserved for a more detailed analysis. If it performs worse than other optima the region is excluded from further search. Meta-Optimization is often understood as the derivation of Response Surfaces of the functions of free parameters. Once there are enough studies performed, the optimization is done using the Response Surfaces as representatives e.g. for the goal and the restrictions of the optimization problem. Having found regions where interesting solutions are to be expected, the studies available up to now are used to define the Response Surfaces. In many cases low degree polynomials are used, defining their coefficients by least square methods. Both proposals Hybrid Optimization and Meta-Optimization, sometimes used in combination often help to reduce the total optimization processes by large numbers of variants to be studied. In consequence they are highly recommended when dealing with time consuming optimization studies.
The purpose of this article is to provide insight of a new simple forecasting method based on a state-estimation algorithm known as the Kalman filter. While the accuracy of such algorithm is not comparable to state-of-the-art forecasting algorithms for PV-power production it does not require any internet connection, eyefish cameras or time intensive training. The algorithm was tested with several months of real high-resolution data with adequate results for the intended applications. The minimization of the necessary spinning reserve on a PV-diesel hybrid system to increase the solar fraction and reduce diesel consumption.
Verification of an active time constant tuning technique for continuous-time delta-sigma modulators
(2022)
In this work we present a technique to compensate the effects of R-C / g m -C time-constant (TC) errors due to process variation in continuous-time delta-sigma modulators. Local TC error compensation factors are shifted around in the modulator loop to positions where they can be implemented efficiently with finely tunable circuit structures, such as current-steering digital-to-analog converters (DAC). We apply our technique to a third-order, single-bit, low-pass continuous-time delta-sigma modulator in cascaded integrator feedback structure, implemented in a 0.35-μm CMOS process. A tuning scheme for the reference currents of the feedback DACs is derived as a function of the individual TC errors and verified by circuit simulations. We confirm the tuning technique experimentally on the fabricated circuit over a TC parameter variation range of ±20%. Stable modulator operation is achieved for all parameter sets. The measured performances satisfy the expectations from our theoretical calculations and circuit-level simulations.
Der Verschleiß von Werkzeugen bei der Zerspanung mit geometrisch definierter Schneide ist wesentliches Kriterium für die Qualität der bearbeiteten Werkstücke, die Zuverlässigkeit der Bearbeitungsprozesse sowie der Wirtschaftlichkeit. Die Wirtschaftlichkeit der Bearbeitung wird vor allem durch die Anzahl der mit einem Werkzeug zuverlässig bearbeitbaren Werkstücke beeinflusst. Die Standzeit / der Standweg der Werkzeuge sowie die einsetzbaren Technologieparameter sind von unterschiedlichen Faktoren abhängig. Dabei sind neben dem Werkzeug und deren Eingriffsbedingungen (z. B. axiale und radiale Zustellung) auch die Einflüsse seitens der Maschine (z. B. Steifigkeit, Eigenfrequenzen, Drehmoment), des Werkstückes (z. B. Werkstoff, Genauigkeiten) und des Bearbeitungsprozesses mit den dabei auftretenden Kräften, Drehmomenten, Drehzahlen und Vorschüben abhängig. Trotz verschiedener Bemühungen der vergangenen beiden Jahrzehnte zur Bearbeitung ohne Kühlschmierstoff oder mit Minimalmengenschmierung werden heute immer noch zahlreiche Bearbeitungsprozesse unter Einsatz von Kühlschmierstoff durchgeführt. Dadurch lassen sich aufgrund der geringeren thermischen Belastung von Werkzeug und Werkstück teilweise deutlich höhere Schnittbedingungen und/oder Standzeiten erzielen.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Optimierung des Betriebs eines in einem Regelkreis für einen Aufwärtswandler vorgesehenen digitalen Reglers (30) zur Verfügung gestellt. Das Verfahren umfasst die folgenden Verfahrensschritte: Auswerten (S1) mindestens einer Ausgangsgröße des digitalen Reglers im Betrieb des Aufwärtswandlers. Schätzen (S2) des instantanen Lastwiderstandswertes (RL) in der Strecke des Regelkreises anhand der mindestens einen ausgewerteten Ausgangsgröße. Einstellen (S3) mindestens eines Reglerkoeffizienten des digitalen Reglers anhand des geschätzten instantanen Lastwiderstandswertes (RL) im Betrieb des Aufwärtswandlers. Erfindungsgemäß bedingt eine Veränderung in der Einstellung des mindestens einen Reglerkoeffizienten eine Veränderung der Transitfrequenz im Regelkreis. Ferner wird ein Regelkreis für einen Aufwärtswandler mit einem digitalen Regler zur Verfügung gestellt, welcher eingerichtet ist, um die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Des Weiteren wird ein Computerprogrammprodukt mit computerausführbarem Programmcode zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verfügung gestellt.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Fehlspannung eines Stromrichters, an den eine Last, insbesondere in Form einer Drehfeldmaschine wie Asynchronmaschine, angeschlossen ist, bestimmt und ggf. kompensiert wird, wobei eine Ausgangsspannung an dem Stromrichter stufen- oder schrittweise erhöht und der sich hierbei als Sprungantwort einstellende Strom gemessen wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Drehfeldmaschine beispielsweise in Form einer Asynchronmaschine, mit einer Leistungselektronik umfassend einen tromrichter sowie einer Kompensationseinrichtung zum Kompensieren der Fehlspannung des Stromrichters, sowie weiterhin ein Verfahren zum Betreiben und/oder Steuern einer solchen Drehfeldmaschine, bei dem die Fehlspannung des Stromrichters bestimmt und kompensiert wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Totzeit in einem Synchronwandler (100), in welchem ein zyklisches Schalten eines Steuerschalters (2) und eines Synchronschalters (3) erfolgen, wobei der Steuerschalter (2) mittels eines ersten Schaltsignals (S1) und der Synchronschalter (3) mittels eines zweiten Schaltsignals (S2) geschaltet werden. Das Verfahren umfasst ein Erfassen und Vorhalten eines Spannungswertes, welcher eine Spannung (VSW) über den Synchronschalter (3) zu einem bestimmten Zeitpunkt beschreibt, und ein Anpassen des ersten und/oder zweiten Schaltsignals (S1, S2) für einen folgenden Zyklus basierend auf dem vorgehaltenen Spannungswert.
The paper illustrates the status quo of a research project for the development of a control system enabling CHP units for a demand-oriented electricity production by an intelligent management of the heat storage tank. Thereby the focus of the project is twofold. One is the compensation of the fluctuating power production by the renewable energies solar and wind. Secondly, a reduction of the load on the power grid is intended by better matching local electricity demand and production.
In detail, the general control strategy is outlined, the method utilized for forecasting heat and electricity demand is illustrated as well as a correlation method for the temperature distribution in the heat storage tank based on a Sigmoid function is proposed. Moreover, the simulation model for verification and optimization of the control system and the two field test sites for implementing and testing the system are introduced.
Despite the unstoppable global drive towards electric mobility, the electrification of sub-Saharan Africa’s ubiquitous informal multi-passenger minibus taxis raises substantial concerns. This is due to a constrained electricity system, both in terms of generation capacity and distribution networks. Without careful planning and mitigation, the additional load of charging hundreds of thousands of electric minibus taxis during peak demand times could prove catastrophic. This paper assesses the impact of charging 202 of these taxis in Johannesburg, South Africa. The potential of using external stationary battery storage and solar PV generation is assessed to reduce both peak grid demand and total energy drawn from the grid. With the addition of stationary battery storage of an equivalent of 60 kWh/taxi and a solar plant of an equivalent of 9.45 kWpk/taxi, the grid load impact is reduced by 66%, from 12 kW/taxi to 4 kW/taxi, and the daily grid energy by 58% from 87 kWh/taxi to 47 kWh/taxi. The country’s dependence on coal to generate electricity, including the solar PV supply, also reduces greenhouse gas emissions by 58%.
The coupling of the heat and power sector is required as supply and demand in the German electricity mix drift further and further apart with a high percentage of renewable energy. Heat pumps in combination with thermal energy storage systems can be a useful way to couple the heat and power sectors. This paper presents a hardware-in the-loop test bench for experimental investigation of optimized control strategies for heat pumps. 24-hour experiments are carried out to test whether the heat pump is able to serve optimized schedules generated by a MATLAB algorithm. The results show that the heat pump is capable of following the generated schedules, and the maximum deviation of the operational time between schedule and experiment is only 3%. Additionally, the system can serve the demand for space heating and DHW at any time.
In kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) werden Energieeffizienz-Potentiale in geringerem Maße ausgeschöpft als in Großunternehmen. Zugleich bilden KMU den überwältigenden Anteil deutscher Unternehmen. Die Steigerung der Energieeffizienz verspricht einen substanziellen Beitrag zur Umweltentlastung. Energiemanagement wird gemeinhin als wesentlicher Treiber von Energieeffizienz Maßnahmen in Deutschland betrachtet. Im Kontext von Unternehmen wird Energiemanagement üblicherweise synonym mit dem Energiemanagement-standard ISO 50001 betrachtet. Problematisch zeigt sich diese Perspektive mit Blick auf KMU, für die eine aufwändige Implementierung eines solchen System in den überwiegenden Fällen nicht infrage kommt. Vor diesem Hintergrund darf sich eine Förderung von Energiemanagement in KMU jedoch nicht entmutigen lassen. Im Rahmen des Projekts wurde ein bedarfsgerechtes und an den Bedürfnissen von KMU orientiertes Konzept von Energiemanagement für KMU entwickelt. Die Ausarbeitung erfolgte in einem sogenannten Reallabor, das gleichsam als Partner-Netzwerk die Ergebnisse des Projekts kooperativ produziert hat. Das Reallabor setzte sich zusammen aus den koordinierenden Partnern aus der Wissenschaft (REZ Hochschule Reutlingen, Institut für Energieeffizienz in der Produktion EEP), sechs KMU aus der Region Reutlingen und einem Sounding-Board bestehend aus vier weiteren Partnern.
Im Rahmen des Reallabors wurden jene Bausteine definiert, die Energiemanagement für KMU ausmachen. Sensibilität und Basiswissen ist für KMU unumgänglich in den Bereichen: 1. Motivation für Energieeffizienz & Klimaneutralität, 2. Organisation-Entscheiden-Verhalten, 3. Energie-Daten Management und 4. Energieeffizienz-Maßnahmen (Querschnitt-Technologien). Den vier festgelegten Bausteinen wurden unterschiedliche Inhalte Schwerpunkte zugeordnet. Die Bausteine und Schwerpunkte wurden jeweils begründet und mit konkreten Lehr-, Lern- und Sensibilisierungszielen benannt. Parallel zur Festlegung der Bausteine und Schwerpunkte von Energiemanagement wurden Lehr-, Lern- und Sensibilisierungs-Materialien ausgearbeitet, bestehend aus Leitfäden und Checklisten. Die Ausarbeitung wurde jeweils mit Themen-Workshops parallel begleitet. Die entwickelten Lehr-, Lern- und Sensibilisierungs-Materialien wurden in und mit den Partnerunternehmen getestet. Alle Materialien stehen mit Abschluss des Projekts für die Verbreitung zur freien Verfügung.
Der zukünftige Beitrag zur Umweltentlastung hängt von der breiten Umsetzung außerhalb des Projektkontexts ab. Die Sensibilisierung und Qualifizierung für Energiemanagement schafft eine nachhaltige Energiesparkultur in KMU. Eine breite Anwendung des entwickelten Konzepts im Rahmen von moderierten Unternehmens-Netzwerken fördert die nachhaltige Befähigung von KMU Energieeffizienz zu planen und umzusetzen.
Universelle OTA-Testbench
(2014)
Es wird eine universell einsetzbare Testbench zur Simulation von integrierten Schaltungen innerhalb der OTA-Schaltungsklasse (Operational Transconductance Amplifier; Transkonduktanzverstärker) vorgestellt. Transkonduktanzverstärker sind in der analogen Schaltungstechnik weit verbreitet und daher von großer Bedeutung. Sie treten sowohl als eigenständige Schaltungen innerhalb eines Chips, sowie als Bestandteil anderer Schaltungen (z.B. als erste und zweite Stufe von Operationsverstärkern) auf. Es kann davon ausgegangen werden, dass heute kaum ein analoger oder Mixed-Signal-Chip gefertigt wird, in dem keine Transkonduktanzverstärker verbaut sind. Die Entscheidungsfindung des Entwicklers bei der Auslegung eines OTAs beruht maßgeblich auf einer anwendungsspezifischen Simulation. Die Erstellung einer eigenen Testbench für jede Anwendung bedeutet allerdings einen hohen Zeitaufwand und erschwert den Vergleich der Simulationsergebnisse unterschiedlicher Schaltungsvarianten. Durch eine universelle Testbench kann zum einen der Zeitaufwand verringert werden, zum anderen können nun Simulationsergebnisse direkt miteinander verglichen werden. Hierdurch wird die Entscheidungsfindung des Entwicklers objektiviert und beschleunigt. Neben dem Vergleich unterschiedlicher Schaltungen innerhalb einer Technologie ist auch der Vergleich einer Schaltung in unterschiedlichen Technologien denkbar. Die Idee einer universell anwendbaren Testbench lässt sich auch auf andere analoge Schaltungsklassen anwenden und damit als Prinzip verallgemeinern.
Die Alterungsbeständigkeit von geschirmten Kabeln und Kontaktpaaren gewinnt angesichts des zunehmenden Einsatzes elektronischer softwarebasierter Steuerungen in Transportmitteln an Relevanz. Elektro- und Hybridantriebe sowie die Implementierung von Fahrassistenzsystemen bis hin zu autonom fahrenden Fahrzeugen führen zu komplexen Kabelbäumen mit einer großen Zahl von geschirmten Kabeln und Steckverbindern.
Um die Stabilität von Kontaktsystemen hinsichtlich ihrer Stabilität zu prüfen, werden Hochspannungskabel unterschiedlicher Hersteller und Dimensionierung für den Einsatz in Hybridfahrzeugen untersucht. Diese wurden mit Modellsteckern versehen, die die Schimung kontaktierten und hinreichend gewährleisteten.
Impedanz und Schirmwirkungsdämpfung wurden an thermisch belasteten Kabeln und Kontaktpaaren vergleichend zu Neuteilen untersucht. Der Einfluss der in Anlehnung an die LV 214 induzierten thermischen Alterung auf das frequenzabhängige Übertragungsprofil sowie den Gesamtstreuverlust wurde messtechnisch ermittelt. Zusätzlich wurden die Alterungseffekte an den Leitungsmaterialien mittels moderner bildgebender Analytik dokumentiert.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Transmission Line Pulssystem zum Erzeugen eines elektrischen Pulses, sowie ein diesbezügliches Verfahren. Dabei umfasst das Transmission Line Pulssystem: eine Transmission Line, eine Energieversorgungsquelle zum Aufladen der Transmission Line und einen Entladungsschalter zum Auslösen einer Entladung der aufgeladenen Transmission Line, dadurch gekennzeichnet, dass die Transmission Line eine Vielzahl von Einzelsegmenten umfasst, wobei jedes Einzelsegment über ein zugehöriges Einstellglied mit einem gemeinsamen Massepotential elektrisch verbunden ist, und wobei zumindest eines der Einstellglieder einen Einstellkondensator und einen Einstellschalter aufweist.
The experimental characterization of the thermal impedance Zth of large power MOSFETs is commonly done by measuring the junction temperature Tj in the cooling phase after the device has been heated, preferably to a high junction temperature for increased accuracy. However, turning off a large heating current (as required by modern MOSFETs with low on-state resistances) takes some time because of parasitic inductances in the measurement system. Thus, most setups do not allow the characterization of the junction temperature in the time range below several tens of μs.
In this paper, an optimized measurement setup is presented which allows accurate Tj characterization already 3 μs after turn-off of heating. With this, it becomes possible to experimentally investigate the influence of thermal capacitances close to the active region of the device. Measurement results will be presented for advanced power MOSFETs with very large heating currents up to 220 A. Three bonding variants are investigated and the observed differences will be explained.
This paper aims at presenting a solution that enables end customers of the energy system to participate in new local micro-energy-markets by providing them with a distributed, decentralized, transparent and secure Peer to Peer (P2P) payment system, which functions automatically applying new concepts of Machine to Machine (M2M) communication technologies. This work was performed within the German project VK_2G, funded by the DBU. The key results were: Providing means to perform microtransactions in a P2P fashion between end consumers and prosumers in local communities at low cost in a transparent and secure manner; Developing a platform with pre-defined smart contracts able to be tailored to different end customers ‘needs in an easy way and; Integrating both the market platform as well as the local control of generation and loads. This solution has been developed, integrated and tested in a laboratory prototype. This paper discusses this solution and presents the results of the first test.
The aim of this work is the development of artificial intelligence (AI) application to support the recruiting process that elevates the domain of human resource management by advancing its capabilities and effectiveness. This affects recruiting processes and includes solutions for active sourcing, i.e. active recruitment, pre-sorting, evaluating structured video interviews and discovering internal training potential. This work highlights four novel approaches to ethical machine learning. The first is precise machine learning for ethically relevant properties in image recognition, which focuses on accurately detecting and analysing these properties. The second is the detection of bias in training data, allowing for the identification and removal of distortions that could skew results. The third is minimising bias, which involves actively working to reduce bias in machine learning models. Finally, an unsupervised architecture is introduced that can learn fair results even without ground truth data. Together, these approaches represent important steps forward in creating ethical and unbiased machine learning systems.
In this work, a comparison between different brushless harmonic-excited wound-rotor synchronous machines is performed. The general idea of all topologies is the elimination of the slip rings and auxiliary windings by using the already existing stator and rotor winding for field excitation. This is achieved by injecting a harmonic airgap field with the help of power electronics. This harmonic field does not interact with the fundamental field, it just transfers the excitation power across the airgap. Alternative methods with varying number of phases, different pole-pair combinations, and winding layouts are covered and compared with a detailed Finite-Element-parameterized model. Parasitic effects due to saturation and coupling between the harmonic and main windings are considered.
The increase in distributed energy generation, such as photovoltaic systems (PV) or combined heat and power plants (CHP), poses new challenges to almost every distribution network operator (DNO). In the low-voltage (LV) grids, where installed PV capacity approaches the magnitude of household load, reverse power flow occurs at the secondary substa-tions. High PV penetration leads to voltage rise, flicker and loading problems. These problems have been addressed by the application of various techniques amongst which is the deployment of step voltage regulators (SVR). SVR can solve the voltage problem, but do not prevent or reduce reverse power flows. Therefore, the application of SVR in low voltage grids can result in significant power losses upstream. In this paper we present part of a research project investi-gating the application of remote-controlled cable cabinets (CC) with metering units in a low-voltage network as a possible alternative for SVR. A new generation of custom-made remote-control cable cabinets has been deployed and dynamic network reconfigurations (NR) have been realized with the following objectives: (i) reduction of reverse power flow through the secondary substation to the upstream network and therefore a reduction of upstream losses, (ii) reduction of the voltage rise caused by distributed energy resources and (iii) load balancing in the low-voltage grid. Secondary objec-tives are to improve the DNO's insight into the state of the network and to provide further information on future smart grid integration.
Instead of waiting for and constantly adapting to details of political interventions, utilities need to focus on their environment from a holistic perspective. The unique position of the company - be it a local utility, a bigger player, or an international utility specializing in specitic segments - has to be the basis of goals and strategies. But without consistent translation of these goals and strategies into processes, structures, and company culture, a strategy remains pure theory. Companies need to engage in a continuing learning process. This means being willing to pass on strategies, to slow down or speed up, to work from a different angle etc.
In the course of a more intensive energy generation from regenerative sources, an increased number of energy storages is required. In addition to the widespread means of storing electric energy, storing energy thermally can contribute significantly. However, limited research exists on the behaviour of thermal energy storages (TES) in practical operation. While the physical processes are well known, it is nevertheless often not possible to adequately evaluate its performance with respect to the quality of thermal stratification inside the tank, which is crucial for the thermodynamic effectiveness of the TES. The behaviour of a TES is experimentally investigated in cyclic charging and discharging operation in interaction with a cogeneration (CHP) unit at a test rig in the lab. From the measurements the quality of thermal stratification is evaluated under varying conditions using different metrics such as normalised stratification factor, modified MIX number, exergy number and exergy efficiency, which extends the state of art for CHP applications. The results show that the positioning of the temperature sensors for turning the CHP unit on and off has a significant influence on both the effective capacity of a TES and the quality of thermal stratification inside the tank. It is also revealed that the positioning of at least one of these sensors outside the storage tank, i.e. in the return line to the CHP unit, prevents deterioration of thermal stratification, thereby enhancing thermodynamic effectiveness. Furthermore, the effects of thermal load and thermal load profile on effective capacity and thermal stratification are discussed, even though these are much smaller compared to the effect of positioning the temperature sensors.
In der Mikroelektronik werden Chips häufig in Mold-Gehäusen verpackt. Die elektrischen Verbindungen vom Chip zu den Anschlussbeinchen des Gehäuses werden mit Bonddrähten realisiert. Für die Berechnung der Gleichgewichtstemperatur in einem Bonddraht bei konstantem Strom sowie von Temperaturverläufen bei transienten Strömen ist die herkömmliche FEM-Methode langsam und unhandlich. Daher wurde der Bondrechner entwickelt, der ein zylindersymmetrisches Ersatz-Modell für das Package in geeigneten mathematischen Gleichungen abbildet.
Im Gegensatz zum Bondrechner der ersten Generation [1], der auf den Gleichungen von [2] basiert, bietet ein neuer mathematischer Ansatz die Möglichkeit, eine endliche effektive Package-Größe, sowie einen endlichen Wärmeübergang zwischen Bonddraht und Mold-Masse zu berücksichtigen. Ebenso wurde die Berechnung der Interaktion von mehreren benachbarten Drähten verfeinert. Die Berechnung von beliebigen transienten Pulsformen mittlerer Länge wurde ebenfalls verbessert. Eine quadratische Komponente in der Temperaturabhängigkeit des spezifischen Widerstandes des Drahtmaterials kann jetzt ebenfalls berücksichtigt werden.
Die Ergebnisse wurden erfolgreich mit FEM-Berechnungen verglichen und die Geschwindigkeit der Berechnung ist um Größenordnungen schneller als mit kommerziellen FEM-Programmen.
This paper investigates the electrothermal stability and the predominant defect mechanism of a Schottky gate AlGaN/GaN HEMT. Calibrated 3-D electrothermal simulations are performed using a simple semiempirical dc model, which is verified against high-temperature measurements up to 440°C. To determine the thermal limits of the safe operating area, measurements up to destruction are conducted at different operating points. The predominant failure mechanism is identified to be hot-spot formation and subsequent thermal runaway, induced by large drain–gate leakage currents that occur at high temperatures. The simulation results and the high temperature measurements confirm the observed failure patterns.
Induced by a societal decision to phase out conventional energy production - the so-called Energiewende (energy transition) - the rise of distributed generation acts as a game changer within the German energy market. The share of electricity produced from renewable resources increased to 31,6% in 2015 (UBA, 2016) with a targeted share of renewable resources in the electricity mix of 55%-60% in 2035 (RAP, 2015), opening perspectives for new products and services. Moreover, the rapidly increasing degree of digitization enables innovative and disruptive business models in niches at the grid's edge that might be the winners of the future. It also stimulates the market entry of newcomers and competitors from other sectors, such as IT or telecommunication, challenging the incumbent utilities. For example, virtual and decentral market places for energy are emerging; a trend that is likely to speed up considerably by blockchain technology, if the regulatory environment is adjusted accordingly. Consequently, the energy business is turned upside down, with customers now being at the wheel. For instance, more than one-third of the renewable production capacities are owned by private persons (Trendsearch, 2013). Therefore, the objective of this chapter is to examine private energy consumer and prosumer segments and their needs to derive business models for the various decentralized energy technologies and services. Subsequently, success factors for dealing with the changing market environment and consequences of the potentially disruptive developments for the market structure are evaluated.
Electromigration (EM) is becoming a progressively severe reliability challenge due to increased interconnect current densities. A shift from traditional (post-layout) EM verification to robust (pro-active) EM aware design - where the circuit layout is designed with individual EM-robust solutions - is urgently needed. This tutorial will give an overview of EM and its effects on the reliability of present and future integrated circuits (ICs). We introduce the physical EM process and present its specific characteristics that can be affected during physical design. Examples of EM countermeasures which are applied in today’s commercial design flows are presented. We show how to improve the EM-robustness of metallization patterns and we also consider mission proiles to obtain application-oriented current density limits. The increasing interaction of EM with thermal migration is investigated as well. We conclude with a discussion of application examples to shift from the current post layout EM verification towards an EM aware physical design process. Its methodologies, such as EM-aware routing, increase the EM-robustness of the layout with the overall goal of reducing the negative impact of EM on the circuit’s reliability.
Purpose
Injury or inflammation of the middle ear often results in the persistent tympanic membrane (TM) perforations, leading to conductive hearing loss (HL). However, in some cases the magnitude of HL exceeds that attributable by the TM perforation alone. The aim of the study is to better understand the effects of location and size of TM perforations on the sound transmission properties of the middle ear.
Methods
The middle ear transfer functions (METF) of six human temporal bones (TB) were compared before and after perforating the TM at different locations (anterior or posterior lower quadrant) and to different degrees (1 mm, ¼ of the TM, ½ of the TM, and full ablation). The sound-induced velocity of the stapes footplate was measured using single-point laser-Doppler-vibrometry (LDV). The METF were correlated with a Finite Element (FE) model of the middle ear, in which similar alterations were simulated.
Results
The measured and calculated METF showed frequency and perforation size dependent losses at all perforation locations. Starting at low frequencies, the loss expanded to higher frequencies with increased perforation size. In direct comparison, posterior TM perforations affected the transmission properties to a larger degree than anterior perforations. The asymmetry of the TM causes the malleus-incus complex to rotate and results in larger deflections in the posterior TM quadrants than in the anterior TM quadrants. Simulations in the FE model with a sealed cavity show that small perforations lead to a decrease in TM rigidity and thus to an increase in oscillation amplitude of the TM mainly above 1 kHz.
Conclusion
Size and location of TM perforations have a characteristic influence on the METF. The correlation of the experimental LDV measurements with an FE model contributes to a better understanding of the pathologic mechanisms of middle-ear diseases. If small perforations with significant HL are observed in daily clinical practice, additional middle ear pathologies should be considered. Further investigations on the loss of TM pretension due to perforations may be informative.
Electronic design automation approaches can roughly be divided into optimizers and procedures. While the former have enabled highly automated synthesis flows for digital integrated circuits, the latter play a vital (but mostly underestimated role) in the analog domain. This paper describes both automation strategies in comparison, identifying two fundamentally different automation paradigms that reflect the two basic design practices known as “top-down” and “bottom-up”. Then, with a focus on the latter, the history of procedural approaches is traced from their
early beginnings until today’s evolvements and future prospects to underline their practical importance and to accentuate their scientific value, both in itself and in the overall context of EDA.