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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.
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.
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.
Einpaarige Verkabelungssysteme gewinnen aufgrund des Internets der Dinge und aufgrund deren Einsatz im Automobil- bzw. Industriebereich zunehmend an Bedeutung. Im Rahmen dieser Arbeit wird gezeigt, wie bei der Übertragung über ein einpaariges Kabel die Bitrate bei gleichbleibender Übertragungsbandbreite durch Nutzung des Phantomkreises erhöht werden kann. Als Übertragungsverfahren kommt jeweils eine 16-stufige Pulsamplitudenmodulation zum Einsatz. Die Ergebnisse werden durch Augendiagramme qualitativ und durch die Messung der Symbolfehler bzw. der Bitfehler quantitativ untersucht.
Offshore-Windenergie wird global zunehmend intensiver ausgebaut. Auch die deutsche Bundesregierung hat die Ausbauziele auf 30 GW installierte Leistung bis 2030 erhöht, von derzeit ca. 8 GW. Wie kann die deutsche Offshore-Windenergiebranche dies erreichen und was bedeutet das für ihre Zulieferer und Dienstleister? Vier Szenarien beschreiben mögliche Zukünfte. Technischer Fortschritt entlang der gesamten Wertschöpfungskette, Lieferkettensicherheit, Regulatorik sowie Fachkräfteverfügbarkeit sind die kritischen Erfolgsfaktoren.
Mit der Überarbeitung der DIN EN 50173 (VDE 0800-173) Serie, wurden unter anderem die optischen Übertragungsstreckenklassen ersatzlos gestrichen. Um die so entstandene Lücke zu schließen, hat das deutsche Gremium DKE GUK 715.3 „Informationstechnische Verkabelung von Gebäudekomplexen“ neue Klassen erarbeitet, die in der DIN VDE 0800- 173-100 „Klassifizierung von Lichtwellenleiter-Übertragungsstrecken“ im Juni 2019 veröffentlicht wurden. Die Norm klassifiziert Lichtwellenleiter Übertragungsstrecken für anwendungsneutrale Kommunikationskabelanlagen nach DIN EN 50173-1.
Sie dient Benutzern, eine breite Palette von Anwendungen zu ermöglichen, die Auswahl des Verkabelungssystems zu erleichtern, eine zukunftssichere Klassifizierung von LWL-Verkabelungen zu generieren und dazu, Systemanforderungen zu beschreiben.
Die in der Norm definierten Klassen beschreiben die Anforderungen an die Übertragungsstrecken und basieren auf einer maximal zulässigen Einfügedämpfung in dB für maximale Übertragungsstreckenlängen, wobei zusätzlich das Bandbreitenlängenprodukt berücksichtigt wird.
Der Beitrag liefert einen Überblick über die Norm und zeigt Anwendungsbeispiele auf.
This paper presents a machine learning powered, procedural sizing methodology based on pre-computed look-up tables containing operating point characteristics of primitive devices. Several Neural Networks are trained for 90nm and 45nm technologies, mapping different electrical parameters to the corresponding dimensions of a primitive device. This transforms the geometric sizing problem into the domain of circuit design experts, where the desired electrical characteristics are now inputs to the model. Analog building blocks or entire circuits are expressed as a sequence of model evaluations, capturing the sizing strategy and intention of the designer in a procedure, which is reusable across different technology nodes. The methodology is employed for the sizing of two operational amplifiers, and evaluated for two technology nodes, showing the versatility and efficiency of this approach.
Eine Organisation hin zur Klimaneutralität zu transformieren, ist nicht nur Neuland für praktisch jeden, der loslegt: Es geht los mit dem „Wollen“, also dem Ziel, dann wird der Weg skizziert, und schließlich muss es auch noch jemand umsetzen. Aus ihren Projekten der Begleitung von Organisationen auf dem Weg zur Klimaneutralität erscheint den Autoren folgende Erfahrung des Geschäftsführers Philipp Tiefenbach der Dorfbäckerei Tiefenbach, St. Johann-Würtingen, besonders treffend: „Machen ist wie Wollen, nur krasser.“ Für eine Kommune gerät dieser Prozess zu einem „wicked problem“. Sechs Lösungswege für Kommunen erscheinen attraktiv.
Der flächendeckende Einsatz digitaler Zähler wird eine bislang ungekannte Menge an Kundendaten mit sich bringen. Wie können die deutschen Energieversorger hieraus ein besseres Kundenverständnis entwickeln? Die systematische Datenauslese unter Zuhilfenahme modellgestützter Zukunftsprognosen - sog. Predictive Analytics - scheint hier ein vielversprechendes Instrument zu sein. Aufbauend auf einer mit Unterstützung des Verbandes kommunaler Unternehmen durchgeführten Untersuchung lassen sich vier Handlungsempfehlungen ableiten, wie man die Digitalisierung im Vertrieb nutzen kann. Demnach sind die Festlegung von klaren Zielen und Strategien, die systematische Erschließung von Datenquellen, der Aufbau von Inhouse-Kompetenz sowie ein "Joint effort" von Marketing, Vertrieb und IT zu forcieren.
Wenn es um innovative energiewirtschaftliche Produkte und Dienstleistungen geht, steht das eigene Energieversorungsunternehmen (EVU) hoch im Kurs. Die Ergebnisse einer Umfrage mit über 7.000 ausgewerteten Fragebögen zeigen auch: für Eigen- und Communitystrom, Smart Home, E-Mobilität und Bündelangebote gibt es spezifische Zielgruppen. Mehr Kunden interessieren sich für zeitvariable Tarife als für Flatrates. Am liebsten kontaktiert man sein EVU über das Kundencenter oder das Online-Kundenportal. Zielgruppenspezifische und (regional) differenzierte Marktstrategien zahlen sich aus, wozu Produktentwicklung und Vertrieb weiter professionalisiert werden müssen.
This paper presents an improvement in usability and integrity of simulation-based analog circuit sizing. Instead of using geometrical sizing parameters (width, length), a transformed design-space, consisting exclusively of electrical parameters (branch currents, efficiencies and speed) is utilized. This design-space is explored more efficiently by optimizers. Moreover, this design-space can be reduced without affecting the quality of the result. The method is illustrated on two application examples, a symmetrical and a miller operational amplifier. Sizing the circuits using the transformed design-space showed significant reduction in required circuit simulations (up to 11x faster), better convergence, without loss in quality.
The current paper proposes a design method for an active damping approach for LC output filters in a power stage for motor control with continuous output voltage. The power stage uses GaN-HEMTs and operates at switching frequencies in a range between 500 kHz and 1MHz. The active damping of the output filter is achieved here by a feedback of the filter inductor current using a high-pass structure. The paper discusses the impact of this feedback on the system behavior and proposes a design method.
Durch den Anstieg volatiler Stromerzeugung aus Wind und Sonne benötigt die deutsche Energiewirtschaft in zunehmendem Ausmaß flexibel verfügbare Leistung und Arbeit. Diese Flexibiliät können bspw. Batteriespeicher bereitstellen. In welchem Ausmaß jene diese Rolle übernehmen können und somit der Markt wachsen wird, hängt von der Professionalität der Marktakteure und den Umfeldparametern ab. Wenn diese stimmen, steigen Akteure in die Entwicklung von Geschäftsmodellen ein. Gleichzeitig streben sie an, die Weiterentwicklung dieser Umfeldparameter im eigenen Interesse zu beeinflussen, womit ein weiteres Marktpotenzial entsteht.Im Folgenden werden erkennbare Geschäftsmodelle aufgezeigt und in den Kontext der Ergebnisse aktueller Potenzialanalysen gestellt. Dabei entwickeln sich die zwei Teilmärkte für Batteriespeicher - Heimspeicher und Großspeicher - unter unterschiedlichen Rahmenbedingungen.
Die aktuellen Umbrüche in der Energiewirtschaft, hauptsächlich ausgelöst durch die zunehmende Dezentralisierung der Stromerzeugung, stellen die Energieversorgungsunternehmen (EVU) vor große Herausforderungen. Gleichzeitig steigt die Wettbewerbsintensität durch den digitalisierungsbedingten Einstieg branchenfremder Unternehmen stark an. Die technologischen, gesellschaftlichen, politischen und wirtschaftlichen Trends und Entwicklungen deuten darüber hinaus darauf hin, dass sich Tempo und Ausmaß dieses Umbruchs in Zukunft noch verstärken werden. EVU sehen sich demnach wachsenden Anforderungen hinsichtlich Energieeffizienz, Integration von erneuerbaren Energien und Kundenbedürfnissen gegenüber, die teilweise disruptive Anpassungen in Strategie und Geschäftsmodellen erforderlich machen. Die zu beantwortende Frage hierbei ist: Wie können innovative Geschäftsmodelle entwickelt und umgesetzt werden?
Was kann ein produzierender Mittelständler tun, damit die Möglichkeiten für einen effizienteren Umgang mit Energie in seinem Betrieb auch ausgeschöpft werden? Die Ergebnisse eines zweijährigen Forschungsprojektes in Baden-Württemberg: Energieeffizienz ist für die kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) ein grundsätzlich bedeutsames Thema, größtenteils gleichbedeutend mit anderen strategischen oder operativen Fragen. Je größer die Unternehmen, umso mehr trifft das zu ; die Unterschiede nach Energiebedarf sind hingegen gering. Erfolgsversprechende Maßnahmen sind: die Unternehmen müssen Energieeffizienz strategisch verankern und ihre Führung darauf ausrichten, sollten möglichst viele verschiedene Maßnahmen umsetzen und die Belegschaft sensibilisieren. Aber auch die gesellschaftliche Meinung "treibt" die Unternehmen zu mehr Energieeffizienz.
Der hohe Stellenwert von Energiedienstleistungen steht für Energieversorger außer Zweifel. Der Handlungsbedarf bleibt aber nach wie vor immens, erforderliche Change-Prozesse werden erst in wenigen Fällen aktiv und gezielt gestaltet. Dies sind die zentralen Ergebnisse einer gemeinsamen empirischen Studie vom "Reutlinger Energiezentrum für Dezentrale Energiesysteme und Energieeffizienz (REZ) an der Hochschule Reutlingen und der international tätigen Unternehmensberatung kwp consulting group.
Industrielle Produktionseinrichtungen haben mit rund 40% einen signifikanten Anteil am Gesamtenergiebedarf in Deutschland. Daher wurden und werden sie sowohl technologisch als auch energetisch optimiert. Häufig geht die technologischwirtschaftliche Optimierung auch mit der Reduzierung des Energie und Materialverbrauchs einher. Zudem macht der Ausbau der regenerativen Energiequellen die Energieerzeugung zunehmend volatiler, sodass nicht nur die Senkung des absoluten Energieverbrauchs, sondern auch eine höhere Flexibilität (Steuerung der Leistung über der Zeit) zunehmend interessanter wird. Dadurch ändert sich oft die installierte Leistung sowie die Gestaltung der Verlustleistungsabfuhr, was die Dimensionierung von Anlagen, zum Beispiel von spanenden Werkzeugmaschinen, beeinflusst.
Dieses Handbuch vermittelt die notwendigen EMV-Maßnahmen - von der Planungsphase bis zur Fertigstellung und CE-Kennzeichnung, vom Gerät bis zur großflächigen ortsfesten Anlage. Der Schwerpunkt des Buches liegt in der Berücksichtigung technischer und gesetzlicher Anforderungen und deren wirtschaftlicher Umsetzung zur Sicherstellung der EMV. Es ist als praxisorientierte Hilfestellung in der täglichen Arbeit gedacht unter Berücksichtigung des aktuellen Standes der Normung.
Einführend werden die Grundlagen der EMV behandelt. Es folgen EMV-Grundmaßnahmen wie Massung, Erdung, Potentialausgleich, Filterung, Schirmung und Verkabelung. Mit der EMV-Planung wird eine Methodik zur Sicherstellung der EMV vorgestellt. Aufgezeigt werden besonders die EMV Maßnahmen in Gebäuden und Anlagen.
Den Übergang zu Gesetzgebung und zur Normung für die CE-Kennzeichnung stellen die normativen Anforderungen an Geräte dar. Anwendungsbeispiele zu drehzahlveränderlichen Antrieben, zu Bahnfahrzeugen und zu anwendungsneutralen Kommunikationskabelanlagen vertiefen die EMV-Maßnahmen. Die Thematik "EMV & Funktionale Sicherheit" rundet das Werk ab.
Es wird gezeigt, wie bei Fernspeisung die Vorhersage der Erwärmung mit entsprechender Modellierung verbessert werden kann und wie der Einfluss von Material und Form des Kabelkanals die Erwärmung und das das Temperaturprofil des Bündels beeinflusst. Es wird auch vorgestellt, dass die erhöhte Erwärmung von Metallkabelkanälen auf die geringere Emissivität zurückzuführen ist und wie das verbessert werden kann.
Um die ökologischen und ökonomischen Potenzaile der Elektromobilität zu nutzen, setzen kommunale Energieversorger heute auf das Betreiben öffentlicher Ladestationen, den Handel mit Ladestationen und das Bereitstellen spezieller Elektromobilitätstarife; ebenso auf elektrifiziertes Carsharing oder das Vermieten elektrifizierter Fahrzeuge und den Betrieb elektrifizierter Omnibusse im ÖPNV. Auch die Entwicklung und Planung individueller Elektromobilitätskonzepte, teils in Kombination mit Photovoltaikanlage, gehören in einigen Unternehmen zum Portfolio. Für die Zukunft sollten Stadtwerke ihre Aktivitäten im Bereich Elektromobilität an individuell definierten Zielen und Strategien ausrichten.
Mit der Energiewende hat die Bundesregierung den Umbau der Energieversorgung begonnen. Da das Gelingen der Energiewende für die Zukunfts- und Wettbewerbsfähigkeit des Wirtschaftsstandorts Deutschland essenziell ist, wurden seitens des Bundesverbandes der deutschen Industrie (BDI) bereits 2013 Impulse für eine smarte Energiewende veröffentlicht, in denen fünf Prinzipien abgeleitet werden, die einen Rahmen für den Diskurs über die zu ergreifenden Maßnahmen setzen. Erneuerbare Energien werden in dem kommenden Jahren die dominierende Stromquelle darstellen. Daraus entstehen neue Herausforderungen. Zu deren Bewältigung hat das Bundeswirtschaftsministerium (BMWi) kürzlich eine 10-Punkte-Agenda (ZPA) für die zentralen Vorhaben der Energiewende vorgelegt. Zu diskutieren ist, inwieweit sie im Einklang mit den fünf Prinzipien des BDI steht und an welchen Stellen Anpassungen notwendig werden, damit der Umbau des Energiesystems erfolgreich gelingen kann.
Nowadays robust, energy-efficient multisensor microsystems often come with heavily restricted power budgets and the characteristic of remaining in certain states for a longer period of time. During this time frame there is no continuous clock signal required which gives the opportunity to suspend the clock until a new transition is requested. In this paper, we present a new topology for on-demand locally clocked finite state machines. The architecture combines a local adaptive clocking approach with synchronous and asynchronous components forming a quasi synchronous system. Using adaptive and local clocking comes with the advantages of reducing the power consumption while saving design effort when no global clock tree is needed. Combining synchronous and asynchronous components is beneficial compared to previous fully asynchronous approaches concerning the design restrictions. The developed topology is verified by the implementation and simulation of a temperature-ADC sensor system realized in a 180 nm process.
Usually battery chargers have two stages and DC charging current is considered to by necessary for a proper charging. To decrease the charger volume, a single stage LLC battery charger is investigated in this paper. PFC stage is eliminated, therefore no bulky capacitor is necessary any more, and battery is charged with a sinusoidal-like charging current. However, previous studies show that such a pulsating charging current has only minimal impact on battery life and efficiency. Design considerations of the resonant tank and optimal transformer design are presented. A 360W single stage LLC converter prototype for e-bike charger achieves a power factor of 0.98, efficiency of 0.93 and power density of 1,8kW/dm³.
In diesem Artikel wird ein neu entwickeltes Werkzeug zur Dimensionierung von Bonddrähten im ASIC-Entwurf vorgestellt. Die Berücksichtigung aller Einflussfaktoren erlaubt eine gegenüber Handrechnungen optimierte Auslegung der Bondanordnung. Dies ermöglicht zum einen die Absicherung gegen Degradationseffekte bis hin zum Durchbrennen und garantiert so die Zuverlässigkeit über die gesamte Lebensdauer. Zum anderen wird eine aus Zuverlässigkeitserwägungen resultierende Überdimensionierung vermieden.
Das Werkzeug erlaubt die Kalkulation aller für die Auslegung von Bonddrähten relevanten Parameter. Je nach Kontext der Aufgabenstellung lassen sich die Stromtragfähigkeit für Dauerstrom oder Pulsstrombelastung, kritische Temperaturen oder die maximale Bonddrahtlänge als Ausgabegrößen berechnen. Durch diese Flexibilität und die benutzerfreundliche Integration in eine industrielle Entwicklungsumgebung ist der „Bond-Rechner“ im gesamten Entwurfsverlauf einsetzbar und leistet wertvolle Hilfestellung von ersten Abschätzungen in frühen Entwurfsphasen bis hin zur abschließenden Verifikation.
The efficient production and utilization of green hydrogen is vital to succeed in the global strive for a sustainable future. To provide the necessary amount of green hydrogen a high number of electrolyzers will be connected as decentralized power consumers to the grid. A large amount of decentralized renewable power sources will provide the energy. In such a system a control method is necessary to dispatch the available power most efficiently. In particular, the shutdown of renewable energy sources due to temporary overproduction must be avoided. This paper presents a decentralized tertiary control algorithm that provides a new decentralized control approach, thus creating a flexible, robust and easily scalable system. The operation of each grid participant within this grid connected microgrid is optimized for maximum financial profit, while minimizing the exchange of power with the mains grid and reducing the shutdown of renewable power sources.
Dezentrale Stromerzeugungsanlagen, Energiespeicher und Steuerungseinrichtungen für Erzeuger und Verbraucher sind die Grundbausteine eines virtuellen Kraftwerks, welches im Stromnetz der Zukunft, dem Smart Grid, eine wichtige Rolle spielt. Im Rahmen des Demonstrationsprojekts Virtuelles Kraftwerk Neckar-Alb soll an der Hochschule Reutlingen eine Demonstrationsanlage aufgebaut werden, die diese Grundbausteine vernetzt und funktional integriert. Damit entsteht eine flexible Testumgebung für Forschung und Lehre, in der sich das Zusammenspiel der Komponenten untersuchen lässt. Zudem wird eine Besichtigungsmöglichkeit für interessierte Unternehmen geschaffen. Damit sollen Akzeptanz und Verständnis für die Thematik gefördert werden.
Ein wesentliches Ziel der unter dem Schlagwort Industrie 4.0 gebündelten neuen Entwicklungen ist die Vernetzung intelligenter Komponenten in industriellen Anlagen, um Prozesse transparenter und effizienter zu gestalten. Ein weiteres Ziel ist das Condition Monitoring, d.h. die Überwachung des Zustands der Komponenten während der Laufzeit und die Abschätzung der Restlebensdauer, damit die gesamte Lebensdauer der Komponente ausgenutzt und Wartungsintervalle besser geplant werden können. Die Bewertung des Komponentenzustands erfolgt anhand von Messgrößen, die entweder durch zusätzlich in den Prozess eingebrachte Sensoren erfasst werden oder durch Prozessdaten, die in den Regel- und Steuereinrichtungen verfügbar sind. Diese Messdaten werden ausgewertet und das Ergebnis wird dem Anwender angezeigt.
Der vorliegende Beitrag gibt einen kurzen Überblick über verwendete Messgrößen sowie verwendete Auswerteverfahren. Darüber hinaus wird ein Verfahren erläutert, das die Schwierigkeiten bei der Beurteilung der üblicherweise verwendeten Frequenzspektren vermeidet.
This paper describes a new method for condition monitoring of a roller chain. In contrast to conventional methods, no additional accelerometers are used to measure and interpret frequency spectra but the chain condition is evaluated using an easy to interpret similarity measure based on correlation functions using the driving motor torque. An additional clustering of current data and reference measurements yields an easy to understand representation of the chain condition.
Der vorliegende Beitrag zeigte die Anwendung eines Extended Kalman Filters für die Beurteilung des Verschleißzustandes von Rollenketten. Anders als in den üblicherweise eingesetzten signalbasierten Verfahren wurde damit ein modellbasierter Ansatz gewählt. Der Einsatz des Extended Kalman Filters ermöglicht die Schätzung von Parametern eines reduzierten Kettenmodells, das die Dynamik der einzigen Messgröße, nämlich des Drehmoments des antreibenden Motors näherungsweise nachbildet. Im Beitrag wurde dieses Verfahren auf Messdaten aus vier Dauerversuchen an Rollenketten eingesetzt und gezeigt, dass mit steigendem Verschleiß eine Änderung ausgewählter Modellparameter erfolgt.
Diese Vorgehensweise ist ein erster Ansatz, der durch weitere Forschungsarbeiten noch verbessert werden muss. In zukünftigen Forschungsarbeiten wird zusätzlich zur Parameterschätzung eine Prädiktion durchgeführt, um einen Schätzwert für die Restlebensdauer zu erhalten. Hierzu gibt es Ansätze in der Literatur, die auf das konkrete Problem angepasst werden müssen. Zudem muss die Modellierungssystematik so erweitert werden, dass Wissen über das Prozessverhalten in die Modellierung mit eingebracht wird, um die Aussagekraft der Ergebnisse sowie die Robustheit des Verfahrens bezüglich Betriebsparametern, Umgebungsbedingungen und Exemplarstreuungen zu verbessern.
The integration of renewable energy sources in single family homes is challenging. Advance knowledge of the demand of electrical energy, heat, and domestic hot water (DHW) is useful to schedule projectable devices like heat pumps. In this work, we consider demand time series for heat and DHW from 2018 for a single family home in Germany. We compare different forecasting methods to predict such demands for the next day. While the 1-day-back forecast method led to the prediction of heat demand, the N-day-average performed best for DHW demand when Unbiased Exponentially Moving Average (UEMA) is used with a memory of 2.5 days. This is surprising as these forecasting methods are very simple and do not leverage additional information sources such as weather forecasts.
Class Phi2 amplifier using GaN HEMTs at 13.56MHz with tuned transformer for wireless power transfer
(2022)
This paper discusses a design procedure of a wireless power transfer system at a RF switching frequency of 13.56MHz. The wireless power transfer amplifier uses GaN HEMTs in aClass phi2 topology and is designed in order to achieve high efficiency and high power density. A design method for the load over a certain bandwidth is presented for a transformer with its tuning network.
The increasing slew rate of modern power switches can increase the efficiency and reduce the size of power electronic applications. This requires a fast and robust signal transmission to the gate driver of the high-side switch. This work proposes a galvanically isolated capacitive signal transmission circuit to increase common mode transient immunity (CMTI). An additional signal path is introduced to significantly improve the transmission robustness for small duty cycles to assure a safe turn-off of the power switch. To limit the input voltage range at the comparator on the secondary side during fast high-side transitions, a clamping structure is implemented. A comparison between a conventional and the proposed signal transmission is performed using transistor level simulations. A propagation delay of about 2 ns over a wide range of voltage transients of up to 300V/ns at input voltages up to 600V is achieved.
Power loss measurement of power electronic components and overall systems is sometimes difficult by use of electrical quantities and in few applications even not possible. The calorimetric power loss measurement is an established method to identify the overall system losses with a suitable accuracy. This paper presents a novel method with an open chamber calorimeter under accurate air mass flow, air pressure, humidity measurement and temperature control. The benefits are the approximately halved measurement time compared to established systems and the possibility to control the chamber temperature. So it is possible to measure the power losses at different ambient temperatures.
Eine neue Methode zur Berechnung von Temperaturen in Bonddrähten umgeben von einem endlichen Mold wird vorgestellt. Sie ist schneller als die übliche Finite Elemente-Methode (FEM), während sie vergleichbare Resultate produziert. Für manche Parameter funktioniert unsere Methode, während die FEM-Methode versagt. Der Algorithmus ist im sogenannten Bondrechner implementiert, der eine leicht zu benutzende Oberfläche für Designer von mikroelektronischen Systemen bereitstellt. Seine Anwendung hat das Potential, die Zuverlässigkeit von Bonddrähten zu verbessern. Ein nichtidealer Parameter für den Wärmetransfer vom Bonddraht zum Mold-Package wurde ebenfalls berücksichtigt. Dieser Parameter ändert sich wahrscheinlich unter Alterseinflüssen und ist daher sehr wichtig für Zuverlässigkeits-Schätzungen. In unserer Methode wird die Wechselwirkung von Nachbardrähten ebenfalls berücksichtigt. Diese wird immer wichtiger, weil der Durchmesser und der wechselseitige Abstand der Bonddrähte sich verringert, wegen der fortschreitenden Miniaturisierung der Chip-Verpackungen. Unser Programm kann ebenfalls Temperaturen für transiente Ströme berechnen und den Strom berechnen, der zu einer gegebenen Maximaltemperatur gehört.
Verteilnetzbetreiber müssen verschiedene Maßnahmen ergreifen, um den Herausforderungen der zunehmenden Installation dezentraler Erzeugungsanlagen zu begegnen. Die meisten dieser Maßnahmen führen zwar zur Einhaltung der Spannungsgrenzwerte, sie läsen jedoch nicht das Problem der Rückspeisung in die überlagerte Netzebene und die damit verbundenen Leistungsverluste. Im Projekt „Demo-rONT-Alternative“ wurde ein Prototyp für einen fernsteuerbaren Kabelverteiler entwickelt, um die Trennstellenverschiebung automatisiert durchführen zu können.
Der Erfolg der Energiewende in Deutschland setzt eine zunehmende Anzahl an dezentralen elektrischen Erzeugungsanlagen (EZA) voraus. Diese dezentralen EZA, wie Photovoltaikanlagen oder Blockheizkraftwerke, bringen für Verteilnetzbetreiber große Herausforderungen mit sich. Im Rahmen des geförderten Forschungsprojekts „Demonstrator Automatisierte Kabelverteil (KV) als Alternative zum regelbaren Ortsnetztransformator (DEMO rONT-Alternative)“ wurde ein neuer Ansatz für die Lösung der bestehenden Problematik erforscht. Dieser besteht in der aktiven Änderung der Topologie der Netzgebiete je nach elektrischer Last und PV-Einspeisung (Trennstellenverlagerung).
Switched reluctance motors are particularly attractive due to their simple structure. The control of this machine type requires the instants, to switch the currents in the motor phases in an appropriate sequence. These switching instants are determined either based on a position sensor, or on signals generated by a sensorless method. A very simple sensorless method uses the switching frequency of the hysteresis controllers used for phase current control. This paper first presents an automatic commissioning method for this sensorless method and second a startup procedure, thus enhancing this approach towards an application in industry.
Die anwendungsneutrale und vorsorgliche Verkabelung gibt es bereits seit über 25 Jahren. Die Materie ist zunehmend komplexer geworden. Das ursprünglich für die informationstechnische Vernetzung von Büros vorgesehene Konzept hat sich mit den Jahren auf weitere Anwendungsbereiche, z. B. in Rechenzentren und in industriell oder privat genutzten Bereichen ausgeweitet. Dabei hat jeder Anwendungsbereich neben einem allgemeinen Anforderungsprofil auch ein eigenes, spezifisches Regelwerk. Aufgrund der fortschreitenden Digitalisierung ist zudem eine ständige technologische Anpassung und Weiterentwicklung des Leistungsvermögens vonnöten. Vor diesem Hintergrund wird es zunehmend schwierig, die umfangreichen Normenwerke zu lesen, im Zusammenspiel zu begreifen und optimal anzuwenden.
Und genau hier setzt das Buch an! In dem vorliegenden Buch wird die Kommunikationskabelanlage von der Idee über die Planung, die Spezifizierung, Realisierung, Inbetriebnahme bis hin zur Wartung anschaulich und im Zusammenhang erläutert. Kernstück ist die Vorstellung und Beschreibung der aktuellen Normenreihen DIN EN 50173 (VDE 0800-173) und DIN EN 50174 (VDE 0800-174). Nachdem zunächst auf die Standortvoraussetzungen eingegangen wird, folgen die allgemeinen und spezifischen Anforderungen an informationstechnische Verkabelungen und die verwendeten Komponenten, Kabel bzw. Steckverbinder und zu guter Letzt die Planung, Spezifizierung, Umsetzung und messtechnische Bewertung der Installation. Den Autoren ist es dabei ein Anliegen, nicht nur das Grundverständnis zu den relevanten Anforderungsprofilen zu vermitteln, sondern auch den Blick für den Gesamtzusammenhang, beispielsweise zur Zukunftssicherheit und zum Einfluss unterschiedlicher Umweltbedingungen auf die Auslegung der Verkabelungskomponenten, zu behalten.
IGBT modules with anti-parallel FWDs are widely used in inductive load switching power applications, such as motor drive applications. Nowadays there is a continuous effort to increase the efficiency of such systems by decreasing their switching losses. This paper addresses the problems arising in the turn-on process of an IGBT working in hard-switching conditions. A method is proposed which achieves – contrary to most other approaches – a high switching speed and, at the same time, a low peak reverse-recovery current. This is done by applying an improved gate current waveform that is briefly lowered during the turn-on process. The proposed method achieves low switching losses. Its effectiveness is demonstrated by experimental results with IGBT modules for 600V and 1200V.
An experimental study of a zero voltage switching SiC boost converter with an active snubber network
(2015)
This paper presents a quasi-resonant, zero voltage switching (ZVS) SiC boost converter for an output power of up to 10 kW. The converter is realized with an easily controllable active snubber network that allows a reduction of switching losses by minimizing the voltage stress applied to the active switch. With this approach, an increase of the switching frequency is possible, allowing a reduction of the system size. Experiments show a maximum converter efficiency up to 99.2% for a switching frequency of 100 kHz. A second version of the converter enables a further size reduction by increasing the switching frequency to 300 kHz while still reaching a high efficiency up to 98.4 %.
This paper addresses the turn-on switching process of insulated-gate bipolar transistor (IGBT) modules with anti-parallel free-wheeling diodes (FWD) used in inductive load switching power applications. An increase in efficiency, i.e. decrease in switching losses, calls for a fast switching process of the IGBT, but this commonly implies high values of the reverse-recovery current overshoot. To overcome this undesired behaviour, a solution was proposed which achieves an independent control of the collector current slope and peak reverse recovery current by applying a gate current that is briefly turned negative during the turn-on process. The feasibility of this approach has already been shown, however, a sophisticated control method is required for applying it in applications with varying currents, temperature and device parameters. In this paper a solution based on an adaptive, iterative closed-loop ontrol is proposed. Its effectiveness is demonstrated by experimental results from a 1200 V/200A IGBT power module for different load currents and reverse-recovery current overshoots.
The demonstration project Virtual Power Plant Neckar-Alb is constructing a Virtual Power Plant (VPP) demonstration site at the Reutlingen University campus. The VPP demonstrator integrates a heterogeneous set of distributed energy resources (DERs) which are connected to control the infrastructure and an energy management system. This paper describes the components and the architecture of the demonstrator and presents strategies for demonstration of multiple optimization and control systems with different control paradigms.
A procedural approach to automate the manual design process in analog integrated circuit design
(2018)
This paper presents a novel approach to automating the design of analog integrated circuits: (1) the Expert Design Plan (EDP), a procedural generator, and (2) the EDP Language, a high-level description language for writing an EDP. An EDP is a parameterizable, executable script, which reproduces a designer’s course of action when designing a circuit. Thus, an EDP formalizes the design expert’s knowledge-based strategy and makes it reusable. Since it is essential that an EDP represents a circuit designers’ way of thinking and working as close as possible, the designers themselves should be enabled to create the EDP. Therefore, our approach provides a input method through a domain-specific language called EDP Language (EDPL). Using this language is intuitive and requires no special training. In an exemplary implementation of our approach, a common-source amplifier is automatically sized using a set of only 10 instructions. Even in the first usage our EDP approach has appeared to be more efficient than the manual sizing process.
A novel gate driving approach to balance the transient current of parallel-connected GaN-HEMTs
(2018)
To enable higher current handling capability of GaN-based DC/DC converters, devices have to be used in parallel. However, their switching times differ, especially if their threshold voltages are not identical, which causes unbalanced device current. This paper focuses on the homogeneous distribution of turn-on switching losses of GaN-HEMTs connected in parallel. By applying a new gate driver concept, the transient current is distributed evenly. The effectiveness of this concept is demonstrated by double pulse measurements, for switching currents up to 45A and a voltage of 400V. A uniform current distribution is achieved, including a reduction of the turn-on losses by 50% compared to a conventional setup.
DC-DC-converters are used in many different applications. Specifying the switching frequency is the most important parameter to calculate component costs and required space. Especially automotive applications of small brushed- or brushless dc-motors and the increasing number of DC-DC-converters have high requirements on the structual space (low box volume). This is of particular importance for automotive converters for the new 48 V board net. Multiplying the frequency by two will reduce the size of the power inductor by half at a given specification for output-voltage ripple. Smaller power inductors result in reduced losses due to smaller series resistance and parasitic capacitance. Furthermore a larger switching frequency decreases the size of the DC link capacitors. The circuit will get more idealized. However, as the switching losses increase with frequency, a DC-DC-converter can only benefit from these advantages if the switching behavior can be improved.
This paper presents an optimization method to increase switching slope and switching frequency of a 3.6 kW 3-phase step-up converter by separating the design and layout process into two parts. The first part is the power stage which carries the load current. It contains the power inductance and the drain-source-channel of the power MOSFETs. The second part is the driver circuit which contains the driver ICs, the gate resistor and the gate input impedance. While the switching slope was measured to be improved by 50 % , the switching time decreased by 20 %. Hence, the switching frequency of the step-up converter could be increased from 100 kHz to 200 kHz without loss increase. By mounting the driver ICs in a piggyback configuration in close proximity to the power stage, the parasitics could be further reduced significantly and 500 kHz switching frequency could be achieved with 97.5 % efficiency.
Der Anspruch an Energieversorger wird wachsen: in Zukunft gewinnen vor allem Aufgaben wie die Entwicklung digitalisierter Produkte/Dienstleistungen sowie ökologische Aktivitäten an Relevanz. Dies zeigt die Hochschule Reutlingen in ihrer aktuellen Untersuchung unter Aufsichtsräten, Geschäftsführern und Führungskräften. Trotz der erwarteten Veränderungen: die Aufsichtsräte sind sich zwar ihrem Druck zu mehr Professionalisierung bewusst, scheinen aktuell aber nur mäßig für die künftigen Herausforderungen des Unternehmens gerüstet. Besonders relevant dabei: die Professionalisierung der Gremienarbeit in kommunalen EVU ermöglicht einen höheren wahrgenommenen Unternehmenserfolg. So die Studie des Reutlinger Energiezentrums and der Hochschule Reutlingen im Auftrag von fünf Unternehmen der Branche.