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e & i Elektrotechnik und Informationstechnik
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ISSN (Print) 1613-7620 - ISSN (Online) 0932-383X
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  • Blitzforschung in Österreich

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      PubDate: 2022-05-06
       
  • Occurrence characteristics of upward lightning at the Gaisberg tower

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      Abstract: Abstract Measurements at the instrumented Gaisberg tower (GBT) along with data from the Austrian Lightning Detection and Information System (ALDIS) have played an important role in improving our understanding of upward lightning discharges. A current measuring shunt is located at the base of a 1.5 m high air terminal on top of the GBT. Between 2000 and 2018, current waveforms of 865 flashes were recorded at the GBT, of which 823 (95%) were upward and 4 (0.5%) downward flashes. The waveforms of 38 flashes were not suitable for analysis. The majority (66%) of upward flashes at the GBT occurred during the non-convective season. Also, the proportion of upward lightning at the tower relative to all cloud-to-ground flashes in Austria (reported by ALDIS) was much higher during the non-convective season than during the convective season.
      PubDate: 2022-05-02
       
  • Meteorological aspects of the atypical seasonal lightning distribution at
           the Gaisberg tower

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      Abstract: Abstract The seasonal lightning distribution at the Gaisberg tower in Austria is very different from the distribution observed in a circular ring with a radius of 2 to 10 km around the tower. The distribution in the circular ring shows the typical peak during the convective season. In contrast, we find a bimodal distribution with a peak in early spring and late fall at the tower. By selecting two cases representing these two situations, the differences in the meteorological setting are discussed. Lightning events observed solely at the Gaisberg tower are characterized by strong horizontal winds in the lower layers of the atmosphere from the northwest sector. This direction represents the open window from the Gaisberg towards the foreland, meaning there are no mountains upstream, and the flow can reach the Gaisberg unhindered. Cases of this type occur mainly during the cold season but are not limited to it. In contrast, lightning events at the tower and in its vicinity are typical for convective events with low horizontal wind speed in the lower layers and occur mainly during the convective season.
      PubDate: 2022-04-29
       
  • Lightning climatology for the eastern Alpine region on the kilometer scale
           with daily resolution

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      Abstract: Abstract Lightning flashes are potentially hazardous, albeit locally rare events. Despite this rareness, generalized additive models (GAMs) have succeeded in producing a climatology of lightning occurrence for the eastern Alps and surrounding lowlands with an unprecedented resolution of 1  \(\text{km}^{2}\) for each day from April to September based on data from the ALDIS lightning location system (2010–2020). This resolution is achieved due to the GAM incorporating information from cells with similar characteristics, such as region, altitude, season, and elevations within the cell. The probability of a cloud-to-ground discharge within 1  \(\text{km}^{2}\) on a given day during the warmer seasons is typically less than 1%, with a rapid increase in spring, followed by a plateau in summer and a gentle decrease in fall. Early in the season, probabilities are lower in the highest regions but increase once the snow cover is gone, becoming higher than in the valleys. Regional patterns of lightning probability also vary with season. The details are complex, but generally, higher values shift towards the south in the course of the season. Grid cells with a jagged topography have a higher probability of lightning.
      PubDate: 2022-04-29
       
  • Säntis lightning research facility: a summary of the first ten
           years and future outlook

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      Abstract: Abstract The Säntis Tower was instrumented in May 2010 to measure currents of lightning discharges striking the structure. Since then, the system has been recurrently updated and expanded. Presently, data associated with lightning striking the tower are collected at six different sites. The facility is equipped with a current measurement system, three electric field stations, an electrostatic field mill, two x‑ray sensors, a high-speed camera, and four slow cameras. This paper presents the latest measurement configuration at the facility. Other temporarily loaned instruments are also briefly described. Furthermore, examples of some of the data that have been gathered and analyzed are given, and an outlook as well as future plans for the facility are presented.
      PubDate: 2022-04-22
       
  • A statistical method for determining external clearances on overhead lines

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      Abstract: Abstract The EN 50341‑1 provides procedures for establishing internal and external clearances for overhead lines. Internal clearances are selected in a way that an acceptable outage performance is achieved, and the external clearances are then coordinated with the internal clearances to ensure that no flashovers occur to objects in the vicinity of the line. In the standard, this coordination is carried out by assuming that lightning overvoltages will be limited by flashovers of the insulator strings. There are, however, cases where this approach may be too conservative, e.g., when long insulators are needed to obtain an acceptable power frequency flashover performance with insulator pollution. In this paper, a method is presented for determining the external clearances on overhead lines based on a statistical evaluation of the representative lightning overvoltage as defined in the EN 50341‑1.
      PubDate: 2022-04-22
       
  • Simulation elektromagnetischer Felder durch Folge eines Blitzeinschlags
           auf dem Gaisberg und der anschließende Vergleich der Ergebnisse mit
           Messungen der ALDIS-Blitzortungssensoren

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      Abstract: Zusammenfassung Dieser Beitrag präsentiert Ergebnisse aus elektromagnetischen Feldberechnungen unter Verwendung der FDTD-Methode (Finite-Differenzen-Methode im Zeitbereich). Konkret wurde die Ausbreitung eines elektromagnetischen Felds simuliert, welches mit einer bestimmten, messtechnisch erfassten Blitzentladung (sog. „Event“) am Gaisberg-Sendeturm (Salzburg, Österreich) in Verbindung steht. Digitale Geländemodelldaten der realen Ausbreitungspfade vom Gaisberg zu sieben Sensoren des Blitzortungsnetzwerks ALDIS wurden zur Initialisierung der FDTD-Simulationsdomäne verwendet. Um den Blitzkanal zu modellieren, wurde das MTLE-Modell (Modified Transmission Line Model with Exponential Decay) angenommen und der an der Turmspitze, also am Fußpunkt des Blitzkanals, gemessene Blitzstrom als Feldquelle in der Simulation verwendet. Damit wurden die elektromagnetischen Felder entlang der verschiedenen Pfade simuliert und die resultierende Maximalfeldstärke des magnetischen (H‑)Felds an den Sensorstandorten mit der tatsächlich gemessen Feldstärke der ALDIS-Sensoren verglichen. Die Ergebnisse der 3D-FDTD-Feldberechnungen korrelieren gut mit den tatsächlich registrierten Sensor-Messwerten zum gegebenen Event, während die zylindrisch-symmetrische 2D-FDTD-Simulation nicht für alle Ausbreitungspfade in der Lage ist, die gemessenen Feldwerte zu reproduzieren. Der Grund liegt in der komplexen Struktur des alpinen Geländes und den damit verbundenen Reflexionen und Beugungsphänomenen in Tälern und an Bergkämmen. Des Weiteren konnte anhand eines Sets von Sensor-Messwerten von 54 Events verifiziert werden, dass der Einschlag auf der Spitze eines Bergs im Gegensatz zu einem Einschlag auf ebenem Boden zu erhöhten gemessenen Feldwerten führen kann. Dies folgt aus der speziellen Bergtopographie vom Einschlagspunkt in die gegebene Ausbreitungsrichtung. Im Allgemeinen führt stark unebenes Gelände, wie es etwa im alpinen Raum vorliegt, zu einer Dämpfung des Felds entlang des Ausbreitungspfads.
      PubDate: 2022-04-08
       
  • Blitzentladungen im österreichischen Alpenraum mit Fokus auf
           Single-Stroke Flashes

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      Abstract: Zusammenfassung In diesem Beitrag werden Messdaten von Wolke-Erde-Blitzentladungen im österreichischen Alpenraum mit Fokus auf Single-Stroke Flashes ausgewertet, welche über sechs Gewittersaisonen im Zeitraum 2009 bis 2018 im Rahmen eines Forschungsprojekts aufgezeichnet wurden. Ziel des Projekts war es, einen so genannten Ground-Truth-Datensatz realer Bodeneinschläge von Blitzentladungen zu generieren. Das verwendete Messsystem besteht aus einer Hochgeschwindigkeitskamera und einem elektrischen Feldmesssystem, als Video and Field Recording System (VFRS) bezeichnet, um die räumlichen und zeitlichen Abläufe von Blitzentladungen optisch analysieren zu können und das transiente elektrische Feld aufzuzeichnen. Die VFRS-Messungen wurden an 33 verschiedenen Messorten im österreichischen Alpenraum durchgeführt, dabei wurden an 61 Tagen insgesamt 735 Wolke-Erde-Blitze mit negativer Polarität aufgezeichnet. Für die Auswertung werden Daten des österreichischen Blitzortungssystems „Austrian Lightning Detection and Information System“ (ALDIS) mit den VFRS-Daten korreliert. Der Anteil an Single-Stroke Flashes beeinflusst die Statistik über die Anzahl der Teilblitze pro Gesamtblitzentladung, welche z. B. für die Auslegung von Blitzschutzmaßnahmen von Hochspannungssystemen relevant ist. Die berechneten Prozentwerte der Single-Stroke Flashes der vorliegenden Analyse (27 %) werden mit bereits veröffentlichten Werten aus verschiedenen Ländern (12 % bis 24 %) verglichen. Um den Einfluss der Gewitterorganisation auf den Anteil von Single-Stroke Flashes zu untersuchen, werden zusätzlich Wetterradardaten und Windmessungen zur Klassifizierung der unterschiedlichen Gewittertypen herangezogen und analysiert.
      PubDate: 2022-04-06
       
  • SiC-MOSFETs und Si-IGBT-Technologie im Vergleich: Welches Material ist am
           besten für Traktionsumrichter geeignet'

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      PubDate: 2022-04-05
       
  • Optische Untersuchungen von Blitzeinschlägen in Verbindung mit
           Feldmessungen und Beurteilung von Blitzortungssystemen

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      Abstract: Zusammenfassung In diesem Beitrag wird ein optisches Blitzortungssystem vorgestellt, das in zwei Ausbaustufen an der Universität der Bundeswehr München entwickelt und dort aufgebaut wurde. Das im Folgenden als OLDS (Optical Lightning Detection System) bezeichnete System basiert auf einer Videokamera, die in einer Achse zu einem konvexen Spiegel montiert ist und so eine 360-Grad-Rundumsicht ermöglicht. Der eigentliche Ortungsvorgang basiert auf der Richtungsbestimmung mithilfe des aufgezeichneten Kamerabildes und auf der Entfernungsberechnung über die Laufzeit des Donners. Während der ersten Ausbaustufe wurde das Ortungssystem mit einer Messstation zur zeitlich synchronen Aufzeichnung des elektrischen Felds kombiniert. Die Kombination beider Systeme ermöglichte es, die Blitzdauer, die Anzahl der Teilblitze, die Pausenzeit zwischen zwei aufeinander folgenden Teilblitzen sowie die zugehörige maximale elektrische Feldstärke zu bestimmen. Während der zweiten Ausbaustufe wurden die Ortungsdaten des OLDS mit den Ortungsdaten des europäischen Blitzortungsnetzwerks EUCLID verglichen. Die mittlere Entfernung der Einschlagsorte zum OLDS betrug hierbei 5,6 km. Der Vergleich ergab, dass EUCLID die Blitze mit einer Wahrscheinlichkeit von 95 % und die Teilblitze mit einer Wahrscheinlichkeit von 94 % detektierte. EUCLID klassifizierte 84 % der Blitze korrekt als Erd-Blitze, während die verbliebenen 16 % fälschlicherweise als Wolke-Blitze klassifiziert wurden. Die Entfernungsabweichungen zwischen den von OLDS und EUCLID ermittelten Einschlagstellen waren mit 238 m für das arithmetische Mittel bzw. 171 m für das geometrische Mittel relativ gering.
      PubDate: 2022-04-04
       
  • Elektrische Maschinen und Antriebe

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      PubDate: 2022-04-04
       
  • Blitzschutz von Hochspannungs-Freiluftschaltanlagen –
           praktische Auslegung

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      Abstract: Zusammenfassung Der Blitzschutz von Hochspannungs-Schaltanlagen liefert einen wesentlichen Beitrag für den zuverlässigen Betrieb unserer Hochspannungssysteme. Da Schaltanlagen die Knotenpunkte der elektrischen Verteil- und Übertragungsnetze darstellen, können direkte Blitzeinschläge zu Beeinträchtigungen der Versorgungssicherheit und des zuverlässigen Betriebs dieser Anlagen führen. In diesem Zusammenhang sind besonders Hochspannungs-Freiluftschaltanlagen den direkten Einwirkungen von Blitzentladungen ausgesetzt, da sich deren spannungsführende Anlagenteile im Freien und in exponierter Lage befinden. Der Blitzschutz von baulichen Anlagen und Personen ist in der Norm ÖVE/ÖNORM EN 62305‑3 definiert. Die Norm bietet unter anderem verschiedene Methoden für die Auslegung des Blitzschutzes und kann auch auf Freiluftschaltanlagen umgelegt werden. Andererseits werden in der Norm ÖVE/ÖNORM EN 61936‑1 die Anforderungen an Hochspannungsanlagen behandelt, wie beispielsweise Mindestabstände und Mindesthöhen von aktiven Teilen sowie die Definition einer Gefahrenzone. Am Beispiel der praktischen Auslegung des äußeren Blitzschutzes einer 380-kV-Hochspannungs-Freiluftschaltanlage werden beide Normen miteinander kombiniert.
      PubDate: 2022-04-04
       
  • Der Linear-Planetenmotor

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      Abstract: Zusammenfassung Die vorliegende Abhandlung stellt einen neuartigen Ansatz eines Linearmotors basierend auf dem Planetenmotorprinzip vor. Bei dem so genannten Planetenmotor handelt es sich um eine Multi-Rotor-Permanentmagnet-Synchronmaschine (PMSM), welche erstmals im Jahr 2017 veröffentlicht wurde. Durch das elektromagnetische Design des Motors in Kombination mit der geschickten Verschaltung der einzelnen Wicklungen verhält sich der Planetenmotor wie eine herkömmliche dreiphasige PMSM und kann so mit handelsüblichen Umrichtern feldorientiert betrieben werden. Um nun eine lineare Bewegung zu ermöglichen, ist eine Modifikation des Wicklungssystems notwendig. Durch den speziellen Aufbau des Planetenmotors ist es außerdem möglich, eine kostengünstige Lagerung des Linearschlittens zu entwickeln, welche den Einsatz von zusätzlichen externen Lagern überflüssig macht. Messungen am Prototyp bestätigen die Performance des neuartigen Linear-Planetenmotors.
      PubDate: 2022-04-01
       
  • Datenbasierte, adaptive Regelung von Servomotoren für
           Industrieroboter

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      Abstract: Zusammenfassung Datenbasierte Schätzalgorithmen (z. B. künstliche neuronale Netze oder Support Vector Machines) sind eine robuste Alternative zu konventionellen, physikalischen Modellen für adaptive Regler. Dieser Typ Algorithmus kann anhand von empirischen Daten nichtlineare und zeitvariante dynamische Systeme identifizieren sowie zukünftige Ausgangsgrößen prognostizieren. Tiefere Kenntnisse über die Physik des technischen Systems sind somit nicht mehr notwendig, und es können einfach und schnell Modelle abgeleitet werden. Speziell für Industrieroboter eröffnen datenbasierte Schätzalgorithmen neue Möglichkeiten. So muss die nichtlineare Dynamik des Roboters je nach Pose und Last nicht durch komplexe kinematische Gleichungen berechnet, sondern kann aufgrund von Sensordaten geschätzt werden. Dies spart Berechnungszeit bei gleichbleibend hoher Modellgüte. Des Weiteren kann der Regler deutlich schneller bei geänderten Randbedingungen des Roboters, wie beispielsweise stark unterschiedlichen mechanischen Lasten am Endeffektor, adaptiert werden. In diesem Beitrag wird exemplarisch die Auslegung eines datenbasierten, modellprädiktiven Reglers sowohl für einen sechs- als auch für einen einachsigen Gelenkprüfstand diskutiert. Hierbei erfolgen der Entwurf und die Validierung des Reglers anhand einer Co-Simulation bestehend aus Mehrkörper- und Systemsimulation. Designparameter der Regelung (Größe des Modells, Trainingsdaten, Optimierer etc.) werden diskutiert. Schließlich erfolgt eine experimentelle Validierung an einem einachsigen Gelenkprüfstand.
      PubDate: 2022-04-01
       
  • Mobile AC/DC test device for electric vehicle charging infrastructure
           communication

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      Abstract: Abstract The large-scale deployment of charging infrastructure poses challenges to the distribution grid stability. In Hamburg, the project Electrify Buildings for Electric Vehicles (ELBE) implements and tests a demand side management communication protocol that allows the distribution grid operator to reduce the charging power of electric vehicle charging stations if necessary. For this purpose, a test device capable of testing the signal chain as well as a real load reduction is presented for DC charging infrastructure. The standardized high-level communication protocols are described. With the charger’s power electronics located in the DC charging station, the need for a battery emulation arises, which is also discussed. Finally, a novel concept for a mobile and modular test setup for combined testing signal and real load reduction of AC and DC charging infrastructure is presented.
      PubDate: 2022-04-01
       
  • Elektrospeicher für Straßenfahrzeuge

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      PubDate: 2022-03-30
       
  • Vorteile des gestabten Kupferläufers mit axial segmentierten Endringen
           für High-Performance-Anwendungen

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      PubDate: 2022-03-30
       
  • Noise and vibration characteristics of sub-fractional horsepower
           single-phase BLDC drives

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      Abstract: Abstract Single-phase brushless DC (BLDC) drives are a cost-effective alternative for three-phase sub-fractional horsepower drives in automotive auxiliary applications. Inherent features of single-phase permanent magnet machines, such as high cogging torque and torque ripple, can, however, make them more audible than their three-phase counterparts. As some of these auxiliary drives are close to the passengers, where even a small amount of noise can be disturbing, the investigation into noise sources is essential to further address this challenge. In this paper, the dominant noise and vibration characteristics of single-phase BLDC machines are investigated for two different stator structures, i.e., salient-pole and claw-pole, and compared. Magnetic force density waves and finite element (FE) analyses are performed to analyze the electromagnetic forces resulting from the open-circuit condition as well as different switching strategies in the load condition. Structural analyses show that due to the mechanical structure’s lower stiffness and natural frequencies in the audible range, the example case machine with the claw-pole stator develops higher structure- and air-borne noise than the machine with the salient-pole stator.
      PubDate: 2022-03-30
       
  • A review of critical issues in the design of lightweight flywheel rotors
           with composite materials

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      Abstract: Abstract Composite materials are widely used to build high-performance flywheels due to their high material strength and low mass density. The high degrees of freedom in material selection, design, and manufacturing techniques lead to a variety of rotor structures. This paper presents the characteristics of different composite rotors and the critical considerations in terms of designing, manufacturing, and testing them. The introduction starts with the limitations of a single filament-wound composite rim. Then, various rotor structures are presented as well as the critical issues regarding the composite rim design, rim-shaft connection, and rotor failure in order to make safe design recommendations. The aim is to summarize the current techniques and provide references for further developments.
      PubDate: 2022-03-29
       
  • Statorkonzepte für 2-polige High-Speed-PM-Synchronmotoren

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      Abstract: Zusammenfassung Bei hochtourigen Antriebssystemen kommen zunehmend PM-Synchronmotoren zum Einsatz, die in Form von Einbaumotoren integraler Bestandteil eines Aggregats sind. Aufgrund der hohen Betriebsdrehzahl führt die interdisziplinäre Entwicklung des Aggregats meist zu 2-poligen Kurzmotoren. Insbesondere für diese 2‑poligen PM-Synchronmotoren werden Wicklungssysteme benötigt, die zu einem möglichst kompakten Stator führen. Zusätzlich werden eine gute Grundfeldausnutzung sowie ein akzeptables Oberfeldverhalten zur Limitierung der Rotor-Wirbelstromverluste erwartet. Verteilte Zahnspulenwicklungen stellen hier einen neuen Ansatz dar, der im Detail beschrieben wird. Im einfachsten Fall besteht die verteilte Zahnspulenwicklung aus einfachen Doppel-Zahnspulen. Am Beispiel eines Turboverdichters werden drei PM-Synchronmotoren mit unterschiedlichen Wicklungssystemen ausgelegt und als Mustermotoren für die experimentelle Erprobung angefertigt. Die Erprobung bestätigt die Simulationsergebnisse, und es kann gezeigt werden, dass verteilte Zahnspulenwicklungen sinnvoll bei High-Speed-PM-Synchronmotoren eingesetzt werden können, da in Verbindung mit ihnen nur geringe Rotor-Wirbelstromverluste auftreten.
      PubDate: 2022-03-18
       
 
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