06 Fakultät Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie

Large direct-drive wind turbines with a multi-megawatt power rating face design challenges, especially concerning tower top mass, due to scaling laws for high-torque generators. This work proposes to extend the design space by moving towards a more system-oriented approach, considering electro-mechanical interactions. This requires an extension of the state-of-the-art wind turbine models with additional degrees of freedom. To limit the computational effort of such models, a profound understanding of possible interaction mechanisms is required. This work aims to identify interactions of an additional degree of freedom in the radial direction of the generator with the wind turbine structure, the aerodynamics, and the wind turbine controller. Therefore, a Simpack model of the IEA 15 MW RWT is implemented and coupled to a quasi-static analytical generator model for electromagnetic forces. The analytical model, sourced from literature, is code-to-code validated against a finite element model of the generator in COMSOL Multiphysics. Electro-mechanical simulation results do not show interactions with the aerodynamics or the controller. However, interactions with the wind turbine structure occur. It is shown that the modelling approach can affect the system's natural frequencies, which can potentially impact the overall system design choices.

Heutzutage finden Laserentfernungsmesser in einer Vielzahl an militärischen, wissenschaftlichen und zivilen Anwendungen Einsatz. Diese werden in alltäglichen Anwendungen, wie etwa beim Sport im Bereich des Golfen und Schießsports um die Entfernung zu bestimmen, welche hierbei für die sportliche Leistung maßgeblich ist, oder einfach nur um die Entfernung zwischen zwei Objekten im Bauwesen oder in der Innenarchitektur zu messen, eingesetzt. Zu den anspruchsvolleren Anwendungen gehören die LiDAR-Kartierung aus der Luft, die Messung der Geschwindigkeit von ankommenden oder ausgehenden Objekten, die Laserentfernungsmessung zu Satelliten, oder sogar die Messung der aktuellen Entfernung zwischen Mond und Erde, die Referenzierung im Bauwesen, die Analyse von Wolkenformationen, die Ermittlung von Zielkoordinaten mit Unterstützung durch GPSund Kompasssystemen, und viele weitere. Diese Anwendungen unterscheiden sich stark hinsichtlich ihrer Anforderungen an die zugrundeliegenden Laserentfernungssysteme, sei es im Bezug auf ihre Mobilität, ihre Messgenauigkeit, ihre maximale Messreichweite, ihre Zuverlässigkeit, oder anderen Aspekten. Diese Dissertation fokusiert sich dabei auf die Weiterentwicklung von handgehaltenen Full-Waveform Laserentfernungsmesssystemen, die in der Lage sind, 10 km und weiter auf nicht-kooperative Ziele mittels Laufzeitprinzip zu messen. Im zweiten Kapitel wird ein Arbeitssystem vorgestellt, das aus einem optischen System in Form eines Fernglases (Empfangsapertur 30 mm), einem augensicheren Laserklasse 1 Er:Glass-Laser, einer Detektorplatine mit Lawinenphotodiode (APD) und einem digitalen Verarbeitungssystem (Analog-Digital-Wandler und digitaler Signalprozessor) besteht. Laserstrahlparameter wie die optische Leistung, Laser-Wellenlänge, Pulsbreite und der komplexeste Parameter, die Divergenz, werden durch Messungen verifiziert. Um die Detektoren vermessen und untereinander nachvollziehbar vergleichen zu können wurde eine Detektormesseinrichtung konzipiert. Um noch einen Schritt weiter zu gehen und die Detektoren auch in realen Umgebungen zu testen, wurde ein automatisches Detektorjustagesystem eingesetzt. Nachdem die Systemparameter bestimmt wurden, zeigte ein erster Simulationslauf des Modells eine zufriedenstellende Übereinstimmung mit den tatsächlichen Messungen, mit einem Fehler im Signal-Rausch-Abstand von 16.5 %. Das darauffolgende Kapitel befasst sich mit dem für Laserentfernungsmesser notwendigen analogen, rauscharmen elektronischen Photodetektoren. Üblicherweise werden Photodetektoren mit Hilfe einer Transimpedanzverstärker-Topologie aufgebaut. In dieser Arbeit wird jedoch gezeigt, dass für Lawinenphotodioden mit einer geringen Eingangskapazität ein Spannungsverstärker in Kombination mit einer Entzerrerstufe einen höheren Signal-Rausch-Abstand erzielen kann. In den verwendeten Schaltungen, ist dies ab einer Eingangskapazität der APD von kleiner 7 pF, der Fall. Um den Verstärker noch weiterzuentwickeln, wurden zwei Hybriddetektoren entwickelt. Dabei wird die erste Verstärkerstufe, in dieser Topologie ein Transistor mit seinen passiven Komponenten, mit dem eigentlichen Lawinenphotodioden-Chip in einem Gehäuse kombiniert. Dies reduzierte in dieser Arbeit die Eingangskapazität der Lawinenphotodiode von 1.7 pF auf 1.0 pF. Die Hybriddetektoren waren ihren entsprechenden diskreten Versionen in jeder Hinsicht überlegen. Die Ergebnisse dieser Hybridisierung wurden vom Autor veröffentlicht. Die zusätzliche Verstärkungsregelung des Detektors bietet einen ausgezeichneten dynamischen Signalbereich (120 dB), welcher es ermöglicht sowohl sehr nahe als auch sehr weit entfernte Ziele anzumessen. Im vierten Kapitel werden die digitalen Aspekte vorgestellt. Die digitale Signalverarbeitung bietet dabei mehrere Vorteile. Die wichtigste Technik ist die kohärente Mittelwertbildung aus mehreren Laserpulsen. Dadurch kann das System sein Signal-Rausch-Verhältnis im Vergleich zu Einzelpulssystemen erheblich verbessern. Die Technik wird dabei in Form einer realen Implementierung vorgestellt. Bei dieser Implementierung wurde eine Mittelwertbildung mit einem Sub-Sample-Jitter erreicht. Weiterhin ermöglicht es die automatische Verstärkungsregelung, während einer Messung die Detektorverstärkung während einer Messreihe anzupassen. Ein weiterer Vorteil solcher digitalen Systeme ist, dass das Signal nachverarbeitet werden kann, um die Gesamtleistung des Systems weiter zu verbessern. Dies geschieht durch die Kombination von Techniken wie der Anwendung von Statistikmethoden, digitalen Filtern oder komplexen Peak-Suchstrategien in einer Pipeline zur Entfernungsbestimmung. Was die digitale Signalverarbeitung betrifft, wurde im Rahmen dieser Dissertation ein Paper, welches verstärkt auf die digitalen Filter für die Entfernungsbestimmung eingeht, in [2] veröffentlicht. Als letzter Teil des Kapitels werden komplette Pipelines, die aus dem digitalen Eingangssignal die Entfernung bestimmen, vorgestellt und bewertet. Dabei konnte eine signifikante Verbesserung gegenüber vorher verwendeten Algorithmen festgestellt werden. Das abschließende Kapitel der Dissertation enthält einen weiteren Vergleich zwischen realem System und Modell. Zu diesem Zweck wurden Messungen mit dem System, jedoch diesmal mit einem anderen Hybriddetektor, mit Simulationsergebnissen verglichen. Die Simulationsergebnisse zeigten eine sehr gute Übereinstimmung (weniger als 10 % Fehler) auf Zielen mit planaren Oberflächen. Bei unregelmäßigeren Oberflächen, wie einem Wald oder einer schneebedeckten Wiese, zeigte das Modell relative Fehler von 16.6 % und -66.8 % im Signal-Rausch-Verhältnis. Diese Zahlen bestätigen, dass das Modell in der Lage ist, die maximale Entfernung von Laserentfernungsmesssystemen im Entwicklungsstudium vorherzusagen. Außerdem wird zu dem aktuellen System ein bildhaftes Produktdatenblatt dargestellt. Dabei wurde das Simulationsmodell verwendet, um die maximale Messentfernung des Systems anzugeben. Dieses Produktdatenblatt kann vom Leser dazu verwendet werden um einen Vergleich zu am Markt erhältlichen Systemen selbständig vorzunehmen. Die herausragenden Leistungen und Fähigkeiten des Systems im Vergleich werden dabei ersichtlich.

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