4.2 Simulation von weiteren Arbeitspunkten

Sollen andere Arbeitspunkte simuliert werden, müssen einige Parameter geändert werden. Zunächst werden die frequenzabhängigen Werte der AMKL berechnet. Abhängig von der Ständerfrequenz ist der Magnetisierungsstrom i0, welcher dem Leerlaufstrom der AMKL entspricht. In diesem Zusammenhang wurde versucht, die Simulationsstruktur lediglich mit dem Magnetisierungsstrom zu speisen (Simulation des Leerlaufes der Maschine mit MW = 0 bei f = 50 Hz). Ergebnis dieser Untersuchung war, dass die Struktur stark zu schwingen begann und derart hohe Werte berechnet wurden, so dass der Programm „LENE“ die Simulation von selbst abbrach. Die Struktur ist also in dieser Konfiguration nicht geeignet zur Darstellung von Größen im Leerlauf. Ab ca. MWS = Mn/10 kommen verwertbare Ergebnisse zustande (siehe Anhang). Parameterveränderungen schafften ebenfalls diesen Nachteil nicht ab. Ursache dafür könnte die Vernachlässigung sämtlicher Verluste sein.

 

Um den Magnetisierungsstrom notwendigerweise konstant zu halten, müssen die Ständerspannungswerte dementsprechend geführt werden. Simuliert man den Umrichterzwischenkreis mit Konstantstromeinspeisung, so muss eine Spannungsbegrenzung der Gegenspannung im Modul „Regler“ erfolgen (z.B. durch Begrenzer), da der Zwischenkreis lediglich als ideale Stromquelle simuliert wird und deshalb die Ausgangsspannung des Wechselrichters offensichtlich die Gegenspannung kaum beeinflusst. Diese Möglichkeit wurde untersucht.

I0 = U1/ωL1

Bei der Simulation von f1>fn sollte durch die Begrenzung die Spannung auf einen Wert von 537 V Spitzenwert gehalten werden. Resultat: da die Spannung Eg bereits innerhalb des Modelles AMKL gebildet wird, begrenzten die Begrenzungsblöcke die Spannung auf einen maximalen Wert, nämlich den Wert U = 537 V und die Spannung hatte keinen sinusförmigen Verlauf mehr. Es wurde keine Kommutierung durchgeführt. Die Ergebnisse konnten nur noch verbessert werden, indem die hohe Spannung durch Proportionalglieder verringert wurde. Die Simulation bei diesen Frequenzen stellen also eine Grenze für das geschaffene Modell dar. In einem Umrichtermodell mit steuerbaren Gleichrichterkönnte die Höhe der Ausgangsspannung eingestellt werden, sie kann über den Steuerwinkel α, der die Höhe der Zwischenkreisspannung steuern kann, vorgegeben werden. Diese Möglichkeit hätte bestanden, wenn zur Simulation eine komplette Simulationsstruktur verwendet worden wäre.

 

Simulationsuntersuchungen für diesen Zweck wurden durchgeführt, konnten aber keine zufriedenstellenden Ergebnisse erzeugen. Somit stellt die verwendete Simulationsstruktur diesbezüglich eine Vereinfachung dar. Eine weitere von der Frequenz abhängige Größe ist der Thyristorzündimpuls. In /1/ wurde beschrieben, wie dieser Impuls bestimmt wird. Daraus lassen sich Werte für andere gewünschte Ausgangsfrequenzen gewinnen:

Weiterhin muss der Ständerstrom in Abhängigkeit vom Belastungsmoment der Maschine bestimmt werden. Da in den Arbeitspunkten des linearen Teils der n/m-Kennlinie im 1. Quadranten simuliert wird, kann man den Effektivwert des Ständerstromes nach /1/ wie folgt bestimmen:

I1 (m) = √(I²n-I²0/M²n)*m+I²0)

Im Modell wird jedoch der Zwischenkreisgleichstrom eingetragen. Zur Berechnung wird Gleichung (57) benutzt, mit dieser Bestimmungsgleichung ist man mit einem geringeren Strom als von /2/ (Gleichung 55) angegeben auf der sicheren Seite.

Die Tabellen 11 – 16 zeigen die Werte, wie sie im Simulationsprogramm während der Simulation eingetragen wurde. Die Simulationsergebnisse im Anhang A1 – A8 zeigen den Verlauf der Größen Ständerstrom und Spannung bei verschiedenen Arbeitspunkten.

Folgende Aussagen lassen sich treffen:

Arbeitspunkte f1 = 5 Hz:

Da die Periodendauer T = 0.2 s beträgt, ist der Einschwingvorgang nach ca. 2s noch nicht abgeschlossen (siehe Anhang A1.1). Vergleicht man die Ergebnisse mit der realen Messung, kommt man zu der Feststellung, dass die simulierte Strangspannung u12 = 50 V als Ergebnis errechnet, was dem theoretisch errechneten Wert entspricht. Sieht man von der Tatsache der idealen Gleichstromeinspeisung im Modell ab, kann festgestellt werden, dass Ergebnisse simuliert wurden, die den realen Verlauf der Strangspannung mit einiger Genauigkeit wiedergeben können, wenn das Asynchronmaschinenmodell mit einem Widerstandsmoment MW>MN/10 belastet wird.

Ungünstigerweise lässt sich hier noch kein direkter Vergleich anstellen, da unterschiedliche Belastungsfälle herrschen und demzufolge nicht die gleiche Spannung dargestellt ist.

Arbeitspunkt: f1 = 25 Hz:

Hier erkennt man die Grenzen der Genauigkeit des verwendeten Modelles. Die Spannungsspitzen während der Kommutierung werden lediglich als Spitzen dargestellt, die in einer Höhe von ca. 500 V mit den gemessenen Werten relativ gut übereinstimmen. Auch der theoretische Wert von u12 = 269 V Spitzenwert wird hinreichend  genau simuliert. Jedoch der weitere Kurvenverlauf kann hier nur als Näherung betrachtet werden, da der Einfluss der idealen Stromquelle des Zwischenkreises eine Vereinfachung des Kurvenverlaufes erzeugt.

Die Diskussion weiterer Arbeitspunkte wird zusammengefasst, da ein Vergleich mit der realen Messung nicht erfolgen kann. Zur Simulation oberhalb der 50 Hz-Grenze seien noch ein paar auswertende Bemerkungen angeführt: Ein Absenken der Gegenspannung Eg muss erfolgen, da die sonst simulierten Werte an einer solchen Antriebseinrichtung nicht zu realisieren sind. Bei dem Modell der idealisierten Gleichstromquelle im Zwischenkreis kann die Begrenzung nur im Modell der AMKL erfolgen. Das ist mit Schwierigkeiten verbunden, wurde getestet, konnte aber nicht die zu erwartenden Ergebnisse hervorbringen (siehe S. 41).

 

Schlussfolgerung: Es muss für diesen Fall mit einem kompletten Umrichter simuliert werden.

Weiterhin werden durch die zeitlich nun noch schnelleren Stromanstiege und -abfälle die Formen der Stromblöcke durch die Ständerinduktivität stark verschliffen. Das tritt in der Realität ebenfalls auf. Jedoch wird wie schon angeführt, bereits eine Idealisierung der Stromblöcke vorgenommen, hinzu kommen auch noch die idealisierten Kennlinien von Induktivitäten durch das Simulationsprogramm und die zu hohe Ausgangsspannung der modellierten AMKL-Struktur. Also liegen die Grenzen des Modelles zunächst oberhalb von ca. f1 = 75 Hz. Da ein direkter Vergleich mit Messungen nicht möglich ist, sollen an dieser Stelle die Betrachtungen zur Tauglichkeit der Simulationsstruktur nicht weitergeführt werden.

 

Zusammenfassung der Simulationsergebnisse oberhalb der Nenndrehzahl:

Es stellen sich die vorausberechneten Drehzahlen (Abweichung ca. 3) und Motormomente (kaum Abweichungen) ein. Die Form der verschliffenen Stromblöcke verursacht Spannungsverläufe, die kaum noch sinusförmig sind (Kommutierungsspitzen ebenfalls kaum erkennbar) und aufgrund der für alle Betrachtungen gewählten Abtastzeiten von ta = 0.1ms ist die praxisnahe Wiedergabe der errechneten Kurvenverläufe infrage zu stellen.

 

Zusammenfassung der Ergebnisse unterhalb der Nenndrehzahl:

Unterhalb der 50 Hz-Grenze werden die Kurvenverläufe so wiedergegeben, wie sie sich auch in den Messungen ergaben. Erste Abweichungen treten bei f1 = 5 Hz auf. Wird allerdings hier mit Nennmoment belastet, verschwinden diese Abweichungen, jedoch ist ja dieser Arbeitspunkt praktisch kaum zu realisieren. Im gesamten diskutierten Drehzahlbereich gelten weitere Aussagen über das Belastungsverhalten des Modelles: Es konnte kein Leerlaufverhalten mit vertretbaren Ergebnissen simuliert werden. Das sonst übliche Abklingen der Schwingungen der Größen war nicht zu beobachten (siehe S. 39).

Bei Belastungen der simulierten Maschine oberhalb von MW = Mn / 10=9.85 Nm und bei der Eingabe des entsprechenden Stromwertes erbrachte die Simulation den richtigen Verlauf des Motormomentes m (siehe Anhang 1 – 8)

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