Entwicklung eines Simulators zur Nachbildung des lastabhängigen Spannungsverhaltens von Stromerzeugungsaggregaten

Abstract

In der vorliegenden Arbeit geht es um die Entwicklung eines Simulators, mit dem das lastabhängige Spannungsverhalten von Stromerzeugungsaggregaten mit Hubkolben-Verbrennungsmotor nachgebildet werden kann. Dies ermöglicht eine Prüfung von Elektrowerkzeugen auf Funktionsfähigkeit, wenn sie an der störungsbehafteten Ausgangsspannung von mobilen Stromerzeugern betrieben werden. Nach einer Marktrecherche werden Stromerzeuger unterschiedlichen Typs beschafft: Ein Inverter und zwei Geräte mit kondensatorgeregeltem Synchrongenerator. Durch Beaufschlagung von verschiedenen Lastprofilen werden parasitäre Effekte in der Ausgangsspannung provoziert und analysiert. Dabei werden drehzahlabhängige Frequenz- und Spannungsschwankungen erkannt, die innerhalb von 0,5–1,5 Sekunden wieder abklingen. Durch die hohe Impedanz der Stromerzeuger ergibt sich in Verbindung mit phasenanschnitt-gesteuerten Elektrowerkzeugen ein Reihenschwingkreis, der zu einer gedämpften Schwingung von bis zu 3,4 kHz führt. Um diese Effekte in Abhängigkeit des Laststroms nachzubilden, wird basierend auf dem Verstärker PAS-5000 ein Simulationskonzept entwickelt. Ein Teil der Simulation wird über eine künstliche Netzimpedanz mit physikalischen Bauteilen realisiert. Die relativ langsamen, drehzahlabhängigen Effekte werden über ein PXIe-Echtzeitsystem von National Instruments berechnet. In MATLAB werden aus gemessenen Ein-und Ausgangsgrößen Übertragungsfunktionen bestimmt. Die daraus abgeleiteten Rekursionsformeln werden mit LabVIEW in ein Prüfprogramm implementiert. Nach Aufbau des Simulators erfolgt die Verifikation: Strom, Spannung und Frequenz am Simulator werden bei identischem Lastprofil mit den Messreihen am realen Stromerzeuger verglichen. Es zeigt sich, dass die gedämpfte Schwingung bei richtiger Dimensionierung der Netzimpedanz gut simuliert werden kann. Die langsameren Frequenz- und Spannungsschwankungen werden allerdings nur bei den Stromerzeugern mit Synchrongenerator in ausreichender Annäherung nachgebildet. Der Inverter-Stromerzeuger ist durch seine Mikrocontroller-Steuerung nur bedingt durch Übertragungsfunktionen modellierbar. Hard- und Software des Simulators werden erfolgreich in Betrieb genommen. Der Simulator wird bei Festool weiterentwickelt: Im nächsten Schritt soll die physikalische Netzimpedanz durch eine Softwaresimulation ersetzt werden.