6 Auswertung der Simulation

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1 6 Auswertung der Simulation Übungsziele: Kennenlernen des Auswertungsprogramms DAY des SIMPLORER Es wird das Beispiel der W1-Schaltung mit ohmscher Belastung benutzt. Vergleich der Ergebnisse der SIMPLORER-Simulation mit denen der MATH- CAD-Simulation Direktübertragung von SIMPLORER-Dateien zur Auswertung in MATHCAD Übungsdateien: MATHCAD: SIMPLORER: w1.mcd; lesen.mcd w1rl.ssh; w1rl_m.ssh 6.1 SIMPLORER-Modul DAY Im Kapitel 5 wurden einige Kennwerte für die Beurteilung von Zeitfunktionen definiert. Die in MATHCAD erstellten Zeitfunktionen können unmittelbar über entsprechende Gleichungen ausgewertet werden. Die durch Simulation mit SIMPLO- RER erzeugten Grafiken lassen sich zusätzlich mit dem Programmmodul DAY weiter verarbeiten, wenn sie während der Simulation über die Ausgabeverein barung in eine ASCII- oder Binärdatei gespeichert wurden. Sie erhalten automatisch entsprechende Zusätze zu den frei gewählten Namen, z.b. heißt die Binärdatei nameu.mdx und die ASCII-Datei namef.mdx. Zum Namen wird entweder ein u oder ein f zugefügt. Bild 6.1: W1-Schaltung im SIMPLORER Als Beispiel für den Vergleich beider Programme werden die Ausgangsspannung und der Strom der Wechselwegschaltung W1 bei einer Steuerung mit α = 45 herangezogen. Mit den Eingaben für R1 = 1 Ω und L1 = 1 µh wird die Schaltung

2 84 6 Auswertung der Simulation nach Bild 6.1 im SIMPLORER simuliert. Es ergibt sich ein ohmsches Verhalten der Lastgrößen. Strom- und Spannungsverläufe haben in diesem Sonderfall gle i- che Form und gleiche Werte bei unterschiedlichen Dimensionen. Beide Zeitfunktionen sind deckungsgleich. Im ViewTool (Bild 6.2) ist der Strommaßstab um die Hälfte verkleinert, damit die Stromkurve sichtbar wird, da sonst in diesem Spezia l- fall Strom und Spannung übereinander liegen würden. Bild 6.2: ViewTool-Ausgabe für Strom- und Spannung Funktionen, die mit DAY weiter untersucht werden sollen, müssen vor der Simulation im Menü (Eigenschaften; Ausgabe) des jeweiligen Bauteils zur Ausgabe in eine ASCII-Datei oder Binär-Datei durch Hinzufügen vorbereitet werden. Bei der Simulation des Netzwerkes w1rl.ssh werden die Daten gleichzeitig z.b. in die Datei w1rlf.mdx geschrieben. Über den Commander wird das Daten-Analyse-Programm DAY durch einen Doppelklick auf w1rlf.mdx geladen. In DAY wird sofort eine 2D-Grafik mit allen Kanälen dargestellt. Über Str + G erscheint die Kanalbelegung (Bild 6.3). In diesem Fenster kann man alle Kanäle grafisch neu ordnen. Durch den Befehl Hinzufügen wählen wir in unserem Beispiel die Spannungskoordinaten VM1 aus, die über der Zeit T aufgezeichnet werden. Es ist nicht zwin gend, die Abszisse unbedingt mit dem Zeitkanal zu belegen. Hier kann man z.b. auch Strom-Spannungs-Kennlinien zeichnen. Nach der Bestätigung durch OK erscheint eine neue Grafik. Über die linke Maustaste können über Eigenschaften viele Grafikparameter geändert werden.

3 6.1 SIMPLORER-Modul DAY 85 Bild 6.3: Kanalbelegung Mit Str + T werden ausgewählte Kanäle in einer Tabelle (Bild 6.4) aufgelistet. In den ersten Spalten liegt z.b. der Zeitkanal T, gefolgt vom Stromkanal I R1 und dem Spannungskanal VM1. Die Spaltenlänge ist von der Wahl der Simulationsschritte abhängig. Allgemein arbeitet die Simulation nicht mit konstanten Schrittweiten, sondern passt sich in der Schrittweitenberechnung der Kurvenform an. Gleiche Schrittweite kann durch die Wahl von HMIN = HMAX im Eigenschaftenmenü der Schematic-Oberfläche erzwungen werden. Eine direkte Auswertung der Kanäle erfolgt über (Analyse; Kennwerte) siehe Bild 6.5. Im Fenster Kanäle wird ein Kanal ausgewählt, dessen Kennwerte berechnet und ausgegeben werden. Da die gesamte Kennwerteliste angezeigt wird, muss der Anwender über sinnvolle Werte von Fall zu Fall selbst entscheiden. Für das Beispiel ist z.b. die Angabe der Welligkeit unsinnig, da die untersuchte Funktion eine reine Wechselgröße ist.

4 86 6 Auswertung der Simulation Bild 6.4: ASCII-Daten im DAY Bild 6.5: Kennwerte aus DAY

5 6.1 SIMPLORER-Modul DAY 87 Im Menü (Analyse; Leistung) kann man Leistungsmittelwerte berechnen. Es werden die Wirkleistung P, die Gesamtscheinleistung S; die Gesamtblindleistung Q sowie der Leistungsfaktor λ berechnet. Da beliebige Kanäle eingegeben werden können, ist darauf zu achten, dass eine sinnvolle Leistungsberechnung nur bei Eingabe von Strom- und Spannungswerten möglich wird. Für das Beispiel ergeben sich die Leistungen nach Bild 6.6. Da der induktive Anteil der Last fast Null ist, beträgt der Leistungsfaktor λ 1. Die Wirkleistung ist gleich der Scheinleistung und ergibt ca. P = 48 kw durch die Multiplikation von Strom- und Spannungsmittelwerten an der Last. Multipliziert man dagegen den Strom mit der Eingangsspannung U S, ergibt sich der Leistungsfaktor λ = 0,95 bei P = 48 kw; Q = 15 kvar und S = 50 kva. Die Blindleistung setzt sich aus der Steuer- und Verzerrungsblindleistung zusammen. Die Genauigkeit der Ergebnisse hängt stark von der Simulationsschrittweite ab. Oft täuschen die Stellenangaben hinter dem Komma eine trügerische Genauigkeit vor. Bild 6.6: Leistungswerte aus DAY Unter FFT kann unmittelbar eine Fast-Fourier-Transformation (FFT-Analyse) durchgeführt werden. Die Ergebnisse sind entweder über der Frequenz als Amplitudenspektrum grafisch darstellbar, als komplexe Größen nach Betrag und Phase oder als Real- und Imaginärteil in einer Tabelle verfügbar. Bild 6.7 zeigt das Amplitudenspektrum des Laststroms. Die automatisch erstellte Grafik wird anschließend über das Eigenschaftenmenü der Bildoberfläche optisch verschönert. Im Beispiel wurden Rechtecke als Markierung und die dickste Strichstärke gewählt. Netzlinien und Ordinatenachsen können ebenfalls passend eingestellt werden. Es lohnt sich, da ein wenig zu probieren.

6 88 6 Auswertung der Simulation Bild 6.7: Amplitudenspektrum aus DAY Es ist zu erkennen, dass neben der Grundschwingung mit einer Amplitude von ca. 300 A bei 50 Hz die 3., 5., 7. und 9. Oberschwingung dargestellt werden. Ein Vergleich mit den Ergebnissen aus der Fourier-Analyse mit MATCAD folgt weiter unten. Der Kanalrechner (Bild 6.8) in DAY ist ein sehr effektives Werkzeug. Er wird ü- ber (Analyse; Kanalrechner) geöffnet. Bild 6.8: Kanalrechner in DAY

7 6.2 Auswertung der Simulation mit MATHCAD 89 Die Kanäle können wie mit einem Taschenrechner miteinander durch die Grundrechnungsarten und mit einigen vorgegebenen Funktionen verknüpft werden. Für das Beispiel bestimmen wir den Leistungsverlauf p(t) = u(t)*i(t) Zu diesem Zweck wird der Kanal C3:=C1*C2 berechnet. Eine Integration und Differentiation der Kanäle ist durch separate Menüpunkte unter Analyse möglich. Die Leistungsmomentanwerte p(t), die aus der Berechnung des Kanalrechners in C3 gespeichert wurden, sind in die Grafik (Bild 6.9) ausgegeben. Der Leistungsrechner gab einen Wert für die Wirkleistung von P = S = 47,8 kw an. Dieser Wert stellt den arithmetischen Mittelwert P in der Grafik dar. Bild 6.9: Leistungsmomentanwert p(t) aus DAY 6.2 Auswertung der Simulation mit MATHCAD Mit den Parametern des Beispiels aus dem SIMPLORER wird nun die Simulation in MATHCAD durchgeführt. Grundsätzlich kann ein Vergleich nur bei einfachen Schaltungen erfolgen, die vollständig mathematisch beschrieben werden können. Bei der W1-Schaltung mit ohmscher Belastung ist diese Bedingung erfüllt. Die Leistungswerte zeigt Bild Das Amplitudenspektrum des Laststromes in MATHCAD zeigt Bild Im Gegensatz zum Bild 6.7 sind hier die Spektren nicht über der Frequenz, sondern über der Ordnungszahl ν der Oberschwingungen aufgezeichnet.

8 90 6 Auswertung der Simulation Bild 6.10: Amplitudenspektrum nach MATHCAD Die Genauigkeit der numerischen Auswertung hängt auch hier von der gewählten Schrittweite ab. Sie ist im Gegensatz zum SIMPLORER äquidistant. Die Gegenüberstellung der Ergebnisse aus beiden Programmen in Tabelle 6.1 zeigt ausreichende Übereinstimmung. Tabelle 6.1: Datenvergleich der Leistungen SIMPLORER w1rl.ssh MATHCAD w1.mcd S kva P kw Q kvar Strom Grundschwingung A Strom 3. Oberschwingung A 50,1 47,72 15, ,95 50,2 47,9 14, ,95 λ

9 6.3 Dateiexport in MATHCAD 91 Bild 6.11: Leistungswerte aus MATHCAD 6.3 Dateiexport in MATHCAD Die in SIMPLORER gewonnenen ASCII-Dateien Namef.mdx können in das MATHCAD-System eingebunden und auch weiter verarbeitet werden. Mit dem Befehl PRNLESEN der Datei *.prn. in der Datei lesen.mcd wurde dieses Verfahren an der Beispieldatei w1rl.prn erprobt und in Bild 6.12 angegeben. Mit diesem Beispiel soll gezeigt werden, dass die vom SIMPLORER gelieferten ASCII-Dateien in fremde Software eingebunden werden können. Vorgehensweise: 1. Die ASCII-Datei namef.mdx muss in das Verzeichnis von MATHCAD kopiert und dort in die Datei namef.prn umbenannt werden. 2. Mit der Funktion A:=PRNLESEN( namef.prn ) wird die Datei dem Vektorfeld A zugeordnet. Die Funktion ermittelt die Zahl der Zeilen und Spalten und erstellt eine Matrix.

10 92 6 Auswertung der Simulation Sämtliche Zeilen in der Datei müssen über dieselbe Zahl von Werten verfügen. MATHCAD ignoriert dabei Zeilen ohne Werte. PRNLESEN ignoriert in der Datei vorkommenden Text. Das Ergebnis des Einlesens ist eine (n x m)-matrix A mit m Zeilen und n Spalten. 3. Wenn der Index der ersten Matrixzelle ORIGIN, wie voreingestellt, auf 0 steht, erhalten wir über den Befehl max:=zeilen(a)-1 die größte Zeilennummer, die in der Variablen max gespeichert wird. Daraus folgt der größte Wert der X- Achse. 4. Aus max(a) und min(a) folgen die Grenzen der Ordinatenachsen Bild 6.12: Datei lesen.mcd aus MATHCAD

11 6.3 Dateiexport in MATHCAD 93 Ab der Version SIMPLORER 4.2 ist es möglich MATHCAD direkt mit dem SIM- PLORER zu verbinden, wenn eine MATHCAD-Version höher als 8 auf dem Rechner installiert ist. Das Kupplungselement liegt im Modellbaum im Ordner MATHCAD. Zusätzlich muss über das Menü <Bearbeiten/Neues Objekt einfügen> die MATHCAD-Oberfläche eingebunden werden. Auf der CD befinden sich einige Anwendungsbeispiele der Firma SIMEC für diese Kopplung. In der Beispieldatei w1_mcd_link.ssh ist die Verbindung realisiert. Einzelheiten sind im Kapitel 4.3, Kopplung mit MATHCAD, dem Handbuch zu entnehmen.