Simulation von Antriebssystemen im Zusammenhang mit elektromechanisch-thermischen Wechselwirkungen am Beispiel eines Gurtförderers

Mit zuverlässigen Informationen über das dynamische Verhalten Ihrer Maschine oder Anlage bereits in frühen Entwicklungsphasen, lassen sich Fehler vermeiden, Entwicklungszeiten verkürzen und somit Kosten sparen. 

Systemsimulation ist heute das Standardwerkzeug in vielen Branchen zur Entwicklung, Auslegung und Analyse komplexer Maschinen und Anlagen aller Art – vom ersten Konzept über virtuelle Prototypen bis hin zur virtuellen Inbetriebnahme. Sie liefert Informationen des Systemverhaltens sowohl im Normalbetrieb als auch im Störfall sowie Erkenntnisse über die physikalischen Wechselwirkungen zwischen den Baugruppen bereits lange vor deren Produktion. Systemsimulation betrachtet dabei nicht einzelne Komponenten oder Baugruppen separat, sondern ganzheitlich im Zusammenhang mit anderen Baugruppen auch über die Grenzen technischer Disziplinen hinweg. Somit verstehen und bewerten Sie sicher und effizient die wechselseitigen Einflüsse mechanischer, hydraulischer, elektronischer und weiterer Baugruppen und somit das Verhalten des gesamten Systems.

Auf diese Weise lässt sich die Maschine oder Anlage funktional und energetisch optimieren, kostengünstig herstellen und betreiben sowie effizient entwickeln. Eine solche Systemanalyse zeigt das folgende Beispiel anhand eines Gurtförderers aus der Tagebautechnik.

Der Antrieb der Maschine erfolgt über einen Asynchronmotor (Nennleistung: 350 kW, Nenndrehzahl: 1488 U/min) und ein zweistufiges Stirnradgetriebe mit einer Gesamtübersetzung von 6,2. An dem gewählten Beispiel soll die Kühlung sowie der Einfluss der Temperatur auf das Antriebsystem untersucht werden. Besonders interessieren dabei die folgenden Aspekte:

  • Thermisches Management von Systemkomponenten
  • Erwärmung von Komponenten des Antriebsstranges
  • Einfluss von Umgebungstemperaturen
  • Einfluss von Kühlungsstrategien

Kennt man diese Zusammenhänge, lassen sich u. a. Aussagen zu deren thermischen Auswirkungen treffen.

Zum Beispiel:

  • Alterungsverhalten von Isolierungen
  • Änderung (Erhöhung) von Widerständen
  • Informationen zur Einhaltung der Wärmeklassen
  • Kontrolle der Kühlungsdimensionierung

Ein Simulationsmodell liefert Antworten auf diese Fragestellungen. Die Abbildung 1 zeigt ein solches Systemmodell in der Software SimulationX®:

Abbildung 1: Gesamtsystemmodell eines Gurtförderers bestehend aus mechanischen, elektrischen und thermodynamischen Teilstrukturen

Dieses enthält unter anderem Modellelemente für den Asynchronmotor, die Stirnradgetriebestufen und den geregelten Wechselrichter. Dieser wird von einem PI-basierten Drehzahlregler gesteuert. Er misst den Istwert der Drehzahl an der Motorwelle, an welcher sich eine Bremse befindet.

Als „Last“ sieht man auf der linken Bildseite das Modell des Gurtförderers. Darin sind Bandmasse und -steifigkeit, die Trägheiten der Rollen, verschiedene Reibungsverluste (z. B. Schlupf am Antrieb) sowie eine veränderliche Beladung mit Schüttgut berücksichtigt.

Das Motormodell berechnet u. a. eine Verlustleistung bestehend aus Kupfer- und Eisenverlusten sowie mechanischer Reibung. Diese wird als Wärmeverlust betrachtet. Der Motor speichert einen Teil der resultierenden und gibt einen anderen Teil an die Umgebung ab.

Auch dieses Verhalten ist Teil der Simulation und als Wärmespeicher- und Kühlungsmodell abgebildet (siehe Abbildung 1: Struktur rechts oben). Das Wärmespeicher-/Kühlungsmodell repräsentiert die Wärmekapazitäten des Rotors, des Stators und des Gehäuses. Weiterhin ist im Modell ein leicht isolierender Luftspalt zwischen Stator und Gehäuse abgebildet sowie die Kühlrippen des Gehäuses und ein Lüfter, welcher die dort abgegebene Wärme abführt. Die somit ermittelten Temperaturen der Motorbauteile fließen in temperaturabhängige Beschreibungen der elektrischen Widerstände ein, was zu einem temperaturabhängigen Nennleistungsverlust des Antriebs führt. Da die Erwärmung des Getriebes aufgrund der Konstruktion keine wesentliche Rolle spielt, kann diese vernachlässigt werden. Falls gewünscht, ließe sie sich jedoch über eine ähnliche Struktur berücksichtigen.

Die Simulation definierter Lastzyklen wie beispielsweise das Anfahren der Anlage lassen Aussagen zum temperaturabhängigen Verhalten zu. Abbildung 2 zeigt die Verläufe des Anfahrvorgangs (Motor-Verlustleistung, Motormoment und Bandgeschwindigkeit).

Abbildung 2: Zeitverläufe des Anfahrvorgangs – oben: Verlustleistung, mittig: Motormoment, unten: Bandgeschwindigkeit

Beispielhaft betrachten wir nun die Ergebnisse zur Motorkühlung. Dabei gilt es herauszufinden, wie stark sich der Motor in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur erwärmt. Auf diese Weise lässt sich der Kühler zielführend auslegen sowie dessen korrekte Dimensionierung validieren.

Die Diagramme in Abbildung 3 zeigen den Einfluss des gewählten Kühlers auf den zeitlichen Verlauf der Motortemperatur bei -10 °C, +20 °C bzw. +40 °C Außentemperatur.

Abbildung 3: Verlauf der Motortemperatur über der Zeit (oben: Anlaufphase, unten: gesamter Zyklus)

Die gewählten Kühlerparameter bewirken also einen Anstieg der Motortemperatur im Betrieb auf fast 150 °C bei 40 °C Außentemperatur (Sonnenschein). Diese Temperaturen sind zu hoch. Der Kühler muss dementsprechend so angepasst werden, dass dieser mehr Wärme abtransportieren kann.
Vergrößert man die Kühlrippen (Rippenhöhe in Radialrichtung) und den Luftmassenstrom des Lüfters (durch eine höhere Lüfterdrehzahl) verbessert sich die Wärmeabfuhr. Die richtige Rippenhöhe und Lüfterdrehzahl lässt sich schnell und zuverlässig anhand des Simulationsmodells ermitteln und optimieren.

Abschließend ein kurzer Ausblick auf weitere Analysen, die sich mit dem gezeigten Simulationsmodell durchführen lassen:

In den Modellelementen der in Abbildung 1 gezeigten Getriebestruktur sind die Verzahnungseigenschaften mit Spiel und Steifigkeitsschwankungen (Parametererregung) ebenso wie der Motor mit seiner Netzfrequenz-Anregung detailliert hinterlegt. Dies ermöglicht die Untersuchung von Torsionsschwingungen und Geräuschemissionen sowie den Einfluss von Unwuchterregungen. Weiterhin eignet sich das Modell um das Verhalten des Systems bei Überlastsituation sowie Havarien (z. B. Not-Aus) etc. zu überprüfen und somit auch in Ausnahmesituationen (v.a. durch passendes Auslegen der Bauteile und der Regler) einen gefahrlosen Betrieb zu sichern.

Zusammenfassung und Ausblick

Mit multiphysikalischer Systemsimulation lassen sich technische Systeme in allen relevanten Eigenschaften inklusive ihrer inneren und äußeren Abhängigkeiten effizient analysieren, testen und optimieren. Moderne Simulationsumgebungen ermöglichen auf diese Weise eine Vielzahl an Analysen in einem Modell bei effizienten Modellierungsprozessen und schnellen Berechnungszeiten. Eine verständliche, leicht bedienbare Benutzeroberfläche und anschauliche Analysewerkzeuge sorgen für eine niedrige Einstiegsschwelle, effiziente Arbeitsprozesse und öffnen Simulation für verschiedene Anwender in unterschiedlichen Branchen. In SimulationX erstellen Sie anhand einer großen Auswahl von Modellelementen, sortiert in Bibliotheken für unterschiedliche Anwendungen, schnell und wirtschaftlich Modelle unterschiedlicher Antriebsstränge und einer Vielzahl von Anwendungen darüber hinaus. Die Parametrierung erfolgt mittels üblicher Katalog- oder Zeichnungsdaten sowie physikalischer Eigenschaften. Mit der passenden Analysemethode (Zeitbereich, Frequenzbereich [stationär], Eigenschwingungen, Ordnungsanalyse, Übertragungsverhalten, …) erhalten Sie die für Sie relevanten Ergebnisse aus dem Simulationsmodell. Speziell für diesen Zweck entwickelte Sprachen zur Modellbeschreibung wie der nicht-proprietäre Standard Modelica® ermöglichen dem Anwender bei Bedarf vorhandene Modelle zu verändern oder vollständig selbst zu definieren. Sollen Daten aus unterschiedlichen Quellen bearbeitet werden ist bei der Auswahl der geeigneten Plattform auf eine entsprechende Auswahl von Schnittstellen zu achten. Der hersteller- und plattformunabhängige Schnittstellenstandart FMI ermöglicht den unkomplizierten Austausch von Simulationsmodellen unterschiedlichem Ursprungs. Um an einem Simulationsmodell eine Vielzahl von Berechnungen (z. B. in Form von Parameterstudien) effizient durchzuführen, ist es von Vorteil diese per Skript (z. B. mit Hilfe des COM-Interfaces) steuern zu können.

Autoren dieses Artikels

  • Sebastian Grützner, Chief of Library Integration, ESI ITI GmbH Dresden
  • Alex Magdanz, Senior Engineer, ESI ITI GmbH Dresden
  • Thomas Hofmann, Product Marketing Manager, ESI ITI GmbH Dresden