Software: SimX - Nadelantrieb - Struktur-Optimierung - Struktur-Modifikation

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Struktur-Modifikation (Modell)

Das für die aktuelle Etappe benötigte Simulationsmodell Etappe5_xx.isx (mit xx=Teilnehmer 00..99) erzeugen wir als Kopie aus der Modell-Datei der vorherigen Etappe:

• Dieses SimulationX-Modell muss mit den Parametern des in der Etappe3 erreichten Nennwert-Optimums konfiguriert sein.
• Es enthält die erforderlichen Ergänzungen für die Durchführung der probabilistischen Simulation.

Wichtig:

• Die Nennwert-Optimierung in Etappe3 erfolgte mit einer angenommenen Spulen-Temperatur T_Spule=90°C.
• Im Rahmen der Toleranz-Analyse wurde der obere Grenzwert für den zulässigen Temperaturbereich auf 70°C präzisiert.
• Um dies zu berücksichtigen, muss für die erneute Nennwert-Optimierung CAD.T_Spule=70°C gesetzt werden!

Wir haben uns noch nicht auf eine konkrete neue Schutzbeschaltung als Ersatz für den Schutzwiderstand festgelegt. Jedoch ist die Dimensionierung einer elektrischen Schutzbeschaltung für die Magnet-Spule immer abhängig von den zulässigen elektrischen Grenzwerten. Deshalb erweitern wir die Liste der CAD-Parameter um die elektrische Grenzwerte der Spule im "CAD_Data-Compound":

i_Grenz      = 1.5 A         [Maximalstrom des Netzteils für die Spule ]
v_Grenz      = 200 V         [Maximale Abschaltspannung an der Spule   ]

• Diese CAD-Parameter ermöglichen eine nachträgliche Anpassung bzw. Präzisierung der elektrischen Grenzwerte an zentraler Stelle.
• Die Einspeisung dieser Grenzwerte in die zugehörigen Schaltelemente gewährleistet eine automatische Anpassung an die aktuellen Vorgaben.
• Hinweis: Der Wert i_Grenz=1.5 A entspricht der aktuellen Forderung aus Sicht des verfügbaren Netzteils. Dieser Wert muss im Verlaufe der Struktur-Optimierung an die funktionellen "Bedürfnisse" des E-Magneten angepasst werden!

Modifikation der Ansteuerschaltung im Controller-Compound

Die elektrischen Spulen-Grenzwerte werden für die Dimensionierung der Schaltungselemente benötigt. Dafür sind im Controller-Compound die beiden zusätzlichen Parameter-Komponenten zu ergänzen:

i_Grenz      = CAD.i_Grenz   [Maximalstrom des Netzteils für die Spule ]
v_Grenz      = CAD.v_Grenz   [Maximale Abschaltspannung an der Spule   ]

Beachte:

• Innerhalb des Type-Designers sollte nicht Bezug auf übergeordnete Bezeichner des konkreten Modells genommen werden!
• Deshalb sollten bei der Definition der neuen Parameter im Controller-Compound unsere vorläufigen Werte als Standardwerte benutzt werden.
• Die Zuweisung der CAD-Werte erfolgt dann erst am aktualisierten Elektronik-Teilmodell.

===>>> Die folgenden Abschnitte werden noch überarbeitet !!!

https://www.elektronik-kompendium.de/public/schaerer/powzen.htm

Strombegrenzung

Wir greifen die naheliegende Idee auf und versehen das Netzteil mit einem Strombegrenzungselement iGrenz:

• Leider enthält die Modell-Bibliothek keinen Strombegrenzer als Elementtyp, so dass wir selbst ein solches Element entwickeln müssen.
• Wir benutzten dafür direkt einen normalen elektrischen Widerstand, dessen Widerstandswert R sich in Abhängigkeit vom durchfließenden Strom ändern soll:
  R=| i / i_Grenz |⁵¹²
• Der Wert für den Maximalstrom iGrenz wird im Geometrie-Element als zusätzlicher Parameter definiert.

1. Für i<i_Grenz geht der Widerstandswert gegen Null.
2. Für i>i_Grenz nimmt der Widerstandswert große Werte an, um den Strom zu begrenzen.

• Der Exponent=512 hat sich als numerisch günstiger Kompromiss zwischen numerischer Stabilität und Begrenzungsfunktion erwiesen.
• Insbesondere der 2. Fall führt infolge der Exponentialfunktion im Zusammenspiel mit den Eigenarten der numerischen Simulation schnell zu numerischen Problemen. Deshalb erfolgt für den Widerstandsparameter iGrenz.R eine Begrenzung der Exponentialfunktion unter Berücksichtigung der Ereignisbehandlung:

if noEvent(abs(self.i/Geometrie.iGrenz)<1.1)then pow(abs(self.i/Geometrie.iGrenz), 512)else pow(1.1,512)

Spannungsbegrenzung

Würde man den Schutz-Widerstand wie bisher in die Nennwert-Optimierung einbeziehen, so wird das Abschalten der Spule wahrscheinlich nicht beim Maximalstrom erfolgen:

• Damit kann weiterhin eine zu hohe Abschaltspannung auftreten (z.B. bei Behinderung des Prägens).
• Diese Abschaltspannung ist dann ca. doppelt so groß wie zulässig und würde wahrscheinlich zur Zerstörung der Spule führen.

Falls man ein zusätzliches Begrenzer-Element für die Spannung vermeiden will, so muss man den Abschaltwiderstand so dimensionieren, dass bei max. zulässigem Strom höchstens die max. zulässige Spannung anliegt:

Widerstand.R = v_Grenz/i_Grenz

• Der Wert für die Maximalspannung vGrenz wird ebenfalls im Geometrie-Element als zusätzlicher Parameter definiert.
• Der Wert des Schutz-Widerstandes ist nun durch die laut Anforderungsliste gegebenen elektrischen Grenzwerte vollständig bestimmbar. Deshalb muss er nicht mehr als Entwurfsparameter in den folgenden Optimierungsschritten berücksichtigt werden. Liegt der berechnete Wert außerhalb z.B. der E24-Widerstandsreihe, so könnte man ihn technisch z.B. durch Parallelschaltung zweier E24-Widerstände kostengünstig realisieren!

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