Hallo,
ich möchte eine reale Spule mit Eisenkern simulieren.
Hierbei interessiert mich vorallem die Abschaltenergie beim Abschalten
der induktiven Last mit einem hochohmigen Schalter.
Luftspule: Das Simulieren mit einer Luftspule stimmt mit dem realen
Messung/Versuchsaufbau relative gut überein.
Bei der Luftspule habe ich wie in der Simulation "Luftspule" zu sehen
ist, einen fast senkrechten Spannungsabfall V(N003,Ub*) nachdem der
Strom I(Lsp) abgebaut ist. Ich denke das passt.
Eisenspule: Das Simulieren mit der Eisenspule gelingt mir nicht richtig
bzw. ich verstehe nicht wie ich das Modell dafür richtig aufbauen muss
bzw. ich verstehe die Hintergründe mit der magnetischen Kopplung in
LTspice zu wenig.
Die Spannungskurve V(003,Ub*) sieht in der Realität so wie im Bild
"Eisenspule" in etwa aus. Sobald ich für einen Schnelltest in die
Luftspule einen Schraubenschlüssel reinstecke, nimmt die Spannung den
Verlauf der Eisenspule an.
Diesbezüglich habe ich die Parameter Rfe und Hc, soweit "hingetrickst"
bis es vom Spannungsverlauf her stimmte. Als wichtigere Größe sehe ich
nach der Spannungsbegrenzung durch die Diode das Abfallverhalten der
Spannung an, das ich mit Rfe erzwungen habe. Von der B-H-Kennlinie habe
ich mich an das Modell von "John Chan" gehalten. Das spezielle
Eisenmaterial kenne ich momentan nicht, sollte sich aber um ein
typisches Material dafür handeln. Lowcost. Der magnetische Kreis in der
ringförmigen Eisenspule hat eine Länge von ca. 10cm, einer
Querschnitssfläche von ca. 1cm² und einem Luftspalt von ca. 1mm.
Nun die Frage: Ist das Modell richtig bzw. wie bauen die Profis so ein
Modell auf? Ist es nicht richtiger das Modell mit dem magnetischen Kreis
zu koppeln? Falls das Modell stimmt, wie kann Rfe rechnerisch bestimmt
werden?
Bezüglich der realen Spule habe ich zwei Ersatzschaltbilder gefunden:
1. http://www.mikrocontroller.net/attachment/91783/realeSpule.png
2. Hilfe LTspice unter L. Inductor. (Ich denke, dieses ist nur bedingt
geeignet wegen dem Parallelwiderstand "Rpar")
Welches Modell beschreibt die Spule am genausten? Mit magnetische
Kopplung?
Vielen Dank im vorraus.
Thomas
Klaus Ra. schrieb:> hast Du schon einmal bei der LTspice-Yahoo-Group nachgeschaut?
Nur kurz, hab mich dort jetzt erst mal angemeldet und muss mich noch
zurechtfinden. Find da momentan noch keine Suchfunktion um ggf. nach
meiner beantworteten Frage zu suchen.
Ich habe gehofft, dass ihr mir hier in einem deutschsprachigen Forum
weiterhelfen könnt, welches dann auch der Allgemeinheit leicht zu
Verfügung steht. In der Regel werde ich beim Suchen in Google auch immer
zügig auf diese Seite weitergeleitet im Gegensatz zu der Yahoo-Gruppe.
Wenn du erwartest, dass die Simulation mit der Realität übereinstimmen
soll, dann musst du als erstes B(H) messen. Mach das mal und zeige dein
Messergebnis.
Helmut S. schrieb:> Wenn du erwartest, dass die Simulation mit der Realität übereinstimmen> soll, dann musst du als erstes B(H) messen. Mach das mal und zeige dein> Messergebnis.
Hallo Helmut,
anbei die BH-Kennlinie. Die Spule mit Eisenkern wird mit einer
konstanten Gleichspannung betrieben und "nur" mit einem hochohmigen
Schalter ein- und ausgeschalet.
Wie müsste man das magnetische Teilsystem richtig einbinden? Mit einem
Transformator bzw. über die Koppelung. Über weitere Tipps bin ich dir
sehr dankbar.
Hallo Thomas,
ich schau mir das am Wochenende an.
Schau die mal die Modelle an. Alle Modelle liefern das gleiche Ergebnis.
Im untersten Bild siehst du wie alles auf L8 konzentriert wird. Diese L8
bekommt dann das nichtlineare Spulenmodell. Rechts daneben ist ein
idealer Transformator.
Gruß
Helmut
Deine empirischen Parameter haben mit der Realität nicht viel zu tun.
Hc=160000 entspricht einem hartmagnetischen Werkstoff.
Ich habe vor einiger Zeit einmal versucht, mit den Datenblattwerten für
M530-50A (Thyssen bzw. Stanzwerk) einen Fit durchzuführen. Die Kurve
zeigt, ungeachtet der Fehler, vor allem, dass das LTspicce-Modell für
den typischen Verlauf kornorientierter Si-Fe-Werkstoffe nicht sehr gut
passt. Er ist im Bereich der Sättigung wesentlich steiler. Das kommt
vermutlich daher, dass das Modell anhand von, für Schaltregler
eingesetzten, Ferriten geschaffen bzw. getestet wurde.
Der Parallelwiderstand wird z.B. im Ersatzschaltbild für Transformatoren
gerne verwendet, ist aber nur für Berechnungen bei konstanter Frequenz
und in einem stationären Betrieb halbwegs akzeptabel.
"It is well known that the hysteretic energie dissipation can be easily
evaluated for the case of periodic (cyclic) input variations. However,
the problem of computing hysteretic energy losses for arbitrary (not
necessary periodic) input variations has remained unsolved."
Isaak Mayergoyz, Mathematical Models of Hysteresis and their
Applications, 2nd Ed. Academic Press (Elsevier) 2003
Weiter führt er im Abschnitt 1.5 aus, dass das Preisach-Modell dafür
geeignet wäre. Daraus ergäbe sich die Energie aus der Differenz zweier
zyklischen Umläufe durch die Punkte u1, u2 und einen gemeinsamen u+:
Q(u1,u2)=1/2 [Q(u+,u2)-Q(u+,u1)].
Ein typischer Wert für die Verluste wären 5,3W/kg (M530-50A @ 50Hz). Das
entspricht 106mJ/kg für einen vollständigen Umlauf. Mit deinen 10cm³ und
einer Dichte von 7,7g/cm³ ergeben sich ca. 8mJ. In deiner Simulation
treten im Widerstand 5,5mJ auf.
Da beim Abschalten aber nur die Änderung von Bs->Br auftritt erscheint
mir der Wert als zu hoch.
Ein weiteres Problem ist die exakte Messung der magnetischen
Eigenschaften (Steufelder, Vorbehandlung, Temperatur...). Siehe z.B.
Fausto Fiorillo, Measurement and Characterization of Magnetic Materials,
Elsevier 2004
Versuche erst einmal, deine vollständige Hystereskurve aufzunehmen und
einen Fit mit einem der beiden nichtlinearen LTspice-Modellen
(Flux=f(i)) durchzuführen.
Ich denke nämlich, dass für die Energieberechnung vor allem der
Induktivitätsverlauf relevant ist, während die Fe-Verluste im Rahmen der
Meßgenauigkeit untergehen.
Als Test kannst du auch deine Anordnung mit einem konstanten
Stromanstieg (1A/s) versorgen - die Spanung gibt dann direkt die
Induktivität an.
Grüße Trafo,
Sie haben Recht, dass die Chan Kernmodell die in LTspice eingebaut ist,
funktioniert nicht sehr gut für Silizium-Stahl-Kernmaterial. Wenn die
Kernmaterialparameter sind für hohe Rechtwinkligkeit angepasst, so gilt
das Modell nicht gut, und fängt an, die Konvergenz zu Problemen führen.
Das Modell baut sich der BH-Schleifen durch Zusammenkurvensegmente für
oben und unten Magnetisierung.
Dies funktioniert recht gut bei der Approximation eines weichen
Materials, wie Ferrit, aber problematisch Diskontinuitäten erscheinen,
wenn ein Versuch gemacht wird, um eine quadratische Schleife zu
entsprechen. Man muss zu einer Jiles-Atherton Teilschaltung greifen, um
eine gute Simulation der quadratischen Schleife Stahl zu bekommen.
Schade, denn diese läuft mindestens zehnmal langsamer als die
Chan-Modell.
Ciao
Hallo Helmut, Trafo und analogspiceman,
vielen Dank für eure zahlreichen Informationen. Ihr habt mich leider mit
Fakten erschlagen :-o. Jetzt bin ich mal wieder in der Realität
angekommen. Ich habe gehoff, dass man es einfacher umsetzen könnte.
Ich werde mir mal die nächste Zeit die Modelle und die magnetischen
Eigenschaften näher anschauen. Preisach-Modell und Jiles-Atherton
Teilschaltung.
Mit dankenden Grüßen :-)
Luftspule.png
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Eisenspule.png
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