Klauenpolgenerator mit frequenzabhängigen Spannungsfaktor in LT-Spice

[Roland B. (monsieurhulot)]

Vorab: ich habe nur begrenzt Ahnung von LT-Spice und suche Hilfe.

Hallo,

ich möchte mit LT-Spice eine Ersatzschaltung eines Nabendynamos 
erstellen, um dahinterliegende Schaltungen (Licht, Ladegeräte, 
Stromversorgung von allem Möglichen) auszuprobieren. Ich wäre schon 
froh, wenn LT-Spice grob in etwa die Werte liefert und darstellt, die in 
den Diagrammen der folgenden Arbeit zu sehen sind und darin ist auch ein 
Spannungsfaktor aufgeführt:

http://www.enhydralutris.de/Fahrrad/Modellierung_eines_Nabendynamos__Mathias_Magdowski_.pdf

Meine Überlegungen bisher:
Ich nehme das in der Arbeit zu sehende Ersatzschaltbild aus L, Ri, Rfe 
und setze davor eine Quelle, die den Spannungsfaktor (kU) mit der 
Kreisfrequenz (2*pi*f_dynamo) multiplizieren kann.
Das Produkt wird dann mit dem Sinus der (Kreisfrequenz*Zeit), also 
pi*f-, 2pi*f-, 3pi*f *t multipliziert, durch die Schaltung gejagt und 
auf der x-Achse (Zeit) abgerollt.

Ich habe eine bv-Quelle genommen und folgendes eingetragen: 
V={(kU*omega)*sin(omega*time)}, dahinter sitzt der Rest der 
Ersatzschaltung.

Soweit funktioniert das schonmal. Auch kann ich eine TRAN-Analyse als 
steps durchführen und sehe dann abgestuft verschiedene 
Fahrgeschwindigkeiten im gleichen Fenster. Diese übereinanderliegende 
Darstellung ist erträglich, aber nicht wirklich zufriedenstellend.
Schöner wäre es, wenn man auf der x-Aches km/h oder einfach nur die 
zeitlose Frequenz (wie ein Bode-Plot) hätte und auf y dann eben Strom 
und Spannung - so, wie in der Arbeit dargestellt.

Nur bin ich hier mit meinem Latein am Ende, wie ich das in LTSpice 
umsetzen könnte.
Ein AC-Analsyse scheint hier nicht zu gehen, da eine normale 
Spannungsquelle anscheinend nicht mit einem frequenzabhängigen Faktor 
versehen werden kann. Das geht anscheinend nur mit einer bv-Quelle, die 
ich ja auch verwendet habe.
Diese wiederum kann anscheinend nicht für Frequenzsweeps verwendet 
werden.

Schade ist auch, dass sobald ein Serienkondensator hinter der Quelle 
eingefügt wird und es von diesem dann in einen Gleichrichter geht, 
LTSpice sich in Grübeleien verstrickt und merkwürdige Ergebnisse 
ausspuckt. Es wird so langsam, dass ich die Analyse abbrechen muss. 
Woran könnte das liegen?

Habt ihr Ideen, wie man zum Ziel kommen könnte und ohne, dass LTSpice 
anfängt den Rechner zum Rauchen zu bringen?

[H. H. (hhinz)]

ASC-Files?

[Roland B. (monsieurhulot)]

Im Anhang.

[Roland B. (monsieurhulot)]

Hat denn schon jemand mal das LT_dynamo.asc ausprobiert?
Was passiert bei euch, wenn ihr einen Serienkondensator einfügt?
Konvergenzprobleme?
Bzw. ich habe das im angehängten .asc bereits gemacht.
Was macht man da?


Desweiteren wäre mir eine Darstellung über die Frequenz auf der x-Achse 
lieber.
Wie macht man das, wenn man einen Spannungsfaktor hat, der mit der 
Kreisfrequenz multipliziert wird?

[H. H. (hhinz)]

Nimm mal realere Dioden.

[Hannes J. (pnuebergang)]

Roland B. schrieb:
> Desweiteren wäre mir eine Darstellung über die Frequenz auf der x-Achse
> lieber.

Transient ist dafür der falsche Analysemodus. Manche Sachen kann man 
zwar tricksen, aber vermutlich ist AC-Analyse eher das was du suchst.

> Wie macht man das, wenn man einen Spannungsfaktor hat, der mit der
> Kreisfrequenz multipliziert wird?

Was soll ein "Spannungsfaktor" sein? Wenn es ein Teiler < 1 ist, dann 
ginge schon ein Spannungsteiler. Allgemein aber je nach Aufgabe und 
Motivation ein Verstärker, eine spannungsgesteuerte Spannungsquelle 
(E-Quelle) oder eine arbiträre Spannungsquelle (BV-Quelle). In 
beschränktem Umfang kann man auch was mit der normalen Spannungsquelle 
(V-Quelle) machen, da auch bei der eingeschränkt Berechnungen bei der 
Spannungsangabe zulässig sind.

Das ginge ebenfalls mit den äquivalenten Stromquellen.

[Roland B. (monsieurhulot)]

Hannes J. schrieb:
> Was soll ein "Spannungsfaktor" sein?

In der oben verlinkten Arbeit sieht man, was damit gemacht wird.
Im Python-Abschnitt (Seite 9) unter #Spannungsquelle.
Ich habe mir das daraus hergeleitet und in die Quelle eingetragen:
V={(kU*omega)*sin(omega*time)}
Mit steigender Frequenz geht die Spannung hoch. Es scheint zu 
funktionieren.

Kleine Korrektur meines ersten Posts: Das hier : "also
pi*f-, 2pi*f-, 3pi*f *t" ist falsch. Es muss immer 2pi heißen und f wird 
größer.

Hannes J. schrieb:
> vermutlich ist AC-Analyse eher das was du suchst.

Ja, aber da geht das mit dem "Spannungsfaktor" anscheinend nicht.
Ich kann in der AC-Quelle nichts Entsprechendes eintragen.

H. H. schrieb:
> Nimm mal realere Dioden.

Werde ich probieren.

[Uwe (neuexxer)]

Ich würde B1 wie im Anhang dargestellt ersetzen und dann
eine AC-Analyse machen.
C1 ist dann so zu bestimmen, dass z.B. bei 15 km/h
(also bei der dann vorliegenden Frequenz des Dynamos
-abhängig vom Raddurchmesser und Polpaarzahl-)
6 V an 12 Ohm anliegen.

[Roland B. (monsieurhulot)]

H. H. schrieb:
> Nimm mal realere Dioden.

Hatte jetzt wieder Zeit. Habe gerade auf die Schnelle irgendeine reale 
Schottky eingesetzt und auch den Cs noch nen mikrokleinen 
Serienwiderstand gegönnt. Juchuuu. Danke!
Ich fühle mich gerade wie der Mann mit dem Videorekorder:
https://www.radiopsr.de/videorecorder
 :-)

Uwe schrieb:
> C1 ist dann so zu bestimmen, dass z.B. bei 15 km/h
> (also bei der dann vorliegenden Frequenz des Dynamos
> -abhängig vom Raddurchmesser und Polpaarzahl-)
> 6 V an 12 Ohm anliegen.

Hallo Uwe,

ich werde mir das am Wochenende ganz genau ansehen.  Ich vermute gerade 
mal: C1 und R3 sollen den Spannungsfaktor ersetzen? Ist das einfach als 
Hochpass gedacht? Wenn ich das jetzt richtig verstehe, sieht mir das 
nach einer sehr guten Idee aus. Mit steigender Frequenz geht die 
Spannung hoch. Damit die Kurvenform in etwa stimmt müsste er nur weit 
unterhalb seiner Eckfrequenz verwendet werden und in der Quelle müsste 
eine entsprechende Spannung angepasst werden. Habe ich das bis hierhin 
schonmal richtig verstanden? Danke!


Viele Grüße an alle Mitwirkenden!

[Uwe (neuexxer)]

Roland B. schrieb im Beitrag #8052034
u.a.:

> C1 und R3 sollen den
> Spannungsfaktor ersetzen?

Das war mein Gedanke.

[Uwe (neuexxer)]

Die aktuellen Bewertungen der letzten 3 Beiträge bestätigen -leider-
das Vorurteil, das ein paar Leute ein bisschen wenig zur Weiterbildung
in D beitragen wollen bzw. können, es gibt ja keine nähere Erläuteungen.

Vielleicht fehlen da ab und an auch ein paar Grundlagen?

[Roland B. (monsieurhulot)]

Falls jemand inhaltlich-fachlich etwas gegen den einen oder anderen Post 
haben sollte, wäre es natürlich schön, wenn diese Leute aktiv darauf 
hinweisen würden, es erklären oder zumindest anmerken, warum etwas nicht 
funktionieren kann. Ist ja alles kein Beinbruch.


Ich muss mich noch mit Deiner Lösung auseinandersetzen. Mir ist 
vorgestern nach dem Abschicken des letzten Posts noch aufgefallen, dass 
die Phase zwischen Strom und Spannung gegenüber der Realität Probleme 
machen könnte. Die wird im Ersatzschaltbild ja eigentlich erst ab der 
Induktivität interessant. Davorsitzendes wäre eigentlich über alle 
Frequenzen in Phase. Würde ich jetzt erstmal denken.

[R. L. (Gast)]

Roland B. schrieb:
> Hat denn schon jemand mal das LT_dynamo.asc ausprobiert?
> Was passiert bei euch, wenn ihr einen Serienkondensator einfügt?
> Konvergenzprobleme?
> Bzw. ich habe das im angehängten .asc bereits gemacht.
> Was macht man da?

ich kann den .asc Schaltplan hier nicht anschauen, aber ich denke dass 
er so wie in meinem Anhang aussieht, nur ohne den Verstärker.
Mit dem Verstärker ist es entkoppelt und sollte keine Probleme geben

[Roland B. (monsieurhulot)]

R. L. schrieb:
> Mit dem Verstärker ist es entkoppelt und sollte keine Probleme geben

Hallo,
das Ersatzschaltbild von dem ich erstmal ausging, sah so aus, wie im 
Anhang meines Startposts.  Das kannst du auch ohne LTSpice ansehen.
Ich hatte ja eben schon eine Vermutung zu dem RC-Hochpass geäussert, der 
jetzt auch in deinem Anhang auftaucht.
Auch in deiner Zeichnung hängt vor der Induktivität ein (ja - jetzt 
entkoppelter) RC-Hochpass. Was die Phase betrifft, könnte auch das 
problematisch werden. Oder übersehe ich etwas? Sicherlich hängt zwischen 
den Wicklungen des realen Generators noch ein kleineres C, aber das ist 
wohl so irrelevant, dass es in den üblichen Ersatzschaltbildern fehlt 
und hat mit dem hier zu sehenden RC-Hochpass nichts zu tun. Übersehe ich 
da etwas? Was?

DAs LT-Konvergenzproblem konnte bereits durch das Einsetzen realerer 
Dioden gelöst werden.

[R. L. (roland123)]

Roland B. schrieb:
> Auch in deiner Zeichnung hängt vor der Induktivität ein (ja - jetzt
> entkoppelter) RC-Hochpass. Was die Phase betrifft, könnte auch das
> problematisch werden. Oder übersehe ich etwas?

am Ausgang des Verstärkers hast du eine frequenzabhängige sinusförmige 
Spannung. Wie diese zustande kommt und welche Phasenlage sie zu der 
Spannungsquelle hat, hat keinen Einfluss auf die nachfolgende Schaltung.

[Roland B. (monsieurhulot)]

R. L. schrieb:
> am Ausgang des Verstärkers hast du eine frequenzabhängige sinusförmige
> Spannung. Wie diese zustande kommt und welche Phasenlage sie zu der
> Spannungsquelle hat, hat keinen Einfluss auf die nachfolgende Schaltung.

Jain, aber du hast Recht. ;-) Mein Gedanke zu deinem jetzt entkoppelten 
RC-Hochpass war, -es kommt darauf an, wohin in der Simulation das 
Bezugspotential gesetzt wird, aber das sitzt bei meinen Messungen 
bereits hinter dem Gleichrichter und nicht an der Quelle. Von daher: ja.

Da du einen Impedanzwandler eingesetzt hast, den im Falle deines 
Schaltbilds nur die Spannungen interessieren, wäre der phasig 
danebenliegende Strom ja eigentlich wieder egal. Aus dem Impedanzwandler 
kommt der Strom wieder in Phase zur Spannung raus (und die wäre hier 
dann egal) und würde dann erst ab der Induktivität wieder interessant. 
So?

[R. L. (roland123)]

Roland B. schrieb:
> Aus dem Impedanzwandler
> kommt der Strom wieder in Phase zur Spannung raus

nein, am Ausgang des Impedanzwandlers sind Strom und Spannung nicht in 
Phase und der Strom ist auch nicht sinusförmig. Aber sollte die 
Simulation ja zeigen.

[Roland B. (monsieurhulot)]

R. L. schrieb:
> nein, am Ausgang des Impedanzwandlers sind Strom und Spannung nicht in
> Phase und der Strom ist auch nicht sinusförmig. Aber sollte die
> Simulation ja zeigen.

OK, ich nehme das jetzt mal so ungeprüft mit und werde mir das beizeiten 
mal ansehen.  Aber dann verstehe ich den Sinn dieser Ersatzschaltung 
erst recht nichtmehr.

[R. L. (roland123)]

Roland B. schrieb:
> Aber dann verstehe ich den Sinn dieser Ersatzschaltung
> erst recht nichtmehr.

die Schaltung von mir soll den entsprechenden Teil der Schaltung aus den
Buch ersetzen. Die Höhe der Spannung soll frequenzabhängig sein und
Rückwirkungen der Last auf die Spannung sollen vermieden werden

[Giovanni (sqrt_minus_eins)]

Uwe schrieb:
> Die aktuellen Bewertungen der letzten 3 Beiträge bestätigen -leider-
> das Vorurteil, das ein paar Leute ein bisschen wenig zur Weiterbildung
> in D beitragen wollen bzw. können, es gibt ja keine nähere Erläuteungen.
>
> Vielleicht fehlen da ab und an auch ein paar Grundlagen?

§1: Bewertungen zu bewerten halte ich für Zeitverschwendung.

§2: die letzten Diskussionen mit Verstärker - und so, verstehe ich 
nicht.

Ich habe einmal versucht auf Basis der Messungen ein Modell zu 
erstellen.
Bei meinem Ansatz ist der Widerstand Rfe // zu L (scheint mir 
realistischer).
Weiters habe ich der "Inneren Spannung" das Frequenzspektrum aus der 
Messung verpasst (Bild P5.png)

Damit dann mit den Ergebnissen aus dem KS-Versuch verglichen (Bild 
P6.png).

(R, Rfe, L) = Optim.minimizer(res) = [7.5510195606867585, 103.43483345851043, 0.096635536006247]
Main.sim6

Spannungsspektrum (Schätzung).
U1 = 1.0
U3 = 0.41
U5 = 0.14
U7 = 0.05
U9 = 0.042
U11 = 0.03

§3: habe 0.0 praktische Erfahrung mit LTspice, daher endet die 
Berechnung hier.

[R. L. (Gast)]

Giovanni schrieb:
> die letzten Diskussionen mit Verstärker - und so, verstehe ich
> nicht.

das Problem in LT-Spice ist folgendes:

Roland B. schrieb:
> Ein AC-Analsyse scheint hier nicht zu gehen, da eine normale
> Spannungsquelle anscheinend nicht mit einem frequenzabhängigen Faktor
> versehen werden kann.

die von mir vorgeschlagene Schaltung soll aus einer AC-Quelle mit 
konstanter Spannung eine Quelle mit einer Ausgangsspannung machen, die 
proportional zur Frequenz ist. Die Spannung der AC-Quelle muss dazu 
wesentlich größer sein als die Ausgangsspannung.

Der Verstärker soll die Spannung der Quelle lastunabhängig machen.

[Abdul K. (ehydra)]

https://electronics.stackexchange.com/questions/664313/in-ltspice-how-do-i-create-a-voltage-source-with-a-piecewise-frequency-dependen

[Roland B. (monsieurhulot)]

Giovanni schrieb:
> §2: die letzten Diskussionen mit Verstärker - und so, verstehe ich
> nicht.


Da war meinerseits auch unüberlegtes Wunschdenken bzgl. Phase und 
Bezugspotential mit drin. Ich bin bzgl. analoger Schaltungstechnik 
ambitionierter Dilletant. Seid bitte alle milde zu mir. ;-)

Es ging um den RC-Hochpass, den Roland123 und Uwe als Ersatzlösung für 
den Spannungfaktor kU gepostet haben. Ich finde die Idee wirklich gut, 
aber ich komme da erstmal nicht weiter.
Meine Annahme ist:
Wirkleistung wird nur übertragen, wenn U und I in Phase und/oder an den 
Klemmen des Verbrauchers, Last, Senke, you-name-it zumindest "in die 
gleiche Richtung" wirken, auch wenn U und I nicht-sinusförmig sind. Von 
diesem Gedanken ausgehend, ist es mir viel wichtiger, dass das Modell 
hier so gut wie möglich passt.

Ein RC-Hochpass sorgt halt leider (da wo er wirkt) für einen 
frequenzabhängigen zeitlichen Versatz zwischen Strom und Spannung = 
Modell stimmt diesbezüglich dann nichtmehr. Das war meine Grundannahme, 
bzgl. "Phase".

Was ich bzgl. "Bezugspotential hinter dem Gleichrichter" geschrieben 
habe, war wohl Wunschdenken und folgendem Gedanken geschuldet:

Meine Annahme war, dass ein idealisierter OPV-Impedanzwandler an den 
Eingängen nur mit Spannungen arbeitet = keine Ströme in die Eingänge, 
aber am Ausgang eben Strom liefern kann, der dann (theoretisch 
betrachtet) an einer reinen Ohmschen Last der Spannung wieder 
deckungsgleich folgt. Isoliert für sich betrachtet.  So, dachte ich, 
könnte man dem Problem mit dem Phasenversatz innerhalb des Modells 
entkommen.
War aber trotzdem zu schnell geschossen, da gäbe noch einiges mehr zu 
Bedenken, evtl. würde eine galvanische Trennung helfen. Heißt: Ich komme 
da erstmal gerade nicht weiter.


Giovanni schrieb:
> Spannungsspektrum (Schätzung).
> U1 = 1.0
> U3 = 0.41
> U5 = 0.14

Ich habe deine Schätzungen für die ersten zwei Oberwellen mal 
übernommen, siehe Bild im Anhang. Das müsste dann nur insgesamt noch 
"über alles" skaliert werden, damit es zu den Werten im 
Modellierungs-PDF passt. Danke, ich hätte das sonst ganz nach hinten 
geschoben, aber das ging jetzt schnell.


Abdul K. schrieb:
> 
https://electronics.stackexchange.com/questions/664313/in-ltspice-how-do-i-create-a-voltage-source-with-a-piecewise-frequency-dependen


Danke für den Link, das wäre dann wohl der nächste Schritt, die drei 
bv-Quellen in AC-Quellen mit Freq-Table zu übersetzen. Dann noch, 
LT-Spice dazu zu bringen, in der AC-Analyse statt dB eben U und I auf 
der Y-Achse darzustellen. Learning by doing.

[R. L. (Gast)]

Roland B. schrieb:
> Ein RC-Hochpass sorgt halt leider (da wo er wirkt) für einen
> frequenzabhängigen zeitlichen Versatz zwischen Strom und Spannung =
> Modell stimmt diesbezüglich dann nichtmehr. Das war meine Grundannahme,
> bzgl. "Phase".

du denkst da zu kompliziert. Die AC-Quelle mit dem RC-Hochpass ist nur 
ein "Trick" um eine frequenzabhängige Spannung zu erzeugen. Es 
interessiert nur die Spannung, die hinten rauskommt. Die Phasenlage zu 
der AC-Quelle hat keinen Einfluss. Die Wirkleistung kommt aus dem 
Verstärker, nicht aus der AC-Quelle.

In dem link von Abdul ist das eleganter gelöst. Anstelle des 
Impedanzwandlers wird die spannungsgesteuerte Spannungsquelle verwendet. 
Die kannst du so direkt in dein Ersatzschaltbild einsetzen. Dann sieht 
es auch genau so aus, wie im PDF.

Ich würde das erstmal mit einer sinusförmigen Quelle simulieren und 
nicht gleich mit den im PDF angeführten Unzulänglichkeiten des Modells 
anfangen.

[Uwe (neuexxer)]

> Ich würde das erstmal mit einer sinusförmigen Quelle simulieren
> und nicht gleich mit den im PDF angeführten Unzulänglichkeiten
> des Modells anfangen.

Zustimmung;
nimmt man, wie oben angenommen,

>> Spannungsspektrum (Schätzung).
>> U1 = 1.0
>> U3 = 0.41
>> U5 = 0.14

hat man ja auch nur einen (relativen) Effektivwert von 1,09.

[Abdul K. (ehydra)]

Hm, was willst du denn hier mit einer (zwingend linearen) AC-Simulation, 
wenn du doch als Lasten eh stark nichtlineare Elemente haben wirst?

Bist nicht eigentlich schon fertig?

Könntest vielleicht auch die Quelle als Trafo simulieren, da bietet 
LTspice ein proprietäres nichtlineares Trafomodell an. Habe es aber noch 
nie benutzt.
Im Bereich Klein-Windkraftanlagen wird es sicherlich noch mehr Papers 
geben.

Und momentan kaufen alle eBikes, du bist 20J zu spät 😅

[Uwe (neuexxer)]

> Bist nicht eigentlich schon fertig?

Ja, ganz sicher.

Eine ganze zeitlang, früher,  habe ich diverse Koryphäen/iNNen
mit meinen Steuern/Abgaben aber ganz gut subventioniert...

---

Beim dem o.a. Simulieren ist es ziemlich praktisch, wenn man
erst mal von linearer Last ausgeht;
die klassischen Glühbirnchen im Fahrrad sind ja auch keine solche!

Eben weil die jeweilige Last ziemlich unterschiedlich
-und nichtlinear- ist.

> Und momentan kaufen alle eBikes,
> du bist 20J zu spät 😅
Gott sei Dank!

[Uwe (neuexxer)]

Besonders kreativ ist es in diesem Zusammenhang auch,

"Papers von Klein-Windkraftanlagen"

mit einzubeziehen!

SCNR

[Roland B. (monsieurhulot)]

Hallo. Danke für eure Hinweise. Bei mir ist gerade die Zeit etwas 
knapper. Irgendwann demnächst geht es hier wahrscheinlich mit neuen 
Entscheidungen weiter.


Im Anhang nochmal ein Bild der gleichen Oberwellen-Schaltung, nur habe 
ich die Verpolung von k3 in den Ausdruck gesetzt, statt die zweite 
Quelle im Schaltplan zu verpolen. Ist so offensichtlicher. Warum das 
verpolt sein muss, weiß ich nicht, aber so komme ich zur gewünschten 
Wellenform.

Abdul K. schrieb:
> Bist nicht eigentlich schon fertig?

Im Grunde ja schon. Wenn ich nur Möglichkeiten einer anderen 
Darstellungsweise finden würde.

Schön wäre es, wenn ich auf Y die gleichgerichtete und geglättete 
Wirkleistung (an einem im Schaltplan noch nicht vorhandenen Verbraucher) 
hätte und auf X Stundenkilometer.
Evtl. müsste ich hierfür eine Tabellenkalkulation nehmen und einen 
einfachen Workflow zum Übertagen der LT-Daten finden.
Wie ich das alleine in LT hinbekomme, weiß ich immernoch nicht.



Abdul K. schrieb:
> Hm, was willst du denn hier mit einer (zwingend linearen) AC-Simulation,
> wenn du doch als Lasten eh stark nichtlineare Elemente haben wirst?

Hmtja, muss ich mal drüber nachdenken. Erscheint mir sinnvoll.