Entwicklung und Validierung des Modells einer Flussturbine als dynamisches Gesamtsystem mit Modelica

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Verzeichnis der Listings

Nomenklatur

1 Einleitung
1.1 Aufgabenstellung und Ziel der Arbeit
1.2 Stand der Technik und der Forschung

2 Grundlagen und Konzeptentwicklung
2.1 Grundlagen der Modellbildung
2.2 IWES Windenergieanlagenmodell
2.3 Abgrenzung und Unterschiede zur Windenergieanlage
2.4 Aufbau und Funktionsweise der Flussturbine
2.5 Konzept des Modells der Gesamtanlage

3 Bestimmung der Profilpolaren
3.1 Beschreibung der Software JavaFoil
3.2 Geometriebeschreibung eines Profils
3.3 Profilkennwerte
3.4 Darstellung und Vergleich der Profilpolaren aus JavaFoil und FLUENT

4 Modellbildung
4.1 Einführung in Modelka
4.2 Schnittstellen
4.2.1 Fluid Konnektor
4.2.2 Mechanische Konnektoren
4.2.3 Elektrische Konnektoren
4.2.4 Signalbus
4.3 Flussströmung
4.4 Hydromechanik
4.4.1 Einlaufdüse und Diffusor
4.4.2 Rotor
4.4.2.1 Blattelement
4.4.2.2 Rotorblatt
4.4.2.3 Nabe
4.4.3 Rotormodell
4.4.4 Hydromechanikmodell
4.5 Triebstrang
4.5.1 Getriebe
4.5.2 Bremse
4.5.3 Generator
4.5.4 Leistungselektronik
4.5.5 Triebstrangmodell
4.6 Regelung und Betriebsführung
4.6.1 Steuerung der Bremse
4.6.2 Maximum Power Point (MPP) Tracking
4.6.3 Drehzahlregelung des Generators
4.6.4 Regelungs- und Betriebsführungsmodell
4.7 Stromnetz
4.8 Gesamtanlagenmodell der Flussturbine

5 Simulation
5.1 Anlaufen der Anlage aus dem Stillstand
5.2 Einschalten der Regelung und Suchen des MPP
5.3 Verhalten der Anlage bei einer linear ansteigenden Flussgeschwindigkeit
5.4 Schnittgröfien und Verschiebungen am Rotorblatt

6 Validierung
6.1 Grundlagen der Ähnlichkeitstheorie
6.2 Vergleich der dimensionslosen Kennzahlen des Rotors
6.3 Validierung des Euler-Bernoulli-Balkenmodells
6.4 Vergleich der Euler-Bernoulli- mit der Timoshenko-Balkentheorie

7 Fazit und Ausblick

Literaturverzeichnis

Anhang

A Rotorblattparameter

В NACA63-8xx Profilpolare

C Transformierte und gemittelte Rotorblattparameter

Kurzfassung

In der vorliegenden Bachelorarbeit wird der Aufbau eines numerischen Modells der Ge­samtanlage eines vollmafistäblichen Prototyps einer drehzahlvariablen Flussturbine be­schrieben. Bei dieser Flussturbine handelt es sich um eine horizontal durchströmte Man­telturbine mit einem zweiblättrigen Rotor. Die Hydrodynamik des Rotors wird, basie­rend auf der Theorie für Windkraftroten, mit der Blattelementtheorie (BET) beschrie­ben. Für die strukturelle Beschreibung der Rotorblätter wird ein FEM-Balkenmodell, basierend auf der Euler-Bernoulli-Balkentheorie, verwendet. Die Anlage wird mithilfe eines Maximum Power Point Trackings auf den optimalen Betriebspunkt geregelt. Das Modell wird mit der Modellierungssprache Modélica entwickelt und in der Entwick­lungsumgebung Dvmola implementiert.

Schlagwörter: Mantelturbine, Modélica, dynamische Simulation, BET, MPP-Tracking

Abstract

The present scientific work describes the developement of a numerical model of a variable speed hydro turbine of a full-scale prototype. The hydro turbine, in this case, is a horizontal axis turbine with a two bladed fixed pitch rotor. The rotor model is based on the theories for wind energy plants and therefore the Blade Element Theory (BET) is used to describe the hydrodynamic of the rotor. For the structural behavior of the blades a FEM beam model based on the Euler-Bernoulli beam theory is implemented. The device is controlled by a Maximum Power Point Tracking to run the system in the optimum operating point. The model is developed in the Modélica language and implemented in the Dymola simulation environment.

Keywords: current turbine, Modélica, dynamic simulation, BET, MPP-Tracking

Abbildungsverzeichnis

1.1 Freiumströmtes Anlagenkonzept von Voith Hydro [Voi09]

1.2 Ummantelte Strömungsturbine von Clean Current [Har09]

2.1 Anlagenschema der Flussturbine

2.2 Konzept des Modells der Gesamtanlage

3.1 Profilbeschreibung eines Profils der Flussturbine mit 200 Koordinaten

3.2 Bezeichnungen an einem Profil

3.3 Vergleich der Profilpolaren aus CFD und JavaFoil

4.1 Modellbeispiel als Komponentendarstellung in Dvmola

4.2 Bildzeichen des Mantelmodells als Objektdiagramm

4.3 Modellvorstellung Blattelementtheorie

4.4 Modell Vorstellung der Rotorblattklasse

4.5 Blattelement mit Konnektoren als Objektdiagramm

4.6 Freiheitsgrade und Lasten am Blattelement

4.7 Anströmverhältnisse und Kräfte am Profilquerschnitt des Blattelements

4.8 Vereinfachte Darstellung der Kräfte und Momente am Blattelemente und an den frame Konnektoren

4.9 Drehmomente am Blattprofil

4.10 Modellvorstellung der Rotorblattklasse

4.11 Ableitung eines Lasten- und Strukturmodells aus dem realen Rotorblatt

4.12 Objektdiagramm des Rotormodells

4.13 Hydromechanikmodell

4.14 Drehzahlvariables Triebstrangkonzept

4.15 Objektdiagramm des Getriebemodells

4.16 Objektdiagramm des Leistungselektronikmodells

4.17 Objektdiagramm des Triebstrangmodells

4.18 Regelungskonzept des Flussturbinenmodells

4.19 Programmablaufplan des Suchschwingverfahrens für das MPP-Tracking [SillO]

4.20 PI-Drehzahlregelungsprinzip

4.21 PI-Drehzahlregler des Generators

4.22 Objektdiagramm des Regelungs- und Betriebsführungsmodells

4.23 Objektdiagramm des Stromnetzmodells

4.24 Objektdiagramm des Gesamtanlagenmodells

5.1 Hochlauf der Anlage aus dem Stillstand

5.2 Suchen des optimalen Betriebspunks MPP

5.3 Anlagenverhalten bei linear ansteigenden Flussgeschwindigkeit

5.4 Einfluss der Schwankungen der Schnelllaufzahl A auf den Leistungsbei- wert Cp des Rotors

5.5 Verschiebungen an der Rotorblattspitze

5.6 Schnittmomente an der Rotorblattwurzel

6.1 Vergleich des Leistungsbeiwerts CP des Rotors

6.2 Vergleich des Schubkraftbeiwerts CS des Rotors

6.3 Anstellwinkel a a einzelner BE in Abhängigkeit von der Schnelllaufzahl A

6.4 Vergleich des Momentenbeiwerts CM des Rotors

6.5 Tangentialkräfte FT einzelner BE in Abhängigkeit von der Schnelllaufzahl A

6.6 Prozentuale Abweichung der Simulationsergebnisse für den optimalen Be­triebspunkt bei A = 3

6.7 Kragbalkenmodell mit einer Last am Balkenende

6.8 Unterschied zwischen Euler-Bernoulli- und Timoshenko-Balkentheorie .

A.l Auftriebsbeiwerte ca der Blattprofile

A.2 Widerstandsbeiwerte cw der Blattprofile

A.3 Momentenbeiwerte cm der Blattprofile

B.4 NÀCÀ63-8XX Profilpolare [BBM07]

Tabellenverzeichnis

4.1 Parameter zur Beschreibung des Blattelements

4.2 Nabenparameter

4.3 Getriebeparameter

4.4 Generatorparameter

4.5 Regelparameter des PI-Drehzahlreglers

4.6 Parameter für die Komponenten des Stromnetzmodells

5.1 Allgemeine Parameter für die Gesamtanlagensimulation

6.1 Parameter zur Bestimmung der Revnolds-Zahlen

6.2 Parameter für die Beschreibung des Kragbalkenmodells

6.3 Parameter für die Beschreibung des Kragbalkenmodells

A.l Rotorblattparameter

C. 2 Transformierte Flächenträgheitsmomente

Listings

4.1 Modélica-Text für das Modellbeispiel in Abb. 4

4.2 FluidPort Konnektor als Modélica-Text

4.3 Flange Konnektor als Modélica-Text

4.4 Frame Konnektor als Modélica-Text

4.5 Pin Konnektor als Modélica-Text

4.6 Plug Konnektor als Modélica-Text

4.7 ControlBus als Modélica-Text

4.8 Modélica-Text für das Flussströmungsmodell

4.9 Ausschnitt aus dem Modélica-Text des Nabenmodells

4.10 Umsetzung des MPP Suchschwingverfahrens mit Modélica-Text

Nomenklatur

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

1 Einleitung

Die Deckung des weltweit steigenden Strombedarfs durch eine nachhaltige Stromer­zeugung ist eines der wichtigen Themen des 21. Jahrhunderts. Die Wasserkraft, als eine Form von regenerativer Energie, deckt dabei einen beachtlichen Anteil ab. Global gesehen wird derzeit etwa 16 % des elektrisch erzeugten Stroms aus klassischen Wasser­kraftwerken gewonnen [В+09]. Dieser signifikante Beitrag an der Stromerzeugung wird auch in Zukunft, vor allem durch politische Ziele, weiter erhöht. Dabei spielen neben der schlechten Umweltverträglichkeit und Endlichkeit fossiler Rohstoffe auch Argumente wie Versorgungssicherheit und -Unabhängigkeit eine immer wichtigere Rolle.

Trotz der langen Nutzung der Wasserkraft und jahrzehntelanger Erfahrung sind die Technologien weiterhin optimierbar und es kommen stets neue dazu. Unter der klas­sischen Nutzung der Wasserkraft wird die Umwandlung der potentiellen Energie des Wassers im Schwerefeld der Erde in elektrischen Strom verstanden. Zur klassischen Nutzung hinzu wird seit wenigen Jahren versucht die reine kinetische Strömungsener­gie der Wasserströmung direkt, ohne vorher eine Fallhöhe aufzubauen, in mechanische Energie umzuwandeln. Mit horizontal durchströmten Turbinen, die grundsätzlich einer Windenergieanlage (WEA) ähneln, lässt sich dieses Vorhaben realisieren. Im Gegensatz zur konventionellen Wasserkraftnutzung wird bei diesem Turbinentyp die kinetische Strömungsenergie direkt genutzt.

Ein wesentlicher Vorteil einer solchen Anlage ist der bei der Installation minimale Ein­griff in die Umwelt. Im Vergleich zu den klassischen Wasserkraftwerken, die meistens ein massives Stauwerk benötigen, werden die modular aufgebauten Anlagen häufig über einfache Verankerungssysteme am Gewässergrund befestigt. Ein weiterer Punkt, welcher für diese Technologie spricht ist, dass damit ein Teil der bisher kaum genutzten erneu­erbaren Meeresenergien erschlossen werden kann. Hiermit sind die Gezeitenströmungen gemeint, deren technisch nutzbares Potential global gesehen auf mindestens 800 Ty" geschätzt wird [В+08]. Wirtschaftlich interessante Anwendungsgebiete für die horizon­tal durchströmte Wasserturbine finden sich überall dort wo die Strömungsgeschwindig­keiten des fliehenden Gewässers im Jahresdurchschnitt ausreichend groß sind. Mittlere Strömungsgeschwindigkeiten im Bereich von 2 ™ bis 4 ™ werden dabei angestrebt. Zur kommerziellen Stromerzeugung werden mehrere dieser Anlagen als Anlagenpark an ge­eigneten Standorten in Fluss- oder Gezeitenströmungen im Meer installiert.

Weltweit wurden in den letzten .Jahren zahlreiche Ideen und Konzepte entwickelt, aber bisher nur eine geringe Anzahl an Demonstrationsanlagen realisiert. Aktuell befinden sieh wenige Anlagentypen im Versuchsstadium und nur einzelne Anlagen nahe einer kommerziellen Markteinführung. Zum Beispiel hat Voith Hydro Anfang dieses .Jahres die erste Pilotturbinc des Seaturtle Tidal Park-Projekts vor der südkorcanisehcn Küste installiert (siche Abb. 1.1). Ein weiteres Beispiel für eine bereits installierte Testanlage ist die ummantelte Turbine von der kanadischen Firma Clean Current (sicht Abb. 1.2). Diese Dcmonstrationsanlagc wurde 2006 bei der kanadischen Insel Race Rocks in Betrieb genommen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Abb. 1.1: Fmumströmtos Anlagonkonzopt von Voith Hydro [Voi09]

Generell lässt sieh sagen, dass sieh diese Technologie trotz des Know-How-Transfers aus der Windencrgicbranchc noch in einem frühen Entwicklungsstadium befindet. Die Entwicklung neuer Anlagcnkonzcptc, wie die horizontal durchströmtc Wasserturbine, bringt häufig finanzielle Risiken mit sieh. Aus Zeit- und Kostengründen findet diese Entwicklung heutzutage deshalb zum Großteil am Computer statt. Ein Teil des Ent­wicklungsprozesses bildet die Modellbildung und Gcsamtanlagcnsimulation der neuen Anlagcnkonzcptc. Dabei werden aufgrund dynamischer Wechselwirkungen und signifi­kanter Nichtlincaritätcn die verschiedenen Teilsysteme eines Strömungscncrgickonvcr- ters wie Rotorblättcr, Triebstrang, Tragstruktur und Regelung zur realistischen Simula­tion ihres Verhaltens in einem numerischen Modell zusammengefasst. Durch die Simula- tionscrgcbnissc des erstellten Modells lässt sieh bereits in der frühen Entwieklungsphase Produktwissen aufbauen. Dieses Wissen ist eine wertvolle Entscheidungshilfe, um mit minimalem Kostenaufwand ein Produkt zu optimieren und zur Marktreife zu bringen.

An diesem Punkt, also bei der Modellbildung und Simulation eines Strömungscncrgic- konverters, setzt das Thema dieser Arbeit an.

1.1 Aufgabenstellung und Ziel der Arbeit

Im Rahmen eines Industrieprojekts wird ein erstes Modell einer horizontal durchström­ten Flussturbine zur dynamischen Gesamtanlagensimulation erstellt. Ziel dieser Arbeit ist es, mit Hilfe von bereits vorhandenen Teilkomponenten eines Windenergieanlagenmo­dells, eine drehzahlvariable, hydraulische Strömungsturbine mit einem horizontalachsi- gen Auftriebsläufer als physikalisches Gesamtanlagenmodell mit der Modellierungsspra­che Modélica abzubilden. Ein Teil der Arbeit liegt im Auffinden von Möglichkeiten zur Modellwiederverwendung und die Grenzen der Übertragbarkeit der WEA-Theorien auf die Flussturbine aufzuzeigen.

In dem Computermodell werden alle wichtigen Komponenten, die in der realen Anlage vorhanden sind, modelliert. Dazu gehören insbesondere Rotor, Triebstrang und Rege­lungssystem der Anlage. Die Drehzahlregelung des Rotors erfolgt über eine sogenannte Maximum Power Point (MPP) Regelung.

Die Struktur des Modells soll möglichst generisch aufgebaut werden. Damit ist gemeint, dass das Modell der Flussturbine modular und parametrisiert konzipiert wird. Dadurch wird gewährleistet, dass einzelne Komponenten ohne großen zeitlichen Aufwand verän­dert oder ausgetauscht werden können und dass das Modell erweiterbar ist.

Anhand der Simulationsergebnisse werden die wesentlichen Funktionen und das Be­triebsverhalten dieses Gesamtanlagenmodells dargelegt. Abschließend werden die Simu­lationsergebnisse des Computermodells mit Messergebnissen eines realen Flussturbinen­modells im Maßstab 1:5 validiert und kritisch begutachtet.

1.2 Stand der Technik und der Forschung

Bei der physikalischen Modellbildung haben sich in den letzten Jahren in zahlreichen Forschungseinrichtungen und Firmen die objektorientierten Programmiersprachen im­mer mehr durchsetzen können. Speziell bei der Betrachtung ganzheitlicher Systeme hat eine objektorientierte Sprache wie Modélica Vorteile gegenüber signalorientierten Simu­latoren wie zum Beispiel Matlab/Simulink [Dre06][ZW06].

Der objektorientierte Modellierungsansatz erlaubt eine einfache Transformation der Sys­temstruktur in eine Modellstruktur. Jede Komponente des Systems kann unabhängig von der eingesetzten Umgebung aus einer hierarchischen Struktur von Teilmodellen zusammengesetzt werden. Diese Teilmodelle können dabei auf unterschiedlichen Ab­straktionsniveaus implementiert sein. Die Modellschnittstellen und die Modellstruktur orientieren sich dabei nahe an der realen Systemarchitektur. Der objektorientierte Mo­dellierungsansatz reduziert für den Anwender den Modellierungsaufwand und gewähr­leistet einen besseren Überblick über die komplexen Modelle.

Bei der klassischen Betrachtungsweise einer Wasserturbine wird zur Berechnung des Rotordrehmoments bzw. der mechanischen Leistungsabgabe an der Rotorwelle, die Eu- ler’sche Hauptgleichung, die auf einer Drallimpulsänderung der Fluidteilchen beruht, verwendet. Die Annahmen für diese Berechnungsmethode sind unendlich viele, unend­lich dünne Schaufeln, damit von einer schaufel-kongruenten und stationären Strömung ausgegangen werden kann. Die Theorie dazu findet sich in klassischen Strömungslehre- und Strömungsmechanikbüchern wie [0+08], [GHW07] oder [Bös07].

Für die horizontal durchströmte Turbine, die im Rahmen dieser Arbeit betrachtet wird, kann nicht mehr von einer unendlichen Blattanzahl ausgegangen werden. Aus diesem Grund wird der zweiblättrige Rotor, basierend auf der Theorie von WEA, beschrie­ben. Hier wird davon ausgegangen, dass an den Rotorblättern eine Strömung wie bei einer angestellten Tragfläche vorliegt und wegen der geringen Anzahl der Blätter keine gegenseitige Beeinflussung stattfindet.

Aus unterschiedlichen Veröffentlichungen [Kir05], [BBM07] kann entnommen werden, dass bei der Anwendbarkeit und der Übertragbarkeit der Theorien von WEA auf eine ummantelte Unterwasserturbine zusätzlich einige Punkte zu beachten sind. Die wesent­lichen Unterschiede sind in Kapitel 2 Abschnitt 2.3 zusammengefasst.

Bei der Modellbildung horizontal durchströmter Strömungsenergiekonverter ist es üblich die Blattelementtheorie (BET) (siehe Abschnitt 4.4.2) gekoppelt mit der Blattelemen­timpulstheorie (BEM) zur hydrodynamischen Beschreibung des Rotors zu verwenden. Zum Beispiel basiert die Software SERG Tidal von der Universität Southampton oder die kommerzielle Software GH Tidal Bladed von GL Garrad Hassan, welche für die Simulation von Meeresströmungsturbinen genutzt werden, auf einer gekoppelten BET- und BEM-Theorie. GH Tidal Bladed ist aus der kommerziell genutzten Software GH Bladed entstanden [Has08]. GH Bladed wird seit einigen Jahren zur Lastenrechnung, unter anderem für die Zertifizierung von Windenergieanlagen, benutzt und bildet den Stand der Technik der aktuellen Simulationstools ab.

Auch an dem Institutsteil des Fraunhofer IWES in Kassel wird aktuell an einem Mo­dell zur Simulation von Meeresströmungsturbinen, basierend auf den beiden genannten Theorien, gearbeitet. Dieses Modell ist in Matlab/Simulink implementiert und wird hauptsächlich zur Auslegung und Optimierung des Regelungs- und Betriebsführungs­systems verwendet [Bar04].

2 Grundlagen und Konzeptentwicklung

In diesem Kapitel wird zunächst auf die Grundlagen des Modellierungsprozesses und dessen Ziele eingegangen. Anschließend wird in einem Abschnitt das Windenergieanla­genmodell des IWES zusammengefasst. Der nächste Abschnitt zeigt den prinzipiellen Aufbau und die Funktionsweise einer horizontal durchströmten Flussturbine. Im letzten Teil dieses Kapitels ist das erarbeitete Konzept des Gesamtanlagenmodells dargestellt.

2.1 Grundlagen der Modellbildung

Die Entwicklung neuer, technischer Anlagenkonzepte findet heutzutage zum Großteil am Computer statt. Ein Teil des Entwicklungsprozesses bildet die Modellbildung und Simulation solcher Anlagenkonzepte.

Aufgrund der instationären Strömungs- und Betriebsbedingungen, die während des Be­triebs einer Strömungsturbine auftreten, kann selten ein einfaches, analytisch lösbares Computermodell verwendet werden. Stattdessen wird zur Analyse des Anlagenverhal­tens ein dynamisches Gesamtanlagenmodell erstellt und auf numerische Simulationen im Zeitbereich zurückgegriffen. Die Ergebnisse der Simulationsrechnungen dienen im Wesentlichen zur Gewinnung folgender Informationen [GT10]:

- Frühzeitiges Erlangen von Produktwissen
- Schnittlastenermittlung in relevanten Anlagenkomponenten. Die Kenntniss der auftretenden Lasten ist maßgebend für die Bauteilauslegung und Zertifizierung
- Ermittlung des Anlagenverhaltens unter verschiedenen Betriebsbedingungen zur Entwurfsvalidierung und Leistungskurvenbestimmung
- Entwurf und Optimierung des Regelungssystems
- Ertragsabschätzung

Die Entwicklung der Software für die Simulation und Modellbildung hat in den ver­gangenen Jahren große Fortschritte gemacht. Heute sind Probleme lösbar, die noch vor einigen Jahren wegen der damit verbundenen numerischen Probleme unlösbar schie­nen. Mit der Einsatzmöglichkeit leistungsfähiger Software sind allerdings einige neue Problemgruppen entstanden [Dre06]. Dazu gehören:

- Höhere Anforderungen an die Kunst der Modellbildung. Die Problembearbeiter müssen die physikalischen Zusammenhänge verstehen, bevor die Software einge­setzt werden kann
- Neue Anforderungen an Eingabedaten, insbesondere für Erregungen, Steifigkeiten und Dämpfungen fehlen häufig Parameterwerte
- Höhere Anforderungen an die Ergebnisinterpretation und Phantasie bei der kon­struktiven Umsetzung

Bei dem Modellierungsprozess wird eine komplexe reale Anlage, mit bestimmten Annah­men und Vereinfachungen durch ein lösbares mathematisches Gleichungssystem ersetzt. Die Komplexität des physikalischen Modells richtet sich nach den konkreten Fragestel­lungen, d. h. was und mit welcher Genauigkeit etwas simuliert werden soll. Deshalb muss vorab klar definiert werden, was das Ziel der Simulationsrechnung ist und welches die gesuchten Größen sind. Danach muss herausgefunden werden welche Komponenten und Effekte implementiert werden müssen, um die gesuchten Größen abbilden und nach der Simulation analysieren zu können. Für die Abstraktion der physikalischen Kom­ponenten ist die gesamte Kompetenz und Erfahrung des Ingenieurs gefragt. Für die Festlegung der Randbedingungen müssen häufig eine Vielzahl an Annahmen getroffen werden. Diese Annahmen beeinflussen die Genauigkeit und den Modellierungsaufwand der angestrebten Lösung in einem schwer abschätzbaren Maße. Wenn alle Randbedin­gungen und Annahmen getroffen sind, ist damit der mindeste Detaillierungsgrad jeder einzelnen Komponente festgelegt. Grundsätzlich gilt: je detaillierter die Modelle erstellt werden, desto länger sind die Simulationszeiten.

2.2 IWES Windenergieanlagenmodell

Am Fraunhofer IWES wird seit Juli 2009 an einem ausgereiften Windenergieanlagen­modell in Modélica gearbeitet. Das Modell erlaubt die Simulation einer Anlage in ver­schiedenen Betriebszuständen und unter unterschiedlichen äußeren Belastungen. Die Energieübertragung vom Fluid Wind auf das mechanische System wird im Modell mit einer gekoppelten Blattelementtheorie (BET) und Blattelementimpulstheorie (BEM) beschrieben. Das Getriebe ist als einfacher Torsionsmassenschwinger abgebildet. Blätter und Turm sind durch flexible Körper in Form von FEM-Balkenelementen implementiert. Durch die Objektorientierung der Sprache Modélica ist es möglich, Teilsysteme dieses Windenergieanlagenmodells zu verwenden, um damit die Flussturbine abzubilden.

2.3 Abgrenzung und Unterschiede zur Windenergieanlage

Trotz des Know-How-Transfers aus der Windkraftbranche sind bei der Betrachtung der Unterwasserturbinen einige wichtige Punkte zu beachten. Diese sind:

- Höhere Dichte führt zu größeren Lasten auf Rotor und Anlagenaufstellteilen
- Wegen des ummantelten Rotors ist die Geschwindigkeitsbestimmung in der Rotor­ebene nach Betz (siehe Kapitel 4.4.1) nicht möglich. Sogar bei frei umströmten Unterwasserrotoren muss die räumliche Strömungsbegrenzung, durch die Wassero­berfläche und dem Seeboden, mit berücksichtigt werden [Bar08][BBM07]
- Die für die frei umströmten Rotoren typischen Blattspitzenverluste treten durch die scharfe Umgrenzung des Mantels nur in minimalster Form auf [Kir05]
- Kavitationseffekte auf der Saugseite der Blattprofile
- Bewuchs der Rotorblätter
- Hydrostatische Auftriebskräfte

2.4 Aufbau und Funktionsweise der Flussturbine

In der Abbildung 2.1 ist das Anlagenschema mit den wichtigsten Komponenten der Flussturbine dargestellt. Die Anlage wird von der Seite der Einlaufdüse axial durch­strömt. Der Rotor besteht aus einer Nabe und zwei Rotorblättern ohne Blattverstell­mechanismus. Der Rotor entzieht der Fluidströmung kinetische Energie und wandelt diese zunächst am Rotor in mechanische Rotationsenergie um. Im Triebstrang wird diese Rotationsenergie mit einem Generator in elektrische Energie umgewandelt.

Der Triebstrang besteht aus den Komponenten Getriebe, Bremse, Generator und aus einer Leistungselektronik-Einheit, welche einen drehzahlvariablen Betrieb der Anlage ermöglicht.

Die Einlaufdüse und der Diffusor bewirken eine Erhöhung des Massendurchflusses durch die Turbine. Dadurch kann im Vergleich zu einem frei umströmten Rotor eine höhere Leistung mit gleichem Rotordurchmesser erzielt werden.

Die theoretischen Grundlagen zu den einzelnen physikalischen Komponenten werden zu Beginn des jeweiligen Abschnitts im Kapitel 4 (Modellbildung) beschrieben.

Das Computermodell der Flussturbine bildet einen Prototyp der Flussturbine im Maß­stab 1:1 ab. Die wichtigsten Abmaße sind in Abbildung 2.1 zu sehen. Für die aufge­zeigten Komponenten wurde vom Anlagenhersteller zugesagt die entsprechenden Kon­struktions- und Messdaten für die Modellbildung zur Verfügung zu stellen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.5 Konzept des Modells der Gesamtanlage

Bevor mit der praktischen Modellbildung begonnen wird, werden zuerst, wie in Ab­schnitt 2.1 erläutert, Komponenten und Detaillierungsgrad definiert und anschließend ein Konzept für die Modcllstruktur erstellt. In diesem Konzept wird festgelegt, wel­che Komponenten zu größeren Funktionseinheiten, also Teilsystemen, zusammengefasst werden. Außerdem ist cs sinvoll sieh bereits in diesem Schritt Gedanken über die Schnitt­stellen zwischen den einzelnen Komponenten und Teilsystemen zu machen.

Nach einem Report aus dem 2009er Jahresbericht der IEA-OES [B+08] können Strö- mungscncrgickonvcrtcr allgemein in folgende Teilsysteme untergliedert werden:

- Hydromechanik: Die Hauptaufgabe ist cs, die translatorische, kinetische Strö­mungsenergie in eine rotatorische Energie umzuwandeln. Dazu gehören in dieser Anlage ein zweiblättriger Rotor und ein aus Einlaufdüse und Diffusor bestehender Mantel.
- Triebstrang: Der Zweck des Triebstrangs ist cs, die kinetische Rotationscncrgic effektiv in elektrische Energie umzuwandeln. Er wird durch die Komponenten Ge­triebe, Bremse, Generator und dem elektrischen Umrichter abgebildet. Die letzte Komponente bildet gleichzeitig die Schnittstelle zum öffentlichen Stromnetz.
- Regelung und Betriebsführung: Das Regelungssystem ist dafür zuständig, die Anlage im optimalen Betriebspunkt zu betreiben, um mechanische Überlastung zu vermeiden und Betriebssicherheit zu gewährleisten. Für Notfälle oder Wartungen muss die Anlage aus jedem Betriebspunkt zum Stillstand gebracht werden können.
- Reaktion: Dieses Teilsystem repräsentiert sämtliche Aufstell- und Gründungstei­le und fixiert die Anlage am Gewässerboden. Es nimmt die Reaktionskräfte und -momente auf.

Für die Interaktion zwischen den einzelnen Teilsystemen und Komponenten werden vorerst vier Schnittstellen, abhängig von ihrem physikalischen Einsatzzweck, definiert. Genauere Informationen dazu sind in Kapitel 4 Abschnitt 4.2 zu finden. Das Resultat der Modcllkonzipicrung ist in Abbildung 2.2 aufgezeigt und verdeutlicht die modulare Modcllstruktur .

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.2: Konzept des Modells der Gesamtanlage. Dargestellt sind die vier Teilsysteme mit den dazugehörigen Hauptkomponenten. Zusätzlich sind die verschiedenen Schnittstellen zu sehen.

3 Bestimmung der Profilpolaren

Der Rotor der Flussturbine besteht aus zwei den Auftrieb nutzenden Rotorblättern. Ein Rotorblatt besitzt entlang seiner Spannweite unterschiedliche Profile. Durch die Anströmung der Rotorblattprofile entstehen Kräfte nach dem Prinzip einer Flugzeug­tragfläche. Diese Kräfte können mit Hilfe der Tragflächentheorie berechnet werden. Da­für müssen Auftriebs-, Widerstands- und Momentenbeiwerte, die sogenannten Profil­polaren, bekannt sein. Die klassische Methode zur Bestimmung von Profilpolaren sind Windkanalversuche. Zwei weitere Möglichkeiten zur Bestimmung der Polaren sind mit Hilfe von CFD-Simulationen oder durch die Verwendung von Software mit einfacheren Profil-Analysemethoden, wie zum Beispiel JavaFoil [Hep07] oder XFOIL [DH01].

Profileigenschaften haben nicht nur Einfluss auf das resultierende Antriebsmoment des Rotors, sondern sind auch für das Regel- und Betriebsverhalten des Rotors von be­achtlicher Bedeutung. Das Abreißverhalten des Profils, das sich im steilen Abfall der Auftriebskurve nach Überschreiten des kritischen Anstellwinkels äußert, kann mehr oder weniger abrupt verlaufen. Da der Rotor in gewissen Betriebszuständen unvermeidlich in Anstellwinkelbereiche gerät, bei denen die Strömung abreißt, ist das gutmütige Ab­reißverhalten eines Profils wichtig [Hau07].

Im ersten Abschnitt dieses Kapitels wird kurz die verwendete Software JavaFoil, die zur Berechnung der Profilpolaren verwendet wird, vorgestellt. Im nächsten Abschnitt wird dargestellt, wie die Geometrie eines Tragflächenprofils beschrieben werden kann und welches für diese Arbeit die wichtigsten Profilkennwerte sind. Am Ende dieses Kapitels werden die Profilpolaren für ein Profil aus zwei unterschiedlichen Berechnungsmethoden miteinander verglichen.

3.1 Beschreibung der Software JavaFoil

JavaFoil ist eine frei verfügbare Software zur Analyse von Tragflächenprofilen. Sie wur­de von Martin Hepperle für den Flugzeugmodellbau entwickelt. Bei der Berechnung wird nur die translatorische Anströmung des Profils berücksichtigt. Die radiale Strö­mung entlang eines Rotorblatts, die durch die Rotation des Rotorblatts entsteht, wird hier vernachlässigt. Die Bcrcdmungsmcthodc der reibungsfreien Potentialströmung be­ruht auf einer Panel Methode zweiten Grades. Diese liefert die Gesehwindigkeits- und Druckverteilung über das analysierte Profil. Mit Hilfe der Grcnzschichttcoric wird der Strömungswiderstand des umströmten Profils berechnet. Die Rcvnolds-Zahl der Strö­mung sollte im Bereich von 5 - 105 < Re < 2 - 107 liegen [Hep07].

Das Tool stellt im Prinzip einen vereinfachten virtuellen Windkanal dar. Ausgehend von Gcomctricbcschrcibungcn für Tragflächenprofile lassen sieh damit unter anderem Gcsehwindigkcitsvcrtcilungcn, Grcnzschichtdickcn und Profilpolarc bcrcelmcn.

Die Gcomctricbcschrcibung des zu untersuchenden Profils muss in Form einer Textdatei in JavaFoil eingelesen werden. Die Profilgcomctric kann durch eine variable Anzahl von Punkten beschrieben werden.

3.2 Geometriebeschreibung eines Profils

Eine übliche Methode zur Darstellung der Profilgcomctric ist cs, die Profilkontur mit Koordinaten zu beschreiben. Dabei werden die Punkte relativ zur Sehnenlänge t angege­ben. Für eine genaue geometrische Beschreibung eines Profils sollte eine möglichst hohe Anzahl von Punkten vorhanden sein. Diese Punkte sind im Bereich von großen Krüm­mungen dichter verteilt. Der Turbinenhersteller erstellte mit Hilfe einer CAD-Software die benötigten Gcomctricbcschrcibungcn der Profile an den gewünschten Rotorblatt­radien und stellte diese dann zur Verfügung. Die Profile sind mit ea. 200 Punkten beschrieben. Ein Bcispiclprofil von dem Rotorblatt der Flussturbine ist in Abbildung 3.1 zu sehen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3.1: Profilbeschreibung eines Profils der Flussturbine mit 200 Koordinaten

3.3 Profil kenn werte

Profile besitzen fluiddynamisehc und geometrische Eigenschaften. Die fluiddynamischen Eigenschaften sind die sogenannten Profilpolarcn:

- Auftriebsbeiwert ca
- Widerstandsbeiwert cW
- Momentenbeiwert cM bezogen auf den Punkt t/4 Punkt

Unter den geometrischen Eigenschaften werden im Rahmen dieser Arbeit folgende wich­tige Kennwerte verstanden:

- Profilsehnenlänge t
- Profilquerschnittsfläche A
- Flächenträgheitsmomente Ix, Iy und It, bezogen auf das lokale Koordinatensys­tem im Massenschwerpunkt des Profilquerschnitts

Die wichtigsten Bezeichnungen an einem Profil sind in Abbildung 3.2 abgebildet. Der reale Angriffspunkt der resultierenden Auftriebskraft Fa (siehe Kapitel 4.4.2.1) ist der Druckpunkt. Die Lage des Druckpunktes auf der Profilsehne ist aber nicht konstant, sondern verschiebt sich in Abhängigkeit von dem Anstellwinkel oa- Würde das Pro­fil im angeströmten Zustand im Druckpunk fixiert sein, könnte dort kein Drehmoment gemessen werden. Für die Berechnung der Kräfte und Momente im Rotorblatt ist es notwendig die resultierende Auftriebskraft in einem ortsfesten Punkt angreifen zu las­sen. Es ist üblich die Kräfte auf den t/4 Punkt zu beziehen. Dieser liegt bei 25 % der Profilsehnenlänge t von der Profilnase entfernt. In diesem Punkt stellt sich durch den Abstand zwischen dem t/4 Punkt und dem Druckpunkt ein Drehmoment Mz (siehe Kapitel 4.4.2.1) ein.

Die Flächenträgheitsmomente I'x, iy und Iý einer Profilgeometrie werden für die struk­turelle Beschreibung der Rotorblätter der Flussturbine benötigt. Sie beschreiben wie widerstandsfähig ein ebener Querschnitt gegen Biegung und Torsion ist. Die Flächen­trägheitsmomente der Blattprofilen wurden vom Rotorblatthersteller berechnet und sind auf die Achsen des Koordinatensystems im Massenschwerpunkt bezogen. In der Abbil­dung 3.2 ist nur ein Schwerpunkt eingezeichnet. Da die Dichte über den Profilquerschnitt A nahezu konstant ist, liegt der Massenschwerpunkt sehr nahe an dem Flächenschwer­punkt. Der eingezeichnete Punkt repräsentiert beide Schwerpunkte.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3.2: Bezeichnungen an einem Profil

3.4 Darstellung und Vergleich der Profilpolaren aus JavaFoil und FLUENT

Eine Darstellungsmöglichkeit von Profilpolaren ist, den Verlauf von ca, cW und cm über dem Anstellwinkel aufzutragen. Diese aufgelösten Polaren werden gelegentlich auch als Lilienthalsche Polare bezeichnet. Der Verlauf der Profilpolaren wird neben der Profil­geometrie auch von strömungsmechanischen Parametern beeinflusst. Entscheidend für den Strömungszustand und seiner Wechselwirkung mit dem umströmten Körper, ist die Anströmgeschwindigkeit und die Viskosität [Hau07]. Deshalb ist eine Profilpolare in der Regel immer für eine bestimmte Revnolds-Zahl angegeben. Die Abhängigkeit der Profilpolaren von der Revnolds-Zahl, im hier auftretenden Bereich, ist sehr gering und damit vernachlässigbar.

Erst nachdem die Profilbeschreibungen vom Turbinenhersteller verfügbar waren, wur­de festgesteht, dass die Profilhinterkante eine halbkreisförmige Form hatte. Während der Literaturrecherche wurde herausgefunden, dass das Gleichungssystem für die Ana­lyse von Tragflächenprofilen mit der Software JavaFoil oder XFOIL mit Hilfe der Kut- taschen Abflussbedingung geschlossen wird [DH01]. Die Kuttaschen Abflussbedingun­gen besagen, dass bei Profilen mit scharfer Hinterkante keine Umströmung der Hin­terkante auftritt und die Strömung “glatt” abfließt. Die Annahme, dass das Fluid an der Profilhinterkante glatt und tangential abfließt, kann mit der runden Abströmkan- te nicht gemacht werden. Aus diesem Grund wird von einer zu großen Ungenauigkeit der Analyseergebnisse von JavaFoil mit den Profilgeometrien des Flussturbinenrotor­blatts ausgegangen. Die Profilpolaren werden aus diesem Grund vom Turbinenhersteller mittels CFD-Simulationen mit der Software FLUENT ersteht. Dazu werden 16 Zvlin- derschnitte am Rotorblatt durchgeführt. Der durch den Zvlinderschnitt entstandene, gekrümmte Profilquerschnitt wird abgewickelt und für das ebene Profil anschließend CFD-Strömungssimulationen für Anstellwinkel von —100° bis +100° durchgeführt. Die Ergebnisse sind im Anhang A in Abbildung A.l und A.3 dargesteht.

Im Nachhinein konnte ein Vergleich der zwei Berechnungsmethoden mit JavaFoil und CFD gemacht werden. Der Vergleich der Verläufe von Auftriebs-, Widerstands- und Momentenbeiwerte für das in Abbildung 3.1 dargestellte Beispielprofil ist in Abbildung 3.3 zu sehen.

Die Unterschiede zwischen den Ergebnissen der CFD-Reelmung und der Analyseergeb­nisse mit JavaFoil sind deutlich zu erkennen. Der Auftriebsbeiwert cacfd der CFD- Rechnung fällt nach dem Bereich des Auftriebsmaximum ал ~ 8° ... 20° viel langsa­mer ab und erreicht erst bei einem Anstellwinkel ал den Wert 0. Der Verlauf des Wi- derstandsbeiwerts cWCFD zeigt im Vergleich zu dem Widerstandsbeiwert aus JavaFoil cwJavaFoii ein ausgeprägtes Maximum im Bereich ал ~ 15° auf. Der Momentenbeiwert cm CFD fällt im Vergleich zu cm JavaFoil ab ал ~ 15° wieder ab, die Maximalwerte см,тах ~ 0.08 sind jedoch in beiden Fällen sehr klein. Die Profilpolaren der CFD- Redmung sind natürlich auch mit einer gewissen Unsicherheit behaftet, bilden aber in jedem Fall das Rotorblatt der Flussi urbine “realer” ab.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3.3: Vcrglcidi der Profilpolarcn aus CFD-Rcdmung und dem Analysetool JavaFoil. Die Polaren wurden für das Blattprofil, welches in Abb. 3.1 dargestellt ist erstellt.

4 Modellbildung

In Kapitel 2.4 wurde bereits der grundsätzliche Aufbau der Anlage beschrieben und die Teilsysteme definiert. Bevor nun in diesem Kapitel im Detail auf die Grundlagen und die Modellbildung der einzelnen Komponenten ein gegangen wird, wird die verwendete Modellierungssprache Modélica vorgestellt. Danach werden die in diesem Flussturbi­nenmodell verwendeten Schnittstellen zwischen den Komponenten und Teilsystemen festgelegt. Im folgenden Abschnitt wird die Modellbildung der einzelnen Komponenten dargestellt. Damit ist sowohl die physikalische Beschreibung, sowie die Implementierung mit Modélica in Dvmola[1] gemeint. Am Ende dieses Kapitels ist das Gesamtanlagenmo­dell dargestellt, welches sich aus den beschriebenen Teilsystemen zusammensetzt.

4.1 Einführung in Modélica

Modélica ist eine frei verfügbare, objektorientierte Sprache zur Modellierung komple­xer und heterogener, physikalischer Systeme. Diese Modellierungssprache eignet sich dadurch hervorragend zur Simulation des physikalischen Verhaltens von Energiewand­lungsanlagen, bei denen fachbereichsübergreifende Disziplinen ineinander greifen. Mo­delle in Modélica sind mathematisch mit Differentialgleichungen, algebraischen und dis­kreten Gleichungen (DAE) beschrieben, ohne dass manuell nach einer bestimmten Va­riable aufgelöst werden muss [OS04].

Vorhandenes Modellierungswissen wird durch Bibliotheken genutzt, die Modellklassen enthalten und Vererbung unterstützen. Mit Hilfe der zahlreichen Modellbibliotheken aus den verschiedensten Fachbereichen können relativ einfach und schnell neue Modell­klassen erzeugt werden.

Wie in anderen objektorientierten Programmiersprachen gibt es auch in Modélica meh­rere Klassentypen. Die wichtigsten sind die Klassen vom Typ model, conntor und record. Eine Klasse kann je nach Typ einen Abschnitt für die Definitionen von Parametern und Variablen und einen Abschnitt equation für Gleichungen enthalten.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Listing 4.1: Modelica-Text für das Modellbeispiel in Abb. 4.1

Die wichtigsten Merkmale von Modélica zusammengefasst sind: - Domänenübergreifende Modellbildung möglich

Ein generisches physikalisches Modell wird in Modélica als Klasse vom Typ model er­stellt. Die generischen Modelle in einer Modelica-Bibliothek werden, wie in einer objek­torientierten Programmiersprache, Klassen genannt. Um ein Modelica-Modell zu ver­wenden, wird davon eine generische Klasse instanziiert und diese Instanz mit konkreten Parametern spezifiziert. Dieser Vorgang wird Adaption genannt.

Für die Darstellung eines Modells gibt es in Dymola mehrere Modellansichten. Ein Beispielmodell ist in 4.1 in der Objektdiagrammansicht zu sehen. Durch die Objekt­diagramme wird eine übersichtliche Visualisierung des Modellaufbaus möglich und die hierachische Struktur der Modelle erkennbar.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4.1: Einfaches Modellbeispiel in der Objektdiagranimansicht in Dymola. Hier wird eine Masse m=l mit einer konstanten Beschleunigung k=l beschleunigt.

Zusätzlich zu der Objektdiagrammansicht gibt es die Dokumentation- und Quelltextan­sicht. Die Dokumentationsansicht bietet bei den meisten Bibliotheken eine gute Erklä­rung und Anle itung zur Verwendung der einzelnen Modelle. Die Quelltextansicht mit Modelica-Text für das in Abbildung 4.1 dargestellte Modell ist in Listing 4.1 aufgezeigt. Im oberen Abschnitt wird die Instanziierung und die Parametrisierung der Komponen­tenklassen deklariert. Im equation Block werden die instanziierten Komponenten mit dem connect Operator, der im Abschnitt 4.2 näher erklärt wird, miteinander verknüpft. Das a steht in Modélica für annotation. Mit diesen Anmerkungen wird die grafische Darstellung der Komponenten in der Objektdiagrammansicht definiert. Die annotati­ons haben ansonsten keinen Einfluss auf das physikalische Modell.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

- Objektorientiert: Vererbung und Wiederverwendung von Klassen möglich
- Akausale Schnittstellen (Gleichungen anstatt Zuweisungen)
- Modularer und hierarchischer Aufbau von Modellen möglich
- Frei verfügbare Modélica Standardbibliotheken (MSL)
- Integrierte Sourcen: Gleichungen + grafische Repräsentation + Dokumentation

4.2 Schnittstellen

In Kapitel 2.5 wurden die Schnittstellen zwischen den Komponenten und Teilsystemen je nach Einsatzzweck angesprochen. In diesem Abschnitt werden die in diesem Modell verwendeten Schnittstellen im Detail vorgesteht. In Modélica sind diese Schnittstellen Klassen vom Typ Connector und werden auch als Interfaces bezeichnet. Mit sogenann­ten connect Operatoren wird eine Verbindung zwischen zwei Komponenten hergesteht. Dieser connect Befehl erstellt Gleichungen für Fluss- und Potential variablen. Flussvaria­blen, wie Kraft und Moment, werden in Modélica mit dem Schlüsselwort flow gekenn­zeichnet. Für Variablen mit diesem Schlüsselwort gilt das Kirchhoffsche Gesetz und sie werden dementsprechend durch den connect Operator zu Null aufsummiert. Variablen ohne dieses Schlüsselwort, sogenannte Potentialvariablen, wie zum Beispiel der Ort oder ein Winkel, werden durch den connect Befehl gleich gesetzt [Fri04].

Hervorzuheben ist, wie bereits im vorherigen Abschnitt erwähnt, dass die Verbindungen zwischen den Komponenten keine Signalflüsse, sondern akausale, physikalische Gleichun­gen darstehen. Ein Konnektor enthält alle notwendigen physikalischen Größen, um die Interaktion mit einer anderen Komponente zu beschreiben. Die Vorzeichenkonvention nach Modélica 2.1 [Fri04] besagt, dass die Flussvariablen die von links nach rechts in eine Komponente zeigen, ein positives Vorzeichen haben. Nach der Modélica Spezifika­tion 3.1 [Ass09] können nur Klassen vom Typ Connector mit dem connect Operator verknüpft werden. Die verknüpften Konnektoren müssen dabei die gleichen Variablen enthalten.

Im Folgenden werden die in diesem Flussturbinenmodell verwendeten Konnektoren vor­gesteht.

4.2.1 Fluid Konnektor

Für die hydraulische Anbindung der strömungsbeaufschlagten Komponenten wird ein Konnektor mit den Größen Fluidgeschwindigkeit v und statischer Druck p definiert. Die Fluidgeschwindigkeit v ist als Array deklariert, um Geschwindigkeitskomponenten in die drei Raumrichtungen, zum Beispiel durch Turbulenz, abbilden zu können. Es ist ein passiver Konnektor, das heißt es findet keine Kopplung zwischen der Bewegung der Rotorblättcr oder der Struktur auf die Strömung statt. Der Fluid-Konnektor trägt den Klassennamen FluidPort und ist in Listing 4.2 gezeigt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Listing 4.2: FluidPort Konnektor als Modclica-Tcxt

4.2.2 Mechanische Konnektoren

Für die Übertragung der mechanischen Kräfte und Momente werden zwei verschiedene Schnittstellen verwendet. Für alle Komponenten im Triebstrang wird der eindimensio­nale, rotatorische Flange Konnektor aus der Modclica-Standardbibliothck verwendet. Dieser beinhaltet, wie in Listing 4.3 zu sehen, eine Flussvariable für das Drehmoment t und einen Drehwinkel phi. Dieser Flange Konnektor besitzt also nur einen rotatorischen Freiheitsgrad.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Listing 4.3: Flange Konnektor als Modélica-Text

Die zweite mechanische Schnittstelle ist der selbst erstellte Frame Konnektor mit drei Kräften und Momenten zur Berücksichtigung der sechs Freiheitsgrade ist in Listing 4.9 aufgezeigt. Dieser wird hauptsächlich für die Verknüpfung der einzelnen Komponenten der Rotorklassc verwendet. Die Gründe für die Verwendung dieses frame. Konnektors werden in Abschnitt 4.4.2.1 näher erläutert.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Listing 4.4: Frame Konnektor als Modélica-Text

4.2.3 Elektrische Konnektoren

Die Schnittstelle für die elektrischen Größen bildet grundsätzlich der Pin Konnektor aus der Modelica-Standardbibliothek, welcher als Quelltext in Listing 4.5 dargestellt ist. Dieser Pin Konnektor beinhaltet eine Potentialvariable v für die Spannung und eine Flussvariable i für die elektrische Stromstärke. Dieser Konnektor wird für die Ver­knüpfung von Komponenten verwendet, die mit Gleichspannung oder einer Einphasen­Wechselspannung betrieben werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Listing 4.5: Pin Konnektor als Modélica-Text

Da in diesem Gesamtanlagenmodell ein Dreiphasen-Drehstrom-Generator implemen­tiert ist, wird zusätzlich ein mehrphasiger, elektrischer Konnektor benötigt. Für diesen Fall bietet die MSL den sogenannten Plug Konnektor an. Er ist, wie in Listing 4.6 zu sehen, aus einem Array mit drei Instanzen der Konncktorklasse Pin aufgebaut. Mit diesem Konnektor werden alle dreiphasigen, elektrischen Komponenten verknüpft.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Listing 4.6: Plug Konnektor als Modélica-Text

4.2.4 Signalbus

Für die Übertragung sämtlicher Steuer-, Regler- und Überwachungssignale wird der Konnektor ControlBus aus der MSL verwendet. Dieser ControlBus ist ein Konnektor vom Klassentyp expandable connector. Mit diesem expandable connector ist es möglich jede Art von Konnektor mit dem Signalbus zu verbinden. Der Signalbus funktioniert wie ein reales Bussystem. Wenn an einer beliebigen Stelle des Bussystems eine Variable mit dem Bussystem verknüpft wird, so ist diese Größe überall im Bussystem verfügbar.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

[...]

---

^[1] Dymola: Die zurzeit leistungsfähigste und flexibelste Modellierungs- und Simulationsumge­bung für den Sprachstandard Modélica zur Verfügung. Für weitere Informationen siehe: http://www.dynasim.se