Ausgangslage

Mein Kunde entwickelt für zukünftige DC-Netze, die über die klassische Punkt-zu-Punkt-Topologie hinausgeht, ein Gerät, welches im Fehlerfall den Fehlerstrom soweit reduzieren soll, dass ein mechanischer Schalter den fehlerhaften Teil des Netzes elektrisch trennen kann. Da die Schlüsselkomponenten in die diesem Gerät, die elektrisch in parallelgeschaltet sind, nur einen bestimmten Storm tragen können, sollte mit Hilfe von elektrischen Simulationen die Stromverteilung durch die Komponenten bestimmt werden. Sie sollte in gewissen, vom Kunden vorgelegten, Grenzen bewegen.

Umsetzung

Die Stromflüsse im Gerät des Kunden wurden mit verschiedenen Tools im Ansys Electronic Desktop (AEDT) bestimmt.

Zuerst wurden die CAD-Daten, die der Kunde als STEP-Datei zur Verfügung gestellt hat, analysiert. Für die DC-Simulationen in Q3D konnten die Anordnung stark vereinfacht werden, da nur der Hauptstrompfad eine Rolle spielt. Zuerst wurde in Q3D die Solver DC-RL und AC-RL benutzt, da dieser Solver durch seine spezielle Vernetzung recht schnell zu einem Ergebnis kommt. Das ist insbesondere wichtig bei komplexen Modellen wie sie in diesem Fall vorliegen.

Alle Teile, auch die vereinfachte Schlüsselkomponente, wurden dem Material Kupfer aus der internen Datenbank zugewiesen. Dieses stellte sich in der nachfolgenden Analyse nicht ideal heraus, da einige Komponenten einen weitaus höheren Widerstand besitzen als die Leiter.

Aus der Kennlinie der Schlüsselkomponente konnte die spezifische Leitfähigkeit berechnet und In AEDT daraus ein spezielles Material erstellt werden. Die DC-Simulation zeigte eine Gleichverteilung, die mit der Vorstellung des Kunden übereinstimmte. Allerdings kann sich im Fehlerfall der Strom stark ändern und auch in diesem Fall sollte ein gleichverteilter Strom einstellen. Aus diesem Grund wurde auch der AC-RL-Solver verwendet.

Das Modell für die AC-Simulation enthält fast alle Komponenten aus dem originalen CAD-Aufbau, weil beim AC auch Kopplungen durch Wirbelstromeffekte auf Nebenstrompfade möglich sind. Zusätzlich wurde die «Geometrie» der Schlüsselkomponenten optimiert. Die AC-Simulation zeigte eine ausgeprägte Ungleichverteilung der Ströme. Um diese zu reduzieren, wurden das Modell auf unterschiedliche Weise modifiziert. Dazu wurde das Modell mit zwei geometrischen Parametern versehen und eine parametrische Studie durchgeführt. Es konnte damit ein Optimum gefunden werden.

Da Q3D sich auf die Berechnung von Matrizen fokussiert, sind werden die Feldsimulationen nur in den beiden Extrema, DC und hohe Frequenzen, berechnet. Hohe Frequenzen meint ein voll ausgebildeten Skin-Effekt. Das bedeutet bei den AC-Simulation nur die Oberflächen der Leiter vernetzt, was die Simulation mit Q3D schnell macht. Allerdings wird die Stromverteilung bei niedrigen Frequenzen nicht realistisch wiedergegeben. Dafür ist das Tool Maxwell in AEDT geeignet.

Der ursprüngliche Aufbau und die optimierte Geometrie aus der AC-Simulation von Q3D wurden in Maxwell übertragen. Hier wurde wie Felder und Ströme bei unterschiedlichen Frequenzen berechnet. Es zeigt sich, dass die Ströme durch die Schlüsselkomponenten bei Frequenzen unterhalb von 10 kHz nahezu gleichverteilt fliesen. Ab 10 kHz zeigte sich eine Verteilung wie sie mit Q3D berechnet wurde.

Da die erwarteten Frequenzen bei dem Gerät für den Fehlerfall im Bereich von 100 Hz liegen kann davon ausgegangen werden, dass die Schlüsselkomponenten auch im Fehlerfall annähernd gleich belastet werden.

Ziele und Kennzahlen

Komplexe Geometrie für eine effiziente Simulation vorbereitet.

Spezielle Materialmodelle von Schlüsselkomponenten erstellt.

Modelle parametrisiert, um geometrische Optimierungen durchführen zu können.

Optimierungszielwerte definiert, die die den Grad der Stromgleichverteilung widerspiegeln

Die optimale Geometrie berechnet.

Frequenzabhängige Simulationen durchgeführt und den Grad der Ungleichverteilung mit der Frequenz bestimmt.

Dezember 2024 – April 2025

Budget 35’000 CHF

Selbststätige Projektarbeit

Energietechnik

Testimonial