Bachelorthesis - Dokumentenserverhosting der SUB
Bachelorthesis
Yubing Yang
Entwicklung eines Bedien- und Visualisierungsprogramms mit LabView für eine im
Labor nachgebildete Windenergieanlage
Fakultät Technik und Informatik
Department Informations- und
Elektrotechnik
Faculty of Engineering and Computer Science
Department of Information and
Electrical Engineering
Yubing Yang
Entwicklung eines Bedien- und Visualisierungsprogramms mit LabView für eine im Labor nachgebildete Windenergieanlage
Bachelorthesis eingereicht im Rahmen der Bachelorprüfung
im Studiengang Informations- und Elektrotechnik
am Department Informations- und Elektrotechnik
der Fakultät Technik und Informatik
der Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg
Betreuender Prüfer : Prof. Dr.-Ing Michael Röther
Zweitgutachter : Prof. Dr. Thomas Lehmann
Abgegeben am 06. Mai 2011
Yubing Yang
Thema der Bachelorthesis
Entwicklung eines Bedien- und Visualisierungsprogramms mit LabView für eine im Labor nachgebildete Windenergieanlage
Stichworte
Windenergieanlage, LabView, Anlagesteuerung, Wago I/O-System 750
Kurzzusammenfassung
Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung eines Bedien- und Visualisierungsprogramms mit LabView für eine labornachgebildete Windernergieanlage,
welche aus Maschinen, Frequenzumrichter und einem Computer besteht. Ein
Teil der Aufgabe war ein Wago I/O-System 750 zu implementieren, um die
ein- und ausgehenden Signale zu bearbeiten. Die Vorgehensweise und deren
wichtigen Funktionen werden in der vorliegenden Arbeit detailliert erklärt. Die
Bedienoberfläche wird so gestaltet, dass die Benutzer ohne tiefe Vorkenntnisse sie bedienen können.
Yubing Yang
Title of the paper
Development of a control and visualization program with LabView for a wind
energy plant in the laboratory
Keywords
wind energy plant, LabView, control and visualization program, Wago I/OSystem 750
Abstract
This thesis describes how to develop a control and visualization program with
LabView for a wind energy plant in the laboratory, which consists of machines,
frequency converters and a computer. A part of the task was the Wago I/O
system 750 to implement in order to deal with the in and out signals. The approach and their important functions are explained in detail. The control surface is simply represented that the users without deep previous knowledge
can use it.
I
Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis .................................................................................................II
Tabellenverzeichnis .....................................................................................................IV
1 Einleitung................................................................................................................1
1.1 Ziel der Arbeit ................................................................................................ 1
1.2 Gliederung der Arbeit ..................................................................................... 2
2 Beschreiben des existierenden Labormodells ........................................................3
2.1 Grundaufbau der nachgebildeten Windenergieanlage...................................... 3
2.2 Eigenschaft der ADDI-Data Karten ................................................................ 5
2.3 Prozessvisualisierungssystem WinErs............................................................. 7
2.3.1 Gliederung der Blockstrukturen............................................................ 8
3 Einführung in die neue Entwicklungsumgebung ..................................................9
3.1 Änderung im Grundaufbau der nachgebildeten WEA ..................................... 9
3.2 Eigenschaft des Wago I/O-Systems 750........................................................ 10
3.2.1 Beschreibung des Wago Feldbus-Kopplers 750-341 ........................... 10
3.2.2 Beschreibung der Wago Busklemmen 750-xxx................................... 12
3.3 Grafisches Programmiersystem NI LabView ................................................ 16
3.3.1 Wago LabView Bibliothek.................................................................. 20
3.3.2 Gliederung der SubVIs ....................................................................... 20
4 Realisierung mit LabView.................................................................................... 21
4.1 Aufgaben des main-Programms.................................................................... 21
4.1.1 Aufbau der Verbindung zwischen Wago-Klemmen und LabView ....... 21
4.1.2 Bearbeitung der Signale ..................................................................... 24
4.1.3 Ein- und Ausschaltkreis der Anlage .................................................... 30
4.1.4 Entwurf der Bedienoberfläche ............................................................ 32
4.2 Aufgaben der Sub-VIs.................................................................................. 41
4.2.1 Blockdiagramme mit Sub-VIs ............................................................ 43
4.2.2 Sub-VIs als Hilfsfunktionen ............................................................... 53
4.3 Erstellen einer ausführbaren Datei ................................................................ 57
4.4 Verifizierung ................................................................................................ 58
4.4.1 Kennlinien der WEA .......................................................................... 58
4.4.2 Stationäres Verhalten bei unterschiedlichen Generatorsystemen.......... 58
4.4.3 Vergleich der grafischen Darstellung .................................................. 60
5 Schluss................................................................................................................... 62
5.1 Zusmmenfassung.......................................................................................... 62
5.2 Danksagung ................................................................................................. 63
Literaturverzeichnis.................................................................................................... 64
A Anhang.................................................................................................................. 67
A.1 Verzeichnis der Formelzeichen ..................................................................... 67
A.2 Messdaten und Kennlinien ........................................................................... 68
A.3 Projektdatei und Ergänzende Dokumente ..................................................... 76
B Eigenständigkeitserklärung ................................................................................. 77
II
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 2-1 Grundsätzlicher Aufbau einer Windenergieanlage .......................................3
Abbildung 2-2 Aufbau der Labornachbildung.....................................................................4
Abbildung 2-3 Prozessbild eines WinErs-Projektes ............................................................7
Abbildung 2-4 Blockstruktur eines WinErs-Projektes .........................................................8
Abbildung 2-5 Blockstrukturen für Ermittlung des Ankerstromsollwertes ..........................8
Abbildung 3-1 Geänderter Aufbau des Labormodells „Windenergieanlage“ .......................9
Abbildung 3-2 Buskoppler 750-341.................................................................................. 10
Abbildung 3-3 Prozessabbild des Wago I/O-Systems 750 ................................................. 11
Abbildung 3-4 8-Kanal Digitale Eingangsklemme 750-430.............................................. 12
Abbildung 3-5 8-Kanal Digitale Ausgangsklemme 750-530 ............................................. 13
Abbildung 3-6 4-Kanal Analog Eingangsklemme 750-457 ............................................... 14
Abbildung 3-7 4-Kanal analoge Ausgangsklemme 750-559.............................................. 15
Abbildung 3-8 Bus-Endklemme 750-600 ......................................................................... 16
Abbildung 3-9 Frontpanel mit Bedienelement .................................................................. 17
Abbildung 3-10 Diagramm mit Elementsymbol ............................................................... 18
Abbildung 3-11 LabView Projekt-Explorer ...................................................................... 19
Abbildung 3-12 Gliederung der SubVIs ........................................................................... 20
Abbildung 4-1 Flussdiagramm für den Verbindungsaufbau............................................... 22
Abbildung 4-2 MBTConnect ............................................................................................ 22
Abbildung 4-3 MBTReadRegister .................................................................................... 23
Abbildung 4-4 MBTWriteRegister ................................................................................... 23
Abbildung 4-5 MBTDisconnect ....................................................................................... 23
Abbildung 4-6 Array mit gelesenen Werte vom ReadRegister........................................... 24
Abbildung 4-7 Bearbeitung der analogen Eingangssignale ............................................... 24
Abbildung 4-8 Skalierung des analogen Eingangs ............................................................ 25
Abbildung 4-9 Berechnung der Leistungsistwerte ............................................................ 26
Abbildung 4-10 Berechnung des Drehzahlistwertes.......................................................... 27
Abbildung 4-11 Blockdiagramm für die digitalen Eingangssignale................................... 27
Abbildung 4-12 Skalierung des analogen Ausgangs.......................................................... 28
Abbildung 4-13 Blockdiagramm für die analogen Ausgangssignale.................................. 28
Abbildung 4-14 Blockdiagramm für die digitalen Ausgangssignale .................................. 29
Abbildung 4-15 Zusammenfügen der Array im Main-Programm ...................................... 29
Abbildung 4-16 zu schreibenden Werte für WriteRegister................................................. 29
Abbildung 4-17 Flussdiagramm für Ein- und Ausschaltkreis ............................................ 31
Abbildung 4-18 Bedienoberfläche des WinErs-Programms .............................................. 32
Abbildung 4-19 Eingabefelder.......................................................................................... 33
Abbildung 4-20 Flussdiagramm für MPP-Tracking .......................................................... 35
Abbildung 4-21 Bedienoberfläche mit Registerseite „Signalverläufe“ .............................. 36
Abbildung 4-22 Bedienoberfläche mit Registerseite „Windsimulation“ ............................ 37
Abbildung 4-23 Bedienoberfläche mit Registerseite „Untersuchung“ ............................... 38
Abbildung 4-24 Bedienoberfläche mit Registerseite „Energiefluss“.................................. 39
Abbildungsverzeichnis
III
Abbildung 4-25 Bedienoberfläche mit Registerseite „Energiefluss“.................................. 40
Abbildung 4-26 Hilfsregister mit der Registerseite „Signale“ ........................................... 41
Abbildung 4-27 Übersicht für Sub-VIs ............................................................................. 42
Abbildung 4-28 cp-Lambda-Kennfeld mit analytischer Methode...................................... 45
Abbildung 4-29 cp-Lambda-Kennfeld mit Glättung.......................................................... 45
Abbildung 4-30 Blockdiagramm zum Berechnen des Ankerstromsollwertes..................... 47
Abbildung 4-31 nOptimum(vWind)-Kennlinie mit Stützstellen in WinErs ............................... 48
Abbildung 4-32 Nachgebildete nOptimum(vWind)-Kennlinie mit MatLab .............................. 49
Abbildung 4-33 Erzeugen einer Windbö........................................................................... 50
Abbildung 4-34 Berechnen des Drehzahlsollwertes mit Windnachführung ....................... 50
Abbildung 4-35 Blockdiagramm zum Bestimmen des Drehzahlsollwertes........................ 51
Abbildung 4-36 Blockdiagramm für Mittelwertbilden ...................................................... 52
Abbildung 4-37 Blockdiagramm zur Glättung des Leistungsistwertes .............................. 52
Abbildung 4-38 Blockdiagramm zur Glättung des Drehzahlistwertes ............................... 53
Abbildung 4-39 cp-Lambda-Kennfeld mit grafischen Stützstellen .................................... 53
Abbildung 4-40 Optimale Drehzahlkennlinie ................................................................... 54
Abbildung 4-41 Geglättetes Signal ................................................................................... 55
Abbildung 4-42 Definition der globalen Variablen............................................................ 56
Abbildung 4-43 Erstellen einer ausführbaren Datei .......................................................... 57
Abbildung 4-44 Vergleich von P(vWind) mit direkter Netzkopplung ................................... 59
Abbildung 4-45 Vergleich von P(vWind) mit Vollumrichter ................................................ 60
Abbildung 4-46 Signalverläufe von vWind und nsoll in WinErs............................................ 61
Abbildung 4-47 Signalverläufe von vWind und nsoll in LabView ......................................... 61
Abbildung A-1 M(n)-Kennlinien bei unterschiedlichen vWind in WinErs ........................... 69
Abbildung A-2 M(n)-Kennlinien bei unterschiedlichen vWind in LabView ......................... 70
Abbildung A-3 P(n)-Kennlinien bei unterschiedlichen vWind in WinErs............................. 71
Abbildung A-4 P(n)-Kennlinien bei unterschiedlichen vWind in LabView .......................... 72
Abbildung A-5 P(vWind) mit direkter Netzkopplung und Vollumrichter in WinErs ............. 74
Abbildung A-6 P(vWind) mit direkter Netzkopplung und Vollumrichter in LabView........... 75
IV
Tabellenverzeichnis
Tabelle 2-1 Signaleübersicht der einzelnen Verbindung ......................................................4
Tabelle 2-2 Binäre Eingangssignale....................................................................................5
Tabelle 2-3 Digitalen Ausgangssignale ...............................................................................5
Tabelle 2-4 Analoge Eingangssignale .................................................................................6
Tabelle 2-5 Analoge Ausgangssignale.................................................................................6
Tabelle A-1 Messdaten für Drehzahl-Spannungs-Kennlinie n(U)...................................... 68
Tabelle A-2 Messdaten für M(n) für unterschiedliche vWind in WinErs .............................. 69
Tabelle A-3 M(n)-Kennlinien für unterschiedliche vWind in LabView ................................ 70
Tabelle A-4 P(n)-Kennlinien P(n) für unterschiedliche vWind in WinErs............................. 71
Tabelle A-5 P(n)-Kennlinien P(n) für unterschiedliche vWind in LabView .......................... 72
Tabelle A-6 Messdaten für P(vWind) mit direkter Netzkopplung in WinErs ........................ 73
Tabelle A-7 Messdaten für P(vWind) mit Vollumrichter in WinErs...................................... 73
Tabelle A-8 Messdaten für P(vWind) mit direkter Netzkopplung in LabView...................... 74
Tabelle A-9 Messdaten für P(vWind) mit Vollumrichter in LabView ................................... 75
1
1 Einleitung
Die jüngsten Ereignisse in Fukushima und die dadurch ausgelösten Reaktionen der
Bevölkerung und Politik in Deutschland zeigen, dass die Tage der nuklearen
Energiegewinnung gezählt sind. Die regenerative Energiegewinnung wird hierdurch
zusätzlich an Bedeutung gewinnen. Eine dieser Alternativen ist die Windenergie. In ihr
steckt ein hohes Ausbaupotenzial, welches in den nächsten Jahren mit höchster
Wahrscheinlichkeit stark ausgeschöpft wird.
Um die Studenten für die Zukunft zu wappnen, steht eine labornachgebildete
Windenergieanlage als Laborversuch für das Fach „Regenerative Energietechnik“ zur
Verfügung. Das Labormodell entstand vor etwa 15 Jahren und ist seit mehr als 10 Jahren
unverändert. Die eingesetzten Hard- und Software entsprechen längst nicht mehr der
heutigen gängigen Technik. Im Falle eines Ausfalls der Hardware ist kein Ersatz mehr zu
besorgen. Außerdem ist die verwendete Umgebung nicht mehr auf dem aktuellsten Stand
der Technik.
1.1 Ziel der Arbeit
Im Rahmen dieser Bachelorarbeit wird die Software und Hardare des Laborversuchs
auf den aktuellen Stand modernisiert.
Für die Prozessvisualisierung und die Programmierung der grafischen
Bedienoberfläche des Labormodells wurde beim aktuellen Laborversuch die Software
WinErs1 eingesetzt. Im Verlauf dieser Arbeit soll die Software für den Laborversuch durch
die heute in der Entwicklung und Produktion häufig eingesetzte grafische
Programmiersprache LabView2 ersetzt werden.
Für die Datenübertragung zwischen der Anlage und dem Computer wurden
verschiedene Interface-Karten eingesetzt, die in den ISA-Slot von Computern eingesteckt
werden müssen. Solche Interface-Karten sind heute nicht mehr verbreitet. Im Falle von
Hardwaredefekten ist es schwierig Ersatzteile zu beschaffen. Das neue System soll daher
auf einen Standardbaustein von Verbindungsklemmen umsteigen.
Die eingesetzten Maschinen und Umrichter sind zwar veraltet, aber funktionieren
einwandfrei. Für die Mondernisierung ist es ist nicht unabdingbar, die bestehenden
Hardwarekomponenten zu ersetzen.
Das neue Bedien- und Steuerungsprogramm soll weitestgehend mit dem Alten identisch
sein. Neu hinzukommen sollen mehrere Anpassungen, wie die Vereinfachung der
Bedienung, übersichtlichere Darstellung des Modells und höhere Benutzerfreundlichkeit
der Bedienung durchgeführt werden.
1
Software für Prozessvisualisierung, Steuerung und Simulation, siehe Kapitel 2.3
2
Grafisches Programmiersystem von National Instrument, siehe Kapitel 3.3
Einleitung
2
1.2 Gliederung der Arbeit
Im Kapitel 2 wird der Aufbau des existierenden Laborversuchs, die verwendete Hardware
und Software beschrieben.
Im Kapitel 3 folgt eine Einführung in die neue Entwicklungsumgebung. Die Änderung des
Grundaufbaus, das neue Ein- und Ausgabensysstem, sowie die verwendete
Programmiersprache werden detailliert erläutert.
Auf die Realisierung des neuen Systems und deren Verifikationen werden im Kapitel 4
eingegangen. Hier wird hauptsächlich das entwicklte main-Programm beschrieben.
Eine Zusammenfassung und einen Ausblick schließt die Arbeit im Kapitel 5 ab.
3
2 Beschreiben des existierenden Labormodells
In diesem Kapitel werden der Grundaufbau einer Windenergieanalge und des
Labormodells,
die
Eigenschaften
der
ADDI
Data-Karten
und
das
Prozessvisualisierungssystem WinErs beschrieben.
2.1 Grundaufbau der nachgebildeten Windenergieanlage
Eine Windenergieanlage (WEA) erzeugt elektrische Energie aus der kinteischen
Energie des Windes. Hierfür wird die kinetische Energie des Windes zum Teil von den
Rotorblättern der WEA absorbiert und in eine Rotation gewandelt. Die
Rotationsgeschwindigkeit wird gegebenenfalls durch ein Getriebe den Bedürfnissen des
Asynchrongenerators angepasst, welche die Rotation in elektrische Energie wandelt. Beim
Frequenzumrichter wird die erzeugte elektrische Energie in einem Gleichstrom
umgewandelt. Die Ein- und Rückspeiseeinheit speist die Energie schließlich ins Stromnetz.
Die Abbildung 2-1 zeigt den Grundaufbau einer WEA.
Abbildung 2-1 Grundsätzlicher Aufbau einer Windenergieanlage3
In der Labornachbildung wird der Teil des Rotors weggelassen, siehe Abb. 2-2. Für die
Simulation der Windenergie wird eine Gleichstrommaschine verwendet. Die
Gleichstrommaschine wird von einem Gleichrichter gespeist, welche durch die
Prozessvisualisierung gesteuert werden kann.
Die in der Abbildung 2-2 gekennzeichneten Verbindungen sind vereinfachte
Darstellungen für die Datenübertragung zwischen der WEA und der Steuer-/Regeleinheit.
Jede Verbindung besteht aus mehreren Leitungen, die zum Übertragen der digitalen oder
analogen Signale dienen. In der Tabelle 2-1 sind die Signale unter jeder Verbindung zu
erkennen. Mit der ADDI Data-Karten können die Signale im Rechner bearbeitet werden.
3
[21] Seite 4, Abbildung 2.1/2
Beschreiben des existierenden Labormodells
Tabelle 2-1 Signaleübersicht der einzelnen Verbindung
Verbindung 1 1. Binäre Steuerung der Betriebszustände
2. Binäre Rückmeldungen der Betriebszustände
3. Analoger Leistungs-Istwert
Verbindung 2 1. Binäre Steuerung der Betriebszustände
2. Binäre Rückmeldungen der Betriebszustände
3. Analoge Istwerte der moment- und flussbildenden
Stromkomponenten
4. Analoger Drehzahl-Sollwert
Verbindung 3 1. Binäre Steuerung der Betriebszustände
2. Binäre Rückmeldungen des Betriebszustandes
3. Analoger Momenten-Sollwert
Abbildung 2-2 Aufbau der Labornachbildung4
4
[21] Seite 4, Abbildung 2.1/1
4
Beschreiben des existierenden Labormodells
5
2.2 Eigenschaft der ADDI-Data Karten
Zur Datenübertragung zwischen der WEA und dem PC wurden folgende
Interface-Karten im Rechner eingebaut:
1)
Digitale Ein- und Ausgabekarte ADDINUM PA150[8] besitzt jeweils 16 Eingangsund Ausgangskanäle. Die Ein- und Ausgänge sind durch Optokoppler galvanisch
getrennt Der Pegel von 24V entspricht dem logischen Zustand '1' und 0V dem
Zustand ‚0‘. In der Tabelle 2-1 und der Tabelle 2-2 sind alle binären ein- und
ausgehenden Signale dargestellt.
Tabelle 2-2 Binäre Eingangssignale
Kanal
Signalbezeichnung
Bemerkung
1
MD_ist_in_Betrieb
Betriebsstatus der Master Drive
2
MD_keine_Störung
Störungssignal der Master Drive
3
Fangen_ist_aktive
4
ER_ist_in_Bebtrieb
5
ER_keine_Störung
6
Lenze_keine_Störung
Signal für Master Drive, wenn das
Zuschalten der
Gleichstrommaschine
erlaubt ist.
Betriebsstatus
der
Ein&
Rückspeiseeinheit
Störungssignal
der
Ein&
Rückspeiseeinheit
Störungssignal des Lenze-Umrichters
Tabelle 2-3 Digitalen Ausgangssignale
Kanal
Signalbezeichnung
Bemerkung
1
Master_Drive_EIN
Einschaltsignal für Master Drive
2
MD_S_AUS
Ausschaltsignal für Master Drive
3
Quittierung
4
ER_Einschalten
5
Lenze_Regl_Freigabe
Signal zum Quittieren der Ein- &
Rückspeiseeinheit, Master Drive sowie
Lenze-Umrichter
Einschaltsignal
für
Ein&
Rückspeiseeinheit
Freigabesignal für Lenze-Umrichters
Beschreiben des existierenden Labormodells
2)
6
Die analoge Eingangskarte ADDIALOG PA 302[9] hat 16 analoge Single-endedoder 8 analoge Differenz-Eingänge. Die Karte digitalisiert die Eingangssignale mit 12
Bit Auflösung, dabei kann der Eingangsbereich zwischen 0-10V, +/- 5V oder +/- 10V
frei eingestellt werden. Für die Steuerung wurden folgende Kanäle verwendet:
Tabelle 2-4 Analoge Eingangssignale
Kanal
3)
Signalbezeichnung
Bemerkung
0
Drehzahl_Istwert
Drehzahlistwert des Generators
1
Id_Istwert
Istwert des Zwischenkreisstroms
Berechnung des Leistungsistwertes
2
Isq
Momentbildende Stromkomponente
3
Isd
Flussbildende Stromkomponente
zur
Die analoge Ausgangskarte PA 350[10] besitzt 4 analoge Ausgänge über einen
Bereich von +/- 10V oder 0 - 10V mit 12 Bit Auflösung. Nur zwei Kanäle wurden
hier verwendet, siehe Tabelle 2-5.
Tabelle 2-5 Analoge Ausgangssignale
Kanal
Signalbezeichnung
Bemerkung
0
n_Sollwert_für_MD
Drehzahlsollwert des Generators für Master
Drive
1
Ankerstrom_soll
Ankerstromsollwert für Lenze-Umrichter
Die Kabel, die aus den Geräten kommen, enthalten gemischte Signale. Sie werden
gemäß den verwendeten Karten in drei Gruppen gegliedert, welche sich in binäre Ein- und
Ausgangssignale, analoge Eingangssignale und analoge Ausgangssignale unterteilen.
Leitungen desselben Typs werden in einem D-Sub Stecker zusammengeführt und an der
Karte angeschlossen5.
5
Die Pinbelegungen des D-Sub Steckers wurden als Bilddateien auf der beigefügten CD hinterlegt.
Beschreiben des existierenden Labormodells
7
2.3 Prozessvisualisierungssystem WinErs
Zur Prozessvisualisierung wurde im ursprünglichen Projekt WinErs verwendet. WinErs
ist ein Prozessleit-, Automatisierungs- und Simulations-System mit integrierter Soft-SPS6
und wurde vom Ingenieurbüro Dr.-Ing. Schoop entwickelt.
Ein vollständiges WinErs-Projekt besteht aus Prozessbildern (Abbildung 2-3) und
Blockstrukturen(Abbildung 2-4). In einem Prozessbild werden alle Bedienelemente
platziert. Ein Projekt kann aus mehreren Prozessbildern bestehen. Zwischen den einzelnen
Prozessbildern können mit Bedingungsabfrage umgeschaltet werden, z. B. durch Betätigen
eines Buttons. Eine Blockstruktur besteht aus verdrahteten Blöcken. Das Projekt kann
ebenfalls aus mehreren Blockstrukturen bestehen. Durch Freigabe der Steuerung werden
alle Prozessbilder und Blockstrukturen aktiviert und zyklisch abgearbeitet.
Abbildung 2-3 Prozessbild eines WinErs-Projektes
6
Speicherprogrammierbare Steuerung ohne Hardwarekomponenten(virtuell)
Beschreiben des existierenden Labormodells
8
Abbildung 2-4 Blockstruktur eines WinErs-Projektes7
2.3.1 Gliederung der Blockstrukturen
Ein Projekt setzt sich aus mehreren Prozessbildern zusammen, wodurch das Erkennen
der Zusammenhänge der einzelnen Strukturen und der Signalflüsse erschwert werden. Eine
Gliederung dient zum besseren Verständnis des Programms.
Die Blockstrukturen werden in vier Gruppen gegliedert: Hardware, Simulation,
Visualisierung und Daten. Unter jeder Gruppe werden alle Blockstrukturen
zusammengefasst, die zu einer Aufgabe gehören. Als Beispiel zeigt die Abbildung 2-5 die
gegliederten Blockstrukturen zur Ermittlung des Ankerstromsollwertes, welcher für die
Steuerung der Gleichstrommaschine zuständig ist. Die Gliederung erleichtert die
Umsetzung der Steuerungslösung in LabView8.
Abbildung 2-5 Blockstrukturen für Ermittlung des Ankerstromsollwertes
7
[21] Blockstruktur Seite 1
8
Weitere Gliederungen siehe Bilddateien auf beigefügter CD.
9
3 Einführung in die neue Entwicklungsumgebung
In diesem Kapitel wurden die Änderung im Grundaufbau des Labormodells und die
Eigenschaften des neuen Ein- und Ausgabensystems beschrieben. Am Ende wird eine
Einführung in die grafische Programmiersprache von LabView gegeben.
3.1 Änderung im Grundaufbau der nachgebildeten WEA
Die einzige Änderung im Grundaufbau ist die Signalerfassung außerhalb des Rechners
(siehe Abbildung 3-1). Das Wago I/O-System 750 sammelt die Signale aus allen Geräten
der Windenergieanlage. Über ein Netzwerkkabel werden die Daten vom Wago I/O-System
750 an den PC gesendet bzw. von dem PC empfangen. Der Versuchsaufbau bleibt hierbei
unverändert. Auch die Signale werden unverändert in das neue System übernommen.
Abbildung 3-1 Geänderter Aufbau des Labormodells „Windenergieanlage“
Einführung in die neue Entwicklungsumgebung
10
3.2 Eigenschaft des Wago I/O-Systems 750
Als Auswahl gab es zwei Möglichkeiten: ein Datenerfassungsgerät von NI z. B.
National Instruments Analog/Digital-I/O-Modul oder ein Ein- und Ausgabegerät vom
anderen Herstellter z. B. Wago I/O-System. Der Vorteil für ein NI Datenerfassungsgerät
liegt darin, dass die Hardware mit LabView kompatibel ist. Die Schwierigkeit bei der
zweiten Lösung wäre die Kommunikation zwischen dem Gerät und der Software LabView.
Aufgrund der geringeren Anschaffungskosten und des besseren Supports des Herstellers,
wurde sich für das Wago-System entschieden.
3.2.1 Beschreibung des Wago Feldbus-Kopplers 750-341
Der Feldbus-Koppler 750-341 (Abbildung 3-2) verbindet die Busklemmen über den
Feldbusanschluss mit dem Ethernet. Nach dem Anschluss mit Ethernet ermittelt der
Koppler die angereihten Busklemmen und erstellt daraus ein lokales Prozessabbild mit
dem Eingangs- und Ausgangsdatenbereich (Abbildung 3-3). Die analogen Daten werden
zuerst wortweise nach der Reihenfolge der Kanäle ins Prozessabbild angehängt und dann
die digitalen Daten als ein Wort ins Prozessabbild hinzugefügt. Für den Datenaustausch
werden Netzwerkprotokoll Modbus TCP oder UDP verwendet.
Die Konfigurationsschnittstelle wurde nicht verwendet. Stattdessen wurde das Gerät
über einem vom Koppler zur Verfügung gestellten Webserver konfiguriert, indem die
Konfiguration über die IP-Adresse im WEB-Browser aufgerufen wird.
Abbildung 3-2 Buskoppler 750-3419
9
[13] Seite 46, Abbildung 3.1-1
Einführung in die neue Entwicklungsumgebung
Abbildung 3-3 Prozessabbild des Wago I/O-Systems 750
11
Einführung in die neue Entwicklungsumgebung
12
3.2.2 Beschreibung der Wago Busklemmen 750-xxx
Zum Datenaustausch wurden jeweils eine Eingangs- und Ausgangsklemme für digitale
und analoge Übertragung der Signale benötig. Zum Verbinden des Wago I/O-Gerätes mit
der Anlage müssen drei Kabelanschlüsse mit D-Sub Stecker wie bei den Anschlüssen der
ADDI Data-Karten nachgebaut werden. Auf einer Seite werden die Kabel mit der Anlage
verbunden und auf anderer Seite mit den Busklemmen.
3.2.2.1
Digitale Eingangsklemme 750-430
Mit der digitalen Eingangsklemme 750-430 können acht Kanäle mit 3 ms abgetastet
werden. Die Eingänge sind positiv schaltend. Alle Signale werden unverändert
übernommen bis auf die Kanalnummer(siehe Abbildung 3-5). Da auf der Klemme kein
freier Anschluss für die Masse vorhanden ist, muss zusätzlich eine gemeinsame Masse für
alle Eingänge zur Verfügung gestellt werden, z. B. die Masse vom Buskoppler zu benutzen.
ER_ist_in_Bebtrieb
MD_ist_in_Bebtrieb
Fangen_ist_aktive
ER_keine_Störung
MD_keine_Störung
Lenze_keine_Störung
Abbildung 3-4 8-Kanal Digitale Eingangsklemme 750-43010
10
[14] Seite 7, Abbildung 2.1.1-1
Einführung in die neue Entwicklungsumgebung
3.2.2.2
13
Digitale Ausgangsklemme 750-530
Die digitale Ausgangsklemme 750-530 besitzt ebenfalls acht digitale Ausgänge und die
Ausgänge sind positiv schaltend. Die benutzten Kanäle werden in der Abbildung 3-5
gezeigt. Die Masse muss ebenfalls zusätzlich zur Verfügung gestellt werden.
ER_Einschalten
MD_S_AUS
Master_Drive_EIN
Lenze_Regl_Freigabe
Quittierung
Abbildung 3-5 8-Kanal Digitale Ausgangsklemme 750-53011
11
[16], Seite 7, Abbildung 2.1.1-1
Einführung in die neue Entwicklungsumgebung
3.2.2.3
14
Analoge Eingangsklemme 750-457
Die analoge Eingangsklemme 750-457 besitzt nur vier Single-Ended Eingänge. Der
Eingangsbereich liegt zwischen -10V und +10V. Die Abbildung 3-6 stellt die
Kanalbelegung dieser Klemme dar. Die Kanäle besitzen ein gemeinsames Massepotential.
Alle vier Kanäle werden verwendet. Falls später weitere Eingänge benötigt werden, muss
eine zweite Eingangsklemme beschafft werden. Die I/O-Klemme lässt sich mühelos
erweitern.
Id_Istwert
Isq
Isd
Drehzahl_Istwert
Abbildung 3-6 4-Kanal Analog Eingangsklemme 750-45712
12
[15] Seite 7, Abbildung 2.1.1-1
Einführung in die neue Entwicklungsumgebung
3.2.2.4
15
Analoge Ausgangsklemme 750-559
Die analoge Ausgangsklemme 750-559 besitzt vier analoge Ausgänge mit dem
Wertbereich von 0 bis 10V. Ein gemeinsames Massepotential ist ebenfalls bei dieser
Klemme vorhanden.
n_Sollwert_für_MD
Ankerstrom_soll
Abbildung 3-7 4-Kanal analoge Ausgangsklemme 750-55913
13
[17] Seite 7, Abbildung 2.1.1-1
Einführung in die neue Entwicklungsumgebung
3.2.2.5
16
Wago Busendlemme 750-600
Die Busendklemme 750-600 (Abbildung 3-8) wird am Ende der Ein- und
Ausgangsklemme eingesetzt. Für das Wago I/O-System 750 ist diese Endklemme
notwendig, um eine ordnungsgemäße Datenübertragung zu garantieren.
Abbildung 3-8 Bus-Endklemme 750-60014
3.3 Grafisches Programmiersystem NI LabView
Die grafische Programmiersprache LabView von NI hat sich in den letzten Jahren sehr
weit verbreitet und ist für die Entwicklung dieses Projektes sehr gut geeignet, besonders für
das Erstellen grafischer Bedienoberfläche und Prozessvisualisierung.
Labview ist eine grafische Programmiersprache von National Instruments. LabView
steht für „Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench“ und wird
hauptsächlich in den Bereichen der Mess-, Regel- und Automatisierungstechnik
angewendet. Die erstellten LabView-Programme werden als „Virtuelle Instrumente“, kurz
VI, bezeichnet. Ein VI besteht aus zwei Komponenten: das Frontpanel und das
Blockdiagramm. Ein LabView Porjekt besteht aus einem main-Programm und mehreren
Unterprogrammen.
14
[17] Seite 7, Abbildung 2.1.1-1
Einführung in die neue Entwicklungsumgebung
17
1) Frontpanel
Das Frontpanel enthält die Benutzerschnittstelle. Durch Anklicken der rechten
Maustaste erscheint die Element-Palette, welche verschiedene Elemente für die Gestaltung
beinhaltet. Wird das gewünschte Element ausgewählt und in das Frontpanel gezogen, wird
das Element hinzugefügt (siehe Abbildung 3-10). Im Frontpanel wird nicht programmiert,
sondern nur die Bedienoberfläche bearbeitet.
Abbildung 3-9 Frontpanel mit Bedienelement
Einführung in die neue Entwicklungsumgebung
18
2) Blockdiagramm
Das Blockdiagramm enthält den grafischen Programmcode. Nach dem Platzieren des
Bedienelementes im Frontpanel wird im Blockdiagramm automatisch ein Elementsymbol
erzeugt, welches dem Bedienelement entspricht (siehe Abbildung 3-10). Hier wird das
Elementsymbol programmiert. Die Funktionspalette enthält alle Funktionsblöcke, die von
LabView zur Verfügung stehen. Durch Anbindung zusätzlicher LabView Bibliotheken kann
die Funktionsplatte beliebig erweitert werden.
Abbildung 3-10 Diagramm mit Elementsymbol
Einführung in die neue Entwicklungsumgebung
19
3) LabView Projekt
Ein Projekt besteht aus mehreren Dateien. Ein Projekt-Explorer (Abbildung 3-11)
ermöglicht, alle zu einem Projekt gehörenden Dateien zusammen zu stellen und zu
verwalten. Dadurch wird eine bessere Übersicht gewährleistet.
Abbildung 3-11 LabView Projekt-Explorer
Ein Projekt kann aus einem main-Programm und mehreren Unterprogrammen bestehen.
Ein main-Programm enthält den übergeordneten Programmcode und wird anschließend
kompiliert. Die Unterprogramme, auch SubVIs genannt, sind untergeordnete Programme
und können vom main-Programm oder auch von anderen Unterprogrammen aufgerufen
werden. Sie müssen eigenständig lauffähig sein. Durch Verwendung eines
Unterprogrammes wird ein umfangreiches Programm in einfache Teile zerlegt und dadurch
besser verständlich15.
15
Eine tiefer eingehende Einführung in Labview siehe [3]
Einführung in die neue Entwicklungsumgebung
20
3.3.1 Wago LabView Bibliothek
Zur Vereinfachung der Verbindung zwischen LabView und dem Wago Bussystem steht
eine LabView Bibliothek MBT.llb von der Firma Wago zur Verfügung. Diese Bibliothek
enthält die wichtigen Funktionen, wie z. B. MBTConnect zum Aufbau der Verbindung, zur
Kommunikation unter dem LabView-System mit den Busklemmen. Im Kapitel 4.1.1
„Verbindung mit Wago-Klemmen“ werden die verwendeten Funktionen ausführlich
erläutert.
3.3.2 Gliederung der SubVIs
Die Gliederung der SubVIs für LabView wurden wenig verändert, da die Ein- und
Ausgänge der einzelnen Blockstruktur übernommen wurden. Daher bleibt der
Zusammenhang zwischen den Blockstrukturen unverändert. Zu erwähnen ist, dass die
SubVIs im LabView, wie in der Abbildung 3-12 zeigt wird, beim Programmieren
tatsächlich mit Drähten verbunden sein müssen und im WinErs nicht16.
Abbildung 3-12 Gliederung der SubVIs
16
Weitere Gliederungen sind als Bilddateien auf beigefügter CD zu finden
21
4 Realisierung mit LabView
In diesem Kapitel wird auf die Einzelheiten der Realisierung mit LabView
eingegangen. Im ersten und zweiten Abschnitt werden die Aufgaben des main-Programmes
und der SubVIs beschrieben. Im dritten Abschnitt wird das Erstellen einer ausführbaren
Datei erläutert. Anschließend wird das Verhalten des neuen Systems mit dem Verhalten des
alten Systems verglichen.
4.1 Aufgaben des main-Programms
Zum Starten der Steuerung wird das Main-Programm aufgerufen. Hauptsächlich
wurden folgende Funktionen im Main-Programm ausgeführt:
1) Die Geräte können nach einer definierten Reihenfolge ein- und ausgeschaltet
werden.
2) Die Verbindung zwischen LabView und Wago Busklemmen wird aufgebaut.
3) Die ein- und ausgehenden Signale werden hier in die gewünschte Form
umgewandelt und zur Datenübertragung bereitgestellt.
4) Die Bedienoberfläche für die grafische Darstellung der Signale wird festgelegt.
4.1.1 Aufbau der Verbindung zwischen Wago-Klemmen und LabView
Wie im Kap. 3.3.1 beschrieben kann LabView mit Hilfe der Bibliothek MBT.llb mit
den Busklemmen kommunizieren. Das Flussdiagramm in der Abb. 4-1 zeigt einen
einfachen Ablauf für die Verbindung des Lesens und Schreibens. Mit der Funktion
„MBTConnect“ wird die Verbindung aufgebaut. Solange kein Stop-Signal vorhanden ist,
werden die Funktion „MBTReadRegister“ und „MBTWriteRegister“ zyklisch aufgerufen
und die Daten von den Eingängen gelesen bzw. an die Ausgänge geschrieben. Mit der
Funktion „MBTDisconnect“ wird die Verbindung getrennt.
Realisierung mit LabView
22
Abbildung 4-1 Flussdiagramm für den Verbindungsaufbau
4.1.1.1
MBTConnect
Durch die Übergabe der IP-Adresse des Buskopplers (192.168.10), der
Kommunikationsart (hier useTCP=False) und der Fehlereingang wird die Verbindung mit
den Busklemmen hergestellt. Die Funktion gibt den hSocket und den Fehlerausgang aus.
Der hSocket ist eine Handle-Nummer für die erzeugte Verbindung. Diese Nummer bleibt
unverändert und wird später beim Lesen und Schreiben bzw. zur Trennung der Verbindung
benötigt.
Abbildung 4-2 MBTConnect
4.1.1.2
MBTReadRegister
Mit der Funktion MBTReadRegister (oberes Bild in der Abbildung 4-3) können sowohl
die digitalen als auch die analogen Eingangsklemmen gelesen werden. Die numWords ist
die Anzahl der zu lesenden Worte. Da die analogen Werte wortweise, die digitalen Werte
bitweise gelesen und als Wort gespeichert werden, ist hier „5“ einzugeben: vier Worte für
die 4-kanälige analoge Eingangsklemme und ein Wort für die 8-kanälige digitale
Realisierung mit LabView
23
Eingangsklemme.
Die Rückgabe ist ein eindimensionaler Array mit fünf Werten (siehe unteres Bild in der
Abbildung 4-3).
Abbildung 4-3 MBTReadRegister
4.1.1.3
MBTWriteRegister
Die Funktion „MBTWriteRegister“ kann die Werte in die digitalen und in die analogen
Ausgangsklemmen schreiben, indem man die zu schreibenden Werte in einem Array
zusammenfasst und an die Funktion übergibt (siehe Abbildung 4-4). Ebenfalls werden
zuerst die analogen Werte und dann die digitalen Werte geschrieben.
Abbildung 4-4 MBTWriteRegister
4.1.1.4
MBTDisconnect
Zum Abtrennen der Verbindung wird die Funktion MBTDisconnect aufgerufen.
Getrennt wird nur die Verbindung mit der angegebenen hSocket-Nummer. Es können
mehrere Verbindungen vorhanden sein.
Abbildung 4-5 MBTDisconnect
Realisierung mit LabView
24
4.1.2 Bearbeitung der Signale
Die gelesenen Signale vom ReadRegister müssen hier in die gewünschte Form
umgewandelt werden. Die zu schreibenden Signale müssen für die WriteRegister
bereitgestellt werden. Sowohl zum Lesen als auch zum Schreiben benötigt man ein
eindimensionales Array mit fünf Werten. Das Array enthält die digitalen und analogen
Daten. Zu beachten ist, dass bei analogen Signalen ein Wert einem Kanal entspricht und bei
digitalen ein Wert acht Kanälen entspricht. Die Werte werden mit der entsprechenden
Funktion getrennt.
4.1.2.1
Analoge Eingangssignale
Die gelesenen Werte müssen nach dem Index des Arrays (siehe Abbildung 4-6)
zugewiesen werden. Die ersten vier Arrayelemente sind analoge Signale und das 4. enthält
digitale Signale. Für analoge Eingangssignale werden nur die ersten 4 Werte benötigt (siehe
„Array indizieren“ in der Abbildung 4-7).
Abbildung 4-6 Array mit gelesenen Werte vom ReadRegister
Abbildung 4-7 Bearbeitung der analogen Eingangssignale
Die zugewiesenen Werte müssen in die gewünschte Form umgerechnet werden. Für die
Umrechnung werden folgende Funktionen erstellt:
1) Funktion „Ana_Umrechnen“
Diese Funktion kann eine Dezimalzahl in Spannung mit Hilfe einer Geradengleichung
umgerechnen. Die Steigung m und der Achsenschnitt b von einer Geradegleichung lässt
sich mit der Formel 4-2 und 4-3 berechnen.
Realisierung mit LabView
y = m⋅x +b
m=
25
4-1
∆y y2 − y1
=
∆x x1 − x2
b = y1 − m ⋅ x1 = y1 −
4-2
y2 − y1
x ⋅y −x ⋅y
⋅ x1 = 1 2 2 1
x2 − x1
x1 − x2
4-3
Aus der Abbildung 4-8 ist der Achsenabschnitt sofort zu erkennen, weil die Gerade durch
die Ursprung ist.
Abbildung 4-8 Skalierung des analogen Eingangs
Für die Berechnung der Eingangsspannung wird mit Hilfe der Abbildung 4-8 wurde
folgende Formel erstellt:
y = x⋅
10V
32767
4-4
2) Leistungs_Istwert_Umrechnen
Der Leistungsistwert ist mit Hilfe einer Geradenfuntion zu berechnen (siehe Abbildung
4-9). Die Steigung m und der Achsenabschnitt b lassen sicht ebenfalls mit der Gleichung
4-2 und 4-3 ermitteln.
Realisierung mit LabView
26
Leistung [W]
y=592,25*x-1817,94
y2=4104,56W
Uein [V]
3,07V
-1817,94 W
y1=-1817,94 W
x2=10V
x1=0V
Abbildung 4-9 Berechnung der Leistungsistwerte
Die max. und min. Leistung 4104,56W und -1817,94W wurden aus dem alten Programm
abgelesen. Damit wurde die Gleichung 4-5 für die Berechnung des Leistungsistwertes
erstellt.
W
P _ ist = 592, 25[ ] ⋅ P [V ] − 1817, 94[W ]
V
4-5
3) Isd-Isq_Umrechnen
Die momentbildenden (Isq) und flussbildenden (Isd) Stromkomponenten sind eine im
Master Drive umgerichtete Größe. Wenn die Asynchronmaschine im Generatorbetrieb
arbeitet, ist die momentbildende Stromkomponente negativ. Im Fall des Motorbetriebs ist
sie im positiven Bereich. Die flussbildende Stromkomponente ist relativ konstant.
Berechnet wurde mit folgender Gleichung:
I _ ist =
( I [V ] − I Offset[V ])
I Verstärkung[V ]
⋅ I normiert[ A ]
4-617
Die Offsetspannung, Spannungsverstärkung und der normierte Strom wurden aus dem
Gerät Master Drive abgelesen.
4) Drehzahl_Istwert_Umrechnen
Mit dieser Funktion wird der gelesene Drehzahlistwert in Volt aus dem Drehzahlgeber als
Drehzahl ausgegeben. Zur Berechnung wurden die ersten zwei Werte aus der Tabelle A-1
genommen. Dies ist in der Abbildung 4-10 zu erkennen.
17
Vgl. [7] Seite 4-33
Realisierung mit LabView
27
n_ist [1/Min]
y=443,656*x-13,355
y2=400 1/Min
y1=350 1/Min
Uein [V]
x1=0,8190V x2=0,9332V
-13,355 1/Min
Abbildung 4-10 Berechnung des Drehzahlistwertes
Die Steigung und der Achsenabschnitt wurden ebenfalls mit der Gleichung 4-2 und 4-3
berechnet. Damit wurde die Gleichung 4-7 erstellt.
Min −1
n _ ist = 443, 656[
] ⋅ n [V ] − 13, 355[Min −1 ]
V
4.1.2.2
4-7
Digitale Eingangssignale
Für die digitalen Eingangssignale muss das fünfte Element des Arrays (Abbildung 4-6)
zugewiesen werden. Dieses Element muss so umgeformt werden, dass die Dezimalzahl am
Ende binär angezeigt wird (Abbildung 4-11). Der gelesene digitale Eingangswert aus der
Abbildung 4-6 ist eine „11“ in Dezimal. Diese Dezimalzahl entspricht einer Binärzahl 1101
000. Das heißt Kanal 1, 2 und 4 sind auf "1" und Kanal 3, 5, 6, 7, 8 auf "0". Allerdings
werden hier nur 6 Kanäle benutzt.
Abbildung 4-11 Blockdiagramm für die digitalen Eingangssignale
Realisierung mit LabView
4.1.2.3
28
Analoge Ausgangssignale
Die Funktion „WriteRegister“ kann nur dezimale Zahlen verarbeiten. Aus diesem
Grund muss die zu schreibende Ausgangsspannung mit der Funktion „Ana_Umrechnen“ in
Dezimal umgewandelt werden. Mit der Abbildung 4-12 kann die Gleichung (4-8) zur
Berechnung der Dezimalzahl erstellt werden.
Abbildung 4-12 Skalierung des analogen Ausgangs
y = x⋅
32767
10V
4-8
Weil die analoge Ausgangsklemme vier Kanäle besitzt, muss das Array um zwei
Elemente vergrößert werden, obwohl nur zwei Kanäle benutzt werden. Das erweiterte
Array („Array Anzeigen“ in der Abbildung 4-13) wird zum Schreiben bereitgestellt. Im
main-Programm wird dieses mit dem digitalen zu schreibenden Werten als ein Array erfasst
und zusammen an die Funktion „WriteRegister“ weitergegeben.
Der Cluster „Analoge Ausgänge“ dient zur internen Anzeige.
Abbildung 4-13 Blockdiagramm für die analogen Ausgangssignale
Realisierung mit LabView
4.1.2.4
29
Digitale Ausgangssignale
Das Zusammenfassen der zu schreibenden digitalen Signale ist viel einfacher als bei
den analogen Signalen. Für eine digitale Ausgangsklemme mit acht Kanälen wird eine
einzige Dezimalzahl benötigt. Das einzelne Signal wird in ein Array gespeichert und in
eine Zahl konvertiert (siehe Abbildung 4-14).
Abbildung 4-14 Blockdiagramm für die digitalen Ausgangssignale
Die Abbildung 4-15 zeigt im main-Programm das Erstellen eines Arrays zum Schreiben
von analogen und digitalen Werten.
Abbildung 4-15 Zusammenfügen der Array im Main-Programm
In der Abbildung 4-16 ist ein Array mit zwei analogen zu schreibenden Werten und
einem digitalen zu schreibenden Wert für 8 Kanäle.
Abbildung 4-16 zu schreibenden Werte für WriteRegister
Realisierung mit LabView
30
4.1.3 Ein- und Ausschaltkreis der Anlage
Die Reihenfolge zum Ein- und Ausschalten des Gerätes muss beim Programmieren
vordefiniert werden. Die Ein- und Rückspeiseeinheit, kurz ER, steuert den
Gleichstromzwischenkreis, welches die Energie ins Netz einspeist und aus dem Netz
entnimmt. Das Gerät Master Drive ist ein Spannungs-Frequenzumrichter (U/f Umrichter).
Er steuert die Asynchronmaschine18.
Zum Einschalten muss die ER zuerst in Betrieb sein, damit das Gerät Master Drive den
erzeugten Zwischenkreis übernimmt. Nachdem die Ein- und Rückspeiseeinheit fehlerfrei in
Betrieb ist, wird Master Drive zugeschaltet. Anschließend wird die Gleichstrommaschine
eingeschaltet.
Beim Ausschalten ist es umgekehrt. Master Drive wird zuerst ausgeschaltet und dann
die ER. Zum Schluss wird die Gleichstrommaschine ausgeschaltet.
Die Abb. 4-16 stellt ein Flussdiagramm des Ein- und Ausschaltkreises dar. Beim
Programmieren werden die Schleifen verschachtelt. Die Schleifen 2 bis 5 wird gestoppt,
wenn die Variable „Schleife_Stopp“ auf 1 gesetzt und die Bedingung (z. B.
ER_ist_in_Betrieb=1) erfüllt wird. Die äußere Schleife wird gestoppt, wenn die
Stopp-Taste betätigt wird.
18
Die Funktionsweise der Geräte siehe [19] Kapitel 6.1 und 6.2 sowie [21] Kapitel 2.6.2
Realisierung mit LabView
Abbildung 4-17 Flussdiagramm für Ein- und Ausschaltkreis
31
Realisierung mit LabView
32
4.1.4 Entwurf der Bedienoberfläche
Eine der Hauptaufgaben ist die Entwicklung der Bedienoberfläche. Als Vorlage wurde
das Prozessbild „Bedienung“ vom alten Programm genommen, siehe Abbildung 4-18.
Abbildung 4-18 Bedienoberfläche des WinErs-Programms
Die Eingabefelder, Einschaltknöpfe und Signalanzeiger sind unverändert geblieben. Die
Änderungen bestehen darin, dass die neue Bedienoberfläche gegenüber der alten
Benutzerüberfläche aus einem einzigen Fenster besteht. Die weiteren Prozessbilder werden
als Karteikarte im Hauptregister angelegt. Durch Mausklicken kann die entsprechende
Registerseite aktiviert werden.
Realisierung mit LabView
4.1.4.1
33
Eingabefelder und Anzeigetafel
Die Eingabefelder (erste drei eingerahmte Bereiche in der Abb. 4-18) dienen dazu, die
Anlage ein- und auszuschalten, sowie die Sollwerte für die Anlage zu erfassen. Die
Anzeigetafel (vierter eingerahmter Bereich in der Abbildung 4-19Abbildung 4-21) besteht
aus vier Anzeigeinstrumenten, welche aus demDrehzahlistwert, Leistungsistwert,
Rotormoment und Ankerstrom bestehen. Die Werte sind teilweise gefiltert, um ein
flackerndes Anzeigen zu vermeiden.
Abbildung 4-19 Eingabefelder
Realisierung mit LabView
34
1) Steuerung
Hier kann die Steuerung gestartet werden. Die Voraussetzung ist, dass alle Geräte
fehlerfrei sind. Falls einer von den drei Fehler-Anzeigern eine Störung meldet, ist die
Anlage nicht betriebsbereit. Die Störung kann an den einzelnen Geräten oder am I/O-Gerät
liegen. Die Störungen müssen quittiert werden, um die Steuerung fortzusetzen.
Wenn alle Fehler beseitigt sind, kann die Ein- und Rückspeiseeinheit durch Betätigen
des Knopfes „Start/Stop“ eingeschaltet werden. Anschließend kann der Frequenzumrichter
Master Drive und der Gleichstromrichter Lenze eingeschaltet werden, indem der Schalter
„Nachbildung Start/Stop“ betätigt wird.
Mit dem Schalter „LabView beenden“ kann man LabView sofort verlassen, wenn die
Schalter „Start/Stopp“ und „Nachbildung Start/Stopp“ ausgeschaltet sind. Eine
Verriegelung der Schalter wurde programmiert. Ein Beenden der Anwendung bei laufenden
Maschinen und Geräten müssen vermieden werden.
2) Windgeschwindigkeit
Die Windgeschwindigkeit kann manuelle zwischen 3 m/s und 11 m/s vorgegeben oder
durch Computer simuliert werden. Die Abbildung 4-21 zeigt simulierte Windböen. Die
Windgeschwindigkeit liegt ebenfalls zwischen 3 m/s und 11 m/s.
3) Regelverfahren
Mit dem Regelverfahren kann der Drehzahlsollwert für den Asynchrongenerator
bestimmt werden. Die drei Regelverfahren sind manuelle Vorgaben des Drehzahlsollwertes,
Windnachführung und selbststellendes Maximum (MPP-Tracking).
l Manuelle Vorgabe des Drehzahlsollwertes
Die Drehzahl kann manuell zwischen 350 1/Min und 1100 1/Min variiert werden.
l Windnachführung
Mit Windnachführung wird die Drehzahl so eingestellt, dass die mechanische oder
elektrische Leistung sein Maximum erreicht. Eine ausführliche Beschreibung befindet sich
in Abschnitt 4.2.1.2.
l Selbstellendes Maximum
Mit dem Steuerverfahren „selbstellendes Maximum“, auch „MPP-Tracking“ genannt,
wird die Drehzahl schrittweise eingestellt, bis die Leistung das Maximum erreicht. Die
tatsächliche eingespeiste Leistung wird abgefragt, ob sie größer als die maximale Leistung
ist. Falls sie kleiner als die maximale Leistung ist, wird die Drehzahl um 50 1/Min erhöht.
Im Gegenteil wird die Drehzahl um 50 1/Min verringert. Diese Abfragung wird zyklisch
hervorgerufen. Die Abbildung 4-20 zeigt das Flussdiagramm für das Steuerverfahren
„MPP-Tracking“.
Realisierung mit LabView
35
Start
Ablesen
des Leistungsistwertes
Verringern des
Drehzahlsollwertes
um 50 1/Min
Erhöhen des
Drehzahlsollwertes
um 50 1/Min
Ja
Liestungsistwert >
max. Leistung?
Nein
Abbildung 4-20 Flussdiagramm für MPP-Tracking
4.1.4.2
Hauptregister
Das Hautregister dient zur grafischen Darstellungen der Signale. Durch Mausklicken
kann man zwischen den Registerseiten umschalten. Beim alten Programm wird durch
Freigabe eines Buttons das entsprechende Prozessbild aktiviert und gleichzeitig alle
anderen Prozessbilder deaktiviert. Ein Zugriff auf die deaktivierten Seiten ist dann nicht
möglich. Daher ist eine nachträgliche Änderung z. B. Windgeschwindigkeit nicht möglich,
falls das Prozessbild „Arbeitspunkt“ gerade aktiviert ist. Damit die Sollwerte jederzeit
geändert werden können, sind die Eingabefelder außerhalb des Hauptregisters. Eine
Wertänderung kann sofort vom System übernommen werden. Das Hauptregister enthält
vier Registerseiten: Signalverläufe, Windsimulation, Untersuchung und Energiefluss.
Realisierung mit LabView
36
1) Signalverläufe
Die Registerseite „Signalverläufe“ enthält ein cp-Lambda-Kennfeld und verschiedene
Kennlinien. In der Abbildung 4-21 wurde die Windböen durch Computer simuliert.
l cp-Lambda-Kennfeld
Zu sehen ist eine cp-Lambda-Kennlinie, die manuell in einem Unterprogramm erzeugt
wurde. Mit Hilfe der Cursur-Funktion kann man den Arbeitspunkt während der Steuerung
verfolgen.
l Anzeigen von Kennlinien
Die Kennlinien können ausgewählt werden, indem die Checkbox für die gewünschten
Kennlinien angekreuzt wird. Um die Kennlinien in einem Diagramm vernünftig darstellen
zu können, haben die Kennlinien unterschiedliche Skalierungen.
Abbildung 4-21 Bedienoberfläche mit Registerseite „Signalverläufe“
Realisierung mit LabView
37
2) Windsimulation
In der Seite „Windsimulation“ werden die Grunddaten der Windturbine gespeichert.
Festgelegt sind die Nennleistung der Windkraftanlage, die Nennwindgeschwindigkeit, die
Auslegungsschnelllaufzahl und die Anzahl des Rotorblattes. Andere Parameter z.B. die
Getriebeübersetzung kann jederzeit geändert werden.
Abbildung 4-22 Bedienoberfläche mit Registerseite „Windsimulation“
Realisierung mit LabView
38
3) Untersuchung
Um die Eigenschaft der Maschine zu untersuchen, wählt man die Registerseite
„Untersuchung“ aus. Das System kann entweder im Betrieb „Nachbildung“ oder
„Untersuchung“ sein. Um eine Fehlbedienung vom Benutzer zu vermeiden, wurde eine
Verriegelung durch ausblenden eines der beiden Knöpfe implementiert. Beide Knöpfe
können nicht gleichzeitig betätigt werden. Zum Starten der Untersuchung muss die
Steuerung freigegeben werden. Der Sollwert kann vor dem Start oder während der
Untersuchung eingegeben werden. Mit dem Kipp-Schalter kann man zwischen Sprung- und
Grundwert wechseln und somit einen Sprung erzeugen (siehe Abbildung 4-23).
Abbildung 4-23 Bedienoberfläche mit Registerseite „Untersuchung“
Realisierung mit LabView
39
4) Energiefluss
In der Registerseite „Energiefluss“ ist der vereinfachte Aufbau der Anlage mit dem
Energiefluss und dem Verhalten der moment- und flussbildenden Stromkomponente zu
sehen. Ist die Anlage im Generatorbetrieb, wie die Abbildung 4-24 ziegt, wird die Energie,
die von der Gleichstrommaschine erzeugt wird, ins Netz eingespeist. Im anderen Fall
(Abbildung 4-25) wird die Energie aus dem Netz entnommen und treibt die
Asynchronmaschine an.
Moment- und Flussbildende Stromkomponente wird als ein Arbeitspunkt dargestellt.
Die flussbildende Stromkomponente ist fast konstant. Die momentbildende
Stromkomponente ist bei einem Generatorbetrieb negativ und bei einem Motorbetrieb
positiv.
Abbildung 4-24 Bedienoberfläche mit Registerseite „Energiefluss“
Realisierung mit LabView
Abbildung 4-25 Bedienoberfläche mit Registerseite „Energiefluss“
40
Realisierung mit LabView
4.1.4.3
41
Hilfsregister
Das Hilfsregister(Abbildung 4-26) dient dazu, die einzelnen Signale oder auch die
Zwischenvariable während der Steuerung zu überwachen. Für die Benutzer ist dieses
Register uninteressant und kann ausgeblendet werden. Diese ist nur für den Programmierer
gedacht, um ein bestimmtes Signal oder eine Variable während der Steuerung zu verfolgen.
Abbildung 4-26 Hilfsregister mit der Registerseite „Signale“
4.2 Aufgaben der Sub-VIs
Die Sub-VIs sind Unterprogramme, die vom Main-Programm oder von einem anderen
Programm aufgerufen werden können. Die Unterprogramme befinden sich in
unterschiedlichen Ebenen. Die Unterprogramme werden in zwei Gruppen aufgeteilt. In der
obersten Ebene befindet sich das main-Programm. Eine Ebene tiefer sind die Sub-VIs, die
vom main-Programm direkt aufgerufen werden. Daraus entstehen die Blockdiagramme, z.
B. MBTWriteRegister. In der untersten Ebene sind die Hilfsfunktionen, die eine bestimmte
Aufgabe erfülen oder indirekt vom main-Programm aufgerufen werden, zum Beispiel
cp_Graifsch. Die Abbildung 4-27 zeigt die Hierarchie der bereits erstellten Funktionen des
gesamten Projektes.
Realisierung mit LabView
Abbildung 4-27 Übersicht für Sub-VIs
42
Realisierung mit LabView
43
4.2.1 Blockdiagramme mit Sub-VIs
Durch Verdrahtung der Sub-VIs entstehen die Blockdiagramme. Im main-Programm
werden alle Sub-VIs, die für die Berechnung der Soll- und Istwerte zuständig sind,
miteinander verbunden. Im folgenden Abschnitt werden die wichtigen Berechnungen
detailliert erklärt.
4.2.1.1
Berechnen der Ausgangsspannung des Ankerstromsollwertes
Der Ankerstromsollwert muss für Wago analoge Ausgangsklemme angepasst werden.
D. h. der Sollwert muss in Spannung umgewandelt werden. Alle unbekannten Größen
werden Schritt für Schritt berechnet.
1) Berechnen des Drehmomentes
Laut der Maschinengleichung Formel 4-9 ist der Ankerstrom proportional zu
Drehmoment, wenn der Fluss Φ konstant bleibt.
M = cm ⋅φ ⋅ I A
4-919
Um den Ankerstrom zu bestimmen, muss das Drehmoment berechnet werden. Es lässt
sich mit untenstehender Gleichung herleiten.
P
Ω
M =
4-1020
ρ ⋅ π ⋅ R 2 ⋅ v 3 ⋅ c p ( λ)
P=
4-1121
2
λ=
u Ω⋅ R
=
v
v
Ω=
λ⋅v
R
4-1222
4-13
Nach dem Einsetzen der Gleichung 4-11 und 4-13 in die Gleichung 4-10 erhält man die
untenstehende Gleichung zum Berechnen des Drehmomentes.
M =
ρ ⋅ π ⋅ R 3 ⋅ v 2 ⋅ c p ( λ)
2 ⋅λ
19
[4] Seite 68, Gl. 2.38
20
[2] Seite 216, Gl. 6.8
21
[2] Seite 217, Gl. 6-9
22
[1] Seite 34, Gl. 2.35
4-14
Realisierung mit LabView
44
Die Luftdichte ρ und der Radius des Rotors R sind konstant. Die Windgeschwindigkeit
wird vom Benutzer vorgegeben. Unbekannt sind der Leistungsbeiwert und die
Schnelllaufzahl.
2) Berechnen der Schnelllaufzahl
Weil der Leistungsbeiwert cp abhängig von der Schnelllaufzahl λ ist, wird zuerst λ mit
der Gleichung 4-12 berechnet. Mit Berücksichtigen des Getriebes in der Anlage muss die
Gleichung 4-9 durch das Übersetzungsverhältnis geteilt werden und erhält die Gleichung
4-15.
λ=
u
Ω⋅ R
=
v ⋅ü
v ⋅ü
4-15
Wird die Gleichung 4-16 für mechanische Winkelgeschwindigkeit Ω in die Gleichung
4-15 eingesetzt, folgt die Gleichung 4-17.
Ω = 2 ⋅ π ⋅ n[Min −1 ] = 2 ⋅ π ⋅
λ=
n
[Sec −1 ]
60
2 ⋅ π ⋅ n[ Min −1] ⋅ R 2 ⋅ π ⋅ n [Sec −1 ] ⋅ R
=
v ⋅ü
v ⋅ ü ⋅ 60
4-16
4-17
3) Berechnen des Leistungsbeiwertes cp
Wenn die Schnelllaufzahl λ bekannt ist, wird der Leistungsbeiwert cp berechnet. Zwei
Möglichkeiten gibt es: grafisch über Stützstellen oder analytisch. Verwendet wird die
grafische Methode, weil das cp-Lambda-Kennfeld mit der analytischen Methode nur
näherungsweise zum Teil nachgebildet werden, siehe Abbildung 4-28. Nach der grafischen
Methode wird der cp-Wert aus dem cp-Lambda-Kennfeld (siehe Abbildung 4-29)
abgelesen. Im LabView wurde der cp_Wert mit der Hilfsfunktion „cp_Grafisch“ ermittelt,
siehe Abschnitt 4.2.2.1.
Die Abbildung 4-29 zeigt ein cp-Lambda-Kennfeld mit geglätteten Punkten.
Analytisch wird der cp-Wert mit der Formel 4-18 berechnet.
c p = 0, 45 ⋅ sin( λ ⋅ 0, 2617994)
23
[21] Blockstruktur Seite 2
4-1823
Realisierung mit LabView
Abbildung 4-28 cp-Lambda-Kennfeld mit analytischer Methode24
Abbildung 4-29 cp-Lambda-Kennfeld mit Glättung
24
Quelle: Eigene Darstellung mit Matlab
45
Realisierung mit LabView
46
4) Berechnen des Ankerstromsollwertes
Wenn das Drehmoment des Rotors bekannt ist, wird der Ankerstromsollwert mit der
Gleichung 4-19 oder 4-20 berechnet.
I _ soll = M ⋅ 0, 69 + 1, 7
I _ soll =
M ⋅ 0, 69
+ 1, 316
ü
4-1925
4-2026
Die Gleichung 4-16 ist anzuwenden, wenn die Untersuchung der Maschine aktiv ist.
Das Drehmoment wird direkt vom Benutzer vorgegeben und der Strom muss ohne
Berücksichtigung der Getriebeübersetzung berechnet werden. Im anderen Fall ist das
Drehmoment mit der Gleichung 4-17 zu berechnen, weil das Drehmoment von der
Windgeschwindigkeit, Lambda und cp abhängig sind und auf der Generatorseite bestimmt
werden. Die Getriebeübersetzung muss dann beim Berechnen einbezogen werden.
5) Umwandeln des Ankerstromsollwertes in Spannung
Anschließend wird der Sollwert für die Wago-Ausgangsklemme mit der Gleichung
4-21 in Spannung umgewandelt.
I _ soll [V ] =
I _ soll [A ] − 1, 024[A ]
A
3, 201[ ]
V
4-2127
6) Blockdiagramm für die Berechnung
Die Abbildung 4-30 ist das Blockdiagramm mit fünf miteinander verbundenen Sub-VIs.
Auf der Seite 1 bis 4 werden die Rechnungen durchgeführt. Auf der Seite 19 werden zwei
globale Variablen „Steuerung_Ein“ und „Umschaltung“ erzeugt. Eine globale Variable ist
für alle Funktionen verfügbar. Die Variable „Steuerung_Ein“ zeigt, dass die Anlage in
Betrieb (Nachbildung oder Untersuchung) ist. Wenn die Anlage von Nachbildung auf
Untersuchung umgeschaltet wird, wird die Variable „Umschlatung“ auf „1“gesetzt.
25
[21] Blockstruktur Seite 4
26
[21] Blockstruktur Seite 4
27
[21] Blockstruktur Seite 4
Realisierung mit LabView
47
Abbildung 4-30 Blockdiagramm zum Berechnen des Ankerstromsollwertes
4.2.1.2
Berechnen des Drehzahlsollwertes für Windnachführung
Bei Windnachführung ist die Drehzahl so einzustellen, dass die Leistung mechanisch
oder elektrisch optimiert wird.
1) Mechanische Optimierung
Für die mechanische Optimierung der Leistungsentnahme wird die Drehzahl mit
folgender Gleichung bestimmt:
n _ soll =
v ⋅ λopt ⋅ ü
π ⋅d
4-2228
Die Drehzahl ist nur abhängig von der Windgeschwindigkeit, weil die optimale
Schnelllaufzahl λopt, Übersetzungsverhältnis ü, Durchmesser d konstant sind.
2) Elektrische Optimierung
Zur elektrischen Optimierung der Leistung wird eine optimale Drehzahlkennlinie in
Abhängigkeit von Windgeschwindigkeit erstellt. Im WinErs-System wird die Kennlinie als
Funktionsgeber mit Stützstellen dargestellt, siehe Abbildung 4-31.
28
[21] Blockstruktur Seite 24
Realisierung mit LabView
48
Abbildung 4-31 nOptimum(vWind)-Kennlinie mit Stützstellen in WinErs
Um die Kennlinien in LabView exakt nachzubilden, wird die Kennlinie zuerst mit
MatLab experimentell ermittelt (siehe Abbildung 4-32). Die Stützstellen aus der Abbildung
4-31 sind nicht ausreichend für die Ermittlung der optimalen Drehzahl bei einer
Windgeschwindigkeit zwischen den gegebenen Werten, z. B. bei einer
Windgeschwindigkeit von 3.9 m/s ist keine entsprechende Drehzahl aus der Abbildung
4-31 zu finden. Als Lösung wird eine Geradengleichung zwischen zwei Stützstellen
ermittelt (siehe Beispiel 4-1).
m
vWind1 = 3, 5[ ] n Opt1 = 380[ Min −1 ]
s
m
vWind1 = 4, 0[ ] n Opt1 = 390[ Min −1 ]
s
(390 − 380)[ Min −1]
s
y = m ⋅ x + b mit m =
= 20[Min −1 ⋅ ]
m
m
(4, 0 − 3, 5)[ ]
s
s
b = 380[ Min −1 ] − 20[Min −1 ⋅ ] = 310[Min −1 ]
m
Beispiel 4-1 Berechnen einer Geradefunktion für Bestimmung der optimalen
Drehzahl bei vWind zwischen 3.5m/s und 4.0m/s
y = 20[ Min −1 ⋅
s
m
] ⋅ x[ ] + 310[Min −1 ]
m
s
4-23
Realisierung mit LabView
49
Die Steigung m und der Achsenabschnitt b in der Formel 4-23 wurde am Beispiel 4-1
hergeleitet und gilt nur für eine Windgeschwindigkeit zwischen 3.5 m/s und 4 m/s. Für die
Windgeschwindigkeit außerhalb dieses Bereichs z. B. zwischen 4 m/s und 4.5 m/s muss
eine neue Geradenfunktion bestimmt werden, weil die Steigung und der Achsenschnitt der
Funktion anders sein könnten.
Abbildung 4-32 Nachgebildete nOptimum(vWind)-Kennlinie mit MatLab
Aus der Abbildung 4-32 ist es gut zu erkennen, dass die Stützstellen genau auf der
nachgebildeten Geradelinie liegen. Damit kann die optimale Drehzahl bei vWind zwischen
3.5m/s und 9.5m/s bestimmt werden. Eine Hilfsfunktion „Optimum“ wurde zur
Nachbildung dieser Kennlinie im LabView erstellt (siehe Abschnitt 4.2.2.2).
3) Blockdiagramm
Die Abbildung 4-33 ist das Blockdiagramm für Simulation der Windgeschwindigkeit
durch Computer. Die Seite 12-1 erzeugt mit einem Zufallzahlgenerator eine Windböe
zwischen 3 m/s und 13 m/s.
Realisierung mit LabView
50
Abbildung 4-33 Erzeugen einer Windbö
In der Abbildung 4-34 wird die Windgeschwindigkeit mit der Seite 12-2 ermittelt. Die
Anlageoptimierung kann in der Seite 24 gewählt werden.
Abbildung 4-34 Berechnen des Drehzahlsollwertes mit Windnachführung
4.2.1.3
Berechnen des Drehzahlsollwertes für Master Drive
Der Drehzahlsollwert ist vor allem abhängig von der Steuerungsart. Schaltet man
„Betriebsführ_Ein“ aus und wählt „Freigabe_der_Steuerung“ wird der Grundwert oder
Sprungwert der Drehzahl auf der Seite 9 ermittelt (siehe Abbildung 4-35). Das
Drehmoment kann hier ignoriert werden.
Wird der Schalter „Betriebsführ_Ein“ betätigt, ist die Drehzahl abhängig vom
Regelverfahren, siehe Teil 1 Eingabefeld im Kap. 4.1.4 „Benutzeroberfläche“. Auf der
Seite 22-1 wird die Drehzahl nach dem Regelverfahren bestimmt und mit der Gleichung
4-24 in eine Spannung umgerechnet.
Realisierung mit LabView
n _ soll [Min −1 ] − 200[Min −1 ]
n _ soll [V ] =
Min −1
99[
]
V
51
4-2429
Abbildung 4-35 Blockdiagramm zum Bestimmen des Drehzahlsollwertes
4.2.1.4
Glättung der Istwerte
1) Glättung durch Mittelwertbilden
Zur Glättung wird zuerst ein Mittelwert aus 10 Werten gebildet (siehe Abbildung 4-36).
Die For-Schleife sorgt dafür, dass der Istwert solange in eine Array schreibt, bis der Zähler
10 erreicht. Mit der Funktion „Mean“ wird der Mittelwert vom Array berechnet. Wenn man
weitere Mittelwerte bilden möchte, muss man nur ein neues Array erstellen und den
Mittelwert vom neuen Array bilden.
29
[21] Blockstruktur Seite 22
Realisierung mit LabView
52
Abbildung 4-36 Blockdiagramm für Mittelwertbilden
2) Glättung des Leistungsistwertes
Die Abbildung 4-37 zeigt das Blockdiagramm für die Leistungsglättung. Auf der Seite
42 wird der Wert durchgeschaltet, wenn die Bedingungen erfüllt sind. Der Mittelwert des
Leistungsistwertes wird mit einem Filter geglättet.
Abbildung 4-37 Blockdiagramm zur Glättung des Leistungsistwertes
3) Glättung des Drehzahlistwertes
Die Drehzahl wird mit derselben Methode geglättet (siehe Abbildung 4-38).
Realisierung mit LabView
53
Abbildung 4-38 Blockdiagramm zur Glättung des Drehzahlistwertes
4.2.2 Sub-VIs als Hilfsfunktionen
Die Hilfsfunktionen sind nicht anders als normale Unterprogramme. Sie befinden sich
auf der untersten Ebene des main-Programms (siehe Abbildung 4-27). Sie ersetzten einen
Teil des Gesamtprogramms, z. B. eine bestimmte Aufgabe durch eine Hilfsfunktion.
Dadurch wird ein komplexes und unübersichtliches Programm, z. B. Main-Programm, in
mehrere Unterprogramme zerlegt. Sie dienen zur Vereinfachung des Programmcodes und
zum besseren Verständnis. Als Beispiele werden folgende Hilfsfunktionen erklärt.
1) Grafische Ermittlung des Leistungsbeiwerts
Der Leistungsbeiwert cp wird mit Hilfe des cp-Lambda-Kennfeldes bestimmt. Wie bei
der Funktion Optimum wird das cp-Lambda-Kennfeld in der Funktion „cp_grafisch“ mit
Stützpunkten gezeichnet. Der Leistungsbeiwert wird durch Eingabe des Lambda-Istwertes
im Kennfeld durchgesucht und ermittelt. Das Kennfeld in der Abbildung 4-39 wurde mit
LabView erstellt.
Abbildung 4-39 cp-Lambda-Kennfeld mit grafischen Stützstellen
Realisierung mit LabView
54
2) Grafische Ermittlung der optimalen Drehzahl
Mit der Funktion „Optimum“ wird der Drehzahlsollwert bei Leistungsoptimierung
grafisch bestimmt. Die Drehzahlkennlinie, in Abhängigkeit von Windgeschwindigkeit
(Abbildung 4-40), wurde mit Stützpunkten gezeichnet. Wird die gewünschte
Windgeschwindigkeit eingegeben, sucht die Funktion die entsprechende optimale
Drehzahl.
Abbildung 4-40 Optimale Drehzahlkennlinie
3) Filter zur Wertglättung
Die Glättungsfilter werden mit Butterworth-Filter PtByPt realisiert. Für den Filter
müssen folgende Koeffizienten eingestellt werden.
Filtertyp:
Tiefpass
Samplefrequenz(fs):
1Hz
Untere Frequenzgrenze: 0,03Hz
Ordnung:
1
Realisierung mit LabView
55
Abbildung 4-41 Geglättetes Signal
Die Abbildung 4-41 zeigt das geglättete Signal. Die Anstiegszeit lässt sich verändern,
wenn die Samplefrequenz und untere Frequenzgrenze eingestellt werden.
4) Energiefluss des Laborversuchs
Der Energiefluss wird mit den Bildern veranschaulicht. Im motorischen Betrieb wird
die Energie auf beiden Seiten aus dem Netz gezogen und den Generator und die
Gleichstrommaschine betreiben (siehe Abbildung 4-24). Im generatorischen Betrieb ist es
umgekehrt. Die Gleichstrommaschine entnimmt Energie aus dem Netz und erzeugt wie ein
Rotor mechanische Energie. Diese Energie wird dem Generator übertragen und in
elektrische Energie umgewandelt. Anschließend wird die erzeugte elektrische Energie ins
Netz eingespeist (siehe Abbildung 4-25).
Um eine Animation des Energieflusses zu realisieren wurden jeweils sechs Bilder für
jede Betriebsart gezeichnet. Alle Bilder werden in einem Grafik-Ring gespeichert. Sie
werden fortlaufend nummeriert und mit dieser Nummer gesteuert, welches Bild gerade
angezeigt werden muss.
5) Auswahl der Kennlinien
Mit der Funktion „Auswahl der Kennlinien“ kann die Kennlinie zum Anzeigen gewählt
werden. Außerdem wird die Skalierung für die Kennlinien festgelegt, damit sie in einem
Signalanzeiger vernünftig dargestellt werden können. Die Signale haben unterschiedliche
Wertebereiche.
6) Globale Variablen
Die SubVI „Globale Variablen“ ist keine Unterfunktion. Dort werden alle globalen
Variablen definiert bzw. initialisiert (Abbildung 4-42). Daher entsteht kein Blockdiagramm.
Die globalen Variablen können sowohl im main-Programm als auch im Unterprogramm
gelesen und geschrieben werden.
Realisierung mit LabView
Abbildung 4-42 Definition der globalen Variablen
56
Realisierung mit LabView
57
4.3 Erstellen einer ausführbaren Datei
Um das Programm ohne LabView-Editor und alle anderen Werkzeuge ausführen zu
können, wird eine ausführbare Datei erstellt. Zur Erstellung dieser Datei muss sich das
main-Programm in einem Projekt befinden. Über „Build-Spezifikationen“ in dem
Projektexporer kann eine neue Applikation erstellt werden, siehe Abb. 4-1 LabView
Projekt-Explorer. Im Fenster „Eigenschaften“ stehen alle Informationen über zu erstellende
Programmdatei. Folgende Einstellungen müssen festgelegt werden:
1) In der Kategorie „Informationen“ werden der Name der Build-Spezifikation z.B.
„Einstellung_WEA“ und der Zieldateiname z.B. „WEA_Version0.0.exe“ festgelegt.
2) In der Kategorie „Quelldateien“ wird die Ausgangsdatei gewählt, die von der zu
startende VI-Datei aufgerufen wird. Die zu startende VI-Datei ist meistens das
main-Programm.
Weitere Einstellungen sind optional, z.B. Symbol. Die Einstellungen können mit dem
Button „OK“ gespeichert werden (siehe Abbildung 4-43). Eine spätere Änderung ist
möglich, wenn die Datei „Einstellung_WEA“ aufgerufen wird. Die ausführbare Datei, in
diesem Fall „WEA_Version0.0.exe“ wird mit dem Button „Erstellen“ erzeugt. Diese Datei
muss aktualisiert werden, wenn die Quelldatei bzw. zu startende Datei geändert wird.
Abbildung 4-43 Erstellen einer ausführbaren Datei
Realisierung mit LabView
58
4.4 Verifizierung
Um die Genauigkeit bzw. die Richtigkeit des entwickelten Systems zu überprüfen, wird
in diesem Abschnitt das Verhalten der Windenergieanlage untersucht, sowie die grafische
Darstellung von beiden Systemen verglichen.
4.4.1 Kennlinien der WEA
1) Drehmomentkennlinien der WEA
Hier wurden die Drehmomentkennlinien von beiden Systemen verglichen. Gemessen
wurden mit dem Drehzahlgeber die Drehzahl und das Drehmoment für unterschiedliche
Windgeschwindigkeit (siehe Tabelle A-2 und A-3). Damit kann man die Korrektheit bei der
Soll- und Istwertumrechnung überprüfen. Mit den Messwerten wurden diverse
Drehmoment-Drehzahl-Kennlinien für unterschiedliche Windgeschwindigkeit mit MatLab
dargestellt (siehe Abbildung A-1 und Abbildung A-2).
Im Vergleich der Abbildung A-1 mit der Abbildung A-2 wird gezeigt, dass die Verläufe
der Kennlinien von den beiden System fast identisch sind. Leichte Abweichungen sind bei
den Tabelle A-2 und Tabelle A-3 zu erkennen. Diese Abweichungen können beim Auslesen
der Messwerte entstehen.
2) Leistungskennlinien der WEA
Die Leistung lässt sich mit der Gleichung 4-25 berechnen. Das Drehmoment und die
Drehzahl werden gemessen. Zu beachten ist die Einheit der Drehzahl. Beim Rechnen muss
die Einheit von [Min-1] nach [Sec-1] umgerechnet werden.
P = M ⋅ Ω = M ⋅ 2 ⋅π ⋅ n
4-2530
Die Leistungskennlinien wurden ebenfalls mit Matlab gezeichnet (siehe Abbildung A-3
und Abbildung A-4). Es ist zu erkennen, dass die Leistungskennlinien zum größten Teil
übereinstimmen. Die mit „○“ markierten Punkte sind jeweils die maximale Leistung bei
den unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten. Diese maximalen Punkte entsprechen den
optimalen Drehzahlkennlinien (siehe Abbildung 4-31). Die Abweichungen sind in der
Tabelle A-4 und Tabelle A-5 erkennbar. Sie sind nicht vermeidbar, weil der Anzeiger ein
bisschen rauscht.
4.4.2 Stationäres Verhalten bei unterschiedlichen Generatorsystemen
Wie beim alten System wurden zwei Generatorsystemen im LabView-System
implementiert: Asynchrongenerator mit direkter Netzkopplung und mit Vollumrichter bzw.
Windnachführung. Bei direkter Netzkopplung wurde die Leistung und das Drehmoment bei
30
[2] Seite 216, Formel 6.8
Realisierung mit LabView
59
einer Drehzahl von 1050 Min-1 gemessen. Um den Wirkungsgrad der WEA zu ermitteln,
wird die mechanische Leistung mit der Gleichung 4-26 berechnet. Daraus wird der
Wirkungsgrad mit der unten stehender Gleichung bestimmt.
η (vWind ) =
Pel
Pmech
4-26
Abbildung 4-44 Vergleich von P(vWind) mit direkter Netzkopplung
Beim Generatorsystem mit Vollumrichter wurde außer Leistung und Drehmoment die
Drehzahl des Generators gemessen, weil die Drehzahl mit Vollumrichter von der
Windgeschwindigkeit abhängig ist. Die Berechnung für die mechanische Leistung und
Wirkungsgrad bleibt unverändert.
Realisierung mit LabView
60
Abbildung 4-45 Vergleich von P(vWind) mit Vollumrichter
Aus der Abbildung 4-44 und der Abbildung 4-45 ist zu erkennen, dass die
Leistungskennlinien von beiden Generatorsystemen im WinErs-System und im
LabView-System gut übereinstimmen. Es ist noch zu erkennen, dass die Anlage mit
Vollumrichter schon bei einer Windgeschwindigkeit von 4 m/s anfängt die Energie ins Netz
einzuspeisen. Mit direkter Netzkopplung wird die Energie erst bei einer
Windgeschwindigkeit von 6 m/s ins Netz eingespeist.
4.4.3 Vergleich der grafischen Darstellung
Zum Vergleichen der grafischen Darstellung im WinErs- und LabView-System werden
ein Paar Kennlinien mit unterschiedlichen Einstellungen aufgenommen. In den Abbildung
4-46 und 4-52 wurden diverse Kennlinien mit folgenden Einstellungen aufgenommen:
Windgeschwindigkeit:
3 m/s -> 6 m/s
Drehzahlsollert:
350 Min-1 -> 500 Min-1
Regelverfahren:
manuelle Vorgabe des Drehzahlsollwertes
Die Verläufe von beiden Systemen sehen fast identisch aus. Ein Knick des
Leistungsbeiwertes (Rote Kennlinie in der Abbildung 4-46 und Abbildung 4-47) tauchte
beim Ändern der Windgeschwindigkeit (vWind) und des Drehzahlsollwertes (nsoll) in beiden
Systemen auf. Die Ursache liegt daran, dass die Drehzahl nicht sofort für die Berechnung
da ist, sondern erst nach ein paar Sekunden. Die Schnelllaufzahl wird mit der alten
Drehzahl berechnet. Als Folge wird der cp-Beiwert auch falsch aus dem
cp-Lambda-Kennlinienfeld ausgelesen. Erst wenn die Drehzahl mit dem Drehzahlsollwert
übereinstimmt, wird die Schnelllaufzahl richtig berechnet und der cp-Wert richtig
Realisierung mit LabView
61
ausgelesen31.
Abbildung 4-46 Signalverläufe von vWind und nsoll in WinErs
Abbildung 4-47 Signalverläufe von vWind und nsoll in LabView
31
Weitere Vergleiche sind in der PDF-Datei „Vergleich_GrafischeDarstellung.pdf“ auf beigefügter CD zu
finden.
62
5 Schluss
5.1 Zusmmenfassung
Im Rahmen dieser Bachelorarbeit wurde der Laborversuch Windenergieanlage auf dem
aktuellen technischen Stand modernisiert. Basierend auf einer bestehenden Arbeit wurde
das Bedien- und Visualisierungsprogramm für die WEA erfolgreich in LabView umgesetzt.
Dabei wurden im neuen System die für den Datenaustausch zuständigen Interface-Karten,
durch die Verbindungsklemmern Wago I/O-Systems 750 ersetzt.
Das neue Programm wurde im Betrieb getestet und funktioniert einwandfrei. Dabei
wurden folgende Grundfunktionen realisiert:
l Die Komponenten der WEA können nach Reihenfolge ein- und ausgeschaltet
werden.
l Die Fehler aus den Umrichtern können quittiert werden.
l Der Maschinensatz kann durch Vorgabe des Grund- und Sprungwertes von
Drehzahl oder Drehmoment untersucht werden.
l Die Windgeschwindigkeit kann durch den Benutzer vorgegeben oder vom
Computer generiert werden.
l Auswahl des Regelverfahrens ist zwischen manuelle Drehzahlvorgabe und
Windnachführung möglich.
l Die Signale, der Arbeitspunkt und der Energiefluss des Aufbaus können grafisch
dargestellt werden.
Auch für Übersicht und Verständlichkeit des ganzen Systems wurden die
Dokumentationen vervollständigt.
Für eine zeitliche begrenzte Bachelorarbeit ist es nicht möglich, das umfangreiche
Programm für den Laborversuch vollständig umzuschreiben. In der vorliegenden Arbeit
wurden zwar alle Grundfunktionen implementiert, es können aus zeitökonomischen
Gründen einige Funktionen nicht erstellt werden. Es handelt sich dabei um folgende
Funktionalitäten:
l Simulation
des
Trägheitsmomentes:
Unter
Brücksichtigung
des
Trägheitsmomentes werden die Änderung der Drehzahl und der Energie verzögert.
l Selbststellendes Maximum (MPP-Tracking): Bei diesem Steuerverfahren kann die
Drehzahl schrittweise eingestellt werden, bis die Leistung das Maximum erreicht.
l kWh-Zähler: Die ins Netz eingespeiste Energie und die aus dem Netz entnommene
werden summiert und nummerisch angezeigt, indem die Leistung über die Zeit
integeriert.
Schluss
63
Für diese Funktionen wurden bei WinErs viele spezielle Grundbausteine wie z. B.
I-Glied, S&H-Block, JK-Master-Slave Flipflop-Block usw. angewendet. In LabView stehen
diese speziellen Bausteine allerdings nicht zur Verfügung und müssen selbst entwickelt
werden, wofür leider keine Zeit mehr übrig bleibt.
Insgesamt stellt die vorliegende Arbeit eine erfolgreiche Nachbildung der
Windenergieanlage dar und stellt die Neuentwicklung des Laborversuchs
Windenergieanlage sicher. In Zukunft sollte sich die Fortsetzung dieses Projektes auf die
fehlenden Funktionalitäten konzentrieren.
5.2 Danksagung
An dieser Stelle möchte ich mich besonders bei meinem Professor Dr.-Ing. Michael
Röther und Professor Dr. Thomas Lehmann bedanken, die mich während meiner
Bachelorarbeit betreut und unterstützt haben.
Außerdem möchte ich mich bei Herrn Dipl.-Ing. Frank Korpel und Herrn Dipl.-Ing. Jan
Huß für die praktische Unterstützung bedanken. Ohne ihre Hilfe wäre ich nicht fertig
geworden.
Ganz besonders Bedanken möchte ich mich bei Herrn Dipl.-Ing. Haidi Qiu, Seyda
Sahin und Sabine Sengelmann, die bei vielen Formulierungen und auch bei der Korrektur
der Bachelorarbeit sehr hilfreich zur Seite standen.
64
Literaturverzeichnis
[1]
Siegfried Heier
Windkraftanlagen-Systemauslegung, Netzintegration und Regelung,
5. Auflage, VIEWEG+TEUBNER Verlag
[2]
Robert Gasch, Jochen Twele
Windkraftanlagen-Grundlagen, Entwurf, Planung und Betrieb
5. Auflage, Teubner Verlag
[3]
Wolfgang Georgi, Ergun Metin
Einführung in die LabView
3. Auflage, Fachverlag Leipzig
[4]
Rolf Fischer
Elektrische Maschinen
14. aktualisierte und erweitere Auflage, Carl Hanse Verlag
[5]
München
Siemens Betriebsanleitung,
SIMOVERT Master Drives Ein-/Rückspeiseeinheit Bauform C und K
Ausgabe G, Bestell-Nr. 6SE7080-0AK85-1AA0
[6]
Siemens Kompendium
SIMOVERT Master Drives Vector Control
Ausgabe AG, Bestell-Nr. 6SE7080-0QX60
[7]
Siemens Betriebsanleitung
SIMOVERT Master Drives Vector Control
Ausgabe AC, Bestell-Nr. 6SE7087-6KD60
[8]
ADDI-DATA Technisches Referenzhandbuch
ADDINUM PA 150
5. Ausgabe 11/92
http://www.egmont.com.pl/addi-data/instrukcje/Pa150_e.pdf
[9]
ADDI-DATA Technisches Referenzhandbuch
ADDIALOG PA 302
10. Ausgabe 12/95
http://www.egmont.com.pl/addi-data/instrukcje/Pa302_e.pdf
Literaturverzeichnis
[10]
65
ADDI-DATA Technische Beschreibung
PA 350
Ausgabe 1989
[11]
Ingenieurbüro Schoop
Bedienanleitung „Erste Schritt“
Ausgabe 28.10.2008
[12]
Ingenieurbüro Schoop
Kurzanleitung für WinErs-Probierversion
Ausgabe 20.05.2009
[13]
Wago Handbuch
Feldbus-Koppler 750-341
Version 1.1.1
http://www.wago.com/wagoweb_china/public/750/ger_manu/341/m034100d.pdf
[14]
Wago Handbuch
Digitale Eingangsklemme 750-430
Version 1.0.5
http://www.bzl-lauterbach.de/ethernet/lektion/komponenten/8%20753430/handbuc
h430.pdf
[15]
Wago Handbuch
Analoge Eingangsklemme 750-457
Version 1.0.5
http://www.produktinfo.conrad.com/datenblaetter/175000-199999/197095-an-01-d
e-BUSKLEMME_4_AI_10V_DC_S_E.pdf
[16]
Wago Handbuch
Digitale Ausgangsklemme 750-530
Version 1.0.5
http://www.wago.com/wagoweb_china/public/750/ger_manu/modules/m053000d.
pdf
Literaturverzeichnis
[17]
66
Wago Handbuch
Analoge Ausgangsklemme 750-559
Version 1.0.6
http://www.wago.com/wagoweb_china/public/750/ger_manu/modules/m055900d.
pdf
[18]
Wago Handbuch
Bus-Endklemme 750-600
Version 1.0.5
http://www.wago.com/wagoweb_china/public/750/ger_manu/modules/m060000d.
pdf
[19]
Sven Lopau, Birger Benecke
Labornachbildung einer Netzeinspeisung einer Windkraftanlage
Diplomarbeit, Fachhochschule Hamburg, Juli 1997
[20]
Jan Huß
Aktualisierung auf den technischen neuesten Stand einer Labornachbildung mit
Frequenzumrichter, Aysnchron-, Gleichstromantrieb und einer
Prozessvisualisierung
Studienarbeit, Fachhochschule Hamburg, September 1998
[21]
Jan Huß
Asynchronmaschine mit Frequenzumrichter und Ein-/Rückspeiseeinheit zur
Netzanbindung von Windkraftanlage
Diplomarbeit, Fachhochschule Hamburg März, 1999
[22]
Wikipedia
http://de.wikipedia.org/wiki/Gleichstrommaschine, Zugriff: 15.03.2011
http://de.wikipedia.org/wiki/LabVIEW, Zugriff: 07.04.2011
[23]
WAGO Kontakttechnik GmbH & Co. KG
http://www.wago.com/cps/rde/xchg/wago/style.xsl/deu-index.html,
Zugriff: 21.06.2010
[24]
Ingenieurbüro Dr.-Ing. Schoop
http://www.schoop.de/, Zugriff: 25.02.2011
[25]
Wikipedia
http://de.wikipedia.org/wiki/Geradengleichung, Zugriff: 26.04.2011
67
A Anhang
Anhang A.1 : Verzeichnis der Formelzeichen
Anhang A.2 : Messdaten und Kennlinien
Anhang A.3 : LabView-Projekt und Ergänzende Dokumente
Der Anhang A.3 ist in elektronischer Form auf einer CD abgelegt und beim Prüfer Prof. Dr.
Ing. Micheal Röther einzusehen.
A.1
Verzeichnis der Formelzeichen
ü
Getriebeübersetzung
λ
Schnelllaufzahl
cp
Beiwert
d
Rotordurchmesser
R
Außenradius des Rotors
n
Drehzahl
ρ
Luftdichte
P
Leistung
cm
Maschinenkonstant
Φ
magnetischer Fluss
Ω
mechanische Winkelgeschwindigkeit
v
Windgeschwindigkeit
u
Umfangsgeschwindigkeit
IA
Ankerstrom
M
Drehmoment
Anhang
A.2
68
Messdaten und Kennlinien
Verwendete Messgeräte
[1]
BBC Multimeter M2036
Inventur-Nr. 1026/B9/4N
[2]
HIOKI 3165 Multimessgerät
Inventur-Nr. 1218/AT
[3]
FLUKE Stromzange
Inventur-Nr. 1276/AT
Tabelle A-1 Messdaten für Drehzahl-Spannungs-Kennlinie n(U)
U[V]
n[Min-1]
U[V]
n[Min-1]
0.8190 0.9332 1.0396 1.1633 1.2673 1.3814 1.4951 1.6093
350
400
450
500
550
600
650
1.7228 1.8301 1.9501 2.0537 2.1792 2.2931 2.4011
750
800
850
900
950
1000
1050
700
2.5095
1100
Anhang
69
Tabelle A-2 Messdaten für M(n) für unterschiedliche vWind in WinErs
Vwind[m/s]
n[Min ]
3
4
5
6
7
8
9
10
11
400
1.7
5.7
10.3
14.7
19.4
22.8
24.0
23.7
24.4
500
0.2
4.2
9.5
15.0
20.6
25.9
31.0
32.6
32.7
600
-0.4
2.8
7.8
14.1
20.4
27.2
32.6
32.6
32.6
700
-0.5
0.4
6.0
12.1
19.5
26.6
32.5
32.5
32.4
800
-0.7
-0.3
3.7
10.1
17.4
25.6
32.3
32.3
32.3
900
-0.7
-0.4
0.4
7.5
14.7
23.5
32.1
32.2
32.2
1000
-0.7
-0.4
-0.1
4.3
12.1
20.5
29.9
32.1
32.1
1100
-0.7
-0.5
-0.1
0.7
9.0
17.6
26.6
32.0
32.0
-1
Abbildung A-1 M(n)-Kennlinien bei unterschiedlichen vWind in WinErs
Anhang
70
Tabelle A-3 M(n)-Kennlinien für unterschiedliche vWind in LabView
Vwind[m/s]
n[Min ]
3
4
5
6
7
8
9
10
11
400
2.2
6.3
10.9
15.8
18.2
21.5
23.5
20.1
22.4
500
0.8
4.9
10.2
15.3
20.4
25.8
30.0
32.5
32.4
600
-0.6
3.3
8.4
14.9
20.3
27.1
32.2
32.3
31.8
700
-0.7
0.6
6.2
12.9
20.2
27.1
32.2
32.2
32.1
800
-0.7
0.5
3.7
10.4
18.0
26.2
31.9
32.1
32.1
900
-0.7
-0.6
1.3
7.9
15.4
23.8
32.0
32.0
32.0
1000
-0.7
-0.6
0.5
4.2
12.8
21.3
30.1
31.8
31.9
1100
-0.6
-0.6
0.5
1.1
10.0
18.4
27.0
31.8
31.7
-1
Abbildung A-2 M(n)-Kennlinien bei unterschiedlichen vWind in LabView
Anhang
71
Tabelle A-4 P(n)-Kennlinien P(n) für unterschiedliche vWind in WinErs
Vwind[m/s]
3
4
5
6
7
8
9
10
11
400
71.2
238.8
431.5
615.8
812.6
955.0
1005.3
992.7
1022.1
500
10.5
219.9
497.4
785.4
1078.6
1356.1
1623.2
1706.9
1712.2
600
-25.1
175.9
490.1
885.9
1281.8
1709.0
2048.3
2048.3
2048.3
700
-36.7
29.3
439.8
887.0
1429.4
1949.9
2382.4
2382.4
2375.0
800
-58.6
-25.1
310.0
846.1
1457.7
2144.7
2706.0
2706.0
2706.0
900
-66.0
-37.7
37.7
706.9
1385.4
2214.8
3025.4
3034.8
3034.8
1000
-73.3
-41.9
-10.5
450.3
1267.1
2146.8
3131.1
3361.5
3361.5
1100
-80.6
-57.6
-11.5
80.6
1036.7
2027.4
3064.1
3686.1
3686.1
n[Min-1]
Abbildung A-3 P(n)-Kennlinien bei unterschiedlichen vWind in WinErs
Anhang
72
Tabelle A-5 P(n)-Kennlinien P(n) für unterschiedliche vWind in LabView
Vwind[m/s]
3
4
5
6
7
8
9
10
11
400
92.2
263.9
456.6
661.8
762.4
900.6
984.4
841.9
938.3
500
41.9
256.6
534.1
801.1
1068.1
1350.9
1570.8
1701.7
1696.5
600
-37.7
207.3
527.8
936.2
1275.5
1702.7
2023.2
2029.5
1998.1
700
-51.3
44.0
454.5
945.6
1480.7
1986.5
2360.4
2360.4
2353.1
800
-58.6
41.9
310.0
871.3
1508.0
2194.9
2672.4
2689.2
2689.2
900
-66.0
-56.5
122.5
744.6
1451.4
2243.1
3015.9
3015.9
3015.9
1000
-73.3
-62.8
52.4
439.8
1340.4
2230.5
3152.1
3330.1
3340.6
1100
-69.1
-69.1
57.6
126.7
1151.9
2119.5
3110.2
3663.1
3651.6
n[Min-1]
Abbildung A-4 P(n)-Kennlinien bei unterschiedlichen vWind in LabView
Anhang
73
Tabelle A-6 Messdaten für P(vWind) mit direkter Netzkopplung in WinErs
η (vWind ) =
Vwind[m/s]
Pel[W]
n[Min-1]
M[Nm]
Pmech[W]
3
300
1055
-0.7
-77.3
-
4
270
1055
-0.4
-44.2
-
5
200
1055
0
0
-
6
-10
1055
2.2
243.1
0.04
7
-800
1055
10.6
1171.1
0.68
8
-1550
1055
19.0
2099.1
0.74
9
-2200
1055
28.0
3093.4
0.73
10
-2600
1055
32.0
3535.3
0.72
11
-2600
1055
32.0
3535.3
0.72
Pel
Pmech
Tabelle A-7 Messdaten für P(vWind) mit Vollumrichter in WinErs
η (vWind ) =
Vwind[m/s]
Pel[W]
n[Min-1]
M[Nm]
Pmech[W]
3
100
350
2.3
84.3
-
4
5
351
6.0
220.5
0.023
5
-200
501
9.4
493.2
0.406
6
-500
625
13.7
896.7
0.558
7
-950
795
17.4
1448.6
0.656
8
-1520
1000
20.1
2104.9
0.722
9
-2200
1100
26.5
3052.6
0.721
10
-2600
1094
31.6
3620.2
0.718
11
-2600
1100
31.6
3640.1
0.714
Pel
Pmech
Anhang
74
Abbildung A-5 P(vWind) mit direkter Netzkopplung und Vollumrichter in WinErs
Tabelle A-8 Messdaten für P(vWind) mit direkter Netzkopplung in LabView
η (vWind ) =
Vwind[m/s]
Pel[W]
n[Min-1]
M[Nm]
Pmech[W]
3
303.006
1054
0
0
-
4
248.055
1055
0
0
-
5
229.544
1055
0.1
11.0
-
6
76.8363
1055
2.3
254.1
0.30
7
-716.349
1055
10.8
1193.2
0.60
8
-1483.22
1055
19.2
2121.2
0.70
9
-2201.20
1055
28.2
3115.5
0.71
10
-2545.09
1054
32.4
3576.1
0.71
11
-2557.38
1055
32.5
3590.6
0.71
Pel
Pmech
Anhang
75
Tabelle A-9 Messdaten für P(vWind) mit Vollumrichter in LabView
η (vWind ) =
Vwind[m/s]
Pel[W]
n[Min-1]
M[Nm]
Pmech[W]
3
102.577
351
3.1
113.9
-
4
23.330
391
6.6
270.2
0.09
5
-190.114
502
10.1
531.0
0.36
6
-475.284
622
14.2
924.9
0.51
7
-925.766
804
17.6
1481.8
0.62
8
-1511.900
1005
20.6
2168.0
0.70
9
-2202.510
1105
26.4
3054.9
0.72
10
-2604.670
1106
32.2
3729.4
0.70
11
-2617.250
1105
32.5
3760.7
0.70
Pel
Pmech
Abbildung A-6 P(vWind) mit direkter Netzkopplung und Vollumrichter in LabView
Anhang
A.3
76
Projektdatei und Ergänzende Dokumente
1. LabView Projekt „WEA_Projekt“
2. Vergleich_GrafischeDarstellung.pdf
3. Gliederung_WinErs.vsd
4. Gliederung_LabView.vsd
5. Pinbelegung.vsd
6. Gliederung_Hardware_WinErs.bmp
7. Gliederung_Simulation_WinErs.bmp
8. Gliederung_Visualisierung_WinErs.bmp
9. Gliederung_Daten_WinErs.bmp
10. Aufbau_WEA.bmp
11. Aufbau_WinErs.bmp
12. Gliederung_1_LavView.bmp
13. Gliederung_2_LavView.bmp
14. Aufbau_LabView.bmp
15. Pinbelegung_Gesamtübersicht.bmp
16. Pinbelegung_PA150.bmp
17. Pinbelegung_PA302.bmp
18. Pinbelegung_PA350.bmp
19. Verkabelung_AAWandler.bmp
20. Verkabelung_Einzeln.bmp
21. Verkabelung_Gesamt.bmp
77
B Eigenständigkeitserklärung
Versicherung über Selbstständigkeit
Hiermit versichere ich, dass ich die vorliegende Arbeit im Sinne der Prüfungsordnung nach
§16(5) APSO-TI-BM ohne fremde Hilfe selbständig verfasst und nur die angegebenen
Hilfsmittel benutzt habe. Wörtlich oder dem Sinn nach aus anderen Werken entnommene
Stellen habe ich unter Angabe der Quelle kenntlich gemacht.
Hamburg, den 06.05.2011
Ort, Datum
Unterschrift
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* Your assessment is very important for improving the work of artificial intelligence, which forms the content of this project

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