Echtzeitsimulation von Matrixumrichtern

Wichtigste Erkenntnisse

• Die Genauigkeit eines Matrixwandlers hängt von der Modellierung des Stromtransfers während der Kommutierung ab und nicht nur von der durchschnittlichen Spannungsumwandlung.
• Die direkte AC-AC-Regelung bewährt sich nur dann, wenn zulässige Zustände, Quellenbeschränkungen und zeitliche Grenzen im Modell erhalten bleiben.
• Die Validierung im geschlossenen Regelkreis schafft Vertrauen, wenn die Stresstests für die Steuerung mit sicheren Strompfaden und strengen Ausführungszeitvorgaben beginnen.

Eine genaue Echtzeitsimulation eines Matrixkonverters hängt davon ab, dass die Kommutierung exakt so modelliert wird, wie der Strom zwischen den bidirektionalen Schaltern fließt.

Elektromotoren machen etwa 45 % des weltweiten Stromverbrauchs aus, daher ist die Qualität der Antriebssteuerung weit über den Laborbereich hinaus von Bedeutung. Matrixumrichter finden Beachtung, da sie den Gleichstromzwischenkreis überflüssig machen und die Leistungsumwandlung in einer Stufe durchführen. Bei diesem Aufbau steht das Schaltnetz in direktem Kontakt mit den Phasen der Stromquelle und dem Laststrom. Wenn Ihr Modell die Kommutierung glättet, Tests eine sauberere Maschine als die, die Sie bauen werden.

Ein Matrixumrichter verbindet die Eingangsphasen über bidirektionale Schalter miteinander

Ein Matrixwandler ist ein Wechselstrom-Wechselstrom-Wandler, der über neun bidirektionale Schaltzellen jede Ausgangsphase mit jeder Eingangsphase verbindet. Er wandelt Frequenz und Spannung ohne Zwischenkreis um, sodass die Quellenbedingungen und der Laststrom zu jedem Schaltzeitpunkt gekoppelt bleiben.

Jede Ausgangsklemme wählt zu jedem Zeitpunkt eine von drei Eingangsphasen aus. Anhand eines Motorantriebs lässt sich das leicht veranschaulichen: Die Ausgangsphase u kann an Eingang a angeschlossen werden, während die Phasen v und w an b und c angeschlossen werden; beim nächsten Schaltvorgang verschiebt sich dann das Muster. Diese ständige Neuzuordnung bestimmt die Ausgangsfrequenz und -spannung.

Der fehlende Gleichstromzwischenkreis ist von Bedeutung, da zwischen Quelle und Last kein Energiespeicher vorhanden ist. Versorgungsverzerrungen, Quellenimpedanz und Laststromrichtung bleiben für das Schaltnetzwerk sichtbar. Sie modellieren eine aktive Verbindungsmatrix ohne Einschwingphase nach einem Schaltvorgang. Diese direkte Kopplung ist der Grund, warum Matrixumrichter für die Regelungs Ingenieur:innen e von Interesse sind und vereinfachte Modelle an ihre Grenzen stoßen.

Durch die Kommutierung lassen sich Matrixumrichter nur schwer korrekt modellieren

Die Kommutierung bei Matrix-Umrichtern lässt sich nur schwer modellieren, da bei jedem Übergang der Laststrom aufrechterhalten und gleichzeitig ein Kurzschluss der Eingangsphase verhindert werden muss. Die erforderliche Schaltfolge hängt von der Stromrichtung und der Spannungspolarität ab, sodass aus einem einzigen Schaltbefehl eine zeitgesteuerte Abfolge mit integrierten Bauteilbeschränkungen wird.

Betrachten wir einen Ausgangsleiter, der positiven Strom von der Eingangsphase a führt. Wenn der Regler Strom von Phase b anfordert, darf der Strom nicht einmal für einen kurzen Augenblick unterbrochen werden. Ein dreiphasiger Matrixumrichter verfügt über 27 Schaltzustands-Kombinationen. Jeder gültige Zustand erfordert weiterhin einen Kommutationspfad, der die Leitfähigkeit von Dioden und Schaltern berücksichtigt.

Genau hier versagen einfache Modelle. Sie springen vom alten in den neuen Zustand und lassen den Übergangsweg außer Acht. Dadurch übersehen Sie die kurze Überlappung oder das offene Intervall, das darüber entscheidet, ob Ihr Regelgesetz sicher ist. „ Hardware “ deckt diese Lücken anhand von Stromspitzen, Störquellen oder ins Stocken geratenen Stromübergängen auf.

„Die Kommutierung bei Matrix-Umrichtern lässt sich nur schwer modellieren, da bei jedem Übergang der Laststrom aufrechterhalten und gleichzeitig ein Kurzschluss der Eingangsphase verhindert werden muss.“

In gemittelten Modellen wird der Stromfluss während Schaltvorgängen nicht berücksichtigt

In gemittelten Modellen werden die Ereignisse, die bei einem Matrixkonverter am wichtigsten sind, ausgeblendet, da sie das physikalische Schalten durch eine gleichmäßige Tastverhältniskurve ersetzen. Dieser Ansatz eignet sich zwar für allgemeine Untersuchungen des Leistungsflusses, gibt jedoch keinen Aufschluss darüber, ob die Kommutationsreihenfolge, die Totzeit oder die Strombrichtungslogik korrekt sind.

Ein Drehzahlregler für einen Spindelantrieb kann in einem gemittelten Modell stabil erscheinen. Derselbe Regler kann jedoch zu starken Stromverzerrungen in der Leitung führen, sobald tatsächliche Schaltübergänge auftreten, da die Ausgangsspannung während der Kommutierung weder ideal noch kontinuierlich ist. Gate-Verzögerungen, Strom-Polaritätserkennung und Source-Phasenübergänge beeinflussen das Ergebnis. Ein geglättetes Modell blendet diese Details aus, noch bevor Sie sie überhaupt testen können.

Man benötigt nicht für jede Studie umfassende Kenntnisse der Halbleiterphysik, aber für die Validierung der Steuerung ist die Strömungsübertragung auf Ereignisebene unerlässlich. Das ist die Schwelle, an der viele Teams scheitern. Sie akzeptieren ein Modell, das das durchschnittliche Drehmoment vorhersagt, und wundern sich dann, warum bei Labortests Fehlauslösungen auftreten. Das Ersatzmodell beantwortete eine andere Frage als die, die die „ hardware “ gestellt hatte.

Die direkte AC-AC-Regelung erfordert ein Schaltverhalten auf Bauteilebene

Die direkte AC-AC-Regelung erfordert ein Schaltverhalten auf Geräteebene, da der Regler auf den Zustand des Umrichters selbst einwirkt und nicht auf eine träge äußere Abstraktion. Wenn Ihr Modulations-, Vorhersageregelungs- oder Raumvektorverfahren exakte Schaltbefehle ausgibt, muss das Systemmodell mit exakten Kommutierungsergebnissen reagieren.

Die prädiktive Stromregelung ist ein anschauliches Beispiel dafür. Der Algorithmus bewertet mögliche Schaltzustände und wählt denjenigen aus, der die Drehmoment- und Eingangsstrom-Sollwerte für die nächste Abtastung am besten erfüllt. Diese Auswahl ist nur dann sinnvoll, wenn der simulierte Umrichter die zulässigen Zustände, die Übergangszeiten und die Stromrichtung einhält. Ein vereinfachtes Modell lässt jeden möglichen Schaltzustand sauberer erscheinen, als er tatsächlich ist.

Das gleiche Problem tritt bei der Regelung des Eingangsleistungsfaktors und bei der Fehlerbehandlung auf. Ein Regler, der bei gemittelten Schaltvorgängen einwandfrei zu funktionieren scheint, kann die Quelle während einer tatsächlichen Umschaltung dennoch auf einen unzulässigen Pfad lenken. Bei der Validierung der direkten Regelung sind detaillierte Informationen die Mindestvoraussetzung, um dem Ergebnis vertrauen zu können. Wenn das Schaltnetz Teil des Regelungsproblems ist, muss es auch Teil des Anlagenmodells sein.

Die Einschränkungen der Eingangsquellen bestimmen jeden Schaltzustand

Die Einschränkungen der Eingangsquellen beeinflussen jeden Schaltzustand, da die Phasen der Quelle dem Umrichter jederzeit zugänglich sind. Ein Matrixumrichter kann den Strom induktiver Lasten nicht unterbrechen und zwei Phasen der Quelle nicht kurzschließen. Diese beiden Regeln bestimmen die Zustandsauswahl, die Kommutierungsreihenfolge und das Verhalten bei Störungen.

Ein Eingangsfilter oder ein Netzemulator macht diese Grenzen schnell sichtbar. Eine schwache Quelle mit einer gewissen Induktivität kann einen schlechten Übergangsverlauf zu Überspannung oder Schwingungen verstärken. Eine starre Quelle kann einen großen Zirkulationsstrom erzwingen, wenn sich zwei Phasen während der Kommutierung überlappen. Man wählt niemals nur die Ausgangsspannung aus. Man wählt einen Strompfad durch die Quelle aus.

• Schließen Sie niemals zwei Eingangsphasen gleichzeitig an einen Ausgangsarm an.
• Öffnen Sie niemals einen Schaltkreis, durch den induktiver Laststrom fließt.
• Die Stromrichtung muss die Kommutierungsfolge bestimmen.
• Die Nulldurchgangserkennung muss Messrauschen tolerieren.
• Die Quellenimpedanz muss Bestandteil des Testfalls sein.

Diese Prüfungen klingen zwar einfach, entscheiden jedoch über die Nützlichkeit des Modells. Oftmals implementieren Teams zunächst die Konverterlogik und fügen die Quellbedingungen erst später hinzu. Diese Reihenfolge verschleiert die Fehlermodi, die Matrixkonverter so schwierig machen. Wenn die Quelle zu stark idealisiert wird, kann Ihr Regler nicht viel nachweisen.

So simuliert man einen Matrixkonverter ohne versteckte Abkürzungen

Sie simulieren einen Matrixkonverter korrekt, wenn das Modell zulässige Schaltzustände beibehält, eine zeitgesteuerte Kommutierung durchführt und die Dynamik von Quelle und Last in derselben Schleife berücksichtigt. Auch wenn das Modell diese Anforderungen nicht vollständig erfüllt, kann es dennoch für konzeptionelle Arbeiten genutzt werden; es validiert jedoch nicht den Regler, der auf hardware ausgeführt wird.

Ein praxisorientierter Arbeitsablauf beginnt mit der Schaltmatrix, der Stromrichtungslogik und einem Quellenmodell mit realistischer Impedanz. Belasten Sie den Umrichter mit einem Induktionsmotor oder einem RL-Netzwerk, das Stromdurchgang erzwingt, und fügen Sie dann Netzunsymmetrie, Befehlsschritte und Sensorverzögerung hinzu. Diese Konfiguration deckt Kommutationsprobleme auf, bevor Sie Zeit mit der Abstimmung der äußeren Regelkreise verbringen.

Die Tabelle dient eher als Orientierungshilfe denn als Anleitung. Manche Studien können die Schaltungen vereinfachen, doch keine kann die Stromübertragung außer Acht lassen, wenn das Ziel eine nachweisbare Regelung ist. Auf diese Weise lässt sich der Detaillierungsgrad des Modells an die jeweilige Fragestellung anpassen. Bei einem direkten AC-AC-Wandler bleibt diese Fragestellung untrennbar mit der Schaltlogik verbunden.

Eine sichere Kommutierungslogik muss in Echtzeit ablaufen

Eine sichere Kommutierungslogik muss in Echtzeit ablaufen, da der Regler, die Anlage und die Schutzvorrichtung jeweils auf dieselbe Ereigniskette im Mikrosekundenbereich reagieren. Wenn der Simulator langsamer wird, Ereignisse neu ordnet oder Aktualisierungen der Strompolarität verzögert, unterbricht man das Verhalten des Umrichters Tests und startet den Scheduler Tests .

Ein „hardware-in-the-Loop“-Prüfstand macht dies deutlich. Der Steuerungsprozessor gibt eine Zustandsänderung aus, der Simulator führt die Übertragungssequenz aus, und die Schutzlogik überprüft Strom und Spannung innerhalb desselben geschlossenen Regelkreises. OPAL-RT eignet sich für diese Art von Test, da das Kommutationsmodell in Echtzeit läuft, anstatt sich hinter einem gemittelten Ersatzmodell zu verstecken. Dadurch wird der direkte AC-AC-Steuerungscode mit derselben Schaltlogik konfrontiert, auf die er im Labor treffen wird.

Die zeitliche Disziplin ist genauso wichtig wie die elektrischen Details. Eine schöne Wellenform aus einem Offline-Modell beweist noch lange nicht, dass Ihr Interrupt-Zeitplan, die Sensorlatenz und die Gate-Sequenzierung miteinander kompatibel sind. Sobald der Regelkreis mit voller Geschwindigkeit läuft, treten schwache Annahmen schnell zutage. Genau dann muss das Modell streng sein.

Die Validierung beginnt mit der Überprüfung der Stromwege unter Lastbedingungen des Reglers

Die Validierung beginnt mit der Überprüfung der Strompfade unter Lastbedingungen des Reglers, da Fehler im Matrixkonverter sich zuerst in den Schaltzeitpunkten und der Stromübertragung bemerkbar machen. Wenn Sie zuverlässige Ergebnisse erzielen möchten, sollten Sie zunächst die zulässigen Zustände, das Kommutierungszeitpunkt und die Quellenbeschränkungen berücksichtigen, bevor Sie das Drehmoment, den Leistungsfaktor oder die Wellenformqualität bewerten.

Ein solider Testfall bringt den Regler in heikle Situationen. Erhöhen Sie den Drehzahlbefehl nahe einem Nulldurchgang der Eingangsspannung schrittweise. Erzeugen Sie einen kurzzeitigen Vorzeichenfehler des Sensors beim Laststrom. Fügen Sie eine Unsymmetrie der Stromquelle hinzu, während der Umrichter das Drehmoment regelt. Jeder Fall wirft dieselbe unverblümte Frage auf: Hat der Strom noch einen sicheren Weg durch die Schaltmatrix?

Genau dieser Standard macht die Simulation von Matrixumrichtern nützlich und nicht nur beruhigend. OPAL-RT spielt hier aus einem praktischen Grund eine wichtige Rolle: Es ermöglicht es Ingenieur:innen , die Kommutierung in Echtzeit zu validieren, sodass die direkte AC-AC-Regelung anhand des Umrichters überprüft wird, den sie bauen wollen. Eine fundierte Beurteilung beginnt hier und bleibt vom ersten Modell bis zum Laborergebnis eng mit der Umsetzung verknüpft.

„Genau dieser Maßstab macht die Matrixkonverter-Simulation nützlich und nicht nur beruhigend.“