Die Anforderungen an die Zeitschritte bei modernen Stromrichtern verstehen

Wichtigste Erkenntnisse

• Betrachten Sie den Zeitschritt als eine überprüfbare Anforderung, die sich nach dem richtet, was Sie messen müssen, und nicht als Standardeinstellung des Lösers.
• Stimmen Sie die Taktung von Anlage, PWM und Steuerung so ab, dass Verzögerung und Jitter deterministisch bleiben und die Testergebnisse vergleichbar bleiben.
• Verwenden Sie Multirate- oder gemittelte Modelle, wenn der Schaltungsaufwand Ihr Echtzeit-Rechenbudget übersteigt, und überprüfen Sie anschließend die Korrektheit anhand von Konvergenz- und Spektralprüfungen.

Sie wählen den richtigen Zeitschritt für die Simulation des Stromrichters, indem Sie ihn als Systemanforderung und nicht als Solver-Einstellung betrachten.

„Moderne Wandler sorgen für immer schnellere Schaltflanken, straffere Regelkreise und zeitkritischere Schutzmaßnahmen, sodass ein voreingestellter Zeitschritt schneller versagen wird, als Sie erwarten.“

Halbleiter mit großer Bandlücke sollen bis zu 10-mal höhere Schaltfrequenzen als Silizium ermöglichen, was kleinere Zeitschritte erfordert, wenn man ein zuverlässiges Schaltverhalten erzielen will. Die praktische Vorgehensweise ist einfach: Wählen Sie einen Zeitschritt aus den Signalen, die Sie auflösen müssen, und überprüfen Sie dies anschließend mit Tests, die Aliasing, Timing-Slip und numerische Artefakte erkennen.

Beginnen Sie mit der Schaltfrequenz und der erforderlichen Zeitauflösung

Der Zeitschritt muss kurz genug sein, um die Schaltperiode und die für Sie relevanten Vorteil Dynamiken, wie z. B. Welligkeit, Oberschwingungsanteil und Indikatoren für die Belastung der Bauteile, abzubilden. Ist der Schritt zu groß, verschmelzen die Schaltvorgänge zu einem verwischten Durchschnittswert, und Ihre Ergebnisse sehen zwar stabil aus, stimmen aber nicht mit den Messungen überein. Ein guter Ausgangspunkt ist es, zunächst viele Solver-Schritte pro Schaltperiode anzustreben und den Schritt erst dann zu verkleinern, wenn eine bestimmte Kennzahl nicht den Erwartungen entspricht.

Beginnen Sie mit der Frage, die Sie tatsächlich beantworten möchten. Wenn Sie den aktuellen Brummstrom für die Kondensatorauslegung, die Gleichtaktspannung für die Isolationsbelastung oder den Hochfrequenzanteil für EMI-Filter benötigen, brauchen Sie einen Schritt, der vorhersehbar um die PWM-Übergänge herum erfolgt. Wenn Sie lediglich das durchschnittliche Drehmoment, die Bus-Spannungsregelung oder thermische Trends benötigen, können Sie den Schritt oft lockern und die Schaltdetails in eine gemittelte Darstellung überführen.

Legen Sie außerdem fest, welche Zeitfehler akzeptabel sind. Ein kleiner Fehler beim Durchschnittsstrom mag zwar unbedenklich sein, während ein kleiner Fehler bei der Schutzzeit jedoch inakzeptabel sein kann, da er die Auslöseabfolge verändert. Die Auswahl des Zeitschritts wird einfacher, wenn Sie zunächst die Kriterien für „bestanden“ oder „nicht bestanden“ festlegen und dann den Schritt so lange anpassen, bis sich diese Kriterien nicht mehr verändern.

Zeitschritt mit Regelkreisen, PWM und Messverzögerungen verknüpfen

Ihr elektrischer Zeitschritt und Ihr Regelzeitplan müssen aufeinander abgestimmt sein, da der Simulator sonst künstliche Verzögerungen und Schwankungen erzeugt. PWM-Aktualisierungen, Abtastzeitpunkte und die Sensorfilterung erfolgen alle nach diskreten Zeitplänen, und Ihr Simulationsschritt fungiert als Taktgeber, der bestimmt, wann diese Zeitpläne voranschreiten. Ist dieser Taktgeber schlecht gewählt, kann der Regler langsamer oder schneller erscheinen, als er tatsächlich ist.

Erfassen Sie den gesamten Zeitablauf der Steuerkette. Beginnen Sie am ADC-Abtastpunkt, addieren Sie die Zeit für die digitale Filterung und die Berechnung hinzu und berücksichtigen Sie anschließend die PWM-Aktualisierungszeiten sowie etwaige absichtlich eingefügte Totzeiten. Jedes Element verursacht eine Verzögerung, und jede Verzögerung verändert die Phasenreserve. Ein Regler, der auf dem Papier stabil ist, kann in der Simulation ins Schwingen geraten oder sogar instabil werden, wenn sich die effektive Verzögerung auch nur um einen Bruchteil einer Abtastperiode verschiebt.

Sorgen Sie für eine deterministische Abfolge. Sie benötigen eine konsistente Reihenfolge, beispielsweise Messen, Berechnen, Aktualisieren des Tastverhältnisses und anschließendes Umschalten im Regelkreis. Wenn der Regelkreis-Schritt und der Regelungsschritt nicht aufeinander abgestimmt sind, reagiert der Regler auf veraltete Daten oder wendet eine Änderung des Tastverhältnisses einen halben Schritt zu spät an, und Sie verschwenden Zeit damit, einem „Regelungsproblem“ hinterherzujagen, das in Wirklichkeit ein Timing-Problem ist.

Abwägen von Genauigkeit, Stabilität und Laufzeitkosten in EMT-Modellen

Modelle für elektromagnetische Transienten gehen einen Kompromiss zwischen zeitlicher Auflösung und numerischer Steifigkeit sowie Rechenaufwand ein. Der beste Zeitschritt ist daher der kleinste, der Ihre Genauigkeitsprüfungen mit stabilem Verhalten besteht. Ein zu großer Schritt verzerrt Schaltharmonische und Transientenspitzen. Ein zu kleiner Schritt kann numerisches Rauschen verstärken, die Toleranzen des Solvers strapazieren und Ihr Echtzeitbudget sprengen, selbst wenn die physikalische Simulation einwandfrei wäre.

Aliasing ist der „stille“ Fehlermodus, der Teams in die Irre führt, da die Wellenform immer noch „sauber“ aussieht. Nach der Abtasttheorie muss die Abtastrate mindestens das Doppelte der höchsten Frequenzkomponente , die Sie darstellen möchten, betragen, da sonst hochfrequente Anteile in die Ergebnisse der niedrigeren Frequenzen übergehen. Schaltflanken enthalten Energie weit oberhalb der Trägerfrequenz, daher sollten Sie den Zeitschritt als Bandbreitenbegrenzer betrachten und nicht nur als numerischen Regler.

Wählen Sie einen Echtzeit-EMT-Zeitschritt innerhalb hardware

„Probleme mit dem Zeitschritt zeigen sich in Ergebnissen, die plausibel erscheinen, sich jedoch ändern, wenn man den Schritt ändert, Aufgaben neu anordnet oder die Protokollierung modifiziert.“

Ein Echtzeit-EMT-Zeitschritt muss den physikalischen Gesetzen entsprechen und dennoch innerhalb des festgelegten Rechenbudgets jedes Schritts abgeschlossen werden. Diese Einschränkung macht die Wahl des Zeitschritts zu einer technischen Herausforderung: Die Genauigkeit muss sich in die verfügbaren CPU- und FPGA-Zyklen sowie I/O einfügen, wobei genügend Spielraum für Worst-Case-Szenarien wie Fehler vorhanden sein muss. Wenn diese Frist nicht eingehalten wird, ist der Lauf nicht mehr in Echtzeit und Ihr Regelkreis-Test verliert seine Aussagekraft.

Betrachten wir einen dreiphasigen Zweistufen-Wechselrichter, der mit einer PWM-Frequenz von 20 kHz arbeitet und über einen Stromregler mit einer Abtastrate von 10 kHz verfügt, der an ein Systemmodell angeschlossen ist, das einen LCL-Filter und eine starre Netzquelle umfasst. Ein praktischer Ansatzpunkt besteht darin, einen System-Zeitschritt zu wählen, der innerhalb jeder Schaltperiode eine solide Auflösung bietet, und dann die Regelung so einzustellen, dass sie mit einem ganzzahligen Vielfachen dieses Schritts ausgeführt wird, sodass Abtastung, Berechnung und PWM-Aktualisierung an wiederholbaren Grenzen erfolgen. Anschließend sollte der Zeitschritt nur dann verkürzt werden, wenn Welligkeit, Oberschwingungen oder das Schutzzeitverhalten Ihre Akzeptanzkriterien nicht erfüllen.

Die Details der Ausführung sind ebenso wichtig wie die Anzahl. Die digitalen Echtzeit-Simulatoren von OPAL-RT sind in der Regel so konfiguriert, dass Sie schnelle, sich wiederholende Schaltberechnungen auf deterministische Ressourcen festlegen und langsamere Netzwerk-, thermische oder Überwachungsfunktionen in einem größeren Schritt ausführen können. Durch diese Aufteilung bleibt Ihr Echtzeit-EMT-Zeitschritt konsistent, ohne dass das gesamte Modell mit der höchsten Geschwindigkeit laufen muss.

Verwenden Sie Multirate- und gemittelte Modelle für sehr schnelle Umschaltungen

Die Modellierung mit mehreren Zeitstufen und Mittelwertbildung bewahrt Sie davor, bei einem EMT-Schritt für das gesamte System um Nanosekunden zu kämpfen. Wenn Schaltflanken deutlich schneller werden als die elektrischen Zeitkonstanten, die für Sie von Bedeutung sind, verschwendet die Verwendung eines winzigen Zeitschritts für das gesamte Modell Rechenleistung und erschwert oft die Validierung. Ein besserer Ansatz besteht darin, den Systemschritt an der Dynamik auszurichten, die für Sie von Interesse ist, und Schaltdetails nur dort abzubilden, wo sie sich auf Ihre Akzeptanzkriterien auswirken.

Bei der Multirate-Simulation wird einem begrenzten Teilnetzwerk – beispielsweise der Wandlerbrücke und den unmittelbar damit verbundenen parasitären Elementen – ein kleiner Zeitschritt zugewiesen, während der Rest des Netzes oder der Maschine mit einem größeren Zeitschritt betrieben wird. Bei gemittelten Modellen wird der diskrete Schalter durch eine nach Tastverhältnis gesteuerte Quelle ersetzt, sodass die Dynamik zwischen Regelung und Ausgang sowie die Leistungsbilanz erhalten bleiben, ohne dass jeder Übergang im Detail nachgebildet werden muss. Auch hybride Ansätze haben sich bewährt: Dabei wird im stationären Zustand ein gemitteltes Verhalten simuliert, während in bestimmten, für die Analyse relevanten Transientenfenstern die Details der Schaltvorgänge nachgebildet werden.

Der entscheidende Kompromiss ist die Beobachtbarkeit. Gemittelte Modelle liefern keine Informationen über Schaltwelligkeit oder hochfrequente Spektren; daher eignen sie sich nur für Tests, bei denen diese Größen nicht von Bedeutung sind. Wenn sowohl das Verhalten auf Systemebene als auch Details zum Schaltvorgang benötigt werden, ist die Verwendung mehrerer Zeitraten in der Regel die bessere Wahl, als den globalen Zeitschritt so lange zu verkleinern, bis die Plattform an ihre Grenzen stößt.

Erkennen Sie Probleme mit dem Zeitschritt anhand von Kurven, Spektren und Konvergenzprüfungen

Probleme mit dem Zeitschritt äußern sich in Ergebnissen, die zwar plausibel erscheinen, sich jedoch ändern, sobald man den Schritt ändert, Aufgaben neu anordnet oder die Protokollierung anpasst. Sie lassen sich schneller erkennen, wenn man eine kleine Reihe wiederholbarer Prüfungen durchführt, die das Timing, das Spektrum und die Konvergenz testen, anstatt sich auf einen einzelnen Screenshot der Wellenform zu verlassen. Wenn die Prüfung fehlschlägt, sollte man den Zeitschritt als ersten Verdächtigen betrachten, bevor man die Regelverstärkungen neu abstimmt.

• Halbieren Sie den Zeitschritt und stellen Sie sicher, dass sich die wichtigsten Kennzahlen nur minimal ändern
• Vergleiche die Änderungen der Einschaltdauer mit den PWM-Trägergrenzen, um Jitter zu ermitteln
• Überprüfen Sie die Effektiv- und Spitzenwerte der Welligkeit über identische Zeitfenster
• Führen Sie eine FFT durch, um Aliasing und fehlende Schaltbänder zu erkennen
• Lösen Sie einen Fehler aus und stellen Sie sicher, dass die Schutzzeiten konsistent bleiben

Gute Kontrollen schützen Ihr Team zudem vor unbeabsichtigten Regressionen. Protokollierung der Datenreduktion, Planung von Kontrollaufgaben und I/O -Pufferung können Timing-Fehler verbergen, bis Sie den Kreislauf mit hardware schließen hardware die Diskrepanz kostspielig wird. Der zuverlässigste Workflow behält eine kleine Auswahl „goldener“ Durchläufe bei und erfordert Konvergenz bei den Werten, die Sie tatsächlich abnehmen, nicht bei jedem internen Zustand.

Disziplin ist der entscheidende Faktor. Teams, die den Zeitschritt als messbare Anforderung betrachten, erhalten stabile Modelle, vorhersehbare Tests und reibungslose Übergaben zwischen den Bereichen Steuerung, Leistungselektronik und Testentwicklung. OPAL-RT eignet sich am besten, wenn Sie diese Disziplin nutzen, um das Timing festzulegen, die Konvergenz zu validieren und die Echtzeitausführung an das tatsächliche Schalt- und Steuerungsverhalten des Wandlers anzupassen.