Potentzia-bihurgailuen diseinu-prozesuan, simulazioa bidaide

Ordenagailu bidezko simulazioaren erabilera oso hedatuta dago zientzia eta teknologiaren hainbat esparrutan. Sarritan, aztertu beharreko sistemak oso konplexuak izan ohi dira, eta soluzio analitikoak lortzea oso zaila izaten da. Kasu horietan, ordenagailu bidezko simulazioa erabiltzea da soluzioetariko bat.

Sistema erreal bat simulatu nahi denean, sistema horren portaera dinamikoa deskribatzen duten ekuazioak definitu behar dira, lehenik eta behin. Ekuazio horien bidez, sistemaren eredu bat sortzen da ordenagailuan. Horrela, posible da sistemak nola funtzionatzen duen aztertzea; aldagaien balioak aldatuz, sistemaren portaerari buruzko iragarpenak egin daitezke.

Simulazioak pausoka burutzen dira. Simulazio-pauso bakoitzean, sistemaren portaera deskribatzen duten ekuazioak ebazten dira; horretarako, integrazio-algoritmoetan (Euler, Runge-Kutta, etc.) oinarritzen diren ebazleak ( solver , ingelesez) aplikatzen dira. Bestalde, simulazio-pauso bakoitzari simulazio-denbora bat dagokio. Simulatutako sistema mundu errealean zein aldiunetan legokeen adierazten du denbora horrek. Simulazio-denbora hori zehazteko, ebazleak denbora jakin bat (pausoaren luzera deritzona) gehitzen dio aurreko simulazio-pausoaren simulazio-denborari.

Funtsean, ebazleak bi multzo nagusitan bana daitezke: pauso finkoan exekutatzen direnak eta pauso aldakorrean exekutatzen direnak. Simulazio bat pauso finkoan exekutatzen dela esaten da, simulazioan zehar finko mantentzen denean pausoaren luzera. Aldiz, pauso aldakorreko simulazioetan, pausoaren luzera aldatu egiten da, sistemaren dinamikaren arabera. Alde horretatik, laburtu egiten da simulazio-pausoa, baldin eta denbora-tarte jakin batean sistema asko aldatzen bada; horrela, simulazioaren zehaztasuna hobetzen da. Aldiz, aldaketa gutxi gertatzen diren aldiuneetan, pausoa luzatu egiten da. Pausoaren luzera determinatzeko, pauso aldakorreko ebazleek algoritmo bereziak erabiltzen dituzte. Horri esker, burutu beharreko pauso-kopurua era efizientean kontrolatzen da.

Pauso finkoko eta pauso aldakorreko simulazioen adibideak.

Etengailuak simulatzen

Gaur egun, nonahi daude potentzia-bihurgailuak; esaterako, itsasontzietan, haize-errotetan eta ibilgailu elektrikoetan. Potentzia-bihurgailuak energia-bihurketarako sistemetan erabiltzen dira, eta horien helburua energia elektrikoa era kontrolatuan transformatzea da. Alde horretatik, ordenagailu bidezko simulazioak betebehar garrantzitsua du bihurgailu horien diseinu-prozesuaren lehenengo ataletan, bihurgailuaren portaera azter baitaiteke, prototipo fisikoa eraiki aurretik.

Normalean, potentzia-bihurgailuak etengailuz osatzen dira (etengailuak dispositibo erdieroaleen bidez eraikitzen dira), eta etengailu horien konfigurazioaren arabera, hainbat topologia eraiki daitezke (artezgailuak, bihurgailu matrizialak...). Etengailuak kontrolatuak direla esaten da, horien aktibazio- edo desaktibazio-uneak kontrolatzerik badago. Hala, bada, kontrol- eta modulazio-algoritmo aproposen bidez, posible da etengailuen aktibazio- eta desaktibazio-uneak era egokian kontrolatzea. Horrela, kontrolak ezarritako tentsio- eta korronte-erreferentziak sintetiza ditzake bihurgailuak bere sarreretan eta irteeretan.

Potentzia-bihurgailuen etengailuak simulatzeko zenbait aukera daude. Alde batetik, dispositibo erdieroaleen portaera deskribatzen duten ekuazioak erabil daitezke; bestalde, etengailuak idealak direla kontsidera daiteke. Dispositibo erdieroaleen modelo matematiko zehatzak erabiltzea oso baliagarria da, bihurgailuaren efizientzia eta galerak aztertu nahi direnean, adibidez. Hala ere, simulatu beharreko modeloaren konplexutasuna nabarmen handitzen da; ondorioz, denbora luzeegia behar da simulazioak burutzeko. Aldiz, helburua bihurgailuaren kontrol-sistemaren azterketa bada, nahikoa da etengailuak idealak direla kontsideratzea; hau da, pizten direnean zirkuitulabur bat sortzen dutela eta itzaltzen direnean zirkuitu irekian gelditzen direla kontsideratzea.

Sistema kommutatuen simulazioak, eta bereziki potentzia bihurgailuen simulazioak, bere erronkak ditu. Adibidez, pauso finkoko ebazle bat erabiliz gero, argi dago etengailuen kommutazio-aldiuneak eta simulazio-pausoak ez direla zertan era sinkronizatuan gertatu. Hori dela eta, etengailu batek bi simulazio-pausoren artean aktibatu behar badu, hurrengo simulazio-pausora arte ez du kontuan hartzen simulazioak aktibazio horren eragina. Errore horien ondorioz, frekuentzia-baxuko osagai harmonikoak azaltzen dira bihurgailuak sintetizatutako korronte eta tentsioetan. Osagai harmoniko horiek erabilitako ebazlearen ondorioz sortzen dira, eta ez dute bihurgailuaren portaera errealarekin zerikusirik. Fenomeno horri jitter (hots, perturbazio irregularrak) deritzo. Hala ere, errorea txikiagotu egin daiteke baldin eta pausoaren luzera txikiagotzen bada; ordainetan, simulazioa asko moteltzen da, burutu beharreko eragiketa-kopurua nabarmen handitzen baita. Pauso aldakorreko ebazleak erabiliz posible da jitter ra konpentsatzea simulazioa hainbeste moteldu gabe.

Bihurgailu matriziala etengailuak matrize itxuran konfiguratuta dituen potentzia-bihurgailua da. Era horretan, sarrerako edozein fase ( R, S, T ) irteerako edozein fasetara ( U, V, W ) konekta daiteke. Fisikoki, etengailuak IGBTekin eta diodoekin eraikitzen dira.

Bihurgailu matrizialaren sarrerako korronteen pauso finkoko simulazioa 10 s-ko pauso-luzera erabilita, interpolaziorik gabea ( jitter nabaria) vs. interpolatua (SSMA).

Interpolazioa lagun

Potentzia-bihurgailu modernoetako kontrol-algoritmoak gero eta konplexuagoak dira. Aldi berean, etengailuen kommutazio-frekuentziak oso altuak dira kasu askotan (bihurgailu matriziala horren adibide ona da). Hori dela eta, pauso aldakorreko ebazleak erabilita ere, simulazioak oso motelak dira oraindik ere. Ondorioz, soluziorik bilatu ezean, diseinu-prozesuan burutu daitekeen simulazio-kopurua oso mugatuta dago.

Kasu horietan, interpolazio-teknikak erabiltzea da soluziorik onena. Interpolazioaren bidez, bi simulazio-pausoren artean dagoen puntu batean aldagaiek zein balio duten hurbiltzen da. Era horretan, pausoaren luzera handitu egin daiteke, zehaztasun ona mantenduz. Hala ere, konpromiso bat bilatu behar da pausoaren luzeraren eta zehaztasunaren artean; izan ere, zenbat eta pauso luzeagoa, simulazioa azkarragoa da, baina, aldi berean, zehaztasuna galtzen da. Zenbait interpolazio-teknika daude, hala nola TAM ( Time Averaging Method ), SSMA ( Switching State Matrix Averaging Method ) eta interpolazio lineala. Adibidez, bihurgailu matriziala simulatzeko pauso aldakorreko ebazle baten ordez SSMA interpolazio-teknika erabiltzen bada, denboraren % 95 aurreztea lortzen da simulazioan.

Prototipatze azkarreko kontrolaren eskema orokorra.

Denbora errealean simulatzen

Aipatu den bezala, potentzia-bihurgailuen eta horien kontrolatzaileen diseinuaren lehenengo faseetan, oso betebehar garrantzitsua du ordenagailu bidezko simulazio estandarrak. Bestalde, bada beste simulazio-mota bat, denbora errealeko simulazioa deritzona, diseinu-prozesuko azken faseetarako oso erabilgarria dena.

Modelo jakin bat mundu errealaren erritmo berean exekutatzen denean, modelo hori denbora errealean simulatzen ari dela esaten da. Hau da, simulazio-pauso bat exekutatzen denean, pauso horri dagokion simulazio-denbora bat dator simulazioa abiarazi denetik mundu errealean pasatu den denborarekin.

Denbora errealean simulatu ahal izateko, beharrezkoa da simulazio-pauso bakoitzean ebatzi behar diren ekuazioak hurrengo simulazio-pausoa exekutatzen hasi baino lehen ebaztea. Potentzia-bihurgailuak simulatzeko burutu behar diren kalkuluak oso konplexuak direnez, kalkulu-gaitasun handia duten gailu bereziak erabili behar dira, horiek denbora errealean simulatu ahal izateko. Hasieratik, DSPak eta simulatzaile hibridoak (parte analogikoa eta digitala dituztenak) erabili izan dira potentzia-sistemak denbora errealean simulatzeko. Hala ere, mikroprozesagailuetan oinarritzen diren teknologiek harrera oso ona izan dute azken urteotan. Horien adibide dira Hydro Quebec-en Hypersim superkonputagailua eta Opal-RT-ren RT-Lab eMEGAsim denbora errealeko simulatzaile digitala.

Denbora errealeko HIL simulazioaren eskema orokorra.

Funtsean, mikroprozesagailuetan oinarritutako simulatzaile digital horiek PC taldeak ( cluster , ingelesez) dira. Sistema horiek konputazio paraleloa erabiltzen dute; horri esker, kalkulu-gaitasun oso handia lortzen da. Sistema horietan, derrigorrezkoa da pauso finkoko ebazleak erabiltzea, pauso aldakorreko ebazleak ez baitira deterministak (ezin daiteke jakin zenbat denbora behar den pauso bakoitza ebazteko). Bestalde, pausoaren luzera minimoa bi faktorek mugatzen dute. Alde batetik, kalkulu guztiak burutu ahal izateko bezain luze izan behar du pausoak; bestalde, mikroprozesadoreen arteko komunikazioen ondorioz sortutako atzerapena baino handiagoa izan behar du pausoak. Adibidez, potentzia bihurgailu askoren denbora errealeko simulazioan, pausoaren luzera minimoa 10 s-koa da eMEGAsim-en; ondorioz, pausoaren luzera nahiko handia denez, emaitza zehatzak lortzeko interpolazio-teknikak erabili behar dira potentzia-bihurgailuak denbora errealean simulatu nahi badira.

EHUko APERT ikerketa-taldearen bihurgailu matrizial baten prototipatze azkarreko plataforma.

Denbora errealeko simulatzaile horiek sarrera eta irteera analogikoak eta digitalak dituzte. Horrela, denbora errealean simulatutako modeloa mundu errealarekin komunika daiteke. Halaber, sarrera digitaletatik jaso ditzakeen kommutazio-seinaleen eta simulazio-pausoen arteko sinkronizazio faltak eragindako erroreak kalkulatzeko gai izan behar du simulatzaileak, informazio hori beharrezkoa baita interpolazio-algoritmoak modu egokian exekutatzeko. Aldi berean, garrantzitsua da simulatzaileak gaitasuna izatea etengailuen aktibazio- eta desaktibazio-seinaleak zehaztasun handiz bidaltzeko irteera digitalen bidez. Adibidez, funtzio horiek FPGA ( Field Programable Gate Array ) gailu digital azkarrak erabiliz egin daitezke. Ezaugarri horiei esker, denbora errealeko bi simulazio-modalitate burutu daitezke: prototipatze azkarreko kontrola eta denbora errealeko Hardware in the Loop (HIL) simulazioa.

Prototipatze azkarreko kontrola oso metodologia ezaguna da, eta hainbat urtetan zehar erabili izan da bihurgailuen kontrol-algoritmoen diseinuan. Merkaturatzeko prest dauden sistema errealetan, dispositibo elektroniko jakin batean inplementatzen da kontrola. Prototipatze azkarreko kontrolean, aldiz, sistemaren kontrola denbora errealean simulatzen da simulatzaile digitalean, eta kontrolatu nahi den sistema (bihurgailua kasu honetan) erreala da. Simulatzaile digitala begizta itxian konektatzen da prototipo fisikora. Horrela, simulatzaileak kontrolatu beharreko aldagaien balioak jasotzen ditu prototipo errealetik eta, aldi berean, etengailuen aktibazio- eta desaktibazio-seinaleak bidaltzen dizkio bihurgailuari. Teknika horri esker, simulazioaren eta mundu errealaren artean dagoen zubia gainditzen da, eta, ondorioz, bihurgailuaren diseinu-prozesua laburtu eta merkaturatze-denbora murriztu egiten da.

Bestalde, denbora errealeko HIL simulazioa asko erabili izan da automobilgintzan eta industria aeronautikoan. Hala ere, praktika nahiko berria da potentzia-elektronikaren arloan. Modalitate horretan, prototipatze azkarreko kontrolean egiten denaren justu kontrakoa egiten da, hau da, bihurgailua simulatzen da; aldiz, kontrolatzailea erreala da. Horrela, denbora errealean exekutatzen da kontrolatu nahi den sistemaren modelo fidela simulatzaile digitalean; bestalde, sistema birtual hori kontrolatzaile erreal bat erabiliz kontrolatzen da. Denbora errealeko HIL simulazioa oso baliagarria da bihurgailuen diseinu-prozesuan, kontrolagailu fisikoak sistemaren funtzionamendu normalean eta muturreko egoeretan nola funtzionatzen duen azter baitaiteke, inongo prototipo garestirik arriskuan jarri gabe.

Artikulu honetan ikusi ahal izan denez, simulazioa lan-tresna bikaina da potentzia-sistemen diseinurako, eta hainbat posibilitate ditu.

Bihurgailu matrizialaren prototipatze azkarreko kontrolean lorturiko emaitza esperimentalak

osziloskopioan

Bibliografia

Euskal Herriko Unibertsitatearen, Eusko Jaurlaritzaren S-PE09UN08 SAIOTEK proiektuaren eta Eusko Jaurlaritzaren Hezkuntza, Unibertsitate eta Ikerketa Sailaren euskal unibertsitate-sistemako ikerketa-taldeen jarduerak bultzatzeko diru-laguntzen (IT394-10) babesarekin egin da lan hau.