Opis symulatora czasu rzeczywistego RTS

Ostateczną weryfikację działania przekształtnika YY przeprowadzono za pomocą symulacji typu HIL. Wykorzystano do tego celu symulator czasu rzeczywistego RTS. Schemat blokowy symulatora przedstawiono na Rys. 76. Zdjęcia układu zamieszczono na Rys. 77 oraz Rys. 78.

STEROWNIK PRZEMYSŁOWY AC 800PEC Moduł wejść analogowych PECMI Model pojedynczej komórki Sterownik modułowy DSP ADC DAC DEMODULATOR S1 S2 vC, if Model pojedynczej komórki Sterownik modułowy DSP ADC DAC DEMODULATOR S1 S2 vC, if Model pojedynczej komórki Sterownik modułowy DSP ADC DAC DEMODULATOR S1 S2 vC, if Model przekształtnika YY HMI Komputer PC

...

...

...

...

Rys. 76. Schemat blokowy symulatora RTS przeznaczonego do testowania układów sterowania

wielopoziomowych przekształtników modułowych.

Stanowisko symulacyjne zostało zaprojektowane do badania układów sterowania wielopoziomowych przekształtników modułowych MMC. Składa się ono z dwóch części: sprzętowego sterownika przemysłowego oraz programowalnego symulatora czasu rzeczywistego obwodów mocy przekształtnika.

Główną jednostką obliczeniową układu sterowania jest kontroler przemysłowy AC 800PEC®. Programowanie sterownika odbywa się za pomocą graficznego środowiska komputerowego MATLAB/SIMULINK® [103]. Przygotowany kod programu, zapisany w formie graficznej jest automatycznie przekształcany do kodu źródłowego w języku C i następnie kompilowany do kodu maszynowego sterownika. Sterownik AC 800PEC® jest rozbudowany o dodatkowy zewnętrzny moduł zawierający tory przetwarzania analogowo-cyfrowego (PECMI). Dodatkowo jest on połączony z poszczególnymi sterownikami modułowymi poprzez pośredniczący koncentrator zbudowany w oparciu o logikę programowalną FPGA. Zdjęcie obwodu drukowanego zawierającego dwa sterowniki modułowe przedstawiono na Rys. 79. Jednostką obliczeniową sterownika modułowego jest procesor sygnałowy z rodziny C2000® firmy Texas Instruments [105].

Sterowniki modułowe generują zmodulowane przebiegi sygnałów bramkowych tranzystorów S1, S2 oraz mierzą sygnały analogowe, które są zwracane przez symulator czasu rzeczywistego na podstawie stanu modelu (np. wartość napięcia kondensatora pośredniczącego). Dodatkowo, sterowniki wyposażone są w układ emulujący działanie

149 układu zasilającego komórkę, który uruchamia się wyłącznie, gdy wartość napięcia pośredniczącego przekroczy odpowiedni zadany poziom.

Drugą częścią systemu RTS jest układ symulujący obwody mocy przekształtnika OPAL-RT®. Jest to specjalnie zmodyfikowany komputer klasy PC pracujący pod kontrolą systemu operacyjnego Linux. Komputer wyposażony jest w zespół wejść/wyjść analogowych i cyfrowych, za pomocą, których jest on połączony ze sterownikami modułowymi przekształtnika i przetwornikami ADC modułu PECMI.

Symulator RTS na podstawie zmierzonych przebiegów sygnałów bramkowych tranzystorów steruje pracą modeli komórek przekształtnika. Sposób połączenia poszczególnych komórek wewnątrz modelu jest zdefiniowany przez topologię badanego przekształtnika MMC. Wartości pojemności kondensatorów pośredniczących i stratności w poszczególnych komórkach mogą być dowolnie modyfikowane.

Modelu obwodów mocy przekształtnika przygotowuje się w graficznym środowisku symulacyjnym MATLAB/SIMULINK®. Następnie jest on automatycznie optymalizowany pod kątem złożoności obliczeniowej i przygotowywany do pracy w systemie czasu rzeczywistego oraz kompilowany do kodu maszynowego.

Działanie systemu RTS jest nadzorowane za pomocą zewnętrznego komputera PC. Za jego pomocą istnieje możliwość zdalnej zmiany parametrów pracy sterownika (zmiana nastaw regulatorów, zmiana zadanej wartości prądu Idc2^*, podgląd wartości wybranych zmiennych itp.) oraz modelu przekształtnika (zmiana napięć wejściowych przekształtnika, zdalne zamykanie i otwieranie dodatkowych łączników itp.).

Dodatkowo, dowolne przebiegi prądów i napięć w modelu mogą być przesłane na tor przetwarzania cyfrowo-analogowego symulatora RTS, co umożliwia pomiar chwilowego stanu modelu za pomocą zewnętrznego oscyloskopu.

Zestawy sterowników modułowych

Szafa sterownicza z kontrolerem AC 800PEC

Główna jednostka obliczeniowa symulatora RTS

Moduły wej./wyj. symulatora RTS

Rys. 77. Zdjęcie systemu symulacyjnego RTS. (Materiały udostępnione przez Korporacyjne Centrum

150 Sterownik AC 800PEC Moduł wejść analogowych PECMI Główna jednostka obliczeniowa symulatora RTS

Rys. 78. Zdjęcie szafy sterowniczej systemu RTS. (Materiały udostępnione przez Korporacyjne Centrum

Badawcze ABB w Krakowie).

Interfejs światłowodowy: połączenie z koncentratorem FPGA Jednostki obliczeniowe – procesory DSP Interfejs analogowo cyfrowy: połączenie z symulatorem RTS

Rys. 79. Zdjęcie obwodu drukowanego zawierającego dwa sterowniki modułowe (Materiały udostępnione

przez Korporacyjne Centrum Badawcze ABB w Krakowie).

Weryfikacja działania układy sterowania przekształtnika za pomocą symulacji typu HIL znacznie lepiej odzwierciedla działanie rzeczywistego urządzenia w porównaniu do symulacji typu offline, ponieważ w sposób naturalny uwzględniony jest wpływ opóźnień obliczeniowych, błędów pomiarowych ADC oraz rozdzielczości zmiennych zapisanych w formacie cyfrowym. Prawidłowe wykorzystanie symulatora RTS wymaga jednak poznania i rozumienia jego głównych ograniczeń. Należą do nich:

• Symulator pracuje ze stałym krokiem obliczeniowym, okres odświeżania modelu wynosi 30 us (33,3 kHz). Nakłada to ograniczenia, co do najkrótszej stałej czasowej występującej w modelu symulacyjnym przekształtnika.

• Ze względu na częstotliwość odświeżania modelu nie istnieje możliwość symulacji zjawisk związanych z modulacją napięć gałęziowych (takich jak tętnienia prądów gałęziowych). Z tego powodu model symulacyjny pojedynczej komórki przekształtnika jest uśredniony za okres pracy modulatora.

• Architektura sprzętowa układu sterowania symulatora umożliwia pracę wyłącznie z modulacją PWM (fsw = 1 kHz). Sygnały bramkowe generowane przez sterowniki modułowe są sprzętowo demodulowane do dyskretnych wartości przez kanały wejściowe symulatora RTS.

151