Klassische Simulationswerkzeuge in der Leistungselektronik arbeiten virtuell: Steuerung, Leistungsseite und Last werden in den Rechner eingegeben und dort virtuell nachgestellt. Mit dem Emulator HIL400 von Typhoon HIL gibt es einen erweiterten Simulationsansatz: Auch hier werden die Last und die Leistungselektronik digital im Rechner simuliert. Für Letztere stehen auch direkt fertige Bauelemente in der Bibliothek zur Verfügung. Neu ist hingegen, dass der Controller zur Steuerung inklusive der darauf programmierten Software als Hardware in das System eingebunden werden kann. „Sie haben eine Art Spielekonsole mit Steckerleisten, das sind mehrere Dutzend Ein- und Ausgangsfunktionen“, erläutert Werner Bresch, Geschäftsführer GvA Leistungselektronik, das Prinzip. „In eine dieser Buchse stecken Sie ihren entwickelten und mit Software bestückten Controller. Sie können dann die entsprechenden Schnittstellen definieren und der Controller fährt die simulierte Leistungselektronik- und Belastungsseite.“
Emulator schützt teure Hardware
Der Vorteil liegt auf der Hand: „Sie können in Echtzeit sehen, was das System macht“, erklärt Werner Bresch. „Sie können sofort sehen, ob Ihr Controller sauber arbeitet, ob es irgendwelche Bugs gibt, bevor Sie an die Hardware gehen.“ Aus Sicht von Werner Bresch ist das von unschätzbarem Nutzen: „Das ist ja keine kleine Hardware, das sind Megawatt-Endstufen. Da sind IGBTs oder IGCTs drin, die richtig Geld kosten.“ Und natürlich lassen sich im Emulator auch Betriebsbedingungen simulieren, die in der Realität so nicht simuliert werden können. „Sie können beispielsweise testen, was passiert, wenn ein Windrad Energie ins Netz einspeist und Sie dann auf der Netzseite einen Spannungseinbruch haben“, beschreibt Werner Bresch ein denkbares Szenario. „Das können Sie vor Ort gar nicht provozieren, da ja auf der Netzseite Verbraucher angeschlossen sind. Man versucht natürlich, das vernünftig abzuschätzen und zu berechnen, aber es bleibt immer ein gewisses Restrisiko, dass der Controller so etwas nicht so ausbügelt wie er sollte.“
Keine Einschränkung beim Controller
Beim Aufbau des Controllers hat der Entwickler die freie Wahl. Von Seiten des HIL400 gibt es nahezu keine Einschränkungen. „Sie können Standard-Bauelemente nehmen, die Sie am Markt finden“, so Werner Bresch. „Wie Sie den Controller aufbauen, spielt keine Rolle: Analog, digital - was Sie eben brauchen, um Ihre Anwendung zu steuern.“ Um Entwicklern die Arbeit zu erleichtern, bietet Typhoon HIL Schnittstellen-Boards für zahlreiche Standard-Controller an, beispielsweise für TIDSP, ADI Blackfin, dsPIC oder dSpace. Wird der Controller an den HIL400 angeschlossen, arbeitet das System wie ein ganz normaler Umrichter. „Das ist ein in sich geschlossenes System wie ein echtes Umrichtersystem“, so Werner Bresch. „Die einzige Hardware-Komponente darin ist aber Ihr Controller mit der Software.“ Und dieses System lässt sich entsprechend mit dem HIL400 beobachten. „Sie können alle Spannungsverläufe sehen, Sie können alle Stromverläufe sehen - im Normalbetrieb, Überlastbetrieb, Kurzschlussbetrieb und so weiter“, führt Werner Bresch aus. „Und zwar in Echtzeit - als wenn Sie ein reales System vor sich hätten und dieses mit einem Oszilloskop untersuchen würden. Das ist ein komplett neuer Ansatz und insofern besonders interessant, da die Schnittstellen zwischen „Gehirn und Muskeln“ überprüft werden.“ Denn gerade die Schnittstellen verursachen laut Werner Bresch die meisten Probleme. „Von der Controller-Schnittstelle in die Leistungselektronik hinein und von den Istwerterfassungsgliedern aus der Leistungselektronik wieder heraus in den Controller - das sind die häufigsten Problemstellen in einer Entwicklung für Leistungselektronik.“
Revolution in der Leistungselektronik
Und auch wenn der Begriff gerade in der Elektronik häufig überstrapaziert wird, kann man aus Sicht von Werner Bresch den HIL400 durchaus als ein revolutionäres System bezeichnen. „Bevor ich den Controller mit der Leistungselektronik verbinde und diese dann wiederum mit den Lasten, die dahinterstehen, kann ich das ganze System zunächst einmal prüfen“, erklärt er. „Ich kann sehen, ob der Controller sauber arbeitet und ob die Leistungselektronik auch die Worst-Case-Szenarien so übersteht, wie sich das aus den systemrelevanten Daten ergibt. Das ist das wirklich Neue am HIL400, und daher kann man das System auch als revolutionär bezeichnen.“ Die Vorteile, die sich aus dem Einsatz des HIL400 ergeben, liegen auf der Hand: Die Entwicklung von leistungselektronischen Systemen lässt sich deutlich beschleunigen. Wo man bisher nur simuliert hat und dann später auf Probleme stieß, die sich in der Simulation gar nicht ergaben, arbeitet man heute mit dem echten Controller, der dann auch tatsächlich im Umrichter zum Einsatz kommt. Zudem lassen sich Szenarien simulieren, die im realen Einsatz überhaupt nicht darstellbar wären. Und durch die Simulation muss man nicht die teuren Leistungshalbleiter selber testen, sondern benötigt diese erst im fertigen Umrichter. Dass der HIL400 die Entwicklungsarbeit in der Leistungselektronik erleichtert, weiß man bei GvA aus eigener Erfahrung. Die Experten nutzen den HIL400 in Entwicklungsprojekten für ihre Kunden. Darüber hinaus ist GvA Leistungselektronik Repräsentant und Distributor in Deutschland für den HIL400. Von der Leistungsfähigkeit des Emulators kann man sich auf der PCIM am Stand von GvA Leistungselektronik ein Bild machen.
