Dreiphasige Matrixumrichter-Simulation

Systemübersicht

Was ist ein Matrixumrichter?

Ein Matrixumrichter verbindet den dreiphasigen Eingang direkt mit dem dreiphasigen Ausgang über ein Array bidirektionaler Schalter. Dadurch entfällt die Notwendigkeit einer zwischengeschalteten DC-Speicherung, was die Baugröße reduziert und die Effizienz verbessert. Allerdings ist eine präzise Steuerung der Schaltelemente entscheidend für einen zuverlässigen Betrieb, insbesondere bei realen Netz- und Laststörungen.

Zweck der Simulation

Die Simulation hat folgende Ziele:

• Demonstration der Prinzipien der direkten AC-AC-Umwandlung
• Validierung der Leistungsfaktorkorrektur und Frequenzumwandlungsfähigkeiten
• Analyse von Effizienz, Netzqualität und Regelstrategien

Wie Impedyme HIL/PHIL Mehrwert schafft

Rapid Control Prototyping (RCP): Entwicklung und Test von Regelalgorithmen für Schaltlogik, Leistungsfaktorkorrektur und Frequenzumwandlung direkt auf der HIL-Plattform von Impedyme, bevor die Hardware implementiert wird.

HIL für leistungselektronische Regler: Die Steuerlogik des Matrixumrichters kann in Echtzeit mit einem simulierten Netz und einer simulierten Last getestet werden, um sicherzustellen, dass sie in den Phasen Software-in-the-Loop (SIL) und Controller-in-the-Loop (CIL) korrekt funktioniert.

PHIL-Tests: Die endgültige Umrichterhardware kann auf Leistungsebene getestet werden und mit einem realistischen AC-Netz und einer realistischen Last interagieren, um sichere und zuverlässige Leistung vor dem Feldeinsatz sicherzustellen.

Hauptmerkmale

Betrieb mit Leistungsfaktor Eins

Der Matrixumrichter erreicht einen Leistungsfaktor Eins, indem seine Schaltstrategie so angepasst wird, dass Eingangs-Spannung und Strom phasengleich sind.
➡️ HIL/PHIL-Vorteil: Die Echtzeit-Netzemulation mit Impedyme’s PHIL ermöglicht Tests, wie der Umrichter unter verschiedenen Netzbedingungen (Spannungseinbrüche, Frequenzschwankungen, Oberwellen) den Leistungsfaktor Eins aufrechterhält.

Bidirektionale Leistungsflussregelung

Der Umrichter unterstützt den Leistungsfluss in beide Richtungen und ermöglicht dadurch Energierückgewinnung (regeneratives Bremsen) sowie den Betrieb sowohl im Motor- als auch im Generatormodus.
➡️ HIL/PHIL-Vorteil: Die Plattformen von Impedyme können sowohl Netz als auch Last emulieren und ermöglichen dadurch eine umfassende Verifikation des bidirektionalen Leistungstransfers unter realistischen Bedingungen.

Nahtlose Frequenz- und Spannungsumwandlung

Der Umrichter kann jede gewünschte Ausgangsfrequenz und -spannung innerhalb der durch die Eingangsquelle vorgegebenen Grenzen liefern und ermöglicht so die Integration in flexible industrielle Prozesse.
➡️ HIL/PHIL-Vorteil: Mit den programmierbaren Netzsimulatoren von Impedyme können verschiedene Eingangsbedingungen (50 Hz, 60 Hz, Spannungseinbrüche, harmonische Verzerrungen) in Echtzeit angewendet werden, sodass sichergestellt wird, dass der Matrixumrichter in unterschiedlichen Umgebungen korrekt arbeitet.

Simulationsziele

Diese Simulation hilft bei der Bewertung von:

• Qualität der direkten AC-AC-Umwandlung
• Wirksamkeit der Schaltstrategie
• Korrektur des Eingangsleistungsfaktors
• Effizienz der Leistungsübertragung ➡️ HIL/PHIL-Vorteil: Diese Bewertungen können nicht nur in der Simulation, sondern auch in Hardware-Testumgebungen mit den Plattformen von Impedyme durchgeführt werden, wodurch eine Korrelation zwischen Modellvorhersagen und realem Hardwareverhalten möglich wird.

Technische Beschreibung

Systemkonfiguration

Eingang: Dreiphasige AC-Versorgung (Netz oder Generator)
Ausgang: Dreiphasige AC-Last (statische Last – ohmsch, induktiv)
Leistungsstufe: 3×3-Matrix aus bidirektionalen Schaltern (IGBTs, MOSFETs oder SiC-Bauelemente)

Regelungsmethodik

Direkte Übertragungsfunktion oder Space Vector Modulation (SVM) zur Erzeugung der Schaltsignale.

Regelziele: Aufrechterhaltung der Ausgangsqualität, Sicherstellung des Leistungsfaktors Eins am Eingang, Minimierung von Oberwellen.
➡️ HIL/PHIL-Vorteil: Die Steuerlogik kann über RCP auf der HIL-Plattform von Impedyme getestet werden, und die tatsächliche Leistungsstufe kann mit PHIL unter realer Leistung verifiziert werden, wodurch ein nahtloser Übergang von der Simulation zur Hardware sichergestellt wird.

Vorteile von Matrixumrichtern

Einer der wichtigsten Vorteile von Matrixumrichtern ist ihre kompakte Baugröße.

Matrixumrichter sind nicht nur kleiner, sondern auch zuverlässiger.

Ein weiterer Vorteil von Matrixumrichtern ist ihre Fähigkeit, sinusförmige Netzströme zu erzeugen.

Zusätzlich ermöglichen Matrixumrichter einen vollständig steuerbaren Leistungsfaktor. Selbst wenn die Last ein Induktionsmotor ist, der Blindleistung aus dem System aufnimmt, können die Schalter so gesteuert werden, dass das Netz keine Blindleistungsaufnahme wahrnimmt. Dadurch kann das System mit Leistungsfaktor Eins betrieben werden.

Darüber hinaus können Matrixumrichter als Kompensatoren fungieren, indem sie führende Blindleistung (leading VARs) aus dem System aufnehmen, um andere nacheilende Lasten zu kompensieren. Das bedeutet, dass der Leistungsfaktor der aus dem Netz aufgenommenen Ströme Eins, voreilend oder nacheilend sein kann, wodurch der Eingangsleistungsfaktor vollständig steuerbar wird.

Weitere Vorteile wurden in jüngster Zeit ebenfalls untersucht, beispielsweise die Möglichkeit, Gleichtaktspannungen vollständig zu eliminieren. Eine detaillierte Diskussion darüber würde jedoch den Rahmen der aktuellen Betrachtung überschreiten.
➡️ HIL/PHIL-Vorteil: Jede dieser Eigenschaften kann über den gesamten Entwicklungszyklus (RCP → HIL → PHIL) mit den Lösungen von Impedyme validiert werden.

Anwendungen

Motorantriebe: Industrielle Motoren, die variable Frequenzen benötigen
Erneuerbare Energien: Direkte Netzanbindung von AC-Generatoren (Windkraft, Meeresenergie)
Luft- und Raumfahrtsysteme: Kompakte Frequenzumwandlung
Mikronetze: Flexible AC-AC-Umwandlung für die Integration dezentraler Energiequellen (DER)
Marine Energiesysteme: Frequenzumwandlung für Schiffe mit mehreren Energiequellen
➡️ HIL/PHIL-Vorteil: All diese Anwendungen können mit den Plattformen von Impedyme in Echtzeit emuliert und getestet werden, wodurch die Entwicklung maßgeschneiderter Lösungen für jeden Anwendungsfall beschleunigt wird.

Vorteile der Simulation

Mit dieser Simulation können Anwender:

• die Dynamik des Matrixumrichters im Detail untersuchen
• fortschrittliche Regelalgorithmen testen
• die Eingangs- und Ausgangsleistungsqualität bewerten
• das transiente Verhalten bei Netz- und Laständerungen analysieren

➡️ HIL/PHIL-Vorteil: Diese Erkenntnisse können mithilfe von Impedyme’s PHIL direkt auf Hardware übertragen werden, sodass sichergestellt wird, dass das reale Gerät seine Entwicklungsziele erfüllt.