Simuleringsverkyge Saber för CS 1 BBs nya sandarddrivsysem användbar för moderniseringsprojek, inga reflekioner i moorkabeln, ingen påkänning på moorisoleringen, inga EMC-problem 12-pulsig ingångsbrygga (24-pulsig som illval): uppfyller kraven enlig IEEE 519, låg överonshal i näe Få komponener: hög illförlilighe, högre illgänglighe än 99,9 %, kompak konsrukion Simuleringsverkyge Saber spelade en vikig roll vid uvecklingen av CS 1, BBs nya sandardproduk inom växelsrömsdrivsysem på mellanspänningsnivån. De är ine bara uppgifernas komplexie och de många olika produkvarianerna som säll krav på e kraffull simuleringsverkyg, uan även de mål som saes upp för kosnad och id. Saber uppfyllde de krav som sälldes i och med a de verifierar överenssämmelse mellan modell och verklighe. Tack vare kombinaionen av simuleringar och prov i kraflaboraorie kunde konsrukionen göras robusare och illförliligare. Dea gjorde de möjlig a opimera funkionerna för en mängd olika illämpningar. CS 1 är BBs nya sandardiserade växelsrömsdrivsysem uförlig presenera i BB Tidning 2/98 1. Syseme kan användas för de flesa mellanspänningsillämpningar [1]. De är avse för effekområde från 315 ill 5 kw och för spänningarna 2,3 k, 3,3 k och 4,16 k. Drivsyseme kan enkel anpassas ill speciella krav, och iden för a insallera och drifsäa de är jämförelsevis kor. Typiska illämpningar för drivsyseme är pumpar, fläkar, kompressorer och ransporörer, vilka oal represenerar ca 85 % av den oala marknaden för drivsysem i de akuella effekområde. Effekdelen i CS 1 är en ny produk. De fakum a de ine fanns någon föregångare a ugå från lämnade fäle fri för nya idéer och ekniska lösningar. Regleringen bygger på DTC (Direc Torque Conrol) [2], som redan illämpas med framgång i CS 6 [3]. Den lösning som valdes för effekdelen i CS 1 2 har följande egenskaper: äxelrikare med renivåswichning: ingen seriekoppling av halvledare, enkel konsrukion IGCT (Inegraed Gae-Commuaed Thyrisors) [4]: ingen parallellkoppling, snabb swichning, låga förluser, inge du/d-filer, inegrerad drivkres för syre, illförlilig, robus Common mode-reakor: underrycker och syr common mode-srömmarna som allid uppsår när växelrikare används Sinusfiler på ugången: sinusformade ugångsspänningar och -srömmar, Gerhard Bräuer Gerhard Wild drian Wirh BB Indusrie G Dr. Heinz Lendenmann BB Corporae Research Ld arför krävs simulering? Få av de olika växelrikaryper som finns är uvecklade på radiionell sä, med prooypes och verifiering genom simulering av olika drifillsånd. Övriga yper har dimensioneras och verifieras med hjälp av illförliliga simuleringsmeoder, följ av e ypes. Simuleringar används för a verifiera angivna daa på daabladen för CS 1 även gäller i verkliga insallaioner, där kriiska paramerar kan förekomma. Följande paramerar påverkar e växelrikarsysem, dess konsrukion och dess dimensionering: Maningsnä Ingångsransformaor Linjär elekrisk konsan för kabeln Tekniska och ekonomiska fördelar med simulering Tekniska fördelar De grundläggande sysemegenskaperna kan fassällas Korare inlärningscykler Dimensionering av olika komponener nalys av kriiska komponener (fel, skyddsfunkioner) Förbäring och opimering Ekonomiska fördelar Korare uvecklingsid Kosnadsopimering (viruella prooypes) Felakiga inveseringar undviks Mindre esarbee behövs BB Tidning 5/1998 43
och hydrauliska sysem kan simuleras illsammans De sandardiserade växelsrömsdrivsyseme CS 1 för mellanspänningsillämpningar mellan ransformaorn och växelrikaren Linjär elekrisk konsan för moorkabeln Moorparamerarna (spänningar, effek, polal upp ill max 2, effekfakor) Olika laser Därför valdes Saber för simuleringarna Beslue a använda simuleringsverkyge Saber, en produk från föreage nalogy i US, ogs redan då CS 1- projeke inleddes i januari 1996. Beslue baserar sig bland anna på följande fördelar: Möjlighe ill simulering av blandad eknik, så a elekriska, mekaniska Kresschema för de sandardiserade växelsrömsdrivsyseme CS 1 2 Supply nework Inpu isolaion ransformer CS 1 12-pulse recifier Three-level inverer Oupu filer pplicaion conrol and Direc Torque Conrol ( DTC ) M ~ Squirrel-cage inducion moor 1 Möjlighe ill simulering av blandade signaler, så a analoga och digiala sorheer kan simuleras samidig E kraffull beskrivningsspråk för maskinvaran (MST). Uan dea hade de ine vari möjlig a nå hög kvalie i modeller och simuleringar. E kraffull makrospråk, IM, som används för a skapa egna verkyg för olika simuleringsuppgifer BBs forskningscenrum i Schweiz hade redan mycke erfarenhe av arbee med Saber. Saber är kän som e användarvänlig sysem. Simuleringssyseme Saber ger e umärk söd under uveckling och konsrukion. Bland de funkioner som erbjuds av modulen SaberDesigner kan nämnas följande: SaberSkech Inmaning och redigering av konsrukioner SaberGuide Inerakiv simuleringssyrning SaberScope Grafisk vågformanalys SaberSimulaor Simulering av blandade signaler och blandad eknik Saber e delprojek i sig De sod klar redan i inledningsfasen a simuleringsverksamheen måse planeras dealjera och koninuerlig. Dealjerad planering av Saber-illämpningen är en förusäning för effekiv användning. En grupp Saber-specialiser 3 ansvarade för a skapa modellerna och för a genomföra och koordinera simuleringarna. På så sä kunde simuleringarna användas för a genomföra uvecklingsuppgifer, samidig som kunden fick svar på sina ekniska frågor. Förhållande kosnad/fördel måse uppskaas och uvärderas för varje spe- 44 BB Tidning 5/1998
cifik analys. Under uvecklingsfasen koncenrerades ansrängningarna framför all på följande områden: Sysemsimuleringar Generering av elscheman Beräkning av förluser och verkningsgrad Uppladdningsförlopp Konakdon (klämmor) Självmagneisering DTC-implemenering Common mode-egenskaper Tes parallell med simulering (exak reprodukion av esriggarna) Skyddssimuleringar Likrikarskador Korsluningar i moorlindningen Jordfel ndra korsluningar äxelrikarskydd Saber-simulering och CS 1 För a hjälpa personalen a använda simuleringsverkyge effekiv och för a adminisrera parameeruppsäningarna för de olika växelrikaryperna skrevs e speciell användargränssni som beecknas CS 1 Simulaion Manager 4. Simulaion Manager är direk åkomlig genom a man klickar på en ikon på bildskärmen. Simulaion Manager är menybaserad och fungerar i sin ur som e användarvänlig gränssni mo Saber-verkyge. De går a ändra paramerarna i e schema, a beräkna variabler direk med hjälp av fördefinierade formler och a auomaisera simuleringskörningar och uvärderingar. En vikig förberedelse inför varje given simuleringsuppgif är a välja lämplig schema. De krav som måse uppfyllas av schema och vilka komponener som måse ingå beror på problemes naur. Övriga krierier som måse beakas är körid för beräkningen och vilka förenk- Uvecklingsingenjörer vid en arbessaion 3 lingar som illås i modellen. Nedan ges snabb, sabil och konvergerande modell måse priorieras, en modell som re exempel: Saber-biblioeken innehöll ingen diod skulle kräva e minimum av daorid med samma backegenskaper som och som skulle reproducera kurvorna den nya IGCT-kresen. De illgängliga så noggran som möjlig. En sådan modellerna för ändamåle kunde ine modell ogs fram i BBs forskningscenrum med hjälp av maemaisk reproducera diodens egenskaper korrek. De blev snar uppenbar a en adapering. Genom a a hänsyn ill CS 1 Simulaion Manager 4 BB Tidning 5/1998 45
Diode recifier Common mode wih special and faul DC link Ne, line Transformer Line snubber proecion wih clamp Inverer Filer Line o moor Moor Load Clamp Clamp = CS 1 converer Direc Torque Conrol Blockschema över CS 1, avse för simulering 5 de speciella egenskaperna för IGCT och dess diod blev de möjlig a få fram en illräcklig bra modell se ill vågform, daorid och konvergenssabilie. För konsrukion av kylsyseme behövdes informaion om vilka effekförluser som måse kylas bor. Mäningar i laboraorium gjorde de möjlig a beräkna änd- och släckförluserna för halvledarkomponenerna. Ugående från dessa mäningar kunde preliminära swichmodeller med höga förluser skrivas i modelleringsspråke, modeller som hel enkel beräknade förluserna som funkioner av swichspänningen och srömmen. De preliminära modellerna illämpades sedan på en modellerad srömrikarfas och syrdes via regulaorn. På så sä gick de a få fram en formel för förlusberäkning som även ar hänsyn ill spänningen i liksrömsmellanlede, fassrömmen och swichfrekvensen. äxelrikaren i CS 1 syrs med DTC [2]. DTC-regulaorn ger syrsignaler ill varje swich i de re srömrikarfaserna. DTC-algorimen är implemenerad i Saber 5. På grund av sin komplexie är DTC-regulaorn i Saber en hierarkisk modell, dvs den innehåller yerligare komponener i underordnade scheman. Några av dessa komponener, som kallas mallar, måse skrivas speciell i MST-språke. DTC-modellen verifierades ill en början med hjälp av mäningar. ikig informaion samlades om komponenpåkänningar och variabler som är svåra a mäa, och därmed också kunskap om modellens kvalie och illförlilighe. Parameeruppsäningar för simuleringsscheman Schemakomponenerna kan parameerbesämmas för varje yp av växelrikare. För samliga enheer i produkfamiljen finns parameerfiler för insällning av komponenvariabler (kondensaorer, reakorer, mosånd, läckreakanser, kablar, krafsysem och ransformaorer ec). Simulaion Manager gör de enkel a hanera och uppdaera dessa filer. BB har idag e sor biblioek av paramerar för varje växelrikare. Med hjälp av dessa filer går de a simulera hela produkserien med e och samma schema. Daorid och noggrannhe För a kunna uvärdera simuleringsresulaen är de vikig a vea hur noggranna de är. lla diskussioner om noggrannhe måse ugå från vilka förenklingar som illås i schema och i modellerna sam beaka vilken noggrannhe som har vals för simulaorn. Rä schema för e give problem BB konsruerade egna simuleringsscheman för de flesa av de akuella uppgiferna. Därför kan processerna reproduceras opimal i simuleringen, och med nödvändig uppmärksamhe på dealjerna. BB har idag e sor ege schemabiblioek. Modeller av alla esriggar För a få kvaliaiv åerkoppling från Saber-simuleringarna har alla esriggar och produkionsesanordningar implemeneras som scheman. Följden är a simuleringar och mäningar exak kunde jämföras. Dea var en vikig milsolpe i projeke, för a bekräfa arbesgruppens resula, simulaorns noggrannhe och a de genererade modellerna var korreka. Modellbildningen äcke in krafsyseme, ransformaorn, maningslinjerna, srömrikaren, moorn och DTC-regulaorn. Simuleringar genomfördes parallell med esen för a ge en ekonomisk och 46 BB Tidning 5/1998
riskfri preliminär analys av skyddsfunkionerna och de forcerade fel som esades i laboraorie. Belasningsgränserna för komponenerna kunde därmed fassällas uan risker och läggas in i specifikaionerna. Därmed minimerades de erforderliga anale IGCT-esmönser. Den umärka överenssämmelsen var överygande och bekräfade konsrukionen baserad på dessa simuleringar 7a, 8a, b, c. erifiering av skyddskoncepe E ny skyddskoncep har också uvecklas för CS 1, e koncep som og särskild hänsyn ill egenskaperna för IGCT och effekdelen i de nya drivsyseme. Med simuleringsresulaen som grund esades och uvärderades skyddsurusningens egenskaper och effekivie redan i projekfasen. Exempelvis kunde redan på e idig sadium avslöjas a säkringar ine ger illräcklig skydd i händelse av vissa simulerade halvledarborfall. Dea berodde i försa hand på den relaiv långa id som går från de a huvudbryaren öppnas ill a resulerande energiflöde upphör. Flera olika skyddskoncep uan säkringar esades i simulaorn. Den ideala lösningen visade sig vara så kallade skydds-igct i liksrömsmellanlede, i kombinaion med en innovaiv skyddskres för likrikaren, vilken har paeneras. I e anna exempel genomfördes e es för a verifiera a srömrikaren också kan hanera exerna fel, som korsluningar över moorklämmorna 6. Överoner och energikvalie Som leveranör av frekvensomrikare för mellanspänning har BB ine bara erfarenhe av de områden där frekvensomrikare används, uan även om de problem som orsakas vid sörningar i ma- ningsnäe. De daorsimuleringar och beräkningsmeoder som har uvecklas gör de möjlig a fassälla överonerna i e maningssysem exak för varje växelrikare i CS 1-serien, oberoende av arbespunk. Om oillåna värden för överonerna konsaeras, kan probleme minskas med hjälp av speciella filer eller genom a ändra maningsransformaorns impedans. För a minska den feme och den sjunde överonen är CS 1 redan från början urusad med en 12-pulsig likrikare på ingångssidan (som illval: 24- pulsig). Den uppmäa och den simulerade ingångssrömmen framgår av 7a. 7b visar överenssämmelsen mellan uppmäa och simulerade överonsegenskaper (elfe, reonde, jugoredje och jugofeme överonen). Med denna ingångsransformaor skulle kraven enlig IEEE 519 för den elfe överonen ine uppfyllas. Efersom simuleringen kan åerge den fullsändiga växelrikarens upprädande med sor noggrannhe, är de enkel a fassälla minsa ransformaorimpedans som behövs, och följakligen a hia de opimala specifikaionerna 7c. Tvåfasig korsluning av moorklämmorna och eferföljande blockering av växelrikarpulserna U I 1 5 5 1 4 2 2 Sinusfiler på ugången 8a visar den ofilrerade fas-ill-fas-spänningen för växelrikaren med renivåswichning, såväl uppmä som simulerad. Filre eliminerar alla högfrekvena komponener i uspänningen 8b och usrömmen 8c. Common mode-reakor lla växelrikare ger upphov ill common mode-spänningar. I falle CS 1 hålls dessa bora från moorn genom effekiv jordning av filres sjärnpunk. I sälle visar de sig på maningsransformaorns ugångar 9. Kapacianserna i kabeln mellan ransformaor och srömrikare laddas upp koninuerlig och orsakar a jordsrömmar flyer genom kundens insallaion. Jordsrömmar av dea slag uppsår allid där växelrikare insalleras och i falle CS 1 dämpas de med en speciell common mode-reakor. Reakorn garanerar korrek funkion hos växelrikaren för maningskablar som är upp ill 3 m långa. Dela volage U Phase U Phase Dela volage U W Dela volage U W Phase W Shor-circui curren 4.3.31.32.33.34.35.36.37.38.39 s.4 6 BB Tidning 5/1998 47
15 I Measuremen 15.29.295.3.35.31.315 s.32 15 I Simulaion 15 1.35 1.4 1.45 1.5 1.55 1.6 s a 8 % 6 5 4 3 I 2 1 b 11 13 23 25 TDD THD h Simuleringar och mäningar används för a fassälla överonsbelasningen som orsakas av e drivsysem på 125 kw vid spänningen 4,16 k 7 8 a b c Invariabel: krafsysemes fassröm Karakerisisk överon för krafsysemsröm när ransformaorns korsluningsspänning är för låg Karakerisisk överon för näsröm med erforderlig korsluningsspänning i ransformaorn % 6 5 4 I Srömdisorsion h Överonsordning I 3 2 Blå Rosa Gul TDD THD Tillåe av IEEE Mäning Simulering Toal harmonic disorion (klirrfakor) Toal demand disorion (klirrfakor) c 1 11 13 23 25 TDD THD h Fördelar och erfarenheer På grund av de många olika yperna av CS 1 och de ambiiösa mål som sas upp för projeke planerades simuleringar redan från början som naurlig del av uvecklingsprogramme. nale nödvändiga simuleringar låg ill grund för a uppskaa hur många personer som skulle ingå i arbesgruppen och vilka medel som skulle avsäas. Innan Saber kunde användas måse emellerid e anal frågor med avseende på operaivsysem, maskinvara, näverk, licenser och daasäkerhe besvaras. De var förs på e senare sadium av projeke som de ydlig framsod a inveseringen var moiverad. Se i backspegeln har de bekräfas a de fanns sora fördelar i de nära samarbee mellan Saber-gruppen och maskin- och programvaruuvecklarna. Dea samarbee gör de möjlig a avslua e projek som dea snabbare. Även om de från början fanns problem med simuleringskapacieen, sod en full fungerande simuleringsmiljö färdig när behove av simuleringskapacie var som sörs. Dea innebar a ine bara planerade uppgifer uan även e anal kundspecifika simuleringar för försäljningsavdelningen kunde genomföras. Beslue a lägga in Saber i uvecklingsprogramme för CS 1 visade sig vara rä, ros all arbee och de höga kosnader som dea innebar. Fördelarna med Saber under serieprodukion E simuleringsverkyg som Saber används i försa hand för verifiering av en produks funkioner under uvecklingsfasen, men de erbjuder många andra användningsområden. Simuleringsresulaen ger värdefull söd för applikaion och försäljning, och är ill nya när produken ska vidareuvecklas eller kompleeras med nya funkioner. pplikaion Saber erbjuder ovärderlig hjälp vid undersökningar av sysemspecifika problem. Exempelvis kan iden minimeras från a e problem visar sig och a de löses, uan behov av komplicerade och dyrbara laboraorieinsallaioner. Elekriska, mekaniska eller hydrauliska processer, liksom speciella drifillsånd i e sysem, kan snabb analyseras i dealj, så a korreka ågärder kan vidas omgående. 48 BB Tidning 5/1998
Tillförliligheen kan förbäras redan under uvecklingsfasen med hjälp av redundan konsrukionskonroll, simulering och laboraoriees. Osäkerhesfakorer kan elimineras mycke snabbare med hjälp av simuleringar än med komplicerade och idskrävande mäningar i laboraorium. Även om simuleringar ine ersäer laboraorieprov erbjuder meoden sora fördelar där snabb och effekiv reakion krävs på sysemspecifika problem. Sysemsimulering som backup Med Saber går de a simulera e sysem hos en poeniell kund och esa hur väl CS 1 fungerar med de. Komplicerade eller kriiska näkonfiguraioner kan också simuleras på e enkel sä. Genom den ökande uppmärksamheen på sörningar i krafsysem är de mycke vikig a kunna förusäga dessa före igångkörningen. Ågärder kan planeras i förväg, isälle för a behöva införas på e sen sadium i de färdiginsallerade syseme vid en senare idpunk. Obehagliga överraskningar i samband med drifsäning kan minimeras redan från början, samidig som själva drifsäningen kan genomföras snabbare och billigare. För kunder som säller speciella krav (exempelvis personskydd, förhöjd livslängd eller specifikaioner som avviker från sandard) kan projeke genomföras snabbare och illförliligare ack vare de effekivare uvecklingsarbee som är möjlig med Saber. Sysemopimering och sysemubyggnad id opimering av en produk fäss särskil avseende vid a maximera dess illgänglighe och illförlilighe. Tesurusningen som används i e laboraorium åerspeglar e specifik fall som hämas från prakiken. Dea enda fall är vikig och bidrar ill framagningen av simuleringsmodellen. Dessuom kan resulaen från simuleringar och mäningar jämföras. Robushe, illförlilighe och säkerhe kan förbäras som resula av dea. 1 U Measuremen 6 U Measuremen 1 1 U.545.55.555.56.565.57.575 s Simulaion 6.54.545.55.555.56.565 s 6 Simulaion U 1.15.155.16.165.17.175.18.185 s a 6 b.365.37.375.38.385 s.39 Konsekvenser vid ugångens sinusfiler Belasning: moor på 125 kw, 4,16 k a b c äxelrikarens uspänning före sinusfilre maa en sandardmoor med denna ofilrerade spänning skulle innebära: Spänningsreflekioner vid moorklämmorna Snabbare åldring av moorisolaionen Ökade moorförluser EMC-problem Ugångsspänning från CS 1 respekive moorspänning Sinusfilre isolerar moorn från brana spänningsflanker (1 2 k/µs) och överoner, så a ovannämnda nackdelar undviks. Ugångssröm från CS 1 respekive moorsröm 8 I 4 Measuremen 4.46.465.47.475.48.485 s 4 Simulaion I 4 c.365.37.375.38.385.39 s BB Tidning 5/1998 49
15 No CM choke Wih CM choke 5 I 5 1 a 15 6 Undamped CM choke 2 U 2 4 Damped CM volage 6 b 8 CM volage.3.325.35.375.31.3125.315.3175 s.32 Inverkan på common mode-reakorn 9 a Inverkan på jordsrömmen Blå Uan common mode-reakor Gul Med common mode-reakor b Inverkan på common mode-spänningen Blå Odämpad common mode-spänning Gul Dämpad common mode-spänning Rosa Common mode-spänning Farliga felyper och försörande es kan också analyseras i förväg, uan risk för ovänade konsekvenser. De är en vikig säkerhesaspek. Genom de simuleringar som genomfördes konrollerades dea inom ramen för CS 1-projeke och drivsyseme byggdes upp enlig resulae. Kundens miljö (dvs gränssnie mellan CS 1 och andra sysem) kan skilja sig sark från laboraoriemiljön. Egenskaperna i de maande näe, maningskabeln och mellanliggande ransformaorer i e eslaboraorium är aldrig desamma som i kundens insallaion. Dea kan ha inverkan på upprädande för en produk i e sysem. Med de beskrivna simuleringssyseme går de a lägga ill egenskaper speciell för kundens ege sysem och på så sä få en opimering som gäller för fler illämpningar. id uveckling av en sandardproduk måse säkersällas a den fungerar uan problem även i exrema siuaioner. Referenser [1] Malik, S.; Kluge, D.: CS 1 världens försa sandardiserade C-drivsysem för mellanspänningsillämpningar. BB Tidning 2/98, 4 11. [2] Pohjalainen, P.; Tiiinen, P.; Lalu, J.: The nex generaion moor conrol mehod Direc Torque Conrol, DTC. EPE Chaper Symposium on Elecrical Drive Design and pplicaion, Lausanne, Schweiz, 1994, 115 12. [3] Pelola, M.; Perala, P.; Bryfors, U. T.: CS 6 en växande familj av DTC baserade produker. BB Tidning 6/97, 31 39. [4] Sillman, H. M.: IGCT effekbryare i megawaklassen för mellanspänningsillämpningar. BB Tidning 3/97, 12 17. Förfaarnas adresser Gerhard Bräuer drian Wirh Gerhard Wild BB Indusrie G Posfach CH-53 Turgi/Schweiz Fax: +41 () 56 299 34 E-mail: gerhard.braeuer@chind.mail.abb.com adrian.wirh@chind.mail.abb.com Dr. Heinz Lendenmann BB Corporae Research Ld 5 BB Tidning 5/1998