Simulazione di elettronica di potenza

Progettare controller digitali per l’elettronica di potenza utilizzando la simulazione

La conversione di potenza richiede il controllo di IGBT, MOSFET di potenza e altra elettronica di potenza a stato solido. La progettazione di un controller digitale con la simulazione può contribuire a garantire stabilità, migliorare la qualità della potenza, ottimizzare le prestazioni dinamiche e gestire le condizioni di guasto. La simulazione dell'elettronica di potenza fornisce già nella fase di sviluppo un quadro esaustivo sull’interazione fra algoritmi di controllo digitali, semiconduttori di potenza e il bilanciamento del sistema elettrico, il tutto con un largo anticipo rispetto all'inizio dei test sull’hardware. Per i sistemi di gestione delle batterie e i sistemi basati sull’elettronica di potenza come azionamenti elettrici, convertitori e inverter di potenza, la simulazione ad anello chiuso consente di valutare e verificare le scelte progettuali prima di implementare un controller su un qualsivoglia target reale.

La simulazione dell'elettronica di potenza dovrebbe essere considerata per le seguenti attività:

  • Progettazione e validazione di nuove topologie e strategie di controllo
  • Ottimizzazione del comportamento del sistema, utilizzando librerie di modelli rappresentativi fonti di energia, semiconduttori di potenza, componenti circuitali passivi e macchine elettriche, come motori a induzione e motori sincroni a magneti permanenti - PMSM
  • Analisi della risposta del sistema a guasti e condizioni anomale
  • Eliminazione di problemi di progettazione, prima di passare all’implementazione
  • Riutilizzo di modelli per velocizzare le iterazioni progettuali e progetti di prossima generazione

Modello Simulink di un controllo digitale di un convertitore boost.

La simulazione di elettronica di potenza con Simulink® consente di modellare topologie complesse con dispositivi di commutazione multipli, utilizzando componenti circuitali standard. È possibile eseguire simulazioni con modelli average o a comportamento ideale in commutazione, o utilizzare modelli di commutazione non lineare per una progettazione dettagliata del sistema. A differenza di simulatori strettamente circuitali quali SPICE, la simulazione dell'elettronica di potenza con Simulink fornisce le seguenti funzionalità, orientate all’ottimizzazione e generazione di codice automatica da modelli di simulazione, per progettare l'algoritmo di controllo:

  • Progettare, simulare e confrontare architetture dei controller.
  • Applicare tecniche di controllo classiche come loop shaping interattivo con diagrammi di Bode e root-locus su modelli di sistemi non lineari che includono effetti di commutazione usando metodi quali gli sweep di frequenza e l’identificazione del sistema.
  • Regolare automaticamente (autotune) i guadagni dei controller per anelli di controllo singoli o multipli. Progettare controller non lineari utilizzando tecniche come sliding mode control o gain scheduling.
  • Progettare e verificare integralmente circuiti e logica di protezione dai guasti.
  • Utilizzare strumenti di ottimizzazione e analisi per scegliere i migliori parametri possibili per il sistema ed eseguire analisi di sensibilità.
  • Accelerare studi che richiedono più simulazioni mediante la loro esecuzione in parallelo su processori multicore e cluster di calcolatori.
  • Generare codice C o HDL da algoritmi di controllo per la prototipazione rapida, utilizzando un computer target in real-time, o per l’implementazione su un microcontroller o FPGA.
  • Generare codice C o HDL da modelli di circuito e di macchine elettriche per eseguire una simulazione hardware-in-the-loop su un target real-time, dotato di CPU multicore e FPGA, allo scopo di convalidare un algoritmo di controllo.
  • Applicare funzionalità di convalida formale per sviluppare software embedded conforme a normative e standard governativi, quali UL 1741 per applicazioni come l’anti-islanding nella generazione di energia solare.


Riferimenti software

  • Semiconduttori: Convertire e correggere la potenza utilizzando semiconduttori - Documentazione
  • Dispositivi passivi: Trasmettere e trasformare energia utilizzando cavi di potenza CC, trasformatori, carichi e ramificazioni RLC e linee di trasmissione - Documentazione
  • Macchine: Macchine sincrone e asincrone, motori, misurazioni di macchine - Documentazione

Vedere anche: convertitore buck, convertitore boost, algoritmo MPPT, Simscape Electrical, controllo PID, modulazione di larghezza di impulso, progettazione di controllo motori Simulink, controllo di motori elettrici ed elettronica di potenza con Simulink, controllo motori BLDC

10 modi per velocizzare la progettazione di controllo di conversione di potenza con Simulink