23 november 2023
Power Hardware In the Loop (PHIL)
Energie-applicaties testen voordat ze gebouwd zijn
Hardware-in-the-Loop (HIL) is een test- en validatietechniek die vaak wordt gebruikt bij de ontwikkeling van complexe systemen, zoals elektronische implementaties bij automotive en aerospace toepassingen, industriële machines en andere soortgelijke toepassingen. Denk hierbij aan motorregelsystemen, remsturingen, communicatiesystemen en vele andere toepassingen. Deze ontwerpen moeten worden getest veelal voordat de complete applicatie gebouwd is.
Bij HIL worden de fysieke componenten of subsystemen van het bestaande systeem, gekoppeld en verbonden aan een gesimuleerde omgeving. De simulatie kan bijvoorbeeld een softwaremodel zijn van andere subsystemen of omgevingsfactoren, zoals weersomstandigheden. Het doel van HIL is om te controleren of de fysieke componenten van het systeem correct werken en communiceren met andere componenten en subsystemen, net zoals ze zouden doen in de werkelijke omgeving. HIL-testen kunnen worden gebruikt om verschillende scenario’s te simuleren en te testen, waaronder foutomstandigheden en extreme omgevingsomstandigheden die moeilijk of onmogelijk te reproduceren zijn in een echte omgeving. Door HIL-testen uit te voeren, kunnen ontwikkelaars problemen opsporen en oplossen voordat het systeem in productie wordt genomen, wat uiteindelijk leidt tot een betrouwbaarder en veiliger eindproduct.
PHIL
Power hardware in the loop (PHIL) is een variant van het oorspronkelijke HIL-concept. Het concept van HIL blijft behouden en wordt aangevuld met extra vermogen – lees versterkers en voedingen – in de lus. Op die manier wordt het HIL concept geschikt gemaakt voor het aansturen van fysieke componenten of subsystemen die meer vermogen vragen. In een PHIL-systeem wordt de te testen apparatuur (bijvoorbeeld een omvormer) geïntegreerd in een testopstelling met real-time simulatiemodellen van andere apparatuur en systemen (bijvoorbeeld een elektriciteitsnetwerk of een windturbine).
PHIL wordt vaak gebruikt in de ontwikkeling en validatie van energieomvormers, windturbines, zonne-energiesystemen en andere vermogenssystemen, waarbij de betrouwbaarheid en prestaties van het systeem cruciaal zijn voor de veiligheid en efficiëntie van het systeem.
Vijf stappen
Een goed ontworpen PHIL-simulatieopstelling is een krachtig instrument voor onderzoek, ontwikkelen en testen van toepassingen in de vermogenselektronica en energiesystemen. Maar hoe selecteer je de juiste versterker of voeding voor een specifieke PHIL-toepassing? Deze 5 stappen zijn alvast een goede leidraad.
- Dimensioneren
De eerste overweging bij het ontwerpen van een PHIL-testopstelling is het specifiëren van het werkbereik van de apparaten die zullen worden gekoppeld. Een veelgemaakte fout is het selecteren uitsluitend op basis van zijn vermogen zonder rekening te houden met enkele belangrijke punten. Moet de voeding of versterker in staat zijn om vermogen te absorberen? Welke bandbreedte hebben we nodig? Verder van belang zijn de grenzen en of die overschreden kunnen worden door transiënts of aanloopstromen die een tijdelijke overbelasting kunnen veroorzaken.
Bij de keuze moet rekening worden gehouden met de volgende aspecten:
- Het aantal phases of kanalen dat nodig is.
- Het nominale vermogen bij een nominale frequentie
- De power factor en het werkelijke vermogen dat nodig is in alle 4 kwadranten ( biploaire opstelling)
- De nominale DC en AC spanning die de opstelling vereist
- De frequenties waarop er getest wordt
- Het vermogen en stroombereik bepalen, rekening houdende met eventuele aanloopstromen (motoren)
In sommige gevallen kan het nodig zijn om een step-up transformator toe te voegen om de beoogde spanning van de DUT te behalen. De vermogensspecificaties van deze transformator moet uit veiligheid minimum 10% tot 20% hoger liggen dan die van de voeding. Bedenk ook dat transformatoren gemakkelijk kunnen verzadigen. Een hoge transformatorverzadiging geïnduceerd door DC spanningen of transients kan door de voeding worden gezien als een quasi kortsluiting, waardoor de voeding kan trippen.
Sommige transformatorontwerpen maken een groter bereik van lineaire werking mogelijk, maar de kosten en het gewicht kunnen aanzienlijk toenemen.
- Unidirectioneel, bidirectioneel of bipolair
Het tweede element waarmee rekening gehouden moet worden, is het selecteren van een configuratie met source- en sink-mogelijkheden. Afhankelijk van de toepassing moet de simulatieopstelling stroom leveren aan een belasting (sourcing) en/of om stroom kunnen absorberen (sinking).
Ook bij (micro)grid-toepassingen zien we dit bi-directionele concept terug waarbij overtollig opgewekte energie terug het hoofdnet van de energieleverancier wordt ingestuurd.
Als de energiestroom van een applicatie dus in twee richtingen kan gaan, is een voeding nodig die zowel kan sourcing als sinking. Hier komen we dan uit bij bidirectionele en bipolaire of 4 kwadrant voedingen.
Verder kunt u kiezen uit lineaire of schakelende voeding. Lineaire hebben veelal een goede frequentierespons Maar zijn vaak minder efficiënt en groot in omvang.
Schakelende voedingen zijn een stuk efficiënter (> 90%) en beter geschikt voor het absorberen van energie. Ook hebben ze normaal gesproken een hogere vermogen in een compactere behuizing. Een nadeel is dat ze over het algemeen een kleinere bandbreedte hebben afhankelijk van de PWM-frequentie en filtering.
Het veilige werkgebied van lineaire en schakelende voedingen kunnen behoorlijk verschillen, vooral als het gaat om stroomoverbelasting. Sommige voedingen, meestal de lineaire, verbruiken extra vermogen wat zich dan weer vertaald in veel warmteafgifte. Anderen kunnen extra vermogen aan het elektriciteitsnet afleveren. Deze hoogwaardige regeneratieve voedingen zijn veel efficiënter, omdat er minder vermogen verloren gaat aan warmte.
- PHIL bandbreedte
Het bepalen van de bandbreedte van de voeding is een niet te onderschatten factor in het bepalen van de totale PHIL-systeemkosten. In feite kunnen de totale systeemkosten verdubbelen als er hoogfrequente versterkers nodig zijn in vergelijking met een normale laagfrequente versterker.
De applicatie bepaalt wat het frequentiebereik moet zijn. Het emuleren van een motor die op een ‘schoon’ elektriciteitsnet wordt aangesloten, vraagt niet om een versterker met een grote bandbreedte. Is er echter sprake van netvervuiling of draait de motor op een frequentieregelaar, dan vraagt dat een simulatietijd rond 1 of 2 microseconden en een versterker met een bandbreedte van 5 kHz tot 10 kHz.
Het is ook van vitaal belang dat de stabiliteit van het gesloten-lussysteem gevormd door de versterker, de belasting, de real-time simulator, alle sensoren en communicatieverbindingen goed is. Ook hier kan de bandbreedte een rol spelen.
- Communicatie
Voor PHIL-toepassingen is een snelle aansturing van de voeding en een snelle terugkoppeling van stromen en spanningen vereist om de lus te sluiten. Als de feedback te traag is, zullen de veranderlijke stromen en spanningen niet correct worden gemeten, resulterend in een onstabiele configuratie. Omdat real-time simulatoren kunnen worden gekoppeld aan een breed scala aan voedingen en controllers, is het kiezen van de juiste instrumentatie cruciaal.
High-end voedingen hebben vaak de mogelijkheid om hun output intern te meten en de informatie te verzenden via een point-to-point communicateprotocol. Verloopt hierbij de communicatie via glasvezel, dan elimineert dat aardlusproblemen en ruisinterferentie, en biedt maximaal veiligheid.
Bij analoge communicatie moet de simulator analoge in- en uitgangen hebben om de voeding te verbinden. Speciale aandacht moet worden besteed aan het voorkomen van ruis. Galvanische isolatie is ook aanbevolen om problemen met aardlussen te voorkomen en om een veilige installatie te verkrijgen.
- Budgettaire overwegingen
De laatste overweging heeft betrekking op de prijs van de voeding versus het beschikbare budget. Het vermogen van de voeding, spanningsbereik en frequentiebandbreedte kunnen de prijs sterk beïnvloeden.
Het selecteren van het juiste werkbereik kan een ontmoedigende taak zijn, omdat er zoveel afhangt van het beoogde doel en de vele variabelen die een rol spelen in het uiteindelijke systeem. Ook hebben niet alle voedingen interne meetmogelijkheden met feedback die snel genoeg is voor een PHIL closed loop. In dat geval moeten er extra externe sensoren voor spanning en stroom worden toegevoegd wat een extra kost meebrengt.
