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ELEKTRONIK CAE / CAD

Jede elektrische Schaltung wird mithilfe von PLECS in der Simulink-Modellumge-bung durch einen eigenen Block repr-sentiert. In diesen Block werden Signale zurAnsteuerung von elektrischen Quellen undSchaltern gefhrt. Die in der Schaltunggemessenen elektrischen Gren stehenam Blockausgang bereit.Die Messgren kann man mithilfe vonSimulink-Scopes visualisieren, in Matlabweiterverarbeiten oder sie zur Regelung desSystems einsetzen. Zur Modellierung kom-plexer Regelstrukturen steht die umfang-reiche Simulink-Bibliothek zur Verfgung.PLECS ist ebenfalls kompatibel mit denmeisten anderen Simulink-Erweiterungen,die beispielsweise die Modellierung vonZustandsautomaten oder mechanischenSystemen erleichtern.

Toolbox fr SimulinkNeben Standardkomponenten wie elek-trischen Quellen, passiven Bauelementenund Messgerten stellt PLECS spezielleBausteine fr die Leistungselektronik be-reit. Die Bibliothek (Bild 1) umfasst eineVielzahl von Leistungshalbleitern, aberauch komplette Gleichrichter, Wechsel-richter und Dreiphasen-Transformatoren.Fr die Modellierung von Antriebssyste-men stehen verschiedene elektrische Ma-schinen zur Verfgung, wie zum Beispieldie Asynchronmaschine oder permanenterregte Synchronmaschinen.Anwender, die mit der Bedienung vonSimulink vertraut sind, knnen den Schalt-planeditor von PLECS ohne weitere Einar-beitung benutzen. Ein Doppelklick auf denBlock ffnet das zugehrige Editor-Fenster,

Einbettung in Simulink

Simulation leistungselektronischer Systeme mit PLECSPLECS ist eine Software zur schnellen Simulation elektrischer Systeme. Eine Besonderheit ist die Einbettung in Simu-link. Neben den blichen Standardkomponenten stehen spezielle Bausteine fr die Leistungselektronik bereit.

in das man Bauelemente aus der Bibliothekverschiebt und diese genauso intuitiv wiein Simulink miteinander verbindet. Umkomplexe Schaltungen zu gliedern oderum eigene Bibliothekskomponenten zuerstellen, versteckt man einfach Teile derSchaltung hierarchisch in Subsystemen.Der Editor erzeugt bersichtliche Schalt-plne, die direkt zu Dokumentations-zwecken oder in Publikationen verwendetwerden knnen.Bild 2 zeigt exemplarisch fr eine typischeAnwendung von PLECS das Simulations-modell eines drehzahlvariablen Antriebs.Das elektrische System bestehend ausNetzgleichrichter, Wech-selrichter und Asynchron-maschine wurde in PLECSmodelliert. In der Simulink-Ebene befinden sich die di-rekte Drehmomentregelungder Maschine und die An-steuerlogik fr den Brems-widerstand.

Leistungshalbleiter als ideale SchalterBeim Simulationsstart wan-delt PLECS die Schaltungvom Benutzer unbemerkt

in quivalente Differentialgleichungenum, die anschlieend zusammen mit demrestlichen System von Simulink integriertwerden. Durch diese enge Verzahnung pro-fitiert der Benutzer von sehr leistungsf-higen Integrationsalgorithmen. Simulinkbernimmt auch die genaue Erfassungvon Nulldurchgngen, sodass Dioden undandere netzgefhrte Leistungshalbleiter ge-nau im Stromnulldurchgang abgeschal-tet werden.Die hohe Simulationsgeschwindigkeit vonPLECS wird zum einen durch die Verwen-dung von expliziten Differentialgleichun-gen erreicht. Im Gegensatz zu den impli-ziten Gleichungen, mit denen die blichenSchaltungssimulatoren wie SPICE arbei-ten, entfllt dabei die rechenintensive Ite-ration in jedem Simulationsschritt. Kon-vergenzprobleme werden so ebenfallsvermieden.Zum anderen beschleunigt die spezielleModellierung von Leistungshalbleitern dieSimulation von leistungselektronischenSystemen. Da bei Systemsimulationen dieeigentlichen Schaltvorgnge in der Regelvon geringem Interesse sind, werden Leis-tungshalbleiter in PLECS grundstzlich alsideale Schalter modelliert. Sie stellen ent-weder einen Kurzschluss (Ron = 0) oder ei-

Bild 2: PLECS-Modell eines drehzahlvariablen Antriebs mit Asyn-chronmaschine und direkter Drehmomentregelung.

Bild 1: Hauptfenster der PLECS-Bibliothek.

AUTORDr. Jost Allmeling ist einer der beiden Grnder der Plexim GmbH,CH-8005 Zrich.

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nen idealen Unterbruch (Roff = ) dar, undein Umschaltvorgang erfolgt unendlichschnell. Neben dem Geschwindigkeits-vorteil ist der Verwendung von idealenSchaltern die einfache Bedienung des Pro-gramms und dessen Robustheit zuzu-schreiben.Ein idealer Schalter besitzt keine Parame-ter wie Durchlasswiderstand oder Parallel-Kapazitt, um die sich der Benutzer sonstGedanken machen msste. In vielen Fllensind diese Werte gar nicht bekannt, vor al-lem bei Systemsimulationen, in denenparasitre Effekte untergeordnete Bedeu-tung haben. Wenn jedoch einzelne Leis-tungshalbleiter detaillierter betrachtenwerden sollen, kann der Benutzer nach Be-darf zustzliche Elemente wie Schwellen-spannung oder Zuleitungsinduktivitt hin-zufgen.Fr die in anderen Simulationsprogrammenblicherweise eingesetzten Algorithmensind Leistungshalbleiter kritische Elemente,weil sie scharfe Diskontinuitten einfh-ren und die Schaltungstopologie ndern.Die typischen Schaltvorgnge mit ihren

steilen Strom- und Spannungsflankenzwingen die Programme, sehr kleine Zeit-schritte zu nehmen. In einigen Programmenist es sogar erforderlich, die Halbleiter mitEntlastungsnetzwerken zu beschalten, umden Schaltvorgngen einen kontinuierli-cheren Charakter zu verleihen. Dies erhhtallerdings die Komplexitt und Steifigkeitdes Simulationsmodells und verflscht dieSimulationsergebnisse.In PLECS werden all diese Probleme durchdie unendlich schnell schaltenden Halb-leitermodelle vermieden. Die Schaltungwird intern mit einem stckweise linearenDifferentialgleichungssystem abgebildet.Fr die Simulation eines Schaltvorgangssind somit lediglich zwei Simulations-schritte erforderlich. Da PLECS zudem ohneEntlastungsnetzwerke auskommt, behltder Anwender die Freiheit, zwischen allenIntegrationsalgorithmen zu whlen, diein Simulink bereitstehen.

Variable und feste SchrittweiteEs besteht die Mglichkeit neben Simula-tionen mit variabler Schrittweite auch sol-che mit festen Zeitschritten durchzufh-ren. Dabei knnen entweder das ganzeModell oder nur einzelne PLECS-Blckezeitdiskret simuliert werden. Bei groenSchaltungen bietet die zeitdiskrete Simu-lation gegenber der kontinuierlichennochmals einen deutlichen Geschwindig-keitsvorteil.

Asynchrone Schaltvorgnge wie das Ein-und Ausschalten von Dioden, fallen in derRegel nicht mit den festen Simulations-schritten zusammen. Wird auf solche Er-eignisse erst im nachfolgenden Schritt rea-giert, fhrt das abhngig von dergewhlten Schrittweite zu erheblichenVerflschungen der Ergebnisse. In PLECSwerden asynchrone Schaltvorgnge da-her stckweise linear interpoliert. Wennzwischen zwei Simulationsschritten meh-rere asynchrone Schaltvorgnge auftre-ten, werden entsprechend viele Interpo-lationen ausgefhrt. So stimmen selbstbei groen Schrittweiten die Strme undSpannungen in den Abtastzeitpunktenrecht genau mit den Ergebnissen der kon-tinuierlichen Simulation berein. Die Netz-strme des Diodengleichrichters aus obi-gem Anwendungsbeispiel (Bild 2) wurdensowohl zeitkontinuierlich als auch zeit-diskret simuliert. Bild 3 zeigt einen Ergeb-nisausschnitt fr eine feste Schrittweite von1/3600 s (Kreise) im Vergleich zur variab-len Schrittweitensteuerung (durchgezo-gene Linien).

Zugriffskontrolle fr SchaltungenUm den Austausch von Simulationsmo-dellen mit Projektpartnern und Kundenzu erleichtern, ohne die Details der Im-plementierung preiszugeben, kann manden Zugriff auf eine Schaltung einschrn-ken. Mit PLECS kann man bestimmen, obandere Benutzer eine Schaltung bzw. Tei-le davon modifizieren,ansehen oder nur si-mulieren drfen. Die Zugriffsbeschrn-kungen sind passwortgeschtzt. ( jj)

Mit PLECS steht ein universelles Werk-zeug fr die kombinierte Simulation vonelektrischen Schaltungen und Regelein-richtungen zur Verfgung. Es steht frdie Betriebssysteme Windows, Mac OS X,Solaris und Linux zur Verfgung. Zum Be-trieb wird eine Installation von Mat-lab/Simulink ab Version 5.3 bentigt.

KOMPAKT

NEUERUNGEN IN PLECS 1.3

Nichtlineare Komponenten: Die neueNonlinear-Bibliothek enthlt sttigba-re Induktivitten und Kondensatoren.Allgemeine Nichtlinearitten knnen mitden steuerbaren Komponenten R, L undC realisiert werden.Neue Maschinenmodelle:Die Machines-Bibliothek wurde um Modelle fr dieBrushless DC Machine (mit winkelab-hngigen Statorinduktivitten) und dieSwitched Reluctance Machine erweitert.Zustzliche Leistungshalbleiter:Die Swit-ches-Bibliothek enthlt neue Modellefr den MOSFET und den TRIAC.Magnetische Kopplungen: Der idealeTransformator kann nun mit einer varia-

blen Anzahl von Wicklungen auf der lin-ken und rechten Seite konfiguriert wer-den. Die neue Komponente Mutual In-ductor ermglicht die Modellierungbeliebiger Kopplungen zwischen einervariablen Anzahl von Induktivitten.Vektorisierte Schaltermodelle: Es kn-nen jetzt smtliche Schaltermodelle auchmit vektorisierten elektrischen Verbin-dungen verwendet werden.Command Line Interface: Das CommandLine Interface gibt Zugriff auf die Para-meter von Schaltungen und Komponen-ten direkt von der Matlab-Kommandozeileaus.

KONTAKT

Plexim Kennziffer 540www.plecs.de

Bild 3: Netzstrme des Diodengleichrichters si-muliert mit fester und variabler Schrittweite