一般的に、モーター駆動制御の設計とテストにおける主な課題は何ですか？
産業用ドライブは多くの場合、異なるベンダーの複数のコンポーネントを統合する必要がある複雑なシステムです。このようなシステムの試運転では、現場でのサプライズを避け、試運転前にドライブ制御、プロセス制御、故障シナリオ、保護機能、制御チューニング、ロバスト性など、すべての主要機能をテストすることが重要です。
複雑さとリスク
誘導機を搭載したドライブの場合、モータがグリッドと直接結合しているため、グリッド障害は大きな課題の1つです。モータ駆動制御は、熱損失、スイッチング遅延、低電圧ライドスルー（LVRT）など、さまざまな故障シナリオで最適な性能を発揮するように設計し、テストする必要があります。また、プロセス制御、保護機能、制御のチューニング、ロバスト性など、複雑な制御機能を開発し、検証することは、コンバータメーカーにとって厳しいものとなります。
熱損失およびスイッチング損失計算のための正確なモデル
モータードライブの最大の課題は、適切な冷却システムの設計とテストです。半導体の過負荷を防ぐ唯一の方法は、負荷と熱損失をシステム内のすべての半導体でうまく分担することです。そのためには、熱損失計算に正確なモデルを使用する必要があります。そして、半導体の熱損失による負荷を適切に分担し、コンバーター全体に適切な冷却システムを構築することで、費用対効果の高い設計が実現します。
グリッド障害のシミュレーション
実際の機器や電源ハードウェアを使って試験シナリオを再現すると、破壊的な影響を及ぼす可能性があります。例えば、過渡電流はモーターの定格電流の何倍にもなります。つまり、設計プロセスでは、マシンが減速またはシャットダウンしたときにエネルギーを放散するために使用されるパワー半導体や保護回路へのストレスを見つけ、制限する必要があります。設計後、コンポーネントを適宜テストし、保護メカニズムを検証する必要があります。
顧客の要求に応える
顧客受け入れテストが基本的な機能テストをカバーするのに対して、規格適合テストは顧客や地域市場の要求に特化したものであるため、より複雑である。これらのテストは、製品の品質を保証し、顧客の環境における信頼性の高い動作を保証するために行われる。このようなテストは、国によって環境のばらつきが大きいため、非常に厳しいものとなります。
コンバータ制御の設計とテストにモデルベースシステムエンジニアリング（MBSE）とHIL（Hardware-in-the-Loop）を使用する利点は何ですか？
コンバーターのハードウェアを損傷するリスクを低減
HILを使用すると、パワー・ステージをリアルタイムでエミュレートできるため、コンバータ・コントローラは、エミュレートされたパワー・ステージと実際のパワー・ステージを区別することができず、あたかも実際のハードウェアに接続されているかのように動作します。そのため、エミュレートされたパワー・ステージと実際のパワー・ステージを区別することができず、あたかも実際のハードウェアに接続されているかのように動作します。これにより、フォルトに依存するケースであっても、リスクなしにできるだけ多くのシナリオでソフトウェアを迅速かつ徹底的にテストすることができます。
垂直統合テスト環境
ライフサイクルの初期段階から設計と製品の妥当性をテストすることで、物理的に統合されるまで発見されないような、潜在的に問題のある製品の動作に気づかないという事態を防ぐことができます。このような挙動は、開発の初期段階で対処すれば、予測や最適化が容易になります。
システムのライフサイクルは通常いくつかのフェーズで構成され、その間に別々のチームがシステムの複雑さレベルの異なる課題に様々な側面から取り組みます。このようなフェーズをできるだけ多く支援できるMBSEツールがあれば、一般的に使用されているツールを採用することで、チーム間のコミュニケーションを簡素化し、スピードアップすることができます。また、ライフサイクルに沿って異なるツールに適応させることで、高額なツールライセンスを複数購入する必要がなくなります。その結果、財務投資を抑えながら、より短期間で目標を達成することもできる。垂直的に統合されたテスト環境を持つことは、エンジニア、インテグレーター、投資家の双方にとって救世主となる。
リアルタイム並列シミュレーション
Typhoon HILシステム・アーキテクチャでは、電気モデルと熱モデルを2つのプロセッサ上でリアルタイムかつ並列にシミュレーションできます。これにより、時間を大幅に節約できるだけでなく、1つのプロセッサで両方のモデルを実行する場合と比較して、プロセッサのパフォーマンスが向上します。パフォーマンスの向上により、非常に動的なパワーエレクトロニクス・アプリケーションで要求される小さなタイムステップが可能になります。さらに、熱モデルの複雑さが電気モデルのシミュレーション性能に影響を与えることはありません。
鉱業用DFIMモータードライブ ケーススタディ例
プロジェクト・チャレンジ
このケーススタディにおける重要な課題は、定速運転から可変速運転へのモーター駆動のシームレスな移行を確実に行うことです。このアプリケーションで可変速運転を行うことにより、投入される原料の量と性質に応じて粉砕効率を最適化することができる。しかし、モーター、始動抵抗器、粉砕機、インバーター、スイッチギア、プロセス制御はすべて異なるサプライヤーから供給されており、複雑な相互作用があるため、未経験の可変速運転にはリスクが伴います。下の図1で、DFIMドライブ・マイニングの設置場所の航空写真をご覧いただけます：
プロジェクト・ソリューション
リアルタイムC-HIL（Controller Hardware-in-the-Loop）シミュレーションプラットフォームは、このケーススタディにおける設計上の課題に対処する上で極めて重要でした。これにより、オフサイトでの制御ソフトウェアの設計とテスト、試運転前の機能実証、保護装置とその機能の寸法決定とテスト、さらに系統故障シナリオのシミュレーションが可能になりました。このプロジェクトで使用されたHILモデルのセットアップを図2に示します。
インバータとスイッチは、HIL402リアルタイム・エミュレータ・デバイスと直接インターフェースされた実モータ駆動コントローラによって駆動されます。C-HILステージで実際の制御装置を使用することで、より忠実度の高いモデルとなり、現場での再現が困難な多くのシナリオにおけるコントローラの挙動をより正確に測定することができます。これには、コンポーネントの過ストレス、過電流、過電圧の状況とそれぞれの保護対策、熱ストレスなどが含まれます。
関連するすべての運転モードとシナリオをHIL SCADAでシミュレーショ ンすることができ、シミュレーションの監視と対話が可能です。このアプリケーションでは、グリッド側の電圧降下（低電圧ライドスルー）をHIL SCADAで実装しました（図3を参照）。
ケーススタディの概要
HILベースの設計とテストの利点は、高い柔軟性（パラメータ、コンポーネント、コンフィギュレーションの変更）、スケーラビリティ、機器を損傷する可能性のある過負荷や設計限界などのリスクフリーのテスト、時間とインフラコストの大幅な削減です。実際の制御ソフトウェア（C-HIL）を接続して使用することで、リアルタイムのテストを実行できる可能性があることは、制御ソフトウェアの実際の挙動を完全に把握できるため、CPUベースのコンピュータ装置に対するHILシステムの大きな利点です。言い換えれば、シミュレーションでは制御ソフトウェアの挙動を近似的にしか把握できませんが、C-HILでは実際の制御ソフトウェアの挙動を忠実かつリアルタイムに把握することができます。
クレジット
著者 ｜Debora Santo, Sergio Costa
ビジュアル ｜Indrivetech AG
編集者 ｜Debora Santo
注記 ｜このテキストは、ウェビナー「HIL for Variable Speed Drives」において、Typhoon HILのDACH地域セールス・ディレクターであるChristoph Schaub氏による紹介と、Indrivetec AGのAndreas Dittrich博士によるユースケースの紹介が行われた際のインタビューに基づいています。
