Simulation nichtlinearer Schaltungen in der Leistungselektronik mit Python

Dieses Kapitel führt in das Konzept der Simulation ein und beschreibt ihren Nutzen mit einige allgemeinen technischen Beispielen. Das Kapitel behandelt dann den aktuellen Zustand des Stromsystems und die jüngsten Veränderungen, die eingetreten sind, sowie die Veränderungen, die in der Zukunft erwartet werden. Das Kapitel zeigt die Herausforderung, den Klimawandel mit erneuerbarer Energie zu bewältigen und die jüngsten Fortschritte in der Wind- und Solarenergie. Vor diesem Hintergrund führt das Kapitel in die Leistungselektronik mit Python ein und beschreibt die Nützlichkeit eines freien und Open-Source-Schaltungssimulators und den Aufbau einer Gemeinschaft von Energieingenieuren.

Dieses Kapitel führt kurz in die Programmiersprache Python ein, um als schnelle Referenz für die späteren Kapitel zu fungieren. Es beschreibt die Eigenschaften der Programmiersprache und auch die verschiedenen Arten von Objekten und ihre zugehörigen Funktionen. Dieses Kapitel ist nicht als detailliertes Tutorial zur Python-Programmierung zu verstehen, sondern als Schnellreferenz für das Material im Buch.

Dieses Kapitel beschreibt die Schnittstelle, die der Simulator zur Interaktion mit dem Benutzer verwendet. In diesem Kapitel wird die Philosophie erläutert, die hinter der Wahl von Tabellenkalkulationen als Methode zur Extraktion von Informationen vom Benutzer steht, sei es zur Eingabe von Simulationsparametern, Schaltplänen, Parametern der Komponenten in den Schaltplänen und auch zur Struktur von Steuerungsfunktionen. Das Kapitel legt dar, wie die Struktur jeder Komponentenklasse in der Simulatorbibliothek und wie die vom Benutzer eingegebenen Daten von jeder Komponentenklasse verarbeitet werden. Das Kapitel behandelt auch das Konzept, wie Klassen für jede gefundene Komponente instanziiert werden, was zu Objekten führt und wie diese Objekte vom Simulator referenziert werden. Weiterhin wird der Ablauf der Ausführung im Simulator beschrieben und wie der Simulator die vom Benutzer bereitgestellten Daten verarbeitet und sie dem Kernsimulationssystem zur Verfügung stellt.

Dieses Kapitel beschreibt, wie ein Benutzer Kontrollfunktionen für eine Simulation schreiben kann. Im Kapitel wird erläutert, wie die Steuerungsfunktionen als Python-Dateien geschrieben und in der Simulationsparametertabelle angegeben werden müssen. Jede Kontrollfunktion hat eine Schnittstelle zur Simulation in Form von Eingängen und Ausgängen, diese Schnittstelle wird durch ein Tabellenblatt beschrieben, das Deskriptor genannt wird. Neben Eingängen und Ausgängen kann jede Steuerungsfunktion bestimmte Arten von Variablen verwenden, die spezielle Aktionen ausführen. Das Kapitel beschreibt die Bedeutung jeder Art von Steuervariable und wie sie im Simulator implementiert sind. Das Kapitel erklärt, wie Steuerungsfunktionen vom Simulator mit Hilfe von Zeitereignissen geplant werden. Anhand eines Beispiels wird beschrieben, wie der Simulator sicherstellt, dass die Kontrollfunktionen zum gewünschten Zeitpunkt ausgeführt werden. Ein einfaches Beispiel zeigt, wie Steuerungsfunktionen mit der Simulation und auch miteinander verbunden werden können.

Dieses Kapitel beschreibt, wie ein Benutzer eine Shunt-verbundene dreiphasige VAR-Kompensation, die mit einem zweistufigen Spannungsquellen-Konverter in einem dreiphasigen System realisiert wird, simulieren kann. Der Spannungsquellen-Konverter besteht aus steuerbaren idealen Schaltern, die durch Pulsweitenmodulation ein- und ausgeschaltet werden. Im Kapitel wird gezeigt, wie der Benutzer diese Simulation in Stufen aufbauen kann, sodass jedes neue Subsystem, das zum Schaltkreis hinzugefügt wird, überprüft werden kann. Das Kapitel erläutert auch, wie der Benutzer Steuerfunktionen mit detaillierten Beispielen jeder Steuerfunktion in der Simulation schreiben und auch die Steuerschnittstellen durch Deskriptoren entwerfen kann. Jede Stufe des Kapitels enthält Simulationsergebnisse, um zu zeigen, wie das Projekt sich entwickelt. Durch dieses Beispiel wurde jede Funktion des Simulators mit Details beschrieben, sodass Benutzer ihre eigenen Simulationen entwickeln können.

Dieses Kapitel beschreibt, wie der Simulator die Schaltpläne verarbeitet, die der Benutzer in Tabellen eingibt. Die Konnektivitätsinformationen werden in Form von Knoten, Zweigen und Schleifen aus den Schaltplänen extrahiert. Knoten, Zweige und Schleifen werden zur Schaltungsanalyse durch Schleifenanalyse und Knotenanalyse verwendet, die in den nächsten Kapiteln beschrieben werden. Das Kapitel zeigt anhand von Beispielkreisen die Algorithmen, die zur Bestimmung der Knoten, Zweige und Schleifen verwendet werden. Das Kapitel führt das Konzept der LoopMap ein, das zur Durchführung der Schleifenanalyse in Kap. 7 und das Konzept der KCLBranchMap, das zur Durchführung der Knotenanalyse in Kap. 8 verwendet wird.

Dieses Kapitel beschreibt, wie die Schleifenanalyse im Simulator durchgeführt wird. Weiterhin wird gezeigt, wie die Matrixgleichung für die Durchführung der Schleifenanalyse aus der im Kap. 6 beschriebenen LoopMap generiert wird. Eine kurze Erklärung wird darüber gegeben, wie die Matrizen in dieser Gleichung durch Zeilenoperationen transformiert werden, sodass sie mit numerischen Integrationstechniken gelöst werden können. Das Kapitel beschreibt, wie Schleifenströme und Zweigströme in der Schaltung abgebildet werden können, was die Berechnung von Zweigströmen aus Schleifenströmen und umgekehrt ermöglicht. Das Kapitel beschreibt anhand eines Beispiels, wie Zeitkonstanten von Zweigen der Schaltung die Simulation instabil machen können und führt das Konzept einer steifen Schleife ein. Durch Bereitstellung einer Beispielschaltung und ihrer entsprechenden LoopMap beschreibt das Kapitel die Notwendigkeit, steife Schleifen zu isolieren, um eine Schaltung simulieren zu können. Mit diesem Beispiel wird das Konzept der Schleifenmanipulationen beschrieben und mit fortgeschrittenen Beispielen wird die Wirksamkeit des Verfahrens vorgestellt. Das Kapitel erläutert die Begrenzung der Schleifenanalyse mit einem weiteren Satz von Beispielen und daher die Notwendigkeit für die Knotenanalyse.

Dieses Kapitel beschreibt, wie die Knotenanalyse verwendet werden kann, um die Ströme durch steife Zweige (die eine sehr niedrige Zeitkonstante haben) in der Schaltung zu bestimmen. Mit dem Beispiel eines einfachen Buck-Konverters zeigt das Kapitel, warum die Schleifenanalyse unzureichend ist, um die Leitung von Leistungsvorrichtungen während Schaltvorgängen zu bestimmen. Das Kapitel erläutert dann, wie die Knotenanalyse effektiv verwendet werden kann, um zu bestimmen, wie Leistungsvorrichtungen leiten und wie der Strom von einem Gerät zum anderen übertragen wird. Das Kapitel führt das Konzept von Ereignissen ein und wie die Matrixgleichungen für die Schaltung konstant bleiben, bis ein Ereignis eintritt. Schließlich beschreibt das Kapitel den logischen Ablauf der Prozesse im Simulator, während er die Schleifenanalyse und die Knotenanalyse nacheinander durchführt.

Dieses Kapitel wird das Buch abschließen, indem es die Vorteile des Simulators hervorhebt und die zukünftige Entwicklung, die in diesem Projekt beabsichtigt ist, beleuchtet.