7. Pakiet PSIM

7.1. Wstęp

Omawiany jest pakiet PSIM Version 5.0 (z Motor Drive Module 3.0 i Digital Control Module

2.0). Nazwa jest zastrzeżona przez firmę Powersim Technologies Inc. Wersja używana w labo-
ratorium jest wersją studencką o możliwościach ograniczonych pod względem liczby elementów
schematu. Pakiet PSIM jest przeznaczony do modelowania układów energoelektronicznych i ukła-
dów napędowych. Zawiera dwa programy:
SIMCAD edytor schematów i program symulacyjny (odwołuje się do biblioteki psim.dll będącej

właściwym symulatorem)

SIMVIEW przetwarzanie rezultatów obliczeń (postprocesor)
Wymagania dotyczące systemu operacyjnego i sprzętu: program PSIM pracuje w środowisku Win-
dows (95/98/NT/2000). Wymaga co najmniej 32 MB pamięci RAM.

Pliki używane w programie mają rozszerzenia

*.sch pliki schematów SIMCAD (pliki binarne),
*.cct opis obwodów („netlist” – pliki tekstowe),
*.txt pliki wynikowe symulacji (pliki tekstowe),
*.smv pliki przebiegów SIMVIEW (pliki binarne).
Model układu zapisuje się w postaci schematu zawierającego elementy układu energoelektroniczne-
go. Elementy schematu wybiera się z menu rozwijanego Elements programu SIMCAD. Elementy
identyfikowane są poprzez nazwę. Niektóre częściej stosowane elementy można wprowadzić na ry-
sowany schemat za pomocą przycisków paska narzędziowego który standardowo wyświetlany jest
wzdłuż dolnej krawędzi okna.

7.2. Elementy schematu

Menu rozwijane Elements podzielono na menu podrzędne

Power
Control
Other
Sources
Symbols

W menu Power znajdują się elementy obwodów takie jak oporniki, cewki indukcyjne, konden-

satory, elementy półprzewodnikowe, transformatory, mostki diodowe itd.

Menu Power składa się z menu podrzędnych RLC Branches, Switches, Transformers,

Motor Drive

. Przyjęto, że elementy półprzewodnikowe, a dokładniej łączniki są idealne, tzn.

cechuje je stan przewodzenia i stan zaporowy, przy czym w stanie przewodzenia mają rezystancje
stałą 10 µΩ a w stanie zaporowym 1 MΩ. Parametrom poszczególnych elementów układu można
nadać odpowiednie wartości a także wprowadzić warunki początkowe, np. prądu w cewce albo
napięcia na kondensatorze. Kierunek prądu wpływającego do elementu od strony kropki przyjęto za
dodatni. Oprócz czy wręcz zamiast elementów pomiarowych (woltomierze, amperomierze) można
przy ustalaniu parametrów większości elementów ustawić znacznik prądu - „Current Flag” równy 1,
co decyduje o tym że prąd płynący przez element będzie rejestrowany (a w konsekwencji dostępny
na wykresie). Zestaw RLC Branches zawiera oporniki, cewki, kondensatory i cewki sprzężone
(dwie MUT2, trzy MUT3 i cztery MUT4). Są gotowe połączenia RC, RL RLC a także zestawy
trójfazowe.

1

Zestaw Switches zawiera łączniki i bloki sterujące. Przyjęto oznaczenia

DIODE – dioda,
THY – tyrystor,
GTO, IGBT, MOSFET – łączniki o tych oznaczeniach,
SSWI – łącznik dwukierunkowy,
ZENER – dioda Zenera,
GATING, GATING_1 – bloki do definiowania sygnałów bramkujących w postaci fali prostokątnej

(ten drugi pobiera dane z pliku dyskowego),

BDIODE1 – mostek diodowy jednofazowy (4D),
BTHY1 – mostek tyrystorowy jednofazowy (4T),
BDIODE3 – mostek 6D,
BTHY3 – mostek 6T,
BTHY3H – układ 3T,
BTHY6H – układ tyrystorowy 6-fazowy,
VSI3 – mostek MOSFET falownika 3-fazowego,
CSI3 – mostek tyrystorowego falownika 3-fazowego.
Zestaw Transformers zawiera transformatory różnych typów. Przyjęto oznaczenia:
TF_IDEAL – transformator idealny,
TF_1F – transformator jednofazowy z jednym uzwojeniem pierwotnym i jednym wtórnym,
TF_1F_3W – transformator z jednym uzwojeniem pierwotnym i dwoma wtórnymi,
TF_1F_4W – transformator z dwoma uzwojeniami pierwotnymi i dwoma wtórnymi,
TF_1F_5W – jedno uzwojenie pierwotne i 4 wtórne,
TF_1F_7W – jedno pierwotne i 6 wtórnych,
TF_3F – transformator trójfazowy z nie połączonymi uzwojeniami,
TF_3YY – transformator trójfazowy z uzwojeniami pierwotnymi i wtórnymi połączonymi w gwiaz-

dę,

TF_3YD – transformator trójfazowy w połączeniu gwiazda/trójkąt,
TF_3F_3W – transformator trójfazowy trójuzwojeniowy z uzwojeniami niepołączonymi,
TF_3YYD, TF_3YDD – transformatory trójuzwojeniowe z odpowiednim układem połączeń.
Zestaw Motor Drive zawiera:
DCM – maszyna prądu stałego,
INDM_3S, INDM_3SN – maszyna indukcyjna 3 fazowa z wirnikiem klatkowym bez wyprowa-

dzonego punktu neutralnego i z wyprowadzonym punktem neutralnym,

SRM3 – silnik reluktancyjny,
BDCM3 – silnik bezszczotkowy prądu stałego (z trapezoidalną SEM),
PMSM3 – silnik bezszczotkowy prądu przemiennego (z sinusoidalną SEM),
SRM – silnik reluktancyjny (6 zębów stojana/4 zęby wirnika),
MLOAD_T – obciążenie stałym momentem,
MLOAD_P – obciążenie stałą mocą,
MLOAD_T – obciążenie stałym momentem,
MLOAD_WM – obciążenie wymuszające stałą prędkość,
MLOAD – moment zewnętrzny w postaci wielomianu (maksymalnie 3 stopnia)

T

L

= sign ω

m



T

c

+ k

1

|ω

m

| + k

2

ω

2

m

+ k

3

|ω

m

|

3



Przy każdym obciązeniu można nastawić moment bezwładnosci zewnętrznego obciążenia.

W menu Control znajdują się elementy obwodów sterujących takie jak filtry, regulatory,

2

Rysunek 1. Obwód RLC zasilany ze źródła napięcia o fali prostokątnej

człony całkujące, sumatory, elementy logiczne, bloki funkcji (np. mnożenie, dzielenie, FFT, RMS),
tablice danych (Look-up-Tables) i inne.

W menu Others znajdują się elementy związane ze sterowaniem łączników, Switch Controllers.

Są to

ONCTRL – element pośredniczący między obwodem sterującym a bramką łącznika,
ACTRL – Alpha Controller, który wprowadza opóźnienie sygnału włączającego o zadany kąt α

w stosunku do sygnału synchronizacji,

PATTCTRL – sterownik falownika trójfazowego PWM umożliwiający zadanie sekwencji załączeń

kluczy przy pomocy opisu w pliku dyskowym.

Ponadto w menu Others znajdują się między innymi

.FILE – blok pozwalający parametryzować model, tzn. podać część parametrów w zewnętrznym

pliku tekstowym (UWAGA! – imlość parametrów definiowanych w pliku jest w wersji studenc-
kiej ograniczona do 5),

GROUND, GROUND_1 – różniące się tylko formą graficzną bloki uziemienia.

Menu Sensors zawiera czujniki:

VSEN – napięcia,
ISEN – prądu,
WSEN – prędkości,
TSEN – czujnik momentu.

Menu Probes obejmuje mierniki np.

VP – woltomierz, mierzy napięcie od wskazanego punktu do masy układu,
VP2 – mierzy napięcie między dwoma wybranymi punktami.

Przykład 1. Zbadać przebiegi prądu i napięcia w obwodzie RLC zasilanym ze źródła napięcia.
Przebieg napięcia ma postać fali prostokątnej o amplitudzie 1 V i okresie 1 ms. Rezystancja R=1 Ω,
L=5 mH, C=10 µF. Na rysunku 1 przedstawiono schemat układu narysowanego w edytorze SIM-
CAD

Rozwiązanie zadania należy rozpocząć od uruchomienia programu simcad.exe. W menu Files

3

Rysunek 2. Obwód zasilany z prostownika dwupołówkowego

wybiera się opcję New – nowy schemat. Korzystając z przycisków z symbolami elementów rysunku
u dołu okna należy wprowadzić elementy R, L , C i źródło napięcia do okna rysunkowego. Na
rysunku musi się znaleźć symbol uziemienia. Dwukrotne kliknięcie myszą nadanym elemencie
otwiera okno dialogowe z nazwą elementu i parametrami. W jednym z elementów należy zaznaczyć
Current Flag = 1, aby był rejestrowany prąd w gałęzi RLC. W górnej części kondensatora umieścić
woltomierz VP, który mierzy napięcie tego punktu w stosunku do masy układu.

Po zakończeniu rysowania schematu wprowadzić za pomocą Simulate/Simulation Control

symbol parametrów symulacji w postaci zegara. Po podwójnym kliknięciu w polu tego symbolu
otwiera się okno dialogowe parametrów symulacji. Zaakceptować dane proponowane przez program.

Należy teraz rozpocząć symulację poprzez Simulate/Run PSIM. Po zakończeniu symulacji

należy otworzyć program postprocesora Simulate/Run SIMVIEW. W oknie dialogowym SIVIEW
należy wybrać przebiegi prądu i napięcia do wizualizacji.

Przykład 2. Zamodelować obwód złożony z szeregowego połączenia rezystancji R

1

, indukcyjno-

ści L i połączenia równoległego rezystancji R

2

i konensatora C, zasilany z sieci z prostownika

dwupołówkowego (mostek Graetz’a). Przyjąć R

1

= R

2

= 22 Ω, L = 50 mH, C = 10 µF.

Przykład 3. Zamodelować napęd prądu stałego zasilany przekształtnikiem 6T z sieci 220/380V.
Zaobserwować przebiegi prądu i prędkości przy rozruchu.
Przyjąć parametry silnika
P

N

= 22 kW – moc znamionowa,

U

tN

= 440 V – napięcie znamionowe,

I

tN

= 56.2 A – prąd znamionowy,

n

N

= 1500 obr./min. –znamionowa prędkość obrotowa,

J = 2.7 kg m

2

– moment bezwładności wirnika silnika i maszyny napędzanej,

R

t

= 0.465 Ω – rezystancja twornika,

L

t

= 0.0153 H – indukcyjność twornika,

L

d

= 0.025 H – dodatkowa indukcyjność w obwodzie twornika,

4

Rysunek 3. Silnik prądu stałego zasilany z prostownika 6T

M

N

= 140 N m – znamionowy moment,

M

z

= 0.5M

N

+ 0.5ω – charakterystyka momentu zewnętrznego (ω w rad/s).

Przykład 4. Przebudować model z poprzedniego przykładu dodając układ sterujący z podporząd-
kowanymi obwodami regulacji. Przyjąć
k

i

= 0.1 V/A – wzmocnienie czujnika prądu,

k

V

= 0.05 V s – wzmocnienie czyjnika prędkości (Uwaga na jednostki! Powersim wyraża prędkości

obrotowe w obrotach na minutę).

k

pi

= 0.1 – wzmocnienie regulatora prądu,

T

i

= 0.08667 – czas zdwojenia regulatora prądu,

k

pw

= 56.6 – wzmocnienie regulatora prędkości,

T

w

= 0.15 – czas zdwojenia regulatora prędkości,

5

Rysunek 4. Układ napędowy z silnikiem prądu stałego

6