Simulace pro výkonovou elektroniku

Simulační programy pro výkonovou elektroniku

Protože je výkonová elektronika jedním z témat tohoto vydání, nedalo mi to, abych se nepodíval na nějaký dostupný simulační program určený pro tento účel. Je mi jasné, že běžné simulační programy pro slaboproudou elektroniku asi nebudou příliš použitelné, když se ve výkonových obvodech používají kromě polovodičových součástek i různé specializované obvody určené například pro řízení motorových pohonů atd.

Na internetu jsem nejdříve našel porovnání několika simulačních programů [1] použitých ve výkonové elektronice – Matlab/Simulink, Matlab/Power System Blockset, PSpice Microsim a Simplorer. Porovnání bylo provedeno na stejném obvodu s danými parametry, přičemž výsledkem bylo následující zjištění:

• Nejjednodušší byla simulace v programu Simplorer [2], nejobtížnější pak v Matlab Simulink, i když ten byl zase nejrychlejším simulátorem.
• PSpice měl omezené možnosti simulací pro výkonovou elektroniku.

Z popisu programu ANSYS Simplorer [2] vyplývá, že se jedná o multidoménový simulační nástroj určený pro návrh, analýzu a optimalizaci rozsáhlých komplexních systémů v oblastech průmyslové automatizace, při návrhu elektronických systémů atd. Další dva programy, které je možné si vyzkoušet, byť omezeným způsobem, jsou PSIM od americké firmy Powersim [3] a GeckoCIRCUITS od švýcarské společnosti Gecko-Simulations AG [4].

Program PSIM

Z popisu programu PSIM vyplývá, že se jedná o simulační software navržený specificky pro výkonovou elektroniku, motorové pohony a měniče energie. Kromě základní verze programu jsou k dispozici přídavné moduly pro určité aplikace a také napojení na jiné programy, jako jsou např. Matlab/Simulink, Model- Sim, Saber (Synopsys), Easy5 a Adams (MSC Software), Inventor (Autodesk), AMESim (LMS), GT-Power (Gamma Technologies) atd. Přídavné moduly zahrnují například:

• Motor Drive Module: modely elektrických strojů a mechanických zatížení pro motorové pohony,
• Digital Control Module: diskrétní knihovní prvky potřebné pro analýzy digitálních řídicích systémů,
• SimCoupler Module: rozhraní mezi PSIM a Matlab/Simulink2 pro spolupráci při simulaci,
• Thermal Module: knihovní elementy a funkce pro výpočet výkonových ztrát polovodičových prvků a indukčností,
• Renewable Energy Module: knihovní elementy pro aplikace s obnovitelnou energií, jako jsou solární panely, větrné turbíny, baterie a kondenzátory s ultravysokou kapacitou,
• Motor Control Design Suite: šablony pro indukční motory a lineární/ nelineární PMSM pohony,
• HEV Design Suite: šablony pro návrh poháněcího systému hybridních elektrických vozidel
• a další.

PSIM simulační prostředí sestává ze schematického editoru PSIM, simulátoru a programu Simview pro zpracování simulovaných výsledků.

Kromě běžných symbolů elektronických a elektrotechnických součástek obsahuje knihovna velký počet specializovaných symbolů, jako jsou různé transformátory, napájecí zdroje, motory, spřažené indukčnosti, filtry (např. dolní propust druhého řádu), řídicí moduly motorů, bloky matematických funkcí, senzory, spínací bloky, IO pro pulzně šířkovou modulaci atd. K motorům lze přidat symbol reprezentující mechanickou zátěž, stejně jako převodovku, mechanickou spojku, soukolí ozubených kol atd. Protože s výkonovou elektronikou se setkáváme i u obnovitelných zdrojů elektrické energie, jsou tu i symboly pro solární panely, větrné turbíny, baterie a kondenzátory s velmi vysokou kapacitou.

Kreslení schématu je docela jednoduché až triviální – symboly sice mají vyznačené vývody (připojovací body), na které lze připojit spoj, ale při přesunu symbolu se spoj utrhne a zůstane na místě. Rovněž tak manipulace s obrazem je poněkud jiná, než jsou uživatelé zvyklí v CAE programech. Vysvětlení tohoto stavu může být v tom, že hlavní náplní tohoto programu je velmi náročná simulace, zatímco kreslení schématu je více méně okrajovou záležitostí.

Funkční demoverzi programu PSIM je možné získat po předchozí registraci na webových stránkách výrobce [3]. Obsahuje poměrně dost příkladů z různých oborů výkonové elektroniky, ale má určitá omezení, např. není možné simulovat obvody s hierarchickými bloky (tzv. sub-circuits).

Program GeckoCIRCUITS

GeckoCIRCUITS je simulační program pro modelování výkonových elektronických systémů. Kromě obvodové simulace je možné ho při modelování řídicích obvodů použít i pro termální simulaci prostřednictvím přídavných programových souborů. Podle výrobce má tento program největší výhodu v extrémně rychlé simulaci a svém otevřeném prostředí. Software může být integrován do MATLAB/Simulink nebo jiných programovacích prostředí.

Demoverze programu je dostupná po předchozí registraci na webových stránkách [4]. Bohužel v ní nejdou provádět simulace bez dodané licence, ale s programem se lze celkem dobře seznámit a vyzkoušet si kreslení diagramu. Zajímavostí je, že program se na počítač neinstaluje, ale vyžaduje nainstalované prostředí JRE (Java Runtime Enviroment). Stačí dvojitý klik na stažený soubor GeckoCIRCUITS.jar a program běží. K dispozici je také stručný návod na vyzkoušení programu (GeckoCIRCUITS_ beginners_tutorial.pdf).