Współczesna energoelektronika wymaga coraz bardziej zaawansowanych narzędzi inżynierskich, pozwalających projektować, analizować i testować systemy jeszcze przed stworzeniem fizycznych prototypów. Wśród umożliwiających to rozwiązań do najbardziej cenionych programów należy Altair PSIM – zaawansowane środowisko do szybkiej i dokładnej symulacji systemów energoelektronicznych oraz układów sterowania.

Rola symulacji w energoelektronice

Współczesna energoelektronika stoi przed coraz większymi wyzwaniami: miniaturyzacja układów, zwiększanie sprawności energetycznej, redukcja emisji zakłóceń elektromagnetycznych (EMI), rosnące wymagania czasowe i kosztowe. W tak dynamicznym środowisku tradycyjny cykl projektowy, polegający na ręcznych obliczeniach, tworzeniu fizycznych prototypów oraz testach laboratoryjnych okazuje się niewystarczający. Potrzeba czegoś więcej: precyzji, elastyczności i szybkości działania jeszcze na etapie koncepcji.

Po co przeprowadzać symulacje?

Symulacja numeryczna obwodów energoelektronicznych pozwala inżynierom zredukować liczbę iteracji prototypowych, szybciej identyfikować błędy projektowe oraz przewidywać zachowanie systemu w warunkach trudnych do odtworzenia w laboratorium (np. zmienne obciążenie, warunki graniczne). Dzięki niej możliwa jest również analiza czasowa, częstotliwościowa, a także optymalizacja sterowania i odpowiedzi dynamicznej.

Od idei do rzeczywistości – bez lutowania

Użycie środowisk symulacyjnych skraca czas wdrożenia projektu. Inżynier może przeprowadzić pełną analizę funkcjonalną systemu jeszcze przed zbudowaniem pierwszego fizycznego prototypu. Przekłada się to na zmniejszenie liczby błędów podczas testów, lepsze dopasowanie parametrów i bardziej świadome decyzje projektowe.

Czym jest PSIM i dlaczego warto go używać

Dedykowane narzędzie dla inżynierów energoelektroniki

Altair PSIM to specjalistyczne środowisko symulacyjne stworzone z myślą o projektowaniu i analizie systemów energoelektronicznych oraz cyfrowych układów sterowania. Rozwiązanie wyróżnia się wysoką szybkością i niezawodnością działania, nawet w przypadku złożonych układów. Dzięki temu użytkownicy mogą skupić się na analizie i rozwoju projektu, a nie na rozwiązywaniu problemów numerycznych.

Od ponad 25 lat Altair PSIM pozostaje jednym z wiodących programów w tej dziedzinie, znajdując zastosowanie zarówno w środowiskach akademickich, jak i w przemyśle (automotive, lotnictwo, energetyka, automatyka przemysłowa). Jego szerokie możliwości symulacyjne pozwalają na przeprowadzanie zarówno analiz statycznych, jak i dynamicznych, w tym analiz czasowych, stabilności oraz wrażliwości układów na zmiany parametrów.

Program Altair PSIM od podstaw projektowano z myślą o przekształtnikach mocy, falownikach, systemach sterowania napędami elektrycznymi, a także systemach HEV. To nie tylko symulator, ale kompletne środowisko inżynierskie, które pozwala płynnie przejść od koncepcji do gotowego rozwiązania.

Co wyróżnia PSIM?

PSIM oferuje szereg funkcjonalności, które odpowiadają na potrzeby zarówno edukacji, jak i przemysłu. Wśród nich warto wymienić:

  • rozszerzenia – moduły rozszerzające funkcjonalność, m.in. Digital Control, Motor Drive, SimCoder, SPICE oraz MagCoupler.
  • ekstremalna szybkość symulacji – uproszczone modele matematyczne, zoptymalizowane pod kątem przełączających układów energoelektronicznych.
  • stabilność i niezawodność – silnik programu został zoptymalizowany z myślą o układach energoelektronicznych i napędowych, zapewniając szybkie i stabilne obliczenia nawet w złożonych topologiach.
  • intuicyjny interfejs graficzny – budowanie schematów polega na przeciąganiu i łączeniu komponentów w środowisku typu „drag-and-drop”.
  • bogata biblioteka gotowych bloków – szeroki wybór komponentów – od podstawowych elementów RLC, przez układy przełączające (MOSFET, IGBT), aż po zaawansowane bloki matematyczne i sterujące (PID, logika cyfrowa, PWM, PLL itd.).

Moduły i rozszerzenia

Jednym z kluczowych atutów PSIM jest jego otwartość na współpracę z innymi popularnymi narzędziami inżynierskimi, co umożliwia płynny i kompleksowy proces projektowania, analizy oraz wdrażania systemów energoelektronicznych i napędowych.

Automatyczne wykrywanie błędów

PSIM automatyzuje rozwiązywanie problemów i eliminuje bariery numeryczne:

  • weryfikuje połączenia logiczne i elektryczne: sprawdza, czy wszystkie komponenty są poprawnie połączone i mają punkt odniesienia,
  • weryfikacja parametrów: ostrzega, gdy parametry elementów są poza dopuszczalnym zakresem lub mogą powodować niestabilności,
  • ostrzega o komponentach nieaktywnych: jeśli jakiś element nie jest do niczego podłączony – pojawi się komunikat,
  • optymalizuje krok czasowy symulacji: analizuje częstotliwości źródeł, a następnie samodzielnie ustala maksymalnie możliwy krok czasowy (krok czasowy jest automatycznie ograniczany do 1/10 najmniejszego okresu sygnału).

Interfejs i środowisko pracy

Altair PSIM oferuje środowisko projektowe stworzone z myślą o przejrzystości, szybkości i elastyczności pracy. Kluczową zaletą PSIM jest jego intuicyjny interfejs graficzny, który pozwala inżynierowi w łatwy sposób tworzyć i analizować nawet bardzo złożone systemy energoelektroniczne oraz cyfrowe układy sterowania. Praca z PSIM przebiega zazwyczaj według kilku powtarzalnych kroków, które można dostosować w zależności od poziomu zaawansowania projektu.

Workflow

Centralnym elementem jest edytor graficzny, który umożliwia budowanie obwodów w sposób wizualny – poprzez przeciąganie komponentów z rozległej biblioteki komponentów lub za pomocą własnych zdefiniowanych skrótów klawiszowych i ich intuicyjne łączenie na schemacie. Interfejs został zaprojektowany tak, aby użytkownik mógł w krótkim czasie stworzyć zarówno proste, jak i złożone układy zawierające elementy mocy, sterowania, sensory oraz bloki logiczne.

Wyniki prezentowane są w zintegrowanym narzędziu Simview, które umożliwia wygodne przeglądanie przebiegów czasowych, wykonywanie operacji matematycznych na sygnałach oraz dokładną analizę pracy układu. Dzięki szybkiej symulacji i przejrzystemu układowi interfejsu, PSIM pozwala skupić się na istocie projektu – analizie i optymalizacji systemów energoelektronicznych.

Struktura obwodu w PSIM

W PSIM obwód elektryczny jest logicznie podzielony na cztery główne bloki funkcjonalne:

  • układ mocy (power circuit) – obejmuje elementy, przez które przepływa prąd: przełączniki tranzystorowe, RLC, transformatory oraz sprzężone indukcyjności. To tutaj zachodzą główne procesy przekształcania energii;
  • układ sterowania (control circuit) – reprezentowany jest w formie schematu blokowego. Wykorzystuje komponenty s-domenowe (ciągłe) lub z-domenowe (dyskretne), a także elementy logiki cyfrowej (bramki, przerzutniki) i bloki nieliniowe (mnożniki, dzielniki);
  • czujniki (sensors) – pełnią funkcję pośrednią – pobierają informacje z obwodu mocy (np. napięcia, prądy) i przekazują je do układu sterowania jako sygnały kontrolne. Dzięki temu możliwe jest tworzenie pętli sprzężenia zwrotnego.
  • bloki sterujące przełącznikami (switch controllers) – tu muszę poprosić Patrycję jeszcze o rozwinięcie, bo brakowało w oryginale.

Taki podział ułatwia projektowanie, debugowanie oraz analizę złożonych systemów energoelektronicznych.

Kompromis między szybkością a dokładnością symulacji

W symulacjach układów energoelektronicznych kluczowe jest znalezienie równowagi między czasem trwania symulacji a szczegółowością odwzorowania zjawisk fizycznych.

Symulacja układów zawierających przełączniki (MOSFET, IGBT) jest typowo bardzo wymagająca obliczeniowo. PSIM oferuje silnik zoptymalizowany specjalnie pod kątem topologii energoelektronicznych, co daje nawet kilkudziesięciokrotnie krótsze czasy obliczeń. W PSIM ten kompromis można realizować dzięki różnym poziomom abstrakcji modeli, pozwalającym dostosować stopień szczegółowości do aktualnych potrzeb projektu.

Obsługa modeli hybrydowych: poziomy abstrakcji

Modele o wysokim poziomie abstrakcji, takie jak idealne przełączniki, charakteryzują się bardzo dużym tempem symulacji. Świetnie nadają się one do wstępnych analiz, projektowania sterowania czy optymalizacji układów na poziomie systemowym, gdzie nie jest wymagana dokładna reprezentacja przebiegów przełączania. Z kolei modele o wysokiej dokładności, takie jak modele termiczne czy modele oparte na SPICE, odwzorowują rzeczywiste zjawiska fizyczne z dużą precyzją. Pozwalają one na szczegółową analizę strat mocy czy zachowania termicznego poszczególnych elementów. Jednak ich symulacje są znacznie bardziej czasochłonne i wymagają większych zasobów obliczeniowych.

W omawianym narzędziu dostępne są cztery główne kategorie modeli przełączników. Pierwsze trzy działają w silniku symulacyjnym PSIM, który zapewnia szybkość i niezawodność. Dodatkowo wspiera również silniki LTspice i HyperSpice, pozostawiając wybór, czy schemat ma być symulowany w PSIM, czy za pomocą jednego z tych silników.

W PSIM dostępne są modele:

  • idealny przełącznik – to najszybszy model, wykorzystywany głównie do projektowania sterowania (analogowego i cyfrowego), wstępnego doboru elementów i symulacji na poziomie systemu, gdy nie interesują nas dokładne kształty przebiegów przełączania;
  • przełącznik termiczny – jedna z kluczowych funkcji, pozwalająca szybko obliczyć straty mocy w konwerterze, rozdzielając je na straty przełączania i przewodzenia, zarówno dla ścieżki aktywnej, jak i diody wstecznej. Ten model jest wykorzystywany do analizy wymagań chłodzenia, efektywności energetycznej i wszystkich zagadnień związanych ze stratami;
  • modele poziomu 2 i 3 dla IGBT i MOSFET – modele o najwyższej szczegółowości dostępne w PSIM. Umożliwiają one wierne odwzorowanie przebiegów przełączania, co jest kluczowe dla prawidłowej analizy zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) przy zachowaniu szybkości symulacji dzięki wykorzystaniu silnika PSIM;
  • model SPICE – oddzielna kategoria, która nie jest realizowana przez silnik PSIM, lecz wymaga uruchomienia symulacji na bazie SPICE (np. w LTspice lub HyperSpice). Modele te pochodzą bezpośrednio od producentów półprzewodników i oferują najwyższy poziom realizmu, ale kosztem znacznie dłuższego czasu symulacji.

Dzięki tak różnym poziomom i typom modeli program pozwala użytkownikowi znaleźć balans między szybkością a dokładnością symulacji, dostosowując narzędzie do konkretnego celu – czy to szybkie prototypowanie, szczegółowa analiza strat, czy badania zakłóceń EMI.

Runtime graph i zmienne w czasie rzeczywistym

Jedną z funkcji najbardziej wyróżniających PSIM na tle innych narzędzi symulacyjnych jest możliwość podglądu wykresów oraz edycji parametrów układu w czasie rzeczywistym – bez potrzeby restartowania symulacji. Funkcja Runtime Graphs pozwala na śledzenie wybranych przebiegów czasowych jeszcze w trakcie trwania symulacji.

Co istotne, funkcja Runtime Graph nie działa w trybie Free-Run, ponieważ w tym trybie czas trwania symulacji nie jest z góry określony. W trybie Free-Run istnieje za to opcja dynamicznej zmiany parametrów elementów w trakcie trwania symulacji. Oznacza to, że można np. zmieniać wartość indukcyjności lub napięcia sterującego, obserwując na bieżąco reakcję układu— przy użyciu okien pomiarowych (scopes).

Symulacja na miarę dzisiejszych i przyszłych wyzwań

Altair PSIM to narzędzie zaprojektowane z myślą o wyzwaniach nowoczesnej energoelektroniki. Dzięki przemyślanej architekturze, zoptymalizowanemu silnikowi symulacyjnemu i rozbudowanemu zestawowi modeli oraz rozszerzeń, PSIM pozwala na dokładne odwzorowanie zarówno dynamicznych procesów w układach mocy, jak i złożonych algorytmów sterowania. Łącząc wysoką szybkość działania z elastycznością modelowania i przejrzystym interfejsem, PSIM pozwala inżynierom skutecznie przejść od koncepcji do gotowego rozwiązania.

PSIM to narzędzie przyszłości, które jest dostępne już dziś – gotowe do integracji w nowoczesnym procesie projektowym. Umożliwia nie tylko redukcję liczby prototypów fizycznych, ale także znaczące skrócenie czasu projektowania i testowania. To realne wsparcie w tworzeniu bardziej efektywnych, bezpiecznych i zoptymalizowanych systemów energoelektronicznych – zarówno w przemyśle, jak i w pracy akademickiej.

W świecie, gdzie czas, niezawodność i jakość mają kluczowe znaczenie, PSIM stanowi praktyczne narzędzie, które pozwala inżynierom przenieść ich pomysły z poziomu koncepcji na poziom w pełni funkcjonalnego projektu – szybciej, precyzyjniej i bardziej świadomie.