Esistono tantissimi simulatori elettronici sul mercato, ma PSIM è un simulatore davvero speciale. La velocità dei calcoli e la loro alta affidabilità lo rendono un prodotto davvero unico. In genere, rispetto ad altri programmi del settore, una simulazione PSIM risulterà notevolmente più veloce senza alcun problema di convergenza o di risoluzione. Offre una velocità di simulazione imbattibile e produce risultati di alta qualità a livello di sistema.

Introduzione

Sviluppato da Powersim, PSIM è un software di simulazione di circuiti elettronici, progettato specificamente per l’uso dell’elettronica di potenza e per le simulazioni di azionamenti motore ma, ovviamente, può essere utilizzato per simulare qualsiasi tipologia di circuito elettronico. Il simulatore dispone di diversi moduli esterni che estendono le sue funzionalità in aree specifiche di simulazione e progettazione di circuiti come, ad esempio, il controllo di dispositivi, i motori elettrici, il fotovoltaico e le turbine eoliche. E’ ampiamente utilizzato dall’industria per la ricerca e lo sviluppo di prodotti ed è adottato nelle scuole per la ricerca e l’insegnamento. PSIM è un eccellente software particolarmente indicato per le simulazioni che, normalmente, richiedono un tempo maggiore di elaborazione. Risulta perfetto nelle simulazione di dispositivi per i quali occorre focalizzare l’attenzione anche sui segnali parassiti. Le ultime versioni del software danno la possibilità di utilizzare il motore LTspice. La libreria di modelli SPICE è molto vasta e prevede anche dispositivi industriali. Con l’utilizzo dei modelli SPICE è possibile analizzare, in modo professionale, le seguenti particolarità:

• le caratteristiche del drive di gate;
• le evoluzioni delle tensioni di transizione;
• le perdite di commutazione e di conduzione;
• le interazioni parassitarie.

L’utilità della compresenza dei motori PSIM e LTspice è davvero unica. In un unico ambiente integrato, gli utenti possono passare, in modo estremamente comodo e semplice, dalla simulazione PSIM alla simulazione SPICE. I vantaggi che ne derivano sono davvero tanti, e la combinazione di PSIM e SPICE fornisce l’ambiente ideale per tutte le tue esigenze di progettazione. Con tale potenzialità è possibile esaminare il circuito, dal punto di vista concettuale, in PSIM per poi svilupparlo e studiarlo più a fondo con SPICE. Il modulo SPICE è un’opzione aggiuntiva di PSIM. Come detto in precedenza esso permette il collegamento e l’interazione con LTspice in modo molto semplice. E’ sufficiente, infatti, creare uno schema di circuito nell’ambiente PSIM ed eseguire la simulazione LTspice premendo un solo pulsante. In questa maniera possono essere simulati componenti di altri produttori. Come si può osservare in figura 1, l’ambiente di simulazione PSIM è costituito:

• dal programma schematico PSIM;
• da due motori di simulazione (PSIM e SPICE);
• dal programma di elaborazione della forma d’onda SIMVIEW. Esso è il modulo di visualizzazione e di post-elaborazione delle forma d’onda.

Figura 1: i componenti base di PSIM

Un esempio: come usare il modulo Solare

Per osservare la potenza di PSIM proviamo a effettuare una esperienza sul modulo Solare. Il modello fisico di questo modulo tiene conto delle variazioni dell’intensità della luce e della temperatura di ambiente. Tuttavia, richiede molti parametri di input. Alcuni parametri possono essere ottenuto dalla documentazione tecnica del produttore, ma altri parametri devono essere ottenuti per tentativi. La prima operazione da effettuare, dunque, è quella di inserire le informazioni delle schede tecniche dei produttori, come mostrato in figura 2.

Figura 2: i dati del dispositivo solare devono essere riportati nel programma

Si procede, quindi, alla stima dei valori dei parametri Eg, A, Rsh e Ks. Essi, normalmente non sono riportati sulla scheda tecnica. Rispettivamente essi indicano:

• Eg: energia di banda;
• A: fattore di idealità;
• Rsh: resistenza di shunt;
• Ks: coefficiente.

Una buona stima iniziale dell’energia della banda Eg potrebbe essere di 1.12 eV per il silicio cristallino e di circa 2 eV per silicio amorfo. Un buon valore iniziale del fattore di idealità è di circa 2 per il silicio cristallino ed è inferiore a 2 per silicio amorfo. Il valore consigliato della resistenza di shunt è pari a diverse migliaia di Ohm. Infine, se sconosciuto, il valore iniziale del coefficiente Ks può essere impostato a 0. Nell’esempio possiamo impostare i seguenti parametri:

• Eg = 1.12
• A = 1.2
• Rsh = 1000
• Ks = 0.

In base a tali informazioni il programma calcola altri parametri cliccando sul pulsante “Calcola parametri”. Si otterranno i seguenti valori:

• Rs = 0.0108
• Isc0 = 3.8
• Is0 = 2.16E-8
• Ct = 0.00247

Si noti che i calcolo sono approssimativi e forniscono solo i valori di base. Gli utenti possono regolarli in base alle proprie esigenze, al fine di adattarli alla curva I-V. Si può procedere, quindi, alla regolazione fine dei parametri, fornendo l’intensità della luce S e della temperatura ambiente Ta, in modo da ottenere le curve I-V e P-V. In questa sede sarà anche calcolato il punto di massima potenza. Se definiamo S=1000 W/m^2 eTa=25° C, il punto di massima potenza è pari a:

• Pmax = 59,27 W
• Vmax = 16,73 V
• Imax = 3,54 A.

Sia la potenza massima che la tensione sono inferiori ai valori della scheda tecnica di 60 W e 17.1 V. È necessario regolare i parametri Eg, A, Rsh, Ks, Rs, Is0 e Ct per ottenere un adattamento migliore.

In questo esempio, se cambiamo la resistenza in serie Rs a 0,008 Ohm, i dati calcolati saranno pari a:

• Pmax = 60,54 W
• Vmax = 17,04 V
• Imax = 3,55 A

che sono più vicino ai valori della scheda tecnica. Le curve finali sono raffigurate in figura 3.

Figura 3: il calcolo del modulo solare

Spesso i diversi moduli solari, identici tra loro, sono collegati in serie per formare un array solare. Si può usare un blocco del modulo solare per modellare l’array solare. La figura 4 mostra 2 moduli solari Solarex MSX-60 collegati in serie e il relativo blocco combinato. I parametri del modello del blocco combinato sono gli stessi di un singolo modulo solare, tranne per il fatto che il numero di celle Ns è 2. Quando più moduli sono collegati in serie, è necessario un diodo di bypass su ciascuno

modulo se l’intensità della luce e gli ingressi della temperatura ambiente sono diversi. Inoltre è necessario un piccolo condensatore di 30 nF su ogni modulo per migliorare convergenza numerica.

Figura 4: due moduli solari collegati in serie

Facilità d’uso

Gli ingegneri scelgono PSIM per la sua grande facilità d’uso, specialmente per quanto riguarda l’interfaccia utente, molto intuitiva. Il programma consente una curva di apprendimento molto veloce, anche senza una precedente esperienza. Con una grafica molto amichevole , pulita e ordinata le operazioni di simulazione sono svolte nel migliore dei modi. La presenza di un compilatore C integrato consente di inserire e di testare il proprio codice C personalizzato. La libreria completa di componenti e di blocchi di controllo di PSIM consente di simulare facilmente anche sistemi molto complessi. Una grande collezione di risorse online consente di ottenere aiuto e consigli, secondo le proprie necessità. Oltre il pacchetto base, PSIM comprende i seguenti moduli aggiuntivi:

• Digital Control Module;
• HEV Design Suite;
• MagCoupler Module;
• MagCoupler-RT Module;
• ModCoupler5 Module;
• Motor Control Design Suite;
• Motor Drive Module;
• SimCoupler Module;
• Renewable Energy Module;
• SPICE Module;
• SimCoder3 Module;
• F2833x Target;
• F2803x Target;
• F2802x Target;
• F2806x Target;
• F2837x Target;
• PE-Expert4 Target;
• PIL Module;
• Thermal Module.

Con questa varietà di soluzioni, PSIM fornisce una piattaforma completa, dalla progettazione alla simulazione e, infine, all’implementazione dell’hardware.

Un editor di schemi elettrici molto potente

La prima cosa che balza subito agli occhi è l’estrema potenza dell’editor di schemi elettrici (vedi figura 5). Pur risultando molto intuitivo, l’ambiente di progettazione mette a disposizione dell’utente tanti strumenti utili al disegno dei diagrammi. L’ampia libreria di componenti elettronici risulta, solitamente, sufficiente per la maggior parte dei progetti. Per iniziare una simulazione occorre piazzare l’elemento “Controllo simulazione”, che definisce i parametri e le impostazioni relative alle operazioni. Questo elemento si deve selezionare dal menu “Simulazione”.

Figura 5: con PSIM si passa dal progetto all’implementazione finale in poco tempo

Progettare un alimentatore è estremamente facile

PSIM consente agli utenti di passare facilmente tra dispositivi ideali a modelli di commutazione dettagliati, dispositivi termici reali e modelli SPICE. Ciò consente di scegliere il modello adatto e appropriato per le proprie esigenze di simulazione (vedi figura 6). A livello di simulazione è uno dei più veloci sul mercato, anche per i progetti estremamente complessi. Ciò si traduce in un tempo minimo tra i la progettazione e i test dei dispositivi e la loro implementazione pratica. La simulazione di convertitori di potenza e di sistemi di controllo, anche molto grandi e complessi, è eseguita in poco tempo, dal momento che il software è stato sviluppato proprio per queste attività. Con la sua interfaccia utente intuitiva e un supporto tecnico eccezionale, i progettisti possono iniziare a progettare in pochissimo tempo. Inoltre il programma è utilizzato nelle migliori università e aziende del mondo e fornisce risultati accurati molto velocemente.

Figura 6: grafici di simulazione

I livelli di tensione del transitorio sono visualizzati con precisione sui grafici di simulazione.

Il modulo Motor Drive

Si tratta di un modulo aggiuntivo al programma PSIM di base. Fornisce modelli di macchine e modelli di carico meccanico e macchine elettriche per studi sui sistemi di azionamento del motore (vedi figura 7). Permette di risparmiare tempo nella progettazione di complessi sistemi di controllo del motore basati sull’elettronica di potenza. L’analisi e la progettazione di un sistema di azionamento è una sfida per la complessità della modellazione della macchina e del controller. Con questo modulo risulta semplice modellare e simulare sistemi di controllo. In esso sono contenuti modelli di macchine elettriche di uso comune, di carico meccanico e blocchi di controllo (MTPA e FWControl, per esempio). E’ possibile anche utilizzare motori sincroni a magneti permanenti (PMSM), a riluttanza commutata, motori a induzione e motori senza spazzole.

Figura 7: modulo motore

Creazione di un Subcircuit

La creazione di Subcircuit consente una grande modularità di progetto, consentendo un notevole risparmio di tempo. PSIM offre pieno supporto per la creazione di Subcircuits. Dopo aver creato il Subcircuit e definite le porte di connessione occorre completare la connessione dell’intero blocco, attraverso la visualizzazione dei nomi delle porte e i relativi collegamenti ai vari punti. Il programma permette il passaggio di variabili e di parametri all’interno di un Subcircuit. Essi vengono salvati nella netlist e utilizzati successivamente nella simulazione.

Componenti e componenti

PSIM dispone di qualunque componente elettronico, virtuale, ideale e reale. Con esso è possibile simulare realmente qualsiasi sistema. Le librerie in dotazione sono molto vaste e possono essere espanse all’infinito con i modelli SPICE. Il seguente breve elenco (peraltro non esaustivo) ne è una prova: resistor, inductor, capacitor, rheostat, saturable Inductor, 3-Phase P/Q Controlled Load, 3-Phase AC, Cable, nonlinear elements, diode, light-lmitting diode (LED), zener, diac, thyristor and TRIAC, npn and pnp Transistors, ideal BJT, MOSFET, IGBT, GTO, Bi-Directional Switches, gating Blocks, pre-built Switch Modules, diode bridge modules, thyristor tridge modules, inverter modules, NPC bridge modules, transformers, magnetic elements, winding, leakage flux path, air gap, linear core, saturable core, operational amplifier, shunt regulator, opto-coupler, dv/dt block, relay, motor drive module, reference direction of mechanical systems, linear induction machines, induction machine with saturation, brushless DC machine, synchronous machine, permanent magnet synchronous machine, switched reluctance machine , motor control blocks, field weakening control, magcoupler module, mechanical loads, mechanical-electrical interface block, gear box, speed/torque sensors, position sensors, encoder, resolver, hall effect sensor, thermal module, ecc.

Il modello fisico del Modulo Solare

Questo modello simula il comportamento Sole con maggiore precisione perché tiene conto dell’intensità della luce e della variazione di temperatura. I parametri coinvolti nei calcoli sono numerosi:

• numero di celle;
• intensità luminosa standard;
• temperature di riferimento;
• resistenza in serie di ciascuna cella solare;
• resistenza shunt di ciascuna cella solare;
• corrente di cortocircuito di ciascuna cella solare alla temperatura di riferimento;
• corrente di saturazione del diodo di ciascuna cella solare alla temperatura di riferimento;
• energia di banda di ogni cella solare;
• fattore di idealità, chiamato anche coefficiente di emissione;
• coefficiente ks che definisce come l’intensità della luce influisce sulla temperatura della cella solare.

Modelli di batterie

Particolare attenzione è posta ai diversi modelli di batteria che l’utente può selezionare in base alle proprie esigenze (vedi figura 8). Anche in questo caso è possibile selezionare tantissimi parametri di funzionamento, in modo da seguire perfettamente le caratteristiche del generatore.

Figura 8: il modulo batterie permette di simulare principalmente le batterie al Litio

Parallelamente a questo tipo di simulazioni, è utile segnalare il progetto di ION Energy (https://www.ionenergy.co/platform/battery-designing), finalizzato alla costruzione di batterie di altissima qualità, dalla progettazione alla distribuzione. I progetti delle batterie di ION Energy e l’ecosistema si concentrano su un approccio personalizzabile e modulare, finalizzato alla progettazione di pacchi batteria agli ioni di litio e BMS specifici per l’uso. A seconda della tipologia dell’applicazione e dei requisiti della batteria agli ioni di litio, sarà selezionata attentamente la giusta chimica delle celle e il materiale più efficace, al fine di raggiungere la massima efficienza. Una volta che la cella agli ioni di litio è stata selezionata ed essa risulta ideale, si valutano gli adattamenti all’applicazione per verificare l’efficienza massima. Uno dei parametri più importanti per una batteria agli ioni di litio è la temperatura. Per avere una batteria efficiente, performante e di lunga durata, la gestione termica gioca un ruolo chiave. Occorre, dunque, progettare anche un adeguato sistema di raffreddamento. Uno dei passi finali è rappresentato dalla progettazione e l’assemblaggio elettromeccanico della batteria, attraverso un adeguato involucro adatto all’applicazione finale.

Algoritmi avanzati per la massima velocità

PSIM utilizza l’algoritmo numerico di analisi nodale con l’integrazione trapezoidale. E’ importante sottolineare che PSIM risolve tutte le equazioni simultaneamente e non genera matrici a livello di sistema, come fanno altri simulatori. Queste ultimi possono comportare problemi di convergenza quando ci sono tante derivate. PSIM, invece, è basato sulle tecniche EMTP per i metodi computazionali per la risoluzione dei transitori elettromagnetici, sviluppate dal Dr. H. Dommel.

Conclusioni

Il presente articolo non è sufficiente per descrivere in pieno il programma. Il simulatore PSIM è davvero eccezionale. La documentazione, che è solitamente la parte importante di un prodotto, è eccellente. Alcuni video, estremamente facili, aiutano passo passo gli utilizzatori, anche con poca esperienza, a eseguire le prime simulazioni senza alcuna difficoltà. Anche i webinars sono puntualmente erogati e abbracciano diverse argomentazioni tecniche. La vera filosofia di successo di PSIM è basata sulla valorizzazione del feedback da parte dei clienti. Essi sono la migliore fonte di informazioni per migliorare i prodotti e le soluzioni. Spesso, le nuove funzionalità e le nuove versioni prevedono proprio i suggerimenti degli utenti. Il team di supporto tecnico è composto da ingegneri esperti che investono il loro tempo e il loro lavoro alla ricerca e al continuo miglioramento dei prodotti software, rendendoli semplici e sicuri, ascoltando sempre le esigenze dei clienti finali. Si consiglia di leggere attentamente la documentazione fornita con il programma, per comprendere tutti gli utilizzi del software.