PSIM入門手冊(cè)

1、PSIM入門手冊(cè) PSIM是專門為電力電子和電動(dòng)機(jī)控制設(shè)計(jì)的一款 仿真軟件。它可以快速的仿真和便利地與用戶接 觸，為電力電子和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供強(qiáng)大的仿 真環(huán)境。 本教程包含了PSIM和它的3個(gè)其他模型：電動(dòng)機(jī) 驅(qū)動(dòng)模型，數(shù)字控制模型和連結(jié)模型。電動(dòng)機(jī)驅(qū) 動(dòng)模型已經(jīng)在機(jī)器模型和為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究的機(jī)械 裝備模型里建立起來了。數(shù)字控制模型為數(shù)字控 制分析提供了離散的元素：如零狀態(tài)監(jiān)控，z- domain轉(zhuǎn)換功能blocks，量子化blocks，數(shù)字濾 波器。連接模型為共同仿真在PSIM和 Matlab/Simulink之間提供了相互基礎(chǔ)。 PSIM仿真軟件包括3個(gè)方面：電路示意性的PSIM， PSI

2、M仿真器，波形形成過程項(xiàng)目SIMVIEW。 一個(gè)電路在PSIM里表現(xiàn)為4個(gè)部分：電力電路， 控制電路，傳感器和開關(guān)控制器，一下圖標(biāo)展示 了這些部分之間的關(guān)系： 電力電路包括轉(zhuǎn)換裝置，諧振分支，變壓器，連 結(jié)感應(yīng)器。控制電路表現(xiàn)在圖表里。S域和z域里 的元器件、邏輯元器件和非線性元器件被用于控 制電路。傳感器測量電力電路電壓和電流，并把 數(shù)值傳送到控制電路。門信號(hào)經(jīng)常有控制電路產(chǎn) 生并通過開關(guān)控制器反饋到電力電路來控制開關(guān)。 PSIM里每個(gè)元器件參數(shù)圖表窗口都有三個(gè)圖表： Parameters, Other Info, Color Parameter里面的參數(shù)被用于仿真。從另一個(gè)方面 說，Oth

3、er Info里的信息不適用于仿真的，它僅僅 用于報(bào)告信息，將會(huì)出現(xiàn)在PSIM里View/Element List的部分目錄中。一些如：設(shè)備的額定值，制造 商和部分?jǐn)?shù)字等信息被存儲(chǔ)在Other Info里。元器 件的顏色可以在Color里設(shè)置。 Parameter里參數(shù)會(huì)是一個(gè)數(shù)值或是一個(gè)數(shù)學(xué)表達(dá) 式。例如：一個(gè)電阻可以有以下幾種說明方法： 12.5 12.5k 12.5Ohm R1+R2 R1*0.5+(Vo+0.7)/Io 其中R1,R2,Vo和Io是參數(shù)文件定義的符號(hào)，如果這 個(gè)阻抗是在支電路則他們是被主電路定義的符號(hào) PSIM允許10的n次方的數(shù)值，一下的后綴數(shù)值 如下表示： 一個(gè)數(shù)學(xué)

4、表達(dá)式可以包括括號(hào)，但不區(qū)分大小 寫，可以同如下功能。(見下頁） 符號(hào)符號(hào)表示數(shù)字表示數(shù)字 G109 M106 K or k103 m10-3 u10-6 n10-9 p10-12 符號(hào)符號(hào)表示的意義表示的意義 +加 -減 *乘 /除 乘方 sqrt方根 sin正弦函數(shù) Cos余弦函數(shù) tan正切函數(shù) Atan反正切函數(shù) Exp自然對(duì)數(shù) Log對(duì)數(shù)函數(shù) Log(10)以10為底的對(duì)數(shù)函數(shù) abs去絕對(duì)值 電阻器、電容器和電感器 在PSIM里提供了獨(dú)立電阻器、電感器、電容器和 集成RLC支路。電感器電流和電容器電壓可以定 義初始值。 所提供的三相對(duì)稱RLC支路R3,RL3,RC3,RLC3用 于

5、三相電路，三相支路的電感電流和電容電壓的 初始值全為零。 可變電阻器 可變電阻器就是帶分接頭的電阻，如下圖所示： 參數(shù)參數(shù)描述描述 Total Resistance可變電阻器的總阻抗，單 位歐姆 Tap Position (0 to1)分接頭位置。節(jié)點(diǎn)k和t的阻 抗是RTap Current Flag支路電流的輸出標(biāo)志。如 果標(biāo)志為零，輸出電流為 零。標(biāo)志為1，則電流存儲(chǔ) 在輸出文檔中在SIMVIEW 顯示。 飽和電感 飽和電感考慮了電感磁芯的飽和狀態(tài)，如下所 示： 2.2 開關(guān) PSIM中有兩種基本開關(guān)。一種是開關(guān)模式。 它運(yùn)行于區(qū)域(導(dǎo)通狀態(tài))或者飽和區(qū)（關(guān)斷狀 態(tài)）。另一種是線性模式，它

6、可以工作與關(guān)斷， 線性或者飽和狀態(tài)。 工作在開關(guān)模式的開關(guān)包括： Diode and DIAC Thyristor(THY) and TRIAC l 自關(guān)斷開關(guān) GTO NPN PNP IGBT MOSFET MOSFET_P SSWI PISM的開關(guān)模型是理想化的，導(dǎo)通或者關(guān)斷瞬 間可以忽略。開關(guān)導(dǎo)通時(shí)電阻10-5 歐姆，關(guān)斷為 1兆歐。開關(guān)不需要緩沖電路。 線性開關(guān)包括：NPN_1 PNP_1 l 二極管、雙向二極管和齊納二極管 二極管的導(dǎo)通取決于電路運(yùn)行條件。當(dāng)它正向偏 置時(shí)二極管導(dǎo)通，當(dāng)電流低于0時(shí)關(guān)斷。 參數(shù)參數(shù)描述描述 Diode Voltage Drop二極管導(dǎo)通壓降(單位V)

7、Initial Position 二極管初始位置，標(biāo)記 0，二極管導(dǎo)通，1 為 關(guān)斷 Current Flag 二極管輸出電流標(biāo)記。 標(biāo)記0，無電流輸出。1 時(shí)，電流存儲(chǔ)并在 SIMVIEW顯示。 晶閘管 晶閘管的導(dǎo)通可控，關(guān)斷取決于電路條件。 開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊 開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊決定了開關(guān)的驅(qū)動(dòng)模式。驅(qū)動(dòng)模式 可以直接指定（用驅(qū)動(dòng)模塊Gating)或者放在一 個(gè)文本文件里（驅(qū)動(dòng)模塊Gating）。 注釋：開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊之可以連接到開關(guān)的門極， 不能與其他器件連接。參數(shù)參數(shù)描述描述 Frequency開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊連接的開 關(guān)模塊或者開關(guān)的工作 頻率 No. of Points開關(guān)點(diǎn)的數(shù)目 Switchin

8、g Points 開關(guān)點(diǎn)（用度表示）。 頻率為0時(shí)，開關(guān)點(diǎn)用 秒表示。存在開關(guān)表的 文件名字 開關(guān)點(diǎn)的數(shù)目定義為一周期內(nèi)開關(guān)的作用總次 數(shù)。無論開關(guān)開通還是關(guān)斷都算是一個(gè)開關(guān)點(diǎn)。 例如：如果一個(gè)開關(guān)再一次循環(huán)中導(dǎo)通和關(guān)斷 一次，那么開關(guān)點(diǎn)的數(shù)目為2. l 單相開關(guān)模塊 PSIM中提供了集成單相二極管橋模塊和晶閘 管全橋模塊(BHY1)。與單個(gè)晶閘管類似，晶閘 管可以通過一個(gè)門控模塊或者alpha控制器控制。 l 三相開關(guān)模塊 類似于單相模塊，三相模塊中只有開關(guān)1的驅(qū)動(dòng) 需要指定，其他開關(guān)的門控自動(dòng)獲得。對(duì)于三 相半波晶閘管模塊（BTHY3H)，兩個(gè)相鄰開關(guān) 的相移為120度。其他橋式模塊的相移

9、為60度。 晶閘管橋模塊(BTHY3/BTHY3H/BTHY6H)可以 被alpha控制器控制。類似的，電流或電壓源變 換器可以通過PWM查表控制器控制。 變壓器 理想變壓器 理想變壓器沒有漏磁和損耗，如下圖： 帶大點(diǎn)的繞組是一次繞組，另一個(gè)為二次繞組。， 其參數(shù)中Np(初級(jí)）表示初級(jí)繞組的匝數(shù)， Ns(次級(jí))表示次級(jí)繞組的匝數(shù)。匝數(shù)比等于額定 電壓之比，每側(cè)的繞組數(shù)可以用額定電壓代替。 三相變壓器 PSIM提供兩繞組和三繞組變壓器模型如下： 三相變壓器（繞組不相連）(TF_3F) 三相Y/Y和Y/ 連接變壓器(TF_3YY/TF_3YD) 三相然繞組變壓器（繞組不相連） （TF_3F_3W)

10、 三相三繞組Y/Y/ 和Y/ / 連接變壓器 (TF_3YYD/TF_3YDD) 三相四繞組變壓器（繞組不相連）(TF_3F-4W) 運(yùn)算放大器 理想運(yùn)算放大器用電力電路器件模擬。 dv/dt模塊 dv/dt模塊具有象為分歧在控制電路中一樣的功 能，此外它還能應(yīng)用于電力電路中。dv/dt模塊 的輸出等于輸入電壓對(duì)時(shí)間的倒數(shù)。 控制電路部分 傳遞函數(shù)模塊 一個(gè)傳遞模塊可以 表示為如下多項(xiàng)式： 2 210 2 210 + A n n n n B sB sB sB G sk A ssAsA PSIM提供了兩種傳遞函數(shù)模塊的元件，一個(gè)是 零初值元件(TFCTN),另一個(gè)是以輸入的參數(shù)作 為初值的元件(

11、TFCTN1). 比例控制器 比例控制器的輸出和輸入成正比，如下圖所示。 其參數(shù)只有一個(gè)Gain，即增益 參數(shù)參數(shù)描述描述 Order n傳遞函數(shù)的階數(shù) Gain增益k Coeff Bn Bo分子系數(shù)從n階到0階 Coeff An A0分母系數(shù)從n階到0階 Initial Values xnx1狀態(tài)變量xn到x1的初始 值 積分器 積分器的傳遞函數(shù)為 有兩種積分器：一種是普通的積分器，一種是可復(fù) 位積分器。 1 sG ST 參數(shù)參數(shù)描述描述 Time Constant積分延遲時(shí)間 Initial Output Value輸出量的初始值 Reset Flag重置標(biāo)志 可復(fù)位積分器的輸出可以被外部

12、的控制信號(hào)復(fù)位， （在元件底部）對(duì)邊沿復(fù)位（重設(shè)標(biāo)記為0）， 在控制信號(hào)上升沿積分器的輸出為0，對(duì)于水平 復(fù)位（重設(shè)標(biāo)記為1），當(dāng)控制信號(hào)保持高電位 時(shí)（1），積分器的輸出為0. 為了避免飽和，在積分器的輸出需加一個(gè)限幅 器。 例如，一下電路說明了可復(fù)位積分器的作用。 積分器的輸入是直流量，積分器的控制信號(hào)是個(gè) 脈沖信號(hào)，在每個(gè)循環(huán)結(jié)束時(shí)重設(shè)積分器的輸出， 重設(shè)標(biāo)記為0. 微分器 微分器的傳遞函數(shù)為 如下圖所示： 其可調(diào)參數(shù)只有一個(gè)：延遲時(shí)間T G ssT 比例積分控制器 比例積分控制器的傳遞函數(shù)為： 如圖所示： 內(nèi)置式濾波器模塊 PSIM中內(nèi)置了四個(gè)二階濾波器的模型，這些模 型的傳遞函數(shù)如下

13、： 低通二階濾波器： 高通二階濾波器： 帶通二階濾波器： 帶阻二階濾波器： 11 1 sT G skk sTST 2 22 2 c cc G sk s s 2 22 2 cc s G sk s s 22 o B s G sk sBs 22 22 o o s G sk sB s 圖形如下： 其參數(shù)設(shè)置如下表： 參數(shù)參數(shù)描述描述 Gain增益k Damping Ratio衰減常數(shù) Cut-off Frequency低通濾波器和高通濾波 器的截至頻率(單位Hz) Center Frequency帶通濾波器和帶阻濾波 器的中心頻率 Passing Band帶通濾波器和帶阻濾波 器通帶和阻帶的帶寬 (單

14、位Hz) Stopping Band 計(jì)算函數(shù)模塊 l 加法器 單輸入(SUM1)和雙輸入(SUM2/SUM2P)加法器 的輸入可以是數(shù)值或向量,三輸入(SUM3)加法器 的輸入只能是數(shù)值,如下圖所示. 如果輸入的是數(shù)值,那么加法器的輸出被定義為: 如果輸入是向量,那么兩個(gè)加法器的輸出也是向 量,被定義為 112 212 121122 n n onn Va aa Vb bb VVVab abab 1 122onn VkVk Vk V 在三輸入加法器上,帶點(diǎn)的輸入必須是第一個(gè)輸 入端. 乘法器和除法器 乘法器(MULT)或除法器(DIVD)的輸出即為兩個(gè) 輸入值的相乘或者相除,如圖所示. 開方器

15、 開方器計(jì)算輸入的開方根,如下圖所示. 指數(shù)/冪級(jí)數(shù)/對(duì)數(shù)模塊 參數(shù)參數(shù)描述描述 Gain_i各輸入端系數(shù)ki 它們的圖形如下: 指數(shù)計(jì)算器的輸出被定義為: 冪級(jí)數(shù)計(jì)算器的輸出被定義為: 功能模塊LOG給出輸入數(shù)值的自然對(duì)數(shù)(基于e), 而LOG10給出數(shù)值的普通對(duì)數(shù)(基于10) 12o= in V Vkk 2 1o= k in Vk V 參數(shù)參數(shù)描述描述 Coefficient k1k1的數(shù)值 Coefficient k2k2的數(shù)值 均方根模塊 均方根計(jì)算輸入值在一段時(shí)間內(nèi)(頻率為fb)的有 效值,輸出定義為: 其中, ,輸出只能在每周期開始時(shí)更新,如 下圖所示. 絕對(duì)值模塊和符號(hào)模塊 絕對(duì)

16、值模塊(ABS)求出輸入的絕對(duì)值,符號(hào)模塊 (SIGN)給出輸入值的符號(hào),比如,當(dāng)輸入時(shí)正數(shù)時(shí), 輸出為1,當(dāng)輸入為負(fù)數(shù)時(shí),輸出為-1. 2 0 1 T rmsin Vvt dt T 1/Tfb 參數(shù)參數(shù)描述描述 Base frequency即基頻fb(單位Hz) 三角函數(shù)模塊 PSIM提供了六個(gè)三角函數(shù)模塊,分別是SIN模 塊,ARCSIN模塊,COS模塊,ARCCOS模塊,TAN 模塊,ARCTAN模塊. ARCTAN元件的輸入端中,帶點(diǎn)的是實(shí)屬端入口, 另一個(gè)輸入口是虛數(shù)輸入口,輸入為實(shí)數(shù)與虛數(shù) 值之比的ARCTAN函數(shù),如 l 快速傅立葉變換（FFT） 快速傅立葉變換模塊計(jì)算輸入信號(hào)的

17、基波成分， FFT的計(jì)算方法基于基數(shù)為2的10頻方法，在一 個(gè)基波周期內(nèi)采樣個(gè)數(shù)應(yīng)該是2N個(gè)（N為整數(shù)）， 取樣點(diǎn)最多為1024個(gè)。 1 tan imaginary real V V 輸出給出了輸入基波信號(hào)的振幅(峰值）和相位 角，輸出電壓（復(fù)數(shù)形式）被定義為： 模塊如圖所示： 有標(biāo)點(diǎn)的輸出端輸出的是振幅，注意到相位角的 輸出已經(jīng)在內(nèi)被調(diào)整過，因此正弦函數(shù) 的輸出相位角將為0. 1 2 2 0 2 o 2 = N n n j N inin n N vvnvne N 參數(shù)參數(shù)描述描述 No. of Sampling Points采樣點(diǎn)數(shù)N Fundamental Frequency 基波頻率fb

18、（Hz） sin m Vt sin m Vt 比較器 當(dāng)正輸入端的電平比負(fù)輸入端的電平高時(shí)，比較器的輸出 為高電平，如果正輸入端的電平較低，則輸出為0，如果量 輸入相等，則輸出不確定，保持原來的電平。 限幅器 當(dāng)限幅器的輸入超過上限或者下限時(shí)，限幅器 的輸出被限制在上限和下限內(nèi)，當(dāng)輸入沒超過 上下限時(shí)，輸出等于輸入。 梯形波模塊和方波模塊 梯形波模塊和方波模塊是特殊的查表元件，輸 出和輸入的關(guān)系或者為梯形波或者為方波。 屬性（見下頁） 梯形波參數(shù)設(shè)置 矩形波參數(shù)設(shè)置 取樣和保持模塊 當(dāng)控制信號(hào)從底到高時(shí)（從0到1）取樣/保持模塊 從輸入的數(shù)值中取樣，然后保持此值知道下一個(gè) 取樣點(diǎn)。 延時(shí)模塊

19、延時(shí)模塊把輸入的波形向后延一個(gè)指定的時(shí)間間 隔，它能被用在邏輯元件中，用來模仿傳播的延 時(shí)等等。 參數(shù)參數(shù)描述描述 Rising Angle Theta上升角度（單位度） Peak波形峰值 參數(shù)參數(shù)描述描述 Pulse Width (deg.)半個(gè)周期內(nèi)矩形波寬度 （度） 它只有一個(gè)參數(shù)需要設(shè)置，即延遲時(shí)間（單位s)。 總諧波失真率（THD） 交流波形的總諧波失真包括了基波和諧波，被定 義為： 22 1 11 THD= rms h VVV VV 例子 邏輯門元件 基本的邏輯門有與門，或門，異或門，非門，與 非門，或非門。 RS觸發(fā)器，JK觸發(fā)器和D觸發(fā)器 有兩種RS觸發(fā)器，一種是邊沿觸發(fā)，一種

20、是電 平觸發(fā)。 數(shù)字控制模塊 數(shù)字控制模塊是PSIM程序的一個(gè)附加程序，它 提供了離散元件，比如零階保持，z域轉(zhuǎn)換模塊， 數(shù)字濾波器等等，用來進(jìn)行數(shù)字控制系統(tǒng)仿真。 零階保持模塊 零階保持模塊只在取樣點(diǎn)取樣輸入，輸出在兩個(gè) 取樣點(diǎn)保持不變。 其只有一個(gè)參數(shù)即采樣頻率，單位是Hz。 和其他離散元件一樣，零階保持模塊有一個(gè)自動(dòng) 計(jì)時(shí)器來確定采樣的時(shí)刻，取樣時(shí)刻和仿真的時(shí) 間是同步的，例如，如果零階保持模塊的取樣頻 率是1000Hz，那么輸入將會(huì)在0，1ms，2ms， 3ms等時(shí)刻被取樣。 電源 PSIM里可提供幾種獨(dú)立的電壓源和電流源。電流 源的符號(hào)可以描述為：電流從高壓端流出，經(jīng)過 外部回路，流

21、回低壓端。注意：電流源僅可用于 電力電路。 時(shí)間 時(shí)鐘元件是分段線性電壓源的一個(gè)特殊情況，它 可看作是一個(gè)接地電壓源，其數(shù)值相當(dāng)于仿真時(shí) 間。 直流源 直流源的幅值不變，直流電壓源VDC_GND和 VDC_GND_1的參考地位是地。 開關(guān)控制器 開關(guān)控制器與實(shí)際電路中的門極或者基極驅(qū)動(dòng)電 路有相同的功能。它接受來自控制電路的輸入信 號(hào)，然后控制電力電路的開關(guān)。一個(gè)開關(guān)控制器 可以同時(shí)控制多個(gè)開關(guān)。 通斷控制器 通斷控制器用于連接門極控制信號(hào)和功率開關(guān)。 輸入時(shí)來自控制電路的邏輯信號(hào)，并傳到功率電 路作為門信號(hào)。 以下的電路實(shí)現(xiàn)一個(gè)負(fù)載的階躍變化。在電路中， 通斷控制器用來控制雙向開關(guān)。階躍電源

22、連接到 控制器的輸入端，在12ms時(shí)由0變?yōu)?.開關(guān)閉合 導(dǎo)致與開關(guān)并聯(lián)的電阻器短路，電流增加。 控制器 它的作用是控制晶閘管開關(guān)或橋的延遲角?？刂?器有三個(gè)輸入： 值，同步信號(hào)，門控信號(hào)。同步信號(hào)從低到高的 轉(zhuǎn)變（0到1）,提供了同步，并且與延遲角 等于 0的時(shí)刻相一致。會(huì)產(chǎn)生帶有 角度延遲的門信號(hào)。 角的數(shù)值將會(huì)及時(shí)更新。 參數(shù)參數(shù)描述描述 Frequency控制開關(guān)或控制模型的 頻率 Pulse Width同步門信號(hào)脈沖寬度 （度） 延遲角的輸入以角度為單位 例子： 下圖顯示如何利用延遲角控制晶閘管電路。在電 路中，與晶閘管自然導(dǎo)通叫時(shí)刻性對(duì)應(yīng)的vs過零 值，用來提供同步信號(hào)。延遲角被設(shè)定為30時(shí)， 門極信號(hào)將從同步信號(hào)上升沿延遲30度。 PWM查表控器 一個(gè)PWM查表控制有4個(gè)輸入信號(hào)：調(diào)制索引， 延遲角，同步信號(hào)，門控信號(hào)。門控模式的選擇 是基于調(diào)制索引的，同步信號(hào)提供了門控模式的 同步。當(dāng)同步信號(hào)從第編導(dǎo)高時(shí)，門控信號(hào)將會(huì) 更新。延遲角定義了門控模式和同步信號(hào)之間的 相關(guān)角。例如：