Práctica 1. Simulación de circuitos electrónicos mediante ...

Laboratorio Integrado de Ingenier?a Industrial

Pr?ctica 1

Pr?ctica 1. Simulaci?n de circuitos electr?nicos mediante PSIM. Aplicaci?n a circuitos con transistores y amplificadores

1. Objetivos

? Aprender a utilizar y manejar el software PSIM para la simulaci?n de circuitos electr?nicos.

? Conocer el funcionamiento de circuitos b?sicos a trav?s de los resultados del simulador PSIM.

? Conocer los conceptos b?sicos de funcionamiento de los transistores y amplificadores mediante la simulaci?n de los circuitos.

2. Introducci?n al software PSIM

El uso de la simulaci?n es actualmente uno de los recursos m?s importante e indispensable en la formaci?n pr?ctica, principalmente para los ingenieros con un conocimiento t?cnico de nivel elevado. Esta pr?ctica pretende realizar una breve introducci?n sobre la simulaci?n de circuitos electr?nicos mediante el simulador PSIM. Este programa es una herramienta de simulaci?n de circuitos el?ctricos y electr?nicos por computador, siendo un software dise?ado espec?ficamente para poder simular electr?nica digital, de potencia y controladores de motores. Sus principales caracter?sticas son:

? La simulaci?n de los circuitos, sean complejos o no, es bastante r?pida.

? Su programaci?n resulta muy sencilla e intuitiva, ya que se hace por medio de una interfaz gr?fica sencilla que permite dibujar los esquemas de los circuitos que se desea simular, disponiendo para ello de una extensa paleta de elementos, que incluye desde la parte generadora, hasta la carga junto con todos los elementos de control necesarios (medici?n, regulaci?n, etc.).

? La simulaci?n que permite es de muy alto nivel para electr?nica de potencia, control digital y anal?gico, dispositivos magn?ticos, modelos t?rmicos y estudios de sistemas de control de motores.

Adem?s posee otra serie de caracter?sticas m?s avanzadas como es la co-simulaci?n con Matlab/Simulink y la capacidad para interconectarse con c?digo externo en C/C++ (esta ?ltima opci?n s?lo est? disponible en la versi?n de pago).

La empresa que comercializa PSIM es Powersim, (). Powersim se dedica al desarrollo de herramientas para simulaci?n y dise?o de productos como fuentes de alimentaci?n, controladores de motores, conversi?n de potencia y sistemas de control. Su idea es incrementar la eficiencia del cliente y su productividad para reducir el coste y el tiempo de salida al mercado de nuevos productos. De la p?gina web de la empresa, se puede descargar una versi?n demo del software de forma gratuita, adem?s de incluir manuales y tutoriales de este programa. Dicha versi?n demo es la 9.1 y se puede encontrar en la siguiente web: (para baj?rsela, es necesario registrarse antes). Esta versi?n demo, con respecto a la profesional de pago, posee las siguientes limitaciones software:

? El n?mero de elementos es el esquema del circuito est? restringido a 34. Adem?s, algunos elementos no est?n habilitados.

? El n?mero de puntos en la simulaci?n (intervalos de tiempo o pasos) est? limitado a 6,000.

? La funcionalidad de crear sub-circuitos est? deshabilitada.

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2.1 Ficheros, estructura de programas y abreviaturas de PSIM.

El paquete software PSIM est? compuesto por tres programas: PSIM (PSimulator) es el programa responsable de efectuar los c?lculos necesarios en la simulaci?n dependiendo del circuito o esquema dibujado en su panel principal. En este m?dulo software se encuentran integrados todos los componentes para crear el esquema o circuito. Posteriormente, Simview es el programa que se utiliza para visualizar el comportamiento din?mico o a trav?s del tiempo de los distintos elementos seleccionados para su medici?n en el esquema o circuito realizado en PSIM. Es decir, Simview es el visor y programa de an?lisis de los resultados de la simulaci?n computada por PSIM. Este m?dulo software contiene diversas herramientas y complementos para el an?lisis de los resultados din?micos, tales como funciones de postproceso como adici?n/sustracci?n y c?lculo de la media/rms de se?ales. Finalmente, se encuentra PsimBook, que es un visor de archivos tipo .psimbook que contienen proyectos con una serie de ejercicios guiados sobre diferentes circuitos (por ejemplo, el circuito de regulaci?n de un motor de CC). La Figura 1 muestra los iconos que crea la instalaci?n del software para cada uno de los programas descritos.

Figura 1. Iconos de los m?dulos de programa de PSIM.

En el paquete software demo que proporciona Powersim, se encuentra un plug-in adicional denominado SmartCtrl, un software de dise?o espec?ficamente para aplicaciones de electr?nica de potencia y control. Con este programa, el usuario puede dise?ar controladores de varios motores o m?quinas f?cilmente (Figura 2).

Figura 2. Imagen de un circuito de una fuente conmutada tomada del software SmartCrtl.

A continuaci?n se muestra una lista de los archivos que el paquete software PSIM gestiona: ? Extensi?n .hlp: fichero de ayuda, donde se explican los diferentes elementos y su funcionalidad. ? Extensi?n .psimsch: fichero del esquema o circuito a simular realizado con el software PSIM.

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? Extensi?n .txt: ficheros de texto donde se pueden los resultados de simulaci?n del circuito. Este fichero, que lo genera el m?dulo PSIM, se puede cargar y editar en el m?dulo Simview. Adem?s, tambi?n se puede editar mediante un programa de c?lculo como Excel, ya que el fichero se encuentra codificado en ASCII.

? Extensi?n .smv: contiene la misma informaci?n y posee la misma funci?n que el fichero .txt explicado anteriormente, pero codificado en binario.

? Extensi?n .fra: fichero generado por el m?dulo Simview para una salida de un circuito de corriente alterna.

Finalmente, comentar que para facilitar el uso de unidades en la definici?n de los elementos, PSIM, posee una serie de abreviaturas est?ndares utilizadas en ingenier?a y ciencia. A continuaci?n se muestra la tabla de los sufijos que PSIM permite para la definici?n de valores.

Sufijo p n u m k M G

Nombre Pico Nano Micro Mili Kilo Mega Giga

Valor 10-12 10-9 10-6 10-3 10+3 10+6 10+9

Tabla 1. Abreviaturas/sufijos de PSIM para la definici?n de unidades

3. Caracter?sticas principales de PSIM. Descripci?n de la interfaz del m?dulo de creaci?n de circuitos.

3.1. Nuevo proyecto en PSIM. Para poder empezar a construir un nuevo circuito en PSIM, en primer lugar hay que acceder al

m?dulo PSIM (v?ase Figura 1) que se encuentra instalado en el ordenador. Posteriormente, se debe crear un nuevo proyecto desde la interfaz principal (Figura 3). Una vez creado el nuevo proyecto, ya se puede empezar a dibujar el esquema el?ctrico del circuito utilizando la paleta de elementos que nos ofrece el programa.

La simulaci?n de un circuito en PSIM se basa en la realizaci?n de seguir los siguientes pasos: ? Dibujar el esquema el?ctrico del circuito seleccionando los elementos necesarios del men?

Elements. ? Configurar los par?metros de cada uno de los elementos definiendo sus nombres y valores tal

como se explicar? en el siguiente apartado. ? Definir los par?metros de simulaci?n mediante el componente Simulate?Simulation Control. En

dicho componente se pueden definir las variables que se desea simular, tiempo de simulaci?n etc. ? Ejecutar la simulaci?n mediante la opci?n Simulate?Run Simulation.

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Figura 3. Creaci?n de un nuevo proyecto en PSIM.

3.2. Elementos. Los elementos gr?ficos que posee PSIM para dibujar el circuito se encuentran disponibles en el men?

superior en la opci?n de Elements. PSIM incorpora todos los elementos necesarios para construir el esquema del circuito que se desea simular. En el men? Elements hay diferentes submen?s:

? Power: incluye todos los elementos de potencia (resistencias, condensadores, bobinas, etc.), como los elementos pasivos, interruptores, transformadores y motores el?ctricos.

? Control: incorpora todos los elementos que se engloban dentro de la ingenier?a de control como las puertas l?gicas, filtros, comparadores, transistores, controladores P/I/PI y otros elementos que son necesarios para el estudio y an?lisis de las maquinas el?ctricas .

? Other: sensores, conexi?n a tierra y prueba de medici?n (de voltaje y corriente). ? Sources: encontramos todos los tipos de fuentes, continua y alterna. ? Symbols: contiene s?mbolos, en concreto la flecha (arrow). Los elementos se introducen dentro del proyecto seleccionando el nombre del elemento en el men?. Posteriormente, haciendo un click en el panel del proyecto, se incluye el elemento dentro del circuito. Todos los elementos incorporan terminales, que permiten conectarlos al resto del circuito mediante la opci?n Wire de la barra de herramientas principal (v?ase apartado 3.3). Dentro de los elementos de potencia y de las fuentes, se pueden encontrar de dos clases: elementos monof?sicos y elementos trif?sicos. Adem?s cada elemento viene caracterizado por una serie de par?metros, cuyos valores debemos definir a la hora de construir el circuito. Para acceder a los

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par?metros, es necesario realizar un doble click al elemento. A continuaci?n se muestran un par de ejemplos para mostrar los par?metros de los elementos y c?mo se pueden cambiar a trav?s de su interfaz:

1. Inductor (bobina). Monof?sica y trif?sica. Monof?sica (Figura 4). Elements?Power?RLC Branches? Inductor. Par?metros:

Name: nombre de la bobina (L1). Inductance: valor de la inductancia (H). Inicial Current: intensidad que pasa por la bobina cuando t=0 (A). Current Flag: 0 si no se quiere saber el valor de la intensidad que atraviesa la bobina, 1 si se quiere saber.

Figura 4. Imagen del s?mbolo Inductor y de sus par?metros en PSIM.

Trif?sica (Figura 5). Elements?Power?RLC Branches? L3. Par?metros:

Name: nombre de la bobina (L31). Inductance: valor de la inductancia (H). Current Flag_A, Flag_B y Flag_C: 0 si no se quiere saber el valor de la intensidad que atraviesa la bobina, 1 si se quiere saber, por alguna de sus fases A, B, y C.

Figura 5. Imagen del s?mbolo L3 y de sus par?metros en PSIM. - 5 -

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