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Portunus Überblick

Portunus® ist eine Software zur Systemsimulation, die sich durch eine Vielzahl von Möglichkeiten zur Beschreibung des zu untersuchenden Systems, eine komfortable Nutzeroberfläche, die Kombination leistungsfähiger numerischer Algorithmen und leistungsfähige Schnittstellen zur Programmierung, Automatisierung sowie den Import und Export von Daten auszeichnet.

Anwendungen

Mögliche Anwendungen von Portunus® reichen von Simulationen in der Elektro- und Elektroenergietechnik, Leistungselektronik und Antriebstechnik über thermische Berechnungen, Untersuchungen von Magnetkreisen bis hin zu Regelungen.

Die in Portunus® vorhandenen Modelle und verfügbaren Beschreibungsformen erlauben eine einfache Kombination unterschiedlicher physikalischer Domains. So können beispielsweise elektrothermische Simulationen durchgeführt werden, um die Erwärmung von Leistungstransistoren oder elektrischer Maschinen im stationären Zustand oder bei Vorgabe eines Lastprofils zu bestimmen. Durch die Verbindung elektrischer, magnetischer und mechanischer Komponenten ist es möglich, Wechselwirkungen, wie sie beispielsweise in Aktuatoren auftreten, zu untersuchen. Die in den Systemen verwendeten Steuer- bzw. Regelalgorithmen lassen sich ebenfalls problemlos in die Simulationsmodelle integrieren.

Vielseitige Beschreibungsmöglichkeiten

Bei der Erstellung eines Systemmodells kann in Portunus® für jede Komponente die ideale Beschreibungsform gewählt werden. Netzwerk-Modelle sind für elektrische, aber auch thermische, magnetische und mechanische Systeme oftmals die erste Wahl. Das Komponentenverhalten selbst kann wiederum in unterschiedlichen Abstraktionsgraden abgebildet werden. Oftmals sind Kennlinien zur Beschreibung des stationären Verhaltens (z.B. Spannung – Strom, Drehzahl – Drehmoment) ausreichend. Dioden und Transistoren lassen sich durch Schaltermodelle, bei Bedarf auch mit „idealen” Schaltern, nachbilden. Für genauere Betrachtungen können transiente Eigenschaften modelliert werden. Durch die Möglichkeit der Definition von Subsystemen, der Eingabe von Differentialgleichungssystemen mittels VHDL-AMS oder der Programmierschnittstelle (C++), dem Import von SPICE-Netzlisten und dem Datenaustausch zwischen den Komponenten des Systemmodells bestehen große Freiheitsgrade.

Für Betrachtungen mit Schwerpunkt auf den Signalfluss können Blockdiagramme eingesetzt werden. Dank des stabilen numerischen Kerns von Portunus® können auch algebraische Schleifen problemlos gelöst werden.

Ereignisgesteuerte Systeme und Steuerungen lassen sich mit Hilfe von Zustandsgraphen leicht abbilden oder durch VHDL-AMS-Modelle beschreiben.

Mit der Definition von Variablen und deren Verwendung zur Parametrierung von Modellen (direkt oder in Form von mathematischen Ausdrücken) können Einflussgrößen übersichtlich dargestellt und schnell editiert werden.

Komfortable Grafische Benutzeroberfläche

Portunus® verfügt über eine übersichtliche und leistungsfähige grafische Benutzeroberfläche. Komponentenmodelle werden per Drag-and-Drop auf dem Arbeitsblatt angeordnet. Die „Multiple-Pages-Technologie” erleichtert die Eingabe großer Systeme durch die Möglichkeit der Aufteilung auf beliebig viele Seiten. Durch die Verwendung von Subsheets können beliebige viele Hierarchie-Ebenen definiert werden.

Ergebnisse können bereits während der Berechnungen dargestellt werden. Beliebig viele On-Sheet-Displays lassen sich auf dem Arbeitsblatt anordnen, so dass die Diagramme zusammen mit dem Systemmodell ausgedruckt werden können. Die Anzeige-Elemente zeichnen sich weiterhin dadurch aus, dass die Ergebnisse mehrerer Läufe visualisiert und Post-Processing-Funktionen direkt aufgerufen werden können. Die Diagramme lassen sich mühelos über die Windows-Zwischenablage in Text-Dokumente und Präsentationen einfügen.

Interaktive Funktionen und Symbol-Animationen unterstützen das Verständnis für das untersuchte System und qualifizieren Portunus® für den Einsatz in der Lehre. Darüber hinaus erleichtern sie das Debuggen von Modellen. In einem Panel können während des Simulationslaufes Modellparameter geändert werden. Damit ist es beispielsweise möglich, durch das Öffnen und Schließen von Schaltern den Systemzustand zu ändern oder Fehler zu simulieren. Mittels „Schieberegler” können unterschiedliche Größen wie beispielsweise Widerstände, wirksame Drehmomente und Reglereinstellungen online geändert werden. Eine Reihe von Modellen (Schalter, Dioden, Transistoren, Zustände) sind mit animierten Symbolen versehen. Damit kann während der Simulation die Visualisierung von Zuständen (Schalter ein/aus, Diode sperrend/leitend etc.) aktiviert werden. Das Debuggen von Simulationen wird durch die Replay-Funktion unterstützt, die eine Wiedergabe des zeitlichen Ablaufs ohne erneuten Start des Simulators realisiert.

Anwender von Portunus® können eigene Bibliotheken erstellen und verwalten. Die Definition des Modellverhaltens kann durch den Aufbau von Subsheets, die Erstellung bzw. den Import von VHDL-AMS-Modellen und SPICE-Netzlisten oder mittels Programmierung in C++ erfolgen. Subsheets lassen sich komfortabel über die Zwischenablage in die Bibliothek einfügen. Die Bibliotheks-Verwaltung erlaubt die Erstellung eigener Symbole für die Modelle.

Die Benutzeroberfläche von Portunus® bietet eine Reihe weiterer nützlicher Funktionen wie ein Panel zur Definition von Multisimulationen, Email-Versand, direkten Export der Ergebnisse nach Excel®, Origin® und Matlab® und Editoren zur Eingabe mathematischer Ausdrücke.

Leistungsfähiger Simulator-Kern

Der Simulator-Kern von Portunus® ist in der Lage, sowohl Algebro-Differentialgleichungs-Systeme („analoge Systeme”) als auch ereignisgesteuerte Systeme („digitale Systeme”) zu berechnen. Es stehen die Analysen „Transient-Simulation”, „AC-Simulation”, „DC-Berechnung” und „Arbeitspunkt-Berechnung” zur Verfügung. Eine transiente Simulation kann mit den Ergebnissen einer Arbeitspunkt- oder DC-Berechnung initialisiert werden. Damit ist es beispielsweise möglich, den eingeschwungenen Zustand eines Systems vor einer Transient-Simulation zu berechnen und damit die zeitaufwendige Berechnung der Einschwingvorgänge zu vermeiden.

Allen Analysen kann eine Multisimulation zur Analyse des Einflusses von Parametervariationen überlagert werden.

Umfangreiche Modellbibliotheken

Die zum Standard-Lieferumfang von Portunus® gehörenden Bibliotheken enthalten bereits mehr als 100 Modelle zur Simulationen elektrischer, mechanischer und magnetischer Systeme, Blöcke und SPICE-Bauelemente.

Als Zusatz-Bibliothek wird die Thermal Library angeboten, die leistungsfähige Modelle zur thermischen Simulation enthält. Die wichtigsten Komponenten sind die Modelle zur Nachbildung des Wärmeflusses durch Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung. Die Eingabe-Dialoge dieser Komponenten bieten die Möglichkeit einer Geometrie-Auswahl (Platte, Zylinder, Kühlkörper etc.), auf deren Basis die nichtlinearen Gleichungen des Wärmeflusses parametriert werden. In Verbindung mit der Verwendung von Variablen ergibt sich die Möglichkeit, die Abmessungen des zu untersuchenden Systems einmal eingegeben und für die Parametrierung mehrerer Komponenten des thermischen Netzwerkes zu verwenden. Die Eingabe-Dialoge enthalten darüber hinaus Tabellen mit den Eigenschaften (Dichte, Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit) einer Reihe von Materialien. Neben den Modellen zur Nachbildung des Wärmeflusses enthält die „Thermal Library” Temperatur- und Wärmeflussquellen, RC-Netzwerke (Cauer, Foster), Wärmespeicher, Messgeräte und Modelle zur Kopplung elektrischer und thermischer Netzwerke.
Produkt-Flyer „Thermal Library”
» Applikations-Beispiele für thermische Berechnungen

Mit der Power Electronics Library wird für Portunus® eine weitere Zusatzbibliothek zur Verfügung gestellt. Sie enthält ca. 90 Modelle zur Simulation leistungselektronischer Systeme, angefangen vom 2-Puls-Gleichrichter bis zum 3-Level-Wechselrichter mit Raumzeigermodulation. Durch die Trennung in Topologien und Ansteuerverfahren kann der Anwender auch einzelne Bausteine durch eigene Modelle ersetzen. Ein besonders leistungsfähiges Modell ist das eines IGBTs mit Freilaufdiode für elektrothermische Berechnungen. Ihm liegt ein spezieller Modellansatz (Mittelwertmodell) zugrunde, der eine schnelle Berechnung der Temperaturen in Halbleitern ermöglicht. In diesem Modell integriert sind die Parametersätze für ca. 150 von Infineon angeboten Module. Für die Modellierung typischer Regelungen der Antriebstechnik bietet die „Power Electronics Library” weiterhin Modelle zur Koordinaten-Transformation (Clarke, Park), Spannungs-Frequenz-Steuerung und Sinus-Spannungsquellen variabler Frequenz und Amplitude.
Produkt-Flyer „Power Electronics Library”
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Applikations-Beispiele für leistungselektronische Systeme

Programmierschnittstellen

Portunus® bietet dem Anwender die Möglichkeit, das Verhalten eigener Modelle mit Hilfe der Programmiersprache C++ zu definieren. Die Verwendung dieser Programmierschnittstelle ist immer dann sinnvoll, wenn

Modelle mit komplexen mathematischen Funktionen und Umschalten des Verhaltens implementiert werden sollen, die sich anderweitig nur aufwendig umsetzen lassen,

Regler-Algorithmen, ggf. unter Verwendung bereits vorhandenem Quellcodes, in die Simulation eingebunden werden sollen oder

ein Datenaustausch mit anderen Programmen, beispielsweise für gekoppelte Simulationen oder den Zugriff auf Datenbanken, realisiert werden soll.

Die nutzerdefinierten Modelle werden in einer DLL gehalten und beim Simulationsstart geladen.

Die Automatisierungsschnittstelle von Portunus® ermöglicht den Aufruf von Portunus® aus Skripten und damit beispielsweise die Integration in einen Design-Flow oder eine webbasierte Simulation. Zur Reduktion der erforderlichen Rechenzeiten kann Portunus® in einem „hidden” Mode betrieben werden. Die Automatisierungsschnittstelle enthält Funktionen zum Laden und Speichern von Schematics, Lesen und Setzen von Parametern, Starten von Simulationen sowie für den Zugriff auf die Simulationsergebnisse.

Software-Links

Portunus® bietet eine Reihe Funktionen zum Import und Export von Daten.
Insbesondere zu den Partner-Software-Produkten existieren eine Reihe von Schnittstellen

Co-Simulation mit Flux®,

Import thermischer Netzwerke in das Portunus®-Schematic aus Motor-CAD®,

Einlesen von in InCa3D® erstellten Widerstands- und Impedanz-Matrizen und

Import von Parametersätzen, die in SPEED bestimmt wurden.

Für eine gekoppelte Simulation mit Matlab®/Simulink® wurde eine leistungsfähige Simulator- Schnittstelle entwickelt, die durch einfache Bedienbarkeit und große Flexibilität besticht. Im Gegensatz zu vielen herkömmlichen Simulator-Kopplungen kommunizieren bei der Simulink®-Schnittstelle von Portunus® beide Programme ausschließlich über Funktionen der grafischen Benutzeroberflächen. Damit ist es beispielsweise möglich, in Portunus® vorgenommene Änderungen in der Struktur des Datenaustauschs sofort in Simulink® zu visualisieren. Gekoppelte Simulationen können sowohl von Portunus® als auch von Simulink® aus mit einem einzigen Mausklick bzw. über Skripts oder eine Parametervariation automatisch gestartet werden.

Technische Anforderungen

Portunus® ist lauffähig unter Windows® XP, Windows® 7, Windows® 8 und Windows® 10.
Portunus® kann lokal auf einem Rechner oder im Netzwerk installiert werden.