同元软控专业模型库系列

本文主要是介绍同元软控专业模型库系列—电气篇，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

一、引言

电气作为研究电能产生、传输、分配、使用和控制的专业领域，在航空航天、能源电力、船舶推进、轨道交通等众多行业中占据着举足轻重的地位，应用范围涉及电力工程、电子通信、自动化控制等，如电池充电管理芯片设计、航天器伺服系统、船舶电力推进系统、飞机电源系统、电站储能系统、新能源发电等。随着数字化转型和智能制造的持续推进，高精度、高可靠性的电气系统仿真模型在复杂装备研制中的作用愈加显著。

MWORKS 2024a作为全球第4个完整的科学计算与系统建模仿真一体化平台，为各行业装备数字化转型提供统一的信息物理融合系统(CPS)计算底座。此次同元软控基础库系列中全新发布了两大电气类模型库：基础电气模型库(TYElectrical)V1.0.0和电力系统模型库(TYElectricPower)V1.0.0，并全面优化更新了电机模型库(TYMotor)V2.0.0。

二、同元软控电气模型库

2.1 基本介绍

针对航天、船舶、新能源、车辆、集成芯片等行业的电气模型需求，同元软控模型产品团队基于Modelica语言推出3个电气模型库，分别为基础电气模型库、电机模型库和电力系统模型库，能够满足元器件级、设备级及系统级的多维度建模仿真需求，实现对航天伺服、船舶推进、新能源发电、电站储能、汽车电子等场景的分析与仿真验证。

如上图所示，同元软控电气模型库可满足各行业内的电气系统建模与仿真业务需求，支持系统稳态工作点计算、电机选型及控制策略设计、系统潮流分析、新能源发电与并网等等场景应用，该模型库在MWORKS.Sysplorer2024a平台加载过程如下：

动图封面

MWORKS.Sysplorer 2024a平台加载电气模型库示例

2.2 功能简介

上文介绍了电气模型库应用场景，接下来对三个电气模型库各自的具体功能进行介绍。

基础电气模型库-TYElectrical

基础电气库(TYElectrical)包括基础元件、数字元件、配电元件、半导体、功率变化器、电源、传感器和编码器、变送器等模型，共8类电气模型168个组件，涵盖电子电气系统所需的典型元器件模型，满足搭建电子电气系统仿真模型的需求。

该库不仅可用于各行业电气系统的设计、仿真及优化，如开展放大电路静态工作点分析、逻辑控制电路设计与验证、电子电气设备驱动电路的设计与分析等，还能够模拟电子系统稳态与瞬态下的行为，如三极管放大电路分析、电机驱动电路设计验证等。其模型库架构及包含组件如下图所示：

电机模型库-TYMotor

电机模型库(TYMotor）提供了电机本体、控制器、驱动器、负载、传感器等组件模型，共5类电气模型50个组件，涵盖电控系统所需的典型设备模型，满足搭建电控系统仿真模型的需求。

该库不仅可用于各行业领域电控系统的策略设计、仿真及优化，如开展电机控制策略设计验证、电驱动系统的故障诊断、电机动态特性的仿真与分析等；还能够模拟电控系统在特定工况下的动态行为，如负载突变、模式切换、单相断电等。其模型库架构及包含组件如下图所示：

电力系统模型库-TYElectricPower

电力系统模型库(TYElectricPower)包括电气元件、一次设备、二次设备、分布式电源、负荷等模型，共5类电气模型37个组件，涵盖发、输、变、配、用等基本环节仿真所需的典型设备模型，满足搭建电力系统仿真模型的需求。

该库不仅可用于电力系统的设计、仿真及优化，如开展园区配电网系统拓扑设计与潮流分析，验证新能源发电系统的关键指标等；还能够观测电力系统在特定工况下的稳态和暂态行为，如母线电压、变压器损耗、电压跌落等。其模型库架构及包含组件如下图所示：

2.3 模型库亮点

1.应用亮点

1）覆盖场景广

电气模型库包含基础电气库、电机库和电力系统库，内容涵盖常用的电子元器件、电源、电机本体及控制器、电力设备、传感器、负荷等，使用这些模型可以快速构建各行业领域内的典型电气系统场景模型，如集成电路IC系统降压电路设计、航天伺服系统动态特性仿真、发电厂系统潮流计算验证、新能源发电系统可靠性分析等，辅助系统整体方案规划、参数设计、性能优化、可靠性分析等工作。

2）适用研制全流程

电气模型库包含不同颗粒度的组件模型，可应用于型号产品研制的不同阶段。在实际生产过程中，限于试验器材、技术预研、资源协调等原因，型号产品的参数设计一般遵循逐一细化流程。因此，在系统数字化工程开展时，需要将模型颗粒度与实际设计阶段紧密结合起来，让数字化模型与型号产品设计之间形成良好的双向互动。

方案设计阶段

用于元器件、电机本体和电力设备的方案选型，包括滤波器、放大器、直流电机、同步电机、异步电机、变压器等，以满足不同电气系统的工作条件和性能要求，并进行组合、调整和优化，支撑功能和性能的初步验证评价，实现电气系统的多方案优选分析。

详细设计阶段

用于确定电气系统中每个组件的具体规格和参数，包括电阻、电感、电机额定电压、额定频率、定子电阻、变压器绕组类型及变比等，能够合理做出参数信息调整，模拟和评估各个组件参数调整对系统的影响程度，以辅助详细设计决策。

实验验证阶段

用以构建模拟/数字电路、直流/交流伺服、输电网/配电网等系统模型，实现电路结构验证、性能验证、控制策略验证、潮流分析，以及参数调整和系统优化等应用场景，能够更加准确和有效地验证和调整电气系统，确保其性能和可靠性符合设计要求，有效减少实验阶段的试错和调整次数，提高电气设备的运行效率和可靠性。

运行维护阶段

用于搭建数字化电气实验系统、电机驱动控制系统、配电网分析系统等，实现运行机理演示与系统实时状态监测，以辅助教学并帮助运维人员进行系统日常维护和故障排除，保证整个电气系统的安全稳定运行和可靠性。

3）可扩展性与易用性强

电气模型库在可扩展性、易用性方面的优势主要体现在以下几点：

模型帮助文档详细，主要内容包括模型功能描述、基本假设、模型接口、模型参数、模型变量、模型原理等，可有效辅助用户快速理解并应用模型；
支持二次开发功能，提供接口模型库，便于用户根据自身需求对现有模型进行自定义扩展。
模型库在接口设计及基础模型的构建上遵循电学基本定律，符合工程师的使用习惯，降低学习成本，便于入门。

2.功能亮点

1）支持电机选型及控制策略设计

电气模型库提供直流电机、同步电机、异步电机、步进电机、开关磁阻电机等模型，可应用于各行业领域中电控系统的本体选型与控制策略设计，辅助电控系统的方案验证、参数敏感性分析、动态特性测试等。

2）支持配电网拓扑设计与运行特性分析

电气模型库提供丰富的元器件、电力设备等模型，可应用于配电网系统拓扑的快速构建与规划设计，以及电压损耗、潮流分布等运行特性分析，辅助设计电力系统的网架结构、线路布置、设备选型及保护等。

3）支持多领域统一建模与仿真

电气模型库提供电学、机械、热、控制等接口模型，可应用于“机-电-热-控”等不同专业耦合的复杂系统建模与仿真验证，不同工况的系统仿真结果可在同一平台MWORKS下展现，且求解精度、效率均优于联合仿真方案。

三、典型应用案例

下文就2.3章节提到的电气模型库典型应用场景进行介绍：

3.1 集成电路IC系统

集成电路(Integrated Circuit, IC)是一种将各类电子元器件（如电阻、电容、晶体管等）集成在一块半导体晶片上的电子器件，已广泛应用于各种电子设备中，内容涵盖数字电路、模拟电路、射频电路、多芯片组件等设计工艺。这里以在通信设备、汽车电子、工业自动化等领域内应用较为广泛的同步降压芯片为例，该芯片为设备提供特定电压等级的供电电源，以满足手机、平板电脑、数码相机、车载充电器、行车记录仪、智能门锁、电动车仪表、DSP等不同设备的用电需求，底层主要由同步降压电路组成，是一种高能效、高转换效率的电源调节电路，可为不同类型的负载提供适配的稳定供电电压。

使用TYElectrical基础电气模型库，可快速搭建包含电源、MOSFET、电感、电容、续流二极管、电阻的同步降压电路如下图所示，通过改变对开关器件的控制信号，将输入电压降低到所需的输出电压水平，可靠性和稳定性高。

某型号同步降压芯片

同步降压电路模型

输入电压与输出电压、电流曲线

采用同元软控基础电气库搭建同步降压电路，通过合理设计与选择内部元器件的开关频率，可实现高效率、高稳定性的电压调节，并显著降低输出电压的波动与损耗，为汽车电子、通信设备等行业中同步降压芯片的应用场景提供电路级的仿真验证与支持。

3.2 工业伺服系统

工业伺服系统分为液压伺服、电气伺服和气动伺服三大类，目前，电气伺服系统应用最为广泛，主要体现在航空、航天、船舶、车辆等行业中。这里以航天伺服系统为例，该系统主要包括陀螺仪、加速度计、姿态传感器、伺服电机等设备，通过测量环境参数及航天器姿态信息来控制执行机构进行姿态调整。其中，控制力矩陀螺是一种利用陀螺效应实现姿态控制的装置，主要依靠陀螺自转产生的力矩，实现对航天器或飞行器的姿态控制。

使用TYMotor电机模型库，可快速搭建包含电机本体、控制器、逆变器、传感器、框架、转子、基座的单框架控制力矩陀螺系统模型如下图所示，用于验证电机控制算法的稳定性与可靠性、调试在不同工况下的控制参数、观察在多种激励下的伺服系统响应。

某航天器控制力矩陀螺伺服系统

控制力矩陀螺伺服系统模型

转子、框架转速及陀螺力矩曲线

采用同元软控电机库搭建控制力矩陀螺伺服系统，可实现转子转速、框架转速以及陀螺力矩的精确控制，综合验证伺服系统的响应速度和稳定性，为各行业中伺服控制系统的应用场景提供设备级与系统级的仿真验证与支持。

3.3 发电厂系统

发电作为电力系统“发-输-变-配-用”五大环节中的首个环节，是系统的电能来源。这里以小型发电厂系统为例，该系统拓扑结构上具有五个节点，组成上包括两台发电机、变压器、负荷、线路等模型，常用于小型配电网、微电网的规划与设计。

使用TYElectricPower电力系统模型库，可快速搭建发电厂系统模型如下图所示，两台发电机为系统注入电能，经过变压器、母线、线路等设备模型实现电压变换和电能分配后，为下游负荷进行有序供电，用以研究系统中各个节点的电压和功率分布情况。

发电厂系统

发电厂系统模型

三相电压、电流、有功及无功曲线

采用同元软控电力系统库搭建发电厂系统，可实现对系统的潮流分布、电压降落、线路损耗等进行快速计算和分析，以验证各设备是否过负荷，各节点电压及功率分配是否合理等。

3.4 新能源发电系统

新能源发电主要包括太阳能、风能、生物质能、地热能、潮汐能、氢能等能源，且在当前电力市场应用中以风能、太阳能为主，由于风光资源极强的不可控性，为保障大电网的安全稳定，需为系统配备具有灵活性调节功能的储能装置。这里以风光储一体化系统为例，进行典型实例的构建与仿真验证。

使用TYElectricPower电力系统模型库，可快速搭建新能源发电系统模型如下图所示，风电、光伏作为发电环节，与储能装置经控制器模块进行有序配合，当日照量风量大且下游负荷供电充足时，储能装置将启动充电程序。当日照量风量小且下游负荷供电不足时，储能装置将切换至放电程序，用以满足整个系统的用电需求并保证供电可靠性。

新能源发电系统

新能源发电系统模型

风光储电压及功率曲线

采用同元软控电力系统库搭建新能源发电系统，可实现对系统中的电压质量、线路损耗、有效出力等进行快速分析与计算，全面支撑风光储一体化系统的方案设计与仿真验证。

四、总结

本文重点对同元软控电气专业模型库进行了详细介绍，该模型库组件类型齐全，基本涵盖航空航天、能源电力、船舶推进、轨道交通等行业中的典型强弱电设备模型，如电子元器件、交直流电机、驱动器、控制器、一次设备、二次设备等。该模型库整体易用性与可扩展性强，符合电气工程师、电站运维人员、高校教学人员等用户的使用习惯，更多详细功能请下载试用体验。

目前，同元软控电气模型库是初次发布，尚存一些待改进之处，我们诚挚地邀请大家积极试用，并通过您的反馈助力我们不断完善电气模型库产品。更多组件及相关功能欢迎下载MWORKS.Sysplorer 2024a（官网链接：https://www.tongyuan.cc/download），下载后申请许可，使用账号登录即可试用。其中，电气模型库的使用说明、二次开发指导及常见问题可参见各模型库《用户手册》。

我们期待同元软控电气模型库在未来的工程应用、示范教学和科研探索中能够持续发展，为用户的数字化需求提供坚实的技术支撑，并为广大电气建模与仿真发烧友搭建一个良好的学习与交流平台！