HƯớng dẫn sủ dụng phần mềm PSIM mô phỏng mạch điện tử công suất

LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm gần đây, mô hình hóa trở thành phương pháp rất
hiệu quả trong nghiên cứu khoa học, trong thực tế sản xuất cũng như trong
phục vụ giảng dạy và học tập. Trên thị trường thế giới cũng đã xuất hiện rất
nhiều phần mềm Thiết kế - Mô phỏng mạch điện tử công suất. Có thể kể ra các
phần mềm như : PSPICE, TINA, MATLAB, SIMSEN, SUCCES, PSIM… Các
phần mềm này chính là công cụ để giúp các kỹ sư, các nhà sản xuất tối ưu hóa công
việc của mình, từ đó tạo ra những sản phẩm điện tử chính xác, đáng tin cậy và giá
thành thấp.
Ở nhiều trường Đại Học và Cao Đẳng việc mô phỏng mạch điện tử
còn nhiều khó khăn vì thiếu về trang thiết bị thực hành. Nhiều thiết bị mô
phỏng cũ, số lượng module ít nên không đáp ứng được hết các nhu cầu về
giảng dạy và học tập.
Để đáp ứng về nhu cầu thực tiễn đặt ra chúng em lựa chọn đề tài tốt
nghiệp “ Khai thác phần mềm PSIM - mô phỏng mạch điện tử công

suất” . Với những mục tiêu sau:
-

Giới thiệu về phần mềm và ứng dụng của phần mềm PSIM

-

Giúp sinh viên sử dụng phần mềm này để hiểu rõ hơn lý thuyết đã học.

-

Phục vụ cho mục đích nghiên cứu, học tập để nâng cao trình độ của
bản thân.
Đồ án được trình bày thành 5 chương:
Chương 1: Tổng quan về một số phần mềm mô phỏng mạch điện tử

công suất.
Chương 2: Giới thiệu về phần mềm PSIM.
Chương 3: Tổng quan về lò điện và lò điện trở.
Chương 4: Thiết kế mạch lực và mạch điều khiển lò điện trở.
Chương 5: Kết luận và đề xuất.

Trong quá trình làm đồ án, với sự tìm tòi và nghiên cứu của bản thân,
đặc biệt là sự giúp đỡ rất nhiệt tình của cô giáo Nguyễn Thị Điệp chúng em
đã hoàn thành đồ án này. Tuy nhiên do thời gian nghiên cứu còn hạn chế,
nên đồ án này của chúng em không tránh khỏi những thiếu xót. Em rất mong
nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô và các bạn để đồ án của
chúng em hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!


Chương 1. Tổng quan về một số phần mềm mô phỏng mạch điện tử

Chương 1
Tổng quan về một số phần mềm mô phỏng mạch điện tử
1.1. Matlab/Simulink
Đây là phần mềm được phổ cập ở mức độ toàn cầu. Hiện nay ở nước
ta, Matlab cũng khá quen thuộc trong lĩnh vực điều khiển và tự động hóa.
Tuy nhiên từ phiên bản 5.3 của matlab mới cho phép thâm nhập vào lĩnh vực
điển tử công suất (power electronic). Đây là phần mềm bổ sung của mục
“power system blockset” nằm trong phần simulink. Trong đó đưa ra mô hình
các phần tử bán dẫn là: tiristo, diot, GTO, MOSFET và ideal switch. Tất cả
các phần tử này đều được mô phỏng như một mạch gồm điện trở mắc nối
tiếp điện cảm khi ở trạng thái dẫn dòng điện, còn khi không dẫn dòng thì
tương ứng đứt mạch (tổng trở bằng vô hạn), ngoài ra luôn có mạch RC đấu
song song. Bằng cách ghép từng hình theo một sơ đồ cụ thể nào đó, có thể

thiết lập một thư viện các mạch điển tử công suất theo ý muốn (thí dụ như
mạch chỉnh lưu cầu hoặc mạch băm xung,…)
Phần mềm mô phỏng bằng Simulink rất thuận lợi khi cần phân tích và
khảo sát ở khía cạnh hệ thống, nhất là với hệ thống kín, ở đó mạch điện tử
công suất chỉ lầ một khối của hệ thống. Trong simulink, các van được mô
phỏng hoặc như một khoá lý tưởng, hoặc như một điện trở hai trạng thái.
Như vậy, phần tử bán dẫn mô phỏng không phản ánh chính xác đặc tính
Vôn-ampe của chúng nữa song điều đó không ảnh hưởng đến bản chất của hệ
thống được nghiên cứu, mặt khác lại giảm được đáng kể thời gian tính máy.
Lưu ý rằng trong simulink, các xung điều khiển cho các van là tín hiệu mức
logic 0/1, không phải là điện áp điều khiển hay dòng điều khiển cho van nên
không cần chú ý về phương diện cách ly giữa lực và điều khiển.

1.2. Phần mềm TINA (Toolkit for Interative Netword Analysis)
Đây là phần mềm chuyên dụng cho phân tích mạch điện, mạch điện tử
dạng tương tự và xung số mạch điện tử công suất do hãng designsoft đưa ra
thị trường. TINA có thanh công cụ đặc trưng là các phần tử mô phỏng mạch,
được chia làm 8 chức năng chính : phần tử cơ bản (basic components), đo
lường (meters), nhóm nguồn (sources), linh kiện bán dẫn (semiconductors),
mạch cổng (gate), mạch lật flip-flop (flip-flop), mạch logic (logic IC).. Đối
2


Chương 1. Tổng quan về một số phần mềm mô phỏng mạch điện tử

với mạch phân tích điện tử công suất thì hay dùng nhất 4 nhóm đầu, trong đó
đặc trưng chính thể hiện ở nhóm nguồn và nhóm cá phần tử bán dẫn. Nhưng
nhóm quan trọng hơn cả là mô hình các linh kiện bán dẫn:diot, transitors,
tiristo, triac, diac.
Điểm khác biệt của các mô phỏng trong TINA so với mô hình cùng

loại trong MATLAB là chúng được xây dựng theo bản chất hoạt động vật lý
bán dẫn thể hiện bằng các phương trình với nhiều tham số đặc trưng, do đó
mô hình mô phỏng rất sát đặc tính Vôn-ampe thực của chủng loại đó. Vì vậy
để đưa vào mạch một bóng bán dẫn cụ thể cần phải biết khá nhiều tham số
của nó, điều này không phải lúc nào cũng biết được. Để dễ dàng cho người
sử dụng, thư viện của TINA có sẵn hàng trăm loại bóng thông dụng trên thị
trường với các tham số chuẩn do nhà chế tạo cung cấp.

1.3.

Phần

mềm

PSPICE

(Power

Simulation

Program

with

Intergrated Circuit Emphases)
PSPICE là phần mềm mô phỏng mạch điện -điện tử trường đại học
tổng hợp California ở Berkeley sáng tạo ra. Hiện nay PSPICE được xem là
một trong những phần mềm mô phỏng mạch điện-điện tử mạnh và phổ biến
trên thế giới. Có thể nói rằng trong lĩnh vực mô phỏng mạch điện tử PSPICE
cũng thông dụng như MATLAB trong mô phỏng hệ thống tự động. Phần

mềm này cho phép người dùng thiết lập mô hình phần tử của mình theo định
hướng nghiên cứu riêng, mở ra khả năng rộng lớn cho các chuyên gia trong
lĩnh vực điện tử công suất. Đây là sản phẩm mới nhất, nhằm tổng hợp các
giai đoạn thiết kế chế tạo mạch điện tử: xây dựng mạch nguyên lý, mô
phỏng, chuyển mạch nguyên lý mạch sang mạch in, đổ sang máy làm mạch
in...
Thư viện của PSPICE rất lớn, lên đến hàng chục nghìn linh kiện điện
tử, bóng bán dẫn, vi mạch IC của rất nhiều hãng trên thế giới, vì vậy rất
thuận lợi khi thiết kế hay khảo sát mạch sử dụng các linh kiện có sẵn trong
thư viện và xây dựng các mô hình riêng, tự thiết lập thư viện riêng phục vụ
mục đích của mình.
Giống như TINA, trong PSPICE có sẵn rất nhiều loại nguồn điện để
người khảo sát sử dụng (nguồn điện áp, dòng điện một chiều, nguồn điện
hình sin, dạng sóng theo hàm mũ, nguồn tín hiệu điều chế tần số) và 4 nguồn
phụ thuộc cơ bản. Ngoài ra còn có công tắc điện tử được điều khiển bằng
3


Chương 1. Tổng quan về một số phần mềm mô phỏng mạch điện tử

điện áp hoặc bằng dòng điện. Các phân tích chính là đặc tính truyền đạt, đặc
tính tần số, điểm làm việc một chiều, đặc tính động. Trong mô phỏng mạch
điện tử công suất quan trọng nhất là phân tích động (transient analysis).
Trong PSPICE chế độ phân tích này thường tốn thời gian tính của PC, khi
mạch phức tạp hoặc thời gian khảo sát lớn, dung lượng của file dữ liệu này
có thể lên đến hàng trăm MB. Vì vậy khi chương trình đang chạy ta có thể
tạm dừng chương trình để theo dõi và kiểm tra sơ bộ nếu thấy không đạt thì
ngắt hẳn chương trình để sửa đổi..

1.4. Phần mềm PSIM (Power electronics simulation software)

PSIM là phần mềm mạch do hãng LAB-VOLT (Hoa Kỳ) - Một trong
các nhà sản xuất các thiết bị dạy học nổi tiếng viết và đưa ra thị trường. Đây
là phần mềm không chỉ mạnh trong học tập, giảng dạy mà còn là tài liệu cơ
bản cho các kỹ sư khi nghiên cứu, phân tích, khai thác mạch điện tử công
suất, các mạch điều khiển tương tự và số, cũng như trong hệ truyền động
xoay chiều (AC), một chiều (DC).
PSIM chạy trong môi trường Microsoft Windows 98/NT/2000/XP với
yêu cầu bộ nhớ RAM tối thiểu là 32 MB. Chương trình thiết kế mạch của
PSIM là một chương trình có tính tương tác cao giữa giao diện của các thư
mục và phần mềm soạn thảo mạch điện với người sử dụng. Các phần tử của
mạch được chứa trong menu Elements. Các phần tử được chia thành bốn
nhóm là: Phần tử mạch công suất (Power), phần tử mạch điều khiển
(Control), phần tử nguồn (Sources) và các phần tử khác (Others). Thư viện
trong PSIM bao gồm hai phần: Thư viện hình ảnh (PSIMimage.lib) và thư
viện danh sách (PSIMLIB). Thư viện danh sách không thể sửa đổi được,
nhưng thư viện hình ảnh có thể sửa đổi hoặc tạo lập một thư viện hình ảnh
riêng cho người sử dụng.
Nhìn chung, PSIM được đánh giá là một phần mềm dễ sử dụng, trực quan,
dung lượng nhẹ và khá mạnh trong lĩnh vực Điện tử công suất. PSIM có ưu điểm
mô phỏng độc lập mạch lực vì các khối điều khiển đã được xây dựng sẵn, ta chỉ
việc lắp ghép. Vì vậy, chúng em lựa chọn đề tài đồ án là: Khai thác phần mềm
PSIM mô phỏng mạch điện tử công suất.

4


Chương 2. Giới thiệu về phần mềm PSIM

Chương 2
Giới thiệu về phần mềm PSIM

2.1. Giới thiệu về phần mềm PSIM
2.1.1. Khái niệm chung
PSIM bao gồm 3 chương trình:
PSIM schematic

PSIM simulator

SIMVIEW
Hình 2.1. Quá trình mô phỏng trên PSIM

PSIM Schematic: chương trình thiết kế mạch
PSIM Simulator : chương trình mô phỏng.
PSIM VIEW

: chương trình hiển thị đồ thị sau khi mô phỏng .

PSIM biểu diễn một mạch điện trên 4 khối:
Power circuit

Switch
controllers

Sensors

Control circuit
Hình 2.2. Biểu diễn một mạch điện trên PSIM

-

Power circuit: mạch động lực.

-

Control circuit: mạch điều khiển.

-

Sensors: hệ cảm biến.
5


Chương 2. Giới thiệu về phần mềm PSIM

-

Switch controllers: bộ điều khiển chuyển mạch.

Mạch động lực bao gồm các van bán dẫn công suất, các phần tử RLC,
máy biến áp lực và cuộn cảm san bằng.
Mạch điều khiển sẽ được biểu diễn bằng các sơ đồ khối, bao gồm cả
các phần tử trong miền S, miền Z, các phần tử logic (ví dụ như các cổng
logic,flip-flop) và các phần tử phi tuyến (ví dụ bộ chia). Các phần tử cảm
biến sẽ đo các giá trị điện áp, dòng điện trong mạch lực để đưa các tín hiệu
đo này về mạch điều khiển. Sau đó mạch điều khiển sẽ cho các tín hiệu đến
bộ điều khiển chuyển mạch để điều khiển quá trình đóng cắt các van bán dẫn
trong mạch lực.

2.1.2. Khởi động chương trình
Khi khởi động chương trình thì PSIM Schematic sẽ chạy đầu tiên, các bạn
vào File --> New, giao diện như sau:

Menu

toolbar

Element
toolbar

Circuit
window

Hình 2.3. Giao diện của chương trình PSIM

Thanh chuẩn (Standard) gồm: File, Edit, View, Subcircuit, Element,
Simulate, Option, Window, Help. Mọi thao tác trong PSIM đều có thể thực
hiện được từ thanh chuẩn này.
Thanh công cụ gồm: New, Save, Open...Và các lệnh thường dùng như
Wire (nối dây), Zoom, Run Simulation (chạy mô phỏng)...
Thanh dưới cùng là các linh kiện thường dùng như điện trở, cuộn cảm,
tụ điện, diode, thyristor,…

2.1.3. Biểu diễn tham số các phần tử
Các tham số mối phần tử, bộ phận của mạch được đối thoại trên ba
cửa sổ của PSIM bao gồm :
6


Chương 2. Giới thiệu về phần mềm PSIM

- Các tham số (Parameters).
- Các thông tin khác (Orther Info).

- Màu sắc (Color).

Hình 2.4. Cửa sổ trao đổi tham số trên PSIM

Cửa sổ Parameters được sử dụng trong quá trình mô phỏng, còn cửa sổ
Orther Info không sử dụng cho mô phỏng mà chỉ dành cho người sử dụng,
các thông tin này sẽ được hiện ra trong mục View/Element List.Ví dụ như
các thông số loại thiết bị, tên nhà sản xuất, số sản xuất…Còn cửa sổ Color
để xác định màu sắc cho từng phần tử.
Trên cửa sổ Parameters, các tham số được đưa vào dưới dạng các số
thập phân hoặc dạng biểu thức toán học. Ví dụ một điện trở có thế được biểu
diễn dưới các dạng sau:
12.5 ; 12.5 k ; 12.5 Ohm ; 12.5 kOhm ; 25/2 Ohm.
Các luỹ thừa sau sử dụng các chữ cái để thể hiện :
10 9 : G

10 6 : M

10 3 : K

10 −3 : m

10 −6 : u

Các hàm toán học sau được sử dụng:
+
-

phép cộng
phép trừ

*

phép nhân

/

phép chia

^

hàm mũ

SQRT

hàm căn bậc hai

SIN

hàm sin

COS

hàm cos

TAN

hàm tang

LOG

hàm logarit cơ số tự nhiên

7

10 −9 : n

10 −12 : p


Chương 2. Giới thiệu về phần mềm PSIM

2.2. Một số phần tử mạch lực
2.2.1. Điện trở, điện cảm và điện dung (RLC)
Với PSIM, các phần tử R, L, C rời rạc hay một nhánh RLC đều có thể được
mô tả với các điều kiện đầu được xác định (dòng điện trên L, điện áp trên C).
Ngoài ra mạch ba pha đối xứng, nhánh RLC cũng được mô tả với các điều kiện đầu
được xác định bằng 0 bằng các ký hiệu “R3”, “RL3”, “RC3” và “RLC3”.

Hình 2.5. ký hiệu phần tử RLC một pha và ba pha

2.2.2. Các khoá chuyển mạch
Có hai dạng cơ bản của khoá đóng cắt trong PSIM : một là theo kiểu khoá
gồm hai trạng thái (đóng và mở khoá), hai là theo kiểu ba trạng thái (đóng, mở và
làm việc trong chế độ khuyếch đại tuyến tính).
Khoá hai trạng thái bao gồm : điôt (DIODE), điac (DIAC), tiristor (THY),
triac (TRIAC), GTO, tranzito công suất theo kiểu npn (NPN) hoặc pnp (PNP),
IGBT, MOSFET kênh n (MOSFET_n) và kênh p (MOSFET_p), và khóa hai chiều
(SSWI). Các phần tử này được mô tả như các khoá lý tưởng, nghĩa là ở trạng thái
đóng (cho dòng chạy qua) khoá có gía trị nội trở bằng 10 µΩ , còn ở trạng thái mở

(không có dòng) sẽ có giá trị 1M Ω .

Hình 2.6. ký hiệu diot, diac và thyristor trong PSIM

Khoá ba trạng thái bao gồm hai loại tranzito pnp (PNP_1) và npn (NPN_1).

Hình 2.7. ký hiệu tranzito ba trạng thái

8


Chương 2. Giới thiệu về phần mềm PSIM

2.2.3. Khối điều khiển Gating block
Khối này chỉ được nối với cực điều khiển của các khoá điện tử hai trạng thái
kể trên và được xác định tính chất trực tiếp của block Gating.
Mô tả một Gating block:

Hình 2.8. Ký hiệu của Gating block.

Frequency: tần số làm việc khi nối với các khoá điện tử.
Number of points: số lần tác động trong một chu kỳ.
Switching points: Góc tác động trong một chu kỳ.

2.2.4. Máy biến áp
Có các loại như : Máy biến áp lý tưởng, máy biến áp một pha và ba pha với
các kiểu đấu dây.
Trên Psim các loại máy biến áp một pha sau đây được sử dụng :
- Một cuộn dây sơ cấp và một cuộn dây thứ cấp (TF_1F/TF_1F_1)
-

Một cuộn dây sơ cấp và hai cuộn dây thứ cấp (TF_1F_3W)

-

Hai cuộn dây sơ cấp và hai cuộn dây thứ cấp (TF_1F_4W)

-

Một cuộn dây sơ cấp và bốn cuộn dây thứ cấp (TF_1F_5W)

-

Một cuộn dây sơ cấp và sáu cuộn dây thứ cấp (TF_1F_7W)

Hình 2.9. ký hiệu các loại máy biến áp một pha

Trên Psim có các loại máy biến áp ba pha trụ sau :
- Máy biến áp 3 pha 2 cuộn dây có các đầu dây ra của đầu và cuối cuộn
-

dây (TF_3F)
Máy biến áp 3 pha nối Y/Y và Y/ ∆ (TF_3YY/TF_3YD)
Máy biến áp 3 pha 3 cuộn dây nối Y/Y/ ∆ và Y/ ∆ / ∆
(TF_3YYD/TF_3YDD)
9


Chương 2. Giới thiệu về phần mềm PSIM

Hình 2.10. ký
hiệu các loại
biến áp ba
pha

2.2.5. Các
môđun của
bộ biến đổi một pha và ba pha
Các môđun bộ biến đổi một pha bao gồm cầu chỉnh lưu một pha bằng
điôt và tiristo được biểu diễn như sau :

Hình 2.11. Môđun chỉnh lưu cầu một pha

Các môđun của bộ biến đổi ba pha bao gồm : chỉnh lưu cầu ba pha
điôt BDIODE3, chỉnh lưu cầu ba pha tiristo BTHY3, chỉnh lưu tia ba pha
tiristo BTHY3H :

Hình 2.12. Môđun chỉnh lưu cầu ba pha

2.3. Một số phần tử mạch điều khiển
2.3.1. Khối hàm truyền
Khối hàm truyền được biểu diễn bằng tỷ số của hai đa thức của tử số và mẫu
số như sau :

Bs
G(s) = k
As

n

n
n

n

2

1

+ ... + B 2 s + B1 s + B0
+ ... +

2

1

A s +As +A
2

1

0

Có hai dạng của khối hàm truyền trên PSIM : loại thứ nhất cho các giá trị
“không” ban đầu ( TFCTN), loại thứ hai cho các tham số vào ban đầu(TFCTN1).

10


Chương 2. Giới thiệu về phần mềm PSIM

Bao gồm các khối như : khối tỷ lệ, khối tích phân, khối vi phân, khối tích
phân - tỷ lệ và khối lọc.
Hình 2.13. Ký hiệu khối tỷ lệ

Hình 2.14. Ký hiệu khối tích phân

Hình 2.15. Ký hiệu khối tỷ lệ - tích phân

2.3.2. Các khối tính toán
Bao gồm các khối như khối cộng, khối nhân và chia, khối hàm căn bậc hai,
mũ, luỹ thừa, logarit , khối hàm tính giá trị hiệu dụng RMS, khối hàm trị tuyệt đối
và dấu, khối hàm lượng giác và khối biến đổi Fourier nhanh FFT.

Hình 2.16. Ký hiệu các khối cộng

Hình 2.17. Ký hiệu các khối nhân và chia

Hình 2.18. Ký hiệu các khối hàm căn, mũ, luỹ thừa và logarit

2.3.3. Các khối hàm khác
2.3.3.1. Khối so sánh
Tín hiệu ra của khối so sánh sẽ có giá trị dương khi tín hiệu vào ở cực (+)
có giá trị lớn hơn ở cực (-), sẽ có tín hiệu ra bằng 0 khi tín hiệu cực (+) nhỏ hơn.
Khi giá trị vào ở hai cực bằng nhau thì tín hiệu ra luôn giữ giá trị ở thời điểm đó.

Hình 2.19. Ký hiệu khối so sánh

11

Chương 2. Giới thiệu về phần mềm PSIM

2.3.3.2. Khối hạn chế
Tín hiệu ra của khối hạn chế sẽ bằng giá trị tín hiệu vào khi tín hiệu
chưa vượt quá giá trị giới hạn, còn khi tín hiệu vào vượt quá tín hiệu giới
hạn thì tín hiệu ra sẽ ở mức hạn chế cao nhất hoặc thấp nhất.
Hình 2.20. Ký hiệu khối hạn chế

2.3.3.3. Khối xung hình thang và xung chữ nhật
Hai khối, khối xung hình thang (LKUP_TZ) và khối xung hình chữ
nhật (LKUP_SQ).

Hình 2.21. Ký hiệu xung hình thang và xung chữ nhật

2.3.3.4. Khối trễ thời gian (time delay block)
Khối này sẽ tạo trễ một khoảng thời gian của dạng sóng đầu vào, ví dụ
như chúng được sử dụng vào mô hình của phần tử truyền sóng có trễ hay
phần tử logic. Để mô tả khối trễ thời gian chỉ cần xác định thời gian trễ tính
theo giây (s).

Hình 2.22. Ký hiệu khối trễ thời gian .

2.3.4. Các phần tử logic
2.3.4.1. Cổng logic
Đó là các cổng logic : cổng AND, OR, XOR, NOT, NAND và NOR.

Hình 2.23. ký hiệu các cổng logic

2.3.4.2. Khối chuyển đổi A/D và D/A

Đây là các khối chuyển đổi tương tự/số (analog/digital) và ngược lại,
với 2 loại ở tín hiệu số 8 bit và 10 bit.
12


Chương 2. Giới thiệu về phần mềm PSIM

Hình 2.24. ký hiệu các khối chuyển đổi A/D và D/A

2.4. Các phần tử khác
2.4.1. Các dạng nguồn
2.4.1.1. Nguồn một chiều DC
Các dạng nguồn một chiều có ký hiệu (_GND) là loại có nối đất, ký
hiệu (V) là dạng nguồn áp, ký hiệu (I) là nguồn dòng.

Hình 2.25. Ký hiệu các nguồn DC

2.4.1.2. Nguồn hình Sin
Nguồn hình sin cũng bao gồm hai loại nguồn dòng và áp,có ký hiệu ở
hình 2.25. đối với nguồn một pha và nguồn điện áp sin ba pha đối xứng nối
(Y) được ký hiệu như hình 2.26, với pha A có ký hiệu dấu chấm trên nguồn.

Hình 2.26. Ký hiệu nguồn hình sin một pha nguồn hình sin ba pha

2.4.1.3. Nguồn sóng chữ nhật
Có 2 loại nguồn sóng chữ nhật : nguồn áp (VSQU) và nguồn dòng
(ISQU) có ký hiệu như ở hình 2.27.

Hình 2.27. Ký hiệu nguồn sóng chữ nhật

2.4.1.4. Cảm biến điện áp/dòng điện
13


Chương 2. Giới thiệu về phần mềm PSIM

Các cảm biến sẽ đo giá trị điện áp và dòng điện trong mạch động lực
để sử dụng trong mạch điều khiển. Cảm biến dòng sẽ có nội trở là 1 µΩ .
Hình 2.28. Ký hiệu các cảm biến điện áp và dòng điện

2.4.2. Bộ điều khiển chuyển mạch
2.4.2.1. Bộ điều khiển khoá đóng cắt (on-off switch controller)
Bộ điều khiển như một giao diện giữa tín hiệu điều khiển và khoá
đóng cắt mạch lực : tín hiệu đầu vào của khối là 0 hoặc 1 từ mạch điều khiển
sẽ đưa đến cực điều khiển của khoá động lực.
Hình 2.29. ký hiệu của bộ on-off switch controller .

2.4.2.2.Bộ điều khiển góc mở α
Bộ điều khiển dùng để điều khiển góc mở của tiristor, ký hiệu vào của
bộ điều khiển bao gồm : góc α , tín hiệu đồng bộ và tín hiệu cho phép
(enable/disable signal). Quá trình chuyển đổi tín hiệu đồng bộ từ 0 đến 1 sẽ
cung cấp thời điểm đồng bộ ở góc 0 0 . Còn góc mở α được xác định từ tín
hiệu tức thời, alpha được tính theo độ.

Hình 2.30. ký hiệu của bộ alpha controller .

Mô tả:
Frequency: tần số tác động của bộ, Hz.
Pulse width: độ rộng xung điều khiển, độ.

2.4.3. Mạch phụ (Subcircuit)
Các bước thao tác một mạch phụ như sau:
- New subcircuit:

Thiết lập một mạch phụ mới.

- Load subcircuit:

Tải xuống một mạch phụ đã có, mạch phụ
này sẽ hiển thị trên màn hình như một khối.

- Edit subcircuit:

Soạn thảo kích thước tên file của mạch phụ.
14


Chương 2. Giới thiệu về phần mềm PSIM

- Set size:

Cài đặt độ lớn của mạch phụ.

- Place port:

Đặt vị trí cổng kết nối giữa mạch chính với
mạch phụ.

- Display port:

Hiển thị cổng kết nối của mạch phụ.

- Edit default variable list: Soạn thảo danh sách các thông số mặc
định trên mạch phụ.
- Edit image:

Soạn thảo hình ảnh của mạch phụ.

- Display subcircuit name: Hiển thị tên của mạch phụ.
- Show subcircuit ports:

Hiển thị tên cổng của mạch phụ trong

mạch chính.
- Hide subcircuit ports: không cho hiển thị tên cổng của mạch phụ
trong mạch chính.
- Subcircuit list:

Danh sách tên file của mạch chính và mạch
phụ.

- One page up:

Quay trở lại mạch chính, khi đó mạch phụ sẽ
được lưu tự động.

- Top page:

Nhảy từ mạch phụ (mức thấp) lên mạch
chính (mức cao) cho phép sử dụng dễ dàng

khi có chiều mạch phụ.

2.4.3.1. Taọ mạch phụ trong mạch chính
Các bước tạo một mạch phụ có tên file “mach-phu.sch” trong mạch chính có
địa chỉ “mach-chinh.sch” như sau:
- Tạo “mach-chinh.sch”.
- Trong “mach-chinh.sch” chọn menu subcircuit để chọn new
subcircuit.
- Một khối vuông sẽ xuất hiện trên màn hình để tạo mạch phụ.

2.4.3.2. kết nối mạch phụ trong mạch chính
Khi mạch phụ đã được thiết lập cùng với các cổng kết nối của nó đã
xác định, cần nối mạch phụ vào mạch chính theo các bước sau:
- Trong mạch chính các điểm nối của khối mạch phụ sẽ xuất hiện các với các
vòng tròn rỗng.
- Chọn khối mạch phụ và chọn Show subcircuit ports trêb menu Subcircuit
để hiển thị tên cổng được xác định ở phần trên.
- Dùng dây nối vào các điểm nối tương ứng.

2.5. Các bước tiến hành mô phỏng mạch điện tử công suất
15


Chương 2. Giới thiệu về phần mềm PSIM

Để tiến hành khảo sát một mạch điện tử công suất, cần tiến hành các bước
sau :
1. Xác định mô hình các phần tử bán dẫn cần có để thiết lập mạch cần khảo
sát, nhất là các van bán dẫn công suất.
2. Thiết lập sơ đồ nguyên lý của mạch cần nghiên cứu. Thông thường gồm

hai phần: sơ đồ mạch lực và sơ đồ mạch điều khiển.
3. Chuyển đổi từ sơ đồ nguyên lý sang chương trình mô hình hoá theo ngôn
ngữ chuyên dụng của phần mềm.
4. Vào các tham số sơ đồ và số liệu khảo sát.
5. Tiến hành khảo sát, thường chia thành hai bước:
a) Chạy thử chương trình với chế độ quen thuộc mà kết quả đã biết trước để
kiểm tra độ chính xác của mô hình.
b) Khi mô hình đạt độ tin cậy, tiến hành nghiên cứu với các chế độ cần khảo
sát theo yêu cầu đặt ra.

2.6. Ví dụ mô phỏng
2.6.1. Thiết kế mạch điện
Thiết kế mạch băm áp một chiều sử dụng hai khối điều khiển cho IGBT:
Gating block hoặc switch controller với tần số đóng cắt của độ băm là 5 kHz.

2.6.2. Cài đặt tham số cho các phần tử của mạch lực
Để cài đặt các tham số vào một phần tử, trước tiên ta nháy kép chuột trái vào
phần tử đó, trên màn hình xuất hiện cửa số đối thoại để người sử dụng có thể đưa
tham số vào.

Hình 2.31. Thiết kế mạch băm áp một chiều

2.6.3. Cài đặt tham số các phần tử của mạch điều khiển
* Mạch điều khiển dùng Gating block :
16


Chương 2. Giới thiệu về phần mềm PSIM

- Tên khối điều khiển : Go

- Tần số làm việc : 5000 Hz
- Số lần tác động trong một chu kỳ : 2
- Góc tác động trong một chu kỳ : 180 o

Hình 2.32. Hộp thoại mô tả khối Gating block

*. Mạch điều khiển dùng switch controller :
Tín hiệu vào của khối này là tín hiệu so sánh COMP, so sánh hai tín hiệu :
nguồn một chiều VDC và nguồn xung tam giác VTR1.

Hình 2.33. hộp thoại tham số các phần tử mạch điều khiển dùng switch controller

2.6.4. Chạy mô phỏng
Sau khi thiết kế mạch, mô tả và cài đặt các tham số cho tất cả các phần tử
trong mạch, ta tiến hành mô phỏng mạch bằng cách ấn nút chuột trái lên ký hiệu
khởi động mô phỏng (Run Psim) trên thanh công cụ của cửa sổ mạch thiết kế. khi
đó Psim sẽ khởi động và chạy chương trình mô phỏng mạch (Psim simulator).
Trên màn hình sẽ xuất hiện cửa sổ lựa chọn các đường cong mô phỏng hiển thị
(hình 2.34): cửa sổ bên trái là các đường cong hiển thị, cửa sổ bên phải là đường
17


Chương 2. Giới thiệu về phần mềm PSIM

cong cần hiển thị. Trong đó các đường cong I (L1) và V1 là cho mạch bên trái
(hình 2.31) còn I (L2) và V2 là cho mạch hình bên phải.

Hình 2.34. Cửa sổ lựa chọn hiển thị các đường cong kết quả

Hình 2.35. Đường cong kết quả mô phỏng I(L1) V1 với f=5000 Hz.

Hình 2.35 là đường cong kết quả mô phỏng I (L1) và V1 trong miền thời gian.Với
các tham số giống hệt nhau của mạch bên phải (hình 2.31) so với mạch bên trái thì
kết quả đường cong I(L2) và V2 sẽ giống I(L1) và V1.
Để nghiên cứu ảnh hưởng của tần số đóng cắt mạch băm áp một chiều này ta cho
tham số f biến thiên.Giả sử ta thay đổi tần số bộ nguồn sóng tam giác VTR1 là 1000
Hz, với các bước Run Psim và Run simulator, ta có đường cong của I (L2) và V2.

18


Chương 2. Giới thiệu về phần mềm PSIM

Hình 2.36. Đường cong kết quả mô phỏng I(L2) và V2 với f=1000 hz và L2=0.001 H

Nhận xét :
So sánh kết quả của hình 2.35 và 2.36 với cùng một tỷ lệ trên trục y, hiển thị
trong cùng một khoảng thời gian trục X, ta thấy :
- Ở tần số 5000 Hz thì sau khoảng 2ms, điện áp và dòng điện đầu ra gần như
có giá trị một chiều phẳng ổn định (V1 = 50 V; I(L1) = 10 A).
- Trong khi đó với tần số 1000 Hz thì điện áp và dòng điện ra của độ băm có
giá trị một chiều dao động với biên độ lớn với tần số 1000 Hz. Để cải thiện
dạng sóng đầu ra ở tần số này ta tăng giá trị cuộn kháng san bằng. Hình 2.37
là dạng đường cong kết quả của I (L2) và V2 khi L2 = 0.01 ở tần số 1000 hz
(các phần tử khác giữ nguyên tham số).

19


Chương 2. Giới thiệu về phần mềm PSIM

Hình 2.37. Đường cong kết quả mô phỏng I (L2) và V2 với f=1000 hz ; L2 = 0.01 H

Trên đây là giới thiệu sơ lược về sử dụng PSIM mô phỏng Điện tử công suất.
Để làm rõ hơn ưu điểm của phần mềm PSIM, chúng tôi sẽ thiết kế bộ điều
khiển cho lò điện trở với thông số:
D t = 300 0 ÷ 500 0
P max = 50 kW
∆P = 3 kW

Nguồn 50 Hz ; 3 pha 380 V.

20


Chương 3. Tổng quan về lò điện

Chương 3
Tổng quan về lò điện
3.1. Giới thiệu chung về lò điện
3.1.1.Định nghĩa
Lò điện là một thiết bị điện biến điện năng thành nhiệt năng dùng trong các
quá trình công nghệ khác nhau như nung hay nấu luyện các vật liệu, các kim loại và
các hợp kim khác nhau ,v.v..
- Lò điện được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật:
+ Sản xuất thép chất lượng cao
+ Sản xuất các hợp kim phe-rô
+ Nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện
+ Nung các vật phẩm trước khi cán, rèn đập, kéo sợi
- Trong các lĩnh vực công nghiệp khác:

+ Trong công nghiệp nhẹ và thực phẩm, lò điện được dùng để sấy, mạ
vật phẩm và chuẩn bị thực phẩm
+ Trong các lĩnh vực khác, lò điện được dùng để sản xuất các vật phẩm
thuỷ tinh, gốm sứ, các loại vật liệu chịu lửa …
Lò điện không những có mặt trong các ngành công nghiệp mà ngày
càng được dùng phổ biến trong đời sống sinh hoạt hằng ngày của con người
một cách phong phú : bếp điện, nồi cơm điện, bình đun nước điện, thiết bị
nung nắn, sấy điện …

3.1.2. Ưu điểm của lò điện so với các lò sử dụng nhiên liệu
Lò điện so với các lò sử dụng nhiên liệu có những ưu điểm sau:
+ Có khả năng tạo được nhiệt độ cao
+ Đảm bảo tốc độ nung lớn và năng suất cao
+ Đảm bảo nung đều và chính xác do dễ điều chỉnh chế độ điện và nhiệt
độ
+ Có khả năng cơ khí hoá và tự động hoá quá trình chất dỡ nguyên liệu
và vận chuyển vật phẩm
+ Đảm bảo điều kiện lao động hợp vệ sinh, điều kiện thao tác tốt, thiết
bị gọn nhẹ

3.1.3. Nhược điểm của lò điện
-

Năng lượng điện đắt
Yêu cầu có trình độ cao khi sử dụng .

3.2. Giới thiệu về lò điện trở
21

Chương 3. Tổng quan về lò điện

3.2.1. Nguyên lý làm việc của lò điện trở
Lò điện trở làm việc dựa trên cơ sở khi có một dòng điện chạy qua một dây
dẫn hoặc một vật dẫn thì ở đó sẽ toả ra một nhiệt lượng theo định luật Jun-Lenxơ :
Q=I 2 RT
Q - Lượng nhiệt tính bằng Jun ( J )
I - Dòng điện tính bằng Ampe ( A )
R - Điện trở tính bằng Ôm
T - Thời gian tính bằng giây ( s )
Từ công thức trên ta thấy điện trở R có thể đóng vai trò:
- Vật nung : Trường hợp này gọi là nung trực tiếp
- Dây nung :Khi dây nung được nung nóng nó sẽ truyền nhiệt cho vật
nung bằng bức xạ, đối lưu, dẫn nhiệt hoặc phức hợp. Trường hợp này
gọi là nung gián tiếp .
Trường hợp thứ nhất ít gặp vì nó chỉ dùng để nung những vật có hình
dạng đơn giản ( chữ nhật, vuông, tròn )
Trường hợp thứ hai thường gặp nhiều trong thực tế công nghiệp.Cho
nên nói đến lò điện trở không thể không đề cập đến vật liệu để làm dây nung,
bộ phận phát nhiệt của lò.

3.2.2. Yêu cầu đối với vật liệu làm dây nung
- Có độ bền cơ khí cao, không bị biến dạng ở nhiệt độ cao.
- Có điện trở suất lớn.
- Hệ số nhiệt điện trở nhỏ.
- Dễ gia công, dễ hàn, hoặc dễ ép khuôn.

3.2.3. Cấu tạo lò điện trở
Lò điện trở gồm 3 phần chính : vỏ lò, lớp lót, dây nung.

3.2.3.1. Vỏ lò
Vỏ lò điện trở là một khung cứng vững, chủ yếu để chịu tải trọng trong quá
trình làm việc của lò. Mặt khác vỏ lò cũng dùng để giữ lớp cách nhiệt rời và đảm
bảo sự kín hoàn toàn hoặc tương đối của lò. Khung vỏ lò cần cứng vững đủ để chịu
được tải trọng của lớp lót, phụ tải lò và các cơ cấu cơ khí gắn trên vỏ lò. Có các loại
vỏ lò như vỏ lò tròn, vỏ lò chữ nhật…

3.2.3.2. Lớp lót
Gồm hai phần là vật liệu chịu lửa và cách nhiệt.
Phần vật liệu chịu lửa có thể xây bằng gạch tiêu chuẩn hay gạch hình đặc
biệt tuỳ theo hình dáng và kích thước đã cho của buồng lò. Phần vật liệu chịu lửa
22


Chương 3. Tổng quan về lò điện

cần đảm bảo các yêu cầu như: Chịu được nhiệt độ làm việc cực đại của lò, có độ
bền tốt, đảm bảo khả năng gắn dây nung bền và chắc chắn…
Phần cách nhiệt thường nằm giữa vỏ lò và phần vật liệu chịu lửa. Mục đích
chủ yếu của phần này là để giảm tổn thất nhiệt. Riêng đối với đáy, phần cách nhiệt
đòi hỏi phải có độ bền cơ học nhất định. Phần cách nhiệt có thể xây bằng gạch cách
nhiệt hoặc được điền đầy bằng bột cách nhiệt.

3.2.3.3. Dây nung
Theo đặc tính của vật liệu làm dây nung, người ta chia dây nung làm hai
loại : dây nung kim loại và dây nung phi kim loại. Trong công nghiệp, các lò điện
trở dùng phổ biến là dây nung kim loại.

Hình 3.1. lò giếng

Thông thường trong thực tế, người ta hay sử dụng bộ điều chỉnh xung áp
xoay chiều ba pha để điều khiển nhiệt độ của các lò điện trở.

3.3. Phương pháp điều khiển lò điện trở bằng mạch điều áp xoay chiều ba
pha
Trong thực tế ta hay nguời ta hay sử dụng bộ điều chỉnh xung áp ba pha điều
khiển nhiệt độ của các lò điện trở. Nếu bộ biến đổi xung áp ba pha được ghép từ ba
bộ biến đổi một pha và có dây trung tính thì dòng qua mỗi pha sẽ không phụ thuộc
vào dòng của các pha khác.

23


Chương 3. Tổng quan về lò điện

Hình 3.2. Bộ biến đổi xung áp có dây trung tính và không dây trung tính.

Khi phân tích hoạt động của sơ đồ ta cần xác định rõ xem trong các giai
đoạn sẽ có bao nhiêu van dẫn và nhờ các quy luật dưới đây ta có thể có được biểu
thức điện áp của từng giai đoạn, từ đó mới tiến hành tính toán. Dưới đây là các quy
luật dẫn dòng của van trong mạch điều áp xoay chiều ba pha:
- Nếu mỗi pha có một van dẫn thì toàn bộ điện áp ba pha nguồn đều nối
ra tải.
- Nếu chỉ hai pha có van dẫn thì một pha nguồn bị ngắt ra khỏi tải, do
đó diện áp đưa ra tải bằng ½ điện áp 2 pha có van dẫn.
- Không thể có trường hợp chỉ có một pha dẫn dòng.
Ta xét hoạt động của mạch điều áp xoay chiều ba pha dùng sáu thyristor đấu
song song ngược, tải thuần trở đấu hình sao ở trên và dựng đồ thị quan hệ giữa công
suất tải và góc α :
Công suất tải là

: P = 3.R.I 2 . Trong đó I là trị số hiệu dụng của dòng điện

tải. Dòng điện này biến thiên theo quy luât dẫn dòng của van như sau :
- Nếu mỗi pha có một van dẫn ( hay toàn mạch có ba van dẫn ) :
i=
-

U

dm

3R

sin( θ + ϕ )

(3.1)

Nếu chỉ có hai van dẫn ( hay toàn mạch có hai van dẫn ) :
i=

U

dm

2R

sin( θ + ϕ )

(3.2)

trong đó :U dm là biên độ điện áp dây.
ϕ là góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện ở giai đoạn đang xét.
Tuỳ thuộc vào góc điều khiển mà các giai đoạn có ba van dẫn hoặc hai van
dẫn cũng thay đổi theo.Ta thấy có ba khoảng điều khiển chính:
24


Chương 3. Tổng quan về lò điện

3.3.1. Khoảng van dẫn ứng với α = 0 ÷ 60 0
Trong phạm vi này sẽ có các giai đoạn ba van và hai van dẫn xen kẽ nhau
như đồ thị sau đây :

(

Hình 3.3. α = 30 0 , đồ thị điện áp pha A của tải góc dẫn thyristor λ = 180 0 − λ

)

Dựa vào đồ thị ta có thể xác định được biểu thức liên quan giữa công suất ra
tải P và góc điều khiển α :
2

P = 3.I 2 .R = 3 U a
R

(3.3)

Trong đó U a là trị hiệu dụng của điện áp tải pha a.

Trong trường hợp đang xét ta có :
1
U =
2π
2
α

2π

∫ (U )
a

2

dθ

0

3
 3a

= U 2 1 −
+
. sin 2α 
 2π 4π

P=

3 2  3a
3


U 1 −
+
. sin 2α 
R  2π 4π


(3.4)

3.3.2. Khoảng van dẫn ứng với α = 60 0 ÷ 90 0
Trong phạm vi này luôn chỉ có các giai đoạn hai van dẫn. Ta có đồ thị điện
áp ra :

25