Khai thác 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 chỉnh là công cụ để giúp các kỹ sư, các nhà sản xuất tối ưu hóa cồng việc của mình, từ đó tạo
ra những sản phẩm điện tử chính xác, đảng 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, sổ lượng module ít nên không đáp
ứng được hết các nhu cầu về giảng dạy và học tập.
Đe đáp ứng về nhu cầu thực tiễn đặt ra chủng em lựa chọn để 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 sổ phần mềm mô phỏng mạch điện tử
công suất.
Chương 2: Giới thiệu về phần mềm PS1M.
Chương 3: Tổng quan về lò điện và lò điện trở.
Chương 4: Thiết kể mạch lực và mạch điều khiển lò điện trở.

Chương 5: Ket luận và đề xuất.
Trong quả 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 giảo Nguyễn Thị Điệp chúng em đã hoàn thành đồ án này. Tuy nhiên do
thời gian nghiên cứu còn hạn chể, nên đồ án này của chúng em không tránh khỏi những thiểu xót.
Em rất mong nhận được sự đóng góp ỷ kiến của các thầy cô và các bạn để đồ án của chủng em
hoàn thiện hơn.
Em xỉn chân thành cảm ơn!


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

1.1.

Matlab/Sỉmulỉnk

Đây là phần mềm được phổ cập ở mức độ toàn cầu. Hiện nay ở nước ta,
Matlab cũng khá quen thuộc trong lĩnh yực điều khiển và tự động hóa. Tuy nhiên từ
phiên bản 5.3 của matlab mới cho phép thâm nhập vào lĩnh yực 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 bàng 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 Interatỉve 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 flipflop (flip-flop), mạch logic (logic IC).. Đối 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 yật lý bán dẫn thể hiện
bằng các phương trình với nhiều tham số đặc trưng, do đó mô hình mô phỏng rất sát


Chương 1. Tổng quan về một số phần mềm mô phỏng
đặc tính Yôn-ampe thực của chủng loại đó. Yì yậy 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.

Phàn 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, YÌ 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 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 fĩle dữ
liệu này có thể lên đến hàng trăm MB. Yì yậy 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 FSIM (Power electronỉcs 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


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


Chương 2. Giới thiệu về phần mềm

Chương 2 Giới thiệu về phần mềm PSIM

2.1.
Giói 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

Sensors

Switch
contro
Ilers

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.
4

-

Switch controllers: bộ điều khiển chuyển mạch.

Mạch động lực bao gồm các van bán dẫn công suất, các phần tử RLC,
2. Giới
thiệu về phần mềm
máy biến áp lực vàChương
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,flipflop) 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

'",
□ |tf|H|a| ¿¿NBIMI gymmAl-P-I^|D| B|Ml _Aj|l ~
File Bđịt

Elements

Simulate

Option?Windij

1

Help

„

Õ1

X

toolbar

Circuit
window

Element
toolbar

1*1 1
+ j|f Jộ|g|®| m 4 ìbM$ỉềĩ
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 sổ các phần tử
Các tham số mối phần tử, bộ phận của mạch được đối thoại
trên ba cửa sổ của PSIM bao gồm :


-

Các tham số (Parameters).

-

Các thông tin khác (Orther Info).

-

Màu sắc (Color).
Parameters Other Info I Color

Paameteis I 01heilnfo| Cokx I

Name
1

Resistor

H

Display

r
Resistance
ữ
r

Resistor

Name

|m

Power
Raling
Manuf
acturer
Part
No

ww
!
I

Parameters I ũthei Into Color I Resistor
Help

Dis
play

r

Hình 2.4. Cửa sổ trao đổi tham số trên PSIM

I

Help