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 hóacông việc của mình, từ đó tạo r
Trang 1MỤC LỤC
Trang 2LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm gần đây, mô hình hóa trở thành phương pháp rất hiệu quả trong nghiêncứu khoa học, trong thực tế sản xuất cũng như trong phục vụ giảng dạy và học tập Trên thịtrường thế giới cũng đã xuất hiện rất nhiều phần mềm Thiết kế - Mô phỏng mạch điện tử côngsuất 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 hóacông việc của mình, từ đó tạo ra những sản phẩm điện tử chính xác, đáng tin cậy và giá thànhthấp.Ở nhiều trường Đại Học và Cao Đẳng việc mô phỏng mạch điện tử cònnhiều 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
Em xin chân thành cảm ơn!
Sinh viên thực hiện
HOÀNG TRUNG HIẾU
Trang 3CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ PHẦN MỀM
PSIM
1.1 Lịch sử hình thành
PSIM là phần mềm mạch do hãng LABVOLT (Hoa Kỳ) - Một trong các nhà sản xuất cácthiết bị dạy học nổi tiếng viết và đưa ra thị trường Đây là phần mềm không chỉ mạnh tronghọc tập, giảng dạy mà còn là tài liệu cơ bản cho các kỹ sư khi nghiên cứu, phân tích, khai thácmạch điện tử công suất, các mạch điều khiển tương tự và số, cũng như trong hệ truyền độngxoay chiều (AC), một chiều (DC) • PSIM chạy trong môi trường Microsoft Windows98/NT/2000/XP với yêu cầu bộ nhớ RAM tối thiểu là 32 MB Chương trình thiết kế mạch củaPSIM là một chương trình có tính tương tác cao giữa giao diện của các thư mục và phần mềmsoạn thảo mạch điện với người sử dụng Các phần tử của mạch được chứa trong menuElements 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) Thưviện trong PSIM bao gồm hai phần: Thư viện hình ảnh • (PSIMimage.lib) và thư viện danhsách (PSIMLIB) Thư viện danh sách không thể sửa đổi được, nhưng thư viện hình ảnh có thểsửa 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 lạc
vì các khối điều khiển đã được xây dựng sẵn, ta chỉ việc lắp ghép
1.2 Các phần mềm trong bộ
PSIM bao gồm 3 chương trình:
PSIM gồm 3 chương trình:
- PSIM Schematic: Chương trình soạn thảo mạch nguyên lý, dùng để vẽ mạch cần mô
phỏng (kết quả cho file với đuôi *.sch)
Trang 4- PSIM simulator: trình mô phỏng mạch nguyên lý (cho kết quả có đuôi là *.txt).
- SIMVIEW: trình vẽ dạng sóng kết quả mô phỏng, phân tích sóng
Thông thường PSIM Sẽ gồm có mạch động lực và mạch điều khiển.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 đồkhối, bao gồm cả các phần tử trong miền S, miền Z, các phần tử logic (ví dụnhư các cổng logic,flip-flop) và các phần tử phi tuyến (ví dụ bộ chia) Cácphần tử cảm biến sẽ đo các giá trị điện áp, dòng điện trong mạch lực để đưa cáctín hiệu đo này về mạch điều khiển Sau đó mạch điều khiển sẽ cho các tín hiệuđến bộ điều khiển chuyển mạch để điều khiển quá trình đóng cắt các van bándẫn trong mạch lực
1.3 Khả năng ứng dụng
PSIM có tích hợp khác nhau trên mô-đun, danh sách đầy đủ và mô tả của PSIM cóthể được tìm thấy trên Powersim trang web Có những mô-đun cho phép mô phỏngđộng cơ điều khiển, kiểm soát kỹ thuật số , và các tính toán tổn thất nhiệt do chuyểnđổi và dẫn truyền Có một mô-đun năng lượng tái tạo cho phép mô phỏng của pinquang điện (bao gồm cả hiệu ứng nhiệt độ), pin, siêu tụ , và tua-bin gió Ngoài ra còn
có một số module cho phép đồng mô phỏng với các nền tảng khác để xácminh VHDL hoặc Verilog mã hoặc để đồng mô phỏng với một FEA chương trình Cácchương trình mà PSIM hiện đồng mô phỏng với là: Simulink , JMAG , và ModelSim
Trang 5PSIM hiện hỗ trợ tự động chuyển mã hệ với Module SimCoder và sẽ ra mã để sửdụng với Texas Instruments F2833x và F2803x nổi và cố định điểm xử lý tín hiệu kỹthuật số từ cácloạt C2000 Với phiên bản 10.0.4 PSIM, PSIM đã hỗ trợ cho FreescaleSemiconductor Kinetis V series MCU.
Ngoài ra, mô phỏng vi xử lý-In-Vòng PSIM hay PIL Mô-đun đã được bổ sung trongphiên bản 10.0.4 Module cho phép người dùng điều khiển một mô phỏng PSIM với
mã được thực hiện trên một TI DSP hoặc MCU
PSIM có tốc độ mô phỏng nhanh hơn nhiều so với Spice mô phỏng dựa trên cơ sở
sử dụng của nó trong chuyển đổi lý tưởng Với thêm kỹ thuật số và SimCouplerModules gần như bất kỳ loại thuật toán logic có thể được mô phỏng Kể từ PSIM sửdụng công tắc lý tưởng dạng sóng mô phỏng sẽ phản ánh điều này, làm cho PSIM phùhợp hơn cho các nghiên cứu cấp hệ thống chứ không phải là chuyển đổi các nghiêncứu quá trình chuyển đổi PSIM có giao diện đơn giản và mô phỏng được rất trực quan
1.4 Nhược điểm:
Sử dụng khá phức tạp nhất là đối với các mạch vi xử lý hay các mạch cần chỉnh sửacác tính chất các linh kiện (do quá nhiều tính chất phải điều chỉnh)
Trang 6CHƯƠNG 2: LÀM VIỆC VỚI PSIM
2.1 Giới thiệu chung
2.1.1 Khởi động chương trình
Khi khởi động chương trình thì PSIM Schematic sẽ chạy đầu tiên, các bạn vàoFile > New, giao diện như sau:
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 thựchiện được từ thanh chuẩn này
Thanh công cụ gồm: New, Save, Open Và các lệnh thường dùng nhưWire (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,…
2.1.1.1 File Menu
Menu File bao gồm các chức năng sau đây:
- New : Tạo một mạch mới
- Open: Mở một mạch hiện có
Trang 7- Close All: Đóng tất cả các cửa sổ mạch
- Save: Lưu mạch hiện tại
- Save As: Lưu mạch hiện tại vào một tên khác nhau
- Save All: Lưu tất cả các mạch
- Print: In mạch
- Print Preview: Xem trước bản in
- Print Selected: In một phần của mạch chọn
- Print Selected Preview: Xem trước các phần mạch được lựa chọn để in
- Print Page Setup: Thiết lập trang in
- Printer Setup: Thiết lập máy in
- Exit: Thoát khỏi chương trình PSIM
2.1.1.2 Edit Menu
Menu Edit bao gồm các chức năng sau đây:
- Undo Delete: Undo Xóa
- Cut: Hủy bỏ các khối mạch được lựa chọn và lưu nó vào bộ đệm
- Copy: Sao chép một khối mạch được lựa chọn
- Paste: Dán các khối mạch được lựa chọn
- Select All: Chọn toàn bộ các mạch
- Text: Đặt văn bản
- Wire: Đi dây
- Laber: Đặt một nhãn
- Attributes: Chỉnh sửa các thuộc tính của một phàn tử
- Disable: Vô hiệu hoá một thành phàn hoặc một phàn của một mạch
- Enable: Kích hoạt các yếu tố hoặc mạch đã được vô hiệu hóa trước đó
- Rotate: Xoay các yếu tố lựa chọn hoặc khối
- Flip L/R: Lật trái / phải của phàn tò được chọn
- Flip T/B: Lật trên / dưới của phàn tò được lựa chọn
- Find: Tìm một phàn tò dựa vào loại và tên của nó
- Find Next: Tìm các phàn tò tiếp theo của cùng loại
- Edit Library: Chỉnh sửa các thư viện PSIM
2.1.1.3 View Menu
Menu View bao gồm các chức năng sau đây:
- Status Bar : Kích hoạt hoặc vô hiệu hóa màn hình hiển thị trạng thái
- Toolbar: Kích hoạt hoặc vô hiệu hóa màn hình hiển thị thanh công cụ
Trang 8- Element Toolbar: Kích hoạt hoặc vô hiệu hóa thanh công cụ phần tử Cácthanh công cụ phần tử lưu trữ các phần tử PSIM thường được sử dụng.
- Recently Used Element List: Danh sách
- Recently Used Element List: Danh sách cho thấy các yếu
tố được sử dụng gần đây nhất
- Zoom in: Phóng to
- Zoom out: Thu nhỏ
- Fit to Page: Phù hợp với mạch toàn bộ màn hình
- Zoom in Selected: Phóng to một vùng được chọn
- List Element: Liệt kê các yếu tố của mạch
2.1.1.4 Subcircuit Menu
Subcircuit Menu bao gồm các chức năng sau đây:
- New subcircuit: Thiết lập một mạch phụ mới
- Load subcircuit: Tải xuống một mạch phụ đã có, mạch phụ này sẽ hiển thịtrên màn hình như một khối
- Edit subcircuit: Soạn thảo kích thước tên file của mạch phụ
- 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 trênmạch phụ
- Edit image:Soạn thảo hình ảnh của mạch phụ
- Display subcircuit name: Hiển thị tên của mạch phụ
- Show subdrcuit ports: Hiển thị tên cổng của mạch phụ trong mạch chính
- Hide subcircuit ports: Không cho hiển thị tên cổng của mạch phụ trongmạch 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
2.1.1.5 Simulate Menu
Simulate Menu bao gồm các chức năng sau đây:
Trang 9- Run PSIM: Chạy mô phỏng mạch
- Run SIM VIEW: Chạy màn hình hiển thị sóng
- Arrange SLINK Nodes: sắp xếp Slink Nodes sắp xếp thứ tự của cácnút SLINK_IN và SLINK_OUT
2.1.1.6 Option Menu
Menu Option bao gồm các chức năng sau đây:
- Settings : Thiết lập các tùy chọn
- Enter Password : Nhập mật khẩu để xem các sơ đồ mạch được bảo
vệ bằng mật khẩu
- Disable Password : Vô hiệu hoá việc bảo vệ mật khẩu của mạch
2.1.1.7 Window Menu
Menu Window bao gồm các chức năng sau đây:
- New Window : Tạo một cửa sổ mới có thể hiển thị một phần khác nhau của cùng một mạch
- Cascade : sắp xếp các cửa sổ
- Tile : Phân chia các cửa sổ bằng nhau
- Arrange Icons : Tự động sắp xếp các biểu tượng
Trang 102.2 Giói thiệu các phần tử trong PSIM
2.2.1 Thư viện Power (Power Library)
Trong thư viện này bao gồm một số phần tửnhư:
- RL3: mạch điện trở điện cảm 3 pha
- RC3: mạch điện trở tụ điện 3 pha
- RLC3: mạch điện trở, điện cảm, tụ điện 3 pha
- Rheostat: biến trở
- Saturable Inductor: điện kháng bão hoà
- Coupled Inductor (2): mạch 2 cuộn cảm
- Coupled Inductor (3): mạch 3 cuộn cảm
- Coupled Inductor (4): mạch 4 cuộn cảm
Trang 112.2.2 Mạch lực
2.2.2.1 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 đầuđược xác định bằng 0 bằng các ký hiệu “R3”, “RL3”, “RC3” và “RLC3”
ký hiệu phần tử RLC một pha và ba pha
2.2.2.2 Các khoá chuyển mạch
Có hai dạng cơ bản của khoá đóng cắt trong PSIM : một là theo kiểu khoá gồmhai trạng thái (đóng và mở khoá), hai là theo kiểu ba trạng thái (đóng, mở và làm việctrong 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 lýtưởng, nghĩa là ở trạng thái đóng (cho dòng chạy qua) khoá có gía trị nội trở bằng 10
Ω
µ
, còn ở trạng thái mở (không có dòng) sẽ có giá trị 1MΩ
Ký hiệu diot, diac và thyristor trong PSIM
Khoá ba trạng thái bao gồm hai loại tranzito pnp (PNP_1) và npn (NPN_1)
Trang 122.2.2.3 Máy biến áp
Có các loại như : Máy biến áp lý tưởng, máy biến áp một pha và ba pha với cáckiểu đấu dây
- 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)
Ngoài ra còn có các bộ mạch lực khác, chúng ta có thể tự tìm hiểu tiếp
2.2.3 Một số phần tử mạch điều khiển
a, Khối hàm truyền
Bao gồm các khối như : khối tỷ lệ, khối tích phân, khối vi phân, khối tích phân - tỷ
lệ và khối lọc
Trang 13b, Các khối tính toán
Bao gồm các khối như khối cộng, khối nhân và chia, khối hàm căn bậc hai, mũ, luỹthừa, logarit , khối hàm tính giá trị hiệu dụng RMS, khối hàm trị tuyệt đối và dấu, khốihàm lượng giác và khối biến đổi Fourier nhanh FFT
Ký hiệu các khối cộng
Ký hiệu các khối nhân và chia
Hình 3.16 Ký hiệu các khối hàm căn, mũ, luỹ thừa và logarit
Trang 14c, Khối so sánh
Tín hiệu ra của khối so sánh sẽ có giá trị dương khi tín hiệu vào ở cực (+) có giátrị lớn hơn ở cực (-), sẽ có tín hiệu ra bằng 0 khi tín hiệu cực (+) nhỏ hơn Khi giá trịvào ở hai cực bằng nhau thì tín hiệu ra luôn giữ giá trị ở thời điểm đó
d,Khối hạn chế
Tín hiệu ra của khối hạn chế sẽ bằng giá trị tín hiệu vào khi tín hiệu chưavượt quá giá trị giới hạn, còn khi tín hiệu vào vượt quá tín hiệu giới hạn thì tínhiệu ra sẽ ở mức hạn chế cao nhất hoặc thấp nhất
Ký hiệu khối hạn chế
e,Khối xung hình thang và xung chữ nhật
Hai khối, khối xung hình thang (LKUP_TZ) và khối xung hình chữ nhật(LKUP_SQ)
Ký hiệu xung hình thang và xung chữ nhật
f,Khối trễ thời gian (time delay block)
Khối này sẽ tạo trễ một khoảng thời gian của dạng sóng đầu vào, ví dụnhư 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 theogiây (s)
Trang 15Hình 3.20 Ký hiệu khối trễ thời gian.
2.2.4 Các phần tử logic
2.2.4.1 Cổng logic
2.2.4.2 Khối chuyển đổi A/D và D/A
Trang 162.3 Các phần tử khác
2.3.1 Các dạng nguồn
- Nguồn 1 chiều, nguồn xoay chiều, nguồn xung chữ nhật
2.3.2 Cảm biến điện áp/dòng điện
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 1µΩ
Hình 3.26 Ký hiệu các cảm biến điện áp và dòng điện
2.3.3 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 trênmàn hình như một khối
Trang 17- Edit subcircuit: Soạn thảo kích thước tên file của mạch phụ.
- 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 mạchphụ
- 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 mạchchính
- 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 tựđộng
- Top page: Nhảy từ mạch phụ (mức thấp) lên mạch chính (mức cao)cho phép sử dụng dễ dàng khi có chiều mạch phụ
2.3.3.1 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
Trang 182.4 Các bước tiến hành mô phỏng mạch điện tử công suất
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 haiphần: 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 ngữchuyên 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 đểkiểm 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 sáttheo yêu cầu đặt ra
* Ví dụ mô phỏng mạch chỉnh lưu dùng Điôi.
Mạch chỉnh lưu càu 1 pha dùng Điôt tải R+E vói R =10 (Đ), E = 100 (V)
Trang 19Đặt tên và thông số bằng cách kích đứp lên lình kiện (tích vào display nếu muốntên linh kiện hiện lên trên mạch.
Biên áp: Elements —> Power —> Transformers —> 1-Ph transformers Sau đó kích đúp lên linh kiện để đặt thông sốVan Điôt: Elements —> Power —> Switches —>
Đỉôt.Tải R: Elements —> Power —> /ỈLC Branches —> Resistor… Sau khi lấy linh kiện
ta được hình vẽ.Nối dây ta được