Hướng dẫn sử dụng phần mềm PSIM

Có thể kể ra các phần mềm như :PSPICE, TINA, MATLAB, SIMSEN, SUCCES, PSIM… Các phần mềmnày chính là công cụ để giúp các kỹ sư, các nhà sản xuất tối ưu hóacông việc của mình, từ đó tạo ra

NỘI DUNG

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây, mô hình hóa trở thành phươngpháp rất hiệu quả trong nghiên cứu 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 - Môphỏng mạch điện tử công suất Có thể kể ra các phần mềm như :PSPICE, TINA, MATLAB, SIMSEN, SUCCES, PSIM… Các phần mềmnày 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 thành thấp.

Ở nhiều trường Đại Học và Cao Đẳng việc mô phỏng mạchđiện 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 đápứng 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 “TÌM HIỂU VỀ PHẦN MỀM PSIM”.

Trong quá trình tìm hiểu và thực hiện mô phỏng không thểtránh khỏi sai sót.Em rất mong nhận được ý kiến cũng nhưphản hồi để đồ án của e được hoàn thiện hơn

- PSIM chạy trong môi trường Microsoft Windows 98/NT/2000/XPvới 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 caogiữa giao diện của các thư mục và phần mềm soạn thảo mạchđiện với người sử dụng Các phần tử của mạch được chứa trongmenu 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 hìnhảnh (PSIMimage.lib) và thư viện danh sách (PSIMLIB) Thư việndanh sách không thể sửa đổi được, nhưng thư viện hình ảnh cóthể 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, trựcquan, dung lượng nhẹ và khá mạnh trong lĩnh vực Điện tử côngsuất PSIM có ưu điểm mô phỏng độc lập mạch lực vì các khối điềukhiển đã được xây dựng sẵn, ta chỉ việc lắp ghép Vì vậy, chúng emlựa chọn đề tài đồ án là: Khai thác phần mềm PSIM mô phỏng mạchđiện tử công suất

1.2 Các phần mềm trong bộ

Power circuit

Switch controllers Sensors

Control circuit

PSIM bao gồm 3 chương trình:

Hình 1.1 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:

SIMVIEW PSIM schematic

PSIM simulator

- Power circuit: mạch động lực.

- Control circuit: mạch điều khiển

- Sensors: hệ cảm biến

- Switch controllers: bộ điều khiển chuyển mạch

Mạch động lực bao gồm các van bán dẫn công suất, cácphần 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 tửlogic (ví dụ như các cổng logic,flip-flop) và các phần tử phituyến (ví dụ bộ chia) Các phần tử cảm biến sẽ đo các giá trịđiện 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 tínhiệu đến bộ điều khiển chuyển mạch để điều khiển quá trìnhđóng cắt các van bán dẫn trong mạch lực

CHƯƠNG 2: PHẠM VI ỨNG DỤNG.

PSIM có tích hợp khác nhau trên mô-đun, danh sách đầy đủ và

mô tả của PSIM có thể được tìm thấy trên Powersim trang web Cónhững mô-đun cho phép mô phỏng động cơ điều khiển, kiểm soát

kỹ thuật số , và các tính toán tổn thất nhiệt do chuyển đổi và dẫntruyền Có một mô-đun năng lượng tái tạo cho phép mô phỏng củapin quang 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 phỏngvới các nền tảng khác để xác minh VHDL hoặc Verilog mã hoặc đểđồng mô phỏng với một FEA chương trình Các chương trình màPSIM hiện đồng mô phỏng với là: Simulink , JMAG , và ModelSim

PSIM hiện hỗ trợ tự động chuyển mã hệ với Module SimCoder và

sẽ ra mã để sử dụng với Texas Instruments F2833x vàF2803x nổi và cố định điểm xử lý tín hiệu kỹ thuật số từ cácloạtC2000 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 trong phiên bản 10.0.4 Module cho phép người dùng điềukhiển một mô phỏng PSIM với mã được thực hiện trên một TI DSPhoặc MCU

PSIM có tốc độ mô phỏng nhanh hơn nhiều so với Spice mô phỏngdựa trên cơ sở sử dụng của nó trong chuyển đổi lý tưởng Với thêm

kỹ thuật số và SimCoupler Modules gần như bất kỳ loại thuật toánlogic có thể được mô phỏng Kể từ PSIM sử dụng công tắc lý tưởngdạng sóng mô phỏng sẽ phản ánh điều này, làm cho PSIM phù hợphơn cho các nghiên cứu cấp hệ thống chứ không phải là chuyển đổicác nghiên cứu quá trình chuyển đổi PSIM có giao diện đơn giản và

mô phỏng được rất trực quan

2.2 Nhược điểm:

- Phần mềm nào cũng có nhược điểm của nó do đó Proteuscũng không tránh khỏi các nhươc điểm :

+ Phần mềm do công ty của nước ngoài nên tính chất bản

như ít được biết đến nên rất khó kiếm ngoài thực tế

+ Trong khi thiết kế có nhiều phần trong Proteus chạy không

làm người sử dụng đôi lúc gặp khó khăn

+ Sử dụng khá phức tạp nhất là đối với các mạch vi xử lý hay

sửa các tính chất các linh kiện (do quá nhiều tính chất phải điềuchỉnh)

CHƯƠNG 3 : GIỚI THIỆU PHẦN MỀM

3.1 Giới thiệu chung

Khi khởi động chương trình thì PSIM Schematic sẽ chạy đầutiên, các bạn vào File > New, giao diện như sau:

Hình 3.1 Giao diện của chương trình PSIM

Thanh chuẩn (Standard) gồm: File, Edit, View, Subcircuit,Element, Simulate, Option, Window, Help Mọi thao tác trongPSIM đều có thể thực hiện được từ thanh chuẩn này

Thanh công cụ gồm: New, Save, Open Và các lệnhthường dùng như Wire (nối dây), Zoom, Run Simulation (chạy

Menu

Element toolbar

toolbar

Circuit

window

Thanh dưới cùng là các linh kiện thường dùng như điệntrở, cuộn cảm, tụ điện, diode, thyristor,…

Các tham số mối phần tử, bộ phận của mạch được đốithoại trên ba cửa sổ của PSIM bao gồm :

- Các tham số (Parameters)

- Các thông tin khác (Orther Info)

- Màu sắc (Color)

Hình 3.2 Cửa sổ trao đổi tham số trên PSIM

Cửa sổ Parameters được sử dụng trong quá trình môphỏng, còn cửa sổ Orther Info không sử dụng cho mô phỏng màchỉ dành cho người sử dụng, các thông tin này sẽ được hiện ratrong 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 xácđịnh màu sắc cho từng phần tử

Trên cửa sổ Parameters, các tham số được đưa vào dướidạng các số thập phân hoặc dạng biểu thức toán học Ví dụmột 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 :

+ phép cộng

- phép trừ

* phép nhân/ phép chia

3.2.1 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 điệntrên L, điện áp trên C)

Ngoài ra mạch ba pha đối xứng, nhánh RLC cũng được mô tả vớicác điều kiện đầu được xác định bằng 0 bằng các ký hiệu “R3”,

kiểu ba trạng thái (đóng, mở và làm việc trong chế độ khuyếch đạituyến 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 tảnhư các khoá lý tưởng, nghĩa là ở trạng thái đóng (cho dòng chạyqua) khoá có gía trị nội trở bằng 10µΩ

, còn ở trạng thái mở (không

có dòng) sẽ có giá trị 1MΩ

Hình 3.4 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 3.5 ký hiệu tranzito ba trạng thái

3.2.3 Khối điều khiển Gating block

Khối này chỉ được nối với cực điều khiển của các khoá điện tửhai trạng thái kể trên và được xác định tính chất trực tiếp của blockGating

Mô tả một Gating block:

Hình 3.6 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

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 3.7 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 vàcuối 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)

Các môđun của bộ biến đổi một pha và ba pha

Các môđun bộ biến đổi một pha bao gồm cầu chỉnh lưumột pha bằng điôt và tiristo được biểu diễn như sau :

Hình 3.9 Môđun chỉnh lưu cầu một pha

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

Hình 3.10 Môđun chỉnh lưu cầu ba pha

3.3 Một số phần tử mạch điều khiển

Khối hàm truyền được biểu diễn bằng tỷ số của hai đa thức của tử số và mẫu số như sau :

G(s) = k A s A s A s A

B s B s B s

Bn n

n n

0

1 1

2 2

0

1 1

2 2

++

++

++

++

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)

Bao gồm các khối như : khối tỷ lệ, khối tích phân, khối vi phân,khối tích phân - tỷ lệ và khối lọc

Hình 3.11 Ký hiệu khối

tỷ lệ

Hình 3.12 Ký hiệu khối tích phân

Hình 3.13 Ký hiệu khối tỷ lệ - tích phân

3.3.2 Các khối tính toán

Bao gồm các khối như khối cộng, khối nhân và chia, khối hàmcăn bậc hai, mũ, luỹ thừa, logarit , khối hàm tính giá trị hiệu dụngRMS, khối hàm trị tuyệt đối và dấu, khối hàm lượng giác và khốibiến đổi Fourier nhanh FFT

Hình 3.14 Ký hiệu các khối cộng

Hình 3.15 Ký hiệu các khối nhân và chia

Hình 3.16 Ký hiệu các khối hàm căn, mũ, luỹ thừa và logarit

3.3.3 Các khối hàm khác

3.3.3.1 Khối so sánh

Tín hiệu ra của khối so sánh sẽ có giá trị dương khi tín hiệuvào ở cực (+) có giá trị lớn hơn ở cực (-), sẽ có tín hiệu ra bằng 0khi tín hiệu cực (+) nhỏ hơn Khi giá trị vào ở hai cực bằng nhau thìtín hiệu ra luôn giữ giá trị ở thời điểm đó

Hình 3.18 Ký hiệu khối hạn chế

Hai khối, khối xung hình thang (LKUP_TZ) và khối xunghình chữ nhật (LKUP_SQ)

Hình 3.19 Ký hiệu xung hình thang và xung chữ nhật

3.3.3.4 Khối trễ thời gian (time delay block)

Khối này sẽ tạo trễ một khoảng thời gian của dạng sóngđầu 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 thờigian chỉ cần xác định thời gian trễ tính theo giây (s)

Hình 3.20 Ký hiệu khối trễ thời gian.

3.3.4 Các phần tử logic

3.3.4.1 Cổng logic

Đó là các cổng logic : cổng AND, OR, XOR, NOT, NAND và NOR

Hình 3.21 ký hiệu các cổng logic

3.3.4.2 Khối chuyển đổi A/D và D/A

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

Hình 3.22 ký hiệu các khối chuyển đổi A/D và D/A

Hình 3.24 Ký hiệu nguồn hình sin một pha nguồn hình sin ba

pha

3.4.1.3 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 3.25 Ký hiệu nguồn sóng chữ nhật

3.4.1.4 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

3.4.2 Bộ điều khiển chuyển mạch

3.4.2.1 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 3.27 ký hiệu của bộ on-off switch controller.

3.4.2.2.Bộ điều khiển góc mở α

Bộ điều khiển dùng để điều khiển góc mở của tiristor, kýhiệu vào của bộ điều khiển bao gồm : góc α

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 phụnày sẽ hiển thị trên màn hình như một khối

- Edit subcircuit: Soạn thảo kích thước tên file củamạch phụ

- Set size: Cài đặt độ lớn của mạch phụ

- Place port: Đặt vị trí cổng kết nối giữa mạch chính vớimạch phụ

- Display port: Hiển thị cổng kết nối của mạch phụ

- Edit default variable list: Soạn thảo danh sách các thông số mặcđịnh 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 trongmạch chính

- Hide subcircuit ports: không cho hiển thị tên cổng của mạchphụ trong mạch chính

- Subcircuit list: Danh sách tên file của mạch chính vàmạch phụ

- One page up: Quay trở lại mạch chính, khi đó mạchphụ 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

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

3.5 Các bước tiến hành mô phỏng mạch điện tử công suất

Để tiến hành khảo sát một mạch điện tử công suất, cần tiếnhành các bước sau :

1 Xác định mô hình các phần tử bán dẫn cần có để thiết lập

2 Thiết lập sơ đồ nguyên lý của mạch cần nghiên cứu Thôngthường 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 hìnhhoá 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 đãbiết trước để kiểm tra độ chính xác của mô hình

b) Khi mô hình đạt độ tin cậy, tiến hành nghiên cứu với cácchế độ cần khảo sát theo yêu cầu đặt ra

3.6 Ví dụ mô phỏng

3.6.1 Thiết kế mạch điện

Thiết kế mạch băm áp một chiều sử dụng hai khối điều khiểncho IGBT: Gating block hoặc switch controller với tần số đóng cắtcủa độ băm là 5 kHz

3.6.2 Cài đặt tham số cho các phần tử của mạch lực

Để cài đặt các tham số vào một phần tử, trước tiên ta nháykép chuột trái vào phần tử đó, trên màn hình xuất hiện cửa số đốithoại để người sử dụng có thể đưa tham số vào

Hình 3.29 Thiết kế mạch băm áp một chiều