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.
1.5.4.1 Giới thiệu về phần mềm PSIM
a. Khái niệm chung
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:
Hình 1.2. Biểu diễn một mạch điện trên PSIM
- Power circuit: mạch động lực. - Control circuit: mạch điều khiển. - Sensors: hệ cảm biến.
- Switch controllers: bộ điều khiển chuyển mạch. SIMVIEW PSIM schematic PSIM simulator Power circuit Switch controllers Sensors Control circuit
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 động 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 động lực.
b. 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:
Hình 1.3. 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)...
Menu toolbar Circuit window Element toolbar
Thanh dưới cùng là các linh kiện thường dùng như điện trở, cuộn cảm, tụ điện, diode, thyristor,…
c. Biểu diễn tham số các phần tử
Các tham số mỗi 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).
Hình 1.4. 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 :
G
:
109 106 :M 103 :K 103 :m 106 :u 109 :n 1012: p 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
1.5.4.2. Một số phần tử mạch động lực
a. 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 1.5. Ký hiệu phần tử RLC một pha và ba pha
b. 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 giá trị nội trở bằng 10, còn ở trạng thái mở
Hình 1.6. 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 1.7. Ký hiệu tranzito ba trạng thái
c. 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 1.8. 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.
d. 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: Y/∆; ∆/Y; ∆/Y- O; Y/Y/…
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 1.9. 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)
Hình 1.10. Ký hiệu các loại biến áp ba pha
e. 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 1.11. 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 1.12. Môđun chỉnh lưu cầu ba pha
1.5.4.3. Một số phần tử mạch điều khiển
a. Khối hàm truyền
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 As A B s B s B s B n 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 1.14. Ký hiệu khối tích phân
Hình 1.15. Ký hiệu khối tỷ lệ - tích phân
b. 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 1.16. Ký hiệu các khối cộng
Hình 1.17. Ký hiệu các khối nhân và chia
Hình 1.18. Ký hiệu các khối hàm căn, mũ, luỹ thừa và logarit
c. Các khối hàm khác - 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 1.19. Ký hiệu khối so sánh
- 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 1.20. Ký hiệu khối hạn chế
- 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 1.21. Ký hiệu xung hình thang và xung chữ nhật
- 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 1.22. Ký hiệu khối trễ thời gian.
1.5.4.4 Các phần tử logic
a. Cổng logic
Hình 1.23.Ký hiệu các cổng logic
b. 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.
Hình 1.24. Ký hiệu các khối chuyển đổi A/D và D/A
1.5.4.5 Các phần tử khác
a. Các dạng nguồn - 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 1.25. Ký hiệu các nguồn DC
- 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 1.26. Ký hiệu nguồn hình sin một pha nguồn hình sin ba pha
- 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 1.27. Ký hiệu nguồn sóng chữ nhật
- 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 1.
Hình 1.28. Ký hiệu các cảm biến điện áp và dòng điện
1.5.4.6. Bộ điều khiển chuyển mạch
a. 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 1.29. ký hiệu của bộ on-off switch controller.
b.Bộ điều khiển góc mở
Bộ điều khiển dùng để điều khiển góc mở của tiristor, ký hiệu vào của bộ điều khiển bao gồm : góc , 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 00
Hình 1.30. Ký hiệu của bộ alpha controller.
Mô tả:
Frequency: tần số tác động của bộ, Hz. Pulse width: độ rộng xung điều khiển, độ.
1.5.4.7. 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. - 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.
a. Tạo 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.
b. 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.
1.5.4.8. 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 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.
KẾT LUẬN CHƯƠNG I
Trong những năm gần đây, với sự phát triển nhanh của khoa học kỹ thuật và công nghệ đã làm cho PPMP ngày càng đóng vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu những hiện tượng có tính trừu tượng cao. Nó là một trong những phương pháp dạy học hiện đại, đang được ứng dụng ngày càng rộng rãi vì nó có nhiều ưu điểm đã được thể hiện và thực tiễn đã được áp dụng ở nhiều nước trong khu vực và trên thế giới.
Để góp phần nâng cao chất lượng đào tạo nghề nói chung và dạy học Mô đun Điện tử công suất nói riêng, tác giả nhận thấy cần phải có sự đổi mới phương
pháp dạy học và khai thác triệt để hiệu quả của các phương tiện dạy học hiện đại mà khoa học đã được trang bị. Cụ thể là sử dụng PPMP vào dạy mô đun Điện tử công suất trong ngành điện công nghiệp. Việc sử dụng PPMP vào dạy học sẽ rút