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,

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 3
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

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.5
Chương 2. Giới thiệu về phần mềm PSIM

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:
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 : Menu
toolbar
Circuit
window
Element

u:10
6
−

n:10
9
−

p:10
12
−
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 nhiên8
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).

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)10
Chương 2. Giới thiệu về phần mềm PSIM
- Máy biến áp 3 pha 3 cuộn dây nối Y/Y/
∆
và Y/
∆∆
/

(TF_3YYD/TF_3YDD)

B
s
B
n
n
n
n
0
1
1
2
2
0
1
1
2
2++++
++++11
Chương 2. Giới thiệu về phần mềm PSIM
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 2.13. Ký hiệu khối tỷ lệ

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/A13
Chương 2. Giới thiệu về phần mềm PSIM
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 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

. 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.15
Chương 2. Giới thiệu về phần mềm PSIM
- 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.

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 khiển17
Chương 2. Giới thiệu về phần mềm PSIM
* Mạch điều khiển dùng Gating block :
- 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

Hz, với các bước Run Psim và Run simulator, ta có đường cong của I (L2) và V2.
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).20
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

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 22
Chương 3. Tổng quan về lò điện
- Yêu cầu có trình độ cao khi sử dụng .
3.2. Giới thiệu về lò điện trở
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

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.24
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

θ
+
ϕ
)
(3.2)
trong đó :
U
dm
là biên độ điện áp dây.25