apostila psim 6

CENTRO FEDERAL DE EDUCAO TECNOLGICA DO PARAN

UNIDADE DE PATO BRANCO

CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM MANUTENO INDUSTRIAL

COMO SIMULAR CIRCUITOS ELETRNICOS UTILIZANDO PSIM 6

PROF. CARLOS MARCELO DE OLIVEIRA STEIN

ABRIL, 2003


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1. INTRODUO

A simulao de circuitos est ficando cada vez mais aceita como uma ferramenta normal no projeto de equipamentos de eletrnica. Este material tem o objetivo de fazer uma breve introduo utilizao do simulador de circuitos eltricos PSIM. O uso da simulao reconhecido como uma necessidade prtica, tornando-se uma ferramenta indispensvel na formao de tcnicos e engenheiros, principalmente na parte referente a projetos e interpretao de equipamentos eletroeletrnicos.

O mtodo prtico para verificar o projeto de um circuito eltrico constru-lo e testa-lo. No entanto, isso pode se tornar caro e consumir muito tempo. Como alternativa, o circuito pode ser cuidadosamente simulado usando um programa de computador antes da implementao do circuito real.

PSIM um programa de simulao especialmente projetado para eletrnica de potncia. Com interface amigvel, simulao rpida, e apresentao de formas de onda semelhante tela de um osciloscpio, PSIM mostra ser um ambiente de simulao poderoso para a anlise de conversores de potncia, malhas de controle e estudo de acionamento de motores. Alm disso, o simulador pode perfeitamente ser utilizado em praticamente todos os tipos de circuitos, sejam eles digitais ou analgicos.

PSIM muito til para simular todos os tipos de circuitos, em uma enorme faixa de aplicaes. Um circuito descrito por comandos armazenados em arquivo chamado de arquivo de circuito, que lido pelo simulador PSIM. Os comandos so fceis de aprender e usar.

Os conceitos eltricos so gerais e teis para todos os tamanhos de circuitos. O simulador no tem conceito de circuito grande ou pequeno, microvolts e megavolts so apenas nmeros para o PSIM. O simulador no faz consideraes sobre como o circuito deveria se comportar. Voc deve olhar os resultados para ver se eles fazem sentido na sua aplicao.

Para circuitos discretos (circuitos feitos de partes individuais montadas sobre um circuito), PSIM tem uma variedade de usos, como:

Verificar uma idia de circuito antes de mont-la em laboratrio. Resultados de simulao so livres de instabilidade de tenso e corrente, restries de aterramento, e outras dores de cabea de laboratrio.

Teste ideal, operao empregando componentes ideais para isolar efeitos limitantes no seu projeto.

Fazer medidas dos testes simulados que so:

o Difceis (devido a rudos eltricos ou carga do circuito);

o Inconvenientes (equipamento especial de teste no disponvel);

o Imprudentes (o circuito de teste pode se destruir).

Simular um circuito vrias vezes com variaes de componentes para verificar que percentual passaria no teste final, e determinar quais as combinaes do os resultados para o pior caso.

O que o PSIM pode fazer por voc?

Simular seus circuitos projetados antes de constru-los;

Verificar seu projeto depois que ele estiver pronto;


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PSIM uma bancada simulada na qual criam-se circuitos de teste e realizam-se medidas;

PSIM no projetar o circuito para voc.

Uma vez familiarizado com o PSIM, voc achar que ele pode substituir a maioria de seus trabalhos (mas no todos) de laboratrio. Como qualquer nova ferramenta, experincia requerida para tirar o maior proveito.

2. ESTRUTURA DO SIMULADOR

O simulador, uma vez instalado, apresenta dois programas executveis: PSIM, que o editor de esquemas eltricos, e SIMVIEW, que demonstra graficamente as formas de onda obtidos na simulao. Os cones dos programas esto representados na figura abaixo:

Figura 1 - cones dos programas.

3. CARACTERSTICAS DO PROGRAMA

O simulador utiliza algumas extenses caractersticas para os arquivos gerados por ele, que so:

Extenso Descrio Tipo de arquivo

sch Esquemas do PSIM binrio

cct Lista de ns do esquema texto

txt Sada da simulao texto

fra Sada de uma anlise AC texto

smv Lista de forma de ondas binrio

O programa em ingls. Desta forma, todos os nmeros devem ser digitados utilizando-se um ponto como separador decimal, ao invs da vrgula utilizada em portugus, ou seja, deve-se digitar 34.56 e no 34,56.

Para facilitar a digitao de nmeros muito grande ou muito pequenos, o PSIM aceita algumas letras indicando mltiplos e submltiplos. Na tabela a seguir esto relacionados os sufixos aceitos.

Sufixo Nome Valor p pico 10-12 n nano 10-9 u micro 10-6 m mili 10-3

K ou k kilo 10+3 M mega 10+6 G giga 10+9


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4. PROGRAMA PSIM

Executando-se o programa PSIM, tem-se a tela do editor de esquemas. Na figura a seguir est um exemplo da tela principal do programa, com um circuito j desenhado.

Figura 2 Tela principal do PSIM.

Na parte superior o programa apresenta um menu de opes, e uma barra de ferramentas com alguns botes de atalho. Na tabela abaixo esto descritas as funes destes botes:

Criar arquivo.

Abrir arquivo.

Salvar arquivo.

Imprimir arquivo.

Recortar seleo.

Copiar seleo.

Colar.

Copiar seleo para a rea de transferncia (usado para passar desenhos para outros programas, como um editor de texto).

Gira a seleo.

Inverter horizontalmente a seleo.

Inverter verticalmente a seleo.

Inserir ligaes.


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Inserir marcadores (para conectar dois ou mais pontos do circuito sem utilizar ligaes).

Ferramenta de seleo.

Zoom. Aumentar.

Zoom. Diminuir.

Zoom. Seleo.

Zoom. Ajusta pgina.

Iniciar a simulao.

Cancelar a simulao. Somente disponvel durante simulaes.

Abrir o programa de visualizao das formas de onda.

Adicionar um texto no esquema eletrnico.

Para adicionar rapidamente um componente do mesmo tipo de algum dos ltimos j adicionados.

No PSIM, todos os componentes esto dispostos no menu Elements. Os elementos esto divididos em quatro grupos:

Power onde esto os componentes de potncia, como chaves semicondutoras, resistores, indutores e capacitores;

Control - elementos de controle, como filtros e componentes de eletrnica digital;

Other (para controladores de chaves semicondutoras, sensores, instrumentos de medio, elementos de interface entre potncia e controle, e elementos comuns aos circuitos de potncia e controle);

Sources (para fontes de tenso e corrente).

Na parte inferior do programa est uma barra de ferramentas, com botes de atalho para alguns dos componentes disponveis.

terra fonte de tenso CC

resistor fonte de tenso senoidal

indutor fonte de tenso triangular

capacitor fonte de tenso quadrada

diodo degrau de tenso

tiristor sensor de tenso

MOSFET sensor de corrente

IGBT ganho proporcional

ponte de diodos monofsica ganho proporcional-integral

ponte de diodos trifsica subtrator

comando de chaves somador

interface controle/comando de chaves multiplicador


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voltmetro divisor

voltmetro diferencial comparador

ampermetro limitador

porta inversora

1.1 Simulando um Pequeno Circuito

Inicialmente ser utilizado um circuito rpido para introduzir o PSIM. Isto mostrar os fundamentos de uma simulao de circuito sem tornar-se complicado por regras, detalhes, excees, e ento rapidamente atingir um resultado bem sucedido.

A melhor maneira de aprender a trabalhar em um simulador de circuito fazendo simulaes. Fazer algumas simulaes requer vrios fundamentos, ou seja, necessrio:

Criar o arquivo de entrada, ou arquivo do circuito;

Rodar o simulador;

Inspecionar os resultados obtidos;

Naturalmente, quanto mais simples for este circuito, de forma a se conhecer previamente o funcionamento, melhor. Desta forma, o circuito escolhido foi um divisor resistivo de tenso.

Para desenhar o circuito no PSIM, utiliza-se o seguinte procedimento:

1. Criar um novo arquivo. Isto feito indo-se no menu File, e selecionando-se New, ou simplesmente clicando-se no boto .

2. Iniciar a inserir os componentes. Para inserir a fonte de tenso contnua, seleciona-se no menu Elements a opo Sources, Voltage, e ento DC. Outra opo utilizar o boto , presente na barra de ferramentas inferior do programa. Com isso, o cursor do mouse fica com a forma do componente. Para rotacionar o componente em 90, basta clicar com o boto direito do mouse. Para colocar o componente em um determinado lugar da rea de edio, basta clicar com o boto esquerdo do mouse. Mesmo aps a colocao do componente, o cursor do mouse permanece com a forma do componente, permitindo que seja inserido outro componente igual. Para retornar ao cursor normal, deve-se pressionar a tecla ESC, ou utilizar o boto , na barra de ferramentas superior. Outra opo, selecionar outro componente, ou outra ferramenta de edio.

3. Editar os parmetros dos componentes. Uma vez que o cursor do mouse esteja com sua forma normal, pode-se selecionar as propriedades de um componente dando-se dois cliques sobre o mesmo. Com isso, uma janela com as propriedades aparecer na tela. As propriedades variam, de acordo com o componente selecionado. Na figura a seguir esto representados os parmetros da fonte de tenso contnua. No caso, pode-se alterar o nome e o valor do componente, e definir se estas propriedades devem ou no aparecer no esquema. Alm disso, pode-se alterar outras informaes sobre o componente (other info), e a cor (color) do mesmo. Entretanto, as informaes adicionais (other info) e a cor do componente (color) no afetam os resultados da simulao.


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Figura 3 Parmetros da fonte de tenso contnua.

4. Para os demais componentes, repetem-se os passos 2 e 3.

5. Inserir o componente que indica o ponto de terra do circuito. Este componente importante pois serve de referncia para a maioria das medies realizadas. Este componente est no menu Elements na opo Other, Ground. Outra opo utilizar o boto , presente na barra de ferramentas inferior do programa.

6. Conectar os componentes. Para realizar as conexes, primeiramente seleciona-se a ferramenta apropriada, clicando-se no boto , na barra de ferramentas superior. Com isso, o cursor do mouse fica com o formato de um lpis. Para conectar dois pontos, clica-se com o boto esquerdo do mouse no primeiro ponto, e mantendo-se pressionado o boto do mouse, leva-se o cursor at o segundo ponto, e solta-se o boto. Pode-se notar que o programa realiza at uma curva de 90.

7. Selecionar as variveis de sada. A seleo dos pontos do circuito que o programa ir adicionar ao arquivo de sada feita atravs da adio de instrumentos de medida. Para observar-se tenso, deve-se utilizar um dos dois tipos de voltmetro disponveis: um que mede a tenso de um determinado n em relao ao componente terra, e o diferencial, que mede a tenso entre seus dois terminais. Esses componentes esto no menu Elements na opo Other, Probes, como Voltage Probe e Voltage Probe (node-to-node), respectivamente. Outra opo utilizar os botes e , presentes na barra de ferramentas inferior do programa. Para a medio de corrente, existem duas opes: a utilizao de ampermetro ou selecionando nos parmetros do componente. O componente ampermetro est no menu Elements na opo Other, Probes, como Current Probe e na barra de ferramentas inferior do programa, no boto . A maioria dos componentes apresenta em seus parmetros o item Current Flag, onde possvel selecionar 0 (sem medio de corrente) ou 1 (com medio de corrente). Na figura abaixo esto representados os parmetros de um resistor, que apresenta o item Current Flag.


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Figura 4 Parmetros de um resistor.

8. Salvar o arquivo. Para salvar o arquivo com o circuito desenhado, pode-se utilizar os comandos Save ou Save As no menu File, ou o boto , na barra de ferramentas superior. Desta forma ir aparecer a janela padro do windows para salvar arquivos, onde pode ser alterado o caminho e o nome do arquivo. O arquivo deve ser salvo com a extenso sch.

Na figura abaixo est representado o divisor resistivo de tenso desenhado no PSIM. Pode-se notar nesta figura o nome e o valor dos componentes, bem como a posio dos voltmetros.

Figura 5 Circuito representado no PSIM.

Para que o circuito possa ser simulado necessrio definir os parmetros de simulao do mesmo. Para isso, necessrio incluir o controle de simulao, localizado no menu Simulate, como Simulation Control. Depois de ser adicionado ao esquema,


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uma tela com os seus parmetros mostrada. Na figura abaixo est representada esta tela, cujos parmetros so explicados na tabela a seguir.

Figura 6 Parmetros do controle de

simulao.

PARMETRO DESCRIO

Time Step Passo utilizado na simulao, em segundos

Total Time Tempo total da simulao, em segundos

Print Time Tempo inicial para salvar os dados. Antes de a simulao atingir este tempo, nenhum dado salvo.

Print Step Passo para salvar os pontos. Se 1, todos os pontos so salvos. Se 10, apenas 1 em cada 10 pontos salvo. Isso ajuda a reduzir o tamanho do arquivo de sada.

Load Flag Para ler valores iniciais. Se 1, o simulador ir ler os valores iniciais de um arquivo com a extenso ssf.

Save Flag Para salvar os valores finais. Se 1, o simulador ir salvar os valores finais da simulao em um arquivo com a extenso ssf.

Com os parmetros da simulao definidos, pode-se simular o circuito. Isso realizado atravs do boto , na barra de ferramentas superior. Na barra inferior do programa ir surgir um indicativo do percentual da simulao j atingido. Alm disso, o boto apertado ir mudar seu desenho para . Este boto poder ser utilizado agora para parar a simulao. Uma vez terminada a simulao, pode-se executar o programa Simview. Para isso, existe na barra de ferramentas superior o boto . Pode-se configurar o programa PSIM para que ele automaticamente execute o Simview quando as simulaes terminarem. Para isso, deve-se selecionar o item Auto-run SIMVIEW, no menu Options .

5. PROGRAMA SIMVIEW

Executando-se o programa SIMVIEW, tem-se a tela do mostrador de formas de onda. Na figura a seguir est um exemplo da tela principal deste programa, obtida aps a simulao de um circuito.


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Figura 7 Tela de abertura do SIMVIEW.

Na tela inicial h uma janela, onde esto relacionadas todas as grandezas disponveis para serem mostradas. Estas grandezas so aquelas definidas no circuito desenhado no PSIM. Abaixo est a janela obtida para o circuito desenhado na seo anterior.

Figura 8 Janela para seleo das formas de onda.

Para adicionar uma forma de onda deve-se seleciona-la e clicar no boto Add. Para retirar uma forma de onda j selecionada, basta seleciona-la e clicar no boto Remove. possvel realizar funes matemticas simples entre as variveis disponveis. Para isso deve-se utilizar o campo de edio presente na parte inferior da janela. Da mesma forma que uma varivel, para adicionar a expresso matemtica,


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deve-se clicar no boto Add. Uma vez selecionadas as formas de onda, deve-se clicar no boto OK. No caso do exemplo apresentado aqui, adicionando-se as duas variveis, obtm-se a tela a seguir, onde ento representadas as tenses sobre os dois resistores.

Figura 9 Resultado obtido na simulao.

Na parte superior o programa apresenta um menu de opes, e alguns botes de atalho. Na tabela abaixo esto descritos os comandos dos botes da barra de tarefas superior:

Abrir arquivo.

Imprimir.

Copiar para a rea de transferncia (usado para passar as formas de onda para outros programas, como um editor de texto).

Reabrir o arquivo atual.

Redesenhar os dados.

Ferramenta de zoom.

Para abrir a caixa de medies, e habilitar os botes de medio.

Para configurar as escalas do eixo horizontal.

Para configurar as escalas do eixo vertical.

Para adicionar formas de onda ao grfico atual.

Para adicionar formas de onda, criando um novo grfico.

Para passar para o domnio da freqncia.


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Para passar para o domnio do tempo.

Ferramenta de seleo.

Adicionar texto.

Mostra o valor mximo da varivel selecionada.*

Mostra o prximo valor mximo da varivel selecionada.*

Mostra o valor mnimo da varivel selecionada.*

Mostra o prximo valor mnimo da varivel selecionada.*

Mostra o valor mdio da varivel selecionada.*

Mostra o valor eficaz da varivel selecionada.*

Mostra o valor mdio do mdulo da varivel selecionada.*

* disponvel apenas quando a caixa de medies est na tela, e uma varivel est selecionada

Para saber o valor da tenso sobre os resistores, pressiona-se o boto . Desta forma aparece uma janela com o nome Measure . Para que os valores apaream nesta janela basta clicar no grfico. Na figura a seguir est representado o resultado obtido no exemplo.

Figura 10 Valores das tenses sobre os resistores.

6. CONCLUSO

Neste material apresentada uma breve introduo ao uso do simulador de circuitos PSIM. So apresentadas algumas caractersticas do programa, bem como algumas razes para que simulaes sejam realizadas.

De uma maneira simplificada so apresentadas as principais ferramentas do programa, e demonstrado como realizar uma simulao. O circuito simulado bem simples, mas o procedimento utilizado pode ser aplicado a circuitos mais complexos.

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