Ứng dụng phần mềm PSIM mô phỏng mạch điện tử công suất

Ứng dụng phần mềm PSIM mô phỏng mạch điện tử công suất

MẠCH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Sinh viên thực hiện : LƯƠNG VĂN THÁI

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SAO ĐỎ

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Ngày hoàn thành: 16/7/2012 Giáo viên hướng dẫn: Lê Thị Mai

Tên đề tài:

Ứng dụng phần mềm PSIM mô phỏng mạch điện tử công suất

Điều kiện cho trước:

- Mạch chỉnh lưu không điều khiển

- Mạch chỉnh lưu có điều khiển

Thuyết minh (nhiệm vụ):

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 Ứng dụng phần mềm PSIM mô phỏng mạch điều khiển chỉnh

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 4

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MỘT SỐ PHẦN MỀM MÔ PHỎNG MẠCH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 5

1.1 Phần mềm TINA (Toolkit for Interative Netword Analysis) 5

1.2 Phần mềm PSPICE (Power Simulation Program with Intergrated Circuit Emphases) 6

1.3 Phần mềm Matlab / Simulink 7

1.4 Phần mềm PSIM (Power Electronics Simulation Software) 9

CHƯƠNG II GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM PSIM 11

2.1 Giới thiệu tổng quan về phần mềm PSIM 11

2.1.1 Giới thiệu chung 11

2.1.2 File Menu 11

2.1.3 Edit Menu 12

2.1.4 View Menu 13

2.1.5 Subcircuit Menu 13

2.1.6 Simulate Menu 14

2.1.7 Option Menu 14

2.1.8 Window Menu 14

2.2 Giới thiệu các phần tử trong PSIM 14

2.2.1 Thư viện Power (Power Library) 14

2.2.2 Một số phần tử mạch điều khiển (Control) 18

2.2.3 Thư viện Other 21

2.2.4 Thư viện Sources (Nguồn) 22

2.3 Các bước tiến hành mô phỏng mạch điện tử công suất 23

2.4 Ví dụ mô phỏng 23

2.4.1 Mô phỏng mạch chỉnh lưu dùng Điôt 23

2.4.2 Mô phỏng mạch chỉnh lưu dùng Thyristor 29

CHƯƠNG III ỨNG DỤNG PHẦN MỀM PSIM THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 36

3.1 Giới thiệu chung về mạch điều khiển 36

3.1.1 Khâu đồng bộ hoá và phát sóng răng cưa 37

3.1.2 Khâu so sánh 40

3.1.3 Khâu sửa xung 42

3.1.4 Khâu khuếch đại xung 44

3.2 Các loại sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển 46

3.2.1 Chỉnh lưu một pha dùng máy biến áp có điểm giữa Tải trở cảm (R, L) 46

3.2.2 Chỉnh lưu cầu một pha dùng thyristor Tải (R, L) 49

3.2.3 Chỉnh lưu tia 3 pha dùng thyristor 50

3.2.4 Chỉnh lưu cầu 3 pha dùng thyristor 53

3.3 Mô phỏng mạch điều khiển cho sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha bán điều khiển 55

3.3.1 Mô phỏng trên phần mềm PSIM 55

3.3.2 Thực nghiệm 62

KẾT LUẬN 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

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

Để đáp ứng về nhu cầu thực tiễn đặt ra chúng em lựa chọn đề tài tốt

nghiệp “Ứng dụng 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 3 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: Ứng dụng phần mềm PSIM thiết kế mạch điều khiển

Trong quá trình làm đồ án, với sự tìm tòi và nghiên cứu của bản thân, đặc biệt là sự giúp đỡ rất nhiệt tình của cô giáo Lê Thị Mai chúng em đã hoàn thành

đồ án này Tuy nhiên do thời gian nghiên cứu còn hạn chế, nên đồ án này của

chúng em không tránh khỏi những thiếu xót Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô và các bạn để đồ án của chúng em hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện

Lương Văn Thái

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MỘT SỐ PHẦN MỀM MÔ PHỎNG

MẠCH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 1.1 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 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: điốt, transitors, tiristo, triac, điăc

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

Hình 1.1 Giao diện chính của phần mềm TINA

Phần mềm TINA có nhiều ưu điểm như: dễ sử dụng, đây là 1 công cụ hiệu quả cao

Phần mềm được xây dựng với nhiều phần tương tác với nhau, người thiết

kế có thể vẽ mạch bằng sơ đồ nguyên lý và chuyển sang dạng mạch in, quan sát mạch in dưới dạng 3D và xuất ra tập tin hình ảnh để gởi đến nhà sản xuất…

Sự tương tác cao, đầy đủ tính năng và dễ sử dụng đã làm cho phần mềm TINA chiếm ưu thế hơn các phần mềm thiết kế mạch khác hiện nay…

1.2 Phần mềm PSPICE (Power Simulation Program with Intergrated Circuit Emphases)

PSPICE là phần mềm mô phỏng mạch điện - điện tử trường Đại học tổng hợp California ở Berkeley sáng tạo ra Hiện nay PSPICE được xem là một trong những phần mềm mô phỏng mạch điện - điện tử mạnh và phổ biến trên thế giới

Có thể nói rằng trong lĩnh vực mô phỏng mạch điện tử PSPICE cũng thông dụng như MATLAB trong mô phỏng hệ thống tự động Phần mềm này cho phép người dùng thiết lập mô hình phần tử của mình theo định hướng nghiên cứu riêng, mở ra khả năng rộng lớn cho các chuyên gia trong lĩnh vực điện tử công suất Đây là sản phẩm mới nhất, nhằm tổng hợp các giai đoạn thiết kế chế tạo mạch điện tử: xây dựng mạch nguyên lý, mô phỏng, chuyển mạch nguyên lý mạch sang mạch in, đổ sang máy làm mạch in

Thư viện của PSPICE rất lớn, lên đến hàng chục nghìn linh kiện điện tử, bóng bán dẫn, vi mạch IC của rất nhiều hãng trên thế giới, vì vậy rất thuận lợi khi thiết kế hay khảo sát mạch sử dụng các linh kiện có sẵn trong thư viện và xây dựng các mô hình riêng, tự thiết lập thư viện riêng phục vụ mục đích của mình

Giống như TINA, trong PSPICE có sẵn rất nhiều loại nguồn điện để người khảo sát sử dụng (nguồn điện áp, dòng điện một chiều, nguồn điện hình sin, dạng sóng theo hàm mũ, nguồn tín hiệu điều chế tần số) và 4 nguồn phụ thuộc cơ bản Ngoài ra còn có công tắc điện tử được điều khiển bằng điện áp hoặc bằng dòng điện Các phân tích chính là đặc tính truyền đạt, đặc tính tần số,

điểm làm việc một chiều, đặc tính động

Trong mô phỏng mạch điện tử công suất quan trọng nhất là phân tích

động (Transient analysis) Trong PSPICE chế độ phân tích này thường tốn thời

gian tính của PC, khi mạch phức tạp hoặc thời gian khảo sát lớn, dung lượng của file dữ liệu này 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

Hình 1.2 Giao diện của phần mềm PSPICE

1.3 Phần mềm Matlab / Simulink

Matlab là phần mềm được phổ cập ở mức độ toàn cầu Hiện nay ở nước

ta, Matlab cũng khá quen thuộc trong lĩnh vực điều khiển và tự động hóa Tuy nhiên từ phiên bản 5.3 của Matlab mới cho phép thâm nhập vào lĩnh vực điện tử công suất (Power electronic) Đây là phần mềm bổ sung của mục “power system blockset” nằm trong phần simulink Trong đó đưa ra mô hình các phần tử bán dẫn là: tiristo, điôt, GTO, MOSFET và ideal switch Tất cả các phần tử này đều

được mô phỏng như một mạch gồm điện trở mắc nối tiếp điện cảm khi ở trạng

thái dẫn dòng điện, còn khi không dẫn dòng thì tương ứng đứt mạch (tổng trở bằng vô hạn), ngoài ra luôn có mạch RC đấu song song Bằng cách ghép từng hình theo một sơ đồ cụ thể nào đó, có thể thiết lập một thư viện các mạch điện tử công suất theo ý muốn (thí dụ như mạch chỉnh lưu cầu hoặc mạch băm xung,…)

Hình 1.3 Giao diện của phần mềm MATLAB

Phần mềm mô phỏng bằng Simulink rất thuận lợi khi cần phân tích và khảo sát ở khía cạnh hệ thống, nhất là với hệ thống kín, ở đó mạch điện tử công suất chỉ là một khối của hệ thống Trong simulink, các van được mô phỏng hoặc như một khoá lý tưởng, hoặc như một điện trở hai trạng thái 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

Hình 1.4 Giao diện của SIMULINK

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

Hình 1.5 Giao diện của phần mềm PSIM

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, em lựa chọn đề tài đồ án là: Ứng dụng phần

mềm PSIM mô phỏng mạch điện tử công suất

CHƯƠNG II GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM PSIM 2.1 Giới thiệu tổng quan về phần mềm PSIM

2.1.1 Giới thiệu chung

PSIM bao gồm 3 chương trình:

- 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 2.1 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

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 File Menu

Menu File bao gồm các chức năng sau đây:

- New : Tạo một mạch mới

- Open: Mở một mạch hiện có

- Close: Đóng cửa sổ mạch hiện tại

- 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

2.1.3 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 phần tử

- Disable: Vô hiệu hoá một thành phần hoặc một phần 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 phần tử được chọn

- Flip T/B: Lật trên / dưới của phần tử được lựa chọn

- Find: Tìm một phần tử dựa vào loại và tên của nó

- Find Next: Tìm các phần tử tiếp theo của cùng loại

- Edit Library: Chỉnh sửa các thư viện PSIM

2.1.4 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

- Element Toolbar: Kích hoạt hoặc vô hiệu hóa thanh công cụ phần

tử Các thanh 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

2.1.5 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 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

2.1.6 Simulate Menu

Simulate Menu bao gồm các chức năng sau đây:

- Simulation control : Kiểm soát thời gian mô phỏng

- Run PSIM: Chạy mô phỏng mạch

- Run SIMVIEW: Chạy màn hình hiển thị sóng

- Arrange SLINK Nodes: Sắp xếp Slink Nodes Sắp xếp thứ tự của các

nút SLINK_IN và SLINK_OUT

2.1.7 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

2.1.8 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

2.2 Giới thiệu các phần tử trong PSIM

2.2.1 Thư viện Power (Power Library)

a, Điện trở, điện cảm và điện dung ( RLC Branches )

Trong thư viện này bao gồm một số phần tử như:

- Resistor: điện trở

- Inductor: điện cảm

- Capacitor: tụ điện

- RL: nhánh điện trở, điện cảm

- RC: nhánh điện trở,tụ điện

- LC: nhánh điện cảm, tụ điện

- RLC: mạch điện trở, điện cảm, tụ điện

- R3: điện trở 3 pha

- 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

Hình 2.2 Kí hiệu một số phần tử RLC một pha và ba pha

b, Khoá chuyển mạch và các mô - đun chuyển đổi (Switches)

* 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), Thyristor (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)

Hình 2.3 Ký hiệu điôt, điac và thyristor trong PSIM

Khoá ba trạng thái bao gồm hai loại tranzito pnp (PNP_1) và npn (NPN_1)

Hình 2.4 Ký hiệu tranzito ba trạng thái

* Các môđun chuyển đổi:

Chỉnh lưu cầu 1 pha dùng điôt (1-ph Diode Bridge), chỉnh lưu cầu 1 pha dùng Thyristor (1-ph Thyristor Bridge), chỉnh lưu cầu 3 pha dùng điôt (3-ph Diode Bridge), chỉnh lưu cầu 3 pha dùng thyristor (3-ph Thyristor Bridge), chỉnh lưu tia 3 pha dùng Thyristor (3-ph Thyristor Half-bridge)

Hình 2.5 Các môđun chỉnh lưu một pha và ba pha

* Khối điều khiển (Switch 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 2.6.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

c, Máy biến áp (Transformers)

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 2.7 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 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 2.8 Ký hiệu các loại biến áp ba pha

2.2.2 Một số phần tử mạch điều khiển (Control)

a, Khối hàm truyền

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

Hình 2.9 Ký hiệu khối tỷ lệ

Hình 2.10 Ký hiệu khối tích phân

Hình 2.11 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 2.12 Ký hiệu các khối cộng

Hình 2.13 Ký hiệu các khối nhân và chia

Hình 2.14 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

• 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 2.17 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

• 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 2.20 Ký hiệu các khối chuyển đổi A/D và D/A

2.2.3 Thư viện Other

a Bộ điều khiển chuyển mạch (Switch Controllers)

- Bộ điều khiển khoá đóng cắt (On-off Controller)

Hình 2.21 Kí hiệu của bộ On-off Controller

- Bộ điều khiển góc mở α (Alpha Controller)

Hình 2.22 Kí hiệu của bộ Alpha Controller

b Cảm biến (Sensors)

- Cảm biến điện áp (Voltage Sensor)

Hình 2.23.Kí hiệu của cảm biến điện áp

- Cảm biến dòng điện (Current Sensor)

Hình 2.24 Kí hiệu của cảm biến dòng điện

c Đồng hồ (probes)

- Đồng hồ đo điện áp: Trong PSIM có đồng hồ đo điện áp một chiều, đồng

hồ đo điện áp xoay chiều

Hình 2.25 Kí hiệu các đồng hồ đo điện áp

- Đồng hồ đo dòng điện: Trong PSIM có đồng hồ đo dòng điện một chiều

và đo dòng điện xoay chiều

Hình 2.26.Kí hiệu các đồng hồ đo dòng điện

- Đồng hồ đo điện năng

Hình 2.27 Kí hiệu đồng hồ đo điện năng

2.2.4 Thư viện Sources (Nguồn)

a Nguồn điện áp (Voltage Sources)

Trong PSIM có nguồn điện áp một chiều (DC), nguồn điện áp xoay chiều một pha hình Sin (Sine), nguồn điện áp xoay chiều ba pha hình sin (3-ph Sine)

Hình 2.28 Kí hiệu một số dạng nguồn điện áp

b Nguồn dòng điện (Current Sources)

Trong PSIM có nguồn dòng một chiều (DC), nguồn dòng xoay chiều một pha hình Sin (Sine)

Hình2.29 Kí hiệu một số dạng nguồn dòng điện

2.3 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 :

Bước 1: Xác định mô hình các phần tử bán dẫn cần có để thiết lập mạch cần khảo sát

Bước 2: Vẽ sơ đồ nguyên lý:

- Khởi động PSIM từ biểu tượng:

- Mở một trang mới để vẽ mạch nguyên lý: File → New (Ctrl+N) hoặc

ấn nút

- Tiếp theo lấy các linh kiện trong thư viện linh kiện của phần mềm và sắp xếp các linh kiện gọn gàng, hợp lý, đi dây nối các linh kiện với nhau tạo thành mạch, sau đó gán các thông số cho linh kiện

Bước 3: Tiến hành chạy mô phỏng, thường chia làm 2 bước:

a Chạy thử chương trình với chế độ quen thuộc mà kết quả đã biết trước

để kiểm tra độ chính xác của mạch

b Khi mạch đạt đủ độ tin cậy, tiến hành mô phỏng với các chế độ cần khảo sát theo yêu cầu đặt ra

2.4 Ví dụ mô phỏng

2.4.1 Mô phỏng mạch chỉnh lưu dùng Điôt

• Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha dùng Điôt tải R+E với R =10 (Ώ), E = 100 (V)

a, Lấy linh kiện:

• Nguồn xoay chiều 1 pha hình sin: Elements → Power → Sine ( chú ý trước

khi đặt linh kiện xuống có thể xoay chúng bằng chuột phải)

Nếu thấy linh kiện ở thanh linh kiện phía dưới thì có thể lấy ở đó

Đặt tên và thông số bằng cách kích đúp lên linh kiện ( tích vào display nếu

muốn tên linh kiện hiện lên trên mạch)

• Biến áp: Elements → Power → Transformers → 1- Ph transformers

Sau đó kích đúp lên linh kiện để đặt thông số

• Van Điôt: Elements → Power → Switches → Điôt

• Tải R: Elements → Power → RLC Branches → Resistor

Kích đúp lên linh kiện để đặt thông số: R = 10 (Ώ)

• Suất điện động phản kháng một chiều E: Elements → Sources → Voltage →

DC

Kích đúp lên linh kiện để đặt thông số:

E = 100 VDC

• Lấy đồng hồ đo hiệu điện thế: Elements → Other → Probes → Votlage

Probe

• Lấy đồng hồ đo dòng điện: Elements → Other → Probes → Current Probe

Sau khi lấy xong các linh kiện ta bố trí các linh kiện như sau:

c, Đặt bảng điều khiển

Chọn Simulate → Simulation Control

Time step: Thời gian bước

Total Time: Tổng thời gian ( giây ) = độ dài trục thời gian ( trục hoành )

d Chạy mô phỏng

Chọn Simulate → Run simulate; hoặc ấn F8, hoặc nút trên màn hình Sau đó chương trình Sim View sẽ tự động chạy cho phép ta chọn các đại lượng muốn hiển thị đồ thị sóng, sau đó ta kích lần lượt vào các đại lượng muốn hiển thị → ADD → OK

Sẽ thu được đồ thị dạng sóng như sau

Chọn Screen → ADD/ Dlete curve… hoặc nút → chọn đại lượng,

ADD/Remove →OK để thêm hoặc xoá đồ thị nào đó trên trục toạ độ hiện tại

Chọn Screen → ADD/ Dlete hoặc nút → chọn đại lượng, ADD/

Remove →OK để thêm hoặc xoá đồ thị nào đó vào một trục toạ độ khác

2.4.2 Mô phỏng mạch chỉnh lưu dùng Thyristor

Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha dùng Thyristor tải R+L với R =10 (Ώ), L= 0,5(H)

a, Lấy linh kiện:

• Nguồn xoay chiều 1 pha hình sin: Elements → Power → Sine ( chú ý trước

khi đặt linh kiện xuống có thể xoay chúng bằng chuột phải)

Đặt tên và thông số bằng cách kích đúp lên linh kiện (tích vào Display

nếu muốn tên linh kiện hiện lên trên mạch)

nguồn 110 V, tần số f = 60

• Biến áp: Elements → Power → Transformers → 1- Ph transformers

Sau đó kích đúp lên linh kiện để đặt thông số

• Van Thyristor: Elements → Power → Switches → Thyristor

• Tải R: Elements → Power → RLC Branches → Resistor

Kích đúp lên linh kiện để đặt thông số:

R = 10 (Ώ)

• Điện cảm L: Elements → Power → RLC Branches → Inductor

Kích đúp lên linh kiện để đặt thông số:

L = 0.5 H

• Lấy bộ điều khiển Thyristor: Elements → Power → Switches → Gating block

• Lấy đồng hồ đo hiệu điện thế: Elements → Other → Probes → votlage

probe

• Lấy đồng hồ đo dòng điện: Elements → Other → Probes → Current probe

Sau khi lấy xong các linh kiện ta bố trí các linh kiện như sau:

d Chạy mô phỏng

Chọn Simulate → Run simulate; hoặc ấn F8, hoặc nút trên màn hình Sau đó chương trình Sim View sẽ tự động chạy cho phép ta chọn các đại lượng muốn hiển thị đồ thị sóng, sau đó ta kích lần lượt vào các đại lượng muốn hiển thị → ADD → OK

Sẽ thu được đồ thị dạng sóng như sau

Chọn Screen → ADD/ Dlete curve… hoặc nút → chọn đại lượng,

ADD/Remove →OK để thêm xoá đồ thị nào đó trên trục toạ độ hiện tại

Chọn Screen → ADD/ Dlete hoặc nút → chọn đại lượng, ADD/

Remove →OK để thêm xoá đồ thị nào đó vào một trục toạ độ khác

CHƯƠNG III ỨNG DỤNG PHẦN MỀM PSIM THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU

KHIỂN 3.1 Giới thiệu chung về mạch điều khiển

SX: Khâu sửa xung

KĐ & TX: Khâu khuếch đại và truyền xung

* Các yêu cầu chung của mạch điều khiển

+ Phát xung điều khiển đến các van lực theo đúng pha và với góc điều khiển cần thiết

+ Đảm bảo phạm vi điều chỉnh góc điều khiển αmin÷ αmax tương ứng với phạm vi thay đổi điện áp ra tải của mạch lực

+ Cho phép bộ chỉnh lưu làm việc bình thường với các chế độ khác nhau

do tải yêu cầu như chế độ khởi động, chế độ nghịch lưu, chế độ dòng điện liên tục hay gián đoạn, chế độ hãm hay đảo chiều điện áp

+ Chế độ đối xứng điều khiển tốt, không vượt quá 1o

÷3o Tức là góc điều khiển với mọi van không được lệch quá giá trị trên

+ Đảm bảo mạch hoạt động ổn định và tin cậy khi lưới điện xoay chiều dao động cả về giá trị điện áp và tần số

+ Có khả năng chống nhiễu công nghiệp tốt

+ Độ tác động của mạch điều khiển nhanh, dưới 1ms