Ứng dụng psim trong điện tử công suất

PSIM do hãng Powersim Inc. sản xuất, là phần mềm mô phỏng được thiết kế đặc biệt để mô phỏng các mạch điện tử công suất, các hệ truyền động điện. Với khả năng mô phỏng nhanh, giao diện thân thiện dễ sử dụng và phân tích dạng sóng tốt, PSIM là công cụ mô phỏng mạnh mẽ cho việc phân tích các bộ biến đổi điện tử công suất, thiết kế vòng điều khiển kín, và nguyên cứu các hệ thống truyền động điện. PSIM gồm 3 chương trình: PSIM Schematic: Chương trình soạn thảo mạch nguyên lý, dùng để vẽ mạch cần mô phỏng (kết quả cho file với đuôi .sch).

PSIM –PHẦN MỀM MÔ PHỎNG NHANH CÁC MẠCH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Hà Xuân Hòa

I GIỚI THIỆU

PSIM do hãng Powersim Inc sản xuất, là phần mềm mô phỏng được thiết kế đặc biệt để mô phỏng các mạch điện tử công suất, các hệ truyền động điện Với khả năng mô phỏng nhanh, giao diện thân thiện dễ sử dụng và phân tích dạng sóng tốt, PSIM là công cụ mô phỏng mạnh mẽ cho việc phân tích các bộ biến đổi điện tử công suất, thiết kế vòng điều khiển kín, và nguyên cứu các hệ thống truyền động điện

PSIM gồm 3 chương trình:

- PSIM Schematic: Chương trình soạn thảo mạch nguyên lý, dùng để vẽ mạch cần mô phỏng (kết quả cho file với đuôi *.sch)

Hình 1: Cửa sổ soạn thảo mạch nguyên lý PSIM Schematic

- PSIM simulator: trình mô phỏng mạch nguyên lý (cho kết quả có đuôi là *.txt)

- SIMVIEW: trình vẽ dạng sóng kết quả mô phỏng, phân tích sóng

Hình 2: Cửa sổ SIMVIEW vẽ dạng sóng kết quả mô phỏng

II CÁC VÍ DỤ

Để dễ hiểu, dưới đây giới thiệu một số ví dụ mô phỏng đơn giản

Ví dụ 1: Mô phỏng mạch chỉnh lưu điốt 1 pha ½ chu kỳ Nguồn xoay chiều

100Vac, 50Hz Điện áp trên Diot khi dẫn là 2V Vẽ dạng sóng điện áp nguồn vào và điện áp ra trên tải, dòng điện tải trong hai trường hợp:

Bước 2: Tạo một trang soạn thảo mới bằng cách chọn File -> New

hoặc dùng con chuột nhấn vào nút ở góc trên bên trái:

Cửa sổ soạn thảo có dạng:

Bước 3: Soạn thảo mạch:

- Lấy nguồn xoay chiều: Vào Elements -> Sources -> Voltage chọn Sine (nguồn xoay chiều 1 pha hình sin)

Dùng chuột, đưa phần tử nguồn đến vị trí gần góc trên bên trái

Kích đúp vào ký hiệu nguồn vừa đặt vào của sổ soạn thảo, 1 cửa sổ VSIN gán thông số cho nguồn này mở ra, đánh thông số nguồn như hình dưới đây

Đóng cửa sổ lại

- Lấy điot: Vào Elements -> Power -> Switches -> chọn Diode

đặt linh kiện diot gần nguồn sin như sau

Kích đúp lên linh kiện Diot rồi gán thông số như sau:

Đóng của sổ DIODE lại

- Lấy tải R-L: Vào Elements -> Power -> RLC Branches -> chọn RL

kích chuột phải để xoay nhánh RL, rồi đặt gần nguồn sin và Diot như sau:

Kích đúp lên nhánh RL, gán thông số như sau:

khi chọn cờ dòng (Current Flag) bằng 1 thì chương trình sẽ lưu giá trị dòng điện chạy qua nhánh RL, nhờ đó ta có thể dùng để xem dạng sóng dòng điện chạy qua tải RL

Đóng cửa sổ lại

- Nối dây: Vào Edit -> chọn Wire

hoặc nhấn chuột trái chọn nút trên thanh công cụ Toolbar

Dùng bút vẽ dây này để nối các phần tử như sau

- Thêm thế 0 cho dụng cụ đo điện áp: Kích chuột trái vào nút ở góc dưới bên trái màn hình, hoặc vào Elements -> Other -> Chọn Ground

đặt nó ở vị trí như sau:

- Thêm đồng hồ đo điện áp: kích chuột trái vào nút ở giữa dưới màn hình trên thanh Element Toolbar, hoặc vào Elements -> Other -> Probes -> chọn Voltage Probe:

đặt đồng hồ đo ở đầu vào nguồn và đầu ra trên tải như hình sau:

đặt tên cho các đồng hồ bằng cách kích đúp lên mỗi đồng hồ rồi gán thông số như sau

cuối cùng ta được

Bước 4: Lưu file chứa mạch nguyên lý vừa tạo bằng cách vào File -> Save as,

đặt tên file là uncontrolrectifier1half

Bước 5: Mô phỏng

- Cài cặt chế độ mô phỏng: Vào Simulate -> chọn Simulation Control

Đặt bảng điều khiển mô phỏng như sau (đặt ở đâu cũng được, miễn nó nằm trong trang soạn thảo là được)

rồi gán các thông số như sau

Ở đây đặt thời gian mô phỏng là 0.04s tương ứng với 2 chu kỳ điện áp lưới.

Chú ý: Trong quá trình làm, nếu cần tìm hiểu kỹ hơn ý nghĩa từng thông số, chỉ cần kích chuột trái vào chữ Help trên mỗi cửa sổ gán thông số, 1 cửa sổ trợ giúp sẽ hiện ra giải thích ý nghĩa từng thông số.

- Chạy mô phỏng: Vào Simulate -> chọn Run Simulation, hoặc ấn F8

hoặc dùng chuột trái chọn nút trên thanh Toolbar

chương trình PSIM Simulator sẽ tiến hành mô phỏng mạch, rồi tự động gọi chương trình SIMVIEW hiển thị các dạng sóng

Cửa sổ cho phép chọn sóng muốn hiển thị hiện ra

Trên cửa sổ này, ô trắng bên trái liệt kê những sóng có sẵn có thể hiển thị ngay,

ô trắng bên phải là những sóng sẽ được hiển thị, ô trắng nhỏ góc dưới bên trái là sóng kết hợp các sóng có sẵn bằng cách sử dụng các phép toán học

Kích đúp lên Vd và Vs để hiển thị sóng áp vào và ra trên cùng một đồ thị

Sóng dòng điện chạy qua diot hiện ra như sau:

Kết quả ta có dạng sóng điện áp nguồn vào Vs, điện áp trên tải Vd và dòng điện qua tải I(RL1) như sau

- Thay đổi tải R = 10, L = 0,1H (tăng điện cảm tải)

Trở lại trang soạn thảo mạch, kích đúp lên nhánh tải RL1 rồi gán thông số

Nhấn F8 để chạy mô phỏng lại ta được kết quả khi tăng điện cảm tải như sau hình dưới đây

Ví dụ 2: Mô phỏng mạch chỉnh lưu có điều khiển dùng Thyristor 1 pha ½ chu

kỳ Nguồn xoay chiều 100Vac, 50Hz Điện áp trên Thyristor khi dẫn là 2V Vẽ dạng sóng điện áp nguồn vào và điện áp ra trên tải, dòng điện tải trong hai

trường hợp:

- Tải R-L-E với R = 10, L = 0,01H; E = 0V

- Tải R-L-E với R = 10, L = 0,01H; E = 50V

Thực hiện:

Bước 1, 2: Làm tương tự như ví dụ 1.

Bước 3: Vẽ mạch

Đặt nguồn vào cửa sổ soạn thảo Kích đúp vào ký hiệu nguồn Sin, rồi gán thông

- Lấy nhánh tải R-L: Vào Elements -> Power -> RLC Branches -> chọn RL

gán thông số RL như sau:

- Lấy nguồn một chiều để mô phỏng sức phản điện động của tải: Elements -> Sources -> Voltage -> chọn DC

gán thông số cho nguồn DC (tải sức phản điện động)

Dùng bút vẽ dây điện nối mạch điện như sau

- Lấy cảm biến điện áp: Elements -> Other -> Sensors -> chọn Voltage Sensor

- Lấy bộ so sánh: Elements -> Control -> chọn Comparator

- Lấy bộ điều khiển góc mở  cho Thyristor: Vào Elements -> Other -> Switch

gán thông số cho bộ điều khiển góc mở như sau

- Lấy 1 nguồn áp một chiều làm tín hiệu điều khiển góc mở

gán thông số cho VDC như sau

- Thêm các đồng hồ đo điện áp tại đầu vào nguồn và đầu ra tải (làm tương tự như ví dụ 1)

Bước 4: Lưu file chứa mạch nguyên lý vừa tạo bằng cách vào File -> Save as,

đặt tên file là controlrectifier1half

- Cài cặt chế độ mô phỏng: cài đặt tương tự như ví dụ 1.

- Chạy mô phỏng: ấn F8

chương trình PSIM Simulator sẽ tiến hành mô phỏng mạch, rồi tự động gọi chương trình SIMVIEW hiển thị các dạng sóng

Cửa sổ cho phép chọn sóng muốn hiển thị hiện ra

Trên cửa sổ này, ô trắng bên trái liệt kê những sóng có sẵn có thể hiển thị ngay,

ô trắng bên phải là những sóng sẽ được hiển thị, ô trắng nhỏ góc dưới bên trái là sóng kết hợp các sóng có sẵn bằng cách sử dụng các phép toán học

Kích đúp lên Vd và Vs để hiển thị sóng áp vào và ra trên cùng một đồ thị

Sóng dòng điện chạy qua tải hiện ra như sau:

Kết quả ta có dạng sóng điện áp nguồn vào Vs, điện áp trên tải Vd và dòng điện qua tải I(RL1) như sau

- Thay đổi tải R = 10, L = 0,01H, E = 50V(có sức phản điện động tải)

Trở lại trang soạn thảo mạch, kích đúp lên nguồn E rồi gán thông số

Nhấn F8 để chạy mô phỏng lại ta được kết quả khi tải có sức phản điện động dương và bằng 50V như sau: