khai thác phần mềm psim - 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

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, đặc biệt là sự giúp đỡ rất nhiệt tình của cô giáo Nguyễn Thị Điệp 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!

2

Chương 1 Tổng quan về một số phần mềm mô phỏng mạch điện tử

1.1 Matlab/Simulink

Đây 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 điển 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, diot, 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 điển tử công suất theo ý muốn (thí dụ như mạch chỉnh lưu cầu hoặc mạch băm xung,…)

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 lầ 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

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

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 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

4

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

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

2.1 Giới thiệu về phần mềm PSIM

2.1.1 Khái niệm chung

PSIM bao gồm 3 chương trình:

Hình 2.1 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 2.2 Biểu diễn một mạch điện trên PSIM

- 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 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 :

7

- Các tham số (Parameters).

- Các thông tin khác (Orther Info)

- Màu sắc (Color)

Hình 2.4 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 :

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)

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 2.5 ký hiệu phần tử RLC một pha và ba pha

2.2.2 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 gía trị nội trở bằng 10µ Ω, còn ở trạng thái mở (không có dòng) sẽ có giá trị 1MΩ

Hình 2.6 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 2.7 ký hiệu tranzito ba trạng thái

9

2.2.3 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 2.8 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

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

- Máy biến áp 3 pha 3 cuộn dây nối Y/Y/∆ và Y/∆ / ∆

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 2.11 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 2.12 Môđun chỉnh lưu cầu ba pha

A

B s B s B s

B

n n

n n

0

1 1

2 2

0

1 1

2 2

+ +

+ +

+ +

+ +

11

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

Hình 2.14 Ký hiệu khối tích phân

Hình 2.15 Ký hiệu khối tỷ lệ - tích phân

2.3.2 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 2.16 Ký hiệu các khối cộng

Hình 2.17 Ký hiệu các khối nhân và chia

Hình 2.18 Ký hiệu các khối hàm căn, mũ, luỹ thừa và logarit

2.3.3 Các khối hàm khác

2.3.3.1 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

12

Hình 2.19 Ký hiệu khối so sánh

2.3.3.2 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 2.20 Ký hiệu khối hạn chế

2.3.3.3 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 2.21 Ký hiệu xung hình thang và xung chữ nhật

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 .

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

Hình 2.26 Ký hiệu nguồn hình sin một pha nguồn hình sin ba pha

2.4.1.3 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

14

Hình 2.27 Ký hiệu nguồn sóng chữ nhật

2.4.1.4 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 µ Ω.

Hình 2.28 Ký hiệu các cảm biến điện áp và dòng điện

2.4.2 Bộ điều khiển chuyển mạch

2.4.2.1 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 2.29 ký hiệu của bộ on-off switch controller .

2.4.2.2.Bộ điều khiển góc mở α

Bộ điều khiển dùng để điều khiển góc mở của tiristor, ký hiệu vào của

bộ điều khiển bao gồm : góc α , 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 0 0 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

- 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

- 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

16

2.5 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

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 khiển

17

* 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 : 180o

Hình 2.32 Hộp thoại mô tả khối Gating block

* Mạch điều khiển dùng switch controller :

Tín hiệu vào của khối này là tín hiệu so sánh COMP, so sánh hai tín hiệu : nguồn một chiều VDC và nguồn xung tam giác VTR1

Hình 2.33 hộp thoại tham số các phần tử mạch điều khiển dùng switch controller

2.6.4 Chạy mô phỏng

Sau khi thiết kế mạch, mô tả và cài đặt các tham số cho tất cả các phần tử trong mạch, ta tiến hành mô phỏng mạch bằng cách ấn nút chuột trái lên ký hiệu khởi động mô phỏng (Run Psim) trên thanh công cụ của cửa sổ mạch thiết kế khi

đó Psim sẽ khởi động và chạy chương trình mô phỏng mạch (Psim simulator)

18

Trên màn hình sẽ xuất hiện cửa sổ lựa chọn các đường cong mô phỏng hiển thị (hình 2.34): cửa sổ bên trái là các đường cong hiển thị, cửa sổ bên phải là đường cong cần hiển thị Trong đó các đường cong I (L1) và V1 là cho mạch bên trái (hình 2.31) còn I (L2) và V2 là cho mạch hình bên phải.

Hình 2.34 Cửa sổ lựa chọn hiển thị các đường cong kết quả

Hình 2.35 Đường cong kết quả mô phỏng I(L1) V1 với f=5000 Hz.

Hình 2.35 là đường cong kết quả mô phỏng I (L1) và V1 trong miền thời gian.Với các tham số giống hệt nhau của mạch bên phải (hình 2.31) so với mạch bên trái thì kết quả đường cong I(L2) và V2 sẽ giống I(L1) và V1

19

Để nghiên cứu ảnh hưởng của tần số đóng cắt mạch băm áp một chiều này ta cho tham số f biến thiên.Giả sử ta thay đổi tần số bộ nguồn sóng tam giác VTR1 là 1000

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

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:

Chương 3 Tổng quan về lò điện

3.1 Giới thiệu chung về lò điện

3.1.1.Định nghĩa

Lò điện là một thiết bị điện biến điện năng thành nhiệt năng dùng trong các quá trình công nghệ khác nhau như nung hay nấu luyện các vật liệu, các kim loại và các hợp kim khác nhau ,v.v

- Lò điện được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật:

+ Sản xuất thép chất lượng cao

+ Sản xuất các hợp kim phe-rô

+ Nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện

+ Nung các vật phẩm trước khi cán, rèn đập, kéo sợi

- Trong các lĩnh vực công nghiệp khác:

+ Trong công nghiệp nhẹ và thực phẩm, lò điện được dùng để sấy, mạ vật phẩm và chuẩn bị thực phẩm

+ Trong các lĩnh vực khác, lò điện được dùng để sản xuất các vật phẩm thuỷ tinh, gốm sứ, các loại vật liệu chịu lửa …

Lò điện không những có mặt trong các ngành công nghiệp mà ngày càng được dùng phổ biến trong đời sống sinh hoạt hằng ngày của con người một cách phong phú : bếp điện, nồi cơm điện, bình đun nước điện, thiết bị nung nắn, sấy điện …

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

- 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=I2 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

- Dây nung :Khi dây nung được nung nóng nó sẽ truyền nhiệt cho vật nung bằng bức xạ, đối lưu, dẫn nhiệt hoặc phức hợp Trường hợp này gọi là nung gián tiếp

Trường hợp thứ nhất ít gặp vì nó chỉ dùng để nung những vật có hình dạng đơn giản ( chữ nhật, vuông, tròn )

Trường hợp thứ hai thường gặp nhiều trong thực tế công nghiệp.Cho nên nói đến lò điện trở không thể không đề cập đến vật liệu để làm dây nung,

bộ phận phát nhiệt của lò

3.2.2 Yêu cầu đối với vật liệu làm dây nung

- Có độ bền cơ khí cao, không bị biến dạng ở nhiệt độ cao

- Có điện trở suất lớn

- Hệ số nhiệt điện trở nhỏ

- Dễ gia công, dễ hàn, hoặc dễ ép khuôn

3.2.3 Cấu tạo lò điện trở

Lò điện trở gồm 3 phần chính : vỏ lò, lớp lót, dây nung

3.2.3.1 Vỏ lò

Vỏ lò điện trở là một khung cứng vững, chủ yếu để chịu tải trọng trong quá trình làm việc của lò Mặt khác vỏ lò cũng dùng để giữ lớp cách nhiệt rời và đảm bảo sự kín hoàn toàn hoặc tương đối của lò Khung vỏ lò cần cứng vững đủ để chịu được tải trọng của lớp lót, phụ tải lò và các cơ cấu cơ khí gắn trên vỏ lò Có các loại

vỏ lò như vỏ lò tròn, vỏ lò chữ nhật…

3.2.3.2 Lớp lót

Gồm hai phần là vật liệu chịu lửa và cách nhiệt

23

Phần vật liệu chịu lửa có thể xây bằng gạch tiêu chuẩn hay gạch hình đặc biệt tuỳ theo hình dáng và kích thước đã cho của buồng lò Phần vật liệu chịu lửa cần đảm bảo các yêu cầu như: Chịu được nhiệt độ làm việc cực đại của lò, có độ bền tốt, 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 3.2 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

đó diện áp đưa ra tải bằng ½ điện áp 2 pha có van dẫn

- Không thể có trường hợp chỉ có một pha dẫn dòng

Ta xét hoạt động của mạch điều áp xoay chiều ba pha dùng sáu thyristor đấu song song ngược, tải thuần trở đấu hình sao ở trên và dựng đồ thị quan hệ giữa công suất tải và góc α :

Công suất tải là : P = 3.R.I2 Trong đó I là trị số hiệu dụng của dòng điện tải Dòng điện này biến thiên theo quy luât dẫn dòng của van như sau :

- Nếu mỗi pha có một van dẫn ( hay toàn mạch có ba van dẫn ) :

i =

R

3 sin(θ+ϕ)(3.1)

- Nếu chỉ có hai van dẫn ( hay toàn mạch có hai van dẫn ) :

i =

R

Udm

2 sin(θ+ϕ)(3.2)

trong đó :Udm là biên độ điện áp dây

25

ϕ là góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện ở giai đoạn đang xét.

Tuỳ thuộc vào góc điều khiển mà các giai đoạn có ba van dẫn hoặc hai van dẫn cũng thay đổi theo.Ta thấy có ba khoảng điều khiển chính:

3.3.1 Khoảng van dẫn ứng với α = 0 ÷ 600

Trong phạm vi này sẽ có các giai đoạn ba van và hai van dẫn xen kẽ nhau như đồ thị sau đây :

Hình 3.3 α = 30 0, đồ thị điện áp pha A của tải góc dẫn thyristor λ =(180 0 − λ)

Dựa vào đồ thị ta có thể xác định được biểu thức liên quan giữa công suất ra tải P và góc điều khiển α :

P = 3.I2 R = 3

R

2

Trong đó Ua là trị hiệu dụng của điện áp tải pha a

Trong trường hợp đang xét ta có :

π

θ π

π α

2 sin 4

3 2

3 1 2 1

2

2 2

0 2

a U

d U

(3.4)

3.3.2 Khoảng van dẫn ứng với α = 600 ÷ 900

3 1

3 2 a U

R P

26

Trong phạm vi này luôn chỉ có các giai đoạn hai van dẫn Ta có đồ thị điện

áp ra :

Hình 3.4 α = 75 0, góc dẫn van không đổi và bằng λ = 120 0

Dựa vào đồ thị ta có thể xác đinh được biểu thức liên quan giữa công suất ra tải P và góc điều khiển α :

2

6

2

sin.26π

π

θθ

=

9 2