hướng dẫn sử dụng phần mềm matlap

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 cácphần tử trong m

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây, mô hình hóa trở thành phương pháp rất hiệu quảtrong nghiên cứu khoa học, trong thực tế sản xuất cũng như trong phục vụgiảng dạy và học tập Trên thị trường thế giới cũng đã xuất hiện rất nhiều phần mềmThiết 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 nàychính 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 nhiềukhó khăn vì thiếu về trang thiết bị thực hành Nhiều thiết bị mô phỏng cũ, sốlượng module ít nên không đáp ứng được hết các nhu cầu về giảng dạy và họctập

Để đáp ứng về nhu cầu thực tiễn đặt ra chúng em lựa chọn đề tài “TÌM HIỂU VỀ PHẦN MỀM PSIM”.

Trong quá trình tìm hiểu và thực hiện mô phỏng không thể tránh khỏi saisót.Em rất mong nhận được ý kiến cũng như phản hồi để đồ án của e được hoànthiện hơn

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM PSIM

- PSIM là phần mềm mạch do hãng LAB-VOLT (Hoa Kỳ) - Một trong các nhàsản xuất các thiết bị dạy học nổi tiếng viết và đưa ra thị trường Đây là phầnmềm không chỉ mạnh trong học tập, giảng dạy mà còn là tài liệu cơ bản chocác kỹ sư khi nghiên cứu, phân tích, khai thác mạch điện tử công suất, cácmạch 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 mộtchương trình có tính tương tác cao giữa giao diện của các thư mục và phầnmềm soạn thảo mạch điện với người sử dụng Các phần tử của mạch được chứatrong menu Elements Các phần tử được chia thành bốn nhóm là: Phần tử mạchcông suất (Power), phần tử mạch điều khiển (Control), phần tử nguồn(Sources) và các phần tử khác (Others) Thư viện trong PSIM bao gồm haiphần: 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 thểsửa 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 lượngnhẹ và khá mạnh trong lĩnh vực Điện tử công suất PSIM có ưu điểm mô phỏng độclập mạch lực vì các khối điều khiển đã được xây dựng sẵn, ta chỉ việc lắp ghép Vì

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:

- Power circuit: mạch động lực

- Control circuit: mạch điều khiển

- Sensors: hệ cảm biến

SIMVIEWPSIM schematic

PSIM simulator

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 cácphần 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 cácgiá trị điện áp, dòng điện trong mạch lực để đưa các tín hiệu đo này về mạchđiều khiển Sau đó mạch điều khiển sẽ cho các tín hiệu đến bộ điều khiểnchuyển mạch để điều khiển quá trình đóng cắt các van bán dẫn trong mạch lực

1.3 Các ưu điểm:

PSIM có tích hợp khác nhau trên mô-đun, danh sách đầy đủ và mô tả của PSIM cóthể được tìm thấy trên Powersim trang web Có những mô-đun cho phép mô phỏngđộng cơ điều khiển, kiểm soát kỹ thuật số , và các tính toán tổn thất nhiệt do chuyểnđổi và dẫn truyền Có một mô-đun năng lượng tái tạo cho phép mô phỏng của pinquang điện (bao gồm cả hiệu ứng nhiệt độ), pin, siêu tụ , và tua-bin gió Ngoài ra còn

có một số module cho phép đồng mô phỏng với các nền tảng khác để xácminh VHDL hoặc Verilog mã hoặc để đồng mô phỏng với một FEA chương trình Cácchương trình mà PSIM hiện đồng mô phỏng với là: Simulink , JMAG , và ModelSim

PSIM hiện hỗ trợ tự động chuyển mã hệ với Module SimCoder và sẽ ra mã để sửdụng với Texas Instruments F2833x và F2803x nổi và cố định điểm xử lý tín hiệu kỹ

Ngoài ra, mô phỏng vi xử lý-In-Vòng PSIM hay PIL Mô-đun đã được bổ sung trongphiên bản 10.0.4 Module cho phép người dùng điều khiển một mô phỏng PSIM với

mã được thực hiện trên một TI DSP hoặc MCU

PSIM có tốc độ mô phỏng nhanh hơn nhiều so với Spice mô phỏng dựa trên cơ sở

sử dụng của nó trong chuyển đổi lý tưởng Với thêm kỹ thuật số và SimCouplerModules gần như bất kỳ loại thuật toán logic có thể được mô phỏng Kể từ PSIM sửdụng công tắc lý tưởng dạng sóng mô phỏng sẽ phản ánh điều này, làm cho PSIM phùhợp hơn cho các nghiên cứu cấp hệ thống chứ không phải là chuyển đổi các nghiêncứu quá trình chuyển đổi PSIM có giao diện đơn giản và mô phỏng được rất trực quan

1.4 Nhược điểm:

- Phần mềm nào cũng có nhược điểm của nó do đó Proteus cũng không tránhkhỏi các nhươc điểm :

+ Phần mềm do công ty của nước ngoài nên tính chất bản quyền khá cao, và hầu như ít được biết đến nên rất khó kiếm ngoài thực tế

+ Trong khi thiết kế có nhiều phần trong Proteus chạy không theo một quy tắcnào

làm người sử dụng đôi lúc gặp khó khăn

+ Sử dụng khá phức tạp nhất là đối với các mạch vi xử lý hay các mạch cầnchỉnh

sửa các tính chất các linh kiện (do quá nhiều tính chất phải điều chỉnh)

2.1 Giới thiệu chung

toolbar

Circuit

window

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 thựchiện được từ thanh chuẩn này

Thanh công cụ gồm: New, Save, Open Và các lệnh thường dùng nhưWire (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,…

2.1.1.1 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 :

- Các tham số (Parameters)

- Các thông tin khác (Orther Info)

- Màu sắc (Color)

Cửa sổ trao đổi tham số trên PSIM

Cửa sổ Parameters được sử dụng trong quá trình mô phỏng, còn cửa sổOrther Info không sử dụng cho mô phỏng mà chỉ dành cho người sử dụng, cácthông tin này sẽ được hiện ra trong mục View/Element List.Ví dụ như cácthông số loại thiết bị, tên nhà sản xuất, số sản xuất…Còn cửa sổ Color để xácđịnh màu sắc cho từng phần tử

Trên cửa sổ Parameters, các tham số được đưa vào dưới dạng các số thậpphân hoặc dạng biểu thức toán học Ví dụ một điện trở có thế được biểu diễndưới 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 :

2.2.1 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 đầuđược xác định bằng 0 bằng các ký hiệu “R3”, “RL3”, “RC3” và “RLC3”

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 gồmhai trạng thái (đóng và mở khoá), hai là theo kiểu ba trạng thái (đóng, mở và làm việctrong 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 (chodòng chạy qua) khoá có gía trị nội trở bằng 10µΩ

, còn ở trạng thái mở (không códòng) sẽ có giá trị 1MΩ

ký hiệu diot, diac và thyristor trong PSIM

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

ký hiệu tranzito ba trạng thái

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:

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 cáckiểu 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)

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/∆

2.2.5 Các môđun của bộ biến đổi một pha và ba pha

Các môđun bộ biến đổi một pha bao gồm cầu chỉnh lưu một pha bằngđiôt và tiristo được biểu diễn như sau :

Môđun chỉnh lưu cầu một pha

Các môđun của bộ biến đổi ba pha bao gồm : chỉnh lưu cầu ba pha điôtBDIODE3, chỉnh lưu cầu ba pha tiristo BTHY3, chỉnh lưu tia ba pha tiristoBTHY3H :

Môđun chỉnh lưu cầu ba pha

B

n n

n n

0

1 1

2 2

0

1 1

2 2

++

++

++

++

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 3.11 Ký hiệu khối tỷ lệ

Hình 3.12 Ký hiệu khối tích phân

Hình 3.13 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

Ký hiệu các khối cộng

Ký hiệu các khối nhân và chia

Hình 3.16 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 (+) cógiá trị lớn hơn ở cực (-), sẽ có tín hiệu ra bằng 0 khi tín hiệu cực (+) nhỏ hơn Khi giátrị vào ở hai cực bằng nhau thì tín hiệu ra luôn giữ giá trị ở thời điểm đó

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)

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 dụnhư 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 theogiây (s)

Hình 3.20 Ký hiệu khối trễ thời gian.

2.3.3.5 Các phần tử logic

2.3.3.6 Cổng logic

Đó là các cổng logic : cổng AND, OR, XOR, NOT, NAND và NOR

Hình 3.21 ký hiệu các cổng logic

2.3.3.7 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 3.22 ký hiệu các khối chuyển đổi A/D và D/A

Hình 3.23 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 ởhình 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

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

Hình 3.25 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 1µΩ

Hình 3.26 Ký hiệu các cảm biến điện áp và dòng điện

2.4.2 Bộ điều khiển chuyển mạch

2.4.3 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 3.27 ký hiệu của bộ on-off switch controller.

0

Còn góc mở α

được xác định từ tín hiệutức thời, alpha được tính theo độ

Hình 3.28 ký hiệu của bộ alpha controller.

Mô tả:

Frequency: tần số tác động của bộ, Hz

Pulse width: độ rộng xung điều khiển, độ

2.4.5 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 trênmàn 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 mạchphụ

- 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 mạchchính

- 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 tựđộng

- Top page: Nhảy từ mạch phụ (mức thấp) lên mạch chính (mức cao)cho phép sử dụng dễ dàng khi có chiều mạch phụ

2.4.5.1 Taọ mạch phụ trong mạch chính

Các bước tạo một mạch phụ có tên file “mach-phu.sch” trong mạch chính có địa chỉ

“mach-chinh.sch” như sau:

- Tạo “mach-chinh.sch”

- Trong “mach-chinh.sch” chọn menu subcircuit để chọn new subcircuit

- Một khối vuông sẽ xuất hiện trên màn hình để tạo mạch phụ

2.4.5.2 kết nối mạch phụ trong mạch chính

Khi mạch phụ đã được thiết lập cùng với các cổng kết nối của nó đã xác định, cần nối mạch phụ vào mạch chính theo các bước sau:

- Trong mạch chính các điểm nối của khối mạch phụ sẽ xuất hiện các với các vòng tròn rỗng

- 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

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 haiphần: 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 ngữchuyên 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 đểkiểm 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 sáttheo 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 vàophần tử đó, trên màn hình xuất hiện cửa số đối thoại để người sử dụng có thể đưa tham

số vào

Thiết kế mạch băm áp một chiều

2.6.3 Cài đặt tham số các phần tử của mạch điều khiển

* 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

o

Hình 3.30 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 3.31 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 tửtrong mạch, ta tiến hành mô phỏng mạch bằng cách ấn nút chuột trái lên ký hiệu khởiđộng 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)

Trên màn hình sẽ xuất hiện cửa sổ lựa chọn các đường cong mô phỏng hiển thị (hình2.34): cửa sổ bên trái là các đường cong hiển thị, cửa sổ bên phải là đường cong cầnhiển 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 3.32 Cửa sổ lựa chọn hiển thị các đường cong kết quả

nh 3.33 Đường cong kết quả mô phỏng I(L1) V1 với f=5000 Hz