Với kết cấu nội dung gồm 4 chương, đồ án Khai thác phần mềm PSIM - Mô phỏng mạch điện tử công suất trình bày tổng quan về một số phần mềm mô phỏng mạch điện tử công suất, giới thiệu về phần mềm PSIM, ứng dụng phần mềm PSIM mô phỏng mạch chỉnh lưu có điều khiển,... Với các bạn chuyên ngành Điện - Điện tử thì đây là tài liệu tham khảo hữu ích.
Đồ án mơn học: ĐTCS – TĐĐ GVHD: Th.s Nguyễn Đắc Nam L Ờ I NĨI Đ Ầ U Trong nh ững năm g ầ n đây, mơ hình hóa tr thành ph ươ ng pháp r ấ t hi ệ u qu ả nghiên c ứ u khoa h ọc, th ực t ế s ản xu ất nh trong ph ục v ụ gi ảng d ạy và họ c t ậ p Trên thị trường thế giới cũng đã xuất hiện rất nhiều phần mềm Thiết kế Mơ phỏng mạch điện tử cơng suất. Có thể kể phần mềm : PSIM PSPICE, TINA, MATLAB, SIMSEN, SUCCES, … Các phần mềm này chính là cơng cụ để giúp các kỹ sư, các nhà sản xuất tối ưu hóa cơng việc của mình, từ đó tạo ra những sản phẩm điện tử chính xác, đáng tin cậy và giá thành thấp Ở nhi ề u tr ườ ng Đ i Họ c và Cao Đẳ ng vi ệ c mô phỏ ng m ch điệ n t còn nhi ề u khó khăn vì thi ế u v ề trang thi ết b ị th ực hành. Nhi ề u thi ế t b ị mô ph ỏ ng cũ, s ố l ượ ng module ít nên khơng đáp ứ ng đ ượ c h ế t các nhu c ầ u v ề gi ả ng d y và h ọ c t ậ p Đ án môn hoc v i đ ề tài: “Khai thác ph ầ n m ề m PSIM mô ph ỏ ng m ch đi ệ n t công su ấ t”. V i nh ữ ng m ục tiêu sau: Gi i thi ệ u v ề ph ần m ềm và ứ ng d ụ ng c ủ a ph ầ n m ề m PSIM Giúp sinh viên s d ụ ng ph ầ n m ềm này đ ể hi ể u rõ h n lý thuy ế t đã h ọ c Ph ụ c v ụ cho m ục đích nghiên c ứ u,h ọ c t ậ p đ ể nâng cao trình độ c ủ a b ả n thân Đ án đ ượ c trình bày thành 5 ch ươ ng: Đồ án mơn học: ĐTCS – TĐĐ GVHD: Th.s Nguyễn Đắc Nam Ch ươ ng 1: T ổ ng quan v ề m ột s ố ph ần m ềm mô ph ỏ n gm ch đi ệ n t công su ấ t Ch ươ ng 2: Gi i thi ệu v ề ph ần m ềm PSIM Ch ươ ng 3: ứng d ụng ph ần m ềm PSIM mơ phỏ ng m ch ch ỉ nh l ưu có điề u ể n Ch ươ ng 4: K ết lu ận và đ ề xu ấ t Trong trình làm đ án, v i s ự tìm tòi nghiên c ứ u c ủ a b ả n thân, đ ặ c bi ệ t s ự giúp đỡ r ấ t nhi ệ t tình c ủ a th ầ y giáo Nguy ễ n Đ ắ c Nam chúng em đã hồn thành đ án này. Do ki ế n th ức còn h n ch ế khơng tránh kh ỏ i nh ững thi ếu xót. Em r ấ t mong nh ận đ ượ c s ự đóng góp ý ki ế n c ủ a các th ầ y cơ và các b n đ ể đồ án c ủ a chúng em hồn thi ệ n h n Em xin chân thành c ả m ơn! Đồ án môn học: ĐTCS – TĐĐ GVHD: Th.s Nguyễn Đắc Nam CHƯƠNG MỞ ĐẦU 1. Giới thiệu về điện tử cơng suất Điện tử cơng suất (ĐTCS) là cơng nghệ biến đổi điện năng từ dạng này sang dạng khác trong đó các phần tử bán dẫn cơng suất đóng vai trò trung tâm.Bộ biến đổi điện tử cơng suất còn được gọi là bộ biến đổi tĩnh (static converter) để phân biệt với các máy điện truyền thống (electric machine) biến đổi điện dựa trên ngun tắc biến đổi điện từ trường Hiện nay rất nhiều thiết bị biến đổi cơng suất được đề xuất để phục vụ những u cầu ngày càng cao của cuộc sống. ĐTCS đã giúp cho việc sử dụng điện năng một cách hiệu quả, các linh kiện điện tử cơng suất được sử dụng trong q trình biến đổi cũng như điều khiển cơng suất: hiệu quả cao và tổn hao thấp trong lò cao tần, truyền tải điện DC. Các thiết bị ĐTCS mới hiện nay được cải tiến phát triển để nâng cao hiệu suất hơn nữa việc sử dụng năng lượng ĐTCS đóng vai trò quan trọng trong các mơ hình cơng nghệ và được thiết kế để điều khiển năng lượng. Dòng điện điện áp và đặc tính đóng ngắt của các linh kiện bán dẫn liên tục được hồn thiện, phạm vi ứng dụng ngày càng được mở rộng như trong chiếu sáng, bộ nguồn, điều khiển động cơ, tự động hóa cơng nghiệp, giao thơng, lưu trữ năng lượng, truyền tải điện đi xa. Hiệu suất cao và đặc điểm điều khiển chặt chẽ đã giúp cho ĐTCS có lợi thế hơn nhiều trong điều khiển động cơ so với các hệ thống điều khiển cơ điện và điện tử trước đây. Ngồi ra ĐTCS còn được ứng dụng trong truyền tải điện DC (VHDC), trạm biến đổi cơng suất, hệ thống truyền tải AC mềm dẻo flexible ac transmission system (FACTS), và bù cơng suất staticvar compensators (SVC). Trong truyền tải sử dụng biến đổi DC/AC, bộ lọc tích cực, biến đổi tần số Cuộc cách mạng đầu tiên trong ĐTCS bắt đầu vào năm 1948 với việc phát minh silicon transistor phòng thí nghiệm Bell Telephone Laboratories bởi Bardeen, Bratain, and Schockley. Phần lớn cơng nghệ điện tử tiên tiến ngày nay dựa trên phát minh này, các mơ hình microelectronics cũng được phát triển từ linh kiện bán dẫn này. Cuộc cách mạng thứ hai bắt đầu với việc phát triển của Thyristor trong cơng nghiệp bởi hãng General Electric Company vào năm 1958. Đây là khởi đầu của kỷ ngun mới của ĐTCS. Từ đó đến nay có rất nhiều các linh kiện bán dẫn cũng như cơng nghệ biến đổi được đề xuất và ứng dụng Sử dụng các bộ biến đổi cơng suất trong hệ thống điện, trong giao thơng, trong luyện kim cũng như các lĩnh vực cơng nghiệp khác đã tạo đà phát triển kinh tế rất lớn. Ví dụ ở Mỹ hiện nay có 70% năng lượng điện sử dụng được biến đổi từ các bộ biến đổi cơng suất. Kỹ thuật biến đổi là ngành khoa học trẻ và đã đạt được thành cơng rất lớn, tuy nhiên ngày càng Nhóm 2 _ Lớp TĐ1Đ12 trang 3 Đồ án mơn học: ĐTCS – TĐĐ GVHD: Th.s Nguyễn Đắc Nam nhiều bài tốn được đặt ra phía trước, nó đòi hởi sự phát triển hơn nữa cả về lý thuyết lẫn thực tế kỹ thuật biến đổi 2. Đối tượng nghiên cứu của Điện tử cơng suất. ĐTCS chủ yếu nghiên cứu về các bộ biến đổi cơng suất và các bộ khóa điện tử cơng suất lớn a. Bộ chỉnh lưu Chỉnh lưu là q trình biến đổi năng lượng dòng điện xoay chiều thành năng lượng dòng điện một chiều. Chỉnh lưu là thiết bị điện tử cơng suất được sử dụng rộng rãi nhất trong thực tế. Mạch chỉnh lưu được chia thành nhiều loại : Theo số pha cấp cho mạch van : một pha, hai pha, ba pha, sáu pha … Theo loại van bán dẫn trong mạch : mạch van dùng tồn diot (mạch chỉnh lưu khơng điều khiển) ; mạch van dùng tồn tiristo ( mạch chỉnh lưu có điều khiển) ; mạch van dùng diot và tiristo ( mạch chỉnh lưu bán điều khiển ) Theo sơ đồ mắc các van với nhau : sơ đồ hình tia và sơ đồ hình cầu b. Bộ biến đổi xung áp một chiều Nhóm 2 _ Lớp TĐ1Đ12 trang 4 Đồ án mơn học: ĐTCS – TĐĐ GVHD: Th.s Nguyễn Đắc Nam Bộ biến đổi điện áp một chiều dùng để biến đổi điện áp một chiều có trị trung bình khơng thay đổi được thành điện áp một chiều có trị trung bình thay đổi được Phân loại bộ biến đổi xung áp một chiều Dựa vào cách mắc khố điện tử : bộ biến đổi xung áp nối tiếp và bộ biến đổi xung áp song song Dựa vào điện áp đầu ra của bộ xung áp : bộ xung áp có điện áp đầu ra nhỏ hơn điện áp đầu vào ; bộ biến đổi xung áp có điện áp đầu ra lớn hơn điện áp đầu vào Tuỳ vào dấu điện áp : bộ biến đổi xung áp khơng đảo chiều và bộ biến đổi xung áp có đảo chiều c. Bộ nghịch lưu ( biến tần ) Bộ nghịch lưu được dùng để biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều. Bộ nghịch lưu là phần tử chính trong các bộ nguồn UPS ,biến tần gián tiếp Đặc điểm của bộ nghịch lưu : Điện áp xoay chiều ngõ ra có trị hiệu dụng và tần số thay đổi được Nếu độ lớn của bộ nghịch lưu là khơng đổi thì điện áp ngõ ra được điều chỉnh bằng cách thay đổi trị trung bình của nguồn một chiều Điện áp xoay chiều ngõ ra thực tế khơng phải là tín hiệu sin chuẩn mà ln có những thành phần sóng hài bậc cao ,các sóng hài bậc cao có thể được giảm bớt bằng kĩ thuật đóng ngắt Nếu nguồn DC có trị trung bình khơng đổi thì trị hiệu dụng của điện áp ngõ ra có thể thay đổi được bằng cách thay đổi độ lớn của bộ nghịch lưu Nhóm 2 _ Lớp TĐ1Đ12 trang 5 Đồ án mơn học: ĐTCS – TĐĐ GVHD: Th.s Nguyễn Đắc Nam Ưng dụng bộ nghịch lưu : Bộ nghịch lưu được dùng làm thiết bị biến đổi trong biến tần gián tiếp, đây là một ứng dụng quan trọng và rộng rãi nhất của bộ nghịch lưu Dùng làm nguồn điện xoay chiều trong gia đình, nguồn điện liên tục UPS Dùng bù nhiễu cơng suất phản kháng Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu : Phương pháp điều chế độ rộng xung ( PWM ) Phương pháp PWM tối ưu Phương pháp điều rộng ( bộ nghịch lưu áp một pha ) Phương pháp điều biên (Sixstep) Biến tần : Biến tần dùng để biến đổi tần số điện áp xoay chiều có trị hiệu dụng và tần số khơng đổi thành điện áp xoay chiều có tần số và trị hiệu dụng thay đổi được Biến tần gồm 2 loại : biến tần gián tiếp và biền tần trực tiếp Biến tần được sử dụng rộng rãi trong điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều theo phương pháp điều khiển tần số . Ngồi việc thay đổi tần số biến tần còn thay đổi tổng số pha .Với sự có mặt của biến tần ta có thể dùng động cơ ba pha trong lưới điện một pha. Ngồi ra bộ biến tần còn được sử dụng rộng rãi trong kĩ thuật nhiệt điện ,trong trường hợp này bộ biến tần dùng để cung cấp năng luợng cho các lò phản ứng d. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều : Bộ biến đổi điện áp xoay chiều dùng để biến đổi điện áp xoay chiều có trị hiệu dụng khơng đổi thành điện áp xoay chiều có trị hiệu dụng thay đổi được Nhóm 2 _ Lớp TĐ1Đ12 trang 6 Đồ án mơn học: ĐTCS – TĐĐ GVHD: Th.s Nguyễn Đắc Nam Bộ biến đổi điện áp xoay chiều được điều khiển bằng hai phương pháp : điều khiển pha và điều khiển tỷ lệ thời gian Bộ biến đổi điện áp xoay chiều thường được sử dụng để điều khiển cơng suất tiêu thụ của tải như trong hệ thống điều khiển nhiệt độ lò ,trong các máy nước nóng ,bếp điện ,điều khiển tốc độ động cơ quạt gió ,máy bơm và đặc biệt dùng làm thiết bị hạn chế dòng khởi động cho động cơ 3. Ứng dụng của điện tử cơng suất Điện tử cơng suất được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành cơng nghiệp hiện đại. Có thể kể đến các ngành kỹ thuật mà trong đó có những ứng dụng tiêu biểu của các bộ biến đổi bán dẫn cơng suất như truyền động điện, giao thơng đường sắt, nấu luyện thép, gia nhiệt cảm ứng, điện phân nhơm từ quặng mỏ, các q trình điện phân trong cơng nghiệp hóa chất, nhiều thiết bị công nghiệp dân dụng khác Trong những năm gần đây cơng nghệ chế tạo các phần tử bán dẫn cơng suất đã có những tiến bộ vượt bậc và ngày càng trở nên hồn thiện dẫn đến việc chế tạo các bộ biến đổi ngày càng nhỏ gọn, nhiều tính năng và sử dụng ngày càng dễ dàng hơn 4. Mơ phỏng điện tử cơng suất Trong thực tế,để nghiên cứu khoa học thì chúng ta phải mua sắm các trang thiết bị thí nghiệm với chi phí lớn.Trong khi nền kinh tế nước ta đang kém phát triển,khơng đủ kinh phí để mua sắm các trang thiết bị đắt tiền đó.Để có thể nghiên cứu khoa học, giảng dạy được thì chúng ta cần phải có một cơng cụ nghiên cứu hữu hiệu nào đó, trong số đó phải kể đến phương pháp mơ phỏng.Phương pháp mơ phỏng là phương pháp thay cho việc nghiên cứu một đối tượng cụ thể thì chúng ta xây dựng mơ hình hóa của đối tượng đó và tiến hành nghiên cứu.Sau khi thu được kết quả thì chúng ta đem kết quả đó ra kiểm chứng với kết quả thực nghiệm.Thơng qua kết quả thu được chúng ta có thể rút ra được kết quả của q trình nghiên cứu Để thuận tiện cho q trình mơ phỏng ĐTCS, hiện nay đã có rất nhiều phần mềm mô ĐTCS : PSPICE, TINA, MATLAB, SIMSEN, SUCCES, PSIM… Các phần mềm này chính là cơng cụ để giúp các kỹ sư, các nhà sản xuất tối ưu hóa cơng việc của mình, từ đó tạo ra những sản phẩm điện tử chính xác, đáng tin cậy và giá thành thấp. Trong các phần mềm này thì PSIM là một cơng cụ mạnh mẽ,chun dụng cho việc mơ phỏng ĐTCS. Nhóm 2 _ Lớp TĐ1Đ12 trang 7 Đồ án mơn học: ĐTCS – TĐĐ GVHD: Th.s Nguyễn Đắc Nam Dưới đây là bài viết giới thiệu về một số phần mềm mơ phỏng ĐTCS thường được sử dụng rộng rãi hiện nay CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ MỘT SỐ PHẦN MỀM MƠ PHỎNG MẠCH ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT 1.1 Phần mềm TINA (Toolkit for Interative Netword Analysis) 1.1.1. Giới thiệu phần mềm TINA TINA 7 là 1 trong những gói phần mềm mạnh nhất hiện nay để phân tích, thiết kế, mơ phỏng tín hiệu số, tương tự, VHDL và kết hợp các mạch điện tử hay các mạch in của chúng. Bạn cũng có thể phân tích RF, các mạch quang điện, kiểm tra và gỡ lỗi các ứng dụng vi điều khiển và vi xử lý. Một tính năng đặc biệt của phần mềm là cho phép bạn đưa mạch ra thực tế thơng qua cổng USB được điều khiển bởi phần cứng TINAlabII. Các kỹ sư điện tử nhận thấy rằng phần mềm TINA có nhiều ưu điểm như: dễ sử dụng, đây là 1 cơng cụ hiệu quả cao, trong khi các giảng viên thì đáng giá cao những tính năng của phần mềm trong mơi trường đào tạo. Phần mềm được xây dựng với nhiều Phần tương tác với nhau, người thiết kế có thể vẽ mạch bằng sơ đồ ngun 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… Nhóm 2 _ Lớp TĐ1Đ12 trang 8 Đồ án mơn học: ĐTCS – TĐĐ GVHD: Th.s Nguyễn Đắc Nam 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… 1.1.2. u cầu cấu hình máy Để sử dụng được phần mềm TINA, bạn phải có cấu hình máy tính tối thiểu như sau: CPU Pentium II hoặc cao hơn. 64 MB bộ nhớ (RAM). Ổ cứng còn trống ít nhất 100 MB. Ổ CDROM. Màn hình màu SVGA. Hệ điều hành: Windows 9x, Windows NT/ME/XP, Windows 2000. - Khởi động TINA : Từ thanh Start lần lượt chọn: Start > Programs > Tina Tina.exe. Bấm vào Biểu tượng trên Desktop: Lưu ý: Sử dụng phím F1 để có thể xem Hướng dẫn theo các chủ đề Cài đặt Tina: B1 : Giải nén, tiến hành cài đặt B2 : Mở thư mục crack, chạy file PCBKey.exe để lấy mã đăng ký B3 :Chạy phần mềm, nhập mã đăng ký 1.1.3. Đặc điểm của TINA Đặc điểm của các mơ phỏng trong TINA 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 mơ hình mơ phỏng rất sát đặc tính VơnAmpe 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 khơng phải lúc nào cũng biết được. Để dễ dàng cho người sử dụng, thư viện của TINA có sẵn hàng trăm loại bóng thơng dụng trên thị trường với các tham số chuẩn do nhà chế tạo cung cấp Phần mềm TINA có nhiều ưu điểm như: dễ sử dụng, đây là 1 cơng 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 ngun 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… Nhóm 2 _ Lớp TĐ1Đ12 trang 9 Đồ án mơn học: ĐTCS – TĐĐ GVHD: Th.s Nguyễn Đắc Nam 1.1.4 Các cửa sổ Cửa sổ phần mềm TINA Hình 1.1. Giao diện chính của phần mềm TINA Menu Bar: Trình đơn hiển thị các danh sách lệnh The Curosr or Pointer: Con trỏ được sử dụng để lựa chọn các lệnh và chỉnh sửa sơ đồ ngun lý. Bạn chỉ có thể di chuyển con trỏ bằng con chuột máy tinh. Phụ thuộc và các chế độ hoạt động mà con trỏ có các định dạng sau: hình mũi tên trong cửa sổ chính của chương trình ,hình cây bút khi bạn thực hiện nối dây ,hình bàn tay khi bạn trỏ vào linh kiện hoặc đang đưa linh kiện vào cửa sổ chính The Schematic window: cửa sổ làm việc chính của chương trình, cho phép chỉnh sửa, mơ phỏng sơ đồ ngun lý của mạch trực tiếp. Cửa sổ này thực tế là một bản vẽ lớn. Bạn có thể di chuyển thanh cuộn nếu vùng soạn thảo vượt q màn hình chính. The Toolbar: Thanh cơng cụ. Bạn có thể chọn hầu hết các lệnh để chỉnh sửa mạch trên Thanh cơng cụ này. Lưu ý rằng các lệnh trên Thanh cơng cụ cũng nằm trong Trình đơn hoặc có thể sử dụng bằng các phím tắt. Chúng ta sẽ cùng đi vào chi tiết các lệnh trên Thanh cơng cụ. Nhóm 2 _ Lớp TĐ1Đ12 trang 10 Đồ án mơn học: ĐTCS – TĐĐ GVHD: Th.s Nguyễn Đắc Nam Hình 3.15. Giản đồ điện áp khâu tạo xung chùm 3.5.5. Chọn cổng AND Hình 3.16. Sơ đồ phối hợp tạo xung chùm Chọn IC4081 họ CMOS có 4 cổng AND với các thơng số : Nguồn ni : 3 15 V ; chọn V = 15 V Cơng suất tiêu thụ : P = 2,5 nW/ 1 cổng Dòng làm việc : I