Đồ án: Khai thác phần mềm PSIM - Mô phỏng mạch điện tử công suất

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