Giáo trình ứng dụng PSIM trong điện tử công suất

ThS ĐỖ ĐỨC TRÍ - ThS VƯƠNG THỊ NGỌC HÂN GIÁO TRÌNH ỨNG DỤNG PSIM TRONG ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT (Giáo trình dành cho sinh viên ngành Điện - Điện tử) BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ******************* ThS ĐỖ ĐỨC TRÍ ThS VƯƠNG THỊ NGỌC HÂN GIÁO TRÌNH (Giáo trình dùng cho sinh viên ngành Điện - Điện tử) NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - 2015 LỜI NĨI ĐẦU Cuốn sách tác giả nói chủ đề Điện tử thực hành xuất vào năm 2010 có nội dung chủ yếu điện tử Nhờ cách diễn đạt vấn đề gần gũi với thực tế, dễ tiếp thu với người chuyên ứng dụng, sách nói bạn đọc tiếp nhận cách trân trọng Cuốn sách thứ hai “Ứng dụng PSIM điện tử công suất ” góp phần hỗ trợ cho trường cao đẳng nghề, trung cấp nghề, trung tâm sở vật chất chưa đầy đủ sinh viên trường đại học… Nội dung sách chủ yếu phân tích mạch công suất mô sở lý thuyết Nói cách khác sách “Ứng dụng PSIM điện tử công suất” giống thực hành mơ hình ảo giúp cho bạn đọc hiểu sâu lý thuyết nhận thức rõ ràng mơ hình thực Cuốn sách “Ứng dụng PSIM điện tử công suất” biên soạn dựa sở chương trình môn học Điện tử công suất, dùng trường cao đẳng, đại học khối cơng nghệ Nó cung cấp cho sinh viên kiến thức kỹ mơn học Nội dung giáo trình gồm sáu chương CHƯƠNG 1: Cài đặt sử dụng phần mềm PSIM CHƯƠNG 2: Các mạch chỉnh lưu không điều khiển CHƯƠNG 3: Các mạch chỉnh lưu có điều khiển CHƯƠNG 4: Bộ biến đổi AC – AC CHƯƠNG 5: Bộ biến đổi DC – DC CHƯƠNG 6: Bộ nghịch lưu Mặc dù tác giả cố gắng, song giáo trình khơng tránh khỏi thiếu sót, mong nhận dẫn, góp ý độc giả, thầy cô trực tiếp giảng dạy môn học Điện tử công suất trường đại học, cao đẳng khối công nghệ, để lần tái tới, giáo trình hồn thiện Chúng tơi trân trọng cảm ơn ủng hộ, góp ý độc giả! Những góp ý bạn đọc xin liên hệ: Email: doductri2000@yahoo.com Tác giả Đỗ Đức Trí MỤC LỤC Trang Lời nói đầu Mục lục Phần 1: Giới thiệu PSIM 9.0.3 hướng dẫn cài đặt Chương 1: Cài đặt sử dụng phần mềm PSIM 11 I Giới thiệu PSIM 9.0.3 11 II Cài đặt cập nhật PSIM 9.0.3 12 III Hướng dẫn sử dụng phần mềm PSIM 9.0.3 19 Mô mạch điện 20 Biểu diễn tham số phần tử 20 Các phần tử mạch động lực 21 Các phần tử mạch điều khiển 34 Các phần tử khác 50 Phân tích đặc tính 66 Thiết kế giản đồ mạch điện 70 Biến đổi dạng sóng kết mơ 78 Thiết lập thông số cho PSIM điều chỉnh kiểu chữ - màu cho hình vẽ 85 Phần 2: Mô mạch chỉnh lưu phần mềm PSIM 89 Chương 2: Mạch chỉnh lưu không điều khiển 91 I Chỉnh lưu tia pha 91 Tải R 91 Tải R+L 95 Tải R+E 98 Tải R+L+E 99 II Chỉnh lưu tia hai pha 101 Tải R 101 Tải R+L 102 Tải R+E 104 Tải R+L+E 105 III Chỉnh lưu cầu pha 107 Tải R 107 Tải R+L 108 Tải R+E 109 IV Chỉnh lưu tia ba pha 111 Tải R 111 Tải R+L 112 Tải R+E 114 V Chỉnh lưu cầu ba pha 117 Tải R 117 Tải R+E 118 VI Chỉnh lưu tia sáu pha khơng có cuộn kháng cân 120 Tải R 120 Tải R+E 122 Chương 3: MẠCH CHỈNH LƯU CÓ ĐIỀU KHIỂN 125 I Chỉnh lưu tia pha có điều khiển 125 Tải R 125 Tải R+L 131 Tải R+E 133 Tải R+L+E 135 II Chỉnh lưu tia hai pha có điều khiển 137 Tải R 137 Tải R+L 139 Hiện tượng trùng dẫn 142 Tải R+E 144 III Chỉnh lưu cầu pha có điều khiển 146 Tải R 146 Tải R+L điều khiển toàn phần 148 Tải R+L điều khiển bán phần 151 Hiện tượng trùng dẫn 153 Tải R+E 155 Tải R+L+E 157 IV Chỉnh lưu tia ba pha có điều khiển 159 Tải R 159 Tải R+L 161 Tải R+E 163 Tải R+L+E 165 V Chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển tồn phần 168 Tải R điều khiển toàn phần 168 Tải R+L điều khiển toàn phần 170 Tải R+L+E điều khiển toàn phần 173 Tải R+L điều khiển bán phần 174 VI Chỉnh lưu tia sáu pha khơng có cuộn kháng cân có điều khiển 177 Tải R (ba pha kép) 177 Tải R+L 180 Tải R+L+E 182 Chương 4: Bộ biến đổi AC – AC 185 I Bộ biến đổi pha 185 Tải R 185 Tải R+L 186 II Bộ biến đổi ba pha có trung tính 189 Tải R 189 Tải R+L 190 III Bộ biến đổi ba pha tải đấu không trung tính 193 Tải R 193 Tải R+L 196 IV Bộ biến đổi ba pha tải đấu tam giác 199 Tải R 199 Chương 5: Bộ biến đổi DC – DC 201 I Bộ biến đổi giảm áp BUCK 201 Cơ sở lý thuyết 201 Mạch điện cần mô 202 II Bộ biến đổi tăng áp BOOST 204 Cơ sở lý thuyết 204 Mạch điện cần mô 206 III Bộ biến đổi tăng, giảm áp BUCK - BOOST 207 Cơ sở lý thuyết 207 Mạch điện cần mô 209 Chương 6: Bộ nghịch lưu 211 I Nghịch lưu pha 211 Nghịch lưu nửa cầu theo giải thuật ON/OFF(hai nguồn dc) 211 Nghịch lưu cầu theo giải thuật ON/OFF(một nguồn dc) 214 Nghịch lưu nửa cầu theo giải thuật SINPWM (hai nguồn dc ) 217 Nghịch lưu cầu theo giải thuật SINPWM(một nguồn dc) 220 II Nghịch lưu ba pha kiểu sáu bước 223 Nghịch lưu sáu bước dẫn 1200 lệch 600 tải R 223 Nghịch lưu sáu bước dẫn 1800 lệch 600 tải R 227 III Nghịch lưu ba pha hai bậc SINPWM 231 Tải R 231 Tải R+L 233 IV Nghịch lưu ba pha ba bậc Diod kẹp SINPWM 234 Tải R 234 Tải R+L 236 V Nghịch lưu ba pha năm bậc Cascade SINPWM 237 Tải R 237 Tải R+L 240 Tài liệu tham khảo 242 Phần GIỚI THIỆU PSIM 9.0.3 VÀ CÁCH CÀI ĐẶT Chương CÀI ĐẶT VÀ SỬ DỤNG PHẦN MỀM PSIM I GIỚI THIỆU PSIM 9.0.3 Các phần mềm mô lĩnh vực điện nói chung, điện tử cơng suất nói riêng sử dụng rộng rãi như: Matlab, Protues, Electronic Workbench, Multisim,… PSIM phần mềm chuyên dụng lĩnh vực điện tử công suất truyền động điện PSIM phần mềm hãng LAB-VOLT (Hoa Kỳ), nhà sản xuất thiết bị dạy học tiếng viết đưa thương trường Đây phần mềm khơng hữu ích học tập, giảng dạy, nhằm giúp cho sinh viên nắm vững giảng lớp, mà tài liệu cho kỹ sư nghiên cứu, phân tích, khai thác mạch điện tử cơng suất, mạch điều khiển tương tự số, truyền động xoay chiều (AC), chiều (DC) PSIM bao gồm chương trình: chương trình thiết kế mạch (Schematic), chương trình mơ (Simulator) chương trình phân tích (View) dựa biểu đồ thời gian kết mô Psim Schematic Input:*.sch Psim Simulator Input:*.cct,Output:*.txt SimView Input:*.txt Hình 1.1: Q trình mơ PSIM Một mạch điện Psim biểu diễn khối: mạch động lực (power circuit), mạch điều khiển (control circuit), hệ cảm biến (sensor) điều khiển chuyển mạch (switch controllers) Mạch động lực bao gồm van bán dẫn công suất, phần tử RLC, máy biến áp cuộn cảm san Mạch điều khiển biểu diễn sơ đồ khối, bao gồm phần tử miền S, miền Z, phần tử logic (ví dụ cổng logic, flip-flop) phần tử phi tuyến (ví dụ nhân, chia) Các phần tử cảm biến đo giá trị điện áp, dòng điện 11 mạch động lực để đưa tín hiệu đo mạch điều khiển Sau mạch điều khiển cho tín hiệu đến điều khiển chuyển mạch để điều khiển trình đóng cắt van bán dẫn mạch động lực Power Circuit Switch controllres Sensor Control Circuit Hình 1.2: Biểu diễn mạch điện PSIM II CÀI ĐẶT VÀ CẬP NHẬT PSIM 9.0.3 CÀI ĐẶT PSIM 9.0.3 Từ đĩa CD người sử dụng tải chương trình PSIM 9.0.3.400 máy giải nén Winrar ta có folder PSIM 9.0.3.400, folder gồm có folder Setup Cập nhật Dowdload file:https://rapidshare.com/files/432942272/PSIM_Professional_Version_ 9.0.3.400_x32.rar Tiến hành cài đặt việc chạy file PSIM 9.0.3.400 folder Setup 12 Kết mô phần mềm PSIM Vd=200, R=100, L=0.1H, fs=50Hz Hình 6.22: Đồ thị dạng sóng điện áp tải R+L, L=0.1H Vd=200, R=100, L=1H, fs=50Hz Hình 6.23: Đồ thị dạng sóng điện áp tải R+L, L=1H 230 III NGHỊCH LƯU BA PHA HAI BẬC SINPWM TẢI R a Cơ sở lý thuyết D1 S1 S3 D3 S5 D5 + E T Ả I BA PHA A - B C D4 S4 U UAA S6 U UBB D6 S2 D2 N U UCC Pha Pha C C Pha Pha A A tt Pha Pha B B U Uđk đk SS11 U Uđk đk SS22 U Uđk đk SS66 U Uđk đk SS44 U Uđk đk SS55 U Uđk đk SS33 Hình 6.24: Sơ đồ đồ thị dạng sóng điều khiển điện áp tải R Sin>Car (tam giác) ngõ mức cao ngược lại ngõ mức thấp b Mô phần mềm PSIM Mạch điện cần mô phỏng: - Lấy sóng mang từ Elements/Sources/Voltage/Triangular sau khai báo cho Car1 V Peak to Peak =1, Frequency= 1000Hz, DC offset= - Lấy sóng sin từ Elements/Sources/Voltage/Sine sau khai báo cho SinA, Peak amplitude = 0.98, Frequency= 50Hz, Phase angle = - Khai báo cho SinB, Peak amplitude = 0.98, Frequency= 50Hz, Phase angle = 120 - Khai báo cho SinB, Peak amplitude = 0.98, Frequency= 50Hz, Phase angle = 240 - Để giao tiếp điều khiển công suất PSIM cần sử dụng on/off switch controler, lấy on/off switch controler từ Elements/Orther/Switch controler 231 Kết mô phần mềm PSIM Vd=200, R=100, fs=1000Hz Hình 6.25: Đồ thị dạng sóng điện áp tải R 232 TẢI R+L Kết mô phần mềm PSIM Vd=200, R=100, L=0.1H, fs=1000Hz Hình 6.26: Đồ thị dạng sóng điện áp tải R+L, L=0.1H 233 Vd=200, R=100, L=1H, fs=1000Hz Hình 6.27: Đồ thị dạng sóng điện áp tải R+L, L=1H IV NGHỊCH LƯU BA PHA BA BẬC DIODE KẸP SINPWM TẢI R a Cơ sở lý thuyết Hình 6.28: Sơ đồ đồ thị dạng sóng điều khiển điện áp tải R 234 Trạng thái đóng ngắt nghịch lưu bậc NPC V out = V xo S 2x S 1x S’ 2x S’ 1x +V dc /2 1 0 0 1 -V dc /2 0 1 b Mô phần mềm PSIM Mạch điện cần mơ phỏng: - Giải thuật điều khiển PD ( sóng mang pha) - Lấy sóng mang Car1, Car2 từ Elements/Sources/Voltage/Triangular sau khai báo cho Car1 VPeak to Peak =1, Frequency= 1500Hz, DC offset= -1 Car2 VPeak to Peak =1, Frequency= 1500Hz, DC offset= - Lấy sóng sin từ Elements/Sources/Voltage/Sine sau khai báo cho SinA, Peak amplitude = 0.98, Frequency= 50Hz, Phase angle = - Khai báo cho SinB, Peak amplitude = 0.98, Frequency= 50Hz, Phase angle = 120 - Khai báo cho SinB, Peak amplitude = 0.98, Frequency= 50Hz, Phase angle = 240 - Để giao tiếp điều khiển công suất PSIM cần sử dụng on/off switch controler, lấy on/off switch controler từ Elements/Orther/ Switch controler 235 Kết mô phần mềm PSIM Vd=200, R=47, fs=1500Hz Hình 6.29: Đồ thị dạng sóng điện áp, dịng điện tải R TẢI R+L 236 Vd=200, R=47, L=0.2H, fs=1500Hz Hình 6.30: Đồ thị dạng sóng điện áp, dịng điện tải R+L V NGHỊCH LƯU BA PHA NĂM BẬC CASCADE SINPWM TẢI R a Cơ sở lý thuyết Hình 6.31: Sơ đồ đồ thị dạng sóng điều khiển điện áp tải R 237 Trạng thái đóng ngắt nghịch lưu năm bậc Cascade Vout = Vx0 V01 V 02 Sx S x Sx Sx S’ S’ x S’ S’ x1 x3 x4 V x0 = +2V dc + V dc + V dc 1 0 1 0 + V dc 1 0 1 + V dc 1 0 1 + V dc 1 1 0 + V dc 1 1 0 + V dc - V dc 1 0 0 1 -V dc + V dc 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 -V dc 0 1 1 -V dc 0 1 1 -V dc 1 0 1 - V dc 1 0 1 -V dc -V dc 0 1 0 1 V x0 = +V V x0 = V x0 = -V V x0 = 2V b Mô phần mềm PSIM Mạch điện cần mô phỏng: - Giải thuật điều khiển PD (sóng mang pha) 238 - Lấy sóng mang Car1, Car2, Car3, Car4 từ Elements/Sources/Voltage/Triangular sau khai báo cho Car1 V Peak to Peak =1, Frequency= 1500Hz, DC offset= Car2 V Peak to Peak =1, Frequency= 1500Hz, DC offset= -1 Car3 V Peak to Peak =1, Frequency= 1500Hz, DC offset= Car4 V Peak to Peak =1, Frequency= 1500Hz, DC offset= -2 - Lấy sóng sin từ Elements/sources/voltage/sine sau khai báo cho SinA, Peak amplitude = 0.98, Frequency= 50Hz, Phase angle = - Khai báo cho SinB, Peak amplitude= 0.98, Frequency= 50Hz, Phase angle= 120 - Khai báo cho SinB, Peak amplitude= 0.98, Frequency= 50Hz, Phase angle= 240 - Để giao tiếp điều khiển công suất PSIM cần sử dụng on/off switch controler, lấy on/off switch controler từ Elements/orther/switch controler 239 Kết mô phần mềm PSIM Vd=200, R=47, fs=1500Hz Hình 6.32: Đồ thị dạng sóng điện áp, dịng điện tải R TẢI R+L 240 Vd=200, R=47, L=0.2H, fs=1500Hz Hình 6.33: Đồ thị dạng sóng điện áp, dịng điện tải R+L 241 TÀI LIỆU THAM KHẢO Lê Văn Doanh, Điện tử công suất, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, 2005.- 499tr Nguyễn Văn Nhờ, “Giáo trình điện tử công suất 1”, Nhà xuất Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, 2002 Hồng Ngọc Văn, Giáo trình lý thuyết Điện tử cơng suất, Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật TP Hồ Chí Minh, 2010.- 158tr.; 24cm Hồng Ngọc Văn, Giáo trình thực hành Điện tử công suất, Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật TP Hồ Chí Minh, 2014.- 279tr The Power Electronics Handbook, CRC 2002 Author: Timothy L Skvarenina ISBN: 0-8493-7336-0 625 pages Power Electronic Semiconductor Devices Edited by: Robert Perrnet ISBN: 9781848210646 Publishing: 2009 Fundamentals of Power Electronics with MATLAB Edited by: Randall Shaffer ISBN: 1-58450-852-3 401 pages 242 GIÁO TRÌNH ỨNG DỤNG PSIM TRONG ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT ThS ĐỖ ĐỨC TRÍ ThS VƯƠNG THỊ NGỌC HÂN NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Khu phố 6, Phường Linh Trung, Quận Thủ Đức, TP Hồ Chí Minh Số 3, Cơng trường Quốc tế, Quận 3, TP Hồ Chí Minh ĐT: 38239171 - 38225227 - 38239172 Fax: 38239172 E-mail: vnuhp@vnuhcm.edu.vn PHÒNG PHÁT HÀNH Số 3, Công trường Quốc tế, Quận 3, TP Hồ Chí Minh ĐT: 38239170 - 0982920509 - 0913943466 Fax: 38239172 - Website: www.nxbdhqghcm.edu.vn Nhà xuất ĐHQG-HCM tác © giả/đối tác liên kết giữ quyền Copyright © by VNU-HCM Publishing House and author/copartnership All rights reserved Chịu trách nhiệm xuất bản: NGUYỄN HOÀNG DŨNG Chịu trách nhiệm nội dung: NGUYỄN HOÀNG DŨNG Tổ chức thảo chịu trách nhiệm tác quyền TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH Xuất năm 2015 Biên tập: PHẠM ANH TÚ Sửa in: THÙY DƯƠNG GIÁO TRÌNH ỨNG DỤNG PSIM TRONG ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT NXB ĐHQG-HCM Số lượng 300 cuốn, Khổ: 16x24 cm, ĐKKHXB số: 2609-2015/CXBIPH/ 07-354/ĐHQGTPHCM, Quyết định XB số: 175/QĐ NXB ĐHQG-HCM cấp ngày 01-10-2015 In tại: Cty TNHH In Bao bì Hưng Phú Địa chỉ: 162A/1 KP1A, P An Phú, TX Thuận An, Tỉnh Bình Dương Nộp lưu chiểu: Quý I năm 2016 Trình bày bìa: TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH ISBN: 978-604-73-3692-0 ISBN: 978-604-73-3692-0 786047 336920 ... dụng PSIM điện tử công suất? ?? biên soạn dựa sở chương trình mơn học Điện tử công suất, dùng trường cao đẳng, đại học khối cơng nghệ Nó cung cấp cho sinh viên kiến thức kỹ mơn học Nội dung giáo trình. .. mạch công suất mô sở lý thuyết Nói cách khác sách ? ?Ứng dụng PSIM điện tử công suất? ?? giống thực hành mô hình ảo giúp cho bạn đọc hiểu sâu lý thuyết nhận thức rõ ràng mơ hình thực Cuốn sách ? ?Ứng dụng. .. song giáo trình khơng tránh khỏi thiếu sót, mong nhận dẫn, góp ý độc giả, thầy cô trực tiếp giảng dạy môn học Điện tử công suất trường đại học, cao đẳng khối công nghệ, để lần tái tới, giáo trình