Ứng dụng PSIM mô phỏng và giải bài tập điện tử công suất lê thị mai, đinh văn nhượng, đỗ văn đỉnh

ThS Lê Thị Mai (Chu biên) ỨNG DỤNG PSIM MÔ PHỎNG VÀ GIẢI BÀI TẬP ĐIỆN T Ử CÔNG SUẤT C D NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT B ộ CÔNG THƯƠNG _ TRƯƠNG ĐẠI HỌC SAO ĐỎ _ ThS Lê Thị Mai (Chù biên) TS Đinh Văn Nhượng, ThS Đỗ Văn Đinh ThS Nguyễn Hữu Quảng, ThS Vũ Thị Yến ÚNG DỤNG PSIM MÔ PHỎNG VÀ GIẢI BÀI TẬP ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT NHÀ X UẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỶ THUẬT HÀ NỘI - 2014 ới nói đầu rong năm gần đây, mơ hình hóa trở thành phương pháp hiệu nghiên cứu khoa học, thực tế sản xuất phục vụ giảng dạy học tập Có nhiều phần mềm đề mơ mạch điện tử công suất như: PSPICE, TINA, MATLAB, SIM SEN, SUCCES, PSIM Các phần mềm công cụ để giúp kỹ sư, nhà sàn xuất tối ưu hóa cơng việc mình, từ tạo sản phẩm điện từ xác, đáng tin cậy giá thành thấp T Để đáp ứng nhu cầu thực tiễn giúp bạn đọc có thêm kiến thức phầm mềm PSIM mô mạch điện từ công suất giúp sinh viên củng cố kiến thức mơn học Điện từ cơng suất,nhóm tác già biên soạn sách “ứ n g dụng PSIM mô giải tập Điện từ công suất” Nội dung sách gồm hai phần: Phần I: G iói thiệu chung phần mềm PSIM C hương 1: Giới thiệu phần mềm PSIM C hương 2: Ví dụ mơ mạch điện PSIM Phần II: ứ n g dụng phần mềm PSIM mô mạch điện tử công suất C hương 1: Chỉnh lưu không điểu khiển C hương 2: Chỉnh lưu có điểu khiến Chương 3: Các điểu chinh điện áp C hưovg 4: Các mạch điểu khiển thông dụng v ề bố cục phần II, nhóm tác già trinh bày cụ thề sau: Trong chương, sau phần tóm tắt lý thuyết thí dụ có lời giải mẫu tập để củng cố kiến thức Do sách biên soạn lần đầu, khơng thê tránh khỏi thiết sót Nhóm tác già mong nhận góp ý bạn đọc Mọi góp ý xin gửi Khoa Điện - Trường Đại học Sao Đò - 24 Thái Học - Phường Sao Đỏ - Thị xã Chí Linh - Tỉnh Hài Dương email: khoadien.sdu.edu@ gmail.com Xin trân trọng cảm ơn! Nhóm tác giả ^ P ìt Ằ ỉC I GIỚI THIỆU CHUNG VÊ PHẦN MÊM PSIM C h ơn g A • GIỚI THIỆU VỂ PHẦN MỀM PSIM 1.1 Giói thiệu chung PSIM bao gồm ba chương trinh: H ìn h 1.1 Q u trìn h m ô p h ỏ n g trê n P S IM P SIM Schematic: Chương trình thiết kế mạch PS1M Simulator: Chương trình mơ P SIM VIEW: Chương trình hiền thị đồ thị sau mơ phịng PSIM biểu diễn mạch điện khối: Power circuit: Mạch động lực Control circuit: Mạch điều khiên Sensors: Hệ cảm biên ỨNG DỤNG PSIM Mô PHỎNG VÀ GIẢI BÀI TẬP ĐIỆN TỪCONG SUÁT Switch controllers: Bộ điều khiền chuyên mạch Mạch động lực bao gồm van bán dẫn công suất, phần tử RLC máy biến áp lực cuộn cảm san bang H ìn h 1.2 B iể u d iễ n m ộ t m c h đ iệ n tré n P S IM Mạch điều khiên biêu diễn sơ đồ khối, bao gồm cà phần từ miền s, miền z, phần từ logic (ví dụ cổng logic, flip-flop) phần từ phi tuyến (ví dụ chia) Phần từ cảm biến đo giá trị điện áp, dòng điện mạch lực đưa tín hiệu đo mạch điều khiển Sau mạch điều khiển cho tín hiệu đến điều khiển chuyền mạch điều khiển trình đóng cắt van bán dẫn mạch lực 1.2 Mơ mạch PSIM 1.2 l.Khòi động chưcmg trinh Khi khời động chương trình PSIM Schematic chạy đầu tiên, sau vào File —> New, giao diện sau: Thanh chuẩn (Standard) gồm: File, Edit View, Subcircuit Element Simulate, Option Window, Help Mọi thao tác PSIM thực từ chuẩn P hấn l GIỚI THIỆƯ CHUNG VẾ PHẢN MỀM PSIM Thanh công cụ gồm: New, Save, Open lệnh thường dùng Wire (nối dây), Zoom, Run Simulation (chạy mơ phịng) Thanh linh kiện thường dùng điện trờ, cuộn cảm, tụ điện, điôt, tiristo 1.2.2 Cài đặt tham sô cho phần tử Các tham số phần từ, phận mạch đối thoại ba cứa sổ cùa PSIM bao gồm: - Các tham so (Parameters) - Các thông tin khác (Orther Info) - Màu sac (Color) Cừa so Parameters sừ dụng q trình mơ phỏng, cịn cừa sổ Orther Info khơng sừ dụng cho mơ mà dành cho người sử dụng, thông tin mục View/Element List Ví dụ thơng số loại thiết bị, tên nhà sản xuất, số sàn xuất cịn cửa sơ Color đê xác định màu sắc cho phần từ ỨNG DỤNG PSIM MO PHỎNG VA GIẢI BẢI TẬP ĐIỆN TỪ CpNG SUẤT r • ì? IP ì H P P P W P P W I P Ì l! Parameteti Olh« Irío 1Cota p«ametefs 1Other Info Cor Rstoi Hefc Readcx Name |R1 r Name Rếỉíance Ịo |o r Power Rating _*| Rewtoi I |_ H it I Display Display Cuient Flag Paametai I Other lrrfo Help |1/ — = ^ - = 6,06 k ũ /H 0,66 Chọn R n biến trờ 10 k íì - Tinh chọn tụ điện C : Theo yêu cầu độ rộng xung điều khiển: tx- 2.tm = 160 (|is) D o v ậ y C R 11 = tx = 160 |XS Suy C, = - íi- = — R„ L _ ỉ J _ J _ L L = 23,529.10-Ọ(F ) 6,8 I f •• • 1ĩ l l t t i l l t l ì l H l l f l l ì :i l i :ft:íỉỉl1 lH :t i :1tl1:ỉ í H in h K ế t q u ả m p h ó n g tin h iệ u k h â u kh u ế c h đ i tru y ề n x u n g I 215 ỨNG DUNG PSIM Mị PHỎNG VẢ GIẢI BẢI TẬP DIỆN TỬ CỊNG SUẤT Khi giá trị đặt cùa Ri là: R n = 160/0,022 = 7,27 k fi 4.2.3.3 Bài tập tự giải Bài 1: Cho mạch khuếch đại xung chùm hình 4.26, có fxc = 10 kHz chu kỳ lặp lại ms (một chùm xung chu kỳ lưới điện), nguồn cung cấp Ecc = 12 V, để điều khiển tiristo T I 929 N đòi hỏi điện áp điều khiền V dịng điều khiển 300 raA Hãy tính chọn phần từ sơ đồ: BAX, T , T ỉ, R |, R.3 mơ tín hiệu xung phần mềm PSIM H ìn h K h u ế c h đ i tru y ề n x u n g Bài 2: Cho mạch khuếch đại xung chùm hình 4.26, có fxc = 10 kHz chu kỳ lặp lại ms (m ột chùm xung m ột chu kỳ lưới điện) Biết nguồn cung cấp Ecc = 24 V, biến áp xung có U] = V, li = 0.2 A, tỷ số biến áp m = 2, điều khiển tiristo T730 N đòi hỏi điện áp điều khiển 3,4 V dòng điều khiển 350 mA Hãy tính chọn phần tử sơ đồ: T i, Ĩ , R i, R.3 , R4 mơ phịng tín hiệu xung phần mềm PSIM Bài 3: Hãy tính chọn khâu khuếch đại truyền xung hình 4.26 để kích m tiristo T N có thơng số kỹ thuật sau: Uđk = 1.4 V; ĨĨT| P hàn II ỨNG DỤNG PHẤN MỀM PSIM MO PHÓNG MẠCH DIỆN TỪ CÕNG SUẤT Iđk= 0,15 A; tx= 2.tm = 160 (|j.s); fx= kHz; Ecc = 15 V Biết biến áp xung có U] - V Hãy tính chọn phần từ sơ đồ: T |, T , R u, R 12 mơ tín hiệu xung phần mềm PSIM 4.2.4 Khâu tạo xung chùm 4.2.4.1 Kháu tạo xung chùm dùng OA Dạng xung chùm dạng thông dụng cho phép mở tốt tất van lực trường hợp, với dạng tài nhiều sơ đô mạch lực khác Xung chùm thực chất chùm xung có tần số cao gấp nhiều lần tần số lưới điện (fxc = - kHz) Độ rộng chùm xung hạn chế khoảng ( 0 -ỉ- 130) độ điện, nguyên tắc phải kết thúc điện áp van lực m điều khiển chuyển sang âm H ìn h M c h tạ o x u n g c h ù m đ n g b ộ b ằ n g 180° - a Nguyên tắc tạo xung chùm thường dùng coi tín hiệu đồng so sánh đưa tín hiệu cho phép hay cấm khâu khuếch đại xung nhận xung tần số cao phát từ tạo dao động xung tới Do khâu so sánh nối tới cửa vào cùa phần từ lôgic AND, nên khoảng điện áp cùa Uss mức cao tương ứng với mức lôgic “ 1” xung từ dao động tần số cao qua phần tử AND để tới 217 ỨNG DỤNG PSIM Mò PHỎNG VÀ GIẢI BÀI TẬP ĐIỆN TỬ CŨNG SUẴT khâu khuếch đại xung Bản thân mức “ 1” lại phụ thuộc góc mờ a, nên kết ta có độ rộng xung chùm 180° - a Lúc nhiệm vụ thiết kế chi tính tốn dao động chọn mạch lơgic Nhược điểm cùa loại thể góc điều khiển a nhỏ, dẫn đến độ rộng xung lớn làm ảnh hưởng rõ đến tâng khuếch đại xung (KĐX), phát nhiệt mạnh tranzito công suất, biên độ xung truyền qua biến áp xung suy giàm nhiều điểm làm việc bị đẩy lên vùng bão hịa, khơng kịp phục hồi điểm làm việc ban đầu cho biến áp xung, trước lần phát xung Khâu dao động tạo xung chùm dùng tranzito, khuếch đại thuật toán, tạo dao động dùng thời gian 555, tạo dao động dùng IC lôgic Để đồng thiết bị mạch điều khiển, thực tế thường dùng khuếch đại thuật tốn OA H ìn h M ch đ ộ n g d ù n g OA Nguyên tắc làm việc mạch dao động tương tự mạch so sánh hai cừa Tụ c liên tục phóng - nạp làm cho OA đào trạng thái lần điện áp tụ c đạt trị số chia điện áp Ri R.2 - 218 P hán II UNG DỤNG PHẦN MỀM PSIM Mổ PHÒNG MẠCH ĐIỆN TỬ CÕNG SUẤT Chu kỳ dao động: T = 2RC ln(l + • ^ L) R2 (4.46) V i dụ 4.11: Tính chọn mạch động tạo xung chùm (dao động đa hài) hình 4.28 dùng IC khuếch đại thuật tốn loại ịxA741, có tần số xung fxc = kHz, b iết ±Vsat = ± V Xác định tham số điện trở, tụ điện Xác định điện áp hồi tiếp B ài giải: Xác định tham số điện trở, tụ điện Chu kỳ xung chùm: T = — = — 5-^- = 0,166.10‘35 = 166 (/« ) / 10 Theo 4.45 ta có: T = 2/?C ln(l + ^ - ) R ỉ Chọn R| = R = ,7 (k íí) Ta cỏ chu kỳ xung là: T = 2,2 R c = 166 (ns) Vậy: R c = 75,45 (ns) Chọn tụ c = 0,1 |iF có điện áp u = 16 V Thì giá trị điện trờ R = 754,5 n Để thuận tiện cho việc điều chỉnh láp mạch ta chọn R biến trở kQ 219 ỨNG DỤNG PSIM Mò PHỎNG VÀ GIẢI BÀI TẬP ĐIỆN TỨ CONG SUẤT Xác định điện áp hồi tiếp: Y = Rr v «« _ ’7fen .13 = —.13 = 6,5 V R ,+ R ,7 k n + , k n Vi dụ 4.10: Thiết kế dao động đa hài dùng IC khuếch đại thuật tốn nA741 hình 4.29 thỏa mãn yêu cầu: - Hằng số thời gian cần thiết để tạo tín hiệu kHz - Xác định tham - Xác định trị số cực đại cùa điện áp vào vi sai ±V saI = ±14 V số cùa điện trờ b iết c = 0,01 nF Bài giải: - Hằng số thời gian cần thiết đề tạo tín hiệu kHz Chu kỳ xung ra: T = IR C + Chọn Rị = 150 kH; R = 100 kft; P h ần II ỨNG DỤNG PHÁN MẾM PSIM M PHỒNG MẠCH ĐIỆN TỪ CỔNG SUẤT Thay giá trị vào biểu thức tính ta có: ỌD o5 T = 2RC ln(l + = ^ - ) = t ln(l + - ^ r ) = 1,695r R, 1,5.10 Tần số f = kHz tưcmg ứng với T = 1/1 o = 10'3S Trị số đòi hỏi 1,695t = 10‘3 N hư số thời gian là: X= 0,5900.10‘3S - Xác định tham số điện trở biết c = 0,01 (iF Với c = 0,01 nF X= RC, trị số R xác định sau: r - L - ° ’5900-1(r = 59 kQ c 0,01.10-* - Xác định trị số cực đại điện áp vào vi sai ± v sat = ±14 V Trị số điện áp hồi tiếp V : *2.L m ^1+ ^ 0 kũ -.14 = 5,6 V 100 ytn + 150 k Q Các trị số đinh điện áp vào vi sai lớn ±2 X 5,6 = ±11,2 V i.2.4.2 Bài lập tự giải Bài 1: Cho mạch dao động đa hài hình 4.30, có tham số R = 12 kỌ; R] = 30 kíì; R.2 = 20 kíì; c = 0,02 ịxF Giả thiết điện áp bão hòa đầu ± v sat = ±13 V Hãy xác định a Điện áp hồi tiếp b Chu kỳ c Tần số H ìn h M ch d a o đ ộ n g đ a h i d ù n g OA ỨNG DỤNG PSIM MO PHỎNG VẨ GIẢI BẢI TẬP ĐIỆN TỬ CŨNG SUẤT Bài 2: Cho mạch dao động đa hài hình 4.30, có tham số: Ri = 10 kfl; R = 22 k íl c = 0,047 nF Hãy xác định: a Trị so R cẩn để tạo dao động kHz b Tính trị số điện áp hồi tiếp điện áp bão hòa đầu iV sa = ±13,5 V Bài 3: Cho mạch dao động đa hài hình 4.30, có tham số: R = 10 kí2; R =15 k íĩ c = 0.033 |xF Hãy xác định: a Trị số R] cần để tạo dao động kHz b Tính trị số điện áp hồi tiếp điện áp bão hòa đầu ± v sat = ±14 V 4.2.5 Các nguồn điều khiển 4.2.5.1 Giới thiệu IC 78X X 79XX IC78XX 79XX cịn gọi ồn áp tuyến tính Đề thu nhị kích thước chuẩn hóa tham số cùa ổn áp mộtchiều kiêu bù tuyến tính, người ta chế tạo chúng dạng vi mạch, nhờ việc sừ dụng chúng đơn giản IC78XX loại IC ổn áp cho điện áp đương cố định, điện áp chì số cuối Ví dụ: 7805 IC ổn áp cho điện áp +5 V 7812 IC ổn áp cho điện áp +12 V IC79XX loại IC ổn áp cho điện áp âm cố định, điện áp chi bời số cuối 7905 IC ổn áp cho điện áp -5 V 7912 IC ồn áp cho điện áp -12 V Bàng giới thiệu sơ đồ chân mức điện áp ồn định hai loại IC78XX 79XX 222 P h án n chân ỨNG DỤNG PHẤN MỀM PSIM Mõ PHỎNG MẠCH ĐIỆN TỬ CỒNG SUẤT u vào u„ K ý hiệu chân UYi u ri 7805 35V +5V 7905 -35 -Ì V - 5V : 7806 35V +6V 7906 -35 + -9 V - 6V : 7808 11 35V +8V 7908 -35 i -1 IV -8 V : 7812 15 35V +12V 7912 -35 Ì 15V 12V ị 7815 18 35V + 15V 7915 -35 Ì 18V 15V 7818 21 35V + 18V 7918 -35 4- -21V 18V 1=0 -í-1A ị 7824 27 40V +24V 7924 -40 Ì-27V ■24V 79XX =0 -ỉ-1A 4.2.5.2 Bộ nguồn điều khiển đối xứng M BA Tụ C l, C , C C tạo mạch lọc hình n Riêng tụ C C cịn có nhiệm vụ cải thiện trình độ giữ cho điện trở đù nhò tần số cao Do tụ chọn C C chi chọn loại tụ có: c = ,ln F , u = 35 V Chọn C, = c = 470 ( n F ) ; u = 35 V Điện áp đầu ra: IC 7812 có u ra= 12 V 223 ỨNG DỤNG PSIM Mổ PHỎNG VA GIẢI BẢI TẬP ĐIỆN TỬ CỒNG SUẤT IC có Ura = -1 V Điện áp đầu vào: Uv = 15 -ỉ- 35 V, chọn Uv = 20V Dòng điện đầu ra: Ira =0+1 A Điện áp thứ cấp máy biến áp nguồn điều khiển: _ ĩ E ^ J _ M Ọ = 22 V 21 2V2 2V2 ’ Chọn U 21 = 2 V 4.2.5.3 Bài lập tự giải B ài 1: Hãy thiết kế nguồn cung cấp cho IC khuếch đại thuật toán loại TL 084 Bài 2: Hãy thiết kế nguồn cung cấp cho IC 4081 nguồn 24 V cung cấp cho biến áp xung 224 P hán II ỨNG DỤNG PHÁN MẾM PSIM Mô PHỎNG MẠCH DIỆN TỪ CỔNG SUÃT TÀI LIỆU THAM KHẢO l Cyril w Lander, Power Electronics Me Graw-Hill international edition, 1993 I William D Stanley, Industrial electronics, Prentice-Hall international Inc., 1995 Bộ khuếch đại xử lý IC luyến tính (Người dịch: Trịnh Trung Thành, Nguyễn Hữu Ngọc, Đặng Văn Sử), Nhà xuất bàn Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 1994 Nguyễn Bính, Điện tử cơng suất, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, H a Nội, 1996 Nguyễn Bính, Điện tử cơng suất Bài tập - giải ứng dụng, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2002 Lê Văn Doanh, Nguyễn Thế Cơng, Trần Văn Thịnh, Điện từ cóng suất: Lý thuyết - Thiết kế - ứ n g dụng, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2005 Phạm Quốc Hài, Hướng dẫn thiết kế điện tù công suất, Nhà xuất bàn Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2009 Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi, Phán tích giài mạch điện tử cơng suất, H N ộ i, 0 Đỗ Xuân Tùng, Trương Tri Ngộ, Điện từ công suất, N hà xuất Xây dựng, 1999 225 MỤC LỤC