CHƯƠNG 2: CÁC BỘ NGUỒN CHUYỂN MẠCH CƠ BẢN VÀ PHẦN MỀM MÔ PHỎNG
2.3 Giới thiệu về phần mềm mô phỏng
Việc mô phỏng bằng máy tính giúp cho việc thiết kế, phân tích, kiểm nghiệm các mạch điện nhanh chóng tiện lợi, giúp người kỹ sư có thể chủ động tác động lên mô hình trước khi đưa ra thực tế. Người sử dụng có thể lựa chọn nhiều chương trình mô phỏng khác nhau, xây dựng mô hình mạch điện, sau đó nhập số liệu của các phần tử thì chương trình sẽ tự động tính toán cho ra kết quả. Những kết quả này có thể không hoàn toàn chính xác nhưng là một yếu tố tham khảo quan trọng khi áp dụng vào mô hình thật. Hiện nay có hai loại phần mềm phổ biến: loại thứ nhất tính toán mạch điện dựa theo những thư viện phần tử với đặc tính có sẵn như Pspice, PSIM, Workbench, … Loại chương trình thứ hai xây dựng mô hình dựa trên việc đưa về các dạng hàm truyền chuẩn như Simulink trong Mathlab.
Trong phạm vi của luận văn này, tác giả sử dụng phần mềm PSIM để mô phỏng mạch bộ nguồn chuyển mạch vì đây là chương trình khá mạnh dùng để mô phỏng các mạch điện tử công suất. Từ các kết quả mô phỏng thực nghiệm này đưa ra các đánh giá, nhận xét về ảnh hưởng của các thông số và sơ đồ các bộ nguồn chuyển mạch tới chất lượng nguồn một chiều dải rộng.
2. 2 3. Giới thiệu phần mềm PSIM
PESIM Schematic
PESIM Simulator
SIMView
Hình 262. : Quá trình mô phỏng trên PSIM
48
PSIM là phần mềm mô phỏng mạch điện điện tử và phổ biến trên thế - giới do hãng LAB VOLT (Hoa Kỳ), một trong các nhà - sản xuất các thiết bị dạy học nổi tiếng viết và đưa vào thương mại. Nó cho phép người sử dụng tự thiết lập mô hình phần tử mạch điện và sau đó cho chạy thử để tính toán kiểm nghiệm mạch điện trước khi đi vào sản xuất cụ thể. So với các chương trình mô phỏng mạch điện khác PSIM được xây dựng đặc biệt thích ứng với các mạch điện tử công suất, cũng như phần điều khiển cho các mạch lực này.
PSIM bao gồm ba chương trình: Chương trình thiết kế mạch (Schematic), chương trình mô phỏng (Simulator) và chương trình phân tích (View) dựa trên các biểu đồ thời gian của kết quả mô phỏng.
Một mạch điện sẽ được PSIM biểu diễn trên 4 khối (hình 2.27): Mạch động lực (Power circuit), mạch điều khiển (Control circuit), hệ cảm biến (Sensors) và bộ điều khiển chuyển mạch (Switch controllers).
- Mạch động lực bao gồm các van bán dẫn công suất, các phần tử RLC, máy biến áp lực và cuộn kháng lọc.
- Mạch điều khiển sẽ được biểu diễn bằng các sơ đồ khối, bao gồm các phần tử logic (ví dụ như các cổng logic, flip-flop) và các phần tử phi tuyến (ví dụ như bộ nhân, bộ chia), các hàm toán học,...
- Các phần tử cảm biến sẽ đo các giá trị điện áp, dòng điện trong mạch lực để đo các tín hiệu đo này về mạch điều khiển.
- Bộ điều khiển chuyển mạch nhận tín hiệu từ mạch điều khiển và đưa ra các tín hiệu để điều khiển quá trình đóng các van bán dẫn trong mạch lực.
49
Power Circuit
Switch
Controllers Sensor
Control Circuit
Hình 2 7: .2 Biểu diễn một mạch điện trên PSIM
Thư viện phần tử của PSIM rất lớn chia ra làm các loại phần tử sau:
- Phần tử mạch lực bao gồm:
Các phần tử RLC; các phần tử đóng cắt bán dẫn: Điôt, Tranzito lưỡng cực, tranzito trường, Tiristo, IGBT, điôt Zener, Diac, Triac; máy biến áp 1 pha 2 cuộn dây, 3 cuộn dây, 4 cuộn dây, máy biến áp 3 pha mắc Y, D ; động cơ một chiều, xoay chiều, động cơ lồng sóc, động cơ đồng bộ, ...
- Phần tử điều khiển gồm có:
Các bộ lọc tần số cao, tần số thấp ; các phần tử số học: hàm tuyệt đối, hàm dấu, hàm nhân, chia, hàm loga, hàm số mũ ; các phần tử logic AND, OR, NOT,…; các hàm vi phân tích phân, hàm so sánh, hàm khuếch đại.
- Các phần tử khác bao gồm các loại nguồn áp, nguồn dòng; các cảm biến điện áp, dòng điện; các đồng hồ đo dòng, áp.
Với những phần tử có sẵn trong thư viện khiến việc thiết kế hay khảo sát mạch điện rất thuận lợi. Tuy nhiên không phải tất cả các phần tử đều có sẵn, nhất là các phần tử bán dẫn công suất lớn hay các linh kiện điều khiển kiểu mới. Vì vậy khi cần phải xây dựng các mô hình riêng và thiết lập thư viện riêng cho mục đích của mình.
50
Để mô phỏng một mạch điện bằng PSIM đầu tiên ta phải xác định sơ đồ cấu trúc của mạch điện. Sau đó ta mở chương trình vẽ mạch điện Schematic trong PSIM, vào thư viện linh kiện để chọn ra các phần tử cần thiết, sắp xếp và nối dây liên kết giữa chúng.
Tiếp đó ta nhập các thông số của từng phần tử bằng cách nhấn đúp chuột vào phần tử lựa chọn. Sau khi xác định hết các thông số phần tử ta thiết lập thông số cho việc phân tích như thời gian phân tích, bước chạy, hay thông số cho chế độ phân tích tần số.
Hình 282. : Lựa chọn phần tử trong PSIM
Hình 2.29, với Time step (bước mô phỏng, thời gian trích mẫu) càng nhỏ thì độ chính xác càng cao, thời gian tính toán sẽ tăng.
Time step phải chọn nhỏ hơn tần số chuyển mạch thì mô hình mới có thể chạy được. Time step càng nhỏ đồng nghĩa với xung đóng mở van bán dẫn càng đạt đến xung vuông. Trong chương 3 và chương 4, sẽ mô phỏng với
“Time Step” là 1E-007.
51
Total time là thời gian mô phỏng
Print time là thời gian bắt đầu đưa ra (lưu lại) kết quả mô phỏng
Print step là 1 thì tất cả các điểm dữ liệu sẽ được lưu lại (có thể hiện trên màn hình); Nếu là 10 thì chỉ có 10 kết quả mô phỏng được lưu lại.
Hình 292. : Cài đặt các thời gian cho quá trình phân tích, mô phỏng
Hình 302. : Cài đặt các thông số cho bộ tạo xung (Gate); Cuộn kháng L, tụ C, tải thuần trở R
52
Hình 312. : Cài đặt các thông số cho máy biến áp 4 cuộn dây (dùng trong sơ đồ Push-Pull).
Việc xác định kết quả của mạch điện thông qua việc sử dụng các đồng hồ vôn kế, ampe kế. Sau khi thiết lập mô hình trong chương trình Schematic ta cho chạy chương trình mô phỏng Simulator. Chương trình chạy xong sẽ hiện ra chương trình phân tích View, ta chọn tín hiệu muốn khảo sát để hiển thị và xem dạng sóng của tín hiệu.
Chi tiết về cách sử dụng PSIM, có thể xem trong tài liệu “PSIM User Manual”. Chương 3 và 4 sử dụng phần mềm PSIM để nghiên cứu các bộ nguồn chuyển mạch.
53
KẾT LUẬN:
1. Sơ đồ bộ biến đổi giảm áp (Buck): điện áp đầu ra nhỏ hơn điện áp đầu vào và điện áp đầu ra cùng chiều với điện áp đầu vào. Điện áp đầu ra tỷ lệ tuyến tính với điệ áp đầu vào, tùy thuộc vào thời gian van bán dẫn đóng và chu kỳ đóng cắt: O on Uin DUin
T
U = T . = .
2. Sơ đồ bộ biến đổi tăng áp (Boost): điện áp đầu ra lớn hơn điện áp đầu vào và điện áp đầu ra cùng chiều với điện áp đầu vào. Quan hệ giữa điện áp đầu ra và điện áp đầu vào là quan hệ phi tuyến: in in
off
O U
U D T
U T .
) 1 ( . 1
= −
=
3. Sơ đồ bộ biến đổi Buck-Boost và sơ đồ bộ biến đổi Cuk: có đặc điểm chung là có cùng tỷ số biến đổi điện áp, điện áp đầu ra có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp đầu vào, quan hệ giữa điện áp đầu ra và điện áp đầu vào là quan hệ phi tuyến và điện áp đầu ra đảo chiều so với điện áp đầu vào:
in in
off
O on U
D U D
T
U T .
) 1 . (
− −
=
−
=
4. Các sơ đồ bộ biến đổi có biến áp cách ly: điện áp đầu ra có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn so với điện áp đầu vào, tùy thuộc vào thời gian đóng cắt của van bán dẫn và tỷ số của biến áp. Trong các sơ đồ này thì tần số chuyển mạch và các thông số của máy biến áp sẽ ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của bộ nguồn.
54
CHƯƠNG MÔ PHỎNG 3: BỘ NGUỒN CHUYỂN MẠCH KHÔNG CÓ BIẾN ÁP CÁCH LY
Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn này, tác giả mô phỏng với tải thuần trở. Do đó, dạng sóng của điện áp đầu ra Uo cũng chính là dạng sóng của dòng điện đầu ra Io, chỉ khác nhau về giá trị: Io=Uo/R. Mức độ gợn sóng của điện áp đầu ra đặc trưng bởi thông số Ur = ∆Uo (giá trị đỉnh đỉnh của – điện áp đầu ra). Mức độ gợn sóng của dòng điện đầu ra đặc trưng bởi thông số
∆Io (giá trị đỉnh đỉnh của dòng điện đầu ra) Do xét với tải thuần trở nên – . điện áp đầu ra Uo và dòng điện đầu ra Io tỷ lệ thuận với nhau. Vì vậy, trong chương 3 và chương 4 chỉ xét ảnh hưởng của các thông số đến Uo và ∆Uo.
3 .1Bộ biến đổi Buck
Để có thể mô phỏng được thì trước hết cần xác định các thông số của sơ , đồ. Như đã phân tích ở trên, để sơ đồ hoạt động ở chế độ liên tục thì cần xác định các giá trị giới hạn của cuộn kháng L và tụ C. Từ các thông số này có thể đưa ra các thông số điển hình để mô phỏng.
Như vậy, ta khảo sát ảnh hưởng của tần số đóng cắt của sơ đồ Buck bằng cách sử dụng phần mềm mô phỏng PSIM (hình 3.1) với các thông số của mạch như ví dụ sau:
Hình 3.1: Mạch mô phỏng sơ đồ Buck bằng PSIM
55
Điện áp Uin=100V; điện trở của cuộn kháng RL=0,1Ω; Tải thuần trở R=10Ω; Khoá chuyển mạch: Sử dụng Mosfet
Theo lý thuyết: UO (U= in.Ton)/T tức là UO =D.Uin , điện áp đầu ra tỷ lệ thuận với điện áp đầu vào; Vì vậy chỉ xét trường hợp D=Ton/T=0,5 và không cần xét đến trường hợp thay đổi của điện áp đầu vào Uin.
Như vậy, điện áp đầu ra khi ổn định là Uo=Uin.D=100 5=50V (trong .0, điều kiện bỏ qua các tổn hao).
3.1.1 Ảnh hưởng của tần số chuyển mạch tới chất lượng đầu ra
Sau khi mụ phỏng với L=30àH; C=30àF ta cú cỏc đồ thị đặc tớnh hỡnh 3.2 và hình 3.3:
Hình 3.2: Dạng điện áp đầu ra Uo a) Khi f=50kHz; b) Khi f=100kHz
Hình 3.2 cho thấy thời gian của quá trình quá độ là 0,5ms. Quá trình quá độ xảy ra do thời điểm ban đầu Uo=0V, để tạo ra điện áp Uo=50V thì cần có quá trình quá độ.
Hình 3.2a, điện áp đầu ra Uo=58,5V. Mà theo lý thuyết thì Uo=Uin.D=100.0,5=50V, không phụ thuộc vào f. Đó là do khi f=50kHz, L=30àH và C=30àF thỡ sơ đồ hoạt động ở chế độ khụng liờn tục. Tức là dũng điện trên cuộn kháng không liên tục, có thời điểm IL=0 (hình 3.3).
Khi MOS đóng, UX=Uin=100V, điện áp đặt lên cuộn kháng UL=Uin-UO, tạo ra dòng điện trong cuộn kháng tăng tuyến tính. Đồng thời tụ C đang ở
56
trạng thái phóng điện qua tải với dòng IC sẽ giảm dần về không rồi đảo chiều để nạp cho tụ.
Hình 3.3: Đồ thị dạng sóng ở tần số chuyển mạch f=50kHz;
Hình 3.4: Đồ thị dạng sóng ở tần số chuyển mạch f=100kHz
57
Khi MOS cắt, UX=0; điện áp trên cuộn kháng đảo chiều UL=-UO, dòng IL
giảm dần về không; IC đang nạp vào tụ sẽ giảm dần về không rồi đảo chiều phóng điện qua tải. Khi L phóng hết (IL=0; UL=0), tụ C tiếp tục phóng điện qua tải tạo ra dòng điện IO=IC,giá trị này phụ thuộc vào thời gian nạp tụ và dung lượng của tụ C, trong thời gian đó UO=IO.R=IC.R≈60V.
Ở chu kỳ tiếp theo, thời điểm đóng MOS, điện áp UO đang có giá trị
≈60V, do đó UL=Uin-UO≈40V; trong thời gian MOS đóng thì:
UO=Uin-UL=100 40=60V- . Tại thời điểm cắt MOS, UL=-UO=-60V.
Như vậy, trong cả chu kỳ đóng cắt, điện áp đầu ra UO≈60V.
Hình 3.2b, điện áp đầu ra UO=49,5V (<50V) là do sụt áp trên cuộn kháng (mô phỏng với RL=0,1Ω). Ở tần số chuyển mạch f=100kHz thì sơ đồ hoạt động ở chế độ liên tục (dòng IL không bị ngắt quãng). Tức là cuộn kháng L đủ năng lượng để phóng trong suốt thời gian MOS cắt, vì vậy mà điện áp UO
không phụ thuộc vào C và đạt giá trị ≈50V (theo như lý thuyết).
Để bộ nguồn hoạt động ở chế độ liên tục, cần tính toán các thông số như sau:
Giá trị tới hạn của cuộn kháng là
f R Lgh D
. 2
).
1 ( −
=
Xét với D=0,5; R=10Ω và f=100kHz Ta cú Lgh 25àH
100000 .
2
10 ).
5 , 0 1
( − =
=
L>Lgh thì bộ biến đổi sẽ hoạt động ở chế độ liên tục.
Và min 2
. . . 81 ).
( U Lf U C D
r
− O
=
U
với r là giá trị giới hạn đỉnh đỉnh của điện áp đầu ra tức là -
Ur=∆U=Uomax – Uomin, nó cho biết mức độ gợn sóng của điện áp đầu ra.
Với D=0,5; Ur/UO=1%, L=25àH và f=100kHz ta cú giỏ trị tối thiểu của tụ điện là: Cmin=25àF.
58
Từ hình 3.4 cho thấy đồ thị dạng sóng của các thông số cơ bản hoàn toàn phù hợp với các đồ thị đã phân tích theo lý thuyết chương 2 (hình 2.2)ở .
Thay đổi tần số chuyển mạch, mụ phỏng với C=30àF, quan hệ giữa giỏ trị trung bình của điện áp đầu ra và tần số đóng cắt như trên hình 3.5a; quan hệ giữa mức độ gợn sóng (∆Uo: giới hạn đỉnh đỉnh của điện áp đầu ra– ) của điện áp đầu ra và tần số đóng cắt như trên hình 3.5b
Hình 3.5: Ảnh hưởng của tần số tới:
a) điện áp đầu ra Uo; b) mức độ gợn sóng ∆Uo; c) dòng điện Theo công thức 2-5:
f R Lgh D
. 2
).
1 ( −
= ⇒
L R fgh D
. 2
).
1 ( −
= để bộ nguồn làm việc ở chế độ liờn tục. Với L=10àH thỡ fgh =(1−0,5).10−6 =250kHz
Với L= 30àH thỡ 6
10 . 30 .
2 0,5).10 1
( − −
=
fgh = 83kHz
Từ kết quả hình 3.5a cho thấy hoàn toàn phù hợp với kết quả tính toán lý thuyết. Tức là để bộ nguồn làm việc ở chế độ liên tục, điện áp đầu ra UO=50V thỡ f > 83kHz (với L = 30àH) và f > 250khz (với L=10àH).
59
Từ hỡnh 3.5a, với L= 30àH, khi 5kHz < f < 83kHz thỡ điện ỏp đầu ra UO
có giá trị lớn hơn giá trị lý thuyết (50V), điều này đã được lý giải ở hình 3.2.
UO = h(f) bị gãy khúc ở 5kHz là do với f < 5kHz đây là tần số chuyển mạch quá thấp, năng lượng tích lũy trong L và C không đủ để duy trì dòng điện ổn định trên tải R trong suốt thời gian MOS cắt.
Hình 3.5c, khi bộ nguồn làm việc ở chế độ liên tục thì dòng điện đầu ra và đầu vào không đổi. Khi bộ nguồn làm việc ở chế độ không liên tục, tăng tần số chuyển mạch thì dòng điện đầu vào Iin và dòng điện đầu ra Io đều giảm nhưng không tỷ lệ thuận với nhau.
Từ hình 3.5 có thể thấy rằng với sơ đồ Buck quan hệ Uo = h(f); ∆Uo=h(f);
đều là các quan hệ phi tuyến khi bộ nguồn làm việc ở chế độ không liên tục;
là quan hệ tuyến tính khi bộ nguồn làm việc ở chế độ liên tục. Khi các thông số L và C cố định, khi tần số đóng c càng tăng thì điện áp đầu ra càng giảm ắt dần đến giá trị lý thuyết là UO= Uin.D và có chất lượng điện áp càng cao, thể hiện ở ∆UO càng nhỏ.
Tuy nhiên, không phải cứ tăng mãi tần số đóng cắt, càng tăng tần số đóng cắt thì tổn hao chuyển mạch càng lớn và kích thước bộ làm mát cũng sẽ tăng theo. Mặt khác, với các thông số L, C cố định tần số chuyển mạch tăng đến một mức độ nào đó thì sẽ đạt đến độ bão hoà, tức là nếu có tăng nữa thì chất lượng điện áp đầu ra cũng không tăng thêm được nữa.
Với L=10àH, tần số chuyển mạch f > 250kHz thỡ điện ỏp đầu ra Uo mới đạt đến giỏ trị lý thuyết. Với L=30àH, tần số chuyển mạch f>83kHz thỡ điện áp đầu ra Uo đã đạt đến giá trị lý thuyết. Khi đã đạt tới giá trị giới hạn, bộ nguồn làm việc ở chế độ liên tục thì dù có tăng f nữa cũng không ảnh hưởng tới điện áp đầu ra. Với cùng một tần số chuyển mạch chất lượng điện áp đầu , ra ∆Uo sẽ tăng khi L tăng, tuy nhiên độ nhấp nhô của điện áp đầu ra không
60
chênh lệch nhau nhiều. Như vậy, khi cuộn kháng tăng thì có thể giảm tần số chuyển mạch.
3.1.2 Ảnh hưởng của bộ lọc LC tới chất lượng đầu ra
Mụ phỏng với C=30àF, thay đổi L, quan hệ giữa giỏ trị trung bỡnh của điện áp đầu ra Uo và L biến thiên như trên hình 3.6
Hình 3.6:Ảnh hưởng của cuộn kháng L tới:
a) điện áp đầu ra Uo; b) mức độ gợn sóng ∆Uo
Mụ phỏng với L = 30àH, thay đổi C quan hệ giữa điện ỏp đầu ra và C , biến thiên như trên hình 3.7
Hình 3.7: Ảnh hưởng của tụ C tới:
a) điện áp đầu ra Uo; b) mức độ gợn sóng ∆Uo
Từ kết quả này cho thấy khi tần số chuyển mạch thấp thì phải tăng bộ lọc LC để đảm bảo chất lượng điện áp đầu ra, ngược lại khi tần số chuyển mạch cao thì bộ lọc LC sẽ giảm. Hình 3.6 cho thấy khi L < Lgh thì nó sẽ ảnh hưởng nhiều đến giá trị trung bình Uo và cả độ dao động của điện áp đầu ra (∆Uo). Từ hình 3.6b cũng cho thấy mức độ ảnh hưởng rất lớn của tần số chuyển