Khai thác phần mềm PSIM mô phỏng mạch điện tử công suất

Đồ án được trình bày thành 5 chương: Chương 1: Tổng quan về một sổ phần mềm mô phỏng mạch điện tử công suất.. Tổng quan về một số phần mềm mô phỏng mạch điện Phần mềm mô phỏng bàng Simul

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây, mô hình hóa trở thành phương pháp rất hiệu quả trong nghiên cứu khoa học, trong thực tế sản xuất cũng như trong phục vụ giảng dạy

và học tập Trên thị trường thế giới cũng đã xuất hiện rất nhiều phần mềm Thiết kế

-Mô phỏng mạch điện tử công suất Có thể kể ra các phần mềm như : PSPICE, TINA, MATLAB, SIMSEN, SUCCES, PSIM Các phần mềm này chỉnh là công cụ để giúp các kỹ sư, các nhà sản xuất tối ưu hóa cồng việc của mình, từ đó tạo ra những sản phẩm điện tử chính xác, đảng tin cậy và giá thành thấp.

Ở nhiều trường Đại Học và Cao Đẳng việc mô phỏng mạch điện tử còn nhiều khó khăn vì thiếu về trang thiết bị thực hành Nhiều thiết bị mô phỏng cũ, sổ lượng module ít nên không đáp ứng được hết các nhu cầu về giảng dạy và học tập.

Đe đáp ứng về nhu cầu thực tiễn đặt ra chủng em lựa chọn để tài tốt nghiệp

“Khai thác phần mềm PSIM - mô phỏng mạch điện tử công suất” Với những

mục tiêu sau:

- Giới thiệu về phần mềm và ứng dụng của phần mềm PSIM

- Giúp sinh viên sử dụng phần mềm này để hiểu rõ hơn lý thuyết đã học.

- Phục vụ cho mục đích nghiên cứu, học tập để nâng cao trình độ của

bản thân.

Đồ án được trình bày thành 5 chương:

Chương 1: Tổng quan về một sổ phần mềm mô phỏng mạch điện tử

công suất.

Chương 2: Giới thiệu về phần mềm PS1M.

Chương 3: Tổng quan về lò điện và lò điện trở.

Chương 4: Thiết kể mạch lực và mạch điều khiển lò điện trở.

Chương 5: Ket luận và đề xuất.

Trong quả trình làm đồ án, với sự tìm tòi và nghiên cứu của bản thân, đặc biệt là sự giúp đỡ rất nhiệt tình của cô giảo Nguyễn Thị Điệp chúng em đã hoàn thành đồ án này Tuy nhiên do thời gian nghiên cứu còn hạn chể, nên đồ án này của chúng em không tránh khỏi những thiểu xót Em rất mong nhận được sự đóng góp ỷ kiến của các thầy cô và các bạn để đồ án của chủng em hoàn thiện hơn.

Em xỉn chân thành cảm ơn!

Chương 1 Tổng quan về một số phần mềm mô phỏng mạch điện

Phần mềm mô phỏng bàng Simulink rất thuận lợi khi cần phân tích và khảo sát

ở khía cạnh hệ thống, nhất là với hệ thống kín, ở đó mạch điện tử công suất chỉ lầ mộtkhối của hệ thống Trong simulink, các van được mô phỏng hoặc như một khoá lýtưởng, hoặc như một điện trở hai trạng thái Như vậy, phần tử bán dẫn mô phỏngkhông phản ánh chính xác đặc tính Vôn-ampe của chúng nữa song điều đó không ảnhhưởng đến bản chất của hệ thống được nghiên cứu, mặt khác lại giảm được đáng kểthời gian tính máy Lưu ý rằng trong simulink, các xung điều khiển cho các van là tínhiệu mức logic 0/1, không phải là điện áp điều khiển hay dòng điều khiển cho vannên không cần chú ý về phương diện cách ly giữa lực và điều khiển

1.2 Phần mềm TINA (Toolkit for Interatỉve Netword Analysis)

Đây là phần mềm chuyên dụng cho phân tích mạch điện, mạch điện tử dạng tương tự và xung số mạch điện tử công suất do hãng designsoft đưa ra thị trường TINA có thanh công cụ đặc trưng là các phần tử mô phỏng mạch, được chia làm 8 chức năng chính : phần tử cơ bản (basic components), đo lường (meters), nhóm nguồn (sources), linh kiện bán dẫn (semiconductors), mạch cổng (gate), mạch lật flip-flop (flip-flop), mạch logic (logic IC) Đối với mạch phân tích điện tử công suất thì hay dùng nhất 4 nhóm đầu, trong đó đặc trưng chính thể hiện ở nhóm nguồn và nhóm

cá phần tử bán dẫn Nhưng nhóm quan trọng hơn cả là mô hình các linh kiện bán dẫn:diot, transitors, tiristo, triac, diac

Điểm khác biệt của các mô phỏng trong TINA so với mô hình cùng loại trongMATLAB là chúng được xây dựng theo bản chất hoạt động yật lý bán dẫn thể hiệnbằng các phương trình với nhiều tham số đặc trưng, do đó mô hình mô phỏng rất sát

Chương 1 Tổng quan về một số phần mềm mô phỏng mạch điện

tử

2

đặc tính Yôn-ampe thực của chủng loại đó Yì yậy để đưa vào mạch một bóng bándẫn cụ thể cần phải biết khá nhiều tham số của nó, điều này không phải lúc nào cũngbiết được Để dễ dàng cho người sử dụng, thư viện của TINA có sẵn hàng trăm loạibóng thông dụng trên thị trường với các tham số chuẩn do nhà chế tạo cung cấp

1.3 Phàn mềm PSPICE (Power Simulation Program with Intergrated Circuit Emphases)

PSPICE là phần mềm mô phỏng mạch điện -điện tử trường đại học tổng hợpCalifornia ở Berkeley sáng tạo ra Hiện nay PSPICE được xem là một trong nhữngphần mềm mô phỏng mạch điện-điện tử mạnh và phổ biến trên thế giới Có thể nóirằng trong lĩnh vực mô phỏng mạch điện tử PSPICE cũng thông dụng như MATLABtrong mô phỏng hệ thống tự động Phần mềm này cho phép người dùng thiết lập môhình phần tử của mình theo định hướng nghiên cứu riêng, mở ra khả năng rộng lớncho các chuyên gia trong lĩnh vực điện tử công suất Đây là sản phẩm mới nhất, nhằmtổng hợp các giai đoạn thiết kế chế tạo mạch điện tử: xây dựng mạch nguyên lý, môphỏng, chuyển mạch nguyên lý mạch sang mạch in, đổ sang máy làm mạch in

Thư viện của PSPICE rất lớn, lên đến hàng chục nghìn linh kiện điện tử, bóngbán dẫn, vi mạch IC của rất nhiều hãng trên thế giới, YÌ vậy rất thuận lợi khi thiết kếhay khảo sát mạch sử dụng các linh kiện có sẵn trong thư viện và xây dựng các môhình riêng, tự thiết lập thư viện riêng phục vụ mục đích của mình

Giống như TINA, trong PSPICE có sẵn rất nhiều loại nguồn điện để ngườikhảo sát sử dụng (nguồn điện áp, dòng điện một chiều, nguồn điện hình sin, dạngsóng theo hàm mũ, nguồn tín hiệu điều chế tần số) và 4 nguồn phụ thuộc cơ bản.Ngoài ra còn có công tắc điện tử được điều khiển bằng điện áp hoặc bằng dòng điện.Các phân tích chính là đặc tính truyền đạt, đặc tính tần số, điểm làm việc một chiều,đặc tính động Trong mô phỏng mạch điện tử công suất quan trọng nhất là phân tíchđộng (transient analysis) Trong PSPICE chế độ phân tích này thường tốn thời giantính của PC, khi mạch phức tạp hoặc thời gian khảo sát lớn, dung lượng của fĩle dữliệu này có thể lên đến hàng trăm MB Yì yậy khi chương trình đang chạy ta có thểtạm dừng chương trình để theo dõi và kiểm tra sơ bộ nếu thấy không đạt thì ngắt hẳnchương trình để sửa đổi

1.4 Phần mềm FSIM (Power electronỉcs Simulation Software)

PSIM là phần mềm mạch do hãng LAB-VOLT (Hoa Kỳ) - Một trong các nhàsản xuất các thiết bị dạy học nổi tiếng viết và đưa ra thị trường Đây là phần mềmkhông chỉ mạnh trong học tập, giảng dạy mà còn là tài liệu cơ bản cho các kỹ sư khi

Chương 1 Tổng quan về một số phần mềm mô phỏng mạch điện

tử

3

nghiên cứu, phân tích, khai thác mạch điện tử công suất, các mạch điều khiển tương

tự và số, cũng như trong hệ truyền động xoay chiều (AC), một chiều (DC)

PSIM chạy trong môi trường Microsoft Windows 98/NT/2000/XP với yêu cầu

bộ nhớ RAM tối thiểu là 32 MB Chương trình thiết kế mạch của PSIM là mộtchương trình có tính tương tác cao giữa giao diện của các thư mục và phần mềm soạnthảo mạch điện với người sử dụng Các phần tử của mạch được chứa trong menuElements Các phần tử được chia thành bốn nhóm là: Phần tử mạch công suất(Power), phần tử mạch điều khiển (Control), phần tử nguồn (Sources) và các phần tửkhác (Others) Thư viện trong PSIM bao gồm hai phần: Thư viện hình ảnh(PSIMimage.lib) và thư viện danh sách (PSIMLIB) Thư viện danh sách không thểsửa đổi được, nhưng thư viện hình ảnh có thể sửa đổi hoặc tạo lập một thư viện hìnhảnh riêng cho người sử dụng

Nhìn chung, PSIM được đánh giá là một phần mềm dễ sử dụng, trực quan,dung lượng nhẹ và khá mạnh trong lĩnh vực Điện tử công suất PSIM có ưu điểm môphỏng độc lập mạch lực vì các khối điều khiển đã được xây dựng sẵn, ta chỉ việc lắpghép Vì vậy, chúng em lựa chọn đề tài đồ án là: Khai thác phần mềm PSIM môphỏng mạch điện tử công suất

Chương 2 Giới thiệu về phần mềm

PSIM

Chương 2 Giới thiệu về phần mềm PSIM

2.1 Giói thiệu về phần mềm PSIM

2.1.1.Khái niệm chung

PSIM bao gồm 3 chương trình:

PSIM schematic

PSIM simulator

SIMVIEW Hình 2.1 Quá trình mô phỏng trên PSIM

PSIM Schematic: chương trình thiết kế mạch PSIM

Simulator : chương trình mô phỏng

PSIM VIEW : chương trình hiển thị đồ thị sau khi mô phỏng PSIM biểu diễn một mạch điện trên 4 khối:

Power circuit

Switch contro Ilers

- Switch controllers: bộ điều khiển chuyển mạch

Mạch động lực bao gồm các van bán dẫn công suất, các phần tử RLC,máy biến áp lực và cuộn cảm san bằng

Mạch điều khiển sẽ được biểu diễn bằng các sơ đồ khối, bao gồm cả các

logic,flip-Chương 2 Giới thiệu về phần mềm PSIM

flop) và các phần tử phi tuyến (ví dụ bộ chia) Các phần tử cảm biến sẽ đo các

giá trị điện áp, dòng điện trong mạch lực để đưa các tín hiệu đo này về mạch

điều khiển Sau đó mạch điều khiển sẽ cho các tín hiệu đến bộ điều khiển

chuyển mạch để điều khiển quá trình đóng cắt các van bán dẫn trong mạch lực

2.1.2 Khởi động chương trình

Khi khởi động chương trình thì PSIM Schematic sẽ chạy đầu tiên, các

bạn vào File — > New, giao diện như sau:

Menu

□ |tf|H|a| ¿¿N B I M gymm I Al-P-I^|D| B Ml _Aj|l ~ |

toolbar

Thanh công cụ gồm: New, Save, open Và các lệnh thường dùng như

Wire (nối dây), Zoom, Run Simulation (chạy mô phỏng)

Thanh dưới cùng là các linh kiện thường dùng như điện trở, cuộn cảm,

tụ điện, diode, thyristor,

2.1.3 Biểu diễn tham sổ các phần tử

Các tham số mối phần tử, bộ phận của mạch được đối thoại trên ba cửa

sổ của PSIM bao gồm :

Hình 2.3 Giao diện của chương trình PSIM

Thanh chuẩn (Standard) gồm: File, Edit, View, Subcircuit, Element, Simulate, Option,Window, Help Mọi thao tác trong PSIM đều có thể thực hiện được từ thanh chuẩn này

Parameters I ũthei Into Color I Resistor I Help ~|

mà chỉ dành cho người sử dụng, các

Color

để xác định màu sắc cho từng phần tử

Trên cửa so Parameters, các tham

số được đưa vào dưới dạng các số thậpphân hoặc dạng biểu thức toán học Ví dụmột điện trở có thế được biểu diễn dướicác dạng sau:

12.5 ; 12.5 k ; 12.5 Ohm ;12.5 kOhm ; 25/2 Ohm

Các luỹ thừa sau sử dụng các chữcái để thể hiện :

Parameters Other Info I Color

Hình 2.4 Cửa sổ trao đổi tham số trên PSIM

phép

chia

A

2.2 Một số phần tử mạch lực

2.2.1 Điện trở, điện cảm và điện dung (RLC)

với các điều kiện đầu được xác định (dòng điện trên L, điện áp trên C)

Ngoài ra mạch ba pha đối xứng, nhánh RLC cũng được mô tả với các điều kiện đầuđược xác định bằng 0 bàng các ký hiệu “R3”, “RL3”, “RC3” và “RLC3”

(¿vv\r^ »imyu II—D ¿\A-oa_ <AVHh° ■

: R L C : R 3 R L 3 R C 3 R I C 3

Hình 2.5 kỷ hiệu phần tử RLC một pha và ba pha

2.2.2 Các khoá chuyển mạch

Có hai dạng cơ bản của khoá đóng cắt trong PSIM : một là theo kiểu khoá gồmhai trạng thái (đóng và mở khoá), hai là theo kiểu ba trạng thái (đóng, mở và làm việctrong chế độ khuyếch đại tuyến tính)

Khoá hai trạng thái bao gồm : điôt (DIODE), điac (DIAC), tiristor (THY), triac(TRIAC), GTO, tranzito công suất theo kiểu npn (NPN) hoặc pnp (PNP), IGBT,MOSFET kênh n (MOSFET n) và kênh p (MOSFET_p), và khóa hai chiều (SSWI) Cácphần tử này được mô tả như các khoá lý tưởng, nghĩa là ở trạng thái đóng (cho dòng

Khối này chỉ được nối với cực điều khiển của các khoá điện tử hai trạng thái

kể ừên và được xác định tính chất trực tiếp của block Gating

Mô tả một Gating block:

Gật i rig'- blọ ọk

-Hình 2.8 Ký hiệu của Gating block.

Frequency: tần số làm việc khi nối với các khoá điện tử

Number of points: số lần tác động trong một chu kỳ

Switching points: Góc tác động trong một chu kỳ

2.2.4 Máy biến áp

Có các loại như : Máy biến áp lý tưởng, máy biến áp một pha và ba pha với các kiểu đấu dây

Trên Psim các loại máy biến áp một pha sau đây được sử dụng :

- Một cuộn dây sơ cấp và một cuộn dây thứ cấp (TF1F/TF1F1)

- Một cuộn dây sơ cấp và hai cuộn dây thứ cấp (TF1F 3 W)

- Hai cuộn dây sơ cấp và hai cuộn dây thứ cấp (TF_1 F_4W)

- Một cuộn dây sơ cấp và bốn cuộn dây thứ cấp (TF1F 5W)

- Một cuộn dây sơ cấp và sáu cuộn dây thứ cấp (TF1F 7W)

Hình 2.9 kỷ hiệu các loại máy biển áp một pha

Trên Psim có các loại máy biến áp ba pha trụ sau :

- Máy biến áp 3 pha 2 cuộn dây có các đầu dây ra của đầu và cuối cuộn dây (TF3F)

- Máy biến áp 3 pha nối Y/Y và Y/ A (TF_3 YY/TF 3 YD)

TF 1F TF IF 3W TF IF 5W TF IF 7W

Máy biến áp 3 pha 3 cuộn dây nối Y/Y/A và Y/A/A

biến đồi một pha và ba pha

Các môđun bộ biến đổi một pha bao gồm cầu chỉnh lưu một pha bàng điôt và tiristo được biểu diễn như sau :

Hình 2.11 Môđim chmh lưu cầu một pha Các môđun của bộ

biến đổi ba pha bao gồm : chỉnh lưu cầu ba pha điôt BDIODE3, chỉnh lưu cầu ba pha tiristo BTHY3, chỉnh lưu tia ba pha tiristo BTHY3H :

Hình 2.12 Môđun chỉnh lưu cầu ba pha

DC-Chương 2 Giới thiệu về phần mềm

PSỈM

1 0

Hình 2.16 Ký hiệu các khối cộng

hr hr

Hình 2.17 Kỷ hiệu các khối nhân và chia

Có hai dạng của khối hàm truyền trên PSIM : loại thứ nhất cho các giá trị

“không” ban đầu ( TFCTN), loại thứ hai cho các tham số vào ban đầu(TFCTNl).Bao gồm các khối như : khối tỷ lệ, khối tích phân, khối vi phân, khối tích phân - tỷ lệ và khối lọc

Bao gồm các khối như khối cộng, khối nhân và chia, khối hàm căn bậc hai,

mũ, luỹ thừa, logarit, khối hàm tính giá trị hiệu dụng RMS, khối hàm trị tuyệt đối vàdấu, khối hàm lượng giác và khối biến đổi Fourier nhanh FFT

Hình 2.18 Kỷ hiệu các khối hàm căn, mũ, ỉuỹ thừa và ỉogarit

2.3.3.I Khổỉ so sánh

cực bằng nhau thì tín hiệu ra luôn giữ giá trị ở thời điểm đó

SUM3 '

Lr vp vị b

SUM 2 ■

͔T

inj’i.»: 1

SUMP 2P '+ /

■ LIM.

Hình 2.20 Ký hiệu khối hạn chế

2.3.3.3 Khối xung hình thang và xung chữ nhật

hình chữ nhật (LKUP SQ)

L K U P S Q ■

Hình 2.21 Ký hiệu xung hình thang và xung chữ nhật

2.3.3.4 Khối trễ thời gian (time delay block)

Khối này sẽ tạo trễ một khoảng thời gian của dạng sóng đầu vào, ví dụ nhưchúng được sử dụng vào mô hình của phần tử truyền sóng có trễ hay phần tử logic

Đe mô tả khối trễ thời gian chỉ cần xác định thời gian trễ tính theo giây (s)

Chương 2 Giới thiệu về phần mềm

PSỈM

1 2

23.4.2 Khối chuyển đổi A/D và D/A

Đây là các khối chuyển đổi tương tự/số (analog/digital) và ngược lại, với 2 loại ởtín hiệu số 8 bit và 10 bit

Hình 2.24 kỷ hiệu các khối chuyển đổi A/D và D/A

2.4 Các phần tử khác

2.4.1 Các dạng nguồn

2.4.1.1 Nguồn một chiều DC

Các dạng nguồn một chiều có ký hiệu (_GND) là loại có nối đất, ký hiệu (V)

là dạng nguồn áp, ký hiệu (I) là nguồn dòng

Hình 2.26 Kỷ hiệu nguồn hình sin một pha nguồn hình sin ba pha

2.4.1.3 Nguồn sóng chữ nhật

Có 2 loại nguồn sóng chữ nhật : nguồn áp (VSQU) và nguồn dòng (ISQU)

có ký hiệu như ở hình 2.27

VSQU ỊSQỤ

Chương 2 Giới thiệu về phần mềm

PSỈM

1 3

Hình 2.27 Kỷ hiệu nguồn sóng chữ nhật

2.4.1.4 Cảm biến điện áp/dòng điện

Các cảm biến sẽ đo giá trị điện áp và dòng điện trong mạch động lực để sử

Hình 2.28 Ký hiệu các cảm biển điện áp và dòng điện

2.4.2 Bộ điều khiển chuyển mạch

2.4.2.1 Bộ điều khiển khoá đóng cắt (on-off switch controller)

Bộ điều khiển như một giao diện giữa tín hiệu điều khiển và khoá đóng cắt mạch lực : tín hiệu đầu vào của khối là 0 hoặc 1 từ mạch điều khiển sẽ đưa đến cực điều khiển của khoá động lực

Hình 2.29 kỷ hiệu của bộ on-off switch controller.

2.4.2.2. BỘ điều khiển góc mở a

Bộ điều khiển dùng để điều khiển góc mở của tiristor, ký hiệu vào của bộ

signal) Quá trình chuyển đổi tín hiệu đồng bộ từ 0 đến 1 sẽ cung cấp thời điểm