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

Phần II: ứ n g dụng phần mềm PSIM mô phỏng mạch điện tử công suất C hương 1: Chỉnh lưu không điểu khiển C hương 2: Chỉnh lưu có điểu khiến C hương 3: Các bộ điểu chinh điện áp C hư ovg

Th S 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

ới 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 Có rất nhiều phần mềm đề mô phỏng m ạch điện tử công suất như: PSPICE, TINA, MATLAB, SIM SEN, SUCCES, P SIM Các phần mềm này chính là công cụ để giúp các kỹ sư, các nhà sàn xuất tối ưu hóa công việc của mình, từ đó tạo

ra những sản phẩm điện từ chính xác, đáng tin cậy và giá thành thấp

Để đáp ứng nhu cầu thực tiễn và giúp bạn đọc có thêm kiến thức về phầm m ềm PSIM mô phỏng mạch điện từ công suất cũng như giúp sinh viên củng cố kiến thức môn học Điện từ công suất, nhóm tác già

đã biên soạn cuốn sách “ứ n g dụng PSIM mô phỏng và giải bài tậpĐiện từ công suất” Nội dung cuốn sách gồm hai phần:

Phần I: G iói thiệu chung về phần mềm PSIM

C hương 1: Giới thiệu về phần mềm PSIM

C hương 2: Ví dụ mô phỏng mạch điện trong PSIM.

Phần II: ứ n g dụng phần mềm PSIM mô phỏng mạch điện tử

công suất

C hương 1: Chỉnh lưu không điểu khiển

C hương 2: Chỉnh lưu có điểu khiến

C hương 3: Các bộ điểu chinh điện áp

C hư ovg 4: Các mạch điểu khiển thông dụng.

v ề bố cục của phần II, nhóm tác già đã trinh bày cụ thề như sau: Trong mỗi chương, sau phần tóm tắt lý thuyết là những thí dụ có lời giải mẫu

và bài tập để củng cố kiến thức

Do cuốn sách được biên soạn lần đầu, chắc rằng không thê tránh khỏi những thiết sót Nhóm tác già rất mong nhận được sự góp ý của bạn đọc Mọi góp ý xin gửi về Khoa Điện - Trường Đại học Sao Đò - 24 Thái Học - Phường Sao Đỏ - Thị xã Chí Linh - Tỉnh Hài Dương hoặc email: khoadien.sdu.edu@ gm ail.com

Xin trân trọng cảm ơn!

Nhóm tác giả

GIỚI THIỆU CHUNG VÊ PHẦN MÊM PSIM

C h ư ơ n 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 á 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 mô phỏng.

P SIM VIEW: Chương trình hiền thị đồ thị sau khi mô phòng

PSIM biểu diễn một mạch điện trên 4 khối:

Power circuit: Mạch động lực.

Control circuit: M ạch điều khiên.

Sensors: Hệ cảm biên.

Switch controllers: Bộ điều khiền chuyên mạch.

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

H ìn h 1.2 B iể u d iễ n m ộ t m ạ c h đ iệ n tré n P S IM

Mạch điều khiên sẽ được biêu diễn bằng sơ đồ khối, bao gồm cà phần

từ trong miền s, miền z , phần từ logic (ví dụ như cổng logic, flip-flop)

và phần từ phi tuyến (ví dụ bộ chia) Phần từ cảm biến sẽ đo giá trị điện áp, dòng điện trong mạch lực đưa tín hiệu đo này về m ạch điều khiển Sau đó mạch điều khiển sẽ cho tín hiệu đến bộ điều khiển chuyền mạch điều khiển quá trình đóng cắt van bán dẫn trong mạch lực

1.2 Mô phỏng m ạch trong PSIM

1.2 l.Khòi động chưcmg trinh

Khi khời động chương trình thì PSIM Schematic sẽ chạy đầu tiên, sau

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

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

Thanh công cụ gồm: New, Save, Open và các lệnh thường dùng như Wire (nối dây), Zoom, Run Simulation (chạy mô phòng)

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

tụ điện, điôt, tiristo

1.2.2 Cài đặt tham sô cho các phần tử

Các tham số của phần từ, bộ phận của mạch được đối thoại trên ba cứa

sổ cùa PSIM bao gồm:

- Các tham so (Parameters)

- Các thông tin khác (Orther Info)

- Màu sac (Color)

Cừa so Param eters được sừ dụng trong quá trình mô phỏng, còn cừa sổ Orther Info không sừ dụng cho mô phỏng mà chỉ dành cho người sử dụng, các thông tin này sẽ được hiện ra trong mục V iew /Elem ent List

Ví dụ như các thông số loại thiết bị, tên nhà sản xuất, số sàn xuất còn cửa sô Color đê xác định màu sắc cho từng phần từ

r • ì ? I P ì H P P P W P P W I P Ì l ! 3

p«ametefs 1 Other Info 1 Coíor 1 Parameteti Olh« Irío 1 Cota 1 Paametai I Other lrrfo I

1.2.3 Các bước tiến hành mô phóng

Đe tiến hành khảo sát m ột mạch điện từ công suất, cần tiến hành các bước sau:

- Xác định mô hình các phần tử bán dẫn cần có để thiết lập mạch cân khảo sát, nhất là các van bán dẫn công suất

- Thiết lập sơ đồ nguyên lý của mạch cần nghiên cứu Thông thường gồm hai phần: sơ đồ mạch lực và sơ đồ mạch điều khiển

- Chuyển đổi từ sơ đồ nguyên lý sang chương trình mô hình hoá theo ngôn ngữ chuyên dụng cùa phần mềm

- Vào các tham số sơ đồ và số liệu khảo sát

Tiến hành khảo sát, thường chia thành hai bước:

a Chạy thử chương trình với chế độ quen thuộc mà kết quả đã biết trước để kiềm tra độ chính xác cùa mô hình

b Khi mô hình đạt độ tin cậy, tiến hành nghiên cứu với các chế độ cần khảo sát theo yêu cẩu đặt ra

1.3 Thư viện PSIM

1.3.1 Phần tử mạch lực

1.3.1.1 Điện trờ, điện cảm và điện dung (RLC)

Với PSIM các phần tử R, L, c rời rạc hay một nhánh RLC đều có thể được mô tả với các điều kiện đầu được xác định (dòng điện trên L, điện áp trên C)

Ngoài ra m ạch ba pha đối xứng, nhánh RLC cũng được mô tả với các điều kiện đầu được xác định bằng 0 bằng các ký hiệu “R3” , “RL3” ,

“ RC3” và “ RLC3”

R L C P.L RC LC 0lA j\Ạ r , oliYỸVV^ : c 0ĩty C m * oIA A -ỊH

1 M í ỉ

Khóa ba trạng thái bao gồm hai loại tranzito pnp (PN P_1) và npn (NPN_1)

npn-1 pnp-1

"n

H in h 1.7 K ý h iệ u tra n z ito b a trạ n g th á i

1.3.1.3 Khối điểu khiên Gating block

Khối này chỉ được nối với cực điều khiển của các khoá điện tử hai trạng thái kể trên và được xác định tính chất trực tiếp cùa Gating block

Mô tà m ột Gating block:

G ating - block

■ ■ D m m ■ ■ ■

H ìn h 1.8 K ý h iệ u c ù a G a tin g b lo ck.

Frequency: tan so làm việc khi nối với các khoá điện tử

N umber o f points: số lần tác động trong một chu kỳ

Switching points: góc tác động trong một chu kỳ

- Một cuộn dây sơ cấp và một cuộn dây thứ cấp (TF_1 F / T F 1 F_1)

- M ột cuộn dây sơ cấp và hai cuộn dây thứ cấp (TF_1F_3W )

- Hai cuộn dày sơ cấp và hai cuộn dây thứ cấp (TF_1F_4W )

- M ột cuộn dây sơ cấp và bốn cuộn dây thứ cấp (TF_1F_5W )

- M ột cuộn dây sơ cấp và sáu cuộn dây thứ cấp (TF_1F_7W )

H ìn h 1.9 K ý h iệ u c á c lo ạ i m á y b iế n á p m ộ t p h a

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

- Máy biến áp ba pha 2 cuộn dây có các đầu dây ra cùa đầu và cuối cuộn dây (TF_3F)

- Máy biến áp ba pha nối Y/Y và Y /A (TF_3Y Y/TF 3YD)

- Máy biến áp ba pha 3 cuộn dây nối Y /Y /A và Y / A / A (TF_3YYD/TF_3YDD)

1.3.1.5 Các môđun cùa bộ biến đổi một pha và ba pha

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

Các môđun của bộ biến đổi ba pha bao gồm: chinh lưu cầu ba pha điôt BĐIÔT3, chinh lưu cầu ba pha tiristo BTHY3, chinh lưu tia ba pha tiristo BTHY3H:

Khối hàm truyền bao gồm các khối như: khối tỳ lệ, khối tích phân, khối vi phân, khối tích phân - tỷ lệ và khối lọc.

H in h 1 1 3 K ỷ h iệ u k h ố i tỷ lệ H ìn h 1 1 4 K ý h iệ u k h ố i tíc h p h ẳ n

1 3 2 3 C á c k h ố i h à m k h á c

❖ Khối so sánh

Tín hiệu ra của khối so sánh sẽ có giá trị

dương khi tín hiệu vào ờ cực (+) có giá trị

lớn hơn ờ cực (-), sẽ có tín hiệu ra bàng 0

khi tín hiệu cực (+) nhỏ hơn Khi giá trị

vào ờ hai cực bàng nhau thì tin hiệu ra

luôn giữ giá trị ờ thời điểm đó

❖ Khối hạn chế

Tín hiệu ra của khối hạn chế sẽ bàng giá

trị tín hiệu vào khi tín hiệu chưa vượt quá

giá trị giới hạn, còn khi tín hiệu vào vượt

quá tín hiệu giới hạn thì tín hiệu ra sẽ ở

Hai khối, khối xung hình thang

(LKUP_TZ) và khối xung hình chữ nhật (LKUP_SQ)

H ìn h 1.21 K ý h iệ u x u n g h ìn h th a n g và x u n g h ìn h c h ữ n h ậ t

❖ Khối trễ thòi gian (time delay block)

Khôi này sẽ tạo trê một khoảng thời gian của dạng sóng đầu vào ví dụ như chúng được sử dụng vào mỏ hình _'Ú3 phần từ truyền sóng có trễ

hay phần tứ logic Để mô tả khối trễ thời gian chỉ cần xác định thời gian trễ tính theo giây (s).

❖ Khối chuyển đổi A/D và D/A

Đây là các khối chuyền đồi tương tự/số (analog/digital) và ngược lại, với 2 loại ờ tín hiệu số 8 bit và 10 bit

A D C 8

AQjClQ

D A C 8

D A C l Ọ:d a£

Có hai loại nguồn sóng chữ nhật: nguồn áp

(VSQU) và nguồn dòng (ISQU) có ký hiệu VS'q u

như hình 1.27

♦> Cảm biến điện áp/dòng điện

Các cảm biến sẽ đo giá trị điện áp và dòng

điện trong m ạch động lực đề sử dụng trong Hinh 1 2 7 K ý h iệ u n g u ồ n

mạch điều khiển Cảm biến dòng sẽ có nội s ó n g chữ n h ậ t

trờ là 1 |i Q

H ìn h 1.28 K ý h iệ u c á c c ả m b iế n đ iệ n á p và d ò n g đ iệ n

1.3.3.2 Bộ điểu khiển chuyển mạch

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

Bộ điều khiển như m ột 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 khiên của khoá động lực

H ìn h 1.29 K ý h iệ u củ a b ộ o n -o ff s w itc h c o n tro lle r

❖ Bộ điều khiển góc mờ a

Bộ điều khiển dùng để điều

khiển góc mờ cùa tiristo, ký

hiệu vào cùa bộ điều khiển

bao gồm : góc (X, tin hiệu

đồng bộ và tín hiệu cho phép

(enable/disable signal) Quá

trình chuyển đổi tín hiệu đông

Các bước thao tác một mạch phụ như sau:

- New subcircuit: Thiết lập một mạch phụ mới.

- Load subcircuit: Tài xuống một mạch phụ đă có, m ạch phụ này sẽ

hiền thị trên màn hình như một khối

- Edit subcircuit: Soạn thảo kích thước tên file cũa mạch phụ.

- Set size: Cài đặt độ lớn của mạch phụ.

- Place port: Đặt vị trí cổng kết nối giữa mạch chính với mạch phụ.

H ìn h 1 3 0 K ý h iệ u c ủ a b ộ

a lp h a c o n tro lle r

- Display port: Hiển thị cồng kết nối của mạch phụ.

- Edit default variable list: Soạn thào danh sách các thông số mặc

định trên mạch phụ

- Edit image: Soạn thảo hình ảnh cùa mạch phụ.

- D isplay subcircuit name: Hiển thị tên cùa mạch phụ.

- Show subcircuit ports: Hiển thị tên cồng của mạch phụ trong mạch

chính

- Hide subcircuit p o rts: Không cho hiển thị tên cổng cùa mạch phụ

trong mạch chính

- Subcircuit list: Danh sách tên file cùa mạch chính và mạch phụ.

- One page up: Quay trở lại mạch chính, khi đó mạch phụ sẽ được

lưu tự động

- Top page: Nhảy từ mạch phụ (mức thấp) lên mạch chính (mức cao)

cho phép sử dụng dễ dàng khi có chiều mạch phụ

a Tạo mạch p hụ trong mạch chính

Các bước tạo một mạch phụ có tên file “mach-phu.sch” trong mạchchính có địa chi “mach-chinh.sch” như sau:

- Tạo “mach-chinh.sch”

- Trong “mach-chinh.sch” chọn menu Subcircuit để chọn New subcircuit

- Một khối vuông sẽ xuất hiện trên màn hình để tạo mạch phụ

C h ư ơ n g £ •

Ví DỤ MỒ PHỎNG MẠCH ĐIỆN TRONG P S IM

2.1 Thiết kế m ạch điện

Thiết kế mạch băm áp một chiều sừ dụng hai khối điều khiển cho

IG BT: Gating block hoặc switch controller với tần số đóng cat cùa độ băm là 5 kHz

2.2 Cài đặt tham sô cho các phán tử của m ạch lực

Để cài đật các tham số vào một phần từ, trước tiên ta nháy kép chuột trái vào phần tử đó, trên màn hình xuất hiện cừa sổ hộp thoại để người

sử dụng có thể đưa tham số vào

V D C 1= V D C 2= 1 0 0 V

V D C 3= 0 5 V

H in h 2.1 T h iế t k ế m ạ c h b ă m ắ p m ộ t c h iề u

2.3 Cài đặt tham số cá c phần tử của m ạch điéu khiển

♦> Mạch điều khiển dùng Gating block:

- Tên khối điều khiển: Go

No OÍ Points

Tín hiệu vào của khối này là tín hiệu so sánh COM P, so sánh hai tín hiệu: nguồn một chiều VDC và nguồn xung tam giác V TR 1.

2 4 Chạy mô phỏng

Sau khi thiết kế mạch, mô tá và cài đặt các tham số cho tất cà các phần

tử trong mạch, ta tiến hành mô phòng mạch bằng cách ấn nút chuột trái lên ký hiệu khởi động mô phòng (Run Psim) trên thanh công cụ cùa cừa sồ mạch thiết kế Khi đó Psim sẽ khởi động và chạy chương trinh

mô phòng mạch (Psim simulator)

Trên màn hình xuất hiện cửa sổ lựa chọn các đường cong mô phỏng hiển thị (hình 2.4): cửa sổ bên trái là các đường cong hiền thị, cửa sồ bên phải là đường cong cần hiền thị Trong đó các đường cong I(L1)

Để nghiên cứu ảnh hưởng cùa tần số đóng cát m ạch băm áp m ột chiêu này ta cho tham số f biến thiên Giả sử ta thay đồi tần số bộ nguồn sóng tam giác VTR1 là 1000 Hz, với các bước Run Psim và Run simulator, ta có đường cong cùa I(L2) và V2.

là dạng đường cong kết quả của I(L2) và V2 khi L2 = 0,01 ờ tần số

1000 Hz (các phần tử khác giữ nguyên tham số)

Time (ms)

H in h 2 7 Đ ư ờ n g c o n g k é t q u ả m ô p h ỗ n g l(L 2 ) và V2 v ớ i f = 1 0 0 0 H z; L 2 = 0 ,0 1 H

ÚNG DỤNG PHẦN MÊM PSIM

MỎ PHỎNG MẠCH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

C h ư ơ n g Ẩ •1

CHỈNH LƯU KHÔNG ĐIỂU KHIỂN ■

1.1 Chinh lưu một pha hai nửa chu kỳ dùng máy biến áp có điểm giữa

Già sừ 01 và 02 là nchiệm cùa phương trinh trên

- Diện ap trung bình trên tải:

- Dòng điện trung bình qua tài:

- Điện áp ngược lớn nhất đặt trên điôt:

\ r 2n i f f * * 1 f ^ 2

Ud = Y ~ j u d d e ~ 2 { 2 J E d e + J ^ v 2s i n e d e

= — (2E 91 + 'J2U2{ cos 61 - cos92Ý)

Dòng điện trung bình qua tải:

- Điện áp ngược lớn nhất đặt trên điôt:

U n g m a x — 2 V 2 Ơ2

- Dòng điện trung binh qua van:

1.1.2 Bài tập giải mâu

Bài 1: Cho sơ đồ chinh lưu điôt một pha hai nửa chu kỳ cấp nguồn cho

tải thuần trở, các thông số: U2 = 110 V; f = 50 Hz; R = 5 fì

a) Vẽ sơ đồ chỉnh lưu, mô phỏng dạng điện áp và dạng dòng điện cùa tải trên PSIM

b) Tính trị trung bình của điện áp chinh lưu, trị trung bình cùa dòng điện tải

c) Tính điện áp ngược lớn nhất đặt trên điôt và dòng chàv qua điôt

Bài giải:

a Sơ đồ chình lun và dạng điện áp, dòng điện trên tải

Sơ đồ chinh lưu:

b Tính trị trung bình cùa điện áp chỉnh lưu và trị trung bình của dòng điện tải

- Trị trung bình của điện áp chỉnh lưu:

2 V 2 U2 2V2 n o

- Trị trung bình của dòng điện tài:

a Tính t| là thời điềm thiết bị chinh lưu bắt đầu cung cấp dòng nạp cho

ắc quy trong từng nừa chu kỳ x: thời gian dẫn dòng của mỗi điôt trong một chu kỳ

b Điện trở R phái bằng bao nhiêu để đảm bào dòng nạp theo yêu cầu

c Tính trị hiệu dụng của dòng tải

d Vẽ sơ đè và mò phóng đạng điện áp và dòng điện trên tài

Trị trung bình cùa dòng điện trên tải:

d Sơ đồ chỉnh lưu một pha hai nừa chu kỳ dùng máy biên áp có điêm giữa, dạng điện áp và dòng điện trên tài.

Bài 3: Cho chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ dùng máy biến áp có

điềm giữa dùng điôt cấp nguồn cho tải một chiều R + L + E Điện áp xoay chiều cấp cho bộ chinh lưu có trị hiệu dụng 110 V, f = 50 Hz

25 - — 20

-15 10

0

Tãne(s)

1.1.3 Bài tập tự giải

Bài 1: Cho sơ đồ chinh lưu điôt một pha hai nửa chu kỳ cấp nguồn cho

tải thuần trở, các thông số: Ư2 = 24 V; f = 50 Hz; R = 2 Q

a Vẽ sơ đồ chỉnh lưu, mô phỏng dạng điện áp và dạng dòng điện của tài trên PSIM

b Tính trị trung bình của điện áp chỉnh lưu, trị trung bình của dòng điện tài

c Tính điện áp ngược lớn nhất đặt trên điôt và dòng chảy qua điôt.Bài 2: Cho chình lưu một pha hai nửa chu kỳ dùng máy biến áp có điểm giữa cấp nguồn nạp cho ắc quy, có sức điện động E = 150 V, dòng nạp cho ắc quy là Id = 45 A Biết bộ chinh lưu được cấp từ nguồn xoay chiều có trị hiệu dụng là 220 V, tần số f = 50 Hz

a Tính ti là thời điểm thiết bị chỉnh lưu bắt đầu cung cấp dòng nạp cho

ắc quy trong từng nửa chu kỳ x: thời gian dẫn dòng cùa mỗi điôt trong

m ột chu kỳ

b Điện trở R phải bằng bao nhiêu để đảm bảo dòng nạp theo yêu cầu

c Tính trị hiệu dụng của dòng tải.

d Vẽ sơ đồ và mô phòng dạng điện áp và dòng điện trên tài

Bài 3: Cho chỉnh lưu một pha hai nừa chu kỳ dùng máy biến áp có

điểm giữa dùng điôt cấp nguồn cho tải một chiều R + L + E Điện áp xoay chiều cấp cho bộ chỉnh lưu có trị hiệu dụng 220 V, f = 50 Hz

1.2 Chinh lưu cáu một pha

1.2.1 Các biểu thức tinh toán

a Tài thuần trở

- Giá trị điện áp trung bình trên tài:

- Dòng điện trung bình qua tải:

- Điện áp ngược lớn nhất đặt trên điôt:

U n g m a x = V2 Ư2

- Dòng điện trung bình qua van:

U n g m a x

b Tài R + E

Thời điểm điôt bắt đầu dẫn dòng là nghiệm cùa phương trình:

V2 u 2s in d = E

Già sừ 01 và 02 là nghiệm cùa phương trinh trên

- Điện áp trung bình trên tải:

- Dòng điện trung bình qua van:

1.2.2 Bài tập giải mấu

Bài 1: Cho chỉnh lưu cầu một pha dùng điôt cấp nguồn cho tải một

chiều R + E với R = 10 íì, E = 120 V Biết nguồn xoay chiều cấp cho

bộ chinh lưu có trị hiệu dụng của điện áp Ư2 = 220V, f = 50 Hz

a Vẽ sơ đồ nguyên lý, mô phòng dạng điện áp trên tải và dòng điện qua tải

b Tính điện áp trung bình trên tải, dòng điện trung bình qua tải, điện

áp ngược lớn nhất đặt trên điôt

Bài giải:

a Sơ đồ nguyên lý và dạng điện áp trên tài, dạng dòng điện qua tải