3. Công cụ, phương tiện xây dựng mô phỏng quá trình hoạt động của bộ biến tần
3.2 Khảo sát và lựa chọn phần mềm chuyên dùng để mô phỏng
MATLAB là một bộ chương trình phần mềm lớn dành cho tính toán kỹ thuật. Ta có thể dùng MATLAB để:
1. Tính toán.
2. Phát triển thuật toán.
3. Thu thập dữ liệu.
4. Mô hình và mô phỏng.
5. Phân tích dữ liệu.
6. Vẽ đồ thị.
7. Giao diện đồ họa.
MATLAB là tên viết tắt từ “MATrix LABoratory”. Như tên của phần mềm cho thấy, phần cốt lõi của phần mềm là dữ liệu được lưu dưới dạng array (ma trận) và các phép tính toán ma trận, giúp việc tính toán trong MATLAB nhanh và thuận tiện hơn so với lập trình trong C hay FORTRAN. Đặc biệt, khả năng tính toán của MATLAB có thể dễ dàng được mở rộng thông qua các bộ toolbox. Toolbox là tập hợp các hàm MATLAB (M-file) giúp giải quyết một bài toán cụ thể.
Matlab là phần mềm phổ cập ở mức độ toàn cầu. Ở nước ta hiện nay MATLAB cũng khá quen thuộc trong lĩnh vực điều khiển và tự động hóa. Tuy nhiên chỉ từ phiên bản 5.3 của MATLAB mới cho phép thâm nhập vào lĩnh vực điện tử công suất (power electronics). Đây là phần mới bổ sung của ”Power System Blockset” nằm trong phần SIMULINK. Trong đó đưa ra mô hình các phần tử bán dẫn là: Tiristor, Diode, GTO, MOSFET, và ideal swicth. Tất cả các phần tử này đều được mô phỏng như một mạch gồm điện trở mắc nối tiếp điện cảm khi ở trạng thái dẫn dòng điện, còn khi không dẫn tương ứng đứt mạch (tổng trở bằng vô hạn), ngoài ra luôn có mạch RC đấu song song.
Bằng cách ghép từng mô hình theo một sơ đò cụ thể nào đó, có thể thiết lập như một viện các mạch điện tử công suất theo ý muốn (thí dụ mạch chỉnh lưu cầu, hoặc mạch băm xung…). Ngoài ra còn có các mạch điện cần thiết và thông dụng khác để trong các mục Elements, Electricaln Sources, 3- phase Library…. Ghép nó với mạch khác quen biết trước đó, như các bộ điều chỉnh PID… ta có thể tiến hành nghiên cứu các thiết bị theo quan điểm hệ thống hoàn chỉnh.
Nhìn chung, phần mềm này rất thuận tiện khi nghiên cứu hệ thống tự động dưới dạng các khối chức năng hàm truyền đạt.
Một số hình ảnh về thư viện các hàm hỗ trợ trong Matlab
Hình 3.23: Các công cụ hỗ trợ trong Matlab
Hình 3.24: Các chế độ mô phỏng có trong Matlab
Hình 3.25: Thư viện các phẩn tử trong chế độ mô phỏng mạch điện tử công suất
Mặc dù hỗ trợ rất tốt các chế độ mô phỏng nhưng Matlab tương đối nặng 3.2.2.Phần mềm TINA (Toolkit for Interactive Network Analysis):
Đây là phần mềm chuyên dụng cho phân tích mạch điện, mạch điện tử dạng tương tự và xung số do các hãng DesignSoft đưa ra thị trường. Mạch điện ở đây được xây dưng trên các mô hình phần tử (model) giống như ta lắp mạch điện thực. Do tính chuyên dụng của phần mềm này nên TINA chỉ ứng dụng trong lĩnh vực hẹp hơn nhiều so với MATLAB. Tuy nhiên cũng nhờ chuyên dụng mà phần mềm TINA chỉ chiếm 6MB bộ nhớ cứng, trong khi MATLAB chiếm dung lượng không dưới vài trăm MB (nếu đầy đủ trên 1000MB). Phần mềm TINA cài đặt và chạy trên Windows nên sử dụng khá thuận tiện, đó là nhờ thanh công cụ chính luôn được hiển thị trên phía màn hình và thao tác nhanh chóng nhờ sử dụng chuột. Ngoài một thanh công cụ tương tự cho Windows như: mở- đóng file, cất file, lựa chọn chế độ phần tử vào mạch hay nối các phần tử với nhau… TINA có thanh công cụ đặc trưng là các phần tử mô phỏng mạch, được chia làm 8 nhóm chức năng: nhóm nguồn, các phần tử cơ bản, đo lường, linh kiện bán dẫn, mạch lặp flip-flop, mạch logic, mạch cổng (sources, basic components, meters, semiconductors, flip-flop, logic IC, gates). Ký hiệu theo quy ước có thể chọn hai chuẩn:
Mỹ (USA) và Châu Âu(EU). Đối với phân tích mạch điển tử công suất (ĐTCS) thì hay dùng nhất là bốn nhóm đầu, trong đó đặc trưng chính thể hiện ở nhóm nguồn và nhóm các phần tử bán dẫn. Nhóm nguồn có sẵn các nguồn dòng hay nguồn áp các kiểu khác nhau: một chiều, xoay chiều hình sin, tam giác, hình chữ nhật…và ta cũng có thể thiết lập nguồn theo hình dạng mong muốn đặc biệt còn có các nguồn phụ thuộc rất cần thiết trong khi mô phỏng các phần tử bán dẫn: nguồn điện áp phụ thuộc vào dòng điện U(I), nguồn điện áp phụ thuộc vào điện áp U(U); tượng tự là nguồn dòng phụ thuộc I(U), I(I).
Nhóm quan trọng hơn cả là mô hình các linh kiện bán dẫn: diode, transitors, thyristor, triac.
Điểm khác biệt của các mô hình trong TINA so với mô hình cùng loại trong phần mềm MATLAB/SIMULINK là ở đây chúng xây dựng theo bản chất hoạt động vật lý bán dẫn thể hiện bằng phương trình với nhiều tham số đặc trưng, do đó mô hình mô phỏng sát với đặc tính vôn-ampe thực của chủng loại đó. Vì vậy để đưa vào mạch một bóng bán dẫn cụ thể cần phải biết khá nhiều về tham số của nó, điều này không phải lúc nào cũng biết được. Để dễ dàng hơn cho người sử dụng, thư viện của TINA có sẵn hàng trăm loại bóng thông dụng trên thị trường với các tham số chuẩn do nhà chế tạo cung cấp vi dụ: thyristor có hơn 200 loại, BT có hơn 300 loại … Tuy nhiên trong thực tế, khi chỉ dừng lại ở mức độ phân tích nguyên lý các mạch điện tử công suất mới gặp, hoặc thiết kế riêng thì chỉ cần thay đổi vài thông số cơ bản là đủ tiến hành mô phỏng, không nhất thiết máy móc đưa vào tất cả các tham số của linh kiện được chọn.
TINA có thể tiến hành phân tích mạch theo nhiều kiểu khác nhau với mạch tương tự thường phân tích ở chế độ một chiều hay xoay chiều cho phép tính toán điện áp các điểm nút, xác định các đặc tính hàm truyền hai cửa (đặc tính biên độ, pha, trễ,…) tính toán hệ số Fourier, hệ số méo (tín hiệu tuần hoàn) hay phổ fourier (tín hiệu phi chu kỳ)… với mạch xung – số, chương trình sẽ giải phương trình trạng thái và hiển thị kết quả, đặc biệt cho phép kiểm tra mạch theo từng bước tác động của logic.
Với lĩnh vực điện tử công suất, thường sử dụng kiểu phân tích chế độ động (transient analysis) mà kết quả hiển thị bằng các đồ thị theo thời gian của các đại lượng điện cơ bản U(t), I(t), P(t) của mạch. Do đặc điểm của mạch điện tử công suất, ngoài mạch lực với dòng điện lớn, còn có phần điều khiển với tín hiệu ra rất nhỏ, nên việc đặt các tham số cho chương trình tính toán có ảnh hưởng khá lớn đến độ hội tụ của phép nội suy, cũng như đến thời gian tính. Với các mạch điều khiển phức tạp, thí dụ như điều
khiển chỉnh lưu ba pha sơ đồ cầu, thời gian chạy chương trình rất lâu, vì vậy nên sử dụng một số thủ thuật để đơn giản bớt mạch, không nên máy móc lập mạch điều khiển hoàn toàn như mạch nguyên lý. Cũng có thể tách riêng hai phần điều khiển và mạch lực nếu cần phân tích chi tiết từng phần một, khi cần ghép vào với nhau nên chuyển sang dùng sơ đồ điều khiển tương đương. Như vậy, khi cần phân tích mạch điện tử công suất ở khía cạnh hệ thống, nhất là khi có nhiều mạch vòng thì TINA không mạnh và cũng không thuận tiện bằng MATLAB/SIMULINK, tốc độ tính toán cũng thua kém nhiều.
3.2.3.Phần mềm chuyên dụng PSPICE (Power Simulation Program with Intergrated Circuit Emphases):
PSPICE là phần mềm mô phỏng mạch điện – điện tử chạy trên máy PC của trường đại học tổng hợp California ở Berkeley sang tạo ra. Và được thương mại hóa nhờ công ty McroSim. Hiện nay PSPICE được xem là một trong nhưng phần mềm mô phỏng mạch điện – điện tử mạnh và phổ biến trên thế giới. Có thể nói rằng trong lĩnh vực mô phỏng mạch điện tử, PSPICE cũng thông dụng như MATLAB trong mô phỏng hệ thống tự động. Phần mềm này cho phép người dùng tự thiết lập mô hình phần tử của mình theo định hướng nghiên cứu riêng, mở ra khả năng rộng lớn cho các chuyên gia trong lĩnh vực điện tử công suất.
Phiên bản gốc của PSPICE chạy trên môi trường DOS, tuy nhiên để thuận tiện cho người sử dụng và thích ứng với các PC của hệ điều hành Windows, MicroSim cho ra phiên bản PSPICE mới Release 8. Đây là sản phẩm mới nhất, nhằm tổng hợp các giai đoạn cơ bản trong thiết kế chế tạo mạch điện tử: xây dựng nguyên lý, mô phỏng, chuyển mạch nguyên lý sang mạch in, đổ sang máy để làm mạch in,… Đương nhiên các file soạn thảo PSPICE trong DOS vẫn chạy bình thường trong Windows vì chương trình mô phỏng gốc vẫn là DOS.
Thư viện của PSPICE rất lớn, đến hàng chục nghìn linh kiện điện tử, bóng bán dẫn, vi mạch IC của rất nhiều hãng trên thê giới, vì vậy rất thuận lợi khi thiết kế hay khảo sát mạch sử dụng các linh kiện đã có trong thư viện. Tuy nhiên không phải tất cả các phần tử đều có sẵn, nhất là các phần tử bán dẫn công suất lớn hay phần tử kiểu mới.
Vì vậy cần phải xây dựng các mô hình riêng và thiết lập thư viện riêng cho mục đích của mình.
Chương trình mô phỏng trong PSPICE được thiết lập trong một file có tên phần mở rộng là *.cir(viết tắt của circuit). Tương tự như các ngôn ngữ lập trình khác, file này phải tuân theo một số thủ tục nhất định như: dòng đầu tiên là tên chương trình, kết thúc chương trình phải là ” END”, phải có các lệnh về phân tích mạch… Trước khi chương trình được chạy, file *.cir này sẽ kiểm tra lỗi và đưa ra thông báo ở file *.out. Cấu trúc chương trình sẽ sáng sủa hơn mếu mô hình phần tử mới được thiết lập dưới dạng các mạch con (subcircuit) và cất sẵn trong thư viện, bây giờ chương trình chỉ cần gọi tên các subcircuit là đủ, điều này rất thuận tiện khi trong một mạch khảo sát chứa nhiều phần tử có mô hình như nhau. Giống như TINA, trong PSPICE có sẵn rất nhiều loại nguồn điện để người khảo sát sử dụng (nguồn điện áp nguồn điên một chiều, nguồn hình sin, dạng sóng theo hàm mũ, nguồn xung, nguồn điện áp nhiều đoạn tuyến tính;
nguồn tín hiệu điều chế tần số)và 4 nguồn phụ thuộc cơ bản. Ngoài ra còn có các công tắc điện tử được điều khiển bằng điện áp hoặc dòng điện. Các phân tích chính là đặc tính truyền đạt, đặc tính tần số, điểm làm viêc một chiều (thiên áp), đặc tính động (thời gian). Trong mô phỏng mạch điện tử công suất thì quan trọng nhất là phân tích động (transient analysis). Chế độ phân tích này thường tốn thời gian tính của PC vì chương trình sẽ tính thời gian của tất cả các nút của mạch khảo sát trong từng bước tính và lưu giữ số liệu này vào một file riêng (có phần mở rộng là .dat). Khi mạch phức tạp, thời
gian khảo sát lớn, dung lượng của file dữ liệu này có thể lên tới hàng trăm MB. Chính vì vậy, để tránh mất thời gian, khi chương trình đang chạy ta có thể tạn dừng chương trình để theo dõi và kiểm tra sơ bộ nếu thấy không đạt thì ngắt hẳn chương trình để sửa đổi.
3.2.4. Phần mềm PSIM (Power Electronics Simulation Software)
PSIM là phần mềm mạch do hãng LAB-VOLT (Hoa Kỳ) - Một trong các nhà sản xuất các thiết bị dạy học nổi tiếng viết và đưa ra thị trường. Đây là phần mềm không chỉ mạnh trong học tập, giảng dạy mà còn là tài liệu cơ bản cho các kỹ sư khi 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).
Chương trình thiết kế mạch của PSIM là một chương trình có tính tương tác cao giữa giao diện của các thư mục và phần mềm soạn thảo mạch điện với người sử dụng.
Các phần tử của mạch được chứa trong menu Elements. 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 tử khác (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 thể sửa đổi được, nhưng thư viện hình ảnh có thể sửa đổi hoặc tạo lập một thư viện hình ảnh riêng cho người sử dụng.
Hinh 3.26: Giao diện làm việc của PSIM PSIM bao gồm 3 chương trình:
- 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:
Hình 3.27: Các khối chức năng của PSIM - Power circuit: Mạch động lực.
- Control circuit: Mạch điều khiển.
- Sensors: Hệ cảm biến.
- 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 phần tử trong miền S, miền Z, các phần tử logic (ví dụ như các cổng logic, flip-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.
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 mô phỏng độc lập mạch lực vì các khối điều khiển đã được xây dựng sẵn, ta chỉ việc lắp ghép. Vì vậy, chúng tôi lựa chọn PSIM làm phần mềm PSIM mô phỏng mạch nguyên lý làm việc của biến tần.