Bộ môn: Kỹ thuật Điện
1. Giới thiệu
Hiện nay việc ứng dụng các phần mềm để mô hình hóa trở nên phổ biến trong nghiên cứu khoa học, trong thực tế sản xuất cũng như trong phục vụ giảng dạy và học tập. Các phần mềm thiết kế – mô phỏng mạch điện tử, điện tử công suất như: PROTEUS, ORCAD, ALTIUM designer, MATLAB, PSIM… Các phần mềm này tiện lợi trong việc vẽ các sơ đồ mạch điện tử công suất, được hỗ trợ đầy đủ các kí hiệu của các thiết bị điện tử công suất dùng trong công nghiệp như: Các phần tử về tải, các khóa chuyển mạch, các mô đun chuyển đổi, máy biến áp, động cơ… PSIM được sử dụng khá phổ biến trong lĩnh vực điện tử công suất do dễ sử dụng, trực quan, dung lượng nhẹ, đưa ra sơ đồ điều khiển khá đơn giản, giúp người sử dụng vẽ mạch nhanh chóng và đồng thời có thể mô phỏng mạch điện tử công suất. PSIM có ưu điểm mô phỏng độc lập mạch lực vì các khối điều khiển đã được xây dựng sẵn, chỉ việc lắp ghép để mô phỏng các đặc tính cần tìm (điện áp, dòng điện,…) và đặc biệt có thể điều chỉnh góc pha một cách dễ dàng, không bị ảnh hưởng bởi các nhân tố khác.
2 .Phần mềm PSIM
Phần mềm PSIM do hãng Powersim Inc. sản xuất. Đây là phần mềm được phong cách thiết kế để mô phỏng những mạch điện tử hiệu suất, những hệ truyền động điện. PSIM là công cụ mô phỏng phổ cập cho việc nghiên cứu và phân tích những bộ biến đổi điện tử hiệu suất, phong cách thiết kế vòng tinh chỉnh và điều khiển kín ,nghiêncứu những mạng lưới hệ thống truyền động điện với năng lực mô phỏng nhanh, giao diện thân thiện dễ sử dụng và nghiên cứu và phân tích dạng sóng tốt ,hoàn toàn có thể kiến thiết xây dựng được đường đặc tính theo nhu yếu của bài toán một cách đúng mực. Từ đó hoàn toàn có thể đưa ra chiêu thức điều khiển và tinh chỉnh hiệu suất cao nhất, giúp cho sinh viên trực quan hơn trong quy trình học .
PSIM gồm 3 chương trình :
– PSIM Schematic : Chương trình soạn thảo mạch nguyên tắc, dùng để vẽ mạch cần mô phỏng ( hiệu quả cho file với đuôi *. sch ) .
– PSIM simulator : trình mô phỏng mạch nguyên tắc ( cho tác dụng có đuôi là *. txt ) .
– SIMVIEW : trình vẽ dạng sóng hiệu quả mô phỏng, nghiên cứu và phân tích sóng .
3. Các thành phần trong PSIM
3.1. Nhóm thành phần Power
Để lấy những thành phần trong nhóm Power, vào Elements / Power / RLC có những linhkiệnđiện tử hiệu suất, linh phụ kiện thụ động RLC, máy biến áp, động cơ …
Để lấy những linh phụ kiện điện tử hiệu suất như Diode, Thyristor, Transistor, IGBT, GTO, MOSFET, vào Elements / Power / Switches / …Các khóa chuyển mạch có hai dạng cơ bản của khóa đóng cắt trong PSIM : Một là theo kiểu khóa gồm hai trạng thái ( đóng và mở khóa ), hai là theo kiểu ba trạng thái ( đóng, mở và thao tác trong chính sách khuyếch đại tuyến tính ). Khóa hai trạng thái gồm có : điôt ( DIODE ), diac ( DIAC ), Thyristor ( THY ), triac ( TRIAC ), GTO, tranzito hiệu suất theo kiểu npn ( NPN ) hoặc pnp ( PNP ), IGBT, MOSFET kênh n ( MOSFET_n ) và kênh p ( MOSFET_p ), và khóa hai chiều ( SSWI ). Các môđun quy đổi : Chỉnh lưu cầu 1 pha dùng diôt ( 1 – ph Diode Bridge ), chỉnh lưu cầu 1 pha dùng Thyristor ( 1 – ph Thyristor Bridge ), chỉnh lưu cầu 3 pha dùng diôt ( 3 – ph Diode Bridge ), chỉnh lưu cầu 3 pha dùng thyristor ( 3 – ph Thyristor Bridge ), chỉnh lưu tia 3 pha dùng Thyristor ( 3 – ph Thyristor Half-bridge ). Ngoài ra còn một số ít thành phần khác như nút nhấn ( Push button switches ), Gating Block ( dùng để thiết lập thời hạn đóng ngắt cho những linh phụ kiện hiệu suất ), khối này chỉ được nối với cực tinh chỉnh và điều khiển của những khóa điện tử hai trạng thái kể trên và được xác lập đặc thù trực tiếp của block Gating .
Để lấy những máy biến áp, vào “ Elements / Power / Transformer … Các loại máy biến áp như : máy biến áp 1 pha ( 1 ph – Transformer ), máy biến áp ba pha ( 3 ph – Transformer ), máy biến áp ba pha mắc Y / Y ( 3 ph – Y / Y-Transformer ), máy biến áp ba pha mắc Y / Δ ( 3 ph – Y / D-Transformer ) ,máy biến áp 3 pha 3 cuộn dây nối Y / Y / ∆ và Y / ∆ ∆ / ( TF_3YYD / TF_3YDD )
3.2. Một số thành phần mạch tinh chỉnh và điều khiển Control
– Các thành phần trong nhóm Control :
+ Khối tinh chỉnh và điều khiển PI
+ Các khối logic ( Logic Elements ) gồmcổng AND, OR, NOT, XOR.
Để lấy những thành phần trong nhóm Control, vào Menu Elements / Control … Lấy bộ so sánh ( Comparator ), bộ số lượng giới hạn ( Limiter ), vào Menu Elements / Control / Logic Elements / …
+ Khối điều khiển và tinh chỉnh mô phỏng ( Simulation Control ) : Khối mô phỏng dùng để trấn áp quy trình mô phỏng như thiết lập thời hạn lấy mẫu, thời hạn xuất tác dụng. Để lấy khối Simulation Control, vào đường dẫn “ Menu Simulate / Simulation Control
– Khối hàm truyềngồm có những khối như : khối tỷ suất, khối tích phân, khối vi phân, khối tích phân – tỷ suất và khối lọc. Mạch lọc ( Filter ) gồm bộ lọc thông thấp hoặc thông cao bậc một hoặc bậc hai, bộ lọc dải thông … Để lấy những thành phần trong mạch lọc, vào Menu Elements / Control / Filter
– Các khối thống kê giám sát
+ Khối thành phần hàm toán học ( Math Function ) gồm khối cộng, khối nhân và chia, khối hàm căn bậc hai, mũ, lũy thừa, logarit, khối hàm tính giá trị hiệu dụng RMS, khối hàm trị tuyệt đối và dấu, khối hàm lượng giác và khối biến hóa Fourier nhanh FFT.
+ Khối Function Block có những thành phần chuyển hệ trục tọa độ từ abc sang tọa độ xoay ( abc-dqo Tranformation ), từ tọa độ xoay sang abc ( abc-dqo Tranformation ). Để lấy những thành phần trong khối, vào Menu Elements / Other / Function Block / .
– Thư viện Other :
+ Bộ điều khiển và tinh chỉnh chuyển mạch ( Switch Controllers )
+ Bộ tinh chỉnh và điều khiển khóa đóng cắt ( On-off Controller )
+ Bộ tinh chỉnh và điều khiển góc mở ( Alpha Controller )
+ Bộ điều khiển và tinh chỉnh điều chế độ rộng xung ( PWM Pattern Controller ) .
+ Cảm biến ( Sensors ) gồm cảm ứng điện áp ( Voltage Sensor ), cảm ứng dòng điện ( Current Sensor ). Để lấy cảm ứng vào Menu Elements / Other / Sensor / …
+ Khối hiển thị ( probes ) gồm đồng hồ đeo tay đo điện áp một chiều, đồng hồ đeo tay đo điện áp xoay chiều ; đồng hồ đeo tay đo dòng điện một chiều và đo dòng điện xoay chiều ; đồng hồ đeo tay đo điện năng. Để lấy khối hiển thị vào Menu Elements / Other / Probe / …
– Thư viện nguồn Sources :
+ Nguồn điện áp ( Voltage Sources ) : Trong PSIM có nguồn điện áp một chiều ( DC ), nguồn điện áp xoay chiều một pha hình Sin ( Sine ), nguồn điện áp xoay chiều ba pha hình sin ( 3 – ph Sine ) .Để lấy thành phần nguồn áp vào Menu Elements / Sources / Votage / …
+ Nguồn dòng điện ( Current Sources ) gồm có nguồn dòng một chiều ( DC ), nguồn dòng xoay chiều một pha hình Sin ( Sine ), nguồn xung Step … Để lấy những thành phần nguồn dòng vào Menu Elements / Sources / Current / … Ngoài ra, nhóm Sources còn chứa những thành phần như hằng số ( Constant ), nối đất ( Ground )
4. Các bước thực thi mô phỏng mạch điện tử hiệu suất
–
Xác định mô hình các phần tử bán dẫn cần có để thiết lập mạch cần khảo sát.
-Vẽ sơ đồ nguyên tắc : khởi động PSIM từ hình tượng ; mở một trang mới để vẽ mạch nguyên tắc : File → New ( Ctrl + N ) ; Lấy những linh phụ kiện trong thư viện linh phụ kiện của phần mềm, sắp xếp những linh phụ kiện ngăn nắp, đi dây nối những linh phụ kiện với nhau tạo thành mạch, gán những thông số kỹ thuật cho linh phụ kiện .
-Chạy mô phỏng : chạy thử chương trình với tác dụng đã biết trước để kiểm tra độ đúng mực của mạch ; thực thi mô phỏng với những chính sách cần khảo sát theo nhu yếu đặt ra .
Ví dụ : Vẽ và mô phỏng mạch nghịch lưu PWM
Hình 1: Mạch nghịch lưu PWMHình 1 :
4.1. Các thành phần trong mạch nghịch lưu PWM
Các thành phần trong mạch gồm: Nguồn 1 chiều có điện áp 100V; 2 mạch cầu IGBT, tần số đóng ngắt của IGBT là 60 Hz; Các đồng hồ đo trong mạch gồm: 3 vôn kế để đo điện áp nghịch lưu của từng mạch cầu và điện áp nghịch lưu tổng cộng, 1 ampe kế đo dòng tải
Các đồng hồ như ampe kế, vôn kế đo điện áp pha nguồn: Elements > Other > Probes > Voltage Probe. Lấy đồng hồ đeo tay đo hiệu điện thế : Elements → Other → Probes → Votlage Probe. Lấy đồng hồ đeo tay đo dòng điện : Elements → Other → Probes → Current Probe .
Nguồn 1 chiều được lấy từ thư viện Elements > Sources > Voltage > DC; IGBT được lấy từ thư viện Elements > Power > Swiches > IGBT; Tải R+L được lấy từ thư viện : Elements > Power > RLC Branches > RL; Nguồn phát sóng mang tam giác lấy từ Elements > Sources > Voltage > Triangular; Nguồn phát điều khiển dạng sin lấy từ Elements > Sources > Voltage > Sine.
Bộ điều khiển đóng ngắt lấy từ Elements > Other > Switch Controllers > On-Off Controller; Điểm nối đất lấy từ Elements > Sources > Ground; Bộ so sánh lấy từ Elements > Control > Comparator; Khối logic đảo lấy từ Elemetns > Control > Logic Elements > NOT gate.
Các linh kiện sau khi được sắp xếp theo sơ đồ nguyên lý, sau đó nối dây linh kiện. Chọn Edit → Wire hoặc nút trên thanh công cụ để vẽ dây nối những linh phụ kiện với nhau .Sơ đồ mạch sau khi hoàn tất nối dây như sơ đồ nguyên lý
4.2. Hiệu chỉnh thông số linh kiện
+ Nhập thông số cho nguồn 1 chiều Mục Name nhập Vdc, đánh dấu chọn vào ô Display. Mục Amplitude nhập 100.
+ Nhập thông số cho các IGBT: Mục Name lần lượt đặt tên từ S1 đến S4, đánh dấu chọn vào mục Display, các thông số còn lại giữ như mặc định.
+ Nhập thông số cho mạch tải tải R+L: Mục Name nhập RL, đánh dấu chọn vào ô Display. Mục Resistance nhập 10. Mục Inductance nhập 20m.
+ Nhập thông số cho nguồn phát tín hiệu sóng mang tam giác: Mục Name nhập vtri; Mục V_peak_to_peak nhập 2; Mục Frequency nhập 1260; Mục Duty Cycle nhập 0.5; Mục DC Offset nhập -1; Mục Phase Delay nhập 180, các thông số còn lại giữ như mặc định.
+ Nhập thông số cho nguồn phát tín hiệu sóng điều khiển dạng sin: Mục Name nhập vsin, mục Amplitude nhập 0.8, mục Frequency nhập 60, các thông số còn lại giữ như mặc định.
Hình 2: Nhập thông số cho vôn kế điện áp nghịch lưu
Hình 3: Nhập thông số cho ampe kế đo dòng điện tải
Hình 4: Nhập thông số cho vôn kế đo tín hiệu tham chiếu (nguồn sin)
Hình 5: Nhập thông số cho vôn kế đo tín hiệu sóng mang (nguồn tam giác)Hình 2 : Nhập thông số kỹ thuật cho vôn kế điện áp nghịch lưuHình 3 : Nhập thông số kỹ thuật cho ampe kế đo dòng điện tảiHình 4 : Nhập thông số kỹ thuật cho vôn kế đo tín hiệu tham chiếu ( nguồn sin ) Hình 5 : Nhập thông số kỹ thuật cho vôn kế đo tín hiệu sóng mang ( nguồn tam giác )
Sau khi nối dây và đặt tên đầy đủ các linh kiện ta được sơ đồ như sơ đồ nguyên lý
4.3. Mô phỏng
Trước khi mô phỏng, nhập thông số Total time trong hộp thoại Simulation Control như hình vẽ:
Hình 6: Nhập thông số Total time
Sơ đồ mô phỏng hoàn chỉnh như sau:
Hình 6 : Nhập thông sốSơ đồ mô phỏng hoàn hảo như sau :
Hình 7 : Sơ đồ hoàn hảo mạch nghịch lưu PWM
Tiến hành chạy mô phỏng bằng cách: Chọn Simulate > Run Simulation hoặc có thể nhấn phím F8. Sau khi chương trình chạy mô phỏng xong, hộp thoại Properties của trình vẽ đồ thị dạng sóng SIMVIEW xuất hiện:
Hình 8: Hộp thoại Properties của trình vẽ đồ thị dạng sóng SIMVIEW
Lần lượt cho hiển thị các tín hiệu được đồ thị như hình dưới:Lần lượt cho hiển thị những tín hiệu được đồ thị như hình dưới :
Hình 9: Đồ thị điện áp tín hiệu tham chiếu (nguồn sin)
Hình 9 : Đồ thị điện áp tín hiệu tham chiếu ( nguồn sin )0, dòng điện tải i0Hình 10 : Đồ thị điện áp nghịch lưu v, dòng điện tải i
Để tính toán công suất tiêu thụ trên tải, cho hiển thị 2 tín hiệu v0 và i0 trên cùng một đồ thị:
Hình 11: Đồ thị điện áp nghịch lưu v0, dòng điện tải i0 trên cùng một đồ thịđiện áp nghịch lưu v, dòng điện tải itrên cùng một đồ thịP trên thanh công cụ hoặc chọn Analysis > P (real power). Kết quả thu được như hình dưới:
Công suất tiêu thụ trên tải P: 202,15652 (W)
5. Kết luận
Phần mềm PSIM tương thích để mô phỏng những mạch điện tử hiệu suất. Dựa theo những thông số kỹ thuật đã cho trước của những thành phần trong mạch, hoàn toàn có thể vẽ ra những đường đặc tính với độ đúng chuẩn cao tương ứng với mỗi lần biến hóa góc pha hoặc giá trị một thành phần nào đó trong mạch. Phần mềm PSIM có những công cụ mô phỏng, quy trình thực thi mô phỏng kiểm chứng đưa ra tác dụng khách quan, sinh động trong quy trình dạy học. Đặc biệt là trong quy trình thực hành thực tế của sinh viên, việc thực thi mô phỏng trước khi thực hành thực tế giúp hình thành năng lực nhận thức về nguyên tắc hoạt động giải trí, dự kiến tác dụng ra, dự kiến giải pháp thay thế sửa chữa lỗi, tăng năng lực tự học cho sinh viên .
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. PGS TS. Trần Xuân Minh ( Chủ biên ), TS. Đỗ Trung Hải ( năm nay ), Điện tử hiệu suất dùng cho những trường ĐH kỹ thuật, NXB Khoa học và Kỹ thuật .
2. TS. Quách Thanh Hải, KS Phạm Quang Huy ( 2017 ), Điện tử hiệu suất – Tính toán – Mô phỏng – Thực hành, NXB Thanh niên .
3. TS. Quách Thanh Hải, ThS. Lê Nguyễn Hồng Phong, KS Phạm Quang Huy ( 2017 ), Giáo trình Điện tử hiệu suất – Mạch đổi khác điện áp, NXB Thanh niên .
4. TS. Quách Thanh Hải, ThS. Nguyễn Duy Tường, KS Phạm Quang Huy ( 2017 ). Điện tử hiệu suất – Mạch nghịch lưu, NXB Thanh niên .
5 .http://www.PSIM.com/answers.
6.
http://www.powersimtech.com.Tiếp theo nhấp vào biểu tượngtrên thanh công cụ hoặc chọnKết quả thu được như hình dưới : Công suất tiêu thụ trên tải202, 15652 ( W )
