Đồ án Ứng dụng phần mềm PSIM mô phỏng mạch điện tử công suất

0 BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SAO ĐỎ ********** ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: ỨNG DỤNG PHẦN MỀM PSIM MÔ PHỎNG MẠCH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Sinh viên thực hiện : LƯƠNG VĂN THÁI NGUYỄN KHẮC NGỌC Lớp : 05CĐ TĐH2 Nghành : CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN Chuyên ngành : TỰ ĐỘNG HÓA Khoa : ĐIỆN Giáo viên hướng dẫn : LÊ THỊ MAI HẢI DƯƠNG - 2012 1 BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SAO ĐỎ CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên học sinh/sinh viên : Lương Văn Thái, Nguyễn Khắc Ngọc Lớp: 05 TĐH2 Khóa: 05 Chuyên ngành: Tự động hóa. Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện Ngày giao đề tài: 02/5/2012 Ngày hoàn thành: 16/7/2012 Giáo viên hướng dẫn: Lê Thị Mai Tên đề tài: Ứng dụng phần mềm PSIM mô phỏng mạch điện tử công suất. Điều kiện cho trước: - Mạch chỉnh lưu không điều khiển - Mạch chỉnh lưu có điều khiển. Thuyết minh (nhiệm vụ): Chương 1. Tổng quan về một số phần mềm mô phỏng mạch điện tử công suất Chương 2. Giới thiệu về phần mềm PSIM Chương 3. Ứng dụng phần mềm PSIM mô phỏng mạch điều khiển chỉnh lưu Bản vẽ: Sử dụng Powerpoint để trình chiếu các bản vẽ. Hải Dương, ngày02 tháng 5 năm 2012 TRƯỞNG KHOA Nguyễn Xuân Ứng 2 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU ..................................................................................................... 4 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ MỘT SỐ PHẦN MỀM MÔ PHỎNG MẠCH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ........................................................................ 5 1.1 Phần mềm TINA (Toolkit for Interative Netword Analysis) ...................... 5 1.2. Phần mềm PSPICE (Power Simulation Program with Intergrated Circuit Emphases) ........................................................................................... 6 1.3. Phần mềm Matlab / Simulink ..................................................................... 7 1.4. Phần mềm PSIM (Power Electronics Simulation Software) ................ 9 CHƯƠNG II. GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM PSIM .................................... 11 2.1. Giới thiệu tổng quan về phần mềm PSIM ................................................ 11 2.1.1. Giới thiệu chung ................................................................................. 11 2.1.2. File Menu ........................................................................................... 11 2.1.3. Edit Menu ........................................................................................... 12 2.1.4. View Menu .......................................................................................... 13 2.1.5. Subcircuit Menu ................................................................................. 13 2.1.6. Simulate Menu .................................................................................... 14 2.1.7. Option Menu ....................................................................................... 14 2.1.8. Window Menu ..................................................................................... 14 2.2. Giới thiệu các phần tử trong PSIM ........................................................... 14 2.2.1. Thư viện Power (Power Library) ....................................................... 14 2.2.2. Một số phần tử mạch điều khiển (Control) ................................. 18 2.2.3. Thư viện Other ................................................................................. 21 2.2.4. Thư viện Sources (Nguồn) ............................................................. 22 2.3. Các bước tiến hành mô phỏng mạch điện tử công suất ............................ 23 2.4. Ví dụ mô phỏng ........................................................................................ 23 2.4.1. Mô phỏng mạch chỉnh lưu dùng Điôt. ............................................... 23 2.4.2. Mô phỏng mạch chỉnh lưu dùng Thyristor ......................................... 29 CHƯƠNG III. ỨNG DỤNG PHẦN MỀM PSIM THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ................................................................................................................ 36 3.1. Giới thiệu chung về mạch điều khiển ....................................................... 36 3.1.1. Khâu đồng bộ hoá và phát sóng răng cưa ......................................... 37 3.1.2. Khâu so sánh ...................................................................................... 40 3.1.3. Khâu sửa xung .................................................................................... 42 3.1.4. Khâu khuếch đại xung ........................................................................ 44 3.2. Các loại sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển ..................................................... 46 3.2.1. Chỉnh lưu một pha dùng máy biến áp có điểm giữa .Tải trở cảm (R, L) ...................................................................................................................... 46 3.2.2. Chỉnh lưu cầu một pha dùng thyristor. Tải (R, L) ............................ 49 3.2.3. Chỉnh lưu tia 3 pha dùng thyristor ..................................................... 50 3.2.4. Chỉnh lưu cầu 3 pha dùng thyristor ................................................... 53 3.3. Mô phỏng mạch điều khiển cho sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha bán điều khiển ................................................................................................................. 55 3 3.3.1. Mô phỏng trên phần mềm PSIM ........................................................ 55 3.3.2. Thực nghiệm ....................................................................................... 62 KẾT LUẬN ........................................................................................................ 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 74 4 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 chính là công cụ để giúp các kỹ sư, các nhà sản xuất tối ưu hóa công việc của mình, từ đó tạo ra những sản phẩm điện tử chính xác, đáng tin cậy và giá thành thấp. Để đáp ứng về nhu cầu thực tiễn đặt ra chúng em lựa chọn đề tài tốt nghiệp “Ứng dụng 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 3 chương: Chương 1: Tổng quan về một số phần mềm mô phỏng mạch điện tử công suất. Chương 2: Giới thiệu về phần mềm PSIM. Chương 3: Ứng dụng phần mềm PSIM thiết kế mạch điều khiển. Trong quá 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 giáo Lê Thị Mai chúng em đã hoàn thành đồ án này. Tuy nhiên do thời gian nghiên cứu còn hạn chế, nên đồ án này của chúng em không tránh khỏi những thiếu xót. Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô và các bạn để đồ án của chúng em hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên thực hiện Lương Văn Thái 5 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ MỘT SỐ PHẦN MỀM MÔ PHỎNG MẠCH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 1.1 Phần mềm TINA (Toolkit for Interative 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: điốt, transitors, tiristo, triac, điăc. Điểm khác biệt của các mô phỏng trong TINA so với mô hình cùng loại trong MATLAB là chúng được xây dựng theo bản chất hoạt động vật lý bán dẫn thể hiện bằng các phương trình với nhiều tham số đặc trưng, do đó mô hình mô phỏng rất sát 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 tham số của nó, điều này không phải lúc nào cũng biết được. Để dễ dàng 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. Hình 1.1. Giao diện chính của phần mềm TINA Phần mềm TINA có nhiều ưu điểm như: dễ sử dụng, đây là 1 công cụ hiệu quả cao. 6 Phần mềm được xây dựng với nhiều phần tương tác với nhau, người thiết kế có thể vẽ mạch bằng sơ đồ nguyên lý và chuyển sang dạng mạch in, quan sát mạch in dưới dạng 3D và xuất ra tập tin hình ảnh để gởi đến nhà sản xuất… Sự tương tác cao, đầy đủ tính năng và dễ sử dụng đã làm cho phần mềm TINA chiếm ưu thế hơn các phần mềm thiết kế mạch khác hiện nay… 1.2. Phần mềm PSPICE (Power Simulation Program with Intergrated Circuit Emphases) PSPICE là phần mềm mô phỏng mạch điện - điện tử trường Đại học tổng hợp California ở Berkeley sáng tạo ra. Hiện nay PSPICE được xem là một trong những 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 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. Đây là sản phẩm mới nhất, nhằm tổng hợp các giai đoạn thiết kế chế tạo mạch điện tử: xây dựng mạch nguyên lý, mô phỏng, 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, bóng bán dẫn, vi mạch IC của rất nhiều hãng trên thế giới, vì vậy rất thuận lợi khi thiết kế hay khảo sát mạch sử dụng các linh kiện có sẵn trong thư viện và xây dựng các mô hình 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 người khảo sát sử dụng (nguồn điện áp, dòng điện một chiều, nguồn điện hình sin, dạng sóng 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 tích động (Transient analysis). Trong PSPICE chế độ phân tích này thường tốn thời gian tính của PC, khi mạch phức tạp hoặc thời gian khảo sát lớn, dung lượng của file dữ liệu này có thể lên đến hàng trăm MB. Vì vậy khi chương trình đang chạy ta có thể tạm dừng chương trình để theo dõi và kiểm tra sơ bộ nếu thấy không đạt thì ngắt hẳn chương trình để sửa đổi.. 7 Hình 1.2 Giao diện của phần mềm PSPICE 1.3. Phần mềm Matlab / Simulink Matlab là phần mềm được phổ cập ở mức độ toàn cầu. Hiện nay ở nước ta, Matlab cũng khá quen thuộc trong lĩnh vực điều khiển và tự động hóa. Tuy nhiên từ phiên bản 5.3 của Matlab mới cho phép thâm nhập vào lĩnh vực điện tử công suất (Power electronic). Đây là phần mềm bổ sung của mục “power system blockset” nằm trong phần simulink. Trong đó đưa ra mô hình các phần tử bán dẫn là: tiristo, điôt, GTO, MOSFET và ideal switch. 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 dòng thì tương ứng đứt mạch (tổng trở bằng vô hạn), ngoài ra luôn có mạch RC đấu song song. Bằng cách ghép từng hình theo một sơ đồ cụ thể nào đó, có thể thiết lập một thư viện các mạch điện tử công suất theo ý muốn (thí dụ như mạch chỉnh lưu cầu hoặc mạch băm xung,…) 8 Hình 1.3. Giao diện của phần mềm MATLAB Phần mềm mô phỏng bằng 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 là một khối của hệ thống. Trong simulink, các van được mô phỏng hoặc như một khoá lý tưởng, hoặc như một điện trở hai trạng thái. Như vậy, phần tử bán dẫn mô phỏng không phản ánh chính xác đặc tính Vôn-ampe của chúng nữa song điều đó không ảnh hưởng đến bản chất của hệ thống được nghiên cứu, mặt khác lại giảm được đáng kể thời gian tính máy. Lưu ý rằng trong simulink, các xung điều khiển cho các van là tín hiệu mức logic 0/1, không phải là điện áp điều khiển hay dòng điều khiển cho van nên không cần chú ý về phương diện cách ly giữa lực và điều khiển. 9 Hình 1.4. Giao diện của SIMULINK 1.4. 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). 10 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 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. Hình 1.5. Giao diện của phần mềm PSIM 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, em lựa chọn đề tài đồ án là: Ứng dụng phần mềm PSIM mô phỏng mạch điện tử công suất 11 CHƯƠNG II. GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM PSIM 2.1. Giới thiệu tổng quan về phần mềm PSIM 2.1.1. Giới thiệu chung 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 2.1. Biểu diễn một mạch điện trên 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. 2.1.2. File Menu Menu File bao gồm các chức năng sau đây: 12 - New : Tạo một mạch mới - Open: Mở một mạch hiện có - Close: Đóng cửa sổ mạch hiện tại - Close All: Đóng tất cả các cửa sổ mạch - Save: Lưu mạch hiện tại - Save As: Lưu mạch hiện tại vào một tên khác nhau - Save All : Lưu tất cả các mạch - Print: In mạch - Print Preview: Xem trước bản in - Print Selected: In một phần của mạch chọn - Print Selected Preview: Xem trước các phần mạch được lựa chọn để in - Print Page Setup: Thiết lập trang in - Printer Setup: Thiết lập máy in - Exit: Thoát khỏi chương trình PSIM 2.1.3. Edit Menu Menu Edit bao gồm các chức năng sau đây: - Undo Delete: Undo Xóa - Cut: Hủy bỏ các khối mạch được lựa chọn và lưu nó vào bộ đệm - Copy: Sao chép một khối mạch được lựa chọn - Paste: Dán các khối mạch được lựa chọn - Select All: Chọn toàn bộ các mạch - Text : Đặt văn bản - Wire: Đi dây - Laber: Đặt một nhãn - Attributes: Chỉnh sửa các thuộc tính của một phần tử - Disable: Vô hiệu hoá một thành phần hoặc một phần của một mạch - Enable: Kích hoạt các yếu tố hoặc mạch đã được vô hiệu hóa trước đó - Rotate: Xoay các yếu tố lựa chọn hoặc khối - Flip L/R: Lật trái / phải của phần tử được chọn - Flip T/B: Lật trên / dưới của phần tử được lựa chọn - Find: Tìm một phần tử dựa vào loại và tên của nó - Find Next: Tìm các phần tử tiếp theo của cùng loại - Edit Library: Chỉnh sửa các thư viện PSIM 13 2.1.4. View Menu Menu View bao gồm các chức năng sau đây: - Status Bar : Kích hoạt hoặc vô hiệu hóa màn hình hiển thị trạng thái - Toolbar: Kích hoạt hoặc vô hiệu hóa màn hình hiển thị thanh công cụ - Element Toolbar: Kích hoạt hoặc vô hiệu hóa thanh công cụ phần tử. Các thanh công cụ phần tử lưu trữ các phần tử PSIM thường được sử dụng. - Recently Used Element List: Danh sách - Recently Used Element List: Danh sách cho thấy các yếu tố được sử dụng gần đây nhất - Zoom in: Phóng to - Zoom out: Thu nhỏ - Fit to Page: Phù hợp với mạch toàn bộ màn hình - Zoom in Selected: Phóng to một vùng được chọn - List Element: Liệt kê các yếu tố của mạch 2.1.5. Subcircuit Menu Subcircuit Menu bao gồm các chức năng sau đây: - New subcircuit: Thiết lập một mạch phụ mới. - Load subcircuit: Tải xuống một mạch phụ đã có, mạch phụ này sẽ hiển thị trên màn hình như một khối. - Edit subcircuit: Soạn thảo kích thước tên file của 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. - Display port: Hiển thị cổng kết nối của mạch phụ. - Edit default variable list: Soạn thảo danh sách các thông số mặc định trên mạch phụ. - Edit image:Soạn thảo hình ảnh của mạch phụ. - Display subcircuit name: Hiển thị tên của mạch phụ. - Show subcircuit ports: Hiển thị tên cổng của mạch phụ trong mạch chính. - Hide subcircuit ports: Không cho hiển thị tên cổng của mạch phụ trong mạch chính. - Subcircuit list: Danh sách tên file của mạch chính và mạch phụ. 14 - 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. 2.1.6. Simulate Menu Simulate Menu bao gồm các chức năng sau đây: - Simulation control : Kiểm soát thời gian mô phỏng - Run PSIM: Chạy mô phỏng mạch - Run SIMVIEW: Chạy màn hình hiển thị sóng - Arrange SLINK Nodes: Sắp xếp Slink Nodes Sắp xếp thứ tự của các nút SLINK_IN và SLINK_OUT 2.1.7. Option Menu Menu Option bao gồm các chức năng sau đây: - Settings...: Thiết lập các tùy chọn - Enter Password : Nhập mật khẩu để xem các sơ đồ mạch được bảo vệ bằng mật khẩu - Disable Password : Vô hiệu hoá việc bảo vệ mật khẩu của mạch 2.1.8. Window Menu Menu Window bao gồm các chức năng sau đây: - New Window : Tạo một cửa sổ mới có thể hiển thị một phần khác nhau của cùng một mạch. - Cascade : Sắp xếp các cửa sổ - Tile : Phân chia các cửa sổ bằng nhau - Arrange Icons : Tự động sắp xếp các biểu tượng 2.2. Giới thiệu các phần tử trong PSIM 2.2.1. Thư vi