Giáo trình Thực hành Điện tử công suất Trực tuyến - GVC. Đỗ Đức Trí

Giáo trình thực hành Điện tử công suất trực tuyến cho sinh viên ngành Điện - Điện tử. Hướng dẫn chi tiết thực hành mô phỏng trên phần mềm PSIM.

• Tác giả: Đỗ Đức Trí
• Trường học: Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Điện - Điện tử
• Đề tài: Giáo trình Thực hành Điện tử công suất Trực tuyến với PSIM
• Loại tài liệu: Giáo trình
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Giáo trình Điện tử công suất Thực hành Online với PSIM

Giáo trình Điện tử công suất: Thực hành Online với PSIM là một tài liệu học tập tiên tiến được biên soạn bởi GVC. Đỗ Đức Trí, nhà xuất bản Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh năm 2024. Giáo trình này được phát triển nhằm đáp ứng nhu cầu học tập của sinh viên ngành Điện - Điện tử trong bối cảnh hình thức giáo dục trực tuyến ngày càng phổ biến. Được xây dựng dựa trên kinh nghiệm giảng dạy thực tiễn tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, giáo trình cung cấp một nguồn tài liệu toàn diện về điện tử công suất. Mục tiêu chính là giúp sinh viên tự học độc lập mà không bị gián đoạn, có thể tiếp cận kiến thức bất kỳ lúc nào và ở bất kỳ nơi đâu. Đây là một bước tiến quan trọng trong việc đổi mới phương pháp giảng dạy môn học thực hành để phù hợp với xu hướng giáo dục hiện đại.

1.1. Bối cảnh và mục đích xây dựng giáo trình

Trong bối cảnh đại dịch Covid-19 ảnh hưởng mạnh mẽ đến hình thức học tập truyền thống, giáo trình thực hành điện tử công suất trực tuyến ra đời như một giải pháp hữu hiệu. Tác giả nhận thức rõ về những thách thức mà sinh viên gặp phải khi học tập bị gián đoạn. Giáo trình này được thiết kế để cung cấp kiến thức chất lượng về điện tử công suất và hỗ trợ sinh viên hoàn thành chương trình học mà không bị ảnh hưởng bởi điều kiện bên ngoài.

1.2. Cấu trúc nội dung chính

Giáo trình được chia thành 2 phần chính: Phần 1 tập trung vào cài đặt và sử dụng phần mềm PSIM, bao gồm hướng dẫn cài đặt, cập nhật và giới thiệu các tham số. Phần 2 bao gồm 8 bài thực hành nội dung điện tử công suất, từ kiểm tra linh kiện, chỉnh lưu không điều khiển, cho đến biến đổi điện áp AC-AC, giúp sinh viên hiểu sâu về các ứng dụng thực tiễn.

II. Phần mềm PSIM Công cụ mô phỏng không thể thiếu

PSIM là phần mềm mô phỏng mạch điện chuyên biệt được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực điện tử công suất. Công cụ này cho phép người dùng thiết kế, mô phỏng và phân tích các mạch điện công suất một cách chính xác và hiệu quả. Trong giáo trình này, PSIM đóng vai trò là nền tảng chính để sinh viên thực hành các bài tập về chỉnh lưu, biến đổi điện áp và các ứng dụng khác. Sử dụng phần mềm PSIM giúp sinh viên có thể thực hiện các thí nghiệm phức tạp mà không cần thiết bị vật lý đắt tiền, tiết kiệm chi phí và tăng tính an toàn. Phần mềm hỗ trợ mô phỏng các linh kiện điện tử công suất như SCR, TRIAC, MOSFET, IGBT với độ chính xác cao, giúp người học hiểu rõ hơn về hoạt động của các thiết bị này.

2.1. Quy trình cài đặt và cập nhật PSIM

Phần 1 của giáo trình cung cấp hướng dẫn chi tiết về cài đặt PSIM, bao gồm các bước tải xuống, cài đặt phần mềm và cập nhật phiên bản mới nhất. Quá trình này được trình bày một cách rõ ràng, dễ theo dõi, phù hợp với sinh viên có mức độ kỹ năng máy tính khác nhau. Giáo trình cũng hướng dẫn cách tối ưu hóa cài đặt PSIM để đạt hiệu suất tốt nhất khi mô phỏng các mạch phức tạp.

2.2. Giới thiệu tham số và các phần tử trong PSIM

PSIM cung cấp một thư viện phong phú gồm các phần tử điện tử công suất như diode, SCR, TRIAC, MOSFET và IGBT. Giáo trình chi tiết hóa tác dụng của từng tham số, cách thiết lập các thông số linh kiện phù hợp với mạch cụ thể. Người học sẽ nắm vững cách sử dụng các công cụ trong PSIM để xây dựng mô hình mạch điện chính xác.

III. Nội dung thực hành Từ cơ bản đến ứng dụng nâng cao

Nội dung thực hành điện tử công suất trong giáo trình bao gồm 8 bài học chi tiết, từ kiểm tra linh kiện điện tử công suất cơ bản đến các ứng dụng biến đổi điện áp AC-AC phức tạp. Mỗi bài học được thiết kế với cấu trúc rõ ràng: cơ sở lý thuyết, quy trình thực hành bên trong PSIM, và phân tích kết quả mô phỏng. Sinh viên sẽ bắt đầu từ việc hiểu các linh kiện điện tử công suất như diode, SCR, TRIAC, sau đó tiến đến các ứng dụng thực tiễn như chỉnh lưu không điều khiển, chỉnh lưu có điều khiển, và biến đổi điện áp. Phương pháp này giúp học viên xây dựng nền tảng kiến thức vững chắc từ những khái niệm cơ bản nhất. Mỗi bài tập thực hành không chỉ cung cấp kỹ năng sử dụng PSIM mà còn giúp sinh viên phát triển tư duy phân tích và giải quyết vấn đề trong lĩnh vực điện tử công suất.

3.1. Bài 1 3 Nền tảng về linh kiện và điều khiển

Bài 1 giới thiệu về kiểm tra linh kiện điện tử công suất, giúp sinh viên nhận biết các thiết bị cơ bản. Bài 2 tập trung vào chỉnh lưu không điều khiển, bao gồm mạch tia 1 pha, mạch cầu 1 pha, và các mạch 3 pha. Bài 3 hướng dẫn điều khiển đồng bộ cho SCR và TRIAC, những kiến thức nền tảng cần thiết cho các ứng dụng tiếp theo.

3.2. Bài 4 8 Ứng dụng thực tiễn và nâng cao

Bài 4 chi tiết hóa chỉnh lưu có điều khiển với tải R, tải R+L, giúp hiểu rõ ảnh hưởng của tải khác nhau. Bài 5 dạy về điều khiển đảo chiều động cơ DC thông qua chỉnh lưu 1 pha và 3 pha. Bài 6-8 tập trung vào biến đổi điện áp DC-DC, DC-AC, và AC-AC, những ứng dụng thiết yếu trong công nghiệp hiện đại.

IV. Ưu điểm và tác động của giáo trình trong giáo dục hiện đại

Giáo trình Điện tử công suất: Thực hành Online với PSIM mang lại nhiều ưu điểm quan trọng cho sinh viên ngành Điện - Điện tử và cộng đồng học thuật. Thứ nhất, giáo trình hỗ trợ học tập độc lập mà không phụ thuộc vào cơ sở vật chất hay thời gian nhất định, phù hợp với xu hướng giáo dục trực tuyến hiện đại. Thứ hai, sử dụng PSIM giảm chi phí đầu tư thiết bị thực hành đắt tiền, đồng thời tăng tính an toàn khi không cần làm việc với điện áp cao. Thứ ba, giáo trình được biên soạn dựa trên kinh nghiệm thực tiễn từ phòng thí nghiệm của trường, đảm bảo chất lượng nội dung. Cuối cùng, giáo trình hỗ trợ phát triển kỹ năng thực hành của sinh viên trong lĩnh vực điện tử công suất, chuẩn bị họ tốt hơn cho công việc trong ngành công nghiệp điện - điện tử. Tác giả cũng mở cửa tiếp nhận ý kiến đóng góp từ độc giả, cho thấy cam kết liên tục cải thiện chất lượng giáo trình để phục vụ tốt hơn cho cộng đồng học tập.

4.1. Lợi ích trong học tập và thực hành

Giáo trình cho phép sinh viên tiếp cận kiến thức về điện tử công suất bất cứ lúc nào mà không cần thiết bị đắt tiền. Sử dụng PSIM giúp tăng hiệu quả học tập vì sinh viên có thể thử nghiệm nhiều lần, điều chỉnh tham số và quan sát kết quả ngay lập tức. Phương pháp này khuyến khích tự học và nâng cao sự hiểu biết sâu sắc về các khái niệm điện tử công suất.

4.2. Đóng góp cho cộng đồng học thuật và ngành công nghiệp

Giáo trình này không chỉ hỗ trợ sinh viên mà còn cung cấp tài liệu tham khảo quý báu cho giáo viên và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực điện tử công suất. Việc sử dụng PSIM giúp chuẩn bị sinh viên tốt hơn cho công việc thực tế trong ngành công nghiệp điện, nâng cao chất lượng nhân lực kỹ thuật.

Trích đoạn nội dung tài liệu

LỜI MỞ ĐẦU .3 Các chữ viết tắt.8 Phần 1: GIỚI THIỆU PSIM 9.1 VÀ CÀI ĐẶT. GIỚI THIỆU PSIM 9. CÀI ĐẶT VÀ CẬP NHẬT PSIM 9. HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG PHẦN MỀM PSIM 9.13 Phần 2: NỘI DUNG THỰC HÀNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT.57 Bài 1: Kiểm tra các linh kiện điện tử công suất.85 Bài 2: Các mạch chỉnh lưu không điều khiển.

Chỉnh lưu 1 pha không điều khiển. Mạch chỉnh lưu tia 1 pha. Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha. Mạch chỉnh lưu 3 pha không điều khiển.

Mạch chỉnh lưu tia 3 pha. Mạch chỉnh lưu cầu 3 pha. Mạch chỉnh lưu tia 3 pha kép.112 Bài 3: Điều khiển đồng bộ cho SCR và TRIAC. Điều khiển đồng bộ cho SCR.

Điều khiển đồng bộ cho TRIAC.125 Bài 4: Chỉnh lưu có điều khiển. Chỉnh lưu cầu 1 pha có điều khiển. Cơ sở lý thuyết chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển bán phần. Quy trình thực hành chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển bán phần.

Chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển bán phần tải R. Chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển bán phần tải R + L và tải R, L, E. Chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển toàn phần. Cơ sở lý thuyết chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển toàn phần tải R.

Chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển toàn phần với tải R. Chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển toàn phần với tải R, L. Chỉnh lưu 3 pha có điều khiển. Chỉnh lưu tia 3 pha và 3 pha kép có điều khiển.

Chỉnh lưu tia 3 pha có điều khiển. Chỉnh lưu tia 3 pha kép có điều khiển. Chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển bán phần và điều khiển toàn phần. Chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển bán phần.

Chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển toàn phần.161 Bài 5: Điều khiển đảo chiều động cơ DC. Chỉnh lưu 1 pha đảo chiều động cơ DC. Khảo sát bộ phát xung cho chỉnh lưu cầu 1 pha đảo chiều động cơ DC. Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha đảo chiều động cơ DC – bộ CLI.

Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha đảo chiều động cơ DC – bộ CLII. Mạch chỉnh lưu cầu 3 pha đảo chiều động cơ DC [3]. Khảo sát bộ phát xung cho chỉnh lưu cầu 3 pha đảo chiều động cơ DC. Mạch chỉnh lưu cầu 3 pha đảo chiều động cơ DC – bộ CLI.

Mạch chỉnh lưu cầu 3 pha đảo chiều động cơ DC – bộ CLII.185 Bài 6: Biến đổi điện áp DC-DC. Bộ biến đổi điện áp một chiều dạng giảm áp (Buck). Cơ sở lý thuyết bộ biến đổi điện áp DC-DC giảm áp (Buck). Điều khiển hồi tiếp cho bộ biến đổi DC-DC giảm áp.

Trình tự thực hành. Khảo sát bộ phát xung điều khiển. Khảo sát mạch điều khiển điện áp khi không có hồi tiếp (feed back). Bộ biến đổi điện áp một chiều dạng tăng áp (Boost).

Bộ biến đổi điện áp DC-DC tăng áp (Boost). Điều khiển hồi tiếp cho bộ biến đổi DC-DC tăng áp. Khảo sát bộ phát xung điều khiển. Khảo sát mạch điều khiển điện áp khi có hồi tiếp (feed back).

Sơ đồ điều khiển với độ rộng xung thay đổi khi chưa có hồi tiếp. Sơ đồ điều khiển theo độ rộng xung khi có hồi tiếp. Bộ biến đổi điện áp một chiều dạng tăng giảm áp (buck-boost). Bộ biến đổi điện áp DC-DC tăng-giảm áp (Buck-Boost).

Điều khiển hồi tiếp cho bộ biến đổi DC-DC tăng-giảm áp. Khảo sát bộ phát xung điều khiển. Khảo sát mạch điều khiển điện áp khi có hồi tiếp (feed back). Sơ đồ điều khiển với độ rộng xung thay đổi khi chưa có hồi tiếp.

Sơ đồ điều khiển theo độ rộng xung khi có hồi tiếp.218 Bài 7: Biến đổi điện áp DC-AC. Mạch nghịch lưu cầu 1 pha giải thuật ON/OFF. Nghịch lưu cầu 1 pha giải thuật ON/OFF khi fs = 50Hz. Nghịch lưu cầu 1 pha giải thuật ON/OFF khi fs = 100Hz.

Mạch nghịch lưu cầu 1 pha tăng áp kiểu ON-OFF. Mạch nghịch lưu tăng áp kiểu SinPWM. Nghịch lưu kiểu 6 bước. Khảo sát xung kích hoạt động ở chế độ dẫn 1200 lệch 600.

Khảo sát xung kích hoạt động ở chế độ dẫn 1800 lệch 600 tải R. Khảo sát xung kích hoạt động ở chế độ dẫn 1800 lệch 600 tải R, L. Nghịch lưu kỹ thuật SinPWM. Nghịch lưu 3 pha kỹ thuật SinPWM tải R.

Nghịch lưu 3 pha kỹ thuật SinPWM với tải R + L.257 Bài 8: Biến đổi điện áp AC-AC. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 1 pha và 3 pha trực tiếp. Biến đổi điện áp xoay chiều 1 pha trực tiếp. Trình tự thực hiện thực hành.

Sơ đồ biến đổi điện áp xoay chiều tải trở R, tải R+L. Sơ đồ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha trực tiếp. Trình tự thực hiện thực hành. Sơ đồ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha tải R.

Bộ biến đổi điện áp AC-AC 3 pha gián tiếp. Biến tần kiểu sáu bước. Trình tự thực hiện thực hành. Biến tần AC-AC gián tiếp kiểu 6 bước tải R.

Biến tần AC-AC gián tiếp kiểu 6 bước tải R + L. Biến tần kiểu SinPWM. Trình tự thực hành. Biến tần AC-AC 3 pha gián tiếp kiểu SinPWM tải R.

Biến tần AC-AC 3 pha gián tiếp kiểu SinPWM tải R + L. Bộ đóng ngắt điện áp AC 1 pha và 3 pha. Đóng ngắt AC-AC 1 pha. Đóng ngắt AC-AC 3 pha.297 7 CÁC CHỮ VIẾT TẮT DC Direct Current AC Alternating Current CH Channel Div Divide FOR Forward REV Reverse VOM Volt-Ohm-Milliammeter SCR Silicon-Controlled Rectifier TRIAC Triode for Alternating Current MOSFET Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor PW Pulse Width PF Power Factor CARR Carrier D Duty SEN Sensor OSC Oscilloscope 8 Phần 1 GIỚI THIỆU PSIM 9.1 VÀ CÀI ĐẶT 9 I.

GIỚI THIỆU PSIM 9.1 Hiện nay, trong lĩnh vực điện tử, đặc biệt là điện tử công suất, việc sử dụng các phần mềm mô phỏng đã trở nên phổ biến và cần thiết. Các tên tuổi như Matlab, Proteus, Electronic Workbench và Multisim đã trở thành những công cụ không thể thiếu trong việc mô phỏng và phân tích. Ngoài những phần mềm đã đề cập, PSIM là một trong những ứng cử viên nổi bật với vai trò chuyên môn trong lĩnh vực điện tử công suất và truyền động điện. Sự chuyên sâu và tích hợp các tính năng đặc thù của PSIM đã làm cho nó trở thành một phần mềm ưu việt, hỗ trợ đắc lực trong việc mô phỏng và nghiên cứu các hệ thống điện tử phức tạp.

Với nguồn gốc từ môi trường giảng dạy và kinh doanh của LAB-VOLT, PSIM không chỉ đáp ứng nhu cầu của giảng viên và sinh viên, mà còn hỗ trợ đắc lực cho các chuyên gia và nhà nghiên cứu trong việc phát triển và thử nghiệm các giải pháp điện tử và điều khiển đa dạng, đồng thời thúc đẩy sự tiến bộ và đổi mới trong lĩnh vực này. PSIM bao gồm ba phần chính, mỗi phần đóng vai trò quan trọng trong quy trình làm việc: chương trình thiết kế mạch (Schematic) cho phép tạo và đảm bảo tính toàn vẹn của mạch điện; chương trình mô phỏng (Simulator) giúp mô phỏng hiệu suất và hoạt động của mạch trong môi trường ảo; và chương trình phân tích (View) dựa trên các biểu đồ thời gian, cho phép phân tích kết quả mô phỏng một cách chi tiết và chính xác. Psim Schematic Input:*.sch Psim Simulator Input:*.txt SimView Input:*.1: Quá trình mô phỏng trên PSIM. PSIM phân chia mạch điện thành bốn khối chính, mỗi khối đóng một vai trò quan trọng trong việc hiểu và mô phỏng hoạt động của mạch: 1.

Mạch động lực (Power Circuit): Khối này thể hiện các thành phần cơ bản của mạch điện như van bán dẫn công suất, các phần tử RLC (t rés, tụ, cuộn cảm), máy biến áp và cuộn cảm san bằng. Chúng tạo nên “bộ não” điều khiển của mạch và ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động. Mạch điều khiển (Control Circuit): Mô tả bằng các sơ đồ khối, khối này gồm các phần tử trong miền S (miền tần số), miền Z (miền thời gian), cũng như các phần tử logic như cổng logic và flip-flop. Ngoài ra, khối này còn bao gồm các phần tử phi tuyến như bộ nhân và bộ chia.

Chính mạch điều khiển quyết định cách thức hoạt động của mạch dựa trên tín hiệu đầu vào. Hệ cảm biến (Sensor): Các phần tử cảm biến trong mạch dọc theo khối này sẽ đo các thông số như điện áp, dòng điện trong mạch động lực. Những tín hiệu đo này sẽ được chuyển đến mạch điều khiển để quyết định các hành động tiếp theo. Bộ điều khiển chuyển mạch (Switch Controllers): Sau khi nhận được tín hiệu từ mạch điều khiển, khối này sẽ điều khiển quá trình đóng mở các van bán dẫn trong mạch động lực, điều chỉnh luồng điện và quản lý hoạt động chung của mạch.

Power Circuit Switch controllres Sensor Control Circuit Hình 1.2: Biểu diễn một mạch điện trên PSIM. CÀI ĐẶT VÀ CẬP NHẬT PSIM 9.3: Giao diện của phần mềm PSIM phiên bản 9. 12 Ngày nay, việc cài đặt và cập nhật phần mềm đã được hướng dẫn một cách chi tiết và phổ biến trên Internet. Để đảm bảo tuân thủ quyền sở hữu trí tuệ của phần mềm PSIM, trong tài liệu học này, các sinh viên có thể lựa chọn mua hoặc tải về phiên bản 9.1 của phần mềm PSIM.

Bên cạnh đó, hướng dẫn cài đặt phần mềm cũng được cung cấp để đảm bảo phù hợp với các yêu cầu của khóa học. HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG PHẦN MỀM PSIM 9.1 Một số file trong thư mục PSIM được thể hiện như sau: File Mô tả Psim.dll Mô phỏng trên PSIM.exe Soạn thảo, thiết lập mạch trên PSIM.exe Phân tích, xử lý kết quả.lib Thư viện trên PSIM.hlp File hỗ trợ.sch File ví dụ các mạch. Các file mở rộng: File Mô tả *.sch File thiết lập mạch (dạng nhị phân).cct File danh sách (dạng văn bản).txt File kết quả mô phỏng (dạng văn bản).fra File phân tích kết quả (dạng văn bản).smv File đường cong mô phỏng (dạng nhị phân). MÔ PHỎNG MẠCH ĐIỆN Ví dụ để mô phỏng một bộ băm áp một chiều trong một góc phần tư trên file “chop.sch”: - Khởi động PSIM, chọn Open từ file để nạp file “chop.

- Để bắt đầu quá trình mô phỏng, hãy truy cập vào menu Simulate và lựa chọn “Run Simulation”. Các kết quả của quá trình mô phỏng sẽ được tự động lưu vào tập tin có tên “chop. Để có cái nhìn tổng quan về mọi thứ diễn ra trong quá trình này, tất cả thông báo liên quan đều được ghi lại và lưu trữ trong tập tin “message. 13 - Trường hợp người nghiên cứu không chọn tùy chọn “Auto-run SIMVIEW” trong menu “Option”, người nghiên cứu có thể khởi động SIMVIEW bằng cách chọn “Run SIMVIEW” từ menu “Simulate”.

Tuy nhiên, nếu người nghiên cứu đã chọn “Auto-Run SIMVIEW”, phần mềm sẽ tự động mở SIMVIEW ngay khi người nghiên cứu khởi động mô phỏng.