Giáo trình Ứng dụng PSIM trong Điện tử Công suất - ThS. Đỗ Đức Trí & ThS. Vương Thị Ngọc Hân

Giáo trình PSIM ứng dụng điện tử công suất. Hướng dẫn chi tiết sử dụng phần mềm mô phỏng để thiết kế và phân tích mạch điện công suất. Tài liệu từ ĐH Sư Phạm

• Tác giả: Đỗ Đức Trí
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Điện tử công suất
• Đề tài: Ứng dụng PSIM trong điện tử công suất
• Loại tài liệu: Giáo trình
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về giáo trình ứng dụng PSIM trong điện tử công suất

Giáo trình ứng dụng PSIM trong điện tử công suất là tài liệu học tập được biên soạn bởi ThS. Đỗ Đức Trí và ThS. Vương Thị Ngọc Hân thuộc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Giáo trình xuất bản năm 2015, dành cho sinh viên ngành Điện - Điện tử. Nội dung bao gồm sáu chương chính: cài đặt phần mềm PSIM, mạch chỉnh lưu không điều khiển, mạch chỉnh lưu có điều khiển, bộ biến đổi AC-AC, bộ biến đổi DC-DC và bộ nghịch lưu. Mỗi chương kết hợp lý thuyết cơ bản với hướng dẫn mô phỏng thực tế trên phần mềm PSIM 9.3. Giáo trình hoạt động như một phòng thí nghiệm ảo, cho phép sinh viên quan sát sóng điện áp, dòng điện và đặc tính của các mạch công suất mà không cần thiết bị phần cứng đắt tiền. Phương pháp tiếp cận này giúp người học nắm vững nguyên lý hoạt động của các phần tử bán dẫn công suất.

1.1. Mục tiêu và đối tượng của giáo trình

Giáo trình hướng đến đối tượng sinh viên các trường cao đẳng nghề, trung cấp nghề và đại học khối công nghệ. Mục tiêu chính là cung cấp kiến thức và kỹ năng cơ bản về điện tử công suất thông qua phần mềm mô phỏng PSIM. Tài liệu hỗ trợ những cơ sở giáo dục có điều kiện cơ sở vật chất chưa đầy đủ. Người học được tiếp cận các mạch công suất phức tạp dưới dạng mô hình ảo, từ đó hiểu sâu bản chất lý thuyết và nhận diện rõ ràng các hiện tượng thực tế xảy ra trong mạch.

1.2. Cấu trúc nội dung sáu chương học

Giáo trình được tổ chức thành sáu chương với trình tự logic từ cơ bản đến nâng cao. Chương 1 giới thiệu cài đặt và sử dụng phần mềm PSIM 9.3. Chương 2 và 3 trình bày mạch chỉnh lưu không điều khiển và có điều khiển. Chương 4 tập trung vào bộ biến đổi AC-AC. Chương 5 giải thích nguyên lý bộ biến đổi DC-DC. Chương 6 giới thiệu bộ nghịch lưu. Mỗi chương đều có phần lý thuyết song song với hướng dẫn mô phỏng chi tiết, giúp sinh viên liên kết kiến thức sách vở với thực hành mô phỏng.

II. Vấn đề khó khăn khi nghiên cứu mạch điện tử công suất

Nghiên cứu mạch điện tử công suất đặt ra nhiều thách thức cho sinh viên và giảng viên. Thứ nhất, các mạch công suất sử dụng linh kiện bán dẫn như thyristor, MOSFET, IGBT hoạt động ở tần số cao và điện áp lớn, việc quan sát trực tiếp trên phần cứng đòi hỏi thiết bị bảo vệ phức tạp và chi phí đầu tư lớn. Thứ hai, hiện tượng commutation, quá điện áp và quá dòng xảy ra trong thời gian rất ngắn, khó ghi nhận bằng thiết bị đo thông thường. Thứ ba, nhiều cơ sở giáo dục tại Việt Nam thiếu phòng thí nghiệm đạt chuẩn, gây hạn chế trong việc thực hành. Thứ tư, việc thay đổi thông số mạch để đánh giá ảnh hưởng lên đặc tính đầu ra mất nhiều thời gian khi thực hiện trên mô hình vật lý. Những khó khăn này tạo nhu cầu cấp thiết về công cụ mô phỏng máy tính để hỗ trợ quá trình giảng dạy và học tập hiệu quả hơn.

2.1. Hạn chế của phòng thí nghiệm truyền thống

2.2. Khó khăn trong việc trực quan hóa sóng tín hiệu

III. Phương pháp mô phỏng mạch công suất bằng phần mềm PSIM

Phần mềm PSIM là công cụ mô phỏng chuyên dụng cho mạch điện tử công suất và điều khiển động cơ. PSIM sử dụng thuật toán mô phỏng nhanh, phù hợp với các mạch có linh kiện chuyển mạch. Giáo trình hướng dẫn cài đặt PSIM 9.3 và cập nhật phiên bản mới nhất. Người dùng thiết kế giản đồ mạch bằng cách kéo thả các phần tử từ thư viện: nguồn điện, điện trở, tụ điện, cuộn cảm, máy biến áp, diode, thyistor, MOSFET, IGBT. PSIM cung cấp các phần tử mạch động lực và mạch điều khiển riêng biệt. Sau khi hoàn thiện sơ đồ, người dùng thiết lập thông số mô phỏng như thời gian mô phỏng, bước tích phân. Kết quả hiển thị dưới dạng sóng thời gian trên cửa sổ SIMVIEW. Công cụ này cho phép phân tích đặc tính tần số, vẽ đồ thị truyền đạt và xuất dữ liệu ra các định dạng khác nhau để phân tích thêm.

3.1. Hướng dẫn thiết kế giản đồ mạch trong PSIM

3.2. Phân tích kết quả mô phỏng trên SIMVIEW

IV. Kết luận và ứng dụng thực tế của giáo trình PSIM điện tử công suất

Giáo trình ứng dụng PSIM trong điện tử công suất đóng vai trò quan trọng trong đào tạo kỹ sư điện tử tại Việt Nam. Tài liệu giúp thu hẹp khoảng cách giữa lý thuyết và thực hành bằng công cụ mô phỏng tiên tiến. Sinh viên sau khi học xong giáo trình có khả năng thiết kế và phân tích các mạch chỉnh lưu, biến đổi tần số, bộ nghịch lưu phục vụ ứng dụng công nghiệp. Kiến thức từ giáo trình áp dụng trực tiếp vào các lĩnh vực như nguồn cấp công nghiệp, điều khiển động cơ, hệ thống năng lượng tái tạo, truyền tải điện áp cao một chiều HVDC. Phần mềm PSIM với ưu điểm mô phỏng nhanh và chính xác trở thành công cụ không thể thiếu trong nghiên cứu và phát triển sản phẩm điện tử công suất. Giáo trình cũng là tài liệu tham khảo quý giá cho giảng viên và kỹ sư làm việc trong ngành năng lượng và tự động hóa.

4.1. Ứng dụng trong đào tạo kỹ sư điện tử công suất

4.2. Ứng dụng trong nghiên cứu và phát triển sản phẩm

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 CÀI ĐẶT VÀ SỬ DỤNG PHẦN MỀM PSIM I. GIỚI THIỆU PSIM 9.3 Các phần mềm mô phỏng lĩnh vực điện nói chung, điện tử công suất nói riêng đang được sử dụng rộng rãi như: Matlab, Protues, Electronic Workbench, Multisim,… PSIM là một trong những phần mềm chuyên dụng trong lĩnh vực điện tử công suất và truyền động điện. PSIM là phần mềm do hãng LAB-VOLT (Hoa Kỳ), một trong các nhà sản xuất các thiết bị dạy học nổi tiếng viết và đưa ra thương trường. Đây là phần mềm không chỉ hữu ích trong học tập, giảng dạy, nhằm giúp cho sinh viên nắm vững hơn các bài giảng trên lớp, 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 truyền động xoay chiều (AC), một chiều (DC).

PSIM bao gồm 3 chương trình: chương trình thiết kế mạch (Schematic), chương trình mô phỏng (Simulator) và chương trình phân tích (View) dựa trên các biểu đồ thời gian của kết quả mô phỏng. Psim Schematic Input:*.sch Psim Simulator Input:*.txt SimView Input:*.1: Quá trình mô phỏng trên PSIM Một mạch điện sẽ được Psim biểu diễn trên 4 khối: mạch động lực (power circuit), mạch điều khiển (control circuit), hệ cảm biến (sensor) và bộ điều khiển chuyển mạch (switch controllers). Mạch động lực bao gồm các van bán dẫn công suất, các phần tử RLC, máy biến áp 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 như bộ nhân, bộ chia).

Các phần tử cảm biến sẽ đo các giá trị điện áp, dòng điện 11 trong mạch động 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 động lực. Power Circuit Switch controllres Sensor Control Circuit Hình 1.2: Biểu diễn một mạch điện trên PSIM II. CÀI ĐẶT VÀ CẬP NHẬT PSIM 9.

CÀI ĐẶT PSIM 9.3 Từ đĩa CD hoặc người sử dụng tải chương trình PSIM 9.400 về máy giải nén bằng Winrar ta có được folder PSIM 9.400, trong folder này gồm có folder Setup và Cập nhật. Dowdload file:https://rapidshare.com/files/432942272/PSIM_Professional_Version_ 9.rar Tiến hành cài đặt bằng việc chạy file PSIM 9.400 trong folder Setup 12 Hộp thoại PSIM 9.3 setup xuất hiện: Click Next => chọn I accept the license agreement  Next tiếp,trong phần License Configuration chọn 3-Softkey version,chọn tiếp Select “psim. 13 Đưa đường dẫn tới file Psim.lic trong folder Setup vừa giải nén =>Open  Chọn Next 14  Trong phần Destination Folder ta chọn nơi cài đặt cho Psim => Sau khi đã chọn xong nơi cài đặt ta chọn Next 15 Xuất hiện Ready to Install the Application  Chọn Next 16 Máy tính tiến hành cài đặt Psim vào máy. Sau khi cài đặt xong thì xuất hiện hộp thoại PSIM 9.3 has been successfullyinstalled.

Đồng thời hỏi bạn có chạy Psim ngay bây giờ không? Ta bỏ dấu check ở Launch PSIM now để tiến hành Cập nhật PSIM 9. CẬP NHẬT PSIM 9.3 Trong folder PSIM giải nén lúc trước có folder Cập nhật, mở folder này ta thấy có 2 file là Psim.lic và Register PSIM. Tiến hành copy 2 file này vào Folder PSIM ta vừa cài đặt 17 Máy tính sẽ hỏi có chép đè lên hai file cũ không, ta chọn Overwrite All. Trong folder Psim vừa cài đặt ta tìm file Register PSIM Chạy file này Máy tính sẽ hỏi có muốn add những giá trị trong register vào máy không? Ta chọn Yes 18 => Máy tính báo đã add giá trị thành công => OK Ta mở Chương trình PSIM để kiểm tra PSIM có hoạt động không.

Click đôi vào biểu tượng PSIM ở Desktop, chương trình PSIM xuất hiện. Như vậy đã kết thúc quá trình cài đặt và Cập nhật PSIM 9. HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG PHẦN MỀM PSIM 9.3 Một số file trong thư mục Psim được thể hiện như sau: File Mô tả Psim.dll Mô phỏng trên Psim Psim.exe Soạn thảo, thiết lập mạch trên Psim SIMVIEW.exe Phân tích,xử lý kết quả Psim.lib Thư viện trên Psim Psimimage.hlp File hỗ trợ *.sch File ví dụ các mạch 19 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) 1. 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.

- Từ menu Simulate, chọn Run Simulation để khởi động quá trình mô phỏng. Kết quả mô phỏng được lưu trong file “chop. Mọi thông báo trong quá trình mô phỏng sẽ được lưu trong file “message. - Nếu không chọn trên menu Option phần Auto-run SIMVIEW, thì từ menu Simulate lựa chọn Run SIMVIEW để khởi động SIMVIEW.

Còn nếu đã lựa chọn Auto-Run SIMVIEW thì phần mềm sẽ tự động chạy SIMVIEW. Trên SIMVIEW chúng ta có thể chọn đường cong hiển thị trên màn hình. BIỂU DIỄN THAM SỐ CÁC PHẦN TỬ Các tham số mỗi phần tử, bộ phận của mạch được đối thoại trên 3 cửa sổ của PSIM như trên hình 1.3,bao gồm: các tham số (Parameters), các thông tin khác (Other Info) và màu sắc (Color).3: Cửa sổ trao đổi tham số trên PSIM Cửa sổ Parameters được sử dụng trong quá trình mô phỏng, còn cửa sổ Other Info không sử dụng cho mô phỏng mà chỉ dành cho người sử dụng, các thông tin này sẽ được hiện ra trong mục View/Element List, ví dụ như các thông tin loại thiết bị, tên nhà sản xuất, số sản xuất… Còn cửa sổ Color để xác định màu sắc cho từng phần tử. 20 Trên cửa sổ Parameters, các tham số được đưa vào dưới dạng các số thập phân hay dạng biểu thức toán học Ví dụ: một điện trở có thể được biểu diễn dưới dạng sau: 12.

Các lũy thừa sau sử dụng các chữ cái để thể hiện: 10 9 : G, 10 6 : M, 103: K, 10-3: m, 10-6: µ, 10 9 :n, 10 12 : p Các hàm toán học sau được sử dụng: + phép cộng - phép trừ * phép nhân / phép chia ^ hàm mũ SQRT hàm căn bậc hai SIN hàm sin COS hàm cos TAN hàm tang ATAN hàm arctang EXP hàm mũ tự nhiên (ví dụ: EXP(x)=e x ) LOG hàm logarit cơ số tự nhiên (ví dụ:LOG(x)=ln(x)) LOG10 hàm logarit cơ số 10 ABS hàm giá trị tuyệt đối SIGN hàm dấu (ví dụ: SIGN(1. CÁC PHẦN TỬ MẠCH ĐỘNG LỰC 3. Điện trở, 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 trong mạch ba pha đối xứng, nhánh RLC cũng được mô tả với các điều kiện đầu xác định bằng 0 bằng các ký hiệu “R3”, “RL3”, “RC3” và “RLC3”.

Các ký hiệu này được biểu diễn trên PSIM như ở hình 1. Cách mô tả các phần tử này như sau: Resistor: điện trở,  Inductance: điện cảm, H 21 Capacitance: điện dung, F Initial current: dòng điện ban đầu trên điện cảm, A Initial voltage: điện áp ban đầu trên điện dung, V Current flag: cờ dòng điện của nhánh: nếu dòng điện có cờ bằng 0 có nghĩa là không có dòng điện ra, còn nếu cờ là 1 thì dòng điện sẽ được lưu giữ trong file đầu ra và được hiển thị trong SIMVIEW. Dòng điện có cờ dương khi dòng chạy vào điểm cuối của nhánh RLC Current Flag _ A: cờ của dòng pha A Current Flag _ B: cờ của dòng pha B Current Flag _C: cờ của dòng pha C Hình 1.4: Ký hiệu phần tử RLC một pha và ba pha 3. Biến trở Biến trở là điện trở có điều chỉnh, được ký hiệu như trên hình 1.5 với cách mô tả như sau: Total resistance: giá trị tổng điện trở R của biến trở từ cực k đến cực m, Ohm.

Tab position (0 to 1): vị trí của con trượt, điện trở từ k đến m là tập R*Tap. Current flag: ký hiệu chiều dòng điện qua biến trở, dòng chạy vào k.5: Ký hiệu biến trở 22 3. 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 làm việc trong chế độ khuếch đại tuyến tính). Khóa hai trạng thái bao gồm: Diod, Diac,Thyristor,Triac, GTO, Transistor công suất kiểu NPN hay PNP, IGBT, MOSFET kênh n (MOSFET_N) và kênh p (MOSFET_P), và khóa hai chiều (SSWI).Các phần tử này được mô tả như các khóa lý tưởng, nghĩa là ở trạng thái đóng (cho dòng chạy qua) khóa có giá trị nội trở bằng 10  , còn ở trạng thái mở (không có dòng) sẽ có giá trị 1M .

Diod,Diac và Diod Zener Các ký hiệu của ba phần tử này được biểu diễn trên hình 1.6: Ký hiệu Diod, diac, Diod Zener trong PSIM  Mô tả Diod Diod voltage drop : điện áp rơi trên Diod khi Diod dẫn Initial position : ký hiệu trạng thái ban đầu của Diod, Diod ở trạng thái thông có ký hiệu 0 và ở trạng thái khóa có ký hiệu 1 Current flag : cờ dòng điện ra của Diod: khi cờ có giá trị bằng 0 là không có dòng điện ra (IDiod), còn khi cờ bằng1 thì có dòng điện ra (IDiod) sẽ được lưu giữ ở file và được hiển thị ở SIMVIEW  Mô tả Diac Breakover voltage : điện áp để diac chuyển từ trạng thái khóa sang trạng thái thông Breakback voltage : điện áp để diac chuyển từ trạng thái thông sang trạng thái khóa Current flag : cờ dòng điện 23  Mô tả Diod Zener Breakdown voltage : điện áp đánh thủng V B Forward voltage drop: điện áp rơi trên Diod khi dẫn từ A đến K Current flag : cờ dòng điện từ A đến K 3. Thyristor và Triac Ký hiệu Thyristor và Triac trên hình 1.