Ứng dụng công cụ Simulink trong Matlab để mô phỏng các mạch điện tử công suất

Bài viết Ứng dụng công cụ Simulink trong Matlab để mô phỏng các mạch điện tử công suất trình bày phương pháp sử dụng công cụ Simulink trong Matlab để mô phỏng một số mạch Điện tử công suất. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy, Matlab/ Simulink là một nền tảng phù hợp để mô phỏng các quá trình công nghệ nói chung và điện tử công suất nói riêng.

Võ Khánh Thoại 54 ỨNG DỤNG CÔNG CỤ SIMULINK TRONG MATLAB ĐỂ MÔ PHỎNG CÁC MẠCH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT SIMULATE POWER ELECTRONICS CIRCUITS USING THE SIMULINK TOOLBOX WITHIN MATLAB SOFTWARE Võ Khánh Thoại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng; vkthoai@ute.udn.vn Tóm tắt - Mơ hình hóa, mơ phương pháp khoa học để nghiên cứu đối tượng, trình… cách xây dựng mơ hình chúng dựa mơ hình để nghiên cứu trở lại đối tượng thực Mơ hình hóa, mơ ln công cụ mạnh mẽ kỹ thuật công nghệ Điện tử công suất môn học cần thiết Kỹ thuật điện – Điện tử, Điều khiển tự động hóa Điện tử cơng suất cơng nghệ biến đổi điện từ dạng sang dạng khác phần tử bán dẫn cơng suất đóng vai trò trung tâm ứng dụng rộng rãi hầu hết ngành công nghiệp đại Bài báo trình bày phương pháp sử dụng cơng cụ Simulink Matlab để mô số mạch Điện tử công suất Kết mô thực nghiệm cho thấy, Matlab/ Simulink tảng phù hợp để mơ q trình cơng nghệ nói chung điện tử cơng suất nói riêng Abstract - Simulation is a scientific method for studying objects, processes by building their models and basing on that model to study back to the real objects Simulation has always been a powerful tool in technology Power electronics is a very necessary course in electrical - electronics, automation control engineering and is taught in the undergraduate and graduate - level syllabus Power electronics is a technology that converts electricity from one form to another in which power semiconductors play a central role and are widely used in most modern industries.This paper presents methods of using Simulink in Matlab software to simulate Power Electronics circuits At the same time, this article also helps students, researchers calculate the value of parameters to achieve the desired results Từ khóa - Điện tử cơng suất; MATLAB; SIMULINK; mơ phỏng; mơ hình hóa Key words - Power electronics; MATLAB; SIMULINK; simulation; modelling Đặt vấn đề Nhiệm vụ điện tử công suất xử lý điều khiển dòng lượng điện cách cung cấp điện áp dịng điện dạng thích hợp cho tải Tải định thông số điện áp, dòng điện, tần số, số pha ngõ biến đổi Các biến đổi bán dẫn đối tượng nghiên cứu điện tử cơng suất, điển hình là: Các chỉnh lưu (AC -> DC) khơng điều khiển có điều khiển với tải trở (R), tải điện cảm (R, L)…; Các nghịch lưu (DC -> AC); Bộ biến đổi điện xoay chiều (AC -> AC); Bộ biến đổi điện chiều (DC -> DC); Các biến tần pha, pha… [1] Các tính Matlab thể [2, 3]; mô Điện tử Công suất PSIM [4]; so sánh ưu nhược điểm mô Điện tử Công suất PSIM MATLAB công bố [5] Trong báo này, đặc tính Diode, Thyristor chỉnh lưu pha khơng điều khiển, có điều khiển với tải khác mô phần mềm Matlab/ Simulink kiểm chứng thực nghiệm Phần giới thiệu cách để mơ hình hóa mô chuyển đổi điện tử công suất [6, 7] Đầu tiên mở Matlab, sau Simulink Simulink Start Page xuất Chọn khối dùng để mơ (Hình 1) Bảng tóm lược khối chức Matlab/ Simulink với điện tử công suất Bảng Các khối mô phỏng, địa chức Chọn khối AC voltage source DC voltage source Fundamental Blocks Power electronics Elements Chọn loại tải Commonly Used Blocks Pulse generator Sources Powergui Diode, Thyristor, Mosfet, Gto… RLC series branch for R; L; C; R,L; R,C or R,L,C load Curent Measurement Voltage Measurement Tác dụng Tạo nguồn điện xoay chiều Tạo nguồn điện chiều Đo dạng sóng có phân kênh đo dịng, áp Thyristor Cung cấp xung kích mở Thyristor Phân kiểu nguồn cung cấp liên tục hay rời rạc Chọn linh kiện điện tử công suất Bus Selector Scope Hình Các khối mơ Thư viện / Thư viện Power electronics Power electronics Measurements Bộ đo dòng điện Measurements Bộ đo điện áp Commonly Đo dạng sóng đầu Used Blocks Mơ mạch Điện tử Cơng suất Đặc tính Diode Trên Hình 2A mơ hình để lấy đặc tính Diode Nguồn đầu vào xoay chiều 110V, tải R giá trị 10Ω, thời gian mô 0,06s Trong khoảng (0 - 0,01s), điện áp VAK > 0, Diode thơng, cho dịng chạy qua, dịng điện dịng điện tải Vs/R, điện áp rơi Diode khoảng ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 18, NO 3, 2020 55 vôn (V), khoảng (0,01 - 0,02s), điện áp VAK < 0, Diode chặn khơng cho dịng điện chạy qua, dịng điện IAK = Ampe (A), sau chu kỳ lặp lại (Hình 2B) Tiến hành thực nghiệm ta thu dạng sóng Hình 2C Hình 3B Dạng sóng đặc tính Thyristor Hình 2A Mơ hình cho đặc tính Diode Hình 3C Dạng sóng đặc tính Thyristor thực nghiệm Hình 2B Dạng sóng đặc tính Diode Trong suốt nửa chu kì dương điện áp, dòng điện chạy qua tải (qua Thyristor) cực cổng G Thyristor kích xung Thyristor cho dòng điện chạy qua điện áp VAK > 0, có xung kích, ngược lại chặn Khi dẫn, điện áp rơi khoảng vài vơn, dịng chạy qua Vr/R (Hình 3B) Tiến hành thực nghiệm ta thu dạng sóng Hình 3C có dạng giống kết mơ Chỉnh lưu nửa chu kỳ có điều khiển, tải R, L Để cấp điện chiều điều khiển cho tải, nguồn đầu vào xoay chiều ta sử dụng mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ dùng Thyristor Hình 4A Đầu vào nguồn xoay chiều với giá trị biên độ đỉnh (peak amplitude) VAC=220V, tần số 50Hz Tải điện trở R = 10 Ω điện cảm L= 0,01H mắc nối tiếp Hình 2C Dạng sóng đặc tính Diode thực nghiệm So sánh dạng sóng mơ Matlab/Simulink (Hình 2B) có dạng hoàn toàn giống với thực nghiệm tải (Hình 2C), việc mơ cho kết tin cậy Đặc tính Thyristor Hình 3A mơ hình cho đặc tính Thyristor với nguồn đầu vào xoay chiều với giá trị biên độ đỉnh (peak amplitude) VAC=110V, tải R = 10Ω, nguồn cấp xung Pulse generator setting có biên độ Amplitude =1, chu kì 0,02s, mơ 0,06s Hình 3A Mơ hình đặc tính Thyristor Hình 4A Chỉnh lưu nửa chu kỳ có điều khiển tải R, L Hình 4B Dạng sóng chỉnh lưu nửa chu kỳ có điều khiển Võ Khánh Thoại 56 Tiến hành thực nghiệm, kết dạng sóng tải thu Hình 5C giống với mơ Hình 4C Dạng sóng chỉnh lưu nửa chu kỳ có điều khiển thực nghiệm Dạng sóng van Thyristor tải thể Hình 4B Điện áp tải điện áp chiều có có xung kích Thyristor UAK >0 Tuy nhiên, tải có điện cảm L, nên điện áp tải 0V, thời điểm 0,01s dòng lớn 0A (lệch pha điện áp dòng điện) nên áp tải tiếp tục xuống nhỏ 0V dịng điện 0A Hình 4C kết dạng sóng thực nghiệm thu Do tải có thêm cuộn dây L nên thực nghiệm dạng sóng dao động so với mô lý thuyết Chỉnh lưu nửa chu kỳ có điều khiển tải R, L, có Diode xả lượng Để tránh dòng điện cảm ứng kéo dài trường hợp mục 3.3, ta dùng thêm Diode xả lượng (Free wheeling diode) có sơ đồ Hình 5A Thơng số sơ đồ mục 3.3 Điện áp dòng điện chấm dứt cuối bán kỳ 0,01s, Hình 5B, dịng điện cảm ứng chạy qua diode ID Chỉnh lưu không điều khiển tồn sóng, tải R, L Hình 6A sơ đồ ngun lý chỉnh lưu mơt pha, tồn chu kỳ (tồn sóng) khơng điều khiển dùng Diode Với điện áp đầu vào xoay chiều hình sin, biên độ 120V, tần số 50Hz sử dụng máy biến áp có điểm trung tính Tải gồm R=10Ω, L= 0,01H Dạng sóng Diode tải (một chiều) thể Hình 6B Tiến hành thực nghiệm để kiểm chứng, kết thu giống với mơ Hình 6C Hình 6A Sơ đồ ngun lí chỉnh lưu pha tồn chu kì tải R, L, khơng điều khiển Hình 6B Dạng sóng chỉnh lưu pha tồn chu kỳ khơng điều khiển Hình 5A Chỉnh lưu nửa chu kỳ có điều khiển tải R, L, có Diode xả lượng Hình 6C Dạng sóng chỉnh lưu pha tồn chu kỳ khơng điều khiển thực nghiệm Hình 5B Dạng sóng chỉnh lưu nửa chu kỳ có điều khiển tải R, L, có Diode xả lượng Chỉnh lưu có điều khiển tồn sóng, tải R, L Để điều chỉnh điện áp đầu chỉnh lưu đặt vào tải, ta thay Diode sơ đồ Hình 6A thành Thyristor với kích xung với góc kích 30o Hình 7A Hình 5C Dạng sóng chỉnh lưu nửa chu kỳ có điều khiển tải R, L, có Diode xả lượng thực nghiệm Hình 7A Chỉnh lưu pha tồn chu kì có điều khiển ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 18, NO 3, 2020 Hình 7B Dạng sóng chỉnh lưu pha tồn chu kì có điều khiển 57 Hình 8C Dạng sóng chỉnh lưu pha tồn chu kì có điều khiển, Diode xả lượng thực nghiệm Chỉnh lưu cầu pha có điều khiển, tải R, L Hình 9A sơ đồ chỉnh lưu dạng cầu, pha có điều khiển Dạng sóng tải (Hình 9B) có dạng giống trường hợp chỉnh lưu tồn chu kì với biến áp có điểm trung tính, Mục 3.6 Tuy nhiên, trường hợp sử dụng Thyristor Hình 7C Dạng sóng chỉnh lưu pha tồn chu kì có điều khiển thực nghiệm So sánh dạng sóng tải thực nghiệm (Hình 7C) có dạng tương đương với mơ Matlab/ Simulink (Hình 7B) Chỉnh lưu có điều khiển tồn sóng, tải R, L, có Diode xả lượng Hình 7B dạng sóng thu Thyristor tải Tại thời điểm cuối bán kỳ 0,01s, cuối chu kỳ 0,02s, dòng điện qua tải dương điện áp 0V, áp tải tiếp tục xuống âm Sơ đồ Hình 8A có thêm Diode dập (dẫn dòng điện cảm ứng) để dòng áp tải cuối bán kì tồn kì (Hình 8B) Lắp ráp mạch để kiểm chứng, sóng thu tải Hình 8C có dạng giống với mơ Simulink Hình 8B Hình 9A Chỉnh lưu cầu pha có điều khiển, tải R, L Dạng sóng chỉnh lưu pha cầu, có điều khiển, tải R, L góc điều khiển anpha 300 Hình 8A Chỉnh lưu pha tồn chu kì có điều khiển, Diode xả lượng Dạng sóng tải Ud, góc điều khiển anpha 450 Dạng sóng tải Ud, góc điều khiển anpha 600 Hình 8B Dạng sóng chỉnh lưu pha tồn chu kì có điều khiển, Diode xả lượng Dạng sóng tải Ud, góc điều khiển anpha 600 Hình 9B Dạng sóng chỉnh lưu pha cầu, có điều khiển, tải R, L với góc điều khiển khác Võ Khánh Thoại 58 Dạng sóng tải Ud, góc điều khiển anpha 300 Dạng sóng tải Ud, góc điều khiển anpha 450 Dạng sóng tải Ud, góc điều khiển anpha 600 Để thay đổi điện áp đặt vào tải, ta thay đổi thời điểm kích xung Thyristor Xét trường hợp chỉnh lưu cầu pha, dạng sóng điện áp tải Ud thể Hình 9B với trường hợp góc điều khiển anpha 300, 450, 600, 900 Kết mô cho thấy, điện áp trung bình tải Ud thay đổi phụ thuộc theo thay đổi góc điều khiển anpha Thực nghiệm kiểm chứng, điện áp trung bình tải Hình 9C thu hồn tồn giống với mơ Matlab/ Simulink Bàn luận: Qua kết mô thực nghiệm kiểm chứng cho thấy, với việc mô ta thay đổi cấu trúc chỉnh lưu, thời điểm kích mở phần tử bán dẫn để thay đổi điện áp trung bình tải đầu thay đổi loại tải điều kiện khác cách dễ dàng Kết luận Một số hướng mô thảo luận báo thể mơ mạch điện tử công suất với cấu trúc tải nhiều trường hợp khác Từ khảo sát lý thuyết, mô Simulink tiến hành thực nghiệm kết luận Matlab/ Simulink tảng phù hợp để mơ hình hóa, mơ q trình cơng nghệ nói chung điện tử cơng suất nói riêng TÀI LIỆU THAM KHẢO Dạng sóng tải Ud, góc điều khiển anpha 900 Hình 9C Dạng sóng chỉnh lưu pha cầu, Thyristor, tải R, L với góc điều khiển khác thực nghiệm Sơ đồ nối dây thực nghiệm mạch điện tử công suất Thực lắp láp mạch điện tử công suất để kiểm chứng Lần lượt nối dây theo sơ đồ trình bày Mục với sơ đồ Hình 10 Kết thu máy sóng thể hình C mục [1] https://vi.wikipedia.org/wiki/%C4%90i%E1%BB%87n_t%E1%BB %AD_c%C3%B4ng_su%E1%BA%A5t [2] Abdulatif A M Shaban, “A Matlab / Simulink Based Tool for Power Electronic Circuits”, World Academy of Science, Engineering and Technology, vol 49, 2009, pp 274–279 [3] Hazim H Tahir, Teresa Fernández Pareja, “MATLAB Package and Science Subjects for Undergraduate Studies”, International Journal for Cross-Disciplinary Subjects in Education (IJCDSE), Volume 1, Issue 1, March 2010 [4] Prof Sabyasachi Sengupta and et.all, “NPTEL Power Electronics Notes” [Online] Available: nptel.iitm.ac.in [5] Sameer Khader “The Application of PSIM & MATLAB /SIMULINK in power electronics courses”, Conf "Learning Environments and Ecosystems in Engineering Education"; IEEE Global Engineering Education Conference (EDUCON) – April 6, 2010, Amman, Jordan [6] Chung Kuo, Jack Hsieh, Firuz Zare, Senior Member IEEE, Gerard Ledwich, Senior Member IEEE “An Interactive Educational Learning Tool for Power Electronics” Conf Power Engineering, 2007, Australasian Universities, AUPEC 2007 [7] P.J van Duijsen; P Bauer; B Davat; “Simulation and Animation of Power Electronics and Drives, Requirements for Education” [Online] Available: www.simulation-research.com Hình 10 Sơ đồ thực nghiệm mạch điện tử công suất (BBT nhận bài: 07/3/2019, hoàn tất thủ tục phản biện: 14/02/2020) ... hướng mô thảo luận báo thể mô mạch điện tử công suất với cấu trúc tải nhiều trường hợp khác Từ khảo sát lý thuyết, mô Simulink tiến hành thực nghiệm kết luận Matlab/ Simulink tảng phù hợp để mơ... với góc điều khiển khác thực nghiệm Sơ đồ nối dây thực nghiệm mạch điện tử công suất Thực lắp láp mạch điện tử công suất để kiểm chứng Lần lượt nối dây theo sơ đồ trình bày Mục với sơ đồ Hình... 0,02s, dòng điện qua tải dương điện áp 0V, áp tải tiếp tục xuống âm Sơ đồ Hình 8A có thêm Diode dập (dẫn dòng điện cảm ứng) để dòng áp tải cuối bán kì tồn kì (Hình 8B) Lắp ráp mạch để kiểm chứng, sóng