Xây dựng các bài thí nghiệm điện tử công suất trên phần mềm matlab simulink phục vụ giảng dạy học phần thí nghiệm điện tử công suất trực tuyến

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT  - - BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG XÂY DỰNG CÁC BÀI THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TRÊN PHẦN MỀM MATLAB – SIMULINK PHỤC VỤ GIẢNG DẠY HỌC PHẦN THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TRỰC TUYẾN Mã số: T2021 – 06 – 32 Chủ nhiệm đề tài: ThS Võ Khánh Thoại Đà Nẵng, …… /2021 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT  - - BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG XÂY DỰNG CÁC BÀI THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT TRÊN PHẦN MỀM MATLAB – SIMULINK PHỤC VỤ GIẢNG DẠY HỌC PHẦN THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT TRỰC TUYẾN Mã số: T2021 – 06 - 32 Xác nhận quan chủ trì đề tài (ký, họ tên, đóng dấu) Chủ nhiệm đề tài (ký, họ tên) DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH Thành viên tham gia: ThS Võ Khánh Thoại, Khoa Điện - Điện tử: Chủ nhiệm đề tài TS Phạm Thanh Phong, Khoa Điện - Điện tử: Thành viên tham gia MỤC LỤC Trang bìa Mục lục Danh mục hình vẽ, đồ thị, bảng biểu Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt Thông tin kết nghiên cứu Mở đầu Chương GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM MATLAB VÀ SIMULINK 2.1 Khái quát Matlab 2.2 Các công cụ toolbox 2.3 Simulink 2.4 Simcape 13 Chương CÁC BỘ CHỈNH LƯU KHÔNG ĐIỀU KHIỂN DÙNG DIODE 15 2.1 Khái quát chỉnh lưu 15 2.2 Bộ chỉnh lưu không điều khiển pha nửa chu kì 15 2.3 Bộ chỉnh lưu không điều khiển nửa chu kỳ với biến áp có trung tính 17 2.4 Bộ chỉnh lưu không điều khiển pha cầu dùng Diode 19 2.5 Bộ chỉnh lưu không điều khiển pha tia dùng Diode 21 2.6 Bộ chỉnh lưu không điều khiển pha cầu dùng Diode 23 Chương CÁC BỘ CHỈNH LƯU CÓ ĐIỀU KHIỂN DÙNG THYRISTOR .26 3.1 Bộ chỉnh lưu có điều khiển pha nửa chu kì dùng Thyristor 26 3.2 Bộ chỉnh lưu nửa chu kỳ với Biến áp có trung tính dùng Thyristor 28 3.3 Bộ chỉnh lưu pha cầu dùng Thyristor: 29 3.4 Bộ chỉnh lưu pha tia dùng Thyristor 30 3.5 Bộ chỉnh lưu pha cầu dùng Thyristor 33 Chương CÁC BỘ ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP 36 4.1 Bộ điều chỉnh áp DC- DC 36 4.2 Bộ điều chỉnh áp AC- AC 37 4.3 Bộ điều chỉnh áp AC- AC ba pha 40 Chương CÁC BỘ NGHỊCH LƯU 44 i 5.1 Giới thiệu nghịch lưu 44 5.2 Nghịch lưu áp pha 45 5.3 Nghịch lưu áp pha cầu 47 5.4 Nghịch lưu áp ba pha 50 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO 55 ii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình Ý nghĩa 1.1 Giao diện khởi động Matlab 202 1.2 Thư viện Sinks Simulink 1.3 Thay đổi tham số khối Consta 1.4 Thay đổi dạng sóng khối tạo s 1.5 Thư viện Math Simulink 1.6 Thư viện Continuous Simulink 1.7 Xây dựng chương trình điều khiển P 1.8 Ví dụ sơ đồ Simcape 2.1 Sơ đồ ngun lý dạng sóng chỉnh 2.2 Sơ đồ Thí nghiệm ảo dạng sóng c Simulink - Simcape 2.3 Sơ đồ đấu nối dạng sóng chỉnh lư 2.4 Sơ đồ nguyên lý dạng sóng chỉnh 2.5 Sơ đồ nguyên lý dạng sóng ch 2.6 Sơ đồ đấu nối dạng sóng chỉnh lư 2.7 Sơ đồ nguyên lý dạng sóng chỉnh 2.8 Sơ đồ nguyên lý dạng sóng chỉnh 2.9 Sơ đồ đấu nối dạng sóng chỉnh lư 2.10 Sơ đồ nguyên lý dạng sóng chỉnh 2.11 Sơ đồ nguyên lý dạng sóng chỉnh 2.12 Sơ đồ đấu nối dạng sóng chỉnh lư 2.13 Sơ đồ nguyên lý dạng sóng chỉnh 2.14 Sơ đồ nguyên lý dạng sóng chỉnh 2.15 Sơ đồ đấu nối dạng sóng chỉnh lư 3.1 Sơ đồ nguyên lý dạng sóng chỉnh 3.2 3.3 Sơ đồ nguyên lý dạng sóng chỉnh Simulink Sơ đồ đấu nối dạng sóng chỉnh lư dùng Thyristor thực nghiệm 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 Sơ đồ nguyên lý dạng sóng chỉnh Sơ đồ nguyên lý dạng sóng chỉnh Simulink Sơ đồ đấu nối dạng sóng chỉnh lư nghiệm Sơ đồ nguyên lý dạng sóng chỉnh Sơ đồ nguyên lý dạng sóng chỉnh Simulink 3.9 Sơ đồ đấu nối dạng sóng chỉnh lư 3.10 Sơ đồ nguyên lý dạng sóng chỉnh 3.11 3.12 3.13 Sơ đồ nguyên lý dạng sóng chỉnh thay đổi góc điều khiển Sơ đồ nguyên lý dạng sóng c Simulink Sơ đồ đấu nối dạng sóng chỉnh lư tia pha Thyristor thực nghiệm 3.14 Sơ đồ nguyên lý động lực chỉnh lưu 3.15 Sơ đồ thứ tự kích xung dẫn c 3.16 Sơ đồ nguyên lý dạng sóng chỉnh 3.17 3.18 Sơ đồ nguyên lý dạng sóng chỉnh Simulink Sơ đồ đấu nối dạng sóng chỉnh cầu pha Thyristor đối xứng thực n 4.1 Sơ đồ nguyên lý dạng sóng bă 4.2 Sơ đồ nguyên lý dạng sóng bă 4.3 Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh áp AC 4.4 Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh áp AC 4.5 Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh áp AC 4.6 Sơ đồ nguyên lý dạng sóng 4.7 Sơ đồ nguyên lý dạng sóng 4.8 Sơ đồ dạng sóng điều chỉnh áp A 4.9 Các dạng mạch điều chỉnh 4.10 Sơ đồ nguyên lý dạng sóng 4.11 Sơ đồ nguyên lý dạng sóng Simulink tải khơng nối 4.12 Dạng sóng điều chỉnh áp AC- AC 4.13 Sơ đồ nguyên lý dạng sóng điều c 5.1 Các dạng mạch nghịch lưu 5.2 Sơ đồ nguyên lý dạng sóng nghịc 5.3 Mơ hình dạng sóng nghịch lưu 5.4 Dạng sóng nghịch lưu áp nửa cầu tr 1080 Hz 5.5 Sơ đồ nguyên lý dạng sóng nghịc 5.6 Hộp thoại điều chỉnh tần số nghịch 5.7 Mô hình nghịch lưu áp cầu Sim 5.8 Dạng sóng nghịch lưu áp cầu 1080Hz 5.9 Sơ đồ nguyên lý nghịch lưu áp c 5.10 Mơ hình nghịch lưu áp cầu pha 5.11 Dạng sóng nghịch lưu áp cầu 5.12 Dạng sóng nghịch lưu áp cầu p 4.3.3 Sơ đồ Simulink dạng sóng Hình 4.11 Sơ đồ ngun lý dạng sóng điều chỉnh áp ACAC pha Simulink tải khơng nối 42 Hình 4.12 Dạng sóng điều chỉnh áp AC- AC pha Simulink tải nối 4.3.4 Sơ đồ thực nghiệm dạng sóng Tiến hành thí nghiệm thu mạch thu dạng sóng hình 4.12 Hình 4.13 Sơ đồ nguyên lý dạng sóng điều chỉnh áp AC- AC pha thực nghiệm 43 Chương CÁC BỘ NGHỊCH LƯU 5.1 Giới thiệu nghịch lưu Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi lượng từ nguồn điện chiều không đổi sang dạng lượng điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều Ðại lượng điều khiển ngõ điện áp dòng điện Nguồn chiều cung cấp cho nghịch lưu áp có tính chất nguồn điện áp nguồn cho nghịch lưu dịng có tính nguồn dòng điện Các nghịch lưu tương ứng gọi nghịch lưu áp nguồn áp nghịch lưu dòng nguồn dòng gọi tắt nghịch lưu áp nghịch lưu dòng Trong trường hợp nguồn điện đầu vào đại lượng ngõ khơng giống nhau, ví dụ nghịch lưu cung cấp dòng điện xoay chiều từ nguồn điện áp chiều, ta gọi chúng nghịch lưu điều khiển dòng diện từ nguồn điện áp nghịch lưu dòng nguồn áp Các nghịch lưu tạo thành phận chủ yếu cấu tạo biến tần Ứng dụng quan trọng tương đối rộng rãi chúng nhằm vào lĩnh vực truyền động điện dùng thiết bị lò cảm ứng trung tần, thiết bị hàn trung tần Bộ nghịch lưu đuợc dùng làm nguồn diện xoay chiều cho nhu cầu gia đình, làm nguồn điện liên tục UPS, điều khiển chiếu sáng, nghịch lưu đuợc ứng dụng vào linh vực bù nhiễu công suất phản kháng Các tải xoay chiều thường mang tính cảm kháng (ví dụ động khơng đồng bộ, lị cảm ứng), dịng điện qua linh kiện khơng thể ngắt q trình chuyển mạch tự nhiên Do dó, mạch nghịch lưu thường chứa linh kiện tự kích ngắt để điều khiển q trình ngắt dịng điện Trong truờng hợp đặc biệt mạch tải cộng hưởng, tải mang tính chất dung kháng (động đồng kích từ dư), dịng điện qua linh kiện bị ngắt trình chuyển mạch tự nhiên phụ thuộc vào điện áp nguồn phụ thuộc vào điện áp mạch tải Khi đó, linh kiện bán dẫn chọn Thyristor (SCR) Nghịch lưu chuyển đổi diện DC thành AC tuần hoàn với tần số mong muốn khác tần số điện khu vực (thí dụ 400Hz hàng khơng…) có dạng khơng sin Muốn có dạng hình sin ta dùng kỹ thuật khác để thực 44 biến đổi thành dạng sin Bộ phận quan trọng công tắc điện tử (static contact) công suất lớn thường sử dụng như: Transistor, Mosfet, SCR, IGBT … công suất lớn Phân loại có nhiều cách phân loại khác như: - Theo hình dạng sóng ra: hình sin, hình vng… - Theo cách hoạt động: nguồn VSI (voltage source Inverter), nguồn dịng CSI (Current source Inverter), hình 5.1, biến đổi độ rộng xung PWM (pulse width modulated Inverter) Hình 5.1 Các dạng mạch nghịch lưu - Theo cấu hình: nối tiếp, song song, bán cầu đổi điện, cầu đổi điện… - Theo cấu hình hoạt động: đường dây giao hốn (line commutated), tự giao hốn (self commutated) Thơng thường ta xét theo cấu hình đổi điện Ứng dụng nghịch lưu có nhiều ứng dụng thực tế như: - Ðiều khiển tốc độ động cảm ứng đồng - Lò nung cảm ứng - Bộ nguồn cấp điện UPS (Uninterrupible power supplies) - Truyền tải diện cao điện DC (High voltage DC transmission) 5.2 Nghịch lưu áp pha 5.2.1 Sơ đồ ngun lý dạng sóng nửa cầu Trên hình 5.2 sơ đồ nguyên lý dạng sóng nghịch lưu áp nửa cầu 45 Hình 5.2 Sơ đồ nguyên lý dạng sóng nghịch lưu áp nửa cầu 5.2.2 Sơ đồ Simulink Simcape Tiến hành mô Simulink - Simcape, kết có dạng sóng hình 5.3 46 Hình 5.3 Mơ hình dạng sóng nghịch lưu áp nửa cầu Simulink Hình 5.4 Dạng sóng nghịch lưu áp nửa cầu Simulink - Simcape tần số 500Hz 1080 Hz 5.3 Nghịch lưu áp pha cầu 5.3.1 Sơ đồ nguyên lý dạng sóng cầu Hình 5.5 ngun lý dạng sóng mạch nghịch lưu áp cầu 47 Hình 5.5 Sơ đồ nguyên lý dạng sóng nghịch lưu áp cầu 5.3.2 Sơ đồ Simulink – Simcape dạng sóng Tiến hành mơ Simulink, với bảng điều chỉnh tần số sau: Hình 5.6 Hộp thoại điều chỉnh tần số nghịch lưu áp cầu Mơ hình nghịch lưu áp cầu với điện áp vào 400VDC, xung điều khiển hình 5.7, tín hiệu scope đo áp vào, điện áp nghịch lưu tải dòng điện tải hình 5.8 48 Hình 5.7 Mơ hình nghịch lưu áp cầu Simulink Simcape Hình 5.8 Dạng sóng nghịch lưu áp cầu Simulink tần số 500Hz 1080Hz 49 5.4 Nghịch lưu áp ba pha 5.4.1 Sơ đồ nguyên lý Mạch gồm van công suất diod dập kết hợp Các bậc dẫn ngưng tuần hoàn theo cách xếp để tạo dạng sóng mong muốn Tốc dộ van xác định tần số đổi điện Hình 5.9 Sơ đồ nguyên lý nghịch lưu áp cầu pha 5.4.2 Sơ đồ Simulink dạng sóng Xây dựng nghịch lưu áp pha Simulink với áp đầu vào nghịch lưu lấy từ chỉnh lưu trước Sau nghịch lưu qua lọc lấy tín hiệu điện áp xoay chiều hình 5.10 50 Hình 5.10 Mơ hình nghịch lưu áp cầu pha 51 Hình 5.11 Dạng sóng nghịch lưu áp cầu pha, tần số 1000Hz 52 Hình 5.12 Dạng sóng nghịch lưu áp cầu pha, tần số 2000Hz Dạng sóng thu tải có dạng sin pha, có độ “mịn” phụ thuộc vào tần số sóng điều chế phù hợp với lý thuyết 53 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Những kết đạt đề tài MATLAB phần mềm giúp kỹ sư, nhà sản xuất tối ưu hóa cơng việc cách tính tốn, mơ phỏng, thí nghiệm ảo, từ tạo sản phẩm điện tử xác, đáng tin cậy giá thành thấp Nhóm tác giả xây dựng thí nghiệm ảo Điện tử cơng suất Simulink Simcape phần mềm MATLAB gồm: - Các chỉnh lưu không điều khiển dùng Diode Các chỉnh lưu có điều khiển dùng Thyristor Bộ điều chỉnh điện áp chiều DC – DC Bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều AC – AC Bộ Nghịch lưu điện áp DC – AC qua giúp sinh viên củng cố kiến thức Điện tử cơng suất, có tài liệu thí nghiệm Điện tử công suất chuẩn bị hành trang cho Học kỳ doanh nghiệp giải tốn Điện tử Cơng suất thực tế Với phạm vi nghiên cứu xác định, đề tài tập trung nghiên cứu lý thuyết Matlab, Simulink – Simcape, điện tử cơng suất Qua q trình thực hiện, tác giả nhận thấy rằng, việc sử dụng phần mềm Matlab để làm thí nghiệm ảo hệ thống kỹ thuật nói chung, mạch điện tử cơng suất nói riêng hiệu quả, xác Tuy nhiên cần đòi hỏi kiến thức lý thuyết kinh nghiệm góc kích xung, thời gian lấy mẫu, thời gian mô phỏng… Việc mô Simulink - Simcape nhằm để hiểu rõ lý thuyết Điện tử cơng suất, tiến hành thí nghiệm số trường hợp thực thực tế Tuy nhiên, nhóm tác giả thí nghiệm kiểm chứng mạch thực tế, kết mô đa số giống với lý thuyết thực tế đáng tin cậy Những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu thực Trong giới hạn phạm vi đề tài, thời gian thực hiện, nên dừng lại thí nghiệm ảo số mạch điện tử công suất mức bản, chưa sâu phân tích mạch, chưa mơ trường hợp tải khác trường hợp có Diode dập Những trường hợp đề cập Giáo trình Hướng dẫn thực hành mơ Điện tử Cơng suất cập nhật đề tài trình triển khai giảng dạy Về đào tạo: tiếp tục chỉnh sửa tập cụ thể hơn, rõ ràng để giúp người đọc dễ dàng sử dụng Về thực tiễn: áp dụng kết để bước xây dựng thêm mơ hình thí nghiệm 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Nguyễn Bính, Điện tử công suất, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 1999 Lê Văn Doanh, Điện tử công suất: lý thuyết - thiết kế ứng dụng, Nhà xuất khoa học Kỹ thuật, 2004 Phạm Quốc Hải, Hướng dẫn thiết kế điện tử công suất, Nhà xuất Khoa Học & Kỹ Thuật, 2009 Nguyễn Hồng Hải & Nguyễn Việt Anh, Lập trình Matlab ứng dụng, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật – Hà Nội, 2005 Nguyễn Phùng Quang, Matlab dành cho Kỹ sư điều khiển, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật – Hà Nội, 2006 Nguyễn Phương Thảo, Programming in Matlab, Handouts, 2007 Trần Văn Thịnh, Tài liệu Hướng dẫn thiết kế thiết bị điện tử công suất, Nhà xuất Bách Khoa Hà Nội, 2000 Phạm Thị Ngọc Yến, Ngơ Hữu Tình, Lê Tấn Hùng, Nguyễn Thị Lan Hương; Tạ Duy Liêm hiệu đính, Cơ sở Matlab ứng dụng : Giáo trình cho trường đại học cao đẳng, NXB Khoa học Kỹ thuật, 1999 Tiếng Anh R Chauprade, F Milsant, Electronique de puissance, Eyrolles, 1984 10 J.E Fisher, Electronics - From theory into practice, Energie, 1980 11 Guy Séguier, L'électronique de puissance, Dunod, 1985 12 High Voltage Power Electronics Lab Scientech 2700, Scientech Technologies Pvt Ltd, 94, Electronic Complex, Pardesipura, Indore - 452 010 India, 55 56 ... nghiệm Điện tử Cơng suất - Phần mềm mô Matlab/ Simulink - Xây dựng mô Thí nghiệm Điện tử Cơng suất phần mềm Matlab/ Simulink để phục vụ cho việc giảng dạy học phần Thí nghiệm Điện tử Công suất trực tuyến, ... học phần Thí nghiệm Điện tử Cơng suất trực tuyến? ??, nhằm tạo điều kiện sinh viên Thí nghiệm trực tuyến mạch Điện tử Công suất phần mềm mô Matlab/ Simulink, phần mềm giảng dạy khoa Điện - Điện tử. .. Khoa điện – Điện tử, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Đi kèm với học phần lý thuyết Điện tử công suất, học phần Thí nghiệm Điện tử cơng suất học phần bắt buộc (1TC) Học phần Thí nghiệm Điện tử Công