Kĩ thuật mô phỏng trong điện tử công suất

Tiểu luận mơn học Điện tử cơng suất LỜI NĨI ĐẦU Hiện nhiều thiết bị biến đổi công suất đề xuất để phục vụ yêu cầu ngày cao sống Điện tử công suất giúp cho việc sử dụng điện cách hiệu quả, linh kiện điện tử công suất sử dụng trình biến đổi điều khiển công suất: hiệu cao tổn hao thấp lò cao tần, truyền tải điện DC Các thiết bị điện tử công suất cải tiến phát triển để nâng cao hiệu suất việc sử dụng lượng Điện tử cơng suất đóng vai trị quan trọng mơ hình cơng nghệ thiết kế để điều khiển lượng Dòng điện điện áp đặc tính đóng ngắt linh kiện bán dẫn liên tục hoàn thiện, phạm vi ứng dụng ngày mở rộng chiếu sáng, nguồn, điều khiển động cơ, tự động hóa cơng nghiệp, giao thơng, lưu trữ lượng, truyền tải điện xa Hiệu suất cao đặc điểm điều khiển chặt chẽ giúp cho điện tử công suất có lợi nhiều điều khiển động so với hệ thống điều khiển điện điện tử trước Ngồi điện tử cơng suất ứng dụng truyền tải điện DC, trạm biến đổi công suất, truyền tải sử dụng biến đổi DC/AC, lọc tích cực, biến đổi tần số… Sau thời gian học tập môn Điện tử cơng suất, giảng dạy nhiệt tình thầy giáo PGS.TS Ngô Diên Tập, em nhận thấy tầm quan trọng môn học ứng dụng điện tử công suất thực tế Nay em giao làm đề tài tiểu luận:Kĩ thuật mô điện tử công suất.Ở em sử dụng MATLAB công cụ để mô nhằm giúp bạn sinh viên có nhìn tổng quan MATLAB biết cách dùng Simulink để mô mạch điện điện tử công suất Do thời gian chuẩn bị có hạn kiến thức mơn học em cịn nhiều hạn chế nên chắn khơng thể tránh thiếu sót Em mong nhận dẫn thầy để đề tài em hoàn thiện hơn.Em xin chân thành cảm ơn! GVHD:PGS.TS Ngô Diên Tập Sinh viên:Lê Đắc Tới-Lớp K52M -1- Tiểu luận môn học Điện tử cơng suất MỤC LỤC Lời nói đầu…………………………………………………………………… Mục lục………………………………………………………………………… I Giới thiệu MATLAB…………………………………………………… II Làm để mô phỏng………………………………………………….4 Vài nét SIMULINK…………………………………………………… Các bước mơ phỏng………………………………………………………….5 Một số thí dụ mô dùng Simulink điện tử công suất…… 15 Chỉnh lưu hình tia pha………………………………………………… 15 Chỉnh lưu cầu pha……………………………………………………… 19 Kết luận……………………………………………………………………… 21 Tài liệu tham khảo…………………………………………………………… 21 GVHD:PGS.TS Ngô Diên Tập Sinh viên:Lê Đắc Tới-Lớp K52M -2- Tiểu luận môn học I Giới thiệu MATLAB: Điện tử công suất MATLAB chương trình phần mềm lớn lĩnh vực tốn số Tên chương trình viết tắt chữ Matrix Laboratory, thể định hướng phép tính vecto ma trận Phần cốt lõi chương trình hàm tốn, chức nhập/xuất khả điều khiển chu trình mà nhờ ta dựng lên Scripts Có thể coi Matlab ngơn ngữ kỹ thuật Nó tích hợp cơng cụ mạnh phục vụ tính tốn, lập trình, thiết kế, mơ phỏng, mơi trường dễ sử dụng toán lời giải biểu diễn theo ký hiệu toán học quen thuộc Các ứng dụng điển hình là: • Tốn học tính tốn • Phát triển thuật tốn • Tạo mơ hình, mơ tạo giao thức • Khảo sát, phân tích số liệu • Đồ hoạ khoa học kỹ thuật • Phát triển ứng dụng, gồm xây dựng giao diện người dùng đồ hoạ GUI Trong MATLAB có Toolbox với phạm vi chức chuyên dụng mà người sử dụng cần Có số Toolbox liên quan đến Điều khiển-Tự động : Control System Tool, Signal Processing Toolbox, Power System Blockset Simulink…Hệ thống MATLAB gồm phần chính: • Ngôn ngữ Matlab: ngôn ngữ ma trận/mảng cấp cao với câu lệnh, hàm, cấu trúc liệu, vào/ra, tính lập trình hướng đối tượng Nó cho phép lập trình ứng dụng từ nhỏ đến ứng dụng lớn phức tạp • Mơi trường làm việc Matlab: Đây công cụ phương tiện mà bạn sử dụng với tư cách người dùng người lập trình Matlab Nó bao gồm phương tiện cho việc quản lý biến không gian làm việc Workspace GVHD:PGS.TS Ngô Diên Tập Sinh viên:Lê Đắc Tới-Lớp K52M -3- Tiểu luận môn học Điện tử công suất xuất nhập liệu Nó bao gồm cơng cụ phát triển, quản lý, gỡ rối định hình M-file, ứng dụng Matlab • Xử lý đồ hoạ: Đây hệ thống đồ hoạ Matlab Nó bao gồm lệnh cao cấp cho trực quan hoá liệu hai chiều ba chiều, xử lý ảnh, ảnh động, Nó cung cấp lệnh cấp thấp cho phép bạn tuỳ biến giao diện đồ hoạ xây dựng giao diện đồ hoạ hoàn chỉnh cho ứng dụng Matlab • Thư viện tốn học Matlab: Đây tập hợp khổng lồ thuật tốn tính tốn từ hàm cộng, sin, cos, số học phức tới hàm phức tạp nghịch đảo ma trận, tìm trị riêng ma trận, phép biến đổi Fourier nhanh • Giao diện chương trình ứng dụng Matlab API (Application Program Interface): Đây thư viện cho phép bạn viết chương trình C Fortran tương thích với Matlab Simulink Toolbox có vai trị đặc biệt quan trọng : Vai trị cơng cụ mạnh phục vụ mơ hình hóa mơ hệ thống kĩ thuật-Vật lí sở sơ đồ cấu trúc dạng khối Trong đưa mơ hình phần tử bán dẫn như: Transistor, Điot, Tiristor…Bằng cách ghép nối phần tử, mơ hình theo sơ đồ cụ thể đó, ta thiết lập mạch điện tử cơng suất ý muốn Ví dụ mạch mạch chỉnh lưu cầu, mạch băm xung…Ngồi cịn có số phần tử mạch điện cần thiết thông dụng khác thư mục: Elements, Electrical Sources… Ghép nối với mạch biết trước ta tiến hành nghiên cứu thiết bị theo quan điểm hệ thống hồn chỉnh Nhìn chung phần mềm thuận tiện để nghiên cứu hệ thộng tự động dạng khối chức tốc độ tính tốn có phần tử điện tử cơng suất thường chậm nhiều so với bình thường, đơi bị thông tin thời gian khảo sát lớn II.Làm để mô phỏng: Trong MATLAB ta sử dụng công cụ SIMULINK để mô GVHD:PGS.TS Ngô Diên Tập Sinh viên:Lê Đắc Tới-Lớp K52M -4- Tiểu luận môn học Điện tử công suất Vài nét SIMULINK : SIMULINK gói phần mềm để xây dựng mơ hình mơ tính tốn phân tích hệ thống hệ thống động, cho phép mơ tả hệ thống tuyến tính, hệ thống phi tuyến, mơ hình thời gian liên tục hay gián đoạn SIMULINK cung cấp giao diện đồ họa(GUI) cho việc xây dựng mơ khối(block diagram), người dùng cần kích chuột drag(chọn khối rối giữ nguyên chuột trái kéo chuột đến vị trị cần đặt).Với giao diện giao tiếp thế, bạn vẽ mơ hình dễ dàng Thư viện SIMULINK gồm khối thư viện sink, sources…bạn tạo khối cho riêng mình(viết S-function).Xây dựng mơ hình từ xuống hay từ lên để xem kĩ khối thư viện khối sources hay sink…bạn kích đúp chuột vào khối Sau định nghĩa mơ hình bạn mơ mơ hình đó, dùng scope để xem biểu diễn mơ hình đó, khối phát hình sin, đầu khối mắc với scope để thể kết khối a Các bước mơ phỏng: Thư viện Simulink môi trường làm việc(nơi xây dựng mơ hình): Để bắt đầu vào vùng làm việc Simulink, ta làm theo bước: • Khởi động MATLAB • Click vào icon Simulink MATLAB toolbar hay đánh lệnh Simulink cửa sổ MATLAB GVHD:PGS.TS Ngô Diên Tập Sinh viên:Lê Đắc Tới-Lớp K52M -5- Tiểu luận môn học Điện tử cơng suất Trên hình xuất thêm sổ mới, cửa sổ chứa toàn liệu thư viện Simulink(ở ta lấy ví dụ SimPowerSystem), di chuyển chuột sau: GVHD:PGS.TS Ngô Diên Tập Sinh viên:Lê Đắc Tới-Lớp K52M -6- Tiểu luận môn học Điện tử cơng suất Ta thấy SimPowerSystem có thư viện connectors, elements, power electronics…khi kích đúp vào thư viện ta khối con, ví dụ ta vào thư viện connectors: Ta số khối như:Diode, Gto, Thyristor… b Tạo mơi trường làm việc: Từ cửa sổ Library Brower(xem hình dưới)ta kích chuột vào file danh sách mục New, Open, Preferences xuất Để tạo môi trường làm việc (vùng để vẽ mơ hình) GVHD:PGS.TS Ngơ Diên Tập Sinh viên:Lê Đắc Tới-Lớp K52M -7- Tiểu luận môn học Điện tử công suất Ta chọn mục New Model, cửa sổ làm việc xuất hiện: GVHD:PGS.TS Ngô Diên Tập Sinh viên:Lê Đắc Tới-Lớp K52M -8- Tiểu luận môn học c Điện tử cơng suất Đặt tên cho mơ hình cách vào file save as: GVHD:PGS.TS Ngô Diên Tập Sinh viên:Lê Đắc Tới-Lớp K52M -9- Tiểu luận môn học d Điện tử công suất Chọn linh kiện hiệu chỉnh thông số chúng: Sau tạo môi trường làm việc mới(các bước trên)tiếp đến chọn linh kiện khối GVHD:PGS.TS Ngô Diên Tập Sinh viên:Lê Đắc Tới-Lớp K52M - 10 - Tiểu luận môn học Điện tử công suất thư viện, kéo chúng sang vùng làm việc, kích đúp có bảng để hiệu chỉnh thơng số, sau nối khâu với có mũi tên, dùng chuột nối mũi tên lại e Chạy chương trình: Trên cơng cụ chọn mục Simulation chọn Start nhấp vào nút hình tam giác f Dừng chương trình: Muốn dừng trình mơ ta kích vào nút hình vng cạnh nút tam giác(nút xuất mô phỏng) g Xem kết mô phỏng: Để xem kết q trình ta kích đúp vào Scope kết Ngồi bước ta cịn có số bước phụ khác sau:  Chọn nhiều đối tượng: Ta chọn nhiều đối tượng lúc cách dùng phím Shift chuột hay vẽ đường bao quanh đối tượng cách bấm chuột kéo thành hình chữ nhật thả hình chữ nhật bao lấy đối tượng cần chọn  Copy khối từ cửa sổ sang cửa sổ khác: Khi xây dựng mơ hình ta thường phải copy khối từ thư viện khối Simulink sang cửa sổ mơ hình Để làm việc ta theo bước sau: • Mở cửa sổ thư viện khối • Kéo khối ta muốn dùng từ cửa sổ thư viện vào cửa sổ mô hình thả Ta copy khối cách dùng lệnh Copy & Paste menu Edit qua bước sau : • Chọn khối ta muốn copy • Chọn Copy từ menu Edit • Làm cho cửa sổ cần copy tới hoạt động • Chọn Paste từ menu Edit  Deleting Blocks: Muốn xoá hay nhiều khối ta chọn khối nhấn phím Del GVHD:PGS.TS Ngô Diên Tập Sinh viên:Lê Đắc Tới-Lớp K52M - 11 - Tiểu luận môn học  Điện tử công suất Thay đổi hướng khối: Ta xoay hướng khối vào menu Format : • Chọn Flip Block để quay khối 180o • Chọn Rotate Block để quay khối 90o  Định lại kích thước khối: Để thay đổi kích thước khối ta đưa trỏ chuột vào góc khối bấm kéo kích thước mong muốn thả Ta xét ví dụ đơn giản sau: Xây dựng mơ hình sóng hình sin cửa sổ làm việc sau: Các bước làm: Sau tạo môi trường làm việc mới(như nói), ta chọn hàm sin wave thư viện sources: GVHD:PGS.TS Ngô Diên Tập Sinh viên:Lê Đắc Tới-Lớp K52M - 12 - Tiểu luận môn học Điện tử cơng suất Dùng chuột kích vào hàm sin wave kéo sang vùng làm việc, làm tương tự scope thư viện sink, dùng chuột nối mũi tên lại Kích đơi chuột lên khối để thay đổi thơng số làm việc khối.Ví dụ với hàm Sin wave: GVHD:PGS.TS Ngô Diên Tập Sinh viên:Lê Đắc Tới-Lớp K52M - 13 - Tiểu luận môn học Điện tử công suất Mô kết quả: a Trên công cụ chọn mục Simulation chọn Start GVHD:PGS.TS Ngô Diên Tập Sinh viên:Lê Đắc Tới-Lớp K52M - 14 - Tiểu luận môn học Điện tử công suất Hoặc nhấp vào nút hình tam giác: GVHD:PGS.TS Ngơ Diên Tập Sinh viên:Lê Đắc Tới-Lớp K52M - 15 - Tiểu luận môn học Điện tử công suất b Muốn dừng q trình ta kích vào nút hình vng cạnh nút tam giác c Ta kích đúp vào scope để xem kết quả: GVHD:PGS.TS Ngô Diên Tập Sinh viên:Lê Đắc Tới-Lớp K52M - 16 - Tiểu luận môn học Điện tử cơng suất III Một số thí dụ mơ dùng Simulink điện tử cơng suất: Chỉnh lưu hình tia pha: Các linh kiện bao gồm: • Điơt lấy thư viện Power Electronics • Điện trở lấy khối Series RLC Branch thư viện Element cách kích đúp vào khối Series RLC chỉnh thơng số hình vẽ: • Nguồn điện xoay chiều lấy thư viện Electrical sources với thông số biên độ, lệch pha, tần số hình mơ • Voltage measurement thư viện Measurement • Scope với thơng số: GVHD:PGS.TS Ngô Diên Tập Sinh viên:Lê Đắc Tới-Lớp K52M - 17 - Tiểu luận mơn học • Điện tử công suất gộp kênh Mux thư viện Signal routing với thông số: GVHD:PGS.TS Ngô Diên Tập Sinh viên:Lê Đắc Tới-Lớp K52M - 18 - Tiểu luận mơn học • Điện tử cơng suất Bus bar thư viện Connectors dùng nối cực âm dịng xoay chiều với thơng số: Và Bus bar dùng nối Katot Điot với thông số: GVHD:PGS.TS Ngô Diên Tập Sinh viên:Lê Đắc Tới-Lớp K52M - 19 - Tiểu luận môn học Điện tử công suất Sau chọn xong linh kiện hiệu chỉnh thông số chúng, ta mạch mô sau: GVHD:PGS.TS Ngô Diên Tập Sinh viên:Lê Đắc Tới-Lớp K52M - 20 - Tiểu luận môn học Điện tử cơng suất Cuối nhấn tổ hợp phím Ctrl+T hay nút hình tam giác ta kết mô sau: GVHD:PGS.TS Ngô Diên Tập Sinh viên:Lê Đắc Tới-Lớp K52M - 21 - Tiểu luận môn học Điện tử công suất Chỉnh lưu cầu pha: Các linh kiện gồm: Điot, nguồn xoay chiều, điện trở, Voltage measurement, Mux, Bus bar nối cực âm nguồn xoay chiều, Bus bar nối katot điot Scope Cách lấy linh kiện thư viện cachs hiệu chỉnh thông số chúng làm phần chỉnh lưu hình tia pha Ta có mạch mơ sau: GVHD:PGS.TS Ngô Diên Tập Sinh viên:Lê Đắc Tới-Lớp K52M - 22 - Tiểu luận môn học Điện tử cơng suất Và ta có kết mơ mạch sau: GVHD:PGS.TS Ngô Diên Tập Sinh viên:Lê Đắc Tới-Lớp K52M - 23 - Tiểu luận môn học Điện tử cơng suất KẾT LUẬN Chỉnh lưu hình tia pha có đặc điểm tương tự chỉnh lưu hình tia pha Để mạch hoạt động cần có biến áp để đưa điểm trung tính N tải Vì mạch dùng nguồn pha nên cơng suất tăng lên nhiều, dòng điện tải đến vài trăm Ampe So sánh giá trị Ud trường hợp chỉnh lưu cầu pha hình tia với chỉnh lưu hình tia pha ta thấy có trị số gấp lần Điều thấy theo sơ đồ, sơ đồ hình cầu pha giống sơ đồ hình tia mắc nối tiếp nhau, nhóm điơt lẻ chỉnh lưu lấy điện áp dương, nhóm điơt chẵn chỉnh lưu lấy nốt phần điện áp âm lại GVHD:PGS.TS Ngô Diên Tập Sinh viên:Lê Đắc Tới-Lớp K52M - 24 - Tiểu luận môn học Điện tử công suất TÀI LIỆU THAM KHẢO Điện tử cơng suất:Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh MATLAB Simulink dành cho kĩ sư điều khiển tự động:Nguyễn Phùng Quang MATLAB: PGS.TS Nguyễn Tăng Cường GVHD:PGS.TS Ngô Diên Tập Sinh viên:Lê Đắc Tới-Lớp K52M - 25 -