Xây dựng chương trình tính toán mạch điện bằng matlab gui

ỦY BAN NHÂN DÂN TP.HCM TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ THỦ ĐỨC NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2021 – 2022 Tên đề tài: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TỐN MẠCH ĐIỆN BẰNG MATLAB GUI Mã số: Chủ nhiệm đề tài: TRẦN THANH TÂM TP Hồ Chí Minh, năm 2022 ỦY BAN NHÂN DÂN TP.HCM TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ THỦ ĐỨC NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2021 – 2022 Tên đề tài: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TỐN MẠCH ĐIỆN BẰNG MATLAB GUI Mã số: Chủ nhiệm đề tài: TRẦN THANH TÂM TP Hồ Chí Minh, tháng 02 năm 2022 MỤC LỤC Nội dung Trang Danh mục bảng biểu i Danh mục hình ảnh ii LỜI MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục đích nghiên cứu Đối tượng khách thể nghiên cứu Giả thuyết nghiên cứu Nhiệm vụ nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Phạm vi ảnh hưởng PHẦN NỘI DUNG CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Mô đun M3 môn Điện kỹ thuật 1.1.1 Các khái niệm mạch điện điển hình dân dụng cơng nghiệp 1.1.2 Xác định mạch điện từ phần tử cho trước thực biểu diễn phần tử thành mạch điện 1.1.3 Các định luật mạch điện 1.1.4 Các phần tử mạch xoay chiều pha 11 1.1.5 Các phương pháp giải mạch điện xoay chiều pha 13 1.1.6 Các phần tử mạch xoay chiều ba pha 19 1.2 Tổng quan MATLAB GUI 22 1.2.1 Giới thiệu chung 22 1.2.2 Cách vận hành UI 24 1.2.3 Cách xây dựng UI MATLAB 25 1.2.4 Cách Sử Dụng GUI Trong Matlab 26 1.2.5 Tìm hiểu file m GUI 32 1.3 Một vài ứng dụng phần mềm Matlab lĩnh vực điện – điện tử 33 1.3.1 Lập trình Matlab để tính tốn mạch điện 33 1.3.2 Lập trình Simulink để mô mạch điện 34 1.3.3 Xây dựng chương trình tính tốn hệ thống điện Matlab GUI 37 CHƯƠNG THỰC TRẠNG VÀ GIẢI PHÁP CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 38 2.1 Thực trạng vấn đề nghiên cứu 38 2.2 Giải pháp vấn đề nghiên cứu 45 CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 46 3.1 Dữ liệu đầu vào dùng để tính tốn theo phương pháp thủ cơng 46 3.1.1 Nguồn áp ghép nối tiếp nguồn dòng ghép song song 46 3.1.2 Điện trở ghép nối tiếp – song song – hỗn hợp 46 3.1.3 Định luật Kirchhoff Kirchhoff 47 3.1.4 Mạch xoay chiều pha 49 3.1.5 Mạch điện pha đối xứng, tải nối hình 52 3.1.6 Mạch điện pha đối xứng, tải nối hình tam giác 53 3.2 Kết xây dựng chương trình tính tốn 54 3.3 Đánh giá kết sử dụng 59 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 62 Kết luận 62 Kiến nghị 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Nội dung Một số cách để đạt số mục tiêu với MATLAB GUI i Trang 26 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình Nội dung Trang 1.1 Mạch điện 1.2 Phần tử điện trở (R) 1.3 Phần tử điện cảm (L) 1.4 Phần tử điện dung (C) 1.5 Nguồn điện áp 1.6 Nguồn dòng điện 1.7 Chiều dòng điện 1.8 Máy phát điện đồng ba pha 20 1.9 Cách đấu nguồn tải pha theo kiểu: hình (Y) hình tam giác (Δ) 22 1.10 Ví dụ UI đơn giản xây dựng tảng phần mềm MATLAB 23 1.11 Giao diện ban đầu để khởi chạy cửa sổ Matlab GUI 27 1.12 Giao diện mặc định tạo file Matlab GUI 28 1.13 Tùy chỉnh nút chức 29 1.14 Giao diện thay đổi thuộc tính nút chức 30 1.15 Biểu tượng nút nhấn để khởi chạy chương trình 31 1.16 File matlab m sau RUN file Matlab GUI 32 1.17 Sơ đồ mạch điện 33 1.18 Giao diện code Matlab tính tốn điện áp mạch điện 34 1.19 Giao diện Simulink mô nguồn xoay chiều AC 35 1.20 Giao diện Thư viện Simulink chứa khối linh kiện điện – điện tử 35 1.21 Giao diện Thư viện Simulink chứa khối linh kiện điện – điện tử 36 1.22 Giao diện khai báo thông số cho khối linh kiện 36 1.23 Đồ thị mô nguồn xoay chiều AC 37 1.24 Màn hình truy cập vào chương trình Matlab GUI 38 1.25 Các cơng cụ xây dựng chương trình Matlab GUI 38 1.26 Chương trình xuất kết thơng số thiết kế xe lượng mặt trời 39 2.1 2.2 Giao diện kết xây dựng phần mềm giải toán kỹ thuật điện sử dụng Matlab Sơ đồ khối mơ tả thuật tốn tốn phân tích mạch điện ứng dụng Matlab giải mạch điện tuyến tính chế độ xác lập ii 40 41 2.3 Sơ đồ khối mơ tả thuật tốn giải tốn chuyển động điện tích từ trường 42 2.4 Sơ đồ chỉnh lưu khơng điều khiển hình tia, tải R 42 2.5 Giao diện GUI khuếch đại 43 2.6 Phân tích điện áp nút cách sử dụng biến đổi từ sơ đồ mạch điện sang sơ đồ khối Simulink 44 2.7 Giao diện Matlab/GUI mô chuyển đổi điện tử công suất 45 3.1 Giao diện chương trình tính tốn cần xây dựng 54 3.2 Danh mục tính tốn kiểu mạch điện 55 3.3 Giao diện tính tốn nguồn áp ghép nối tiếp – nguồn dòng ghép song song 55 3.4 Giao diện tính tốn mạch điện trở ghép nối tiếp – song song – hỗn hợp 56 3.5 Giao diện tính tốn sử dụng định luật Kirchhoff 56 3.6 Giao diện tính tốn mạch điện xoay chiều pha 57 3.7 Giao diện tính tốn mạch điện R – L – C (Dạng bản) 57 3.8 Giao diện tính tốn mạch điện R – L – C (Dạng tổng qt) 58 3.9 Giao diện tính tốn mạch pha đối xứng hình 58 3.10 Giao diện tính tốn mạch pha đối xứng hình tam giác 59 3.11 Giao diện kết tính tốn tốn thử nghiệm 61 iii PHẦN MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trong thời đại công nghệ 4.0 tình hình dịch Covid – 19 việc sử dụng công nghệ thông tin vào giảng dạy tính tốn thiết kế điều cần thiết Khi ứng dụng phần mềm vào giải công việc tính tốn tiết kiệm thời gian độ xác thay cho phương pháp tính tay truyền thống Một quốc gia phát triển địi hỏi cơng nghệ ngày đại, việc tính tốn thiết kế cho cơng trình hệ thống địi hỏi tốn nhiều thời gian tiền bạc Vì chương trình tính tốn làm điều thay cho kiểu lạc hậu lỗi thời Ngồi trang bị cho sinh viên sau tốt nghiệp trường kỹ sử dụng phần mềm tính tốn Bên cạnh lĩnh vực điện – điện tử ngày phát triển theo xu hướng cơng nghiệp hóa đại hóa đất nước Việc thiết lập xây dựng hệ thống mạch điện đòi hỏi phải tận dụng hết công suất chi tiết, linh kiện, cịn phải tính tốn việc thất cơng suất, điện áp, ngồi cịn phải thực chủ trương tiết kiệm lượng sử dụng Các công việc tính tốn địi hỏi cơng phu phức tạp, việc tính tốn truyền thống tay thời gian Từ nhu cầu thực tiễn thực công việc, tác giả đề xuất đề tài “Xây dựng chương trình tính tốn mạch điện Matlab GUI” để giải khó khăn tính tốn thiết kế phù hợp với thúc đẩy phát triển xã hội Mục đích nghiên cứu  Tổng hợp mạch điện áp dụng đào tạo cho sinh viên  Tổng quát phần mềm Matlab/GUI ứng dụng Matlab  Xây dựng chương trình tính tốn Matlab GUI Đối tượng khách thể nghiên cứu  Đối tượng nghiên cứu: Ứng dụng phần mềm Matlab Simulink  Khách thể nghiên cứu: Ứng dụng cho mô đun M3 môn Điện kỹ thuật thuộc chuyên Ngành Điện công nghiệp dân dụng Giả thuyết nghiên cứu  Chưa có chương trình tính tốn mạch điện cho sinh viên hệ trung cấp  Sinh viên tự học tự thực hành tập nhà  Giáo viên cần nhiều thời gian để giải đáp khó khăn tốn cụ thể cho sinh viên Nhiệm vụ nghiên cứu Xây dựng chương trình tính tốn mạch điện theo mô đun M3 học phần Điện kỹ thuật Phương pháp nghiên cứu  Phương pháp nghiên cứu lý thuyết ứng dụng  Phương pháp thực nghiệm Phạm vi ảnh hưởng  Tài liệu học tập cho sinh viên  Áp dụng cho học phần Lý thuyết mạch điện Kỹ thuật Điện  Tiền đề để nghiên cứu ứng dụng cho lĩnh vực khác PHẦN NỘI DUNG CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ LUẬN 1.1 Mô đun M3 môn Điện kỹ thuật 1.1.1 Các khái niệm mạch điện điển hình dân dụng công nghiệp 1.1.1.1 Mạch điện mô hình mạch điện a Mạch điện: Là tập hợp thiết bị điện ( nguồn, tải, dây dẫn) nối với tạo thành vịng kín, dịng điện chạy qua (Hình 1.1).là ví dụ mạch điện, đó: Nguồn máy phát (MF), tải gồm động (ĐC) bóng đèn (Đ), dây dẫn MF Đ ĐC Hình 1.1 Mạch điện Nguồn điện: Nguồn điện thiết bị phát thiết bị điến đổi dạng lượng như: Cơ năng, hố năng, nhiệt thành điện Ví dụ: ắc qui, máy phát, pin mặt trời Tải: Là thiết bị tiêu thụ điện biến đổi điện thành dạng lượng khác năng, nhiệt năng, hoá Dây dẫn: Làm kim loại dùng để truyền tải điện từ nguồn đến tải b Mơ hình mạch điện - Phần tử điện trở (R) Điện trở đặc trưng cho trình tiêu thụ điện biến đổi điện sang dạng lượng khác nhiệt năng, quang A i R B UR Hình 1.2 Phần tử điện trở (R) a I1 5A 3 I 12  I2 I3  II 24v b Viết định luật K1 cho nút a -I1 – I2 + I3 + = suy I3 = I1 + I2 –5 (3.12) Viết định luật K2 cho mắc lưới I II Ta có hệ -3I1 + 6I2 = (3.13) -6I2 –12I3 = -24 (3.14) Thế phương trình (3.12) vào (3.14), ta có: -3I1 + 6I2 = -6I2 –12(I1 + I2 –5) = -24 -3I1 + 6I2 = (3.15) –12I1 - 18I2 = -84 (3.16) Nhân phương trình (3.15) cho cộng phương trình lại ta 42I2 = 84 , suy I2 = 2A Từ (4), suy I1 = 2I2 = 4A Từ (1), suy I3 = + - =1A 3.1.4 Mạch xoay chiều pha 3.1.4.1 Mạch trở Cho mạch gồm R=5Ω, đặt vào nguồn xoay chiều u=10√2sin( + 30)V Tính I I U 50   10 A R I max  U max 10  2 2A R Viết biểu thức i Trong mạch trở u i đồng pha nên: 49 i  u  300  i  2 sin(t  300 ) A Đồ thị véctơ Công suất: P  I R  4.5  20 (W) 3.1.4.2 Mạch cảm Cho mạch gồm L=5mH, đặt vào nguồn xoay chiều u=10√2sin(314 + 30)V Tính I X L  .L  314.5.103  1,57 Ω I U 10   6,37 A X L 1,57 I max  I  6,37 A Viết biểu thức i Vì mạch cảm nên: i  u  900 = 30  90  60  i  6,37 sin(314t  600 ) A Đồ thị véctơ Công suất: 50 QL  I X L  6,372.1,57  63,7 (Var) 3.1.4.3 Mạch dung Cho mạch gồm C=6 10 4 F , đặt vào nguồn xoay chiều u=10√2sin(314 + 30)V Tính I XC  I 1   5,3 Ω .C 314.6.10 U 10   1,88 A X C 5,3 I max  I  1,88 A Viết biểu thức i Vì mạch dung nên: i  u  900 = 30  90  120  i  1,88 sin(314t  1200 ) A Công suất QC  I X C  1,882.5,3  18,7 (Var) 3.1.4.4 Mạch điện R – L – C nối tiếp a Dạng Cho mạch điện R – L – C nối tiếp hình: có R = 9Ω, L = 0,03H, C = 220μF, f = 50Hz, u(t)=220√2sin( ) Tổng trở mạch R  9 X L   L  2 fL  2 50.0, 03  3  9, 42 1 XC     14, 48 C 2 fC 2 50.220.106 2  Z  R   X L  X C   92   9, 42  14, 48  10,32 b Dạng tổng quát 51 Cho mạch điện gồm thành phần R – L – C mắc nối tiếp biết điện áp u(t)= 100 sin (1000t) V R = 12Ω, L = 3mH, C = 83,3µF Tổng trở, dịng điện mạch Đổi : L=3.10-3H C = 83,3 10-6 F XL = .L = 1000.3.10-3 = 3Ω XC = 1  = 12Ω .C 1000.83,3.10 6 Z  R  ( X L  X C )  12  (3  13)  15 I U 100   6,7( A) Z 15 Viết biểu thức dòng điện i(t) Im = I =6,7 (A)  = 1000 rad/s   tg 1 X L  XC  12  tg 1  36,8 R 12 i = u -  = – (– 36,8) = 36,8  i = 6,7 sin (100t – 36,8) (A) Tìm điện áp rơi phần tử UR=I×R =6,7×12=80.4V UL=I×XL =6,7×3=20,1V UC=I×XC =6,7×12=80,4V 3.1.5 Mạch điện pha đối xứng, tải nối hình Cho mạch pha đối xứng, tải nối hình hình = + Ω, = 380 52 Tải nối hình sao: = √3 = = 380 √3 = 220 = 8+6 = √8 + = 10 Ω Suy tổng trở pha tải: Dòng điện pha tải: = = 220 22 10 Tải nối hình sao, ta có: = = 22 Cơng suất tác dụng: = = 3.8 22 = 11,6 = 3.6 22 = 8,7 Công suất phản kháng: = Công suất biểu kiến: = = 3.220.22 = 14,5 3.1.6 Mạch điện pha đối xứng, tải nối hình tam giác Một tải pha có điện trở pha Rp = 20, điện kháng pha Xp = 15, nối tam giác, đấu vào mạng điện có Ud = 220V Tính dòng điện pha Ip , dòng điện dây Id , công suất tải tiêu thụ U p  Ud  220 V  Tổng trở pha tải: 53 Z p  Rp2  X p2  202  152  25    Dòng điện pha tải: Ip  Up Zp  220  8,8  A 25 Dòng điện dây tải: I d  3.I p  3.8,8  15, 24  A  Hệ số công suất tải: cos   => Rp Zp  20  0,8 25   36,87 , sin   0,6 Công suất tải tiêu thụ: P  3.U p I p cos   3.220.8,8.0,8  4646, W  Q  3.U p I p sin   3.220.8,8.0,  3484,8 VAR  S  3.U p I p  3.220.8,8  5808 VA  3.2 Kết xây dựng chương trình tính tốn Từ sở liệu dùng đề tính tốn đề xác định thông số đầu tốn xây dựng chương trình tính tốn mạch điện Mô đun M3 môn Điện kỹ thuật, kết sau: 54 Hình 3.1 Giao diện chương trình tính tốn cần xây dựng Tại giao diện người dùng “THỐT RA” vào mục “TÍNH TỐN” để tiến hành tính tốn mạch điện Hình 3.2 Danh mục tính tốn kiểu mạch điện Hình 3.2 thể danh mục kiểu mạch điện để người dùng tùy chọn kiểu mạch điện ngồi thơng qua “TRANG CHỦ” Hình 3.3 Giao diện tính tốn nguồn áp ghép nối tiếp – nguồn dòng ghép song song 55 Tại giao diện này, người dùng nhập số liệu đầu vào theo hình ảnh cho trước, sau ấn vào thơng số cần tính kết thị kế bên Tương tự hình 3.3 mạch điện tính tốn cịn lại thao tác vậy, q trình người dùng thực sang tập cách nhấn nút tập có giao diện có trường hợp vẽ đồ thị người dùng muốn thay đổi kết sử dụng nút “RESET” để thiết lập lại kết Sau giao diện cịn lại chương trình Hình 3.4 Giao diện tính tốn mạch điện trở ghép nối tiếp – song song – hỗn hợp 56 Hình 3.5 Giao diện tính tốn sử dụng định luật Kirchhoff Hình 3.6 Giao diện tính tốn mạch điện xoay chiều pha Hình 3.7 Giao diện tính tốn mạch điện R – L – C (Dạng bản) 57 Hình 3.8 Giao diện tính tốn mạch điện R – L – C (Dạng tổng qt) Hình 3.9 Giao diện tính tốn mạch pha đối xứng hình 58 Hình 3.10 Giao diện tính tốn mạch pha đối xứng hình tam giác 3.3 Đánh giá kết sử dụng Chương trình thử nghiệm với thơng số đầu vào vài tốn mẫu kết cho thấy việc sử dụng chương trình tính tốn cho kết nhanh chóng xác tính phương pháp thủ cơng Thử nghiệm với toán cụ thể: Một tải pha có điện trở pha Rp = 20, điện kháng pha Xp = 15, nối tam giác, đấu vào mạng điện có Ud = 220V - Tính dịng điện pha Ip : điểm - Tính dịng điện dây Id : điểm - Tính cơng suất tải tiêu thụ: điểm Tính dịng điện pha Ip , dịng điện dây Id , công suất tải tiêu thụ 59 U p  U d  220 V  Tổng trở pha tải: Z p  R p2  X p2  202  152  25    Dòng điện pha tải: Ip  Up Zp  220  8,8  A 25 Dòng điện dây tải: I d  3.I p  3.8,8  15, 24  A  Hệ số công suất tải: cos   Rp Zp  20  0,8 25 =>   36,870 sin   0,6 Công suất tải tiêu thụ: P  3.U p I p cos   3.220.8,8.0,8  4646, W  Q  3.U p I p sin   3.220.8,8.0,6  3484,8 VAR  S  3.U p I p  3.220.8,8  5808 VA  Cịn hình 3.10 phía thể kết toán vừa cho sử dụng chương trình vừa xây dựng 60 Hình 3.11 Giao diện kết tính tốn tốn thử nghiệm Trong q trình tính tốn xảy sai số vị trí số thập phân thứ 2, q trình tính tốn, tác giả lập trình xuất kết làm trịn số, cịn q trình tính sử dụng đầy đủ số thập phân (ví dụ số pi) Kết luận: Chương trình tính tốn đáp ứng tiêu đặt độ xác, tiết kiệm thời gian, nội dung phù hợp với hệ đào tạo 61 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Đề tài “Xây dựng chương trình tính tốn mạch điện Matlab GUI” thực số kết sau:  Tổng hợp mạch điện áp dụng đào tạo cho sinh viên  Tổng quát phần mềm Matlab/GUI ứng dụng Matlab  Xây dựng chương trình tính tốn Matlab GUI  Thử nghiệm để xác định tính xác chương trình Kiến nghị Trong trình nghiên cứu, thời gian thực đề tài có hạn nên tác giả nghiên cứu xây dựng chương trình tính tốn mạch điện Mô đun M3 môn Điện kỹ thuật cịn số hạn chế:  Xây dựng hết toàn nội dung học phần Điện kỹ thuật  Cần nâng cao chương trình để sử dụng cho hệ cao đẳng đại học  Cần đưa vào hệ thống điện cụ thể nhà máy dự án để tính tốn Tác giả đưa số đề xuất nêu cho hướng nghiên cứu tiếp tục đề tài nhằm hoàn thiện việc xây dựng chương trình tính tốn để phục vụ cho công tác đào tạo thiết kế mạch điện cho dự án nhà máy, xí nghiệp 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Tâm Thành, Nguyễn Khắc Khiêm, “Xây dựng phần mềm giải toán kỹ thuật điện sử dụng Matlab”, Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải, số 54, tháng năm 2018 [2] Nguyễn Thị Hiền, Ngô Thị Tuyến, “Ứng dụng Matlab giải mạch điện tuyến tính chế độ xác lập”, Tạp chí KHKT Nơng nghiệp, tập 5, số 2: 80 – 86, 2007 [3] Lưu Bích Linh, Bùi Thị Tồn Thư, “Ứng dụng phần mềm Matlab thiết kế mô tốn vật lý”, Tạp chí Khoa học Công nghệ Lâm nghiệp số 2, 2013 [4] Nguyễn Quang Lập, “Các mạch điện chiều mô Matlab”, Khóa luận tốt nghiệp, Khoa Điện – Điện tử, Đại học Kinh tế - Kỹ thuật Công nghiệp, 2012 [5] Ali H Assi, Maitha H Al Shamisi and Hassan A N Hejase, “MATLAB GUI Application for Teaching Electronics”, Engineering Education and Research Using MATLAB, IntechOpen, 2011 [6] Asad Yousuf, Mohamad A Mustafa and William Lehman, “Electric Circuit Analysis in MATLAB and Simulink”, ASEE Annual Conference & Exposition, Indianapolis, 2014 [7] Ranko Visnic, Viktor Sunde and Ivan Mrcela, “Matlab/GUI interface for simulation of power electronic converters”, Proceedings of the 34th International Convention MIPRO, Croatia, 2011 [8] Chương trình đào tạo học phần Điện kỹ thuật ngành Điện Công nghiệp Dân dụng hệ Trung cấp 2020 [9] MathWorks, “MATLAB® Creating Graphical User Interfaces”, 2015 [10] A S Bozin, “Electrical power systems modeling and simulation using SIMULINK”, The Institution of Electrical Engineers, London, 1998 [11] Nguyễn Thị Phương Oanh, “Ứng dụng Matlab phân tích giải tập lý thuyết mạch”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2014 [12] Marilena STANCULESCU, Stelian MARINESCU and Gabriel CHEREGI, “Matlab in electrical engineering”, Journal of Electrical and Electronics Engineering 2(2), 2009