ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MATLAB TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG CÁC BÀI THÍ NGHIỆM KỸ THUẬT ĐIỆN

Kinh Doanh - Tiếp Thị - Công Nghệ Thông Tin, it, phầm mềm, website, web, mobile app, trí tuệ nhân tạo, blockchain, AI, machine learning - Kỹ thuật UBND TỈNH QUẢNG NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG NAM KHOA LÝ-HÓA-SINH --- --- VÕ THỊ LÀI ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MATLAB TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG CÁC BÀI THÍ NGHIỆM KĨ THUẬT ĐIỆN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Quả ng Nam, thá ng 4 năm 2017 UBND TỈNH QUẢNG NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG NAM KHOA LÝ-HÓA-SINH --- --- KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Tên đề tài: ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MATLAB TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG CÁC BÀI THÍ NGHIỆM KĨ THUẬT ĐIỆN Sinh viên thực hiện VÕ THỊ LÀI MSSV: 2113010219 CHUYÊN NGÀNH: SƯ PHẠM VẬT LÝ KHÓA: 2013 – 2017 Cán bộ hướng dẫn ThS. BÙI XUÂN DIỆU MSCB:……………….. Quả ng Nam, thá ng 4 năm 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và kết quả nghiên cứu trong khóa luận là trung thực và chưa từng công bố trong bất kì công trình nào khác. Quảng Nam, tháng 4 năm 2017 Tác giả khóa luận Võ Thị Lài LỜI CẢM ƠN Khóa luận của tôi được thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầ y giáo ThS. Bùi Xuân Diệu. Trước hết cho tôi được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến với thầ y, người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và thực hiệ n khóa luậ n này. Tôi xin cảm ơn Ban Giám Hiệu nhà trường Đại Học Quảng Nam, các thầ y cô giáo trong khoa Lý – Hóa – Sinh đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợ i cho tôi trong quá trình học tập cũng như trong khi thực hiện khóa luậ n. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và các bạn học cùng lớp ĐH Vậ t Lý K13 đã giúp đỡ, có những ý kiến đóng góp và động viên tôi trong quá trình thự c hiện đề tài. Quảng Nam, tháng 4 nă m 2017 Tác giả khóa luận Võ Thị Lài MỤC LỤC Phần I. MỞ ĐẦU ................................................................................................... i 1. Lý do chọn đề tài ............................................................................................ 1 2. Mục tiêu nghiên cứu ...................................................................................... 1 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................ 2 4. Phương pháp nghiên cứu .............................................................................. 2 5. Cấu trúc khóa luận ........................................................................................ 2 Phần II. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU.................................................................. 2 Chương 1. Cơ sở lý thuyết ................................................................................... 2 1. Lý thuyết chung.............................................................................................. 2 1.1. Mạch điện, cấu trúc của mạch điện.............................................................. 2 1.1.1. Mạch điện ................................................................................................... 2 1.1.2. Cấu trúc của mạch điện ............................................................................ 3 1.2. Các đại lượng đặc trưng của mạch điện ...................................................... 3 1.2.1. Dòng điện .................................................................................................... 3 1.2.2. Điện áp ........................................................................................................ 3 1.2.3. Công suất .................................................................................................... 3 1.3. Các loại phần tử mạch ................................................................................... 4 1.3.1. Nguồn điện áp u(t) ..................................................................................... 4 1.3.2. Nguồn dòng i(t) .......................................................................................... 4 1.3.3. Điện trở R ................................................................................................... 4 1.3.4. Điện cảm L ................................................................................................. 5 1.3.5. Điện dung C ................................................................................................ 5 1.4. Các dụng cụ đo điện ....................................................................................... 6 1.5. Hai định luật Kirchoff ................................................................................... 7 1.5.1. Định luật Kirchoff 1 .................................................................................. 7 1.5.2. Định luật kirchoff 2 ................................................................................... 7 1.6. Biểu diễn dòng điện hình sine bằng số phức ............................................... 7 1.6.1. Các phép tính trên số phức:...................................................................... 7 1.6.2. Tổng trở phức ............................................................................................ 9 1.6.3. Tổng dẫn phức ........................................................................................... 9 2. Mạch điện xoay chiều một pha ..................................................................... 9 2.1. Khái niệm chung ............................................................................................ 9 2.2. Cách nối mạch chỉ có R, L hoặc C................................................................ 9 2.3. Cách nối mạch R-L-C nối tiếp .................................................................... 11 2.4. Mối liên hệ giữa điện áp và cường độ dòng điện của đoạn mạch R-L-C nối tiếp12 3. Mạch điện xoay chiều ba pha...................................................................... 13 3.1. Khái niệm chung .......................................................................................... 13 3.2. Cách nối hình sao ......................................................................................... 14 3.2.1. Cách nối: ................................................................................................... 14 3.2.2. Quan hệ giữa đại lượng dây và pha trong cách nối hình sao đối xứng ........ 14 3.3. Cách nối tam giác ......................................................................................... 14 3.3.1. Cách nối: ................................................................................................... 14 3.3.2. Quan hệ giữa đại lượng dây và pha trong cách nối hình tam giác đối xứng .... 15 3.4. Công suất mạch điện ba pha ....................................................................... 16 3.4.1. Công suất tác dụng .................................................................................. 16 3.4.2. Công suất phản kháng............................................................................. 16 3.4.3. Công suất biểu kiến ................................................................................. 16 Chương 2. Tìm hiểu về phần mềm Matlab ...................................................... 16 1. Giới thiệu về Matlab .................................................................................... 16 1.1. Các phép toán đơn giản ............................................................................... 17 1.2. Không gian làm việc của Matlab. ............................................................... 17 1.3. Biến ................................................................................................................ 18 1.4. Câu giải thích (comment) và sự chấm câu. ................................................ 18 1.5. Số phức .......................................................................................................... 18 2. Một số vấn đề cơ bản trong việc tính toán của Matlab ............................ 19 2.1. Các hàm toán học thông thường................................................................. 19 2.2. Toán tử quan hệ, toán tử logic .................................................................... 20 2.3. Hàm quan hệ, hàm logic .............................................................................. 20 2.4. Vòng lập for, vòng lập while, cấu trúc if-else-end..................................... 21 2.5. Giải phương trình, hệ phương trình đại số - hàm solve. .......................... 22 2.5.1. Giải phương trình .................................................................................... 22 2.5.2. Giải hệ phương trình ............................................................................... 23 2.6. Đồ thị trong mặt phẳng - hàm plot ............................................................. 23 3. Giao diện đồ họa đơn giản trong Matlab ................................................... 23 4. Các bước giải bài tập về mạch điện bằng mô hình Giude trong Matlab ...... 26 Chương 3. Sử dụng Matlab tính toán và mô phỏng các bài thí nghiệm Kỹ thuật điện 30 1. Mạch điện xoay chiều một pha ................................................................... 30 1.1. Mạch điện thuần trở .................................................................................... 30 1.2. Mạch điện thuần điện cảm .......................................................................... 32 1.3. Mạch điện thuần điện dung ........................................................................ 32 1.4. Mạch gồm R-L-C mắc nối tiếp ................................................................... 33 1.4.1. Mạch có tính cảm kháng ......................................................................... 33 1.4.2. Mạch có tính dung kháng ....................................................................... 35 1.4.3. Mạch công hưởng .................................................................................... 35 2. Mạch điện xoay chiều ba pha...................................................................... 36 2.1. Mạch điện nối hình sao ................................................................................ 36 2.1.1. Mạch điện nối sao đối xứng không có dây trung tính .......................... 36 2.1.2. Mạch điện nối sao đối xứng có dây trung tính....................................... 37 2.2. Mạch điện nối tam giác................................................................................ 37 3. Bài toán ứng dụng mô hình GUIDE trong Matlab để phân tích, mô phỏng mạch điện............................................................................................................. 37 3.1. Giới thiệu về Guide ...................................................................................... 37 3.2. Giải bài toán trong Guide............................................................................ 38 3.2.1. Mạch điện một pha .................................................................................. 38 3.2.1.1.Đối với mạch chỉ có R ............................................................................. 38 3.2.1.2.Đối với mạch chỉ có L.............................................................................. 39 3.2.1.3.Đối với mạch chỉ có C ............................................................................. 39 3.2.1.4.Đối với mạch R-L-C nối tiếp ................................................................... 40 3.2.2. Mạch điện ba pha .................................................................................... 41 3.2.2.1.Mạch nối sao đối xứng có dây trung tính .............................................. 41 3.2.2.2.Mạch đối xứng không có dây trung tính ................................................ 42 3.2.2.3.Mạch nối tam giác ................................................................................... 43 Phần III. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ........................................ 45 1. Kết luận ........................................................................................................... 45 2. Hướng phát triển ............................................................................................ 45 Phần IV. TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................. 46 Phần V. NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN ...................................... 47 DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG Hình bảng Tên gọi Trang Hình 1.1 Vôn kế và kí hiệu vôn kế 6 Hình 1.2 Một số loại Ampe kế 7 Hình 1.3 Một số loại ôm kế 7 Hình 1.4 Một số đồng hồ vạn năng thường dùng 7 Hình 1.5 Mắc điện trở trong mạch xoay chiều 9 Hình 1.6 Cuộn cảm trong mạch xoay chiều 10 Hình 1.7 Tụ điện trong mạch xoay chiều 11 Hình 1.8 Sơ đồ mạch R-L-C nối tiếp 12 Hình 1.9 Sơ đồ mạch ba pha nối sao 14 Hình 1.10 Sơ đồ mạch ba pha nối tam giác 15 Hình 2.1 Các thành phần điều khiển của Guide 24 Hình 2.2 Hình ảnh về giao diện Giude 26 Hình 2.3 Mở một giao diện Giude mới 26 Hình 2.4 Mở một giao diện Giude có sẵn 30 Hình 3.1 Mô hình Simulink của mạch điện thuần trở trong Matlab 32 Hình 3.2 Các giá trị cần nhập cho Simulink 32 Hình 3.3 Kết quả của Simulink khi chạy chương trình cho mạch thuần trở 32 Hình 3.4 Mô hình Simulink và kết quả cho mạch thuần cuộn cảm 33 Hình 3.5 Mô hình Simulink và kết quả cho mạch thuần điện dung 33 Hình 3.6 Mô hình Simulink cho mạch một pha nối tiếp 35 Hình 3.7 Kết quả của Simulink cho mạch một pha nối tiếp có tính cảm kháng 36 Hình 3.8 Mô hình và kết quả Simulink cho mạch có tính dung kháng 36 Hình 3.9 Mô hình và kết quả Simulink cho mạch cộng hưởng 37 Hình 3.10 Mô hình Simulink và kết quả cho mạch điện nối sao đối xứng không có dây trung tính 38 Hình 3.11 Mô hình Simulink và kết quả cho mạch điện nối tam giác đối xứng. 39 Hình 3.12 Mô hình Giude cho mạch điện một pha 40 Hình 3.13 Kết quả mạch điện thuần trở khi giải bằng mô hình Giude 40 Hình 3.14 Kết quả mạch điện thuần cảm khi giải bằng mô hình Giude 41 Hình 3.15 Kết quả mạch điện thuần điện dung khi giải bằng mô hình Giude 41 Hình 3.16 Kết quả mạch điện nối tiếp có tính cảm kháng khi giải bằng mô hình Giude 42 Hình 3.17 Kết quả mạch điện nối tiếp có tính dung kháng khi giải bằng mô hình Giude 42 Hình 3.18 Kết quả mạch điện nối tiếp có tính cộng hưởng khi giải bằng mô hình Giude 42 Hình 3.19 Mô hình Giude cho mạch điện ba pha 43 Hình 3.20 Kết quả mạch nối sao đối xứng có dây trung tínhkhông có dây trung tính khi giải bằng mô hình Giude 43 Hình 3.21 Kết quả mạch nối sao đối xứng đứt pha A khi giải bằng mô hình Giude 44 Hình 3.22 Kết quả mạch nối sao đối xứng không có dây trung tính bị đứt pha A khi giải bằng mô hình Giude. 45 Hình 3.23 Kết quả mạch nối tam giácđối xứng khi giải bằng mô hình Giude. 45 Bảng 1 Bảng các phép toán thông thường trong Matlab 17 Bảng 2 Bảng một số hàm toán học thường được dùng trong Matlab 19 Bảng 3 Bảng các toán tử quan hệ trong Matlab 20 Bảng 4 Bảng các toán tử logic trong Matlab 20 Bảng 5 Bảng một số hàm thường dùng trong Matlab 20 1 Phần I. MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Cùng với sự bùng nổ của Công nghệ thông tin như hiện nay, ngành giáo dục nước ta cũng đang dần cải thiện các phương pháp dạy và học nhằm nâng cao nhận thức của học sinh, sinh viên, sử dụng các phương tiện công nghệ thông tin trong dạy học để thu được hiệu quả hơn. Để làm được những điều đó, ngoài những tri thức khoa học thuộc lĩnh vực chuyên môn nghiệp vụ, thì việc trang bị cho sinh viên kiến thức cơ bản, kỹ năng vận hành máy vi tính, kỹ năng lập trình và sử dụng một số phần mềm để giải quyết các vấn đề của khoa học và kỹ thuật là điều cốt yếu. Kỹ thuật điện là bộ môn khoa học nghiên cứu những ứng dụng của các hiện tượng điện từ, nhằm biến đổi năng lượng và tín hiệu, bao gồm việc phát, truyền tải, phân phối và sử dụng điện năng trong sản xuất và đời sống. Giáo trình Kỹ thuật điện không đi sâu vào mặt lí luận các hiện tượng vật lý mà chú ý nhiều đến tính toán và ứng dụng kỹ thuật, do đó nó cần có các thí nghiệm có độ chính xác cao nhằm làm rõ các lý thuyết, các định luật được nêu trong giáo trình. Tuy nhiên, tôi nhận thấy việc giải các bài tập về mạch điện có những phép tính và phương trình phức tạp khiến cho nhiều bạn gặp khó khăn, đặc biệt giải các bài tập mạch điện xoay chiều một pha và ba pha. Do đó việc sử dụng phần mềm máy tính đề tính toán và kiểm tra là rất cần thiết. Hiện nay, có rất nhiều phần mềm hỗ trợ để tính toán với nhiều tính năng và ứng dụng khác nhau như Maple, Mathematica, Matlab,.... Trong đó, Matlab là 1 trong những phần mềm có khả năng ứng dụng rất cao. Matlab là công cụ hỗ trợ cho việc tính toán, làm thay cho người học những vấn đề khó khăn, bên cạnh đó nó còn có thể mô phỏng những biểu đồ, đồ thị rất hữu hiệu. Việc mô phỏng nội dung bài học, các thí nghiệm bằng máy tính sẽ tạo ra hứng thú học tập và hình dung được bài học một cách tổng quan, chính xác. Từ đó giúp cho các bạn có thể phát triển tư duy sáng tạo, rèn luyện kỹ năng, kỹ xảo và học tập tốt hơn. Với những lí do trên, nên tôi đã chọn đề tài nghiên cứu của mình là: “Ứng dụng phầ n mềm Matlab tính toán và mô phỏng các bài thí nghiệm kỹ thuật điện.” 2. Mục tiêu nghiên cứu Tìm hiểu ngôn ngữ lập trình Matlab, ứng dụng để tính toán và mô phỏng các bài thí nghiệm Kỹ thuật điện phần mạch điện xoay chiều một pha và mạch điện xoay chiều ba pha. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu a. Đối tượng nghiên cứu - Ngôn ngữ lập trình Matlab - Các thí nghiệm Điện kỹ thuật- dòng điện xoay chiều một pha và dòng điện xoay chiều ba pha. b. Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu đề tài này tôi chỉ tìm hiểu ngôn ngữ lập trình và giao diện đồ họa của Matlab để ứng dụng giải và làm rõ các thí nghiệm trong mạch điện xoay chiều một pha và mạch điện xoay chiều ba pha, hỗ trợ cho việc giảng dạy môn Kỹ thuật điện ở Đại học. 4. Phương pháp nghiên cứu Trong quá trình nghiên cứu đề tài, tôi sử dụng một số phương pháp sau: - Phương pháp đọc sách và tài liệu. - Phương pháp phân tích và tổng hợp. - Phương pháp thực hành và thí nghiệm. 5. Cấu trúc khóa luận Cấu trúc khóa luận gồm các phần chính sau: Phần I. MỞ ĐẦU Phần II. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Chương 1. Cơ sở lý thuyết Chương 2. Tìm hiểu về phần mềm matlab Chương 3. Sử dụng Matlab để tính toán và mô phỏng các bài thí nghiệm Kỹ thuật điện Phần III. KẾT LUẬN Phần IV. TÀI LIỆU THAM KHẢO Phần V. NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN Phần II. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Chương 1. Cơ sở lý thuyết 1. Lý thuyết chung 1.1. Mạch điện, cấu trúc của mạch điện 1.1.1. Mạch điện Mạch điện là tập hợp các thiết bị điện nối với nhau bằng các dây dẫn tạo thành những vòng kín, trong đó dòng điện có thể chạy qua. Mạch điện thường gồm các loại phần tử như: nguồn điện, phụ tải (tải), dây dẫn.  Nguồn điện: là thiết bị phát ra điện năng, về nguyên lý, nguồn điện là thiết bị biến đổi các dạng năng lượng như: cơ năng, hóa năng, nhiệt năng,... thành điện năng.  Tải: là các thiết bị tiêu thụ điện năng và biến đổi điện năng thành các dạng năng lượng khác như cơ năng, nhiệt năng, quang năng,...  Dây dẫn : làm bằng kim loại (đồng, nhôm,...) dùng để truyền tải điện năng từ nguồn điện đến tải tiêu thụ. 1.1.2. Cấu trúc của mạch điện  Nhánh : là một đoạn mạch gồm các phần tử ghép nối tiếp nhau, trong đó có cùng một dòng điện chạy từ đầu này đến đầu kia.  Nút: là điểm nối của từ ba nhánh trở lên.  Vòng: là tập hợp nhiều nhánh tạo thành vòng kín.  Mắt lưới: là vòng mà bên trong không có vòng khác. 1.2. Các đại lượng đặc trưng của mạch điện 1.2.1. Dòng điện Dòng điện i có giá trị bằng tốc độ biến thiên của lượng điện tích q qua tiết diện ngang của một vật dẫn trong một đơn vị thời gian. Biểu thức:݅ ൌ ௗ௤ ௗ௧ Chiều điện áp quy ước là chiều từ điểm có điện thế cao đến điểm có điện thế thấp. 1.2.2. Điện áp Tại mỗi điểm trong mạch có một điện thế. Hiệu điện thế giữa hai điểm gọi là điện áp. Như vậy điện áp giữa hai điểm A và B là: ݑ஺஻ ܷ ൌ ஺ ܷ െ ஻ Chiều điện áp qui ước là chiều từ điểm có điện thế cao đến điểm có điện thế thấp. 1.2.3. Công suất Xét mạch điện như hình vẽ sau: A R ‐ + Bi A R ‐ + B uAB i A R ‐ + B uAB i Nếu chọn chiều dòng điện và chiều điện áp như hình vẽ trên thì công suất tiêu thụ bởi phần tử là: p = u.i Nếu p > 0: nhánh tiêu thụ năng lượng. p < 0: nhánh phát năng lượng. 1.3. Các loại phần tử mạch 1.3.1. Nguồn điện áp u(t) Nguồn điện áp đặc trưng cho khả năng tạo nên và duy trì một điện áp trên hai cực của nguồn. Nguồn điện áp còn được biểu diễn bằng một sức điện động e(t). Chiều e(t) từ điểm có điện thế thấp đến điểm có điện thế cao. Kí hiệu: 1.3.2. Nguồn dòng i(t) Nguồn dòng đặc trưng cho khả năng của nguồn điện tạo nên và duy trì một dòng điện cung cấp cho mạch ngoài. Kí hiệu: 1.3.3. Điện trở R Điện trở là một linh kiện điện tử thụ động trong mạch điện Điện trở R đặc trưng cho quá trình tiêu thụ điện năng và biến đổi điện năng sang dạng năng lượng khác như nhiệt năng, quang năng, cơ năng... Đơn vị của điện trở là Ω (Ohm). Kí hiệu: Quan hệ giữa dòng điện và điện áp trên điện trở là: ݑ ோ ݅. ܴൌ Với ݑ ோ là điện áp trên điện trở 1.3.4. Điện cảm L Điện cảm L đặc trưng cho quá trình trao đổi và tích lũy năng lượng từ trường. Đơn vị của điện cảm là H (Henry). Kí hiệu: Quan hệ giữa dòng điện và điện áp trên điện cảm ݑ௅ ݀݅݀ܮ ൌݐ Với ݑ ௅ là điện áp trên điện cảm L 1.3.5. Điện dung C Điện dung C của tụ điện được định nghĩa là: ൌ ܥ ݍ ݑ ஼ Điện dung C đặc trưng cho quá trình trao đổi và tích lũy năng lượng điện trường. Đơn vị của điện dung là fara (F). Kí hiệu: Quan hệ giữa dòng điện và điện áp trên điện dung C ݑ஼ ൌ 1 ܥݐ ݀. ݅න Với ݑ஼ là điện áp trên điện dung C 1.4. Các dụng cụ đo điện Vôn kế: là dụng cụ đo điện dùng để đo hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch (hoặc các dụng cụ điện như đèn...). Các Vôn kế có thể được cấu tạo từ một gavanô kế, hiển thị số liệu trên một dải liên tục thông qua một kim chỉ trên thang đo; hoặc ở dạng số không liên tục trên màn hiển thị, thông qua bộ biến đổi tương tự sang số hóa. Trong các sơ đồ mạch điện Vôn kế thường được thể hiện bằng ký hiệu (V). Một số hình ảnh vôn kế: Hình 1.1. Vôn kế và kí hiệu vôn kế - Ampe kế: là dụng cụ đo cường độ dòng điện được mắc nối tiếp trong mạch. Ampe kế dùng để đo dòng rất nhỏ cỡ miliampe gọi là miliampe kế. Tên của dụng cụ đo lường này được đặt theo đơn vị đo cường độ dòng điện là ampe. Hình 1.2. Một số loại Ampe kế - Ôm kế là dụng cụ điện dùng để đo điện trở nhiều thiết bị và đồ dùng điện. Hình 1.3. Một số loại ôm kế - Oát kế: là dụng cụ dung để đo công suất của các thiết bị và nguồn điện. - Đồng hồ vạn năng hay vạn năng kế là một dụng cụ đo lường điện có nhiều chức năng. Các chức năng cơ bản là ampe kế, vôn kế, và ôm kế, ngoài ra có một số đồng hồ còn có thể đo tần số dòng điện, điện dung tụ điện, kiểm tra bóng bán dẫn (transitor)... - Đồng hồ vạn năng có 2 loại: điện tử và chỉ thị kim Hình 1.4. Một số đồng hồ vạn năng thường dùng 1.5. Hai định luật Kirchoff 1.5.1. Định luật Kirchoff 1 Tổng đại số các dòng điện tại một nút bằng 0. Biểu thức: ∑ ݅ൌ 0 Qui ước: Nếu các dòng điện đi tới nút mang dấu dương, thì các dòng điện rời khỏi nút mang dấu âm, hoặc ngược lại. 1.5.2. Định luật kirchoff 2 Tổng đại số các điện áp trên các phần tử đi theo một vòng kín bằng 0. Biểu thức: ∑ ݑൌ 0 Qui ước: Đi theo vòng đã chọn, u lấy dấu dương nếu gặp cực dương của nguồn trước, ngược lại lấy dấu âm. 1.6. Biểu diễn dòng điện hình sine bằng số phức Quy ước: Số phức biểu diễn lại các đại lượng hình sine kí hiệu bằng chữ in hoa có dấu chấm ở trên đầu Ví dụ: ݅ ሺݐሻ ൌ ܫ√2 sinሺ ݐݓ൅ ߮ ௜ ሻ ܷൌ ሻݐሺݑ √2 sinሺ ݐݓ൅ ߮ ௨ ሻ Được biểu diễn thành hai số dưới dạng: Dạng mũ: ݁.ܫ ൌ ሶܫ ௝ఝ ೔ ൌ .ܫ∠߮ ௜ ܷ ሶ ݁.ܫ ൌ ௝ఝೠ ൌ .ܫ∠߮ ௨ Dạng đại số: ܫሶ ൌ ܫ cos߮ ௜ ߮sin ܫ ݆൅ ௜ ܷ ሶ ൌ ܫ cos߮ ௨ ߮sin ܫ ݆൅ ௨ 1.6.1. Các phép tính trên số phức: Giả sử có hai số phức: ܺ ݎ ൌ ܾ݆൅ ܽൌ ଵ ݁. ௜ఝೣ ܻ ݎ ൌ ݆݀൅ ܿൌ ଶ ݁. ௜ఝ೤ Ta có: Cộng , trừ 2 số phức: ܺ ൌ ܻേ ܿേ ܽሺ ݀േ ܾሺ ݆൅ ሻ ሻ Nhân 2 số phức: ܺ ݆൅ ݀. ܾെ ܿ. ܽൌ ܻ. ܿ. ܾ൅ ݀.ܽሺ ሻ ൌ ݎଵ ݎ .ଶ ݁. ௝ሺఝೣ ାఝ೤ ሻ Chia 2 số phức: ܻܺ ൌ ܾ݆൅ ܽሺ ሻ. ሺ ܿെ݆݀ ሻ ݆݀൅ ܿሺ ሻ. ሺ ܿെ݆݀ ሻ ൌ ݀. ܾ൅ ܿ.ܽሺ ܿሻ ݀. ܽെ ܿ.ܾሺ ݆൅ ሻ ଶ ݀൅ ଶ ൌ ݎ ଵ ݎ ଶ ݁. ௝ሺఝೣି ఝ ೤ ሻ 1.6.2. Tổng trở phức Tổng trở phức được định nghĩa là: ܼ̅ ܷ ൌ ሶ ሶܫ ܷ ൌ݁. ௝ఝ ೠ ݁.ܫ ௝ఝ೔ ܷ ൌ ܫ݁. ௝ሺఝೠି ఝ ೔ ሻ ݁. ܼൌ ௝ఝ ߮sin ܼ݆൅ ߮cos ܼൌ ݆ܺ൅ ܴൌ Trong đó: phần thực là điện trở R, phần ảo là điện kháng X. Tổng trở phức được kí hiệu bằng chữ in hoa có gạch ngang ở trênܼ̅ . Môđun của tổng trở phức Z = ܼ̅ 1.6.3. Tổng dẫn phức Tổng dẫn phức được định nghĩa là: ܻ ത ൌ ܼ̅1ൌ ܼ1ି݁. ௝ఝ ି݁. ܻൌ ௝ఝ Hoặc:ܻ ഥ ൌ ଵ ோା௝௑ ൌ ோ ோ మ ା௑ మ ݆െ ௑ ோ మ ା௑ మ ܤ ݆െ ܩ ൌ Trong đó: ܴܴ ൌ ܩ ଶ ܺ ൅ ଶ ; ܴܺ ൌ ܤ ଶ ܺ൅ ଶ ܻ; ൌ ܼ1 Tổng dẫn phức kí hiệu bằng chữ in hoa có gạch ngang ở trênܻ ത . Môđun của tổng dẫn phức: Y = ܻത 2. Mạch điện xoay chiều một pha 2.1. Khái niệm chung Dòng điện xoay chiều là dòng điện có chiều và giá trị biến đổi theo thời gian, những thay đổi này thường tuần hoàn theo một chu kì nhất định. 2.2. Cách nối mạch chỉ có R, L hoặc C a) Đối với mạch thuần điện trở Nối 2 đầu của điện trở vào một nguồn điện áp, cần lưu ý các thông số điện để điện trở không bị hỏng. Hình 1.5. Mắc điện trở trong mạch xoay chiều Cường độ dòng điện của mạch là: ࡵ ൌ ࢏࢞ࢇ࢓ ࢚࣓ܖܑܛ Điện áp trên điện trở là: ࢛ ࡾ ࡵࡾ ൌ ࢏ࡾ ൌ࢞ࢇ࢓ ࢁ ൌ ࢚࣓ܖܑܛ ࢞ࢇ࢓ࡾ ࢚࣓ܖܑܛ Trong đó: ࢁ࢞ࢇ࢓ࡾ ࡵࡾ ൌ࢞ࢇ࢓ ࢁࡾ ൌ ࢁ ࢞ࢇ࢓ࡾ √૛ ࡵࡾ ൌ Theo định luật Ohm, ta có: ࢁࡾ ൌ ࢁ ࢞ࢇ࢓ࡾ √૛ ൌ ࡵ ࢉặ࢕ࢎ ࡵࡾ ൌࢁ ࡾ ࡾ Công suất tức thời của điện trở: ࡼࡾ ࢛ൌ ሻ࢚ሺ ࡾ ࢁ ൌ ࢏࢞ࢇ࢓ࡾ ࡵ࢙࢞ࢇ࢓ ࢔࢏ ࢚૛࣓ ࢁ ൌ ࡾ ሻ࢚૛࣓ ܛܗ܋ െ ሺ૚ࡵ Công suất tác dụng: ൌ ࡼ ૚ ࢀࡼ නࡾ ࢚ࢊሻ ࢚ሺ ࢀ ૙ ൌ ૚ ࢀࢁ නࡾ ࢚૛࣓࢙࢕ࢉ െ ሺ૚ࡵ ࢚ࢊሻ ࢀ ૙ Hay: ࢁ ൌ ࡼࡾ ࡵࡾ ൌ ࡵ ૛ b) Đối với mạch thuần điện cảm Hình 1.6. Cuộn cảm trong mạch xoay chiều Cường độ dòng điện của đoạn mạch: ࡵ ൌ ࢏ ࢞ࢇ࢓ ࢚࣓ܖܑܛ Điện áp trên điện cảm là: ࢛ ࡸ ሺ࢚ሻ ൌ ࡸ ࢏ࢊ ࢚ࢊ ࢁ ൌ࢙࢞ࢇ࢓ࡸ ൅࣊ ࢚ሺ࣓࢔࢏ ૛ሻ Trong đó: ࢁ࢞ࢇ࢓ࡸ ࡵࡸ ൌ࣓ ࢞ࢇ࢓ ࢄ ൌࡸ ࡵ࢞ࢇ࢓ ࢁࡸ ൌ ࢁ ࢞ࢇ࢓ࡸ √૛ ࢄ ൌࡸ ࡵ ൌ ࡵ ࢉặ࢕ࢎࢁ ࡸ ࢄࡸ Công suất tức thời của điện cảm: ࡼࡸ ࢛ൌ ሻ࢚ሺ ࡸ ࢁ ൌ ࢏࢞ࢇ࢓ࡸ ࡵ࢞ࢇ࢓ ൅࣊ ࢚ቀ࣓ ܖܑܛ ૛ࢁ ൌ ሻ࢚ሺ࣓ ܖܑܛ ቁ ࡸ ࢚૛࣓ ܖܑܛ ࡵ Công suất tác dụng của điện cảm bằng không: ࡼࡸ ൌ ૚ ࢀࡼ නࡸ ࢚ࢊሻ ࢚ሺ ࢀ ૙ ൌ ૙ Công suất phản kháng của điện cảm: ࡽࡸ ࢁ ൌࡸ ࢄ ൌ ࡵࡸ ࡵ ૛ c) Đối với mạch thuần điện dung Hình 1.7. Tụ điện trong mạch xoay chiều Cường độ dòng điện của đoạn mạch là: ࡵ ൌ ࢏࢞ࢇ࢓ ࢚࣓ܖܑܛ Điện áp trên điện dung là: ࢛ ࢉ ሺ࢚ሻ ൌ ૚ ࡯ࢁ ൌ ࢚ࢊ࢏ න ࢙࢞ࢇ࢓࡯ െ࣊ ࢚ሺ࣓࢔࢏ ૛ሻ Trong đó: ࢁ࢞ࢇ࢓࡯ ൌ ૚࣓ ࡯ ࡵ࢞ࢇ࢓ ࢄ ൌ࡯ ࡵ࢞ࢇ࢓ ࢁ࡯ ൌ ࢁ ࢞ࢇ࢓࡯ √૛ ࢄ ൌ࡯ ࡵ ൌ ࡵ ࢉặ࢕ࢎࢁ ࡯ ࢄ ࡯ Công suất tức thời của điện dung: ࡼ࡯ ࢛ൌ ሻ࢚ሺ ࡯ ࢁ ൌ ࢏࢞ࢇ࢓࡯ ࡵ࢞ࢇ࢓ െ࣊ ࢚ቀ࣓ ܖܑܛ ૛ࢁെ ൌ ሻ࢚ሺ࣓ ܖܑܛ ቁ ࡯ ࢚૛࣓ ܖܑܛ ࡵ Công suất tác dụng của điện dung bằng không: ࡼ࡯ ൌ ૚ ࢀࡼ න࡯ ࢚ࢊሻ ࢚ሺ ࢀ ૙ ൌ ૙ Công suất phản kháng của điện dung: ࡽ࡯ ࢁെ ൌ࡯ ࢄെ ൌ ࡵ࡯ ࡵ૛ 2.3. Cách nối mạch R-L-C nối tiếp Mắc các thành phần điện trở, cuộn cảm và tụ điện được mắc nối tiếp với nhau và nối vào một nguồn điện áp. Hình 1.8. Sơ đồ mạch R-L-C nối tiếp Tổng trở của mạch: ܼ ൌ ܼඥሺ ௅ ܼെ ஼ ሻଶ ܴ൅ ଶ Cường độ dòng điện qua mạch là: ܼܷൌ ܫ Công suất của mạch là: P = U.I.cos߮ Với: cosሺ߮ ሻ ൌ ோ ௓ 2.4. Mối liên hệ giữa điện áp và cường độ dòng điện của đoạn mạch R-L-C nối tiếp Đặt vào hai đầu đoạn mạch R-L-C nối tiếp một hiệu điện thế xoay chiều thì có dòng điện xoay chiều chạy trong mạch. Vì R, L, C nối tiếp nên i qua R, L, C là như nhau: i = I 0 cos(ωt)(A). - Hiệu điện thế giữa hai đầu R: u R = U0R cos(ωt)(V) - Hiệu điện thế giữa hai đầu cuộn cảm L: u L = U0Lcos(ωt + గ ଶ )(V) - Hiệu điện thế giữa hai đầu tụ điện C: u C = U0C cos(ωt – గ ଶ )(V) - Hiệu điện thế ở đầu đoạn mạch là: u = u R + u L + uC = U 0 cos(ωt + φu )(V) - Hiệu điện thế cực đại của đoạn mạch là: ܷ ை ܷට ൌ ைோ ଶ ܷሺ ൅ ை௅ ܷെ ை஼ ሻଶ - Hiệu điện thế hiệu dụng của đoạn mạch là: ܷ ൌ ܷට ோ ଶ ܷሺ ൅ ௅ ܷെ ஼ ሻଶ - Tổng trở của đoạn mạch là: ܼ ൌ ܴඥ ଶ ܼሺ ൅ ௅ ܼെ ஼ ሻଶ - Cường độ dòng điện chạy trong đoạn mạch là ܼܷൌ ܫ ൌ ܫ ை √2 Trong đó: Uo , Io là các giá trị cực đại U, I là các giá trị hiệu dụng của mạch điện  Mạch có 3 phần tử R, L, C nối tiếp  Z L > ZC (φ ui > 0) : u nhanh pha hơn i: đoạn mạch mang tính cảm kháng.  Z L < ZC (φ ui < 0) : u chậm pha hơn i: đoạn mạch mang tính dung kháng.  Z L = ZC (φ ui = 0) : u cùng pha với i: đoạn mạch mang tính cộng hưởng. 3. Mạch điện xoay chiều ba pha 3.1. Khái niệm chung Mạch điện ba pha bao gồm các nguồn điện ba pha, đường dây truyền tải và các phụ tải ba pha.  Nguồn điện ba pha gồm ba điện áp hình sin, cùng biên độ, cùng tần số, lệch nhau về pha ଶగ ଷ gọi là nguồn ba pha đối xứng. Chúng được tạo ra trong ba dây quấn ax, by, cz của máy phát điện ba pha và có biểu thức: ݑ௔௫ ܷ ൌ ௣ . √2 sin ݐݓ ݑ௕௬ ܷ ൌ ௣ . √2 sinሺ ݐݓ൅ 120௢ ሻ ݑ௖௭ ܷ ൌ ௣ . √2 sinሺ ݐݓെ 120௢ ሻ  Nếu các tổng trở phức của các pha tải bằng nhauܼ ஺ തതത ൌ ܼ ஻ തതത ൌ ܼ ஼ തതത thì ta có tải đối xứng. Mạch điện ba pha gồm nguồn, tải, và đường dây đối xứng gọi là mạch điện ba pha đối xứng.  Nếu không thoả mãn điều kiện đã nêu gọi là mạch ba pha không đối xứng. Có hai cách nối đó là nối hình sao (Y) và nối hình tam giác (∆).  Một số ký hiệu:  Up: Điện áp pha  Ip : Dòng điện pha  Ud : Điện áp giữa các đường dây pha  Id : Dòng điện chạy trên đường dây pha từ nguồn đến tải. 3.2. Cách nối hình sao 3.2.1. Cách nối: Muốn nối hình sao ta nối ba điểm cuối của pha với nhau tạo thành điểm trung tính. Đối với nguồn, ba điểm cuối a, b, c nối với nhau tạo thành điểm trung tính n. Đối với tải, ba điểm cuối A, B, C nối với nhau tạo thành điểm trung tính N. Hình 1.9. Sơ đồ mạch ba pha nối sao 3.2.2. Quan hệ giữa đại lượng dây và pha trong cách nối hình sao đối xứng Quan hệ giữa dòng điện dây và dòng điện pha ܫௗ ܫ ൌ௣ Quan hệ giữa điện áp dây và điện áp pha ܷ ሶ ௔௕ ܷ ൌ ሶ ௔௡ ܷ െ ሶ ௕௡ ܷ ൌ ሶ ௣ . ∠0௢ ܷ െ ሶ ௣ . ∠ െ 120௢ ܷ ൌ ሶ ௔௡ . ቈ1 െ ቆെ 1 2 ݆െ √3 2 ቇ቉ ൌ ܷ ሶ ௔௡ . ቆ 3 2 ݆൅ √3 2 ቇ ܷ ൌ ሶ ௔௡ . √3. ∠30௢ Tương tự: ܷ ሶ ௕௖ ܷ ൌ ሶ ௕௡ ܷ െ ሶ ௖௡ ܷ ൌ ሶ ௕௡ . √3. ∠30௢ ܷ ሶ ௖௔ ܷ ൌ ሶ ௖௡ ܷ െ ሶ ௔௡ ܷ ൌ ሶ ௖௡ . √3. ∠30௢ 3.3. Cách nối tam giác 3.3.1. Cách nối: Hình 1.10. Sơ đồ mạch ba pha nối tam giác Muốn nối hình tam giác ta lấy điểm cuối của pha này nối với điểm đầu của pha kia. Ví dụ: a nối với A, b nối với B, c nối với C. 3.3.2. Quan hệ giữa đại lượng dây và pha trong cách nối hình tam giác đối xứng Quan hệ giữa điện áp dây và điện áp pha ܷ ௗ ܷ ൌ ௣ Quan hệ giữa dòng điện dây và dòng điện pha Áp dụng định luật kirchoff 1 tại nút A, ta có: ሶܫ௔஺ ሶܫൌ ஺஻ ሶܫെ ஼஺ ܷ ൌ ௔௫ ܼሶ ∆ ܷെ ௖௭ ܼሶ ∆ ܷ ൌ ܼ௔௫ ∆ . ቈ1 െ ቆെ 1 2 ݆൅ √3 2 ቇ቉ ሶܫൌ ஺஻ . √3. ∠ െ 30 ௢ Tương tự: ሶܫ௕஻ ሶܫൌ ஻஼ ሶܫെ ஺஻ ሶܫൌ ஻஼ . √3. ∠ െ 30 ௢ ሶܫ௖஼ ሶܫൌ ஼஺ ሶܫെ ஻஼ ሶܫൌ ஼஺ . √3. ∠ െ 30 ௢ 3.4. Công suất mạch điện ba pha 3.4.1. Công suất tác dụng Công suất tác dụng P của mạch ba pha bằng tổng công suất tác dụng của các pha. Gọi PA , PB, PC tương ứng là công suất tác dụng của pha A, B, C ta có: P = PA + PB + PC ܷ ൌ ஺ ܫ஺ ߮cos ஺ ܷ൅ ஻ ܫ஻ ߮cos ஻ ܷ൅ ஼ ܫ஼ ߮cos ஼ Khi mạch ba pha đối xứng: ܷ ஺ ܷൌ ஻ ܷൌ ஼ ܷൌ ௣ ܫ஺ ܫ ൌ஻ ܫ ൌ஼ ܫ ൌ௣ ߮cos ஺ ൌ cos߮ ஻ ൌ cos߮ ஼ ൌ cos߮ Ta có: ܲ ܷ3 ൌ ௣ ܫ௣ ߮cos ܲ ൌ ܷ√3 ௗ ܫௗ ߮cos Hoặc: ܲ ܴ3 ൌ ௣ ܫ ௣ ଶ Trong đó:߮ là góc lệch pha giữa điện áp pha và dòng điện pha tương ứng. Rp là điện trở pha. 3.4.2. Công suất phản kháng Công suất phản kháng Q của mạch điện ba pha là: ܳ ܳൌ ஺ ܳ൅ ஻ ܳ൅ ஼ ܷൌ ஺ ܫ஺ ߮sin ஺ ܷ൅ ஻ ܫ஻ ߮sin ஻ ܷ൅ ஼ ܫ஼ ߮sin ஼ Khi mạch đối xứng ta có: ܳ ܷ3 ൌ ௉ ܫ௉ ߮sin ൌ √3ܷ ௗ ܫௗ ߮sin ܺ3 ൌ ௣ ܫ ௣ ଶ Trong đóܺ ௣ là điện kháng pha 3.4.3. Công suất biểu kiến Công suất biểu kiến của mạch ba pha đối xứng ܵ ܲඥ ൌ ଶ ܳ൅ ଶ = 3ܷ ௣ ܫ௣ = ܷ √3 ௗ ܫௗ Chương 2. Tìm hiểu về phần mềm Matlab 1. Giới thiệu về Matlab Matlab là một ngôn ngữ lập trình với bộ công cụ hỗ trợ cho rất nhiều ngành kỹ thuật. Nó làm được tất cả các phép tính toán học cơ bản như cộng, trừ, nhân, chia, các phép tính nâng cao như số phức, căn thức, số mũ, Logarithm, các phép toán lượng giác như sine, cosine, tang, và nó cũng có khả năng lập trình,... Trong thực tế Matlab còn ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực và nó sử dụng rất nhiều các phép tính toán học. Với những đặc điểm đó và khả năng thân thiện với người sử dụng nên nó dễ dàng sử dụng hơn các ngôn ngữ lập trình khác như: Basic, Pascal,… Matlab cung cấp một môi trường phong phú cho biểu diễn dữ liệu và có khả năng mạnh mẽ về đồ họa, bạn có thể tạo các giao diện riêng cho người sử dụng (Guide) để giải quyết những vấn đề cho riêng mình. Thêm vào đó Matlab đưa ra những công cụ để giải quyết những vấn đề đặc biệt, gọi là Toolbox (hộp công cụ). Ví dụ Student Edition của Matlab bao gồm cả Toolbox điều khiển tự động, Toolbox xử lí số liệu, Toolbox biểu tượng toán học. Ngoài ra bạn cũng có thể tạo Toolbox cho riêng mình. 1.1. Các phép toán đơn giản Giống như máy tính đơn giản thông thường, Matlab có thể thực hiện các phép toán thông thường như bảng sau: Bảng 1. Bảng các phép toán thông thường trong Matlab Phép tính Biểu tượng Ví dụ Phép cộng (a + b) + 5+3 Phép trừ (a - b) - 7-4 Phép nhân (a.b) 84 Phép chia (a : b) hoặc\ 568 = 8\56 Phép lũy thừ (a b ) ^ 5^ 2 Trong các phép toán trên có mức độ ưu tiên khác nhau, khi tính từ...

ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MATLAB TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG CÁC BÀI THÍ NGHIỆM KỸ THUẬT ĐIỆN

Thông tin tài liệu

Từ khóa liên quan

Tài liệu cùng người dùng

Tài liệu liên quan