Ứng dụng phần mềm mô phỏng SIMULINK trong tính toán và khảo sát thiết bị điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI TRẦN VĂN DƯƠNG ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MƠ PHỎNG SIMULINK TRONG TÍNH TỐN VÀ KHẢO SÁT THIẾT BỊ ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI TRẦN VĂN DƯƠNG ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MƠ PHỎNG SIMULINK TRONG TÍNH TỐN VÀ KHẢO SÁT THIẾT BỊ ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyªn ng nh : Điện khí hố M· sè : 60.52.54 Ng−êi h−íng dÉn khoa häc: TS TRẦN QUANG KHÁNH HÀ NỘI - 2012 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn cơng trình khoa học riêng thực hướng dẫn TS Trần Quang Khánh Các số liệu sử dụng luận văn thu thập từ nguồn gốc hợp pháp có trích dẫn rõ ràng Những tài liệu đặc biệt đồng ý tác giả trích dẫn sử dụng luận văn Hà Nội, ngày 20 tháng năm 2012 Tác giả Trần Văn Dương Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………… i LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn nhận hướng dẫn nhiệt tình thầy giáo TS Trần Quang Khánh với ý kiến đóng góp quý báu thầy giáo, cô giáo Bộ môn Điện kỹ thuật – Khoa điện, Viện sau Đại học Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội đọc đóng góp nhiều ý kiến q báu để luận văn tơi hồn chỉnh Tơi xin bày tỏ lịng cảm ơn chân thành sâu sắc tới giúp đỡ q báu Tơi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh tạo điều kiện cần thiết cho việc nghiên cứu luận văn Tôi xin bày tỏ biết ơn chân thành tới gia đình, đồng nghiệp bạn bè người bên giúp đỡ vật chất tinh thần suốt trình học tập hoàn thành luận văn Hà Nội, ngày 20 tháng năm 2012 Tác giả Trần Văn Dương Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………… ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC .iii DANH MỤC CÁC HÌNH v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vii LỜI NÓI ĐẦU viii CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP MƠ HÌNH MƠ PHỎNG SIMULINK 1.1 Phương pháp mô ứng dụng hệ thống điện 1.2 Các khối thư viện SimPowerSystems thuộc Simulink 1.3 Hệ đơn vị tham số khối chức 1.3.1 SOURCES: 1.3.2 SINKS: 12 1.3.3 DISCRETE: 14 1.3.4 LINEAR: 18 1.3.5 NONLINEAR: khoi toan 21 1.4 Sử dụng thư viện SPS xây dựng sơ đồ mô thiết bị hệ thống điện.27 1.4.1 Nguyên lý xây dựng khối kỹ thuật điện 27 1.4.3 Mô hình cuộn kháng bảo hịa 31 CHƯƠNG CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA MÁY ĐIỆN 38 2.1 Máy điện quay: 38 2.1.1 Máy điện chiều 38 2.1.2 Máy điện không đồng 39 2.1.3 Máy điện đồng 40 2.2 Máy biến áp pha: 42 Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………… iii CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH MƠ PHỎNG THỬ NGHIỆM ĐỘNG CƠ ĐIỆN 44 3.1 Xây dựng mơ hình mơ thử nghiệm máy điện chiều 44 3.2 Xây dựng mơ hình mơ thử nghiệm máy điện đồng 50 3.3 Xây dựng mô hình mơ thử nghiệm máy điện khơng đồng 56 CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH MƠ PHỎNG THỬ NGHIỆM MBA63 4.1 MBA Ba pha hai cuộn dây 63 4.2 MBA Ba pha ba cuộn dây 66 4.3 MBA bão hòa từ 69 CHƯƠNG THỰC HIỆN CHƯƠNG TRÌNH KHẢO NGHIỆM MÁY ĐIỆN 73 5.1 Khai báo tham số chạy mô hình khảo sát máy điện 73 5.1.1 Mơ hình mơ máy điện chiều: 73 5.1.2 Mơ hình mơ máy điện đồng bộ: 76 5.1.3 Mơ hình mơ máy điện khơng đồng bộ: 78 5.1.4 Mơ hình mơ máy biến áp pha cuộn dây: 81 5.1.5 Mơ hình mơ máy biến áp pha cuộn dây: 84 5.1.6 Mơ hình mơ máy biến áp bão hịa từ: 85 5.2 Đánh giá chương trình mơ thiết bị điện 87 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 88 TÀI LIỆU THAM KHẢO 90 Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………… iv DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Thư viện Simulink Hình 1.2 Mơi trường soạn thảo Simulink Hình 1.3 Lấy khối từ thư viện Hình 1.4 Thư viện phần rời rạc (Discrete) Hình 1.5 Thư viện Đồ thị (SINKS) Hình 1.6 Thư viện Phần tuyến tính (LINEAR) Hình 1.7 Thư viện Phần phi tuyến (NONLINEAR) Hình 1.8 Thư viện Phần đầu nối (CONECTIONS) Hình 1.9 Thư viện BLOCKSETS TOOLBOXES Hình 1.10 Khối kỹ thuật điện 28 Hình 1.11 Mơ hình biến trở phi tuyến 29 Hình 1.12 Khối biến dòng điện áp 30 Hình 1.13 Mơ hình biến trở phi tuyến có lọc 31 Hình 1.14 Hàn truyền từ thơng dịng cuộn kháng 32 Hình 1.15 Sơ đồ mơ cuộn kháng bão hồ 32 Hình 1.16 Động chiều kích từ độc lập 33 Hình 1.17 Mơ hình đồ thị mơmen điện từ vận tốc 35 Hình 1.18 Mơ hình mơ động nguồn dịng có điều khiển 36 Hình 1.19 Mơ hình tổ hợp động 37 Hình 2.1 Lá thép lõi thép stato 40 Hình 2.2 Cấu tạo rotor động không đồng 40 Hình 2.3 Mặt cắt ngang trục máy: 41 Hình 2.4 Mơ hình máy biến áp pha 42 Hình 3.1 Mơ hình mơ máy điện chiều 45 Hình 3.2 Cử sổ khai báo tham số 47 Hình 3.3 Sơ đồ mơ động chiều khởi động cấp 49 Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………… v Hình 3.4 Sơ đồ mô động chiều khởi động cấp 49 Hình 3.5 Kết mơ 50 Hình 3.6 Sơ đồ thay máy điện đồng 51 Hình 3.7 Sơ đồ mơ máy điện đồng 55 Hình 3.8 Kết mô 55 Hình 3.9 Sơ đồ thay máy điện không đồng 56 Hình 3.10 Sơ đồ mơ động dị 62 Hình 3.11 Kết mơ 62 Hình 4.1 Sơ đồ mô máy biến áp pha cuộn dây 65 Hình 5.1 Mơ hình mô máy điện chiều 73 Hình 5.2 Kết mơ 75 Hình 5.3 Mơ hình mơ máy điện đồng 76 Hình 5.4 Kết mô 78 Hình 5.5 Mơ máy điện khơng đồng 79 Hình 5.6 Kết mô 81 Hình 5.7 Mơ hình mơ máy biến áp pha cuộn dây: 82 Hình 5.8 Kết mơ 83 Hình 5.9 Mơ hình mơ máy biến áp pha cuộn dây 84 Hình 5.10 Kết mô 85 Hình 5.11 Mơ hình mơ máy biến áp bão hòa từ: 86 Hình 5.12 Kế mơ 87 Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………… vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT CA Dây quấn kiểu đồng tâm HA Dây quấn kiểu xen kẽ SI Hệ đơn vị đo lường quốc tế CS Công suất SĐĐ Sức điện động RLC Mạch có thành phần điện trở, điện cảm, điện dung MBA Máy biến áp MC Mơ men cản V-A Đặc tính vôn ampe DC Động điện chiều DSP Hệ thống thơn tin mơ khối TL Cổng chuyển tín hiệu mô men cản Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………… vii LỜI NÓI ĐẦU Bên cạnh dạng truyền động khí, khí nén, truyền động điện sử dụng vô rộng rãi trở thành khâu chấp hành khơng thể thiếu q trình tự động hố Ở đâu có chuyển động học, cần đến thiết bị điện làm khâu trung gian để chuyển hố điện thành dịng với đặc tính cần thiết Việc điều khiển xác dòng tạo nên chuyển động phức tạp dây truyền công nghệ nhiệm vụ hệ thống truyền động Bởi truyền động điện môn khoa học ứng dụng kiến thức lý thuyết tự động điều khiển, tiến cơng nghệ vi điện tử vi tính, nhằm gán cho máy điện tính cao, đáp ứng địi hỏi q trình tự động hố đặt cho thiết bị Sự thâm nhập vũ bão kỹ thuật vi tính, đặc biệt kỹ vi xử lý tín hiệu cho phép giải thuật toán phức tạp điều khiển thiết bị điện điều kiện thời gian thực với chất lượng cao Đối với kỹ sư Cơ tin nói riêng người nghiên cứu khoa học - kỹ thuật nói chung, mơ cơng cụ quan trọng cho phép khảo sát đối tượng, hệ thống hay trình kỹ thuật - vật lý, mà khơng thiết phải có đối tượng hay hệ thống thực Được trang bị cơng cụ mơ mạnh có hiểu biết phương pháp mơ hình hố, người kỹ sư có khả rút ngắn thời gian giảm chi phí nghiên cứu – phát triển sản phẩm cách đáng kể Điều đặc biệt có ý nghĩa sản phẩm hệ thống kỹ thuật phức hợp với giá trị kinh tế lớn Với mục đích đó, luận án tốt nghiệp chun ngành điện khí hố ứng dụng khơng ngồi mục đích giúp kỹ sư tiếp cận sử dụng thành thạo phần mềm mơ với trợ giúp máy tính để giải vấn đề kỹ thuật Cụ thể luận án tốt nghiệp này, với nhiệm vụ là: “ Mô thiết bị điện thư viện SIMULINK ”, sử dụng công cụ mô Matlab MathWork luận án gồm năm chương: Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………… viii - Mômen quán tính J (кг*м^2), hệ số ma sát F (Н*м*с) số cặp cực p Kích đúp vào khối Synchronous Machine đ khai báo tham số : Chạy chương trình: Simulation/Start Kết hiển thị khối Scope: Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………… 77 Hình 5.4 Kết mơ Phân tích kết quả: Kết hình hiển thị qua khối scope gồm: - Dòng điện pha iA - Dòng điện stato Is - Tốc độ quay N - Công suất phụ tải P Khi mở máy phần ứng bắt đầu có điện, dịng điện biến thiên tỉ lệ với tốc độ quay roto Sau khoảng 1,5 s giá trị ổn định giá trị xác lập (hình 4) 5.1.3 Mơ hình mô máy điện không đồng bộ: Sơ đồ mô máy điện không đồng 3HP-220v 50 Hz-1725 rpm: Thiết lập sơ đồ: Ta gắp khối Asynchronous Machine từ thư viện Machines; khối ngồn từ thư viện Electrical Source; khối Scope từ thư viện Sinks; số khối chức khác Rồi ta kết nối khối lại sơ đồ sau: Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………… 78 Hình 5.5 Mơ máy điện không đồng Tham số khối: - Công suất định mức Pn (VА), giá rtrij hiệu dụng điện áp Un (V) tần số định mức fn (Hz) - Điện trở Rs ( ) điện cảm Ls (H) stator - Điện trở Rs ( ) điện cảm Ls (H) rotor - Hỗ cảm (H) - Mơmen qn tính J (kg*m^2), hệ số ma sát F (N*m*s) số cặp cực p - [Điều kiện ban đầu] Tham số khai báo dạng vector .Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………… 79 Kích đúp vào khối Asynchronous Machine để khai báo tham số : Chạy chương trình: Simulation/Start Kết hiển thị khối Scope: Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………… 80 Hình 5.6 Kết mơ Kết hình hiển thị qua khối scope gồm: - Tốc độ quay roto N - Mơmem điện từ Te động - Dịng điện qua cuộn dây roto Ir,stato Is 5.1.4 Mơ hình mô máy biến áp pha cuộn dây: Sơ đồ mô máy biến áp pha cuộn dây 500/230 kV hệ thống 500kV: Thiết lập sơ đồ mô phỏng: Ta gắp khối Three-Phase Transformer từ thư viện Element; khối Three Phase Source từ thư viện Electrical Source; khối Load từ thư viện Element v.v số khối chức khác kết nối khối lại sơ đồ sau: Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………… 81 Hình 5.7 Mơ hình mơ máy biến áp pha cuộn dây: Tham số khối: - Công suất danh định Pn đơn vị vôn-ampe(VA) tần số danh định fn đơn vị Hertz(Hz) - Thông số cuộn dây 1: điện áp danh định V1 pha-pha(Vrms),điện trở(pu),điện cảm(pu) - Thông số cuộn dây 2: điện áp danh định V2 pha-pha(Vrms),điện trở(pu),điện cảm(pu) - Điện trở từ hóa Rm(pu) - Tham số ban đầu: Nếu chọn, tham số ban đầu xác định [phi0A phi0B phi0C] Kích đúp vào khối Three-Phase Transformer (Two Windings) để khai báo tham số : Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………… 82 Chạy chương trình: Simulation/Start Kết hiển thị khối Scope: Hình 5.8 Kết mơ Kết hình hiển thị qua khối scope gồm: - Điện áp pha Va (pu) - Dòng điện Iabc (A) .Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………… 83 5.1.5 Mơ hình mơ máy biến áp pha cuộn dây: Sơ đồ mô máy biến áp pha cuộn dây: Thiết lập sơ đồ: Gắp khối Three-Phase Transformer (Three Windings) từ thư viện Element; khối nguồn từ Electrical Source; khối đường dây từ Element; khối phụ tải,khối hiển thị Scope v.v Rồi kết nối lại sơ đồ: Hình 5.9 Mơ hình mơ máy biến áp pha cuộn dây Tham số khối: - Công suất danh định Pn đơn vị vôn-ampe(VA) tần số danh định fn đơn vị Hertz(Hz) - Thông số cuộn dây: điện áp danh định V pha-pha(Vrms), điện trở(pu), điện cảm(pu) - Điện trở từ hóa Rm(pu) - Đặc tính bão hòa - Tham số ban đầu: Nếu chọn, tham số ban đầu xác định [phi0A phi0B phi0C] .Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………… 84 Kích đúp vào khối Three-Phase Transformer (Three Windings) khai báo tham số : Kết mơ phỏng: Hình 5.10 Kết mơ Kết hình hiển thị qua khối scope gồm: - Đồ thị điện áp pha MBA - Đồ thị điện áp pha MBA 5.1.6 Mơ hình mơ máy biến áp bão hịa từ: Sơ đồ mơ máy biến áp bão hịa từ: Thiết lập sơ đồ: Gắp khối Saturable Transformer từ thư viện Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………… 85 Element; khối nguồn từ Electrical Source; khối phụ tải từ thư viện Element; khối Scope từ thư viện Sinks; số khối chức khác Và kết nối lại sơ đồ sau: Hình 5.11 Mơ hình mơ máy biến áp bão hịa từ: Tham số khối: - Công suất danh định Pn đơn vị vôn-ampe(VA) tần số danh định fn đơn vị Hertz(Hz) - Thông số cuộn dây : điện áp danh định V1(Vrms), điện trở(pu), điện cảm(pu) - Tham số đặc tính bão hòa - Tham số ban đầu: điện kháng, phi0 Cửa sổ khai báo tham số : Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………… 86 Hình 5.12 Kế mơ 5.2 Đánh giá chương trình mơ thiết bị điện Sự kết hợp thư viện khác Simulink hàm MATLAB cho phép SimPowerSystems có khả tuyệt vời việc mô hoạt động hệ thống kỹ thuật điện Kết luận: Từ sơ đồ mô thiết bị điện cho ta biết đặc tính cơng suất, từ thơng, điện áp, dịng điện, tốc độ…Từ ta điều chỉnh tham số hệ tuyến tính hay phi tuyến miền thời gian phi tuyến .Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………… 87 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ + Kết luận Mặc dù việc mô hình hố thiết bị điện trở lên đơn giản dễ dàng, nhiên mơ hình Simulink riêng hệ máy điện phong phú ghép vào hệ điều khiển chuyển động với tất thuật toán chế ngự thiết bị điện, chế ngự hàm truyền cịn trở lên phong phú phức tạp nhiều, vượt khả máy tính, thực tế, sử dụng khối có sẵn từ thư viện Simulink, ta phải tự tạo da khối sử dụng hàm S-Function Áp dụng khả đặc biệt Simulink SimPowerSystems, người sử dụng khơng mô hoạt động thiết bị khoảng thời gian xét, mà cịn thực dạng phân tích khác thiết bị như: giải tích chế độ xác lập mạng điện, phân tích chất lượng điện, ổn định hệ thống điện v.v SimPowerSystems cho phép mơ trình phức tạp hệ thống trình chuyển đổi lượng chỉnh lưu, trình độ hệ thống điện v.v Có thể nói Simulink - SimPowerSystems coi phương tiện mô thiết bị hệ thống điện thuận tiện hiệu Chương trình đưa giảng dạy cho sinh viên ngành điện mang đến hiệu to lớn, vừa giúp sinh viên tiếp cận toán sở ngành cách mẻ đồng thời giúp tiếp cận với phần mềm mô Simulink - SimPowerSystems matlab, phần mềm có nhiều ứng dụng ngành điện So với chương trình phần mềm khác Solidworkr, Crocodile, ANSYS, DEFORM, Proteur Simulink-SimPowerSystems có nhiều ưu điểm dao diện, sử dụng, tốc độ mô phỏng… Cuối sau thời gian thực luận án hướng dẫn giúp đỡ tận tình TS Trần Quang Khánh, bạn đồng nghiệp tơi hồn thành chương trình luận án với việc thiết kế hệ mơ Simulink cho thiết bị điện, có hiểu biết phương pháp mô hệ thống điện, thiết bị điện, từ Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………… 88 khảo sát đối tượng, hệ thống hay q trình kỹ thuật - vật lý khơng thiết phải có hệ thống thực, rút ngắn thời gian chi phí - Hiệu kinh tế: Chương trình ứng dụng ngành điện giúp giảm đáng kể thời gian công sức người việc tính tốn khảo sát phần mền so với chuẩn bị thiết bị thực tế đắt tiền thiết bị điện + Kiến nghị: - Với nhiều ưu điểm chương trình mơ Simulink matlab thật cần đưa vào giảng dạy thực tế giúp sinh viên, kỹ sư điện cán ngành điện tiếp cận - Với trường Đại Học, Cao Đẳng mong chương trình đuợc áp dụng nhiều giảng dạy làm thí nghiệm nhằm phục vụ cơng tác học tập nghiên cứu khoa học sinh viên giảng viên nhà trường .Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………… 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] SimPowerSystems User’s Guide, TransÉnergie Technologies Inc., under sublicense from Hydro-Québec, and The MathWorks, Inc 2002 [2] Nguyễn Phùng Quang-MATLAB SIMULINK ,NXB KH [3] Trần Quang Khánh, Matlab ứng dụng Tập 1,2 – NXB KH KT 2005 KT, Hà Nội 2010 Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………… 90 .Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………… 91 ... DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI TRẦN VĂN DƯƠNG ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MƠ PHỎNG SIMULINK TRONG TÍNH TỐN VÀ KHẢO SÁT THIẾT BỊ ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyªn ng nh : Điện. .. R – điện trở tác dụng mạch phần ứng; L – điện cảm mạch phần ứng; J – mơ men qn tính tổng hợp phần ứng phụ tải; Сω - hệ số liên hệ vận tốc SĐĐ; СМ – hệ số liên hệ dịng điện phần ứng mơ men điện. .. (1 - ) Trong đó: u – điện áp cuộn dây phần ứng động cơ; e – suất điện động (SĐĐ) phần ứng; i – dòng điện phần ứng; Ф – từ thơng, tạo cuộn dây kích thích; M – mô men điện từ động cơ; MС – mô men