Chương 4 XÂY DỰNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG THIẾT BỊ CHỈNH LƯU

Chương XÂY DỰNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG THIẾT BỊ CHỈNH LƯU 4.1 Mục đích mô phỏng: Mô công cụ quan trọng cho phép khảo sát đối tượng, hệ thống hay trình kỹ thuật, mà không thiết phải có đối tương hay hệ thống thực Điều có ý nghĩa đặc biệt kỹ sư thiết kế điện Bởi lẽ, trước bắt tay vào công việc lắp mạch cụ thể, người thiết kế quan sát có nhận định tương đối xác hệ thống thông qua mô hình thiết kế phần mềm, từ đưa phương án điều chỉnh, thay đổi tham số mô hình cho phù hợp với yêu cầu đặt Sử dụng phần mềm mô có ích lợi lớn phải thiết kế hệ thống, thiết bị phức tạp, có giá trị kinh tế lớn từ phần mềm mô ta chọn phần tử, linh kiện, thiết bị với thông số xác định phù hợp với hệ thống, thiết bị thực cần thiết kế mà tốn nhiều thời gian chỉnh định, thay linh kiện cho hệ thống trình thiết kế, đồng thời giảm đáng kể chi phí cho việc thiết kế hệ thống thiết bị phức tạp 4.2 Mô thiết bị chỉnh lưu chương trình viết từ m file 4.2.1 Giao diện sử dụng: Từ Layout Editor (cử sổ GUI - Graphical User Interface), hộp thoại công cụ, ta tạo công cụ sau: • text: dùng để đặt tên, thích cho cho công cụ khác nhằm tạo thuận lợi cho người sử dụng phần mềm • popupmenu: menu sổ xuống, trình bày loại thiết bị chỉnh lưu Người dùng chọn thiết bị • radiobutton: click chuột vào để chọn thuộc tính mà người sử dụng quan tâm • edit: công cụ dùng để truy xuất liệu • frame: khung dùng để nhóm công cụ mô tả đối tượng • pushbutton: nút ấn Sau bố trí công cụ Layout Editor thay đổi thuộc tính cuả chúng, ta giao diện hình 4.1 Từ giao diện, người dùng thay đổi tùy ý thiết bị chỉnh lưu thông số thiết bị mà mong muốn để mô Chú thích giao diện: Chọn loại thiết bị chỉnh lưu Chọn thiết bị chỉnh lưu có diode V0 hay diode V0 Nhập giá trị hiệu dụng điện áp lưới Nhập giá trị tần số điện áp lưới Nhập giá trị điện cảm nguồn điện 46 Nhập giá trị điện trở nguồn điện Nhập giá trị suất điện động tải Nhập giá trị điện cảm tải Nhập giá trị điện trở tải 10 Chọn đơn vị cho góc mở 11 Nhập giá trị góc mở 12 Hiển thị dạng sóng dòng điện chỉnh lưu, điện áp chỉnh lưu điện áp đặt van 13 Xóa liệu 14 Thoát khỏi phần mềm mô 15 Hiển thị giá trị dòng điện chỉnh lưu trung bình 16 Hiển thị giá trị điện áp chỉnh lưu trung bình 17 Hiển thị giá trị điện áp ngược cực đại đặt lên van 16 17 15 10 11 13 12 14 Hình 4.1: Giao diện phần mềm 4.2.2 Lưu đồ thuật toán mô thiết bị chỉnh lưu Thuật toán mô thiết bị chỉnh lưu hoàn toàn dựa vào lý thuyết trình bày chương chương Mục trình bày lại kết đạt để từ xây dựng lưu đồ thuật toán cho chương trình mô Chú ý: hệ số, đại lượng dùng biểu thức định nghĩa chương chương 1/ Trường hợp Lk=0 a/ Thiết bị chỉnh lưu diode V0 Điện áp cấp cho tải lúc mở van: + Thiết bị chỉnh lưu cầu ba pha: u d = 3U m sin ( θ ) (V) + Các thiết bị chỉnh lưu lại: u d = U m sin ( θ ) (V) 47 Dòng điện chỉnh lưu: Từ biểu thức điện áp, sử dụng định luật Kietchoff tìm biểu thức dòng điện id = Um U   − sin ( θ - ϕ ) + i d ( θ z ) − m sin ( θ z − ϕ )  × e Z Z   θ −θ z ωτ − Eu R θ −θ z −  1 − e ωτ       Để biết dòng điện chỉnh lưu bắt đầu có giá trị kết thúc thời điểm nào, ta cần xác định hai thông số: dòng điện bắt đầu i d(θz) góc kết thúc θk Dựa vào điều kiện liên tục id(θz) = id(θk) θk = θz + 2π p Ta tìm id(θz) theo biểu thức: id (θz ) θ −θ θ −θ − k z   − k z  U = m × sin ( θ k − ϕ ) − sin ( θ z − ϕ ) × e ωτ  × 1 − e ωτ Z    −1  E  − u  R  Sau kiểm tra xem id(θz) > hay id(θz) ≤ • Nếu id(θz) > θ −θ θ −θ − k z   − k z Um  ωτ  id (θz ) = × sin ( θ k − ϕ ) − sin ( θ z − ϕ ) × e  × 1 − e ωτ Z    2π θk = θz + p −1  E  − u  R  • Nếu id(θz) ≤ id (θz ) = θk tìm dựa vào phương trình sau: − Um U sin ( θ k − ϕ ) − m sin ( θ z − ϕ ) × e Z Z θ k −θ z ωτ − Eu R θ −θ − k z  1 − e ωτ    =0   b/ Thiết bị chỉnh lưu có diode V0 + Khi nhịp V0 chưa hoạt động: tương tự trường hợp a, ta tìm biểu thức ud id + Khi nhịp V0 hoạt động: ud = i d = i d ( piV0 ) ⋅ e − θ − piV ωτ′ − Eu Ru θ − piV −   ⋅ 1 − e ωτ′    Với: i d ( piV0 ) = Um U   − ⋅ sin ( piV0 - ϕ ) + i d ( θ z ) − m sin ( θ z − ϕ )  ⋅ e Z Z   piV −θ z ωτ − Eu R piV −θ z −  ⋅ 1 − e ωτ  Ta cần xác định diode V0 có hoạt động hay không, id(θz), piV0 θk piV0 xác định theo phương trình: U m sin ( piV 0) − Rk id ( piV 0) = 48     id (θz ) = b − b1 ⋅ c a ⋅ b1 − • Nếu id(θz) > 2π Đặt θ k2 = θ z + p o θk2 > piV0: diode V0 có hoạt động, θk = θk2 i d ( θ z ) = b − b1 ⋅ c a ⋅ b1 − o θk2 ≤ piV0: diode V0 không hoạt động Ta trở lại phân tích trường hợp thiết bị chỉnh lưu diode V0 • Nếu id(θz) ≤  cR u  + 1 + piV0  Eu  Đặt θ k1 = ωτ ′ ⋅ ln  o θk1 > piV0: diode V0 có hoạt động, θk = θk1 i d ( θ z ) = o θk1 ≤ piV0: diode V0 không hoạt động Ta trở lại phân tích trường hợp thiết bị chỉnh lưu diode V0 2/ Trường hợp Lk ≠ Giả thiết:  Trong thiết bị chỉnh lưu diode V0  Rk =  Trong khoảng thời gian trùng dẫn id = constant Ta sử dụng điều kiện liên tục để tìm id(θz) trường hợp 1a • Nếu id(θz) ≤ 0: không xảy trùng dẫn, ta trở lại phân tích thiết bị chỉnh lưu trường hợp 1a • Nếu id(θz) > 0: xảy trùng dẫn.Ta cần xác định góc trùng dẫn µ tìm lại id(θz)  Khi θz ≤ θ ≤ θz +µ : + Dòng điện qua van van vừa mở: iV1(θ) + Dòng điện qua tải: idtd(θ)  Khi θz +µ < θ ≤ θk + Dòng điện qua tải: id(θ) Các biểu thức iV1(θ),idtd(θ),id(θ) trình bày cụ thể chương 3, mục 3.5  Điều kiện biên: iV1(θz +µ) = idtd(θz +µ)  Điều kiện liên tục: id(θz) = id(θk) Dựa vào điều kiện biên điều kiện liên tục ta tìm µ id(θz) Từ phân tích ta xây dựng lưu đồ thuật toán cho chương trình mô Ta xây dựng lưu đồ thuật toán cho ba trường hợp tiêu biểu: p = 1, Lk = 0, Lk ≠ Trong lưu đồ thuật toán có sử dụng biến V0 để kiểm tra xem thiết bị chỉnh lưu có mắc thêm diode V0 hay không (V0 = 1: có diode V0, V0 = 0: diode V0) 49 Lưu đồ thuật toán cho trường hợp p = Nhập: U, f, Lk, Rk, Eu, Lu, Ru, α, V0 Tính: Um, L, R, ω, Z, τ, τ’, ϕ, θz V0 = Đúng Sai id(θz), piV0 id(θz) ≤ Sai Đúng id(θz) = Tìm θk id(θz) = Tính lại piV0 θk θk > piV0 Đúng Dòng điện chỉnh lưu gián đoạn θk > piV0 Sai Đúng Sai Dòng điện chỉnh Dòng điện chỉnh lưu gián đoạn, lưu liên tục, diode V0 hoạt diode V0 hoạt động động Tìm biểu thức: id, ud, uv Tính : Id, Ud, Uvngmax Xuất kết quả: Dạng sóng: id, ud, uv Giá trị: Id, Ud, Uvngmax 50 Lưu đồ thuật toán cho trường hợp Lk = 0, p > Nhập: U, f, Lk, Rk, Eu, Lu, Ru, α, V0 Tính: Um, L, R, ω, Z, τ, τ’, ϕ, θz V0 = Sai Đúng θk = θ z + i d (θ z ) id(θz), piV0 2π p id(θz) ≤ Sai Đúng id(θz) ≤ Sai id(θz) = Tính lại piV0 θk Đúng id(θz) = Tính lại θk θk > piV0 Đúng Dòng điện chỉnh lưu gián đoạn Dòng điện chỉnh lưu liên tục Dòng điện chỉnh lưu gián đoạn, diode V0 hoạt động θk > piV0 Sai Đúng Sai Dòng điện chỉnh lưu liên tục, diode V0 hoạt động Tìm biểu thức: id, ud, uv Tính : Id, Ud, Uvngmax Xuất kết quả: Dạng sóng: id, ud, uv Giá trị: Id, Ud, Uvngmax 51 Lưu đồ thuật toán cho trường hợp Lk ≠ 0, p > Nhập: U, f, Lk, Rk, Eu, Lu, Ru, α Tính: Um, L, R, ω, Z, τ, τ’, ϕ, θz id(θz) Sai id(θz) ≤ Đúng id(θz) = Tính lại θk Tính µ, id(θz) Dòng điện chỉnh lưu liên tục, có trùng dẫn Dòng điện chỉnh lưu gián đoạn Tìm biểu thức: id, ud, uv Tính : Id, Ud, Uvngmax Xuất kết quả: Dạng sóng: id, ud, uv Giá trị: Id, Ud, Uvngmax 52 4.3 Mô thiết bị chỉnh lưu Simulink: 4.3.1 Thư viện Simulink Thư viện Sources Khối Constant tạo nên số thực phức Hằng số scalar, vector hay ma trận, tùy theo cách ta khai báo tham số Constant Value ô Interpret vector parameters as 1-D có chọn hay không Nếu ô chọn ta khai báo tham số Constant Value vector hàng hay cột với kích cỡ [1 x n] hay [n x 1] dạng ma trận Nếu ô không chọn, vector hàng hay cột sử dụng vector với chiều dài n, tức tín hiệu 1-D Khối Sine Wave sử dụng để tạo tín hiệu hình sin cho hai loại mô hình: liên tục (tham số Sample time = 0) gián đoạn (tham số Sample time = 1) Tín hiệu đầu y phụ thuộc vào ba tham số chọn: Amplitude, Frequency Phase sở quan hệ y = Amplitude.sin(Frequency.time+Phase) Vì thứ nguyên (đơn vị) Phase [rad], ta khai báo trực tiếp giá trị Phase hệ số nhân với π Giống khối Constant, ta sử dụng tham số tùy chọn Interpret vector parameters as 1-D để định tín hiệu có giá trị scalar hay vector hay ma trận Thư viện Sinks Khối Scope hiển thị tín hiệu trình mô Khi click đôi nhấp phải chuột sau nhấp vào Open blocks hộp thoại Scope Properties xuất Tại trang chọn General ta đặt chế độ cho trục Khi đặt Number of axes > 1, cửa sổ Scope có nhiều đồ thị Nếu điền số cụ thể vào ô Time range, đồ thị biểu diễn tới thời điểm giá trị số xác định Tại ô Sampling, chọn chế độ Decimation ta chọn “hệ số loại bỏ” Ví dụ, giả sử ghi 100 có nghĩa là: đọc vào 100 giá trị Scope hiển thị giá trị (99 giá trị bị loại bỏ) Ô floating scope giúp chọn chế độ hiển thị hay đồng thời nhiều tín hiệu mô hình SIMULINK, nhiều đường tín hiệu không cần nối với khối Scope nữa: Khi chọn ô floating scope, đường tín hiệu tới Scope tự động ẩn Trong mô phỏng, tín hiệu đánh dấu hiển thị Việc đánh dấu thực cách nhấn giữ phím Shitf PC, đồng thời nháy chuột vào đường tín hiệu muốn đánh dấu, thông qua Signal Selector (nháy chuột phải vào cửa sổ Scope mô hình mô chạy) Khi chọn float scope cần bảo đảm rằng: Tham số Signal storage reuse thuộc trang Advanced hộp thoại Simulation Parameters đặt off Nếu nháy chuột phải vào trục cửa sổ Scope chọn Axes properties ta có 53 thêm số khả đặt chế độ cho trục Khi nháy chuột vào nút Properties cửa sổ Scope, sau tới trang chọn Data history, ta có thêm số khả tác động tới khối lượng số liệu hiển thị cất Để hiển thị toàn số liệu trình mô phỏng, ta không chọn ô Limit data points to last, ta khai báo số lượng điểm thực tế lấy vào Save data to workspace với tên khai báo Variable name Format (Array Number of axes = 1, Structure Structure with time Number of axes ≥ 1) Khối Terminator dùng để kết thúc khối đầu khối không nối đến khối khác Khi ta mô khối mà có đầu không kết nối Simulink xuất cảnh báo ta nối Terminator vào đầu trình mô mô hình diễn bình thường mà dòng cảnh báo Thư viện Math Operations Khối Gain có tác dụng khuyếch đại tín hiệu đầu vào (định dạng 1-D hay 2-D) biểu thức khai báo ô Gain Biểu thức số hay biến Nếu biến, biến phải tồn môi trường Matlab Workspace, SIMULINK tính toán với biến Nhờ thay đổi giá trị tham số Multiplication ta xác định: Phép nhân biến vào với Gain thực theo phương thức nhân ma trận hay nhân phần tử Khối Relation Operator thực kết hai tín hiệu đầu vào theo toán tử so sánh chọn ô Operator Biến nhận giá trị (TRURE , đúng) hay (FALSE, sai) Nếu tham số Boolean logic signals (trang Advanced hộp thoại Simulation Parameters) chọn off, tín hiệu boonlean double Thư viện Ports&Subsytems Khối Subsystem sử dụng để tạo hệ thống khuôn khổ mô hình SIMULINK Việc ghép với mô hình thuộc tầng cấp thực nhờ khối Inport (cho tín hiệu vào) Outport (cho tín hiệu ra) Số lượng đầu vào/ra khối Subsystem phụ thuộc số lượng khối Inport Outport Đầu vào/ra khối Subsystem đặt theo tên mặc định của khối Inport Outport Nếu chọn Format/Hide Port Labels menue cửa sổ khối Subsystem, ta ngăn chặn cách đặt tên kể chủ động đặt cho Inport Outport tên phù hợp với ý nghĩa vật lý chúng 54 Inport Outport khối đầu vào, đầu mô hình mô Tại hộp thoại Block Parameters ta điền vào ô Part number số thứ tự khối SIMULINK tự động đánh số khối Inport Outport cách độc lập với nhau, Khi ta bổ sung thêm khối Inport hay Outport, khối nhận số thứ tự Khi xóa khối đó, khối lại tự độnng đánh số Trong hợp thoại Block Parameters Inport, ta có ô Port with dùng để khai báo bề rộng tín hiệu vào Khi ghép tín hiệu có bề rộng lớn bé bề rộng khai báo với Inport, SIMULINK báo lỗi Cần lưu tâm đến vài tham số quan trọng khác khối Outport Ví dụ, Output when disabled cho hệ thống biết cần xử lý tín hiệu hệ thống mô ngừng không chạy (xóa không hay giữ nguyên giá trị cuối cùng) Initial Output cho biết giá trị cần phải lập cho đầu Thông qua khối Inport Outport thuộc tầng (chứ thuộc hệ thống con), ta chó thể cất vào hay lấy số liệu khỏi môi trường Workspace Để làm điều ta phải kích hoạt ô Input Output trang Workspace I/O hộp thoại Simulation Parameters khai báo (ở ô điền chữ bên cạnh) tên biến cần lấy số liệu vào, hay tên biến mà ta gửi số liệu tới Thư viện Signal Routing Khối Mux có tác dụng giống chập kênh (multiplexer), có tác dụng chập tín hiệu 1-D riêng rẽ (tức là: tín hiệu scalar hay vector) thành vector tín hiệu Nếu số tín hiệu riêng rẽ 2-D (ma trận tín hiệu), ta tập hợp tín hiệu riêng rẽ thành Bus tín hiệu Tại ô tham số Number of inputs ta khai báo tên, kích cỡ số lượng tín hiệu vào Khối Demux có tác dụng ngược với khối Mux: Tách tín hiệu chập từ nhiều tín hiệu riêng rẽ trở lại thành tín hiệu riêng rẽ Khối Demux làm việc theo chế độ vector (Bus selection mode =off) theo chế độ chọn Bus (Bus selection mode = on) Ở chế độ vector, Demux chấp nhận tín hiệu 1-D đầu vào tách tín hiệu 1-D thành tín hiệu riêng rẽ khai báo Number of outputs Tham số Number of outputs khai báo dươi dạng số nguyên > hay dạng vector hàng Khi khai báo vector hàng, việc tách phần tử thành tín hiệu hoàn toàn phụ thuộc vào bề rộng tín hiệu vào, số lượng bề rộng tín hiệu mà ta khai báo Khi chọn chế độ bus selection, Demux chấp nhận Bus tín hiệu đầu vào khối 55 Khối Selector cho ta khả tách khỏi Bus tín hiệu 1-D (vetor) hay 2-D (ma trận) phần tử riêng lẻ để sau gom chúng lại thành tín hiệu 1-D hay 2-D Thư viện Signal Attributes Khối Data Type Conversion biến đổi tín hiệu đầu vào thành kiểu liệu xác định dựa vào việc khai báo thông số Data Type Tín hiệu vào thực hay phức Nếu tín hiệu vào thực tín hiệu thực, tín hiệu vào phức tín hiệu phức Thư viện Electrical Sources Khối AC Voltage Source cung cấp nguồn điện áp xoay chiều lý tưởng theo quan hệ u = U m sin ( 2π.f.t + ϕ ) Trong đó: u [V]: điện áp tức thời Um[V]: điện áp cực đại f[Hz]: tần số ϕ[độ]: pha ban đầu Khối DC Voltage Source cung cấp nguồn điện áp chiều lý tưởng Cực ký hiệu dấu ‘+’ đầu Giá trị điện áp thay đổi thời điểm mô Thư viện Elements Khối Series RLC Branch cung cấp nhánh R, L, C mắc nối tiếp Tùy theo cách khai báo giá trị 0, 0, inf (vô cùng) cho R, L C tương ứng block parameter Series RLC Branch mà nhánh RLC có tồn R hay L hay C Thư viện Power Electronic Khối Thyristor cung cấp mô hình thyristor thực tế Thyristor linh kiện bán dẫn mở theo tín hiệu điều khiển Mô hình thyristor mô tả giống mạch nối tiếp gồm: khóa, điện trở Ron, điện cảm Lon nguồn áp chiều Vf Khóa điều khiển tín logic phụ thuộc vào điện áp UAK, dòng điện IAK tín hiệu cổng g 56 Khối Diode cung cấp mô hình diode thực tế Khi phân cực thuận (Vak > 0), diode bắt đầu dẫn dòng điện áp rơi diode bé Diode khóa dòng qua giảm xuống không Khi phân cực ngược (Vak < 0), diode trạng thái khóa Khối Universal Bridge cung cấp biến đổi cầu ba pha, bao gồm khóa mắc theo sơ đồ cầu, khóa phải loại là: thyristor, diode, IGBT-diode, MOSFET-diode, GTOdiode, khóa lý tưởng, tùy thuộc vào cách khai báo Universal Bridge/block parameters/power Electronic device Thư viện Measurements Khối Current Measurement dùng để đo dòng điện phần tử mang điện hay dây dẫn Khối Voltage Measurement dùng để đo điện áp hai đầu phần tử mang điện Thư viện Connectors Khối Ground cung cấp đường nối đất Có hai loại Ground Ground Output dùng để nối vơi nguồn điện Ground Input dùng để nối với tải Thư viện Extra/Control Blocks Khối Synchronized 6-Pulse Generator dùng để tạo xung cấp cho biến đổi cầu ba pha tia pha 4.3.2 Mô hình mô thiết bị chỉnh lưu: Từ khối thư viện simulink, ta xây dựng mô hình mô cho thiết bị chỉnh lưu Xem mô hình mô trang sau 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 ... bình 17 Hiển thị giá trị điện áp ngược cực đại đặt lên van 16 17 15 10 11 13 12 14 Hình 4. 1: Giao diện phần mềm 4. 2.2 Lưu đồ thuật toán mô thiết bị chỉnh lưu Thuật toán mô thiết bị chỉnh lưu hoàn... Id, Ud, Uvngmax Xuất kết quả: Dạng sóng: id, ud, uv Giá trị: Id, Ud, Uvngmax 52 4. 3 Mô thiết bị chỉnh lưu Simulink: 4. 3.1 Thư viện Simulink Thư viện Sources Khối Constant tạo nên số thực phức Hằng... cầu ba pha tia pha 4. 3.2 Mô hình mô thiết bị chỉnh lưu: Từ khối thư viện simulink, ta xây dựng mô hình mô cho thiết bị chỉnh lưu Xem mô hình mô trang sau 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67