Xây dựng phần mềm giải các bài toán kỹ thuật điện sử dụng Matlab

Bài viết đã xây dựng phần mềm tính toán, giải một số bài toán kỹ thuật điện sử dụng công cụ Matlab. Các kết quả giải của phần mềm đã đáp ứng được yêu cầu. Trên cơ sở này có thể phát triển phần mềm để tính toán và giải các bài toán tổng quát về kỹ thuật điện. Bài viết có ý nghĩa thực tiễn trong công tác đào tạo nhân lực ngành Điện.

CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/4/2018 XÂY DỰNG PHẦN MỀM GIẢI CÁC BÀI TOÁN KỸ THUẬT ĐIỆN SỬ DỤNG MATLAB IMPLEMENTATION SOFTWARE TO CALCULATE ELECTRICAL CIRCUITS USING MATLAB 1Phòng PHẠM TÂM THÀNH1, NGUYỄN KHẮC KHIÊM2 Khoa học - Công nghệ, Trường ĐHHH Việt Nam 2Trường ĐHHH Việt Nam Tóm tắt Bài báo xây dựng phần mềm tính tốn, giải số toán kỹ thuật điện sử dụng công cụ Matlab Các kết giải phần mềm đáp ứng yêu cầu Trên sở phát triển phần mềm để tính tốn giải toán tổng quát kỹ thuật điện Bài báo có ý nghĩa thực tiễn cơng tác đào tạo nhân lực ngành Điện Từ khóa: Mạch điện, tính tốn, kỹ thuật điện Abstract The paper proposed software to calculate electrical circuit using Matlab tool These calculate results of software are suitable Based on this software, we can develop this software for general problems This paper is contributed in training electrical human resources Keywords: Electrical circuit, calculate, eletrical engineering Đặt vấn đề Đối với kỹ sư điện, việc giải toán kỹ thuật điện quan trọng, sở, tảng để nghiên cứu đánh giá mạch điện hệ thống điện Các toán kỹ thuật điện giới thiệu chi tiết [1], [2] Việc giải toán kỹ thuật điện thường phức tạp nhiều thời gian không sử dụng công cụ hỗ trợ Để trợ giúp cho điều cần phải xây dựng phần mềm tính tốn giải tốn kỹ thuật điện Với phát triển công nghệ thơng tin, nhiều phần mềm, ngơn ngữ lập trình đời, sử dụng để giải yêu cầu Matlab cơng cụ mạnh tính tốn mơ [6] hữu ích kỹ sư điện, tiết kiệm thời gian lập trình, nâng cao lực tính tốn Một số tài liệu ứng dụng Matlab để giải toán kỹ thuật, tốn mơ hình hóa [4], [5], [7] sử dụng giao diện đồ họa GUI Matlab để hiển thị kết tính tốn Tài liệu [3] hướng dẫn chi tiết số ứng dụng Matlab để giải toán kỹ thuật Bài báo đề xuất ứng dụng cơng cụ Matlab để xây dựng phần mềm tính toán giải toán kỹ thuật điện Phân tích giải tốn mạch điện pha Các định luật phương pháp đưa số tài liệu [1], [2] Chúng ta ứng dụng lý thuyết để giải số mạch điện điển hình 2.1 Mạch gồm nhánh RLC mắc song song Ta có mạch điện Hình Các bước để tính dòng điện, cơng suất điện trở mạch đây: - Biết u=U0 2sinωt;R1,L1,C1,L2 ,R2 Hình Mạch điện pha gồm nhánh RLC mắc song song 14 Hình Mạch điện pha gồm nhánh RLC mắc song song mắc nối tiếp với nhánh RLC Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 54 - 4/2018 CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/4/2018 - Biểu diễn số phức: - Tìm dòng điện theo biểu thức: I1 I2 I U U0 Z1 Z1 (A); U U (A); Z2 Z2 I1 I2 I (A) I1 I2 I (A) (A) - Tìm cơng suất theo biểu thức : 2.2 Mạch gồm nhánh RLC mắc song song mắc nối tiếp với nhánh RLC Ta có mạch điện Hình Cách tính dòng điện, cơng suất điện trở mạch: - Biết: u=U0 2sinωt ; R1, L1, C1, R2, L2, C2, R3, L3, C3 - Biểu diễn số phức: - Tính dòng điện qua mạch theo biểu thức: - Tính hiệu điện Ů12 theo biểu thức: - Tính dòng điện lại: - Áp dụng cơng thức tính độ lớn số phức để tìm độ lớn dòng điện Áp dụng cơng thức P=R.I2 để tìm cơng suất điện trở Công suất mạch tổng công suất thành phần 2.3 Mạch hai nút - ba vòng Ta có mạch điện Hình Cách tính dòng điện, công suất điện trở mạch sau: - Biết: u1=U01 sinωt; u2=U02 sinωt - Chọn chiều vòng Hình - Biểu diễn số phức: Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 54 - 4/2018 15 CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/4/2018 Hình Quy ước chiều vòng Hình Mạch điện pha hai nút - ba vòng - Áp dụng phương pháp dòng điện nhánh - Phương trình Kirchhoff nút A: I1 I I3 (1) - Phương trình Kirchhoff cho hai vòng a, b: Z1 I1 Z3 I3 U1 U 01 Z I Z3 I (2) U2 U02 (3) - Giải hệ phương trình (1), (2) (3) ta tìm dòng điện phức İ1, İ2, İ3 Áp dụng cơng thức tính độ lớn số phức để tìm độ lớn dòng điện Áp dụng cơng thức P=R.I để tìm cơng suất điện trở Công suất mạch tổng cơng suất thành phần 2.4 Mạch cầu Ta có mạch điện Hình Chúng ta đưa cách tính dòng điện, cơng suất điện trở mạch Biết: U, Z1, Z2, Z3, Z4, Z5 Chọn chiều vòng Hình Hình Mạch cầu 16 Hình Chọn vòng cho mạch cầu Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 54 - 4/2018 CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/4/2018 - Phương trình Kirchhoff cho nút (tùy ý) : I I1 I3 I1 I I5 (4) (5) I3 I5 I (6) - Phương trình Kirchhoff cho vòng (đã chọn): Z1 I1 Z5 I5 Z3 I3 (7) (8) Z I Z I Z5 I Z3 I Z I U (9) Giải hệ phương trình (4) ÷ (9) ta tìm dòng điện nhánh Áp dụng cơng thức P=R.I2 để tìm công suất điện trở Công suất mạch tổng công suất thành phần Xây dựng giao diện phần mềm tính tốn số kết 3.1 Giao diện giải toán mạch điện pha Kết giải toán mạch điện pha phần đưa vào phần mềm Matlab, giao diện hiển thị dùng công cụ GUI Matlab kết giao diện hiển thị Hình Hình giao diện chương trình, việc giải số toán mạch điện pha thực giao diện Tiến trình sử dụng Matlab để giải số toán mạch điện pha chương trình gồm bước sau: - Chọn dạng mạch điện; - Quan sát mạch điện hiển thị; - Nhập giá trị vào vùng “Nhập kiện”; - Nhấn nút “Tính” để hiển thị kết quả, sau tùy chọn để vẽ biểu đồ dòng điện; - Quan sát kết hiển thị Trường hợp cụ thể: Một mạch gồm hai nhánh RLC mắc song song có liệu sau: U=220; XL1=10Ω, Xc2=8Ω ; R1=10 R2=6Ω Ta chọn ω1=2 Hình Giao diện kết Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 54 - 4/2018 17 CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/4/2018 3.2 Giao diện giải mạch điện ba pha Tương tự mạch điện pha, sau tiến hành giải mạch điện ba pha, tiến hành cài đặt viết chương trình tính, giao diện hiển thị sử dụng Matlab Giao diện cho phép người dùng để giải số toán mạch điện ba pha chương trình gồm bước sau: - Chọn dạng mach điện; - Quan sát mạch điện hiển thị; - Nhập giá trị vào vùng “Bảng nhập số liệu”; - Nhấn nút “Dòng điện dây”, “Dòng điện pha”, “Điện áp dây”, “Điện áp pha”, “Cơng suất” để hiển thị kết tương ứng; - Quan sát kết hiển thị Ví dụ: Ta cần giải mạch điện ba pha đối xứng nguồn nối - tải nối tam giác có thơng số sau: Điện áp nguồn U=100V, Zd=1Ω, f=50hz, R1=R2=R3=9Ω, L1=L2=L3=28,7mH, ba pha khơng có tụ điện Ta chọn sơ đồ nhập liệu sau: Hình Ví dụ chọn mạch đối xứng nguồn nối - tải nối tam giác Các kết hiển thị: 18 Hình Giao diện hiển thị dòng điện dây Hình 10 Giao diện hiển thị dòng điện pha Hình 11 Giao diện hiển thị điện áp Hình 12 Giao diện hiển thị cơng suất Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 54 - 4/2018 CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/4/2018 3.3 Tính tốn máy biến áp hai dây quấn công suất nhỏ a Các bước thực giao diện người dùng Các bước sử dụng giao diện người dùng để tính tốn máy biến áp hai dây quấn chương trình: Bước 1: Chọn loại mạch từ, số đầu vào, số đầu Bước 2: Nhập giá trị vào vùng “Thông số vào ra” vùng “Chọn hệ số” Để trống ô “Mật độ dòng điện j”, “Bề dày e kh” vùng “Chọn hệ số” để nhập sau biết công biểu kiến S2 Bước 3: Nhấn nút “Cập nhật” để tính thơng số a max, amin, S2, sau với giá trị tìm S2 ta tra Bảng Bảng để chọn mật độ dòng điện j; tra Bảng để chọn bề dày khuôn ekh Đồng thời chọn kích thước ngang lõi thép a với amin < a < amax Bước 4: Nhấn nút “Tính” để tính thơng số lại Bước 5: Nhấn nút “Kết quả” để xem kết hiển thị Dùng nút “Tiếp theo” “Quay lại” để xem kết Bảng Quan hệ J theo S2 (khi biến áp làm việc dài hạn) S2 (VA) - 50 50 - 100 100 - 200 200 - 500 500 - 1000 J (A/mm2) 3,5 2,5 Bảng Quan hệ J với S2 (khi biến áp làm việc dài hạn) S2 (VA) - 50 50 - 100 100 - 200 200 - 500 500 - 1000 J (A/mm2) 6-5 5,5 - 4,5 5-4 4,5 - 3,5 4-3 Bảng Chọn bề dày khuôn ekh theo cấp công suất biến áp S2 S2 (VA) - 100 100 - 200 200 - 500 500 - 1000 1000 - 3000 ekh (mm) 0,5 ÷ 1 1,5 ÷ 2÷3 3÷4 b Q trình tính tốn máy biến áp hai dây quấn Giả sử ta cần tính biến áp hai dây quấn Máy biến áp loại ba đầu vào ba đầu Các thông số vào sau: Đầu vào: U11 = 110(V), U12 = 220(V), U13 = 380(V); Đầu ra: U21 = 30(V), U22 = 60(V), U23 = 18(V), I21 = 5(A), I22 = 2(A), I23 = 1(A); Loại mạch từ EI: Chọn Khd = 1; Lá thép kỹ thuật điện có hàm lượng silic từ 2% ÷ 4%: Chọn B = 1,2; Loại dây quấn dây đồng tiết diện tròn: Chọn Kq = 0,93; Các hệ số Ch sau : Ch1 = 1,065, Ch2 = 1,075, Ch3 = 1,2 Sau nhập thông số cửa sổ nhập thơng số ta có kết tính tốn Hình 13, 14 (gồm có trang) Hình 13 Giao diện xuất kết tính tốn MBA hai dây quấn (trang 1) Hình 14 Giao diện xuất kết tính tốn MBA hai cuộn dây (trang 2) Kết luận Bài báo phân tích giải số mạch điện Ứng dụng phần mềm Matlab xây dựng giao diện phần mềm tính tốn, giải mạch điện pha, mạch điện ba pha, tính tốn máy biến áp Với kết Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 54 - 4/2018 19 CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/4/2018 đạt ban đầu báo sở để tiến hành phân tích, giải toán tổng quát kỹ thuật điện, hệ thống điện, phục vụ cho học viên, sinh viên ngành Điện TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đặng Văn Đào, Kỹ thuật điện, Nhà xuất Giáo dục, 1997 [2] Nguyễn Kim Đính, Bài tập kỹ thuật điện, Nhà xuất ĐHQG TP Hồ Chí Minh, 2003 [3] Nguyễn Hồi Sơn, Ứng dụng Matlab tính tốn kỹ thuật, Nhà xuất ĐHQG TP Hồ Chí Minh, 2000 [4] Vương Tấn Sĩ, Giáo trình Matlab, Nhà xuất Đại học Cần Thơ, 2000 [5] Nguyễn Phùng Quang, Matlab&Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2002 [6] Phần mềm Matlab Version 7.0.1 Service Pack MatWork [7] Abdullah Eroglu, Complete Modeling of Toroidal Inductors for High Power RF Applications, IEEE Transactions on Magnetics, Vol.48, No.11, pp 4526-4529, 2012 Ngày nhận bài: 14/03/2018 Ngày nhận sửa: 02/04/2018 Ngày duyệt đăng: 06/04/2018 20 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 54 - 4/2018 ... MBA hai cuộn dây (trang 2) Kết luận Bài báo phân tích giải số mạch điện Ứng dụng phần mềm Matlab xây dựng giao diện phần mềm tính tốn, giải mạch điện pha, mạch điện ba pha, tính tốn máy biến áp... diện giải toán mạch điện pha Kết giải toán mạch điện pha phần đưa vào phần mềm Matlab, giao diện hiển thị dùng công cụ GUI Matlab kết giao diện hiển thị Hình Hình giao diện chương trình, việc giải. .. trình, việc giải số toán mạch điện pha thực giao diện Tiến trình sử dụng Matlab để giải số toán mạch điện pha chương trình gồm bước sau: - Chọn dạng mạch điện; - Quan sát mạch điện hiển thị; - Nhập