Bài viết trình bày ứng dụng lý thuyết về Lý thuyết mạch và Phương pháp mô hình hóa trên máy tính để nghiên cứu, xây dựng lưu đồ thuật toán, thiết kế giao diện và viết chương trình nhằm mô phỏng thí nghiệm, thực hành (TN – TH) ảo về Lý thuyết mạch mà không phải dùng các thiết bị thật.
JOURNAL OF SCIENCE Q U Y N H O N U N I V E RS I T Y Virtual lab of three-phase electric power experiments Doan Duc Tung*, Le Thai Hiep, Doan Thanh Bao Department of Engineering and Technology, Quy Nhon University Received: 15/05/2019; Accepted: 15/06/2019 ABSTRACT The paper presents the application of theory of electric theory and modeling methods to develop algorithms flowchart and build graphic user interface designs on computers The program aims to simulate virtual experiments of three phase electric power theory without having to use pratical devices Typical applications of the program are to simulate symmetrical and asymmetrical three-phase circuit experiments for analyzing the relationship among the phase and the magnitude of currents, the line to line and line to ground voltages under the star- (Y) and delta(∆) connected configurations in the symmetrical three-phase system Moreover, it could be used to measure the 3-phase load power capacity by the 1-wattmeter and 2-wattmeter methods Each process of measuring, calculating and processing results of the software program is verified and retested accurately with the practical experiments Finally, this paper shows results in the form of tables or graphs within the experiment scopes Keywords: Virtual experiment, three-phase circuit, symmetrical circuit, asymmetrical circuit, star circuit, delta circuit Corresponding author Email: doanductung@qnu.edu.vn * Journal of Science - Quy Nhon University, 2019, 13(3), 19-26 19 TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN Thí nghiệm ảo mạch điện ba pha Đoàn Đức Tùng*, Lê Thái Hiệp, Đoàn Thanh Bảo Khoa Kỹ thuật Công nghệ, Trường Đại học Quy Nhơn Ngày nhận bài: 15/05/2019; Ngày nhận đăng: 15/06/2019 TÓM TẮT Bài báo trình bày ứng dụng lý thuyết Lý thuyết mạch Phương pháp mơ hình hóa máy tính để nghiên cứu, xây dựng lưu đồ thuật tốn, thiết kế giao diện viết chương trình nhằm mơ thí nghiệm, thực hành (TN – TH) ảo Lý thuyết mạch mà dùng thiết bị thật Kết thực mô cho thí nghiệm mạch điện ba pha đối xứng khơng đối xứng với nội dung phân tích, nghiệm lại quan hệ pha mơ đun dịng, áp dây pha hệ pha đối xứng nối hình (Y) hình tam giác (∆); đo cơng suất tải pha theo phương pháp wattmet, wattmet; xuất kết đo dạng bảng số liệu đồ thị Từ khóa: Thí nghiệm ảo, mạch điện ba pha, mạch đối xứng, mạch không đối xứng, mạch hình sao, mạch hình tam giác ĐẶT VẤN ĐỀ Một yêu cầu cấp thiết việc đổi phương pháp dạy học tăng cường sử dụng phương tiện dạy học đại ứng dụng công nghệ thông tin dạy học Đặc biệt ngành kỹ thuật việc sử dụng phương tiện dạy học đại ứng dụng công nghệ thơng tin có ý nghĩa quan trọng giai đoạn phát triển nhanh công nghệ Việc hạn chế trang thiết bị đại đào tạo nhằm đáp ứng cho mô đun, môn học dẫn đến việc sinh viên sau tốt nghiệp thường gặp nhiều lúng túng bỡ ngỡ thực hành Có thể khắc phục hạn chế cách xây dựng thí nghiệm - thực hành ảo có đủ mơ hình trang thiết bị thật để sinh viên làm quen với thiết bị, thao tác thiết bị, đo đạc thông số vật lý, khảo sát đặc tính, thử nghiệm dễ dàng chế độ mạch, đọc số thiết bị đo cách thành thạo nhằm trau dồi kỹ năng.4,5,6,7 Do vậy, việc xây dựng thí nghiệm - thực hành ảo Lý thuyết mạch bao gồm thiết bị đo lường đại panel thí nghiệm tổng hợp có ý nghĩa lớn công tác đào tạo, giảng dạy nghiên cứu sở đào tạo MẠCH ĐIỆN BA PHA 2.1 Khái quát - Nguồn điện ba pha lấy từ máy phát điện xoay chiều đồng ba pha từ máy biến áp ba pha trạm biến áp Nguồn áp đối đối xứng có sức điện động (sđđ) hồn tồn giống lệch 1200 ứng với thời gian 1/3 chu kỳ Ta có biểu thức sđđ đó.1 Sức điện động pha A: Sức điện động pha B: Tác giả liên hệ Email: doanductung@qnu.edu.vn * 20 Tạp chí Khoa học - Trường Đại học Quy Nhơn, 2019, 13(3), 19-26 JOURNAL OF SCIENCE Q U Y N H O N U N I V E RS I T Y Sức điện động pha C: - Về trị số hiệu dụng: Id = If - Về góc pha : Id = If - Nếu nguồn điện nối riêng rẽ với tải có tổng trở pha ZA, ZB, ZC ta có hệ thống ba pha gồm ba mạch pha khơng liên hệ (hình 1) Mỗi mạch điện gọi pha mạch điện ba pha.1 A • eC C 2.2.2 Sơ đồ nối tam giác - tam giác (Δ- Δ): + Quan hệ điện áp dây điện áp pha: iA • eA ZA X Z Y eB B ZB iB iC ZC Hình Sơ đồ nối Δ- Δ - Về trị số hiệu dụng: Ud = Uf - Về góc pha: Ud = Uf Hình Hệ thống pha nối riêng rẽ - Mạch ba pha không liên hệ (hình 1), thực tế khơng dùng cách nối dây khơng kinh tế Thường ba pha nguồn nối liền với nhau, ba pha tải nối liền với có đường dây ba pha nối nguồn với tải, dẫn điện từ nguồn đến tải Thơng thường dùng cách nối: nối hình (ký hiệu Y) nối hình tam giác (ký hiệu Δ).1 2.2 Quan hệ dòng điện điện áp dây, pha mạch pha đối xứng 2.2.1 Sơ đồ nối - (Y- Y) + Quan hệ điện áp dây điện áp pha: + Quan hệ dòng điện dây dòng điện pha: - Về trị số hiệu dụng: Dòng điện dây lần dòng điện pha: Id = If - Về góc pha: dịng điện dây chậm sau dịng điện pha 300 2.3 Đo công suất tải pha Wattmet 2.3.1 Đo công suất mạch ba pha đối xứng Ta cần đo công suất pha, công suất ba pha là: P = 3Pf = P1 pha với P1 - số oatmét (Wattmeter) Hình Đo cơng suất wattmet Hình Sơ đồ nối - (Y- Y).2 2.3.2 Đo công suất mạch ba pha không đối xứng: - Về trị số hiệu dụng: điện áp dây lớn điện áp pha lần: Để đo công suất mạch ba pha bốn dây không đối xứng ta dùng ba oatmét để đo công suất pha Công suất ba pha là:1,2,3 - Về góc pha: UAB vượt trước UA 300 + Quan hệ dòng điện dây dòng điện pha: P = PA + PB + PC Journal of Science - Quy Nhon University, 2019, 13(3), 19-26 21 TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN Trên sở kỹ thuật lập trình ngơn ngữ MatLab, báo xây dựng thí nghiệm lý thuyết mạch có giao diện hình Hình Đo cơng suất wattmet Hình Đo công suất wattmet Với mạch ba pha ba dây đối xứng khơng đối xứng dùng hai oatmét nối dây hình Cơng suất tồn mạch là: Hình Giao diện thí nghiệm - thực hành ảo lúc khởi động Trên giao diện nhấn vào Tab “Thu vien” lấy thiết bị để lắp mạch thí nghiệm thực hành Giao diện thiết bị hình P = P1 + P2 = PA + PB + PC THÍ NGHIỆM ẢO MẠCH ĐIỆN BA PHA Xuất phát từ sở khoa học lý thuyết mạch điện, kết hợp với kỹ thuật lập trình MatLab báo nghiên cứu xây dựng mơ hình thí nghiệm để thực mơ cho thí nghiệm Lý thuyết mạch, phần trình bày thí nghiệm “Mạch ba pha đối xứng không đối xứng” Quá trình thực thí nghiệm thực theo sơ đồ hình Sinh viên thực bước thí nghiệm theo liên kết sơ đồ, sinh viên xem thí nghiệm mẫu để thuận tiện cho việc làm thí nghiệm Hình Giao diện thiết bị thí nghiệm ảo Trên giao diện thiết kế với nhiều tính như: Chọn thực hành mẫu có (có bài, có nhiều sơ đồ thí nghiệm), thư viện thiết bị thí nghiệm, lưu hiển thị liệu cho lần làm thí nghiệm Hình Sơ đồ q trình tiến hành thí nghiệm 22 Từ giao diện hình thư viện thí nghiệm hình ta lắp đặt Tạp chí Khoa học - Trường Đại học Quy Nhơn, 2019, 13(3), 19-26 JOURNAL OF SCIENCE Q U Y N H O N U N I V E RS I T Y mạch thí nghiệm theo nhu cầu cần khảo sát tiến hành khảo sát để thu nhập liệu a Bài báo trình bày kết thực thí nghiệm ảo: mạch điện ba pha đối xứng đấu Y, mạch ba pha đối xứng đấu ∆ mạch ba pha không đối xứng đấu Y0 3.1 Mạch điện pha đối xứng đấu Y Từ giao diện hình thư viện thí nghiệm hình 9, tiến hành lắp mạch điện pha đối xứng đấu Y Sơ đồ thí nghiệm lắp đặt từ chương trình hình 10 b Hình 10 Sơ đồ thí nghiệm mạch điện pha đối xứng đấu Y Tiến hành khảo sát (chạy chương trình) ta số liệu dịng điện, điện áp, cơng suất hiển thị thiết bị đo hình 11 Hình 12 a) Hiển thị số liệu; b) dạng sóng điện áp dịng điện Trong q trình làm thí nghiệm kết đọc số liệu từ đồng hồ hiển thị Giao diện mô (hình 11), đọc phân tích Giao diện (hình 12) Kết trích xuất bảng Hình 11 Kết đo số liệu thí nghiệm mạch điện pha đối xứng đấu Y Có thể xuất số liệu thí nghiệm vẽ đặc tính giao diện hình 12: Bảng Kết đo thí nghiệm mạch pha đối xứng đấu Y Cơng suất (W) Dòng điện (A) Điện áp (V) P1 1434.951 I1 2.20 UfA=U1 220.0 P2 1411.203 I2 2.20 UfB=U2 220.0 I3 2.20 UfC=U3 220.0 UBC=U4 381.1 Un0=U 0.0 Journal of Science - Quy Nhon University, 2019, 13(3), 19-26 23 TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN Qua kết thí nghiệm ta nghiệm lại quan hệ điện áp pha điện áp dây lý thuyết có b 3.2 Mạch điện pha đối xứng đấu ∆ Tiến hành lắp mạch điện pha đối xứng đấu ∆, sơ đồ thí nghiệm lắp đặt từ chương trình hình 13 b) Hình 15 Hiển thị số liệu dạng sóng điện áp dịng điện Hình 13 Sơ đồ thí nghiệm mạch điện pha đối xứng đấu ∆ Tiến hành khảo sát (chạy chương trình) ta số liệu dịng điện, điện áp, cơng suất hiển thị thiết bị đo hình 14 Hình 14 Kết đo số liệu thí nghiệm mạch điện pha đối xứng đấu ∆ Có thể xuất số liệu thí nghiệm vẽ đặc tính giao diện hình 15 a 24 Kết trích xuất bảng Bảng Kết đo thí nghiệm mạch điện pha đối xứng đấu ∆ Cơng suất (W) Dịng điện (A) Điện áp (V) P1 1950.008 IfA=I1 3.00 UfA 381.05 P2 1931.498 IfA=I2 3.00 UfB 381.05 IfA=I3 3.00 UfC 381.05 IdAC= I4 1.73 UAC=U1 381.05 IdBA= I5 1.73 UBA=U2 381.05 IdCB= I6 1.73 UCB=U3 381.05 Qua kết thí nghiệm ta nghiệm lại quan hệ dòng điện pha dịng điện dây lý thuyết có 3.3 Mạch điện pha không đối xứng đấu Y0 Từ giao diện chương trình thư viện thiết bị, tiến hành lắp mạch điện pha không đối xứng (nguồn đối xứng, tải không đối xứng) ta sơ đồ thí nghiệm hình 16 Tạp chí Khoa học - Trường Đại học Quy Nhơn, 2019, 13(3), 19-26 JOURNAL OF SCIENCE Q U Y N H O N U N I V E RS I T Y b Hình 16 Sơ đồ thí nghiệm mạch điện pha khơng đối xứng đấu Y0 Hình 18 Hiển thị số liệu dạng sóng điện áp dòng điện Tiến hành khảo sát, thực chương trình ta số liệu hình 17 Khi thay đổi giá trị điện trở R1 ta kết bảng Bảng Kết đo thí nghiệm mạch pha khơng đối xứng Hình 17 Kết đo số liệu thí nghiệm KẾT LUẬN Trong q trình làm thí nghiệm, kết đọc từ đồng hồ hiển thị giao diện mơ phỏng, đọc phân tích giao diện hình 18 a Phần mềm thí nghiệm - thực hành ảo có nội dung thí nghiệm phong phú, linh hoạt nên giúp sinh viên nắm nhiều kiến thức bổ ích rèn luyện tốt kỹ thí nghiệm - thực hành Với thí nghiệm ảo, cơng cụ hữu ích hỗ trợ tích cực cơng tác giảng dạy, giảng viên dễ dàng gắn tiết giảng lý thuyết với thực hành lớp học Với phần mềm thí nghiệm ảo xây dựng giải pháp giúp nâng cao chất lượng đào tạo Phần mềm thí nghiệm - thực hành ảo đóng góp giải pháp cơng nghệ linh hoạt đại Qua giúp sở đào tạo đạt hiệu quả: - Tiết kiệm kinh phí đầu tư thiết bị - Tiết kiệm kinh phí mua vật tư tiêu hao phục vụ thí nghiệm hàng năm - Tiết kiệm kinh phí tu, bảo dưỡng Journal of Science - Quy Nhon University, 2019, 13(3), 19-26 25 TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN TÀI LIỆU THAM KHẢO Đặng Văn Đào, Lê Văn Doanh Kỹ thuật điện, Nxb Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2008 Nguyễn Ngọc Mỹ, Huỳnh Đức Hồn Giáo trình thí nghiệm Lý thuyết mạch điện, Trường Đại học Quy Nhơn, TLG 192.202, 2001 Nguyễn Bình Thành, Nguyễn Trần Quân Phạm Khắc Chương Cơ sở kỹ thuật điện, Đại học & Trung học chuyên nghiệp, 1971 Nguyễn Đức Luyện, Bùi Văn Sáng, Mai Quốc Khánh, Phan Trọng Hanh Mô mạch điện tử, nguyên lý đo thí nghiệm lý thuyết mạch, kỹ thuật điện tử, đo lường điện - VTĐ phần mềm Electronics Workbench Matlab, Kỷ 26 yếu Hội thảo ICT.rda’03, 22,23/2/2003 Hà Nội, 357-366, 2003 Nguyễn Cát Hồ Nghiên cứu phát triển ứng dụng công nghệ đa phương tiện, mã số KC 01-14, Đề tài thuộc chương trình KHCN cấp nhà nước KC 01, 2005 M Budhu Virtual laboratories for engineering education, International Conference on Engineering Education, Manchester, U.K., August 18-21, 2002 S S Kendre, P V Mulmule, S D Shirbahadurkar Virtual Laboratory Development for Teaching Power Systems via Interactive Experiment Environment”, IEEE, Sofware Engineering and Applied Computing (ACSEAC), 2012 African Conference, 82-89, 24-26 Sept 2012 Tạp chí Khoa học - Trường Đại học Quy Nhơn, 2019, 13(3), 19-26 ... mạch thí nghiệm theo nhu cầu cần khảo sát tiến hành khảo sát để thu nhập liệu a Bài báo trình bày kết thực thí nghiệm ảo: mạch điện ba pha đối xứng đấu Y, mạch ba pha đối xứng đấu ∆ mạch ba pha. .. QUY NHƠN Qua kết thí nghiệm ta nghiệm lại quan hệ điện áp pha điện áp dây lý thuyết có b 3.2 Mạch điện pha đối xứng đấu ∆ Tiến hành lắp mạch điện pha đối xứng đấu ∆, sơ đồ thí nghiệm lắp đặt từ... Quan hệ điện áp dây điện áp pha: + Quan hệ dòng điện dây dòng điện pha: - Về trị số hiệu dụng: Dòng điện dây lần dòng điện pha: Id = If - Về góc pha: dịng điện dây chậm sau dòng điện pha 300