Đề tài xây dựng hệ thống các khối thư viện các phần tử điện tử công suất và truyền động điện trên Matlab, giúp rút ngắn và đơn giản hoá các thao tác quá trình thử nghiệm bằng mô phỏng hệ thống điện tử công suất và truyền động điện.
MỞ ĐẦU Tính thiết đề tài Trong dây truyền sản suất, hệ thống điện tử cơng suất truyền động điện đóng vai trị định tới hiệu trình sản suất, hệ thống điện tử công suất tốt giúp ta giảm đáng kể chi phí điện tiêu thụ cịn hệ thống truyền động tốt giúp ta trực tiếp nâng cao chất lượng sản phẩm, vấn đề xây dựng hệ thống điện tử công suất truyền động điện chất lượng cao cần thiết Tuy nhiên, muốn xây dựng hệ thống điện tử cơng suất truyền động tốt ngồi địi hỏi cao trình độ người thiết kế ta cần phải chạy thử nghiệm hệ thống để chỉnh định hệ thống Việc thử nghiệm hệ thống thực nghiệm địi hỏi chi phí cao đơi khơng thực phương pháp thử nghiệm cách mơ quan trọng Tuy nhiên khó khăn phương pháp thử nghiệm mơ địi hỏi hiểu biết chuyên sâu hệ thống, điều gây khó khăn q trình thử nghiệm mơ Vì nhóm tác giả nghiên cứu xây dựng khối thư viện mơ hình lĩnh vực điện tử công suất truyền động điện Matlab, hỗ trợ người sử dụng trình chạy thử mô hệ thống hiệu Mục đích nghiên cứu Xây dựng hệ thống khối thư viện phần tử điện tử công suất truyền động điện Matlab, giúp rút ngắn đơn giản hố thao q trình thử nghiệm mơ hệ thống điện tử công suất truyền động điện Đối tượng phạm vi nghiên cứu đề tài Đề tài nghiên cứu mơ hình tốn học phần tử điện tử công suất truyền động điện, đồng thời nghiên cứu ứng dụng phần mềm mô Matlab để xây dựng thư viện phần tử điện tử công suất truyền động điện Matlab Phương pháp nghiên cứu đề tài Phương pháp chủ yếu đề tài từ mơ hình tốn học phần tử, tính tốn rút gọn tổng hợp thành khối thư viện Matlab Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài -Đóng góp mặt khoa học, phục vụ công tác đào tạo: Đề tài làm sáng tỏ mặt lý thuyết khoa học điện tử công suất truyền động điện, mơn học có tính ứng dụng thực tiễn cao -Những đóng góp liên quan đến phát triển kinh tế: Đề tài trợ giúp tính tốn thơng số phần tử để nâng cao chất lượng hệ thống điện tử công suất truyền động điện dây truyền sản xuất từ nâng cao chất lượng sản phẩm -Những đóng góp mặt xã hội (các giải pháp cho vấn đề xã hội): Giúp đơn giản hoá cho người nghiên cứu trình nghiên cứu xây dựng mơ hình mơ hệ thống điện tử công suất truyền động điện -Những đóng góp cho trường Đề tài cung cấp khối thư viện phần tử điện tử công suất truyền động điện điện giúp cho việc nghiên cứu sinh viên giáo viên trường trực quan hiệu hơn, từ góp phần nâng cao trình độ cho giảng viên sinh viên trường Chương TỔNG QUAN VỀ MATLAB 1.1 Giới thiệu MATLAB MATLAB sản phẩm phần mềm công ty MathWorks Inc Ưu điểm bật MATLAB khả tính tốn biểu diễn đồ hoạ kỹ thuật nhanh chóng, đa dạng xác cao Thư viện hàm MATLAB bao gồm nhiều chương trình tính tốn con; Các chương trình giúp người sử dụng giải nhiều loại toán khác nhau, đặc biệt toán ma trận, số phức, hệ phương trình tuyến tính phi tuyến MATLAB cho phép xử lý liệu biểu diễn đồ hoạ không gian 2D 3D với nhiều dạng đồ thị thích hợp, giúp người sử dụng trình bày kết tính tốn cách trực quan thuyết phục Thêm vào đó, phiên MATLAB ngày phát triển nhiều module phần mềm bổ sung Toolbox (bộ công cụ) với phạm vi chức chuyên dụng cho chuyên ngành cụ thể 1.2 Khởi động MATLAB Có cách khởi động MATLAB: - Nhắp đúp chuột vào biểu tượng MATLAB hình Desktop - Chọn Start > Programs > MATLAB 7.0 > MATLAB 7.0 1.3 Màn hình MATLAB Sau khởi động MATLAB ta thu hình MATLAB với cửa sổ tích hợp đây: Hình 1.1 Cửa sổ giao diện Matlab Giao diện Matlab gồm sổ giao diện sau: -Cửa sổ MATLAB: Tại ta thực tồn việc nhập lệnh nhận kết tính tốn Dấu >> dấu đợi lệnh, sau nhận lệnh kết thúc động tác nhấn phím Enter, MATLAB xử lí lệnh xuất kết dòng -Command History: tất lệnh sử dụng Command Window lưu trữ hiển thị Có thể thực lệnh cũ cách nhắp đúp chuột vào lệnh Cũng cắt dán, chép, xóa nhóm lệnh lệnh riêng rẽ -Workspace Browser: vùng nhớ động vùng nhớ chương trình tự động hình thành MATLAB khởi động xóa MATLAB Workspace lưu giữ biến ta sử dụng MATLAB Tất biến MATLAB hiển thị cửa sổ Workspace Browser với thông tin tên biến, giá trị, kích cỡ Byte loại giữ liệu -Current Directory: Nhờ cửa sổ người dụng có thề nhanh chóng nhận biết thư mục tập tin (file) có thư mục hành Các thao tác mở file, lưu file, tìm M-file để thực thi…có mức ưu tiên cao thư mục hành Trên cách hiển thị tổ hợp cửa sổ hình MATLAB Tùy theo thói quen nhu cầu sử dụng người dùng thay đổi linh hoạt cách hiển thị thông qua menu Desktop > Desktop layout 1.4 Các tiện ích trợ giúp Tiện ích trợ giúp Help MATLAB phong phú Có thể gọi từ menu Help menu nhập lệnh Command Window theo cú pháp: Help tên lệnh % xem trợ giúp command window Đọc tên lệnh % xem trợ giúp cửa sổ Help Ví dụ: để tìm hiểu chức cách dùng lệnh input ta nhập: >> Help input Ngồi ra, xem ví dụ sẵn có MATLAB cách nhập lệnh demo 1.5 Tính tốn Commad Window Với tốn đơn giản, cần dùng câu lệnh MATLAB, ta giải cách nhập lệnh cửa sổ Command window * Một số lưu ý nhập lệnh: - MATLAB hiển thị kết câu lệnh hình Nếu muốn MATLAB khơng hiển thị kết cuối câu lệnh ta đặt thêm dấu chấm phẩy (;) - Nhiều câu lệnh đặt chung dòng bắt buộc phải phân cách dấu phẩy (,) chấm phẩy (;) Không cho phép phân cách lệnh khoảng trống Nếu cuối lệnh có dấu phẩy MATLAB hiển thị kết quả, cịn dấu chấm phẩy khơng hiển thị kết - Các mũi tên ↑ ↓ ← → bàn phím hữu ích nhập lệnh Để nhập lại lệnh vừa gõ, ta nhấn mũi tên ↑, tiếp tục nhấn phím gọi lệnh trước Mũi tên ↓ có tác dụng ngược với mũi tên ↑ Các phím mũi tên ← → dùng để thay đổi vị trí trỏ dòng lệnh dấu nhắc MATLAB giúp bạn dễ dàng chỉnh sửa nội dung dòng lệnh 1.6 Thoát khỏi MATLAB Thực cách sau: + Nhắp chuột vào nút x góc trên, phải hình MATLAB + Chọn menu File > Exit MATLAB + Nhấn tổ hợp phím Ctrl + Q + >> quit >> exit 1.7 M-File Trong MATLAB, M-file file chương trình soạn thảo lưu dạng văn Có hai loại M-file Script file (file lệnh) Function file (file hàm) Cả hai có phần tên mở rộng ".m " MATLAB có nhiều M-file chuẩn xây dựng sẵn Người dùng tạo Mfile tuỳ theo nhu cầu sử dụng 1.7.1 L ậ p t r ì n h d n g SCRIPT FILE Thay nhập thực thi câu lệnh cửa sổ Command window, ta soạn lưu tất câu lệnh cần thiết để giải tốn vào Script file Sau cần gõ tên file để thực thi tồn chương trình Mở cửa sổ Editor: Cách 1: Trong command window gõ lệnh edit Cách 2: Vào menu File >New >M-File Cách 3: Nhắp chuột vào icon Lưu: Vào menu File > Save > đặt tên tập tin > nhắp nút save Tập tin Scrift file có phần mở rộng ".m", lưu vào thư mục hành Nếu lựa chọn khác thư mục hành mặc định thư mục work MATLAB Tên tập tin phải bắt dầu ký tự chữ, khoảng trống ký tự (giống quy định tên biến) Gọi thực SCRIPT FILE: - Cách 1: Trong cửa sổ soạn thảo nhắp chuột vào nút run toolbar - Cách 2: Trở hình Command window gõ tên file (khơng có phần mở rộng “.m”), sau nhấn Enter để thực thi Lưu ý dù gọi thực theo cách hay cách MATLAB xuất kết tính tốn cửa sổ Command Window Mở M-file có để xem lại hay chỉnh sửa: -Cách 1: Trong cửa sổ Editor Command window, vào menu File >open >… -Cách 2: Vào cửa sổ Workspace, nhắp đúp chuột vào tên M-file cần mở - Cách 3: Tại Command window, gõ lệnh edit ('đường dẫn\tên file') 1.7.2 Lập trình dạng FUNCTION FILE Tương tự toán học, hàm (function) MATLAB nhận vào giá trị đối số trả giá trị tương ứng hàm Trình tự tạo thực thi file hàm bao gồm bước sau: Mở cửa sổ Editor: Thực tương tự Scrift file Soạn thảo: Cấu trúc chuẩn hàm: function [danh sách tham số ra] = tên hàm (danh sách tham số vào) Lưu: Như cách lưu Scrift file Khi lưu hàm, MATLAb lấy tên hàm làm tên file, người lập trình khơng nên sửa lại tên để tránh lẫn lộn gọi thực hàm Gọi thực Function file Đặc điểm hàm: - Các hàm thông tin với MATLAB thông qua biến truyền vào cho biến mà tạo thành, biến trung gian bên hàm khơng tương tác với mơi trường MATLAB - Khi MATLAB thực lần đầu file hàm, mở file dịch dịng lệnh file dạng mã lưu nhớ nhằm mục đích tăng tốc độ thực lời gọi hàm Nếu sau khơng có thay đổi M-file, q trình dịch khơng xảy lần thứ hai Nếu hàm có chứa lời gọi hàm M-file khác hàm dịch vào nhớ Bằng lệnh clear function ta xố cưỡng hàm dịch, giữ ngun M-file - Mỗi hàm có khơng gian làm việc riêng (local workspace), tách biệt với môi trường MATLAB (sử dụng base workspace), mối quan hệ biến hàm với môi trường bên biến vào hàm Nếu thân biến hàm bị thay đổi thay đổi tác động bên hàm mà khơng làm ảnh hưởng đến biến môi trường MATLAB Các biến hàm giải phóng sau hàm thực thi xong nhiệm vụ, khơng thể sử dụng thông tin lần gọi trước cho lần gọi sau - Các hàm sử dụng chung biến với hàm khác hay với môi trường MATLAB biến khai báo biến toàn cục Để truy cập biến bên hàm biến phải khai báo biến tồn cục hàm sử dụng - Một M-file chứa nhiều hàm Hàm (main function) M-file phải đặt tên trùng với tên M-file Các hàm khác khai báo thông qua câu lệnh function viết sau hàm Các hàm (local function) sử dụng hàm chính, tức ngồi hàm khơng có hàm khác gọi chúng Tính cung cấp giải pháp hữu hiệu để giải phần hàm cách riêng rẽ, tạo thuận lợi cho việc lập file hàm để giải toán phức tạp 1.8 Biến cục biến toàn cục 1.8.1 Biến cục Biến cục có phạm vi sử dụng hàm Các biến cục không lưu giữ Workspace Tại Command window ta truy cập biến cục Các biến file hàm biến cục bộ, có chủ động khai báo khác 1.8.2 Biến toàn cục Biến tồn cục có phạm vi sử dụng nhiều hàm nhiều Mfile Các biến toàn cục lưu giữ Workspace MATLAB hiển thị cửa sổ Workspace browser Tại Command window ta truy cập biến toàn cục 1.9 Các phép tính số học Trong MATLAB, phép tính số học có mức ưu tiên giống tính tốn thơng thường Nếu câu lệnh có phép tính mức ưu tiên thứ tự thực từ trái qua phải Khi cần thay đổi mức độ ưu tiên ta dùng thêm dấu ngoặc đơn ( ) Bảng 1.1: phép tính số học PHÉP TÍNH Lũy thừa Nhân Chia Chia trái Cộng Trừ KÍ HIỆU MỨC ƯU TIÊN ^ * / \ + - 2 3 10 VÍ DỤ 3^2 ; a^(1/2) 3*5 ; a*b 2/4 ; a/b 2\4 (nghĩa 4/2) ; a\b 2+4 ; a+b 2-4 ; a-b Hình 2.10 Giao diện mơ hình chỉnh lưu cầu pha có điều khiển Mơ hình có tín hiệu đầu vào gồm: -Các xung điều khiển tiristor Q1 đến Q6 -Các tín hiệu điện áp dây Vab,Vbc Vca Tín hiệu đầu điện áp sau chỉnh lưu V_out 2.5 Mô hình nghịch lưu pha IGBT Sơ đồ nguyên lý công suất nghịch lưu pha IGBT trình bầy hình sau: Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý nghịch lưu pha IGBT 35 Dựa vào sơ đồ nguyên lý ta xây dựng mô hình nghịch lưu pha IGBT với giao diện hình 2.12 Hình 2.12 Giao diện mơ hình nghịch lưu pha IGBT Các tín hiệu đầu vào gồm: -Các xung điều khiển IGBT: Q1-Q6 -Điện áp chiều Vdc Các tín hiệu đầu ra: -Điện áp dây pha: Vab, Vbc, Vca 2.6 Mơ hình khâu chuyển tọa độ 3-2 Mơ hình khâu chuyển tạo độ 3-2 lập trình với mã nguồn sau: function [X1,X2] = fcn(Xa,Xb,Xc) X1=Xa; X2=(1/sqrt(3))*(Xa+2*Xb); Từ tao có giao diện mơ hình 2.13 36 Hình 2.13 Giao diện mơ hình khâu chuyển tọa độ 3-2 Các tín hiệu đầu vào tín hiệu tọa độ pha abc Các tín hiệu đầu tín hiệu tọa độ pha αβ 2.7 Mơ hình xoay tọa độ Hàm xoay hàm tọa độ: function [Xd,Xq] = fcn(X1,X2,goc) Xd=X1*cos(goc)+X2*sin(goc); Xq=-X1*sin(goc)+X2*cos(goc); Mơ hình: Hình 2.14 Giao diện mơ hình xoay tọa độ Các tín hiệu đầu vào: -Tín hiệu tọa ban đầu X1, X2 -Góc xoay: goc Các tín hiệu đầu ra: -Tín hiệu sau xoay tọa độ Xd, Xq 37 2.8 Mô hình chuyển tọa độ 2-3 Hàm chuyển tọa độ 2-3: function [Xa,Xb,Xc] = fcn(X1,X2) Xa=X1; Xb=(X2*sqrt(3)-Xa)/2; Xc=-(Xa+Xb); Mơ hình: Hình 2.14 Giao diện mơ hình chuyển tọa độ 2-3 Các tín hiệu đầu vào: -Các tín hiệu tọa độ pha : X1, X2 Các tín hiệu đầu ra: -Các tín hiệu tọa độ pha: Xa, Xb, Xc 2.9 Nguồn áp pha Hàm mô tả nguồn áp pha: function [Ua,Ub,Uc] = fcn(A,f,t) Ua=A*sin(2*pi*f*t); Ub=A*sin(2*pi*f*t-2*pi/3); Uc=A*sin(2*pi*f*t+2*pi/3); 38 Mơ hình: Hình 2.15 Giao diện mơ hình nguồn áp pha Các tín hiệu đầu vào: -Biên độ điện áp lưới A -Tần số điện áp lưới f -Tín hiệu thời gian t Các tín hiệu đầu ra: Các tín hiệu pha điện áp lưới 2.9 Bộ khởi động động điện trở phụ Sơ đồ nguyên lý khởi động động điện trở phụ trình bầy hình 2.16: Hình 2.16 Sơ đồ nguyên lý xây dựng khởi động động điện trở phụ 39 Giao diện mơ hình thể hình 2.17: Hình 2.17 Giao diện mơ hình khởi động động điện trở phụ Tín hiêu vào: điện áp vào khởi động Tín hiệu là: điện áp đầu khởi động 40 Chương CÁCH SỬ DỤNG THƯ VIỆN VÀ MỘT VÀI VÍ DỤ ỨNG DỤNG 3.1 Cách sử dụng thư viện Để thực sử dụng thư viện ta thực theo bước sau: Bước 1: Khởi động matlab window 32 64 bit, hình giao diện matlab hình 3.1 Hình 3.1 Giao diện Matlab sau khở động Bước 2: Trên công cụ matlab, ta khởi động công cụ mô simulink, giao diện hình 3.2 41 Hình 3.2 Giao diện Simulink Matlab Bước 3: Vào thư viện phần tử Hình 3.4 Thư viện phần tử nhóm tác giả xây dựng 42 Bước 4: Chọn phần tử cần sử dụng, khai báo thông số kết nối chạy mơ 3.2 Một vài ví dụ ứng dụng 3.2.1 Hệ thống khởi động động chiều điện trở phụ -Theo bước hướng dẫn mục 3.1, ta chọn phần tử thư viện khởi động điện trở phụ động chiều, kết nối hình 3.5 Hình 3.5 Hệ thống khở động động chiều điện trở phụ -Khai báo thông số cho phần tử: ta thực khai báo thông số cho phần tử sau: +Motor Starter: gồm điện trở phụ có giá trị 4Ω, 2Ω 0.5Ω , nối ngắn mạch vào thời điểm 3s, 5s 7s +Động chiều với tham số sau: 43 Hình 3.6 Tham số khai báo động chiều Chạy mơ hình trên,ta có kết mô : -Điện áp sau khởi động: Hình 3.7 Điện áp sau khởi động mềm 44 -Tốc độ động cơ: Hình 3.8 Đáp ứng tốc độ động -Dịng điện phần ứng: Hình 3.9 Đáp ứng dòng điện phần ứng 45 -Momen điện từ: Hình 3.10 Momen điện từ 3.2.2 Hệ thống hệ thống phát điện sử dụng DFIG phương pháp đồng dạng mạch cảm ứng rotor -Theo bước hướng dẫn mục 3.1, ta chọn phần tử thư viện kết nối hình vẽ 3.11 Hình 3.11 Mơ hình hệ thống phát điện sử dụng DFIG phương đồng dạng mạch cảm ứng rotor 46 Chạy mô hình, ta có kết mơ gồm đường đặc tính: điện áp lưới, dịng điện phát lên lưới hệ thống, hệ số điều khiển công suất tác dụng, hệ số điều khiển cơng suất phản kháng Hình 3.12 Kết mô hệ thống phát điện 47 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1.Kết luận Đề tài thực thành cơng, mang tính khoa học thực tiễn cao Đề tài xây dựng thành công thư viện truyền động điện điện tử công suất matlab, giúp cho nghiên cứu lĩnh vực điện tử công suất truyền động điện thuận lợi Các phần tử thư viện với kết cấu mang tính mở giúp người nghiên cứu chủ động thực chức phát triển mở rộng dễ dàng Các tính đề tài là: - Nghiên cưu mơ hình tốn phần tử, xếp tổng hợp để làm sở xây dựng mơ hình phần tử thư viện - Các phần tử thư viện hệ thống mở, người sử dụng thay đổi thông số, bổ xung thay đổi cấu trúc để phù hợp cho vấn đề nghiên cứu Kiến nghị Trên sở phương pháp trình bầy, đề tài cần phát triển mở rộng xây dựng thêm nhiều phần tử nữa, để bao quát hết thiết bị điện tử công suất truyền động điện có thực tế Vì vậy, vấn đề sau cần nhiều người nghiên cứu tham gia, thực thời gian dài thường xuyên phải cập nhật thư viện đáp ứng với phát triển khoa học công nghệ thực tiễn 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] GS.TSKH Thân Ngọc Hồn, Mơ hệ thống điện tử công suất truyền động điện, Nhà xuất xây dựng, 2002 [2] Nguyễn Phùng Quang, MATLAB &SIMULINK dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, 2006 [3] ThS Nguyễn Trọng Thắng, PGS.TS Nguyễn Tiến Ban, A novel excitation method for shaft generatorsusing doubly-fed induction machines on power – station on shipboards, VCM 2012, 2012 49 ... tiễn cao Đề tài xây dựng thành công thư viện truyền động điện điện tử công suất matlab, giúp cho nghiên cứu lĩnh vực điện tử công suất truyền động điện thuận lợi Các phần tử thư viện với kết cấu... trình nghiên cứu xây dựng mơ hình mơ hệ thống điện tử cơng suất truyền động điện -Những đóng góp cho trường Đề tài cung cấp khối thư viện phần tử điện tử công suất truyền động điện điện giúp cho.. .Matlab để xây dựng thư viện phần tử điện tử công suất truyền động điện Matlab Phương pháp nghiên cứu đề tài Phương pháp chủ yếu đề tài từ mơ hình tốn học phần tử, tính tốn rút