Nghiên cứu xây dựng phòng thí nghiệm ảo thực hành điện tử công suất

Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học mã số V2016-03 DANH SÁCH NGƯỜI THỰC HIỆN ĐỀ TÀI TT Họ tên Đơn vị công tác Ths Đào Xuân Phúc Viện ĐH Mở HN Ths Hoàng Anh Dũng Viện ĐH Mở HN Ths Đặng Khánh Hòa ĐH Bách Khoa Hà Nội TS Đặng Hồng Hải ĐH Hàng Hải Việt Nam Th.s Phùng Chí Tài Trường Sỹ quan lục quân Ghi i Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học mã số V2016-03 MỤC LỤC DANH SÁCH NGƯỜI THỰC HIỆN ĐỀ TÀI i MỤC LỤC ii DANH MỤC HÌNH VẼ v DANH MỤC BẢNG BIỂU x MỞ ĐẦU Tổng quan nghiên cứu điện tử công suất I Nước Trong nước II Tính cấp thiết việc nghiên cứu đề tài III Mục tiêu đề tài IV Phương pháp tiếp cận phương pháp nghiên cứu đề tài V Nội dung nghiên cứu Chương 1: Nghiên cứu xây dựng hệ thống thư viện Mở đầu I II Van điện tử 1.2.1 Điốt: 1.2.2 Thyristor 11 1.2.3 GTO .15 1.2.4 MOSFET .19 1.2.5 IGBT 22 III Các phần tử tải 25 1.3.1 R-L-C 25 1.3.2 Động AC 25 1.3.3 Động DC 25 IV Đo dòng 26 V Đo áp 27 Chương 2: Xây dựng tập mẫu sơ đồ mạch điện tử công suất 29 I Giới thiệu 29 2.1.1 Kiến trúc hệ thống chỉnh lưu 29 2.1.2 Các tham số hệ thống chỉnh lưu 31 II Chỉnh lưu pha 31 ii Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học mã số V2016-03 2.2.1 Chỉnh lưu tia đi-ốt pha .32 2.2.2 Chỉnh lưu tia scr pha 32 2.2.3 Chỉnh lưu cầu điốt pha .33 2.2.4 Chỉnh lưu cầu scr pha 34 2.2.5 Chỉnh lưu cầu điốt-scr pha 35 III Chỉnh lưu pha 36 2.3.1 Chỉnh lưu tia đi-ốt pha .36 2.3.2 Chỉnh lưu tia scr pha 37 2.3.3 Chỉnh lưu tia đi-ốt pha .38 2.3.4 Chỉnh lưu tia SCR pha .39 2.3.5 Chỉnh lưu cầu điốt pha .40 2.3.6 Chỉnh lưu cầu scr pha 42 2.3.7 Chỉnh lưu cầu điốt-scr pha 44 IV Băm áp DC 45 2.4.1 Giới thiệu .45 2.4.2 Hệ thống Buck DC-DC 47 2.4.3 Hệ thống Boost DC-DC 48 2.4.4 Hệ thống Buck-Boost DC-DC 48 2.4.5 Hệ thống mạch cầu H 49 V Điều chỉnh AC 50 2.5.1 Giới thiệu .50 2.5.2 Điều khiển điện áp AC pha 52 2.5.3 Điều khiển điện áp AC pha 53 VI Biến tần 54 2.6.1 Giới thiệu .54 2.6.2 Hệ thống biến tần pha xung vuông .55 2.6.3 Hệ thống biến tần pha PWM 57 2.6.4 Hệ thống biến tần pha xung vuông 57 2.6.5 Hệ thống biến tần pha PWM 60 Chương 3: Xây dựng giao diện điều khiển 61 I Xây dựng GUI 61 II Các GUI chỉnh lưu pha 69 III Các GUI chỉnh lưu pha 71 iii Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học mã số V2016-03 IV GUI băm áp DC 75 V GUI điều chỉnh AC 77 VI Biến tần 78 Kết luận kiến nghị 80 Tài liệu tham khảo 81 iv Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học mã số V2016-03 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình Ngun tắc thiết kế đại đáng tin cậy điện tử công suất Hình Phần tử đi-ốt Hình Mơ tả đặc tính phần tử đi-ốt Hình Cấu trúc phần tử đi-ốt Hình Phần tử Thyristor 12 Hình Mơ tả đặc tính phần tử thyristor 12 Hình Đặc tính phần tử thyristor 12 Hình Biểu tượng phần tử GTO matlab 15 Hình Cấu trúc phần tử GTO 16 Hình 10 Đặc tính phần tử GTO 17 Hình 11 Biểu tượng phần tử MOSFET matlab 19 Hình 12 Cấu trúc phần tử MOSFET 19 Hình 13 Đặc tính phần tử MOSFET 20 Hình 14 Biểu tượng phần tử IGBT matlab 22 Hình 15 Cấu trúc phần tử IGBT 22 Hình 16 Đặc tính phần tử IGBT 23 Hình 17 Đặc tính khóa phần tử IGBT 23 Hình 18 Sơ đồ cấu tạo động địên chiều 25 Hình 19 Sơ đồ cấu trúc mạch chỉnh lưu 29 Hình 20 (a): Nguồn lưới; (b): Biến áp 29 Hình 21 (a): Van điốt; (b): Van SCR; (c) Tải 30 Hình 22 Sơ đồ khối tổng quát chỉnh lưu pha 32 Hình 23 Hệ thống chỉnh lưu tia đi-ốt pha 32 Hình 24 Hệ thống chỉnh lưu tia scr pha 33 Hình 25 Phân hệ phát xung hệ thống chỉnh lưu tia scr pha 33 Hình 26 Hệ thống chỉnh lưu cầu điốt pha 34 Hình 27 Hệ thống chỉnh lưu cầu scr pha 34 Hình 28 Phân hệ phát xung hệ thống chỉnh lưu cầu scr pha 35 Hình 29 Hệ thống chỉnh lưu cầu điốt-scr pha 35 Hình 30 Phân hệ phát xung hệ thống chỉnh lưu cầu điốt-scr pha 36 v Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học mã số V2016-03 Hình 31 Hệ thống chỉnh lưu tia đi-ốt pha 36 Hình 32 Hệ thống chỉnh lưu tia scr pha 37 Hình 33 Phân hệ phát xung hệ thống chỉnh lưu tia scr pha 37 Hình 34 Hệ thống chỉnh lưu tia đi-ốt pha 38 Hình 35 Phân hệ phát xung hệ thống chỉnh lưu tia đi-ốt pha 39 Hình 36 Hệ thống chỉnh lưu tia scr pha 39 Hình 37 Phân hệ công suất hệ thống chỉnh lưu tia scr pha 39 Hình 38 Phân hệ phát xung hệ thống chỉnh lưu tia scr pha 40 Hình 39 Hệ thống chỉnh lưu cầu điốt pha 40 Hình 40 (a) Phân hệ hệ thống chỉnh lưu chỉnh lưu cầu điốt pha (b) Phân hệ hệ thống chỉnh lưu chỉnh lưu cầu điốt pha 41 Hình 41 (a) Phân hệ hệ thống chỉnh lưu chỉnh lưu cầu điốt pha (b) Phân hệ hệ thống chỉnh lưu chỉnh lưu cầu điốt pha 41 Hình 42 (a) Phân hệ hệ thống chỉnh lưu chỉnh lưu cầu điốt pha (b) Phân hệ hệ thống chỉnh lưu chỉnh lưu cầu điốt pha 41 Hình 43 (a) Phân hệ hệ thống chỉnh lưu chỉnh lưu cầu điốt pha (b) Phân hệ hệ thống chỉnh lưu chỉnh lưu cầu điốt pha 42 Hình 44 (a) Phân hệ hệ thống chỉnh lưu chỉnh lưu cầu điốt pha (b) Phân hệ hệ thống chỉnh lưu chỉnh lưu cầu điốt pha 42 Hình 45 (a) Phân hệ hệ thống chỉnh lưu chỉnh lưu cầu điốt pha (b) Phân hệ hệ thống chỉnh lưu chỉnh lưu cầu điốt pha 43 Hình 46 (a) Phân hệ hệ thống chỉnh lưu chỉnh lưu cầu điốt pha (b) Phân hệ hệ thống chỉnh lưu chỉnh lưu cầu điốt pha 43 Hình 47 Phân hệ phát xung hệ thống chỉnh lưu cầu scr pha 43 Hình 48 Hệ thống chỉnh lưu cầu điốt-scr pha 44 Hình 49 (a) Phân hệ hệ thống chỉnh lưu chỉnh lưu cầu điốt pha (b) Phân hệ hệ thống chỉnh lưu chỉnh lưu cầu điốt pha 44 Hình 50 (a) Phân hệ hệ thống chỉnh lưu chỉnh lưu cầu điốt pha (b) Phân hệ hệ thống chỉnh lưu chỉnh lưu cầu điốt pha 45 Hình 51 (a) Phân hệ hệ thống chỉnh lưu chỉnh lưu cầu điốt pha (b) Phân hệ hệ thống chỉnh lưu chỉnh lưu cầu điốt pha 45 Hình 52 Phân hệ phát xung hệ thống chỉnh lưu cầu điốt-scr pha 45 vi Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học mã số V2016-03 Hình 53 Hệ thống thí nghiệm băm áp DC 46 Hình 54 (a): Khóa điện tử IGBT; (b): Lọc 46 Hình 55 (a): Sơ đồ nguyên lý băm áp; (b): Đồ thị điện áp 46 Hình 56 Hệ thống Buck DC-DC 47 Hình 57 Hệ thống Boost DC-DC 48 Hình 58 Hệ thống Buck-Boost DC-DC 48 Hình 59 Hệ thống mạch cầu H 49 Hình 60 Mạch phát xung cho hệ thống mạch cầu H 49 Hình 61 Sơ đồ biến đổi pha 50 Hình 62 Dòng điện áp tải R 50 Hình 63 Dòng điện áp tải RL 51 Hình 64 Điều khiển điện áp AC pha 52 Hình 65 Điều khiển điện áp AC pha 53 Hình 66 Phân hệ phát xung điều khiển điện áp AC pha 53 Hình 67 (a) Phân hệ nguồn điều khiển điện áp AC pha (b) Phân hệ tải điều khiển điện áp AC pha 54 Hình 68 Phân hệ cơng suất điều khiển điện áp AC pha 54 Hình 69 Kiến trúc hệ thống biến tần 54 Hình 70 Hệ thống biến tần pha xung vuông 56 Hình 71 (a) Phân hệ 1của hệ thống biến tần pha xung vuông (b) Phân hệ hệ thống biến tần pha xung vuông 56 Hình 72 (a) Phân hệ hệ thống biến tần pha xung vuông (b) Phân hệ hệ thống biến tần pha xung vuông (c) Phân hệ phát xung hệ thống biến tần pha xung vng 56 Hình 73 Hệ thống biến tần pha PWM 57 Hình 74 Hệ thống biến tần pha xung vuông 57 Hình 75 Mạch lực hệ thống biến tần pha xung vng 58 Hình 76 (a) Phân hệ mạch lực hệ thống biến tần pha xung vuông (b) Phân hệ mạch lực hệ thống biến tần pha xung vng 58 Hình 77 (a) Phân hệ mạch lực hệ thống biến tần pha xung vuông (b) Phân hệ mạch lực hệ thống biến tần pha xung vuông 58 vii Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học mã số V2016-03 Hình 78 (a) Phân hệ mạch lực hệ thống biến tần pha xung vuông (b) Phân hệ mạch lực hệ thống biến tần pha xung vng 58 Hình 79 Phân hệ phát xung hệ thống biến tần pha xung vng 59 Hình 80 Phân hệ tải hệ thống biến tần pha xung vng 59 Hình 81 Hệ thống biến tần pha PWM 60 Hình 82 Khởi động Matlab 61 Hình 83 Giao diện Matlab R2013a 61 Hình 84 Cửa sổ khởi động xây dựng GUI 62 Hình 85 Giao diện xây dựng GUI trống 63 Hình 86 Xây dựng điều khiển cho hệ thống chỉnh lưu tia scr pha 65 Hình 87 Giao diện thay đổi thuộc tính nút STOP 66 Hình 88 Chọn hàm để viết lệnh cho điều khiển STOP 67 Hình 89 Giao diện viết hàm callback cho nút điều khiển STOP 67 Hình 90 GUI hệ thống chỉnh lưu tia scr pha 68 Hình 91 GUI chỉnh lưu điốt pha 69 Hình 92 GUI chỉnh lưu tia scr pha 69 Hình 93 GUI chỉnh lưu cầu điốt pha 70 Hình 94 GUI chỉnh lưu cầu scr pha 70 Hình 95 GUI chỉnh lưu cầu điốt-scr pha 71 Hình 96 GUI chỉnh lưu tia đi-ốt pha 71 Hình 97 GUI chỉnh lưu tia scr pha 72 Hình 98 GUI chỉnh lưu tia đi-ốt pha 72 Hình 99 GUI chỉnh lưu tia SCR pha 73 Hình 100 GUI chỉnh lưu cầu điốt pha 73 Hình 101 GUI chỉnh lưu cầu scr pha 74 Hình 102 GUI chỉnh lưu cầu điốt-scr pha 74 Hình 103 GUI mạch Buck DC-DC 75 Hình 104 GUI mạch Boost DC-DC 75 Hình 105 GUI mạch Buck-Boost DC-DC 76 Hình 106 GUI mạch cầu H 76 Hình 107 GUI điều khiển điện áp AC pha 77 Hình 108 GUI điều khiển điện áp AC pha 77 viii Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học mã số V2016-03 Hình 109 GUI biến tần pha xung vuông 78 Hình 110 GUI biến tần pha PWM 78 Hình 111 GUI biến tần pha xung vng 79 Hình 112 GUI biến tần pha PWM 79 ix Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học mã số V2016-03 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng Danh sách số thiết bị thyristor Bảng Các đầu vào đầu điốt 10 Bảng Các đầu vào đầu Thyristor 15 Bảng Các đầu vào đầu GTO 18 Bảng Các đầu vào đầu MOSFET 21 Bảng Các đầu vào đầu IGBT 24 Bảng Các loại chỉnh lưu pha 30 Bảng Các loại chỉnh lưu pha 31 Bảng Các loại biến đổi xung áp 47 Bảng 10 Các loại điều khiển điện áp AC 50 Bảng 11 Các loại biến tần 55 x Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học mã số V2016-03 Hình 88 Hình 89 Chọn hàm để viết lệnh cho điều khiển STOP Giao diện viết hàm callback cho nút điều khiển STOP Các hàm có số tham số: + hObject : handle điều khiển buttonCalculate + eventdata + handles : cấu trúc chứa tất điều khiển liệu người dùng Dùng để truy suất điều khiển khác Qua thuộc tính tag điều khiển ta truy suất đến thuộc tính string điều khiển editStr1, editStr2,editStr3 lệnh get set get(handles.tag_dieu_khien, 'ten thuoc tinh'); set(handles.tag_dieu_khien, 'ten_thuoc_tinh', gia_tri); 67 Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học mã số V2016-03 hàm str2num num2str: biến từ string sang số ngược lại Bước 5: Lưu GUI:  Chọn thư mục định lưu tạo thư mục  Nhập Chọn biểu tượng tên file vào mục file name Ví dụ: tia_scr_ba_fa, đồng thời xuất cửa sổ Editor mở file tia_scr_ba_fa.m bạn Trong thư mục bạn save có file là:  tia_scr_ba_fa.fig : file chứa giao diện chương trình  tia_scr_ba_fa.m : file chứa mã thực thi cho chương trình hàm khởi tạo, hàm callback, Bước 6: Chạy thử nghiệm GUI: Nhấp vào biểu tượng Ví dụ: GUI hệ thống chỉnh lưu tia scr pha Hình 90 GUI hệ thống chỉnh lưu tia scr pha 68 Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học mã số V2016-03 II Các GUI chỉnh lưu pha Các kết GUI thí nghiệm hệ thống điện tử cơng suất chỉnh lưu pha minh họa hình 73, 74, 75,76, 77 bao gồm GUI thực hành hệ thống chỉnh lưu tia điốt pha, chỉnh lưu tia SCR pha, chỉnh lưu cầu điốt pha, chỉnh lưu cầu SCR pha hệ thống chỉnh lưu cầu điốt-SCR pha, tương ứng Hình 91 Hình 92 GUI chỉnh lưu điốt pha GUI chỉnh lưu tia scr pha 69 Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học mã số V2016-03 Hình 93 GUI chỉnh lưu cầu điốt pha Hình 94 GUI chỉnh lưu cầu scr pha 70 Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học mã số V2016-03 Hình 95 III GUI chỉnh lưu cầu điốt-scr pha Các GUI chỉnh lưu pha Các kết GUI thí nghiệm hệ thống điện tử công suất chỉnh lưu pha minh họa hình 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84 bao gồm GUI thực hành hệ thống chỉnh lưu tia pha điốt, chỉnh lưu tia pha SCR, chỉnh lưu tia pha điốt, chỉnh lưu tia pha SCR, chỉnh lưu cầu pha điốt, hệ thống chỉnh lưu cầu pha SCR hệ thống chỉnh lưu cầu pha điốt-SCR Hình 96 GUI chỉnh lưu tia đi-ốt pha 71 Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học mã số V2016-03 Hình 97 Hình 98 GUI chỉnh lưu tia scr pha GUI chỉnh lưu tia đi-ốt pha 72 Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học mã số V2016-03 Hình 99 GUI chỉnh lưu tia SCR pha Hình 100 GUI chỉnh lưu cầu điốt pha 73 Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học mã số V2016-03 Hình 101 GUI chỉnh lưu cầu scr pha Hình 102 GUI chỉnh lưu cầu điốt-scr pha 74 Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học mã số V2016-03 IV GUI băm áp DC Các kết GUI thí nghiệm hệ thống điện tử công suất băm áp DC minh họa hình 85, 86, 87, 88 gồm GUI thí nghiệm hệ thống băm áp Buck DC-DC, Boost DC-DC, BuckBoost DC-DC hệ thống cầu H Hình 103 GUI mạch Buck DC-DC Hình 104 GUI mạch Boost DC-DC 75 Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học mã số V2016-03 Hình 105 GUI mạch Buck-Boost DC-DC Hình 106 GUI mạch cầu H 76 Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học mã số V2016-03 V GUI điều chỉnh AC Các kết GUI thí nghiệm hệ thống điều khiển điện áp AC pha Bộ điều khiển điện áp AC pha minh họa hình 89 90 Hình 107 GUI điều khiển điện áp AC pha Hình 108 GUI điều khiển điện áp AC pha 77 Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học mã số V2016-03 VI Biến tần Các kết GUI thí nghiệm hệ thống điện tử biến tần pha biến tần pha trình bày hình 91 92, tương ứng Hình 109 GUI biến tần pha xung vng Hình 110 GUI biến tần pha PWM 78 Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học mã số V2016-03 Hình 111 GUI biến tần pha xung vng Hình 112 GUI biến tần pha PWM 79 Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học mã số V2016-03 Kết luận kiến nghị Báo cáo trình bày ngắn gọn phương pháp mô hệ thống điện tử cơng suất có Đây phương pháp khai thác công cụ mô mạnh mẽ Matlab/Simulink Với 22 kết mô hệ thống chỉnh lưu pha ba pha, hệ thống băm áp DC, hệ thống điều chỉnh AC hệ thống biến tần, chắn hữu ích phục vụ cho môn học điện tử công suất cho giáo viên học viên Giao diện thân thiện, dễ sử dụng tạo góp phần làm tăng hiệu học tập học viên Trong khuôn khổ đề tài, chưa cho phép tác giả trình bày hết kỹ thuật tiên tiến điện tử cơng suất đại Vì tác giả kiến nghị Viện ĐH Mở Hà Nội xây dựng phịng lab nghiên cứu điện tử cơng suất để phát huy hết vai trò lĩnh vực hấp dẫn kinh tế công nghệ 80 Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học mã số V2016-03 Tài liệu tham khảo F Blaabjerg; M M Pecht, “Special Issue on Robust Design and Reliability of Power Electronics,” IEEE Transactions on Power Electronics, May 2015, Volume: 30, Pages: 2373 - 2374, IEEE Journals & Magazines D W Gao, “Editorial Special Issue on Wind Applications–Part 2,” IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 2014, Volume: 2, Issue: 1, Pages: - 2, IEEE Journals & Magazines Editorial: Special Issue on Power Electronics in Emerging Applications, 2012 (Part II), IEEE Transactions on Power Electronics, 2013, Volume: 28, Issue: 4, Pages: 1927 - 1928, IEEE Journals & Magazines http://www2.warwick.ac.uk/fac/sci/eng/research/energyconversion/peater Don Norman, “The design of everyday things”, ISBN 978-0-465-05065-9, Published by Basic Books, 2013 http://tfa.stanford.edu/download/TenUsabilityHeuristics.pdf http://powercircuits.net/power-electronics-practice/ Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh, “Điện tử công suất”, NXB Khoa học kỹ thuật, lần 5, 2010 81 ... suất  Bổ sung phần thực hành thiếu yếu cho môn học Điện tử công suất Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học mã số V2016-03  Xây dựng thành công phần mềm mô Điện tử công suất xây dựng từ MATLAB & SIMULINK... việc nghiên cứu đề tài Từ l trên, việc xây dựng phịng thí nghiệm thực hành ảo điện tử cơng suất giải tính cấp thiết sau:  Đẩy mạnh thực hóa chủ trương gắn liền giảng dạy l thuyết với thực hành. .. thống điện máy bay, hệ thống điện tàu vũ trụ I Tổng quan nghiên cứu điện tử công suất Nước ngồi [1] [2] Lĩnh vực điện tử cơng suất bước vào thời kỳ bùng nổ ứng dụng giới trở thành phụ thuộc vào điện