Nghiên cứu mô phỏng một số mạch điện tử công suất sử dụng phần mềm matlab

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP KHOA CƠ ĐIỆN VÀ CÔNG TRÌNH o0o KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Tên đề tài: Nghiên cứu mô số mạch điện tử công suất sử dụng phần mềm Matlab Giảng viên hướng dẫn : ThS Nguyễn Thị Phượng Sinh viên thực : Lý Văn Hưởng Mã sinh viên : 1451080655 Lớp : K59 – CĐT Khóa : 2014- 2018 Hà Nội - 2018 Lời nói đầu Điện tử cơng suất chun ngành kỹ thuật có vai trị đặc biệt quan trọn hầu hết lĩnh vực sản xuất công nghiệp đời sống hàng ngày Các thiết bị điện tử công suất tham gia vào hầu hết trình, sản xuất điện đến truyền tải, phân phối tiêu thụ điện Điện tử cơng suất góp phần điều khiển q trình biến đổi lượng từ điện sang điện, từ điện sang cơ, từ sang điện, tử điện sang dạng lượng khác, nhờ mà q trình hay hệ thống thiết bị hoạt động cách hiệu Việc mô mạch điện tử công suất quan trọng việc giảng dạy , học tập nghiên cứu thiết kế, giúp ta đánh giá phân tích kết cách xác Có nhiều cách để mơ mạch điện tử công suất, em chọn đề tài “Nghiên cứu mô số mạch điện tử cơng suất sử dụng phần mềm Matlab” Matlab phần mềm mơ có nhiều ưu điểm Matlab thực phương tiện hữu hiệu, cho phép nhân khả người lĩnh vực học tập nghiên cứu ứng dụng khoa học kỹ thuật lên nhiều lần MATLAB có đầy đủ đặc điểm máy tính cá nhân máy tính đại nhất, cho phép biểu diễn liệu nhiều dạng như: biểu diễn thông thường, ma trận đại số, hàm tổ hợp thao tác với liệu thường ma trận Với đặc điểm khả thân thiện với người sử dụng nên dễ dàng sử dụng ngôn ngữ khác Matlab cung cấp môi trường phong phú cho biểu diễn liệu, có khả mạnh mẽ đồ hoạ phải kể đến khả mô mạnh Simulink Bố cục khóa luận: Chương 1: Tổng quan phần mềm Matlab/Sımulınk Chương 2: Phân tích nguyên lý hoạt động số mạch điện tử công suất cần mô Chương 3: Ứng dụng Matlab/Simulink mô mạch điện tử cơng suất Do thời gian, nguồn tài liệu trình độ cịn hạn chế nên đề tài khơng tránh khỏi thiếu sót Kính mong dẫn góp ý thầy cô bạn Hà Nội, ngày 10 tháng năm 2018 Sinh viên thực đề tài Lý Văn Hưởng NHẬN XÉT (Của giảng viên phản biện) ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN (Chữ ký, họ tên) DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Các phép tính số học Bảng 1.2 Các ký hiệu lệnh vẽ nét màu đồ họa DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Các cửa sổ Matlab Hình 1.2 Cửa sổ Publish Hình 1.3 Đồ thị hình sin với bề rộng đường point chiều cao điểm point Hình 1.4 Đồ thị có điền tên đồ thị, tên trục tọa độ ghi vào đồ thị 11 Hình 1.5 Đồ thị hàm phức 12 Hình 1.6 Đồ thị hàm f(x) vẽ lệnh fplot 13 Hình 1.7 Đồ thị hai hàm số vẽ hệ trục tọa độ lệnh fplot 13 Hình 1.8 Đồ thị hàm sinx với hàm ezplot 14 Hình 1.9 Xếp chồng đồ thị lệnh hold on 15 Hình 1.10 Cửa sổ lệnh subplot tạo 16 Hình 1.11 Cửa sổ thư viện Simulink 17 Hình 1.12 Cửa sổ thư viện Math Operations 18 Hình 1.13 Hộp hội thoại khai báo khối Sum 18 Hình 1.14 Hộp hội thoại khai báo khối Product 19 Hình 1.15 Hộp hội thoại khai báo khối Gain 20 Hình 1.16 Các khối chức thuộc thư viện Sources 21 Hình 1.17 Hộp hội thoại khai báo khối Step 21 Hình 1.18 Hộp hội thoại khai báo Constant 22 Hình 1.19 Các khối chức thư viện Sink 22 Hình 1.20 Cửa sổ Scope (a) hộp hội thoại khai báo khối Scope (b) 23 Hình 1.21 Các chức cửa sổ Scope 23 Hình 1.22 Hộp hội thoại khai báo khối Mux (a) Demux (b) 25 Hình 1.23 Hộp hội thoại khai báo khối Integrator 26 Hình 1.24 Bên khối Atomic Subsystem 27 Hình 1.25 Định dạng khối Simulink 28 Hình 2.1 Cấu trúc IGBT điển hình 29 Hình 2.2 Mạch tương đương IGBT 29 Hình 2.3 Cấu tạo Thyristor 30 Hình 2.4 Cấu trúc mạch lực biến đổi xung áp chiều 31 Hình 2.5 Cấu trúc mạch lực van dẫn 31 Hình 2.6 Cấu trúc mạch lực van khơng dẫn 32 Hình 2.7 Băm áp chiều nối tiếp 32 Hình 2.8 Băm áp chiều với điện cảm 33 Hình 2.9 Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu pha, tải cảm RL thyristor 35 Hình 2.10 Dạng dịng điện, điện áp phần tử sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển hồn tồn 36 Hình 3.1 Sơ đồ mạch lực biến đổi xung áp chiều 37 Hình 3.2 Sơ đồ mạch điều khiển PWM Simulink 38 Hình 3.3 Thiết lập Khối Relational Operator 39 Hình 3.4 Thiết lập khối Gain 39 Hình 3.5 Thiết lập khối Constant 40 Hình 3.6 Thiết lập khối Pulse Generator 40 Hình 3.7 Tính tốn nguồn mơ 42 Hình 3.8 Thiết lập Powergui 43 Hình 3.9 Mạch mơ hồn chỉnh 43 Hình 3.10 Dạng xung điện áp sau băm xung 44 Hình 3.11 Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển 44 Hình 3.12 Sơ đồ mơ mạch chỉnh lưu cầu ba pha, tải cảm RL thyristor có điều khiển 45 Hình 3.13 Thiết lập Tải cảm RL 45 Hình 3.14 Thiết lập khối Mux 46 Hình 3.15 Thiết lập khối Scope 46 Hình 3.16 Thiết lập khối AC Voltage Source 47 Hình 3.17 Thiết lập khối Pulse Generator 47 Hình 3.18 Sơ đồ mạch động lực chỉnh lưu cầu ba pha, tải RL dùng thyristor điều khiển hoàn toàn 48 Hình 3.19 Dạng sóng đầu vào nguồn ba pha 48 Hình 3.20 Điện áp dịng qua tải 48 Hình 3.21 Suất điện động tải 48 Hình 3.22 Cường độ dòng tải 49 Hình 3.23 Xung kích mở cho thyristor 49 MỤC LỤC Lời mở đầu Danh mục bảng Danh mục hình PHẦN 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước liên quan tới đề tài khóa luận 1.2 Tình hình nghiên cứu nước liên quan tới đề tài khóa luận 1.3 Mục tiêu đề tài 1.4 Nội dung nghiên cứu 1.5 Đối tượng nghiên cứu 1.6 Phương pháp nghiên cứu PHẦN 2: NỘI DUNG KHÓA LUẬN Chương 1: TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM MATLAB/SIMULINK 1.1 Matlab 1.1.1 Khởi động Matlab 1.1.2 Cửa sổ lệnh 1.1.3 Hiệu chỉnh, sửa đổi dòng lệnh 1.1.4 Xoá cửa sổ lệnh 1.1.5 Dừng chương trình chạy 1.1.6 Dòng lệnh dài 1.1.7 Số phép tính sơ cấp Matlab 1.1.8 m.file Matlab 1.1.9 Đồ họa Matlab 1.2 Một số kiến thức Simulink sử dụng mô điện tử công suất 17 1.2.1 Khởi động Simulink 17 1.2.2 Thư viện Math Operations 18 1.2.3 Thư viện Sources 21 1.2.4 Thư viện Sinks 22 1.2.5 Thư viện Signals Subsystems 24 1.2.6 Thư viện Continuous 25 1.2.7 Khối Atomic Subsystem 26 1.2.8 Soạn thảo sơ đồ mô Simulink 27 Chương 2: PHÂN TÍCH NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG MỘT SỐ MẠCH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT CẦN MÔ PHỎNG 29 2.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động IGBT 29 2.1.1 Cấu tạo 29 2.1.2 Nguyên lý hoạt động 29 2.2 Cấu tạo nguyên lý hoạt động Thyristor 30 2.2.1 Cấu tạo Thyristor 30 2.2.2 Nguyên lý hoạt động 30 2.3 Mạch băm xung áp chiều 31 2.3.1 Nguyên lý hoạt động mạch xung áp chiều nối tiếp 32 2.3.2 Hoạt động sơ đồ với tải điện cảm 33 2.4 Mạch chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển 34 2.4.1 Sơ đồ cầu ba pha, tải trở cảm RL sử dụng thyristor 34 2.4.2 Nguyên lý hoạt động mạch chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển hồn tồn sử dụng tải trở cảm RL thyristor 35 Chương 3: ỨNG DỤNG MATLAB SIMULINK MÔ PHỎNG MẠCH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 37 3.1 Các bước mô 37 3.2 Mô mạch băm xung áp chiều 37 3.2.1 Trình tự mơ 37 3.2.2 Xuất kết 43 3.3 Mô mạch chỉnh lưu cầu ba pha, trở cảm RL sử dụng thyristor, có điều khiển 44 3.3.1 Trình tự mơ 44 Hình 3.18 Sơ đồ mạch động lực chỉnh lưu cầu ba pha, tải RL dùng thyristor điều khiển hoàn toàn 48 3.3.2 Xuất kết 48 KẾT LUẬN 50 DANH MỤC TÀİ LİỆU THAM KHẢO 51 GVHD: ThS Nguyễn Thị Phượng SVTH: Lý Văn Hưởng PHẦN 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước liên quan tới đề tài khóa luận Ngồi nước, ngành cơng nghiệp đại phát triển, điện tử công suất sử dụng rộng rãi Có thể kể đến ngành kỹ thuật mà có ứng dụng tiểu biểu biến đổi bán dẫn công suất truyền động điện, giao thông đường sắt, nấu luyện thép, gia nhiệt cảm ứng, điện phân nhôm từ mỏ quặng, trình điện phân cơng nghiệp hóa chất, nhiều thiết bị công nghiệp dân dụng khác Trong năm gần công nghệ chế tạo phần tử bán dẫn cơng suất có tiến vượt bậc ngày trở nên hoàn thiện dẫn đến việc chế tạo biến đổi ngày nhỏ gọn, nhiều tính sử dụng ngày dễ dàng 1.2 Tình hình nghiên cứu nước liên quan tới đề tài khóa luận Trong nước, ngành công nghiệp đại phát triển chưa thể bắt kịp với nước khác giới Từ việc ứng dụng biến đổi bán dẫn công suất vào ngành kỹ thuật nhiều hạn chế Chưa thể chế tạo biến đổi bán dẫn công suất 1.3 Mục tiêu đề tài Sử dụng Matlab mô số mạch điện tử công suất 1.4 Nội dung nghiên cứu Mô mạch băm xung áp chiều mạch chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển sử dụng Matlab 1.5 Đối tượng nghiên cứu Điện tử công suất, Matlab/Simulink 1.6 Phương pháp nghiên cứu Mô phần mềm Matlab GVHD: ThS Nguyễn Thị Phượng SVTH: Lý Văn Hưởng PHẦN 2: NỘI DUNG KHÓA LUẬN Chương 1: TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM MATLAB/SIMULINK 1.1 Matlab 1.1.1 Khởi động Matlab Để khởi động Matlab cần nháy đúp vào biểu tượng nó, cửa sổ lệnh command Windows Matlab xuất Dấu nháy >> biểu thị chương trình sẵn sàng, nhập liệu tính tốn Matlab Ngồi cửa sổ command Windows, Matlab cịn có cửa sổ soạn thảo Editor, soạn thảo chương trình, sửa đổi hàm, biến… cửa sổ lưu chương trình dạng Scripts Cửa sổ Command History cửa sổ lệnh khứ cho phép lưu giữ hiển thị tất lệnh sử dụng, lặp lại lệnh cũ cách nháy đúp chuột vào lệnh Khi thực lệnh gọi lệnh Help để nhận trợ giúp Hình 1.1 Các cửa sổ Matlab Thốt khỏi MATLAB: Trong Windows, có nhiều cách để khỏi chương trình ứng dụng, để khởi Matlab ta sử dụng cách sau: Từ cửa sổ lệnh Matlab Command Window đánh lệnh quit kích biểu tượng close nằm góc phải tiêu đề Matlab Hoặc kích chuột theo đường dẫn sau: File/Exit MATLAB nhấn tổ hợp phím: Ctrl + Q GVHD: ThS Nguyễn Thị Phượng SVTH: Lý Văn Hưởng Chương 3: ỨNG DỤNG MATLAB/SIMULINK MÔ PHỎNG MẠCH ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT 3.1 Các bước mơ - Bước 1: Xây dựng sơ đồ mô mạch - Bước 2: Mô mạch Matlab Simulink + Khởi động Matlab → Simulink Tạo file cách sử dụng tổ hợp phím Ctrl + N + Xây dựng sơ đồ cần mô file tạo + Vào cửa sổ Matlab để nhập đầu vào cho sơ đồ mô lưu lại + Chạy file thông số đầu vào → chạy mô Simulink - Bước 4: Xuất kết 3.2 Mô mạch băm xung áp chiều Hình 3.1 Sơ đồ mạch lực biến đổi xung áp chiều 3.2.1 Trình tự mơ - B1: Mô mạch băm xung chiều + Mạch động lực (hình 3.1.) + Mạch điều khiển: 37 GVHD: ThS Nguyễn Thị Phượng SVTH: Lý Văn Hưởng Hình 3.2 Sơ đồ mạch điều khiển PWM Simulink - Mô mạch điều khiển: + Mở cửa sổ Matlab, vào Simulink tạo cửa sổ làm việc cách vào File → New, lưu file + Lấy đầu vào từ Source: + Lấy đầu từ Sinks: + Tiếp theo đặt tên cho đầu vào cách kích chuột vào chúng: Có thể xoay đối tượng cách click vào đối tượng sau Ctrlt+R + Lấy khối Relational Operator cách nhập tên cơng cụ tìm kiếm thiết lập sau: 38 GVHD: ThS Nguyễn Thị Phượng SVTH: Lý Văn Hưởng Hình 3.3 Thiết lập Khối Relational Operator + Lấy khối Gain đặt tên thiết lập sau: Hình 3.4 Thiết lập khối Gain + Lấy khối Integrator + Lấy khối Sum 39 GVHD: ThS Nguyễn Thị Phượng SVTH: Lý Văn Hưởng + Lấy khối Constant thiết lập sau: Hình 3.5 Thiết lập khối Constant + Lấy khối Pulse Generator (khối tạo xung) thiết lập sau: Hình 3.6 Thiết lập khối Pulse Generator 40 GVHD: ThS Nguyễn Thị Phượng SVTH: Lý Văn Hưởng Tiếp tục hoàn thiện khối PWM hình 3.2: Chọn tất khối trên, chuột phải chọn Create Subsystem from Selection sử dụng tổ hợp phím Ctrl + G Đặt tên cho khối vừa tạo PWM - Mô mạch động lực + Lấy khối IGBT + Lấy khối DC Voltage Source (nguồn điện áp chiều) + Lấy khối Voltage Measurement (vôn kế) + Lấy khối Current Measurement (ampe kế) + Lấy khối Mux + Lấy khối Scope + Lấy Diode + Lấy tải R cuộn cảm L + Tiếp theo ta nhập đầu vào từ cửa sổ Matlab: Mở cửa sổ Matlab tạo Editor mới, lưu lại Được bảng số liệu Workpace: E = 10 R=1 L = 100e-6 E= 10 R= 41 GVHD: ThS Nguyễn Thị Phượng SVTH: Lý Văn Hưởng L= 1.0000e-04 Tại cửa sổ Matlab, nhập vào lệnh Demo, xuất cửa sổ Help: nhập vào tìm kiếm Cycloconverter, tiếp đến chọn Six-Pulse Cycloconverter Open This Example Sao chép nguồn Powergui sang giao diện mô mạch vẽ ban đầu Hình 3.7 Tính tốn nguồn mơ Thiết lập nguồn Powergui: 42 GVHD: ThS Nguyễn Thị Phượng SVTH: Lý Văn Hưởng Hình 3.8 Thiết lập Powergui Tiếp tục hồn thiện mạch hình sau: Hình 3.9 Mạch mơ hồn chỉnh Thời gian mơ 100s 3.2.2 Xuất kết - Kích đúp vào Scope xuất cửa sổ, ta kết mô hình 3.10 43 GVHD: ThS Nguyễn Thị Phượng SVTH: Lý Văn Hưởng Hình 3.10 Dạng xung điện áp sau băm xung Nhận xét: Mô cho kết với lý thuyết 3.3 Mô mạch chỉnh lưu cầu ba pha, trở cảm RL sử dụng thyristor, có điều khiển Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha, trở cảm RL sử dụng thyristor, có điều khiển Hình 3.11 Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển 3.3.1 Trình tự mơ - Mơ mạch động lực: + Mở cửa sổ Matlab, vào Simulink tạo cửa sổ làm việc cách vào File → New, lưu file 44 GVHD: ThS Nguyễn Thị Phượng SVTH: Lý Văn Hưởng Hình 3.12 Sơ đồ mơ mạch chỉnh lưu cầu ba pha, tải cảm RL thyristor có điều khiển + Lấy khối Voltage Measurement (vôn kế) + Lấy khối Current Measurement (ampe kế) + Lấy khối DC Voltage Source (nguồn điện áp chiều) + Lấy khối Powergui + Lấy thyristor + Lấy tải cảm RL thiết lập sau: Hình 3.13 Thiết lập Tải cảm RL + Lấy khối Mux thiết lập sau để có khối Mux với đầu vào: 45 GVHD: ThS Nguyễn Thị Phượng SVTH: Lý Văn Hưởng Hình 3.14 Thiết lập khối Mux + Lấy khối Scope thiết lập sau để có khối Scope với tín hiệu vào: Hình 3.15 Thiết lập khối Scope + Lấy khối AC Voltage Source (nguồn áp xoay chiều): 46 GVHD: ThS Nguyễn Thị Phượng SVTH: Lý Văn Hưởng Hình 3.16 Thiết lập khối AC Voltage Source Vì pha lệch góc 120º nên dịng Phase (deg) khối AC Voltage Source cịn lại cần thiết lập góc 120 º 240 º - Lấy khối Pulse Generator (khối tạo xung) thiết lập sau: Hình 3.17 Thiết lập khối Pulse Generator + Tiếp tục hoàn chỉnh mạch mô phỏng: 47 GVHD: ThS Nguyễn Thị Phượng SVTH: Lý Văn Hưởng Hình 3.18 Sơ đồ mạch động lực chỉnh lưu cầu ba pha, tải RL dùng thyristor điều khiển hồn tồn Thời gian mơ 10s 3.3.2 Xuất kết - Kích đúp vào khối Scope xuất cửa sổ, ta kết mô hình Hình 3.19 Dạng sóng đầu vào nguồn ba pha Hình 3.20 Điện áp dịng qua tải Hình 3.21 Suất điện động tải 48 GVHD: ThS Nguyễn Thị Phượng SVTH: Lý Văn Hưởng Hình 3.22 Cường độ dịng tải Hình 3.23 Xung kích mở cho thyristor 49 GVHD: ThS Nguyễn Thị Phượng SVTH: Lý Văn Hưởng KẾT LUẬN Sau tháng thực đề tài khóa luận, em tìm hiểu ứng dụng matlab vào để thực đề tài “Nghiên cứu mô số mạch điện tử công suất sử dụng phần mềm Matlab Simulink” Kết đạt là: mô mạch băm xung áp chiều mạch chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển ứng dụng Matlab Simulink Hạn chế q trình mơ phỏng: thời gian gấp rút, chưa thể hiểu hết phần mềm Matlab Simulink nên nên gặp nhiều khó khăn Hướng phát triển đề tài là: mô tất mạch điện tử công suất ứng dụng Matlab Simulink Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp quan tâm Thầy, Cô khoa, đặc biệt giáo viên hướng dẫn ThS NGUYỄN THỊ PHƯỢNG giúp đỡ em tận tình trình tìm hiểu xây dựng đề cương, đề tài khóa luận Để đồ án em hoàn thành thời gian Tuy nhiên thực đề tài khơng tránh khỏi sai sót, em mong nhận đươc góp ý đánh giá quý thầy cô Em xin trân thành cảm ơn ! 50 GVHD: ThS Nguyễn Thị Phượng SVTH: Lý Văn Hưởng DANH MỤC TÀİ LİỆU THAM KHẢO Điện tử công suất, Nguyễn Bính, Nhà xuất KHKT Giáo trình điện tử công suất, Trần trọng Minh, Nhà xuất Giáo Dục Việt Nam Địa website: https://vi.wikipedia.org https://www.tailieu.vn https://www.youtube.com 51 ... đổi bán dẫn công suất 1.3 Mục tiêu đề tài Sử dụng Matlab mô số mạch điện tử công suất 1.4 Nội dung nghiên cứu Mô mạch băm xung áp chiều mạch chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển sử dụng Matlab 1.5... ? ?Nghiên cứu mô số mạch điện tử cơng suất sử dụng phần mềm Matlab? ?? Matlab phần mềm mơ có nhiều ưu điểm Matlab thực phương tiện hữu hiệu, cho phép nhân khả người lĩnh vực học tập nghiên cứu ứng dụng khoa... Chương 1: Tổng quan phần mềm Matlab/ Sımulınk Chương 2: Phân tích nguyên lý hoạt động số mạch điện tử công suất cần mô Chương 3: Ứng dụng Matlab/ Simulink mô mạch điện tử cơng suất Do thời gian,