1.Kiến thức
- Sử dụng được phần mềm Matlab trong việc thiết kế, tính toán mô phỏng và
phân tích mạng điện hạ áp 2. Kỹ năng
- Ứng dụng được phần mềm mô phỏng mạch điện Matlab để thiết kế, khảo sát và phân tích được mạng điện động lực.
- Vận dụng sáng tạo vào thực tế. 3. Thái độ
- Nghiêm túc họctập, tíchcực luyện tập. - Đảm bảo an toàn cho người và thiết bị.
II. Lý thuyết liên quan.
1. Giới thiệu phần mềm Matlab Simulink
Simulink là một công cụ trong Matlab dùng để mô hình, mô phỏng và phân tích các hệ thống động với môi trường giao diện sử dụng bằng đồ họa. Việc xây dựng mô hình được đơn giản hóa bằng các hoạt động nhấp chuột và kéo thả. Simulink bao gồm một bộ thư viện khối với các hộp công cụ toàn diện cho cả việc phân tích tuyến tính và phi tuyến. Simulink là một phần quan trọng của Matlab và có thể dễ dàng chuyển đổi qua lại trong quá trình phân tích, và vì vậy người dùng có thể tận dụng được ưu thế của cả hai môi trường.
2. Hướng dẫn sử dụng Simulink:
* Khởi động phần mềm: Có thể mở Simulink bằng 2 cách - Cách 1: Click vào biểu tượng như hình dưới (Simulink icon)
Hình 5.1: Giao diện khởi động phần mềm Simulink - Cách 2: Từ cửa sổ lệnh, đánh lệnh Simulink và Enter
* Giao diện của phần mềm:
Hình 5.2 Giao diện cửa sổthư viện * Tạo một mô hình mới bằng :
- Cách 1: Click vào icon New model hoặc gõ Ctrl-N
Hình 5.3 : Giao diện khởi động file mới
Hình 5.4 : Giao diện cửa sổ vùng làm việc, xây dựng mô hình
* Tạo các khối: từ thư viện Simulink chọn khối cần dùng, nhấp chuột vào và khối cần chọn
Hình 5.5 : Thực hiện tạo phần tử cần thiết kế * Lưu trữmô hình bằng lệnh Save (File → Save) hoặc nhấp vào icon Save
* Sắp xếp và thiết sơ đồ mô phỏng: Dịch chuyển các khối đơn giản bằng cách nhấp vào khối đó và kéo thả
Hình 5.7 : Giao diện sắp xếp các phần tử
* Nối tín hiệu giữa các phần tử trong sơ đồ: Đưa con chuột tới ngõ ra của khối (dấu “>”), khi đó con chuột sẽcó dạng “+”. Kéo rê chuột tới ngõ vào của một khối khác và thả ra để kết nối tín hiệu.
Hình 5.8 : Giao diện nối tín hiệu giữa các phần tử
* Mô phỏng mô hình: Dùng lệnh Start (Menu Simulation → Start) hoặc nhấp chuột
Hình 5.9 : Giao diện khởi động trạng thái mô phỏng cho mô hình * Xem tín hiệu từmáy hiện sóng (Scope): nhấp đôi vào khối Scope
Hình 5.10 : Giao diện màn hình máy hiện sóng
* Chỉnh thông số của một khối bằng cách nhấp đôi vào khối cần chỉnh Trước khi mô phỏng mô hình Simulink, chúng ta cần đặt các thông số mô phỏng bằng cách chọn menu Simulation → Configuration Parameters
Hình 5.11 : Giao diện thiết lập thông sốcho máy hiện sóng
Ở cửa sổ Configuration Parameters, chúng ta có thể đặt một số thông số như Start time, Stop time (second –giây), và phương pháp giải Solver, Solver options,.. sau đó nhấn nút OK
3. Thiệu thư viện mô phỏng Simulink:
3.1 Các phần tử cơ bản
* Mạch nhánh RLC nối tiếp (Serials RLC Branch)
Nhiệm vụ: Thực hiện chức năng mạch nhánh bao gồm R-L-C mắc nối tiếp Thư viện: Elements
Thông số: Giá trị điện trở R, điện cảm L và điện dung C
Hình 5.13: Thư viện mạch nhánh RLC mắc nối tiếp và bảng cài đặt thông số * Mạch nhánh tải RLC mắc nối tiếp( Serials RLC Load)
Nhiệm vụ: Thực hiện chức năng tải gồm RLC mắc nối tiếp Thư viện: Elements
Thông số: Điện áp định mức Un, tần số định mức fn, công suất tác dụng P, công suất phản kháng QL, QC
Hình 5.14: Thư viện mạch nhánh tải RLC mắc nối tiếp và bảng cài đặt thông số * Mạch nhánh tải RLC mắc song song ( Parallel RLC Branch)
Thư viện: Elements
Thông số: Giá trịđiện trởR, điện cảm L và điện dung C
Hình 5.15: Thư viện mạch nhánh tải RLC mắc nối tiếp và bảng cài đặt thông số * Phần tử tải 1pha RLC mắc nối tiếp (Parallel RLC Load)
Nhiệm vụ: Thực hiện chức năng tải gồm RLC mắc nối tiếp Thư viện: Elements
Thông số: Điện áp định mức Un, tần số định mức fn, công suất tác dụng P, công suất phản kháng QL, QC
Hình 5.16: Thư viện phần tử tải 1 pha RLC mắc nối tiếp và bảng cài đặt thông số * Phần tử tải tải 3 pha RLC mắc nối tiếp (3 - Phase Serials RLC Load)
Nhiệm vụ: Thực hiện chức năng tải 3 pha gồm RLC mắc nối tiếp Thư viện: Elements
Thông số: Điện áp định mức Un, tần số định mức fn, công suất tác dụng P, công suất phản kháng QL, QC
Hình 5.17: Thư viện phần tử tải 3 pha RLC mắc nối tiếp và bảng cài đặt thông số *Phần tử tải 3 pha RLC mắc song song (3 - Phase Parallel RLC Load)
Nhiệm vụ: Thực hiện chức năng tải 3 pha gồm RLC mắc song song Thư viện: Elements
Thông số: Điện áp định mức Un, tần số định mức fn, công suất tác dụng P, công suất phản kháng QL, QC
Hình 5.18: Thư viện phần tử tải 3 pha RLC song song tiếp và bảng cài đặt thông số * Mạch nhánh 3 pha RLC mắc nối tiếp (3 - Phase Serials RLC Branch)
Nhiệm vụ: Thực hiện chức năng mạch nhánh ba pha gồm RLC mắc nối tiếp Thư viện: Elements
Hình 5.19: Thư viện mạch nhánh 3pha RLC mắc nối tiếp và bảng cài đặt thông số * Mạch nhánh3 pha RLC mắc song song (3 - Phase Parallel RLC Branch) Nhiệm vụ: Thực hiện chức năng mạch nhánh ba pha gồm RLC mắc song song Thư viện: Elements
Thông số: Giá trị điện trở R, điện cảm L và điện dung C
Hình 5.20: Thư viện mạch nhánh 3pha RLC mắc song song và bảng cài đặt thông số * Phần tử tải động 3 pha (3 Phase Dynamic Load)
Nhiệm vụ: Thực hiện chức năng tải động ba pha Thư viện: Elements
Thông số: điện áp làm việc, tần số; các giá trị công suất ban đầu; giá trị modul và góc pha ban đầu ở chế độ đối xứng
Hình 5.21: Thư viện phần tử tải động 3 pha RLC mắc song song và bảng cài đặt thông số * Điện cảm tương hỗ (Mutual Inductance)
Nhiệm vụ: thực hiện chức năng điện cảm tương hỗ Thư viện: Elements
Thông số: trở kháng của các cuộn dây; điện cảm tương hỗ giữa các cuộn dây.
Hình 5.21: Thư viện điện cảm tương hỗ và bảng cài đặt thông số * Phần tử bảo vệ chống sét (Surge Arrester)
Nhiệm vụ: Thực hiện chức năng thiết bị chống sét Thư viện: Elements
Hình 5.22: Thư viện phần tử chống sét và bảng cài đặt thông số * Phần tử hỗ cảm 3 pha (3 – Phase Mutual Inductance Z1-Z0)
Nhiệm vụ: thực hiện chức năng hỗ cảm 3 pha Thư viện: Elements
Thông số: giá trị điện trở, điện cảm ở chế độ nghịch và không
tínHình 5.16: Thư viện phần hỗ cảm 2 pha và bảng cài đặt thông số
3.2 Đường dây, thiết bị đóng cắt và truyền tải điện năng
* Đường dây truyền tải 1 pha (PI Section Line)
Nhiệm vụ: Thực hiện chức năng đường dây truyền tải ba pha Thư viện: Elements
Thông số: Số pha, tần số làm việc, Giá trị điện trở R, điện cảm L điện dung C và chiều dài l (km)
Hình 5.23: Thư viện đường dây 1 pha và bảng cài đặt thông số * Đường dây truyền tải nhiều pha (Distributed Parameter Line)
Nhiệm vụ: Thực hiện chức năng đường dây truyền tải nhiều pha Thư viện: Elements
Thông số:Số pha, tần số làm việc, Giá trị điện trở R, điện cảm L điện dung C và chiều dài l (km)
Hình 5.24: Thư viện đường dây nhiều pha và bảng cài đặt thông số * Đường dây truyền tải 3 pha (3 - Phase PI Section)
Nhiệm vụ: Thực hiện chức năng đường dây truyền tải ba pha Thư viện: Elements
Thông số: Tần số làm việc, Giá trị điện trở R, điện cảm L điện dung C và chiều dài l (km)
Hình 5.25: Thư viện đường dây 3 pha và bảng cài đặt thông số * Nối trung tính (Ground)
Nhiệm vụ: Thực hiện tạo điểm nối trung tính Thư viện: Elements
Thông số: trạng thái và điểm nối
Hình 5.25: Thư viện phần tử nối trung tính và bảng cài đặt thông số * Thiết bị đóng cắt 1 pha (Breaker)
Nhiệm vụ: Thực hiện chức năng thiết bị đóng cắt (cầu dao, áp tomat) Thư viện: Elements
Thông số: Giá trị điện trở bản thân thiết bị R, điện trở hồ quang Rs điện dung hồ quang Cs
Hình 5.26: Thư viện phần tử đóng cắt 1 pha và bảng cài đặt thông số * Thiết bị đóng cắt 3 pha (3 - Phase Breaker)
Nhiệm vụ: Thực hiện chức năng thiết bị đóng cắt ba pha (cầu dao, áp tomat) Thư viện: Elements
Thông số: Thời gian chuyển trạng thái, Giá trị điện trở bản thân thiết bị R, điện trở hồ quang Rs điện dung hồ quang Cs
Hình 5.27: Thư viện phần tử đóng cắt 3 pha và bảng cài đặt thông số * Phần tử sự cố 3 pha (3 - Phase Fault)
Nhiệm vụ: Thực hiện chức năng tạo sự cố ba pha hệ thống Thư viện: Elements
Thông số: điện trở sự cố;điện trở nối đất; tình trạng truyền tải thời gian truyền tải, thời gian đầu; điện trở, tụ điện chống dao động
Hình 5.28: Thư viện phần tử sự cố3 pha và bảng cài đặt thông số * Máy biến áp 1 pha (Liner Transformer)
Nhiệm vụ: Thực hiện chức năng máy biến áp tuyến tính Thư viện: Elements
Thông số: Công suất định mức, tần số làm việc, số cuộn dây, điện áp làm việc, điện trở, điện cảm của cuộn dây sơ hoặc thứ cấp
Hình 5.29: Thư viện máy biến áp 1 pha và bảng cài đặt thông số * Máy biến áp 3 pha (3 - Phase Transformer)
Nhiệm vụ: Thực hiện chức năng máy biến áp ba pha Thư viện: Elements
Thông số: Tổ nối dây, Công suất định mức, tần số làm việc, số cuộn dây, điện áp làm việc, điện trở, điện cảm của cuộn dây sơ hoặc thứ cấp
3.3 Phần tử nguồn
* Nguồn điện áp 1 chiều (DC Voltage Source)
Nhiệm vụ: Thực hiện chức năng nguồn áp một chiều Thư viện:Electrical Sources
Thông số:
Điện áp định mức Un,
Hình 5.31 : Thư viện nguồn điện áp 1 chiều và bảng cài đặt thông số * Nguồn điện áp xoay chiều AC Voltage Source
Nhiệm vụ: Thực hiện chức năng nguồn áp xoay chiều Thư viện: Electrical Sources
Thông số: u = Un*sin(ωt +φ); ω = 2πf; φ = Góc pha ban đầu
Hình 5.32: Thư viện nguồn điện áp xoay chiều và bảng cài đặt thông số * Nguồn dòng điện xoay chiều 1 pha (AC Current Source)
Nhiệm vụ: Thực hiện chức năng nguồn dòng xoay chiều Thư viện: Electrical Sources
Hình 5.33: Thư viện nguồn dòng điện 1 pha và bảng cài đặt thông số * Nguồn dòng điện xoay chiều 3 pha (3 - Phase Source)
Nhiệm vụ: Thực hiện chức năng nguồn xoay chiều 3 pha Thư viện:
Thông số: Điện áp dây, tần số định mức fn, góc pha ban đầu…….
3.4 Thiết bị đo lường
* Bộ chuyển đổi đo điện áp (Voltage Mesurement)
Nhiệm vụ: Thực hiện chức năng chuyển đổi tín hiệu cho thiết bị đo điện áp ( trong phần mềm không thể đo trực tiếp điện áp của mạch)
Thư viện: Mesurement
Thông số : tín hiệu ra (mặc định điện áp)
Hình 5.35: Thư viện bộ biến đổi đo điện áp và bảng cài đặt thông số * Bộ chuyển đổi đo dòng điện (Current Mesurement)
Nhiệm vụ: Thực hiện chức năng chuyển đổi tín hiệu cho thiết bị đo dòng điện ( trong phần mềm không thể đo trực tiếp dòng điện của hệ thống)
Thư viện: Mesurement
Thông số : tín hiệu ra (mặc định dòng điện)
Hình 5.36 : Thư viện bộ biến đổi đo dòng điện và bảng cài đặt thông số * Bộ chuyển đổi đo tín hiệu bất kỳ (Multimeter)
Nhiệm vụ: Thực hiện chức năng chuyển đổi các loại tín hiệu đo Thư viện: Mesurement
Hình 5.37 : Thư viện bộ chuyển đổi đo tín hiệu đo bất kỳ và bảng cài đặt thông số * Bộ chuyển đổi tín hiệu sang dạng trở kháng (Impedance Mesurement)
Nhiệm vụ: Thực hiện chức năng chuyển đổi tín hiệu trở kháng Thư viện: Mesurement
Thông số: tín hiệu đo
Hình 5.38 : Thư viện bộ chuyển đổi sang tín hiệu trở kháng và bảng cài đặt thông số * Bộ chuyển đổi tín hiệu đo dòng điện và điện áp 3 pha (Three Phase U-I Mesurement)
Nhiệm vụ: Thực hiện chức năng chuyển đổi tín hiệu đo dòng điện và điện áp ba pha Thư viện: Mesurement
Hình 8.39: Thư viện bộ chuyển đổi tín hiệu đo dòng điện, điện áp 3 pha và bảng cài đặt thông số
* Máy hiện sóng (Osilloscope)
Nhiệm vụ: Thực hiện chức năng đo và hiển thị dạng sóng của tín hiệu Thư viện: Mesurement
Thông số: số tia cần đo, thời gian, biên độ, tần số
III. Thiết bị, dụng cụ, vậttư thực hành
Bảng kê dụng cụ thực hành(cho một nhóm thực tập)
TT Tên dụng cụ Số lượng Đv tính Ghi
chú
1 Máy vi tính 01 bộ
IV. Thực hành
1. Nội dung thực hành
Thiết lập sơ đồ, mô phỏng trạng thái và tính toán thông số của mạch điện 1 pha. Xây dựng sơ đồ, mô phỏng trạng thái và tính toán các thông số cho mạch điện gồm : 01 nguồn cung cấp xoay chiều 1 pha ( nguồn và các thành phần điện trở nguồn), Bus phân phối, thiết bị đo điện áp, tải tiêu thụ (R+L+C), máy hiện sóng.
2. Trình tự thao tác
a) Thiết lập sơ đồ
Bước 1 : Khởi tạo sơ đồ mô phỏng
- Thực hiện khởi động Matlab Simulink - Tạo file mới (machdien1)
Bước 2 : Thiết kế sơ đồ mô phỏng
Từ Menu File của cửa sổ powerlib mở cửa số mới.
Mở Electrical Source và copy khối AC Voltage Source vào cửa sổ machdien1
Mở khối AC Voltage Source bằng cách kích đúp chuột lên biểu tượng của khối đó và nhập các thông biên độ, góc pha, Tần số đã cho trong đầu bài Chú ý: Biên độ đỉnh của nguồn điện áp phải là: 424.4e3*sqrt(2) Volt
Thay đổi tên của khối này từ AC Voltage Source thành Vs
Copy khối Parallel RLC Branch ở trong thư viện Elements nhập các thông số theo sơ đồvà đổi tên thành Z_eq. Tuy nhiên điện trở sẽkhông thểtìm thấy trực tiếp trong thư viện. Có thể tạo được từ khối Parallel RLC Branch khi thiết lập R và cho L = inf, C = 0. Đặt tên cho khối là Rs_eq
Mở thư viện Connector và copy Bus Bar vào cửa sổ machdien1. MởBus Bar và thay đổi sốđầu ra 2 và đầu vào 2. Đặt tên là B1
Nối dây giữa các phần tử
Lấy thiết bị đo điện áp và đo tại B1. Thiết bị đo này được lấy từ thư mục Mesurement, copy và đặt tên là U1
Nối cực dương của thiết bị đo với đầu ra thứ 2 của Bus Bar, cực âm nối với Khối GND
Mở thư mục Simulink Sink lấy Scope và Simulink Maths Operations lấy Gain. Thay đổi hệ số Gain K = 1/424.4e3*sqrt(2)
Un = 424.4e3V, fn = 50Hz, P = 110e6/300W, QL = 110e6 VARS Và QC = 0
Nối các dây cần thiết còn lại để được sơ đồ hoàn chỉnh Bước 3 : Hiệu chỉnh và lưu chương trình
Sắp xếp các phần tử trong mạch hợp lý và có thẩm mỹ theo sơ đồ
Lưu lại file
b) Mô phỏng trạng thái và kết quả tính toán
Bước 1: Chạy mô phỏng
Kick chuột vào nút Start Simulation để tiến hành mô phỏng
Kick đúp chuột vào Scope1 để xem dạng sóng điện áp Bước 2 : Quan sát và xử lý kết quả mô phỏng
Kick chuột vào nút Powergui để tiến hành tính toán và hiển thị kết quả
3. Dạng sai hỏng thường gặp, nguyên nhân, biện pháp khắc phục
TT Dạng sai hỏng Nguyên nhân Biện pháp khắc phục
1 Không mở được phần mềm Lỗi hệ điều hành Lỗi cài đặt phần mềm Mở phần mềm chưa đúng đường dẫn
Kiểm tra tính thích hợp của hệ điều hành
Kiểm tra, cài đặt lại phần mềm