c. Khi phân cực nghị ch:
4.3. THỰC HÀNH
Trong bài này, sinh viên sẽ mơ phỏng mạch chỉnh lưu 3 pha, với nguồn điện 3 pha lý tưởng cĩ các điện áp pha lệch nhau 1200, như sau:
u1 = um sin(x), với x = Ωt = 2πFt u2 = um sin(x-2π/3)
u3 = um sin(x-4π/3)
Các linh kiện cơng suất được giả thiết là lý tưởng, hoạt động ở 2 trạng thái: đĩng (điện trở giữa 2 cực chính bằng 0, điện áp rơi bằng 0), ngắt (điện trở giữa 2 cực chính bằng ∞).
4.3.1. Chỉnh lưu 3 pha mạch tia khơng điều khiển
Xét trường hợp tải R-L-E và giả sử cĩ thể bỏ qua tổng trở của nguồn
a. Chương trình mẫu 1:
function [i_d,u_d]=cl_diode_RLE(u,r,l,e,F)
% cl_diode_RLE(u,r,l,e,F) mơ phỏng mạch chỉnh lưu tia 3 pha khơng điều khiển dùng % diode, tải R-L-E, tính điện áp và dịng điện chỉnh lưu trên tải, vẽđồ thị của các đại lượng % này với cùng thang đo trên trên trục gĩc pha x = wt = 2πFt, w là tần số gĩc của nguồn 3 % pha. Đối số vào (input argument) u là giá trị hiệu dụng của điện áp nguồn, r và l giá trị % của điện trở và cuộn dây trên tải, e sức điện động trên tải hoặc nguồn dc trên tải, F là tần % số của điện áp nguồn. Đối số ra (Output argument) i_d là dịng điện qua tải , u_d là điện % áp trên tải. Các đồ thịđược vẽ theo biến x = wt . Vì giá trị của dịng điện rất nhỏ so với % điện áp, nên để cĩ thể quan sát dạng sĩng của dịng điện tốt hơn, trước khi vẽđồ thị, dịng % điện đã được nhân lên từ 3 đến 10 lần so với giá trị thật.
global R L E f u_m % Khai báo biến tồn cục. if nargin < 4
error('Requires 4 or 5 input arguments.') elseif nargin >= 4
R=r;L=l;E=e; % Gán đối số vào cho các biến tồn cục. u_m=sqrt(2)*u; % Tính biên độđiện áp nguồn 3 pha.
% Khai báo vector biến gĩc pha x, x=wt. x1=[0:0.01:pi/6];x2=[pi/6+0.01:0.01:5*pi/6];
x3=[5*pi/6+0.01:0.01:9*pi/6];x4=[9*pi/6+0.01:0.01:13*pi/6]; x=[x1 x2 x3 x4];
% Khai báo điện áp nguồn điện 3 pha. u_1=u_m*sin(x);
u_2=u_m*sin(x-2*pi/3); u_3=u_m*sin(x-4*pi/3);
% Mặc định biến tần số f =50, khi khơng cĩ đối số vào F. if nargin==4 f=50; else f=F; end % Tính dịng điện tải bằng cách sử dụng hàm ode15s để giải phương dt did % trình vi phân ud = Rid + L + E, nếu L khác 0. if L==0 i_d1=(u_m*sin(x1-4*pi/3)-E)/R;i_d2=(u_m*sin(x2)-E)/R; i_d3=(u_m*sin(x3-2*pi/3)-E)/R;i_d4=(u_m*sin(x4-4*pi/3)-E)/R; i_d=[i_d1 i_d2 i_d3 i_d4];
else [k_1,id1]=ode15s('phuongtrinh3',[0:0.01:pi/6],u_m/(R+2*pi*f*L)); [k_1,id2]=ode15s('phuongtrinh1',[pi/6+0.01:0.01:5*pi/6],… id1(length(id1))); [k_1,id3]=ode15s('phuongtrinh2',[5*pi/6+0.01:0.01:9*pi/6],… id2(length(id2))); [k_1,id4]=ode15s('phuongtrinh3',[9*pi/6+0.01:0.01:13*pi/6],… id3(length(id3)));
i_d=[id1' id2' id3' id4']; end
i_d3=3*i_d; %Tăng thang đo của dịng điện lên từ 3 đến 10 lần. for n=1:length(x) if (x(n)<=pi/6) % Giả sử tại thời điểm t=0, D3 đĩng u_d(n)=u_3(n); u_v1(n)=(u_1(n)-u_3(n)); i_v1(n)=0; elseif (x(n)>pi/6)&(x(n)<=5*pi/6) % D1 đĩng. u_v1(n)=0; u_d(n)=u_1(n); i_v1(n)=i_d(n); elseif (x(n)>5*pi/6)&(x(n)<=9*pi/6) % D2 đĩng. u_v1(n)=u_1(n)-u_2(n); u_d(n)=u_2(n); i_v1(n)=0; elseif (9*pi/6<x(n)&x(n)<=13*pi/6) % D3 đĩng u_d(n)=u_3(n); u_v1(n)=(u_1(n)-u_3(n)); i_v1(n)=0; end end; % Vẽđồ thị của điện áp nguồn 3 pha, điện áp và dịng điện tải, điện áp và % dịng điện trên diode D1 subplot(311); plot(x,u_1,'r',x,u_2,'g',x,u_3,'b'); grid on xlabel('x'),ylabel('u'); legend('u_1','u_2','u_3'); subplot(312); plot(x,u_d,'b',x,i_d3,'r'); grid on xlabel('x'),ylabel('u_d i_d'); legend('u_d','3*i_d'); subplot(313); plot(x,u_v1,'b',x,10*i_v1,'r'); grid on xlabel('x'),ylabel('u_v_1 i_v_1'); legend('u_v_1','10*i_v_1'); % Vẽ lại dạng sĩng điện áp và dịng điện tải trên một cửa sổđồ họa % riêng. figure('Color','w'); plot(x,u_d,'b',x,i_d3,'r'); grid on xlabel('x'),ylabel('u_d i_d'); legend('u_d','3*i_d'); end; function ham=phuongtrinh1(x,i)
% Định nghĩa phương trình vi phân cho hàm ode23s. global u R L E f u_m
ham=(-i(1)*R/L+ u_m*sin(x)/L-E/L)/(2*pi*f); function ham=phuongtrinh2(x,i)
% Định nghĩa phương trình vi phân cho hàm ode23s global u R L E f u_m
ham(1)=(-i(1)*R/L+ u_m*sin(x-2*pi/3)/L-E/L)/(2*pi*f); function ham=phuongtrinh3(x,i)
% Định nghĩa phương trình vi phân cho hàm ode23s global u R L E f u_m
ham(1)=-i(1)*R/(2*pi*f*L)+ u_m*sin(x-4*pi/3)/(2*pi*f*L)-E/(2*pi*f*L);
b. Câu hỏi:
1. Hồn thành các khoảng trống trong hệ phương trình mơ tả trạng thái mạch điện (hình 4.1) sau đây: + Khi 0 < x ≤ π/6 và 9π/6 <x ≤ 2π (D3 dẫn, D1, D2 ngắt): i = …… ; id D1 = …….; iD2 =…….; ud = ……. + Khi π/6 < x ≤ 5π/6 ( D1 dẫn, D2 , D3 ngắt): id = …… ; iD3 = …….; iD2 =…….; u = ……..d + Khi 5π/6 < x ≤ 9π/6 ( D2 dẫn, D , D1 3 ngắt): id =….. ; iD1 = …..; iD3 = ….; ud = ….. Quan hệ giữa dịng điện tải id và điện áp trên tải ud: i = …… d Điện áp trên các diode, ví dụ D1: + uD1 = ….. khi D1 dẫn ( π/6 < x ≤ 5π/6) + uD1 = …... khi D1 ngưng dẫn.
2. Vẽ lưu đồ thuật tốn của chương trình mơ phỏng cl_diode_RLE (chương trình mẫu 1).
3. Chạy chương trình MATLAB cl_diode_RLE với điện áp hiệu dụng của nguồn 3 pha là 220V, điện trở tải là R=10 Ω, E=0V, F=50Hz, lần lượt với các giá trị L khác nhau: L=0H, L=0.001H, L=0.01H và L=0.1H. Nhận xét (so sánh các trường hợp L khác nhau và so với lý thuyết).
4. Mở PSIM, ráp mạch như hình 4.1 và chạy chương trình mơ phỏng trên PSIM lần lượt với các thơng số của R-L-E như câu 4.1.3. So sánh kết quả với câu 3.1.3 và cho nhận xét. (Nhớ mắc thêm các ampere kế và volt kế vào các vị trí cần đo dịng điện và
4.3.2. CHỈNH LƯU 3 PHA MẠCH TIA CĨ ĐIỀU KHIỂN
Xét trường hợp tải R_L_E và giả sử cĩ thể bỏ qua tổng trở của nguồn.
Hình 4.2: Chỉnh lưu 3 pha mạch tia cĩ điều khiển tải R_L_E.
Chú ý chiều dương điện áp được qui ước như sau: + → -
a. Chương trình mẫu 2:
function [i_d,u_d]=cl_diode_RLE_dk(u,r,l,e,al,F)
% cl_diode_RLE_dk(u,r,l,e,al,F) mơ phỏng mạch chỉnh lưu tia 3 pha cĩ điều khiển dùng % diode, tải R-L-E, tính điện áp và dịng điện chỉnh lưu trên tải, vẽđồ thị của các đại lượng % này với cùng thang đo trên trên trục gĩc pha x = wt = 2*pi*f*t, w là tần số gĩc của % nguồn điện 3 pha. Đối số vào (input argument) u là giá trị hiệu dụng của điện áp nguồn, r
% và l là giá trị của điện trở và cuộn dây trên tải, e sức điện động trên tải hoặc nguồn dc % trên tải, F là tần số của điện áp nguồn. Đối số ra (Output argument) i_d là dịng điện qua % tải , u_d là điện áp trên tải. Các đồ thịđược vẽ theo biến x . Vì giá trị của dịng điện rất % nhỏ so với điện áp, nên để cĩ thể quan sát dạng sĩng của dịng điện tốt hơn, trước khi vẽ % đồ thị, dịng điện đã được tăng lên từ 3 đến 10 lần so với giá trị thật.
global R L E a f u_m % Khai báo biến tồn cục. if nargin < 5
error('Requires 5 or 6 input arguments.') elseif nargin >= 5
R=r;L=l;E=e;a=al; %Gán giá trị các biến theo giá trị của các đối số vào. u_m=sqrt(2)*u; % Tính biên độ của điện áp nguồn.
% Khai báo biến gĩc pha x=wt=2*pi*t, t là thời gian. x1=[0:0.01:pi/6+a];x2=[pi/6+0.01+a:0.01:5*pi/6+a];
x3=[5*pi/6+0.01+a:0.01:9*pi/6+a];x4=[9*pi/6+0.01+a:0.01:13*pi/6]; x=[x1 x2 x3 x4];
% Khai báo điện áp nguồn 3 pha. u_1=u_m*sin(x);
u_2=u_m*sin(x-2*pi/3); u_3=u_m*sin(x-4*pi/3); % Gán giá trị mặc định cho biến tần số . if nargin==4
f=50; else f=F; end % Tính dịng điện qua tải. if L==0 i_d1=(u_m*sin(x1-4*pi/3)-E)/R;i_d2=(u_m*sin(x2)-E)/R; i_d3=(u_m*sin(x3-2*pi/3)-E)/R;i_d4=(u_m*sin(x4-4*pi/3)-E)/R; i_d=[i_d1 i_d2 i_d3 i_d4];
else
[k_1,id1]=ode23s('phuongtrinh3',[0:0.01:pi/6+a],u_m/(R+2*pi*f*L));
[k_1,id2]=ode23s('phuongtrinh1',[pi/6+0.01+a:0.01:5*pi/6+a],id1(length(id1))); [k_1,id3]=ode23s('phuongtrinh2',[5*pi/6+0.01+a:0.01:9*pi/6+a],id2(length(id2))); [k_1,id4]=ode23s('phuongtrinh3',[9*pi/6+0.01+a:0.01:13*pi/6],id3(length(id3))); i_d=[id1' id2' id3' id4'];
end
for k=1:length(i_d) % Nếu giá trị âm thì cho bằng zero. if i_d(k)<0
i_d(k)=0; end
end
i_d3=3*i_d; %Tăng thang đo của dịng điện lên 3 lần, để dễ nhìn thấy trên đồ thị. for n=1:length(x) if (x(n)<=pi/6+a) % Giả sử tại thời điểm t=0, D3 đĩng u_d(n)=u_3(n); u_v1(n)=(u_1(n)-u_3(n)); i_v1(n)=0; elseif (x(n)>pi/6+a)&(x(n)<=5*pi/6+a) % D1 đĩng. u_v1(n)=0; u_d(n)=u_1(n); i_v1(n)=i_d(n); elseif (x(n)>5*pi/6+a)&(x(n)<=9*pi/6+a) % D2 đĩng. u_v1(n)=u_1(n)-u_2(n); u_d(n)=u_2(n); i_v1(n)=0; elseif (9*pi/6+a<x(n)&x(n)<=13*pi/6) % D3 đĩng u_d(n)=u_3(n); u_v1(n)=(u_1(n)-u_3(n)); i_v1(n)=0; end end; % Vẽđồ thị subplot(311); plot(x,u_1,'r',x,u_2,'g',x,u_3,'b'); grid on xlabel('x'),ylabel('u'); legend('u_1','u_2','u_3'); subplot(312);
plot(x,u_d,'b',x,i_d3,'r'); grid on xlabel('x'),ylabel('u_d i_d'); legend('u_d','3*i_d'); subplot(313); plot(x,u_v1,'b',x,10*i_v1,'r'); grid on xlabel('x'),ylabel('u_D_1 i_D_1'); legend('u_D_1','10*i_D_1'); end; b. Câu hỏi:
1. Hồn thành các khoảng trống trong hệ phương trình mơ tả trạng thái mạch điện (hình 3.1) sau đây: + Khi 0 < x ≤ π/6 + α và 9π/6 + α <x ≤ 13π/6 (D3 dẫn, D1, D2 ngắt): i = …… ; id D1 = …….; iD2 =…….; ud = ……. + Khi π/6 + α < x ≤ 5π/6 + α ( D1 dẫn, D2 , D3 ngắt): id = …… ; iD3 = …….; iD2 =…….; u = ……..d + Khi 5π/6 + α < x ≤ 9π/6 + α ( D2 dẫn, D1 , D3 ngắt): id =….. ; iD1 = …..; iD3 = ….; ud = ….. Quan hệ giữa dịng điện tải id và điện áp trên tải ud: i = …… d Điện áp trên các diode, ví dụ D1: + uD1 = ….. khi D1 dẫn ( π/6 + α < x ≤ 5π/6 + α ) + uD1 = …... khi D1 ngưng dẫn.
2. Chương trình mẫu 1 cl_diode_RLE khác với chương trình mẫu 2 phần nào?
3. Chạy chương trình MATLAB cl_diode_RLE_dk với điện áp hiệu dụng của nguồn 3 pha là 220V, điện trở tải là R=10 Ω, E=0V, α = π/4 rad, F=50Hz, lần lượt với các giá trị L khác nhau: L=0H, L=0.001H, L=0.01H và L=0.1H. Nhận xét (so sánh các trường hợp L khác nhau và so với lý thuyết).
4. Chạy chương trình MATLAB cl_diode_RLE_dk với điện áp hiệu dụng của nguồn 3 pha là 220V, điện trở tải là R=10 Ω, E=0V, L=0.01H, F=50Hz, lần lượt với các giá trị α khác nhau: α = 0 rad, α = π/4 rad, α = π/3 rad . Nhận xét (so sánh các trường hợp α khác nhau và so với lý thuyết).
5. Mở PSIM, ráp mạch như hình 4.2 (phải thêm vào mạch tạo xung kích) và chạy chương trình mơ phỏng trên PSIM lần lượt với các thơng số của R-L-E như câu 4.2.4. So sánh kết quả với câu 4.2.4 và cho nhận xét. (Nhớ mắc thêm các ampere kế và volt kế vào các vị trí cần đo điện áp và dịng điện).
Trường hợp cĩ hiện tượng trùng dẫn tải R_L và cảm kháng của nguồn LC khơng thể
bỏ qua (LC ≠ 0).
Hình 4.3: Chỉnh lưu 3 pha mạch tia cĩ điều khiển tải R_L, L C≠ 0. Chú ý chiều dương điện áp được qui ước như sau: + → - Câu hỏi:
6. Hiện tượng trùng dẫn là gì?
7. Mở PSIM, lắp ráp mạch như hình 4.3 (phải thêm vào mạch tạo xung kích mắc thêm các ampere kế và volt kế vào các vị trí cần đo dịng điện và điện áp) và chạy chương trình mơ phỏng trên PSIM lần lượt với các thơng số:
= 0.001 H. R=10, L= 0.01 H, α = π/3 rad, LC
4.4. TÀI LIỆU THAM KHẢO:
[1]. Các bài giảng và giáo trình ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT – Bộ Mơn Viễn Thơng & Kỹ
thuật Điều khiển - Khoa cơng Nghệ Thơng Tin & Truyền thơng – ĐHCT.
[2]. Các bài giảng và giáo trình CAD – Bộ Mơn Viễn Thơng & Kỹ thuật Điều khiển - Khoa cơng Nghệ Thơng Tin & Truyền thơng – ĐHCT.
[3]. NGUYỄN CHÍ NGƠN - Giáo trình THIẾT KẾ MƠ PHỎNG MẠCH VÀ VẼ MẠCH IN - Bộ Mơn Viễn Thơng & Kỹ thuật điều khiển - Khoa cơng Nghệ Thơng Tin & Truyền thơng – ĐHCT – 2003.
[4]. NGUYỄN VĂN NHỜ - GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT I – NXB Đại học Quốc gia TP HCM – 2002.
[5]. TRƯƠNG VĂN TÁM - MẠCH ĐIỆN TỬ – Giáo trình – Bộ Mơn Viễn Thơng & Kỹ
thuật Điều khiển - Khoa cơng Nghệ Thơng Tin & Truyền thơng – ĐHCT – 2001.
[6].M. BIALKO, R. CRAMPAGNE, D. ANDREU – BASIC METHODS FOR MICROCOMPUTER AIDED ANALYSIS OF ELECTRONIC CIRCUITS –Prentice Hall – 1995. www.powersimtech.com [7]. http:// [8]. http:// www.mathworks.com [9]. http://www.vocw.edu.vn/content/m10373/latest/ [10]. http://www.electronicsworkbench.com/index.html [11]. http://www.box.net/shared/rma8ut6x4s
BÀI 5: MƠ PHỎNG MẠCH CHỈNH LƯU MỘT PHA CĨ ĐIỀU
KHIỂN BẰNG PSIM
5.1. MỤC ĐÍCH:
Dùng phần mềm PSIM để mơ phỏng mạch chỉnh lưu điều khiển một pha nửa chu kỳ
và mạch chỉnh lưu điều khiển một pha hai nửa chu kỳ. So sánh với kết quả trong bài 3 và bài 4. Từđĩ củng cốđược kiến thức về việc điều khiển đĩng ngắt các linh kiện cơng suất nĩi chung và mạch chỉnh lưu cĩ điều khiển nĩi riêng. Đồng thời hình thành được phương pháp và kỹ năng viết chương trình mơ phỏng cũng như sử dụng các phần mềm mơ phỏng cĩ sẵn.
5.2. KIẾN THỨC NỀN:
- Sinh viên tự ơn tập lý thuyết về mạch chỉnh lưu khơng điều khiển và cĩ điều khiển; một pha và ba pha [1], [4].
- Giả sử các linh kiện cơng suất được dùng là lý tưởng và đĩng vai trị của một cơng tắc (khi đĩng điện thế giữa 2 cực bằng 0, khi ngắt dịng điện qua nĩ bằng 0).
- Phần mềm PSIM của Powersim Inc [6].
PSIM là một phần mềm đĩng gĩi chuyên dùng cho việc mơ phỏng mạch điện tử
cơng suất và điều khiển mơ tơ. Nĩ cĩ các ưu điểm là tốc độ nhanh, giao diện thân thiện với người dùng và cĩ chức năng xử lý hiển thị dạng sĩng của tín hiệu. Bao gồm 03 chương trình: chương trình vẽ sơ đồ mạch điện SIMCAD; chương trình mơ phỏng PSIM; chương trình xử lý và hiển thị dạng sĩng SIMVIEW.
Một mạch điện được trình bày bởi PSIM gồm 04 khối: mạch cơng suất, mạch điều khiển, cảm biến và các bộđiều khiển switch.
- Để mơ phỏng một mạch điện hoặc một hệ thống điều khiển, ta tiến hành các bước sau:
Khởi động PSIM (Theo sự chỉ dẫn của giảng viên): Một giao diện mơ phỏng SIMCAD xuất hiện, như hình 5.1:
Hình 5.1
Trên menu, từ File ta chọn New (thực hiện mạch điện mới) hoặc Open (để mở
project cũđã lưu dưới dạng file cĩ phần mở rộng là “.sch”). Các thao tác cơ bản để thực hiện một mạch điện mới:
o Chọn linh kiện, nguồn tín hiệu và các thành phần khác từ Elements trên
menu hoặc trên thanh cơng cụ ở phía dưới màn hình ( nhấp chuột trái vào phần tử muốn chọn. Sau đĩ nhấp chuột vào vị trí muốn đặt phần tử đĩ trên cửa sổ thiết kế, cĩ thể quay phần tửđã chọn từ Rotate trên menu Edit hoặc nhấp chuột trái vào biểu tượng tương ứng trên menu bar).
o Thực hiện các đường mạch nối các linh kiện và các thành phần khác: chọn
Wire trên menu Edit hoặc biểu tượng tương ứng trên menu bar, sau đĩ rê chuột giữa các điểm muốn nối.
o Đặt các tham số của các linh kiện: nhấp chuột trái vào biểu tượng “mũi tên” trên menu bar, rồi nhấp chuột trái vào thành phần muốn đặt tham số, sau đĩ chọn Attributes trên menu Edit (hoặc ấn phím tắt F4), một cửa sổ con hiện ra, cho phép ta nhập các tham số cần thiết. Chú ý các tham số và đơn vị
tính của các linh kiện.
o Dán nhãn: chọn Label trên menu Edit (hoặc ấn phím tắt F2) , nếu cần.
o Chạy chương trình mơ phỏng: chọn Run Simulation trên menu Simulate, hoặc ấn phím tắt F8, hoặc nhấp chuột trên biểu tượng tương ứng trên menu bar. Ở chế độ mặc định (Auto-Run SIMVIEW), một cửa sổ con “Data Display Selection” hiện ra cho phép ta chọn các biến cần hiển thị đã liệt kê sẵn (theo các thiết bị và điện áp cĩ trong mạch điện). Nếu muốn hiển thịđồ
Quay Nối dây dẫn Dán nhãn Chạy PSIM Chạy SIMVIEW Chọn phần tử
trong mạch
thị của một đại lượng (biến) nào đĩ, ta cần phải đặt thiết bị đo lường tướng
ứng vào vị trí đĩ trên mạch điện.
o Sinh viên cần tham khảo trước về PSIM trong các tài liệu [6].
5.3. THỰC HÀNH:
5.3.1. Mạch chỉnh lưu điều khiển một pha nửa chu kỳ:
a. Mở phần mềm PSIM và vẽ mạch chỉnh lưu một pha bán điều khiển hình 5.2:
Hình 5.2: Mạch chỉnh lưu điều khiển một pha nửa chu kỳ.
- Thiết lập các giá trị phù hợp.
- Vẽ lại trên bài phúc trình dạng sĩng điện thế tải ud, dạng sĩng dịng điện tải id. - Giải thích dạng sĩng ud, id.
- Dựa vào đồ thị dạng sĩng điện áp tải, tính giá trị điện áp trung bình giữa 2
đầu tải
b. Thay đổi V1 để thay đổi gĩc kích α. Vẽ lại trên bài phúc trình dạng sĩng ứng với gĩc kích α= 2π/3 (V1 = 120 Volt).
c. Thiết lập L=0.05H. Vẽ lại trên bài phúc trình dạng sĩng ud, id. So sánh với dạng sĩng ở câu a và giải thích.
5.3.2. Mạch chỉnh lưu điều khiển một pha hai nửa chu kỳ:
a. Vẽ mạch chỉnh lưu điều khiển một pha hai nửa chu kỳ như sau (Hình 5.3):
Hình 5.3: Mạch chỉnh lưu điều khiển một pha hai nửa chu kỳ.
- Thiết lập các giá trị phù hợp.
- Vẽ lại trên bài phúc trình dạng sĩng điện thế tải ud, dạng sĩng dịng điện tải id.