Ứng dụng guide – matlab mô phỏng thí nghiệm máy điện

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN  KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ỨNG DỤNG GUIDE – MATLAB MÔ PHỎNG THÍ NGHIỆM MÁY ĐIỆN TP HỒ CHÍ MINH – THÁNG NĂM 2020 SINH[.]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN - -

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

ỨNG DỤNG GUIDE – MATLAB

MÔ PHỎNG THÍ NGHIỆM MÁY ĐIỆN

: DƯƠNG ĐỨC MINH 16051101

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Người hướng dẫn khoa học: TS LÊ VĂN ĐẠI

Đơn vị công tác: Khoa Công Nghệ Điện Trường Đại Học Công Nghiệp TpHCM

Hướng dẫn Sinh Viên: Dương Đức Minh

Mông Chuẩn Hồng

Với đề tài: Ứng Dụng GUI-MATLAB Mô Phỏng Thí Nghiệm Máy Điện

Ngành/Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện

1 Nhận xét về luận văn (tính cấp thiết, nội dung, kết quả của đề tài)

Dù đề tài với tên gọi “Ứng Dụng GUI-MATLAB Mô Phỏng Thí Nghiệm Máy Điện”

Trong đó sửa dụng GUI có nhiều người thực hiện Tuy nhiên, sử dụng thí nghiệm máy điện

thì chưa Đề tài này kế thừa các đề tài trước thông qua GUI và phát triển thêm trong điều kiện môn học Vì vậy, cũng thể hiện tính cấp thiết, tính thời sự, và tính khoa học nhất định theo cách tiếp cận phân tích chủ đề nghiên cứu của sinh biên

2 Nhận xét về tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên

Sinh Viên có tính độc lập trong nghiên cứu, đã cố gắng chỉnh sửa bài theo gợi ý của Giáo Viên hướng dẫn và tích cực thực hiện hoàn thiện đồ án theo yêu cầu, dù còn một số diễn giải kết quả chưa sâu

3 Kết luận

Với tư cách là Giáo Viên hướng dẫn, tôi thấy đồ án có thể đạt yêu cầu đồ án và đồng

ý cho 02 sinh viên bảo vệ

MỤC LỤC

DANH SÁCH CÁC HÌNH iv

DANH SÁCH CÁC BẢNG vii

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU MATLAB-GUI 2

1.1 Giới thiệu GUI ( Graphical User Interface ) 2

1.2 Các lưu ý khi làm việc với GUI 2

1.3 Các thành phần trong GUI 3

1.4 Quy trình thiết kế giao diện GUI 6

CHƯƠNG 2 MÔ PHỎNG THÍ NGHIỆM MÁY BIẾN ÁP 11

2.1 Mục tiêu 11

2.2 Cơ sở lý thuyết 11

2.2.1 Nguyên lí làm việc của máy biến áp 11

2.2.2 Mạch điện tương đương của máy biến áp 11

2.3 Mô phỏng thí nghiệm ảo của máy biến áp 15

2.3.1 Trình tự thực hiện thí nghiệm 15

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG THÍ NGHIỆM MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 21

3.1 Mục tiêu 21

3.2 Cơ sở lý thuyết 21

3.2.1 Khái niệm máy điện không đồng bộ 21

3.2.2 Cấu tạo máy điện không đồng bộ 21

3.2.3 Nguyên lí làm việc 22

3.2.4 Các phương trình cơ bản và mạch điện thay thế của máy điện không đồng bộ 22

3.3 Các chế độ làm việc và giản đồ năng lượng của của máy điện không đồng bộ 25

3.3.1 Máy làm việc ở chế độ động cơ  0   s 1  25

3.3.2 Máy làm việc ở chế độ máy phát  s  0  26

3.3.3 Máy làm việc ở chế độ hãm  s  1  27

3.4 Momen của máy điện không đồng bộ 27

3.5 Mô phỏng thí nghiệm ảo của máy điện không đồng bộ 28

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG THÍ NGHIỆM MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 34

4.1 Mục tiêu 34

4.2 Cơ sở lí thuyết 34

4.2.1 Khái niệm máy điện đồng bộ 34

4.2.2 Cấu tạo 34

4.2.3 Nguyên lí làm việc 35

4.3 Phương trình điện áp và cân bằng năng lượng trong máy điện đồng bộ 36

4.3.1 Phương trình điện áp và đồ thị vectorr của máy điện đồng bộ 36

4.3.2 Cân bằng năng lượng trong máy điện đồng bộ 37

4.4 Mô phỏng thí nghiệm ảo của máy điện đồng bộ 38

4.4.1 Khảo sát đặc tính góc công suất tác dụng của của máy phát điện đồng bộ 38

4.4.2 Khảo sát đặc tuyến V (dòng điện kích từ và dòng điện cảm ứng) của động cơ đồng bộ 43

CHƯƠNG 5 MÔ PHỎNG THÍ NGHIỆM MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 46

5.1 Mục tiêu 46

5.2 Cơ sở lí tuyết 46

5.2.1 Cấu tạo của máy điện một chiều 46

5.2.2 Nguyên lí làm việc 47

5.2.3 Quan hệ điện từ trong máy điện một chiều 48

5.2.4 Phương trình mô tả của máy điện một chiều 49

5.3 Khảo sát đặc tính cơ của động cơ điện một chiều 54

5.3.1 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập 54

5.3.2 Động cơ điện một chiều kích từ song song 59

5.3.3 Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp 60

5.3.4 Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp 61

5.4 Khảo sát đặc tính tải của máy phát điện một chiều 63

5.4.1 Máy phát điện một chiều kích từ độc lập 63

5.4.2 Máy phát điện một chiều kích từ song song 65

5.4.3 Máy phát điện một chiều kích từ nối tiếp 66

5.4.4 Máy phát điện một chiều kích từ hỗn hợp 67

KẾT LUẬN 70

LỜI CẢM ƠN 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

Hình 1-1: Giao diện matlab khi mở GUI 3

Hình 1-2: Màn hình làm việc của GUI 4

Hình 1-3: Mô hình đơn giản của GUI 6

Hình 1-4: Màn hình làm việc của GUI 7

Hình 1-5: Thuộc tính Push Botton sau khi điều chỉnh 7

Hình 1-6: Thuộc tính Pop-up Menu sau khi điều chỉnh 8

Hình 1-7: Thuộc tính Static Text sau khi điều chỉnh 8

Hình 1-8: Màn hình làm việc của GUI 9

Hình 1-9: Viết câu lệnh trong file.m 9

Hình 1-10: Giao diện GUI 10

Hình 1-11: Giao diện GUI 10

Hình 2-1: Mạch tương đương của máy biến áp 12

Hình 2-2: Mạch tương đương máy biến áp quy về phía sơ cấp 13

Hình 2-3: Mạch tương đương máy biến áp quy về thứ cấp 14

Hình 2-4: Sơ đồ thí nghiệm máy biến áp 15

Hình 2-5: Giao diện thí nghiệm trong GUIDE 16

Hình 2-6: Giao diện thí nghiệm máy điện sau khi nhấn nút RUN 17

Hình 2-7: Giao diện thí nghiệm máy biến áp 17

Hình 2-8: Giao diện thí nghiệm máy biến áp 18

Hình 2-9: Giao diện thí nghiệm sau khi thực hiện mô phỏng 18

Hình 2-10: Đồ thị công suất tác dụng của máy biến áp tại tải thuần trở 19

Hình 2-11: Đồ thị công suất tác dụng máy biến áp tại tải có tính cảm 19

Hình 2-12: Đồ thị công suất tác dụng máy biến áp tại tải có tính dung 20

Hình 3-1: Mạch điện thay thế của máy điên không đồng bộ 24

Hình 3-2: Giản đồ năng lượng cùa động cơ không đồng bộ 26

Hình 3-3: Giao diện thí nghiệm trong GUIDE 29

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 3-5: Giao diện thí nghiệm động cơ không đồng bộ 30

Hình 3-6: Giao diện thí nghiệm động cơ không đồng bộ 30

Hình 3-7: Kết quả thí nghiệm sau khi mô phỏng 31

Hình 4-1: Mạch điện tương đương và đồ thị vector máy điện đồng bộ 36

Hình 4-2: Giao diện thí nghiệm trong GUIDE 39

Hình 4-3: Giao diện thí nghiệm máy điện sau khi nhấn nút RUN 39

Hình 4-4: Giao diện thí nghiệm máy phát đồng bộ 40

Hình 4-5: Giao diện thí nghiệm máy phát đồng bộ 40

Hình 4-6: Kết quả mô phỏng thí nghiệm máy phát đồng bộ ở tải cảm 41

Hình 4-7: Kết quả mô phỏng thí nghiệm máy phát đồng bộ ở tải dung 41

Hình 4-8: Kết quả mô phỏng thí nghiệm máy phát đồng bộ ở tải thuần trở 42

Hình 4-9: Giao diện thí nghiệm động cơ đồng bộ 44

Hình 4-10: Kết quả mô phỏng thí nghiệm động cơ đồng bộ 44

Hình 5-1: Sơ đồ nguyên lí máy phát điện một chiều 47

Hình 5-2: Sơ đồ nguyên lí động cơ điện một chiều 48

Hình 5-3: Sơ đồ máy phát điện kích từ độc lập 49

Hình 5-4: Sơ đồ máy phát điện kích từ song song 50

Hình 5-5: Sơ đồ máy phát điện kích từ nối tiếp 51

Hình 5-6: Sơ đồ máy phát điện kích từ hỗn hợp 51

Hình 5-7: Sơ đồ động cơ kích từ độc lập 52

Hình 5-8: Sơ đồ động cơ kích từ song song 52

Hình 5-9: Sơ đồ động cơ kích từ nối tiếp 53

Hình 5-10: Sơ đồ động cơ kích từ hỗn hợp 53

Hình 5-11: Giao diện thí nghiệm trong GUIDE 55

Hình 5-12: Giao diện thí nghiệm máy điện sau khi nhấn nut RUN 56

Hình 5-13: Giao diện thí nghiệm máy điện một chiều 56

Hình 5-14: Giao diện thí nghiệm động cơ một chiều kích từ độc lập 57

Hình 5-15: Đặc tính cơ động cơ điện kích từ độc lập tại điện áp định mức 57

Hình 5-16: Đặc tính cơ động cơ điện kích từ độc lập tại điện áp nhỏ hơn định mức

58

Hình 5-17: Đặc tính cơ động cơ điện kích từ độc lập tại điện áp lớn hơn định mức 58

Hình 5-18: Giao diện thí nghiệm động cơ một chiều kích từ song song 59

Hình 5-19: Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ song song 60

Hình 5-20: Giao diện thí nghiệm động cơ một chiều kích từ nối tiếp 60

Hình 5-21: Đặc tính cơ động cơ một chiều kích từ nối tiếp 61

Hình 5-22: Giao diện thí nghiệm động cơ một chiều kích từ hỗn hợp bù 61

Hình 5-23: Đặc tính cơ động cơ một chiều hỗn hợp bù 62

Hình 5-24: Giao diện thí nghiệm động cơ một chiều kích từ hỗn hợp ngược 62

Hình 5-25: Đặc tính cơ động cơ một chiều hỗn hợp ngược 63

Hình 5-26: Giao diện thí nghiệm máy phát điện một chiều kích từ độc lập 64

Hình 5-27: Đặc tính tải của máy phát điện một chiều kích từ độc lập 64

Hình 5-28 Giao diện thí nghiệm máy phát điện một chiều kích từ song song 65

Hình 5-29: Đặc tính tải của máy phát điện một chiều kích từ song song 66

Hình 5-30: Giao diện thí nghiệm máy phát điện một chiều kích từ nối tiếp 66

Hình 5-31: Đặc tính tải của máy phát điện một chiều kích từ nối tiếp 67

Hình 5-32: Giao diện thí nghiệm máy phát điện một chiều kích từ hỗn hợp bù 67

Hình 5-33: Đặc tính tải của máy phát điện một chiều kích từ hỗn hợp bù 68

Hình 5-34: Giao diện thí nghiệm máy phát DC kích từ hỗn hợp ngược 68

Hình 5-35: Đặc tính tải của máy phát điện một chiều kích từ hỗn hợp ngược 69

Bảng 1: Kết quả khảo sát công suất của máy biến áp 20 Bảng 2: Khảo sát momen động cơ không đồng bộ ở điện áp khác nhau 32 Bảng 3: Khảo sát momen động cơ không đồng bộ ở các điện trở roto khác nhau 32 Bảng 4: Khảo sát góc công suất ở các loại tải khác nhau 42 Bảng 5: Khảo sát đặc tuyến V( dòng điện cảm ứng và dòng điện kích từ) của động cơ đồng bộ 45 Bảng 6: Bảng khảo sát đặc tính cơ động cơ điện kích từ độc lập tại điện áp khác nhau 59

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Đối với kỹ sư điện - điện tử nói riêng và những người nghiên cứu khoa học – kỹ thuật nói chung, mô phỏng là công cụ quan trọng cho phép khảo sát các đối tượng hệ thống hay quá trình kỹ thuật mà không cần thiết phải có đối tượng thực Được trang bị công cụ mô phỏng mạnh và có hiểu biết về các phương pháp mô hình hoá, người kỹ sư sẽ có khả năng rút ngắn thời gian và giảm chi phí nghiên cứu Điều đó đặc biệt có giá trị khi những mô hình

mô phỏng là những thiết bị kỹ thuật có giá trị kinh tế lớn

Tại trường học các mô hình máy điện hiện vẫn còn hạn chế về số lượng, chưa kể tới việc bảo trì rất tốn thời gian và chi phí, điều đó có thể gây ảnh hưởng đến chất lượng giảng dạy và học tập Trong quá trình học tập tại trường Đại học Công nghiệp TP.HCM, dưới sự hướng dẫn tận tâm của thầy Lê Văn Đại, chúng em đã tìm ra giải pháp ứng dụng phần mềm Matlab-GUI để mô phỏng các thí nghiệm máy điện giúp sinh viên có thể tự nghiên cứu và học tập nhằm nâng cao chất lượng học tập

Đề tài gồm những nội dung sau:

Chương 1: Giới thiệu Matlab-GUI

Chương 2: Mô phỏng thí nghiệm máy biến áp

Chương 3: Mô phỏng thí nghiệm máy điện không đồng bộ

Chương 4: Mô phỏng thí nghiệm máy điện đồng bộ

Chương 5: Mô phỏng thí nghiệm máy điện một chiều

Bằng sự cố gắng bản thân và sự giúp đỡ chỉ bảo tận tình của thầy Lê Văn Đại chúng

em đã cố gắng hoàn thành đồ án đúng thời hạn Do trình độ chúng em còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những sai sót, chúng em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy

cô cũng như các bạn sinh viên để đồ án này hoàn thiện hơn nữa

LỜI MỞ ĐẦU

Matlab là một trong những phần mềm phổ biến và rất quen thuộc đối với sinh viên ngành kĩ thuật Matlab là công cụ rất mạnh để tính toán, mô phỏng, phân tích và lập trình các bài toán kĩ thuật từ đơn giản đến phức tạp Các chương trình của matlab được thiết kế đơn giản và dễ dàng cho người sử dụng cùng với nhiều ứng dụng mà nó đem lại như: sử dụng các hàm có sẵn để làm các bài toán từ thông thường đến phức tạp, mô phỏng các thí nghiệm thực tế bằng mô hình ảo, lập trình để tạo ra những giao diện, ứng dụng mới Một trong những ứng dụng hữu ích mà matlab mang lại đó là GUI ( Graphical User Interface ) hay còn được gọi với cái tên giao diện đồ hoạ người dùng

1.1 Giới thiệu GUI ( Graphical User Interface )

GUI ( Graphical User Interface ) là giao diện đồ hoạ được lập trình viện tạo ra để điều khiển thông qua các thanh công cụ, tạo ra sự tương tác giữa người dùng với giao diện

đồ hoạ GUI bao gồm các chương trình hỗ trợ thực hiện các phép toán logic, đọc hiển thị dữ liệu, giao tiếp với người dùng thông qua hình ảnh và các nút thực thi Thông thường người

sử dụng GUI không cần thiết phải nắm rõ về cấu trúc chương trình vẫn có thể sử dụng một cách dễ dàng Các thành phần đơn giản để tạo ra một giao diện người dùng bao gồm menu, nút nhấn, thanh trượt, thanh công cụ,…và kết quả hiển thị có thể ở dạng bảng, đồ thị hay hình ảnh tuỳ thuộc vào mục đích, yêu cầu của người dùng

Hầu hết GUI chỉ thực hiện các lệnh thông qua những tác động của người dùng lên giao diện, nó được thực hiện thông qua các hàm Callback Khi người dùng tác động lên các thành phần của giao diện thì các hàm Callback tương ứng sẽ được gọi để thực thi

1.2 Các lưu ý khi làm việc với GUI

Trước khi bắt đầu tạo ra một GUI bất kì, ta cần phải nắm rõ các nguyên tắc sau:

 Trước khi lập trình ta cần phải xác định mục đích của chương trình là gì ?

 Sau đó tiến hành tạo giao diện mô phỏng sao cho người dùng dễ sử dụng và mang tính thẩm mĩ

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU MATLAB-GUI

 Cuối cùng tiến hành viết chương trình thông qua các hàm Callback function trên cửa sổ Comment Windowns Tất cả các lệnh đều được thực thi khi viết trong hàm Callback

1.3 Các thành phần trong GUI

Khi thực hiện khởi động matlab, trên của sổ Comment windowns gõ lệnh “guide” và enter, khi đó sẽ màn hình sẽ xuất hiện giao diện như sau:

Hình 1-1: Giao diện matlab khi mở GUI

Chọn Blank GUI (Defaul) để tạo một giao diện GUI với một giao diện trống ban đầu, khi đó những thành phần cơ bản được xuất hiện trên các thanh công cụ giúp người lập trình

có thể thao tác tuỳ biến, sắp xếp bố cục của giao diện người dùng phù hợp với mục đích sử dụng

Hình 1-2: Màn hình làm việc của GUI

Phía bên trái là nhóm các biểu tượng Matlab GUI được hỗ trợ sẵn, mỗi thành phần đều có chức năng khác nhau:

 Push Button : Là nút nhấn, khi nhấn vào nó sẽ thực hiện các các lệnh trong cấu trúc hàm callback của nó

 Slider : Là thanh trượt cho phép người dùng di chuyển thanh trượt để thực hiện lệnh

 Check box : Sử dụng để đánh dấu tích vào và có thể check nhiều ô để thực thi lệnh

 Radio Button : Giống như Check box nhưng thường dùng để tạo ra sự lựa chọn duy nhất, tức là chỉ được chọn 1 trong số các nhóm nhiều nút

 Edit Text : Là nơi hiển thị các kí tự được nhập vào từ người dùng và người dùng có thể thay đổi được

 Static Text : Là nơi các kí tự được hiển thị thông qua callback, người dùng không thể thay đổi nội dung vì nó là kết quả của các lệnh được lập trình trong callback function

 Pop-up Menu : Mở ra các danh sách lựa chọn khi người dùng nhấp chuột vào, người dùng chỉ được chọn một mục trong danh sách

 List Box : Chức năng khá giống so với Pop-up Menu tuy nhiên nó cho phép người dùng chọn một hoặc nhiều mục

 Toggle Button : Là nút nhấn có 2 điều khiển, khi nhấp chuột và nhả ra nút nhấn thực hiện lệnh, khi nhấp chuột lần thứ 2 và nhả ra nút nhấn huỷ bỏ lệnh vừa thực hiện

 Table : Có chức năng tạo ra bảng giống như Excel

 Axes : Đây là giao diện đồ hoạ hiển thị hình ảnh( 2D,3D)

 Panel : Tạo ra một mảng nhóm các biểu tượng lại với nhau giúp ta dễ kiểm soát và thao tác

 Button Group : Quản lí sự lựa chọn của nút Radio Button

 Active Control : Quản lí một nhóm các nút hoặc chương trình liên quan với nhau trong Active

1.4 Quy trình thiết kế giao diện GUI

Hình 1-3: Mô hình đơn giản của GUI

Trên đây là một ví đơn giản về việc tạo một giao diện vẽ đồ thị hàm số

Để tạo ra một mô hình GUIDE như vậy, ta cần thực hiện theo các trình tự sau:

(1) Trên màn hình làm việc của GUIDE, thêm các Push Botton, Static Text, Pop-up Menu, Axes bằng cách kéo các công cụ đó từ phía bên trái của màn hình Sau đó căn chỉnh các thành phần sao cho hợp lí

Hình 1-4: Màn hình làm việc của GUI

(2) Thay đổi thuộc tính của các thành phần trong hộp thoại ‘Inspector’ bằng cách

kích đúp chuột vào chúng

Tuy nhiên trong hộp thoại ‘Inspector’ ta cần lưu ý đến hai thuộc tính quan trọng nhất đó là ‘String’ và ‘Tag’ Thuộc tính ‘String’ hiển thị giá trị trong mọi ô string lên giao diện, thường được dùng làm nhãn chỉ dẫn và nó hiển thị khi được gọi bởi hàm hoặc được thiết lập trước từ người lập trình Thuộc tính ‘Tag’ cực kì quan trọng, nó là nhãn của một đối tượng, được sử dụng để gọi thuộc tính của đổi tượng thông qua các hàm để thay đổi giá trị của thuộc tính Không được đặt tên Tag có kí tự đặc biệt, trùng với tên Tag đã được tạo trước

đó

 Thay đổi thuộc tính của các Push Botton

Hình 1-5: Thuộc tính Push Botton sau khi điều chỉnh

 Thay đổi thuộc tính Pop-up Menu

Bên trong thuộc tính String ta chỉnh như sau:

Hình 1-6: Thuộc tính Pop-up Menu sau khi điều chỉnh

 Thay đổi thuộc tính Static Text

Hình 1-7: Thuộc tính Static Text sau khi điều chỉnh

(3) Lưu bố cục vừa thiết kế bằng cách nhấn vào biểu tượng và đặt tên cho

nó, sau đó nhấn để chạy trương trình Sau khi chạy Matlab sẽ tự chạy file.m và hiển thị giao điện đồ hoạ lên màn hình

(4) Tiến hành viết câu lệnh cho chương trình trong file.m bằng cách quay lại màn

hình giao diện GUI vừa thiết kế, chọn đối tượng cần thực thi nhấn chuột phải chọn View Callback Callback Sau đó sẽ hiện ra Function của đối tượng, tùy vào mục đích sử dụng

ta viết chương trình cho đối tượng đó

Hình 1-8: Màn hình làm việc của GUI

(5) Dùng các hàm trong Matlab để viết câu lệnh cho chương trình

(6) Sau khi viết câu lệnh xong ấn F5 để chạy file.m, khi đó sẽ xuất hiện giao diện

như sau:

Hình 1-10: Giao diện GUI

Trên giao diện lúc này ta có thể vẽ đồ thị hàm số thông qua việc tương tác với các màn hình giao diện một các khá dễ dàng

Hình 1-11: Giao diện GUI

Máy biến áp là thiết bị biến đổi năng lượng điện ở cấp điện áp này thành năng lượng

điện năng ở cấp điện áp khác thông qua tác dụng của từ trường Nó đóng một vai trò cực kỳ quan trọng trong cuộc sống hiện đại nhờ khả năng truyền tải điện năng đi xa và đảm bảo kinh tế

2.1 Mục tiêu

Tìm hiểu nguyên lí làm việc của máy biến áp

Xác định các thông số của máy biến áp thông qua thí nghiệm không tải và ngắn mạch như điện trở, điện kháng, các loại tổn hao và hiệu suất

Khảo sát đồ thị công suất của máy biến áp ở các loại tải khác nhau

2.2 Cơ sở lý thuyết

2.2.1 Nguyên lí làm việc của máy biến áp

Máy biến áp làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ Khi ta nối dây quấn sơ cấp vào nguồn điện xoay chiều điện áp VP sẽ có dòng điện sơ cấp IP chạy trong dây quấn

sơ cấp N1 Dòng điện sơ cấp IP sinh ra từ thông biến thiên trong lõi thép do mạch từ khép kín nên từ thông này móc vòng từ cuộn sơ cấp sang cuộn thứ cấp Theo định luật cảm ứng điện từ thì sự biến thiên của từ thông làm cảm ứng vào dây quấn sơ cấp và thứ cấp suất điện động lần lượt là eP và eS Dây quấn thứ cấp nối với tải có tổng trở Zt, dưới tác động của suất điện động eS cảm ứng tỉ lệ với sô vòng dây N2 sẽ sinh ra dòng điện IS đưa ra tải với điện áp VS Như vậy điện áp xoay chiều đã được truyền từ sơ cấp sáng thứ cấp

2.2.2 Mạch điện tương đương của máy biến áp

Để đặc trưng và tính toán các quá trình năng lượng xảy ra trong máy biến áp, người

ta thay mạch điện và mạch từ của máy biến áp bằng một mạch điện tương đương gồm điện trở và điện kháng đặc trưng cho máy biến áp gọi là mạch điện thay thế máy biến áp

CHƯƠNG 2 MÔ PHỎNG THÍ NGHIỆM

S E P

E

s R

S I

S V





S jX

M jX C

R

P I

P jX P

S P

Trên Hình 2-1 cho thấy máy biến áp tổn hao trong dây quấn và từ thông tản đặc trưng

bởi điện trở và điện cảm mắc nối tiếp với dây quấn sơ cấp và thứ cấp Để có thể nối trực tiếp mạch sơ cấp và thứ cấp với nhau thành một mạch điện ta cần phải quy đổi một trong hai dây

về dây quấn kia để chúng có cùng điện áp Việc quy đổi nhằm mục đích thuận tiện cho việc nghiên cứu và tính toán nên yêu cầu của việc qui đổi không làm thay đổi quá trình biến đổi năng lượng của máy biến áp

Qui đổi các đại lượng thứ cấp về sơ cấp:

E R X lần lượt là suất điện động, điện áp, dòng điện, điện trở

và điện kháng của dây quấn thứ cấp qui đổi về sơ cấp

Trong đó: ReqP, XeqPlần lượt là điện trở tương đương và điện kháng tương đương

của dây quấn thứ cấp qui đổi về sơ cấp

Qui đổi các đại lượng sơ cấp về thứ cấp:

S I

s V





S jX

2

M jX



2

C R

S I

s V





eqS X

2

M jX



2

C R







eqs R

Hình 2-3: Mạch tương đương máy biến áp quy về thứ cấp

Tương tự như việc quy đổi về phía sơ cấp, từ tỉ số biến áp ta có:



 P P

X

Trong đó: EP' , V , I ,P' 'P R XP' , P' lần lượt là suất điện động, điện áp, dòng điện, điện trở

và điện kháng của dây quấn sơ cấp qui đổi về thứ cấp

2.3 Mô phỏng thí nghiệm ảo của máy biến áp

Nội dung thí nghiệm được chia làm hai thí nghiệm:

 Thí nghiệm không tải

 Thí nghiệm ngắn mạch

Tiến hành lắp ráp các thiết bị đo theo sơ đồ hình 2.4a đối với thí nghiệm không tải,

hình 2.4b đối với thí nghiệm ngắn mạch

Đo đạc các thông số V Ioc, oc, Poc đối với thí nghiệm không tải, V I Psc, sc, sc đối với thí nghiệm ngắn mạch

Phân tích, tính toán các thông số của máy biến áp: điện trở, điện kháng và tổng trở của máy biến áp

Vẽ đồ thị khảo sát công suất của máy biến áp

(3) Chọn bài thí nghiệm , khi đó xuất hiện giao diện thí nghiệm như hình

2-7 Trên đó trình bày các thông số của máy biến áp và các trị số điện áp, dòng điện và công

suất đo được trong trường hợp không tải và ngắn mạch

(4) Bấm nút để chạy mô phỏng thí nghiệm Sau khi mô phỏng kết

quả sẽ xuất hiện trên giao diện như hình 2-8 Trên hình là kết quả của điện trở, điện kháng,

tổng trở và hệ số công suất cos

(5) Bấm nút để vẽ đồ thị khảo sát công suất tác dụng của máy biến áp

Kết quả được hiện thị trên hình 2-9

(6) Để khảo sát hiệu suất và tổn hao của máy biến áp ở các loại tải khác nhau, ta

lựa chọn loại tải cho máy biến áp Đối với tải thuần trở chọn , tải mang tính cảm chọn và tải mang tính dung ta chọn

Hình 2-5: Giao diện thí nghiệm trong GUIDE

Hình 2-6: Giao diện thí nghiệm máy điện sau khi nhấn nút RUN

Hình 2-8: Giao diện thí nghiệm máy biến áp

Hình 2-9: Giao diện thí nghiệm sau khi thực hiện mô phỏng

Hình 2-10: Đồ thị công suất tác dụng của máy biến áp tại tải thuần trở

Hình 2-11: Đồ thị công suất tác dụng máy biến áp tại tải có tính cảm

Hình 2-12: Đồ thị công suất tác dụng máy biến áp tại tải có tính dung

Từ các thông số và kết quả mô phỏng, ta có bảng khảo sát sau:

Bảng 1: Kết quả khảo sát công suất của máy biến áp

3.1 Mục tiêu

Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lí làm việc máy điện không đồng bộ

Tìm hiểu các chế độ làm việc của máy điện không đồng bộ

Khảo sát đường đặc tính momen và tốc độ của máy điện không đồng bộ ở các trạng thái làm việc khác nhau thông qua thí nghiệm ảo

3.2 Cơ sở lý thuyết

3.2.1 Khái niệm máy điện không đồng bộ

Máy điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều làm việc theo nguyên lí cảm ứng điện từ, có tốc độ quay của roto khác với tốc độ quay của từ trường quay trong máy Máy điện không đồng bộ có thể làm việc ở hai chế độ là động cơ và chế độ máy phát Tuy nhiên máy phát điện không đồng bộ ít được sử dụng bởi đặc tính làm việc của nó không được tốt, ngược lại động cơ không đồng bộ được sử dụng nhiều trong sản xuất và sinh hoạt

vì giá thành rẻ, vận hành dễ dàng, độ tin cậy và hiệu suất cao

3.2.2 Cấu tạo máy điện không đồng bộ

Máy điện không đồng bộ được cấu tạo bởi hai bộ phận chính là stato ( phần tĩnh) và roto ( phần quay), trong đó mỗi phần lại được cấu tạo bởi những thành phần sau:

Cấu tạo stato:

 Vỏ máy: có tác dụng cố định lõi sắt và dây quấn, không dùng để làm mạch dẫn

từ, thường được làm từ gang

 Lõi sắt: lõi sắt stato là phần dẫn từ, được làm từ những lá thép kĩ thuật điện có phủ sơn cách điện trên bề mặt để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây ra

 Dây quấn: dây quấn stato được đặt vào các rãnh của lõi sắt và được các điện với lõi sắt

Cấu tạo roto:

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG THÍ NGHIỆM MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ

 Lõi sắt: lõi sắt roto gồm các là thép kĩ thuật điện được lấy từ phần bên trong của lõi sắt stato ghép lại, mặt ngoài dập rãnh để đặt dây quấn, ở giữa có dập lỗ để lắp trục

 Trục: dùng để gắn lõi sắt roto, thường được làm bằng thép

 Dây quấn roto: thường có hai loại là roto lồng sóc( roto ngắn mạch) và roto dây quấn

 Từ trường quay cắt các thanh dẫn của dây quấn roto và cảm ứng nên sức

điện động e2 Vì dây quấn roto nối kín mạch nên sức điện động cảm ứng sẽ sinh ra dòng điện i2 trong các thanh dẫn roto Dòng điện i2 trong từ trường chịu tác động của lực điện

từ Fvà sinh ra momen quay làm roto quay với tốc độ n Trong phạm vi tốc độ khác nhau thì chế độ làm việc của máy khác nhau

Hệ số trượt của máy:

1

1

n n s

 0 s 1 khi tốc độ n n  1và chiều quay roto cùng chiều với từ trường quay

 s0 khi tốc độ n  n1 và chiều quay roto cùng chiều với từ rường quay

 s 1 khi n0 chiều quay của roto ngược với chiều từ trường quay

3.2.4 Các phương trình cơ bản và mạch điện thay thế của máy điện không đồng

bộ

 Phương trình cân bằng sức điện động trên dây quấn stato:

 Phương trình cân bằng sức điện động trên dây quấn roto:

Từ trường khe hở sinh ra sức từ động quay với tốc độ n1, nếu roto quay với tốc độ

n theo chiều từ trường quay thì giữa dây quấn roto và từ quay có độ trượt n2   n1 n nên tần số và dòng điện trong dây quấn roto sẽ là:

cũng phải tăng lên 1

s lần Vì vậy phương trình cân bằng của roto khi quay với tần số f1 lúc này bằng:

Tương tự như máy biến áp, ta có thể thành lập sơ đồ thay thế cho máy điện không

đồng bộ khi roto quay như ở hình 3.1 Tuy nhiên, đối với máy biến áp tổng trở Zt mắc ở mạch thứ cấp đặc trưng cho tải ở mạch ngoài, còn ở máy điện không đồng bộ điện trở giả

  đặc trưng cho sự thể hiện công suất cơ trên trục của máy Điện trở giả

tưởng biến đổi thể hiện cho sự thay đổi của tải trên trục máy Các đại lượng

r

c

r

Hình 3-1: Mạch điện thay thế của máy điên không đồng bộ

Như vậy ta đã chuyển việc tính toán một hệ thống điện-cơ của máy điện không đồng

bộ thành việc tính toán một mạch điện đơn giản Điều đó giúp ta có thể dễ dàng tính toán được dòng điện stato, dòng điện roto, momen, công suất cơ và các đại lượng khác từ các phương trình cơ bản lúc roto quay như sau:

1 1

' ' '

' 2

3.3.1 Máy làm việc ở chế độ động cơ  0   s 1 

Công suất tác dụng mà động cơ điện nhận từ lưới điện:

core stato c

p m I r phần lớn còn lại chuyển thành công suất điện từ PAG truyền qua roto

' ' 2 2( ) ( ) 1 2

Ag in cu stato core stato

Hình 3-2: Giản đồ năng lượng cùa động cơ không đồng bộ

3.3.2 Máy làm việc ở chế độ máy phát  s  0 

Khi hệ số trượt có giá trị âm  s  0  thì công suất cơ ' 2   '

trị âm, nghĩa là máy lấy công suất cơ vào Ngoài ra ta có góc lệch pha giữa U1 và I1 lúc này

là 1  90 , do đó công suất điện Pin  mU I1 1 1cos 1  0 Điều đó có nghĩa máy phát công suất điện tác dụng vào lưới Tuy nhiên công suất phản kháng Q1  mU I1 1 1sin 1  0 nên máy vẫn nhận công suất phản kháng từ lưới vào như ở trường hợp động cơ điện

ngoài vào Công suất điện từ

' ' 2 2

' ' 2 2 ' 2 ' ' 2 '

3.4 Momen của máy điện không đồng bộ

Trên thực tế, máy điện không đồng bộ thường được dùng làm động cơ điện nên khi phân tích ta sẽ lấy động cơ điện làm thí dụ Động cơ điện không đồng bộ lúc làm việc momen điện từ Tind bảo gồm momen không tải T0 và momen cản T2:

60

n



  là tốc độ góc của roto, n là tốc độ quay của roto

Mặt khác momen điện từ do từ trường quay  và dòng điện roto I2 tác dụng lẫn nhau mà sinh ra và từ trường đó quay với tốc độ đồng bộ n1 nên quan hệ giữa công suất điện

từ và momen điện từ như sau:

1

ag ind

P T

  là tốc độ góc đồng bộ của từ trường quay

3.5 Mô phỏng thí nghiệm ảo của máy điện không đồng bộ

Để tiến hành thực hiện thí nghiệm ảo trên máy tính, ta tiến hành lần lượt theo các

bước từ (1) đến (5) như sau:

(1) Mở file Ground_DA.fig ở trong GUI xuất giao diện thí nghiệm như hình 3 -3,

sau đó nhấn nút

(2) Chọn để thực hiện thí nghiệm máy điện không đồng bộ

(3) Trên giao diện thí nghiệm hình 3-5, chọn , khi đó xuất hiện giao

diện như hình 3-6 Trên đó trình bày các thông số của máy điện không đồng bộ

(4) Chọn nút để khảo sát đường đặc tính momen điện từ theo tốc độ quay roto của máy điện không đồng bộ và tính toán các loại công suất, tổn hao trên từng

trạng thái làm việc khác nhau Khi đó kết quả sẽ xuất hiện giao diện như hình 3-7

(5) Để khảo sát momen khởi động và momen cực đại và momen điện từ của động

cơ, ta có thể thay đổi các thông số như điện áp đặt vào và điện trở roto bằng cách thay đổi trực tiếp giá trị của điện áp trên giao hiện thí nghiệm

Hình 3-3: Giao diện thí nghiệm trong GUIDE

Hình 3-5: Giao diện thí nghiệm động cơ không đồng bộ

Hình 3-6: Giao diện thí nghiệm động cơ không đồng bộ

Hình 3-7: Kết quả thí nghiệm sau khi mô phỏng