Xây dựng các bài thí nghiệm điện tử công suất trên phần mềm matlab simulink phục vụ giảng dạy học phần thí nghiệm điện tử công suất trực tuyến

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNGXÂY DỰNG CÁC BÀI THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TRÊN PHẦN MỀM MATLAB – SIMULINK PHỤC VỤ GIẢNG DẠY HỌC PHẦN THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TRỰC TUYẾN Mã

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG

XÂY DỰNG CÁC BÀI THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TRÊN PHẦN MỀM MATLAB – SIMULINK PHỤC VỤ GIẢNG DẠY HỌC PHẦN THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TRỰC TUYẾN

Mã số: T2021 – 06 – 32

Chủ nhiệm đề tài: ThS Võ Khánh Thoại

Đà Nẵng, …… /2021

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG

XÂY DỰNG CÁC BÀI THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TRÊN PHẦN MỀM MATLAB – SIMULINK PHỤC VỤ GIẢNG DẠY HỌC PHẦN THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TRỰC TUYẾN

Mã số: T2021 – 06 - 32

Xác nhận của cơ quan chủ trì đề tài Chủ nhiệm đề tài

(ký, họ và tên, đóng dấu) (ký, họ và tên)

DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN

CỨU ĐỀ TÀI VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH

Thành viên tham gia:

1 ThS Võ Khánh Thoại, Khoa Điện - Điện tử: Chủ nhiệm đề tài

2 TS Phạm Thanh Phong, Khoa Điện - Điện tử: Thành viên tham gia

MỤC LỤC

Trang bìa

Mục lục

Danh mục các hình vẽ, đồ thị, bảng biểu

Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt

Thông tin kết quả nghiên cứu

Mở đầu 3

Chương 1 GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM MATLAB VÀ SIMULINK 6

2.1 Khái quát về Matlab 7

2.2 Các thanh công cụ toolbox 7

2.3 Simulink 7

2.4 Simcape 13

Chương 2 CÁC BỘ CHỈNH LƯU KHÔNG ĐIỀU KHIỂN DÙNG DIODE 15

2.1 Khái quát bộ chỉnh lưu 15

2.2 Bộ chỉnh lưu không điều khiển 1 pha nửa chu kì 15

2.3 Bộ chỉnh lưu không điều khiển cả nửa chu kỳ với biến áp có trung tính 17

2.4 Bộ chỉnh lưu không điều khiển 1 pha cầu dùng Diode 19

2.5 Bộ chỉnh lưu không điều khiển 3 pha tia dùng Diode 21

2.6 Bộ chỉnh lưu không điều khiển 3 pha cầu dùng Diode 23

Chương 3 CÁC BỘ CHỈNH LƯU CÓ ĐIỀU KHIỂN DÙNG THYRISTOR 26

3.1 Bộ chỉnh lưu có điều khiển 1 pha 1 nửa chu kì dùng Thyristor 26

3.2 Bộ chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ với Biến áp có trung tính dùng Thyristor 28

3.3 Bộ chỉnh lưu 1 pha cầu dùng Thyristor: 29

3.4 Bộ chỉnh lưu 3 pha tia dùng Thyristor 30

3.5 Bộ chỉnh lưu 3 pha cầu dùng Thyristor 33

Chương 4 CÁC BỘ ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP 36

4.1 Bộ điều chỉnh áp DC- DC 36

4.2 Bộ điều chỉnh áp AC- AC 37

4.3 Bộ điều chỉnh áp AC- AC ba pha 40

Chương 5 CÁC BỘ NGHỊCH LƯU 44

5.1 Giới thiệu về nghịch lưu 44

5.2 Nghịch lưu áp một pha 45

5.3 Nghịch lưu áp một pha cầu 47

5.4 Nghịch lưu áp ba pha 50

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 54

TÀI LIỆU THAM KHẢO 55

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

1.1 Giao diện khi khởi động Matlab 2021b 61.2 Thư viện Sinks trong Simulink 81.3 Thay đổi tham số trong khối Constant 91.4 Thay đổi dạng sóng trong khối tạo sóng 101.5 Thư viện Math trong Simulink 101.6 Thư viện Continuous trong Simulink 111.7 Xây dựng chương trình điều khiển PID trong Simulink 131.8 Ví dụ về sơ đồ trong Simcape 142.1 Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng chỉnh lưu nửa chu kỳ Diode 15

2.2 Sơ đồ Thí nghiệm ảo và dạng sóng chỉnh lưu nửa chu kỳ 15

trên Simulink - Simcape

2.3 Sơ đồ đấu nối và dạng sóng chỉnh lưu nửa chu kỳ thực nghiệm 172.4 Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng chỉnh lưu toàn chu kỳ 172.5 Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng chỉnh lưu toàn chu kỳ 182.6 Sơ đồ đấu nối và dạng sóng chỉnh lưu toàn chu kỳ thực nghiệm 19

2.7 Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng chỉnh lưu cầu dùng Diode 192.8 Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng chỉnh lưu cầu trên Simulink 202.9 Sơ đồ đấu nối và dạng sóng chỉnh lưu cầu thực nghiệm 212.10 Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng chỉnh lưu tia 3 pha 212.11 Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng chỉnh lưu tia 3pha trên Simulink 222.12 Sơ đồ đấu nối và dạng sóng chỉnh lưu tia 3 pha thực nghiệm 222.13 Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng chỉnh lưu cầu 3 pha Diode 232.14 Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng chỉnh lưu cầu 3 pha trên Simulink 24

3.2 Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng chỉnh lưu nửa chu kỳ Thyristor trên 26

Simulink

3.3 Sơ đồ đấu nối và dạng sóng chỉnh lưu nửa chu kỳ 27

dùng Thyristor thực nghiệm

iii

3.4 Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng chỉnh lưu toàn chu kỳ Thyristor 27

3.5 Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng chỉnh lưu toàn chu kỳ Thyristor trên 28

Simulink

3.6 Sơ đồ đấu nối và dạng sóng chỉnh lưu toàn chu kỳ Thyristor thực 28

nghiệm

3.7 Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng chỉnh lưu cầu 1 pha Thyristor 29

3.8 Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng chỉnh lưu cầu 1 pha Thyristor trên 30

Simulink

3.9 Sơ đồ đấu nối và dạng sóng chỉnh lưu cầu 1 pha Thyristor thực nghiệm 303.10 Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng chỉnh lưu tia 3 pha Thyristor 31

3.11 Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng chỉnh lưu tia 3 pha Thyristor 31

khi thay đổi góc điều khiển

3.12 Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng chỉnh lưu tia 3 pha Thyristor trên 32

Simulink

3.13 Sơ đồ đấu nối và dạng sóng chỉnh lưu 33

tia 3 pha Thyristor thực nghiệm

3.14 Sơ đồ nguyên lý động lực chỉnh lưu cầu 3 pha Thyristor 333.15 Sơ đồ thứ tự kích xung và dẫn của các Thyristor 343.16 Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng chỉnh lưu cầu 3 pha Thyristor 34

3.17 Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng Thyristor 35

trên Simulink

3.18 Sơ đồ đấu nối và dạng sóng chỉnh lưu 35

cầu 3 pha Thyristor đối xứng thực nghiệm

4.1 Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng bộ băm áp DC- DC 364.2 Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng bộ băm áp DC- DC trên Simulink 374.3 Sơ đồ nguyên lý bộ điều chỉnh áp AC- AC 374.4 Sơ đồ nguyên lý bộ điều chỉnh áp AC- AC điều khiển giao hoán 384.5 Sơ đồ nguyên lý bộ điều chỉnh áp AC- AC điều khiển pha 38

4.8 Sơ đồ dạng sóng bộ điều chỉnh áp AC- AC thực nghiệm 404.9 Các dạng mạch của bộ điều chỉnh áp AC- AC 414.10 Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng bộ điều chỉnh áp AC- AC 3 pha 414.11 Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng bộ điều chỉnh áp AC- AC 3 pha trên 42

iv

Simulink khi tải không nối sao

4.12 Dạng sóng bộ điều chỉnh áp AC- AC 3 pha trên Simulink khi tải nối sao 434.13 Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng bộ điều chỉnh áp AC- AC 3 pha thực nghiệm 43

5.8 Dạng sóng nghịch lưu áp cầu trên Simulink khi tần số 500Hz và 49

1080Hz

5.9 Sơ đồ nguyên lý bộ nghịch lưu áp cầu 3 pha 505.10 Mô hình bộ nghịch lưu áp cầu 3 pha 515.11 Dạng sóng bộ nghịch lưu áp cầu 3 pha, tần số 1000Hz 525.12 Dạng sóng bộ nghịch lưu áp cầu 3 pha, tần số 2000Hz 53

v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: Xây dựng các bài Thí nghiệm Điện tử Công suất trên phần mềm

Matlab – Simulink phục vụ giảng dạy học phần Thí nghiệm Điện tử Công suất trực tuyến

- Mã số : T2021 – 06 – 32

- Chủ nhiệm đề tài: ThS Võ Khánh Thoại

- Thành viên tham gia: TS Phạm Thanh Phong

- Cơ quan chủ trì

- Thời gian thực hiện

: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật - Đại học Đà Nẵng: 12/2021 – 11/2022

2 Mục tiêu:

- Xây dựng các bài thí nghiệm mô phỏng các mạch Điện tử Công suất trên phần mềm

Matlab/Simulink chạy trên máy tính

- Hướng dẫn Sinh viên thực hiện Thí nghiệm ảo các mạch Điện tử Công suất trên phần mềm, để giảng học phần Thí nghiệm Điện tử Công suất trực tuyến

3 Tính mới và sáng tạo:

- Học phần Điện tử Công suất là môn cơ sở ngành bắt buộc (3TC), được giảng dạy ở tất cả cácchuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Công nghệ kỹ thuật Điện - Điện tử,chuyên ngành Hệ thống Điện và chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử, với tổng số sinh viên hàng nămkhoảng 240 sinh viên, tại Khoa điện – Điện tử, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Đi kèm với học phần

lý thuyết Điện tử công suất, học phần Thí nghiệm Điện tử công suất cũng là học phần bắt buộc

(1TC) Học phần Thí nghiệm Điện tử Công suất này giúp sinh viên ở các chuyên ngành củng cố lạicác kiến thức Điện tử công suất, cũng như hiểu rõ hơn về Lý thuyết Điện tử Công suất Để phục vụgiảng dạy học phần thí nghiệm Điện tử công suất này, tại trường Sư phạm Kỹ thuật có trang bị mộtphòng thí nghiệm Điện tử công suất

- Tuy nhiên, do tình hình dịch bệnh Covid – 19 diễn biến phức tạp, các hoạt động đào tạo củaNhà trường đang được thực hiện theo hình thức trực tuyến và Môn học Thí nghiệm Điện tử Công

4 Tóm tắt kết quả nghiên cứu:

- Xây dựng 5 bài Thí nghiệm Điện tử Công suất, mô phỏng trên nền Matlab-Simulink;

- Mô phỏng, đánh giá các mạch Điện tử Công suất hoạt động tốt;

- Xây dựng tài liệu hướng dẫn thí nghiệm cho Sinh viên

5 Tên sản phẩm:

- 05 bài Thí nghiệm mạch Điện tử Công suất trên nền Matlab-Simulink;

- Tài liệu hướng dẫn thí nghiệm;

- Báo cáo tổng kết đề tài

6 Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng:

- Giáo dục, đào tạo:

+ Tài liệu tham khảo tốt cho sinh viên ngành Công nghệ kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa, Công nghệ kỹ thuật Điện – điện tử, Công nghệ cơ điện tử;

+ Tài liệu thí nghiệm: Điện tử Công suất

- Kinh tế, xã hội: Ứng dụng để giúp các kỹ sư ở các nhà máy xí nghiệp, các nhà sản xuất tối ưu hóa

công việc của mình, từ đó tạo ra những sản phẩm điện tử chính xác, đáng tin cậy và giá thành thấp

Các dạng sóng thu được khi mô phỏng trên Simulink

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS

1 General information:

Project title: Building up Power Electronics Experiment Lessos on Matlab – Simulink software for teaching online Power Electronics Experiments

Code number: 12/2021 – 11/2022

Author: M Sc VO Khanh Thoai

Coordinator: Dr PHAM Thanh Phong

Implementing institution: Danang University of Technology and Education

Duration: from 12/2021 to 11/2022

2 Objective(s):

- Build up Simulation Labs of Power Electronics circuits on Matlab/Simulink software running on computer

- Guide Students to perform Virtual Experiments on Power Electronics circuits on software,

to teach online Power Electronics Labs

3 Creativeness and innovativeness:

Build up Experiments to simulate Power Electronics circuits on Matlab/Simulink softwarerunning on computers to teach the online Power Electronics Labs course in line with the trend of digital conversion

4 Research results:

- Build up 5 Power Electronics Lab lessons, simulated on the Matlab-Simulink software;

- Simulation and evaluation of Power Electronic circuits in good working;

- Build up text manuals for students

5 Products:

- 05 Lab lessons on Power Electronic Circuits based on Matlab-Simulink;

- Experience instruction manual;

- Final report topics

6 Effects, transfer alternatives of research results and applicability:

Application to help engineers in factories, manufacturers optimize their work, thereby creating accurate, reliable and affordable electronic products with low cost.

MỞ ĐẦU

1 Tổng quan về tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài

Điện tử công suất đi liền với các van bán dẫn bán dẫn công suất lớn như diode,BJT, thyristor, triac và tiếp đó là IGBT Các van bán dẫn này chịu điện áp ngày càngcao và khả năng dẫn dòng ngày càng lớn đã tạo nên các cấu hình bộ biến đổi ngàycàng đa dạng: chỉnh lưu (AC/DC converter), nghịch lưu (DC/AC converter, inverter),

bộ biến đổi một chiều (DC/DC converter) và bộ biến đổi xoay chiều (AC/ACconverter) cho phép điều khiển dòng năng lượng cấp cho động cơ một cách hợp lý,phù hợp với yêu cầu công nghệ

Các nghiên cứu bùng nổ về năng lượng tái tạo (renewable energy) như nănglượng gió, năng lượng mặt trời, địa nhiệt và năng lượng sóng biển không chỉ là mộttrào lưu trong vòng gần hai thập kỷ qua, mà còn là một xu hướng không thể tránhkhỏi để tạo ra lưới điện thông minh và linh hoạt (smart grid) Các bộ biến đổi côngsuất DC/DC đã trở lại thành đề tài nghiên cứu nóng hổi Chúng có chức năng nânghoặc hạ áp (boost/buck), kết nối các thiết bị sơ cấp (tuốc bin sức gió hoặc các tấm pinnăng lượng mặt trời) với các bộ biến đổi khác (như nghịch lưu DC/AC) để cung cấpnăng lượng cho lưới điện quốc gia hoặc các hộ tiêu thụ

2 Tính cấp thiết của đề tài

- Học phần Điện tử Công suất là môn cơ sở ngành bắt buộc (3TC), được giảngdạy ở tất cả các chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Côngnghệ kỹ thuật Điện - Điện tử, chuyên ngành Hệ thống Điện và chuyên ngành Kỹ thuậtĐiện tử, với tổng số sinh viên hàng năm khoảng 240 sinh viên, tại Khoa điện – Điện tử,trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Đi kèm với học phần lý thuyết Điện tử công suất, họcphần Thí nghiệm Điện tử công suất cũng là học phần bắt buộc (1TC) Học phần Thínghiệm Điện tử Công suất này giúp sinh viên ở các chuyên ngành củng cố

lại các kiến thức Điện tử công suất, cũng như hiểu rõ hơn về Lý thuyết Điện tử Côngsuất Để phục vụ giảng dạy học phần thí nghiệm Điện tử công suất này, tại trường Sưphạm Kỹ thuật có trang bị một phòng thí nghiệm Điện tử công suất

- Tuy nhiên, do tình hình dịch bệnh Covid – 19 diễn biến phức tạp, các hoạt độngđào tạo của Nhà trường đang được thực hiện theo hình thức trực tuyến và Môn học Thínghiệm Điện tử Công suất cũng đang được triển khai theo hình thức này

Do đó, nhóm tác giả đề xuất đề tài “Xây dựng các bài Thí nghiệm Điện tử

Công suất trên phần mềm Matlab – Simulink phục vụ giảng dạy học phần Thí nghiệm Điện tử Công suất trực tuyến”, nhằm tạo điều kiện để cho sinh viên có thể

Thí nghiệm trực tuyến các mạch Điện tử Công suất trên phần mềm mô phỏng Matlab/Simulink, đây cũng là phần mềm được giảng dạy tại khoa Điện - Điện tử Ngoài ra,khi được trở lại dạy trực tiếp trên lớp, thì các bài thí nghiệm trong đề tài cũng giúpsinh viên các lớp Điện tử Công suất ôn tập lại kiến thức

3 Mục tiêu của đề tài

- Xây dựng các bài thí nghiệm mô phỏng các mạch Điện tử Công suất trên phần mềm Matlab/Simulink chạy trên máy tính

- Hướng dẫn Sinh viên thực hiện Thí nghiệm ảo các mạch Điện tử Công suất trên phần mềm để giảng học phần Thí nghiệm Điện tử Công suất trực tuyến

4 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu

- Đề cương chi tiết học phần Thí nghiệm Điện tử Công suất

- Phần mềm mô phỏng Matlab/Simulink

- Xây dựng 5 bài mô phỏng Thí nghiệm Điện tử Công suất trên phần mềm

Matlab/Simulink để phục vụ cho việc giảng dạy học phần Thí nghiệm Điện tử Côngsuất trực tuyến, phù hợp với đề cương chi tiết học phần Thí nghiệm Điện tử Công suấttại Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng

5 Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu đề cương chi tiết học phần Thí nghiệm Điện tử Công suất tại

Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật, Đại học Đà Nẵng

- Nghiên cứu sử dụng phần mềm mô phỏng Matlab/Simulink để xây dựng các bài

mô phỏng Thí nghiệm Điện tử Công suất

- Thực nghiệm trên các mạch Điện tử công suất

6 Nội dung nghiên cứu

I Giới thiệu về phần mềm MATLAB, SIMULINK và SIMCAPE

- Khái quát chung về Matlab và các lĩnh vực áp dụng;

- Các thanh công cụ toolbox;

- Khái quát Simcape

II Các bộ chỉnh lưu không điều khiển dùng Diode

- Bộ chỉnh lưu 1 pha nửa chu kì, 2 nửa chu kỳ dùng Diode;

- Bộ chỉnh lưu 1 pha cầu dùng Diode;

- Bộ chỉnh lưu 3 pha tia, cầu dùng Diode

III Các bộ chỉnh lưu có điều khiển

- Bộ chỉnh lưu 1 pha ửa chu kì, 2 nửa chu kỳ dùng Thyristor;

- Bộ chỉnh lưu 1 pha cầu dùng Thyristor;

- Bộ chỉnh lưu 3 pha tia, cầu dùng Thyristor

IV Các bộ điều chỉnh điện áp

Chương 1. MATLAB – SIMULINK VÀ SIMCAPE

1.1 Khái quát về Matlab

1.1.1 Khái quát chung về Matlab

MATLAB là phần mềm lớn của lĩnh vực toán số Tên bộ chương trình chính là

chữ viết tắt Matrix Laboratory, thể hiện định hướng chính của chương trình là các

phép tính vector và ma trận

Matlab bao gồm nhiều hàm toán học, các chức năng nhập/xuất cũng như khả năngđiều khiển chu trình

Hình 1.1 Giao diện khi khởi động Matlab 2021b

Với phần mềm MATLAB, các bài toán tính toán, phân tích, thiết kế và mô phỏng trởnên dễ dàng hơn trong nhiều lĩnh vực chuyên ngành như: Điện, Điện tử, Cơ khí, Cơđiện tử, Vật lý, MATLAB có khả năng liên kết đa môi trường, liên kết dễ dàng vớingôn ngữ lập trình C++, Visual C, FORTRAN, JAVA,

MATLAB có khả năng xử lý đồ hoạ mạnh trong không gian hai chiều và ba chiều

1.1.2 Các lĩnh vực áp dụng

MATLAB xây dựng sẵn các phép tính xử lý ma trận, các hàm toán học, các phép xử

lý đồ hoạ với thư viện phong phú Từ đó cho phép người dùng viết các chương trình(m-files), xây dựng các hàm chuyên tính toán cho mỗi lĩnh vực (gọi là cácTOOLBOXS) như:

- Nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực công nghiệp;

- Giảng dạy, nghiên cứu lập các chương trình giảng dạy cho các môn tự nhiên nhưtoán, lý, hóa… trong các trường phổ thông;

- Giảng dạy và nghiên cứu trong các lĩnh vực Khoa học và Kỹ thuật: Điều khiển

tự động, Kỹ thuật điện, Điện tử, truyền thông, xử lý ảnh, xử lý tín hiệu số, tối ưu hoá, môphỏng các quá trình thực tế;

- Giảng dạy và nghiên cứu trên các lĩnh vực có xuất hiện tính toán: công cụ để giảitoán cao cấp, xử lý ma trận, vec-tơ, toán kinh tế, cơ học, sinh học…

1.2 Các thanh công cụ toolbox

- Control System Toolbox: là công cụ ứng dụng trong lĩnh vực điều khiển - Tự

động hoá, Điện tử, Cơ khí

- Power System Toolbox: là công cụ ứng dụng trong chuyên ngành Hệ thống điện,

Thiết bị điện, Tự động hoá, Cơ khí

- Signal Processing Toolbox và Image procesing Toolbox: là công cụ ứng dụng

cho ngành Điện tử viễn thông, Công nghệ thông tin và Cơ điện tử

- Communication Toolbox: là công cụ ứng dụng dành cho ngành điện tử viễn

thông- TĐH Đo lường

- Data acquisition Toolbox: công cụ dung để thu thập dữ liệu, xây dựng hệ thu

thập dữ liệu vào/ra với thiết bị bên ngoài

- Fuzzy logic và Neural Network Toolbox: phân tích thiết kế hệ thống trên cơ sở

logic mờ và mạng nơron nhân tạo

- Aerospace Toolbox và Math Toolbox: là công cụ ứng dụng cho ngành Cơ khí

và gián đoạn Hơn thế người sử dụng có thể tạo nên các khối riêng cho mình:

- Xây dựng chương trình mô phỏng bằng cách kết nối các khối mô-đun có sẵn;

- Khai báo các tham số có thể thay đổi thích hợp cho Hệ thống;

- Chạy, phân tích và hiệu chỉnh để có kết quả mong muốn

SIMULINK cho phép giao diện với MATLAB thông qua một số khối như “ToWorkSpace” Các kết quả trả về trong không gian Workspace để chương trình Matlablấy và xử lý Trong SIMULINK còn cho phép đưa các dòng lệnh MATLAB hoặc cácbiểu thức toán học vào.

SIMULINK giúp cho người lập trình tiết kiệm rất nhiều thời gian và công sức vì nó tựđộng liên kết, biến đổi để chuyển thành các hệ phương trình vi phân tính toán ngầmtrong môi trường MATLAB và cho ra kết quả hoặc viết dãy các lệnh MATLAB (*.mfile)

1.3.2 Các thư viện Simulink

1 Thư viện hiển thị (Thư viện Sinks)

Hình 1.2 Thư viện Sinks trong Simulink

- Khối Display: Hiển thị giá trị đầu vào, ta có thể định nghĩa dữ liệu trong bảng

thông số của khối

- Khối Scope: Hiển thị các dạng sóng tín hiệu trong suốt thời gian mô phỏng, ta

có thể thay đổi số cửa sổ, dạng hiển thị trong khối thông qua việc thay đổi các thông sốcủa khối

- Khối To file: Lưu trữ dữ liệu dưới dạng file Dữ liệu ở đây là 1 ma trận, hàng

đầu tiên là 1 vectơ thời gian, những cột khác là biến ngõ ra

- Khối To Workspace: gửi số liệu ở đầu vào của khối tới môi trường Matlab

Workspace dưới dạng Array, Structure hay Structure with time và lấy chuỗi ký tự khai tạiVariable name để đặt tên cho tập số liệu được ghi

- Khối XY Graph: biểu diễn 2 tín hiệu đầu vào scalar trên tọa độ xy dưới dạng

đồ họa Matlab Đầu vào thứ 1 ứng với trục x, đầu thứ 2 ứng với trục y

- Khối Stop Simulation: ngưng tín hiệu mô phỏng ngay lập tức khi tín hiệu

vào bằng 0 Khi nhiều tín hiệu vào khối mà 1 tín hiệu bằng 0 thì quá trình mô phỏngđược dừng ngay lập tức

2 Khối đầu vào thường dùng

- Khối Constant: tạo nên 1 hằng số, véctơ hay ma trận tùy theo khai báo

thông số

Hình 1.3 Thay đổi tham số trong khối Constant

- Khối Step và Ramp: tạo nên các tín hiệu dạng bậc thang hay dạng dốc tuyến

tính, dùng để kích thích các mô hình Simulink

- Khối Signal Generator: tạo ra các dạng tín hiệu kích thích khác nhau.

- Khối From Workspace: có nhiệm vụ lấy số liệu từ cửa sổ Matlab

Workspace để cung cấp cho mô hình Simulink Các số liệu lấy vào phải có dạng củabiểu thức Matlab khai báo tại dòng Data

- Khối From File: cho phép lấy số liệu từ m.file có sẵn, m.file có thể là kết

quả của 1 lần mô phỏng trước đó đã được tạo nên và cất đi nhờ khối To file trong sơ

đồ simulink

Hình 1.4 Thay đổi dạng sóng trong khối tạo sóng

- Khối Repeating Sequence: tạo nên 1 tín hiệu tuần hoàn tùy ý

- Khối Sine Wave: tạo tín hiệu hình sin cho cả 2 loại mô hình: liên tục và gián

đoạn, biên độ, tần số có thể khai tùy ý, với pha ban đầu chú ý đơn vị là ra

- Khối Pluse Generator: tạo tín hiệu xung hình chữ nhật Biên độ và tần số có

thể khai báo tùy ý

3 Giới thiệu thư viện Math

Khối khuyếch đại Khối logic AND, OR,

Hình 1.5 Thư viện Math trong Simulink

- Khối Sum: đầu ra của khối Sum là tổng hoặc hiệu của các tín hiệu đầu vào.

- Khối Product: thực hiện phép nhân từng phần tử hay nhân ma trận, cũng

như phép chia giữa các tín hiệu vào của khối

- Khối Dot Product: tính tích vô hướng các véctơ đầu vào.

- Khối Math Function: cung cấp các hàm toán có sẵn.

- Khối Gain: có tác dụng khuếch đại tín hiệu đầu vào.

- Khối Slider Gain: cho phép thay đổi hệ số khuếch đại trong thời gian mô

phỏng

- Khối Matrix Gain: cũng giống như Gain, điểm khác là phải khai báo các

tham số thích hợp để thực hiện phép nhân giữa ma trận Gain với đầu vào

4 Giới thiệu thư viện Continuous

Các khối để mô phỏng hệ liên tục

Hình 1.6 Thư viện Continuous trong Simulink

- Khối Integrator: thực hiện phép tính lấy tích phân tín hiệu đầu vào của khối

- Khối Derivative: thực hiện phép tính đạo hàm tín hiệu đầu vào, tín hiệu đầu

số và tử số có thể là các ma trận zero hoặc các biểu thức vector của cực và độ lợi

- Khối Transport Delay: làm trễ thời gian vào khoảng t >0 khai báo tại ô

Time delay trước khi xuất tới đầu ra Chỉ đến khi thời gian mô phỏng bắt

đầu vượt quá thời gian trễ, khối Tran Delay mới xuất giá trị khai tại Intial input tới đầu ra.

1.3.3 Các bước xây dựng một chương trình Simulink

Bước 1: Mở cửa sổ mô phỏng Similink.

Bước 2: Rê và thả các khối cần xây dựng mô hình từ các thư viện SIMULINK.

Nếu có các khối giống nhau cần xây dựng trong một mô hình thì dùng lệnh COPY và PASTE (dán) để tạo nhanh các khối, có thể copy từ một mô hình khác

Có thể sử dụng Menu Format của SIMULINK để định dạng mô hình như:Chọn lại font, màu sắc, nét vẽ, quay khối (rotate),

Bước 3: Nhập thông số cho các khối bằng cách kích đúp chuột và khối sau đó nhập

các thông số từ cửa sổ hộp thoại

Bước 4: Chú thích khối, chỉnh sửa, trang trí mô hình.

Bước 5: Khai báo các thông số của mô hình hoá.

Bước 6: Chạy chương trình, quan sát kết quả, đánh giá kết quả và hiệu chỉnh cho phù

hợp sau mỗi lần chạy

- Lúc này để vẽ được nhiều đồ thị trên một hệ toạ độ, ta dùng hàm plot như sau:

plot(out(:,1), out(:,2),out(:,1), out(:,3) ) sẽ vẽ nhiều đồ thị biến đổi theo thời gian

trên chung 1 trục toạ độ

- Chương trình chạy đến hết thời gian (stop time) thì tự động ngừng Để chươngtrình dừng trước khi kết thúc, ấn nút STOP trên thanh công cụ (hoặc Menu

xõy dựng từ nhiều hệ thống con hợp thành (trong Simulink/Commonly Used Blocks)

1.3.4 Vớ dụ xõy dựng một chương trỡnh simulink

Dưới đõy là một vớ dụ về xõy dựng chương trỡnh điều khiển PID trong Simulink

Step

Controller

Clock1 PID

1

s 2

+2s+50

đối t-ợng Gain

1

Mux Clock

XY Graph

Scope

simout

To Workspace

Hỡnh 1.7 Xõy dựng chương trỡnh điều khiển PID trong

Simulink 1.3.5 í nghĩa chương trỡnh con simulink

í nghĩa cỏch làm này là tạo ra một khối con trờn cơ sở cỏc khối đó cú để phõn

hệ thống lớn thành nhiều hệ thống con (subsystem)

Nếu một khối con được sử dụng nhiều lần trong cỏc chương trỡnh thỡ ta cú thể đúnggúi khối con, tức là che mặt nạ cho nú (mask subsystem) để biến nú thành một khốichức năng như những khối đó được tạo ra trong SIMULINK

1.4 Simcape

1.4.1 Khỏi quỏt Simcape

Simscape ™ cho phộp chỳng ta nhanh chúng tạo cỏc mụ hỡnh hệ thống vật lýtrong mụi trường Simulinkđ Với Simscape, chỳng ta cú thể xõy dựng cỏc mụ hỡnhthành phần vật lý dựa trờn cỏc kết nối vật lý tớch hợp trực tiếp với sơ đồ khối và cỏc

mụ hỡnh mụ hỡnh húa khỏc Vớ dụ: mụ hỡnh húa cỏc hệ thống như động cơ điện, bộchỉnh lưu cầu, bộ truyền động thủy lực và hệ thống lạnh, bằng cỏch lắp rỏp cỏc thànhphần cơ bản thành một sơ đồ Cỏc sản phẩm bổ trợ Simscape cung cấp cỏc thành phần

và khả năng phõn tớch phức tạp hơn

Simscape giỳp chỳng ta phỏt triển hệ thống điều khiển và kiểm tra hiệu suất cấp hệthống Chỳng ta cú thể tạo cỏc mụ hỡnh thành phần tựy chỉnh bằng cỏch sử dụng ngụnngữ Simscape dựa trờn MATLABđ, cho phộp cỏc kỹ thuật viờn dựa trờn văn bản của

các thành phần, miền và thư viện mô hình vật lý Ta có thể tham số hóa mô hình củamình bằng cách sử dụng các biến và biểu thức MATLAB, đồng thời thiết kế hệ thốngđiều khiển cho hệ thống vật lý… của mình trong Simulink để triển khai các mô hìnhcủa mình tới các môi trường mô phỏng khác, bao gồm hệ thống phần cứng trong vòng(HIL), Simscape hỗ trợ tạo mã C.

Hình 1.8 Ví dụ về sơ đồ trong

Simcape 1.4.2 Simscape Electrical ™

Simscape Electrical™ (trước đây là SimPowerSystems™ và SimElectronics®)cung cấp các thư viện thành phần để mô hình hóa và mô phỏng các hệ thống điện điện

tử, cơ điện tử và điện Nó bao gồm các mô hình chất bán dẫn, động cơ và các thànhphần cho các ứng dụng như truyền động cơ điện, lưới điện thông minh và hệ thốngnăng lượng tái tạo Ta có thể sử dụng các thành phần này để đánh giá kiến trúc mạchtương tự, phát triển hệ thống cơ điện tử với ổ điện và phân tích việc tạo ra, chuyểnđổi, truyền tải và tiêu thụ năng lượng điện ở lưới điện Simscape Electrical giúp chúng

ta phát triển hệ thống điều khiển và kiểm tra hiệu suất của hệ thống Ta có thể tham sốhóa mô hình của mình bằng cách sử dụng các biến và biểu thức MATLAB®, đồngthời thiết kế hệ thống điều khiển cho hệ thống điện trong Simulink® Do đó chúng ta

có thể tích hợp các hệ thống cơ khí, thủy lực, nhiệt và các hệ thống vật lý khác vào

mô hình của mình bằng cách sử dụng các thành phần từ dòng sản phẩm Simscape Đểtriển khai các mô hình tới các môi trường mô phỏng khác, bao gồm hệ thống phầncứng trong vòng (HIL), Simscape Electrical hỗ trợ tạo mã C Simscape Electricalđược phát triển với sự hợp tác của Hydro-Québec của Montreal

Chương 2 BỘ CHỈNH LƯU KHÔNG ĐIỀU KHIỂN DÙNG DIODE

2.1 Khái quát bộ chỉnh lưu

Công dụng của các bộ chỉnh lưu là chuyển đổi điện xoay chiều AC

(Alternating Current) thành điện một chiều DC (Direct Current) Bộ chỉnh lưu có điều

khiển trong công nghiệp được sử dụng để làm thay đổi công suất của tải theo yêu cầu

Mạch chỉnh lưu có điều khiển thường áp dụng cách thay đổi góc kích của các

Thyristor SCR và được ứng dụng để điều chỉnh tự động cho một số mạch sau: Nạp

accu, hàn điện, mạ điện, điện phân, điều khiển động cơ DC, truyền động điện… Mặc

dù trong công nghiệp đôi khi còn sử dụng các mạch chỉnh lưu không có điều khiển

(Diode), nhưng trường hợp này có thể được xem là trường hợp của SCR với góc kích

được điều khiển bằng 0 độ

2.2 Bộ chỉnh lưu không điều khiển 1 pha nửa chu kì:

2.2.1 Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng

Hình 2.1 là sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu một nửa chu kì không điều khiển dùng

Diode Trong nửa chu kì dương của dòng điện, tức điện áp đặt lên anot của Diode

dương, Diode cho dòng chạy qua, dòng điện này bằng dòng điện tải Vs/R (khi tải

thuần trở), điện áp rơi trên Diode khoảng 1 Vôn (V) Trong nửa chu kỳ âm của dòng

điện, Diode chặn không cho dòng điện chạy qua, dòng điện Iak = 0 Ampe (A), sau đó

chu kỳ được lặp lại

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng chỉnh lưu nửa chu kỳ Diode

Các thông số của sơ đồ chỉnh lưu 1 pha nửa chu kì

•Điện áp tải

•Dòng điện tải: Id = U dc /R d

•Dòng điện chạy qua diod: ID = I d

2.2.2 Sơ đồ trên Simulink - Simcape và dạng sóng

Hình 2.2 là sơ đồ Bộ chỉnh lưu 1 pha nửa chu kì mô phỏng trên Simulink - Simcape

Hình 2.2 Sơ đồ Thí nghiệm ảo và dạng sóng chỉnh lưu nửa chu kỳ

trên Simulink - Simcape

2.2.3 Sơ đồ thực nghiệm và dạng sóng

So sánh với sơ đồ thí nghiệm trên mạch thực tế và kết quả dạng sóng như hình 2.3

Hình 2.3 Sơ đồ đấu nối và dạng sóng chỉnh lưu nửa chu kỳ thực nghiệm

Kết quả trên thí nghiệm ảo và trên mạch thật cho kết quả khá tương đồng

2.3 Bộ chỉnh lưu không điều khiển cả chu kỳ với biến áp có trung tính:

2.3.1 Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng

Sơ đồ chỉnh lưu cả chu kì không điều khiển trên hình 2.4 Trong nửa chu kìdương của dòng điện, tức điện áp đặt lên anot của Diode D1 dương, Diode D1 chodòng chạy qua, đi từ A qua D1 qua tải về điểm trung tính F, dòng điện này bằng dòngđiện tải U2/R (khi thuần trở), điện áp rơi trên Diode D1 khoảng vài Vôn (V), trong nửachu kỳ âm của dòng điện, Diode D1 chặn không cho dòng điện chạy qua, dòng điện ID

chỉ có dòng rò Diode D2 lúc này dẫn, dòng điện đi từ B qua D2 qua tải về điểm trungtính F Sau đó chu kỳ được lặp lại

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng chỉnh lưu toàn chu kỳ

•Điện áp tải

•Dòng điện tải:

•Dòng điện chạy qua diod:

•Điện áp ngược của van:

•Công suất biến áp:

2.3.2 Sơ đồ trên Simulink và dạng sóng

Xây dựng sơ đồ mô phỏng thí nghiệm ảo trên Simulink của mạch chỉnh lưu toàn chu

kỳ dùng Diode như hình 2.5

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng chỉnh lưu toàn chu kỳ

trên Simulink và Simcape

18

2.3.3 Sơ đồ thực nghiệm và dạng sóng

Tiến hành thí nghiệm trên sơ đồ mạch thực và kết quả dạng sóng như hình 2.6

Hình 2.6 Sơ đồ đấu nối và dạng sóng chỉnh lưu toàn chu kỳ thực nghiệm

Kết quả thí nghiệm ảo trên phần mềm Matlab và trên mạch thật cho kết quảtương đồng

2.4 Bộ chỉnh lưu không điều khiển cầu 1 pha dùng Diode

2.4.1 Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng

Bộ chỉnh lưu không điều khiển cầu 1 pha sử dụng bốn diode trong cầu chỉnhlưu không cần trung tính biến áp Khi A dương với các điốt diod D1, D2 sẽ dẫn cùngnhau để điện áp đầu ra là UAB Mỗi diod D3 và D4 phải chịu điện thế ngược của U.Khi B dương đối với điốt D3, D4 kết hợp với nhau và điện áp ra là VBA Mỗi hai điốt

D1 và D2 là điện áp đảo ngược của U

Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng chỉnh lưu cầu dùng Diode

Các thông số của sơ đồ

19

•Dòng điện chạy qua diod: I tbv 

2.4.2 Sơ đồ trên Simulink và dạng sóng

Xây dựng sơ đồ mô phỏng trên Simulink mạch chỉnh lưu cầu dùng Diode như hình2.8

Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng chỉnh lưu cầu trên Simulink và Simcape

2.4.3 Sơ đồ thực nghiệm và dạng sóng

Tiến hành thí nghiệm trên sơ đồ mạch và kết quả dạng sóng như hình 2.9

Hình 2.9 Sơ đồ đấu nối và dạng sóng chỉnh lưu cầu thực nghiệm

Nhìn vào mô phỏng trên thí nghiệm ảo và dạng sóng trên mạch thật, kết quả là khátương đồng nhau

2.5 Bộ chỉnh lưu không điều khiển 3 pha tia dùng Diode.

2.5.1 Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng

Trong sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha trên hình 2.10 các diod nối chung catod, tải làthuần trở/điện cảm Dòng điện tải chạy từ lưới (nguồn), qua diod và về nguồn điệntheo dây trung tính N

Nguyên tắc phân tích mạch: Có thể nhận xét là tại mỗi thời điểm, diod nào có điện ápanod cao nhất sẽ dẫn và đặt áp âm vào các diod còn lại vì các diod nối chung catod

Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng chỉnh lưu tia 3pha

•Dòng điện tải:

•Dòng điện chạy qua diod:

•Điện áp ngược của van:

Công suất biến áp

I d

1, 35U

d

I d

m  3

2.5.2 Sơ đồ trên Simulink và dạng sóng

Xây dựng sơ đồ mô phỏng trên Simulink mạch chỉnh lưu tia 3 pha dùng Diode như hình 2.11