Kĩ thuật mô phỏng trong điện tử công suất

Điện tử công suất đã giúp cho việc sử dụng điện năng một cách hiệu quả, các linh kiện điện tử công suất được sử dụng trong quá trình biến đổi cũng như điều khiển công suất: hiệu quả cao

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay rất nhiều thiết bị biến đổi công suất được đề xuất để phục vụ những yêu cầu ngày càng cao của cuộc sống Điện tử công suất đã giúp cho việc sử dụng điện năng một cách hiệu quả, các linh kiện điện tử công suất được sử dụng trong quá trình biến đổi cũng như điều khiển công suất: hiệu quả cao và tổn hao thấp trong lò cao tần, truyền tải điện DC Các thiết bị điện tử công suất mới hiện nay được cải tiến phát triển để nâng cao hiệu suất hơn nữa việc sử dụng năng lượng

Điện tử công suất đóng vai trò quan trọng trong các mô hình công nghệ và được thiết kế để điều khiển năng lượng Dòng điện điện áp và đặc tính đóng ngắt của các linh kiện bán dẫn liên tục được hoàn thiện, phạm vi ứng dụng ngày càng được mở rộng như trong chiếu sáng, bộ nguồn, điều khiển động cơ, tự động hóa công nghiệp, giao thông, lưu trữ năng lượng, truyền tải điện đi xa

Hiệu suất cao và đặc điểm điều khiển chặt chẽ đã giúp cho điện tử công suất có lợi thế hơn nhiều trong điều khiển động cơ so với các hệ thống điều khiển cơ điện và điện tử trước đây Ngoài ra điện tử công suất còn được ứng dụng trong truyền tải điện

DC, trạm biến đổi công suất, trong truyền tải sử dụng biến đổi DC/AC, bộ lọc tích cực, biến đổi tần số…

Sau 1 thời gian học tập môn Điện tử công suất, dưới sự giảng dạy nhiệt tình của thầy giáo PGS.TS Ngô Diên Tập, em cũng đã nhận thấy tầm quan trọng của môn học

và những ứng dụng của điện tử công suất trong thực tế Nay em được giao làm đề tài

tiểu luận:Kĩ thuật mô phỏng trong điện tử công suất.Ở đây em sử dụng MATLAB

là công cụ để mô phỏng nhằm giúp các bạn sinh viên có cái nhìn tổng quan về MATLAB và biết cách dùng Simulink để mô phỏng 1 mạch điện trong điện tử công suất

Do thời gian chuẩn bị có hạn và kiến thức về môn học của em còn nhiều hạn chế nên chắc chắn không thể tránh được thiếu sót Em mong nhận được những chỉ dẫn của

MỤC LỤC Lời nói đầu……… 1

Mục lục……… 2

I Giới thiệu về MATLAB……… 3

II Làm thế nào để mô phỏng……….4

1 Vài nét về SIMULINK……… 5

2 Các bước mô phỏng……….5

Một số thí dụ mô phỏng dùng Simulink trong điện tử công suất…… 15

1 Chỉnh lưu hình tia 3 pha……… 15

2 Chỉnh lưu cầu 3 pha……… 19

Kết luận……… 21

Tài liệu tham khảo……… 21

I Giới thiệu về MATLAB:

MATLAB là 1 bộ chương trình phần mềm lớn trong lĩnh vực toán số Tên bộ chương trình chính là viết tắt của chữ Matrix và Laboratory, thể hiện định hướng chính là các phép tính vecto và ma trận Phần cốt lõi của chương trình là các hàm toán, các chức năng nhập/xuất cũng như các khả năng điều khiển chu trình mà nhờ đó

ta có thể dựng lên các Scripts

Có thể coi Matlab là ngôn ngữ của kỹ thuật Nó tích hợp các công cụ rất mạnh phục vụ tính toán, lập trình, thiết kế, mô phỏng, trong một môi trường rất dễ sử dụng trong đó các bài toán và các lời giải được biểu diễn theo các ký hiệu toán học quen thuộc Các ứng dụng điển hình là:

• Toán học và tính toán

• Phát triển thuật toán

• Tạo mô hình, mô phỏng và tạo giao thức

• Khảo sát, phân tích số liệu

• Đồ hoạ khoa học kỹ thuật

• Phát triển ứng dụng, gồm cả xây dựng giao diện người dùng đồ hoạ GUI

Trong MATLAB có các Toolbox với phạm vi chức năng chuyên dụng mà người

sử dụng cần Có 1 số Toolbox liên quan đến Điều khiển-Tự động như : Control System Tool, Signal Processing Toolbox, Power System Blockset và Simulink…Hệ thống MATLAB gồm 5 phần chính:

•Ngôn ngữ Matlab: là một ngôn ngữ ma trận/mảng cấp cao với các câu lệnh, hàm, cấu trúc dữ liệu, vào/ra, các tính năng lập trình hướng đối tượng Nó cho phép lập trình các ứng dụng từ nhỏ đến các ứng dụng lớn và phức tạp

•Môi trường làm việc Matlab: Đây là một bộ các công cụ và phương tiện mà bạn

sử dụng với tư cách là người dùng hoặc người lập trình Matlab Nó bao gồm các

như xuất nhập khẩu dữ liệu Nó cũng bao gồm các công cụ phát triển, quản lý, gỡ rối

và định hình M-file, ứng dụng của Matlab

•Xử lý đồ hoạ: Đây là hệ thống đồ hoạ của Matlab Nó bao gồm các lệnh cao cấp cho trực quan hoá dữ liệu hai chiều và ba chiều, xử lý ảnh, ảnh động, Nó cũng cung cấp các lệnh cấp thấp cho phép bạn tuỳ biến giao diện đồ hoạ cũng như xây dựng một giao diện đồ hoạ hoàn chỉnh cho ứng dụng Matlab của mình

•Thư viện toán học Matlab: Đây là tập hợp khổng lồ các thuật toán tính toán từ các hàm cơ bản như cộng, sin, cos, số học phức tới các hàm phức tạp hơn như nghịch đảo ma trận, tìm trị riêng của ma trận, phép biến đổi Fourier nhanh

•Giao diện chương trình ứng dụng Matlab API (Application Program Interface): Đây là một thư viện cho phép bạn viết các chương trình C và Fortran tương thích với Matlab

Simulink là 1 Toolbox có vai trò đặc biệt quan trọng : Vai trò của 1 công cụ

mạnh phục vụ mô hình hóa và mô phỏng các hệ thống kĩ thuật-Vật lí trên cơ sở sơ đồ

cấu trúc dạng khối Trong đó đưa ra mô hình các phần tử bán dẫn như: Transistor, Điot, Tiristor…Bằng cách ghép nối từng phần tử, từng mô hình theo 1 sơ đồ cụ thể nào đó, ta có thể thiết lập được 1 mạch điện tử công suất như ý muốn Ví dụ như mạch mạch chỉnh lưu cầu, mạch băm xung…Ngoài ra còn có 1 số các phần tử mạch điện cần thiết và thông dụng khác trong các thư mục: Elements, Electrical Sources…Ghép nối nó với các mạch đã biết trước ta có thể tiến hành nghiên cứu các thiết bị theo quan điểm hệ thống hoàn chỉnh

Nhìn chung đây là phần mềm thuận tiện để nghiên cứu hệ thộng tự động dưới dạng các khối chức năng nhưng tốc độ tính toán khi có các phần tử điện tử công suất thường chậm hơn nhiều so với bình thường, đôi khi bị mất thông tin khi thời gian khảo sát lớn

II.Làm thế nào để mô phỏng: Trong MATLAB ta sử dụng công cụ SIMULINK

để mô phỏng

1 Vài nét về SIMULINK : SIMULINK là gói phần mềm để xây dựng mô hình

và mô phỏng tính toán phân tích hệ thống hệ thống động, nó cho phép mô tả hệ thống tuyến tính, hệ thống phi tuyến, các mô hình trong thời gian liên tục hay gián đoạn SIMULINK cung cấp một giao diện đồ họa(GUI) cho việc xây dựng mô hình như là các khối(block diagram), người dùng chỉ cần kích chuột và drag(chọn khối rối giữ nguyên chuột trái và kéo chuột đến vị trị cần đặt).Với giao diện giao tiếp như thế, bạn

có thể vẽ mô hình dễ dàng

Thư viện SIMULINK gồm các khối thư viện như sink, sources…bạn cũng có thể tạo ra các khối cho riêng mình(viết trong S-function).Xây dựng mô hình từ trên xuống dưới hay từ dưới lên trên để xem kĩ các khối trong thư viện các khối sources hay sink…bạn kích đúp chuột vào khối đó Sau khi định nghĩa mô hình bạn có thể mô phỏng mô hình đó, dùng scope để xem biểu diễn mô hình đó, như 1 khối phát hình sin, đầu ra của khối đó được mắc với một scope để thể hiện kết quả của khối đó

a Thư viện Simulink và môi trường làm việc(nơi xây dựng mô hình):

Để bắt đầu vào vùng làm việc của Simulink, ta làm theo các bước:

• Khởi động MATLAB

• Click vào icon của Simulink trên MATLAB toolbar hay đánh lệnh Simulink trong cửa sổ MATLAB

Trên màn hình sẽ xuất hiện thêm 1 của sổ mới, cửa sổ này chứa toàn bộ dữ liệu thư viện của Simulink(ở đây ta lấy ví dụ trong SimPowerSystem), nó có thể di chuyển được bằng chuột như sau:

Ta có thể thấy trong SimPowerSystem có các thư viện như connectors, elements, power electronics…khi kích đúp vào các thư viện này ta sẽ được các khối con, ví dụ khi ta vào thư viện connectors:

Ta được 1 số khối con như:Diode, Gto, Thyristor…

b Tạo môi trường làm việc:

Từ cửa sổ Library Brower(xem hình dưới)ta kích chuột vào file danh sách các mục New, Open, Preferences xuất hiện Để tạo môi trường làm việc (vùng để vẽ mô hình)

Ta chọn mục New rồi Model, một cửa sổ làm việc xuất hiện:

c Đặt tên cho mô hình bằng cách vào file và save as:

d Chọn linh kiện và hiệu chỉnh các thông số của chúng: Sau khi tạo môi

trường làm việc mới(các bước ở trên)tiếp đến chọn các linh kiện là các khối con trong

các thư viện, kéo chúng sang vùng làm việc, kích đúp và chúng ta sẽ có 1 bảng để hiệu chỉnh thông số, sau đó nối các khâu với nhau có các mũi tên, dùng chuột nối các mũi tên đó lại

e Chạy chương trình: Trên thanh công cụ chọn mục Simulation và chọn Start

hoặc nhấp vào nút hình tam giác

f Dừng chương trình: Muốn dừng quá trình đang mô phỏng ta kích vào nút

hình vuông cạnh nút tam giác(nút này chỉ xuất hiện khi mô phỏng)

g Xem kết quả mô phỏng: Để xem kết quả của quá trình ta kích đúp vào Scope và sẽ được kết quả.

Ngoài các bước chính trên ta còn có 1 số bước phụ khác như sau:

 Chọn nhiều đối tượng: Ta có thể chọn nhiều đối tượng cùng lúc

bằng cách dùng phím Shift và chuột hay vẽ một đường bao quanh các đối tượng đó bằng cách bấm chuột kéo thành hình chữ nhật và thả khi hình chữ nhật đó đã bao lấy các đối tượng cần chọn

 Copy các khối từ một cửa sổ sang một cửa sổ khác: Khi xây

dựng một mô hình ta thường phải copy các khối từ thư viện khối của Simulink sang cửa sổ mô hình Để làm việc này ta theo các bước sau:

• Mở cửa sổ thư viện khối

• Kéo khối ta muốn dùng từ cửa sổ thư viện vào cửa sổ mô hình và thả

Ta có thể copy các khối bằng cách dùng lệnh Copy & Paste trong menu Edit qua các

bước sau :

• Chọn khối ta muốn copy

• Chọn Copy từ menu Edit.

• Làm cho cửa sổ cần copy tới hoạt động

• Chọn Paste từ menu Edit.

 Deleting Blocks: Muốn xoá một hay nhiều khối ta chọn khối đó

và nhấn phím Del.

 Thay đổi hướng của khối: Ta có thể xoay hướng của khối bằng

vào menu Format rồi :

• Chọn Flip Block để quay khối 180o

• Chọn Rotate Block để quay khối 90o

 Định lại kích thước của khối: Để thay đổi kích thước của khối ta

đưa con trỏ chuột vào một góc của khối rồi bấm và kéo cho đến kích thước mong muốn rồi thả

Ta xét ví dụ đơn giản sau: Xây dựng mô hình sóng hình sin như trên cửa sổ làm việc sau:

Các bước làm: Sau khi tạo môi trường làm việc mới(như trên đã nói), ta chọn hàm sin wave trong thư viện sources:

Mô phỏng kết quả:

a Trên thanh công cụ chọn mục Simulation và chọn Start

Hoặc nhấp vào nút hình tam giác:

b Muốn dừng quá trình ta kích vào nút hình vuông cạnh nút tam giác

c Ta kích đúp vào scope để xem kết quả:

III Một số thí dụ mô phỏng dùng Simulink trong điện tử công suất:

1 Chỉnh lưu hình tia 3 pha: Các linh kiện bao gồm:

• 3 Điôt được lấy trong thư viện Power Electronics

• 4 Điện trở lấy trong khối Series RLC Branch ở thư viện Element bằng cách kích đúp vào khối Series RLC và chỉnh thông số như hình vẽ:

• 3 Nguồn điện xoay chiều lấy trong thư viện Electrical sources với các thông số lần lượt biên độ, lệch pha, tần số như hình mô phỏng

• 4 bộ Voltage measurement trong thư viện Measurement

• 1 Scope với các thông số:

• 1 bộ gộp kênh Mux trong thư viện Signal routing với các thông số:

Sau khi chọn xong các linh kiện và hiệu chỉnh các thông số của chúng, ta được mạch

mô phỏng như sau:

Cuối cùng nhấn tổ hợp phím Ctrl+T hay nút hình tam giác ta được kết quả mô phỏng sau:

2 Chỉnh lưu cầu 3 pha: Các linh kiện gồm: 6 Điot, 3 nguồn xoay

chiều, 1 điện trở, 4 Voltage measurement, 1 Mux, 1 Bus bar nối cực âm 3 nguồn xoay chiều, 1 Bus bar nối katot của 3 điot và 1 Scope Cách lấy các linh kiện trong các thư

viện và cachs hiệu chỉnh các thông số của chúng được làm như phần chỉnh lưu hình tia 3 pha.

Ta có mạch mô phỏng sau:

Và ta có kết quả mô phỏng mạch trên như sau:

KẾT LUẬN

1 Chỉnh lưu hình tia 3 pha có đặc điểm tương tự như chỉnh lưu hình tia

2 pha Để mạch hoạt động cần có biến áp để đưa điểm trung tính N ra tải Vì mạch dùng nguồn 3 pha nên công suất có thể tăng lên nhiều, dòng điện tải đến vài trăm Ampe

2 So sánh giá trị Ud trong trường hợp chỉnh lưu cầu 3 pha hình tia với chỉnh lưu hình tia 3 pha ta thấy nó có trị số gấp 2 lần Điều này có thể thấy theo sơ đồ,

sơ đồ hình cầu 3 pha giống như 2 sơ đồ hình tia mắc nối tiếp nhau, nhóm điôt lẻ chỉnh lưu lấy điện áp dương, nhóm điôt chẵn chỉnh lưu lấy nốt phần điện áp âm còn lại

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Điện tử công suất:Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh.

MATLAB và Simulink dành cho kĩ sư điều khiển tự động:Nguyễn Phùng Quang MATLAB: PGS.TS Nguyễn Tăng Cường.