Bài tập dài mô phỏng các bài thí nghiệm máy Điện bằng matlab simulink ee4205 – máy Điện trong thiết bị tự Động và Điều khiển

- Các chế độ của máy điện được lấy từ các chương của Giáo trình bao gồm: Hiện tượng ngắn mạch, khảo sát xung điện áp… Nguồn trên các diễn đàn về máy điện: hiện tượng bão hòa, biến đổi xu

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

LÊ ĐÌNH TRUNG Trung.LD212636@sis.hust.edu.vn

NGUYỄN THÀNH TÔN Ton.NT212635@sis.hust.edu.vn

Giảng viên hướng dẫn: TS Triệu Việt Linh

Mã lớp: 157981

PHẦN MỞ ĐẦU: QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN

1) Lựa chọn nội dung

- Các nội dung trong BTD là các dạng máy điện lựa chọn ngẫu nhiên trong học phần Máy Điện I và Máy Điện Trong Thiết Bị Tự Động & Điều Khiển

- Các chế độ của máy điện được lấy từ các chương của Giáo trình bao gồm: Hiện tượng ngắn mạch, khảo sát xung điện áp… Nguồn trên các diễn đàn về máy điện: hiện tượng bão hòa, biến đổi xung…

2) Tìm hiểu nội dung

- Tìm hiểu về bản chất, cấu tạo, lý thuyết của các loại máy điện từ Giáo trình, các video trên mạng mô phỏng, trên Internet như: IEEE, Sci-hub, Mathworks Help Center…

- Chỉ nêu các nội dung lý thuyết cơ bản theo Giáo trình học phần, không đi sâu vào phần tính toán, nghiên cứu

3) Tìm hiểu về Simulink

- Simulink là một môi trường lập trình đồ họa dựa trên Matlab dùng để mô hình hóa, mô phỏng và phân tích các hệ thống động học đa lĩnh vực Giao diện chính của nó là công cụ sơ đồ khối đồ họa và bộ thư viện khối có thể tùy chỉnh Simulink cung cấp sự tích hợp chặt chẽ với các phần còn lại của môi trường Matlab và có thể điều khiển Matlab hoặc được lập trình từ Matlab Simulink được sử dụng rộng rãi trong điều khiển tự động và xử lý tín hiệu số cho mô phỏng đa lĩnh vực và thiết kế dựa trên mô hình

- Simpscape là một toolbox trong Simulink giúp mô hình hóa các hệ thống như động cơ điện, máy biến áp, và hệ thống điện, bằng cách lắp ráp các thành phần

cơ bản vào một sơ đồ mạch

Các khối sử dụng trong BTD:

Powergui

Khối môi trường cho các mô hình Hệ thống Năng lượng Chuyên biệt Simscape Electrical

Hiển thị giá trị của đầu vào

Voltage Measurement Đo điện áp trong mạch

Series RLC Load Triển khai tải RLC nối tiếp tuyến tính

Triển khai cầu dao mở khi dòng điện

không đi qua

Breaker

Three-Phase Series RLC Load

Triển khai tải RLC

ba pha nối tiếp với kết nối

Ideal Switch

Triển khai thiết bị công tắc lý tưởng

Pulse Generator

Tạo xung sóng vuông tại các khoảng

thời gian đều đặn

Nhận đầu vào tại cổng tín hiệu mỗi khi nhận sự kiện kích hoạt tại cổng kích

Sample and Hold

hoạt) Sau đó, khối giữ giá trị đầu ra tại giá trị đầu vào đã thu nhận cho đến khi sự kiện kích hoạt tiếp theo xảy ra

XY Graph

Ghi lại dữ liệu nguồn cho hệ thống kết nối

Hydraulic Turbine and Gornver

Mô hình tuabin thủy lực

ra của nó trong chế độ phát điện

Three-Phase PI Section Line

Triển khai đoạn đường dây truyền tải

ba pha với các tham số tập trung

Three-Phase Fault

Triển khai hệ thống ngắt mạch lỗi có thể lập trình giữa các pha và giữa pha

với đất

Triển khai máy biến áp bão hòa hai

cuộn hoặc ba cuộn

Linear Transformer

Triển khai biến áp tuyến tính hai cuộn

hoặc ba cuộn

Asynchronous Machine SI Units

Mô hình động học của máy điện không

đồng bộ ba pha

Mechanical Rotational Reference

Kết nối tham chiếu cho các cổng quay

cơ học

- Simscape Multibody

Yêu cầu về cấu hình máy tính sử dụng Matlab:

- Hệ điều hành: Windows 11/ 10 1909 trở lên/ Windows Server 2019

- Bộ nhớ (RAM): Yêu cầu tối thiểu 4 GB RAM, khuyến nghị 8GB

- CPU: Intel or AMD x86-64 processor

Cấu hình máy tính đang sử dụng:

- Hệ điều hành: Windows 10

- Bộ nhớ (RAM): 8GB

- CPU: Intel(R) Core(TM) i5-10300H CPU @ 2.50GHz 2.50 GHz

vệ rơ-le đều phụ thuộc vào tín hiệu dòng điện được truyền qua CT Tuy nhiên, CT

dễ bị bão hòa thoáng qua do ảnh hưởng của thành phần không chu kỳ trong dòng điện sự cố

CT với kích thước lõi xác định chỉ có thể hỗ trợ một mức mật độ từ thông tối đa nhất định trong lõi Khi mật độ từ thông (từ thông trong lõi được tạo ra bởi dòng điện sơ cấp của CT) vẫn nằm dưới mức mật độ từ thông tối đa cho phép, sự thay đổi

từ thông sẽ tạo ra dòng điện tỷ lệ trong mạch thứ cấp

Khi dòng điện sơ cấp lớn đến mức lõi không thể chịu thêm từ thông, CT được coi là bị bão hòa Trong trạng thái bão hòa, không có sự thay đổi từ thông khi dòng điện sơ cấp thay đổi (vì lõi đã đạt mức từ thông tối đa) Do không có sự thay đổi từ thông, sẽ không có dòng điện thứ cấp chảy Nói cách khác, trong trạng thái bão hòa, toàn bộ dòng điện tỷ lệ được sử dụng như dòng từ hóa và không có dòng điện nào chảy qua tải được kết nối với CT

Có hai loại bão hòa chính của CT: bão hòa trạng thái ổn định và bão hòa thoáng qua Bão hòa trạng thái ổn định chủ yếu do biên độ lớn của dòng ngắn mạch trạng thái ổn định, trong khi bão hòa thoáng qua chủ yếu do thành phần không chu kỳ trong dòng ngắn mạch gây ra

Trong điều kiện sự cố, dòng sự cố thoáng qua có thể chứa thành phần không chu kỳ lớn Do đặc tính phi tuyến của lõi sắt, CT dễ làm việc trong vùng phi tuyến của đặc tính từ hóa và đi vào trạng thái bão hòa, dẫn đến dòng thứ cấp bị méo và sai lệch đáng kể

Đường cong từ trể được mô tả trong hình dưới:

Trong Hình (a), đường cong 3 là vòng từ trễ khi dòng kích từ thay đổi theo đường cong 2 Khi dòng kích từ chỉ chứa thành phần chu kỳ, đường cong 2 thay đổi đối xứng, và đường cong từ hóa cơ bản 1 có thể được sử dụng thay thế xấp xỉ cho đường cong 3 Trong Hình (b), đường cong 2' bị lệch về một phía của trục thời gian

do thành phần không chu kỳ lớn trong dòng kích từ, và từ thông thay đổi theo vòng

từ trễ cục bộ của đường cong 3'

Dựa trên phân tích kiến thức về máy điện và mạch tương đương của CT, độ dốc của đường cong 1 tương ứng với iμ gần như tỷ lệ với độ tự cảm tương đương của mạch kích từ Khi dòng kích từ là đường cong 2, đường cong kích từ tương ứng dốc hơn, dòng kích từ nhỏ, và lõi không bị bão hòa Khi dòng kích từ là đường cong 2', đường cong từ hóa trở nên phẳng hơn, dòng kích từ tăng lên, và lõi ở trạng thái bão hòa Do đó, thành phần không chu kỳ làm giảm độ tự cảm tương đương của CT và tăng dòng kích từ

Sự thay đổi của từ thông theo thời gian khi bão hòa thoáng qua xảy ra ở CT được thể hiện trong hình dưới Trong đó, ΦAC là từ thông xoay chiều cần thiết để biến đổi thành phần tần số; ΦDC là từ thông một chiều cần thiết để biến đổi thành phần không chu kỳ

Như được minh họa trong hình dưới, sự thay đổi từ thông trong lõi của CT liên quan chặt chẽ đến sự thay đổi của dòng điện Có thể được chia thành ba vùng dựa trên sự thay đổi của dòng điện và từ thông:

- Vùng I: Ở giai đoạn ban đầu của sự cố, tích phân của thành phần xoay chiều (AC) với từ thông tự triệt tiêu lẫn nhau giữa các nửa chu kỳ dương và âm Tuy nhiên, tác động tích phân liên tục của thành phần không chu kỳ (aperiodic) làm cho từ thông trong lõi CT tăng theo một hướng duy nhất Trong giai đoạn này,

từ thông trong lõi CT chưa đạt đến mức bão hòa, CT chưa bị bão hòa, trở kháng kích từ lớn và dòng kích từ nhỏ Khi đó, có thể coi rằng CT truyền tải dòng điện

sơ cấp theo cách tuyến tính

- Vùng II: Khi từ thông do thành phần không chu kỳ tiếp tục tăng, tổng từ thông đạt đến mức bão hòa và CT bước vào giai đoạn bão hòa Tuy nhiên, thành phần xoay chiều (AC) của dòng điện tạo ra từ thông xoay chiều âm trong nửa chu kỳ

âm Do đó, tổng từ thông tạm thời nhỏ hơn mức bão hòa Trong vùng II, nửa chu kỳ âm của dòng sự cố vẫn được truyền tải theo cách gần như tuyến tính

- Vùng III: Khi dòng điện thành phần không chu kỳ suy giảm, tổng từ thông trong lõi giảm xuống dưới mức bão hòa Lúc này, CT khôi phục lại trạng thái không bão hòa và có thể tiếp tục truyền tải dòng điện một cách chính xác

b) Mô phỏng thí nghiệm

CT có định mức 2000A/5A, 5VA (Saturable Transformer-> Configuration-> Measurements: Flux and magnetization current, Parameters-> (Nominal power and frequency: [25 50], Winding 1 parameters: [5*5/2000 0.001 0.04], Winding 2 parameters: [5 0.001 0.04 ], Winding 3 parameters: [5 0.001 0.04 ], Saturation characteristic: [0 0 ; 0.01 10 ; 1 10.5], Core loss resistance and initial flux: [100])) Nguồn một pha 120000/√3 (AC Voltage Source-> Peak amplitude: 120e3/sqrt(3)*sqrt(2), Frequency: 50)

Cuộn sơ cấp, bao gồm một vòng dây duy nhất đi qua lõi hình xuyến của CT, được kết nối nối tiếp với cuộn cảm có các thông số định mức 69,3 Mvar, 69,3 kV

(Series RLC Branch-> Branch type: RL, Resistance: 69.3e3/1e3/100, Inductance: 69.3e3/1e3/(2*pi*50))

Cuộn thứ cấp, gồm 12000/5 = 400 vòng, được nối tắt qua một điện trở tải 1 Ohm

(Series RLC Branch 2-> Branch type: R, Resistance: 1) Một cảm biến điện áp kết

nối tại cuộn thứ cấp đo được một điện áp, mà lý thuyết cho rằng sẽ tỉ lệ thuận với dòng điện sơ cấp Ở trạng thái ổn định, dòng điện chạy trong cuộn thứ cấp là 10005/2000 = 2,5 A tương đương 2,5 Vrms hoặc 3,54 Vpeak, được đọc bởi khối đo điện áp V2

Dòng điện sơ cấp được phản chiếu trên cuộn thứ cấp và điện áp phát triển qua điện trở 1 ohm được gửi đến dấu vết 1 của khối Oscilloscope (Scope) Từ thông của

CT, được đo bởi khối Đồng hồ đo (Multimeter), được chuyển đổi sang giá trị pu và

gửi đến dấu vết 2 1 pu từ thông = 0.0125 V *sqrt(2)/ (2*pi*50) = 5.63e-5 V.s (Gain

1 = 5/2000, Gain 2 = 1/( 0.0125*sqrt(2)/(2*pi*50)))

Cầu dao phía sơ cấp ban đầu ở trạng thái mở (Breaker-> Initial status: 0, Switching times: [ 1.25/50] (Internal), Breaker resistance Ron: 0.01), phía thứ cấp ban đầu ở trạng thái đóng (Switch-> Initial status: 1, Switching times: 99 (Internal), Breaker resistance Ron: 0.001)

Mô phỏng:

- Hoạt động bình thường: bộ ngắt (Breaker->Switching times) được đóng tại đỉnh

điện áp nguồn (t=1.25/50) Việc đóng mạch này không tạo ra bất kỳ bất đối xứng

dòng điện nào Khởi chạy mô phỏng và quan sát dòng điện sơ cấp của CT và điện áp thứ cấp (đồ thị thứ nhất của khối Oscilloscope) Như dự đoán, dòng điện

và điện áp của CT có dạng sóng hình sin, và sai số đo lường do điện trở và phản kháng rò rỉ của CT không đáng kể Từ thông chứa một thành phần DC nhưng vẫn thấp hơn giá trị bão hòa 10 pu

- Bão hòa CT do bất đối xứng dòng điện: bây giờ, thay đổi thời điểm đóng bộ ngắt

(Breaker->Switching times) để đóng tại thời điểm điện áp bằng 0 Nhập t = 1/50

Khoảnh khắc đóng mạch này sẽ tạo ra bất đối xứng dòng điện toàn phần trong cuộn cảm Khởi chạy lại mô phỏng Quan sát rằng trong 3 chu kỳ đầu, từ thông vẫn thấp hơn điểm gãy bão hòa (10 pu) Điện áp đầu ra thứ cấp của CT (V2) vẫn theo sát dòng điện sơ cấp Tuy nhiên, sau 3 chu kỳ, sự bất đối xứng từ thông do dòng điện sơ cấp gây ra làm CT bão hòa, dẫn đến méo lớn trong điện áp thứ cấp của CT

- Quá điện áp do mở mạch thứ cấp của CT: cài đặt lại thời gian đóng bộ ngắt sơ

cấp (Breaker->Switching times) là t=1.25/50 (không có bất đối xứng từ thông)

và thay đổi thời gian mở mạch thứ cấp (Switch->Switching times) thành t=0.1 Khởi chạy lại mô phỏng và quan sát hiện tượng quá điện áp lớn được tạo ra khi mạch thứ cấp của CT bị mở Từ thông có dạng sóng vuông bị cắt tại +10 và -

10 pu Biến thiên từ thông lớn (dϕ/dt) tại điểm đảo từ thông tạo ra các xung điện

áp cao (lên đến 250V)

2) Máy biến áp ba dây quấn (Three-windings transformer): Đóng cắt cuộn tam cấp

a) Cơ sở lý thuyết

Máy biến áp có thể được thiết kế với một cuộn dây thứ ba bên cạnh cuộn dây

sơ cấp và cuộn dây thứ cấp Cuộn dây thứ ba này được gọi là cuộn dây tam cấp (tertiary winding) Cuộn dây sơ cấp có điện áp định mức cao nhất, cuộn dây tam cấp

có điện áp định mức thấp nhất, và cuộn dây thứ cấp có điện áp định mức nằm giữa hai cuộn còn lại Ngoài ra, công suất định mức (kVA) của ba cuộn dây trong máy biến áp ba cuộn dây thường không bằng nhau

Cuộn dây tam cấp luôn được nối theo kiểu tam giác (Δ) Ưu điểm chính của việc nối tam giác cho cuộn dây tam cấp là giúp triệt tiêu các thành phần sóng điều hòa

có thể sinh ra ở cuộn dây sơ cấp và thứ cấp được nối sao (Y)

Trong trường hợp dòng tải ở cuộn dây thứ cấp không cân bằng, dẫn đến dòng

sơ cấp cũng không cân bằng, dòng tuần hoàn tăng lên sẽ bị giảm nhờ cuộn dây tam cấp Điều này giúp khôi phục lại biên độ và góc pha của điện áp sơ cấp và thứ cấp

về trạng thái bình thường Do đó, cuộn dây tam cấp cũng giúp giảm sự mất cân bằng giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp, đồng thời phân phối đều sự mất cân bằng tải thứ cấp giữa các pha của cuộn dây sơ cấp

Máy biến áp ba dây quấn có công suất định mức 75kVA, điện áp định mức

14400/120/120V (Linear Transformer-> Nominal power and frequency: [75e3,50], Winding 1 parameters: [14.4e3 0.01,0.03], Winding 2 parameters: [120,0.02,0], Winding 3 parameters: [120,0.02,0], Magnetization resistance and inductance: [50,50]) Khối đo công suất tần số 50Hz (Power-> Fundamental frequency: 50, Voltage initial input: [0, 0], Current initial input: [0, 0])

Ban đầu, cầu dao nối tiếp với Tải 2 được đóng, đảm bảo hệ thống cân bằng

(Breaker-> Initial status: 1, Switching times: [ 0.05 ], Breaker resistance Ron: 5)

1e-Mô phỏng:

- Mở khối powergui để xác định các pha điện áp và dòng điện ban đầu trong trạng thái ổn định Do tải cân bằng, dòng trung tính gần như bằng không

- Ngoài ra, vì công suất phản kháng cảm của Tải 1 và Tải 2 (20 kvar) được bù bởi công suất phản kháng dung của Tải 3 (20 kvar), dòng sơ cấp gần như đồng pha với điện áp Độ lệch pha nhỏ là do công suất phản kháng liên quan đến tổn hao phản kháng của máy biến áp

- Mở hai màn hình hiển thị (scope) và bắt đầu mô phỏng Khi cầu dao đóng, dòng điện bắt đầu chạy trong dây trung tính do mất cân bằng tải Khi cầu dao ngắt, công suất tác dụng giảm từ 70 kW xuống 50 kW

 Nhận thấy các kết quả giống với lý thuyết

PHẦN II – MÁY ĐIỆN QUAY

1) Động cơ điện không đồng bộ (Induction Motor): Mô-men và hệ số trượt

a) Cơ sở lý thuyết

Máy điện không đồng bộ khi rotor quay, trị số tần số suất điện động và dòng điện của rotor thay đổi, điều đó ảnh hưởng rất lớn đến sự làm việc của máy điện, nhưng nó không làm thay đổi những quy luật và quan hệ về điện từ khi rotor đứng yên

Từ trường khe hở sinh ra 𝐹1quay với tốc độ đông bộ 𝑛1 Nếu rotor quay với tốc

độ n theo chiều quay của từ trường quay thì tốc độ tương đối giữa từ trường quay với dây quấn rotor là 𝑛2 = 𝑛1− 𝑛 và hệ số trượt của máy điện là:

𝑠 = 𝑛1− 𝑛

𝑛1Máy điện không đồng bộ có thể làm việc ở ba chế độ: động cơ (0 < s < 1), máy phát (−∞ < s < 0) và trạng thái hãm (1 < s < +∞)

Muốn tìm mômen cực đại ta lấy đạo hàm dM/ds = 0 và được hệ số trượt 𝑠𝑚 ứng với mômen cực đại 𝑀𝑚𝑎𝑥:

Ta rút ra những nhận xét về mômen cực đại:

- Với tần số và tham số cho trước, 𝑀𝑚𝑎𝑥 tỷ lệ với 𝑈12

- 𝑀𝑚𝑎𝑥 không phụ thuộc vào điện trở rotor

- Điện trở rotor 𝑟2′ càng lớn thì 𝑠𝑚 càng lớn

- Với tần số cho trước, 𝑀𝑚𝑎𝑥 tỷ lệ nghịch với điện kháng 𝑥1+ 𝐶1𝑥2′

Dòng điện mở máy và mômen mở máy có thể tìm ra được khi đem s = 1 thế vào công thức (*) Ta có mômen mở máy hay mômen khởi động bảng:

2𝑟2′2𝜋𝑓1[(𝑟1+ 𝐶1𝑟2′)2+ (𝑥1 + 𝐶1𝑥2′)2]

Ta có nhận xét về mômen mở máy như sau:

- Với tần số và tham số cho trước, 𝑀𝑘 tỷ lệ với 𝑈12

- Muốn cho khi mở máy 𝑀𝑘 = 𝑀𝑚𝑎𝑥 thì phải tăng điện trở 𝑟2′ lên

Các đường biểu diễn 1, 2, 3, 4 trong hình dưới chỉ đặc tính M = f(s) khi điện trở rotor tăng dần

b) Mô phỏng thí nghiệm

Máy điện không đồng bộ được cấp nguồn ba pha 380V, làm việc ở chế độ động

cơ rotor lồng sóc đôi (Asynchronous machine-> Rotor type: Double squirrel-cage),

tần số và tốc độ quay của từ trường lần lượt là 50Hz và 1480 rpm, công suất định

mức, điện áp định mức lần lượt là 4000 VA, 400 V(Asynchronous machine-> Configuration-> Squirrel-cage preset model: 18: 50 HP (37KW) 400 V 50Hz 1480 RPM), khảo sát đầu vào tốc độ quay của rotor (Asynchronous machine-> Mechanical input: speed w, Reference frame: Stationary)