Chương 4 XÂY DỰNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG THIẾT BỊ CHỈNH LƯU

Bởi lẽ, trước khi bắt tay vào công việc lắp mạch cụ thể, ngườithiết kế có thể quan sát và có những nhận định tương đối chính xác về hệthống của mình thông qua mô hình đã thiết kế trên ph

Chương 4 XÂY DỰNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG THIẾT BỊ CHỈNH LƯU

4.1 Mục đích mô phỏng:

Mô phỏng là công cụ quan trọng cho phép khảo sát các đối tượng, hệthống hay quá trình kỹ thuật, mà không nhất thiết phải có đối tương hay hệthống thực Điều này có ý nghĩa đặc biệt đối với bất kỳ một kỹ sư thiết kếđiện nào Bởi lẽ, trước khi bắt tay vào công việc lắp mạch cụ thể, ngườithiết kế có thể quan sát và có những nhận định tương đối chính xác về hệthống của mình thông qua mô hình đã thiết kế trên phần mềm, từ đó đưa racác phương án điều chỉnh, thay đổi tham số mô hình cho phù hợp với yêucầu đặt ra

Sử dụng phần mềm mô phỏng càng có ích lợi lớn khi phải thiết kế các hệthống, thiết bị phức tạp, có giá trị kinh tế lớn vì từ phần mềm mô phỏng ta

có thể chọn ra được các phần tử, linh kiện, thiết bị với các thông số xácđịnh phù hợp với hệ thống, thiết bị thực cần thiết kế mà không phải tốnnhiều thời gian chỉnh định, thay thế linh kiện cho hệ thống trong quá trìnhthiết kế, đồng thời giảm đáng kể chi phí cho việc thiết kế hệ thống thiết bịphức tạp

4.2 Mô phỏng thiết bị chỉnh lưu bằng chương trình viết từ m file

4.2.1 Giao diện sử dụng:

Từ Layout Editor (cử sổ GUI - Graphical User Interface), trong hộpthoại công cụ, ta tạo ra các công cụ sau:

 text: dùng để đặt tên, chú thích cho các cho các công cụ khác nhằm

tạo thuận lợi cho người sử dụng phần mềm

 popupmenu: menu sổ xuống, ở đây trình bày các loại thiết bị chỉnh

lưu Người dùng sẽ chọn một trong các thiết bị tại đây

 radiobutton: click chuột vào đây để chọn thuộc tính mà người sử dụng

quan tâm

 edit: công cụ dùng để truy xuất dữ liệu

 frame: khung dùng để nhóm các công cụ mô tả cùng đối tượng.

 pushbutton: các nút ấn

Sau khi bố trí các công cụ trên Layout Editor và thay đổi thuộc tính cuảchúng, ta được giao diện như hình 4.1 Từ giao diện, người dùng có thểthay đổi tùy ý thiết bị chỉnh lưu và thông số của thiết bị mà mình mongmuốn để mô phỏng

Chú thích giao diện:

1 Chọn loại thiết bị chỉnh lưu

2 Chọn thiết bị chỉnh lưu có diode V0 hay không có diode V0

3 Nhập giá trị hiệu dụng điện áp lưới

4 Nhập giá trị tần số điện áp lưới

5 Nhập giá trị điện cảm nguồn điện

6 Nhập giá trị điện trở nguồn điện

46

7 Nhập giá trị suất điện động tải

8 Nhập giá trị điện cảm tải

9 Nhập giá trị điện trở tải

14 Thoát khỏi phần mềm mô phỏng

15 Hiển thị giá trị dòng điện chỉnh lưu trung bình

16 Hiển thị giá trị điện áp chỉnh lưu trung bình

17 Hiển thị giá trị điện áp ngược cực đại đặt lên van

4.2.2 Lưu đồ thuật toán mô phỏng thiết bị chỉnh lưu

Thuật toán mô phỏng thiết bị chỉnh lưu hoàn toàn dựa vào lý thuyết đãtrình bày ở chương 2 và chương 3 Mục này sẽ trình bày lại các kết quả đạtđược để từ đó xây dựng lưu đồ thuật toán cho chương trình mô phỏng.Chú ý: các hệ số, các đại lượng dùng trong các biểu thức dưới đây đềuđược định nghĩa ở chương 2 và chương 3

1/ Trường hợp L k =0

a/ Thiết bị chỉnh lưu không có diode V0

Điện áp cấp cho tải lúc mở van:

+ Thiết bị chỉnh lưu cầu ba pha: u d  3 Umsin   θ (V)

+ Các thiết bị chỉnh lưu còn lại: ud  Umsin θ (V)

Dòng điện chỉnh lưu:

1 7 9 8 16

17 15

14 12

13 11

Từ biểu thức điện áp, sử dụng định luật Kietchoff 2 tìm được biểu thứcdòng điện.

ωτ θ θ z

m z d

m

d

z z

e 1 R

E e

θ sin Z

U θ i - θ sin

Dựa vào điều kiện liên tục

1 e

θ sin θ

sin Z

U

θ

1 ωτ θ θ ωτ

θ θ

z k

m

z

d

z k z

1 e

θ sin θ

sin Z

U

θ

1 ωτ θ θ ωτ

θ θ

z k

m

z

d

z k z

θ sin Z

U θ

sin

Z

z m k

m

z k z

b/ Thiết bị chỉnh lưu có diode V0

+ Khi nhịp V0 chưa hoạt động: tương tự như trường hợp a, ta tìm được biểu thức ud và id

u

u τ

ω 0 p θ d

R

E e

piV0

i

i

iV iV

ωτ θ 0 p z

m z d

m d

z z

e 1 R

E e

θ sin Z

U θ i - piV0 sin Z

U piV0

i

iV iV

1 2

c b b

 Nếu id(z) > 0

Đặt θk2  θz 2πp

48

o k2 > piV0: diode V0 có hoạt động, k = k2 và  

1 1 4

1 2 θ

c b b

o k2 ≤ piV0: diode V0 không hoạt động Ta trở lại phân tích trường hợpthiết bị chỉnh lưu không có diode V0

 Nếu id(z) ≤ 0

E

cR ln τ ω

o k1 > piV0: diode V0 có hoạt động, k = k1 và id θz  0

o k1 ≤ piV0: diode V0 không hoạt động Ta trở lại phân tích trường hợpthiết bị chỉnh lưu không có diode V0

2/ Trường hợp L k ≠ 0

Giả thiết:

Trong thiết bị chỉnh lưu không có diode V0

Rk = 0

Trong khoảng thời gian trùng dẫn id = constant

Ta cũng sử dụng điều kiện liên tục để tìm id(z) như trường hợp 1a

 Nếu id(z) ≤ 0: không xảy ra trùng dẫn, ta trở lại phân tích thiết bị chỉnh lưu như trường hợp 1a

 Nếu id(z) > 0: xảy ra trùng dẫn.Ta cần xác định góc trùng dẫn  và tìm lại id(z)

 Khi z ≤  ≤ z + :

+ Dòng điện qua van khi van vừa mới mở: iV1()

+ Dòng điện qua tải: idtd()

 Khi z + <  ≤ k

+ Dòng điện qua tải: id()

Các biểu thức iV1(),idtd(),id() đã được trình bày cụ thể ở chương 3, mục 3.5

Điều kiện biên: iV1(z +) = idtd(z +)

Điều kiện liên tục: id(z) = id(k)

Dựa vào điều kiện biên và điều kiện liên tục ta tìm được  và id(z)

Từ những phân tích trên ta xây dựng được lưu đồ thuật toán cho chươngtrình mô phỏng Ta sẽ xây dựng lưu đồ thuật toán cho ba trường hợp tiêubiểu: p = 1, Lk = 0, Lk ≠ 0 Trong lưu đồ thuật toán có sử dụng biến V0 đểkiểm tra xem trong thiết bị chỉnh lưu có mắc thêm diode V0 hay không.(V0 = 1: có diode V0, V0 = 0: không có diode V0)

Lưu đồ thuật toán cho trường hợp p = 1

Dòng điện chỉnh lưu liên tục, diode V0 hoạt động

Đúng

Đúng

Đúng Đúng

Sai

Sai

Sai Sai

Tìm biểu thức: id, ud, uvTính : Id, Ud, Uvngmax

Xuất kết quả:

Dạng sóng: id, ud, uvGiá trị: I

Lưu đồ thuật toán cho trường hợp Lk = 0, p > 1

Xuất kết quả:

Dạng sóng: id, ud, uvGiá trị: Id, Ud, Uvngmax

Tìm biểu thức: id, ud, uvTính : Id, Ud, Uvngmax

Dòng điện

chỉnh lưu

gián đoạn

Dòng điện chỉnh lưu liên tục

Dòng điện chỉnh lưu gián đoạn, diode V0 hoạt động

Dòng điện chỉnh lưu liên tục, diode V0 hoạt động

k > piV0



k > piV0

Dòng điện chỉnh lưu gián đoạn

Dòng điện chỉnh lưu liên tục, có trùng dẫn

Tìm biểu thức: id, ud, uvTính : Id, Ud, Uvngmax

Xuất kết quả:

Dạng sóng: id, ud, uvGiá trị: I

Đúng

4.3 Mô phỏng thiết bị chỉnh lưu bằng Simulink:

4.3.1 Thư viện Simulink

Thư viện Sources

Khối Constant tạo nên một hằng số thực hoặc phức Hằng số đó cóthể là scalar, vector hay ma trận, tùy theo cách ta khai báo tham sốConstant Value và ô Interpret vector parameters as 1-D có đượcchọn hay không Nếu ô đó được chọn ta có thể khai báo tham sốConstant Value là vector hàng hay cột với kích cỡ [1 x n] hay [n x 1] dướidạng ma trận Nếu ô đó không được chọn, các vector hàng hay cột đó chỉđược sử dụng như vector với chiều dài n, tức là tín hiệu 1-D

Khối Sine Wave được sử dụng để tạo tín hiệu hình sin cho cả hailoại mô hình: liên tục (tham số Sample time = 0) và gián đoạn(tham số Sample time = 1) Tín hiệu đầu ra y phụ thuộc vào batham số chọn: Amplitude, Frequency và Phase trên cơ sở quan hệ

y = Amplitude.sin(Frequency.time+Phase) Vì thứ nguyên (đơn vị) củaPhase là [rad], ta có thể khai báo trực tiếp giá trị của Phase là một hệ số nào

đó nhân với  Giống như khối Constant, ta có thể sử dụng tham số tùychọn Interpret vector parameters as 1-D để quyết định các tín hiệu có giá trịscalar hay vector hay ma trận

Thư viện Sinks

Khối Scope hiển thị các tín hiệu của quá trình mô phỏng Khi clickđôi hoặc nhấp phải chuột sau đó nhấp vào Open blocks thì hộp thoạiScope Properties xuất hiện Tại trang chọn General ta có thể đặtchế độ cho các trục Khi đặt Number of axes > 1, cửa sổ Scope sẽ có nhiều

đồ thị con Nếu điền một số cụ thể vào ô Time range, đồ thị sẽ chỉ đượcbiểu diễn tới thời điểm do giá trị của số xác định

Tại ô Sampling, nếu chọn chế độ Decimation là ta đã chọn một “hệ số loạibỏ” Ví dụ, giả sử ghi 100 có nghĩa là: cứ đọc vào 100 giá trị Scope mớihiển thị 1 giá trị (99 giá trị bị loại bỏ)

Ô floating scope giúp chọn chế độ hiển thị một hay đồng thời nhiều tín hiệucủa mô hình SIMULINK, nếu nhiều thì các đường tín hiệu không cần nốivới khối Scope nữa: Khi chọn ô floating scope, đường tín hiệu tới Scope sẽ

tự động ẩn đi

Trong khi mô phỏng, những tín hiệu được đánh dấu sẽ được hiển thị Việcđánh dấu thực hiện bằng cách nhấn giữ phím Shitf của PC, đồng thời nháychuột vào đường tín hiệu muốn đánh dấu, hoặc thông qua Signal Selector(nháy chuột phải vào cửa sổ Scope khi mô hình mô phỏng đang chạy) Khichọn float scope cần bảo đảm rằng: Tham số Signal storage reuse thuộctrang Advanced của hộp thoại Simulation Parameters được đặt về off Nếunháy chuột phải vào trục của cửa sổ Scope và chọn Axes properties ta sẽ có

thêm một số khả năng đặt chế độ cho trục.

Khi nháy chuột vào nút Properties của cửa sổ Scope, sau đó tới trang chọnData history, tại đó ta có thêm một số khả năng tác động tới khối lượng sốliệu được hiển thị và được cất Để có thể hiển thị toàn bộ số liệu của quátrình mô phỏng, hoặc ta không chọn ô Limit data points to last, hoặc ta khaibáo một số lượng điểm thực tế lấy vào Save data to workspace với tên khaibáo tại Variable name và Format (Array khi Number of axes = 1, Structure

và Structure with time khi Number of axes  1)

Khối Terminator dùng để kết thúc các khối và các đầu ra của cáckhối này không được nối đến các khối khác Khi ta mô phỏng cáckhối mà có các đầu ra không được kết nối thì Simulink sẽ xuất racảnh báo và nếu ta nối các Terminator này vào các đầu ra đó thì quá trình

mô phỏng mô hình diễn ra bình thường mà không có một dòng cảnh báonào

Thư viện Math Operations

Khối Gain có tác dụng khuyếch đại tín hiệu đầu vào (định dạng 1-Dhay 2-D) bằng biểu thức khai báo tại ô Gain Biểu thức đó có thểchỉ là một số hay một biến Nếu chỉ là biến, biến đó phải tồn tạitrong môi trường Matlab Workspace, chỉ khi đó SIMULINK mới có thểtính toán được với biến Nhờ thay đổi giá trị của tham số Multiplication ta

có thể xác định: Phép nhân của biến vào với Gain được thực hiện theophương thức nhân ma trận hay nhân từng phần tử

Khối Relation Operator thực hiện kết hai tín hiệu đầu vào theotoán tử so sánh đã chọn tại ô Operator Biến ra sẽ nhận các giá trị

1 (TRURE , đúng) hay 0 (FALSE, sai) Nếu tham số Booleanlogic signals (trang Advanced của hộp thoại SimulationParameters) được chọn là off, tín hiệu ra sẽ không phải là boonlean và làdouble

Thư viện Ports&Subsytems

Khối Subsystem được sử dụng để tạo hệ thống con trongkhuôn khổ của một mô hình SIMULINK Việc ghép với

mô hình thuộc các tầng cấp trên được thực hiện nhờ khốiInport (cho tín hiệu vào) và Outport (cho tín hiệu ra) Sốlượng đầu vào/ra của khối Subsystem phụ thuộc số lượng khối Inport vàOutport Đầu vào/ra của khối Subsystem sẽ được đặt theo tên mặc định củacủa các khối Inport và Outport Nếu chọn Format/Hide Port Labels trênmenue của cửa sổ khối Subsystem, ta có thể ngăn chặn được cách đặt tên

kể trên và chủ động đặt cho Inport và Outport các tên phù hợp hơn với ýnghĩa vật lý của chúng

54

Inport và Outport là các khối đầu vào, đầu ra của một mô hình môphỏng Tại hộp thoại Block Parameters ta có thể điền vào ô Partnumber số thứ tự của khối SIMULINK tự động đánh số các khốiInport và Outport một cách độc lập với nhau, bắt đầu từ 1 Khi ta

bổ sung thêm khối Inport hay Outport, khối mới sẽ nhận số thứ tự kế tiếp.Khi xóa một khối nào đó, các khối còn lại sẽ được tự độnng đánh số mới.Trong hợp thoại Block Parameters của Inport, ta còn có ô Port with dùng

để khai báo bề rộng của tín hiệu vào Khi ghép một tín hiệu có bề rộng lớnhoặc bé hơn bề rộng đã khai báo với Inport, ngay lập tức SIMULINK báolỗi

Cần lưu tâm đến một vài tham số quan trọng khác của khối Outport Ví dụ,Output when disabled cho hệ thống biết cần xử lý tín hiệu ra như thế nàokhi hệ thống mô phỏng đang ngừng không chạy (xóa về không hay giữnguyên giá trị cuối cùng) Initial Output cho biết giá trị cần phải lập chođầu ra

Thông qua các khối Inport và Outport thuộc tầng trên cùng (chứ khôngphải thuộc các hệ thống con), ta chó thể cất vào hay lấy số liệu ra khỏi môitrường Workspace Để làm điều đó ta phải kích hoạt các ô Input và Output

ở trang Workspace I/O của hộp thoại Simulation Parameters và khai báo (ở

ô điền chữ bên cạnh) tên của các biến cần lấy số liệu vào, hay tên của cácbiến mà ta sẽ gửi số liệu tới

Thư viện Signal Routing

Khối Mux có tác dụng giống như bộ chập kênh (multiplexer), có tácdụng chập các tín hiệu 1-D riêng rẽ (tức là: các tín hiệu scalar hayvector) thành một vector tín hiệu mới Nếu như một trong số các tínhiệu riêng rẽ là 2-D (ma trận tín hiệu), khi ấy ta chỉ có thể tập hợp cáctín hiệu riêng rẽ thành Bus tín hiệu Tại ô tham số Number of inputs ta

có thể khai báo tên, kích cỡ và số lượng tín hiệu vào

Khối Demux có tác dụng ngược với khối Mux: Tách các tín hiệu đượcchập từ nhiều tín hiệu riêng rẽ trở lại thành các tín hiệu riêng rẽ mới KhốiDemux làm việc hoặc theo chế độ vector (Bus selection mode =off) hoặctheo chế độ chọn Bus (Bus selection mode = on) Ở chế độ vector, Demuxchỉ chấp nhận tín hiệu 1-D ở đầu vào và sẽ tách tín hiệu 1-D đó thành cáctín hiệu riêng rẽ như đã khai báo tại Number of outputs Tham số Number

of outputs có thể được khai báo dươi dạng một số nguyên > 1 hay dướidạng một vector hàng Khi khai báo là vector hàng, việc tách các phần tử

đó thành các tín hiệu ra hoàn toàn phụ thuộc vào bề rộng tín hiệu vào, sốlượng và bề rộng của tín hiệu ra mà ta khai báo Khi chọn chế độ busselection, Demux chỉ chấp nhận Bus tín hiệu ở đầu vào của khối

Khối Selector cho ta khả năng tách ra khỏi Bus tín hiệu 1-D(vetor) hay 2-D (ma trận) các phần tử riêng lẻ để rồi sau đó gomchúng lại thành một tín hiệu 1-D hay 2-D mới.

Thư viện Signal Attributes

Khối Data Type Conversion biến đổi một tín hiệu đầu vàothành một kiểu dữ liệu xác định dựa vào việc khai báo cácthông số trong Data Type Tín hiệu vào có thể thực hayphức Nếu tín hiệu vào là thực thì tín hiệu ra là thực, và nếu tín hiệu vào làphức thì tín hiệu ra là phức

Thư viện Electrical Sources

Khối AC Voltage Source cung cấp một nguồn điện áp xoaychiều lý tưởng theo quan hệ u  Umsin2π f.t  

Trong đó:

u [V]: điện áp tức thời

Um[V]: điện áp cực đại

f[Hz]: tần số

[độ]: pha ban đầu

Khối DC Voltage Source cung cấp một nguồn điện áp mộtchiều lý tưởng Cực được ký hiệu bởi dấu ‘+’ ở một đầu.Giá trị điện áp có thể thay đổi tại một thời điểm bất kỳ trongkhi mô phỏng

Thư viện Elements

Khối Series RLC Branch cung cấp nhánh R, L, C mắc nốitiếp Tùy theo cách khai báo các giá trị 0, 0, inf (vô cùng)cho R, L và C tương ứng trong block parameter của SeriesRLC Branch mà trong nhánh RLC có tồn tại R hay L hay C

Thư viện Power Electronic

Khối Thyristor cung cấp mô hình của thyristor thực tế.Thyristor là một linh kiện bán dẫn có thể được mở theo tín hiệuđiều khiển Mô hình thyristor được mô tả giống như một mạchnối tiếp gồm: khóa, điện trở Ron, điện cảm Lon và một nguồn ápmột chiều Vf Khóa được điều khiển bởi một tín logic và phụ thuộc vàođiện áp UAK, dòng điện IAK và tín hiệu cổng g

56

Khối Diode cung cấp mô hình của diode thực tế Khi phân cựcthuận (Vak > 0), diode bắt đầu dẫn dòng và điện áp rơi trêndiode bé Diode sẽ khóa khi dòng qua nó giảm xuống không.Khi phân cực ngược (Vak < 0), diode ở trạng thái khóa.

Khối Universal Bridge cung cấp bộ biến đổi cầu ba pha, nóbao gồm 6 khóa mắc theo sơ đồ cầu, 6 khóa phải cùng loại và

có thể là: thyristor, diode, IGBT-diode, MOSFET-diode,GTO-diode, khóa lý tưởng, tùy thuộc vào cách khai báo trongUniversal Bridge/block parameters/power Electronic device

Thư viện Measurements

Khối Current Measurement dùng để đo dòng điện của phần

tử mang điện hay của dây dẫn

Khối Voltage Measurement dùng để đo điện áp giữa haiđầu của phần tử mang điện

Thư viện Connectors

Khối Ground cung cấp một đường nối đất Có hai loại Ground

là Ground Output dùng để nối vơi nguồn điện và GroundInput dùng để nối với tải

Thư viện Extra/Control Blocks

Khối Synchronized 6-Pulse Generator dùng để tạo ra 6xung cấp cho bộ biến đổi cầu ba pha hoặc tia 6 pha

4.3.2 Mô hình mô phỏng thiết bị chỉnh lưu:

Từ các khối cơ bản trong thư viện của simulink, ta xây dựng mô hình môphỏng cho từng thiết bị chỉnh lưu

Xem các mô hình mô phỏng ở trang sau