Tài liệu Tính toán máy biến áp một pha công suất nhỏ bằng phần mềm matlab

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: TÍNH TOÁN MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA CÔNG SUẤT NHỎ BẰNG PHẦN MỀM MATLAB Sinh viên thực hiện : Trịnh Trần Long K50 Giáo viên hướng dẫn : ThS. Bùi Thúc Minh Nha Trang, tháng 6 năm 2012 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: TÍNH TOÁN MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA CÔNG SUẤT NHỎ BẰNG PHẦN MỀM MATLAB Sinh viên thực hiện : Trịnh Trần Long K50 Giáo viên hướng dẫn : ThS. Bùi Thúc Minh Cán bộ phản biện: ThS. Nguyễn Thị Ngọc Soạn Nha Trang, tháng 6 năm 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên người nhận xét: Chức danh: Đơn vị công tác: Tên đồ án: Tính toán máy biến áp một pha công suất nhỏ bằng phần mềm Matlab Họ và tên sinh viên: Trịnh Trần Long MSSV: 50130810 Ngành đào tạo: Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử Hệ: Chính quy Khóa: 50 Ý KIẾN NHẬN XÉT 1. Chất lượng hình thức 2. Chất lượng nội dung Khánh Hòa, ngày tháng năm 2012 Người nhận xét 3. Điểm đánh giá: Bằng số Bằng chữ Điểm kết luận của Hội đồng chấm Đồ án Điểm số Thư ký Hội đồng (Ký, ghi rõ họ tên) Điểm bằng chữ Khánh Hòa, ngày tháng 7 năm 2012 Chủ tịch hội đồng (Ký, ghi rõ họ tên) i LỜI CẢM ƠN Dưới sự hướng dẫn của giáo viên, Thạc sỹ Bùi Thúc Minh, trong thời gian qua chúng tôi đã có dịp tìm hiểu đề tài tính toán máy biến áp một pha công suất nhỏ bằng phần mềm Matlab. Lời đầu tiên, chúng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy Bùi Thúc Minh, là giáo viên trực tiếp hướng dẫn đã tận tình giúp đỡ, chỉ bảo, cung cấp nguồn tài liệu và tạo điều kiện để chúng tôi hoàn thành đề tài. Chúng tôi xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các thầy cô giáo trong bộ môn Điện công nghiệp, Điện tử-Tự động, đã giảng dạy, hướng dẫn, trang bị cho chúng tôi những kiến thức cần thiết về lý thuyết cũng như các kỹ năng về thực hành giúp chúng tôi hoàn thành tốt đề tài này. Cảm ơn gia đình và bạn bè đã ủng hộ, động viên và giúp đỡ chúng tôi hoàn thành tốt đề tài này. Trong quá trình thực hiện, tuy chúng tôi đã có cố gắng nhiều nhưng do trình độ kiến thức cũng như kinh nghiệm thực tế vẫn còn hạn hẹp nên chúng tôi vẫn còn nhiều thiếu xót trong bài. Chúng tôi mong các thầy cô có nhiều góp ý, chỉ bảo để bài báo cáo hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn! Sinh viên thực hiện: Trịnh Trần Long ii TÓM TẮT ĐỒ ÁN Đề tài “Tính toán máy biến áp một pha công suất nhỏ bằng phần mềm Matlab” gồm các nội dung chính sau : Chương 1: Tổng quan Đánh giá, phân tích các đề tài, đồ án trong trường , trong nước cũng như trên thế giới. Phân tích những mặc hạn chế, thiếu sót của các đề tài khác để từ đó hoàn thiện và phát triển đề tài của mình. Chương 2: Cơ sở lý thuyết Giới thiệu tổng quát về máy biến áp, sau đó đi sâu vào việc phân tích cấu tạo, nguyên lý hoạt động, các thông số và ứng dụng của máy biến áp. Giới thiệu về Matlab, cách sử dụng Matlab và các nhóm lệnh trong Matlab cũng như cách sử dụng Guide để thiết kế giao diện. Chương 3: Tính toán MBA một pha công suất nhỏ Cách tính bài toán máy biến áp một pha công suất nhỏ. Phần này hướng dẫn các bước tính toán và lựa chọn thông số cho hai loại máy biến áp thông dụng là máy biến áp hai cuộn dây và máy biến áp tự ngẫu. Chương 4: Ứng dụng Matlab trong tính toán máy biến áp một pha công suất nhỏ Sử dụng Matlab để tính toán bài toán về máy biến áp một pha công suất nhỏ và thiết kế giao diện chương trình tính toán máy biến áp một pha công suất nhỏ. Giới thiệu về giao diện chương trình, cách sử dụng chương trình và đoạn lệnh trong chương trình tính toán. Chương 5: Kết quả nghiên cứu Các công việc tiến hành và quá trình nghiên cứu cũng như hoàn thành đề tài. Sau đó so sánh đối chiếu với các số liệu thu được. iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................. i TÓM TẮT ĐỒ ÁN ......................................................................................................ii MỤC LỤC ................................................................................................................. iii DANH MỤC HÌNH .................................................................................................... vi DANH MỤC BẢNG ................................................................................................viii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ....................................................................................... x MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ......................................................................................... 3 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT .............................................................................. 4 2.1 Tổng quát về máy biến áp một pha công suất nhỏ ........................................... 4 2.1.1 Các đại lượng trong MBA ........................................................................ 4 2.1.2 Cấu tạo ..................................................................................................... 4 2.1.2.1 Mạch từ ............................................................................................. 5 2.1.2.2 Cuộn dây quấn................................................................................... 6 2.1.3 Nguyên lý hoạt động ................................................................................ 8 2.1.4 Ứng dụng ............................................................................................... 10 2.2 Tổng quan về Matlab .................................................................................... 10 2.2.1 Matlab là gì ............................................................................................ 10 2.2.2 Thao tác cơ bản trên Matlab ................................................................... 11 2.2.2.1 Khởi động ....................................................................................... 11 2.2.2.2 Thoát khỏi Matlab ........................................................................... 13 2.2.2.3 Các cửa sổ chương trình thường giao tiếp ........................................ 13 2.2.3 Sử dụng trình thiết kế giao diện Guide ................................................... 17 iv 2.2.3.1 Khởi động Guide ............................................................................. 17 2.2.3.2 Một số điều khiển thông dụng.......................................................... 19 2.2.3.3 Các thuộc tính cơ bản của các điều khiển......................................... 19 2.2.3.4 Các hàm của điều khiển ................................................................... 20 2.2.4 Một số lệnh trong lập trình Matlab ......................................................... 22 2.2.4.1 Nhóm các lệnh cơ bản ..................................................................... 22 2.2.4.2 Các toán tử và các ký tự đặc biệt ..................................................... 24 2.2.4.3 Nhóm lệnh lập trình ......................................................................... 26 2.2.4.4 Các hàm toán học và phép tính đại số .............................................. 29 2.2.4.5 Các lệnh đồ họa ............................................................................... 31 CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA CÔNG SUẤT NHỎ ............ 35 3.1 Trình tự tính toán máy biến áp hai dây quấn ................................................. 35 3.2 Tính toán cho máy biến thế tự ngẫu .............................................................. 50 3.2.1 Giới thiệu chung về máy biến áp tự ngẫu ................................................... 50 3.2.2 Trình tự tính toán biến thế tự ngẫu thông dụng .......................................... 52 CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG MATLAB TRONG TÍNH TOÁN MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA CÔNG SUẤT NHỎ. ......................................................................................... 55 4.1 Lưu đồ chương trình tính toán ...................................................................... 55 4.2 Các giao diện chính của chương trình ........................................................... 56 4.2.1 Giao diện giới thiệu chương trình ........................................................... 56 4.2.2 Giao diện nhập thông số ......................................................................... 57 4.2.3 Giao diện xuất kết quả............................................................................ 58 4.2.4 Giao diện trợ giúp .................................................................................. 59 4.3 Chương trình tính toán .................................................................................. 61 4.3.1 Chương trình tính toán cho MBA 2 dây quấn ......................................... 61 v 4.3.2 Chương trình tính toán cho MBA tự ngẫu ................................................. 69 CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU .................................................................... 75 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................................... 76 Kết luận ................................................................................................................. 76 Kiến nghị ............................................................................................................... 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................... 77 PHỤ LỤC vi DANH MỤC HÌNH Hình 2.1 Mạch từ kiểu trụ ........................................................................................... 5 Hình 2.2 Mạch từ kiểu bọc.......................................................................................... 5 Hình 2.3 Dây quấn hình trụ ......................................................................................... 6 Hình 2.3a Dây quấn bẹt hai lớp ........................................................................ 6 Hình 2.3b Dây quấn tròn nhiều lớp .................................................................. 6 Hình 2.4 Dây quấn hình xoắn ..................................................................................... 7 Hình 2.5 Dây quấn hình xoáy ốc liên tục .................................................................... 7 Hình 2.6 Dây quấn xen kẽ ........................................................................................... 8 Hình 2.7 Nguyên lý làm việc MBA............................................................................. 8 Hình 2.8 Biểu tượng Matlab ..................................................................................... 11 Hình 2.9 Cửa sổ run để gọi lệnh Matlab .................................................................... 11 Hình 2.10 Cửa sổ chờ khởi động của Matlab ............................................................ 12 Hình 2.11 Cửa sổ lệnh của Matlab 7.11 .................................................................... 13 Hình 2.12 Cửa sổ làm việc của Matlab 7.11 .............................................................. 14 Hình 2.13 Cửa sổ Command History ........................................................................ 14 Hình 2.14 Cửa sổ Workspace .................................................................................... 15 Hình 2.15 Cửa sổ Matlab Editor/Debugger ............................................................... 15 Hình 2.16 Cửa sổ Guide............................................................................................ 16 Hình 2.17 Cửa sổ Matlab Demo Windown ............................................................... 16 Hình 2.18 Hộp thoại GUIDE Quick Start .................................................................. 17 Hình 2.19 Các tính năng trên cửa sổ Guide ............................................................... 18 vii Hình 2.20 Hộp thoại thuộc tính của điều khiển – Inspector ....................................... 20 Hình 3.1 Sơ đồ máy biến áp 2 dây quấn .................................................................... 35 Hình 3.2 Hình dạng lõi thép E,I ................................................................................ 36 Hình 3.3 Hình dạng lõi thép U,I ................................................................................ 36 Hình 3.4 Tiết diện dây dẫn ........................................................................................ 43 Hình 3.5 Kích thước lõi thép E,I đúng tiêu ................................................................ 44 Hình 3.6 Kích thước lõi thép EI đúng tiêu chuẩn ...................................................... 45 Hình 3.7 Bề dày khuôn cách điện.............................................................................. 48 Hình 3.8 Bề dày cách điện các lớp. ........................................................................... 49 Hình 3.9 MBA tự ngẫu giảm áp ................................................................................ 51 Hình 3.10 MBA tự ngẫu tăng áp ............................................................................... 51 Hình 3.11 Nhược điểm của MBA tự ngẫu ................................................................. 52 Hình 4.1 Lưu đồ thuật toán truy xuất các giao diện ................................................... 55 Hình 4.2 Lưu đồ thuật toán tính toán của chương trình ............................................. 56 Hình 4.3 Giao diện giới thiệu của chương trình......................................................... 57 Hình 4.4 Giao diện nhập thông số cho chương trình ................................................. 57 Hình 4.5 Giao diện xuất kết quả tính toán MBA 2 dây quấn – trang 1 ....................... 58 Hình 4.6 Giao diện xuất kết quả tính toán MBA 2 dây quấn – trang 2 ....................... 58 Hình 4.7 Giao diện xuất kết quả tính toán MBA 2 dây quấn – trang 3 ....................... 59 Hình 4.8 Giao diện xuất kết quả tính toán máy biến áp tự ngẫu ................................. 59 Hình 4.9 Giao diện trợ giúp của chương trình ........................................................... 60 Hình 4.10 Giao diện tra dữ liệu các thông số chương trình ........................................ 60 Hình 4.11 Giao diện Demo ....................................................................................... 61 viii DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Bảng các hàm của các điều khiển ............................................................... 21 Bảng 2.2 Các toán tử số học...................................................................................... 24 Bảng 2.3 Các toán tử quan hệ ................................................................................... 25 Bảng 2.4 Các toán tử logic ........................................................................................ 25 Bảng 2.5 Các ký tự đặc biệt ...................................................................................... 25 Bảng 3.1 Quan hệ giữa hệ số ∆U% theo công suất biểu kiến S2 (theo beyaert). ......... 39 Bảng 3.2 Theo Tranformatoren Fabrik Magnus ta có ∆U% theo S2 khi phụ tải thuần trở cos = 1 ........................................................................................................... 39 Bảng 3.3 Bảng ∆U% tại phụ tải thuần trở theo Schindler .......................................... 40 Bảng 3.4 Quan hệ Ch theo S2 .................................................................................... 40 Bảng 3.5 Quan hệ giữa ηba theo S2 – Theo Robert Kuhn. .......................................... 41 Bảng 3.6 Quan hệ giữa ηba theo S2 – Theo Auton Hopp. .......................................... 41 Bảng 3.7 Quan hệ giữa ηba theo S2 – Theo Walter Kehse .......................................... 41 Bảng 3.8 Quan hệ giữa ηba theo S2 – Theo AEG (Biến áp nguồn bộ chỉnh lưu). ........ 41 Bảng 3.9 Quan hệ giữa ηba theo S2 – Theo Newnes. .................................................. 42 Bảng 3.10 Quan hệ giữa ηba theo S2 – Theo Elektroteknik und Machinenbau (Vienne 16/8/1931). ............................................................................................................... 42 Bảng 3.11 Quan hệ giữa ηba theo S2 – Theo National Bureau of Standard S408Westinghouse ........................................................................................................... 42 Bảng 3.12 Quan hệ giữa ηba theo S2 – Theo Schindler............................................... 42 Bảng 3.13 Quan hệ giữa ηba theo S2 – Theo Tranformatoren Fabrik Magnus. ........... 42 ix Bảng 3.14 Quan hệ giữa J theo S2 (khi biến áp làm việc liên tục, làm nguội tự nhiên, hoặc dùng cấp cách điện thấp Y hay A). ................................................................... 43 Bảng 3.15 Quan hệ giữa J theo S2 ( khi máy biến áp làm việc ngắn hạn, hoặc dùng cấp cách điện cao E hay B) ............................................................................................. 43 Bảng 3.16 Bảng quan hệ chọn J theo nhiệt độ phát nóng cho phép của dây quấn – Theo Beyaert ..................................................................................................................... 43 Bảng 3.17 Chọn bề dày khuôn ekh theo cấp công suất biến áp S2 ................................................ 46 x DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT MBA : máy biến áp. Matlab : Matrix laboratory. Trang 1 MỞ ĐẦU Lý do chọn đề tài Hiện nay trong lĩnh vực điện công nghiệp và điện dân dụng thì máy biến áp đóng một vai trò hết sức quan trọng trong việc phân phối và cung cấp năng lượng vào sản xuất. Trong đó các máy biến áp một pha công suất nhỏ là khá phổ biến trong đời sống của chúng ta vì vậy việc nghiên cứu thiết kế tính toán và chế tạo là hết sức cần thiết. Hiện nay, Matlab được sử dụng phổ biến trong các trường và trong các công ty cũng như trong nhiều ứng dụng. Matlab là một phần mềm tính toán chính xác và có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực và việc sử dụng cũng khá dễ dàng. Vì vậy việc nghiên cứu và tìm hiểu Matlab cũng là một phần quan trọng. Vì vậy chúng tôi đã chọn đề tài “Tính toán máy biến áp một pha công suất nhỏ bằng phần mềm Matlab”. Tính cấp thiết của đề tài Như ta đã biết việc tính toán và thiết kế máy điện nói chung và máy biến áp nói riêng hiện nay phải trải qua rất nhiều bước tính toán, như là tính toán mạch từ, tính toán dây dẫn, tính toán công suất, tính toán các tham số... Như vậy thì việc tính toán cho một máy biến áp sẽ rất lâu và độ chính xác không cao do quá trình tính toán ta thường làm tròn hoặc nhầm lẫn. Nhất là mỗi lần lựa chọn hoặc thay đổi một thông số nào đó hoặc khi ra kết quả mà không phù hợp cần tính lại thì ta phải tính lại cả bài toán. Vì vậy đề tài tính toán máy biến áp một pha công suất nhỏ sử dụng phần mềm Matlab là rất cần thiết. Trên giao diện Guide/Matlab, chúng ta chỉ cần nhập thông số vào và phần mềm sẽ tự động tính toán cho ta kết quả nhanh chóng và chính xác. Giúp chúng ta tiết kiệm thời gian mà công việc lại hiệu quả. Phạm vi đề tài Sau thời gian nghiên cứu và tìm hiểu đề tài chúng tôi đã hoàn thành đồ án “thiết kế máy biến áp 1 pha công suất nhỏ” gồm các nội dung sau: Đồ án tốt nghiệp Trang 2 + Tìm hiểu về máy biến áp một pha công suất nhỏ. + Tìm hiểu về phần mềm Matlab và lập trình giao diện Guide/Matlab. + Tính toán máy biến áp. + Viết chương trình trên matlab để tính toán máy biến áp một pha công suất nhỏ. Ứng dụng, nhu cầu thực tế của đề tài Sau khi hoàn thành, đề tài có thể đóng góp một phần vào công cuộc phát triển của nhà trường bằng việc nâng cao tính công nghệ trong các phòng thí nghiệm, các phân xưởng cơ khí quấn dây máy biến áp của trường. Ngoài ra với tính chính xác và nhanh chóng của chương trình thì nó có thể được sử dụng cho các nhà máy các phân xưởng sản xuất để tiết kiệm thời gian, tăng tính chính xác, và đưa ra những lựa chọn tối ưu cho quá trình thiết kế, tính toán máy biến áp. Phương pháp nghiên cứu khoa học của đề tài - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết.  Nghiên cứu máy biến áp về cấu tạo hoạt động và các thông số trong máy biến áp. Phương pháp tính toán và các bước tính toán máy biến áp.  Nghiên cứu phần mềm Matlab. Tìm hiểu các lệnh trong Matlab, cách tạo giao diện và lập trình lệnh trong giao diện Guide. - Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm.  Chạy kiểm tra đối chiếu chương trình và kết quả trên tính toán lý thuyết, kiểm tra lỗi. Đồ án tốt nghiệp Trang 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN Trong trường chúng ta hiện nay trong quá trình học cũng như thực hành hầu như việc tính toán máy biến áp chỉ được thực hiện trên lý thuyết. Các đề tài nghiên cứu cũng như các đồ án khác cũng mới chỉ nghiên cứu Matlab trên các phương diện tính toán khác như tính toán trên động cơ, mô phỏng vận hành đường dây truyền tải điện, phân bố công suất... Nhưng các chương trình chỉ thực hiện viết chương trình trên Mfile hoặc trên Simulink mà chưa tạo giao diện cho chương trình tính toán hoặc thiết kế giao cũng chỉ đơn giản chưa đi sâu khai thác các tính năng của Guide/Matlab. Tại nước ta hiện nay hầu hết việc thiết kế tính toán máy biến áp chỉ thực hiện trên lý thuyết và việc tính toán cũng như các bước tính toán cũng chỉ thực hiện tương đối chưa cụ thể. Các chương trình tính toán cho máy biến áp chưa được quan tâm và phát triển. Trên thế giới ngành công nghiệp sản xuất máy biến áp đã trở nên phổ biến nên việc tính toán máy biến áp đi theo các quy trình và công đoạn chặt chẽ, và các phần mềm phục vụ tính toán cũng trở nên phổ biến. Nhưng các quá trình tính toán và các thông số tính toán cũng như các thuật ngữ tính toán chưa phù hợp với nước ta nên khó khăn trong việc áp dụng và thực hiện. Bên cạnh đó các chương trình tính toán cũng được viết theo tiếng nước ngoài và các thuật ngữ cũng không phù hợp với nước ta. Vì vậy trong đề tài này, các bước tính toán đã được cụ thể hóa đơn giản và dễ thực hiện. Chương trình tính toán được viết trên ngôn ngữ tiếng Việt, các thuật ngữ trong chương trình dễ hiểu và có giải thích cụ thể, hình ảnh minh họa rõ ràng để dễ dàng cho người sử dụng. Ngoài ra chương trình còn cung cấp nhiều tùy chọn hữu ích cho người sử dụng như lưu kết quả tính toán, tùy chỉnh màu sắc, ngôn ngữ, báo lỗi... Đồ án tốt nghiệp Trang 4 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quát về máy biến áp một pha công suất nhỏ Máy biến áp là một thiết bị điện từ tĩnh, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ dùng để biến đổi một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp này thành hệ thống dòng xoay chiều ở điện áp khác có cùng tần số. Đầu vào MBA được nối với nguồn điện được gọi là sơ cấp, Kí hiệu 1. Đầu ra của MBA được nối với tải được gọi là thứ cấp, Kí hiệu 2. Khi điện áp đầu thứ cấp lớn hơn điện áp sơ cấp (U2>U1) ta có MBA tăng áp. Khi điện áp đầu thứ cấp nhỏ hơn điện áp sơ cấp (U2 - Xem thêm -