Luận Văn Tính toán máy biến áp một pha công suất nhỏ bằng phần mềm Matlab

Đồ án tốt nghiệp năm 2012
Đề tài: Tính toán máy biến áp một pha công suất nhỏ bằng phần mềm Matlab


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 S
2
(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 η
ba
theo S
2
– Theo Robert Kuhn. 41
Bảng 3.6 Quan hệ giữa η
ba
theo S
2
– Theo Auton Hopp. 41
Bảng 3.7 Quan hệ giữa η
ba
theo S
2
– Theo Walter Kehse 41
Bảng 3.8 Quan hệ giữa η
ba
theo S
2
– Theo AEG (Biến áp nguồn bộ chỉnh lưu). 41
Bảng 3.9 Quan hệ giữa η
ba
theo S
2
– Theo Newnes. 42
Bảng 3.10 Quan hệ giữa η
ba
theo S
2
– Theo Elektroteknik und Machinenbau (Vienne
16/8/1931). . 42
Bảng 3.11 Quan hệ giữa η
ba
theo S
2
– Theo National Bureau of Standard S408-Westinghouse . 42
Bảng 3.12 Quan hệ giữa η
ba
theo S
2
– Theo Schindler. 42
Bảng 3.13 Quan hệ giữa η
ba
theo S
2
– Theo Tranformatoren Fabrik Magnus. . 42
ix
Bảng 3.14 Quan hệ giữa J theo S
2
(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 S
2
( 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 e
kh
theo cấp công suất biến áp S
2
46
x
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
MBA : máy biến áp.
Matlab : Matrix laboratory.
Trang 1
Đồ án tốt nghiệp
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:
Trang 2
Đồ án tốt nghiệp
+ 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 nh ững 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.
Trang 3
Đồ án tốt nghiệp
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 .
Trang 4
Đồ án tốt nghiệp
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<U1) ta có MBA hạ áp.
2.1.1 Các đại lượng trong MBA
- Dung lượng hay công suất định mức S
**
là công suất biểu kiến (hay công suất
toàn phần) đưa ra ở dây quấn thứ cấp máy biến áp tính bằng VA, kVA.
- Điện áp sơ cấp định mức U
1đm
điện áp dây của dây quấn sơ cấp tính bằng V,
kV.
- Điện áp thứ cấp định mức U
2đm
điện áp dây của dây quấn thứ cấp khi không
tải và điện áp đặt vào dây quấn thứ cấp là định mức, tính bằng V, kV.
- Dòng điện dây định mức sơ cấp I
1đm
thứ cấp I
2đm
những dòng điện dây của dây
quấn sơ cấp và thứ cấp ứng với công suất và điện áp định mức, tính bằng A, kA.
I
ଵđ୫
=
S
đ୫
U
ଵđ୫
; I
ଶđ୫
=
S
đ୫
U
ଶđ୫
- Tần số định mức: f
**
tính bằng Hz. Thông thường các máy biến áp có tần số
là 50 Hz hoặc 60 Hz.
2.1.2 Cấu tạo
Máy biến áp cơ bản gồm có mạch từ và dây quấn. Ngoài ra, tùy theo việc sử
dụng mà máy biến áp còn có thêm các phụ kiện như: vỏ bọc, hệ thống làm mát, vôn
kế, ampe kế, đèn báo, công tắc hiệu chỉnh điện áp .
Trang 5
Đồ án tốt nghiệp
Hình 2.1 Mạch từ kiểu trụ Hình 2.2 Mạch từ kiểu bọc
2.1.2.1 Mạch từ
Mạch từ dùng để dẫn từ thông chính của máy, thường được chế tạo bằng những
vật liệu dẫn từ tốt như lá thép kỹ thuật điện. Lõi thép gồm 2 bộ phận chính là trụ và
gông tạo thành mạch từ khép kín:
- Trụ là nơi để đặt dây quấn.
- Gông là phần khép kín mạch từ giữa các trụ.
Lá thép kĩ thuật điện được sử dụng thường có độ dày từ 0,3-0,5mm và có chứa
hàm lượng silic từ 1%  4%, nhằm mục đích giảm tổn hao điện năng trong mạch từ do
tác dụng của dòng điện Fu-cô và hiện tượng từ để làm phát nhiệt. Ngoài ra hai mặt còn
được sơn cách điện hoặc có lớp giấy cách điện mỏng.
Có hai loại mạch từ phổ biến:
- Mạch từ kiểu trụ (hoặc kiểu cột) có dạng “U”, thường do nhiều lá thép chữ I
ghép lại.
- Mạch từ kiểu bọc có dạng “E,I”, mạch từ phân nhánh ra hai bên và bọc lấy
cuộn dây quấn trên cột từ chính. Nhờ thế từ tản giảm nhỏ đi.


TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Trần Duy Phụng, 2010. Kỹ thuật quấn dây máy biến áp động cơ vạn năng động
cơ 1 pha – 3 pha. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.
[2] Nguyễn Văn Tuệ, 2012. Thiết kế dây quấn- quấn dây máy điện. Nhà xuất bản
Khoa học và Kỹ thuật.
[3] Trần Khánh Hà – Nguyễn Hồng Thanh, 2006. Thiết kế máy điện. Nhà xuất bản
Khoa học và Kỹ thuật.
[4] http://***********/xem-tai-lieu/huong-dan-matlab-guide.427007.html, truy nhập cuối
cùng ngày 20/06/2012.
[5] http://***********/xem-tai-lieu/quyet-dinh-cua-tong-cong-ty-dien-luc-viet-nam.645682.html, truy nhập cuối cùng ngày 20/6/2012.