Khóa luận Sử dụng Matlab để giải bài tập mạch điện Ba Pha

TRƯỜNG ĐẠI HỌC AN GIANG KHOA SƯ PHẠM BỘ MÔN VẬT LÝ ***** LÊ QUỐC DŨNG LỚP DH5L KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC SƯ PHẠM NGÀNH VẬT LÝ SỬ DỤNG MATLAB ĐỂ GIẢI BÀI TẬP MẠCH ĐIỆN BA PHA Cán bộ hướng dẫn: ThS. HUỲNH ANH TUẤN Long xuyên, tháng 05 năm 2008 Lôøi Caûm Ôn # " Những lời đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu trường Đại học An Giang, Ban Chủ Nhiệm khoa Sư Phạm và quý thầy cô trong các phòng ban đã quan tâm, giúp đỡ và đào tạo tôi trong suốt bốn năm học vừa qua. Xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong tổ bộ môn Vật Lý đã nhiệt tình chỉ dạy, truyền đạt những kiến thức bổ ích và những kinh nghiệm cần thiết làm nền tảng vững chắc cho tôi trên bước đường sư phạm sau này, đặc biệt là thầy Huỳnh Anh Tuấn – người đã trực tiếp hướng dẫn tôi hoàn thành khóa luận tốt nghiệp. Nhân dịp này tôi cũng xin gởi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè và tập thể lớp DH5L đã không ngừng động viên, khích lệ và tạo mọi điều kiện cho tôi trong suốt thời gian học tập và thực hiện khóa luận tốt nghiệp. Một lần nữa xin ghi nhận nơi đây lòng biết ơn sâu sắc nhất. Xin chân thành cảm ơn MỤC LỤC Trang PHẦN MỞ ĐẦU.............................................................................................................. 1 1. Lý do chọn đề tài.................................................................................................. 1 2. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu....................................................................... 1 2.1. Mục đích nghiên cứu..................................................................................... 1 2.2. Nhiệm vụ nghiên cứu .................................................................................... 1 3. Đối tượng nghiên cứu .......................................................................................... 1 4. Phạm vi nghiên cứu.............................................................................................. 1 5. Giả thuyết khoa học ............................................................................................. 2 6. Phương pháp nghiên cứu...................................................................................... 2 7. Đóng góp của đề tài.............................................................................................. 2 8. Cấu trúc khóa luận ............................................................................................... 2 PHẦN NỘI DUNG .......................................................................................................... 4 CHƯƠNG I. CƠ SỞ LÝ LUẬN................................................................................ 4 I. Lý thuyết chung ............................................................................................. 4 1. Khái niệm về mạch điện........................................................................... 4 Khái niệm........................................................................................... 4 Cấu trúc mạch điện............................................................................. 4 2. Các đại lượng đặc trưng của mạch điện................................................... 4 Dòng điện........................................................................................... 4 Điện áp ............................................................................................... 4 3. Các phần tử mạch điện............................................................................. 4 Nguồn áp u(t) ..................................................................................... 5 Nguồn dòng i(t) .................................................................................. 5 Điện trở R........................................................................................... 5 Điện cảm L......................................................................................... 5 Điện dung .......................................................................................... 6 4. Biểu diễn dòng điện hình sin bằng số phức ............................................. 6 Các phép tính trên số phức................................................................. 6 Tổng trở phức..................................................................................... 6 Tổng dẫn phức.................................................................................... 7 Định luật Kiếchốp .............................................................................. 7 5. Một số phương pháp giải mạch điện bằng số phức.................................. 7 Phương pháp biến đổi tương đương................................................... 8 Ghép tổng trở nối tiếp – công thức chia áp ............................ 9 Ghép tổng trở song song – công thức chia dòng.................... 9 Biến đổi tương đương sao – tam giác .................................. 10 Biến đổi tương đương tam giác – sao ................................. 10 Phương pháp dòng điện vòng........................................................... 11 Phương pháp điện áp hai nút............................................................ 12 II. Mạch điện ba pha ......................................................................................... 13 1. Khái niệm chung .................................................................................... 13 2. Cách nối hình sao ................................................................................... 14 Cách nối ........................................................................................... 14 Quan hệ giữa đại lượng dây và pha trong cách nối hình sao đối xứng .......................................................................................................... 14 3. Cách nối hình tam giác........................................................................... 14 Cách nối ........................................................................................... 14 Quan hệ giữa đại lượng dây và pha trong cách nối hình tam giác đối xứng.................................................................................................. 15 4. Công suất mạch điện ba pha .................................................................. 15 Công suất tác dụng........................................................................... 15 Công suất phản kháng ...................................................................... 16 Công suất biểu kiến.......................................................................... 16 III. Tìm hiểu về phần mềm Matlab .................................................................... 16 1. Giới thiệu chung về Matlab.................................................................... 16 2. Các phép tính cơ bản trong Matlab ........................................................ 17 3. Giao diện đồ họa người dùng................................................................. 19 4. Các bước giải bài toán về mạch điện bằng Matlab ................................ 22 CHƯƠNG II. MỘT SỐ DẠNG BÀI TẬP MẠCH ĐIỆN BA PHA VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI .............................................................................................................. 23 I. Mạch ba pha đối xứng.................................................................................. 23 1. Nguồn nối sao – tải nối sao .................................................................... 23 Đường dây không có tổng trở .......................................................... 23 Đường dây có tổng trở ..................................................................... 23 2. Nguồn nối sao – tải nối tam giác............................................................ 24 Đường dây không có tổng trở .......................................................... 24 Đường dây có tổng trở ..................................................................... 26 3. Nguồn nối tam giác – tải nối tam giác ................................................... 27 Đường dây không có tổng trở .......................................................... 27 Đường dây có tổng trở ..................................................................... 28 4. Nguồn nối tam giác – tải nối sao............................................................ 29 5. Thí dụ ..................................................................................................... 29 II. Mạch ba pha không đối xứng....................................................................... 32 1. Nguồn nối sao – tải nối sao .................................................................... 32 Đường dây không có tổng trở .......................................................... 32 Đường dây có tổng trở ..................................................................... 33 2. Nguồn nối sao – tải nối tam giác............................................................ 34 Đường dây không có tổng trở .......................................................... 34 Đường dây có tổng trở ..................................................................... 34 3. Nguồn nối tam giác – tải nối tam giác ................................................... 35 Đường dây không có tổng trở .......................................................... 35 Đường dây có tổng trở ..................................................................... 36 4. Nguồn nối tam giác – tải nối sao............................................................ 37 5. Thí dụ ..................................................................................................... 37 CHƯƠNG III. SỬ DỤNG MATLAB ĐỂ GIẢI BÀI TẬP MẠCH ĐIỆN BA PHA42 1. Nguồn nối sao – tải nối sao .......................................................................... 42 1.1. Mở file có tên: MACHDIENBAPHA.................................................... 42 1.2. Chọn mạch điện và nhập các dữ kiện của bài toán ................................ 42 1.3. Hiển thị kết quả ...................................................................................... 43 1.4. Kết thúc .................................................................................................. 46 2. Nguồn nối sao – tải nối tam giác.................................................................. 46 3. Nguồn nối tam giác – tải nối tam giác ......................................................... 46 4. Nguồn nối tam giác – tải nối sao.................................................................. 47 PHẦN KẾT LUẬN........................................................................................................ 49 Khóa luận tốt nghiệp Trang 1 PHẦN MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Mục đích giáo dục đại học là đào tạo chuyên gia giỏi cho các lĩnh vực kinh tế, văn hóa, khoa học và công nghệ của quốc gia. Chuyên gia giỏi sẽ là những người làm phát triển kinh tế – văn hóa – xã hội, tham gia vào quá trình sáng tạo khoa học và công nghệ mới, đưa nước ta từng bước tiếp cận trình độ phát triển của thế giới. Do đó, ngoài những tri thức khoa học thuộc lĩnh vực chuyên môn nghiệp vụ thì việc trang bị cho sinh viên kiến thức cơ bản, kỹ năng vận hành máy vi tính, kỹ năng lập trình và sử dụng một số phần mềm là hết sức cần thiết vì sử dụng máy tính để giải quyết các vấn đề của khoa học và kỹ thuật là một xu hướng tất yếu của thế kỷ 21. Kỹ thuật điện là ngành khoa học kỹ thuật ứng dụng các hiện tượng điện từ để biến đổi năng lượng, gia công vật liệu, truyền tải thông tin…bao gồm các hoạt động tạo ra, biến đổi và sử dụng điện năng trong các hoạt động thực tiễn của con người. Giáo trình kỹ thuật điện không đi sâu vào mặt lý luận các hiện tượng vật lý mà chú ý nhiều đến tính toán và ứng dụng kỹ thuật, phục vụ cho chuyên ngành và các hoạt động khoa học kỹ thuật liên quan đến kỹ thuật điện. Vì vậy, khi giải bài tập về mạch điện có khá nhiều phép tính và phương trình phức tạp khiến cho nhiều người gặp khó khăn đặc biệt là trong việc giải các bài tập mạch điện ba pha. Hiện nay có khá nhiều phần mềm tính toán với khả năng ứng dụng cao như Maple, Mathcard, Mathematica…Trong đó, Matlab là phần mềm có khả năng ứng dụng cao và tiện ích. Với ngôn ngữ lập trình khá đơn giản giúp cho sinh viên dễ dàng thực hiện các tính toán về số và đồ họa một cách rất thuận lợi trong môi trường Matlab. Do đó, việc mô phỏng các bài tập về mạch điện ba pha trên máy tính sẽ giúp cho sinh viên tiến hành giải các bài tập này một cách nhanh chóng, chính xác và hiệu quả hơn. Với những lý do trên, tôi thực hiện nghiên cứu đề tài: Sử dụng Matlab để giải bài tập mạch điện ba pha. 2. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu 2.1. Mục đích nghiên cứu Tìm hiểu ngôn ngữ lập trình Matlab để xây dựng chương trình giải các bài tập mạch điện ba pha. 2.2. Nhiệm vụ nghiên cứu Nghiên cứu đề tài này tôi sẽ giải quyết các nhiệm vụ sau: • Trình bày khái quát các dạng bài tập và phương pháp giải mạch điện ba pha. • Tìm hiểu ngôn ngữ lập trình, giao diện đồ họa và các ứng dụng của Matlab. • Lập trình phần mềm. • Đánh giá kết quả thu được sau khi nghiên cứu. 3. Đối tượng nghiên cứu • Ngôn ngữ lập trình kỹ thuật Matlab. • Bài tập mạch điện ba pha. 4. Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu đề tài này tôi chỉ tìm hiểu ngôn ngữ lập trình và giao diện đồ họa của Matlab để ứng dụng giải các bài tập mạch điện ba pha. Khóa luận tốt nghiệp Trang 2 5. Giả thuyết khoa học Nếu sử dụng thành thạo phần mềm Matlab thì sẽ hỗ trợ tốt cho việc giải các bài tập về mạch điện ba pha nói riêng và góp phần nâng cao chất lượng dạy – học môn kỹ thuật điện nói chung. 6. Phương pháp nghiên cứu • Phương pháp đọc sách và tài liệu • Phương pháp phân tích và tổng hợp • Phương pháp phân loại và hệ thống lý thuyết • Tham khảo ý kiến của giáo viên hướng dẫn 7. Đóng góp của đề tài • Nghiên cứu đề tài này giúp tôi có được một hệ thống kiến thức tương đối hoàn chỉnh về phần mềm Matlab, đồng thời tích lũy được một số kinh nghiệm trong việc tính toán và giải các bài tập mạch điện ba pha. • Là tư liệu cho sinh viên các khóa sau học tập và tham khảo. • Góp phần làm phong phú cho thư viện tư liệu của bộ môn vật lý. 8. Cấu trúc của khóa luận Gồm ba phần: ™ Phần mở đầu ™ Phần nội dung Chương I. Cơ sở lý luận I. Lý thuyết chung 1. Khái niệm về mạch điện 2. Các đại lượng đặc trưng của mạch điện 3. Các phần tử mạch điện 4. Biểu diễn dòng điện hình sin bằng số phức 5. Một số phương pháp giải mạch điện bằng số phức II. Mạch điện ba pha 1. Khái niệm chung 2. Cách nối hình sao 3. Cách nối hình tam giác 4. Công suất mạch điện ba pha III. Tìm hiểu về phần mềm Matlab 1. Giới thiệu chung về Matlab 2. Các phép tính cơ bản trong Matlab 3. Giao diện đồ họa người dùng 4. Các bước giải bài toán về mạch điện bằng Matlab Chương II. Một số dạng bài tập mạch điện ba pha và phương pháp giải I. Mạch ba pha đối xứng 1. Nguồn nối sao – tải nối sao 2. Nguồn nối sao – tải nối tam giác 3. Nguồn nối tam giác – tải nối tam giác Khóa luận tốt nghiệp Trang 3 4. Nguồn nối tam giác – tải nối sao II. Mạch ba pha đối không đối xứng 1. Nguồn nối sao – tải nối sao 2. Nguồn nối sao – tải nối tam giác 3. Nguồn nối tam giác – tải nối tam giác 4. Nguồn nối tam giác – tải nối sao Chương III. Sử dụng Matlab để giải bài tập mạch điện ba pha 1. Nguồn nối sao – tải nối sao 2. Nguồn nối sao – tải nối tam giác 3. Nguồn nối tam giác – tải nối tam giác 4. Nguồn nối tam giác – tải nối sao ™ Phần kết luận Khóa luận tốt nghiệp Trang 4 PHẦN NỘI DUNG CHƯƠNG I. CƠ SỞ LÝ LUẬN I. Lý thuyết chung 1. Khái niệm về mạch điện Khái niệm Mạch điện là tập hợp các thiết bị điện nối với nhau bằng các dây dẫn tạo thành những vòng kín trong đó dòng điện có thể chạy qua. Mạch điện thường gồm các loại phần tử sau: nguồn điện, phụ tải (tải), dây dẫn. • Nguồn điện: là thiết bị phát ra điện năng. Về nguyên lý, nguồn điện là thiết bị biến đổi các dạng năng lượng như: cơ năng, hóa năng, nhiệt năng,… thành điện năng. • Tải: là các thiết bị tiêu thụ điện năng và biến đổi điện năng thành các dạng năng lượng khác như cơ năng, nhiệt năng, quang năng,… • Dây dẫn: được làm bằng kim loại (đồng, nhôm,…) dùng để truyền tải điện năng từ nguồn đến tải. Cấu trúc của mạch điện • Nhánh: là một đoạn mạch gồm các phần tử ghép nối tiếp nhau, trong đó có cùng một dòng điện chạy từ đầu này đến đầu kia. • Nút: là điểm gặp nhau của từ ba nhánh trở lên. • Vòng: là lối đi khép kín qua các nhánh. • Mắt lưới: là vòng mà bên trong không có vòng khác. 2. Các đại lượng đặc trưng của mạch điện Dòng điện Dòng điện i có giá trị bằng tốc độ biến thiên của lượng điện tích q qua tiết diện ngang của một vật dẫn trong một đơn vị thời gian. Biểu thức: dt dqi = Chiều dòng điện qui ước là chiểu chuyển động của điện tích dương trong điện trường. Điện áp Tại mỗi điểm trong mạch có một điện thế. Hiệu điện thế giữa hai điểm gọi là điện áp. Như vậy điện áp giữa hai điểm A và B là: BAAB uuu −= Chiều điện áp qui ước là chiều từ điểm có điện thế cao đến điểm có điện thế thấp. −+ R i B A ABu −+ R i B A Khóa luận tốt nghiệp Trang 5 3. Các phần tử mạch điện Nguồn áp u(t) Nguồn áp đặc trưng cho khả năng tạo nên và duy trì một điện áp trên hai cực của nguồn. Nguồn điện áp còn được biểu diễn bằng một sức điện động e(t). Kí hiệu: Nguồn dòng j(t) Nguồn dòng đặc trưng cho khả năng của nguồn điện tạo nên và duy trì một dòng điện cung cấp cho mạch ngoài. Kí hiệu: Điện trở R Điện trở R đặc trưng cho quá trình tiêu thụ điện năng và biến đổi điện năng sang dạng năng lượng khác như nhiệt năng, quang năng, cơ năng… Đơn vị của điện trở là Ω (Ohm). Kí hiệu: Quan hệ giữa dòng điện và điện áp trên điện trở là: Ru R i= × Ru gọi là điện áp trên điện trở. Điện cảm L Điện cảm L đặc trưng cho quá trình trao đổi và tích lũy năng lượng từ trường. Đơn vị của điện cảm là H (Henry). Kí hiệu: Quan hệ giữa dòng điện và điện áp trên điện cảm ± u(t) hoặc e(t) J(t) −+ R i B A Ru L Lu i − + Khóa luận tốt nghiệp Trang 6 L diu L dt = × Lu gọi là điện áp trên điện cảm Điện dung C Điện dung C của tụ điện được định nghĩa là: C qC u = Điện dung C đặc trưng cho quá trình trao đổi và tích lũy năng lượng điện trường. Đơn vị của điện dung là F (Fara). Kí hiệu: Quan hệ giữa dòng điện và điện áp trên điện dung C 1Cu i dtC = × ×∫ Cu gọi là điện áp trên điện dung C 4. Biểu diễn dòng điện hình sin bằng số phức Qui ước: Số phức biểu diễn các đại lượng hình sin kí hiệu bằng chữ in hoa có dấu chấm ở trên đầu. Ví dụ: ( )( ) 2 sini t I tω ϕ= + ( )( ) 2 sinu t U tω ϕ= + Được biểu diễn thành hai số dưới dạng: • Dạng mũ: ij iI I e Iϕ ϕ= × = ×∠& uj uU U e U ϕ ϕ= × = ×∠& • Dạng đại số: ii jIII ϕϕ sincos +=& uu jUUU ϕϕ sincos +=& Các phép tính trên số phức Giả sử có hai số phức: 1 x iX a jb r e ϕ= + = × 2 y iY c jd r e ϕ= + = × Ta có: ( ) ( )X Y a c j b d± = ± + ± ( ) ( )1 2 x yjX Y a c b d j a d b c r r e ϕ ϕ+× = × − × + × + × = × × ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( )1 2 2 2 x yja jb c jd a c b d j b c a d rX e Y c jd c jd c d r ϕ ϕ−+ × − × + × + × − ×= = = ×+ × − + Tổng trở phức Tổng trở phức được định nghĩa là: C Cu i + − Khóa luận tốt nghiệp Trang 7 ( ) u u i i i j j j U U e UZ e Z e I I e I ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ −×= = = × = ×× & & cos sinZ jZ R jX ϕ ϕ= + = + Trong đó phần thực là điện trở R, phần ảo là điện kháng X. Tổng trở phức được ký hiệu bằng chữ in hoa có gạch ngang ở trên Z . Môđun của tổng trở phức ZZ = Tổng dẫn phức Tổng dẫn phức được định nghĩa là: 1 1 j jY e Y e Z Z ϕ ϕ− −= = × = × Hoặc 2 2 2 2 1 R XY j G jB R jX R X R X = = − = −+ + + Trong đó 2 2 RG R X = + ; 2 2 XB R X = + ; 1Y Z = Tổng dẫn phức ký hiệu bằng chữ in hoa