Thí nghiệm Điện tử công suất - ThS. Bùi Hữu Hiên

Chia sẻ: Conbongungoc09 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:66

Thêm vào BST

Báo xấu

35
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Môn học này cũng giúp người học nhận diện các sơ đồ mạch điện tử công suất, phân tích nguyên lý và phương pháp đo đạc các thông số dòng áp cũng như nhận biết các dạng sóng điện áp, dòng điện trên tải và trên các linh kiện công suất trên mạch.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Thí nghiệm Điện tử công suất - ThS. Bùi Hữu Hiên

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Biên soạn: ThS. Bùi Hữu Hiên Tài Liệu Lưu Hành Tại HUTECH www.hutech.edu.vn
THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Ấn bản 2015
MỤC LỤC I MỤC LỤC MỤC LỤC .................................................................................................................... I HƯỚNG DẪN .............................................................................................................. II BÀI 1: THÍ NGHIỆM MẠCH KÍCH THYRISTOR VÀ TRIAC............................................... 1 BÀI 2: THÍ NGHIỆM BỘ CHỈNH LƯU CẦU CÔNG SUẤT 1 PHA ...................................... 10 BÀI 3: THÍ NGHIỆM BỘ CHỈNH LƯU CẦU CÔNG SUẤT 3 PHA ...................................... 23 BÀI 4: THÍ NGHIỆM BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU ........................................... 29 BÀI 5: THÍ NGHIỆM BỘ BIẾN ĐỔI NGUỒN DC - DC CÔNG SUẤT ................................. 35 BÀI 6: THÍ NGHIỆM BỘ BIẾN TẦN KIỂU ĐIỀU RÔNG XUNG (PULSE WIDTH MODULATION INVERTER) ...................................................................... 42 BÀI 7: THÍ NGHIỆM BỘ BIẾN TẦN THEO PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI ĐIỆN THẾ (VARIABLE - VOLTAGE INTERVER) ................................................................................ 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................ 59
II HƯỚNG DẪN HƯỚNG DẪN MÔ TẢ MÔN HỌC Giới thiệu tổng quan về điện tử công suất, các linh kiện công suất phổ thông được sử dung phổ biến trên thị trường, các mạch cơ bản trong điện tử công suất, nguyên lý vận hành và các phương pháp kích dẫn. Môn học này cũng giúp người học nhận diện các sơ đồ mạch điện tử công suất, phân tích nguyên lý và phương pháp đo đạc các thông số dòng áp cũng như nhận biết các dạng sóng điện áp, dòng điện trên tải và trên các linh liện công suất trên mạch. NỘI DUNG MÔN HỌC  Bài 1. Thí nghiệm mạch kích Thyristor và Triac: Bài này cung cấp cho sinh viên kiến thức về các phương pháp kích dẫn cho Thyristor và Triac, đặc biệt là phương pháp kích đồng bộ.  Bài 2. Bộ chỉnh lưu cầu công suất 1 pha: Bài này cung cấp cho sinh viên kiến thức về các bộ chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển bán phần và toàn phần với phương pháp kích đồng bộ.  Bài 3. Bộ chỉnh lưu cầu công suất 3 pha: Bài này cung cấp cho sinh viên kiến thức về các bộ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển bán phần và toàn phần với phương pháp kích đồng bộ.  Bài 4. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều: Bài này cung cấp cho sinh viên kiến thức về các bộ điều khiển điện áp xoay chiều mà linh kiện công suất là Triac.  Bài 5. Bộ biến đổi ngườn DC - DC công suất: Bài này giúp sinh viên nhận diện, phân tích và đo đạc thông số dòng áp của các mạch biến đổi DC - DC.  Bài 6. Bộ biến tần điều rộng xung: Bài này giúp sinh viên có kiến thức về bộ biến tần dùng phương pháp điều rộng xung (PWM).  Bài 7. Bộ biến tần theo phương pháp biến đổi điện thế (Six – step): Bài này giúp sinh viên hiểu biết về bộ biến tần Six – Step và các dạng sóng trên tải của mạch này.
HƯỚNG DẪN III KIẾN THỨC TIỀN ĐỀ Môn học thí nghiệm điện tử công suất đòi hỏi sinh viên phải có kiến thức lý thuyết về môn học Điện tử công suất. YÊU CẦU MÔN HỌC Người học phải dự học đầy đủ các buổi thí nghiệm trên lớp và soạn phần chuẩn bị bài cũng như hoàn chỉnh phần báo cáo TN ở nhà trước khi lên lớp. CÁCH TIẾP NHẬN NỘI DUNG MÔN HỌC Để học tốt môn này, người học cần ôn tập các bài đã học trong lý thuyết, trả lời các câu hỏi trong phần chuẩn bị trước khi thí nghiệm. Đọc trước bài mới sẽ học. Đối với mỗi bài thí nghiệm, người học phải đọc trước mục tiêu và tóm tắt bài học, sau đó tìm các thông tin liên quan đến nội dung bài thí nghiệm để tham khảo thêm. Kết thúc mỗi bài thí nghiệm người học phải soạn báo cáo thí ngiệm theo mẫu Báo cáo đính kèm theo giáo trình thí nghiệm. PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ MÔN HỌC Môn học được đánh giá gồm:  Điểm quá trình: 30%. Hình thức và nội dung do GV quyết định, phù hợp với quy chế đào tạo và tình hình thực tế tại nơi tổ chức học tập.  Điểm thi: 70%. Chấm báo cáo thí nghiệm hoặc làm bài thi thực hành tùy vào quan điểm của người hướng dẫn thí nghiệm.
BÀI 1: THÍ NGHIỆM MẠCH KÍCH THYRISTOR VÀ TRIAC 1 BÀI 1: THÍ NGHIỆM MẠCH KÍCH THYRISTOR VÀ TRIAC 1.1 MỤC ĐÍCH YÊU CẦU: Giúp sinh viên làm quen một vài linh kiện điện tử công suất thông dụng là Thyristor và Triac. Tính năng vận hành của chúng và các phương pháp kích dẫn, đặc biệt đề cao ý nghĩa của phương pháp kích động bộ. 1.2 PHẦN LÝ THUYẾT: 1.2.1 Thyristor (SCR): Thyristor (tên ghép từ Thyratron và Transistor) được cấu tạo từ 4 lớp bán dẫn P-N- P-N (hình 1.1.a), có các điện cực ra Anode (A), Cathode (K) và điện cực điều khiển (G). Hình 1.1: Cấu trúc và hình dạng của Thysistor Khi nối Anode với cực “+” và Cathode với cực “-” của nguồn một chiều, J1 và J3 được phân cực thuận và J2 phân cực nghịch. Kết quả là gần như toàn bộ điện thế nguồn đặt lên lớp tiếp xúc J2. Nếu tác động vào cực G một điện thế dương so với K (tín hiệu xung kích) thì Thysistor nhận năng lượng đủ lớn của điện trường tổng cộng. Các điện trường này sẽ ion hóa các nguyên tử bán dẫn, tạo ra các điện tử mới (thứ
2 THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT cấp). Các điện tử thứ cấp nhận năng lượng và gây ion hóa tiếp theo. Kết quả là một thác lũ điện tử được tạo ra trong lớp tiếp xúc J2 và chảy vào N1, sau đó qua P1 để tới cực A tạo thành dòng qua Thyristor. Thyristor làm việc trong chế độ này là chế độ mở, có điện trở thuận nhỏ và dòng dẫn I lớn. Để đưa Thyristor về trạng thái cấm (khóa), cần tiến hành theo 2 cách sau: - Giảm dòng I xuống giá trị duy trì dẫn. - Đảo chiều thế phân áp U hoặc tạo thế phân cực ngược cho Thyristor (Chỉ áp dụng được với tải thuần trở, còn với tải cảm thì không thể được!). Một số đặc điểm cần lưu ý khi sử dụng Thyristor:  Mỗi loại Thyristor chế tạo có các đặc trưng khác nhau, cần lựa chọn loại thích hợp với yêu cầu sử dụng: - Dòng điện định mức In: (tùy loại) ~A  1000A. - Dòng điện rò ~mA. - Điện áp ngược cực đại Uin (max): (tùy loại) vài trăm Volt  vài kV. - Dòng điện điều khiển IG. - Tốc độ tăng dòng điện dI/dt: A/s. - Tốc độ tăng điện áp dV/dt: V/s. - Thời gian khóa: vài chục s. - Thời gian mở: vài s. - Quá trình chuyển từ mở sang cấm không xảy ra tức thời. Nếu khi Thyristor chưa cấm hẳn mà đã xác lập thế U để UA-K dương, sẽ làm đoản mạch nguồn và hỏng Thyristor. 1.2.2 TRIAC (Triode Alternative Current): Triac là dụng cụ tương đương với 2 Thyristor song song ngược chiều nhau có chung một cực điều khiển. Do làm việc với cả nguồn phân cực dương và âm, khái niệm Anode và Cathode của Triac không phù hợp. Được quy ước sử dụng ký hiệu T2 (hoặc B2) và T1 (hoặc B1) cho các cực ngõ ra và cực điều khiển G ở gần T1.
BÀI 1: THÍ NGHIỆM MẠCH KÍCH THYRISTOR VÀ TRIAC 3 Hình 1.2: Cấu trúc (a) và ký hiệu Triac (b) Cấu trúc bán dẫn của Triac có thể mô tả bằng 2 cấu trúc 4 lớp tiếp xúc bán dẫn Ta và Tb. Trong trường hợp nối T2 với nguồn “+” và T1 với nguồn ”-“, G với “+”, nửa Ta của Triac làm việc như một Thyristor thông thường. Nếu phân cực nguồn ngược lại, điện tử từ N3 sẽ phóng vào P2, gây ra quá trình thác lũ do va chạm làm dẫn Tb. Khác với Thyristor, Triac có thể làm việc với điện thế điều khiển âm và không đổi trạng thái khi đảo cực nguồn thế nuôi. Hình 1.3: Đặc tuyến V - A của Triac
4 THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 1.2.3 Sơ đồ điều khiển (kích) Thyristor và Triac: Thyristor và Triac có thể được kích bằng nguồn một chiều. Thời gian kích để chuyển trạng thái Thyristor và Triac không lớn. Sau khi được kích dẫn, tín hiệu điều khiển mất tác dụng. Chính vì vậy có thể điều khiển các linh kiện này bằng xung có biên độ và thời gian kéo dài tương ứng với từng loại sử dụng. Hình1.4: Kiểu sơ đồ điều khiển đồng bộ pha cho Thyristor và Triac 1.3 TIẾN TRÌNH THÍ NGHIỆM: ĐIỀU KHIỂN ĐỒNG BỘ SCR & TRIAC 1.3.1 Thiết bị sử dụng: Thiết bị cho thực tập khảo sát mạch kích Thyristor và Triac (hình 1.5), chứa các phần tử chức năng: - Bảng nguồn PE-500PS, chứa Aptomat 1 pha cho các ổ điện 220 VAC, Aptomat chính 3 pha cấp nguồn (~24VAC) cho thí nghiệm, cầu chì, đèn báo nguồn, các ngõ ra cho các nguồn ~24VAC/10A 3 pha, nguồn DC 12V/1.5A. - Module nguồn kích DC và máy phát: PEC-501A. - Module liên kết quang và biến thế: PEC-501B. - Module tạo khung điều khiển đồng bộ: PEC-502.
BÀI 1: THÍ NGHIỆM MẠCH KÍCH THYRISTOR VÀ TRIAC 5 - Module linh kiện CS chứa Diode, Transistor, SCR, Triac, MOSFET: PE-511 - Module tải: PEL-521 - Dao động ký 2 tia, Đồng hồ đo. - Phụ tùng: Dây có chốt cắm hai đầu. - Lưu ý ký hiệu thống nhất cho các khối để dễ xác định khi lắp ráp: - PE: Power Electronics - ký hiệu cho khối công suất, ví dụ PE-511, PE-512, … - PEC: Power Electronics Controller - ký hiệu cho các khối điện tử điều khiển, ví dụ PE-501A/B, PEC-502, PEC-503, … - PEL: Power Electronics Load - ký hiệu cho khối tải.
6 THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Hình 1.5: Thiết bị thực tập khảo sát linh kiện điện tử công suất Hình 1.6: Sơ đồ mạch nguồn 3 pha (24VAC) và mạch nguồn DC (  12V)
BÀI 1: THÍ NGHIỆM MẠCH KÍCH THYRISTOR VÀ TRIAC 7 Hình 1.7: Mô hình bộ nguồn công suất 1.3.2 Thực hành điều khiển đồng bộ SCR và TRIAC theo pha điện lưới: a) Nối sơ đồ thí nghiệm như hình 1.6: - Kiểm tra việc cấp nguồn 12V và GND cho các module điện tử. - Cấp nguồn ~24VAC cho ngõ vào X-Y sơ đồ điều khiển đồng bộ PEC-502. Chú ý chiều đánh dấu X&Y tương ứng với các cực nối tải. - Nối ngõ ra bộ điều khiển OUT1/A với chốt G và OUT1/B với chốt K của SCR1 (PE- 511). - Nối chốt A/SCR1 với tải đèn R1 (PEL-521). Nối tải đèn với nguồn ~24VAC. - Nối chốt Vrefo với Vrefi trên Module PEC-502 để cấp thế chuẩn từ biến trở P3 cho các bộ so sánh. b) Sử dụng dao động ký quan sát dạng tín hiệu tại ngõ vào X-Y, các điểm kiểm tra TP1  TP5 và ngõ ra sơ đồ điều khiển đồng bộ, tín hiệu trên tải đèn. Vặn biến trở P3 để thay đổi góc mở , quan sát sự thay đổi tín hiệu trên tải tương ứng. (lưu ý: dùng dao động ký 2 tia để quan sát độ dịch của các tín hiệu). c) Sử dụng OUT3 thay cho OUT1 của PEC-502. Nối OUT3/A với G và OUT3/B với K của SCR1. Quan sát dạng tín hiệu trên tải. So sánh với trường hợp sử dụng OUT1. Giải thích nguyên nhân khác nhau giữa chúng. d) Đảo ngược dây nối ~24V cho ngõ vào sơ đồ điều khiển đồng bộ. Quan sát tín hiệu ra trên tải. Giải thích sự khác nhau giữa chúng.
8 THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Hình 1.8: Sơ đồ điều khiển xung đồng bộ Thysistor với tải trở e) Thay tải trở bằng tải cảm L (PEL-521). Lặp lại các bước thí nghiệm trên. Vẽ dạng tín hiệu trên tải vào báo cáo. So sánh dạng tín hiệu trên tải khi dùng tải trở và tải cảm. Giải thích sự khác nhau giữa chúng. f) Vẽ giản đồ so sánh trên tải R và L vào báo cáo khi đặt giá trị góc mở (điều chỉnh P3)  = /5. g) Thay thế Thyristor bằng Triac cho trường hợp tải trở và tải cảm (hình 1.8). Lặp lại các bước thí nghiệm cho sơ đồ Triac (giống như đối với Thyristor). Vẽ dạng tín hiệu trên tải vào báo cáo. So sánh dạng tín hiệu và giải thích sự khác nhau giữa chúng. h) Vẽ giản đồ sóng trên tải R và L vào báo cáo khi đặt giá trị góc mở (điều chỉnh P3)  = /5.
BÀI 1: THÍ NGHIỆM MẠCH KÍCH THYRISTOR VÀ TRIAC 9 Hình 1.10: Sơ đồ điều khiển xung đồng bộ Triac với tải trở
10 THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT BÀI 2: THÍ NGHIỆM BỘ CHỈNH LƯU CẦU CÔNG SUẤT 1 PHA 2.1 MỤC ĐÍCH YÊU CẦU: Giúp sinh viên tìm hiểu bộ Chỉnh lưu cầu và các phương pháp điều khiển Bán phần và Toàn phần theo nguyên lý kích đồng bộ. 2.2 PHẦN LÝ THUYẾT: Bộ chỉnh lưu công suất thực hiện biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều. Bộ chỉnh lưu được sử dụng rộng rãi để cung cấp nguồn một chiều công suất lớn cho các thiết bị công nghiệp như động cơ điện một chiều công suất tới tầm MW (Mega Watt), mạch kích từ máy phát điện, nguồn điện một chiều cho các máy hàn, mạ điện, nạp điện, nguồn cho các bộ biến tần và hàng loạt các ứng dụng khác. Hình 2.1: Sơ đồ chỉnh lưu cầu 2.2.1 Chỉnh lưu điều khiển bán phần: Cân Sơ đồ mạch chỉnh lưu điều khiển bán phần dạng đối xứng được trình bày trên hình 2.2. Các Thyristor SCR1 và SCR2 tạo thành nhóm Anode, còn các diode D1 và D2 tạo thành nhóm Cathode.
BÀI 2: THÍ NGHIỆM BỘ CHỈNH LƯU CẦU CÔNG SUẤT 1 PHA 11 Hình 2.2: Sơ đồ chỉnh lưu điều khiển bán phần Do tác dụng của diode D1 và D2, điện áp tạo ra trên tải không âm. Do vậy, bộ chỉnh lưu cầu điều khiển bán phần không được sử dụng khi tải đòi hỏi hoạt động trong chế độ nghịch lưu có hoàn trả năng lượng về nguồn xoay chiều. a) Trường hợp tải thuần trở R: Hình 2.3: Giản đồ tín hiệu mạch chỉnh lưu điều khiển bán phần với tải R
12 THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Trong đó: - UAC, IAC là điện áp và đong điện xoay chiều cấp cho sơ đồ cầu. - UDC và IDC là điện áp trên tải và dòng chỉnh lưu qua tải. - USCR1, ISCR1 là điện áp và dòng điện trên Thyristor SCR1. - UD1, ID1 là điện áp và dòng điện trên Diode D1. Hình 2.4: Sự phụ thuộc giữa điện áp chỉnh lưu điều khiển bán phần với giá trị góc điều khiển b) Trường hợp tải là thuần trở mắc nối tiếp với tải cảm RL: Dạng tín hiệu trên mạch chỉnh lưu điều khiển bán phần được trình bày trên hình 2.5, trong đó: - UAC, IAC là điện áp và dòng điện xoay chiều cấp cho sơ đồ cầu. - UDC, IDC là điện áp và dòng điện trên tải RL. Điện áp trên tải có dạng không âm, gián đoạn và giống như trường hợp tải là thuần trở R.
BÀI 2: THÍ NGHIỆM BỘ CHỈNH LƯU CẦU CÔNG SUẤT 1 PHA 13 Hình 2.5: Giản đồ tín hiệu mạch chỉnh lưu điều khiển bán phần với tải RL 2.2.2 Chỉnh lưu điều khiển toàn phần: Sơ đồ chỉnh lưu điều khiển toàn phần dạng đối xứng được trình bày trên hình 2.6. Các Thyristor SCR1 và SCR2 tạo thành nhóm Anode, còn Thyristor SCR3 và SCR4 tạo thành nhóm Cathode. Hình 2.6: Sơ đồ chỉnh lưu điều khiển toàn phần