Giáo trình Điện tử công suất (Trình độ: Cao đẳng) - Trường Cao đẳng Nghề Kỹ thuật Công nghệ Bà Rịa Vũng Tàu

khi có xung dòng iG vào cực điều khiển khi vs > Ed. Tương tự như trương hợp R-L, Thyristor vẫn giữ nguyên trạng thái dẫn cho đến khi A1 = A2. Khi Thyristor tắt (khóa) điện áp trên tải vd = Ed. ❖ Khảo sát mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ bằng Psim - Bước 1: Mở phần mềm Psim - Bước 2: vào file →new: tạo mạch mô phỏng mới - Bước 3: vào Elements→ Power →source→voltage→sine : lấy nguồn xoay chiều - Bước 4: vào Elements→ Power →switches→thyristor: lấy linh kiện bán dẫn thyristor - Bước 5: vào Elements→ Power →RLC Branches→resistor : lấy linh kiện điện trở - Bước 6: vào Elements→ Orther →Probes→voltage probe (hoặc current probe): lấy dụng cụ đo điện áp (hoặc dòng điện) - Bước 7: dùng cây viết (wire) kết nối các linh kiện 47 - Bước 8: vào Elements→ Power →switches→Gating block: lấy máy phát xung cho SCR - Bước 9: Khai báo xung kích SCR ( tần số 50Hz và điểm 2, góc kích 900), nguồn ( 220 2 312= ) , giá trị điện trở - Bước 10: lấy đồng hồ (simulation control) - Bước 11: chạy mô phỏng Kết quả mô phỏng 2. Chỉnh lưu hai pha nửa sóng. Sử dụng điểm giữa cuộn thứ cấp máy biến áp chia điện áp thứ cấp thành v1 và v2. Các điện áp này lệch pha 180o , và nhận điểm giữa làm điểm trung tính. Dòng điện qua các thyristor T1 và T2 vào lúc điện áp tương ứng v1 và v2 dương, khép mạch qua tải và trở về điểm trung tính. 48 Hình 3.3: chỉnh lưu hai pha nửa sóng có điều khiển tải R Như trên sơ đồ Thyristor T1 có thể được bật trong toàn bộ thời gian khi v1 > 0, xung điều khiển trễ một góc α quyết định thời điểm bật T1. Trạng thái bật của mỗi Thyristor được thể hiện trên đồ thị hình 3-3. Các van tiếp tục dẫn trong chu kỳ của mình cho đến khi điện áp ngược xuất hiện trên van. Giá trị điện áp trên tải được tính theo biểu thức vdiα = 1 π ∫ Vmsinx. dx = 𝑉𝑚 𝜋 (1 + 𝑐𝑜𝑠𝛼) π α (3.4) Dòng điện xoay chiều is bằng iT1(N2/N1) khi T1 dẫn và iT2(N2/N1) khi T2 dẫn, trong đó N2/N1 là tỉ số vòng dây cuộn thứ cấp và sơ cấp. 3. Chỉnh lưu cầu một pha Điều khiển chỉnh lưu cầu một pha có hai phương án: điều khiển sử dụng 4 Thyristor (hình 3.4a) và bán điều khiển (điều khiển một phần) sử dụng 2 Thyristor và 2 Diode Hình 3.4: Chỉnh lưu cầu một pha: a) điều khiển b) bán điều khiển Dạng sóng điện áp và dòng điện của chỉnh lưu cầu điều khiển với tải điện trở R được vẽ trên hình 3.4a. Các van T1 và T2 phải được mở đồng thời trong nửa sóng dương của điện áp vs , dẫn dòng. Tương tự, các van T3, T4 cũng được mở đồng thời trong nửa sóng điện áp nguồn âm. Để đảm bảo tính đồng thời bật của các van T1 và T2 người ta dùng chung một dòng kích mở. Điện áp trên tải tương tự như với trương hợp hai pha nửa sóng đã xét ở trên. Dòng điện xoay chiều: is = iT1 – iT4 (3.5) Với dạng sóng được vẽ trên hình sau: 49 Hình 3.5: Dạng sóng dòng, áp của chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển tải R Trường hợp chỉnh lưu cầu một pha điều khiển với tải điện trở và điện cảm (L → ∞). Giá trị điện cảm lớn đảm bảo lọc phẳng hoàn toàn dòng điện chỉnh lưu tại tải cũng như dòng điện xoay chiều nguồn vào. Do dòng điện tải liên tục, các Thyristor T1, T2 vẫn giữ nguyên trạng thái mở mặc dù nửa chu kỳ dương của điện áp nguồn vs đã qua. Do nguyên nhân này, điện áp trên tải vd có thể có giá trị tức thời âm. Việc bật các Thyristor T3, T4 mang lại 2 kết quả: Tắt các van T1, T2; sau khi chuyển mạch T3, T4 dẫn dòng điện tải. Hình 3.6:Dạng sóng dòng, áp của chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển tải R-L(L → ∞). Dòng điện xoay chiều nguồn có dạng xung vuông như trên hình 3-8, trong điều kiện dòng điện liên tục. Trường hợp đó điện áp trung bình trên tải: vdiα = 1 π ∫ Vmsinx. dx = 2𝑉𝑚 𝜋 (𝑐𝑜𝑠𝛼) α+π α (3.6) ❖ Trường hợp tải thuần trở Xét trường hợp sơ đồ cầu hình 3.4a các cặp T1,T2 và T3,T4 có cùng xung kích khởi. Giả sử đóng nguồn vào lúc 0t = 0 00 0I v=  = và 1 2 0 0T Tv v v v+ = −  : vậy T1,T2 được phân cực thuận 50 t = có xung điều khiển T1,T2 dẫn điện: 0 0.v v R i= =  dòng tải có cùng dạng với áp. Khi t = dòng áp ra bằng 0 T1,T2 tắt ⇒ góc dẫn   = − Trị trung bình áp ra: ( )0 21 1 . 2 sin . cos 1mm V V v d t V t d t            = = = +  (3.7) Dòng tải tức thời: 00 v i R = (3.8) Dòng trung bình: 00 V I R = (3.9) ❖ Khảo sát mạch chỉnh lưu cầu 1 pha bằng Psim - Bước 1: Mở phần mềm Psim - Bước 2: vào file →new: tạo mạch mô phỏng mới - Bước 3: vào Elements→ Power →source→voltage→sine : lấy nguồn xoay chiều - Bước 4: vào Elements→ Power →switches→thyristor: lấy linh kiện bán dẫn thyristor - Bước 5: vào Elements→ Power →RLC Branches→resistor : lấy linh kiện điện trở - Bước 6: vào Elements→ Orther →Probes→voltage probe (hoặc current probe): lấy dụng cụ đo điện áp (hoặc dòng điện) - Bước 7: dùng cây viết (wire) kết nối các linh kiện - Bước 8: vào Elements→ Power →switches→Gating block: lấy máy phát xung cho SCR - Bước 9: Khai báo xung kích SCR ( tần số 50Hz và điểm 2, góc kích 900), nguồn ( 220 2 312= ) , giá trị điện trở - Bước 10: lấy đồng hồ (simulation control) - Bước 11: chạy mô phỏng Kết quả mô phỏng 51 4. Chỉnh lưu tia ba pha nửa sóng Nguyên lý sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha nửa sóng trình bày trên hình 3.7 Điều chỉnh điện áp chỉnh lưu, sơ đồ dùng 3 thyristor mắc chung Kathode. Điện áp nguồn xoay chiều được coi là lý tưởng. Thyristor sẽ dẫn (trạng thái bật) khi điện áp Anode – Kathode vAK dương và đồng thời có xung kích mở iG vào cực điều khiển. Góc trễ xung điều khiển α được tính từ điểm giao của các điện áp pha nguồn là khi điện áp vAK bắt đầu dương. Hình 3.7: Chỉnh lưu ba pha nửa sóng có điều khiển Xung kích các cổng lệch 2π/3 theo thứ tự pha A,B,C: T1 → T2 → T3→ T1 Hình 3.8: xung kích IGT Điểm chuyển mạch tự nhiên hay 0 = chính là điểm mà áp pha tương ứng bắt đầu cao hơn các pha khác. Nếu được kích lúc đó T sẽ dẫn điện như diode và áp ra sẽ lớn nhất Xét T1, 0 = ở 2t k  = + với / 6 = ( Tải thuần trở) 52 Giả sử đóng nguồn vào lúc 0t = 0 00 0I v=  = và 1 0 0Tv v v= −  : vậy T1 được phân cực thuận Khi 6 t   = + , có xung điều khiển T1 dẫn điện 0 0.Av v R i= = dòng tải có dạng cùng áp. Giả sử 6    tại t = dòng áp ra bằng 0, T1 tắt ⇒ Góc dẫn 6    = − − Khi 2 6 3 t    = + , T2 có xung kích cổng, nối pha B vào tải, dạng áp và dòng ra giống T1 nhưng chậm pha 2π/3 ❖ Khảo sát mạch chỉnh tia 3 pha nửa sóng bằng Psim - Bước 1: Mở phần mềm Psim - Bước 2: vào file →new: tạo mạch mô phỏng mới - Bước 3: vào Elements→ Power →source→voltage→3-ph-sine : lấy nguồn xoay chiều - Bước 4: vào Elements→ Power →switches→thyristor: lấy linh kiện bán dẫn thyristor - Bước 5: vào Elements→ Power →RLC Branches→resistor : lấy linh kiện điện trở - Bước 6: vào Elements→ Orther →Probes→voltage probe (hoặc current probe): lấy dụng cụ đo điện áp (hoặc dòng điện) - Bước 7: dùng cây viết (wire) kết nối các linh kiện - Bước 8: vào Elements→ Orther →sensor→volttage sensor: tạo máy phát xung cho SCR - Bước 9: vào Element→ Control →Comparator: lấy bộ so sánh - Bước 10: vào Elements→ Orther →Switch controller→Alpha controller: lấy bộ điều khiển góc kích - Bước 11: vào Elements→ Power →source→voltage→DC: Lấy nguồn một chiều - Bước 12: Lấy bộ step điều khiển góc kích ( ở thanh công cụ) - Bước 13: Lấy đồng hồ (simulation control) - Bước 14: Gắn nhãn label cho các đầu nối - Bước 11: chạy mô phỏng Kết quả mô phỏng 53 5. Chỉnh lưu cầu bán điều khiển Tương tự như chỉnh lưu diode, hoạt động của sơ đồ cầu ba pha có điều khiển có thể phân tích thành 2 nhóm: nhóm dương gồm T1, T2, T3 nối chung cathod và nhóm âm gồm T4, T5, T6 nối chung anod. Hình 3.9: Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu Điểm 0 = ( chuyển mạch tự nhiên) của các SCR là các điểm bắt đầu dẫn điện của các diode cùng vị trí. Thứ tự điều khiển SCR cũng chính là thứ tự xoay pha lưới, các SCR trong cùng một pha lệch nửa chu kỳ lưới: 1 2 3 1T T T T→ → → 6 4 5 6T T T T→ → → Như vậy khoảng cách xung giữa 2 SCR cùng nhóm ( 1T và 2T ) là 2 / 3 , giữa 2 SCR nối tiếp ( 1T và 6T ) là / 3 ( thể hiện hình 3.10 b) 54 Hình 3.10: Dạng sóng và góc kích mạch chỉnh lưu cầu Như vậy với dòng liên tục mỗi đợt luôn có một SCR của mỗi nhóm dẫn, áp ra của các nhóm v+ và v- so với trung tính lưới( thể hiện hình 3.10a) và áp ra trên tải sẽ lần lượt là các dây tương ứng với cặp SCR đang dẫn (hình 3.10c). mỗi chu kỳ lưới có 6 xung là một phần của hình sin Trị trung bình ra: 0 3 6 cos cosm doV V V   = = (3.9) Với doV là áp ra chỉnh lưu của diode và dòng liên tục và áp ra thay đổi từ doV đến - doV góc điều khiển pha α thay đổi trong khoảng 0 – π ❖ Trường hợp tải thuần trở: Dòng tài i0 có cùng dạng với áp ra v0 và như vậy không có giá trị âm. Khi / 3  áp ra có đoạn bằng 0: dòng gián đoạn. Khi 2 / 3  mạch không còn hoạt động. Việc tính trị trung bình áp ra thực hiện tương tự sơ đồ 3 pha hình tia. ❖ Khảo sát mạch chỉnh tia 3 pha nửa sóng bằng Psim - Bước 1: Mở phần mềm Psim - Bước 2: vào file →new: tạo mạch mô phỏng mới - Bước 3: vào Elements→ Power →source→voltage→3-ph-sine : lấy nguồn xoay chiều - Bước 4: vào Elements→ Power →switches→thyristor: lấy linh kiện bán dẫn thyristor - Bước 5: vào Elements→ Power →RLC Branches→resistor : lấy linh kiện điện trở - Bước 6: vào Elements→ Orther →Probes→voltage probe (hoặc current probe): lấy dụng cụ đo điện áp (hoặc dòng điện) - Bước 7: dùng cây viết (wire) kết nối các linh kiện 55 - Bước 8: vào Elements→ Orther →sensor→volttage sensor: tạo máy phát xung cho SCR - Bước 9: vào Element→ Control →Comparator: lấy bộ so sánh - Bước 10: vào Elements→ Orther →Switch controller→Alpha controller: lấy bộ điều khiển góc kích - Bước 11: vào Elements→ Power →source→voltage→DC: Lấy nguồn một chiều - Bước 12: Lấy bộ step điều khiển góc kích ( ở thanh công cụ) - Bước 13: Lấy đồng hồ (simulation control) - Bước 14: Gắn nhãn label cho các đầu nối - Bước 15: chạy mô phỏng Kết quả mô phỏng ❖ Bài tập áp dụng Bài 1: tính áp ra trung bình V0 của bộ chỉnh lưu cầu 1 pha có điều khiển, tải dòng liên tục và góc điều khiển pha α ( 00, 450, 900). Biết nguồn là 120 volt, tính áp cực đại đặt vào SCR ( bỏ qua sụt áp trên SCR) Bài 2: mạch chỉnh lưu tia 3 pha có điều khiển, áp nguồn 220/380V. Tải (10+j10)Ω. Tính điện áp trung bình, dòng ra khi α =600 và α =900 56 CÂU HỎI ÔN TẬP BÀI 3 1. Trình bày sơ đồ chỉnh lưu 1 pha có điều khiển khi tải là R 2. Trình bày sơ đồ chỉnh lưu 1 pha có điều khiển khi tải là R+L 3. Khảo sát mạch chỉnh lưu 1 pha có điều khiển khi tải là R+L, mô phỏng, tính toán các thông số dòng điện, điện áp, công suất tải ngõ ra bằng Psim 4. Khảo sát mạch chỉnh lưu 3 pha có điều khiển khi tải là R+L, mô phỏng, tính toán các thông số dòng điện, điện áp, công suất tải ngõ ra bằng Psim 57 BÀI 4: KHẢO SÁT BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU Giới thiệu: Bộ biến đổi điện áp xoay chiều được sử dụng để thay đổi trị hiệu dụng của điện áp ngõ ra. Nó được mắc vào nguồn xoay chiều dạng Sin với tần số và trị hiệu dụng không đổi và tạo ở ngõ ra điện áp xoay chiều có cùng tần số nhưng trị hiệu dụng điều khiển được. Do đó bộ biến đổi điện áp xoay chiều có tính năng giống như máy biến thế điều khiển sơ cấp. Điện áp đáp ứng ở ngõ ra thay đổi nhanh và liên tục. Mục tiêu: Sau khi học xong bài này người học có khả năng: - Kiến thức: + Trình bày được nhiệm vụ và chức năng các phần tử trong bộ biến đổi + Giải thích được nguyên lý làm việc của sơ đồ - Kỹ năng: + Lắp đặt và mô phỏng được mạch biến đồi điện áp xoay chiều.. + Vẽ được tín hiệu ngõ ra của mạch. + Rèn luyện đức tính tích cực, chủ động và sáng tạo. Nội dung chính: 1. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều một pha tải R. Mạch gồm nguồn điện áp xoay chiều một pha dạng sin : sinmu U t= mắc nối tiếp với tải R thông qua công tắc xoay chiều bán dẫn. công tắc xoay chiều gồm 2 thyristor mắc song song với nhau. Hình 4.1: Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 1 pha tải R ❖ Phân tích mạch Theo sơ đồ hình 4.1b trong khoảng thời gian (0, α) dòng qua tải bị ngắt ta có: 0, 0t ti u= = Trên thyristor V1 xuất hiện điện áp khóa vì : 1 0v tu u u u= − =  Tại thời điểm ứng với X = α, xung kích IG1 đưa vào cổng điều khiển V1 trong điều kiện có áp khóa làm V1 đóng. Dòng điện khép kín qua mạch (u, V1, R) Trong khoảng 1,X V   dẫn 1 20v vu u= = − , 1 2; 0v t vi i i= = , 1 sint v mu u u u U X= − + = = ; .t tu R i= Tại X = π , dòng qua V1 triệt tiêu. Lúc này dòng điện tải bằng 0 và ta có trạng thái 0 1 2 0v t vi i i= = = ; 1 .v tu u R i u= − = ; 2vu u= − 58 Điện áp đặt lên V2 trong khoảng thời gian ứng với X > π có giá trị dương – điện áp khóa nên việc kích vào cổng điềukhiển V2 trong khoảng ( 2X  +   ) sẽ làm V2 đóng: 2 20;v v tu i i= = ; 1 2 10; 0v v vu u i= − = = ; sin 0t mu u U X= =  ; 0t u i R =  Tại vị trí X = 2π, dòng qua V2 triệt tiêu nên V2 bị ngắt. Mạch trở về trạng thái 0 Trị hiệu dụng áp trên tải: Ut = U (1 − α π + sin 2α 2π ) 1 2 (4.1) Trị hiệu dụng dòng qua tải: It = Ut R (4.2) Hệ số công suất ngõ vào bộ biến đổi: 𝑃𝐹 = 𝑃 𝑆 = ( 𝑈𝑡 2 𝑅 ) 𝑈.𝐼𝑡 = 𝑈𝑡 𝑈 = (1 − 𝛼 𝜋 + 𝑠𝑖𝑛2𝛼 2𝜋 ) 1 2 (4.3) Dòng trung bình qua SCR: 𝐼𝑉𝐴𝑉 = 1 2𝜋 ∫ 𝑈𝑚 𝑅 𝑠𝑖𝑛𝑥. 𝑑𝑥 = 𝑈𝑚 2𝜋𝑅 (1 + 𝑐𝑜𝑠𝛼) 𝜋 𝛼 (4.4) Dòng hiệu dụng qua SCR: IVMRS = It √2 (4.5) 2. Trường hợp tải thuần cảm (tải L) Ta phân biệt hai trường hợp góc điều khiển α • Với góc kích  > /2 : - Trạng thái 0: trong khoảng trước vị trí góc kích  dòng tải bị gián đoạn: 1 2 1 20; 0; 0; 0 t t t v v v di i u L i i u u u dt = = = = = = − =  - Trạng thái V1 ( 2X    − ): tại vị trí X = α, V1 được kích trong lúc có tác dụng của điện áp khóa nên đóng. Dòng điện dẫn khép kín qua mạch (u, V1, L) 1 10; ; sin ; ; t v v t t m t di u i i u u U X u L dt = = = = = Dòng điện có độ lớn tăng từ 0 đến cực đại rồi giảm về 0 tại vị trí X =2π – α. Do 1vi i= nên tại vị trí vừa nêu trên, dòng qua V1 cũng bị tắt. 59 Hình 4.2: Các trạng thái ngắt dẫn của thyristor Trị hiệu dụng điện áp trên tải: 𝑈𝑡 = [ 1 𝜋 ∫ (𝑈𝑚𝑠𝑖𝑛𝜃) 2𝑑𝜃 2𝜋−𝛼 𝛼 ] 1 2 = 𝑈𝑚 (1 − 𝛼 𝜋 + 𝑠𝑖𝑛2𝛼 2𝜋 ) 1 2 (4.6) Trị hiệu dụng dòng qua tải: 𝐼𝑡 = ( 1 𝜋 ∫ 𝑖𝑡 2𝑑𝜃 2𝜋−𝛼 𝛼 ) 1 2 = 𝑈 𝜔𝐿 [2 (1 − 𝛼 𝜋 ) (1 + 2𝑐𝑜𝑠2𝛼) + 3 𝜋 𝑠𝑖𝑛2𝛼] 1 2 (4.7) Trong ứng dụng với tải thuần cảm (L), thành phần hài cơ bản của dòng tải có ý nghĩa quan trọng & tính bởi công thức: ( )(1) 2 1 2 sin 2mL m U I L         = − +    (4.8) Với thành phần hài cơ bản, mạch hoạt động như một cảm kháng điều chỉnh được theo góc kích  : ( ) ( )(1) 2 12 sin 2 m L L m U L X I             = =   − +      (4.9) • Với góc kích  < /2 Điện áp tải không thể điều khiển được nữa. Mạch biến đổi điện áp xoay chiều hoạt động như một công tắc ở trạng thái luôn đóng. Các linh kiện V1, V2 lần lượt dẫn điện với khoảng dẫn của mỗi linh kiện bằng π. Dòng điện qua tải liên tục. Nếu bắt đầu đưa xung kích vào linh kiện từ vị trí / 2 = dòng điện lệch pha so với điện áp một góc / 2 = . Xung kích cần tạo thành dưới dạng chuỗi xung bắt đầu tại vị trí  và kết thúc tại cuối nữa chu kỳ tương ưng của áp nguồn xoay chiều. Ví dụ khi dòng tải qua V1 giảm đến 0, V1 bị ngắt. tại vị trí này trên V2 xuất hiện điện áp khóa. Do các xung kích tác dụng nên V2 đóng và dẫn dòng điện qua tải theo chiều ngược lại. Do đó, dòng điện tải đổi dấu và qua điểm 0 một cách liên tục. 3. Trường hợp tải RL 60 Hình 4.3: Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 1 pha tải RL Tương tự như tải L, việc phân tích hoạt động mạch điện phụ thuộc vào góc điều khiển α. • Trường hợp   ( với ( / )arctg L R = ) dòng điện tải bị gián đoạn. Chu kỳ hoạt động được chia làm 4 khoảng tương ứng 4 trạng thái sau: - Trạng thái 0: mạch không dẫn điện và áp khóa tác dụng lên V1 1 2 1 20; 0; 0; 0t v v v vi i i u u u= = = = − =  - Trạng thái V1: V1 được kích dẫn: 1 1 2; . ; ; 0 t t t t v t v v di u u u R i L i i u u dt = = + = = − = - Trạng thái 0: mạch không dẫn điện và áp khóa tác dụng lên V2 1 2 1 20; 0; 0; 0; 0t t v v v vi u i i u u u= = = = = − =  - Trạng thái V2: V2 được kích dẫn: 1 2 20; ; ; . ; t v v v t t t t di u u i i u u u R i L dt = − = = − = = + • Trường hợp   : dòng tải liên tục. Điện áp tải không điều khiển được. Mạch biến đổi điện áp xoay chiều hoạt động như công tắc ở trạng thái luôn đóng. Điện áp tải bằng áp nguồn xoay chiều có trị hiệu dụng bằng U. Xung kích cho linh kiện được cho dưới dạng chuỗi xung, bắt đầu từ vị trí gó điều khiển đến khi kết thúc nữa chu kỳ tương ứng của áp nguồn xoay chiều ❖ Mạch ứng dụng: Hình 4.4: Điều chỉnh tốc độ động cơ máy hút bụi 61 Hình 4.5: Mạch ứng dụng điều chỉnh độ sáng đèn ❖ Khảo sát mạch chỉnh tia 3 pha nửa sóng bằng Psim - Bước 1: Mở phần mềm Psim - Bước 2: vào file →new: tạo mạch mô phỏng mới - Bước 3: vào Elements→ Power →source→voltage→sine : lấy nguồn xoay chiều - Bước 4: vào Elements→ Power →switches→thyristor: lấy linh kiện bán dẫn thyristor - Bước 5: vào Elements→ Power →RLC Branches→resistor : lấy linh kiện điện trở - Bước 6: vào Elements→ Orther →Probes→voltage probe (hoặc current probe): lấy dụng cụ đo điện áp (hoặc dòng điện) - Bước 7: dùng cây viết (wire) kết nối các linh kiện - Bước 8: vào Elements→ Orther →sensor→volttage sensor: tạo máy phát xung cho SCR - Bước 9: vào Element→ Control →Comparator: lấy bộ so sánh - Bước 10: vào Elements→ Orther →Switch controller→Alpha controller: lấy bộ điều khiển góc kích - Bước 11: vào Elements→ Power →source→voltage→DC: Lấy nguồn một chiều - Bước 12: Lấy bộ step điều khiển góc kích ( ở thanh công cụ) - Bước 13: Lấy đồng hồ (simulation control) - Bước 14: Gắn nhãn label cho các đầu nối 62 - Bước 15: chạy phần mềm mô phỏng Kết quả mô phỏng: CÂU HỎI ÔN TẬP BÀI 4 1. Mô phỏng Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 1 pha tải RL bằng Psim 2. Cho mạch điều khiển áp hiệu dụng bán song 1 pha với tải R = 10Ω Biết áp xoay chiều cấp vào mạch có giá trị hiệu dụng là 220V-50Hz, góc kích α = 60 Mô phỏng mạch điện bằng Psim và tính dòng điện, điện áp trên tải 3. Cho mạch điều khiển áp hiệu dụng toàn sóng 1 pha với tải R =5Ω, L = 5mH. Biết áp xoay chiều cấp vào mạch có giá trị hiệu dụng là 210V-50Hz Mô phỏng và tính áp, dòng trên tải bằng phần mềm Psim với góc kích dẫn là 600 63 BÀI 5: KHẢO SÁT BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU Giới thiệu: Bộ biến đổi điện áp một chiều dùng để điều khiển trị trung bình điện áp một chiều ở ngõ ra từ một nguồn điện áp một chiều không đổi. Điện áp trên tải có dạng xung tạo thành từ quá trình đóng ngắt liên tục nguồn điện áp một chiều không thay đổi vào tải. Do đó, bộ biến đổi còn được gọi là bộ biến đổi điện áp một chiều dạng xung Mục tiêu: Sau khi học xong bài này người học có khả năng: - Kiến thức: + Trình bày được nhiệm vụ và chức năng từng khối của bộ biến đổi + Giải thích được nguyên lý làm việc của mạch điện. - Kỹ năng: + Mô phỏng được mạch giảm áp và tăng áp. + Đo được các giá trị ngõ ra của mạch . - Rèn luyện tính tích cực, chủ động và sáng tạo. Nội dung chính: 1. Bộ giảm áp Hình 5.1 Sơ đồ mạch điện và dạng sóng ngõ ra bộ giảm áp ❖ Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động Mạch bộ giảm áp gồm nguồn điện áp một chiều không đổi U mắc nối tiếp với tải qua công tắc S. Tải một chiếu tổng quát gồm RL và sức điện động E(ví dụ động cơ điện một chiều). Diode V0 mắc song song với tải ( hình 5.1) Nguồn một chiều có thể lấy từ acquy, pin điện, hoặc nguồn áp xoay chiều qua bộ chỉnh lưu không điều khiển và mạch lọc. Công tắc S có chức năng đóng và ngắt được dòng điện đi qua nó. Do đó công tắc S phải là linh kiện tự chuyển mạch, chẳng hạn như Transistor(BJT, MOSFET, IGBT), GTO hoặc ở dạng kết hợp gồm thyristor(SCR) với bộ chuyển mạch. Có 3 phương pháp đóng ngắt công tắc S: Điều khiển với thời gian đóng khóa không đổi, Điều khiển với tần số đóng cắt không đổi, điều khiển theo dòng điện Tải một chiều hay gặp trong thực tế là động cơ một chiều - Trạng thái đóng S Thời gian đóng T1, dòng điện dẫn từ nguồn U khép kín qua mạch gồm(U,S,RLE). Phương trình trạng thái họt động của tải: ut = U (5.1) 𝑢𝑡 = 𝑅. 𝑖𝑡 + 𝐿 𝑑𝑖 𝑑𝑡 + 𝐸 (5.2) Chọn thời điểm ban đầu t0 = 0 ta có: 64 it(t0) = it0 = i0 (5.3) giải phương trình vi phân trân ta có dòng điện đi qua tải có dạng: 𝑖𝑡(𝑡) = 𝑈−𝐸 𝑅 (1 − 𝑒−𝑖/𝜏) + 𝑖0. 𝑒 −𝑡/𝜏 (5.4) Với 𝜏 = L R hằng số thời gian mạch tải Tại cuối khoảng dẫn T1, ta có : 𝑡𝑡1 = 𝑖𝑡(𝑇1) = 𝑖1 Qúa trình dòng điện tải có dạng tăng theo hàm mũ. - Trạng thái ngắt S: Khoảng thời gian (T1 < t < T2) : khoảng thời gian ngắt là T2 . Do bị kích ngắt nên dòng qua S triệt tiêu. Mạch tải có chứa L nên dòng qua nó không thể thay đổi đột ngột, do tinh liên tục của dòng điện qua tải L, dòng tải it tiếp tục đi theo chiều cũ và khép kín qua diode không V0 thuận chiều đang dẫn nó. Phương trình trạng thái ut = U 𝑢𝑡 = 𝑅. 𝑖𝑡 + 𝐿 𝑑𝑖 𝑑𝑡 + 𝐸 (5.5) Dòng điện tải it đạt giá trị tại thời điểm t = T1 𝑖1 = 𝑖𝑡(𝑡0 + 𝑇1) = 𝑖𝑡(𝑇1) = 𝑈−𝐸 𝑅 (1 − 𝑒−𝑇1/𝜏) + 𝑖0 (5.6) Giải phương trình ta có 𝑖𝑡(𝑇1) = −𝐸 𝑅 (1 − 𝑒𝑡−𝑇1/𝜏) + 𝑖1𝑒 𝑡−𝑇1/𝜏 (5.7) Dòng điện có quá trình giảm theo hàm mũ Tại cuối khoảng thời gian T2, công tắc S lại được đóng kín. S dẫn điện làm điện áp nguồn U tác dụng lên diode không V0 như điện áp ngược nên ngắt dòng qua nó. Lặp lại như trên. ⇒ Khi E = 0 dòng tải liên tục Khi E > 0 dòng điện tải có thể liên tục hoặc gián đoạn. Khoảng thời gian dòng tải gián đoạn phụ thuộc vào các giá trị của tham số điều khiển (T1, T2) và tham số tải (RLE) Hình 5.2 tại chế độ dòng gián đoạn, khoảng thời gian gián đoạn (it = 0) xuất hiện thời gian ngắt công tắc S. trong thời gian đóng S dòng điện tải liên tục được mô tả ở hình 5.2 65 Hình 5.2: Điện áp và dòng trên tải của bộ giảm áp Trong giai đoạn đầu của thời gian ngắt công tắc S (T1 < t <t2): dòng điện tải liên tục giảm it (t2) =0 Giai đoạn dòng tải gián đoạn (t2 < t <T) : điện áp trên tải bằng E. Điện áp trung bình trên tải : 1 2t T T t U U E T T − = + (5.8) ❖ Khảo sát mạch giảm áp - Bước 1: Mở phần mềm Psim - Bước 2: vào file →new: tạo mạch mô phỏng mới - Bước 3: vào Elements→ Power →source→voltage→DC : lấy nguồn 1 chiều - Bước 4: vào Elements→ Power →switches→IGBT: lấy linh kiện bán dẫn - Bước 5: vào Elements→ Power →RLC Branches→resistor : lấy linh kiện điện trở - Bước 6: vào Elements→ Power →RLC Branches→Inductor : lấy cuộn dây. - Bước 7: vào Elements→ Power →RLC Branches→Capacitor : lấy tụ điện - Bước 8: vào Elements→ Orther →Probes→voltage probe (hoặc current probe): lấy dụng cụ đo điện áp (hoặc dòng điện) - Bước 8: dùng cây viết (wire) kết nối các linh kiện - Bước 9: Lấy Gatting block: tạo máy phát xung cho IGBT - Bước 10: Lấy đồng hồ (simulation control) - Bước 11: Điều chỉnh các thông số - Bước 12: Chạy mô phỏng Kết quả mô phỏng 66 2. Bộ tăng áp Hình 5.3 Sơ đồ mạch điện và dạng sóng ngõ ra bộ tăng áp - Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động Khi thực hiện hãm tái sinh động cơ điện một chiều, năng lượng từ nguồn điện áp thấp ( sức điện động E) được trả lại nguồn điện áp lớn hơn nguồn một chiều U) điều này có thể thực hiện nhờ hoạt động của bộ tăn áp ( hình 5.3) Điều kiện để mạch hoạt động là E < U và nguồng U có khả năng tiếp nhận năng lượng do tải trả về. Tải một chiều phải chứa nguồn dự trữ năng lượng (sức điện động E) và cảm kháng. Công tắc S thuộc dạng tự chuyển mạch được. Diode V0 cho phép dòng điện dẫn theo chiều từ tải về nguồn và ngăng dòng điện đi theo chiều ngược lại. ❖ Trạng thái đóng S Khoảng thời gian (0 <t < T1), dòng điện dẫn từ nguồn U khép kín qua mạch gồm(S,RLE). Phương trình trạng thái họat động của tải ut = 0 𝑢𝑡 = 𝑅. 𝑖𝑡 − 𝐿 𝑑𝑖 𝑑𝑡 + 𝐸 (5.9) it(t0) = it(0) = i0- thời điểm đầu t0 = 0 ta có: it(t0) = it0 = i0 (5.10) dòng điện qua tải it tăng theo hàm mũ. Dòng điện qua tải cò dạng 𝑖𝑡(𝑡) = ( 𝐸 𝑅 − 𝑖0) (1 − 𝑒 −𝑡/𝜏) + 𝑖0 (5.11) Tại thời điểm cuối đang xét, ta có t =T1 và it(T1) = it ; 𝜏 = L R Năng lượng do sức điện động E phát ra một phần tiêu hao trên điện trở, phần còn lại dự trữ trong cuộn kháng L 67 ❖ Trạng thái V0 - khoảng thời gian (T1 <t < T) công tắc S bị kích ngắt trong khoảng thời gian T2 . dòng qua công tắc S triệt tiêu. do tinh liên tục của dòng điện qua tải L nên dòng tải tiếp tục dẫn điện theo chiều cũ và khép kín qua diode V0 và nguồn U Phương trình: ut = U 𝑢𝑡 = 𝑅. 𝑖𝑡 − 𝐿 𝑑𝑖 𝑑𝑡 + 𝐸 (5.12) Tại thời điểm khoảng đầu đang xét, dòng điện tải có giá trị it(T1) = i1 Giả phương trình ta có 𝑖𝑡(𝑡) = ( 𝐸−𝑈 𝑅 − 𝑖0) (1 − 𝑒 𝑡−𝑇1/𝜏) + 𝑖1 (5.13) Cuộng kháng giải phóng một phần năng lượng dự trữ. Sức điện động E ở chế độ phát năng lượng. cả hai năng lượng này được đưa về nguồn U một phần, phần còn lại tiêu hao trên điện trở. ❖ Khảo sát mạch giảm áp - Bước 1: Mở phần mềm Psim - Bước 2: vào file →new: tạo mạch mô phỏng mới - Bước 3: vào Elements→ Power →source→voltage→DC : lấy nguồn 1 chiều - Bước 4: vào Elements→ Power →switches→IGBT: lấy linh kiện bán dẫn - Bước 5: vào Elements→ Power →RLC Branches→resistor : lấy linh kiện điện trở - Bước 6: vào Elements→ Power →RLC Branches→Inductor : lấy cuộn dây. - Bước 7: vào Elements→ Power →RLC Branches→Capacitor : lấy tụ điện - Bước 8: vào Elements→ Orther →Probes→voltage probe (hoặc current probe): lấy dụng cụ đo điện áp (hoặc dòng điện) - Bước 9: dùng cây viết (wire) kết nối các linh kiện - Bước 10: Lấy Gatting block: tạo máy phát xung cho IGBT - Bước 11: thay đổi các thông số - Bước 12: Lấy đồng hồ (simulation control) - Bước 13: Chạy mô phỏng (Run simulation) - Kết quả mô phỏng 68 CÂU HỎI ÔN TẬP BÀI 5 1. Chức năng của bộ giảm áp? Các phương pháp điều khiển khóa S? 2. Thực hiện mô phỏng mạch sau Cho nhận xét 3. Dùng Psim thực hiện mô phỏng mạch sau Với R=1kΩ, L =0.5H Vin = 10V. Tính giá trị dòng điện, điện áp của mạch 4. Dùng Psim thực hiện mô phỏng mạch sau Với R=1kΩ, L =0.5H, Vin = 10V, C = 100µF. Tính giá trị dòng điện, điện áp của mạch 69 BÀI 6: NGHỊCH LƯU 1 PHA Giới thiệu: Nghịch lưu độc lập là thiết bị biến đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều có tần số ra có thể thay đổi được và làm việc với phụ tải độc lập. Nguồn điện một chiều thông thường là điện áp chỉnh lưu, acquy và các nguồn điện một chiều độc lập khác. Nghịch lưu độc lập và biến tần được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như cung cấp điện từ các nguồn độc lập như acquy, các hệ truyền động xoay chiều, giao thông, truyền tải điện năng, luyện kim Người ta thường phân loại nghịch lưu theo sơ đồ, ví dụ như nghịch lưu một pha, nghịch lưu ba pha. Người ta cũng có thể phân loại chúng theo quá trình điện từ xảy ra trong nghịch lưu như: nghịch lưu áp, nghịch lưu dòng, nghịch lưu cộng hưởng. Ngoài ra còn nhiều cách phân loại nghịch lưu nhưng hai cách trên là phổ biến hơn cả. Mục tiêu: Sau khi học xong bài này người học có khả năng: - Kiến thức: + Trình bày được nguyên lý hoạt động của mạch nghịch lưu. + Xác định được nhiệm vụ và chức năng của từng linh kiện trong bộ nghịch lưu. - Kỹ năng: + Lắp đặt và vận hành được mạch nghịch lưu. + Kiểm tra, sửa chữa được những hư hỏng trong bộ nghịch lưu. - Rèn luyện đức tính tích cực, chủ động và sáng tạo Nội dung chính: 1. Định nghĩa Nghịch lưu dòng là thiết bị biến đổi nguồn dòng một chiều thành dòng xoay chiều có tần số tùy ý. Đặc điểm cơ bản của nghịch lưu dòng là nguồn một chiều cấp điện cho bộ biến đổi phải là nguồn dòng, do đó điện cảm đầu vào Ld thường có giá trị lớn vô cùng để dòng điện là liên tục. 2. Phân loại Có 2 loại nghịch lưu: nghịch lưu áp( 1 pha, 3 pha) và nghịch lưu dòng ( 1 pha, 3 pha) 3. Nghịch lưu dùng IGBT 3.1 Nghịch lưu dòng một pha. Nghịch lưu dòng là thiết bị biến đổi nguồn dòng một chiều thành dòng xoay chiều có tần số tùy ý. Đặc điểm cơ bản của nghịch lưu dòng là nguồn một chiều cấp điện cho bộ biến đổi phải là nguồn dòng, do đó điện cảm đầu vào Ld thường có giá trị lớn vô cùng để dòng điện là liên tục. ❖ Sơ đồ nghịch lưu một pha 70 Hình 5.1: Sơ đồ nghịch lưu một pha ❖ Nguyên lý làm việc. Xét sơ đồ cầu : Các tín hiệu điều khiển được đưa vào từng đôi tiristo T1, T2 thì lệch pha với tín hiệu điều khiển đưa vào đôi T3, T4 một góc 1800 . Điện cảm đầu vào nghịch lưu đủ lớn Ld= ∞ do đó dòng điện đầu vào được san phẳng nguồn cấp cho nghịch lưu là nguồn dòng và dạng dòng điện của nghịch lưu iN có dạng xung vuông. Khi đưa xung vào mở cặp van T1, T2, dòng điện iN = id = Id. Đồng thời dòng qua tụ C tăng lên đột biến, tụ C bắt đầu được nạp điện với dấu “+” ở bên trái và dấu “-” ở bên phải. Khi tụ C nạp đầy, dòng qua tụ giảm về không. Do iN = iC + iZ = Id = hằng số, nên lúc đầu dòng qua tải nhỏ và sau đó dòng qua tải tăng lên. Sau một nửa chu kỳ t = t1 người ta đưa xung vào mở cặp van T3, T4. Cặp T3, T4 mở tạo ra quá trình phóng điện của tụ C từ cực “+” về cực “-”. Dòng phóng ngược chiều với dòng qua T1 và T2 sẽ làm cho T1 và T2 bị khóa lại. Hình 5.2: Giản đồ xung của nghịch lưu cầu 1 pha Quá trình chuyển mạch xảy ra gần như tức thời. Sau đó tụ C sẽ được nạp điện theo chiều ngược lại với cực tính “ + ” ở bên phải và cực tính “ - ” ở bên trái, dòng nghịch lưu iN = id = Id nhưng đã đổi dấu. Đến thời điểm t = t2 người ta đưa xung vào mở T1, T2 thì T3, T4 sẽ bị khóa lại và quá trình được lặp lại như trước. 71 Như vậy chức năng cơ bản của tụ C là làm nhiệm vụ chuyển mạch cho các tiristo. Ở thời điểm t1, khi mở T3 và T4 , tiristo T1 và T2 sẽ bị khóa lại bởi điện áp ngược của tụ C đặt lên. Khoảng thời gian duy trì điện áp ngược t1 t1’ là cần thiết để duy trì quá trình khóa và phục hồi tính chất điều khiển của van và t1 - t1’ = tk ≥ toff ; toff là thời gian khóa của tiristo hay chính là thời gian phục hồi tính chất điều khiển. Trong đó : 𝜔.tk =β là góc khóa của nghịch lưu. 3.2 Bộ nghịch lưu áp một pha Nghịch lưu áp là thiết bị biến đổi nguồn áp một chiều thành nguồn áp xoay chiều với tần số tùy ý. Nguồn áp vẫn là nguồn được sử dụng phổ biến trong thực tế. Hơn nữa điện áp ra của nghịch lưu áp có thể điều chế theo phương pháp khác nhau để có thể giảm được sóng điều hòa bậc cao. Trước kia nghịch lưu áp bị hạn chế trong ứng dụng vì công suất của các van động lực điều khiển hoàn toàn còn nhỏ. Hơn nữa việc sử dụng nghịch lưu áp bằng tiristo khiến cho hiệu suất của bộ biến đổi giảm, sơ đồ điều khiển phức tạp. Ngày nay công suất của các van động lực IGBT, GTO, MOSFET càng trở nên lớn và có kích thước gọn nhẹ, do đó nghịch lưu áp trở thành bộ biến đổi thông dụng và được chuẩn hóa trong các bộ biến tần công nghiệp. Do đó sơ đồ nghịch lưu áp trình bày sau đây sử dụng van điều khiển hoàn toàn. Trong quá trình nghiên cứu ta giả thiết các van động lực là các khóa điện tử lý tưởng, tức là thời gian đóng và mở bằng không nên điện trở nguồn bằng không. ❖ Cấu tạo. Hình 5.3: sơ đồ mạch áp cầu 1 pha Sơ đồ nghịch lưu áp một pha được mô tả trên hình trên. Sơ đồ gồm 4 van động lực chủ yếu là: T1, T2, T3, T4 và các điôt D1, D2, D3, D4 dùng để trả công suất phản kháng về lưới và như vậy tránh được hiện tượng quá áp ở đầu nguồn. Tụ C được mắc song song với nguồn để đảm bảo cho nguồn đầu vào là nguồn hai chiều (nguồn một chiều thường được cấp bởi chỉnh lưu chỉ cho phép dòng đi theo một chiều). Như vậy tụ C thực hiện việc tiếp nhận công suất phản kháng của tải, đồng thời tụ C còn đảm bảo cho nguồn đầu vào là nguồn áp. ❖ Nguyên lý làm việc. Ở nửa chu kỳ đầu tiên (0 ÷θ2 ), cặp van T1, T2 dẫn điện, phụ tải được đấu vào nguồn. Do nguồn là nguồn áp lên điện áp trên tải U1 = E, hướng dòng điện là đường nét đậm. 72 Tại thời điểm θ = θ2 , T1 và T2 bị khóa, đồng thời T3 và T4 mở ra tải sẽ được đấu vào nguồn theo chiều ngược lại, tức là dấu điện áp trên tải sẽ đảo chiều và Ut = - E tại thời điểm 2 . Do tải mang tính trở cảm nên dòng vẫn giữ nguyên hướng cũ (đường nét đậm) T1, T2 bị khóa nên dòng phải khép mạch qua D3, D4. Suất điện động cảm ứng trên tải sẽ trở thành nguồn trả năng lượng thông qua D3, D4 về tụ C (đường nét đứt ). Tương tự như vậy đối với chu kỳ tiếp theo khi khóa cặp T3, T4 dòng tải sẽ khép mạch qua D1 và D2. Đồ thị điện áp tải Ut , dòng điện tải it , dòng qua điôt iD và dòng qua tiristo được biểu diễn trên hình Hình 5.4: đồ thị nghịch lưu áp cầu 1 pha Biểu thức điện áp và dòng điện trên tải : 𝑈𝑡 = 4𝐸 𝜋 𝑠𝑖𝑛𝜔𝑡 (6.1) 𝐼𝑡 = 4𝐸 𝜋√𝑅2+𝑋𝑡 2 𝑠𝑖𝑛(𝜔𝑡 − 𝜑) (6.2) Trên thực tế người ta thường dùng nghịch lưu áp với phương pháp điều chế độ rộng xung PWM để giảm bớt được kích thước của bộ lọc. Hình 5.5: Sơ đồ mạch nghịch lưu dùng phương pháp PWM ❖ Khảo sát mạch nghịch lưu 73 - Bước 1: Mở phần mềm Psim - Bước 2: vào file →new: tạo mạch mô phỏng mới - Bước 3: vào Elements→ Power →source→voltage→DC : lấy nguồn 1 chiều - Bước 4: vào Elements→ Power →switches→IGBT: lấy linh kiện bán dẫn - Bước 5: vào Elements→ Power →RLC Branches→resistor : lấy linh kiện điện trở - Bước 6: vào Elements→ Orther →Probes→voltage probe - Bước 7: Lấy on-off controller, comparator, cổng not, triangular, các nhãn - Bước 8: dùng cây viết (wire) kết nối các linh kiện - Bước 9: thay đổi các thông số - Bước 10: Lấy đồng hồ (simulation control) - Bước 11: chạy mô phỏng - Kết quả mô phỏng CÂU HỎI ÔN TẬP BÀI 6 1. Trình bày đặc tính tổng quát của mạch nghịch lưu 2. Vẽ và mô phỏng mạch nghịch lưu áp 1pha 3. Thực hiện mạch mô phỏng sau 74 4. Mô phỏng mạch nghịch lưu dùng trong hệ thống năng lượng mặt trời theo sơ đồ sau 75 BÀI 7: BIẾN TẦN Giới thiệu: Ngày nay các thiết bị như: Bơm nước, quạt hút/đẩy, máy nén khí, băng tải, thiết bị nâng hạ, máy cán kéo, máy ép phun, máy cuốn/nhả, thang máy, hệ thống HVAC, máy trộn, máy quay ly tâm .Do đó cần có một thiết bị thay điều khiển của các hộp số, thay thế cho việc sử dụng cơ cấu điều khiển vô cấp truyền thống trong máy công tác,.. nên biến tần được sử dụng rất phổ biến trong công nghiệp và dân dụng, đặc biệt là trong công nghiệp. Mục tiêu: Sau khi học xong bài này người học có khả năng: - Kiến thức” + Trình bày được nguyên lý hoạt động của bộ biến tần. + Xác định được nhiệm vụ và chức năng của từng khối của bộ biến tần. - Kỹ năng: + Cài đặt được các thông số của bộ biến tần. + Kết nối các thiết bị ngoại vi với bộ biến tần. - Rèn luyện đức tính tích cực, chủ động và sáng tạo Nội dung chính: 1. Khái niệm Biến tần dùng để chuyển đổi điện áp hoặc dòng điện xoay chiều ở đầu vào từ một tần số này thành điện áp hoặc dòng điện có một tần số khác ở đầu ra. Biến tần được dùng để điều khiển vận tốc a lưới nguồn sẽ đổi thành tần số biến thiên. Ngoài việc thay đổi tần số còn có sự thay đổi tổng số pha. Từ nguồn lưới 1 pha, thông qua biến tần ta có thể mắc tải là một động cơ ba pha. Bộ biến tần còn được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật nhiệt điện, chẳng hạn như cung cấp năng lượng cho lò cảm ứng. 2. Phân loại Có nhiều phương pháp phân loại biến tần 2.1 Phân loại theo phương pháp biến đổi - Biến tần trực tiếp - Biến tần gián tiếp 2.2 Phân loại theo nguồn ra: - Biến tần nguồn dòng. - Biến tần nguồn áp. 2.3 Phân loại theo phương pháp điều khiển: - Phương pháp điều khiển cổ điển - Phương pháp điều khiển PWM - Phương pháp điều khiển vector - Phương pháp điều khiển ma trận 2.4 Phân loại theo nguồn cấp vào - Biến tần một pha - Biến tần ba pha 3. Các thông số của biến tần 76 ❖ Thời gian tăng tốc khi khởi động động cơ và thời gian giảm tốc khi dừng dừng động cơ (tới 650s) ❖ Tần số đầu ra ❖ Tần cố cài đặt ❖ Điện áp đầu ra ❖ Điện áp một chiều sau chỉnh lưu ❖ Dòng động cơ ❖ Moment quay ❖ Tốc độ động cơ ❖ Trạng thái đường truyền nối tiếp ❖ Đầu ra relay dùng để đóng cắt các thiết bị ❖ Thời gian đóng mở phanh ngoài ❖ Tỷ số cảnh báo nhiệt hay quá dòng cho động cơ ❖ Tần số xung ❖ Tham số cho đường truyền nối tiếp( tốc độ baud, time out, module.) ❖ Chế độ cảnh báo lỗi ❖ Chế độ báo lỗi ( lưu trữ được 4 trạng thái lỗi gần nhất) ❖ Thời gian trích mẫu tín hiệu phản hồi ❖ Giới hạn tần số ❖ Tham số điều khiển P,I,D ❖ Cài đặt lại thông số nhà sản xuất ❖ Có thể dùng chế độ hãm ngoài ❖ Tự reset khi sửa lỗi 77 4. Cài đặt và đấu nối Tất cả các biến Micromaster được trang bị trong phòng thí nghiệm có cấu hình như sau: - 2 đầu vào tương tự - 2 đầu ra tương tự - 6 đầu vào số - 2 cổng truyền thông nối tiếp - 1 cổng ghép nối PTC(nhiệt trở đo nhiệt độ động cơ) - Cổng ghép nối với điện trở bên ngoài - 2 relay có thể lập trình - Đầu phản hồi kín - Nguồn cấp 15V, 50mA cho các biến bên ngoài - Nguồn 10V cấp cho đầu vào tương tự 78 4.1 Đấu nối biến tần ❖ Các đầu nối mạch động lực 79 ❖ Các dầu dây điều khiển ❖ Cài đặt mặc định 80 Bộ biến tần MCROMASTER 420 được cài đặt mặc định khi xuất xưởng sao cho có thể vận hành được mà không cần cài đặt thêm bất kỳ thông số nào nữa. Để đạt được điều này, các thông số của động cơ được kết nối với biến tần phải có thông số định mức phù hợp với thông số cài đặt mặc định (P0304, P0305, P0307, P0310) tương ứng với động cơ 1LA7 4 cực của Siemens (hãy xem các thông số định mức ghi trên nhãn). ❖ Các thông số mặc định khác: - Các nguồn lệnh P0700 = 2 - Nguồn điểm đặt P1000 = 2 - Chế độ làm mát động cơ P0335 = 0 - Giới hạn dòng điện P0640 = 150% - Tần số nhỏ nhất P1080 = 0 Hz - Tần số lớn nhất P1082 = 50 Hz - Thời gian tăng tốc P1120 = 10 s - Thời gian giảm tốc P1121 = 10 s - Chế độ điều khiển P1300 = 0 Chú ý: - Trước khi bật nguồn cần chắc chắn các đầu nối đã được nối chính xác, nếu không có thể gây ra sự phá hủy về điện - Khi nguồn đã được cung cấp không thay đổi các đầu đấu dây, sự thay đổi đột ngột có thể gây ra sự phá hủy về điện - Cẩn thận trước khi thay đổi các thông số, lỗi xuất hiện có thể làm hỏng biến tần hoặc thiết bị - Nên đảm bảo chắc chắn rằng biến tần và động cơ cũng như các thiết bị liên quan được nối đất đúng quy cách Không nên thử kiểm tra tín hiệu khi đang chạy biến tần. ❖ Các bước sử dụng biến tần: ❖ Cài đặt: lắp đặt biến tần theo đúng những tiêu chuẩn vật lý ❖ Đi dây: + Nối các dây cấp nguồn vào biến tần và dây nối với động cơ. Nên sử dụng cáp 3 dây cho biến tần 1 pha và cáp 4 dây có bảo vệ cho đấu nối động cơ. 81 + Dây cáp nên để cách xa nhau - Bật nguồn: + Kiểm tra 2 bước trên au đó cấp nguồn + Kiểm tra màn hình trạng thái + Kiểm tra các lỗi + Khi mọi thứ bình thường màn hình sẽ chỉ định trạng thái sẵn sàng hoạt động. Nếu có lỗi màn hình chỉ thị mã lỗi - Đặt thông số + Sử dụng các phím chức năng trên bàn phím để đặt tham số + Đặt các tham số cần thiết theo hướng dẫn - Kiểm tra chế độ chạy: Nấn nút kiểm tra để theo dõi động cơ - Đặt tham số hoạt động 4.2 Cài đặt biến tần (lập trình cho biến tần) - Ví dụ đặt hoạt động cơ bản Cấp nguồn cho biến tần Màn hình biến tần sẽ nháy giữa tần số đặt 5Hz Ấn phím P để lập trình Ấn nút ▲ cho đến khi màn hình xuất hiện P005 Ấn nút P để màn hình xuất hiện tần số đặt (5Hz) Ấn nút ▲ hoặc ▼để chọn tần số VD (35Hz) Ấn nút P để nhớ tần số đặt (35Hz) Ấn nút▼ để về P005 Ấn nút P để thoát khỏi thủ tục nhập tham số Màn hình sẽ nháy giữa tần số đặt và tần số hiện tại Ấn nút RUN để khởi động biến tần Rotor sẽ quay và màn hình sẽ chỉ thị biến tần Thay đổi tần số từ 0 đến 35Hz Tần số sẽ đạt được sau 7s (đây là thời gian đặt cho bộ biến tần được định nghĩa tại P002) Ấn STOP để tắt biến tần Rotor sẽ quay chậm dần và dừng Thời gian để dừng khoảng 7s (đặt thời gian) ❖ Tập lệnh của biến tần • P000: khi biến tần ở chế độ chờ( dừng) thì màn hình nháy giữa giá trị đặt và giá trị hiện tại. Khi biến tần chạy màn hình hiển thị giá trị đầu ra được đặt trong P001. Khi biến tần lỗi màn hình sẽ báo lỗi. Khi cần cảnh báo màn hình sẽ nháy. P001: Chọn chế độ hiển thị: • 0: hiển thị tần số ra • 1: hiển thị thần số đặt • 2: dòng điện motor • 3: Điện áp một chiều • 4: moment quay 82 • 5: tốc độ động cơ (rpm) • 6: trạng thái bus USS • 7: Tín hiệu phản hồi PID(%) • 8: Điện áp đầu ra • 9: tần số rotor/thân • P002: Ram up time: là thời gian cần cho motor chuyển từ trạng thái đứng yên sang trạng thái quay với tần số cao nhất được đặt tại P013. Đặt giá trị này quá bé có thể làm cho biến tần bị vấp( mã lỗi E002 quá dòng) • P003: Ram down time: là thời gian cần cho motor chuyển từ trạng thái chạy với tần số cao nhất( đặt trong P013) về trạng thái thái đứng yên. Đặt giá trị này quá bé có thể làm cho biến tần bị vấp( mã lỗi F001, quá áp một chiều) • P004: Smoothing time: Sử dụng để tăng hoặc giảm êm tốc độ động cơ. Nó được sử dụng cho những nơi có tải yêu cầu không bị giật, Ví dụ: băng tải, chuyển động dệt vải. • P005: Đểm đặt tần số[0-650] [5.00] Đặt tần số cho biến tần hoạt động khi ở chế độ điều khiển số. Nó chỉ được sử dụng khi P006 = 0 hoặc 3 • P006: lựa chọn điểm đặt tần số 0-3: Lựa chọn chế độ điều khiển cho đặt tần số hoạt động 0: Điều khiển số bằng bàn phím. Motor chạy tại tần số đặt trong P005 và có thể thay đổi bởi phím di chuyển tăng, giảm 1: Chế độ điều khiển tương tự, điều khiển qua đầu vào tương tự 2: Đặt tần số: chế độ này sẽ không được chọn nếu có ít nhất một giá trị của đầu vào số(P051- P055 hoặc P356) đặt giá tri5, 17 hoặc 18 3: Cộng với điểm đặt số. Tần số yêu cầu bằng tần số đặt (P005) + tần số cố định (P041 – P044, P046 – P049) • P007: chọn bàn phím 0 – 1 0: Phím run, jog, reverse không được sử dụng. điều khiển qua đầu vào số. Phím tăng, giảm có thể sử dụng điều khiển tần số khi P124 = 1 và đầu vào số không dược chọn 1: Các phím chức năng được chọn tùy thuộc vào đặt chế độ trong P121 – 124 • P009: Đặt chế độ bảo vệ tham số 0 – 3 0: chỉ tham số từ P001 – P009 có thể đọc và thay đổi 1: chỉ tham số từ P001 – P009 chỉ có thể thay đổi, các tham số khác chỉ đọc 2: Tất cà các tham số khác có thề thay đổi P009 sẽ tự động đưa về 0 khi tắt nguồn 3: Tất cả các tham số có thể đọc và thay đổi • P010: : Tỷ lệ hiển thị 0 – 500 Thay đổi tỷ lệ hiển thị khi P001 = 0,1,4,5,7,9 • P011: nhớ điểm đặt tần số 0 – 1 0: Không cho phép 1: cho phép sau khi tắt • P012: Tần số nhỏ nhất của motor 0 – 650.000[0.00] Đặt giá trị nhỏ nhất của tần số motor ( phải nhỏ hơn giá trị trong P013) 83 • P013: Tần số lớn nhất của motor 0 – 650.000[50.00] • P014: Tần số nhảy 1: 0-650[0.00] • P015: Tự động khởi động khi lỗi: 0-1[0] • P017: Kiểu chạy êm 1 – 2[1] 1: sử dụng chế độ chạy êm 2: Dừng chế độ chạy êm. • P018: Tự động khởi động sau khi lỗi 0 – 1 [0] 0: không cho phép 1: biến tần tự động khởi động lại 5 lần sau khi gặp lỗi • P019: Độ rộng khoảng tần số nhảy: 0.00 – 10.00[2.00] • P021: Tần số tương tự nhỏ nhất 0 – 650.000[0.00] • P022: Tần số tương tự lớn nhất 0 – 650.000[50.00] • P023: Kiểu đầu vào tương tự 1: 0 – 3[0] 0: 0 – 10V, 0 – 20mA 1: 2 – 10V, 4 – 20mA 2: 2 – 10V, 0 – 20mA Điều khiển khởi động/dừng khi sử dụng tín hiệu điều khiển tương tự 3: -10 – 10V, - 10V cho phép quay trái với vận tốc được đặt tại P021, 10V cho phép quay phải với vận tốc đặt tại P022 • P025: Đầu ra tương tự 1: 0 – 105[0] • P026: Đầu ra tương tự 2 • P027: Tần số nhảy 2: 0.00 – 650.000[0.00] • P028: tần số nhảy 3: 0.00 – 650.000[0.00] • P029: tần số nhảy 4: 0.00 – 650.000[0.00] • P031: Đặt tần số cho nút thử phải 0 – 650.000[5.00] • P032: Đặt tần số cho nút thử phải 0 – 650.000[5.00] • P033: Đặt thời gian tăng tốc cho nút thử 0 – 650.0[10.00] • P034: Đặt thời gian giảm tốc cho nút thử 0 – 650.0[10.00] • P035: Dừng đúng vị trí 0 – 1 [0] 0: Không cho phép 1: ở chế độ bình thường thời gian giảm tốc được định nghĩa là thời gian giảm từ giá trị trong P13 về 0. Đặt P40 cho phép điều chỉnh lại thời gian giảm tốc sao cho motor sẽ dừng ở cùng 1 vị trí trong dải tốc độ • P041: tần số cố định 1: 0 – 650.000[5.00] • P042: tần số cố định 2[10] • P043: tần số cố định 3[15] • P044: tần số cố định 4[20] • P045: Đảo ngược điểm đặt cố định cho tần số đặt 1 – 4: 0 - 7[0] • P046: Tần số đặt 5: 0 – 650.000[25.00] • P047: Tần số đặt 6: 0 – 650.000[30.00] • P048: Tần số đặt 7: 0 – 650.000[35.00] 84 • P049: Tần số đặt 8: 0 – 650.000[40.00] • P050: Đảo ngược điểm đặt cố định cho tần số đặt 1 – 4: 0 - 7[0] • P051: Chọn hàm điều khiển chức năng, DIN1( đầu nối 5, đặt tần số 5)[1] • P052: Chọn hàm điều khiển chức năng, DIN2( đầu nối 6, đặt tần số 4)[2] • P053: Chọn hàm điều khiển chức năng, DIN3( đầu nối 7, đặt tần số 3)[6] • P054: Chọn hàm điều khiển chức năng, DIN4( đầu nối 8, đặt tần số 2)[6] • P055: Chọn hàm điều khiển chức năng, DIN5( đầu nối 16, đặt tần số 1)[6] • P0356: Chọn hàm điều khiển chức năng, DIN6( đầu nối 17, đặt tần số 6)[6] Các hàm chức năng có thể chọn cho P051 – P055 0: Đầu vào không cho phép 1: chạy phải 2: chạy trái 3: đảo chiều 6: tần số cố định 1 – 6 17: điều khiển tần số cố định kiểu đầu vào nhị phân(8) 18: tần số cố định 1 – 6. Nếu đầu vào ở trạng thái cao sẽ đồng thời là yêu cầu lệnh chạy khi P007 = 0 • P056 : Thời gian cập nhật đầu vào số 0 – 2[0] 0: 12.5ms 1: 7.5ms 2: 2.5ms • P061: chọn đầu ra cho relay 1: 0 – 13[6] 0: Relay không được chọn 1: biến tần đang chạy 2: Tần số biến tần = 0 3: motor đang chạy phải 4: Chạy phanh ngoài 5: Tần số biến tần lớn hơn tần số nhỏ nhất 6: Chỉ định lỗi 7: Tần cố biến tần lớn hơn hoặc bằng giá trị đặt 8: Cảnh báo 9: Dòng ra lớn hơn hoặc bằng giá trị trong P65 10: Cảnh báo giới hạn dòng motor 11: Quá nhiệt motor 12: Vòng điều khiển PID của motor giới hạn tốc độ thấp 13: Vòng điều khiển PID của motor giới hạn tốc độ cao • P062: Đầu ra relay 2 • P063: Độ trễ nhả phanh ngoài 0 – 20[1.0] • P064: Thời gian dừng phanh ngoài. • P065: Ngưỡng dòng cho relay 0.0 – 300.0[1] • P066: Phanh phức hợp 0 – 250[0] • P069: Không cho phép chức năng hạn chế mở rộng 0 – 1[1] 85 0: Không cho phép 1: Cho phép • P071: Bù trượt %: 0 – 200[0] • P072: Giới hạn trượt% 0 – 500[250] • P073: Phanh một chiều% 0 – 200[0] • P077: Các chế độ điều khiển 0 – 3[1] 0: v/f 1: Điều khiển FCC (flux current control) 2: bình phương v/f 3: điều khiển vector • P080: Hệ số công suất của motor 0.00 – 1.00[0] • P081: Tần số làm việc của motor HZ 0 – 999 • P082: Tốc độ làm việc của động cơ • P083: Dòng điện làm việc của động cơ • P084: Điện áp hoạt động của động cơ • P085: Công suất động cơ (KW) • P086: Giới hạn dòng của motor • P087: chế độ cho phép dùng đầu đo nhiệt ngoài(PTC) • P088: tự động xác định điện trở stator Khi đặt P088 = 1 lúc ấn nút run biến tần sẽ tự động xác định điện trở stator và chứa chúng trong P089 đồng thời đưa P088 về 0 Nếu điện trở stator quá lớn so với phạm vi xác định của biến tần thì biến tần sẽ bị lỗi (F188) và sẽ đặt P088 = 1. Nếu việc này xảy ra đặt P089 bình thường và đặt P088 = 0 • P089: Điện trở của stator • P091: Địa chỉ trạm tớ • P101: chế độ châu Âu hay Bắc Mỹ 0: chế độ châu Âu tần số lưới là 50 Hz, đơn vị Kw 1: chế độ Bắc Mỹ tần số lưới 60Hz, đơn vị Hp • P111: Công suất biến tần. Chỉ định công suất của biến tần, nó là tham số chỉ có thể đọc • P112: Kiểu biến tần • P121: cho phép nút Run 1: cho phép 0: không cho phép • P122: cho phép nút đảo chiều • P123: cho phép nút thử(JOG) • P124: cho phép nút tăng giảm • P125:cho phép chạy ngược 0: không cho phép 1: hoạt động bình thường • P128: Thời gian trễ tắt quạt • P131: tần số đặt4 86 • P132: Dòng động cơ • P133: Moment quay • P134: Điện áp 1 chiều • P135: Tốc độ động cơ • P137: Điện áp ra • P139: Tìm dòng ra lớn nhất • P140: Chứa giá trị mới nhất của mã lỗi được hiển thị trên màn hình, có thể dùng phím tăng, Giảm để xóa hoặc dùng chức năng reset hệ thống để xóa • P141: Mã lỗi cuối cùng được bỏ đi của P140 • P142: Mã lỗi cuối cùng được bỏ đi của P141 • P143: Mã lỗi cuối cùng được bỏ đi của P142 • P186: Giới h5n dòng tức thời % • P201: Vòng PID 0: hoạt động bình thường 1: sử dụng cổng vào tương tự • P202: P0.0-999.9 • P203: I • P204: D • P205: thời gian lấy mẫu • P220: Cho phép tần số tắt 0: hoạt động bình thường 1: cho phép biến tần tự động tắt • P321: Tần số nhỏ nhất cho đầu vào tương tự 2 • P322: Tần số lớn nhất cho đầu vào tương tự 2 • P323:Kiểu vào đầu tương tự 2 • P386: P cho chế độ điều khiển vecto • P387: I • P720: cho phép truy cập trực tiếp đầu ra relay và tương tự qua bus nối tiếp • P721: điện áp đầu vào tương tự 1 • P722: Dòng đầu ra 1 • P723: trạng thái những đầu vào số • P725: Điện áp đầu vào tương tự 2 • P726: Dòng đầu ra 2 • P910: Chọn chế độ điềukhiển tại chỗ/điều khiển qua bus nối tiếp • P944: Reset về chế độ mặc định của nhà sản xuất • P971: Điều khiển ghi Eeprom • 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Giáo trình ứng dụng Psim trong điện tử công suất, Đỗ Đức Trí, Vương Thị Ngọc Hân, NXB ĐHQG T.p HCM [2] Điện tử công suất hướng dẫn sử dụng Psim, Phạm Quang Huy, Lê Hoàng Minh, Lê Nguyễn Hồng Phong, NXB Bách Khoa Hà Nội [3] Ứng dụng Psim mô phỏng và giải bài tập điện tử công suất, Lê Thị Mai, NXB Khoa học và kỹ thuật [4] Giáo trình điện tử công suất,Vũ Quốc Vượng, NXB Hà Nội [5] Giáo trình thí nghiệm điện tử công suất, Đoàn Hòa Minh, Trường ĐH Cần Thơ [6] Giáo trình điện tử công suất, Nguyễn Văn Nhờ [7] Giáo trình điện tử công suất, Nguyễn Bính [8] Power electronics, Muhamed H. Rashid [9] Power electronics and driver, Ned Mohan