Giáo trình Điện tử công suất (Trình độ: Sơ cấp)

nếu đặt một điện áp một chiều thay đổi được từ -10 V ...0 V vào ngỏ vào của khối điều khiển thì sẻ thay đổi được góc kích một cách liên tục từ 00 - 1800 Trong khối điều khiển xử dụng một vi mạch chuyên dùng hoạt động theo phương pháp thay đổi góc pha, xung kích vẩn được duy trì trong khoảng thời gian 210mS sau khi mất điện 87 áp lưới, một rờ le có thể được dùng để xóa xung kích trong khi làm việc bằng cách tác động một tiếp điểm nối thêm bên ngoài, để tăng công suất có thể ghép song hai thiết bị điều khiển công suất SIVOLT-A Khối điều khiển gồm hai mạch khuếch đại điều chỉnh được, bằng cách nối dây thích hợp, hai mạch này sẻ có chức năng của mạch tự động điều chỉnh, mạch tăng tốc hoặc đảo pha tín hiệu Để điều chỉnh dòng điện trung bình và điện áp trung bình thì khối biến đổi trị số tức thời cũng thay đổi và tín hiệu có cực tính thích hợp sẻ được đặt vào ngỏ vào của mạch khuếch đại, chênh lệch giữa trị số tức thời với trị số đặt trước sẻ tạo tín hiệu điều khiển cho khối điều khiển. Hình 3.16 là sơ đồ khối của thiết bị ổn định dùng bộ điều khiển công suất Hình 3.16 Sơ đồ khối mạch tự động điều chỉnh dòng điện 1. Biến trở giá trị đặt (1 KW) hoặc tín hiệu nối tiếp ngỏ ra của mạch 2. Tạo xung răng cưa 3. Điều khiển giá trị trung bình 4. Nguồn nuôi 88 5. Khối điều khiển 6. Biến áp xung 7. Khối nén xung 8. Biến đổi dòng điện thực tế 9. Quạt làm nguội (chỉ có khi dòng > 120 A) R1 Tải (điện trở hoặc điện cãm) F Cầu chì T1 Biến dòng V1, V2 Thyristor 2. Chỉnh lưu công suất một pha có điều khiển 2.1. Chỉnh lưu một nửa chu kỳ có điều khiển Hỉnh 3.17: Chỉnh lưu một nửa chu kỳ có điều khiển Vào bán kỳ dương đoạn từ 0-a SCR được phân cực thuận nhưng vẫn chưa dẫn vì chưa có xung kích vào cực G. Đoạn từ a đến n SCR dẫn vì đã có xung kích vào cực G. Vào bán kỳ âm SCR được phân cực nghịch nên SCR ngưng dẫn. Như vậy, tùy thuộc vào vị trí góc mở a mà dạng sóng điện áp ra thây đổi. Điện áp ra trung bình trên tải: Với a gọi là góc mở tính từ thời điểm điện áp đổi chiều từ âm sang dương, tức lúc U = 0 Trường hợp tải R + L: Do tải mang tính cảm nên đường cong dòng điện id kéo dài ra khỏi a khi mà điện áp Ui đã chuyển sang nửa chu kỳ âm k là góc tính từ gốc toa độ đến điểm 89 dòng điện iR giảm về 0, gọi là góc tắt dòng. 2.2. Chỉnh lưu công suất hai nửa chu kỳ có điều khiển Hình 3.18 Mạch chỉnh lưu hình cầu có điều khiển Dạng dòng điện và điện áp của các phần tử trên sơ đồ được biểu diễn như (hình 3.19) và (hình 3.20), nhận thấy sơ đồ cầu một pha rất giống sơ đồ cầu một pha hình tia, chỉ có hai điểm khác biệt: - Dòng điện qua cuộn cảm của MBA có dạng đối xứng. - Điện áp đặt trên mỗi SCR (điện áp ngược) chỉ có giá trị U2 hoặc một nửa U2 chứ không gấp đôi như U2 ở sơ đồ hình tia. Ở đây cần chú ý: Các xung điều khiển các van theo cặp phải đồng thời Dạng dòng và áp trên các phần tử. Với tải R: Zt T2 T3 T4 T1 90 Hình 3.19. Dạng điện áp trên các phần tử tải trở Với tải RL: Hình 3.20 Dạng điện áp trên các phần tử tải trở cảm, L = ∞ 2.3. Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha bán điều khiển 91 Hình 3.19 Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha bán điều khiển Giá trị điện áp trung bình trong chỉnh lưu không đối xứng cũng như trường hợp đối xứng Tuy nhiên mạch điều khiển đơn giản, dễ sử dụng và giá thành hạ 3. Chỉnh lưu công suất ba pha có điều khiển 3.1 Chỉnh lưu 3 pha hình tia có điều khiển Hình 3.21 Mạch chỉnh lưu M3 có điều khiển Khối tạo xung kích cho các thyristor trong mạch M3 phải được thiết kế sao cho có thể tạo ra 3 xung trong mỗi chu kỳ và lệch nhau 1200, thêm vào đó chúng phải có khả năng dịch pha khi cần thiết tương ứng với phạm vi điều khiển. năng dịch pha khi cần thiết tương ứng với phạm vi điều khiển. Do điện áp UL1N (hình 3.21) từ thời điểm chuyển mạch đầu tiên (α = 00) đến điểm giao nhau với UL3N (α = 1800) có giá trị dương hơn điện áp này, van V1 chỉ có thể được kích trong 92 khoảng thời gian này. Với Id = hằng số hoặc không có sự gián đoạn dòng điện, V3 duy trì trạng thái dẩn cho đến khi V1 được kích. Với mạch biến đổi này, các loại tải tích cực cho phép phạm vi điều khiển theo lý thuyết từ α = 00 đến α = 1800 . Phạm vi điều khiển giãm với một tải điện trở. Tuy nhiên, do điện áp ra không xuất hiện phần âm. Đối với loại tải này van tương ứng bị khóa tại α = 1500 Do thời gian chuyển mạch và thời gian tắt của các van, van không nhận được điện áp thuận trong khoảng thời gian này, với tải tích cực phạm vi điều khiển chỉ có thể áp dụng khoảng α = 1500 (hình 3.22 ) Hình 3.22: Phạm vi điều khiển của mạch M3 3.1.1 Khảo sát điện áp Điện áp một chiều của mạch B2 chỉ không phụ thuộc vào tải tại α = 00 . Với mạch M3 thì khác, điện áp DC độc lập với tải trong khoảng từ α = 00 đến α = 300 . Điều này có nghĩa là ngay cả khi tải là thuần trở hiện tuợng khe hở có thể bắt đầu sớm nhất khi α > 300 và cũng nên nhớ rằng tại thời điễm này thời điễm kích đầu tiên trong mạch M3 là 300. Do đó với góc kích α = 300 trùng với wt = 600 của điện áp xoay chiều, vị trí đặc biệt này đuợc gọi là góc điều khiển tới hạn. Trên góc điều khiển tới hạn, điện áp DC của mạch M3 được tính như sau : Udα = Udocos α với Ud0 = 0,676xU Đối với tải điện cảm quan hệ trên cũng được áp dụng trong khoảng 00 < α < 90 và trong khoảng 900 < α < 1800 , điện áp Udα luôn bằng 0 (hình 3.23). Trong hình này còn cho thấy điện áp Udα chỉ có giá trị âm khi tải là loại tích cực. Từ α = αcrit = 300 trở đi, có hiện tượng khe hở khi tải là thuần trở nên Udα phải được tính theo công suất sau : 93 Trong phạm vi góc kích 1500< α < 1800 , điện áp Udα = 0 V vì như đã biết với tải điện trở điện áp DC không có phần âm Hình 3.23 Sự phụ thuộc đặc tính điều khiển theo tải trong mạch M3 3.1.2 Hoạt động với các loại tải khác nhau Cũng giống như đã làm với mạch biến đổi B2 trong phần này sẽ so sánh các đường đặc tính tại α = 900 với tải điện trở và tải cãm kháng ( hình 3.24 ) Các đồ thị trình bày rỏ ràng đặc tính hoạt động của mạch biến đổi có điều khiển. Ví dụ với tải cãm kháng và α = 900 , lại một lần nữa Ud 90 = 0 V do diện tích góc kích/điện áp ở phần dương và âm bằng nhau Do hiện tượng khe hở (hình 3.24a) trong khoảng từ αcrit = 300 đến α = 900 , điện áp nghịch UAK trên van bị giảm, mặc dù chỉ có điện áp van V1 được vẽ trên đồ thị. Tuy nhiên, khi thyristor V3 được kích, điện áp trên V1 sẽ tăng lên u Nếu diện tích ở phần âm lớn hơn ở phần dương thì Uda sẻ âm và chế độ hoạt động là nghịch lưu. Tuy nhiên, trên cơ bản chế độ này chỉ có hiệu lực khi tải còn khả năng cung cấp năng lượng, điện từ tải phải luôn lớn hơn điện áp lưới để bảo đảm dòng điện tiếp tục chảy theo chiều trước đó của nó Nếu trong mạch tải có một nguồn cung cấp năng luợng (động cơ một chiều kích từ song 94 song với dòng kích từ không đổi) thì lúc này động cơ sẽ sang chế độ máy phát bởi cơ năng tích trữ trong tải cơ khí và nó sẽ tạo ra dòng điện ngang qua mạch biến đổi đi vào hệ thống và nó sẽ bị hãm (hãm tái sinh). Kết quả là tốc độ bị giảm và điện áp trên động cơ giảm xuống. Để vẫn còn cho phép dòng chảy và qua đó tiếp tục chế độ nghịch luu, góc kích cần phải được điều chỉnh liên tục sao cho điện áp cảm ứng của động cơ hoạt động như một máy phát tại mọi thời điểm đều lớn hơn điện áp Uda của mạch biến đổi. Truờng hợp này được giới thiệu lại trong hình 3.25 với sự chuyển tiếp từ α = 1500 đến α = 1200 Hình 3.24 Điện áp và dòng điện tại α = 900 với các loại tải khác nhau Bằng cách dùng một vòng điều khiển, góc dẩn dòng điện a có thể đuợc kết nối sao cho dòng điện luôn đuợc duy trì không đổi cho đến khi động cơ ngừng. 95 Hình 3.24 Điều chỉnh góc kích mạch M3 với điện áp cảm ứng hồi tiếp và giảm dòng tải 3.1.3 Quá trình chuyển mạch Như đã nói ở trên, dòng điện chuyển từ một nhánh sang nhánh kế bên trong cùng một nhóm chuyển mạch đuợc gọi là một quá trình chuyển mạch. Cho đến nay, việc thay thế một van đang dẩn bởi một van kế tiếp một cách lý tuởng đuợc xem nhu là tức thời. Tuy nhiên, trong thực tế việc chuyển mạch ảnh huởng đến dạng điện áp và dòng điện đối với cả hai mạch biến đổi cố định và có điều khiển. Truớc hết hãy xét ảnh huởng của quá trình chuyển mạch trong mạch biến đổi cố định (α= 00 ) trong hình 3.25 Việc chuyển mạch từ UL1N sang UL2N bắt đầu tại thời điễm kích đầu tiên tiếp theo tại wt = 1500. V1 vẫn còn dẫn điện do đặc tính của điện cãm, IL1 không thể tức thời bằng 0. Tuy nhiên van V2 cũng sẳn sàng dẩn điện do xung kích và điện áp trên nó. Kể từ khi van V3 bị khóa trong chu kỳ đang xét nên chỉ cần chú ý đến hai mạch nhánh phía trên gồm V1 và V2 Trong lúc chuyển mạch, các van này tạo nên một mạch kín, điện áp đặt vào mạch lúc này là điện áp dây UL2L1. Cuộn chuyển mạch LK1, LK2 và cả cuộn dây biến áp có tác dụng nhu điện trở tải bên trong. Tải của mạch biến đổi là R và L không bao gồm trong quá trình chuyển mạch. Tuy nhiên, dòng chuyển mạch IK21 chỉ bị giới hạn bởi các điện cãm trong mạch 96 Hình 3.25 Quá trình chuyển mạch từ van 1 sang van 2 Do tải điện cảm ghép nối tiếp Nên dòng một chiều Id có thể xem nhu là hằng số, áp dụng phuơng trình nút bên phía cathode trong hình 3.25: iL2 = Id – iL1 Dòng điện chuyển mạch iK21 có dạng hình sin và đi sau điện áp UL2L1 một góc 900 .Khi iL2 = Id và do đó iL1 = 0, quá trình chuyển mạch hoàn tất. Quá trình chuyển mạch mô tả trong hình 3.26 đuợc gọi là thời gian chuyển mạch hoặc góc trùng dẫn u phụ thuộc vào việc chọn tọa độ Hình 3.26 Ảnh hưởng của sự chuyển mạch tại α = 00 Bởi vì sơ đồ chuyển mạch thường có dạng đối xứng (LK1 = LK2) trong khoảng thời gian trùng dẩn Ud = UL1L2/2. Hình 3.326 cũng cho thấy rằng sự chuyển mạch gây ra mất điện áp DC và được gọi là sụt áp DC cảm ứng Dx Hình 3.27 trình bày chế độ nghịch lưu (900 < α < 1800 ), trái ngược với chế độ chỉnh lưu (00 < α < 900 ) một lượng tăng điện áp đột biến xảy ra. Khi tăng góc kích, sai lệch điện áp hiệu dụng tăng lên đến α = 900 sao cho quá trình chuyển tiếp dòng điện được nhanh chóng và thời gian trùng dẩn giảm 97 Hình 3.27 Điện áp ra DC trong chế độ nghịch lưu 3.2 Chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển(B6) Sơ đồ cầu 3 pha điều khiển toàn phần rất thông dụng trong các bộ biến đổi công suất. ưu điểm của loại này so với mạch M3 là khả năng tận dụng biến áp nguồn tốt hơn. Vì cũng giống nhu trong mạch cầu B2 do có dòng điện xoay chiều chảy trong mạch thứ cấp. Hơn nữa, hệ số gợn sóng và các đặc tính khác cũng đuợc cải thiện tốt hơn. Hình 3.28 Mạch chỉnh lưu cầu 3 pha (B6) Các thyristor có cực cathode nối sao mang số thứ tự lẻ (V1, V3, V5) và các thyristor có anode nối sao mang số thứ tự chẳn (V4, V6, V2), vì vậy điều này cũng là một ưu điểm khi khảo sát các xung kích tuơng ứng. 3.2.1 Phạm vi điều khiển của mạch biến đổi B6 Tại α = 00 , hoạt động của mạch hoàn toàn giống với mạch chỉnh lưu B6 không điều khiển đã thảo luận ở các bài truớc. 98 Giống như tất cả các mạch cầu khác, mạch B6 có thể đuợc tạo nên bằng cách ghép nối tiếp hai mạch M3. Mỗi mạch M3 riêng biệt có 1 thời điễm kích tự nhiên là 300, thêm vào hai điện áp thành phần lệch pha nhau sẻ tạo nên điện áp ra 6 xung (hình 3.28 ). Đối với điện áp ra DC, với sự chuyển mạch xảy ra mỗi 600, và thời điễm kích tự nhiên bây giờ tại 600 về phía duơng kể từ gốc 0 của điện áp dây Do đó, ngay cả đối với tải thuần trở cũng không xuất hiện hiệu ứng khe hở cho đến góc kích α = 600 . Vì vậy biểu thức không phụ thuộc tải sau đây đuợc áp dụng trong khoảng 00 < α < 600 Giả sử trong trường hợp tải điện cảm, Udα cũng đuợc xác định theo quan hệ trên trong khoảng điều khiển 00 < α < 900. Từ 900 < α < 1800, Uda luôn bằng 0. Nhu mô tả trong hình 3.29 , Udα có thể chỉ có giá trị âm với tải điện cảm. Hình 3.29 Đặc tính điều khiển theo tải của mạch B6 Trong phạm vi điều khiển (600 < α < 1200 ), đối với tải thuần trở sẻ xảy ra hiệu ứng khe hở và điện áp ra DC được tính như sau : Trong phạm vi góc kích 1200 < α < 1800, điện áp ra Udα = 0 đối với tải điện trở. Các quan hệ này cũng có thể đuợc biểu diển bằng đồ thị đặc tính điều khiển 99 3.2.2 Chuỗi xung kích Hình 3.30 Sơ đồ mạch tạo xung chính và xung phụ trong mạch B6 100 Hình 3.31 Xung kích mạch cầu B6 a, Dạng sóng điện áp pha b, Điện áp ra DC tại a = 00và a = 750 c, Góc dẩn và xung kích tại a = 00 d, Góc dẩn và xung kích tại a = 750, tải điện trở 101 Hình 3.32 Khối tạo xung với 4 ngỏ ra cách ly BÀI TẬP THỰC HÀNH 1. Mạch chỉnh lưu 1 pha nửa chu kỳ 1.1. Mạch chỉnh lưu 1 pha nửa chu kỳ với tải R 1.1.1. Sơ đồ thực hành 102 1.1.2. Trình tự thực hành Bước 1: Dùng dây cắm 4mm và 2mm nối mạch theo sơ đồ. Bước 2: Cấp nguồn 1 pha 220V cho mô hình, bật công tắc cấp nguồn AC SUPPLY sang vị trí ON. Bước 3: Bật chuyển mạch tải R để ở vị trí R(20), dùng máy hiện sóng đo dạng sóng và vẽ lại dạng sóng trên tải - Đặt góc α=30, α=60, α=90, α=120 vẽ lại dạng sóng của điện áp vào và điện áp ra trên tải 103  Bước 4: Với α=60, Thay đổi vị trí của tải R: R(10), R(16) vẽ lại dạng sóng thu được - Tải R(12), R(16) 1.2. Mạch chỉnh lưu 1 pha nửa chu kỳ với tải R-L 1.2.1. Sơ đồ thực hành 104 1.2.2. Trình tự thực hành  Bước 1: Dùng dây cắm 4mm và 2mm nối mạch theo sơ đồ.  Bước 2: Cấp nguồn 1 pha 220V cho mô hình, bật công tắc cấp nguồn AC SUPPLY sang vị trí ON.  Bước 3: - Bật chuyển mạch tải R để ở vị trí R(12), tải L ở vị trí L(12) dùng máy hiện sóng đo dạng sóng và vẽ lại dạng sóng trên tải - Dùng biến trở VR (Half) để thay đổi góc mở thyristor - Đặt góc α=30, α=60, α=90, α=120 vẽ lại dạng sóng của điện áp vào và điện áp ra trên tải 105  Bước 4: Với α=60, Thay đổi vị trí của tải R: R(12), R(16) và tải L: L(12), L(16) , L(20)vẽ lại dạng sóng thu được - Tải R(12), L(16); R(12), L(20); R(16), L(16); R(20), L(12); R(20), L(20). 1.3. Mạch chỉnh lưu 1 pha nửa chu kỳ với tải R-L nối thêm đi ốt hoàn năng lượng 1.3.1. Sơ đồ thực hành 106 1.3.2. Trình tự thực hành Bước 1: Dùng dây cắm 4mm và 2mm nối mạch theo sơ đồ. Bước 2: Cấp nguồn 1 pha 220V cho mô hình, bật công tắc cấp nguồn AC SUPPLY sang vị trí ON. Bước 3: Bật chuyển mạch tải R để ở vị trí R(12), tải L ở vị trí L(12) dùng máy hiện sóng đo dạng sóng và vẽ lại dạng sóng trên tải - Đặt góc α=30, α=60, α=90, α=120 vẽ lại dạng sóng của điện áp vào và điện áp ra trên tải 107 2. Mạch chỉnh lưu 1 pha 2 nửa chu kỳ 2.1. Mạch chỉnh lưu 1 pha nửa chu kỳ với tải R 2.1.1. Sơ đồ thực hành 2.1.2. Trình tự thực hành  Bước 1: - Dùng dây cắm 4mm nối mạch theo sơ đồ. - Dùng dây cắm 2mm nối K1 ở mạch phát xung điều khiển với K1 ở mạch Thyristor - Dùng dây cắm 2mm nối G1 ở mạch phát xung điều khiển với G1 ở mạch Thyristor - Dùng dây cắm 2mm nối K2 ở mạch phát xung điều khiển với K2 ở mạch Thyristor - Dùng dây cắm 2mm nối G2 ở mạch phát xung điều khiển với G2 ở mạch Thyristor 108 - Dùng dây cắm 2mm nối K3 ở mạch phát xung điều khiển với K3 ở mạch Thyristor - Dùng dây cắm 2mm nối G3 ở mạch phát xung điều khiển với G3 ở mạch Thyristor - Dùng dây cắm 2mm nối K4 ở mạch phát xung điều khiển với K4 ở mạch Thyristor - Dùng dây cắm 2mm nối G4 ở mạch phát xung điều khiển với G4 ở mạch Thyristor  Bước 2: Cấp nguồn 1 pha 220V cho mô hình, bật công tắc cấp nguồn AC SUPPLY sang vị trí ON.  Bước 3: - Bật chuyển mạch tải R để ở vị trí R(20), dùng máy hiện sóng đo dạng sóng và vẽ lại dạng sóng trên tải - Dùng biến trở VR (Full) để thay đổi góc mở thyristor - Đặt góc α=30, α=60, α=90, α=120 vẽ lại dạng sóng của điện áp vào và điện áp ra trên tải  Bước 4: Với α=60, Thay đổi vị trí của tải R: R(10), R(16) vẽ lại dạng sóng thu được - Tải R(12); R(16) 109 2.2. Mạch chỉnh lưu 1 pha với tải R-L 2.2.1. Sơ đồ thực hành 2.2.2. Trình tự thực hành  Bước 1: - Dùng dây cắm 4mm nối mạch theo sơ đồ. - Dùng dây cắm 2mm nối K1 ở mạch phát xung điều khiển với K1 ở mạch Thyristor - Dùng dây cắm 2mm nối G1 ở mạch phát xung điều khiển với G1 ở mạch Thyristor - Dùng dây cắm 2mm nối K2 ở mạch phát xung điều khiển với K2 ở mạch Thyristor - Dùng dây cắm 2mm nối G2 ở mạch phát xung điều khiển với G2 ở mạch Thyristor - Dùng dây cắm 2mm nối K3 ở mạch phát xung điều khiển với K3 ở mạch Thyristor - Dùng dây cắm 2mm nối G3 ở mạch phát xung điều khiển với G3 ở mạch Thyristor - Dùng dây cắm 2mm nối K4 ở mạch phát xung điều khiển với K4 ở mạch Thyristor 110 - Dùng dây cắm 2mm nối G4 ở mạch phát xung điều khiển với G4 ở mạch Thyristor  Bước 2: Cấp nguồn 1 pha 220V cho mô hình, bật công tắc cấp nguồn AC SUPPLY sang vị trí ON.  Bước 3: - Bật chuyển mạch tải R để ở vị trí R(12), tải L ở vị trí L(12) dùng máy hiện sóng đo dạng sóng và vẽ lại dạng sóng trên tải - Dùng biến trở VR (Full) để thay đổi góc mở của Thyristor - Đặt góc α=30, α=60, α=90, α=120 vẽ lại dạng sóng của điện áp vào và điện áp ra trên tải  Bước 4: Với α=60, Thay đổi vị trí của tải R: R(12), R(16) và tải L: L(12), L(16) , L(20)vẽ lại dạng sóng thu được - Tải R(12), L(16); R(12), L(20); R(16), L(16); R(20), L(12); R(20), L(20) 111 2.3. Mạch chỉnh lưu 1 pha với tải động cơ 2.3.1. Sơ đồ thực hành 2.3.2. Trình tự thực hành  Bước 1: - Dùng dây cắm 4mm nối mạch theo sơ đồ. - Dùng dây cắm 2mm nối K1 ở mạch phát xung điều khiển với K1 ở mạch Thyristor - Dùng dây cắm 2mm nối G1 ở mạch phát xung điều khiển với G1 ở mạch Thyristor - Dùng dây cắm 2mm nối K2 ở mạch phát xung điều khiển với K2 ở mạch Thyristor - Dùng dây cắm 2mm nối G2 ở mạch phát xung điều khiển với G2 ở mạch Thyristor - Dùng dây cắm 2mm nối K3 ở mạch phát xung điều khiển với K3 ở mạch Thyristor - Dùng dây cắm 2mm nối G3 ở mạch phát xung điều khiển với G3 ở mạch Thyristor - Dùng dây cắm 2mm nối K4 ở mạch phát xung điều khiển với K4 ở mạch Thyristor 112 - Dùng dây cắm 2mm nối G4 ở mạch phát xung điều khiển với G4 ở mạch Thyristor  Bước 2: Cấp nguồn 1 pha 220V cho mô hình, bật công tắc cấp nguồn AC SUPPLY sang vị trí ON.  Bước 3: - Dùng biến trở VR (Full) để thay đổi góc mở của Thyristor, quan sát sự thay đổi tốc độ của động cơ qua màn hình hiển thị tốc độ - Dùng máy hiện sóng đo dạng sóng ở trên tải, vẽ lại dạng sóng ở các thời điểm khác nhau 3. Mạch chỉnh lưu 3 pha 3.1. Mạch chỉnh lưu 3 pha với tải R 3.1.1. Sơ đồ thực hành 113 3.1.2. Trình tự thực hành  Bước 1: - Dùng dây cắm 4mm nối mạch theo sơ đồ. - Dùng dây cắm 2mm nối A1 ở mạch điều khiển với A1 ở mạch Thyristor - Dùng dây cắm 2mm nối G1 ở mạch điều khiển với G1 ở mạch Thyristor - Dùng dây cắm 2mm nối A2 ở mạch điều khiển với A2 ở mạch Thyristor - Dùng dây cắm 2mm nối G2 ở mạch điều khiển với G2 ở mạch Thyristor - Dùng dây cắm 2mm nối A3 ở mạch điều khiển với A3 ở mạch Thyristor - Dùng dây cắm 2mm nối G3 ở mạch điều khiển với G3 ở mạch Thyristor - Dùng dây cắm 2mm nối A4 ở mạch điều khiển với A4 ở mạch Thyristor - Dùng dây cắm 2mm nối G4 ở mạch điều khiển với G4 ở mạch Thyristor - Dùng dây cắm 2mm nối A5 ở mạch điều khiển với A5 ở mạch Thyristor - Dùng dây cắm 2mm nối G5 ở mạch điều khiển với G5 ở mạch Thyristor - Dùng dây cắm 2mm nối A6 ở mạch điều khiển với A6 ở mạch Thyristor - Dùng dây cắm 2mm nối G6 ở mạch điều khiển với G6 ở mạch Thyristor 114  Bước 2: Cấp nguồn 3 pha 380V cho mô hình, bật công tắc cấp nguồn AC SUPPLY sang vị trí ON.  Bước 3 - Dùng biến trở VR(Ref) để thay đổi góc mở của Thyristor - Bật chuyển mạch tải R để ở vị trí R(20), dùng máy hiện sóng đo dạng sóng và vẽ lại dạng sóng trên tải - Đặt góc α=30, α=60, α=90, α=120 vẽ lại dạng sóng của điện áp vào và điện áp ra trên tải  Bước 4: Với α=60, Thay đổi vị trí của tải R: R(12), R(16) và tải L: L(12), L(16) , L(20)vẽ lại dạng sóng thu được - Tải R(12); R(16) 115 3.2. Mạch chỉnh lưu 3 pha với tải R-L 3.2.1. Sơ đồ thực hành 3.2.2. Trình tự thực hành  Bước 1: - Dùng dây cắm 4mm nối mạch theo sơ đồ. - Dùng dây cắm 2mm nối A1 ở mạch điều khiển với A1 ở mạch Thyristor - Dùng dây cắm 2mm nối G1 ở mạch điều khiển với G1 ở mạch Thyristor - Dùng dây cắm 2mm nối A2 ở mạch điều khiển với A2 ở mạch Thyristor - Dùng dây cắm 2mm nối G2 ở mạch điều khiển với G2 ở mạch Thyristor - Dùng dây cắm 2mm nối A3 ở mạch điều khiển với A3 ở mạch Thyristor - Dùng dây cắm 2mm nối G3 ở mạch điều khiển với G3 ở mạch Thyristor - Dùng dây cắm 2mm nối A4 ở mạch điều khiển với A4 ở mạch Thyristor - Dùng dây cắm 2mm nối G4 ở mạch điều khiển với G4 ở mạch Thyristor 116 - Dùng dây cắm 2mm nối A5 ở mạch điều khiển với A5 ở mạch Thyristor - Dùng dây cắm 2mm nối G5 ở mạch điều khiển với G5 ở mạch Thyristor - Dùng dây cắm 2mm nối A6 ở mạch điều khiển với A6 ở mạch Thyristor - Dùng dây cắm 2mm nối G6 ở mạch điều khiển với G6 ở mạch Thyristor  Bước 2: Cấp nguồn 3 pha 380V cho mô hình, bật công tắc cấp nguồn AC SUPPLY sang vị trí ON.  Bước 3 - Bật chuyển mạch tải R để ở vị trí R(12), tải L ở vị trí L(12) dùng máy hiện sóng đo dạng sóng và vẽ lại dạng sóng trên tải - Dùng biến trở VR (Ref) để thay đổi góc mở thyristor - Đặt góc α=30, α=60, α=90, α=120 vẽ lại dạng sóng của điện áp vào và điện áp ra trên tải  Bước 4: Với α=60, Thay đổi vị trí của tải R: R(12), R(16) và tải L: L(12), L(16) , L(20)vẽ lại dạng sóng thu được - Tải R(12), L(16); R(12), L(20); R(16), L(16); R(20), L(12); R(20), L(20) 117 3.3. Mạch chỉnh lưu 3 pha với tải động cơ 3.3.1. Sơ đồ thực hành 3.3.2. Trình tự thực hành  Bước 1: - Dùng dây cắm 4mm nối mạch theo sơ đồ. - Dùng dây cắm 2mm nối A1 ở mạch điều khiển với A1 ở mạch Thyristor - Dùng dây cắm 2mm nối G1 ở mạch điều khiển với G1 ở mạch Thyristor 118 - Dùng dây cắm 2mm nối A2 ở mạch điều khiển với A2 ở mạch Thyristor - Dùng dây cắm 2mm nối G2 ở mạch điều khiển với G2 ở mạch Thyristor - Dùng dây cắm 2mm nối A3 ở mạch điều khiển với A3 ở mạch Thyristor - Dùng dây cắm 2mm nối G3 ở mạch điều khiển với G3 ở mạch Thyristor - Dùng dây cắm 2mm nối A4 ở mạch điều khiển với A4 ở mạch Thyristor - Dùng dây cắm 2mm nối G4 ở mạch điều khiển với G4 ở mạch Thyristor - Dùng dây cắm 2mm nối A5 ở mạch điều khiển với A5 ở mạch Thyristor - Dùng dây cắm 2mm nối G5 ở mạch điều khiển với G5 ở mạch Thyristor - Dùng dây cắm 2mm nối A6 ở mạch điều khiển với A6 ở mạch Thyristor - Dùng dây cắm 2mm nối G6 ở mạch điều khiển với G6 ở mạch Thyristor  Bước 2: Cấp nguồn 3 pha 380V cho mô hình, bật công tắc cấp nguồn AC SUPPLY sang vị trí ON.  Bước 3: - Dùng biến trở VR (Full) để thay đổi góc mở của Thyristor, quan sát sự thay đổi tốc độ của động cơ qua màn hình hiển thị tốc độ - Dùng máy hiện sóng đo dạng sóng ở trên tải, vẽ lại dạng sóng ở các thời điểm khác nhau 119 BÀI 4: MẠCH ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP MĐ 05 - 04 Giới thiệu: Nguồn điện một chiều được ứng dụng rộng rãi trong đời sống xã hội như sinh hoạt,chữa bệnh.. Bộ biến đổi điện áp một chiều thực hiện biến đổi điện áp một chiều DC – DC Bộ biến đổi điện áp xoay chiều thực hiện biến đổi điện áp xoay chiều về độ lớn và dạng sóng nhưng tần số không thay đổi. Biến đổi điện áp xoay chiều thường được ứng dụng trong điều khiển chiếu sáng và đốt nóng... Vì vậy bài học này cung cấp cho học viên các kiến thức, kỹ năng cơ bản về đặc tính của các bộ biến đổi điện áp một chiều và xoay chiều. Mục tiêu: - Trình bày được nguyên lý hoạt động, đặc tính và phạm vi ứng dụng các mạch điểu chỉnh điện áp theo nội dung đã học. - Đo, kiểm tra, sửa chữa được các mạch điều chỉnh điện áp đạt yêu cầu kỹ thuật. - Rèn luyện tính tỷ mỉ, chính xác, an toàn và vệ sinh công nghiệp Nội dung của bài: 1. Mạch điều áp một chiều 1.1. Bộ giảm áp 120 Hình 4.1 1.1.1. Sơ Đồ Cấu Tạo Và Nguyên Lý Hoạt Động: Mạch bộ giảm áp gồm nguồn điện áp một chiều không đổi u mắc nôi tiếp với tải qua công tắc s. Tải một chiều tổng quát gồm RL và sức điện động E (ví dụ động cơ một chiều). Diode không Vo mắc đối song với tải (hình 4.la). Nguồn một chiều có thể lấy từ acquy, pin điện, hoặc từ nguồn áp xoay chiều qua bộ chỉnh lưu không điều khiển và mạch lọc. Công tắc s có chức năng điều khiển đóng và ngắt được dòng điện đi qua nó. Do tính năng trên nên công tắc s phải là linh kiện tự chuyển mạch, chẳng hạn transistor (BJT, MOSFET, IGBT), GTO hoặc ở dạng kết hợp gồm thyristor (SCR) với bộ chuyển mạch. Tải một chiều hay gặp trong thực tế là động cơ một chiều 1.1.2. Phân Tích Dạng Sóng: ( Hình 4.1b) Việc phân tích thực hiện với giả thiết dòng điện qua tải liên tục. Do cấu tạo mạch chỉ chứa công tắc S với hai trạng thái hoạt động là đóng và ngắt dòng điện nên ta phân tích mạch theo hai trạng thái cơ bản này. Trạng thái đóng S: thời gian đóng T dòng điện dẫn từ nguồn u khép kín qua mạch gồm (U, s, RLE). Phương trình biểu diễn trạng thái hoạt động của tải: Ut = u Ut = R.it + L dit dt + E Chọn thời điểm ban đầu t =0 và ta có: it(t0) = it0 = i0 Giải hệ phương trình vi phân trên, ta có nghiệm dòng điện đi qua tải dưới dạng : Với là hằng số thời gian mạch tải 121 Tại cuối khoảng dẫn T1 , ta có: it1 = i (T1 )=i1 Quá trình dòng điện tải có dạng tăng theo hàm mũ Trạng thái ngắt s - khoảng thời gian (T < t < T): 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 được. Do tính liên tục của dòng điện qua tải chứa L, dòng tải it tiếp tục đi theo chiều cũ và khép kín qua diode không Vo thuận chiều đang dẫn của nó. Phương trình mô tả trạng thái mạch (V , RLE): ut=0 ut = R.it + L dit dt + E Điều kiện ban đầu của (4.3): từ (4.2), dòng điện tải it đạt giá trị tại thời điểm t=T1 : Giải phương trình (4.3) chứa nghiệm dòng điện tải it ta có: Dòng điện có quá trình giảm theo hàm mũ: Tại cuối khoảng thời gian T2, công tắc S lại được kích đóng, S dẫn điện làm điện áp nguồn U tác dụng lên diode không Vo như điện áp ngược nên ngắt dòng qua nó. Trạng thái S đóng được phân tích như ở phần trên 1.1.3. Chế Độ Dòng Tải Gián Đoạn: Khi E = 0, dòng điện tải luôn liên tục. Khi E>0, dòng điện tải có thể liên tục hoặc gián đoạn. Khoảng thời gian dòng điện tải gián đoạn phụ thuộc vào các giá trị của tham số điều khiển (T1 ,T2) và tham số tải (RLE). Ở chế độ dòng gián đoạn (hình 4.2), khoảng thời gian dòng gián đoạn (it =0) xuất hiện trong thời gian ngắt công tắc S. Trong thời gian đóng S, dòng điện tải liên tục được mô tả bởi phương trình (4.1) và (4.2) bắt đầu từ giá trị it(0) = i0 =0. 122 Hình 4.2 Trong giai đọan đầu của thời gian ngắt công tắc S (T1 < t < T2): dòng điện tải liên tục giảm và trạng thái mạch được mô tả bởi phương trình (4.3) và (4.4). Nghiệm dòng điện tải theo hệ thức (4.4) giảm và đạt giá trị 0 tại thời điểm t2 thỏa mãn điều kiện: Giải phương trình (4.5), ta xác định được giá trị t2 : Giai đoan dòng tải gián đoan (t2 < t < T): điên áp trên tải bằng E. Tri trung bình điên áp trên tải: dễ dàng dẫn giải điện áp trung bình trên tải theo hệ thức (4.7): Hê quả: Với chế độ dòng điện qua tải liên tục, ta có: 123 - Điện áp trên tải có dạng xung thay đổi giữa hai giá trị 0 và +U; - Bằng cách thay đổi tỉ số γ = T1 T2 giữa T1 - thời gian đóng S và T: chu kỳ đóng ngắt (T = T1 + T2), ta điều khiển trị trung bình áp tải và dòng tải theo các hệ thức : Do : Ở chế độ dòng tải gián đoạn, các quá trình điện áp và dòng điện được mô tả bởi các hệ thức và phương trình (4.1), (4.2),.. (4.7) và (4.9) Bộ giảm áp dùng làm nguồn điện áp cho truyền động điện động cơ một chiều, làm bộ phận nguồn cho bộ biến tần áp, bộ biến tần dòng điện . 1.2. Bộ tăng áp Hình 4.3 Hình 4.4 1.2.1. Sơ Đồ Cấu Tạo Và Nguyên Lý Hoạt Động: Khi thực hiện hãm tái sinh động cơ 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 124 thực hiện nhờ hoạt động của bộ tăng áp (hình 4.3). Điều kiện để mạch hoạt động là E < U và nguồn 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 như trường hợp bộ giảm áp. Diode V0 cho phép dòng điện dẫn theo chiều từ tải về nguồn và ngăn dòng điện đi theo chiều ngược lại. 1.2.2. Phân Tích Hoạt Động Mạch Bộ Tăng Áp ở Chế Độ Dòng Điện Tải Liên Tục Và Mạch Ở Xác Lập (Hình 4.4): Trạng thái đóng S – khoảng thời gian (0 < t < T ). Dòng điện khép kín qua mạch (RLE, S). Phương trình mô tả trạng thái S đóng: Ut = 0 ut = R.it + L dit dt + E với giả thiết thời điểm đầu chu kỳ khảo sát t0 = 0: it(t0) = it0 = i0 Dòng điện qua tải it tăng theo hàm mũ. Hệ thức biểu diễn dòng điện tải có dạng: Tại thời điểm cuối khoảng đang xét, ta có t=T1 và it (T1) = it; 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. Trạng thái Vo - 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 tính liên tục của dòng qua tải chứa L nên dòng tải tiếp tục dẫn điện theo chiều cũ và khép kín qua diode Vo và nguồn U. Phương trình mô tả trạng thái mạch (U, Vo, RLE): 125 ut = U ut = - R.it - L dit dt + E Tại thời điểm đầu khoảng đang xét, dòng điện tải có giá trị: it (T1) = i1 Nghiệm dòng điện tải của (4.9) giảm theo hàm mũ, cho bởi hệ thức Cuộn 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 tải. Hê quả: - Điện áp tải thay đổi theo dạng xung giữa hai giá trị +U và 0. - Bằng cách thay đổi tỉ số γ giữa T1 - thời gian đóng S và T = T1 + T2: chu kỳ đóng ngắt S, ta điều khiển công suất phát từ nguồn E cũng như công suất trả về nguồn U. Có thể xác định độ lớn chúng thông qua trị trung bình điện áp và dòng điện tải. Do: Nếu thay đổi vai trò giữa u và tải: gọi tải u là nguồn cấp năng lượng và u là tải nhận năng lượng, ta có: 126 Điện áp tải lớn hơn áp nguồn nên ta gọi đây là bộ tăng áp. 2. Mạch điều áp xoay chiều một pha Mạch gồm nguồn điện áp xoay chiều một pha dạng sin u = Um sinc.ot mắc nối tiếp với tải R thông qua công tắc xoay chiều bán dẫn. Công tắc xoay chiều gồm hai thyristor mắc đối song T1và T2 và trong trường hợp công suất nhỏ có thể thay thế chúng bằng một triac. Hình 4.5a Điều khiển điện áp xoay chiều với tải R 2.1. Điện áp xoay chiều một pha tải thuần trở * Nguyên lý hoạt động - Tại các thời điểm 1, 2, có xung điều khiển các tiristor T1, T2, các tiristor này dẫn. Nếu bỏ qua sụt áp trên các tiristor, điện áp tải có dạng như hình vẽ. Dòng điện tải đồng dạng điện áp và được tính: - Khi tiristor dẫn Khi tiristor khoá i = 0 Trị số dòng điện hiệu dụng được tính R tsinU i m                      4 t2sin 2 t R U td.tsin R U1 I 2 2 m2 2 2 m2             4 2sin 22 1 R U I 2 2 m2 127 (Hình 4.5b). biểu diễn hình dáng điện áp và dòng điện khi tải thuần trở Hình 4.5b Dạng điện áp và dòng điện khi tải thuần trở 2.2. Điện áp xoay chiều một pha tải RL * Nguyên lý hoạt động Hình dáng điện áp và dòng điện khi các góc mở khác nhau được cho trên (hình 4.6) Hình 4.6: Đường cong và dòng điện khi các góc mở khác nhau U U Tả i t  1  2 i G1 i G2       2 2sin 1 R U I 128 Khi α > φ, dòng điện tải gián đoạn: Phương trình của mạch là: Nghiệm của phương trình dòng điện là: Trong đó: Khi α < φ, xung mồi hẹp: -Nếu xung mồi dạng xung nhọn và hẹp, tiristor T1 dẫn khi nhận được xung mồi, phương trình dòng điện vẫn là: -Dòng điện triệt tiêu khi t> , do đó lớn hơn . Xung đưa tới cực điều khiển T2 trước khi điện áp anod của nó chuyển sang +, do đó T2 không dẫn. -Việc không dẫn của T2 là do: tại thời điểm có xung mồi t2 cuộn dây còn đang xả năng lượng, làm cho UAK < 0. (Hình 4.7). Thể hiện đường cong dòng điện khi α < φ               t R mm tdcb Lesin Z U tsin Z U iii   R L tg;LRZ 22  tsinUi.R dt di .L m                t R mm Lesin Z U tsin Z U i 129 Hình 4.7 Đường cong dòng điện khi α < φ Trường hợp điều khiển xung có độ lớn: -Nếu xung mồi dạng xung rộng, tiristor T1 nhận được xung mồi dẫn, phương trình dòng điện vẫn là: -Dòng điện triệt tiêu khi t> , do đó lớn hơn . Xung đưa tới cực điều khiển T2 trước khi điện áp anod của nó chuyển sang +, nhưng xung mồi có độ rộng đủ lớn nên đến khi dòng điện T1 triệt tiêu T2 vẫn còn tồn tại xung điều khiển nên nó được dẫn. BÀI TẬP THỰC HÀNH 1. Lắp ráp và khảo sát hoạt động mạch giảm áp a.Thiết bị và dụng cụ chuẩn bị - Bộ dụng cụ cầm tay nghề điện tử - Panel chân cắm nhỏ. - Máy đo VOM và DVOM 130 - Máy hiện sóng 2 kênh 40MHz - Linh kiện điện tử rời phục vụ cho bài. - Mạch in đã được thiết kế sơ đồ sẵn. - Dây nối mạch điện. - Linh kiện làm tải giả cho mạch. b. Qui trình thực hiện + Lắp ráp mạch theo sơ đồ + Thử mạch + Thay đổi các giá trị cấp nguồn kích cho mạch đo giá trị tải, điện áp đầu vào và cho nhận xét + Thay đổi các giá trị cấp nguồn kích cho mạch đo dạng điện áp tải, điện áp đầu vào và cho nhận xét + Tự thiết kế mạch theo yêu cầu cho trước về các giá trị điện áp đầu ra và dòng tiêu thụ trên tải. c. Báo cáo thí nghiệm Sinh viên cần hoàn thành các yêu cầu sau: - Trình bày quá trình thí nghiệm theo trình tự hướng dẫn - Ghi các kết quả thí nghiệm vào báo cáo. - Giải thích các kết quả thu được. - Nhận xét, đánh giá và so sánh các kết quả. 2. Lắp ráp và khảo sát mạch tăng áp a.Thiết bị và dụng cụ chuẩn bị 131 - Bộ dụng cụ cầm tay nghề điện tử - Panel chân cắm nhỏ. - Máy đo VOM và DVOM - Máy hiện sóng 2 kênh 40MHz - Linh kiện điện tử rời phục vụ cho bài. - Mạch in đã được thiết kế sơ đồ sẵn. - Dây nối mạch điện. - Linh kiện làm tải giả cho mạch. b. Qui trình thực hiện + Lắp ráp mạch theo sơ đồ cho trước + Thử mạch + Thay đổi các giá trị cấp nguồn kích cho mạch đo giá trị tải, điện áp đầu vào và cho nhận xét + Thay đổi các giá trị cấp nguồn kích cho mạch đo dạng điện áp tải, điện áp đầu vào và cho nhận xét + Tự thiết kế mạch theo yêu cầu cho trước về các giá trị điện áp đầu ra và dòng tiêu thụ trên tải. c. Báo cáo thí nghiệm Sinh viên cần hoàn thành các yêu cầu sau: - Trình bày quá trình thí nghiệm theo trình tự hướng dẫn - Ghi các kết quả thí nghiệm vào báo cáo. - Giải thích các kết quả thu được. Nhận xét, đánh giá và so sánh các kết quả. 3. Lắp mạch điều khiển một pha sử dụng 2SCR Bước 1: Mắc sơ đồ nhu hình 4.8. Sử dụng dao động ký quan sát tín hiệu trên tải đèn . Bước 2: Tạo mạch kích đồng bộ SCR, tác động tín hiệu kích lên SCR của sơ đồ hình 4.8 132 Bước 3: Thay đổi góc kích tác động vào SCR. Quan sát và vẽ dạng sóng của tín hiệu trên tải trở ( đèn ) theo điện áp vào . Bước 4: Thay thế tải trở ( đèn ) bằng tải có tính cảm ( motor ) . Vẽ dạng sóng của tín hiệu trên tải có tính cảm ( motor ) theo điện áp vào . Bước 5: So sánh dạng sóng trên 2 dạng tải trở và tải có tính cảm . Giải thích sự khác nhau giữa chúng . Hình 4.6: Lắp mạch điều khiển một pha sử dụng 2SCR 4. Biến đổi điện thế AC một pha sử dụng TRIAC Hình 4.7 Biến đổi điện thế AC một pha sử dụng TRIAC Bước 1. Mắc sơ đồ như hình 4.9. Sử dụng dao động ký quan sát tín hiệu trên tải đèn . Bước 2. Tạo mạch kích đồng bộ dùng TCA 785, tác động tín hiệu kích lên TRIAC của sơ đồ hình 4.9 Bước 3. Thay đổi góc kích tác động vào TRIAC. Quan sát và vẽ dạng sóng của tín 133 hiệu trên tải trở ( đèn ) theo điện áp vào . Bước 4. Thay thế tải trở ( đèn ) bằng tải cảm ( biến áp ) . Vẽ dạng sóng của tín hiệu trên tải cảm ( biến áp ) theo điện áp vào . Bước 5. So sánh dạng sóng trên 2 dạng tải trở và tải cảm . Giải thích sự khác nhau giữa chúng 134 BÀI 5: NGHỊCH LƯU MĐ 05 - 05 Giới thiệu Trong thực tế khi sử dụng điện năng, có những thiết bị tần số không phù hợp với tần số của lưới điện,ta cần thay đổi tần số của nguồn cung cấp cho các thiết bị đó bằng cách dùng các mạch nghịch lưu thực hiện yêu cầu này. Vậy bài học này cung cấp cho học viên các kiến thức kỹ năng cơ bản về bộ nghịch lưu Mục tiêu: - Trình bày được cấu tạo nguyên lý hoạt động của mạch nghịch lưu áp ra 1 pha và nghịch lưu áp ra 3 pha, PWM - Trình bày được đặc điểm và phạm vi ứng dụng của mạch nghịch lưu áp ra 1 pha và nghịch lưu áp ra 3 pha - Lắp và khảo sát được mạch nghịch lưu áp 1 pha. - Ứng dụng vào thưc tế để vận hành, sửa chữa, thay thế các linh kiện của mạch nghịch lưu trên các thiết bị điện. * Nội dung của bài: 1. Bộ Nghịch Lưu Áp Một Pha: Bộ nghịch lưu áp một pha dạng mạch cầu (còn gọi là bộ nghịch lưu dạng chữ H (hình 6.la) chứa 4 công tắc và 4 diode mắc đốì song. 135 Hình 5.1 Giản đồ kích đóng các công tắc và đồ thị áp tải được vẽ trên hình 6.1b. Ta có thể phân tích điện áp tải của bộ nghịch lưu áp một pha dạng mạch cầu tương tự như bộ nghịch lưu áp ba pha. Hai cặp công tắc (S1 , S4 ) và (S2, S3 ) tương ứng với hệ thông hai pha tải đối xứng tưởng tượng (hình 5.2). Hình 5.2 Ta có: Rõ ràng: ut = ut1/2 = ut2/2 = u10 – u20 Nếu các công tắc được kích theo qui tắc đối nghịch, ta có thể xác định dạng áp trên tải dựa trên giản đồ kích công tắc và điện áp nguồn Nếu kích S1 ngắt S4: u10 = + U 2 Nếu kích S4 ngắt S1: 136 u10 = - U 2 Nếu kích S3 ngắt S2: U20 = + U 2 Nếu kích S2 ngắt S3: U20 = - U 2 Phân tích điện áp tải của bộ nghịch lưu áp một pha dạng nửa cầu: điện áp bằng với điện áp pha tải - tâm nguồn, bài toán trở nên đơn giản. Phân tích điện áp tải của bộ nghịch lưu áp một pha dạng cầu: Quá trình điện áp và dòng điện được vẽ trên hình (H5.2b) Xét quá trình các đại lượng trong một chu kỳ hoạt động ở chế độ xác lập. Giả thiết rằng tại thời điểm t=0, thực hiện đóng S1 và S2, ngắt S3 và S4. Điện áp tải bằng U, dòng điện tải chạy qua mạch (U – S1 – S2) tăng lên theo phương trình: 0 ≤ t ≤ T/2 ut = U ut = R.it + L dit dt nghiệm dòng điện có dạng: A là hằng số, T = L/R là hằng số thời gian. Tại thời điểm t=T/2, thực hiện ngắt S1, S2 và đóng S3 , S4. Điện áp xuât hiện trên tải bằng - U, dòng điện qua mạch (U, RL, S3 , S4) giảm theo phương trình: T/2 ≤ t ≤ T ut = - U ut = R.it + L dit dt Lúc đó, tại thời điểm t = 0: 137 Tại thời điểm t = T/2: Tại thời điểm t = T: Như vậy, quá trình dòng tải trong một chu kỳ hoạt động sẽ có thể biểu diễn như sau: Giá tri Imin và Imax có thể xác định từ quá trình đôi xứng của hai nửa chu kỳ điện áp và dòng điện tải, từ đó suy ra rằng Imax = - Imin. Áp dụng quan hệ trên vào các hệ thức tính I, ta thu được : * Công suất tải : Công suất tiêu thụ trên tải R-L có thể xác định theo hệ thức với R.it2 là trị hiệu dụng dòng điện qua tải được tính theo biểu thức: Công suất tải có thể xác định theo trị trung bình dòng qua nguồn de I nếu ta bỏ qua tổn hao 138 của linh kiện bộ nghịch lưu: P = U.Is BÀI TẬP THỰC HÀNH * Lắp ráp và khảo sát hoạt động mạch a.Thiết bị và dụng cụ chuẩn bị - Bộ dụng cụ cầm tay nghề điện tử - Panel chân cắm nhỏ. - Máy đo VOM và DVOM - Máy hiện sóng 2 kênh 40MHz - Linh kiện điện tử rời phục vụ cho bài. - Mạch in đã được thiết kế sơ đồ sẵn. - Dây nối mạch điện. - Linh kiện làm tải giả cho mạch. - Chì hàn, nhựa thông - Dây có chốt cắm 2 đầu. b. Qui trình thực hiện + Lắp ráp mạch theo sơ đồ (hình 5-1) cho trước: + Cấp nguồn cho mạch + Đo giá trị điện áp vào/ ra, dạng điện áp vào / ra của mạch. Nhận xét. + Tự thiết kế mạch theo yêu cầu cho trước về các giá trị điện áp đầu ra và dòng tiêu thụ trên tải. c. Báo cáo thí nghiệm Sinh viên cần hoàn thành các yêu cầu sau: - Trình bày quá trình thí nghiệm theo trình tự hướng dẫn - Ghi các kết quả thí nghiệm vào báo cáo. - Giải thích các kết quả thu được. 139 - Nhận xét, đánh giá và so sánh các kết quả. 2. Bộ Nghịch Lưu Áp Ba Pha: Trong thực tế mạch bộ nghịch lưu áp ba pha chỉ gặp ở dạng mạch cầu (hình 5.4a). Mạch chứa 6 công tắc S1, S2, .... S6 và 6 diode đôi song D1, D2, .... D6. Tải ba pha có thể mắc ở dạng hình sao (hình 5.4b) hoặc tam giác (hình 5.4c). Hình 5.3 Giả thiết tải ba pha đối xứng thỏa mãn hệ thức: utl + ut2 + ut3 = 0 Ta tưởng tượng nguồn áp u được phân chia làm hai nửa bằng nhau với điểm nút phân thế 0 140 (một cách tổng quát, điểm phân thế 0 có thể chọn ở vị trí bất kỳ trên mạch nguồn DC). Gọi N là điểm nút của tải ba pha dạng sao. Điện áp pha tải ut1 ut2, ut3. Ta có: utl = u10 - uN0 ut2 = u20 - uN0 ut3 = u30 - uN0 Điện áp u10, u20, u30 được gọi là các điện áp pha -tâm nguồn của các pha 1,2,3. Các điện áp ut1 ut2, ut3 ; u10, u20, u30 và uN0 có chiều dương qui ước vẽ trên hình 5.3a Cộng các hệ thức trên và để ý rằng utl + ut2 + ut3 = 0, ta có: 0 = u10 + u20 + u30 -3uN0 Từ đó: uN0 = U10 + U20 + U30 3 Thay UNO vào biểu thức tính điện áp mỗi pha tải, ta có: Ut1 = 2U10− U20 − U30 3 Ut2 = 2U20− U30 − U10 3 Ut3 = 2U30− U20 − U10 3 Điện áp dây trên tải: * Quá trình điện áp ( và do đó quá trình dòng điện) ngõ ra của bộ nghịch lưu áp ba pha sẽ được xác định khi ta xác định được các điện áp trung gian u10 u20, u30 Xác định điện áp pha - tâm nguồn cho bộ nghịch lưu áp: Cặp công tắc cùng pha gồm hai công tắc cùng mắc chung vào một pha tải, ví dụ (S1, S4 ), (S3 ,S6 ) và (S5 S2) là các cặp công tắc cùng pha * Qui tắc kích đóng đôi nghịch: cặp công tắc cùng pha được kích đóng theo qui tắc đôi nghịch nếu như hai công tắc trong cặp luôn ở trạng thái một được kích đóng và một được kích ngắt. Trạng thái cả hai cùng kích đóng (trạng thái ngắn mạch điện áp nguồn ) hoặc cùng kích ngắt không được phép. Nếu biểu diễn trạng thái được kích của linh kiện bằng giá trị 1 và trạng thái khóa kích bằng 0, ta có thể viết phương trình trạng thái kích của các linh kiện trong mạch nghịch lưu áp 3 pha như sau: 141 S1 + S4 =1; S3 + S6 =1; S5 + S2 =1 * Qui tắc: Giả thiết bộ nghịch lưu áp ba pha có cấu tạo mạch và chiều điện thế của các phần tử trong mạch cho như hình vẽ 5.3.a. Giả thiết các công tắc cùng pha được kích đóng theo qui tắc đối nghịch và giả thiết dòng điện của các pha tải có khả năng đổi dấu. Điện áp pha tải đến tâm nguồn của một pha nguồn nào đó có giá trị +U/2 nếu công tắc lẻ của pha được kích đóng và -2/U nếu công tắc chẵn được kích không phụ thuộc trạng thái dòng điện. * Hệ quả: - Điện áp trên tải được xác định hoàn toàn nếu ta biết được giản đồ kích đóng các công tắc và điện áp nguồn. Do đó, ta có thể điều khiển điện áp ngổ ra của bộ nghịch lưu áp bằng cách điều khiển giản đồ xung kích đóng các công tắc. - Nếu các cặp công tắc cùng pha không được kích đóng theo qui tắc đốì nghịch, dạng điện áp tải sẽ thay đổi phụ thuộc vào trạng thái dòng điện tải (và tham số tải ). Đây là trường hợp kích đóng do ý muốn đối với tải dạng cộng hưởng. Dòng điện có thể ỏ trạng thái liên tục hoặc gián đoạn. Ta cần chú ý rằng, một công tắc được kích đóng không có nghĩa là nó sẽ dẫn điện. Phụ thuộc vào chiều dòng điện dẫn qua tải có thể xảy ra trường hợp công tắc kích đóng không dẫn điện mà dòng điện lại dẫn qua diode mắc đô'i song với công tắc được kích đóng. - Dạng dòng điện được xác định dựa trên phương trình mạch tải. Ví dụ đốì với tải đôi xứng ba pha gồm RL mắc nối tiếp, ta có phương trình dòng điện ba pha tải it1 it2, it3 ut1 = R.it1 + L. dit1 dt ut2 = R.it2 + L. dit2 dt ut3 = R.it3 + L. dit3 dt - Thời gian chết (dead- time): là khoảng thời gian cần thiết áp đặt trong giản đồ đóng ngắt cặp linh kiện cùng pha tải, trong khoảng thời gian này hai công tắc cùng pha tải sẽ bị khóa kích (ví dụ S1,S4). Thời gian chết bắt đầu quá trình chuyển mạch của hai công tắc cùng pha tải để tránh xảy ra hiện tượng ngắn mạch nguồn. Do thời gian chết nhỏ không đáng kể, trong quá trình phân tích hoạt động mạch, ta thường giả thiết bỏ qua giai đoạn này. 142 3. Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM Các bộ nghịch lưu áp thường điều khiển dựa theo kỹ thuật điều chế độ rộng xung - PWM (Pulse Width Modulation) và qui tắc kích đóng đối nghịch. Qui tắc kích đóng đối nghịch đảm bảo dạng áp tải được điều khiển tuân theo giản đồ kích đóng công tắc và kỹ thuật điều chế độ rộng xung có tác dụng hạn chế tối đa các ảnh hưởng bất lợicủa sóng hài bậc caoxuất hiện ở phía tải. Phụ thuộc vào phương pháp thiết lập giản đồ kích đóng các công tắc trong bộ nghịch lưu áp, ta có thể phân biệt các dạng điều chế độ rộng xung khác nhau * Một số chỉ tiêuđánh giá kỹ thuật PWM của bộ nghịch lưu: Chỉ sô điều chê (Modulation index) m: được định nghĩa như tĩ số giữa biên độ thành phần hài cơ bản tạo nên bởi phương pháp điều khiển và biên độ thành phần hài cơ bản đạt được trong phương pháp điều khiển 6 bước - Trị hiệu dụng các thành phần phần sóng hài bậc cao dòng điện: Đại lượng IhRMS phụ thuộc không những vào phương pháp PWM mà còn vào thông sô tải. Để có thể đánh giá chất lượng PWM không phụ thuộc vào tải, ta có thể sử dụng đại lượng độ méo dạng dòng điện như sau: Giả sử tải xoay chiều gồm sức điện động cảm ứng và cảm kháng tản mắc nô"i tiếp, độ méo dạng dòng điện có thể viết lại dưới dạng: 143 Kết quả đạt được không phụ thuộc vào tham sô của tải. Khi sử dụng phương pháp điều khiển 6 bước, độ méo dạng dòng điện có thể xác định bằng giá trị sau: Để so sánh các phương pháp PWM, có thể sử dụng độ méo dạng chuẩn hóa theo phương pháp 6 bước, lúc đó hệ sô méo dạng dòng điện qui chuẩn cho bởi hệ thức: Với phương pháp điều chế 6 bước, hệ sô' méo dạng dòng điện bằng 1. Nếu sử dụng phương pháp điều chế vector không gian, hệ số méo dạng có thể tính theo tích phân của tích vô hướng vector sau đây: Từ đó, áp dụng công thức tính hệ sô méo dạng d. Để đánh giá ảnh hưởng từng sóng hài trong phương pháp PWM, ta có thể sử dụng tham số phổ từng sóng hài dòng điện. Nếu sử dụng phương pháp điều chế đồng bộ với tần số kích đóng linh kiện f bằng số nguyên lần (N) tần số sóng hài cơ bản f (tức f = N.f ), hệ sô sóng hài bậc k qui chuẩn, tính qui đổi theo phương pháp 6 bước và cho bởi hệ thức: Hệ số sóng hài không phụ thuộc vào tham số tải. - Hệ số méo dạng biểu diễn qua các hệ số sóng hài như sau: 144 Nếu sử dụng kỹ thuật PWM không đồng bộ, ta không thể phân tích Fourier phổ dòng điện theo các biến tần số rời rạc khi mà sóng hài dòng điện xuất hiện theo biến tần số liên tục. Trường hợp này, ta có thể sử dụng khái niệm phổ mật độ dòng điện theo hệ thức: * Phương Pháp Điều Chế Độ Rộng Xung Sin (Sin PWM): Về nguyên lý, phương pháp thực hiện dựa vào kỹ thuật analog. Giản đồ kích đóng công tắc bộ nghịch lưu dựa trên cơ sở so sánh hai tín hiệu cơ bản: - Sóng mang up (carrier signal) tần số cao - Sóng điều khiển ur - reference signal (hoặc sóng điều chế- modulating signal) dạng sin. Ví dụ: công tắc lẻ được kích đóng khi sóng điều khiển lớn hơn sóng mang (ur >up ). Trong trường hợp ngược lại, công tắc chẵn được kích đóng. Hình 5.4 145 Hình 5.5 Sóng mang up có thể ở dạng tam giác. Tần số sóng mang càng cao, lượng sóng hài bậc cao bị khử bớt càng nhiều. Tuy nhiên, tần số đóng ngắt cao làm cho tổn hao phát sinh do quá trình đóng ngắt các công tắc tăng theo. Ngoài ra, các linh kiện đòi hỏi có thời gian đóng ton và ngắt toff nhất định. Các yếu tố này làm hạn chế việc chọn tần số sóng mang. Sóng điều khiển ur mang thông tin về độ lớn trị hiệu dụng và tần số sóng hài cơ bản của điện áp ở ngõ ra. Trong trường hợp bộ nghịch lưu áp ba pha, ba sóng điều khiển của ba pha phải được tạo lệch nhau về pha 1/3 chu kỳ của nó. Gọi mf.là tỉ sô điều chế tần sô (Frequency modulation ratio) Việc tăng giá trị mf sẽ dẫn đến việc tăng giá trị tần số các sóng hài xuất hiện. Điểm bất lợi của việc tăng tần số sóng mang là vấn đề tổn hao do đóng ngắt lớn Tương tự, gọi m là tỉ số điều chế biên độ (Amplitude modulation ratio) : 146 Nếu ma < 1 (biên độ sóng sin nhỏ hơn biên độ sóng mang) thì quan hệ giữa biên độ thành phần cơ bản của áp ra và áp điều khiển là tuyến tính. Đối với bộ nghịch lưu áp một pha: Ut(1)m = maU Đối với bộ nghịch lưu áp ba pha, biên độ áp pha hài cơ bản: Ut(1)m = maU/2 Khi giá trị m >1, biên độ tín hiệu điều chế lớn hơn biên độ sóng mang thì biên độ hài cơ bản điện áp ra tăng không tuyến tính theo biến m . Lúc này, bắt đầu xuất hiện lượng sóng hài bậc cao tăng dần cho đến khi đạt ở mức giới hạn cho bởi phương pháp 6 bước. Trường hợp này còn được gọi là quá điều chế (overmodulation) hoặc điều chế mở rộng. Trong trường hợp bộ nghịch lưu áp ba pha, các thành phần sóng hài bậc cao sẽ được giảm đến cực tiểu nếu giá trị mf được chọn bằng số lẻ bội ba. Nếu để ý đến hệ thức tính chỉ số điều chế, ta thấy phương pháp SPWM đạt được chỉ số lớn nhất trong vùng tuyến tính khi biên độ sóng điều chế bằng với biên độ sóng mang. Lúc đó, ta có: * Phân tích sóng hài: Việc đánh giá chất lượng sóng hài xuất hiện trong điện áp tải có thể được thực hiện bằng phân tích chuỗi Fourier. Ớ đây, chu kỳ lấy tích phân Fourier được chia thành nhiều khoảng nhỏ, với cận lấy từng tích phân của từng khoảng được xác định từ các giao điểm của sóng điều khiển và sóng mang dạng tam giác. 147 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] 1]- Nguyễn Thế Công, Trần Văn Thịnh, Điện tử công suất, lý thuyết, thiết kế, ứng dụng, Nxb Khoa học kỹ thuật 2008. [2] Võ Minh Chính, Điện tử công suất, Nxb Khoa học kỹ thuật 2008 [3] Điện tử công suất và điều khiển động cơ điện. Cyril W. Lander [4] Nguyễn Bính: Điện tử công suất. NXB Khoa học kỹ thuật 2005 [5] Lê Đăng Doanh, Nguyễn Thế công, Trần Văn Thịnh, Điện tử công suất tập 1,2, Nxb Khoa học kỹ thuật 2007 [6] Trần Trọng Minh: Giáo trình điện tử công suất. nxb giáo dục VN - 1 -