Tài liệu Thí nghiệm điện tử công suất

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Biên soạn: ThS. Bùi Hữu Hiên www.hutech.edu.vn Tài Liệu Lưu Hành Tại HUTECH THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Ấn bản 2015 MỤC LỤC I MỤC LỤC MỤC LỤC .................................................................................................................... I HƯỚNG DẪN .............................................................................................................. II BÀI 1: THÍ NGHIỆM MẠCH KÍCH THYRISTOR VÀ TRIAC............................................... 1 BÀI 2: THÍ NGHIỆM BỘ CHỈNH LƯU CẦU CÔNG SUẤT 1 PHA ...................................... 10 BÀI 3: THÍ NGHIỆM BỘ CHỈNH LƯU CẦU CÔNG SUẤT 3 PHA ...................................... 23 BÀI 4: THÍ NGHIỆM BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU ........................................... 29 BÀI 5: THÍ NGHIỆM BỘ BIẾN ĐỔI NGUỒN DC - DC CÔNG SUẤT ................................. 35 BÀI 6: THÍ NGHIỆM BỘ BIẾN TẦN KIỂU ĐIỀU RÔNG XUNG (PULSE WIDTH MODULATION INVERTER) ...................................................................... 42 BÀI 7: THÍ NGHIỆM BỘ BIẾN TẦN THEO PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI ĐIỆN THẾ (VARIABLE - VOLTAGE INTERVER) ................................................................................ 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................ 59 II HƯỚNG DẪN HƯỚNG DẪN MÔ TẢ MÔN HỌC Giới thiệu tổng quan về điện tử công suất, các linh kiện công suất phổ thông được sử dung phổ biến trên thị trường, các mạch cơ bản trong điện tử công suất, nguyên lý vận hành và các phương pháp kích dẫn. Môn học này cũng giúp người học nhận diện các sơ đồ mạch điện tử công suất, phân tích nguyên lý và phương pháp đo đạc các thông số dòng áp cũng như nhận biết các dạng sóng điện áp, dòng điện trên tải và trên các linh liện công suất trên mạch. NỘI DUNG MÔN HỌC  Bài 1. Thí nghiệm mạch kích Thyristor và Triac: Bài này cung cấp cho sinh viên kiến thức về các phương pháp kích dẫn cho Thyristor và Triac, đặc biệt là phương pháp kích đồng bộ.  Bài 2. Bộ chỉnh lưu cầu công suất 1 pha: Bài này cung cấp cho sinh viên kiến thức về các bộ chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển bán phần và toàn phần với phương pháp kích đồng bộ.  Bài 3. Bộ chỉnh lưu cầu công suất 3 pha: Bài này cung cấp cho sinh viên kiến thức về các bộ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển bán phần và toàn phần với phương pháp kích đồng bộ.  Bài 4. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều: Bài này cung cấp cho sinh viên kiến thức về các bộ điều khiển điện áp xoay chiều mà linh kiện công suất là Triac.  Bài 5. Bộ biến đổi ngườn DC - DC công suất: Bài này giúp sinh viên nhận diện, phân tích và đo đạc thông số dòng áp của các mạch biến đổi DC - DC.  Bài 6. Bộ biến tần điều rộng xung: Bài này giúp sinh viên có kiến thức về bộ biến tần dùng phương pháp điều rộng xung (PWM).  Bài 7. Bộ biến tần theo phương pháp biến đổi điện thế (Six – step): Bài này giúp sinh viên hiểu biết về bộ biến tần Six – Step và các dạng sóng trên tải của mạch này. HƯỚNG DẪN III KIẾN THỨC TIỀN ĐỀ Môn học thí nghiệm điện tử công suất đòi hỏi sinh viên phải có kiến thức lý thuyết về môn học Điện tử công suất. YÊU CẦU MÔN HỌC Người học phải dự học đầy đủ các buổi thí nghiệm trên lớp và soạn phần chuẩn bị bài cũng như hoàn chỉnh phần báo cáo TN ở nhà trước khi lên lớp. CÁCH TIẾP NHẬN NỘI DUNG MÔN HỌC Để học tốt môn này, người học cần ôn tập các bài đã học trong lý thuyết, trả lời các câu hỏi trong phần chuẩn bị trước khi thí nghiệm. Đọc trước bài mới sẽ học. Đối với mỗi bài thí nghiệm, người học phải đọc trước mục tiêu và tóm tắt bài học, sau đó tìm các thông tin liên quan đến nội dung bài thí nghiệm để tham khảo thêm. Kết thúc mỗi bài thí nghiệm người học phải soạn báo cáo thí ngiệm theo mẫu Báo cáo đính kèm theo giáo trình thí nghiệm. PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ MÔN HỌC Môn học được đánh giá gồm:  Điểm quá trình: 30%. Hình thức và nội dung do GV quyết định, phù hợp với quy chế đào tạo và tình hình thực tế tại nơi tổ chức học tập.  Điểm thi: 70%. Chấm báo cáo thí nghiệm hoặc làm bài thi thực hành tùy vào quan điểm của người hướng dẫn thí nghiệm. BÀI 1: THÍ NGHIỆM MẠCH KÍCH THYRISTOR VÀ TRIAC 1 BÀI 1: THÍ NGHIỆM MẠCH KÍCH THYRISTOR VÀ TRIAC 1.1 MỤC ĐÍCH YÊU CẦU: Giúp sinh viên làm quen một vài linh kiện điện tử công suất thông dụng là Thyristor và Triac. Tính năng vận hành của chúng và các phương pháp kích dẫn, đặc biệt đề cao ý nghĩa của phương pháp kích động bộ. 1.2 PHẦN LÝ THUYẾT: 1.2.1 Thyristor (SCR): Thyristor (tên ghép từ Thyratron và Transistor) được cấu tạo từ 4 lớp bán dẫn P-N- P-N (hình 1.1.a), có các điện cực ra Anode (A), Cathode (K) và điện cực điều khiển (G). Hình 1.1: Cấu trúc và hình dạng của Thysistor Khi nối Anode với cực “+” và Cathode với cực “-” của nguồn một chiều, J1 và J3 được phân cực thuận và J2 phân cực nghịch. Kết quả là gần như toàn bộ điện thế nguồn đặt lên lớp tiếp xúc J2. Nếu tác động vào cực G một điện thế dương so với K (tín hiệu xung kích) thì Thysistor nhận năng lượng đủ lớn của điện trường tổng cộng. Các điện trường này sẽ ion hóa các nguyên tử bán dẫn, tạo ra các điện tử mới (thứ 2 THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT cấp). Các điện tử thứ cấp nhận năng lượng và gây ion hóa tiếp theo. Kết quả là một thác lũ điện tử được tạo ra trong lớp tiếp xúc J2 và chảy vào N1, sau đó qua P1 để tới cực A tạo thành dòng qua Thyristor. Thyristor làm việc trong chế độ này là chế độ mở, có điện trở thuận nhỏ và dòng dẫn I lớn. Để đưa Thyristor về trạng thái cấm (khóa), cần tiến hành theo 2 cách sau: - Giảm dòng I xuống giá trị duy trì dẫn. - Đảo chiều thế phân áp U hoặc tạo thế phân cực ngược cho Thyristor (Chỉ áp dụng được với tải thuần trở, còn với tải cảm thì không thể được!). Một số đặc điểm cần lưu ý khi sử dụng Thyristor:  Mỗi loại Thyristor chế tạo có các đặc trưng khác nhau, cần lựa chọn loại thích hợp với yêu cầu sử dụng: - Dòng điện định mức In: (tùy loại) ~A  1000A. - Dòng điện rò ~mA. - Điện áp ngược cực đại Uin (max): (tùy loại) vài trăm Volt  vài kV. - Dòng điện điều khiển IG. - Tốc độ tăng dòng điện dI/dt: A/s. - Tốc độ tăng điện áp dV/dt: V/s. - Thời gian khóa: vài chục s. - Thời gian mở: vài s. - Quá trình chuyển từ mở sang cấm không xảy ra tức thời. Nếu khi Thyristor chưa cấm hẳn mà đã xác lập thế U để UA-K dương, sẽ làm đoản mạch nguồn và hỏng Thyristor. 1.2.2 TRIAC (Triode Alternative Current): Triac là dụng cụ tương đương với 2 Thyristor song song ngược chiều nhau có chung một cực điều khiển. Do làm việc với cả nguồn phân cực dương và âm, khái niệm Anode và Cathode của Triac không phù hợp. Được quy ước sử dụng ký hiệu T2 (hoặc B2) và T1 (hoặc B1) cho các cực ngõ ra và cực điều khiển G ở gần T1. BÀI 1: THÍ NGHIỆM MẠCH KÍCH THYRISTOR VÀ TRIAC 3 Hình 1.2: Cấu trúc (a) và ký hiệu Triac (b) Cấu trúc bán dẫn của Triac có thể mô tả bằng 2 cấu trúc 4 lớp tiếp xúc bán dẫn Ta và Tb. Trong trường hợp nối T2 với nguồn “+” và T1 với nguồn ”-“, G với “+”, nửa Ta của Triac làm việc như một Thyristor thông thường. Nếu phân cực nguồn ngược lại, điện tử từ N3 sẽ phóng vào P2, gây ra quá trình thác lũ do va chạm làm dẫn Tb. Khác với Thyristor, Triac có thể làm việc với điện thế điều khiển âm và không đổi trạng thái khi đảo cực nguồn thế nuôi. Hình 1.3: Đặc tuyến V - A của Triac 4 THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 1.2.3 Sơ đồ điều khiển (kích) Thyristor và Triac: Thyristor và Triac có thể được kích bằng nguồn một chiều. Thời gian kích để chuyển trạng thái Thyristor và Triac không lớn. Sau khi được kích dẫn, tín hiệu điều khiển mất tác dụng. Chính vì vậy có thể điều khiển các linh kiện này bằng xung có biên độ và thời gian kéo dài tương ứng với từng loại sử dụng. Hình1.4: Kiểu sơ đồ điều khiển đồng bộ pha cho Thyristor và Triac 1.3 TIẾN TRÌNH THÍ NGHIỆM: ĐIỀU KHIỂN ĐỒNG BỘ SCR & TRIAC 1.3.1 Thiết bị sử dụng: Thiết bị cho thực tập khảo sát mạch kích Thyristor và Triac (hình 1.5), chứa các phần tử chức năng: - Bảng nguồn PE-500PS, chứa Aptomat 1 pha cho các ổ điện 220 VAC, Aptomat chính 3 pha cấp nguồn (~24VAC) cho thí nghiệm, cầu chì, đèn báo nguồn, các ngõ ra cho các nguồn ~24VAC/10A 3 pha, nguồn DC 12V/1.5A. - Module nguồn kích DC và máy phát: PEC-501A. - Module liên kết quang và biến thế: PEC-501B. - Module tạo khung điều khiển đồng bộ: PEC-502. BÀI 1: THÍ NGHIỆM MẠCH KÍCH THYRISTOR VÀ TRIAC 5 - Module linh kiện CS chứa Diode, Transistor, SCR, Triac, MOSFET: PE-511 - Module tải: PEL-521 - Dao động ký 2 tia, Đồng hồ đo. - Phụ tùng: Dây có chốt cắm hai đầu. - Lưu ý ký hiệu thống nhất cho các khối để dễ xác định khi lắp ráp: - PE: Power Electronics - ký hiệu cho khối công suất, ví dụ PE-511, PE-512, - PEC: Power Electronics Controller - ký hiệu cho các khối điện tử điều khiển, ví dụ PE-501A/B, PEC-502, PEC-503, - PEL: Power Electronics Load - ký hiệu cho khối tải. 6 THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Hình 1.5: Thiết bị thực tập khảo sát linh kiện điện tử công suất Hình 1.6: Sơ đồ mạch nguồn 3 pha (24VAC) và mạch nguồn DC (12V) BÀI 1: THÍ NGHIỆM MẠCH KÍCH THYRISTOR VÀ TRIAC 7 Hình 1.7: Mô hình bộ nguồn công suất 1.3.2 Thực hành điều khiển đồng bộ SCR và TRIAC theo pha điện lưới: a) Nối sơ đồ thí nghiệm như hình 1.6: - Kiểm tra việc cấp nguồn 12V và GND cho các module điện tử. - Cấp nguồn ~24VAC cho ngõ vào X-Y sơ đồ điều khiển đồng bộ PEC-502. Chú ý chiều đánh dấu X&Y tương ứng với các cực nối tải. - Nối ngõ ra bộ điều khiển OUT1/A với chốt G và OUT1/B với chốt K của SCR1 (PE- 511). - Nối chốt A/SCR1 với tải đèn R1 (PEL-521). Nối tải đèn với nguồn ~24VAC. - Nối chốt Vrefo với Vrefi trên Module PEC-502 để cấp thế chuẩn từ biến trở P3 cho các bộ so sánh. b) Sử dụng dao động ký quan sát dạng tín hiệu tại ngõ vào X-Y, các điểm kiểm tra TP1  TP5 và ngõ ra sơ đồ điều khiển đồng bộ, tín hiệu trên tải đèn. Vặn biến trở P3 để thay đổi góc mở , quan sát sự thay đổi tín hiệu trên tải tương ứng. (lưu ý: dùng dao động ký 2 tia để quan sát độ dịch của các tín hiệu). c) Sử dụng OUT3 thay cho OUT1 của PEC-502. Nối OUT3/A với G và OUT3/B với K của SCR1. Quan sát dạng tín hiệu trên tải. So sánh với trường hợp sử dụng OUT1. Giải thích nguyên nhân khác nhau giữa chúng. d) Đảo ngược dây nối ~24V cho ngõ vào sơ đồ điều khiển đồng bộ. Quan sát tín hiệu ra trên tải. Giải thích sự khác nhau giữa chúng. 8 THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Hình 1.8: Sơ đồ điều khiển xung đồng bộ Thysistor với tải trở e) Thay tải trở bằng tải cảm L (PEL-521). Lặp lại các bước thí nghiệm trên. Vẽ dạng tín hiệu trên tải vào báo cáo. So sánh dạng tín hiệu trên tải khi dùng tải trở và tải cảm. Giải thích sự khác nhau giữa chúng. f) Vẽ giản đồ so sánh trên tải R và L vào báo cáo khi đặt giá trị góc mở (điều chỉnh P3)  = /5. g) Thay thế Thyristor bằng Triac cho trường hợp tải trở và tải cảm (hình 1.8). Lặp lại các bước thí nghiệm cho sơ đồ Triac (giống như đối với Thyristor). Vẽ dạng tín hiệu trên tải vào báo cáo. So sánh dạng tín hiệu và giải thích sự khác nhau giữa chúng. h) Vẽ giản đồ sóng trên tải R và L vào báo cáo khi đặt giá trị góc mở (điều chỉnh P3)  = /5. BÀI 1: THÍ NGHIỆM MẠCH KÍCH THYRISTOR VÀ TRIAC 9 Hình 1.10: Sơ đồ điều khiển xung đồng bộ Triac với tải trở 10 THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT BÀI 2: THÍ NGHIỆM BỘ CHỈNH LƯU CẦU CÔNG SUẤT 1 PHA 2.1 MỤC ĐÍCH YÊU CẦU: Giúp sinh viên tìm hiểu bộ Chỉnh lưu cầu và các phương pháp điều khiển Bán phần và Toàn phần theo nguyên lý kích đồng bộ. 2.2 PHẦN LÝ THUYẾT: Bộ chỉnh lưu công suất thực hiện biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều. Bộ chỉnh lưu được sử dụng rộng rãi để cung cấp nguồn một chiều công suất lớn cho các thiết bị công nghiệp như động cơ điện một chiều công suất tới tầm MW (Mega Watt), mạch kích từ máy phát điện, nguồn điện một chiều cho các máy hàn, mạ điện, nạp điện, nguồn cho các bộ biến tần và hàng loạt các ứng dụng khác. Hình 2.1: Sơ đồ chỉnh lưu cầu 2.2.1 Chỉnh lưu điều khiển bán phần: Cân Sơ đồ mạch chỉnh lưu điều khiển bán phần dạng đối xứng được trình bày trên hình 2.2. Các Thyristor SCR1 và SCR2 tạo thành nhóm Anode, còn các diode D1 và D2 tạo thành nhóm Cathode. BÀI 2: THÍ NGHIỆM BỘ CHỈNH LƯU CẦU CÔNG SUẤT 1 PHA 11 Hình 2.2: Sơ đồ chỉnh lưu điều khiển bán phần Do tác dụng của diode D1 và D2, điện áp tạo ra trên tải không âm. Do vậy, bộ chỉnh lưu cầu điều khiển bán phần không được sử dụng khi tải đòi hỏi hoạt động trong chế độ nghịch lưu có hoàn trả năng lượng về nguồn xoay chiều. a) Trường hợp tải thuần trở R: Hình 2.3: Giản đồ tín hiệu mạch chỉnh lưu điều khiển bán phần với tải R 12 THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Trong đó: - UAC, IAC là điện áp và đong điện xoay chiều cấp cho sơ đồ cầu. - UDC và IDC là điện áp trên tải và dòng chỉnh lưu qua tải. - USCR1, ISCR1 là điện áp và dòng điện trên Thyristor SCR1. - UD1, ID1 là điện áp và dòng điện trên Diode D1. Hình 2.4: Sự phụ thuộc giữa điện áp chỉnh lưu điều khiển bán phần với giá trị góc điều khiển b) Trường hợp tải là thuần trở mắc nối tiếp với tải cảm RL: Dạng tín hiệu trên mạch chỉnh lưu điều khiển bán phần được trình bày trên hình 2.5, trong đó: - UAC, IAC là điện áp và dòng điện xoay chiều cấp cho sơ đồ cầu. - UDC, IDC là điện áp và dòng điện trên tải RL. Điện áp trên tải có dạng không âm, gián đoạn và giống như trường hợp tải là thuần trở R. BÀI 2: THÍ NGHIỆM BỘ CHỈNH LƯU CẦU CÔNG SUẤT 1 PHA 13 Hình 2.5: Giản đồ tín hiệu mạch chỉnh lưu điều khiển bán phần với tải RL 2.2.2 Chỉnh lưu điều khiển toàn phần: Sơ đồ chỉnh lưu điều khiển toàn phần dạng đối xứng được trình bày trên hình 2.6. Các Thyristor SCR1 và SCR2 tạo thành nhóm Anode, còn Thyristor SCR3 và SCR4 tạo thành nhóm Cathode. Hình 2.6: Sơ đồ chỉnh lưu điều khiển toàn phần 14 THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT a) Trường hợp tải là thuần trở R: Hình 2.7: Giản đồ tín hiệu mạch chỉnh lưu điều khiển toàn phần tải R b) Trường hợp tải là trở thuần mắc nối tiếp với tải cảm RL: Phụ thuộc vào tham số góc điều khiển, giá trị R, L và giá trị hiệu dụng của điện áp nguồn dòng qua tải có thể có giá trị liên tục hoặc gián đoạn.  Trường hợp dòng qua tải liên tục (quan sát khi góc mở  = 0): BÀI 2: THÍ NGHIỆM BỘ CHỈNH LƯU CẦU CÔNG SUẤT 1 PHA 15 Hình 2.8: Giản đồ tín hiệu chỉnh lưu điều khiển toàn phần với tải RL dòng tải liên tục  Trường hợp dòng qua tải gián đoạn: Hình 2.9: Giản đồ tín hiệu mạch chỉnh lưu điều khiển toàn phần với tải RL – dòng tải gián đoạn. 16 THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 2.3 TIẾN TRÌNH THÍ NGHIỆM: BỘ CHỈNH LƯU CẦU CÔNG SUẤT 1 PHA 2.3.1 Thiết bị sử dụng:  Thiết bị cho thực tập về chỉnh lưu công suất (hình 2.10), chứa các phần tử chức năng: - - Bảng nguồn PE-500PS, chứa Aptomat 1 pha cho các ổ điện 220 VAC, aptomat chính 3 pha cấp nguồn cho thí nghiệm, cầu chì (10A), đèn báo nguồn, các ngõ ra cho các nguồn ~24VAC/10A 3 pha, nguồn 1 chiều +12V/1.5A và –12V/1.5A. - Module tạo khung điều khiển đồng bộ: PEC-502. - Module Diode công suất: PE-512. - Module Thyristor công suất: PE-513 (2 khối). - Module tải: PEL-521  Dao động ký 2 tia, Đồng hồ đo.  Phụ tùng: dây có chốt cắm hai đầu. BÀI 2: THÍ NGHIỆM BỘ CHỈNH LƯU CẦU CÔNG SUẤT 1 PHA 17 18 THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Hình 2.10: Thiết bị thực tập khảo sát bộ chỉnh lưu công suất 1 pha 2.3.2 Các bài thực hành: a) Sơ đồ chỉnh lưu cầu điều khiển bán phần với diode và Thyristor, tải trở R.  Nối sơ đồ thí nghiệm như hình 2.11. - Kiểm tra việc cấp nguồn 12V và GND cho module điện tử PEC-502. - Cấp nguồn ~24VAC cho ngõ vào X-Y của sơ đồ điều khiển PEC-502. - Nối chốt Vrefo với Vrefi để đưa thế điều khiển góc mở cho các bộ so sánh của PEC- 502. BÀI 2: THÍ NGHIỆM BỘ CHỈNH LƯU CẦU CÔNG SUẤT 1 PHA 19 - Nối các ngõ ra OUT1/A-B với cực G và K của SCR1 và SCR2 tương ứng. - Nối các diode D1, D2 (PE-512), SCR1 và SCR2 (PE-513) thành sơ đồ cầu. Cấp nguồn ~24VAC theo thứ tự X-Y tương ứng với nguồn đã cấp cho ngõ vào PEC-502. - Nối điện trở đo R01, R02 và tải trở R/PEL-522 cho ngõ ra mạch cầu. Lưu ý 1: Để tránh mắc sai lầm trong quá trình mắc mạch này, ban đầu ta bỏ qua sự hiện diện của các điện trở đo R01 và R02, xem như ta nối tắt hai đầu của điện trở vậy rồi nối dây bình thường, sau khi mắc mạch xong ta mới thêm các điện trở R01 (nối từ điểm đầu nguồn X đến điểm chung giữa Anode của SCR1 với Cathode của D1) và R02 (nối từ Cathode của SCR1 với điểm nguồn ra +UDC) vào trong mạch theo đúng như hình vẽ dưới đây. Thực chất trong mạch thực tế không tồn tại hai điện trở này, mà là nhằm tạo thuận lợi cho việc đo thông số DÒNG ĐIỆN trên nhánh cần đo người ta mới thêm chúng vào mà thôi. Hình 2.11: Sơ đồ chỉnh lưu điều khiển bán phần với tải R  Sử dụng dao động ký quan sát dạng tín hiệu trên tải R. Vặn biến trở P3 để thay đổi ngưỡng đồng bộ – tương ứng, thay đổi góc mở . Quan sát sự thay đổi vị trí tín hiệu ra theo giá trị P3 tương ứng với vị trí ~24V ngõ vào. Xác định vị trí với  = /2, vẽ lại dạng sóng chỉnh lưu UDC vào báo cáo. 20 THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT  Chuyển đầu dao động ký để quan sát: - Dạng sóng trên R01 (thuần trở) là dạng dòng IAC (UAC=IAC*R01) và vẽ dạng sóng vào báo cáo. - Dạng sóng trên SCR1 là dạng sóng điện áp USCR1, vẽ dạng sóng vào báo cáo. - Dạng sóng trên R02 là dòng I SCR1 (UR02 = ISCR1*R02), vẽ vào báo cáo.  Đo đặc tuyến điều khiển: - Mắc đồng hồ đo VOM, thang đo 200V để đo điện áp chỉnh lưu UDC. - Sử dụng dao động ký quan sát dạng tín hiệu trên tải R, chỉnh biến trở P3 để ghi nhận góc điều khiển và giá trị (RMS) đo bằng VOM tương ứng. Ghi kết quả đo bảng số liệu trong báo cáo. b) Sơ đồ chỉnh lưu cầu bán phần với Diode và Thyristor, tải RL:  Nối sơ đồ thí nghiệm như hình 2.12. Thay tải trở R bằng tải R+L/PEL-522 và thực hiện các bước như với tải R. Hình 2.12: Sơ đồ chỉnh lưu điều khiển bán phần với tải RL BÀI 2: THÍ NGHIỆM BỘ CHỈNH LƯU CẦU CÔNG SUẤT 1 PHA 21  So sánh giải thích sự khác nhau về dạng tín hiệu trên tải cho hai trường hợp tải R và tải RL. c) Sơ đồ chỉnh lưu cầu điều khiển toàn phần với Thyristor, tải trở R.  Nối sơ đồ thí nghiệm như hình 2.13. - Kiểm tra việc cấp nguồn 12 và GND cho module điện tử PEC-502. - Cấp nguồn ~24VAC cho ngõ vào X-Y của sơ đồ điểu khiển PEC-502. - Nối chốt Vrefo với Vrefi để đưa thế điều khiển góc mở cho các bộ so sánh của PEC- 502. - Nối các ngõ ra OUT1/A-B và OUT2/A-B với cực G và K của SCR1 và SCR2 tương ứng. - Nối trở đo R01, R02 và tải trở R/PEL-522 cho ngõ ra mạch cầu. Lưu ý 2: Tham khảo lưu ý 1 bên trên và thực hiện tương tự cho mạch này. Hình 2.13: Sơ đồ chỉnh lưu điều khiển toàn phần với tải R  Sử dụng dao động ký quan sát dạng tín hiệu trên tải R. Vặn biến trở P3 để thay đổi ngưỡng đồng bộ – tương ứng, thay đổi góc mở . Quan sát sự thay đổi vị trí tín 22 THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT hiệu ra theo giá trị P3 tương ứng với vị trí điện áp ~24V ngõ vào. Xác định vị trí với  = /2, vẽ lại dạng sóng chỉnh lưu UDC vào báo cáo.  Chuyển đầu đo dao động ký để quan sát: - Dạng sóng trên R01 là dạng dòng IAC, vẽ dạng sóng vào báo cáo. - Dạng sóng trên SCR1 là dạng sóng điện áp USCR1, vẽ dạng sóng vào báo cáo. - Dạng sóng trên R02 là dòng ISCR1, vẽ dạng sóng vào báo cáo.  Đo đặc tuyến điều khiển: - Mắc đồng hồ đo VOM, thang đo 200V để đo điện áp chỉnh lưu UDC. - Sử dụng dao động ký quan sát dạng tín hiệu trên tải R, chỉnh biến trở P3 để ghi nhận góc điều khiển và giá trị VOM tương ứng. Ghi kết quả đo vào bảng kết quả trong báo cáo. d) Sơ đồ chỉnh lưu cầu điều khiển toàn phần với Thyristor, tải RL.  Nối sơ đồ thí nghiệm như hình 2.13. Thay tải trở R bằng tải R+L và thực hiện các bước như với tải R.  So sánh và giải thích sự khác nhau về dạng tín hiệu trên tải cho hai trường hợp tải R và tải RL. BÀI 3: THÍ NGHIỆM BỘ CHỈNH LƯU CẦU CÔNG SUẤT 3 PHA 23 BÀI 3: THÍ NGHIỆM BỘ CHỈNH LƯU CẦU CÔNG SUẤT 3 PHA 3.1 MỤC ĐÍCH YÊU CẦU: Giúp sinh viên tìm hiểu bộ Chỉnh lưu cầu 3 pha và phương pháp điều khiển theo nguyên lý kích đồng bộ. 3.2 PHẦN LÝ THUYẾT: Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha (hình 3.1) được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Hình 3.1. Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha Sơ đồ gồm 6 Thyristor chia thành 2 nhóm: nhóm Anode (SCR1, SCR3, SCR5) và nhóm Cathode (SCR4, SCR6, SCR2). Sơ đồ điều khiển đồng bộ 3 pha cho phép mở từng cặp Thyristor tương ứng để tạo điện áp chỉnh lưu Udc trên tải Z. Giản đồ thời gian của mạch cho trên hình 2. Điện áp các pha cấp cho bộ chỉnh lưu: )sin(V)W(V )sin(V)V(V sinV)U(V c b a 3 4 2 3 2 2 2      24 THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Hình 3.2: Giản đồ tín hiệu sơ đồ chỉnh lưu 3 pha BÀI 3: THÍ NGHIỆM BỘ CHỈNH LƯU CẦU CÔNG SUẤT 3 PHA 25 3.3 TIẾN TRÌNH THÍ NGHIỆM: BỘ CHỈNH LƯU CẦU CÔNG SUẤT 3 PHA 3.3.1 Thiết bị sử dụng:  Thiết bị cho thực tập về chỉnh lưu công suất (hình 3.3) chứa các phần chức năng: - Bảng nguồn PE-500PS, chứa Aptomat 1 pha cho các ổ điện 220VAC, Aptomat chỉnh 3 pha cấp nguồn cho thí nghiệm, cầu chì (10A), đèn báo nguồn ~24VAC/10A 3 pha, nguồn 1 chiều +12V/1.5A và -12V/1.5A. - Module tạo xung điều khiển đồng bộ: PEC-502 (3 khối) - Module Thyristor công suất: PE-513 (3 khối) - Module tải PEL-521  Dao động ký 2 tia  Phụ tùng: dây có chốt cắm hai đầu. Hình 3.3: Thiết bị thực tập về chỉnh lưu công suất 3 pha 26 THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 3.3.2 Các bài thực hành:  Nối sơ đồ thí nghiệm như hình 3.4. - Kiểm tra việc cấp nguồn 12V và GND cho các khối điều khiển PEC-502 (3 khối). - Nối nguồn ~24VAC – 3 pha của PE-500PS theo kiểu mắc hình sao như hình 3.4. Cấp nguồn ~24VAC/ U-V-W cho ngõ vào IN/X-Y các sơ đồ điều khiển tương ứng để cung cấp tín hiệu đồng bộ cho mạch điều khiển. - Nối ngõ ra thế điều khiển góc mở Vrefo của PE-502/1 với Vrefi của PEC-502/1,2,3. Như vậy khi chỉnh P3 của PEC-502/1, cả 3 kênh sẽ cùng hoạt động theo cùng một góc cắt pha (góc mở). Lưu ý: Bật nguồn cho hệ thống, dùng dao động ký kiểm tra xem có xung kích ra trên các điểm đo thử TP4 và TP9 trên lần lượt 3 khối PEC502. Khi tất cả 6 điểm đo đã có xung kích đưa ra đầy đủ rồi ta mới tắt CB xuống và thực hiện các bước tiếp theo. - Thiết lập bộ cầu chỉnh lưu gồm 6 SCR từ 3 khối PE-513 (SCR1-6) đặt liền nhau theo quy tắc 1-3-5 -> 4-6-2 như trong Hình 3.1. Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha. - Nối các ngõ ra của khối PEC-502/1,2,3 với cực G & K của 6 SCR1-6 tương ứng. - Nối bổ sung các chốt điều khiển theo các ngõ ra PO với PI tương ứng như hình 3.4. - Nối nối tiếp tải thuần trở R1 và R2 (dùng hai bóng đèn)/PEL-521 cho mạch công suất rồi đấu rồi nối vào bộ cầu theo sơ đồ hình 3.4. Chú ý trong mạch chỉnh lưu 3 pha này, điện áp ra cực đại đạt tới gần 40V, nên phải mắc nối tiếp ít nhất 2 bóng đèn 24V để không làm cháy bóng. - Nối nguồn U-V-W cho bộ cầu tương ứng theo sơ đồ hình 3.4.  Sử dụng dao động ký quan sát dạng tín hiệu tại ngõ vào và trên tải đèn. Vặn biến trở P3 của PEC-502/1 để thay đổi ngưỡng điều khiển đồng bộ. Quan sát sự thay đổi tín hiệu ra trên tải trở theo giá trị P3.  Vẽ giản đồ thời gian cho các tín hiệu của bộ điều khiển và tín hiệu trên tải tương ứng với tín hiệu cấp cho tải (24V) theo giá trị góc mở (điều chỉnh P3)  = /3. Vẽ dạng sóng vào báo cáo. BÀI 3: THÍ NGHIỆM BỘ CHỈNH LƯU CẦU CÔNG SUẤT 3 PHA 27  Thay thế tải trở thuần trở R bằng tải có tính cảm kháng R+L: (mắc song song L1 và L2 rồi nối tiếp với R đèn_Chỉ cần 1 đèn thôi) trên PEL-521. Lặp lại thí nghiệm như đối với tải trở thuần trở R (đèn).  So sánh và giải thích sự khác nhau về dạng tín hiệu trên tải cho hai trường hợp tải thuần trở và tải cảm. 28 THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Hình 3.4: Sơ đồ thí nghiệm chỉnh lưu công suất 3 pha BÀI 4: THÍ NGHIỆM BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU 29 BÀI 4: THÍ NGHIỆM BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU 4.1 MỤC ĐÍCH YÊU CẦU: Giúp sinh viên tìm hiểu các bộ biến đổi điện áp xoay chiều dùng Triac và phương pháp điều khiển theo nguyên lý kích đồng bộ. 4.2 PHẦN LÝ THUYẾT: Bộ biến đổi điện áp xoay chiều sử dụng để điều khiển giá trị hiệu dụng điện áp xoay chiều. Việc điều khiển diễn ra liên tục và cho đáp ứng nhanh. Hiện tượng chuyển mạch giữa các linh kiện không xảy ra vì dòng điện qua tải có dạng xoay chiều. Do đó dòng giảm về 0 trước khi đổi chiều. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều thường gặp ở dạng 1 pha và 3 pha. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều sử dụng để điều khiển bếp điện, lò điện, điều khiển ánh sáng, truyền động cầu trục, máy quạt, máy bơm, các dụng cụ điện. Điều khiển nguồn cấp cho các bể mạ, thiết bị hàn. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều một pha: Sơ đồ biến đổi điện áp xoay chiều một pha trình bày trên hình. Các Thyristor SCR1 - SCR2 (hình 4.1a) tạo thành công tắc xoay chiều được vận hành theo phương pháp điều khiển pha. Cặp công tắc này có thể thay bằng một Triac (hình 4.1b). Hình 4.1: Sơ đồ bộ biến đổi điện áp xoay chiều 1 pha a) Trường hợp tải R: 30 THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Hình 4.2: Giản đồ tín hiệu bộ biến đổi điện áp xoay chiều tải trở R b) Trường hợp tải R: Quá trình điện áp và dòng qua sơ đồ được biểu diễn trên hình 4.3. Hình 4.3: Giản đồ tín hiệu bộ biến đổi điện áp xoay chiều tải trở RL BÀI 4: THÍ NGHIỆM BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU 31 4.3 TIẾN TRÌNH THÍ NGHIỆM: BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU 1 PHA 4.3.1 Thiết bị sử dụng:  Thiết bị cho thực tập về biến đổi điệp áp 1 pha (hình 4.5), chứa các phần chức năng: - Bảng nguồn PE-500PS, chứa Aptomat 1 pha cho các ổ điện 220VAC, Aptomat chính 3 pha cấp nguồn cho thí nghiệm, cầu chì (10A), đèn báo nguồn, Các ngõ ra cho nguồn ~24V AC/10A 3 pha, nguồn 1 chiều 12V/1.5A. - Module tạo xung điều khiển đồng bộ: PEC-502. - Module Triac công suất: PE-514. - Module tải PEL-521, PEL-522.  Dao động ký 2 tia.  Phụ tùng: dây có chốt cắm hai đầu. Hình 4.5: Thiết bị thực tập biến đổi điện áp AC 1 pha 32 THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 4.3.2 Các bài thực hành: a) Sơ đồ biến đổi thế AC một pha sử dụng Triac với tải R  Nối sơ đồ thí nghiệm như hình 4.6. - Kiểm tra việc cấp nguồn 12VDC và GND cho module điều khiển. - Cấp nguồn ~24VAC cho ngõ vào sơ đồ điều khiển PEC-502. Chú ý chiều nối X-Y tương ứng với chiều nối trên tải. - Nối chốt Vrefo với Vrefo để đưa điện áp điều khiển góc mở Vrefo vào các bộ so sánh của PEC-502. - Nối các ngõ ra OUT1/A-B với các cực G và T1 của Triac 1 (PE-514). - Nối tải trở R/PEC-522 với Triac 1 và với nguồn AC theo hình 4.6. - Nối Po2 với Pi1 để kích Triac theo cả hai bán kỳ điện lưới. Hình 4.6: Sơ đồ biến đổi điện thế AC với tải trở  Sử dụng dao động ký quan sát dạng tín hiệu tại ngõ vào và trên tải R. BÀI 4: THÍ NGHIỆM BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU 33  Vặn biến trở P3 để thay đổi góc điều khiển (góc mở ). Quan sát sự thay đổi tín hiệu ra trên tải trở theo giá trị P3/Vref. Xác lập P3 tương ứng với = /2 [rad]. Vẽ dạng tín hiệu Uz và Iz vào báo cáo.  Vặn biến trở P3 để thay đổi góc mở . Ứng với mỗi góc điều khiển, ghi giá trị Uz và Iz*R vào bảng số liệu trong báo cáo. b) Sơ đồ biến đổi thế AC một pha sử dụng Triac với tải RL  Nối sơ đồ thí nghiệm như hình 4.7. - Kiểm tra việc cấp nguồn 12V và GND cho Module điều khiển. - Cấp nguồn ~24VAC cho ngõ vào sơ đồ điều khiển PEC-502. Chú ý chiều nối X-Y tương ứng với chiều nối trên tải. - Nối chốt Vrefo với Vrefi để đưa điện áp điều khiển góc mở: Vref vào các bộ so sánh của PEC-502. - Nối các lối ra OUT1/A-B với các cực G và T1 của Triac 1 (PE-514). - Nối tải trở R/PEC-522 với Triac 1 và với nguồn AC theo hình 4.7. - Nối Po2 với Pi1 để kích Triac theo cả hai nửa bán kỳ điện lưới. 34 THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Hình 4.7: Sơ đồ biến đổi điện thế AC 1 pha với tải RL  Sử dụng dao động ký quan sát dạng tín hiệu tại ngõ vào và trên tải R.  Vặn biến trở P3 để thay đổi góc điều khiển (góc mở ). Quan sát sự thay đổi tín hiệu ra trên tải trở theo giá trị P3/Vref. Xác lập P3 tương ứng với = /2 [rad]. Vẽ dạng tín hiệu Uz và Iz vào báo cáo.  Vặn biến trở P3 để thay đổi góc mở . Ứng với mỗi góc điều khiển, ghi giá trị , , , Uz và Iz*R vào bảng số liệu và biểu diễn kết quả dưới dạng đồ thị.  Đặt góc điều khiển bằng góc tới hạn, vẽ lại dạng sóng Uz và Iz*R.  Đánh giá kết quả thí nghiệm. BÀI 5: THÍ NGHIỆM BỘ BIẾN ĐỔI NGUỒN DC-DC CÔNG SUẤT 35 BÀI 5: THÍ NGHIỆM BỘ BIẾN ĐỔI NGUỒN DC-DC CÔNG SUẤT 5.1 MỤC ĐÍCH YÊU CẦU: Giúp sinh viên tìm hiểu các bộ biến đổi điện áp DC to DC Converter. Phương pháp tạo ra tín hiểu điều chế độ rộng xung. 5.2 PHẦN LÝ THUYẾT: Các bộ biến đổi nguồn DC-DC với điều khiển chuyển mạch (Switching) yếu tố công suất như Transistor hoặc MOSFET cho phép tạo nguồn DC từ thế Uin thành thế ra Uo (Uo<Uin) với dòng tải lớn. Thiết bị đảm bảo hiệu suất sử dụng cao ngay cả trong trường hợp khi chênh lệch thế vào và thế ra là cực đại. Trên hình 5.1.a giới thiệu sơ đồ khóa Transistor với tải điện cảm và điện dung. Khi tác động xung điều khiển sẽ làm bảo hòa transistor T1 trong thời gian t1, đưa thế collector T1 lên giá trị nguồn, và cấm T1 trong thời gian t2 (hình 5.1b). Kết quả là ngõ ra yếu tố chuyển mạch T1 có chuỗi xung có biên độ từ 0 đến Ui. Bộ lọc LC thực hiện việc san bằng xung điện áp vuông góc ngõ ra. Giá trị thế ra sẽ bằng: Uo = Ui.t1 / (t1 + t2) Hình 5.1: Bộ nguồn chuyển mạch Nếu thay đổi độ rộng xung t1 điều khiển dẫn Tranristor, khi giữ nguyên tần số điều khiển (t1+t2=const), có thể thay đổi thế ra Uo trong khoảng rộng. 36 THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Trong chế độ dẫn bão hòa, sụt áp trên transistor là nhỏ, công suất tiêu tán trên transistor là rất nhỏ so với phương pháp điều khiển tuyến tính và không phụ thuộc vào hiệu điện thế giữa thế vào và thế ra. Hình 5.2: Sơ đồ khối điều khiển nguồn DC-DC Máy phát gồm sơ đồ phát và bộ đếm, cho ra xung vuông góc trực tiếp (ngõ ra P). Các xung vuông góc cũng điều khiển khóa K1 ở bán kỳ ngắt cho phép dòng I nạp cho BÀI 5: THÍ NGHIỆM BỘ BIẾN ĐỔI NGUỒN DC-DC CÔNG SUẤT 37 tụ C5 để hình thành xung răng cưa. Xung này được tầng ngưỡng IC3B cắt ngưỡng đồng bộ và hình thành xung ra. Kết quả là khi thay đổi ngưỡng Vref, độ rộng xung ra thay đổi. Mạch hình thành độ rộng xung trên K2, C6, IC3A ngược pha với mạch trên K1, C5 và IC3B. Vì vậy khi trộn hai tín hiệu nhờ cổng IC4, cho phép tạo chuỗi xung ra với độ rộng thay đổi từ 0 đến 100%. Mạch phản hồi cách ly (ISOLATED FEEDBACK) thực chất là bộ cách ly quang, cho phép biến đổi thế Uo thành điện thế phản hồi. Sự thay đổi điện thế ra do tải sẽ làm thay đổi điện thế để sử dụng hiệu chỉnh độ rộng xung điều khiển và cho phép bù trừ sự thay đổi thế ra do tải. Mạch trên IC5 thực hiện vai trò hàm PID nhằm đảm bảo đáp ứng ngõ ra tốt nhất. 5.3 TIẾN TRÌNH THÍ NGHIỆM: BỘ BIẾN ĐỔI NGUỒN DC-DC CÔNG SUẤT (DC TO DC CONVERTER) 5.3.1 Thiết bị sử dụng:  Thiết bị cho thực tập về biến đổi nguồn DC-DC (hình 5.3), chứa các phần chức năng: - Bảng nguồn PE-500PS, chứa Aptomat 1 pha cho các ổ điện 220VAC, Aprtomat chính 3 pha cấp nguồn cho thí nghiệm, cầu chì (10A), đèn báo nguồn, Các ngõ ra cho nguồn ~24V AC/10A 3 pha, nguồn 1 chiều +12V/1.5A và –12V/1.5A. - Module tạo xung điều khiển đồng bộ: PEC-503. - Module MOSFET: PE–515. - Module tải PEL-521.  Dao động ký 2 tia.  Phụ tùng: dây có chốt cắm hai đầu. 38 THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Hình 5.3: Thiết bị thực tập về biến đổi nguồn DC-DC công suất 5.3.2 Các bài thực hành: a) Khảo sát bộ hình thành tín hiệu điều khiển: - Sử dụng khối PEC–503 (hình 5.2). - Kiểm tra việc cấp nguồn 12V và GND cho sơ đồ điều khiển PEC–503. - Nối thế chuẩn Ut với Vref để cấp thế từ biến trở P3 cho các bộ so sánh. - Đặc biến trở P1 (FREQUENCY) và P3 ở vị trí giữa. - Sử dụng dao động ký quan sát dạng sóng tín hiệu tại các chốt từ TP1 tới TP13. Vẽ dạng đồ xung quan sát theo tín hiệu đồng bộ TP1, TP2 và TP13. Vẽ vào báo cáo. - Vặn biến trở P3 để thay đổi ngưỡng điều khiển đồng bộ. Quan sát sự thay đổi tín hiệu tương ứng. - Nối chốt W với C. quan sát tín hiệu ra tại G-S. Vẽ vào báo cáo. b) Khảo sát bộ biến đổi nguồn DC-DC khi không có phản hồi: BÀI 5: THÍ NGHIỆM BỘ BIẾN ĐỔI NGUỒN DC-DC CÔNG SUẤT 39  Sơ đồ điều khiển với xung vuông: - Nối sơ đồ để tạo bộ biến đổi DC-DC (hình 5.4). - Nối ngõ ra G và S của khối PEC-503 với các chốt G và S tương ứng của khối công suất PEC-515 (hình 5.2). - Nối chốt C với P (PEC-503) để cấp xung vuông góc cho POWER MOSFET. - Nối chốt để cấp nguồn ~24VAC từ PE-500PS cho ngõ vào VAC IN của PEC-515. - Gắn 3 tải trở R1-R2-R3 (PEC-521) nối tiếp để sử dụng 3 giá trị tải R1, R1+R2, R1+R2+R3. - Sử dụng dao động ký để quan sát tín hiệu giữa G và S của TR1. Vẽ lại dạng tín hiệu giữa S và Uo- vào báo cáo. Đo thế ra Uo (giữa Uo+ & Uo-) bằng đồng hồ VOM. - Vặn biến trở P1 (FREQUENCY) để thay đổi tần số máy phát. Ghi kết quả đo (Thế ra Uo, Độ mấp mô thế ra theo tải) ứng với các tần số phát khác nhau vào bảng kết quả đo.  Sơ đồ điều khiển với xung có độ rộng thay đổi: - Nối sơ đồ để tạo bộ biến đổi nguồn DC-DC (hình 5.4). - Nối ngõ ra G và S của khối PEC-503 với các chốt G và S tương ứng của khối công suất PEC-515 (hình 5.2). - Nối chốt C với W (PEC-503) để cấp xung vuông góc cho POWER MOSFET. - Nối chốt để cấp nguồn ~24VAC từ PE-500PS cho lối vào VAC IN của PEC-515. - Gắn 3 tải trở R (PEC-521) nối tiếp để sử dụng 3 giá trị tải R1, R1+R2, R1+R2+R3. - Sử dụng dao động ký để quan sát tín hiệu giữa G và S của TR1. Vẽ lại dạng tín hiệu giữa S và Uo- vào báo cáo. Đo thế ra giữa 2 điểm (Uo+ & Uo-). - Vặn biến trở P1 (FREQUENCY) để tần số máy phát = 20kHz. Ghi kết quả đo (Thế ra Uo, Độ mấp mô thế ra theo tải) ứng với các độ rộng xung theo % của chu kỳ T (chỉnh P3) vào bảng kết quả đo. - Nhận xét kết quả đo trên bảng kết quả đo về sự phụ thuộc công suất và độ mấp mô thế ra vào độ rộng xung. 40 THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT  Sơ đồ điều khiển với xung có độ rộng thay đổi: - Giữ nguyên mạch như sơ đồ trên vừa thực hiện xong. - Mắc thêm đường hồi tiếp từ hai đầu nguồn DC out về board điều khiển theo như hình vẽ 5.4. - Thay đổi dây nối từ vị trí Ut đến Vref sang vị trí F đến Vref để nhận tín hiệu điểu chỉnh từ khâu hồi tiếp. - Gắn 1 tải trở thuần trở là bóng đèn (PEC-521). - Sử dụng dao động ký để quan sát tín hiệu giữa G và S của TR1. Vẽ lại dạng tín hiệu giữa S và Uo- vào báo cáo. Đo thế ra giữa (Uo+ - Uo-). - Vặn biến trở P2 để chỉnh cho đèn sáng trở lại. - Sau đó thay đổi tải bằng cách: mắc nối tiếp hai bóng đèn còn lại với nhau tạo ra một tải có giá trị bằng 2R rồi đem mắc song song với tải R hiện hữu trong mạch (là bóng đèn thứ nhất). Bây giờ ta có tải là hai nhánh song song (R//2R), như vậy khi ta bỏ đi một nhánh thì nhánh còn lại vẫn còn và đèn vẫn sáng. - Rút một đầu dây trên phần tải vừa nối thêm rồi sau đó cắm lại vào, quan sát nhanh sự thay đổi dạng xung kích khi mạch tự điều chỉnh độ rộng xung trong trường hợp tải thay đổi. Ghi báo cáo hiện tượng vừa qua sát được, giải thích. BÀI 5: THÍ NGHIỆM BỘ BIẾN ĐỔI NGUỒN DC-DC CÔNG SUẤT 41 Hình 5.4: Bộ nguồn biến đổi DC - DC 42 THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT BÀI 6: THÍ NGHIỆM BỘ BIẾN TẦN KIỂU ĐIỀU RÔNG XUNG 6.1 MỤC ĐÍCH YÊU CẦU: Giúp sinh viên tìm hiểu phương pháp điều chế độ rộng xung và nguyên lý kích dẫn bộ cầu tạo điện áp ba pha của bộ PWM Inverter. 6.2 PHẦN LÝ THUYẾT: Sơ đồ khối cho bộ biến tần theo phương pháp điều rộng xung được trình bày trên hình 6.1. Tín hiệu từ máy phát tín hiệu sine 3 pha cùng với tín hiệu dạng tam giác được so sánh tại các bộ so sánh COM 1, 2, 3. Ngõ ra bộ so sánh cho chuỗi xung có độ rộng thay đổi tương ứng với tín hiệu sine chuẩn. Khi thay đổi biên độ hoặc tần số tín hiệu sine, chuỗi xung có số xung và độ rộng thay đổi tương ứng theo. Các chuỗi xung có độ rộng thay đổi qua ngõ ra (Drive) để điều khiển các cặp MOSFET tương ứng và hình thành tín hiệu ra. Khối biến đổi DC-DC ngõ vào cho phép tạo áp một chiều cung cấp cho bộ biến tần. Hình 6.1: Sơ đồ khối biến tần điều rộng xung BÀI 6: THÍ NGHIỆM BỘ BIẾN TẦN KIỂU ĐIỀU RÔNG XUNG 43 Khi thay đổi biến trở (SET VALUE) sẽ làm thay đổi đồng thời cả biên độ và tần số sóng sine của máy phát. Kết quả là làm thay đổi tần số và điện áp ra của bộ biến tần. Hình 6.2: Giản đồ thời gian hoạt động của bộ biến tần điều rộng xung 44 THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Dạng sóng ra của bộ biến tần điều rộng xung có dạng gần sine hơn so với bộ biến tần 6 bước. Khi dùng với tải cảm, dòng điện ra chậm pha so với điện áp. Do sử dụng chuỗi xung điều rộng ở tần số cao hơn, công suất tiêu tán của khối biến tần điều rộng xung cũng thấp hơn. 6.3 TIẾN TRÌNH THÍ NGHIỆM: BỘ BIẾN TẦN KIỂU ĐIỀU RỘNG XUNG (PULSE – WIDTH – MODULATED INTERVER) 6.3.1 Thiết bị sử dụng:  Thiết bị cho thực tập về bộ biến đổi điện áp một pha (hình 6.3) chứa các phần chức năng: - Bảng nguồn PE-500PS chứa Aptomat 1 pha cho các ổ điện 220 VAC, Aptomat chính 3 pha cấp nguồn cho thí nghiệm, cầu chì 10A, đèn báo nguồn, các ngõ ra cho nguồn ~24V AC/10A 3 pha, nguồn 1 chiều +12V/1.5A và -12V/1.5A. - Module biến đổi nguồn DC-DC và tạo xung đếm PEC-504A. - Module máy phát sin 3 pha: PEC-505A. - Module công suất biến tần: PE-516. - Module tải PEL-521. - Motor 3 pha AC, 24V (3 cuộn dây tải còn bỏ ngõ).  Dao động ký 2 tia.  Phụ tùng: Dây có chốt cắm 2 đầu. BÀI 6: THÍ NGHIỆM BỘ BIẾN TẦN KIỂU ĐIỀU RÔNG XUNG 45 Hình 6.3: Thiết bị thực tập về biến tần kiểu điều rộng xung 6.3.2 Các bài thực hành: a) Khảo sát bộ phát tín hiệu sin 3 pha: - Kiểm tra việc cấp nguồn 12V và GND cho sơ đồ điều khiển PEC-505A. - Vặn biến trở SET VALUE để thay đổi tần số và biên độ của máy phát tín hiệu sine. Xác định khoảng tần số và biên độ làm việc của máy phát tín hiệu sine 3 pha. 46 THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT - Sử dụng dao động ký quan sát dạng tín hiệu của máy phát tín hiệu sine tại ngõ ra PEC-505A. - Dao động ký đặt ở chế độ đồng bộ với tín hiệu sine A. Quan sát sự chênh lệch pha của tín hiệu sine B và sine C so với tín hiệu sine A.  Vặn biến trở SET VALUE để thay đổi tần số và biên độ của máy phát tín hiệu sine, dừng lại ở vị trí sao cho tín hiệu dễ vẽ nhất. - Vẽ giản đồ thời gian cho các tín hiệu sine vào hình phần 6.2.II trong cuốn báo cáo. Xác định độ lệch pha của các tín hiệu sine này. Hình 6.4: Máy phát tín hiệu sin 3 pha và bộ hình thành xung điều rộng BÀI 6: THÍ NGHIỆM BỘ BIẾN TẦN KIỂU ĐIỀU RÔNG XUNG 47 b) Khảo sát hoạt động của bộ tạo xung có độ rộng thay đổi:  Khảo sát hoạt động của khối PEC-505A (Hình 6.4). - Kiểm tra việc cấp nguồn 12V và GND cho sơ đồ điều khiển PEC-505A và PEC- 505B. - Nối các ngõ ra sine A, sine B, sine C của khối PEC-505A với các ngõ vào tương ứng của khối PEC-505B.  Kiểm tra ngõ ra của máy phát tín hiệu tam giác. Vẽ dạng tín hiệu tam giác vào hình ở phần 6.2.II có 3 dạng sóng sine vừa vẽ. - Sử dụng dao động ký quan sát dạng tín hiệu ngõ ra của bộ so sánh Comp 1, Comp 2, Comp 3 tại TP1-2-3 tương ứng. - Vẽ giản đồ thời gian tín hiệu điều khiển ở các lối ra T1-T6/PEC-505B vào các hình tương ứng trong Báo cáo.  Vặn biến trở SET VALUE để thay đổi tần số và biên độ của máy phát tín hiệu sine vài lần. Quan sát và nhận xét rồi dừng lại tại vị trí sao cho tần số sóng sine bằng với tần số sine vừa vẽ xong. - Kiểm tra lại hình vẽ giản đồ thời gian tín hiệu điều khiển ở các lối ra T1-T6/PEC- 505B một lần nữa. - Giữ nguyên vị trí biến trở SET VALUE cho thí nghiệm sau. - Phát biểu kết luận về sự phụ thuộc của tín hiệu ra các bộ so sánh (Comp1-3) theo tần số và biên độ tín hiệu sine chuẩn. c) Khảo sát hoạt động của bộ biến tần điều rộng xung (PWM):  Nối sơ đồ PEC-505A, PEC-505B, PEC-504A, PE-516, PEL-521 như hình 6.5, trong đó: - Khối PEC-504A và phần ngỏ vào AC của khối PE-516 tạo thành bộ biến đổi điện thế DC-DC cấp cho khối 6 MOSFET công suất biến tần. - Khối PEC-505A là máy phát sine 3 pha. - Khối PEC-505B là bộ tạo xung độ rộng thay đổi và các ngõ ra điều khiển khối MOSFET công suất của biến tần PE-516. 48 THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT - Chú ý trình tự nối các ngõ ra của biến thế xuất tương ứng với các MOSFET: Hàng trên ký hiệu lần lượt là T1-T3-T5. Hàng dưới tương ứng là T4-T6-T2. Khi nối nhầm sẽ dẫn tới 2 MOSFET trong một cột cùng dẫn gây đoản mạch, nổ nguồn, hư hỏng linh kiện công suất. - Nối các chốt U – V – W với tải R1-R2-R3 là 3 bóng đèn của khối tải PEC-521, Các tải R nên đấu theo kiểu sao. (Lưu ý : Lúc này ngõ ra của bộ Biến tần cho ra một nguồn 3 pha theo kiểu tam giác). - Nối nguồn ~24VAC từ PE-500PS tới ngõ vào AC In của PE-516.  Kiểm tra hoạt động của bộ biến đổi thế DC-DC Converter. Chỉnh biến trở SET của khối PEC-504A để thế ra là 24VDC. - Kiểm tra cấp nguồn 12V và GND cho sơ đồ điều khiển PEC-505A, PEC-505B.  Sử dụng dao động ký quan sát tín hiệu từng pha tại các điểm U-V-W trên PE- 516 (so với điểm trung tính tải). Vẽ các dạng tín hiệu này vào giản đồ thời gian trong hình báo cáo.  Sử dụng dao động ký quan sát tín hiệu dây giữa các cặp: U-V, V-W, và U-W trên PE-516. Vẽ các dạng tín hiệu này vào giản đồ thời gian trong hình báo cáo.  Nối các lối ra U-V-W với 3 tải R1-R2-R3. Giữ nguyên U0 = 24V. Thay đổi biến trở SET VALUE. Xác định mối quan hệ giữa tần số sóng sin chuẩn với dòng trên tải. d) Khảo sát Bộ biến tần ứng với tải cảm (động cơ 3 pha):  Giữ nguyên cấu hình thí nghiệm trên. Nối các chốt U-V-W trực tiếp với tải motor AC. Sử dụng dao động ký quan sát và vẽ lại tín hiệu của riêng pha U và và một cặp điện áp dây U-V vào hình.  So sánh sự khác nhau giữa tín hiệu điện áp pha và điện áp dây trong bước vừa rồi với bước tương ứng ở trên (tải thuần trở).  Nhận xét, đánh giá kết quả đo. BÀI 6: THÍ NGHIỆM BỘ BIẾN TẦN KIỂU ĐIỀU RÔNG XUNG 49 Hình 6.5: Bộ biến tần kiểu điều rộng xung 50 THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT BÀI 7: THÍ NGHIỆM BỘ BIẾN TẦN THEO PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI ĐIỆN THẾ (VARIABLE - VOLTAGE INTERVER) 7.1 MỤC ĐÍCH YÊU CẦU: Giúp sinh viên tìm hiểu phương pháp biến đổi điện thế và nguyên lý kích dẫn bộ cầu tạo điện áp ba pha của bộ Six - step Inverter. 7.2 PHẦN LÝ THUYẾT: Sơ đồ khối của bộ biến tần theo phương pháp biến đổi điện thế (tên gọi khác là bộ Biến tần Six – Step), kiểu 6 bước, được trình bày trên hình 7.1. Tín hiệu từ máy phát tín hiệu 6 bước qua khối công suất (Drive) để điều khiển các MOSFET tương ứng và hình thành tín hiệu ra. Hình 7.1: Sơ đồ khối bộ biến tần kiểu 6 bước BÀI 7: THÍ NGHIỆM BỘ BIẾN TẦN THEO PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI ĐIỆN THẾ (VARIABLE - VOLTAGE INTERVER) 51 Khi cấp nguồn ~24VAC vào cho module PE-516 qua khâu chỉnh lưu ta có được điện áp DC thô, qua khâu DC-DC Converter cho phép tạo ra điện áp 1 chiều ổn định cung cấp cho khối MOSFET công suất biến tần. Khi thay đổi biến trở SET của khối PEC-504A, bộ biến đổi V to F Converter sẽ làm thay đổi tần số xung Clock tương ứng, và làm thay đổi tần số sóng điều khiển khâu biến tần. Đồng thời cũng làm thay đổi tương ứng thế DC và do đó làm thay đổi điện áp sóng ra trên tải. Dạng sóng ra của bộ biến tần 6 bước có dạng các bậc nhảy hình chữ nhật. Khi dùng với tải cảm, dòng điện ra chậm pha so với điện áp. Trên hình 7.2a là dạng sóng khi mồi 1200 ứng với tải thuần trở. Trên hình 7.2b là dạng sóng khi mồi 1800 ứng với tải thuần trở. Hình 7.2: Giản đồ thời gian hoạt động của bộ biến tần kiểu 6 bước 52 THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 7.3 TIẾN TRÌNH THÍ NGHIỆM: BỘ BIẾN TẦN THEO PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI ĐIỆN THẾ (SIX - STEP – INTERVER) 7.3.1 Thiết bị sử dụng:  Thiết bị cho thực tập về bộ biến tần kiểu biến đổi điện thế hay còn gọi là bộ biến tần kiểu 6 bước (hình 7.3) chứa các phần chức năng: - Bảng nguồn PE–500PS chứa Aptomat 1 pha cho các ổ điện 220 VAC, Aptomat chính 3 pha cấp nguồn cho thí nghiệm, cầu chì 10A, đèn báo nguồn, các ngõ ra cho các nguồn ~24V AC/10A 3 pha, nguồn 1 chiều +12V/1.5A và -12V/1.5A. - Module biến đổi nguồn DC – DC và tạo xung clock PEC-504A. - Module công suất biến tần: PE-516. - Module tải PEL-521. - Motor 3 pha AC, 24V (3 cuộn dây tải còn bỏ ngõ).  Dao động ký 2 tia.  Phụ tùng: Dây có chốt cắm 2 đầu. BÀI 7: THÍ NGHIỆM BỘ BIẾN TẦN THEO PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI ĐIỆN THẾ (VARIABLE - VOLTAGE INTERVER) 53 54 THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Hình 7.3: Thiết bị thực tập về biến tần kiểu biến đổi điện thế 7.3.2 Các bài thực hành: a) Khảo sát hoạt động của bộ biến đổi điện thế DC-DC Converter:  Khảo sát hoạt động của khối PEC-504A và PE-516 (Hình 7.5). - Kiểm tra việc cấp nguồn 12V và GND cho sơ đồ điều khiển PEC-504A. - Nối các chốt Uin+, Uin-, U0 giữa 2 khối PEC-504A và PE-516.  cấp nguồn ~24VAC từ PE-500PS cho ngõ vào AC in của PE-516.  Điều chỉnh biến trở SET trên PEC-504A, theo dõi sự thay đổi điện áp ra U0 trên đồng hồ của PE-516. Quan sát tín hiệu điều khiển tại C1 (so với Emitter của Transistor điều khiển công suất). Nối tải đèn R1 với ngõ ra của bộ nguồn DC trên PE- 516 (song song với đồng hồ đo V). Vặn biến trở SET để thay đổi thế ra. Xác định mối liên quan giữa thế ra U0 với độ rộng T xung điều khiển C1. Ghi kết quả vào bảng 1. Bảng 1 U0 5V 7.5V 10V 15V 20V 25V T(C1)  Đặt U0 = 20V, lần lượt mắc song song các bóng đèn còn lại. Xác định mối liên quan giữa dòng tải với độ rộng xung điều khiển C1. Ghi kết quả vào bảng 2. Bảng 2 I(R) R1 R1//R2 R1//R2//R3 T(C1)  Kiểm tra sự thay đổi tần số tại ngõ ra bộ biến đổi V-F Converter trên PEC- 504A. Xác định mối liên hệ giữa điện thế U0 với chu kỳ xung ở ngõ ra DIGITAL OUTPUT. Ghi kết quả đo vào bảng 3. Bảng 3 U0 5V 7.5V 10V 15V 20V 25V F(Dig.Out) BÀI 7: THÍ NGHIỆM BỘ BIẾN TẦN THEO PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI ĐIỆN THẾ (VARIABLE - VOLTAGE INTERVER) 55 b) Khảo sát bộ tín hiệu 6 bước:  Khảo sát hoạt động của khối PEC-504B (Hình 7.4). - Giữ nguyên sơ đồ tín hiệu như mục a). Nối ngõ ra DIGITAL OUT của PEC-504A vào ngõ DIGITAL INPUT của PEC-504B. - Kiểm tra việc cấp nguồn +12V và GND cho sơ đồ điều khiển PEC-504B. - Đặt biến trở SET trên PEC-504A để U0 = 24VDC.  Đặt công tắc MODE ở vị trí 1200. - Sử dụng dao động ký quan sát dạng tín hiệu của máy phát tín hiệu tại các ngõ ra PEC-504B. Dao động ký đặt ở chế độ đồng bộ với tín hiệu D0. - Quan sát sự lệch pha của các tín hiệu D1-D5 so với tín hiệu D0. Quan sát tín hiệu ra tương ứng tại ngõ ra T1-T6. Vẽ dạng xung vào hình trong mục II.A của Báo cáo. Lưu ý: vẽ phải thể hiện được độ lệch về thời gian thứ tự các xung từ D0  D5. - Có thể dùng hai kênh của dao động ký để xác định đồng thời tín hiệu D và T.  Đặt công tắc MODE ở vị trí 1800. - Sử dụng dao động ký quan sát dạng tín hiệu của máy phát tín hiệu tại các ngõ ra PEC-504B. Dao động ký đặt ở chế độ đồng bộ với tín hiệu D0. - Quan sát sự lệch pha của các tín hiệu D1-D5 so với tín hiệu D0. Quan sát tín hiệu ra tương ứng tại ngõ ra T1-T6. Vẽ dạng xung vào hình vẽ. c) Khảo sát hoạt động của bộ biến tần 6 bước:  Nối sơ đồ PEC-504A, PEC-504B, PE-516, PEL-521 như hình 7.5, trong đó: - Khối PEC-504A và phần vào của PE-516 tạo thành bộ biến đổi điện thế DC-DC cấp cho ngõ vào khối công suất biến tần. - Nối khối PEC-504B là bộ tạo xung điều khiển 6 bước cho MOSFET khối công suất biến tần PE-516. - Nối U-V-W với tải R1, R2, R3 của khối tải PEL-521. Nối tải thuần trở theo kiểu đấu sao. 56 THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Hình 7.4: Khối phát tín hiệu điều khiển kiểu 6 bước Chú ý trình tự nối các biến thế tương ứng với các MOSFET: Hàng trên ký hiệu lần lượt là T1-T3-T5. Hàng dưới tương ứng là T4-T6-T2. Khi nối nhầm sẽ dẫn tới 2 MOSFET trong một cột cùng dẫn gây đoản mạch, nổ nguồn, hư hỏng linh kiện công suất. - Nối nguồn ~24VAC từ PE–500PS tới ngõ vào AC in của PE-516.  Kiểm tra hoạt động của thế biến đổi DC-DC. Chỉnh biến trở SET (PEC-504A) để thế ra = 24VDC. BÀI 7: THÍ NGHIỆM BỘ BIẾN TẦN THEO PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI ĐIỆN THẾ (VARIABLE - VOLTAGE INTERVER) 57  Đặt công tắc MODE ở vị trí 1200. Sử dụng dao động ký quan sát và vẽ lại tín hiệu điện áp các pha (so với điểm trung tính tải) tại các điểm U-V-W trên PE-516 vào hình trong báo cáo.  Sử dụng dao động ký quan sát và vẽ lại tín hiệu dây: giữa U-V, V-W, U-W trên PEC-516. Đưa tiếp dạng tín hiệu này vào giản đồ thời gian hình trong báo cáo.  Giữ nguyên cấu hình thí nghiệm trên. Nối các chốt U-V-W trực tiếp với tải là motor AC. Sử dụng dao động ký quan sát và vẽ lại tín hiệu điện áp pha và điện áp dây vào hình vẽ ứng với tải động cơ.  Xác định mối quan hệ giữa điện thế U0 và dòng tải. Ghi kết quả vào bảng 7.1.  So sánh sự khác nhau của tín hiệu U pha và U dây trong các bước trên (với tải thuần trở).  Đặt công tắc MODE ở vị trí 1800. Lập lại các bước tương từ MODE 1200 ở trên. Ghi kết quả vào hình vẽ.  Vặn biến trở SET trên PEC-504A để thay đổi thế DC cấp cho bộ công suất MOSFET. Quan sát hiệu ứng thay đổi của điện áp dây và điện áp pha.  Nhận xét đánh giá kết quả thí nghiệm. 58 THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Hình 7.5: Bộ biến tần kiểu 6 bước BÀI 7: THÍ NGHIỆM BỘ BIẾN TẦN THEO PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI ĐIỆN THẾ (VARIABLE - VOLTAGE INTERVER) 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO