Hướng dẫn thí nghiệm Cơ Sở Điện Tử Công Suất BÀI 2 THÍ NGHIỆM BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU I Mục đích Trong bài này, sinh viên sẽ khảo sát hoạt động các bộ tăng áp và giảm áp với tải R Mục tiêu sau k[.]
Trang 1Hướng dẫn thí nghiệm Cơ Sở Điện Tử Công Suất
BÀI 2: THÍ NGHIỆM BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU
I Mục đích
Trong bài này, sinh viên sẽ khảo sát hoạt động các bộ tăng áp và giảm áp với tải R
Mục tiêu sau khi thí nghiệm bộ biến đổi điện áp một chiều
Nắm vững chức năng, ứng dụng, phân loại, sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi điện áp một chiều
Phân tích hoạt động của các bộ biến đổi điện áp một chiều theo thông số điều khiển
Xây dựng các giản đồ áp và dòng tải, linh kiện, biến đổi điện áp một chiều theo thông
số điều khiển
Phân tích, so sánh và đánh giá các dạng sóng áp và dòng
Tính toán trị trung bình
Có khả năng tính toán, định mức linh kiện khóa công suất cho các bộ biến đổi điện áp một chiều
II Cơ sở lý thuyết
1 Lý thuyết [1], [2].
a Chức năng của bộ biến đổi điện áp một chiều:
Bộ biến đổi điện áp một chiều dung để điều khiển trị trung bình điện áp một chiều ở ngõ ra từ một nguồn điện áp một chiều không đổi Bộ biến đổi điện áp một chiều dùng làm nguồn điện áp cấp cho truyền động điện động cơ một chiều (bộ giảm áp) cũng như thu hồi năng lương từ động cơ trong quá trình hãm tái sinh (bộ tăng áp), làm bộ phận nguồn cho
bộ biến tần áp, bộ biến tần dòng điện
b Phân tích hoạt động bộ giảm áp
Page | 1 Phòng thí nghiệm Điện Công Nghiệp 002H6
Trang 2Sơ đồ nguyên lý của mạch giảm áp được cho ở hình 1.1 bao gồm nguồn một chiều, IGBT, Diode, tu điện, cuộn dây và tải R
Giả thuyết:
Mạch làm việc ở trạng thái xác lập
Dòng qua cuộn kháng liên tục luôn dương
Tụ điện rất lớn, điện áp ngõ ra không đổi và có giá trị Vo
Chu kỳ đóng cắt T, thời gian đóng DT, thời gian ngắt (1-D)T
Trạng thái đóng S
Mạch được khép kín, dòng điện chạy từ nguồn U qua khóa S đến cuộn cảm L, tụ điện C và tải R trước khi về nguồn
Điện áp trên cuộn dây L được xác định như sau:
(1.1)
(1.2) Láy tích phân hai vế (1.2) ta suy ra độ thay đổi của dòng điện qua cuộn dây trong thời gian DT
(1.3)
Trạng thái ngắt S
Khi khóa S ngắt, nguồn U được tách ra khỏi tải Do dòng qua cuộn L không thể tắt đột ngột nên dòng tiếp tục đi theo chiều củ và được khép kín bằng diode
Điện áp trên cuộn dây L được xác định như sau:
(1.4) (1.5) Láy tích phân hai vế (1.5) ta suy ra độ thay đổi của dòng điện trong thời gian (1-D)T
Trang 3Hướng dẫn thí nghiệm Cơ Sở Điện Tử Công Suất
c Phân tích hoạt động bộ tăng áp
Hình 1.2 bộ tăng áp
Sơ đồ nguyên lý của mạch tăng áp được cho ở hình 1.2 bao gồm nguồn một chiều, IGBT, Diode, cuộn dây L, tụ C và tải R
Giả thuyết
Mạch làm việc ở trạng thái xác lập
Dòng qua cuộn khang liên tục luôn dương
Tụ điện rất lớn, điện áp ngõ ra không đổi và có giá trị Vo
Chu kỳ đóng cắt T, thời gian đóng DT, thời gian ngắt (1-D)T
Trạng thái đóng S
Dòng điện từ nguồn qua cuộn dây, qua khóa IGBT và về nguồn Điện áp trên cuộn dây L được xác định như sau:
(1.10)
(1.11) Láy tích phân hai vế (1.11) ta suy ra độ thay đổi của dòng điện qua cuộn dây trong thời gian DT
Page | 3 Phòng thí nghiệm Điện Công Nghiệp 002H6
Trang 4(1.12)
Trạng thái ngắt S
Khi khóa S ngắt, dòng điện đi qua cuộn cảm L đến diode, qua tải và về lại nguồn
Điện áp trên cuộn dây L được xác định như sau:
(1.13) (1.14)
Láy tích phân hai vế (1.14) ta suy ra độ thay đổi của dòng điện qua cuộn dây trong thời gian (1-D)T
(1.15)
Vì dòng điện qua cuộn cảm L thay đổi theo chu kỳ khi mạch ở trạng thái xác lập nên
(1.16) (1.17)
d Phân tích hoạt động bộ đảo dòng
Trang 5Hướng dẫn thí nghiệm Cơ Sở Điện Tử Công Suất
Hình 1.3 bộ đảo dòng Trị trung bình điện áp trên tải
(1.19)
Các khoá S1 v à S2 được kích đóng đối nghịch nhau điện áp trên tải luôn dương và có giá trị từ
+U đến 0 Nếu trong mạch có nguồn E, bằng cách thay đổi tỉ số làm việc của các khoá S1 và S2,
ta sẽ điều khiển được chiều của dòng điện
e Phân tích hoạt động bộ đảo áp
Page | 5 Phòng thí nghiệm Điện Công Nghiệp 002H6
Trang 6Hình 1.3 bộ đảo áp Trị trung bình điện áp trên tải
(1.20)
Các khoá S1 v à S2 được kích đóng đối nghịch nhau điện áp trên tải luôn dương và có giá trị từ
+U đến 0 Nếu trong mạch có nguồn E, bằng cách thay đổi tỉ số làm việc của các khoá S1 và S2
và đảo chiều đấu dây qua tải ta sẽ điều khiển được chiều công suất
2 Kết quả mô phỏng
Bộ Giảm áp
Thông số mô phỏng: điện áp nguồn 30V , L=100uH, tải R = 10Ω
Trang 7Hướng dẫn thí nghiệm Cơ Sở Điện Tử Công Suất
Hình 1.3 dòng điện qua cuộn L và xung đóng cắt của khóa khi f=20kHz, D=0.5
Hình 1.4 dòng điện qua cuộn L và xung đóng cắt của khóa khi f=50kHz, D=0.5
Page | 7 Phòng thí nghiệm Điện Công Nghiệp 002H6
Trang 8Hình 1.5 dòng điện qua cuộn L và xung đóng cắt của khóa khi f=50kHz, D=0.75
Bộ tăng áp
Thông số mô phỏng: điện áp nguồn 30V , L=100uH, tải R = 20Ω
Hình 1.6 dòng điện qua cuộn L và xung đóng cắt của khóa khi f=20kHz, D=0.2
Trang 9Hướng dẫn thí nghiệm Cơ Sở Điện Tử Công Suất
Hình 1.7 dòng điện qua cuộn L và xung đóng cắt của khóa khi f=50kHz, D=0.2
Hình 1.8 dòng điện qua cuộn L và xung đóng cắt của khóa khi f=50kHz, D=0.5
Bộ đảo dòng
Thông số mô phỏng: điện áp nguồn 30V
Page | 9 Phòng thí nghiệm Điện Công Nghiệp 002H6
Trang 10Hình 1.9 xung đóng cắt của khóa , dòng điện, điện áp trên tải khi f=20kHz, D=0.5 tải
R=10ohm
Trang 11Hướng dẫn thí nghiệm Cơ Sở Điện Tử Công Suất
Hình 1.11 xung đóng cắt của khóa , dòng điện, điện áp trên tải khi f=20kHz, D=0.25
tải R=10ohm, L=25mH
Hình 1.12 xung đóng cắt của khóa, dòng điện, điện áp trên tải khi f=50kHz, D=0.5 tải
R=10ohm,L=25mH
Page | 11 Phòng thí nghiệm Điện Công Nghiệp 002H6
Trang 12Cấu trúc phần cứng của nội dung thí nghiệm chỉnh lưu gồm có:
Nguồn một chiều 15V và nguồn một chiều DC (Hình 1.9) Trong nguồn này có nút nhất ON- OFF và các đèn báo trạng thái của nguồn điện
bộ biến đổi điện áp một chiều (Hình 1.10 Bàn thí nghiệm 1,2,3)
Bộ tải thuần trở hoặc có tải cảm kháng (Hình 1.11)
Mạch điều khiển có nhiệm vụ tạo các tín hiệu xung để điều khiển IGBT
Tần số đóng cắt và tỉ lệ làm việc của khóa được điều chỉnh bằng cách vặn biến trở Frequency và Delay angle
Hình 1.13 Nguồn xoay chiều ba pha
Trang 13Hướng dẫn thí nghiệm Cơ Sở Điện Tử Công Suất
Hình 1.14 Bộ giảm áp (trên) và bộ tăng áp (dưới)
Page | 13 Phòng thí nghiệm Điện Công Nghiệp 002H6
Trang 14Hình 1.15 Bộ dc-dc chopper
Trang 15Hướng dẫn thí nghiệm Cơ Sở Điện Tử Công Suất
Hình 1.16 Tải R, L hoặc RL
Thiết bị đo gồm có:
Dao động kí Siglent SDS 2104 hình 1.24
Hình 1.17 Dao động ký
VOM Fluke 179 hình 1.25
Page | 15 Phòng thí nghiệm Điện Công Nghiệp 002H6
Trang 16Hình 1.18 Fluke 179
IV Thực hiện thí nghiệm
1 Cấp nguồn cho bộ biến đổi điện áp một chiều
- Để hoạt động được, bộ biến đổi điện áp một chiều cần được cấp hai nguồn DC riêng biệt Ta quy ước cực dương (+) ở phía trên và cực âm (-) ở phía dưới
- Nguồn 15V: được dùng để cấp cho mạch điều khiển Ta nối nguồn 15V từ module nguồn xuống phần DC SOURCE
- Nguồn DC ( khoản 30V): được dùng để cấp cho mạch giảm áp hoặc tăng áp Tiến hành nối nguồn DC trên module nguồn với đầu vào của mạch giảm áp hoặc tăng
áp
Trang 17Hướng dẫn thí nghiệm Cơ Sở Điện Tử Công Suất
4 mạch đảo dòng
sinh viên chọn cặp 2 IGBT và 2 diode trên cùng một nhánh sau đó nối cực Kathode của diode với cực C của IGBT
Tiếp tục liên kết 2 cụm diode và IGBT lại với nhau và nối vào nguồn Nguồn được nối vào mạch với cực dương (+) nối vào Kathode của diode phía trên và cực câm (-) nối nào Anode phía dưới
5 mạch đảo áp
Trên nhánh thứ nhất, sinh viên liên kết cực E của IGBT(S1) và cưc Kathode của diode(D2) lại
Trên nhánh thứ hai, sinh viên liên kết cực Anode của diode(D3) và cưc C của IGBT(S4) lại
Nối cực C của IGBT(S1) với cực Kathode của diode(3) và nối ra cực dương (+) của nguồn , Nối cực Adode của diode(D2) với cực E của IGBT(S4) và nối ra cực âm (-) của nguồn
6 Kết nối tải
- Tải thuần trở: hai cực dương và âm ở module mạch công suất được nối vào 2 cực của điện trở ở module tải Tải thuần trở có thể điều chỉnh ở mức 10Ω hoặc 20Ω
7 Nhấn nút nguồn ở trạng thái ON và điều chỉnh Delay Angle và Frequency
8 Kết nối thiết bị đo
Sử dụng dao động ký để quan sát các dạng sóng Các dạng sóng cần quan sát: điện áp tải, dòng tải (điện áp trên R), điện áp trên linh kiện
- Chỉnh Time/Div (nút bên trái cùng trong khu vực Horizontal Controlling Area hình xx)
- Chỉnh Vol/div (Trong khu vực Vertical Channel Controlling Area hình xx) về mức 2V/div
- Chỉnh Probe và dao động ký ở mức 10X,
- Sử dụng USB để lưu các dạng sóng (Nút Print)
Sử dụng VOM để đo điện áp trung bình Các giá trị cần đo: giá trị điện áp nguồn, trị trung bình điện áp trên tải, trị trung bình dòng điện tải
Để quan sát điện áp trên tải hoặc trên linh kiện, gắn 2 đầu của Probe vào 2 cực của tải hoặc linh kiện
V Báo cáo kết quả thí nghiệm
Sinh viên trình bày báo cáo thí nghiệm gồm các nội dung sau:
1 Đo đạc giá trị trung bình điện áp tải và dòng tải trong các trường hợp
D=50%, 70%, 100% ( R=10ohm) với bộ giảm áp
Page | 17 Phòng thí nghiệm Điện Công Nghiệp 002H6
Trang 18D= 25%, 50%, 75% khi tải R=10ohm, tải R=10ohm, L=25mH bộ đảo dòng D= 25%, 50%, 75% khi tải R=10ohm, tải R=10ohm, L=25mH bộ đảo áp
2 Các dạng sóng điện áp tải, dòng điện tải, điện áp trên linh kiện và dòng qua cuộn dây
3 So sánh kết quả thí nghiệm với kết quả mô phỏng, kết quả lý thuyết (L đủ lớn để dòng tải phẳng) và đưa ra nhận xét
4 Nhận xét và các đánh giá khác liên quan đến kết quả thí nghiệm
Lưu ý:
giáo viên cần kiểm tra:
Nguồn cấp cho mạch điều khiển (15V) và mạch động lực (30V).
Tải với bộ boost là 20ohm, với bộ buck là 10ohm.
Tài liệu tham khảo [1] PGS TS Nguyễn Văn Nhờ, “Điện Tử Công Suất 1”, Nhà xuất bản Đại Học Quốc Gia
[2] Slide bài giảng Điện Tử Công Suất, PGS TS Lê Minh Phương, Bộ môn Cung Cấp Điện, Khoa Điện – Điện Tử, Đại học Bách Khoa, ĐHQG TpHCM