Báo cáo thực hành điện tử công suất bài 1 van bán dẫn

- Mạch BXMC kiểu nối tiếp gồm có một van bán dẫn MOSFET, Nguồn một chiều DC, Diode D1, cuộn cảm L, tải R- Dương nguồn nối vào cực D của van, nối tiếp với cuộn cảm L rồi ra tải -Tải R nối

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT

NAMKHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP

==========o0o==========

BÁO CÁO THỰC HÀNH

ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Mã: 13350 Học kỳ: 2 – Năm học: 2020 – 2021

Họ và tên: Trịnh Hoàng Tùng Dương

Mã SV: 90216 Lớp: ĐTD62CL Nhóm: N04-TH2(2 buổi)

Ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Chuyên ngành Tự Động Hóa Hệ Thống Điện

Nhóm TH: N04.TH1

HẢI PHÒNG - 5/2023

1

MỤC LỤC

BÀI 1: VAN BÁN DẪN 3

4.1 Nội dung lý thuyết 3

4.2 Kết quả thực hành, kết luận 7

4.3 Nhìn vào datasheet ta thấy: 13

BÀI 2: CHỈNH LƯU 14

4.1 Mạch chỉnh lưu hình tia 1 pha 14

4.2 Mạch chỉnh lưu hình tia 2 pha 15

4.3.Sơ đồ mạch lực chỉnh lưu tia 3 pha có tải là tải thuần trở: 16

4.4 Chỉnh lưu cầu 1 pha 18

4.5 Sơ đồ mạch lực chỉnh lưu cầu 3 pha có tải là tải thuần trở: 19

BÀI 3: BĂM XUNG MỘT CHIỀU 21

BÀI 4: NGHỊCH LƯU VÀ BIẾN TẦN 29

4.2 Biến tần 31

I Tìm hiểu về biến tần Micromater Eco 32

1 Các đặc tín cơ bản của Micromaster 33

2 Các đầu nối nguồn cho động cơ 33

3 Sử dụng màn hình điều khiển 37

Cảnh báo và mã lỗi 38

II Hình ảnh thực tế 39

1.2 Phân tích về datasheet van bán dẫn đã tìm được

2 Công tác chuẩn bị của sinh viên

2.1 Đọc kỹ tài liệu hướng dẫn thực hành, đối chiếu với thiết bị tại phòng thí nghiệm

2.2.Tìm hiểu các van bán dẫn có liên quan

3 Trang thiét bị cần thiết

3.1.Van bán dẫn bất kỳ (thyristor, GTO, Triac, Mosfet, BJT, IGBT)3.2 Datasheet của van bán dẫn đã tìm được

4 Các nội dung, quy trình

4.1 Nội dung lý thuyết

a) Điôt

Điôt công suất do 2 mặt ghép p-n ghép thành, diện tích mặt ghép tỉ lệ với dòng điện cho phép qua điôt.Trung bình mật độ dòng cỡ 10A/mm2

3

hình 1.1 cấu trúc điôt

Đặc tính vôn-ampe:

hình 1.2 đường đặc tính vôn ampe

Nhánh thuận: dưới điện áp UAK >0 ĐIOT phân cực thuận, đường đặc tính có

Tiristor là phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn p-n-p-n tạo thành Cấu trúc

và kí hiệu trình bày trên hình.Tiristor có 3 lớp tiếp giáp J1, J2, J3 hình thành 3 cực anot A, katot K, cực điều khiển G

Hình 1.3 cấu tạo chung

Hình 1.5 Cấu tạo MOSFET và Kí hiệu Mosfet

e) IGBT

Hình 1.6 Cấu tạo IGBT và Ký hiệu IGBT

f) TRIAC

Triac là phần tử bán dẫn gồm 3 cực được tạo lên từ 5 lớp bán dẫn tạo lên cấu trúcp-n-p-n như ở tiristor theo cả 2 chiều giữa các cực T1 và T2 về nguyên tắc có thể

coi triac như 2 tiristo song song đấu ngược

Hình 1.7 Cấu tạo và cấu trúc tương đương TRIAC

TRIAC có thể điều khiển dẫn dòng bằng cả xung dương (dòng đi vào cực điều khiển ) và cả xung âm (dòng đi ra khỏi cực điều khiển) tuy nhiên dòng điều khiển

âm có độ nhạy kém hơn, nghĩa là dòng điều khiển phải lớn hơn

4.2 Kết quả thực hành, kết luận

a) Đo van điôt

7

c) Đo van tiristor

Số liệu datasheet :

4.3 Nhìn vào datasheet ta thấy:

+ Loại van: IGBT kiểu kênh N

+ Dòng colectơ tối đa cho phép: IC ( ở điều kiện Tcase= 25/80 độ C)

+ Điện áp cực đại GE cực đại cho phép: VGES = ± 20V

+ Điện áp GE ngưỡng: VGE(th) ( ở điều kiện VGE = VCE , IC = 8 mA ) là min (4.5 V), max( 6.5 V)

+ Thời gian đóng cắt tối đa: tf (max)= 100 ns

+ Điện áp bão hòa thấp: VCE(sat) = 3(3.8)V

+ Dải nhiệt độ hoạt động cho phép: Tstg = -40 ~ +150(125) ( độ C)+ Thời gian chuyển mạch: ton = 400 ns

toff = 700 ns

trise = 160 ns

tfall = 100 ns

+ Công suất tổn thất năng lượng khi mở Eon là 28 mWs

+ Công suất tổn thất năng lượng khi khóa Eoff là 26 mW

1.3 Bình luận các kết quả mô phỏng nhận được

2 Công tác chuẩn bị của sinh viên

2.1 Đọc kỹ tài liệu hướng dẫn thực hành, đối chiếu với thiết bị tại phòng thí nghiệm

2.2 Nghiên cứu, tìm hiểu phần mềm Matlab - Simulink

3 Trang thiết bị cần thiết

3.1 Máy tính, PC và phần mềm có liên quan

4 Các nội dung, quy trình

4.1 Mạch chỉnh lưu hình tia 1 pha

 Sơ đồ mạch và giản đồ sóng :

Hình 2.1 sơ đồ mạch van và điện áp

13

 Sơ đồ đấu nối thực nghiệm:

Hình 2.2 sơ đồ mạch van đấu nối

 Nhận xét:

Ưu điểm: mạch đơn giản, chỉ dùng một điot

Nhược điểm: do mạch chỉ cho dòng qua tải một nửa chu kì nên hệ số thấp, dạng sóng ra có độ gợn sóng lớn,lọc khó, ít dùng

4.2 Mạch chỉnh lưu hình tia 2 pha

 Sơ đồ mạch và giản đồ sóng trên lý thuyết:

Hình 2.3 sơ đồ mạch và giản đồ sóng

 Sơ đồ đấu nối thực nghiệm:

Hình 2.4 sơ đồ mạch van đấu nối

 Nhận xét:

15

Ưu điểm: điện áp 1 chiều có độ gợn sóng nhỏ, tần số gợn sóng 100HZ, dễ lọc, hiệuquả tốt.

Nhược điểm: phải dùng 2 diot,biến áp phải lấy điểm giữa, chia thành 2 nửa cân xứng.Điện áp ngược đặt lên mỗi điôt khi phân cực ngược chịu gấp đôi điện áp làm việc(điện áp thuận)

4.3.Sơ đồ mạch lực chỉnh lưu tia 3 pha có tải là tải thuần trở:

 Sơ đồ mạch lực

Hình 2.5 sơ đồ mạch van

 Sơ đồ đấu nối thực nghiệm:

Hình 2.6 sơ đồ mạch van đấu nối

 Nhận xét:

Ưu điểm: cống suất máy biến áp này lớn hơn công suất 1 chiều 1,35 lần ,sụt

áp trong mạch van nhỏ nên thích hợp phạm vi điện áp làm việc thấp, độ đấp mạch của điện áp ra thấp nên kich thước bộ lọc cần cũng nhỏ đi

Nhược điểm:

 Dùng đến 6 điôt

 Phạm vi làm việc thấp

4.4 Chỉnh lưu cầu 1 pha

a Sơ đồ nguyên lý Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha

Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý

17

b Sơ đồ đấu dây

Hình 2.8 Sơ đồ đấu dây mạch chỉnh lưu cấu 1 pha

Hình 2.10 giản đồ sóng

 Sơ đồ đấu nối thực nghiệm

19

Hình 2.12 sơ đồ mạch van đấu nối

BÀI 3: BĂM XUNG MỘT CHIỀU

1.3 Bình luận các kết quả mô phỏng thu được

2 Công tác chuẩn bị của sinh viên

2.1 Đọc kỹ tài liệu hướng dẫn thực hành băm xung một chiều, đốichiếu với thiết bị tại phòng thí nghiệm

2.2 Nghiên cứu, tìm hiểu phần mềm Matlab - Simulink

3 Trang thiết bị cần thiết

3.1 Máy tính, PC và phần mềm có liên quan

4 Các nội dung, quy trình

4.1 Sơ đồ mạch lực băm xung một chiều kiểu nối tiếp:

a Phân tích cấu trúc mạch van

21

- Mạch BXMC kiểu nối tiếp gồm có một van bán dẫn (MOSFET), Nguồn một chiều DC, Diode D1, cuộn cảm L, tải R

- Dương nguồn nối vào cực D của van, nối tiếp với cuộn cảm L rồi

ra tải

-Tải R nối về âm nguồn, Diode D1 mắc song song với tải

b Phân tích nguyên lý hoạt động

- Trong khoảng từ 0 đến T0, khi van dẫn điện, năng lượng nguồn

sẽ được cấp cho phụ tải, nếu coi van là lý tưởng có: Ut = E; vì

dòng điện từ nguồn it cấp cho tải Rt phải đi qua điện cảm L, nên điện cảm này sẽ được nạp năng lượng trong giai đoạn Tr dẫn

- Trong khoảng từ t0 đến hết chu kỳ điều khiển, van Tr khóa, điện cảm L phóng năng lượng tích lũy ở giai đoạn trước, dòng điện qua

L vẫn theo chiều cũ và chảy qua van đệm D (dòng i2), lúc này Ut =-UD =0

c Tính toán thông số của mạch

+ Chọn tham số nguồn DC: Uv max= 100 V ; Iv max = 10A

+ Chọn tham số diode:

- IDđm = (1 - 0.2)*10 = 8 (A)

- UDđm = 200 (V)

+ Tính toán tham số cuộn cảm:

- Chọn độ dao động theo chỉ tiêu độ dao động dòng điện Chọn

độ dao động dòng điện 10% tương ứng với dòng tải lớn nhất là: = 1 (A)

* Điện áp ra Ut:

- Đồ thị điện áp của van

20

* Điện áp ra Ut:

* Dòng điện ra It:

25 50

+ Đồ thị điện áp của van

+ Qua kết quả mô phỏng, ta thấy mức điện áp ra luôn nhỏ hơn điện áp vào  mạch BXMC kiểu nối tiếp là mạch giảm áp (Buck converter)

4.2 Sơ đồ mạch lực băm xung một chiều kiểu song song:

a Phân tích cấu trúc mạch van

- Mạch BXMC kiểu song song gồm có nguồn một chiều DC, van bán dẫn(IGBT), cuộn cảm L, tụ C, tải R, điện trở Rng, diode D1

- Cực Katot của van nối tiếp với cuộn cảm L, điện trở Rng rồi nối với dương nguồn

- Van được mắc nối tiếp với diode D1, song song với tải R, tụ điệnC

27

b Nguyên lý hoạt động của mạch

- Khi van Tr dẫn, toàn bộ điện áp nguồn được đặt vào cuộn cảm L

và dòng điện từ nguồn (dòng i1) chảy qua điện trở và cuộn cảm được nạp năng lượng Trong giai đoạn này diode D khóa và tải bị cắt hẳn khỏi nguồn, do đó năng lượng cấp ra tải là nhờ điện dung

C, vì vậy tụ điện C là nhất thiết phải có ở BXMC kiểu song song

- Khi van Tr bị khóa, năng lượng của cuộn kháng và của nguồn sẽ cấp ra tải (dòng I2) Nhờ nhận thêm năng lượng tích lũy ở giai

đoạn trước trong điện cảm nên điện áp trên tải sẽ lớn hơnđiện áp nguồn E Tụ C dùng để tích năng lượng và cấp cho Rt trong giai đoạn van Tr dẫn

BÀI 4: NGHỊCH LƯU VÀ BIẾN TẦN

1.3 Bình luận các kết quả mô phỏng thu được

1.4 Vẽ và phân tích cấu trúc biến tần gián tiếp

2 Công tác chuẩn bị của sinh viên

2.1 Đọc kỹ tài liệu hướng dẫn thực hành mạch nghịch lưu áp một pha cầu H, cấu trúc biến tần gián tiếp, đối chiếu với thiết bị tại phòng thí nghiệm

2.2 Nghiên cứu, tìm hiểu phần mềm Matlab - Simulink

3 Trang thiết bị cần thiết

3.1 Máy tính, PC và phần mềm có liên quan

4 Các nội dung, quy trình

4.1 Sơ đồ mạch lực nghịch lưu áp một pha cầu H

29

a Phân tích cấu trúc mạch

-Mạch nghịch lưu áp một pha bao gồm: nguồn một chiều DC, 4 van động lực (IGBT), 4 diode D1 – D4 để trả công suất phản khángcủa tải về lưới, Tải trở - cảm RL

b Phân tích nguyên lý hoạt động

Ở nửa chu kỳ đầu tiên(0 – θ2) cặp van T1, T2 dẫn điện, phụ tải được đấu vào nguồn Do nguồn là nguồn áp nên điện áp trên tải

U1 = E Tại thời điểm 0 =θ2, T1 và T2 bị khóa, đồng thời T3 và T4 mở

ra Tải được đấu vào nguồn theo chiều ngược lại, tức là dấu điện

áp trên tải sẽ đảo chiều và Ut = -E tại thời điểm θ2 Do tải mang tính trở cảm nên dòng vẫn giữ nguyên hướng cũ (đường nét đậm),

T , T đã bị khóa, nên dòng phải khép mạch qua D D về tụ C

c Tính toán tham số của mạch

- Dòng nhỏ nhất để diode phân cực thuận: Imin = 0,05A

+ Chọn giá trị tải trở - cảm: R = 50 Ohm ; L = 200mH

**) Tiến hành mô phỏng

- Đồ thị điện áp Ut, dòng điện It, dòng qua diode, dòng qua T1,2

d Giải thích đồ thị nhận được từ mô phỏng

- Đồ thị điện áp ra Ut có dạng hình vuông có biên độ là 220√2(V)

- Đồ thị dòng điện ra It có dạng gần giống hình sin do ảnh hưởng

từ cuộn cảm L làm cho dòng điện biến thiên tăng dần, giảm dần

- Nhận thấy dòng phản kháng được diode trả về lưới khi dòng It

biến thiên cực đại

31

4.2 Biến tần

- Biến tần là thiết bị điện tử dùng để biến đổi nguồn điện xoay chiều có tần số và

biên độ xác định sang nguồn điện xoay chiều khác có tần số và biên độ thay đổi

Hình 4.1 Cáu trúc của bộ biến tần

Suất

TB Chấp Hành Phanh

Khối vào ra

 Phân loại theo phương pháp điều khiển

- Phương pháp điều khiển cổ điển

- Phương pháp điều khiển PWM

- Phương pháp điều khiển véc – tơ

- Phương pháp điều khiển ma trận

 Phân loại theo nguồn cấp vào

- Biến tần một pha

- Biến tần ba pha

3.Ứng dụng của biến tần

- Lĩnh vực có thể sử dụng biến tần để tiết kiệm điện năng là các thế hệ có

mô men tải thay đổi theo tốc độ mà bơm và quạt li tâm là những ứng dụngđiển hình

I Tìm hiểu về biến tần Micromater Eco

- Biến tần Mircomaster là thiết bị biến đổi tần số dùng để điều khiển tốc

độ động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha Có dãy công suất ngõ vào từ120W- 7,5KW

1 Các đặc tín cơ bản của Micromaster

- Dễ cài đặt, lập trình và sử dụng

- Chịu quá tải 200% trong 3s cho tới 150% trong 60s

- Mô men khởi động lớn và điều chỉnh tốc độ motor chính xác

- Có thể kết hợp với bộ lọc

- Điều chỉnh dòng nhanh

- Khoáng nhiệt độ hoạt động từ 0- 50°C

- Có sẵn nguồn 15V-50mA cấp cho các bộ biến đổi phản hồi

- Điều khiển từ xa thông qua đường truyền nối tiếp RS485 sử dụng giaothức USS với đặc tính điều khiển tới 31 bộ điều khiển biến tần qua giao thứcUSS

- Tự động phát hiện động cơ 2,4,6 hoặc 8 đầu vào điều khiển

- Tích hợp sẵn phần mềm điều khiển quạt gió làm mát

- Khả năng lắp đặt liền nhau

- Các thông số được đặt từ khi sản xuất có thể đặt lại cho các thiếtbijcura châu Âu, Asian, Bắc Mỹ

33

- Tích hợp một số thành phần bảo vệ như quá dòng, cao áp, thấp áp ,quá nhiệt

2 Các đầu nối nguồn cho động cơ

- Đảm bảo rằng nguồn cấp cho đúng điện áp và được thiết kế đảm bảocho dòng cần thiết Đảm bảo rằng aptomat và cầu chì thích hợp với giá trịdòng định mức được nối giữa nguồn cấp và biến tần

- Nối đúng nguồn cấp tới các đầu nối L1, L2, L3 và cực tiếp điểm chobiến tần

- Nếu cần thiết sử dụng thêm khối hãm và các cực đấu DC+ và trên biến tần

DC Xiết chặt các đầu nối nguồn và động cơ

Hình 4.3 Biến tần điều khiển

- Với ngõ vào biến tần sử dụng nguồn điện 1 pha

Hình 4.4 Ngõ vào biến tần nguồn 1 pha.

- Với ngõ vào biến tần sử dụng nguồn điện 3 pha

Hình 4.5 Ngõ vào biến tần nguồn 3 pha.

35

Cách đấu nối điều khiển:

Hình 4.6 Sơ đồ nối dây điều khiển

 Các biến tần Mircromater được trang bị trong phòng thí nghiệm có cấu hình:

- 2 đầu vào tương tự

- Nguồn cấp 15V-50mA cho

các biến bên ngoài

- Nguồn 10V cấp cho đầu vào

tương

37

3 Sử dụng màn hình điều khiển

Hình 4.8 Màn hình LOGO Trong đó:

Bảng điều khiển / Nút ấn Hàm Chức năng

Jog Xoay nhẹ động cơ Nhấn nút này khi biến tần không có tín hiệu ra,

làm cho động cơ khởi động và chạy lại tần số xác định Động cơ dừng khi thả nút này ra Khi động

cơ đang chạy, nút này không tác dụng Nút không

sử dụng được khi set tham số P123=0 Khởi động biến

tần

Nhấn nút này để khởi động biến tần Nút này không có sử dụng được khi sét tham số P121 = 0 Tắt biến tần Nhấn nút này để tắt biến tần

OFF1: Nhấn nút này một lần làm cho động cơ dừng theo thời gian giảm tốc

OFF2 : Nhấn nút này hai lần ( hay 1 lần nhưng giữ lâu ) làm cho động cơ dừng nhanh

LED hiển thị Trình bày trên màn hình những giá trị cài đặt trên

biến tần

Nút này không sử dụng được khi set tham số P124=0

Giảm giá trị Nhấn nút này để giảm giá trị tần số ngoài ra dùng

thay đổi số tham số với giá trị cài đặt nhỏ hơn Nút này không sử dụng được khi set tham số P124=0

Truy cập tham số Nhấn nút này để truy cập tham số Nút này

không sử dụng được khi set tham số P051=14 ; P052=15; P053=14

Tham số thông dụng (P001: Lựa chọn cách hiển thị khi biến tần hoạt động

< Trong phòng thí nghiệm chỉ sử dụng tham số P001 >

0: Hiển thị tần số đầu ra (Hz) 2: Hiển thị dòng điện động cơ (A)

3: Hiển thị điên áp ra trên DC bus (V)

+ Kiểm tra điện áp ngõ vào có nằm trong giới hạn cho phép hay không + Tăng thời gian giảm tốc + Yêu cầu năng lượng hãm phải nằm trong

+ Kiểm tra công suất động cơ có phù hợp với công suất biến tần hay không + Chiều dài cáp không vượt quá giới hạn + Cáp động cơ và động cơ không được

chạm mát, ngắn mạch + Kiểm tra động cơ có bị kẹt hay bị quá tải

F003-Quá

tải Quá tải động cơ

+ Kiểm tra xem động cơ có bị quá tải

không

F005-Quá

nhiệt Quá nhiệt biến tần

+ Kiểm tra môi trường xung quanh của

biến tần +Kiểm tra không khí vào ra của biến tần bị

che chắn không +Kiểm tra quạt giải nhiệt có đang làm việc

không

F011- Lỗi

giao tiếp Lỗi giao tiếp bên trong biến tần Tắt nguồn và mở nguồn lại lần nữa

39

II Hình ảnh thực tế

Hình 4.9 Biến tần