thí nghiệm môn điện tử công suất

+ Giúp sinh viên đo, kiểm điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu, điện áp của các khâu trong mạch tạo xung điều khiển.. Đặc điểm của phương pháp này là hai mạch chỉnh lưu cùng hoạt động, tức là

Mẫu ĐT05/BTN

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

TÀI LIỆU THÍ NGHIỆM

HỌC PHẦN: THÍ NGHIỆM CƠ SỞ NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

MÃ SỐ HỌC PHẦN:

SỐ TÍN CHỈ: 01 TC

THÁI NGUYÊN – 2011

TÀI LIỆU THÍ NGHIỆM

HỌC PHẦN: THÍ NGHIỆM CƠ SỞ NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

MỤC LỤC

BÀI THÍ NGHIỆM SỐ 11 Thí nghiệm điện tử công suất

SỐ TIẾT: 1 TIẾT

NỘI DUNG BÀI THÍ NGHIỆM 11 Phần I THÍ NGHIỆM 1.1 Mục đích thí nghiệm:

+ Là phần thực nghiệm nhằm chứng minh và làm sáng tỏ thêm những vấn đề lý thuyết đã được trình bày Đồng thời góp phần nâng cao hiểu biết thực tế về ngành nghề cho sinh viên

+ Giúp cho sinh viên được trực tiếp làm quen và tiếp xúc với các loại máy điện, thiết bị điện, các thiết bị đo, các hệ thống truyền động điện cũng như các mạch điện cụ thể

+ Giúp sinh viên đo, kiểm điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu, điện áp của các khâu trong mạch tạo xung điều khiển Khảo sát 2 bộ chỉnh lưu mắc song song ngược

1.2 Cơ sở lý thuyết:

Trên cơ sở nội dung của bài thí nghiệm là tìm hiểu 2 bộ chỉnh lưu cầu 3 pha mắc song song ngược và tiến hành đo dạng điện áp, dòng điện của một số khâu trong mạch điều khiển do vậy sinh viên cần phải nắm vững một số cơ sở lý thuyết sau:

A Các phương pháp điều khiển 2 bộ chỉnh lưu mắc song song ngược

* Phương pháp điều khiển phối hợp (phương pháp điều khiển chung)

Ta tìm hiểu về bộ chỉnh lưu cầu 3 pha, cụ thể bài thí nghiệm này gồm có 2 bộ cầu 3 pha mắc song song ngược mạch điều khiển xây dựng theo nguyên tắc khống chế phụ thuộc (phương pháp điều khiển chung)

Đặc điểm của phương pháp này là hai mạch chỉnh lưu cùng hoạt động, tức là cùng được phát xung điều khiển Tuy nhiên một bộ làm việc ở chế độ chỉnh lưu, là bộ xác định dấu của điện áp một chiều hoặc chiều quay của động cơ, còn bộ kia chạy ở chế độ nghịch lưu và luôn sẵn sàng chuyển sang chế độ chỉnh lưu

Hình 1.1a là thí dụ về bộ chỉnh lưu đảo chiều sử dụng sơ đồ cầu ba pha Do hai

bộ chỉnh lưu cùng đấu vào một tải nên giá trị trung bình của chúng phải bằng nhau; theo quy ước trên sơ đồ ở hình 1.1 của điện áp udI và udII, điều đó nghĩa là:

UdI = - UdII (1.1) hay Ud0cosI = - Ud0cosII

suy ra: cosI + cosII = 0

Phương trình này cho ta quan hệ, hay luật phối hợp điều khiển hai mạch chỉnh lưu:

I + II =  (1.2)

Hình 1.1b là đồ thị điện áp udI và udII khi bộ CLI ở chế độ chỉnh lưu, bộ CLII ở chế độ nghịch lưu

 và

1 T

 Luật phối hợp điều khiển theo (1.2) mới chỉ đảm bảo trị số trung bình của hai bộ chỉnh lưu bằng nhau theo (1.1) Song giá trị tức thời của chúng là khác nhau, tức là:

udI  udII (1.3)

Điều này dẫn đến buộc phải dùng cuộn kháng cân bằng để chống dòng ngắn mạch chảy xuyên qua hai bộ chỉnh lưu Thí dụ, trong khoảng 1  2, ở bộ CLI có T1T6

E

U

Id  d  d 

tức là dòng tải sẽ đảo chiều Nhưng bộ CLI không thể cho dòng idI đảo chiều, nên dòng

id sẽ chuyển sang chảy qua bộ CLII Mạch vòng giữa CLII và Ed là đúng các điều kiện chạy ở chế độ nghịch lưu, nên lúc này CLII thực hiện việc trả năng lượng của sức điện động Ed về nguồn làm Ed giảm

Khi I tăng đến bằng 900, II cũng giảm về giá trị 900, điện áp UdI = -UdII=

Ud0cos = 0, quá trình nghịch lưu của CLII kết thúc Sau đó II tiếp tục giảm nhỏ hơn

900 và chuyển sang chế độ chỉnh lưu, điện áp đã đổi dấu Bộ CLI chuyển sang chế độ nghịch lưu phụ thuộc, quá trình đảo chiều kết thúc

Phương pháp điều khiển chung cho phép tiến hành đảo chiều nhanh do hai bộ chỉnh lưu luôn đồng thời hoạt động Tuy nhiên phải tuân thủ nghiêm ngặt (1.2) là điều khó thực hiện chính xác Đồng thời buộc phải có các cuộn kháng cân bằng, làm tăng kích thước, giá thành và giảm hiệu suất của thiết bị Vì thế phương pháp này thường chỉ ứng dụng khi cần có độ tác động nhanh hoặc phải đảo chiều thường xuyên với tần suất lớn

* Phương pháp điều khiển độc lập (phương pháp điều khiển riêng)

Đặc điểm của phương phỏp này là cỏc bộ chỉnh lưu làm việc khụng đồng thời Với mỗi chiều của điện ỏp ra chỉ cú một bộ chỉnh lưu được phỏt xung và chạy ở chế độ chỉnh lưu; cũn bộ kia được nghỉ, khụng được phỏt xung điều khiển Như vậy khụng thể

cú dũng điện chảy xuyờn thụng giữa hai mạch, do đú hoàn toàn khụng cần cỏc cuộn cảm cõn bằng và hai bộ chỉnh lưu được đấu song song ngược nhau một cỏch trực tiếp Tuy nhiờn điều này dẫn đến buộc phải loại trừ khả năng hai bộ cựng hoạt động, vỡ lập tức sẽ xuất hiện dũng ngắn mạch xuyờn thụng gõy sự cố cho thiết bị Do đú quỏ trỡnh đảo chiều phải thực hiện theo trỡnh tự chặt chẽ Thớ dụ, cần chuyển sự hoạt động từ

CLI dnag CLII, phải làm như sau:

1 Ngắt xung điều khiển bộ đang chạy, ở đõy là bộ CLI Do tải cú tớnh chất điện cảm và tiristo là phần tử bỏn điều khiển nờn nú vẫn tiếp tục dẫn mặc dự đó ngắt xung

mở van Lỳc này khụng thể phỏt xung ngay cho CLII, vỡ sẽ xảy ra ngắn mạch xuyờn thụng do bộ CLI vẫn cũng đang dẫn dũng id

2 Theo dừi dũng điện id để xỏc định thời điểm id = 0 Lỳc đú cú nghĩa van của

CLI đó khoỏ lại

3 Để chờ một khoảng thời gian cho van của CLI phụ hồi tớnh chất khoỏ, đảm bảo tiristo khoỏ chắc chắn Khoảng thời gian này được gọi là “thời gian chết” do mạch tải khụng cũn dũng chảy id= 0

4 Bắt đầu phỏt xung mở cho CLII ở chế độ nghịch lưu => 900 rồi giảm dần để chuyển sang chế độ chỉnh lưu II < 900 Sở dĩ cú yờu cầu này vỡ thụng thường sức điện động Ed khụng giảm nhanh và vẫn giữ chiều như cũ sau khi id = 0 Nếu phỏt xung ngay với II < 900 sẽ làm “sập nghịch lưu” vỡ cả hai nguồn Ed và lưới đều phỏt năng lượng Chế độ nghịch lưu sẽ làm tiờu tỏn nhanh chúng năng lượng của Ed (nếu là động cơ điện nú chớnh là cơ năng trờn trục động cơ)

Tốc độ giảm gúc II được khống chế bằng cỏch đo dũng tải, sao cho dũng này khụng vượt quỏ trị số cho phộp

Quy trỡnh 4 bước để đảm bảo chiều thường do một mạch điều khiển logic cú độ tin cậy cao đảm nhiệm Quy trỡnh này cho thấy phương phỏp điều khiển riờng cú tốc

độ đảo chiều thấp hơn phương phỏp điều khiển chung, song bự lại khụng cần đảm bảo yờu cầu (1.2) nờn dễ thực hiện hơn Vỡ vậy khi khụng cú yờu cầu về độ tỏc động nhanh hoặc tần suất đảo chiều thấp, trong thực tế đều dựng phương phỏp điều khiển riờng

B mạch tạo xung

* Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển theo pha đứng (hình )

Sơ đồ khối bao gồm:

 Khối 1: Khối đồng bộ hoá và phát sóng răng cưa ( ĐBH & SRC) :

 Khối 2: Khối so sánh (SS)

 Khối 3: Khối tạo xung( TX)

 U1: Là điện áp nguồn xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu

 Urc: Là điện áp tựa thường có dạng hình răng cưa lấy từ khối ĐBH- FSRC

 Uđk: Là điện áp điều khiển, đây là điện áp một chiều được đưa từ ngoài vào để điều giá trị góc mở ỏ

 UđkT: Là điện áp điều khiển Thyritor, là chuỗi các xung điều khiển lấy từ đầu

ra khối tạo xung và được truyền đến điện cực điều khiển G và K của Thyritor

* Nguyên lý điều khiển theo nguyên tắc khống chế pha đứng

Tín hiệu điện áp cung cấp cho mạch động lực bộ chỉnh lưu được đưa tới mạch đồng bộ hoá của khối 1 và trên đầu ra của mạch đồng bộ ta có các điện áp thường có dạng hình sin với tần số bằng tần số điện áp nguồn cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu và trùng pha hoặc lệch pha một góc xác định so với điện áp nguồn ,Điện áp này gọi là điện áp đồng bộ ký hiệu là Uđb

Các điện áp đồng bộ được đưa vào mạch phát điện áp răng cưa để khống chế

sự làm việc của mạch điện này kết quả là trên đầu ra mạch phát điện áp răng cưa ta có một hệ thống các điện áp dạng hình răng cưa đồng bộ về tần số và góc pha với các điện áp đồng bộ được gọi là điện áp răng cưa ký hiệu là Urc Các điện áp răng cưa được đưa vào khối so sánh và ở đó còn có một tín hiệu khác nữa là điện áp điều khiển điều chỉnh được và người ta đưa từ ngoài vào, hai tín hiệu này được mắc vào cực tính sao cho tác động của chúng lên mạch vào khối so sánh là ngược chiều nhau.Khối so sánh làm nhiện vụ so sánh 2 tín hiệu này và tại những thời điểm hai tín hiệu này có giá

trị tuyệt đối bằng nhau thì đấu ra khối so sánh sẽ thay đổi trạng thái Như vậy khối so sánh là một mạch điện hoạt động theo nguyên tắc biến đổi tương tự - số

Do tín hiệu ra mạch so sánh là dạng tín hiệu số nên chỉ có hai giá trị là 0 và1 Tín hiệu ở đầu ra khối so sánh là các xung suất hiện với chu kỳ bằn chu kỳ của tín hiệu của xung răng cưa Nếu thời điểm bắt đầu xuất hiện của một xung nằm trong vùng sườn nào của Urc thì sườn xung ấy của Urc được gọi là sườn sử dụng , điều này có nghĩa rằng : Tại thời điểm Urc  Udk ở sừơn sử dụng trong một chu kỳ của điện áp răng cưa thì trên đầu ra khối so sánh sẽ xuất hiện một xung điện áp Từ đó ta thấy có thể thay đổi thời điểm xuất hiện của xung đầu ra khối so sánh bằng cách thay đổi giá tri của Uđk khi giữ nguyên dạng Urc Trong một số trương hợp thì xung ra của khối so sánh được đưa tới cực điều khiển của T,nhưng trong đa số trường hợp khi thì tín hiệu ra khối so sánh chưa

đủ yêu cầu cần thiết đối với tín hiệu điều khiển T Để có tín hiệu đủ yêu cầu người ta thực hiện việc khuếch đại, thay đổi lại dạng xung Các nhiệm vụ này được thực hiện bởi một mạch điện gọi là mạch tạo xung (TX),cuối cùng trên đầu ra khối tạo xung ta có chuỗi xung điều khiển có đủ các thông số yêu cầu

3.3.1 Khối đồng bộ hóa và phát sóng răng cưa

a Khối đồng bộ hoá

Ta dùng mạch đồng bộ là biến áp vì các ưu điểm nổi bật : Cách ly được điện áp cao áp với mạch điều khiển để an toàn về người và thiết bị Trong trường hợp này người ta dùng một máy biến áp công suất nhỏ thường là máy biến áp hạ áp để tạo ra điện áp đồng bộ Điện áp lưới u1 được đặt vào cuộn sơ cấp còn bên thứ cấp ta lấy ra điện áp đồng bộ uđb Máy biến áp để tạo ra điện áp đồng bộ được gọi là máy biến áp đồng bộ (BAĐ)

ra mạch phát sóng răng cưa vì những ưu điểm đó ta dùng mạch này Sơ đồ như sau :

*Giới thiệu sơ đồ:

-o

*

*

Sơ đồ gồm có máy biến áp đồng bộ hoá BAĐ để tạo ra điện áp đồng bộ uđb Phần mạch tạo điện áp răng cưa sử dụng điôt, transitor, các điện trở, tụ điện và ở đây để tạo

ra dòng nạp tụ ổn định ta ứng dụng tính chất đặc biệt của các bộ khuếch đại thuật toán

vi điện tử KĐTT

* Nguyên lý làm việc

Trong sơ đồ này ta sử dụng khuếch đại thuật toán KĐTT ghép với tụ C thành một mạch tích phân Nguyên lý hoạt động của khâu này như sau: Giả thiết Tr khoá thì tụ C được nạp bởi dòng đầu ra của KĐTT, dòng nạp tụ được xác định ic = -i1 + iv- Nếu KĐTT là lý tưởng thì điện trở vào của nó bằng vô cùng, dẫn đến dòng vào iv- = iv+=0,

do vậy: ic=-i1, mặt khác i1=-Ucc/(WR+R3)=I=const Điều này có nghĩa rằng khi Tr khoá thì tụ C được nạp bởi dòng không đổi có giá trị I

Vậy ta có: Từ t=0 thì uđb=0 và bắt đầu chuyển sang nửa chu kỳ dương,dẫn đến

D mở nên mạch phát gốc Tr bị đặt điện áp ngược , Tr khoá, tụ C được nạp điện bởi dòng không đổi Điện áp trên tụ tăng dần theo qui luật tuyến tính Đến t= và bắt đầu chuyển sang âm , D khoá , Tr mở nên tụ C phóng điện nhanh qua Tr đến điện áp bằng không và giữ nguyên giá trị bằng không cho đến t=2 Tại t=2, điện áp đồng bộ bằng không và bắt đầu chuyển sang dương , D lại mở , Tr lại khoá , tụ C lại được nạp điện như từ t=0

Với giả thiết KĐTT là lý tưởng thì hệ số khuếch là vô cùng lớn, vậy nếu KĐTT đang ở chế độ khuếch đại tuyến tính thì điện giữa hai đầu vào được xem là bằng không (uv=0) Từ sơ đồ ta có : urc=uc+uv=uc Tức là điện áp răng cưa đầu ra của sơ đồ bằng điện áp trên tụ C Đồ thị điện

áp răng cưa được biểu diễn

trên hình

Do điện áp răng cưa là

điện áp ra của KĐTT nên có

nội trở rất nhỏ, vì vậy dạng

điện áp ra hầu như không phụ

thuộc vào tải mắc ở đầu ra

mạch phát sóng răng cưa Với

sơ đồ này dung lượng tụ C chỉ cần rất nhỏ (thường chọn khoảng 220nF), vì vậy chọn

tụ dễ dàng , mặt khác tụ phóng rất nhanh nên rất an toàn cho transitor Tr và điện áp ra rất gần với dạng răng cưa lý tưởng

3.3.2 Khối so sánh

Để tạo ra một hệ thống các xung xuất hiện một cách chu kỳ với chu kỳ bằng chu

kỳ điện áp răng cưa( chu kỳ nguồn xoay chiều cung cấp cho bộ chỉnh lưu) và điện áp điều khiển được thời điểm xuất hiện của mỗi xung ta sử dụng các mạch so sánh Để

tạo ra khối này ta có thể dùng Tranzitor hoặc KĐTT Trong mạch so sánh thì tín hiệu

vào là điện áp răng cưa và điện áp điều khiển một chiều Uđk Nhưng vì Urc từ mạch

phát sóng răng cưa không đúng quy luật điều khiển Uđkmax tăng thì Ud tăng, nên ta mắc

thêm một khâu tỷ lệ như hình vẽ Do đó, tín hiệu điều khiển đưa vào so sánh với Urc là

U'đk Có thể mắc điện áp tựa và điện áp điều khiển song song(tổng hợp song song)

hoặc nối tiếp( tổng hợp nối tiếp)

Ta dùng IC trong khối so sánh vì mạch so sánh này có nguyên lý làm việc đơn

giản, điện áp điều khiển được cấp nguồn một chiều ổn định không phụ thuộc điện áp

đưa tới bộ chỉnh lưu Sơ đồ nguyên lý của khối như hình vẽ bên

* Nguyên lý làm việc:

Điện áp răng cưa có điện thế

dương, là điện áp tựa Điện áp điều

khiển có điện thế âm Thời điểm điện

áp ra của bộ so sánh lật trạng thái

được xác định khi | U’đk| = Urc ( quá

trình so sánh được thực hiện ở sườn

trước của xung răng cưa)

+ | U’đk| > Urc  Ura =+ Ucc

+ | U’đk| < Urc  Ura =- Ucc

Như vậy, ta có thể thay đổi thời điểm lật trạng thái của điện áp bộ so sánh bằng

cách cho U’đk thay đổi từ 0  Urcmax, để thay đổi U’đk ta thay đổi giá trị biến trở WR 3.3.3 khối tạo xung và phân chia

xung

- Xung ra của khâu so sánh chưa đủ

các thông số yêu cầu của cực điều

khiển Để đáp ứng yêu cầu thì ta phải

khuyếch đại xung,thay đổi độ rộng

của xung, trong một số trương hợp

phải phân chia lại xung và cuối cùng

truyền xung từ đầu ra của mạch phát

xung tới cực điều khiển của Thyristor

* Mạch sửa xung:

-Khi thay đổi Uđk thì góc điều khiển sẽ thay đổi như vậy sẽ xuất hiện trương hợp

xung quá ngắn hoặc quá dài,để khắc phục tình trạng này ta dùng mạch sửa xung để

điều chỉnh xung có độ rộng theo yêu cầu,chúng hoạt động theo nguyên tắc :khi xung

vào với độ rộng khác nhau thì mạch vẫn có xung ra với độ dài giống nhau và giữ

nguyên thời điển bắt đầu xuất hiện xung

t

Sơ đồ mạch sửa xung:

t t

Hoạt động của sơ đồ được trình bày như sau:

-Trong khoảng từ 0 đến v1 tụ C2 được nạp đầy, Tr mở bão hoà Ura=0 khi đầu vào ra của khâu so sánh lật trạng thái tụ C 2 phóng điện theo chiều:

+C  R1  nội trở nguồn so sánh D -C

Tr bị đặt điện áp ngược nên bị khoá lại Ur = +Ucc khi tụ C2 phóng hết điện tích

nó sẽ được nạp lại theo chiều:

+Ucc  R2 C 2

Khi đó Tr lại mở bão hoà và Ur=0

- Tại t=v1’,Uss lật trạng thái (xung dương), tụ C phóng qua Trnội trở của nguồn

 -C

Tr vẫn mở bão hoà Khi C2 phóng hết điện tích nó được nạp lại nhờ xung dương của Uss ,tụ C coi như hở mạch Tr vẫn mở

- Đến t= v2 Uss lật trạng thái và tiếp tục chu kì tiếp theo

* Mạch khuyếch đại xung:

-Nhiều khi độ lớn xung chưa đủ lớn để mở Thyristor, do đó ta phải dùng mạch khuyếch đại xung phổ biến hiện nay là dùng Tranzitor và biến áp xung, ta sử dung mạch khuyếch đại như sau:

Sơ đồ nguyên lý và giản đồ điện áp:

Hỡnh a

Hình 2.3

a Sơ đồ nguyên lý mạch sửa xung

b Dạng điện áp đầu ra

Giản đồ điện áp khi tbh > txv và tbh < txv

Với txv :là thời gian tồn tại xung vào

txr :là thời gian tồn tại xung ra

txr :là thời gian tính từ khi đóng điện áp Ucc đến khi từ thông BAX đạt bão hoà

-Nguyên lý hoạt động như sau:

+ khi t > tbh

Từ t=0 đến t=t1 chưa có xung vào Udk=0

Từ t= t1 có xung vào làm Tr1,Tr2 mở hoàn toàn làm phía thứ cấp BAX co dòng cảm ứng D2 mở và có Udk

0