Thí nghiệm chuyển mạch tự động

Tổng quan bài thực hành Truyền động một góc phần tư Quá trình quá độ của điện áp và dòng điện đầu ra bộ điều khiển băm xung DC o Ghi lại quá trình quá độ của điện áp và dòng điện đầu r

1

B ÀI 2: CÁC BỘ BIẾN ĐỔI TĨNH CHUYỂN MẠCH TỰ ĐỘNG

MỤC LỤC

1 Tổng quan bài thực hành 3

2 Giới thiệu lý thuyết 4

3 Hoạt động ở một góc phần tư 10

a.Quá trình quá độ dòng điện và điện áp ra của bộ điều khiển băm xung DC 11

b.Ghi lại các đặc tính điều khiển 17

c Phân tích ảnh hưởng của phần tử free-wheeling 20

d Phân tích các thành phần điện áp AC và DC, dòng điện và công suất 26

e Phân tích điều khiển bán dẫn 38

4.Hoạt động ở nhiều góc phần tư 42

a.Quá trình quá độ dòng điện và điện áp của bộ điều khiển băm xung DC 43

b.Ghi các đặc tính điều khiển 52

c.Phân tích các thành phần AC và DC của điện áp, dòng điện và công suất 56

d.Phân tích quá trình điều khiển bán dẫn 66

Mục đích thí nghiệm

Quen thuộc với nguyên lý làm việc của bộ điều khiển băm xung DC, hoạt động ở 1

và nhiều góc phần tư, với các loại tải khác nhau

Phân tích vai trò của thyristor trong c á c quá trình dẫn của dòng điện, trong các chế

độ hoạt động khác nhau và các khoảng thời gian khác nhau

Nhận biết được trình tự quá trình chuyển mạch và điều khiển các thyristor ở trong các mạch điều khiển băm xung DC

• Phân tích các quá trình quá độ của dòng điện và điện áp đầu ra

• Đánh giá sự biến thiên của điện áp trong các góc phần tư

• Nghiên cứu ảnh hưởng của tải điện cảm và tần số xung

• Xác định quy tắc liên quan đến các thành phần như dòng điện, điện ápvà công suất

• Nghiên cứu và đánh giá giá trị đỉnh-đỉnh

• Quá trình nghiên cứu dựa trên các nguyên lý cơ bản của mạch nghịch lưu

3

1 Tổng quan bài thực hành

Truyền động một góc phần tư

Quá trình quá độ của điện áp và dòng điện đầu ra bộ điều khiển băm xung DC

o Ghi lại quá trình quá độ của điện áp và dòng điện đầu ra với tải điện trở

o Ghi lại quá trình quá độ của điện áp và dòng điện đầu ra với tải hỗn hợp

Ghi lại các đặc tính điều khiển

o Ghi đặc tính điều khiển với tải R-L ở tần số xung thấp

o Ghi đặc tính điều khiển với tải R-L ở tần số xung cao

Phân tích ảnh hưởng của phần tử free-wheeling (phục hồi)

o Xác định quá trình quá độ của dòng điện theo tải điện cảm

o Xác định quá trình quá độ của dòng điện theo tần số xung

Phân tích các thành phần điện áp AC và DC, dòng điện, công suất

o Phân tích quá trình quá độ của dòng điện và điện áp

o Xác định hệ số định dạng

o Hoàn tất biểu đồ vector công suất

Phân tích điều khiển bán dẫn

o Phân tích dòng điện trong các van bán dẫn với tải điện trở

o Phân tích dòng điện trong các van bán dẫn với tải R-L

o Phân tích dòng điện trong các van bán dẫn với tải R-L ở tần số xung

cao

Hoạt động ở nhiều góc phần tư

Quá trình quá độ của điện áp và dòng điện đầu ra bộ điều khiển băm xung

o Ghi quá trình quá độ của điện áp và dòng điện đầu ra với tải hỗn hợp

o Ghi đáp ứn của điện áp và dòng điện đầu ra với tải hỗn hợp và điện áp ngược

o Xác định giá trị đỉnh-đỉnh của dòng điện

Ghi lại các đặc tính điều khiển

o Ghi đặc tính điều khiển với tải R-L ở tần số xung thấp

o Ghi đặc tính điều khiển với tải R-L ở tần số xung cao

4

Phân tích các thành phần điện áp AC và DC, dòng điện, công suất

o Phân tích quá trình quá độ của dòng điện và điện áp

o Xác định hệ số biến đổi

o Hoàn tất biểu đồ vector công suất

Phân tích điều khiển bán dẫn

o Phân tích dòng điện trong các van bán dẫn với tải R-L và điện áp đầu ra dương

o Phân tích dòng điện trong các van bán dẫn với tải R-L và điện áp đầu ra

âm

o Phân tích dòng điện trong các van bán dẫn với tải R-L ở tần số xung cao

2 Giới thiệu lý thuyết

Các bộ biến đổi tĩnh chuyển mạch tự động được sử dụng như các bộ điều khiển băm xung DC và các bộ biến đổi trung gian Các bộ biến đổi này thường được sử dụng trong truyền động điện DC và ba pha, cũng như trong các khối cấp nguồn dự phòng khẩn cấp Các bộ nghịch lưu chuyển mạch tự động được cấu trúc bởi transistor, thyristor, nó có đặc trưng là các chuyển mạch bán dẫn có thể được mở hoặc khoá ở bất kì thời điểm nào Do đó, xung điện áp một chiều DC, giá trị điện áp DC trung bình

Um2 trên tải có thể được là phẳng ( hình 1)

Hình 1: Điện áp và dòng điện trên tải R-L

5

Các phần tử sau thường được sử dụng:

• Transistor hiệu ứng trường MOSFET

• Transistor lưỡng cực có cực cửa cách ly IGBT

• GTO, Thyristor, diode

Đối với các bộ biến đổi tĩnh chuyển mạch tự động: Các bộ biến đổi DC và nghịch lưu làm các nhiệm vụ sau:

Hình 2: Các kiểu cơ bản của bộ biến đổi tĩnh

Tuỳ thuộc vào dòng chảy năng lượng, mà quá trình chuyển đổi có thể diễn ra giữa hệ thống một chiều DC và hệ thống xoay chiều AC

Ở trong các bài thực hành đi kèm tài liệu này thì các mạch điều khiển băm xung DC

sẽ được nghiên cứu Các mạch thông thường của bộ điều khiển băm xung DC là kết hợp của IGBT đơn (hình 3) và 4 IGBT (hình 4) Gồm có phần nguồn DC đầu vào và phần thực hiện nhiệm vụ chuyển đổi nguồn DC ( chuyển đổi điện áp DC cố định thành điện áp một chiều DC thay đổi theo thời gian)

6

Hình 3: Bộ điều khiển xung áp DC ( một góc phần tư )

Hình 4: Bộ điều khiển băm xung 4 góc phần tư ( 4 IGBT )

Các phương pháp sau thường được sử dụng để thay đổi điện áp một chiều DC:

• Điều chế độ rộng xung ( chu kì T không đổi, độ rộng xung TE thay đổi )

• Điều khiển tần số xung (độ rộng xung TE không đổi, tần số hoặc chu kì T thay đổi )

• Điều khiển dòng điện hai vị trí ( giữ khoảng cách đỉnh-đỉnh dòng điện không đổi )

7

Các bộ biến đổi tĩnh chuyển mạch tự động hiện đại thường được điều khiển bởi phương pháp điều chế độ rộng xung ( pulse width modulation - PWM), dễ dàng tạo ra các mẫu xung khác nhau Điện áp ở trên mạch tải, tương ứng với hình 3, được xác định bởi biểu thức sau:

Hoạt động ở 1 góc phần tư:

U =

  × × (1) Hoạt động ở 4 góc phần tư:

U = 2  × − 1 × (2)

Tỷ số TE/T được gọi là hệ số điền xung, nó có giá trị nằm trong dải từ 0÷1 và cũng có thể được biểu diễn dưới dạng phần trăm

Với tải cố định, quá trình tăng và giảm của dòng điện được đặc trưng bởi quy luật hàm

mũ Tuy nhiên, nếu quá trình là phẳng được thực hiện hoặc tần số xung cao

hơn, thì sau đó dòng điện sẽ có dạng tam giác (hình 1) Khoảng cách đỉnh-đỉnh của dòng điện, ∆i có thể được tính theo biểu thức 3:

∆2 = 2  × × 1 − (3)

α = 0.5 đối với hoạt động ở 1 góc phần tư

α = 1 đối với hoạt động ở 4 góc phần tư

Mạch 4 IGBT (hình 4) cho phép điện áp, dòng điện, cũng như dòng chảy của năng lượng theo hai hướng Công suất được nhận từ nguồn và được tiêu thụ bởi tải trong trường hợp tổn hao trên tải bằng 0, được tính bởi:

Đối với hoạt động ở 1 góc phần tư

 = ×  ×

(4)

8

Đối với hoạt động ở 4 góc phần tư

 = × × 2

 − 1 (!) Cấu trúc bộ biến đổi tĩnh chuyển mạch tự động ở trong hình 5, có bổ xung thêm chuyển đổi DC và đảo chiều Vấn đề cần quan tâm ở đây là bộ biến đổi tĩnh 4- IGBT được nối với tải R-L, năng lượng có thể được nhận từ nguồn thông qua bộ biến đổi tĩnh hoặc được trả ngược trở lại nguồn lưới

Các chế độ hoạt động của mạch điều khiển băm xung DC, các đặc trưng của nó được nghiên cứu đầy đủ thông qua các IGBT và diode

• Hoạt động ở một góc phần tư với tải R-L

Thiết kế bộ điều khiển một góc phần tư được biểu diễn ở trong hình 5

Hình 5: Bộ điều khiển băm xung- hoạt động một góc phần tư với tải R-L

Ở trong góc phần tư thứ nhất, bộ điều khiển chỉ cho phép dòng năng lượng chảy qua tải khi cả điện áp và dòng điện là dương Ở trạng thái khoá, năng lượng chảy qua đường free-wheeling (phục hồi) nhờ D2

• Hoạt động nhiều góc phần tư với tải R-L

Ở trong góc phần tư thứ nhất đối với công suất dương, dòng năng lượng chảy qua tải xuất hiện theo đường kết hợp của V4 và V1 ( hình 6) hoặc V2 và V3 Quá trình đảo chiều theo hướng năng lượng là không thể thực hiện khi cả dòng điện và điện áp cùng đảo chiều ( vì vẫn tạo ra công suất dương) Ở trong góc phần tư thứ nhất, quá trình free-wheeling (phục hồi) được thực hiện theo đường V1,D3 và V4,D2; còn ở

9

trong góc phần tư thứ ba là theo đường V3,D1 và V2,D4

Hình 6: Bộ điều khiển băm xung DC- hoạt động ở nhiều góc phần tư với tải R-L

Nếu mạch tải có chứa nguồn năng lượng ( như ắc quy hoặc khi động cơ được phanh), thì có thể xuất hiện dòng ngược chạy theo đường D1,D4 ( hoạt động ở góc phần tư thứ hai ) hoặc D2,D3 (ở góc phần tư thứ 4), và năng lượng được trả lại nguồn Năng lượng này cũng chỉ có thể xuất hiện với điện áp nhỏ nếu cuộn cảm làm nhiệm vụ tích trữ năng lượng trung gian Bằng cách đổi chiều điều khiển ( V1,D3 hoặc V2,D4 ), năng lượng trả về có thể xuất hiện theo đường D1,D4 bởi năng lượng được tích trữ trên cuộn cảm Ở trong góc phần tư thứ 4, năng lượng trả về có thể xuất hiện theo đường D3,D2 bằng cách đảo điều khiển ( V3, D1 hoặc D2,V4)

Các bài thực hành

a.Quá trình quá độ dòng điện và điện áp ra của bộ điều khiển băm xung DC

Ghi lại quá trình quá độ của dòng điện và điện áp với tải điện trở

Ghi lại quá trình quá độ của dòng điện và điện áp với tải hỗn hợp

b.Ghi các đặc tính điều khiển

Ghi đặc tính điều khiển với tải R-L ở tần số xung thấp

Ghi đặc tính điều khiển với tải R-L ở tần số xung cao

c.Phân tích ảnh hưởng free-wheeling ( hồi ngược )

Xác định quá trình quá độ của dòng điện theo tải cảm

Xác định quá trình quá độ của dòng điện theo tần số xung

d.Phân tích các thành phần điện áp AC và DC, dòng điện và công suất

Phân tích các quá trình quá độ của dòng điện và điện áp

Xác định hệ số biến đổi

Hoàn tất biểu đồ vector công suất

e Phân tích điều khiển bán dẫn

Phân tích dòng điện trong các phần tử bán dẫn với tải điện trở

Phân tích dòng điện trong các phần tử bán dẫn với tải R-L

Phân tích dòng điện trong các phần tử bán dẫn với tải R-L ở tần số xung cao

o Nhận thấy rằng điện áp trung bình có thể được là phẳng

o Hiểu được cuộn cảm góp phần là phẳng dòng điện

• Các bài thực hành

o Ghi lại quá trình quá độ dòng điện và điện áp ra với tải điện trở

o Ghi lại quá trình quá độ dòng điện và điện áp ra với tải hỗn hợp

• Tiến hành thí nghiệm

Lắp ráp mạch như hình 1.1.6 và kết nối toàn bộ với các thiết bị, tải R=810Ω với

bộ điều khiển một góc phần tư, bật biến áp cách ly Thiết đặt khối điều khiển đa năng về RS232 và kết nối bộ điều khiển băm xung DC theo đường PC Quá trình điều chế xung thực hiện ở tần số thấp 112Hz

Ghi lại quá trình quá độ dòng điện và điện áp ra với tải điện trở

Hiển thị các hàm sau theo các hệ số điền xung 25%, 50% và 75%:

o Điện áp ra (giá trị hiệu dụng): U2

o Dòng điện ra : I2

o Giá trị trung bình của điện áp ra: Um2

o Giá trị trung bình của dòng điện ra: Im2

12

Hình 1.1.1: Dáng điệu sóng dòng điện và điện áp của bộ điều khiển băm xung DC

một góc phần tư, hệ số điền xung 25%

Hình 1.1.2: Dáng điệu sóng dòng điện và điện áp của bộ điều khiển băm xung DC, hệ

số điền xung 50%

13

Hình 1.1.3: Dáng điệu sóng dòng điện và điện áp của bộ điều khiển băm xung DC,

hệ số điền xung 75%

Phân tích dáng điệu sóng dòng điện I2 và điện áp U2 ra :

Khi IGBT lật trạng thái (mở), điện áp nguồn được cấp tới đầu ra trong khoảng thời gian TE, còn khi IGBT khoá thì điện áp đầu ra trên tải bằng 0 Điện áp đầu ra tải

= "#!$  =% % % % % % % % # %(&)

= "#'!$  =% % % % % % % % % (&)

... hoạt động góc phần tư

 = × × 2

 − (!) Cấu trúc biến đổi tĩnh chuyển mạch tự động hình 5, có bổ xung thêm chuyển. .. gian mở chuyển mạch tồn chu kì chuyển mạch

20

• Cài đặt thí nghiệm: ... khiển băm xung DC- hoạt động nhiều góc phần tư với tải R-L

Nếu mạch tải có chứa nguồn lượng ( ắc quy động phanh), xuất dòng ngược chạy theo đường D1,D4 ( hoạt động góc phần tư thứ hai