Báo cáo thí nghiệm điện tử công suất

Báo cáo thí nghiệm điện tử công suất

BÀI 1 : CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN CƠ BẢN

1.1.Mục đích, yêu cầu

-Chứng minh bài giảng về các phần tử bán dẫn cơ bản trong môn học điện tử công suất

-Luyện cho sinh viên kỹ năng đo, xác định tính năng, trạng thái các phần tử bán dẫn công suất

1.2.Nội dung thực hành

- Tìm hiểu hình dáng kích thước và đặc trưng các phần tử bán dẫn công suất

- Đo đạc thử nghiệm các phần tử bán dẫn công suất

- Các phần tử bán dẫn công suất cơ bản

1.2.1 DIODE

-Điôt công suất do hai 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

P N A

K

A

K

Đặc tính Vôn-ampe:

Đặc tính V-A của điốt gồm

Dưới điện áp UAK>0 Điôt phân cực thuận Đường đặc tính có dạng hàm mũ

- Nhánh ngược: Dưới điện áp UAK<0 Điôt phân cực ngược Khi tăng U dòng điện cũng tăng

Tới giá trị giới hạn Khi U  U2 Dòng điện tăng đột biến phá huỷ điôt

1.2.2 TRANSISTOR

- Tranzito là phần tử bán dẫn có cấu trúc gồm 3 lớp bán dẫn p-n-p hoặc n-p-n tạo lên từ 2 tiếp giáp p-n.Tranzito có 3 cực như hình vẽ

- Tranzito công suất thường là loại n-p-n

UDo

U

U U

2

Một số trasistor trên thực tế Đặc tính V-A

1.2.3 MOSFET

-MOSFET là Transistor hiệu ứng trường ( Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ) là một Transistor đặc biệt có cấu tạo và hoạt động khác với Transistor thông thường mà ta đã biết, MOSFET có nguyên tắc hoạt động dựa trên hiệu ứng từ trường để tạo ra dòng điện, là linh kiện có trở kháng đầu vào lớn

N

N

SiO2 kªnh N

§Õ

cực máng

D

cực cổng

G

cực nguồn

S

U

GS

p

Cấu tạo MOSFET kênh cảm ứng

D S G

D S G

Mosfet kênh n

Mosfet kênh P

Ký hiệu

Một số hình ảnh về mosfet

1.2.4.THYRISTOR

- THYRISTOR là phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn p-n-p-n tạo thành.Cấu trúc và ký hiệu trình bày trên hình

THYRISTOR có 3 lớp tiếp giáp J1, J2, J3. hình thành 3 cực Anot A, Katot K, cực điều khiển G

Một số hình ảnh về thyristor trên thực tế

1.2.5 IGBT

E

n

C

E G EC¸ch ®iÖn

n

p +

n

C

p +

n

C

E G EC¸ch ®iÖn

n

C

E

G D

S

pnp npn

C

E

G D

S

pnp npn

C

-IGBT là transistor công suất hiện đại, kích thước gọn nhẹ Nó có khả năng chịu được điện áp vào dòng điện lớn cũng như tạo nên độ sụt áp vừa phải khi dẫn điện

-IGBT có phần tử MOS với cổng cách điện được tích hợp trong cấu trúc của

nó Giống như thyristor và GTO, nó có cấu tạo gồm hai transistor Việc điều khiển đóng và ngắt IGBT được thực hiện nhờ phần tử MOSFET đấu nối giữa hai cực transistor npn Việc kích dẫn IGBT được thực hiện bằng xung điện áp đưa vào cổng kích G Đặc tính A của IGBT có dạng tương tự như đặc tính

V-A của MOSFET

1.2.6 TRIAC( Triode Alternative Current)

Triac là phần tử bán dẫn gồm 3 cực được tạo lên từ 5 lớp bán dẫn tạo lên cấu trúc p-n-p-n như ở tiristo theo cả 2 chiều giữa các cực T1 và T2 như trên hình

vẽ Ký hiệu triac như trên hình Về nguyên tắc có thể coi triac như 2 tiristo đấu song song ngược

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

Đặc tính V-A

Mạch điều khiển TRIAC a) cấu tạo, b,c) Cấu trúc tương đương

* Trong quá trình thí nghiệm , ta nhận dạng một số linh kiện dựa vào hình dáng bên ngoài như sau :

- Thyristor thường chia thành thyristor loại trụ, loại đĩa, modul…

- Transistor gồm loại 3 chân rõ ràng hoặc dạng sò (ví dụ như 2N3055…)

- Triac, IGBT, GTO,… thường ở dạng 3 chân rõ ràng

- Diot có nhiều loại như loại trụ, loại khối vuông,…

- Thường thì trên linh kiện công suất có chỗ để ta gắn tản nhiệt vì khi làm việc thì các phần tử này phát nóng rất mạnh vì vậy ta cần gắn tản nhiệt cho chúng nếu không thì nhiệt sinh ra sẽ làm hỏng bề mặt bán dẫn.Các vật liệu tản nhiệt thường làm từ nhôm hoặc đồng.Tuỳ theo công suất và yêu cầu sử dụng mà kích thước của tản nhiệt khác nhau

- Các hình ảnh trên chỉ là đại diện cho loại công suất trung bình được dùng trong dân dụng, các loại công suất lớn dùng trong công nghiệp thì kích thước của chúng lớn hơn nhiều

1.3.Cách sử dụng đồng hồ đo để kiểm tra các linh kiện

- Đồng hồ thực tế gồm có đồng hồ số và đồng hồ kim.Với

loại đồng hồ số thì cho kết quả chính xác nhưng kết quả

thường thay đổi nhanh và liên tục dẫn đến khó quan sát

trong thí nghiệm.Đồng hồ kim thì cho kết quả không

đựơc chính xác như đồng hồ số nhưng vì kim chỉ thị có

quán tính cho nên nó ít thay đổi khi các thông số đo thay

đổi 1 giá trị rất nhỏ, điều này giúp ta dễ quan sát định

tính và nhận xét hơn.Thường khi kiểm tra các linh kiện điện tử ta hay dùng đồng

hồ kim

-Khi đo ta vặn nút về vị trí thang đo Ω x 10 Với các loại đồng hồ kim thì que đen thường có thế dương Để kiểm tra ta có thể mắc vào đó 1 con led đơn, nếu led sáng thì chân nối với anot của led có thế dương

( mặc định que đen có thế dương trong bài báo cáo này.)

Các hình vẽ hướng dẫn thao tác để tăng khả năng hình dung cách đo

1.3.1 ĐO DIODE

-Vì diot chỉ có 1 tiếp giáp P-N cho nên việc đo diot khá đơn giản, ta không cần chỉnh “0” cho đồng hồ

-Ta đặt que đen vào 1 cực, que đỏ vào cực còn lại, sau

đó đảo chiều que đo.Nếu kim chỉ lên trong 1 trường

hợp thì diot còn tốt và cực gắn với que đen khi kim lên

là anot, cực còn lại là catot.Nếu cả 2 trường hợp kim

đều lên hoặc đều không lên thì diot bị hỏng

1.3.2 TRANSISTOR(BJT)

Đối với transitor thì ta có nhiều cách xác định

chất lượng của nó.Thực tế khi đo transistor ta

thường đi xác định các chân của nó luôn.Để xác

định chân của BJT ta làm như sau:

Lưu ý: Ta không được chạm đồng thời 2 tay

vào 2 que đo

B1: Vặn đồng hồ về thang Ω x10

B2: Đặt que đo bất kì vào 1 chân X nào đó Đặt que thứ 2 lần lượt vào 2 chân còn lại.Nếu mà trong 2 trường hợp mà lên kim chỉ giá trị vài chục ôm thì chân X

đó là chân B.Nếu X là que đen đặt vào thì BJT là loại ngược, còn nếu X do que

đỏ đặt vào thì la BJT loại thuận.Nếu không đồng thời lên kim thì ta cứ thay đổi đến khi xảy ra trường hợp trên là được.Việc xác định này rất nhanh với người đã

có kinh nghiệm

B3: Vặn đồng hồ về thang đo Ω x10k

-Nếu lúc trước que đỏ đặt vào chân B thì bây giờ ta ta sẽ đặt que đen vào chân

B, tương tự nếu lúc trước que đen đặt vào chân B thì bây giờ ta đặt que đỏ vào chân B.Sau đó dùng que đo còn lại lần lượt chạm vào 2 chân C, E Nếu trường hợp nào kim lên (giá trị cỡ vài trăm k Ω)Ω) thì đó chắc chắn là chân E, như vậy chân còn lại là chân C Nếu cả 2 trường hợp mà đều lên kim thì BJT bị hỏng

1.3.3 ĐO THYRISTOR(SCR)

Với thyristor thì việc xác định chân dễ dàng hơn

transitor.Thường thì các SCR công suất lớn thì chân

G thường nhỏ hơn nhiều so với chân A và K.Chính

vì vậy ta có thể xác định được A,K bằng cách như

sau:

-Vặn đồng hồ về thang đo Ω x10(hoặc 1).Có thể

chỉnh ‘0” hoặc thôi cũng được.Sau đó đặt que đen

vào chân G, que đỏ vào 2 chân còn lại.Nếu khi nào mà kim lên thì chân đó là chân K, suy ra chân còn lại là chân A

Còn khi mà không biết chân G thì ta có thể tìm bằng cách tìm cặp chân nào mà

có điện trở bằng vô cùng với cả 2 chiều que đo.Khi đó cặp chân đó là cặp A,K, suy ra chân còn lại là chân G.Nếu không tồn tại cặp chân nói trên thì SCR đã hỏng

SCR có loại trụ, loại đĩa, hoặc modul…

1.3.4.ĐO MOSFET

Một mosfet còn tốt khi điện trở giữa G với S và G với D phải

bằng vô cùng (kim không nên cả 2 chiều đo).Khi G được thoát

điện thì trở kháng giữa D và S cũng phải là vô cùng

Thông thường các mosfet được quy định chung thứ tự chân là G-D-S

*Cách xác định mosfet còn tốt

B1: Vặn về thang đo Ω x1k

B2: Nạp cho G 1 điện tích bằng cách đưa que

đen vào G, que đỏ vào S hoặc D

B3: Đo điện áp UDS, que đen vào D, que đỏ vào

S

B4: Chập chân G vào D hoặc S để thoát điện

chân G

B5: Đo điện áp UDS, nếu kim không lên thì mosfet còn tốt

1.4 Kết quả thí nghiệm thu được và nhận xét :

1.4.1 ĐO DIODE

Loại lớn

1022648

1.4.2 ĐO TRANSISTOR

Tên

transistor

2T803A

0876

1.4.3 ĐO TRIAC

1.4.4 ĐO MOSFET

Tên

MOSFET

1.4.5 ĐO THYRISTOR

LX5K9202E900

8

1.4.6 ĐO IGBT.

2.1.Mục đích, yêu cầu.

-Chứng minh bài giảng về các phần tử bán dẫn công suất và các mạch biến đổi chỉnh lưu, xung áp, nghịch lưu

-Luyện cho học sinh kỹ năng phân tích mạch công suất

-Thực tập,điểu khiển và đo đạc đặc tính các bộ biến đổi

2.2.Nội dung thực hành

-Tìm hiểu nguyên lý các bộ biến đổi

-Phân tích các bộ biến đổi

-Đo đạc tham số các bộ biến đổi

2.3.Các bộ biến đổi

a Biến tần của hãng siemen

Trong phòng thí nghiệm có 3 bộ biến tần Micromaster 370W, Micromaster 3000W, Micromaster 5500W Nhiệm vụ các bộ biến đổi này biến điện áp xoay chiều 3 pha thành điện áp 1 chiều, sau đó lại biến điện áp 1 chiều thành điện áp xoay chiều nhưng có tần số khác với tần số ban đầu

Đấu nối biến tần

Biến tần Micromaster MMW370 được trang bị trong phòng thí nghiệm có cấu hình như sau:

+ 2 đầu vào tương tự

+ 2đầu ra tương tự

+ 6 đầu vào số

+ 2 cổng truyền thông nối tiếp

+ 1 cổng ghép nối PTC (Nhiệt trở đo nhiệt độ động cơ)

+ cổng ghép nối với điện trở hãm bên ngoài

+ 2 Rơle có thể lập trình

+ Đầu phản hồi kín

+ Nguồn cấp 15V,50mA cho các biến bên ngoài

+ Nguồn 10 V cấp cho đầu vào tương tự

+Xây dựng bài thí nghiệm

-Đấu nối mạch điện

+Nội dung và các bước làm thí nghiệm

- Nối dây theo sơ đồ đấu nối

Trên thân biến tần có 3 đầu đấu nối (U, V, W) được nối với động cơ (động cơ mắc hình sao) 3 đầu L1, L2, L3 mắc vào nguồn 3 pha qua Aptomat Trung tính của động cơ được đấu nối với đầu PE trên biến tần và nối với đất của nguồn Trong bài thí nghiệm không sử dụng bộ lọc đầu vào

- Cài đặt tham số của động cơ

Trước tiên ta cài đặt biến tần theo hướng dẫn để thực nghiệm hoạt động cơ bản của biến tần sau đó cài đặt lần lượt các tham số đã chuẩn bị để thực nghiệm các tính năng của biến tần

- Điều khiển biến tần hoạt động

Chú ý: mỗi lần thử các tính năng biến tần cần kiểm tra xem các tính năng đó có ảnh hưởng đến nhau không ( VD tính năng Rampup time với Smoothing time ) nếu chúng ảnh hưởng lẫn nhau cần thử nghiệm riêng từng tính năng để được kết quả chính xác sau đó mới thử nghiệm sự kết hợp của các tính năng

Chuẩn bị trước khi làm thực nghiệm

Ta phải chuẩn bị cài

đặt tham số biến tần

với tham số động cơ

như sau:

Ud =380 V

P=1,5Kw

F=50Hz

I=3,4A Các hàm cần chuẩn bị:

-P001- P009 : Hiển thị

-P080-P085 : Tham số động cơ

-P012-P014 : Giới hạn tần số -P031-P034 : Giới hạn nút thử

-P088: Xác định điện trở stator.

b.Mô hình biến tần điều biến bằng phương pháp PWM :

Chỉnh lưu có điều khiển

Mô hình mạch công suất trong phòng thí nghiệm bao gồm các khối chức năng sau :

-Khối nguồn:

-Sơ đồ cầu chỉnh lưu

-Aptomat

-Biến áp

-Khối nghịch lưu

-6 Mosfet 2OH60S5

-3 tụ mắc song song 60V-380µF có chức năng ổn định điện áp

-Quạt gió có chức năng làm mát cho van

-Khối điều khiển:

+ Bộ vi xử lý: 2 IC mắc song song, PC 8177 dùng để cách ly quang

-IC 16PU0721J -IC 32A5J3M

-IC HD74LS14P -IC LM339N

Bộ vi xử lý có chức năng tạo ra xung tam giác và sóng sin và so sánh chúng để thu được dạng xung thích hợp Đây là cách sử dụng tín hiệu số cho nên độ chính xác cao hơn các bộ tương tự bởi vì nó khắc phục được nhược điểm không của bộ tương tự và khả năng chống nhiễu tốt

+ 3 IC driver điều khiển mosfet dễ dàng hơn

+ Điều khiển Location

+ Bộ nguồn vào vi xử lý: bộ chỉnh lưu cầu 4 diot, 2 transistor ổn áp, 3 tụ lọc

Mạch nguyên lý

có dạng như sau

:

2 sơ đồ cầu một

pha không đối

xứng dùng

thyristor và diot

như sơ đồ trên ,

trong đó :

- 1 sơ đồ tạo ra

điện áp một

chiều cấp cho

phần ứng động

cơ

- 1 sơ đồ tạo ra điện áp một chiều cấp cho phần kích từ của động cơ

- 1 động cơ 1 chiều công suất nhỏ, dòng qua động cơ vào khoảng 3A

-1 động cơ đóng vai trò là tải, có dây nối để giữa 2 đầu trục động cơ

-1 biến áp nguồn biến đổi điện áp 220V~ thành điện áp 24V ~, đưa qua cầu chỉnh lưu đưa ra điện áp 1 chiều 30V

Nội dung và các bước làm thí nghiệm

-Quan sát nối dây theo sơ đồ đấu nối trên panel điều khiển

-Quan sát tham số động cơ

-Điều khiển bộ chỉnh lưu hoạt động

-Thay đổi giá trị biến trở, đo điện áp ra trên động cơ, vẽ đặc tính

-Quan sát hình dạng điện áp ra trên tải bằng máy tính

-Điều khiển từ xa thông qua máy tính

*Làm thí nghiệm với vòng kín( điều khiển mở các van công suất và đo tốc độ động cơ để so sánh với giá trị đặt đưa ra luật điều khiển để điều chỉnh tốc đô động cơ)

Đặt các thông số của bộ điều khiển như sau như sau:

Kp = 3, Ki = 1, Kd = 0

-Khi có tín hiệu tác động vào động cơ, rất nhanh sau đó tốc độ động cơ đạt đến giá trị mong muốn sau một thòi gian ngắn

-Khi tải thay đổi thì bộ điều khiển với các tham số trên không còn phù hợp nữa

Nếu cũng với tải như trên, tiến hành thay đổi các giá trị của bộ điều khiển K p ,

Ki, Kd của bộ điều khiển PID thì dạng đáp ứng của động cơ cũng không bám đẹp theo tốc độ đặt mà có độ quá điều chỉnh rất lớn

c) Xung áp một chiều

Mô hình trong phòng thí nghiệm bao gồm các khối chức năng sau :

- Mạch lực chứa các phần tử sau

-Cầu dao

-Cầu chì, biến áp

-Bộ tản nhiệt -4 tiristor -Mạch điều khiển: cổng COM

+) X1:

-Bộ điều khiển có IC 89U0717J, IC 0702, IC HA17324A

-Bộ điều khiển bằng tay

+) X2:

-1 bộ tản nhiệt cho 3 tiristor

-2 mosfet 20N60S5

-Sơ đồ cầu 1 pha gồm 4

tiristor

-Rơle: 5A-250VAC, 5A-240VAC, 5A-28VAC

Nguyên lý làm việc của mạch xung áp

T 0 t

U EB Ut

i iT

t

t

t t t

d i

Ed N

E

i

id

Sơ đồ mạch công suất

DC D

220/110 V

ROLE1

WKT

K KN

KN

AT1

T B

K

Nội dung và các bước làm thí nghiệm

-Quan sát nối dây theo sơ đồ đấu nối trên panel điều khiển.

-Quan sát tham số động cơ

-Điều khiển bộ xung áp hoạt động

-Thay đổi giá trị biến trở, đo điện áp ra trên động cơ, vẽ đặc tính.

-Quan sát hình dạng điện áp ra trên tải bằng máy tính

-Điều khiển từ xa thông qua máy tính

d Hệ điều khiển và giám sát hệ T – Đ :

- Mạch lực: gồm 2 cầu tiristor điều khiển cho phần ứng và kích từ

- Mạch điều khiển: sử dụng vi điều khiển (AT 89S52 ) có thể thực hiện tại chỗ hoặc qua PC MAX 232(bộ chuyển đổi tín hiệu)

- Kết nối giữa mạch điều khiển và mạch động lực bằng biến áp xung và có một cảm biến dòng cảm nhận dòng mạch lực để phản hồi tín hiệu cho mạch điều khiển

- Khối cách li sử dụng các cảm biến để cách li bảo vệ kết nối cổng COM với PC

- Bộ nguồn cấp 5V-12V

-Bộ điều khiển: gồm 2 cầu tiristor (mỗi cầu có 4 tiristor)

-Bộ nguồn gồm:

-Ic ổn áp 7815 -Ic ổn áp 7805

-4 tụ -Diot cầu và biến áp -Bộ vi xử lý điều khiển trung tâm

Gồm 2 con ATMEGA16

-1 bộ nguồn gồm: IC ổn áp LM7815, diode chỉnh lưu

-DAC 7541

- DAC 080SL

-LM 324 -HA 1732A -Cổng COM và bộ điều khiển bằng tay

e Bộ điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều :

- Động cơ 1 chiều và 1 máy phát để biến đổi tải có trục truyền động gắn với trục động cơ

- Khâu hồi tiếp tốc độ gồm có: vi điều khiển PIC

- Bộ điều khiển trung tâm

-Vi điều khiển họ AVR

hoặc 8501

-Màn hình LCD hiển thị kết quả

-Bộ nguồn

-1 cầu transistor

-Điện trở công suất

-1 biến áp cho bộ điều

khiển

-1 biến áp cho mạch động lực

-Cổng COM -Sử dụng Max 232

4 Chiết áp -Bộ đệm gồm:

-LM 32HN

-HD 74LS14

-HD 74LS00P

-VC 413976K -4 con H1061

-Biến áp phát xung:

-4 con TLA-TX0040

-Biến dòng -Biến áp

-Bộ biến đổi tín hiệu đầu ra (5V-12V)

-2 con PC 8177 để cách ly

quang

-Max 232 CPE

-LM 7805