Đề cương bài giảng môn: Điện tử công suất (Dùng cho trình độ Cao đẳng, Trung cấp và liên thông)

Điện tử công suất là một chuyên ngành của điện tử học nghiên cứu và ứng dụng các phần tử bán dẫn công suất trong sơ đồ các bộ biến đổi nhằm biến đổi và khống chế nguồn năng lượng điện với các tham số có thể thay đổi được, cung cấp cho các phụ tải điện.

un: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Mã số của mô đun: MĐ 18

Thời gian mô đun: 75 giờ; (Lý thuyết: 15g ; Thực hành:57 g; kiểm tra: 3g)

I VỊ TRÍ, TÍNH CHẤT CỦA MÔ ĐUN:

* Vị trí của mô đun: đây là mô đun thứ 18 trong chương trình đào tạo ngành

điện tử công nghiệp

* Tính chất của mô đun: Là mô đun bắt buộc

II MỤC TIÊU CỦA MÔ ĐUN:

Sau khi học xong mô đun này học viên có năng lực

* Về kiến thức:

- Giải thích được nguyên lý hoạt động của các linh kiện điện tử công suất

- Tra cứu được các thông số kỹ thuật của linh kiện

- Phân tích được nguyên lý làm việc của mạch điện tử công suất

* Về kỹ năng:

- Kiểm tra được chất lượng các linh kiện điện tử công suất

- Lắp được các mạch điện tử công suất ứng dụng trong công nghiệp

- Kiểm tra sửa chữa đạt yêu cầu về thời gian với độ chính xác

- Thay thế các linh kiện, mạch điện tử công suất hư hỏng

- Nêu được ứng dụng của từng mạch điện vào trong thực tế

* Năng lực tự chủ và chịu trách nhiệm:

- Rèn luyện tính tỷ mỉ, chính xác và an toàn vệ sinh công nghiệp

III NỘI DUNG CHI TIẾT

BỘ LAO ĐỘNG THƯƠNG BINH VÀ XÃ HỘI TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỸ NGHỆ II KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG MÔN:

ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

(Dùng cho trình độ Cao đẳng, Trung cấp và liên thông)

GVBS: MAI THỊ BÍCH VÂN

TPHCM, tháng 03 năm 2018

BÀI I: TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Mục tiêu của bài:

- Nhận dạng được các linh kiện điện tử công suất dùng trong các thiết bị điện, điện tử

- Xác định được điện áp, dòng điện, công suất của tải

- Trình bài được nội dung của các thông số kỹ thuật của các linh kiện điện

sẽ quyết định các thông số về điện áp, dòng điện, tần số, và số pha tại ngõ ra của

bộ biến đổi Thông thường, một bộ điều khiển có hồi tiếp sẽ theo ngõ ra của bộ biến đổi và cực tiểu sai lệch giữa giá trị thực của ngõ ra và giá trị mong muốn (hay giá trị đặt)

Các bộ biến đổi bán dẫn là đối tượng nghiên cứu cơ bản của điện tử công suất Trong các bộ biến đổi các phần tử bán dẫn công suất được sử dụng như những khóa bán dẫn, còn gọi là van bán dẫn, khi mở dẫn dòng thì nối tải vào nguồn, khi khóa thì không cho dòng điện chạy qua Khác với các phần tử có tiếp điểm, các van bán dẫn thực hiện đóng cắt dòng điện mà không gây nên tia lửa điện, không bị mài mịn theo thời gian.Tuy có thể đóng ngắt các dòng điện lớn nhưng các phần tử bán dẫn công suất lại được điều khiển bởi các tín hiệu điện công suất nhỏ, tạo bởi các mạch điện tử công suất nhỏ Quy luật nối tải vào nguồn phụ thuộc vào các sơ đồ của bộ biến đổi và phụ thuộc vào cách thức điều khiển các van trong bộ biến đổi Như vậy quá trình biến đổi năng lượng được thực hiện với hiệu suất cao vì tổn thất trong bộ biến đổi chỉ là tổn thất trên các khóa điện tử, không đáng kể so với công suất điện cần biến đổi Không những đạt được hiệu suất cao mà các bộ biến đổi còn có khả năng cung cấp cho phụ tải nguồn năng lượng với các đặc tính theo yêu cầu, đáp ứng các quá trình điều

chỉnh, điều khiển trong một thời gian ngắn nhất, với chất lượng phù hợp trong các hệ thống tự động hoặc tự động hóa Đây là đặc tính mà các bộ biến đổi có tiếp điểm hoặc kiểu điện từ không thể có được

Các khái niệm cơ bản

Các thành phần của công suất gồm có:

Công suất biểu kiến: S = U.I

Công suất thực: P = U.I.cosφ

Công suất phản kháng: Q = U.I.sinφ

Từ các biểu thức trên ta có được mối quan hệ 2 2

.

S U I  P Q

Vấn đề chúng ta cần quan tâm ở đây, các ứng dụng của bộ biến đổi thường cho ra các dáng điệu dòng điện và điện áp không sin, thì cần thiết phải đưa thêm một số định nghĩa

Thành phần dao động cơ bản đóng góp vào trong công suất thực:

P = U.I1.cosφ1

Do đó, các thành phần công suất được mô tả bởi các vector và được biểu diễn như

hình dưới đây:

Hình 1.1: Các thành phần công suất của bộ biến đổi chuyển mạch lưới

II PHÂN LỌAI LINH KIỆN BÁN DẪN THEO KHẢ NĂNG ĐIỀU KHIỂN

Các linh kiện được phân lọai theo hai chức năng cơ bản: đóng và ngắt dòng điện đi qua nó Trạng thái linh kiện đóng: có tác dụng như một điện trở bé Trạng thái linh kiện ngắt: có tác dụng như một điện trở rất lớn Dòng điện

đi qua chúng hầu như không đáng kể Độ lớn điện áp đặt lên linh kiện phụ thuộc vào trạng thái họat động của mạch điện bên ngòai

Do đó, linh kiện bán dẫn họat động với hai chế độ làm việc đóng và ngắt dòng điện được xem là lý tưởng nếu ở trạng thái dẫn điện nó có độ sụt áp bằng 0

và ở trạng thái không dẫn điện, dòng điện đi qua nó bằng 0

Các linh kiện có thể tự chuyển đổi trạng thái làm việc của mình, chuyển từ trạng thái không dẫn sang trạng thái dẫn điện và ngược lại thông qua tác dụng kích thích của tín hiệu lên cổng điều khiển của linh kiện Ta gọi đây là linh kiện

có tính điều khiển Tín hiệu điều khiển có thể tồn tại dưới nhiều dạng: dòng điện, điện áp, ánh sáng với công suất nhỏ hơn nhiều so với công suất của nguồn

Ngòai ra linh kiện có khả năng thay đổi trạng thái từ dẫn điện sang ngắt điện và ngược lại thông qua tác dụng của tín hiệu điều khiển được gọi là linh kiện có khả năng kích ngắt(tự chuyển mạch): BJT, MOSFET, IGBT, GTO,IGCT, MCT, MTO

Với những nhận xét ở trên , các linh kiện bán dẫn công suất , theo chức năng đóng ngắt đóng ngắt dòng điện và khả năng điều khiển các chức năng này,

có thể chia làm 3 nhóm chính :

_Nhóm một: gồm các linh kiện không điều khiển như diode, diac

_Nhóm hai : gôm các linh kiện điều khiển kích đóng được như thyristor, triac

_Nhóm ba: gồm các linh kiện điều khiển kích ngắt được như transitor (BJT,MOSFET,IGBT)GTO

Ngòai ra,dạng mạch phức tạp gồm SCR và bộ chuyển mạch có khả năng đóng ngắt dòng điện qua nó nhờ tác dụng của các tín hiệu điều khiển Về khía cạnh điều khiển ,mạch phức hợp này cùng với các linh kiện nhóm ba tạo thành nhóm công tắc tự chuyển mạch

1 DIODE

Hình 1.4 Hình dáng của học diode

Mô Tả Và Chức Năng

Diode được cấu tạo thành bởi mối nối p_n Lớp p thiếu điện tử và chứa các phần tử mang điện dạng lỗ trống Tương tự , lớp n thừa điện tử Các lớp p_n trong cấu trúc diode đạt được bằng cách thêm tạp chất vào trong các phiến silic Để tạo quá trình dẫn điện đi qua mối nối p_n ,các hạt mang điện được tạo thành

và tham gia quá trình dẫn điện , một điện áp được áp dụng sao cho lớp p mắc vào cực dương và lớp n vào cực âm Lực điện trường làm cho lỗ hổng từ lớp p

di chuyển vựơt qua mối nối p_n để vào lớp n vào lớp p

Trường hợp phân cực ngược lại, các lỗ hổng và điện tử bị kéo ra xa khỏi mối nối và tạo thành sức điện động bên trong mối nối Sức điện động này tác dụng không cho dòng điện tích qua dide diode bị ngắt

Chiều thuận và chiều nghịch :nếu như diode ở trạng thái dẫn điện thì nó chịu tác dụng của điện áp thuận và dòng điện thuận nếu đi qua

Khả năng chịu tải địên áp định mức :được xác định bởi điện thế nghịch cực đại Urrm khi thiết kế mạch bảo vệ chống lại quá áp nghịch ngẫu nhiên , ta dịnh mức theo điện thế nghịch không thể lặp lại URSM Khi diode làm việc , ta không cho phép xuất hiện áp lớn hơn ursm

Dòng điện định mức: diode khi hoạt động phát sinh tổn hao Tổn hao chủ yếu do dòng điện thuận gây ra Tổn hao do dòng nghịch gây ra không đáng kể

và công suất tổn hao do quá trình ngắt sẽ có độ lớn đáng kể khi tần số đóng ngắt lớn hơn khoảng 400hz Công suất tổn hao tổng không được phép làm nóng mạch diode lên quá nhiệt độ cực đại,nếu không lớn PN sẽ bị phá hỏng

Khả năng chịu quá dòng một thông số khác ảnh hưởng lên khả năng quá dòng là năng lượng tiêu hao, xác định bằng tích phân theo thời gian, lượng năng lượng này tỉ lệ với năng lượng tiêu mà bản bán dẫn có khả năng hấp thụ dưới dạng nhiệt trong thời gian qui định (khoảng 10ms) mà không bị hỏng

Các Diode Đặc Biệt

Schottky diode:độ sụt áp theo chiều thuận thấp (khoảng 0,3v) Do đó ,nó

được sử dụng cho các mạch điện áp thấp Điện áp ngược chịu được khoảng 100v VD: MBR6030L (Uđm max=30v, Iđm tb=60A)

50-Diode phục hồi nhanh: áp dụng trong các mạch hoạt động tần số cao Khả

năng chịu áp khoảng vài volt và dòng vài trăm ampere, thời gian phục hồi khoảng vài nguy giây VD: 1N3913 (Uđm max=400v, Iđm tb=30A)

Diode tần số công nghiệp: các diode tần số công nghiệp được chế tạo để

đạt độ sụt áp thấp khi dẫn điện Hệ quả ,thời gian phục hồi tăng lên khả năng chịu áp của chúng khoảng vài KV và dòng điện vài kiloampere

2 TRANSISTOR

Mạch mắc chung cực E

Mạch mắc chung cực C

Hình 1.5 phân cực và hình dáng của trans

Có 2 lớp p_n, dựa theo cấu tạo lớp này ta phân biệt hai loại transistor: transistor p_n_p và transistor n_p_n Các lớp p_n giữa từng điện cực được gọi

là lớp emitter và các lớp collector Mỗi lớp có thể được phân cực theo chiều thuận, chiều nghịch dưới tác dụng của điện thế ngoài Sự dịch chuyển của dòng collector Ic khi qua lớp bị phân cực nghịch chịu ảnh hưởng rất lớn của dònG Ibdẫn qua lớp phân cực thuận Hiện tượng này tạo thành tính chất cơ bản được sử

dụng nhiều của transistor và được gọi là hiện tượng điều chế độ dẫn điện của lớp bị phân cực nghịch

Trong lãnh vực điện tử công suất, transittor BJT được sử dụng như công tắc (khoá) đóng ngắt các mạch điện và phần lớn được mắc theo dạng mạch có chung emitter

Trên điện cực BE là điện áp điều khiển UBE Các điện cực CE được sử dụng làm công tắc đóng mở mạch công suất Điện thế điều khiển phải tác dụng tạo ra dòng Ib đủ lớn để điện áp giữa cổng CE đạt giá trị bằng đặc tính ngõ ra của transistor mắc chung cực emetter

Các tính chất động

Khảo sát cac hiện tượng quá độ khi đóng và ngắt transistor có ý nghĩa quan trọng Quá trình dòng collecotor Ic khi kích đóng có dạng xung vuông.Thời gian đóng Ton kéo dài khoảng vài nguy giây,thời gian ngắt toff vượt quá 10 nguy giây

Một hệ quả bất lợi trong các hiện tượng quá độ là việc tạo nên công suất tổn hao do đóng và ngắt transistor Công suất tổn hao làm giới hạn dảy tần số hoạt động của transistor Gía trị tức thời của công tổn hao trong quá trình đóng ngắt tương đối lớn, vì dòng điện đi qua transistor lớn và điện áp trên transistor ở trạng thái cao Để theo dõi một cách đơn giản , ta có thể hình dung quá trình đóng ngắt như sự chuyển đổi điểm làm việc từ vị trí ngắt đến vị trí đóng

Khả năng chịu tải

Công suất hao tổn :công suất tổn hao tạo nên trong hoạt động của transistor không được phép làm nóng bán dẫn vượt quá giá trị nhiệt độ cho phép 150oc Vì thế ,cần làm mát transistor và toàn bộ công suất hao tổn phải nhỏ.Công suất tổn hao chủ yếu do công suất tổn hao trên collector ,Pc =Uce.I

3 MOSFET

Cấu tạo :

* Ký hiệu

* Đặc tính V-A

Hình 1.6 cấu tạo, ký hiệu và đặc tuyến của diode

Loại transistor có khả năng đóng ngắt nhanh và tổn hao do đóng ngắt thấp

được gọi là metal-oxede-semiconductor field emffect transistor với công điều khiển bằng điện trường (điện áp) MOSFET được sử dụng nhiều trong các ứng dụng công suất nhỏ (vài kw) và không thích hợp để sử dụng cho các công suất lớn Tuy nhiên, linh kiện MOTFET khi kết hợp với công nghệ linh kiện GTO lại phát huy hiệu quả cao và chúng kết hợp với nhau tạo nên linh kiện MTO có ứng dụng cho các tải công suất lớn

Linh kiện MOSFETcó thể cấu trúc pnp và npn Giữa các kim loại mạch cổng và các mối nối n và p có lớp điện môi silicon oxid SiO Điểm thuận lợi cơ bản của MOSFET là khả năng điều khiển kích đóng ngắt linh kiện bằng xung điện áp ở mạch cổng Khi điện áp dương áp đặt lên giữa cổng G và Source (emitter ) tác dụng của điện trường(FET) sẽ kéo các electron từ lớp n+và lớp p tạo điều kiện hình thành môt kênh nối gần cổng nhất ,cho phép dòng điện dẫn từ cực drain (collector) tới cực Source (emiter)

MOSFETđòi hỏi công suất tiêu thụ ở mạch công kích thấp ,tốc độ kích đóng nhanh và tổn hao do đóng ngắt thấp Tuy nhiên , MOSFETcó điện trở khi dẫn điện lớn Do đó công suất tổn hao khi dẫn điện lớn làm nó không thể phát triển thành linh kiện công suất lớn

Với tốc độ đóng ngắt nhanh, tổn hao thấp vì vậy với mức điện áp từ 300v

400v, f = vài chục hz thì Mosfet có nhiều ưu điểm hơn BJT

Thông số kỹ thuật của mosfet:

Điện áp cực đại: 1000v

Dòng điện cực đại vài chục ampere

Điện áp điều khiển tối đa 20v

Loại Điện áp định mức

cực đại

Dòng điện trung bình định mức

Việc kích dẫn IGBT được thực hiện bằng xung điện áp đưa vào cực kích G

Ưu điểm của loại linh kiện này là khả năng đóng ngắt nhanh, nó được sử dụng trong các bộ biến đổi điều chế độ rộng xung có tần số cao IGBT được ứng dụng nhiều trong công nghiệp với công suất lên đến 10MW

So với SCR thì thời gian đóng ngắt của IGBT rất nhanh, khoảng vài nguy giây và khả năng chịu tải lên đến 4,5kv, 2000A IGBT có khả năng hoạt động tốt không cần mạch bảo vệ Mạch kích cho IGBT tương tự như mạch kích cho MOSFET

Các thông số kỹ thuật:

Loại Điện áp định Dòng điện trung Thời gian mở (

mức cực đại bình định mức nguy giây) HGT 32 N60

Thyristors (SCRs - Silicon Controlled Rectifiers)

Hình 1.8 ký hiệu và đặc tuyến của SCR

Về mặt cấu tạo linh kiện SCR đã được học ở môn linh kiện điện tử Trong phần này chỉ nói trọng tâm vào một số tính chất quan trọng của SCR

Các tính chất và trạng thái cơ bản:

Hiện tượng đóng SCR có thể được thực hiện nếu thỏa cả hai điều kiện sau: SCR ở trạng thái khóa Có xung dòng kích vào cực g dương

Hiện tượng ngắt SCR bao gồm hai giai đoạn:

Giai đoạn làm dòng điện thuận bị triệt tiêu thực hiện bằng cách thay đổi điện trở hoặc điện áp giữa a not và katot

Giai đoạn khôi phục khả năng khóa của SCR Sau khi dòng thuận bị triệt tiêu thì cần phải có một thời gian để chuyển SCR vào trạng thái khóa

Để đóng SCR khỏang đầu xung dòng kích phải có giá trị đủ lớn Các xung điều khiển được cung cấp từ biến áp xung có nhiệm vụ là tách mạch công suất khỏi nguồn tạo xung kích

Ngòai các linh kiện trên còn có các linh kiện công suất khác như: TRIAC, GTO, IGCT( dạng cải tiến của GTO)…

Các Tính Chất Động

Tác dụng điện áp khoá u v(hoặc u D): về bản chất đó là tác dụng điện áp nghịch lên lớp bán dẫn Lúc đó, nó hoạt động như một tụ điện, điện dung của nó phụ thuộc vào độ lớn của điện áp đăt vào

Việc đóng thyristor không xảy ra ngay khi xung dòng i G vào cổng Thoạt tiên dòng dẫn i vđi qua một phần nhỏ của tiết diện của thyristor ở chỗ nối của cổng G Sau đó, điện tích dẫn tăng dần lên của tiết diện phiến bán dẫn ,điện áp khoá giảm dần Đối với thyristor, thông thường thời gian đóng điện t gtở trong khoảng 3 10 s Khi dòng i v tăng nhanh quá, chỉ có một phần nhỏ tiết diện chung quanh mạch cổng G dẫn điện và dẫn đến quá tải, có thể làm tăng nhiệt độ lên đến giá trị làm hổng linh kiện

Mạch kích thyristor

Trong các bộ biến đổi công suất dùng thyristor, thyristor và mạch tạo xung kích vào cổng điều khiển của nó cần cách điện tương tự như các mạch kích cho transistor, ta có thể sử dụng biến áp xung, hoặc optron

Hình 1.9 các mạch kích SCR Mạch kích dùng biến áp xung, được vẽ trên Sau khi tác dụng áp lên mạch b của transistor Q1 Transistor Q1 dẫn bảo hoà làm điện áp V ccxuất hiện trên cuộn sơ cấp của biến áp xung và từ đó xung điện áp cảm ứng xuất hiện ở phía thứ cấp biến áp Xung tác dụng lên cổng G của thyristor Khi khoá xung kích, transistor Q1bị ngắt, dòng qua cuộn sơ cấp biến áp xung duy trì qua mạch cuộn sơ cấp và diode D m

Việc đưa xung kích dài vào cổng G làm tăng thêm tổn hao mạch cổng, do

đó có thể thay thế nó bằng chuổi xung Muốn vậy, xung điêu khiển kết hợp với tính hiệu ra của bộ điều khiển xung vuông qua mạch cổng logic AND trước khi đưa vào cổng B của transistor Q1 (xem hình b)

Mạch kích chứa phần tử photocouplercó thể là phototransistor hoặc photothyristor Xung kích ngắn phát ra từ diode quang ILED (Infrared Light Emiting Diode ) kích dẫn photothyristor và từ đó kích dẫn thyristor công suất Mach kích đòi hỏi có nguồn DC cung cấp riêng vì thế tăng thêm giá thành và kích cở của mạch điều khiển

Trong nhiều trường hợp ứng dụng, mạch kích đơn giản sử dụng cấu trúc

có chứa diac , độ lớn góc kích phụ thuộc vào thời gian nạp điện tích cho tụ (xác định bởi hằng số thời gian ) và điện áp tác dụng của dia Mạch sử dụng trực tiếp

sử dụng nguồn điện công suất làm nguồn điện kíc Phạm vi điều khiển góc kích

bị hạn chế

Mạch bảo vệ thyristor: thông thường, mạch RC mắc song song với thyristor (H b)có thể sử dụng để bảo vệ chống quá điện á Mạch có thể kết hợp với cuộn kháng bảo vệ mắc nối tiếp với thyristor chống sự tăng nhanh dòng điện qua linh kiện (div/dt) Các giá trị Rc có thể xác định từ điều kiện giới hạn điện

áp trên linh kiện hoặc để cho đơn giản có thể sử dụng bảng tra cứu cung cấp bới nhà sản xuất

III SO SÁNH KHẢ NĂNG HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC LINH KIỆN:

Khả năng hoạt động của các linh kiện bán dẫn công suất được so sánh theo hai khía cạnh công suất mang tải và tốc độ đóng ngắt

GTO công suất lớn được sản suất với khả năng chịu đựng được dòng/ áp lớn từ 1-6kA/ 2.5-6KV và còn được chế tạo chứa diode ngược với tổn hao thấp Các diode cho nhu cầu thông thường được chế tạo với khả năng chịu được điện áp từ 500v đến 4kv/ 60A – 3,5Ka Đối với nhu cầu đóng ngắt nhanh khả năng dòng đạt đến 800-1700A/2800-6000V

Các SCR cho nhu cầu thông thường được chế tạo với khả năng chịu được điện áp từ 400v đến 12kv/ 1000A – 5Ka Đối với nhu cầu đóng ngắt nhanh khả năng dòng đạt đến 800-1500A/1200-2500V

Các IGBT dạng mudule được chế tạo với khả năng chịu được điện áp từ 1,7v đến 3.3kv/ 400A – 1200A Khả năng chịu đựng điện áp cao lên đến 6Kv

BÀI 02: MẠCH CHỈNH LƯU KHÔNG ĐIỀU KHIỂN

Mục tiêu của bài:

- Giải thích được nguyên lý hoạt động của mạch chỉnh lưu không điều khiển

- Lắp ráp, kiểm tra, sửa chữa được những hư hỏng trong quá trình thực hiện theo đúng yêu cầu kỹ thuật

- Tính toán được các thông số kỹ thuật của mạch chỉnh lưu Nêu được ứng dụng của mạch vào thực tế

- Thực hiện an toàn, tác phong công nghiệp trong qui trình thực hiện

I CHỈNH LƯU MỘT PHA NỬA CHU KỲ TẢI RL

 đồng pha với U2 Trong khoảng từ   2 , U2 âm Diode phân cực nghịch không dẫn  i =

0, U d = 0

* Điện áp ngược trên Diode Umax  2 U2

* Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu

2

21

mất đoạn mang giá trị âm

Trong mộy chu lỳ cuộn L tích luỹ được bao nhiêu năng lượng thí nó hoàn bấy nhiêu năng lượng Nếu trở kháng lớn chúng ta phải sử dụng diode không hay diode chuyển mạch nhằm không cho dòng điện qua tải theo chiều ngược lại khi điện áp trên tải có xu hướng đổi chiều:

Hình 2.3 Khi trở kháng lớn:10H

2 Áp dụng

Hãy dùng nguồn AC 1 pha ( U i = 94v ) kết nối với mạch chỉnh lưu bán kỳ

1 pha không điều khiển để tạo ra nguồn DC cung cấp cho tải R=270 Ω, và thực hiện các yêu cầu sau:

Bảng dưới đây liệt kê toàn bộ các panel được sử dụng trong bài thực hành, đồng thời với thiết bị kiểm tra, dây nối, v.v

Các bài thực hành có thể tiến hành với điện áp chuyển mạch mở rộng hoặc đồng hồ vôn kế được kết nối tới khối điều khiển số ( the digital control unit ) Tuy nhiên, để có thể tiến hành các bài thí nghiệm này một cách tốt nhất thì cần thiết phải nối hệ thống với máy tính PC Và để kết nối với PC thì cần phải sử dụng các phần sau:

Bảng1 : thiết bị đo và thành phần của hệ thống

hiệu

Ổ cắm điện an toàn 19/4 mm, màu trắng 30 SO5126-9X

Ổ cắm điện an toàn 19/4 mm, có khoá 5 SO126-9Z

Dây nối an toàn, 4mm, 25cm, trắng 4 SO5126-8F

Dây nối an toàn, 4mm, 50cm, trắng 4 SO5126-8Q

Dây nối an toàn, 4mm, 100cm, xanh 4 SO5126-9A

Dây nối an toàn, 4mm, 100cm, đỏ 4 SO5126-8U

Phần mềm: Power Electronic 1 SO6006-1A

- Đối với khối điều khiển SO3636-1A

Bước 2: Kết nối sơ đồ mạch

Bước 3: Kiểm tra các kết nối

Bước 4: Mở nguồn 3 pha, dùng VOM đo P,Ud, Ui So sánh với kết quả tính

Chú ý:

Bài thực hành cũng có thể được hoàn tất mà không có PC Chế độ hoạt động phải được đặt ở “Mode 1 PHASE CONTROL” Ở trong chế độ hoạt động này, thì không thể hiển thị được công suất, các giá trị trung bình và các thành phần của hài cơ bản

Chọn vị trí các công tắc chuyển ở trên khối khuếch đại sai lệch (the differential amplifier ) như sau:

Vị trí Tham số được đo Dải

Sơ đồ mạch kết nối hình 2.4

Hinh 2.4 : sơ đồ mạch chỉnh lưu bán kỳ

Ghi lại các dạng sóng của điện áp AC đầu vào, điện áp DC đầu ra và dòng điện với tải điện trở

Hình 2.5: dạng sóng dòng điện và điện áp của chỉnh lưu không điều khiển với

tải điện trở

Tính giá trị trung bình của điện áp DC

Tính giá trị trung bình của điện áp DC và so sánh kết quả với giá trị đo được

Um2 = 0.45.U1 = 0.45 94 = 42.3 (V)

Giá trị trung bình đo được đối với điện áp DC là:Um2 = 42 V

Tính công suất thực được tiêu thụ

Tính công suất thực khi có và không có chỉnh lưu So sánh kết quả với giá trị đo được

Công suất thực được tiêu thụ khi không có quá trình chỉnh lưu là:

P1 = I 2

1 R = (U1) 2 /R = (94) 2 /270 = 32.8 (W) Tuy nhiên chỉ có một nửa chu kì có dòng điện ( chỉnh lưu ) nên công suất chỉ còn lại một nửa: P1 = 16.4 (W) Công suất thực đo được là P1 = 15 (W)

Ghi các dạng sóng của điện áp AC đầu vào, điện áp DC đầu ra và dòng điện với tải R-L

Hình 2.6 Dạng sóng dòng điện và điện áp của chỉnh lưu không điều khiển tải R-L

Xác định khoảng dẫn và so sánh kết quả với các phép đo có được từ phần

trước: Khoảng dẫn được mở rộng tới δ ≈ 2350

Xác định giá trị trung bình của điện áp DC, Um2 và trình bày tại sao

giá trị này là nhỏ hơn Um2 (tải thuần trở) :Um2 = 34 (V)

Tải cảm kháng làm cho dòng điện bị trễ pha và năng lượng điện từ được tích trữ trong cuộn cảm Cuộn cảm trả năng lượng được tích trữ này trở về mạch ( trong bán kì 2) gây ra đoạn điện áp âm, và chính giá trị điện áp âm này làm giảm giá trị trung bình của điện áp DC

II CHỈNH LƯU CẦU MỘT PHA TẢI RL

1 Lý Thuyết

Xét sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha toàn kỳ hình 2.7 sau:

Hình 2.7 sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha toàn kỳ Dạng sóng vào, ra được vẽ như hình 2.8 sau:

Hình 2.8 Dạng sóng vào, ra Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu :

I

2 Áp dụng

Hãy dùng nguồn AC 1 pha ( U i = 94v ) kết nối với mạch chỉnh lưu cầu 1 pha không điều khiển để tạo ra nguồn DC cung cấp cho tải R=270 Ω, và thực hiện các yêu cầu sau:

a Tính P, U d , I d theo công thức

b Dùng VOM để đo U d , U i

c Dùng gói phần mềm PHACON để hiển thị P, U d , U i , I d

Danh mục thiết bị ( bảng 1 trang 22)

Sơ đồ mạch kết nối hình 2.9

Hình 2.9 mạch chỉnh lưu cầu 1 pha không điều khiển

Quy trình thực hiện:

Lắp ráp mạch như hình trên và kết nối toàn bộ các thiết bị với tải điện trở 270Ω, bật biến áp cách ly, đặt khối điều khiển đa năng về RS232 và chuyển bộ biến đổi theo đường PC (sử dụng PHACON, chế độ “Single-phase/multipulse”) Trước khi bắt đầu các phép đo, quá trình phải được định độ lệch chuẩn với PC (offset)

Ghi các dạng sóng điện áp AC đầu vào, điện áp DC đầu ra và dòng điện

Tải ban đầu R = 270Ω sau đó R = 270Ω, L = 1.2 H

Hình 2.10: Dáng sóng dòng điện và điện áp của chỉnh lưu cầu không điều

khiển tải điện trở

Hình 2.11: Dáng sóng dòng điện và điện áp của chỉnh lưu cầu không điều khiển với tải R-L

So sánh các dáng sóng dòng điện DC, dòng điện đầu vào và hài cơ bản

của dòng điện đầu vào: Với tải R-L, dòng điện DC được là phẳng và dòng điện AC được biến đổi thành dạng xung vuông Hài cơ bản của dòng điện đầu vào bị di pha so với dòng lưới với tải cảm

Tính toán giá trị trung bình của điện áp DC

Tính giá trị trung bình của điện áp DC và so sánh kết quả với giá trị đo được Um2 = 0.9.U1 = 0.9.94 = 84.6 (V)

Tính toán công suất thực tiêu thụ (tải điện trở) và so sánh kết quả với giá trị đo được

Công suất thực tiêu thụ khi không chỉnh lưu là:

So sánh kết quả với các giá trị đo được từ bài thí nghiệm trước với chỉnh lưu bán kì trên

BÀI TẬP

Câu 1:Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha dùng điốt cung cấp cho tải R=7, L=∞, dùng đồng hồ đo được điện áp trung bình trên tải 180V.Tính công suất máy biến áp?

Câu 2: So sánh mạch chỉnh lưu 1 pha một nửa chu kỳ dùng điốt với mạch

chỉnh lưu 1 pha hai nửa chu kỳ hình tia dùng điốt cùng cung cấp cho một tải

Câu 3:Vẽ sơ đồ và trình bày nguyên lý làm việc của mạch chỉnh lưu cầu

một pha không điều khiển Vẽ hình dạng sóng đầu ra trong trường hợp tải thuần trở nối tiếp nguồn E = 10V, biên độ áp vào 200V

III CHỈNH LƯU BA PHA HÌNH TIA TẢI RL

1 Lý Thuyết

Xét sơ đồ chỉnh lưu ba pha hình tia hình 2.12 sau:

Hình 2.12 sơ đồ chỉnh lưu ba pha hình tia Điện áp 3 pha lệch nhau 120o 2

nguồn qua diode

Dòng điện trung bình trên tải :

Dòng điện qua diode:

3

d D

I

I 

Dòng điện hiệu dụng qua thứ cấp biến áp : 0, 56

a Tính Ud, Id theo công thức

b Dùng VOM để đo Ud, Ui

c Dùng gói phần mềm PHACON để hiển thị Ud, Ui, Id

Qui trình thực hiện

stt Nội dung

công việc

Phương pháp thao tác

Yêu cầu kỹ thuật

Xác định đúng yêu cầu của bài thực hành, chọn đúng và

3 Bước 3: Kiểm tra

các kết nối

• Kiểm tra lại các vị trí và các rắc cắm đã được kết

Các vị trí kết nối đã tiếp xúc tốt với nhau

4 Bước 4: Mở nguồn 3

pha, dùng VOM đo

• Mở công tắc của máy biến

áp 3 pha

• Bậc công tắc nguồn DC

• Đèn trên tải sáng

• Đo Ud =? v

• Máy tính không báo lỗi kết nối

RS 232

• Vị trí A: 400V

• Vị trí B: 400V

• Vị trí C: 400V

• Vị trí D: 2.5V

• Máy tính hiển thị đúng tín hiệu trên tải và các thông số của mạch gần đúng với kết quả tính toán

BÀI TẬP

Câu 1: Mạch chỉnh lưu ba pha hình tia mắc anốt chung dùng điốt cung cấp

cho tải R=10 tải tiêu thụ công suất 0,25KW

Tính chọn điốt?

Câu 2:

Vẽ sơ đồ và nêu nguyên lý hoạt động và dạng điện áp ra sau mạch chỉnh lưu hình tia 3 pha

Câu 3:Vẽ sơ đồ và trình bày nguyên lý làm việc của mạch chỉnh lưu tia ba

pha không điều khiển Vẽ hình dạng sóng đầu ra trong trường hợp tải thuần trở nối tiếp nguồn E = 10V, biên độ áp vào 200V

IV CHỈNH LƯU BA PHA HÌNH CẦU TẢI RL

1 Lý Thuyết

Xét sơ đồ chỉnh lưu ba pha hình cầu hình 2.14 sau:

Hình 2.14 Xét sơ đồ chỉnh lưu ba pha hình cầu Dạng sóng vào ra được vẽ như hình 2.15 sau:

Hình 2.15 Dạng sóng vào ra Điện áp các pha

2

2

sin

2 sin

Diode được chia thành hai nhóm : nhóm anod và nhóm catod Xét sự làm việc của một sơ đồ tại một khoảng thời gian

u I

I

2 Áp dụng

Hãy lắp ráp mạch chỉnh lưu cầu 3 pha và kết nối toàn bộ thiết bị với tải R=270 Ω, Ui = 47v và thực hiện các yêu cầu sau:

a Tính P, Ud, Id theo công thức

b Dùng VOM để đo P, Ud, Ui

c Dùng gói phần mềm PHACON để hiển thị P, Ud, Ui, Id

Thiết bị, vật tư: bảng 1 trang 22

Sơ đồ mạch kết nối hình 2.16

Hình 2.16 mạch chỉnh lưu cầu 3 pha

Qui trình thực hiện: Lắp ráp mạch như hình trên và kết nối toàn bộ các

thiết bị với tải điện trở 270Ω, bật biến áp cách ly, đặt khối điều khiển đa năng

về RS232 và chuyển bộ biến đổi theo đường PC (sử dụng PHACON, chế độ

“3-phase/multipulse”) Trước khi bắt đầu các phép đo, quá trình phải được định độ lệch chuẩn với PC (offset)

Mô tả quá trình chỉnh lưu

Ghi các dạng sóng của điện áp đầu vào, dòng điện đầu vào, điện áp DC đầu ra, dòng điện DC đầu ra, giá trị trung bình của điện áp DC, hài cơ bản của dòng điện đầu vào:

Ghi các dáng điệu sóng với tải: R = 270Ω, và R = 270Ω, L = 1.2H

Hình 2.17: dạng sóng dòng điện và điện áp của chỉnh lưu cầu ba pha khôngu khiển với tải R=270Ω

Hình 2.18: dạng sóng dòng điện và điện áp chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển với tải R=270Ω, L=1.2H

So sánh quá độ điện áp DC với mạch chỉnh lưu cầu không điều khiển:

Điện áp DC có biên độ dao động nhỏ hơn

Xác định khoảng dẫn của thyristor đối với tải R và R-L:

Trong cả hai trường hợp, khoảng dẫn là 120 o và đối xứng

So sánh các dáng điệu sóng của dòng điện AC và dòng điện DC với tải L:

R-Với tải R-L, dòng điện đầu vào được biến thành dạng sóng chữ nhật Các đoạn cong của dòng điện có độ rộng 120o và lệch nhau 120o, tạo ra mức DC không đổi

Các kết luận có thể được đưa ra từ dáng điệu sóng của dòng điện đầu vào đối với hài cơ bản và toàn bộ dòng điện đầu vào?

Không có công suất phản kháng điều khiển pha Dáng điệu xung chữ nhật của dòng điện là kết quả của quá trình biến đổi công suất phản kháng

Tính giá trị trung bình của điện áp DC So sánh giá trị tính được với giá trị

b Vẽ dạng sóng điện áp của ba pha và điện áp trên tải

Câu 2: hãy chọn câu trả lời đúng

1 Mạch chỉnh lưu cầu 3 pha có chức năng chuyển đổi từ:

a 1 phase b 3 phase c multiphase

5 Khi dùng phần mềm PHACON để mô phỏng thì phải bật kênh A ( khuếch đại độ sai lệch) ở vị trí:

a 400: 2.5 b 150: 2.5 c 2.5: 2.5

BÀI 03: MẠCH CHỈNH LƯU CÓ ĐIỀU KHIỂN

Mục tiêu của bài:

Giải thích được nguyên lý hoạt động của mạch

Lắp ráp, kiểm tra, sửa chữa được những hư hỏng trong quá trình thực hiện theo đúng yêu cầu kỹ thuật

Tính toán được các thông số kỹ thuật của mạch chỉnh lưu Nêu được ứng dụng của mạch vào thực tế

Thực hiện an toàn, tác phong công nghiệp trong qui trình thực hiện

I CHỈNH LƯU MỘT PHA NỬA CHU KỲ TẢI RL

1 Lý Thuyết

Xét sơ đồ chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ trong trường hợp tải trở hình 2.19 sau:

Hình 2.19 sơ đồ chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ

Với Vac=U2 U2msint 2U2sin

Giá trị trung bình của điện áp trên tải

2

2 0

1

2 sin2

Hình 2.20 Dạng sóng vào ra khi tải R

Hình 2.21 Dạng sóng vào ra khi tải R, L

Khi trở kháng lớn thì sẽ xảy ra hiện tượng hòan trả năng lượng điều này không tốt cho tải công suất lớn nên phải sử dụng diode không Vậy khi thay đổi góc kích  thì giá trị điện áp trên tải sẽ bị thay đổi

2 Áp dụng

Hãy lắp ráp mạch chỉnh lưu bán kỳ 1 pha và kết nối toàn bộ thiết bị với tải R=270 Ω, Ui = 94v và thực hiện các yêu cầu sau tại góc kích =90 độ:

a Tính P, Ud, Id theo công thức

b Dùng VOM để đo P, Ud, Ui

c Dùng gói phần mềm PHACON để hiển thị P, Ud, Ui, Id

Thiết bị, vật tư: bảng 1 trang 22

Sơ đồ mạch kết nối: hình 2.22

Hình 2.22 mạch chỉnh lưu bán kỳ 1 pha