›
›

Giáo trình Thí nghiệm điện tử công suất - Đoàn Hòa Minh

pdf 75 trang phuongnguyen 200
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Thí nghiệm điện tử công suất - Đoàn Hòa Minh", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfgiao_trinh_thi_nghiem_dien_tu_cong_suat_doan_hoa_minh.pdf

Nội dung text: Giáo trình Thí nghiệm điện tử công suất - Đoàn Hòa Minh

  1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CƠNG NGHỆ THƠNG TIN & TRUYỀN THƠNG BỘ MƠN HỆ THỐNG MÁY TÍNH & TRUYỀN THƠNG GIÁO TRÌNH THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT BIÊN SOẠN: ĐỒN HỊA MINH 1 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  2. THƠNG TIN VỀ TÁC GIẢ PHẠM VI VÀ ĐỐI TƯỢNG SỬ DỤNG CỦA GIÁO TRÌNH 1. THƠNG TIN VỀ TÁC GIẢ Họ và tên: ĐỒN HỊA MINH Sinh năm: 1956 Cơ quan cơng tác: Bộ mơn: Hệ thống máy tính và truyền thơng (HTMT&TT) (Đã giảng dạy trên 15 năm ở bộ mơn Viễn thơng & Tự động hĩa, chuyển sang bộ mơn HTMT&TT từ 2008) Khoa: Cơng nghệ thơng tin và truyền thơng. Trường: Đại học Cần Thơ Địa chỉ email để liên hệ: dhminh@cit.ctu.edu.vn 2. PHẠM VI VÀ ĐỐI TƯỢNG SỬ DỤNG CỦA GIÁO TRÌNH ƒ Giáo trình cĩ dùng để tham khảo ở những ngành: Kỹ thuật Điện, Điện tử, Tự động hĩa của các trường đại học kỹ thuật. ƒ Từ khĩa: Linh kiện cơng suất, chỉnh lưu, ổn áp một chiều, điều khiển cơng suất, biến tần gián tiếp, biến tần trực tiếp, lập trình mơ phỏng, MATLAB, PSIM, mạch tạo xung kích. ƒ Yêu cầu kiến thức trước khi học về mơn này: đã học lý thuyết về Điện tử cơng suất. ƒ Chưa xuất bản 2 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  3. CHÚ Ý AN TỒN ĐIỆN Tất cả các mạch thí nghiệm đều sử dụng trực tiếp nguồn điện xoay chiều 220V. Do đĩ khi thực tập sinh viên phải luơn cảnh giác giữ an tồn về người lẫn thiết bị thí nghiệm. Để bảo đảm an tồn sinh viên phải tuyệt đối chấp hành các qui định sau đây: 1. Khơng được chạm vào mạch điện khi đã mở nguồn cấp điện. 2. Khi mắc điện xong, phải báo cáo cho cán bộ hướng dẫn kiểm tra, cĩ sự đồng ý của cán bộ hướng dẫn mới được mở nguồn cấp điện. 3. Khi đo điện áp, dịng điện hoặc xem dạng sĩng cần phải: − Sử dụng đúng giai đo. − Đặt que đo đúng chỗ, đúng cực. − Khi xem dạng sĩng ở những điểm cĩ điện thế cao phải dùng bộ điện cực (probe) cĩ giảm áp. 4. Sắp xếp thiết bị và dây dẫn điện ngăn nắp, gọn gàng, thao tác chính xác, tập trung làm bài, khơng đùa giỡn. 5. Khơng được di dời các thiết bị thí nghiệm từ bài này sang bài khác. 6. Khi thực tập xong phải tắt điện, sắp xếp gọn gàng các thiết bị trước khi ra về. Sinh viên sẽ chịu trách nhiệm về các sự cố và bồi thường thiết bị hư hỏng nếu khơng chấp hành đúng các qui định trên. 3 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  4. MỤC LỤC THƠNG TIN VỀ TÁC GIẢ 2 1. THƠNG TIN VỀ TÁC GIẢ 2 2. PHẠM VI VÀ ĐỐI TƯỢNG SỬ DỤNG CỦA GIÁO TRÌNH 2 CHÚ Ý AN TỒN ĐIỆN 3 MỤC LỤC 4 LỜI NĨI ĐẦUU 7 BÀI 1: KHẢO SÁT LINH KIỆN CƠNG SUẤT CƠ BẢN 8 1.1. MỤC ĐÍCH 8 1.2. KIẾN THỨC NỀN 8 1.2.1. BJT cơng suất: 8 a) Tải đặt ở chân E 8 b) Đặt tải ở chân C 9 c) Điều khiển gián tiếp 9 1.2.2. MOSFET cơng suất: 10 1.2.3. SCR 10 a. Ký hiệu 10 b. Khi phân cực thuận: 11 c. Khi phân cực nghịch: 11 d. Tĩm lại: 11 1.2.4. TRIAC 11 1.3. THỰC HÀNH: 12 1.3.1. BJT: 12 1.3.2. MOSFET 12 1.3.3. SCR 13 A. Mắc mạch như hình sau: (Hình 1.20): 13 B. Mắc mạch như hình sau (Hình 1.21): 13 1.3.4. TRIAC 14 A. Mắc mạch như hình sau (Hình 1.22): 14 B. Mắc mạch như hình sau (Hình 1.23): 14 1.4. THIẾT BỊ: 15 1.5. TÀI LIỆU THAM KHẢO: 15 BÀI 2: MƠ PHỎNG LINH KIỆN CƠNG SUẤT CƠ BẢN 16 2.1. MỤC ĐÍCH 16 2.2. NỘI DUNG 16 2.2.1. DIODE: 16 4 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  5. 2.2.1.1. Mơ hình tốn học [6]: 16 2.2.1.2. Thực hành: 17 2.2.2. TRANSISTOR 17 2.2.2.1. Mơ hình tốn học [6]: 18 Trong mơ hình Ebers-Moll cơ bản (hình 3.c), các dịng điện IC, IB, IE được xác định bởi các biểu thức sau: 18 2.2.2.2. Thực hành: [1], [3], [7], [8], [9], [10], [11] 19 2.2.3. MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 20 2.2.3.1. E-MOSFET transistor [2], [12] 20 2.2.4. THYRISTOR (SCR) [2], [10] 21 2.2.4.1.Các thơng số kỹ thuật cơ bản của SCR là: 22 2.2.4.2. Thực hành [1], [3], [6], [7], [8], [9], [10], [11] 22 2.2.5. TRIAC [2], [12] 22 2.2.5.1. Các thơng số kỹ thuật cơ bản của TRIAC là: 23 2.2.5.2. Thực hành: 23 2.3. TÀI LIỆU THAM KHẢO: 23 BÀI 3: CHỈNH LƯU MỘT PHA CĨ ĐIỀU KHIỂN 24 3.1. MỤC ĐÍCH 24 3.2. CÁC KIẾN THỨC LIÊN QUAN 24 3.2.1. Sinh viên ơn lại: 24 3.2.2. Sinh viên tìm hiểu và giải thích nguyên tắc hoạt động của mạch tạo xung kích: 24 3.3. THỰC HÀNH: 24 3.3.1. Khảo sát Board mạch tạo xung kích: 24 3.3.2. Khảo sát nguyên tắc điều khiển gĩc mở: 26 3.3.3. Khảo sát chỉnh lưu cầu dùng 4 diode cơng suất: 27 3.3.4. Khảo sát chỉnh lưu cầu, bán điều khiển 27 3.3.5. Chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển hồn tồn 28 a. Mắc tải R ( bĩng đèn): 28 b. Mắc tải R-L (gồm đèn và cuộn cảm nối tiếp): 28 3.4. THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 28 3.5. TÀI LIỆU THAM KHẢO: 29 BÀI 4: LẬP TRÌNH MƠ PHỎNG MẠCH CHỈNH LƯU BẰNG MATLAB 30 4.1. MỤC ĐÍCH 30 4.2. KIẾN THỨC NỀN 30 4.3. THỰC HÀNH 30 4.3.1. Chỉnh lưu 3 pha mạch tia khơng điều khiển 30 a. Chương trình mẫu 1: 31 5 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  6. b. Câu hỏi: 33 4.3.2. CHỈNH LƯU 3 PHA MẠCH TIA CĨ ĐIỀU KHIỂN 34 a. Chương trình mẫu 2: 34 b. Câu hỏi: 36 4.4. TÀI LIỆU THAM KHẢO 38 BÀI 5: MƠ PHỎNG MẠCH CHỈNH LƯU MỘT PHA CĨ ĐIỀU KHIỂN BẰNG PSIM 39 5.1. MỤC ĐÍCH: 39 5.2. KIẾN THỨC NỀN: 39 5.3. THỰC HÀNH: 41 5.3.1. Mạch chỉnh lưu điều khiển một pha nửa chu kỳ: 41 5.3.2. Mạch chỉnh lưu điều khiển một pha hai nửa chu kỳ: 42 5.4. TÀI LIỆU THAM KHẢO: 43 BÀI 6: ỔN ÁP MỘT CHIỀU 44 6.1. MỤC ĐÍCH 44 6.2. SƠ LƯỢC VỀ LÝ THUYẾT 44T 6.2.1. Ổn áp tuyến tính 44 6.2.2. Ổn áp ngắt mở 45 6.3. PHẦN THỰC HÀNH 47 6.3.1. Ổn áp tuyến tính 47 6.3.2. Ổn áp ngắt mở: 49 6.3.2.1. Vi mạch KA3842 cĩ sơ đồ chân: 50 6.3.2.2. Sinh viên khảo sát mạch và thực hiện các cơng việc sau: 50 6.4. THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM: 51 6.5. TÀI LIỆU THAM KHẢO: 51 BÀI 7: ĐIỀU KHIỂN CƠNG SUẤT AC 52 7.1. MỤC ĐÍCH: 52 7.2. SƠ LƯỢC LÝ THUYẾT: 52 7.3. CÂU HỎI VÀ THỰC HÀNH 53 A. Câu hỏi lý thuyết : 53 B. Câu hỏi thực hành : 54 7.4. THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM: 56 7.5. TÀI LIỆU THAM KHẢO: 56 BÀI 8: BIẾN TẦN GIÁN TIẾP 57 8.1. MỤC ĐÍCH 57 8.2. SƠ LƯỢC VỀ LÝ THUYẾT BIẾN TẦN 57 8.2.1. Phân loại 57 8.2.2. Cấu tạo: 57 6 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  7. a. Bộ chỉnh lưu và mạch trung gian một chiều: 58 b. Bộ nghịch lưu áp 58 8.2.3. Phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp : 60 a. Phương pháp điều chế độ rộng sin (sin PWM) 60 b. Phương pháp điều chế độ rộng xung vuơng (Square PWM) 60 c. Phương pháp điều chế độ rộng xung tối ưu (Optimum PWM) 61 8.2.4. Giới thiệu về biên tần SIEMENS G110 61 a. Giới thiệu chung 61 b. Sơ lược cấu tạo 62 c. Sử dụng 63 8.3. CÂU HỎI VÀ THỰC HÀNH 65 A. Câu hỏi lý thuyết 65 B. Phần thực hành trên bộ biến tần dùng BJT cơng suất và mạch tạo xung kích dùng vi điều khiển 89C51. 65 C. Phần thực hành trên bộ biến tần Siemens G110 66 1. Điều khiển G110 từ các DIN 66 2. Điều khiển G110 từ BOP 66 8.4. THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 67 8.5. TÀI LIỆU THAM KHẢO: 68 BÀI 9: BIẾN TẦN TRỰC TIẾP 69 9.1. MỤC ĐÍCH 69 9.2. SƠ LƯỢC LÝ THUYẾTT 69 9.2.1. Mạch cơng suất: 69 9.2.2. Mạch điều khiển (mạch tạo xung kích): 69 9.3. CÂU HỎI VÀ THỰC HÀNH 71 A. Câu hỏi lý thuyết: 72 B. Câu hỏi thực hành 73 1. Khảo sát mạch tạo xung kích: 73 2. Khảo sát mạch cơng suất: 73 9.4. THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM: 74 9.5. TÀI LIỆU THAM KHẢO: 74 7 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  8. LỜI NĨI ĐẦU Năm 2001, Bộ mơn Viễn thơng và điều khiển tự động, Khoa Cơng nghệ thơng tin & truyền thơng, Trường Đại học Cần Thơ, đã thực hiện thiết kế lại các bài thí nghiệm Điện tử cơng suất. Các bài thí nghiệm này đã được thiết kế bao gồm thiết bị thí nghiệm và giáo trình, phục vụ cho các chuyên ngành Điện tử, Viễn thơng, Tự động hĩa, Kỹ thuật điện, Giáo trình thí nghiệm Điện tử cơng suất được thực hiện lần này là sự bổ sung và cải tiến giáo trình thí nghiệm Điện tử cơng suất năm 2001. Giáo trình được biên soạn gồm 9 bài thực tập cho học phần 2 tín chỉ, thời lượng là 60 tiết thực tập, mỗi bài được thực hành với thời gian 6 tiết, 6 tiết cịn lại dành cho kiểm tra học phần. Tuy nhiên, ta cũng cĩ thể chọn ra 5 bài cho học phần 1 tín chỉ. Tơi xin chân thành cám ơn quí thầy cơ trong Bộ mơn Viễn thơng & Kỹ thuật điều khiển, Khoa Cơng nghệ thơng tin & Truyền thơng, hiện nay là Bộ mơn Viễn thơng và Bộ mơn Tự động hĩa, khoa Cơng nghệ, đã tham gia thực hiện các bài thí nghiệm năm 2001. Cảm ơn ThS. Phạm văn Tấn, ThS. Nguyễn Hồng Dũng, TS. Trần Thanh Hùng và quí thầy, cơ khác đã cĩ nhiều đĩng gĩp để hồn thành giáo trình này. Cần Thơ, ngày 18 tháng 2 năm 2009 ĐỒN HỊA MINH 8 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  9. Bài 1: Khảo sát linh kiện cơng suất cơ bản BÀI 1: KHẢO SÁT LINH KIỆN CƠNG SUẤT CƠ BẢN Tham gia thực hiện: KS. Trương Văn Tám 1.1. MỤC ĐÍCH Khảo sát các linh kiện cơng suất: BJT, MOSFET, SCR và Triac. Trong lĩnh vực điện tử cơng suất, các linh kiện này được dùng như các chuyển mạch (switch). Vì vậy, ta chỉ khảo sát chúng trong hai chế độ đĩng (dẫn) và ngắt (ngưng dẫn), riêng với SCR và Triac ta sẽ khảo sát thêm các đặc tính cơ bản như điện thế phân cực, dịng kích, gĩc mỡ (điều khiển pha) Qua bài thực hành này, sinh viên sẽ hiểu rõ hơn nguyên lý hoạt động của các linh kiện cơng suất, từ đĩ, cĩ thể ứng dụng chúng trong thực tế. 1.2. KIẾN THỨC NỀN Để làm tốt bài thí nghiệm này, sinh viên phải tự ơn tập kiến thức nền trong các giáo trình lý thuyết đã học. Đây là các linh kiện quen thuộc, nên trong các phần sau đây chỉ nhắc lại một số vấn đề cơ bản. 1.2.1. BJT cơng suất: Về cấu tạo, nguyên lý họat động cơ bản vẫn giống như BJT cơng suất nhỏ. Sau đây là các đặc tính riêng của BJT cơng suất mà ta cần lưu ý: I ƒ Hệ số khuếch đại dịng điện β = C của BJT cơng suất thường khá nhỏ (khoảng I B vài chục). ƒ Khi dùng BJT như một chuyển mạch, các điểm cần quan tâm là: thời gian chuyển mạch (thời gian chuyển từ trạng thái dẫn bão hịa sang trạng thái ngưng dẫn và ngược lại) càng ngắn càng tốt; ở trạng thái đĩng, mạch kích phải tạo dịng IB B đủ lớn (trong thực tế IB lớn từ 2 đến 5 lần IBSAT) để bảo đảm BJT dẫn điện tốt. Tất nhiên, ta phải thiết kế sao cho BJT hoạt động khơng vượt quá các định mức. ƒ BJT là lọai linh kiện cơng suất cĩ thể kích ngắt. Ví dụ: a) Tải đặt ở chân E (Hình 1.1) VCE - Khi SW ở vị trí 1 (nối mass), BJT ngưng dẫn (ngắt): R CE = → ∞ IC BJT như một SW ở vị trí hở (OFF, ) và Vo= 0, IL = 0. VCE - Khi SW ở vị trí 2, BJT chuyển sang trạng thái dẫn : R CE = IC Khi BJT dẫn bảo hịa (VCE ≈ 0, thực tế từ 0.1V → 0.2V) thì RCE ≈ 0 (BJT như một SW đĩng mạch - ON), V0 ≈ Vi Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 8 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  10. Bài 1: Khảo sát linh kiện cơng suất cơ bản IC # IL IL Vi Vo RL RB • SW • 2 • 1 B+ Hình 1.1 - Việc điều khiển như trên cĩ bất lợi là B+ phải lớn hơn VCC nếu khơng thì BJT khơng bão hịa tuyệt đối (phải phân cực thuận cả nối BC và BE). Để cải thiện ta cĩ thể: b) Đặt tải ở chân C (Hình 1.2) - c) Điều khiển gián tiếp (Hình 1.3): Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 9 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  11. Bài 1: Khảo sát linh kiện cơng suất cơ bản * R3 nối B+ ⇒ Q3, Q2, Q1 dẫn bảo hịa, SW ở trạng thái ON * R3 nối mass ⇒ Q3, Q2, Q1 ngưng, SW ở trạng thái OFF Trong hai trường hợp trên B+ chỉ cần khoảng vài volt 1.2.2. MOSFET cơng suất: ƒ Bài thí nghiệm này khảo sát MOSFET loại tăng (E-MOSFET) chế tạo dưới dạng V-MOSFET (Vertical MOSFET) hay D-MOSFET (Double-diffused MOSFET) ƒ MOSFET kênh N dẫn khi VGS > VGS(th) > 0 và VDS > 0. ƒ MOSFET kênh P dẫn khi VGS 0 nên tải thường phải mắc ở cực D khi sử dụng MOSFET như một chuyển mạch (Hình 1.4). ƒ MOSFET cĩ ưu diểm là khi bão hịa là VDS xuống rất thấp nên cơng suất tiêu tán bên trong (dưới dạng nhiệt) nhỏ hơn nhiều so với BJT ƒ Chú ý: BJT được điều khiển bằng dịng điện IB, cịn FET thì được điều khiển bằng điện áp VGS và điện áp này tùy thuộc FET nên phải thật cẩn thận tránh để ID vượt quá IDMAX mà FET cĩ thể chịu được. 1.2.3. SCR a. Ký hiệu (Hình 1.5) Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 10 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  12. Bài 1: Khảo sát linh kiện cơng suất cơ bản b. Khi phân cực thuận: VA >VK (Hình 1.6) - SCR khơng dẫn điện khi VAK cịn nhỏ, khi tăng VAK (bằng cách tăng VAA) đến trị số VBO (điện thế quay về) thì SCR chuyển sang trạng thái dẫn, lúc này VAK giảm xuống cịn khoảng 0.7V và hoạt động như Diode chỉnh lưu. Điện áp VBO thường khá lớn (từ vài chục volt đến vài trăm volt tùy SCR). - Thực tế người ta thường tạo dịng kích IG để SCR cĩ thể dẫn điện ngay mà khơng chờ điện thế cao. Dịng kích IG tối thiểu và tối đa tùy thuộc vào mỗi SCR nhưng nĩi chung các dịng này càng lớn (từ vài mA đến vài chục mA) khi SCR cĩ cơng suất càng lớn. - Khi SCR đã dẫn, nếu ta bỏ dịng kích thì SCR vẫn tiếp tục dẫn điện (khơng thể tắt SCR bằng cực cổng). c. Khi phân cực nghịch: VA VT1, Triac dẫn điện từ T2 sang T1 khi kích bằng dịng cổng IG dương (VGT1>0)  Khi VT1 >VT2, Triac dẫn điện từ T1 sang T2 khi kích bằng dịng cổng âm.  Khi Triac ⏐VT2T1⏐# 0,7V Như vậy Triac dùng trong điện xoay chiều thuận lợi hơn SCR. Cũng như SCR, dịng cổng tối thiểu và tối đa cũng tuỳ thuộc vào mỗi Triac. Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 11 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  13. Bài 1: Khảo sát linh kiện cơng suất cơ bản 1.3. THỰC HÀNH: 1.3.1. BJT: Ta khảo sát một cơng tắc điện tử dùng BJT. Mạch thực hành như hình sau (Hình 1.8): a) Bật SW về vị trí mass. Đo điện thế của các chân Q1, Q2, Q3. Giải thích kết quả. b) Bật SW về vị trí +5V. Lập lại câu 1. V0 c) Bật SW về vị trí +5V. Đo V0 suy ra IC ( IC# ) của Q1 R L d) Bật SW về vị trí +5V. Đo VCE suy ra RCE của Q1 1.3.2. MOSFET: Mạch thực tập cĩ dạng (Hình 1.19): Tải vi Vi 470Ω/5W 47K V D RG VR 10K 47Ω 47K 0.33Ω Hình 1.19 a) Đo VD chỉnh VR xác định điện thế thềm VGS(th) b) Đo VD chỉnh VR đến khi MOSFET bảo hịa. Xác định thị số tối thiểu của VGS làm FET bảo hịa. Suy ra IDSAT . So sánh VDS(SAT) với VCESAT của BJT. Nhận xét. Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 12 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  14. Bài 1: Khảo sát linh kiện cơng suất cơ bản 1.3.3. SCR A. Mắc mạch như hình sau: (Hình 1.20): a) Lần lượt bật SW về vị trí 1, 2, 3 quan sát led (được mắc song song với tải, khi SCR dẫn led cháy sáng). Giải thích kết quả. b) Đặt SW về vị trí 2 quan sát tải, xong bật về vị trí 1. Nhận xét giải thích. c) Đổi cực của nguồn Vi, lập lại câu a, giải thích kết quả. B. Mắc mạch như hình sau (Hình 1.21): a) Chỉnh VR quan sát tải. Giải thích. b) Chỉnh VR , dùng dao dộng nghiệm quan sát điện áp hai đầu tải, vẽ lại dạng sĩng ở một vị trí nào đĩ của VR khi SCR dẫn. Giải thích. c) Tại sao bán kỳ âm SCR khơng dẫn. d) Chức năng của diode D1. e) Làm cách nào để tăng cơng suất của SCR trong mạch điện xoay chiều? Hình 1.21 Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 13 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  15. Bài 1: Khảo sát linh kiện cơng suất cơ bản 1.3.4. TRIAC A. Mắc mạch như hình sau (Hình 1.22): a. Lần lượt bật SW về vị trí 1, 2, 3 quan sát led và giải thích kết quả. b. Đặt SW về vị trí 2 quan sát tải, xong bật về vị trí 1. Nhận xét giải thích. c. Đổi cực của nguồn VI, lập lại câu a và b, giải thích kết quả. B. Mắc mạch như hình sau (Hình 1.23): 2,2K Tải 50K ∼ VR 47Ω Hình 1.23 a. Giải thích nguyên tắc hoạt động của mạch (nêu rõ chức năng các linh kiện trong mạch điều khiển pha). b. Chỉnh VR, quan sát tải, vẽ lại dạng sĩng hai đầu tải. c. Thử nêu vài ứng dụng của mạch này. Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 14 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  16. Bài 1: Khảo sát linh kiện cơng suất cơ bản 1.4. THIẾT BỊ: 1. 01 Mạch thí nghiệm (board lớn). 2. 01 oscilloscope 3. 01 VOM 1.5. TÀI LIỆU THAM KHẢO: [1]. Các bài giảng và giáo trình ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT – Bộ Mơn Viễn Thơng & Kỹ thuật Điều khiển - Khoa cơng Nghệ Thơng Tin & Truyền thơng – ĐHCT. [2]. TRƯƠNG VĂN TÁM - LINH KIỆN ĐIỆN TỬ – Giáo trình – Bộ Mơn Viễn Thơng & Tự Động Hĩa - Khoa cơng Nghệ Thơng Tin & Truyền thơng – ĐHCT – 2001. [3]. TRƯƠNG VĂN TÁM - MẠCH ĐIỆN TỬ – Giáo trình – Bộ Mơn Viễn Thơng & Tự Động Hĩa - Khoa cơng Nghệ Thơng Tin & Truyền thơng – ĐHCT – 2001. Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 15 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  17. Bài 2: Mơ phỏng linh kiện cơng suất cơ bản BÀI 2: MƠ PHỎNG LINH KIỆN CƠNG SUẤT CƠ BẢN 2.1. MỤC ĐÍCH Đặc tính hoạt động của linh kiện được mơ tả một cách rõ ràng nhất thơng qua đặc tuyến của nĩ. Đặc tuyến của các linh kiện điện tử chỉ phụ thuộc vào loại linh kiện mà khơng phụ thuộc vào cơng suất của nĩ và chúng ta cũng đã biết trong các mơn lý thuyết linh kiện điện tử và điện tử cơng suất. Đặc tuyến của một linh kiện cĩ thể xây dựng từ thực nghiệm hoặc vẽ ra từ mơ hình tốn học của nĩ. Tuy rằng linh kiện cơng suất hoạt động chủ yếu ở hai chế độ ngắt (ngưng dẫn) và đĩng (dẫn bão hịa), nhưng việc vẽ đặc tuyến của linh kiện giúp cho sinh viên nắm được đặc tính hoạt động của linh kiện, từ đĩ sử dụng chúng tốt hơn trong các mạch cơng suất. Vì vậy, nội dung chủ yếu của bài này là vẽ đặc tuyến của các linh kiện điện tử cơ bản từ các mơ hình tốn học của nĩ, với sự trợ giúp của máy tính. Bài thực tập này cịn giúp cho sinh viên nắm được các nguyên tắc cơ bản của việc mơ phỏng linh kiện hay mạch điện tử bằng máy vi tính. 2.2. NỘI DUNG 2.2.1. DIODE: Đặc tuyến biểu diễn sự phụ thuộc của dịng điện I [A] qua diode vào điện áp V[V] giữa anode A và cathode K của diode. Qui ước: chiều dương của I là chiều từ anode đến cathode, tương ứng với chiều dương của điện áp hướng về anode. Hình 2.1 mơ tả cấu tạo (a) và ký hiệu của diode (b) . A A I + P V Phân cực thuận: U > 0, I > 0 N Phân cực nghịch: U < 0, I < 0 K K (a) (b) Hình 2.1 2.2.1.1. Mơ hình tốn học [6]: ⎡ ⎛ V ⎞ ⎤ kT ⎜ ⎟ II= S ⎢exp⎜ ⎟ − 1⎥ với Vt = được gọi là nhiệt điện thế. ⎣⎢ ⎝Vt ⎠ ⎦⎥ e -19 Trong đĩ: IS là dịng điện rỉ; T là nhiệt độ tuyệt đối; e = 1,59.10 Coulomb; và k = 1.38.10-23 (hằng số Boltzmann). IS = 1,2mA đối với diode Germanium. IS = 0,2nA đối với diode Silicon. 0 Ở nhiệt độ bình thường T = 300 K, Vt = 0,026 Volt Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 16 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  18. Bài 2: Mơ phỏng linh kiện cơng suất cơ bản Khi phân cực thuận, dịng điện qua diode tăng nhanh, vì thế phải hạn chế dịng điện qua diode để nĩ khơng bị đánh thủng. Khi diode dẫn diện, điện áp phân cực thuận V=0,3 Volts đối với diode Ge và V=0,7 Volts đối với diode Si. Do đĩ, V/Vt > 10 và exp(V/Vt) >>1. ⎛ V ⎞ ⎜ ⎟ Suy ra: I≈ IS exp⎜ ⎟ ⎝ Vt ⎠ Cơng thức trên chỉ đúng khi dịng điện qua mối nối khá lớn. Với dịng điện nhỏ (vài mA trở xuống) dịng điện qua diode là: I ≈ Is[exp(V/ηVt)-1] Trong đĩ: η=1 đối với diode Ge, η=2 đối với diode Si Trong thí nghiệm, mạch phân cực để vẽ đặc tuyến của diode như sau: 2.2.1.2. Thực hành: 1) Dự vào mơ hình tốn học, hãy viết chương trình vẽ đặc tuyến I-V của diode bằng ngơn ngữ MATLAB (hoặc ngơn ngữ tuỳ ý) với V biến thiên từ -10V đến 0.7V cho diode Si ở nhiệt độ bình thường. Chạy thử chương trình và so sánh kết quả mơ phỏng được với đặc tuyến lý thuyết đã học. Dựa vào đặc tuyến vẽ được, hãy ghi lại các đại lượng: IS khi phân cực ngược và V khi phân cực thuận. [1], [6] 2) Dùng phần mềm Multisim V6.20 hoặc 5.12 (Electronics WorkBench) để vẽ đặc tuyến của diode và so sánh với kết quả ở câu 1. [3], [7], [8], [9] Cho nhận xét. 2.2.2. TRANSISTOR Cấu tạo, ký hiệu và mạch tương đương Ebers-Moll của transistor NPN lần lượt được trình bày trong hình 2.2 (a), (b), (c). • C IC C V I BC R N ICC C (ICS) B IB P B B • • (IES) N E VBE IEC IF E IE • (a) (b) (c) E Hình 2.2 Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 17 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  19. Bài 2: Mơ phỏng linh kiện cơng suất cơ bản 2.2.2.1. Mơ hình tốn học [6]: Trong mơ hình Ebers-Moll cơ bản (hình 3.c), các dịng điện IC, IB, IE được xác định bởi các biểu thức sau: Ic = αFIES[exp (VBE/Vt)-1]-ICS[exp(VBC/Vt)-1] IE = -IES[exp(VBE/Vt)-1]+IS[exp (VBCV/vt)-1] IB = -(IC+IE) Trong đĩ: IES: dịng điện bảo hịa ngược của diode B-E ICS: dịng điện bảo hịa ngược của diode B-C αF và αR lần lượt là độ lợi dịng điện thuận và ngược ở chế độ tín hiệu lớn của BJT cực nền chung. Hai nguồn dịng điện ICC và IEC được điều khiển bởi IF và IR như sau: IF=ICC/αF IR=IEC/βR ICC=αFIES[exp(VBC/Vt)-1]=αFIF IEC=αRICS[exp(VBC/Vt)-1]=αRIR Ta cĩ: αFIES = αRICS = IS (dịng bảo hịa của BJT) Suy ra: IF=IS/αR [exp(VBE/Vt)-1] IR=IS/αR [exp(VBC/Vt)-1] IEC=IS[exp(VBC/Vt)-1] ICC=IS[exp(VBE/Vt)-1] Dựa vào kết quả này, ta cĩ thể biểu diễn transistor theo mơ hình vận chuyển (transport model) như trong hình 2.3.a . • C • C IC IC VBC IEC/αR ICC IEC/βR (IS/αR) IB • IB B • B • • ICC -IEC (IS/αF) I /β (IS/βF) VBE IEC CC F I CC / α F IE IE • • (b) (a) E Hình 2.3 E Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 18 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  20. Bài 2: Mơ phỏng linh kiện cơng suất cơ bản Nĩi chung các tham số αF và αR thường khơng được dùng để mơ hình hĩa transistor, người ta thay thế bằng các tham số thân thiện hơn, đĩ là: βF=αF/(1-αF) và βR=αR/(1-αR) βF và βR lần lượt là độ lợi dịng điện thuận và độ lợi dịng điện ngược của transistor mắc cực E chung. Mơ hình Ebers-Moll cĩ thể được thay đổi bằng cách thay thế ICC và IEC bởi một nguồn dịng duy nhất cĩ biểu thức như sau: ICT = ICC – IEC = IS[exp(VBE/VT) - exp(VBC/VT)] Mơ hình này được trình bày trong hình 2.3.b. 2.2.2.2. Thực hành: [1], [3], [7], [8], [9], [10], [11] 1) Dựa vào mơ hình tốn học, hãy viết chương trình vẽ đặc tuyến ngõ vào với VBE biến thiên từ 0 đến 0.7V của BJT loại Silicon bằng ngơn ngữ MATLAB (hoặc ngơn ngữ tuỳ ý), ở nhiệt độ bình thường. Chạy thử chương trình và so sánh kết quả mơ phỏng được với đặc tuyến lý thuyết đã học. 2) Dự vào mơ hình tốn học, hãy viết chương trình vẽ đặc tuyến ngõ ra với VCE biến thiên từ 0 đến 24V của BJT loại Silicon bằng ngơn ngữ MATLAB (hoặc ngơn ngữ tuỳ ý), ở nhiệt độ bình thường. Chạy thử chương trình và so sánh kết quả mơ phỏng được với đặc tuyến lý thuyết đã học. 3) Dự vào mơ hình tốn học, hãy viết chương trình vẽ đặc tuyến truyền của BJT loại Silicon bằng ngơn ngữ MATLAB (hoặc ngơn ngữ tuỳ ý), ở nhiệt độ bình thường, với VCE biến thiên từ 0 đến 24V và VBE biến thiên từ 0 đến 0.7V . Chạy thử chương trình và so sánh kết quả mơ phỏng được với đặc tuyến lý thuyết đã học. 4) Dùng phần mềm Multisim V6.20 hoặc 5.12 (Electronics WorkBench) để vẽ đặc tuyến ngõ vào và đặc tuyến ngõ ra của BJT, so sánh với kết quả ở câu 1, câu 2 và câu 3. Cho nhận xét. Gợi ý: Dựa vào mơ hinh cấu trúc này ta tìm được: IC= IS(VBE/Vt)-exp(VBC/Vt)]-IS/βR[exp(VBC/Vt)-1] IB= IS/βR[exp(VBC/Vt)-1]+ IS/βR[exp(VBE/Vt)-1] IE=IS[(VBE/Vt)-exp(VBC/Vt)]-IS/βR[exp(VBE/Vt)-1] Phương trình đặc tuyến ngỏ vào của transistor: IB=f(VBE)|VCE IB= IS/βR[exp(VBC/Vt)-1]+ IS/βR[exp(VBE/Vt)-1] Thay VBC=VBE-VCE, suy ra: IB= IS/βR[exp(VBC/Vt)-1]+ IS/βR{exp(VBE VCE)/Vt]-1} Phương trình đặc tuyến ngỏ ra của transistor: IC=f(VCE)|IB IC= IS(VBE/Vt)-exp(VBC/Vt)]-IS/βR[exp(VBC/Vt)-1] Thực tế VBE<<-Vt, suy ra: IC=ISexp(VBE/Vt) Phương trình đặc tuyến truyền của transistor: IC=f(VBE)|VCE Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 19 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  21. Bài 2: Mơ phỏng linh kiện cơng suất cơ bản IC= IS(VBE/Vt)-exp(VBC/Vt)]-IS/βR[exp(VBC/Vt)-1] Thay VBC=VBE-VCE ta được: IC= IS{(VBE/Vt)-exp[(VBE-VCE)/Vt]}-IS/βR{exp[(VBE-VCE)/Vt]-1} 2.2.3. MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) MOSFET cĩ 2 loại: loại hiếm (DE-MOSFET: Depletion-type MOSFET) và loại tăng (E-MOSFET: Enhancement-type MOSFET). Trong bài thực hành này ta chỉ khảo sát loại tăng (E-MOSFET) 2.2.3.1. E-MOSFET transistor [2], [12] ƒ Cấu tạo căn bản E-MOSFET cĩ hai loại: loại kênh N và loại kênh P. Mơ hình 2.4 mơ tả cấu tạo, ký hiệu và hình dạng của hai loại E-MOSFET kênh N và kênh P. Hình 2.4 ƒ Hoạt động Khi VGS 0 một điện trường được tạo ra ở vùng cổng. Do cổng mang điện tích dương nên hút các điện tử trong nền P _ (là hạt tải điện thiểu số ) đến tập trung ở mặt đối diện của vùng cổng. Khi VGS đủ lớn, lực hút mạnh các điện tử đến tập trung nhiều và tạo thành một thơng lộ tạm thời nối liền giữa hai vùng nguồn S và thốt D. Điện thế VGS mà từ đĩ dịng điện thốt ID bắt đầu tăng được gọi là điện thế thềm cổng nguồn VGS(th). Khi VGS tăng lớn hơn VGS(th), dịng điện thốt ID tiếp tục tăng nhanh Dịng điện thốt ID được xác định theo từng điều kiện sau: ID=0 ,VGS Vth and VGS-VDS>Vth 2 ID=(β/2)(VGS-Vth) ,VGS>Vth and VGS-VDS<=Vth Với β=kP(W/L) gọi là tham số độ hỗ dẫn Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 20 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  22. Bài 2: Mơ phỏng linh kiện cơng suất cơ bản ƒ Thực hành [1], [3], [6], [7], [8], [9], [10], [11] 1) Xây dựng mơ hình tốn học, viết chương trình vẽ đặc tuyến ngõ ra của MOSFET kênh N bằng ngơn ngữ MATLAB (hoặc ngơn ngữ tuỳ ý), ở nhiệt độ bình thường, với VDS biến thiên từ 0 đến 24V và VGS = -2V; -1V; 0V; 1V; 2V; 3V; 4V; 5V; 6V. Chạy thử chương trình và so sánh kết quả mơ phỏng được với đặc tuyến lý thuyết đã học. 2) Xây dựng mơ hình tốn học, viết chương trình vẽ đặc tuyến truyền của MOSFET kênh N bằng ngơn ngữ MATLAB (hoặc ngơn ngữ tuỳ ý), ở nhiệt độ bình thường, với VGS biến thiên từ 0 đến 10V và VDS= 24V. Chạy thử chương trình và so sánh kết quả mơ phỏng được với đặc tuyến lý thuyết đã học. 3) Dùng phần mềm Multisim V6.20 hoặc 5.12 (Electronics WorkBench) để vẽ đặc tuyến ngõ ra và đặc tuyến truyền của MOSFET, so sánh với kết quả ở câu 1 và câu 2. Cho nhận xét. 2.2.4. THYRISTOR (SCR) [2], [10] SCR vàTriac là các linh kiện điều khiển khơng thể kích ngắt. Cơng dụng quan trọng của nĩ là điều khiển cơng suất trên tải. Trong trường hợp này chúng đĩng vai trị như một khĩa điện tử, nên chỉ cĩ 2 trạng thái dẫn (đĩng) và khĩa (ngắt). SCR điều khiển cơng suất DC, TRIAC điều khiển cơng suất AC. Tuy nhiên, ta cũng cĩ thể dùng 2 SCR hoặc kết hợp SCR với một số Diode để điều khiển cơng suất AC. Cấu tạo, ký hiệu, hình dạng thực tế và đặc tuyến vào – ra của SCR được trình bày trong hình 2.5. Hình 2.5 Ta thấy, SCR chỉ dẫn điện một chiều. - Kích đĩng (mở): VAK > 0, IG > 0 Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 21 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  23. Bài 2: Mơ phỏng linh kiện cơng suất cơ bản - Để SCR khĩa ta khơng thể kích bằng dịng IG. Để SCR khĩa phải thỏa điều kiện sau: VAK ≤ 0 . 2.2.4.1.Các thơng số kỹ thuật cơ bản của SCR là: - Dịng điện thuận định mức: In (A) - Điện áp ngược cực đại Vinmax (V) - Điện áp rơi ΔV (V) - Điện áp điều khiển VG (V) - Dịng điện điều khiển IG (mA). - Tốc dộ tăng dịng điện di/dt (A/μs) - Tốc dộ tăng điện áp dv/dt (V/μs) - Dịng điện rỉ ICO (mA) 2.2.4.2. Thực hành [1], [3], [6], [7], [8], [9], [10], [11] 1) Xây dựng mơ hình tốn học, viết chương trình vẽ đặc tuyến truyền của SCR bằng ngơn ngữ MATLAB (hoặc ngơn ngữ tuỳ ý), ở nhiệt độ bình thường. Chạy thử chương trình và so sánh kết quả mơ phỏng được với đặc tuyến lý thuyết đã học. 2) Dùng phần mềm Multisim V6.20 hoặc 5.12 (Electronics WorkBench) để vẽ đặc tuyến ngõ ra và đặc tuyến truyền của SCR, so sánh với kết quả ở câu 1. Cho nhận xét. 2.2.5. TRIAC [2], [12] Cấu tạo, ký hiệu, hình dạng thực tế và đặc tuyến vào – ra của TRIAC được trình bày trong hình 2.6. Hình 2.6 - Triac dẫn cả 2 chiều. - Triac được kích đĩng (dẫn) bằng dịng điện IG - Để đưa Triac từ trạng thái dẫn sang trạng thái khĩa phải cĩ 2 điều kiện là : IG=0 và điện áp nguồn đổi chiều. Triac cĩ thể được kích đĩng trong 4 trường hợp sau : a/. VD>0, VG>0, IG>0 (chiều dương là chiều mũi tên) b/. VD>0, VG 0, IG>0 d/. VD<0, VG<0, IG<0 Triac ít nhạy nhất trong trường hợp c/. Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 22 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  24. Bài 2: Mơ phỏng linh kiện cơng suất cơ bản 2.2.5.1. Các thơng số kỹ thuật cơ bản của TRIAC là: - Dịng điện định mức: In (A) - Điện áp điện mức Vn (V) - Điện áp rơi ΔV (V) - Điện áp điều khiển VG (V) - Dịng điện điều khiển IG (mA). - Tốc dộ tăng dịng điện di/dt (A/μs) - Tốc dộ tăng điện áp dv/dt (V/μs) - Dịng điện rỉ ICO (mA) 2.2.5.2. Thực hành: 1) Xây dựng mơ hình tốn học, hãy viết chương trình vẽ đặc tuyến truyền của TRIAC bằng ngơn ngữ MATLAB (hoặc ngơn ngữ tuỳ ý), ở nhiệt độ bình thường, với VGS biến thiên từ 0 đến 10V và VDS= 24V. Chạy thử chương trình và so sánh kết quả mơ phỏng được với đặc tuyến lý thuyết đã học. 2) Dùng phần mềm Multisim V6.20 (Electronics WorkBench) để vẽ đặc tuyến ngõ ra và đặc tuyến truyền của TRIAC, so sánh với kết quả ở câu 1. Cho nhận xét. 2.3. TÀI LIỆU THAM KHẢO: [1]. Các bài giảng và giáo trình CAD – Bộ Mơn Viễn Thơng & Kỹ thuật Điều khiển - Khoa cơng Nghệ Thơng Tin & Truyền thơng – ĐHCT. [2]. Các bài giảng và giáo trình ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT – Bộ Mơn Viễn Thơng & Kỹ thuật Điều khiển - Khoa cơng Nghệ Thơng Tin & Truyền thơng – ĐHCT. [3]. NGUYỄN CHÍ NGƠN - Giáo trình THIẾT KẾ MƠ PHỎNG MẠCH VÀ VẼ MẠCH IN - Bộ Mơn Viễn Thơng & Kỹ thuật điều khiển - Khoa cơng Nghệ Thơng Tin & Truyền thơng – ĐHCT – 2003. [4]. TRƯƠNG VĂN TÁM - LINH KIỆN ĐIỆN TỬ – Giáo trình – Bộ Mơn Viễn Thơng & Tự Động Hĩa - Khoa cơng Nghệ Thơng Tin – ĐHCT – 2001. [5]. TRƯƠNG VĂN TÁM - MẠCH ĐIỆN TỬ – Giáo trình – Bộ Mơn Viễn Thơng & Tự Động Hĩa - Khoa cơng Nghệ Thơng Tin – ĐHCT – 2001. [6]. M. BIALKO, R. CRAMPAGNE, D. ANDREU – BASIC METHODS FOR MICROCOMPUTER AIDED ANALYSIS OF ELECTRONIC CIRCUITS –Prentice Hall – 1995. [7]. [8]. [9]. [10]. [11]. http:// www.mathworks.com [12]. Zainal Salam – POWER ELECTRONICS AND DRIVES – Version 3 – UTM.JB – 2003 Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 23 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  25. Bài 3: Chỉnh lưu một pha cĩ điều khiển BÀI 3: CHỈNH LƯU MỘT PHA CĨ ĐIỀU KHIỂN Tham gia thực hiện: KS Ngơ Trúc Hưng 3.1. MỤC ĐÍCH - Khảo sát mạch chỉnh lưu khơng điều khiển dùng Diode cơng suất. - Khảo sát mạch chỉnh lưu dùng SCR. - Kết hợp SCR và Diode để chỉnh lưu và điều khiển cơng suất ở ngõ ra bằng cách thay đổi gĩc mở (gĩc trễ) α. 3.2. CÁC KIẾN THỨC LIÊN QUAN 3.2.1. Sinh viên ơn lại: - Các nguyên tắc cấu tạo của diode và SCR, các mạch chỉnh lưu dùng diode và SCR. - Nguyên tắc điều khiển gĩc mở. - Chỉnh lưu một pha bán điều khiển. - Chỉnh lưu một pha điều khiển hồn tồn. 3.2.2. Sinh viên tìm hiểu và giải thích nguyên tắc hoạt động của mạch tạo xung kích: Board tạo xung kích dùng để tạo và cấp xung kích cho board cơng suất tại những thời điểm mong muốn. Hoạt dộng của nĩ được mơ tả bằng giản đồ dạng sĩng tín hiệu trong hình 3.1. Sơ đồ mạch thí nghiệm được trình bày trong hình 3.2 ở cuối bài thí nghiệm này. 3.3. THỰC HÀNH: 3.3.1. Khảo sát Board mạch tạo xung kích: Nối board mạch kích xung vào Board cơng suất bằng dây BUS 4 sợi. a. Quan sát và vẽ lại dạng sĩng của TP3 và TP6 trên cùng một đồ thị. Điều chỉnh VR1, cho nhận xét. b. Quan sát và vẽ lại dạng sĩng của TP3 và TP8 trên cùng đồ thị, điều chỉnh VR1, cho nhận xét. c. Đo và vẽ lại dạng sĩng của TP3 và TP9 trên cùng đồ thị. Điều chỉnh VR2, cho nhận xét. d. Trường hợp câu c. khác với trường hợp câu b. về thời điểm kích xung như thế nào? Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 24 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  26. Bài 3: Chỉnh lưu một pha cĩ điều khiển TP3 Tín hiệu ngõ vào TP4 Qua so sánh TP5 Qua mạch vi phân TP6 Qua đa hài đơn ổn TP7 Qua mạch tạo xung Cổng EXOR TP8 Qua mạch chọn xung, Xung kích bán kỳ dương TP9 Xung kích bán kỳ âm Hình 3.1: Giản đồ dạng sĩng tạo tín hiệu Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 25 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  27. Bài 3: Chỉnh lưu một pha cĩ điều khiển Hình 3.2: Mạch tạo xung kích TRAC 3.3.2. Khảo sát nguyên tắc điều khiển gĩc mở: Ráp mạch như hình 3.3: Q2 R2 6 MOC3021 Q1 R3 6 R6 C 1 U1 E 1 U2 SCR SCR MOC3021 2 2 R1 R4 TP2 D 4 D 4 1 D3 Board Tải TP1 Dm Q3 6 Q4 R2 MOC3021 R5 1 R2 6 MOC3021 E 1 U3 SCR C 1 U4 SCR 2 2 R1 R1 D 4 D 4 Hình 3.3 a. Điều chỉnh gĩc mở α = π/2 - Vẽ lại dạng sĩng điện áp AC ( nên lấy ở ngõ vào trên mạch tạo xung, tại điểm TP3), xung kích và ngõ ra Vo theo cùng trục thời gian. - Tính cơng suất trên tải. b. Thay đổi gĩc mở α bằng cách chỉnh biến trở VR1, quan sát độ sáng của đèn, cho nhận xét về cơng suất trên tải theo gĩc mở α. Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 26 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  28. Bài 3: Chỉnh lưu một pha cĩ điều khiển 3.3.3. Khảo sát chỉnh lưu cầu dùng 4 diode cơng suất: Mắc mạch như hình 3.4: • A 220K • TP1 Vo Board tải Vin • • TP2 5K B • • Hình 3.4 Dùng Oscilloscope quan sát dạng sĩng trên TP1 và TP2 - Vẽ lại dạng sĩng Vin và Vo theo cùng trục thời gian. - Tính cơng suất trên tải, so sánh cơng suất với câu 2.3.1. 3.3.4. Khảo sát chỉnh lưu cầu, bán điều khiển Mắc mạch như hình 3.5 : Q2 R2 6 MOC3021 Q1 R3 6 R6 C 1 U1 E 1 U2 SCR SCR MOC3021 2 2 R1 R4 TP2 D 4 D 4 1 D3 Board Tải TP1 Dm D1 D2 R5 1 Hình 3.5 a. Để hở Dm, nối tải R (bĩng đèn 75W) - Điều chỉnh gĩc mở α của T1 và T2 bằng π/3 và π/3+π (tương ứng với xung kích tại TP8 và TP9). Vẽ lại dạng sĩng điện áp AC ( nên lấy ở ngõ vào trên mạch tạo xung, tại điểm TP3), xung kích của T1 và T2, và điện áp ngõ ra Vo - Tính cơng suất trên tải. b. Thay đổi gĩc mở α của T1 và T2 là 2π/3 và π+2π/3 - Cho nhận xét về độ sáng của đèn. - Tính lại cơng suất trên tải. c. Mắc tải R-L (gồm đèn và cuộn cảm nối tiếp). - Lập lại câu a và b ( khơng cần tính cơng suất trên tải). -Nối Dm vào mạch, thay đổi thời điểm kích xung của T1 và T2. Quan sát dạng sĩng trên tải và nêu nhận xét. - Cho biết cơng dụng của Dm. Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 27 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  29. Bài 3: Chỉnh lưu một pha cĩ điều khiển 3.3.5. Chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển hồn tồn Mắc mạch như hình 3.6 : Q2 R2 6 MOC3021 Q1 R3 6 R6 C 1 U1 E 1 U2 SCR SCR MOC3021 2 2 R1 R4 TP2 D 4 D 4 1 D3 Board Tải TP1 Dm Q3 6 Q4 R2 MOC3021 R5 1 R2 6 MOC3021 E 1 U3 SCR C 1 U4 SCR 2 2 R1 R1 D 4 D 4 Hình 3.6 a. Mắc tải R ( bĩng đèn): a.1. Chỉnh gĩc mở α của T1, T2 là π/3 và π+π/3 - Vẽ lại dạng sĩng Vin, xung kích T1, T2 và Vo. Tính cơng suất. a.2. Thay đổi gĩc mở α là 2π/3 và π+2π/3 - Lập lại câu a.1. Nhận xét độ sáng của đèn b. Mắc tải R-L (gồm đèn và cuộn cảm nối tiếp): Để hở Dm, b.1. Lập lại câu a.1. Cho nhận xét dạng sĩng vừa vẽ cĩ gì khác với câu a.1, cho biết ảnh hưởng của cuộn cảm vừa mắc vào? b.2. Lập lại câu a.2. Cho nhận xét so với câu b.1 b.3. Nối Dm vào mạch, thay đổi thời điểm kích xung của cả 2 bán kỳ (thay đổi gĩc mở), dùng Oscilloscope quan sát dạng sĩng trên tải, cho nhận xét . Dạng sĩng trên tải cĩ gì khác so với trường hợp để hở Dm? Giải thích? (Dùng thêm hình vẽ). 3.4. THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 1) 01 mạch tạo xung điều khiển (board nhỏ). 2) 01 mạch cơng suất (board lớn). 3) 01 board tải. 4) 01 oscilloscope. 5) 01 VOM. 6) Dây nối mạch. Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 28 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  30. Bài 3: Chỉnh lưu một pha cĩ điều khiển 3.5. TÀI LIỆU THAM KHẢO: [1]. Các bài giảng và giáo trình ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT – Bộ Mơn Viễn Thơng & Kỹ thuật Điều khiển - Khoa cơng Nghệ Thơng Tin & Truyền thơng – ĐHCT. [2]. NGUYỄN VĂN NHỜ - GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT I – NXB Đại học Quốc gia TP HCM – 2002. [3]. TRƯƠNG VĂN TÁM - LINH KIỆN ĐIỆN TỬ– Giáo trình – Bộ Mơn Viễn Thơng & Kỹ thuật Điều khiển - Khoa cơng Nghệ Thơng Tin & Truyền thơng – ĐHCT – 2001. [4]. TRƯƠNG VĂN TÁM - MẠCH ĐIỆN TỬ – Giáo trình – Bộ Mơn Viễn Thơng & Kỹ thuật Điều khiển - Khoa cơng Nghệ Thơng Tin & Truyền thơng – ĐHCT – 2001. [5]. CYRIL W. LANDER – POWERS ELETRONICS –McGraw-Hill, London – 1987. [6]. Zainal Salam – POWER ELECTRONICS AND DRIVES – Version 3 – UTM.JB – 2003 Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 29 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  31. Bài 4: Lập trình mơ phỏng mạch chỉnh lưu bằng Matlab BÀI 4: LẬP TRÌNH MƠ PHỎNG MẠCH CHỈNH LƯU BẰNG MATLAB 4.1. MỤC ĐÍCH - Biết cách xây dựng mơ hình tĩan học để mơ phỏng mạch điện tử, đặc biệt là mạch điện tử cơng suất. - Nắm vững nguyên tắc họat động của mạch chỉnh lưu khơng điều khiển và cĩ điều khiển. - Thấy rõ dạng điện áp và dịng điện ở ngã ra, đặc biệt khi tải cĩ cảm kháng. - Rèn luyện kỷ năng xây dựng phần mềm mơ phỏng. - Củng cố các kiến thức và kỹ năng đã học trong bài 2. 4.2. KIẾN THỨC NỀN - Sinh viên tự ơn tập lý thuyết về mạch chỉnh lưu khơng điều khiển và cĩ điều khiển; một pha và 3 pha. - Giả sử các linh kiện cơng suất được dùng là lý tưởng và đĩng vai trị của một cơng tắc (khi đĩng điện thế giữa 2 cực chính bằng 0, khi ngắt dịng điện qua nĩ bằng 0). - Khi mơ phỏng mạch chỉnh lưu bằng MATLAB, ta khơng thể sử dụng các khối dựng sẵn trong thư viện SIMULINK. Vì vậy, ta phải xây dựng mơ hình tốn học cho mạch điện (các phương trình của dịng điện và điện áp), từ đĩ viết chương trình mơ phỏng. 4.3. THỰC HÀNH Trong bài này, sinh viên sẽ mơ phỏng mạch chỉnh lưu 3 pha, với nguồn điện 3 pha lý tưởng cĩ các điện áp pha lệch nhau 1200, như sau: u1 = um sin(x), với x = Ωt = 2πFt u2 = um sin(x-2π/3) u3 = um sin(x-4π/3) Các linh kiện cơng suất được giả thiết là lý tưởng, hoạt động ở 2 trạng thái: đĩng (điện trở giữa 2 cực chính bằng 0, điện áp rơi bằng 0), ngắt (điện trở giữa 2 cực chính bằng ∞). 4.3.1. Chỉnh lưu 3 pha mạch tia khơng điều khiển Xét trường hợp tải R-L-E và giả sử cĩ thể bỏ qua tổng trở của nguồn Hình 4.1: Chỉnh lưu 3 pha mạch tia khơng điều khiển tải thuần trở. Chú ý chiều dương điện áp được qui ước như sau: + → - Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 30 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  32. Bài 4: Lập trình mơ phỏng mạch chỉnh lưu bằng Matlab a. Chương trình mẫu 1: function [i_d,u_d]=cl_diode_RLE(u,r,l,e,F) % cl_diode_RLE(u,r,l,e,F) mơ phỏng mạch chỉnh lưu tia 3 pha khơng điều khiển dùng % diode, tải R-L-E, tính điện áp và dịng điện chỉnh lưu trên tải, vẽ đồ thị của các đại lượng % này với cùng thang đo trên trên trục gĩc pha x = wt = 2πFt, w là tần số gĩc của nguồn 3 % pha. Đối số vào (input argument) u là giá trị hiệu dụng của điện áp nguồn, r và l giá trị % của điện trở và cuộn dây trên tải, e sức điện động trên tải hoặc nguồn dc trên tải, F là tần % số của điện áp nguồn. Đối số ra (Output argument) i_d là dịng điện qua tải , u_d là điện % áp trên tải. Các đồ thị được vẽ theo biến x = wt . Vì giá trị của dịng điện rất nhỏ so với % điện áp, nên để cĩ thể quan sát dạng sĩng của dịng điện tốt hơn, trước khi vẽ đồ thị, dịng % điện đã được nhân lên từ 3 đến 10 lần so với giá trị thật. global R L E f u_m % Khai báo biến tồn cục. if nargin = 4 R=r;L=l;E=e; % Gán đối số vào cho các biến tồn cục. u_m=sqrt(2)*u; % Tính biên độ điện áp nguồn 3 pha. % Khai báo vector biến gĩc pha x, x=wt. x1=[0:0.01:pi/6];x2=[pi/6+0.01:0.01:5*pi/6]; x3=[5*pi/6+0.01:0.01:9*pi/6];x4=[9*pi/6+0.01:0.01:13*pi/6]; x=[x1 x2 x3 x4]; % Khai báo điện áp nguồn điện 3 pha. u_1=u_m*sin(x); u_2=u_m*sin(x-2*pi/3); u_3=u_m*sin(x-4*pi/3); % Mặc định biến tần số f =50, khi khơng cĩ đối số vào F. if nargin==4 f=50; else f=F; end % Tính dịng điện tải bằng cách sử dụng hàm ode15s để giải phương di d % trình vi phân ud = Rid + L + E, nếu L khác 0. dt if L==0 i_d1=(u_m*sin(x1-4*pi/3)-E)/R;i_d2=(u_m*sin(x2)-E)/R; i_d3=(u_m*sin(x3-2*pi/3)-E)/R;i_d4=(u_m*sin(x4-4*pi/3)-E)/R; i_d=[i_d1 i_d2 i_d3 i_d4]; else [k_1,id1]=ode15s('phuongtrinh3',[0:0.01:pi/6],u_m/(R+2*pi*f*L)); [k_1,id2]=ode15s('phuongtrinh1',[pi/6+0.01:0.01:5*pi/6], id1(length(id1))); [k_1,id3]=ode15s('phuongtrinh2',[5*pi/6+0.01:0.01:9*pi/6], id2(length(id2))); [k_1,id4]=ode15s('phuongtrinh3',[9*pi/6+0.01:0.01:13*pi/6], id3(length(id3))); i_d=[id1' id2' id3' id4']; end Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 31 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  33. Bài 4: Lập trình mơ phỏng mạch chỉnh lưu bằng Matlab i_d3=3*i_d; %Tăng thang đo của dịng điện lên từ 3 đến 10 lần. for n=1:length(x) if (x(n) pi/6)&(x(n) 5*pi/6)&(x(n)<=9*pi/6) % D2 đĩng. u_v1(n)=u_1(n)-u_2(n); u_d(n)=u_2(n); i_v1(n)=0; elseif (9*pi/6<x(n)&x(n)<=13*pi/6) % D3 đĩng u_d(n)=u_3(n); u_v1(n)=(u_1(n)-u_3(n)); i_v1(n)=0; end end; % Vẽ đồ thị của điện áp nguồn 3 pha, điện áp và dịng điện tải, điện áp và % dịng điện trên diode D1 subplot(311); plot(x,u_1,'r',x,u_2,'g',x,u_3,'b'); grid on xlabel('x'),ylabel('u'); legend('u_1','u_2','u_3'); subplot(312); plot(x,u_d,'b',x,i_d3,'r'); grid on xlabel('x'),ylabel('u_d i_d'); legend('u_d','3*i_d'); subplot(313); plot(x,u_v1,'b',x,10*i_v1,'r'); grid on xlabel('x'),ylabel('u_v_1 i_v_1'); legend('u_v_1','10*i_v_1'); % Vẽ lại dạng sĩng điện áp và dịng điện tải trên một cửa sổ đồ họa % riêng. figure('Color','w'); plot(x,u_d,'b',x,i_d3,'r'); grid on xlabel('x'),ylabel('u_d i_d'); legend('u_d','3*i_d'); end; function ham=phuongtrinh1(x,i) Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 32 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  34. Bài 4: Lập trình mơ phỏng mạch chỉnh lưu bằng Matlab % Định nghĩa phương trình vi phân cho hàm ode23s. global u R L E f u_m ham=(-i(1)*R/L+ u_m*sin(x)/L-E/L)/(2*pi*f); function ham=phuongtrinh2(x,i) % Định nghĩa phương trình vi phân cho hàm ode23s global u R L E f u_m ham(1)=(-i(1)*R/L+ u_m*sin(x-2*pi/3)/L-E/L)/(2*pi*f); function ham=phuongtrinh3(x,i) % Định nghĩa phương trình vi phân cho hàm ode23s global u R L E f u_m ham(1)=-i(1)*R/(2*pi*f*L)+ u_m*sin(x-4*pi/3)/(2*pi*f*L)-E/(2*pi*f*L); b. Câu hỏi: 1. Hồn thành các khoảng trống trong hệ phương trình mơ tả trạng thái mạch điện (hình 4.1) sau đây: + Khi 0 < x ≤ π/6 và 9π/6 <x ≤ 2π (D3 dẫn, D1, D2 ngắt): id = ; iD1 = .; iD2 = .; ud = . + Khi π/6 < x ≤ 5π/6 ( D1 dẫn, D2 , D3 ngắt): id = ; iD3 = .; iD2 = .; ud = + Khi 5π/6 < x ≤ 9π/6 ( D2 dẫn, D1 , D3 ngắt): id = ; iD1 = ; iD3 = .; ud = Quan hệ giữa dịng điện tải id và điện áp trên tải ud: id = Điện áp trên các diode, ví dụ D1: + uD1 = khi D1 dẫn ( π/6 < x ≤ 5π/6) + uD1 = khi D1 ngưng dẫn. 2. Vẽ lưu đồ thuật tốn của chương trình mơ phỏng cl_diode_RLE (chương trình mẫu 1). 3. Chạy chương trình MATLAB cl_diode_RLE với điện áp hiệu dụng của nguồn 3 pha là 220V, điện trở tải là R=10 Ω, E=0V, F=50Hz, lần lượt với các giá trị L khác nhau: L=0H, L=0.001H, L=0.01H và L=0.1H. Nhận xét (so sánh các trường hợp L khác nhau và so với lý thuyết). 4. Mở PSIM, ráp mạch như hình 4.1 và chạy chương trình mơ phỏng trên PSIM lần lượt với các thơng số của R-L-E như câu 4.1.3. So sánh kết quả với câu 3.1.3 và cho nhận xét. (Nhớ mắc thêm các ampere kế và volt kế vào các vị trí cần đo dịng điện và điện áp). Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 33 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  35. Bài 4: Lập trình mơ phỏng mạch chỉnh lưu bằng Matlab 4.3.2. CHỈNH LƯU 3 PHA MẠCH TIA CĨ ĐIỀU KHIỂN Xét trường hợp tải R_L_E và giả sử cĩ thể bỏ qua tổng trở của nguồn. Hình 4.2: Chỉnh lưu 3 pha mạch tia cĩ điều khiển tải R_L_E. Chú ý chiều dương điện áp được qui ước như sau: + → - a. Chương trình mẫu 2: function [i_d,u_d]=cl_diode_RLE_dk(u,r,l,e,al,F) % cl_diode_RLE_dk(u,r,l,e,al,F) mơ phỏng mạch chỉnh lưu tia 3 pha cĩ điều khiển dùng % diode, tải R-L-E, tính điện áp và dịng điện chỉnh lưu trên tải, vẽ đồ thị của các đại lượng % này với cùng thang đo trên trên trục gĩc pha x = wt = 2*pi*f*t, w là tần số gĩc của % nguồn điện 3 pha. Đối số vào (input argument) u là giá trị hiệu dụng của điện áp nguồn, r % và l là giá trị của điện trở và cuộn dây trên tải, e sức điện động trên tải hoặc nguồn dc % trên tải, F là tần số của điện áp nguồn. Đối số ra (Output argument) i_d là dịng điện qua % tải , u_d là điện áp trên tải. Các đồ thị được vẽ theo biến x . Vì giá trị của dịng điện rất % nhỏ so với điện áp, nên để cĩ thể quan sát dạng sĩng của dịng điện tốt hơn, trước khi vẽ % đồ thị, dịng điện đã được tăng lên từ 3 đến 10 lần so với giá trị thật. global R L E a f u_m % Khai báo biến tồn cục. if nargin = 5 R=r;L=l;E=e;a=al; %Gán giá trị các biến theo giá trị của các đối số vào. u_m=sqrt(2)*u; % Tính biên độ của điện áp nguồn. % Khai báo biến gĩc pha x=wt=2*pi*t, t là thời gian. x1=[0:0.01:pi/6+a];x2=[pi/6+0.01+a:0.01:5*pi/6+a]; x3=[5*pi/6+0.01+a:0.01:9*pi/6+a];x4=[9*pi/6+0.01+a:0.01:13*pi/6]; x=[x1 x2 x3 x4]; % Khai báo điện áp nguồn 3 pha. u_1=u_m*sin(x); u_2=u_m*sin(x-2*pi/3); u_3=u_m*sin(x-4*pi/3); % Gán giá trị mặc định cho biến tần số . if nargin==4 Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 34 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  36. Bài 4: Lập trình mơ phỏng mạch chỉnh lưu bằng Matlab f=50; else f=F; end % Tính dịng điện qua tải. if L==0 i_d1=(u_m*sin(x1-4*pi/3)-E)/R;i_d2=(u_m*sin(x2)-E)/R; i_d3=(u_m*sin(x3-2*pi/3)-E)/R;i_d4=(u_m*sin(x4-4*pi/3)-E)/R; i_d=[i_d1 i_d2 i_d3 i_d4]; else [k_1,id1]=ode23s('phuongtrinh3',[0:0.01:pi/6+a],u_m/(R+2*pi*f*L)); [k_1,id2]=ode23s('phuongtrinh1',[pi/6+0.01+a:0.01:5*pi/6+a],id1(length(id1))); [k_1,id3]=ode23s('phuongtrinh2',[5*pi/6+0.01+a:0.01:9*pi/6+a],id2(length(id2))); [k_1,id4]=ode23s('phuongtrinh3',[9*pi/6+0.01+a:0.01:13*pi/6],id3(length(id3))); i_d=[id1' id2' id3' id4']; end for k=1:length(i_d) % Nếu giá trị âm thì cho bằng zero. if i_d(k) pi/6+a)&(x(n) 5*pi/6+a)&(x(n)<=9*pi/6+a) % D2 đĩng. u_v1(n)=u_1(n)-u_2(n); u_d(n)=u_2(n); i_v1(n)=0; elseif (9*pi/6+a<x(n)&x(n)<=13*pi/6) % D3 đĩng u_d(n)=u_3(n); u_v1(n)=(u_1(n)-u_3(n)); i_v1(n)=0; end end; % Vẽ đồ thị subplot(311); plot(x,u_1,'r',x,u_2,'g',x,u_3,'b'); grid on xlabel('x'),ylabel('u'); legend('u_1','u_2','u_3'); subplot(312); Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 35 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  37. Bài 4: Lập trình mơ phỏng mạch chỉnh lưu bằng Matlab plot(x,u_d,'b',x,i_d3,'r'); grid on xlabel('x'),ylabel('u_d i_d'); legend('u_d','3*i_d'); subplot(313); plot(x,u_v1,'b',x,10*i_v1,'r'); grid on xlabel('x'),ylabel('u_D_1 i_D_1'); legend('u_D_1','10*i_D_1'); end; b. Câu hỏi: 1. Hồn thành các khoảng trống trong hệ phương trình mơ tả trạng thái mạch điện (hình 3.1) sau đây: + Khi 0 < x ≤ π/6 + α và 9π/6 + α <x ≤ 13π/6 (D3 dẫn, D1, D2 ngắt): id = ; iD1 = .; iD2 = .; ud = . + Khi π/6 + α < x ≤ 5π/6 + α ( D1 dẫn, D2 , D3 ngắt): id = ; iD3 = .; iD2 = .; ud = + Khi 5π/6 + α < x ≤ 9π/6 + α ( D2 dẫn, D1 , D3 ngắt): id = ; iD1 = ; iD3 = .; ud = Quan hệ giữa dịng điện tải id và điện áp trên tải ud: id = Điện áp trên các diode, ví dụ D1: + uD1 = khi D1 dẫn ( π/6 + α < x ≤ 5π/6 + α ) + uD1 = khi D1 ngưng dẫn. 2. Chương trình mẫu 1 cl_diode_RLE khác với chương trình mẫu 2 phần nào? 3. Chạy chương trình MATLAB cl_diode_RLE_dk với điện áp hiệu dụng của nguồn 3 pha là 220V, điện trở tải là R=10 Ω, E=0V, α = π/4 rad, F=50Hz, lần lượt với các giá trị L khác nhau: L=0H, L=0.001H, L=0.01H và L=0.1H. Nhận xét (so sánh các trường hợp L khác nhau và so với lý thuyết). 4. Chạy chương trình MATLAB cl_diode_RLE_dk với điện áp hiệu dụng của nguồn 3 pha là 220V, điện trở tải là R=10 Ω, E=0V, L=0.01H, F=50Hz, lần lượt với các giá trị α khác nhau: α = 0 rad, α = π/4 rad, α = π/3 rad . Nhận xét (so sánh các trường hợp α khác nhau và so với lý thuyết). 5. Mở PSIM, ráp mạch như hình 4.2 (phải thêm vào mạch tạo xung kích) và chạy chương trình mơ phỏng trên PSIM lần lượt với các thơng số của R-L-E như câu 4.2.4. So sánh kết quả với câu 4.2.4 và cho nhận xét. (Nhớ mắc thêm các ampere kế và volt kế vào các vị trí cần đo điện áp và dịng điện). Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 36 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  38. Bài 4: Lập trình mơ phỏng mạch chỉnh lưu bằng Matlab Trường hợp cĩ hiện tượng trùng dẫn tải R_L và cảm kháng của nguồn LC khơng thể bỏ qua (LC ≠ 0). Hình 4.3: Chỉnh lưu 3 pha mạch tia cĩ điều khiển tải R_L, LC ≠ 0. Chú ý chiều dương điện áp được qui ước như sau: + → - Câu hỏi: 6. Hiện tượng trùng dẫn là gì? 7. Mở PSIM, lắp ráp mạch như hình 4.3 (phải thêm vào mạch tạo xung kích mắc thêm các ampere kế và volt kế vào các vị trí cần đo dịng điện và điện áp) và chạy chương trình mơ phỏng trên PSIM lần lượt với các thơng số: R=10, L= 0.01 H, α = π/3 rad, LC = 0.001 H. So sánh kết quả với câu 4.2.4 và cho nhận xét. Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 37 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  39. Bài 4: Lập trình mơ phỏng mạch chỉnh lưu bằng Matlab 4.4. TÀI LIỆU THAM KHẢO: [1]. Các bài giảng và giáo trình ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT – Bộ Mơn Viễn Thơng & Kỹ thuật Điều khiển - Khoa cơng Nghệ Thơng Tin & Truyền thơng – ĐHCT. [2]. Các bài giảng và giáo trình CAD – Bộ Mơn Viễn Thơng & Kỹ thuật Điều khiển - Khoa cơng Nghệ Thơng Tin & Truyền thơng – ĐHCT. [3]. NGUYỄN CHÍ NGƠN - Giáo trình THIẾT KẾ MƠ PHỎNG MẠCH VÀ VẼ MẠCH IN - Bộ Mơn Viễn Thơng & Kỹ thuật điều khiển - Khoa cơng Nghệ Thơng Tin & Truyền thơng – ĐHCT – 2003. [4]. NGUYỄN VĂN NHỜ - GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT I – NXB Đại học Quốc gia TP HCM – 2002. [5]. TRƯƠNG VĂN TÁM - MẠCH ĐIỆN TỬ – Giáo trình – Bộ Mơn Viễn Thơng & Kỹ thuật Điều khiển - Khoa cơng Nghệ Thơng Tin & Truyền thơng – ĐHCT – 2001. [6].M. BIALKO, R. CRAMPAGNE, D. ANDREU – BASIC METHODS FOR MICROCOMPUTER AIDED ANALYSIS OF ELECTRONIC CIRCUITS –Prentice Hall – 1995. [7]. http:// www.powersimtech.com [8]. http:// www.mathworks.com [9]. [10]. [11]. Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 38 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  40. Bài 5: Mơ phỏng mạch chỉnh lưu một pha cĩ điều khiển bằng Psim BÀI 5: MƠ PHỎNG MẠCH CHỈNH LƯU MỘT PHA CĨ ĐIỀU KHIỂN BẰNG PSIM 5.1. MỤC ĐÍCH: Dùng phần mềm PSIM để mơ phỏng mạch chỉnh lưu điều khiển một pha nửa chu kỳ và mạch chỉnh lưu điều khiển một pha hai nửa chu kỳ. So sánh với kết quả trong bài 3 và bài 4. Từ đĩ củng cố được kiến thức về việc điều khiển đĩng ngắt các linh kiện cơng suất nĩi chung và mạch chỉnh lưu cĩ điều khiển nĩi riêng. Đồng thời hình thành được phương pháp và kỹ năng viết chương trình mơ phỏng cũng như sử dụng các phần mềm mơ phỏng cĩ sẵn. 5.2. KIẾN THỨC NỀN: - Sinh viên tự ơn tập lý thuyết về mạch chỉnh lưu khơng điều khiển và cĩ điều khiển; một pha và ba pha [1], [4]. - Giả sử các linh kiện cơng suất được dùng là lý tưởng và đĩng vai trị của một cơng tắc (khi đĩng điện thế giữa 2 cực bằng 0, khi ngắt dịng điện qua nĩ bằng 0). - Phần mềm PSIM của Powersim Inc [6]. PSIM là một phần mềm đĩng gĩi chuyên dùng cho việc mơ phỏng mạch điện tử cơng suất và điều khiển mơ tơ. Nĩ cĩ các ưu điểm là tốc độ nhanh, giao diện thân thiện với người dùng và cĩ chức năng xử lý hiển thị dạng sĩng của tín hiệu. Bao gồm 03 chương trình: chương trình vẽ sơ đồ mạch điện SIMCAD; chương trình mơ phỏng PSIM; chương trình xử lý và hiển thị dạng sĩng SIMVIEW. Một mạch điện được trình bày bởi PSIM gồm 04 khối: mạch cơng suất, mạch điều khiển, cảm biến và các bộ điều khiển switch. - Để mơ phỏng một mạch điện hoặc một hệ thống điều khiển, ta tiến hành các bước sau: Khởi động PSIM (Theo sự chỉ dẫn của giảng viên): Một giao diện mơ phỏng SIMCAD xuất hiện, như hình 5.1: Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 39 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  41. Bài 5: Mơ phỏng mạch chỉnh lưu một pha cĩ điều khiển bằng Psim Chạy PSIM Quay Nối dây dẫn Dán nhãn Chạy SIMVIEW Chọn phần tử trong mạch Cửa sổ thiết kế Hình 5.1 Trên menu, từ File ta chọn New (thực hiện mạch điện mới) hoặc Open (để mở project cũ đã lưu dưới dạng file cĩ phần mở rộng là “.sch”). Các thao tác cơ bản để thực hiện một mạch điện mới: o Chọn linh kiện, nguồn tín hiệu và các thành phần khác từ Elements trên menu hoặc trên thanh cơng cụ ở phía dưới màn hình ( nhấp chuột trái vào phần tử muốn chọn. Sau đĩ nhấp chuột vào vị trí muốn đặt phần tử đĩ trên cửa sổ thiết kế, cĩ thể quay phần tử đã chọn từ Rotate trên menu Edit hoặc nhấp chuột trái vào biểu tượng tương ứng trên menu bar). o Thực hiện các đường mạch nối các linh kiện và các thành phần khác: chọn Wire trên menu Edit hoặc biểu tượng tương ứng trên menu bar, sau đĩ rê chuột giữa các điểm muốn nối. o Đặt các tham số của các linh kiện: nhấp chuột trái vào biểu tượng “mũi tên” trên menu bar, rồi nhấp chuột trái vào thành phần muốn đặt tham số, sau đĩ chọn Attributes trên menu Edit (hoặc ấn phím tắt F4), một cửa sổ con hiện ra, cho phép ta nhập các tham số cần thiết. Chú ý các tham số và đơn vị tính của các linh kiện. o Dán nhãn: chọn Label trên menu Edit (hoặc ấn phím tắt F2) , nếu cần. o Chạy chương trình mơ phỏng: chọn Run Simulation trên menu Simulate, hoặc ấn phím tắt F8, hoặc nhấp chuột trên biểu tượng tương ứng trên menu bar. Ở chế độ mặc định (Auto-Run SIMVIEW), một cửa sổ con “Data Display Selection” hiện ra cho phép ta chọn các biến cần hiển thị đã liệt kê sẵn (theo các thiết bị và điện áp cĩ trong mạch điện). Nếu muốn hiển thị đồ Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 40 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  42. Bài 5: Mơ phỏng mạch chỉnh lưu một pha cĩ điều khiển bằng Psim thị của một đại lượng (biến) nào đĩ, ta cần phải đặt thiết bị đo lường tướng ứng vào vị trí đĩ trên mạch điện. o Sinh viên cần tham khảo trước về PSIM trong các tài liệu [6]. 5.3. THỰC HÀNH: 5.3.1. Mạch chỉnh lưu điều khiển một pha nửa chu kỳ: a. Mở phần mềm PSIM và vẽ mạch chỉnh lưu một pha bán điều khiển hình 5.2: Hình 5.2: Mạch chỉnh lưu điều khiển một pha nửa chu kỳ. - Thiết lập các giá trị phù hợp. - Vẽ lại trên bài phúc trình dạng sĩng điện thế tải ud, dạng sĩng dịng điện tải id. - Giải thích dạng sĩng ud, id. - Dựa vào đồ thị dạng sĩng điện áp tải, tính giá trị điện áp trung bình giữa 2 đầu tải b. Thay đổi V1 để thay đổi gĩc kích α. Vẽ lại trên bài phúc trình dạng sĩng ứng với gĩc kích α= 2π/3 (V1 = 120 Volt). c. Thiết lập L=0.05H. Vẽ lại trên bài phúc trình dạng sĩng ud, id. So sánh với dạng sĩng ở câu a và giải thích. Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 41 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  43. Bài 5: Mơ phỏng mạch chỉnh lưu một pha cĩ điều khiển bằng Psim 5.3.2. Mạch chỉnh lưu điều khiển một pha hai nửa chu kỳ: a. Vẽ mạch chỉnh lưu điều khiển một pha hai nửa chu kỳ như sau (Hình 5.3): Hình 5.3: Mạch chỉnh lưu điều khiển một pha hai nửa chu kỳ. - Thiết lập các giá trị phù hợp. - Vẽ lại trên bài phúc trình dạng sĩng điện thế tải ud, dạng sĩng dịng điện tải id. - Giải thích dạng sĩng ud, id. b. Thay đổi V2 để thay đổi gĩc kích α. Vẽ lại trên bài phúc trình dạng sĩng ứng với gĩc kích α = π/3 (V2 = 120 Volt). c. Thiết lập L = 0H. Vẽ lại trên bài phúc trình dạng sĩng ud, id. So sánh với dạng sĩng ở câu a và giải thích. Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 42 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  44. Bài 5: Mơ phỏng mạch chỉnh lưu một pha cĩ điều khiển bằng Psim 5.4. TÀI LIỆU THAM KHẢO: [1]. Các bài giảng và giáo trình ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT – Bộ Mơn Viễn Thơng & Kỹ thuật Điều khiển - Khoa cơng Nghệ Thơng Tin & Truyền thơng – ĐHCT. [2]. Các bài giảng và giáo trình CAD – Bộ Mơn Viễn Thơng & Kỹ thuật Điều khiển - Khoa cơng Nghệ Thơng Tin & Truyền thơng – ĐHCT. [3]. NGUYỄN CHÍ NGƠN - Giáo trình THIẾT KẾ MƠ PHỎNG MẠCH VÀ VẼ MẠCH IN - Bộ Mơn Viễn Thơng & Kỹ thuật điều khiển - Khoa cơng Nghệ Thơng Tin & Truyền thơng – ĐHCT – 2003. [4]. NGUYỄN VĂN NHỜ - GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT I – NXB Đại học Quốc gia TP HCM – 2002. [5]. TRƯƠNG VĂN TÁM - MẠCH ĐIỆN TỬ – Giáo trình – Bộ Mơn Viễn Thơng & Kỹ thuật Điều khiển - Khoa cơng Nghệ Thơng Tin & Truyền thơng – ĐHCT – 2001. [6]. http:// www.powersimtech.com [7]. [8]. [9]. Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 43 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  45. Bài 6: Ổn áp một chiều BÀI 6: ỔN ÁP MỘT CHIỀU Tham gia thực hiện: KS. Trương Văn Tám 6.1. MỤC ĐÍCH: Giúp cho sinh viên thấu hiểu nguyên lý hoạt động của các loại ổn áp DC, rèn luyện kỹ năng thực hành, hình thành khả năng thiết kế và lắp ráp các loại ổn áp DC theo yêu cầu thực tế. 6.2. SƠ LƯỢC VỀ LÝ THUYẾT Mạch ổn áp một chiều cịn được gọi là mạch biến đổi DC-DC, đây là một mạch biến đổi từ điện áp một chiều này thành điện áp một chiều khác. Thơng thường, người ta chia ổn áp một chiều ra làm 2 loại: - Ổn áp tuyến tính, - Ổn áp ngắt mở (switching regulator). Dù là loại nào, một mạch ổn áp cũng phải đạt 2 chức năng: - Ổn định điện áp ngõ ra khi điện áp ngõ vào thay đổi và khi dịng tải thay đổi. - Giảm đến mức thấp nhất sĩng dư ở ngõ ra. + + vi Ổn áp vo RL - - Hình 6.1 6.2.1. Ổn áp tuyến tính Trong bài thí nghiệm này ta khảo sát mạch ổn áp tuyến tính dạng nối tiếp. Sơ đồ khối như sau: AV - + vo Đã ổn áp v + Cơng suất ổn áp i Chưa ổn áp I Kích L + + C1 C2 So sánh Lấy mẫu RL - - Chuẩn C1: Tụ lọc ngõ vào C2: Tụ lọc ngõ ra Hình 6.2 Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 44 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  46. Bài 6: Ổn áp một chiều - Cơng suất ổn áp: Thường là một transistor cơng suất lớn, hoạt động như một điện trở thay đổi. - So sánh: So sánh điện thế lấy mẫu và điện thế chuẩn để tạo thành điện thế điều khiển VDK để điều khiển mạch kích tạo dịng kích cho cơng suất. - Chuẩn: Tạo điện thế chuẩn Vref cho mạch so sánh (thường dùng zener). - Lấy mẫu: Lấy một phần điện thế ngõ ra so sánh với điện thế chuẩn (điện thế lấy mẫu thay đổi theo điện thế ngõ ra vo). Nguyên tắc hoạt động: vo=vi-AV Giả sử khi vo thay đổi (vì lý do nào đĩ), điện thế lấy mẫu thay đổi theo trong khi điện thế chuẩn khơng đổi nên ngõ ra VDK của mạch so sánh thay đổi, điện thế VDK này điều khiển mạch kích và cơng suất thay đổi độ hoạt động (chạy mạnh/chạy yếu) để thay đổi AV sao cho vo ổn định. Mạch căn bản cĩ dạng: R Q1 + + I R2 R3 L vi R1 Q2 vo R C1 + C3 L - + VR C2 - Q3 D R4 - Hình 6.3 Q1: Cơng suất ; Q2: Thúc (kiểu darlington) ; Q3: So sánh Zener D: tạo điện thế chuẩn R3, R4,VR: Lấy mẫu C2: Giảm sĩng dư ngõ ra Do dịng tải IL chạy thẳng và thường trực qua Q1 nên Q1 phải cĩ cơng suất lớn và phải được giải nhiệt cẩn thận. Mạch thường cĩ một điện trở R cơng suất lớn để chia bớt dịng qua Q1 6.2.2. Ổn áp ngắt mở - Tuy cĩ rất nhiều dạng, nhưng đa số đều dùng phương pháp biến điệu độ rộng xung. - Nguyên lý chung vẫn như mạch ổn áp tuyến tính nhưng thay mạch khuếch đại kích bằng một mạch dao động tạo sĩng vuơng. Tín hiệu ra của mạch dao động kích vào transistor cơng suất ổn áp (thường là BJT hoặc MOSFET cơng suất lớn), mức cao của Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 45 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  47. Bài 6: Ổn áp một chiều xung vuơng làm transistor bảo hịa, mức thấp làm transistor ngưng. Như vậy cơng suất ổn áp ho ạt động như một chuyển mạch (switch). - Dao động tạo xung vuơng cĩ thể là đa hài (cơng suất độc lập với mạch dao động) hoặc thơng dụng hơn là dao động blocking (cơng suất tham gia vào mạch dao động) do cách ly được mass điện. + A V - Cơng suất ổn áp + vi + Dao động tạo IL xung vuơng + vo Ci So sánh Lấy mẫu Co RL - Chuẩn - - vo SW vi vo ⇒ 0 Tx T Hình 6.4 - Khi chưa mắc tụ lọc ngõ ra, v0 cĩ dạng xung với biên độ đỉnh bằng vi khi SW ở trạng thái ON và v0=0 khi SW ở trạng thái OFF. Trị trung bình của v0 là T v= v x o i T Ta thấy: Để thay đổi trị trung bình ngõ ra vo ta cĩ thể: - Thay đổi thời gian SW ở trạng thái ON (Transistor dẫn bảo hịa) - Thay đổi tần số của mạch dao động (Tức thay đổi chu kỳ T) - Hoặc thay đổi cả hai Thực tế, để tiện việc thiết kế và kiểm sốt, thường người ta giữ nguyên tần số dao động (thực tế trong máy thu hình, monitor máy tính . Người ta dùng xung quét ngang đưa về Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 46 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  48. Bài 6: Ổn áp một chiều để giữ cho tần số dao động bằng với tần số quét ngang), tín hiệu lấy mẫu chỉ làm thay đổi độ rộng của xung vuơng tức thay đổi thời gian dẫn-ngưng của transistor cơng suất, tức Tx. - Để ổn định vo, thí dụ khi vi cao người ta giảm Tx, khi vi giảm người ta tăng Tx. - Mạch thường được thiết kế ở tần số khá cao (hơn 10KHz) nên tụ lọc ngõ ra khơng cần lớn mà vẫn bảo đảm được việc giảm tối đa sĩng dư (vo gần lý tưởng). - Để tạo ra nhiều loại điện áp khác nhau, nhất là cách ly được mass điện và mass máy (chống giật), người ta thường thiết kế bộ nguồn cĩ biến áp xung. Tùy theo tần số hoạt động của mạch và số vịng cuộn sơ cấp, thứ cấp mà ta cĩ được các điện áp khác nhau theo yêu cầu. D B+ B1 + - D B2 + OSC - SW Hình 6.5 6.3. PHẦN THỰC HÀNH 6.3.1. Ổn áp tuyến tính Mạch dùng thực tập cĩ dạng: + vo Q1 + R3 R4 IL vi 560Ω 1K R1 1,8K + Q2 Co vo 2200µF Ci + 2200µF - RL - + VR C 1K Q - 3 R2 100µF 100K 2,2K D R5 Hình 6.6 ƒ Với vi được cấp từ một nguồn thay đổi bên ngồi a/ Giải thích vắn tắt nguyên lý hoạt động của mạch (khi vi và IL thay đổi) b/ Cấp vI = +18V, đo điện thế ngõ ra vo , chỉnh VR theo hai chiều. Nhận xét và giải thích. Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 47 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  49. Bài 6: Ổn áp một chiều c/ Chỉnh VR để vo=+12V, cho vi thay đổi từ +15V →+20V, đo vo, lập bảng theo mẫu sau và vẽ đồ thị vo=f(vi). Nhận xét. Vi +15V +16V +17V +18V +19V +20V vo d/ Cấp vi=+18V, Đo vo khi thay đổi IL (bằng cách thay đổi RL) RL R1(100Ω) R2(50Ω) R3(100/3Ω) R4(25Ω) IL v o Vẽ đồ thị vo=f(IL). Nhận xét. e/ Khơng mắc tụ C vào mạch, quan sát sĩng dư ngõ ra. Lập lại thí nghiệm. Khi mắc tụ C vào mạch. Nhận xét và giải thích. f/ Giả sử khơng mắc Co vào mạch, vo bị ảnh hưởng gì? Giải thích? Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 48 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  50. Bài 6: Ổn áp một chiều 6.3.2. Ổn áp ngắt mở: Mạch thực hành hình 6.7 +300V 7 8 220VAC + C1 - B1 47K/2W 272/1K 272/1K 47K/2W 5 9 + RL1 + 100μF/ K794 100V - - 47Ω B2 10 47K 47K/2W + RL2 + 11 1KΩ - - /2W .0022 22K Ω + .33 .001 13 - .1 15 4 5 47Ω out 3 6 100μF/ 100p 1MΩ 25V 47Ω 3 2 Vcc 7 + 18K KA3842 . 100Ω 1 8 - 100K Vz=18V 1 5K .22 .1 3.3K 1KΩ Hình 6.7 Ghi chú quan trọng: * Trong mạch cĩ 2 mass, một mass điện và 1 mass máy. Sinh viên khi làm thực tập phải thật cẩn thận, tránh bị điện giật. * Trong bài thực tập dùng SCR và E-MOSTFET kênh N với sơ đồ chân như sau: SCR K794 G D S Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 49 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  51. Bài 6: Ổn áp một chiều 6.3.2.1. Vi mạch KA3842 cĩ sơ đồ chân: 7 Vcc Vref 29V 8 5V SET Vref RESET 5 GND INTERNAL UVLO BIAS LOGIC ½ Vref ERROR Amp C.S Comp VFB + 1/3 2 - 1V PWRVC Comp 7 1 R CS out 3 22V 6 Sense S PWR GND R /C T T > T 5 4 OSCILLATOR Hình 6.8 IC KA3842 là IC dao động điều khiển mạch nguồn Switching được sử dụng rất nhiều trong các mạch nguồn monitor máy tính. IC này hoạt động theo kiểu biến điệu độ rộng xung (pulse width modulation). IC cĩ khả năng tạo nguồn chuẩn Vref=+5V tại chân 8, mạch so sánh cảm nhận về điện áp để khố mạch biến điệu độ rộng xung bên trong. Chân 4 mắc R, C định tần số dao động, xung biến điệu độ rộng được thực hiện bởi mạch FF RS cấp cho mạch khuếch đại Push-Pull thơng qua cổng OR. Khi mở máy, chân 7 được cấp nguồn từ điện thế 300V để khởi động mạch, sau đĩ điện thế cảm ứng lấy từ cuộn 1-3 sẽ đuợc chỉnh lưu để cấp nguồn ổn định cho IC3842. Cuộn 1-3 cịn được dùng để lấy mẫu ngõ ra để đưa về mạch so sánh (chân 1-2). Zener 18V và SCR giữ vai trị bảo vệ khi điện áp vượt quá cao. 6.3.2.2. Sinh viên khảo sát mạch và thực hiện các cơng việc sau: 1. Để hở cơng suất nguồn, khảo sát IC3842 a/ Đo điện áp DC chân 7 khi mạch hoạt động ổn định. Lúc này zener 18V và SCR dẫn hay ngưng? Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 50 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  52. Bài 6: Ổn áp một chiều b/ Đo điện áp DC tại chân 2. Điện áp này dùng làm gì? Cĩ thay đổi theo điện áp ngõ ra B1 và B2 khơng? Tại sao? c/ Quan sát và vẽ lại dạng sĩng chân số 4 d/ Quan sát và vẽ lại dạng sĩng tại ngõ ra (chân 6). Chỉnh biến trở 5K, dạng sĩng ngõ ra thay đổi như thế nào? 2. Nối cơng suất nguồn vào mạch 7.4 a/ Đo B1 khi RL = KΩ 2 b/ Thay đổi RL bằng cách khơng nối rồi nối lần lượt JP1, JP2, JP3, đo B1, lập bảng: 4 . 7 4 . 7 4 . 7 4 . 7 RL(KΩ) 2 3 4 5 B 1 B1 IL = RL Vẽ đồ thị B1 theo IL. Nhận xét? c/ Đo B1, chỉnh VR=5K. Nhận xét và cho biết chức năng của VR. 6.4. THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM: 1) 01 mạch ổn áp tuyến tính (board nhỏ). 2) 01 mạch ổn áp ngắt mở (boad lớn). 3) 01 VOM. 4) 01 ocilloscope 6.5. TÀI LIỆU THAM KHẢO: [1]. Giáo trình THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT – Bộ Mơn Viễn Thơng & Kỹ thuật Điều khiển - Khoa cơng Nghệ Thơng Tin & Truyền thơng – ĐHCT - 2001. [2]. Các bài giảng và giáo trình ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT – Bộ Mơn Viễn Thơng & Kỹ thuật Điều khiển - Khoa cơng Nghệ Thơng Tin & Truyền thơng – ĐHCT. [3]. NGUYỄN VĂN NHỜ - GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT I – NXB Đại học Quốc gia TP HCM – 2002. [4]. TRƯƠNG VĂN TÁM - MẠCH ĐIỆN TỬ – Giáo trình – Bộ Mơn Viễn Thơng & Kỹ thuật Điều khiển - Khoa cơng Nghệ Thơng Tin & Truyền thơng – ĐHCT – 2001. [5]. CYRIL W. LANDER – POWERS ELETRONICS –McGraw-Hill, London – 1987. [6]. Zainal Salam – POWER ELECTRONICS AND DRIVES – Version 3 – UTM.JB – 2003 [7]. Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 51 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  53. Bài 7: Điều khiển cơng suất AC BÀI 7: ĐIỀU KHIỂN CƠNG SUẤT AC 7.1. MỤC ĐÍCH: - Biết cách dùng Triac để điều khiển cơng suất tiêu thụ trên tải AC. - Nắm được nguyên tắc tạo xung kích Triac và mối quan hệ giữa gĩc mở α với cơng suất tiêu thụ trên tải. 7.2. SƠ LƯỢC LÝ THUYẾT: - Triac là một linh kiện điều khiển khơng thể kích ngắt. Cơng dụng quan trọng của nĩ là điều khiển cơng suất AC trên tải. Trong trường hợp này Triac đĩng vai trị như một khĩa điện tử. Sơ đồ mạch điều khiển cơng suất AC như hình 7.1 : VS VD t A2 A1 VG G VS IG Tải IG VL Mạch tạo xung kích t VL t Hình 7.1 α Hình 7.2 Vì Triac dẫn cả 2 chiều nên chỉ cĩ 2 trạng thái dẫn và khĩa. Triac được kích đĩng (dẫn) bằng dịng điện IG và để đưa Triac từ trạng thái dẫn sang trạng thái khĩa phải cĩ 2 điều kiện là : IG=0 và điện áp nguồn đổi chiều. Triac cĩ thể được kích đĩng trong 4 trường hợp sau : a/. VD>0, VG>0, IG>0 b/. VD>0, VG 0, IG>0 d/. VD<0, VG<0, IG<0 Triac ít nhạy cảm nhất trong trường hợp c/. Với VS là nguồn điện xoay chiều hình sin, cơng suất tiêu thụ phụ thuộc vào gĩc mở α (hay gĩc trễ). Dạng sĩng của điện áp nguồn VS, dịng điện kích đĩng IG (hoặc điện áp VG), điện áp trên tải VL được vẽ trong hình 7.2. Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 52 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  54. Bài 7: Điều khiển cơng suất AC - Sơ đồ mạch điều khiển cơng suất AC dùng Triac được trình bày trong hình 7.3 ở cuối bài thí nghiệm này. Lưu ý rằng, để xác định gĩc trễ và xung kích xuất hiện đúng thời điểm, mạch tạo xung kích cần phải cĩ thơng tin về pha của điện áp nguồn. - Trường hợp điện áp nguồn cĩ dạng sin : VS=VMsinωt= 2 VSsinθ. Với VM : giá trị cực đại,VS : giá trị hiệu dụng,θ=ωt=2πft Điện áp hiệu dụng trên tải là : 2 π 2 2 1/2 VL=[ 2 VS sin θdθ ] 2π ∫α 1 sin 2α 1/2 Hay: VL=VS[ (π-α+ )] π 2 Ta thấy, khi α biến thiên từ 0->π thì VL biến thiên từ VS->0. Điều này chứng tỏ cơng suất tiêu thụ trên tải phụ thuộc vào α. 7.3. CÂU HỎI VÀ THỰC HÀNH A. Câu hỏi lý thuyết : 1/. Từ sơ đồ mạch tạo xung kích và mạch cơng suất hình 7.3 hãy cho biết chức năng của các linh kiện sau đây: U2, U3, U4, U5, D3, D4, D5, Q1, Q2, Q3, C3, C6 và R8 (VR 5K). 2/. Thơng tin về pha của điện áp nguồn được lấy và xử lý như thế nào? Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 53 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  55. Bài 7: Điều khiển cơng suất AC B. Câu hỏi thực hành : 1. Mắc tải R (bĩng đèn) vào mạch điều khiển cơng suất AC, lấy điểm đất (mass) chung, dùng oscilloscope xem và vẽ lại dạng sĩng tại các điểm : TP0, TP1, TP2, TP3, TP4, TP5, TP6, TP7 (tất cả cùng một thang thời gian). Trong đĩ, TP5 được vẽ trên cùng một đồ thị với TP2 và TP5 cũng được vẽ trên cùng một đồ thị với TP3 (các thang giá trị của các đồ thị được vẽ như hình 7.4 ), so sánh và nhận xét. - So sánh dạng sĩng ở TP0 với TP2 và Tp4, từ đĩ suy ra Q2 và U3 tạo xung kích đĩng trong bán kỳ nào? - So sánh dạng sĩng ở TP0 với TP3 và TP6, từ đĩ suy ra Q3 và U4 tạo xung kích đĩng trong bán kỳ nào? Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 54 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  56. Bài 7: Điều khiển cơng suất AC TP1 t TP2 TP5 t TP3 TP5 t TP9 t TP6 t TP7 t Hình 7.4 2. Với tải R, dùng Oscilloscope quan sát điện áp trên tải, ước lượng gĩc mở, đo điện áp hiệu dụng (hoặc dịng điện hiệu dụng) trên tải, lập bảng 1, nhận xét và so sánh với lý thuyết. α 00 300 600 900 1200 1500 1800 VL V 2 P = L RL Hình 7.5 Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 55 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  57. Bài 7: Điều khiển cơng suất AC 3. Mắc tải R_L vào mạch điều khiển cơng suất AC, dùng oscilloscope xem và vẽ lại dạng sĩng điện áp trên tải, so sánh với trường hợp tải trở, giải thích. 4. Với tải R_L, lặp lại câu 2 (chú ý: VL là điện áp giữa 2 đầu R) . Nhận xét. 7.4. THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM: 1) 01 board thí nghiệm (board lớn). 2) 01 tải R-L. 3) 01 tải motor. 4) 01 oscilloscope. 5) 01 VOM. 7.5. TÀI LIỆU THAM KHẢO: [1]. Giáo trình THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT – Bộ Mơn Viễn Thơng & Kỹ thuật Điều khiển - Khoa cơng Nghệ Thơng Tin & Truyền thơng – ĐHCT - 2001. [2]. Các bài giảng và giáo trình ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT – Bộ Mơn Viễn Thơng & Kỹ thuật Điều khiển - Khoa cơng Nghệ Thơng Tin & Truyền thơng – ĐHCT. [3]. NGUYỄN VĂN NHỜ - GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT I – NXB Đại học Quốc gia TP HCM – 2002. [4]. TRƯƠNG VĂN TÁM - MẠCH ĐIỆN TỬ – Giáo trình – Bộ Mơn Viễn Thơng & Kỹ thuật Điều khiển - Khoa cơng Nghệ Thơng Tin & Truyền thơng – ĐHCT – 2001. [5]. CYRIL W. LANDER – POWERS ELETRONICS –McGraw-Hill, London – 1987. [6]. Zainal Salam – POWER ELECTRONICS AND DRIVES – Version 3 – UTM.JB – 2003 [7]. Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 56 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  58. Bài 8: Biến tần gián tiếp BÀI 8: BIẾN TẦN GIÁN TIẾP Tham gia thực hiện: KS Trần Lê Trung Chánh 8.1. MỤC ĐÍCH Giúp sinh viên nắm được nguyên tắc hoạt động và một số ứng dụng của bộ biến tần dùng nghịch lưu áp. 8.2. SƠ LƯỢC VỀ LÝ THUYẾT BIẾN TẦN Biến tần dùng để chuyển đổi điện áp hoặc dịng điện xoay chiều ở đầu vào từ một tần số này thành điện áp hoặc dịng điện cĩ một tần số khác ở đầu ra. Biến tần được dùng để điều khiển vận tốc động cơ xoay chiều theo phương pháp điều khiển tần số, theo đĩ tần số của lưới nguồn sẽ đổi thành tần số biến thiên. Ngồi việc thay đổi tần số cịn cĩ sự thay đổi tổng số pha. Từ nguồn lưới 1 pha, thơng qua biến tần ta cĩ thể mắc tải là một động cơ ba pha. Bộ biến tần cịn được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật nhiệt điện, chẳng hạn như cung cấp năng lượng cho lị cảm ứng. 8.2.1. Phân loại - Phân loại dựa vào tổng số pha ta cĩ: biến tần 1 pha, 3 pha, m pha - Phân loại dựa vào cấu trúc mạch điện và nguyên tắc hoạt động ta cĩ: biến tần gián tiếp dùng nghịch lưu áp, biến tần gián tiếp dùng nghịch lưu dịng và biến tần trực tiếp. Trong bài này ta sẽ khảo sát biến tần gián tiếp dùng nghịch lưu áp. Biến tần trực tiếp sẽ được thực hiện trong bài 9. 8.2.2. Cấu tạo: (Xem sơ đồ nguyên lý hình 8.1) Biến tần gián tiếp gồm cĩ: - Bộ chỉnh lưu : Cĩ chức năng chỉnh điện áp xoay chiều với tần số cố định ở ngõ vào. Bộ chỉnh lưu cĩ nhiều dạng: mạch tia, mạch cầu, 1 pha hoặc 3 pha - Mạch trung gian một chiều : gồm cuộn cảm Lf và tụ Cf dùng để làm phẳng điện áp được chỉnh lưu, tạo ra một nguồn áp cung cấp cho bộ nghịch lưu. - Bộ nghịch lưu: cĩ thể là 1 pha hoặc 3 pha. Quá trình chuyển mạch của bộ nghịch lưu áp thường là quá trình chuyển đổi cưỡng bức. Bộ nghịch lưu cĩ chức năng biến nguồn điện một chiều đã được chỉnh lưu thành nguồn điện xoay chiều mà tần số cĩ thể điều chỉnh được - Mạch tạo xung kích để điều khiển nghịch lưu áp: Các bộ nghịch lưu áp thường được điều khiển theo kỹ thuật điều chế xung (PWM: Pulse With Modulation) và qui tắc kích đĩng đối nghịch Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 57 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  59. Bài 8: Biến tần gián tiếp Mạch Mạch nghịch chỉnh lưu lưu Id1 Lf Id2 f1 ~ - f1 C U f d2 - ~ Mạch tạo Hình 8.1 xung kích a. Bộ chỉnh lưu và mạch trung gian một chiều: Chỉnh lưu bán kỳ khơng điều khiển (hình 8.2) Pha .01μF/400V • • Lf L • • Pha f • • AC110/50Hz 330μF/400V 330μF/400V Pha • • • • Dây trung hịa • (a) (b) Hình 8.2: (a) 1 pha (b) 3 pha Trong bài thí nghiệm này ta sử dụng nguồn điện 1 pha. b. Bộ nghịch lưu áp ƒ Bộ nghịch lưu áp 1 pha: Bộ nghịch lưu áp dùng BJT mắc theo dạng mạch cầu (Hình 8.3.a) cĩ 4 cơng tắc (BJT) và 4 diode mắc đối song. Xung kích được đưa vào điều khiển bộ nghịch lưu được cách ly bằng biến thế. Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 58 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  60. Bài 8: Biến tần gián tiếp • +280VDC 10 10 1N5408 1N5408 C2939 C2939 • • 10 10 1N5408 1N5408 C2939 C2939 • - • • • Tải (a) S1, S2 S3, S4 Utả + i - (b) Hình 8.3 (a) Bộ nghịch lưu áp 1 pha. (b) Giản đồ kích đĩng các cơng tắc và đồ thị áp tải. Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 59 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  61. Bài 8: Biến tần gián tiếp + S U/2 S1 S3 5 S S S 1 3 5 + U - S4 S6 S2 S4 S6 S2 U/2 - J1 J2 J3 • • • U11 U12 U13 Hình 8.4 : Bộ nghịch lưu áp 3 pha 8.2.3. Phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp : Các bộ nghịch lưu áp thường được điều khiển dựa theo kỹ thuật điều chế độ rơng xung (PWM) và qui tắc kích đĩng đối nghịch. Qui tắc kích đĩng đối nghịch đảm bảo dạng áp tải được điều khiển tuân theo giản đồ kích cơng tắc và kỹ thuật điều chế độ rộng xung cĩ tác dụng hạn chế tối đa các ảnh hưởng bất lợi của sĩng hài bậc cao xuất hiện ở phía tải. Dựa vào phương pháp thiết lập giản đồ kích đĩng các cơng tắc trong bộ nghịch lưu áp, ta cĩ thể phân biệt các dạng điều chế độ rộng xung khác nhau như sau. a. Phương pháp điều chế độ rộng sin (sin PWM) Giản đồ kích đĩng cơng tắc bộ nghịch lưu dựa trên cở sở so sánh 2 tín hiệu cơ bản : sĩng điều chế tần số cao và sĩng điều khiển dạng sin. Sĩng điều chế cĩ thể ở dạng tam giác. Sĩng điều khiển mang thơng tin về độ lớn trị hiệu dụng và tần số sĩng hài cơ bản của điện áp ở ngõ ra. Trong trường hợp bộ nghịch lưu áp 3 pha, 3 sĩng điều khiển của 3 pha phải tạo lệch nhau 1/3 chu kỳ của nĩ. b. Phương pháp điều chế độ rộng xung vuơng (Square PWM) Sĩng điều khiển cĩ dạng chữ nhật, cĩ chu kỳ khơng đổi trong mổi nữa chu kỳ. Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 60 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  62. Bài 8: Biến tần gián tiếp c. Phương pháp điều chế độ rộng xung tối ưu (Optimum PWM) Ảnh hưởng của một số sĩng hài bật thấp chứa trong điệnn áp ra cĩ thể được khử bỏ bằng phương pháp điều chế độ rộng xung tối ưu. Giản đồ kích đĩng các cơng tắc được thiết lập trên cơ sở phân tích hàm tối ưu theo các biến là gĩc kích đĩng các linh kiện. d. Phương pháp điều chế theo dịng điện Giản đồ kích đĩng các cơng tắc được xác định trên cơ sở so sánh dịng điện yêu cầu của tải và dịng điện đo được. e. Phương pháp điều rộng Cịn gọi là phương pháp điều chế độ rộng xung đơn, là trường hợp đặt biệt của phương pháp điều chế độ rộng xung. Trong mổi nữa chu kỳ, áp ra chỉ cĩ một xung điện áp. Độ lớn điện áp cho tải được điều khiển bằng cách thay đổi độ rộng xung điện áp. Phương pháp này chỉ áp dụng điều khiển bộ nghịch lưu áp 1 pha. f. Phương pháp điều khiển theo biên độ Gọi tắc là phương pháp điều biên. Phương pháp này đồi hỏi điện áp nguồn điều khiển được. Các cơng tắc trong cặp cơng tắc cùng pha được kích đĩng với thời gian bằng nhau và bằng một nữa chu kỳ áp ra. Bộ nghịch lưu áp ba pha điều khiển theo biên độ cịn gọi là bộ nghịch lưu 6 bước (six-step voltage inverter) Trong bài này sử dụng vi điều khiển 89C51 để tạo xung điều khiển, nĩ được lập trình cung cấp 3 tín hiệu điều khiển lệch pha 1200 ở 3 port P3.0, P3.1 và P3.2 và cĩ thể chọn một trong 3 tần số 40Hz, 50Hz, 100Hz cho dịng điện ra trên tải. Sơ đồ chi tiết của bộ biến tần trong bài thí này được được in kèm theo board mạch thí nghiệm. 8.2.4. Giới thiệu về biên tần SIEMENS G110 a. Giới thiệu chung - Sinamics G110 là biến tần cho phép thay đổi tần số như mong muốn để điều khiển động cơ AC 3 pha. Hiện dịng sản phẩm cĩ nhiều model với cơng suất từ 120W đến 3KW. Model sử dụng trong bài thí nghiệm cĩ cơng suất 2.2KW. - Biến tần G110 là một hệ vi xử lý và điều khiển dùng cơng nghệ IGBT ( Isolated Gate Bipolar Transistor). Sản phẩm cĩ độ tin cậy cao và linh hoạt trong các ứng dụng. Việc sử dụng phương pháp biến điệu độ rộng xung đặc biệt, với tần số xung cĩ thể lựa chọn cho phép motor hoat động thật yên tĩnh và nhẹ nhàng. Bên cạnh đĩ, với các tính năng bảo vệ tồn diện giúp bảo vệ an tồn cho chính biến tần G110 và motor kết nối khi sử dụng. - G110 cĩ thể sử dụng theo hai phương thức điều khiển: + Điều khiển Analog – dùng mạch tương tự kết nối với các ngõ vào của G110. + Điều khiển USS – dùng chuẩn RS485. Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 61 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  63. Bài 8: Biến tần gián tiếp b. Sơ lược cấu tạo. L1,L2/N BOP DIN10 U,V,W,PE Hình 8.5: Hình dạng biến tần G110 - G110 với gĩc nhìn từ đỉnh (Hình 8.6). + L1, L2: nối với nguồn điện 220V. + PE (Protect Circuit): thường được nối với mass của biến tần G110. + Led: dùng để hiện thị giúp người sử dụng DIN10 biết được trạng thái của G110. + DC+, DC-: ngõ ra điện thế 1 chiều. + U, V, W: Kết nối với động cơ 3 pha. + DIN 10: Các ngõ vào của G110. Hình 8.6 Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 62 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  64. Bài 8: Biến tần gián tiếp - Sơ đồ khối của G110 (Hình 8.7): Hình 8.7 c. Sử dụng G110 cĩ thể điều khiển động cơ bằng nhiều cách: + Thơng qua các DIP trên G110 + Keypad + PC (mode USS). - Để điều khiển hoạt động của G110, người điều khiển phải nhập vào các tham số (Parameter). G110 sẽ lấy giá trị các tham số này, tính tốn và thực hiện điều khiển tương ứng ở ngõ ra. Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 63 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  65. Bài 8: Biến tần gián tiếp Các tham số điều khiển: - P0003: Cấp độ truy nhập các thơng số. 1: Standard. 2: Extended. 3: Expert 4: Reserved - P0010: Cài đặt chế độ chấp hành cho G110. 0: Ready 1: Quick Commissioning. 2: Inverter. 29: Download 30: Factory setting - P0100: Europe / North America. 0: kw/50hz. 1: Hp/60hz. 2: kw/60hz. - P0700: Chọn bộ điều khiển: 1: BOP (Basic Operation Panel) 2: Terminal / Digital input 3: USS Interface Tên Chức năng P0304 Điện thế định mức của động cơ P0305 Dịng điện định mức của động cơ P0307 Cơng suất định mức của động cơ P0308 Hệ số cơng suất P0310 Tần số hoạt động P0311 Số vịng quay trong 1 phút P0335 Chọn chế độ làm mát cho motor P0640 Tham số về dịng quá tải cho phép P1000 Lựa chọn tần số đặt trước P1080 Tần số nhỏ nhất P1082 Tần số lớn nhất P1120 Thời gian tăng đến tần số lớn nhất P1121 Thời gian giảm từ tần số lớn nhất về 0 P1300 Chọn chế độ điều khiển P3900 Chọn kết thúc Quick Commissioning Sử dụng BOP để truy nhập vào các tham số tương đối đơn giản: 1. Nhấn để vào chọn các tham số. 2. Nhấn đến khi tham số cần hiệu chỉnh hiển thị trên màn hình. 3. Nhấn để hiển thị giá trị hiện tại của tham số. 4. Nhấn hoặc để chọn giá trị cần thiết lập. 5. Nhấn để chấp nhận giá trị vừa thay đổi. 6. Lặp lại từ bước 2 cho các thơng số kế tiếp. Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 64 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  66. Bài 8: Biến tần gián tiếp 8.3. CÂU HỎI VÀ THỰC HÀNH A. Câu hỏi lý thuyết 1. Cơng suất của một dịng điện hình sin phụ thuộc vào tần số của nĩ như thế nào? 2. Tốc độ quay của một motor AC thay đổi theo tần số của nguồn cấp điện như thế nào? 3. Từ sơ đồ mạch hãy cho biết các xung điều khiển S1, S2, S3, S4, S5, S6 lệch pha nhau như thế nào ? 4. Bộ biến tần gián tiếp dùng nghịch lưu áp khác với biến tần gián tiếp dùng nghịch lưu dịng ở điểm nào? B. Phần thực hành trên bộ biến tần dùng BJT cơng suất và mạch tạo xung kích dùng vi điều khiển 89C51. 1. Mắc tải R(bĩng đèn) vào mạch biến tần theo kiểu Y (đấu hình sao): a. Chọn tần số 40Hz, dùng oscilloscope xem và vẽ lại dạng sĩng xung điều khiển S1 ( tại JH1), S3 (tại JH9) và S5 (tại JH4) từ đĩ cho biết phương pháp điều khiển là phương pháp gì? b. Thay đổi tần số (theo trình tự như sau: ngắt điện nguồn, ấn nút xả điện X, mở nguồn điện lại, ấn nút chọn tần) đo điện áp hiệu dụng trên tải (trên một pha xác định). Lập bảng : Tần số (Hz) 40Hz 50Hz 100Hz Vtải(V) 2 Ptải= V tải/R Cho nhận xét về sự phụ thuộc của cơng suất vào tần số. c. Dùng oscilloscope xem và vẽ lại dạng sĩng điện áp ra trên tải trên một pha xác định (chú ý : dùng dây lấy tín hiệu cho oscilloscope cĩ mạch giảm áp) , nhận xét. 2. Mắc tải R_L vào mạch biến tần theo kiểu Y, chọn tần số 40Hz, dùng Oscilloscope xem và vẽ lại dạng sĩng điện áp trên tải (trên một pha xác định) 3. Thay tải R_L bằng motor 3 pha, thay đổi tần số và quan sát tốc độ quay của motor. Suy ra sự phụ thuộc của tốc độ quay vào tần số của nguồn điện cấp cho motor. Lúc khởi động motor, nguồn cấp điện cho motor cĩ tần số thấp hay cao? Tại sao? Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 65 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  67. Bài 8: Biến tần gián tiếp C. Phần thực hành trên bộ biến tần Siemens G110. 1. Điều khiển G110 từ các DIN Điều khiển tốc độ và chiều quay động cơ từ mạch điện kết nối từ bên ngồi: - Cài đặt các tham số: + P0700=2 + P1000=2 - Tác động lên các SW ta sẽ điều khiển on/off và chiều quay của động cơ. Thay đổi tần số bằng cách điều chỉnh biến trở. * Sau khi motor hoạt động, nhấn giữ phím trong khoảng 2s để xem các thơng số của tải đang hoạt động: điện thế, tần số, dịng diện. Yêu cầu: Lập bảng thống kê sau: Tần số 0 20 30 40 50 Điện áp Cho nhận xét về mối quan hệ giữa điện áp ngõ ra, tốc độ động cơ với tần số được điều chỉnh. 2. Điều khiển G110 từ BOP Thực hiện cài đặt các thơng số cho biến tần như sau: P0003=1 // Cấp độ truy cập các tham số P0010=1 P0100=0 P0304=220V P0305=2.00A P0307=0.75kw P0310=50Hz P0311=1390 P0700=1 P1000=1Ỉ chọn tần số setpoint từ MOP P1080=0 Hz Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 66 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  68. Bài 8: Biến tần gián tiếp P1082=50 Hz P1120=10 P1121=10 P3900=1 : Khởi động motor ( ON) Ỉ Motor chạy với tần số 5Hz. : Dừng Motor (OFF). : Đảo chiều quay Motor. : Nhấn giữ Motor sẽ tăng dần đến tần số đã đặt.( P1058 )Ỉ tần số hoạt động motor tăng dần đến 5Hz. - Vẫn giữ các thơng số về motor trên nhưng ta thay đổi thêm một số tham số: P0003=3 P0010=0 P1040=30 Ỉ thay đổi tần số MOP. P1058 = 20 Ỉ thay đổi tần số JOG. Thực hiện cài đặt lại 3 tham số: P0700=1 P0719=0 P1000=1 : Khởi động motor ( ON) Ỉ Motor chạy với tần số 30Hz. : Dừng Motor (OFF). : Đảo chiều quay Motor. : Nhấn giữ Motor sẽ tăng dần đến tần số đã đặt.( P1058 )Ỉ tần số hoạt động motor tăng dần đến 20Hz. - Nhấn giữ trong khoảng 2-3s, sau đĩ nhấn tiếp từng lần để xem các thơng số hoạt động của motor. Muốn trở về mode các tham số thì ấn giữ trong khoảng 2-3s. Yêu cầu: - Cho nhận xét về hoạt động của động cơ, khi ta thay đổi tần số MOP và JOP. - Cho biết ý nghĩa của 2 tham số MOP và JOP. 8.4. THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 1. Bộ biến tần dùng BJT và mạch kích dùng vi điều khiển 89C51. 2. Bộ biến tần Siemens G110. 3. 01 Osciloocope 4. 3 tải R_L 5. 01 VOM ( hoặc Ampere kiềm) 6. 01 motor 3 pha Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 67 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  69. Bài 8: Biến tần gián tiếp 8.5. TÀI LIỆU THAM KHẢO: [1]. Giáo trình THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT – Bộ Mơn Viễn Thơng & Kỹ thuật Điều khiển - Khoa cơng Nghệ Thơng Tin & Truyền thơng – ĐHCT - 2001. [2]. Các bài giảng và giáo trình ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT – Bộ Mơn Viễn Thơng & Kỹ thuật Điều khiển - Khoa cơng Nghệ Thơng Tin & Truyền thơng – ĐHCT. [3]. NGUYỄN VĂN NHỜ - GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT I – NXB Đại học Quốc gia TP HCM – 2002. [4]. TRƯƠNG VĂN TÁM - MẠCH ĐIỆN TỬ – Giáo trình – Bộ Mơn Viễn Thơng & Kỹ thuật Điều khiển - Khoa cơng Nghệ Thơng Tin & Truyền thơng – ĐHCT – 2001. [5]. CYRIL W. LANDER – POWERS ELETRONICS –McGraw-Hill, London – 1987. [6]. Zainal Salam – POWER ELECTRONICS AND DRIVES – Version 3 – UTM.JB – 2003 [7]. [8]. Tài liệu kèm theo thiết bị biến tần Siemens G110. Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 68 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  70. Bài 9: Biến tần trực tiếp BÀI 9: BIẾN TẦN TRỰC TIẾP Tham gia thực hiện: ThS. Trần Thanh Hùng - 2001 9.1. MỤC ĐÍCH Bộ biến tần trực tiếp (cycloconverter) tạo ra điện áp xoay chiều ở ngõ ra với trị hiệu dụng và tần số điều khiển được, trị hiệu dụng và tần số điện áp ngõ ra luơn nhỏ hơn hiệu dụng và tần số của điện áp nguồn. Bộ biến tần loại này được ứng dụng trong điều khiển truyền động động cơ điện xoay chiều. Bài thí nghiệm này khảo sát biến tần trực tiếp với nguồn điện xoay chiều một pha bao gồm: - Khảo sát mạch tạo xung điều khiển, thơng qua đĩ sinh viên nắm được phương pháp và kỹ thuật tạo xung kích cĩ thể thay đổi gĩc điều khiển. - Khảo sát mạch cơng suất, thơng qua đĩ sinh viên hiểu rõ hơn nguyên lý hoạt động của bộ biến tần trực tiếp, hoạt động của linh kiện cơng suất (trong bài này ta dùng SCR); xác định mối quan hệ giữa tần số và cơng suất, dạng sĩng điện áp ra, trên các loại tải khác nhau: tải thuần trở, tải R-L, tải R-L-C. 9.2. SƠ LƯỢC LÝ THUYẾT Từ điện thế cung cấp xoay chiều hình sin với tần số 50Hz/60Hz, ta cĩ thể tạo được điện thế xoay chiều hình sin với tần số thay đổi được bằng cách “cắt từng đoạn” điện thế cung cấp ghép lại sao cho điện thế trung bình cĩ dạng hình sin. Biến tần hoạt động dựa vào nguyên tắc này được gọi là biến tần trực tiếp. Dựa vào hình 9.1 ta cĩ thể thấy nếu điện thế cung cấp cho biến tần trực tiếp càng cĩ nhiều pha, thì điện thế ‘cắt được’ cĩ giá trị trung bình càng gần với sĩng sin mong muốn. Để khảo sát, ta cĩ thể chia biến tần thành 2 bộ phận: mạch cơng suất và mạch điều khiển. 9.2.1. Mạch cơng suất: Hình 9.2 trình bày sơ đồ chi tiết mạch cơng suất của một biến tần trực tiếp hai pha. Hai pha điện thế lệch pha nhau 1800 được tạo ra từ điện thế 1 pha bằng một biến thế cĩ điểm giữa. Hai SCR Q1 và Q2 hoạt động như 2 cơng tắc ”cắt” điện thế của 2 pha để tạo thành bán kì dương của điện thế hình sin mong muốn (cung cấp cho tải). Ngược lại, 2 SCR Q3 và Q4 sẽ tạo bán kì âm của điện thế mong muốn. Gĩc mở của các SCR phải thích hợp để điện thế tạo ra cĩ giá trị trung bình thay đổi theo qui luật hình sin (xem hình 9.1.b). 9.2.2. Mạch điều khiển (mạch tạo xung kích): Để các SCR “cắt” điện thế cung cấp đúng vị trí, cần phải cĩ một mạch điều khiển để tạo nên các xung kích các SCR (các tín hiệu g1, g2, g3, và g4 trên hình 9.2). Để điều khiển các SCR Q1 và Q2 cắt 2 pha điện thế tạo bán kì dương của điện áp ngõ ra, ta cĩ thể dùng mạch như trên hình 9.3. Đầu tiên một điện áp cùng pha với pha 1 được đổi thành xung vuơng đảo. Điện áp này được dùng để điều khiển một mạch tích phân để tạo thành một điện thế răng cưa cĩ cùng tần số với điện thế pha 1. Điện thế răng cưa này được đưa vào so sánh với điện thế răng cưa khác (ta khảo sát trong một chu kỳ, 1 Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 69 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  71. Bài 9: Biến tần trực tiếp cạnh xuống và 1 cạnh lên) được tạo ra từ một mạch dao động tạo sĩng sin cĩ tần số rất thấp gọi là tín hiệu điều khiển. Điện thế cung cấp Điện thế ‘cắt’ được V Điện thế mong muốn a) Nguyên tắc hoạt động biến tần trực tiếp 1 pha Điện thế pha1 Điện thế mong muốn Điện thế pha2 V Điện thế ‘cắt’ được b) Nguyên tắc hoạt động biến tần trực tiếp 2 pha Hình 9.1. Nguyên tắc hoạt động của biến tần trực tiếp bằng cách ‘cắt từng đoạn’ điện thế cung cấp. Ngõ ra của mạch so sánh thứ 1 được dùng để điều khiển Q1 trong khi ngõ ra của mạch so sánh thứ 2 dùng để điều khiển Q2. Kết quả là gĩc mở các SCR Q1 và Q2 sẽ giảm dần từ giá trị lớn nhất (ứng với điểm đầu của cạnh lên tín hiệu điều khiển, tín hiệu ở TP3) đến giá trị nhỏ nhất (ứng với điểm cuối của cạnh lên) rồi sau đĩ tăng dần đến giá trị lớn nhất (ứng với điểm cuối của cạnh xuống tín hiệu điều khiển). Như vậy điện thế ngõ ra sẽ tăng dần từ giá trị nhỏ nhất, đạt cực đại ở điểm giữa tín hiệu răng cưa rồi giảm dần đến giá trị thấp nhất. Như vậy mạch ở hình 9.3 tạo được 1 bán kì dương của điện thế ngõ ra. Để điều khiển bán kì cịn lại, sinh viên tự tìm hiểu (xem phần CÂU HỎI và thực hành) Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 70 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  72. Bài 9: Biến tần trực tiếp Q1 Q2 g1 T2 5Pha1 g2 1 R_Load 6 Giua 220V AC in 4 8 Pha2 Q3 g3 Q4 g4 Hình 9.2. Mạch cơng suất biến tần trực tiếp 2 pha 3 + 1 Tới g1 pha1 2 + - ∫ TP4 - 3 So sánh 1 + 1 Pha2 2 - ∫ Tới g2 + 3 + 1 - 2 - ∫ TP2 TP3 So sánh 2 TP1 Mạch dao động Chỉnh tần số tạo sĩng sin 9.3. CÂU HỎI VÀ THỰC HÀNH V0 Hình 9.3 Mạch điều khiển biến tần trực tiếp VTB=? 0 π α Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 71 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  73. Bài 9: Biến tần trực tiếp A. Câu hỏi lý thuyết: 1. Tính điện thế trung bình của 1 chu kì sĩng sin ‘cắt được’ nếu gĩc mở là α . 2. Tìm quy luật thay đổi của gĩc mở α để tạo được điện thế ngõ ra cĩ giá trị trung bình thay đổi theo quy luật hình sin (Dựa vào biểu thức tính điện thế trung bình theo gĩc mở α) . 3. Giải thích nguyên tắc hoạt động của bộ điều khiển biến tần trực tiếp bằng cách vẽ các tín hiệu sin, tam giác, tín hiệu điều khiển, và điện thế trên tải theo cùng một trục thời gian, theo dạng sau: Δ từ pha1 Δ từ sĩng sin Δ từ pha2 sĩng sin điều khiển tần số biến tần Pha1 Pha2 g1 t g2 t VL t Nhận xét về trị trung bình của điện thế trên tải VL. Để tạo chu kì âm của điện thế trên tải, thì mạch điều khiển phải cải tiến như thế nào? Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 72 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  74. Bài 9: Biến tần trực tiếp B. Câu hỏi thực hành 1. Khảo sát mạch tạo xung kích: Cấp điện cho mạch tạo xung kích, a. Để các biến trở chỉnh tần số mạch dao động ở khoảng giữa, điều chỉnh biến trở VR sao cho sĩng tam giác ở TP6 cĩ biên độ lớn hơn sĩng tam giác ở TP4 chút ít. Quan sát và vẽ lại dạng sĩng ở các điểm TP1, TP2, TP3, TP4 và g1, g2 theo cùng một trục thời gian. b. Giảm tần số sĩng sin, điều chỉnh lại biến trở VR như trên, quan sát tín hiệu tại các điểm trên. Cho nhận xét. c. Tăng dần tần số sĩng sin, điều chỉnh lại biến trở VR như trên, quan sát tín hiệu tại các điểm trên. Cho nhận xét. d. Giải thích tại sao phải điều chỉnh biến trở VR như trên? 2. Khảo sát mạch cơng suất: Nối mạch điều khiển vào mạch cơng suất, R1 1 2 Nối tải thuần trở (bĩng đèn) vào mạch cơng suất. Cấp điện mạch cơng suất. - Để các biến trở chỉnh tần số mạch dao động trên mạch điều khiển ở mức giữa, điều chỉnh lại biến trở VR, chỉnh thang biên độ máy hiện sĩng về vị trí lớn nhất. Quan sát tín hiệu điện thế trên 2 đầu tải. Vẽ lại dạng sĩng điện thế trên tải. Dịng điện qua tải cĩ dạng thế nào? - Chỉnh biến trở về vị trí thấp nhất, quan sát dạng tín hiệu trên tải. Nhận xét. R1 2,2K 1 2 C2 - Tăng dần tần số sĩng sin, điều chỉnh lại biến trở VR như phần trên, quan sát tín hiệu trên tải, nhận xét. a. Ngắt điện mạch cơng suất. Nối tụ C2 song song với tải R1. Lập lại thí nghiệm như phần II.1. Điện thế trên tải thay đổi thế nào so với phần II.1. R1 1 2 L2 2,2K C2 b. Ngắt điện mạch cơng suất. Mắc tải như hình bên. Lập lại thí nghiệm như phần II.1. Điện thế trên tải thay đổi thế nào so với 2 trường hợp trên. Trường hợp nào tín hiệu tốt nhất (gần sin nhất). c. Cho biết cơng dụng của 2 tụ C1, C2 nối giữa G và K của Q1 & Q2? d. Mắc tải R&L nối tiếp, R=2,2K, quan sát tín hiệu ra, nhận xét? Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 73 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  75. Bài 9: Biến tần trực tiếp e. Mắc tải motor, thay đổi tần số, quan sát tốc độ quay của motor, cho nhận xét về s ự phụ thuộc của tốc độ quay và cơng suất vào tần số điện áp ra. f. Sinh viên cho biết mạch thí nghiệm thích hợp sử dụng với loại tải nào ? Khơng thích hợp với loại tải nào? Giải thích tại sao? Nêu hướng khắc phục để mạch cĩ thể sử dụng trong thực tế? 9.4. THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM: 1) 01 mạch thí nghiệm (board lớn). 2) 01 tải motor. 3) 01 oscilloscope. 4) 01 VOM. 9.5. TÀI LIỆU THAM KHẢO: [1]. Giáo trình THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT – Bộ Mơn Viễn Thơng & Kỹ thuật Điều khiển - Khoa cơng Nghệ Thơng Tin & Truyền thơng – ĐHCT - 2001. [2]. Các bài giảng và giáo trình ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT – Bộ Mơn Viễn Thơng & Kỹ thuật Điều khiển - Khoa cơng Nghệ Thơng Tin & Truyền thơng – ĐHCT. [3]. NGUYỄN VĂN NHỜ - GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT I – NXB Đại học Quốc gia TP HCM – 2002. [4]. TRƯƠNG VĂN TÁM - MẠCH ĐIỆN TỬ – Giáo trình – Bộ Mơn Viễn Thơng & Kỹ thuật Điều khiển - Khoa cơng Nghệ Thơng Tin & Truyền thơng – ĐHCT – 2001. [5]. CYRIL W. LANDER – POWERS ELETRONICS –McGraw-Hill, London – 1987. [6]. Zainal Salam – POWER ELECTRONICS AND DRIVES – Version 3 – UTM.JB – 2003 [7]. Giáo trình thí nghiệm điện tử cơng suất Trang 74 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn