Giáo Trình Thí nghiệm Điện Tử Công Suất

V0121 Giáo Trình Thí nghiệm Điện Tử Công Suất TTCN Điện - 58 - 1. Giới thiệu Điện tử công suất là một ngành mới của Điện tử. Trong một thời gian dài, thuật ngữ “điện tử” được nói đến chỉ về khía cạnh điều khiển hệ thống. Lý do của vấn đề nầy là vì các đèn điện tử ban đầu giá thành thấp không có khả năng cấp đủ dòng cho tải hoạt động. Điều nầy có nghĩa là về phương diện điều khiển hệ thống đã giảm được giá thành và tiết kiệm được khoảng không gian chiếm chỗ nhưng về phương diện dòng tải vẫn phải được thiết lập dựa trên sự”biến đổi về điện”. Đến năm 1949, chuyển tiếp PN mới của bán dẫn được phát minh. Điều nầy đã giúp hoàn tất khả năng tạo được dòng tải lớn về phương diện điện. Từ đây nó đã cho ra đời một lĩnh vực mới : Điện tử công suất.Tuy nhiên điều nầy không chỉ khẳng định về mặt năng lượng mà còn cả về mặt điện tử điều khiển tương ứng. Một cách cơ bản có thể nói rằng Điện tử công suất là những gì dùng để biến đổi, hòa trộn và phân phối năng lượng điện bằng công cụ điện tử. Những bộ phân phối hoặc chuyển tải năng lượng có thể được sắp xếp phân chia như sau: Hình 1.1.1 Hình trình bày dòng năng lượng qua sự chuyển đổi của các bộ chuyển đổi năng lượng điện ( S = nguồn , L = tải ) V0121 Giáo Trình Thí nghiệm Điện Tử Công Suất TTCN Điện - 59 - Nếu bạn muốn một tải DC hoạt động trên nguồn AC chính của chúng tôi bạn cần một tầng giữa nguồn năng lượng và tải, nó đã chuyển đổi dòng xoay chiều nghĩa là chỉnh lưu. Chúng ta gọi tầng nầy là bộ chỉnh lưu. Trường hợp ngược lại khi bạn muốn một tải AC hoạt động( ví dụ như motor ) từ nguồn cung cấp là DC. Điều nầy có nghĩa là bạn phải chuyển đổi thành dòng điện AC.Hệ thống bạn mong muốn để thực hiện việc nầy được gọi là Inverter ( bộ nghịch lưu ).Bộ inverter nầy có thể thay đổi được cả biên độ và tần số. Đối với một động cơ không động bộ, điều nầy sẽ dẫn đến việc có thể thay đổi được cả dòng điện ( ngẩu lực) và tốc độ. Đối với nguồn AC, ta có thể thay đổi biên độ và tần số từ nguồn AC này sang nguồn AC khác bằng bộ chuyển đổi AC ( AC converter). Trong trường hợp tần số vào f1 bằng tần số ra f2 gọi là bộ biến đổi AC trực tiếp. Đối với nguồn DC, ta có thể thay đổi biên độ và cực tính của nguồn DC bằng bộ chuyển đổi DC ( DC converter). Trong trường hợp nếu chuyển đổi trực tiếp từ điện áp DC U1 thành điện áp DC U2 mà không qua hệ thống điện áp AC thì được xem là bộ chuyển đổi trực tiếp DC. Những chú ý cho phần kỹ thuật đo lường Chiều của dòng điện và điện áp: Chiều của dòng điện và điện áp trong các mạch đo luôn thì luôn luôn được vẽ từ một điểm đến điểm tham chiếu. Điểm tham chiếu thường được ký hiệu là điểm nối đất. Đo dòng: Dòng điện được đo gián tiếp thông qua điện áp rơi trên điện trở. Thang đo dòng điện cần phải tính toán tương ứng với thang đo của điện áp. Tất cả các điện trở được đo có giá trị 0,5Ω với dung sai ± 10%. Thang đo thời gian của máy hiện sóng: Trong việc hiển thị sự liên quan AC, trục thời gian được xác định theo một góc đo. Máy hiện sóng có thể được điều chỉnh tương ứng với các góc đo dựa vào trục toạ độ gốc. V0121 Giáo Trình Thí nghiệm Điện Tử Công Suất TTCN Điện - 60 - Những chú ý khi làm việc với Power Board Nguồn cung cấp cho Power Board Bộ nguồn 3 pha ngõ ra được cách ly với nguồn cung cấp thí dụ dây N từ nguồn cung cấp 12VAC không có nối với dây N của nguồn cung cấp chính ( vì lý do an toàn ) và cũng không có nối với đất của nguồn ± 15V.Cả hai đều không nối đất của nguồn ± 15V có vài kết nối về điện với nguồn cung cấp chính. Điều nầy dẫn đến việc tạo cho nó có khả năng đo lường với một máy hiện sóng tiêu chuẩn mà không cần dùng một biến thế cách ly. Trong các bài tập khác nhau GND của ± 15V được minh hoạ là điểm nối đến N hoặc được nối với cực âm của bộ chuyển đổi dòng điện . Nguồn 3 pha là nguồn cung cấp mà trong đó pha L2 và L3 được tạo ra mang tính giả lập( hệ thống lấy nguồn chính là một pha để tạo nguồn 3 pha). Bộ nguồn ba pha hoạt động được thông qua mạch cầu. Để phân biệt giữa các nguồn cung cấp riêng biệt và để tăng cường cách điện giữa dòng 3 pha và nguồn cung cấp AC, các đường dây được đặt tên là L1’, L2’, L3’ và N’. Thí dụ khi L1 và N nối dây không đúng, sẽ xảy ra ngắn mạch, cầu chì F2 hoặc cầu chì F3 của nguồn 3 pha sẽ đứt, các cầu chì nầy có thể được thay thế mà không cần mở mạch. Các cầu chì bảo vệ mạch điện trong Power Board, ví dụ F1, được đặt bên trong mạch và chỉ có thể thay thế bằng cách mở nắp đậy phía sau. Tuy nhiên, những cầu chì nầy chỉ đứt nếu có một lỗi trong mạch nầy và sẽ không đứt khi nối dây sai. V0121 Giáo Trình Thí nghiệm Điện Tử Công Suất TTCN Điện - 61 - Sự phân phối dòng trên Power Board Tên gọi Power Board có thể được sử dụng trong bản vẽ kỹ thuật. Chiều mũi tên chỉ sự phân phối các tín hiệu thí dụ chiều mũi tên L1 chỉ rằng tín hiệu L1 đã được nối dây tại những điểm kh ác nhau trên Power Board. Nếu một giắc cắm được nối với L1 sẽ được biểu diễn bởi một mũi tên đến ( xem hình 1.1.4 bên phải). Tương tự đối với N và +15V. Nối đất (GND) được ký hiệu là ┴ như hình H 1.1.4 bên phải. Điểm cài đặt của chiết áp Nếu điện áp cài đặt được yêu cầu cho một số thí nghiệm, thí dụ như các bộ chuyển đổi điều chỉnh được, những điện áp nầy được lấy từ các chiết áp cài đặt. các chiết áp phải được gắn chặt vào các điểm phụ thuộc khác nhau vào dãy điện áp cài đặt. Kết nối các đầu nối từ 2mm đến 4mm. Đầu nối 2mm được dùng trên board công suất phải được kết nối đến các đầu nối 4mm được dùng phổ biến trong các thiết bị đo, để có thể nối với các thiết bị đo bên ngoài.Các đầu chuyển đổi nầy đã được gắn trên board công suất. Các panel chuyển đổi này có hiệu lực cho tay trái hay tay phải.Các panel bao gồm một cặp cả 2 loại chuyển đổi từ 2mm sang 4mm và một đầu nối đất tiếp nhận cả 2 đế cắm. Đầu nối đất nầy đã được nối đất bên trong. V0121 Giáo Trình Thí nghiệm Điện Tử Công Suất TTCN Điện - 62 - 2. Chỉnh lưu không điều khiển 2.1 Mạch chỉnh lưu bán kỳ 1 pha không điều khiển M1U 2.1.1 Tổng quát Cách đơn giản nhất của việc đổi dòng xoay chiều thành dòng một chiều là sử dụng trạng thái mở và trạng thái tắt của diode. Hình 2.1.1 minh họa cho 1 mạch như vậy. Diode V1 chuyển sang trạng thái dẫn khi điện áp chính Us vượt điện áp ngưỡng của diode. Trong khoảng thời gian dẫn nầy, dòng một chiều Id chảy qua điện trở RL .Diode V1 khóa lại khi điện áp chính Us rơi xuống dưới ngưỡng điện áp của diode. Như vậy diode chỉ cho phép dòng điện chạy qua trong khoảng thời gian ứng với bán kỳ dương của điện áp chính. Biên độ của dòng điện được xác định bởi giá trị của điện trở tải RL. Dạng sóng của nó đồng dạng với bán kỳ dương của điện áp chính đặt vào. Hình 2.1.1.1 Mạch chỉnh lưu bán kỳ một pha không điều khiển M1U V0121 Giáo Trình Thí nghiệm Điện Tử Công Suất TTCN Điện - 63 - Hình 2.1.1.2 Dạng sóng dòng và áp trong mạch chỉnh lưu bán kỳ 1 pha không điều khiển M1U đối với tải thuần trở 2.1.2 Phần thí nghiệm □ Thí nghiệm 1 Đo dòng và áp mạch chỉnh lưu bán kỳ không điều khiển M1U đối với tải thuần trở Tiến trình thực hiện • Thiết lập mạch điện như trình bày ở hình 2.1.2.2 với boar công suất. • Chuyển Trigger của máy hiện sóng sang ( Line/ ˜ ) • Đo dạng sóng các giá trị thay đổi sau : - Điện áp chính Us - Điện áp ngõ ra chỉnh lưu Ud - Dòng điện ngõ ra Id ( khi điện áp rơi trên Rm ) • Vẽ các dạng sóng trên các biểu đồ đã cho ở hình 2.1.2.3 và 2.1.2.4 V0121 Giáo Trình Thí nghiệm Điện Tử Công Suất TTCN Điện - 64 - V0121 Giáo Trình Thí nghiệm Điện Tử Công Suất TTCN Điện - 65 - Câu hỏi : Hãy so sánh Us và Ud . Bằng cách nào đã làm cho 2 điện áp nầy có sự khác nhau và sự khác nhau nầy xuất phát từ đâu ? Trả lời : .................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................... ........ V0121 Giáo Trình Thí nghiệm Điện Tử Công Suất TTCN Điện - 66 - Sử dụng máy hiện sóng tính toán để đo dòng Một dòng điện có giá trị 0,2A/div được yêu cầu thể hiện trong biểu đồ hình 2.1.2.4. Hãy tính toán những giá trị thiết lập cần thiết trên máy hiện sóng. - Yêu cầu : 0,2A/div - Cho biết : Rm = 0,5Ω U=R.I → …………………….. = …………………………….. → 0,2A/div ≈ ................V/div V0121 Giáo Trình Thí nghiệm Điện Tử Công Suất TTCN Điện - 67 - □ Thí nghiệm 2 Đo dòng và áp mạch chỉnh lưu bán kỳ không điều khiển M1U đối với tải hổn hợp RL Tiến trình thực hiện • Thiết lập mạch thí nghiệm như trình bày ở hình 2.1.2.5 • Chỉ kết nối tải thứ nhất ( mạch điện có cuộn dây nối tiếp với điện trở ) • Đo dạng sóng các đại lượng thay đổi sau : -Điện áp ngõ ra Ud - Dòng điện ngõ ra Id ( khi điện áp rơi trên Rm ) • Vẽ dạng sóng được chỉ rõ trên biểu đồ ở hình 2.1.2.6 V0121 Giáo Trình Thí nghiệm Điện Tử Công Suất TTCN Điện - 68 - Câu hỏi 1: Sự lệch pha giữa dòng điện và điện áp có thể nhận thấy được trên máy hiện sóng. Hãy cho biết giá trị độ lệch pha nầy và nguyên nhân tạo ra ? Trả lời : …………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………… V0121 Giáo Trình Thí nghiệm Điện Tử Công Suất TTCN Điện - 69 - • Đo dạng sóng các đại lượng thay đổi sau : -Điện áp ngõ ra Ud - Điện áp cuộn dây UL • Vẽ dạng sóng trên biểu đồ đã cho ở hình 2.1.2.7 Ghi chú : Điện áp ngõ ra Ud và điện áp cuộn dây UL không có điểm tham chiếu chung. Vì vậy các tín hiệu phải được đo lần lượt hoặc thứ tự của mạch điện phải được thay đổi. Câu hỏi 2 : Điện áp ngõ ra Ud đôi khi là âm khi bạn nhìn vào biểu đồ hình 2.1.2.7. Bạn hãy giải thích cho cả 2 phần điện áp dương và âm xuất hiện tại ngõ ra của mạch chỉnh lưu? Trả lời : …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… V0121 Giáo Trình Thí nghiệm Điện Tử Công Suất TTCN Điện - 70 - …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………...… • Hãy kết nối lại nhánh b song song với tải nhánh a đến ngõ ra của mạch chỉnh lưu. • Vẽ dạng sóng trên biểu đồ đã cho ở hình 2.1.2.8 Ghi chú : Phần điện áp ngõ ra có giá trị âm được hiểu như là vùng thời gian điện áp âm.Vùng nầy có thể ngăn chặn khi sử dụng một diode hồi phục. Câu hỏi 3: Diode hồi phục có tác dụng gì đối với dòng điện qua tải điện trở - cuộn dây? Trả lời : …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… V0121 Giáo Trình Thí nghiệm Điện Tử Công Suất TTCN Điện - 71 - …………………………………………………………………………………………………………… ……………………………… V0121 Giáo Trình Thí nghiệm Điện Tử Công Suất TTCN Điện - 72 - Ghi chú: V0121 Giáo Trình Thí nghiệm Điện Tử Công Suất TTCN Điện - 73 - 2.2 Mạch chỉnh lưu cầu một pha không điều khiển B2U 2.2.1 Tổng quát Mạch điện được sử dụng nhiều nhất để biến đổi trực tiếp dòng diện AC là mạch chỉnh lưu cầu không điều khiển B2U. Với mạch nầy, 4 diode được kết nối nhau tạo thành dạng cầu. Điểm a có điện thế dương hơn so với điểm b ứng với bán kỳ dương. Điều nầy có nghĩa là dòng điện có thể chạy từ biến thế qua diode V1, qua tải RL và diode V4 rồi trở lại biến thế. Điểm b có điện thế dương hơn điểm a ứng với bán kỳ âm.Một dòng điện kế tiếp sẽ chạy qua diode V3 , tải RL và diode V2. Điện áp ngõ ra Ud và dòng điện tải Id luôn cùng chiều nhau. Kết quả ta có dòng một chiều qua tải. Hình 2.2.1.1 Minh họa 2 kiểu mạch thông dụng V0121 Giáo Trình Thí nghiệm Điện Tử Công Suất TTCN Điện - 74 - Hình 2.2.1.2Dạng tín hiệu trong mạch chỉnh lưu cầu không điều khiển B2U 2.2.2 Phần thí nghiệm □ Thí nghiệm 1 Đo dòng và áp trong mạch chỉnh lưu cầu không điều khiển B2U đối với tải thuần trở. Tiến trình thí nghiệm • Thiết lập mạch điện như trình bày ở hình 2.2.2.1 với board công suất ( xem hình 2.2.2.2 ) • Đo dạng sóng cho các đại lượng thay đổi sau: -Điện áp ngõ ra Ud -Dòng tải ngõ ra Id -Dòng qua diode Iv2 -Dòng qua diode Iv4 • Vẽ dạng sóng trong biểu đồ đã cho ở hinh2.2.2.3 và 2.2.2.4 V0121 Giáo Trình Thí nghiệm Điện Tử Công Suất TTCN Điện - 75 - V0121 Giáo Trình Thí nghiệm Điện Tử Công Suất TTCN Điện - 76 - V0121 Giáo Trình Thí nghiệm Điện Tử Công Suất TTCN Điện - 77 - Câu hỏi : Hãy cho biết số lượng xung trên mạch điện B2U ( số lượng xung là số xung điện áp trên phần DC trong một chu kỳ )? Trả lời : .................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................... ................................................................................................................ □ Thí nghiệm 2 Đo dòng điện và điện áp cho mạch chỉnh lưu cầu không điều khiển B2U đối với tải hổn hợp R-L Tiến trình thực hiện ● Thiết lập mạch điện như trình bày ở hình 2.2.2.5.Bỏ qua 2 điện trở đo 0,5Ω với đầu cắm 2mm ● Đo dạng sóng điện áp ngõ ra Ud và dòng tải Id V0121 Giáo Trình Thí nghiệm Điện Tử Công Suất TTCN Điện - 78 - V0121 Giáo Trình Thí nghiệm Điện Tử Công Suất TTCN Điện - 79 - 2.3 Mạch chỉnh lưu 3 pha hình tia không điều khiển 2.3.1 Tổng quát Mạch điểm giữa 3 xung không điều khiển M3U thường được nói đến như là mạch điểm giữa dòng 3 pha .Giống như mạch điểm giữa đơn xung M1U, đây là mạch chỉnh lưu nửa sóng. Điện áp ngõ vào U’L1, U’L2 ,U’L3 có cùng điểm tham chiếu với điện áp ngõ ra Ud, tên của nó là dây dẫn N. Mạch điện được thiết lập đã làm sáng tỏ một điều rằng dòng điện chỉ có thể chạy qua 1 trong các diode khi điện áp pha tương ứng lớn hơn Ud. Ghi chú : Nhãn L’1....N’ thay thế cho L1.....N nhằm muốn nhấn mạnh rằng có một sự cách ly về điện giữa lưới điện và mạch chỉnh lưu. Hình 2.3.1.1 Mạch chỉnh lưu hình tia 3 pha không điều khiển M3U V0121 Giáo Trình Thí nghiệm Điện Tử Công Suất TTCN Điện - 80 - Hình 2.3.1.2 Điện áp ngõ vào và ra trong mạch chỉnh lưu hình tia 3 pha M3U Biểu đồ 2.3.1.2 chứng tỏ rằng điện áp 3 pha chồng lên nhau để mỗi pha đơn của điện áp chỉ vượt trội hơn trong một thời gian ngắn của chu kỳ.Khi điện áp 3 pha được chỉnh đúng 120º, phần vượt trội của điện áp pha cũng trãi qua một góc đúng bằng 120º. Điện áp pha UL1’ là điện áp cao nhất, có liên hệ đến chu kỳ của nó, bắt đầu đúng từ 30º đến 150º. Điều nầy có nghĩa là diode V1 không thể dẫn điện tại thời điểm khi UL1’ qua trục 0, mà chỉ khi UL1’ có giá trị là 0,7V lớn hơn UL3’ hoặc UL1’ có góc pha lớn hơn 30º. Diode V1 sau đó tải dòng DC Id đến góc pha 150º. Kế tiếp đến lượt V2 tiếp tục tải dòng vì UL2’ có điện áp pha lớn nhất trong khoảng từ 150º đến 270º.Từ 270º đến 300º thì lặp lại điện áp pha vượt trội cho UL3’ và diode V3 tải dòng Id . Như vậy mỗi diode tải dòng trong 1/3 chu k ỳ. Khi 1 diode chuyển dòng được hiểu là một sự chuyển mạch.Chúng ta nói rằng dòng điện chuyển mạch từ V1 sang V2 tại 150º. Khác với dòng điện trong mạch điện điểm giữa đơn xung không điều khiển M1U, dòng điện nầy không thể được hình thành từ mức 0. Chúng ta bảo rằng đây là dòng điện không gián đoạn. Nếu 3 diode được kết nối sao cho âm cực có điểm nối chung , sự rút gọn có thể được mở rộng sang M3UC. Nếu các diode được nối chung tại dương cực, vấn đề sẽ được giải quyết cụ thể ở mạch M3UA. V0121 Giáo Trình Thí nghiệm Điện Tử Công Suất TTCN Điện - 81 - 2.3.2 Phần thí nghiệm □ Thí nghiệm Đo dòng điện và điện áp cho mạch điểm giữa 3 xung không điều khiển M3U đối với tải thuần trở Tiến trình thực hiện • Thiết lập mạch điện như hình 2.3.2.1 với board công suất ( xem hình 2.3.2.2) • Bật công tắc M3/B6 sang vị trí M3 • Đặt nguồn cung cấp 3 pha sang chức năng nối cầu • Vẽ dạng sóng cho các đại lượng biến đổi sau : - Điện áp pha UL1’,UL2’ và UL3’ - Điện áp ra tương ứng Ud - Dòng ngõ ra Id • Vẽ dạng sóng trong biểu đồ cho ở hình 2.3.2.3.và 2.3.2.4 Ghi chú : Sử dụng chức năng trigger của máy hiện sóng : Trước tiên cho hiển thị điện áp pha UL1’ trên màn hình và chức năng trigger chuyển sang vị trí LINE. Các mức độ tỉ lệ thời gian phải được chọn lựa cho phù hợp. Một chu kỳ phải trải rộng ra 10 độ chia. Điều nầy cho ta được một tỉ lệ 36º/độ chia( 1 độ chia = 1 ô ) . V0121 Giáo Trình Thí nghiệm Điện Tử Công Suất TTCN Điện - 82 - Hình 2.3.2.2 Minh hoạ kết nối mạch đo lường hình 2.3.2.1 ở board công suất V0121 Giáo Trình Thí nghiệm Điện Tử Công Suất TTCN Điện - 83 - Điện áp pha UL1’...............V/div Điện áp pha UL2’...............V/div Điện áp pha UL3’...............V/div Điện áp ngõ ra Ud..................V/div V0121 Giáo Trình Thí nghiệm Điện Tử Công Suất TTCN Điện - 84 - Dòng điện ngõ ra Id...............A/div ≈ ..........V/div Câu hỏi 1: Có bao nhiêu xung trong mạch M3U ? Trả lời : .................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................... .........................................................................................................