THÔNG TIN TÀI LIỆU
TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử B ÀI 2: CÁC BỘ BIẾN ĐỔI TĨNH CHUYỂN MẠCH TỰ ĐỘNG MỤC LỤC Tổng quan thực hành hành Giới thiệu lý lý thuyết Hoạt động góc phần tư 10 a.Q trình q độ dịng điện điện áp điều khiển băm xung DC 11 b.Ghi lại đặc tính điều khiển 17 ree-wh c Phân tích ảnh hưởng phần tử f r e e-wheeling 20 d Phân tích thành phần điện áp AC DC, dòng điện cơng suất 26 e Phân tích điều khiển bán dẫn 38 42 4.Hoạt động nhiều góc phần tư a.Q trình q độ dịng điện điện áp điều khiển băm xung DC 43 b.Ghi đặc tính điều khiển 52 c.Phân tích thành phần AC DC điện áp, dịng điện cơng suất 56 d.Phân tích q trình điều khiển bán dẫn 66 TN Chuyển Mạch Tự Động Phịng TN Điện-Điện Tử Mục đích thí n g hiệm Quen thuộc với nguyên lý làm việc điều khiển băm xung DC, hoạt động nhiều góc phần tư, với loại tải khác Phân tích vai trị thyristor q trình dẫn dòng điện, chế độ hoạt động khác khoảng thời gian khác Nhận biết trình tự trình chuyển mạch điều khiển thyristor mạch điều khiển băm xung xu ng DC Phân tích q trình q độ dịng điện điện áp đầu • • Đánh giá biến thiên điện áp t rong góc phần tư • Nghiên cứu ảnh hưởng hưởng tải điện cảm tần số xung • Xác định quy tắc liên quan đến đ ến thành phần dòng điện, điện ápvà cơng suất • đánh giá giá trị đỉnh-đỉnh đỉnh-đỉnh Nghiên cứu đánh • Q trình nghiên cứu dựa nguyên lý mạch nghịch lưu 2 TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử 1. Tổng quan thực hành Truyền động góc phần tư Q trình q độ điện áp dòng điện đầu ra bộ điều khiển băm xun ungg DC o Ghi lại trình độ điện áp dòng điện đầu với tải điện trở o Ghi lại trình độ điện áp dòng điện đầu với tải hỗn hợp Ghi lại đặc tính điều kh khiể iểnn o Ghi đặc tính điều khiển với tải R-L tần số xung thấp o Ghi đặc tính điều khiển với tải R-L tần số xung cao ree-wh Phân tích ảnh hưởng phần tử f r e e-wheeli eelinng (phục hồi) o Xác định trình độ dòng điện theo tải điện cảm. o Xác định q trình q độ dịng điện theo tần số xung. Phân tích thành thành phần điện áp AC DC, dịng điện, cơng suất. o Phân tích q trình q độ dịng điện điện áp. o Xác định hệ số định dạng o Hoàn tất biểu đồ vector cơng suất Phân tích điều khiển bán dẫn dẫn o Phân tích dịng điện van bán dẫn với v ới tải điện trở. o Phân tích dịng điện van bán dẫn với v ới tải R-L. o Phân tích dịng điện van bán dẫn với tải R-L tần số xung cao Hoạt động nhiều góc phần tư Q trình q độ điện áp dịng điện đầu ra bộ điều khiển băm xun ungg o Ghi q trình q độ điện áp dịng điện đầu v với ới tải hỗn hợp. o Ghi đáp ứn điện áp dòng điện đầu với tải hỗn hợp điện áp ngược o Xác định giá trị đỉnh-đỉnh dòng điện. Ghi lại đặc tính điều kh khiể iểnn o Ghi đặc tính điều khiển với tải R-L tần số xung thấp. thấp. o Ghi đặc tính điều khiển với tải R-L tần số xung cao TN Chuyển Mạch Tự Động Phịng TN Điện-Điện Tử Phân tích thành thành phần điện áp AC DC, dòng điện, cơng suất o Phân tích q trình q độ dòng điện v điện áp. o Xác định hệ số biến đổi o Hoàn tất biểu đồ vector cơng suất Phân tích điều khiển bán dẫn dẫn o Phân tích dịng điện van bán dẫn với tải R-L điện áp đầu dương o Phân tích dịng điện van bán dẫn với tải R-L điện áp đầu âm o Phân tích dịng điện van bán dẫn với tải R-L tần số xung cao 2. Giới thiệu lý thu huyyết Các biến đổi tĩnh chuyển mạch tự động sử dụng điều khiển băm xung DC biến đổi trung gian Các biến đổi thường sử dụng truyền động điện DC ba pha, khối cấp nguồn dự phòng khẩn cấp Các nghịch lưu chuyển mạch tự động cấu trúc transistor, thyristor, có đặc trưng chuyển mạch bán dẫn mở khố bất kì thời điểm Do đó, xung điện áp chiều DC, giá g iá trị điện áp DC trung bình Um2 tải phẳng ( hình 1) Hình 1: Điện áp dịng điện tải R-L TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử Các phần tử sau thường sử s dụng: Transistor hiệu ứng trường MOSFET • • Transistor lưỡng cực có cực cửa cách ly IGBT • GTO, Thyristor, diode Đối với biến đổi tĩnh chuyển mạch tự động: Các biến đổi DC nghịch lưu làm nhiệm vụ sau: Hình 2: Các kiểu biến đổi tĩnh Tuỳ thuộc vào dịng chảy lượng, mà q trình chuyển đổi diễn hệ thống chiều DC hệ thống xoay chiều AC Ở thực hành kèm tài liệu mạch điều khiển băm xung DC nghiên cứu Các mạch thông thường điều khiển băm xung DC kết hợp IGBT đơn (hình 3) IGBT (hình 4) Gồm có phần nguồn DC đầu vào phần thực nhiệm vụ chuyển đổi nguồn nguồn DC ( chuyển đổi điện áp DC cố định thành điện áp chiều DC thay đổi theo thời gian) TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử Hình 3: Bộ điều khiển xung áp DC ( góc phần tư ) Hình 4: Bộ điều khiển băm xung góc phần tư ( IGBT ) Các phương pháp sau thường sử dụng để thay đổi điện áp chiều DC: • Điều chế độ rộng xung ( chu kì T khơng đổi, độ rộng xung T E thay đổi ) • Điều khiển tần số xung (độ rộng xung T E không đổi, tần số chu kì T thay đổi ) • Điều khiển dịng điện hai vị trí ( giữ khoảng khoảng cách đỉnh-đỉnh dịng dịng điện khơng đổi ) TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử Các biến đổi tĩnh chuyển mạch tự động đại thường điều khiển phương ph ương pháp điều chế độ rộng xung ( pulse width modulation - PWM), dễ dàng tạo mẫu xung khác Điện áp mạch tải, tương ứng với hình 3, xác định biểu thức sau: Hoạt động góc phần tư: = = (1(1)) Hoạt động góc phần tư: = 2 − 1 = 2 − 1 (2) Tỷ TE/T hệ số điền thể số biểu diễngọi dạng phầnxung, trăm có giá trị nằm dải từ 0÷1 có Với tải cố định, q trình tăng giảm dòng điện đặc trưng quy luật hàm mũ Tuy nhiên, trình phẳng thực tần số xung cao hơn, sau dịng điện s ẽ có dạng tam giác (hình 1) Khoảng cách đỉnh-đỉnh dịng điện, ∆i tính theo biểu thức 3: ∆2 = 2 1 − (3) α = 0.5 hoạt động góc phần tư α = hoạt động góc phần tư Mạch IGBT (hình 4) cho phép điện áp, dòng điện, dòng chảy lượng theo hai hướng Công suất nhận từ nguồn tiêu thụ tải trường hợp tổn hao tải b ằng 0, tính bởi: Đối với hoạt động góc phần ph ần tư = (4) TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử Đối với hoạt động góc phần tư = 2 − 1 () Cấu trúc biến đổi tĩnh chuyển mạch tự động hình 5, có bổ xung thêm chuyển đổi đảo biến tĩnhbộ4-biến IGBT nối DC với tải R-L,chiều Vấn lượngđềcócầnthểquan đượctâm nhận từ nguồn thơngđổiqua đổiđược tĩnh trả ngược trở lại nguồn lưới Các chế độ hoạt động mạch điều khiển băm xung DC, đặc trưng nghiên cứu đầy đủ thơng qua IGBT diode • Hoạt động góc phần tư với tải R -L Thiết kế điều khiển góc phần tư biểu diễn hình Hình 5: Bộ điều khiển băm xung- hoạt động góc phần tư với tải R-L Ở góc phần tư thứ nhất, điều khiển cho phép dòng lượng chảy qua tải điện áp dòng điện dương Ở trạng thái khoá, lượng chảy qua đường free-wheeling (phục hồi) nhờ D2 • Hoạt động nhiều góc phần tư với tải R-L Ở góc phần tư thứ cơng suất dương, dịng lượng chảy qua tải xuất theo đường kết hợp V4 V1 ( hình 6) V2 V3 Quá trình đảo chiều theo hướng lượng thực dòng điện điện áp đảo chiều ( tạo cơng suất dương) Ở góc phần tư thứ nhất, q trình free-wheeling (phục hồi) thực theo đường V1,D3 V4,D2; TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử góc phần tư thứ ba theo đường V3,D1 V3 ,D1 V2,D4 Hình 6: Bộ điều khiển băm xung DC- hoạt động nhiều góc phần tư với tải R-L Nếu mạch tải có chứa nguồn lượng ( ắc quy động phanh), xuất dịng ngược chạy theo đường D1,D4 ( hoạt động góc phần tư thứ hai ) D2,D3 (ở góc phần tư t thứ 4), lượng trả lại nguồn Năng lượng ch ỉ xuất với điện áp nhỏ cuộn cảm làm nhiệm vụ tích trữ lượng trung gian Bằng cách đổi chiều điều khiển ( V1,D3 V2,D4 ), lượng trả xuất theo đường D1,D4 lượng tích trữ cuộn cảm Ở góc phần tư thứ 4, lượng trả xuất theo đường D3,D2 cách đảo điều khiển ( V3, D1 D2,V4) TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử Hoạt động góc phần tư Giới thiệu iệu Các điều khiển băm xung DC điều chế độ rộng xung sử dụng để biến đổi điện áp chiều không đổi thành điện áp chiều DC thay đổi Nếu điện áp chiều DC cần biến đổi dải nhỏ từ tới giá trị lớn khơng có u cầu dịng điện ngược, cần sử dụng điều khiển góc phần tư ( mạch IGBT đơn ) Năng lượng trả xuất mạch Các thực hành a.Q trình q độ dịng điện điện áp điều khiển băm xung DC Ghi lại q trình q độ dịng điện điện áp với tải điện trở Ghi lại trình q độ dịng điện điện áp với tải hỗn hợp b.Ghi đặc tính điều kh khiể iểnn Ghi đặc tính điều khiển với tải R-L tần số xung thấp Ghi đặc tính điều khiển với tải R-L tần số xung cao c.Phân tích ảnh hưởng f r ree-wh e e-wheeli eelinng ( hồi ngược ) Xác định q trình q độ dịng điện theo tải cảm Xác định q trình q độ dịng điện theo tần số xung d.Phân tích thành phần điện áp AC DC, DC, dòng dòng điện cơng suấ suất Phân tích q trình q độ củ a dòng điện điện áp Xác định hệ số biến đổi Hoàn tất biểu đồ vector cơng suất e Phân tích điều khiển bán dẫn dẫn Phân tích dịng điện phần tử bán dẫn với v ới tải điện trở Phân tích dịng điện phần tử bán dẫn với v ới tải R-L Phân tích dịng điện phần tử bán dẫn với tải R-L tần số xung cao 10 TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử Hình 2.3.1: Các thành phần AC DC đầu ( R=810Ω, L=1.2H, f=112Hz) Phân tích trình bày phụ thuộc tham số đầu phụ thuộc vào hệ số điền xung ( % duty) o Các giá trị trung bình, điện áp dịng điện DC Từ biểu thức (2), có mối liên hệ tuyến tính giá trị điện áp đầu r a Um2 dòng điện đầu trung bình Im2 = 2 − 1 = 2 − 1 o Thành phần AC điện áp DC U ac2 dòng điện điện DC I ac2 57 TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử Đối với trường hợp giới hạn: TE/T =0.5, điện áp U2, Uac2 Um2 là bằng Đối với trường hợp TE/T =0 TE/T =1, đạt giá trị lớn nhấ nh ất –U –Um2 +Um2, điều khiển mở khố hồn tồn Cá C ác thành phần AC bằng Trường hợp TE/T = 0.25 tạo giá trị trung bình –Um2 = Uac2 TE/T =0.75 tạo +Um2 = Uac2 Do dòng điện tỷ lệ với điện áp, nên giá trị dịng điện có d ạng tương tự trường hợp tr ên ên Mối liên hệ toán học họ c xây dựng thành biểu thức sau ứng với dải TE/T + Các giá trị hiệu dụng đầu với TE/T = 0÷0.5 ; + Các giá 1 − =trị hiệu1 −dụng đầu ra với T /T= = 0.5÷1 = 2 − ; = 2 − E Đối với tồn dải ( ÷ ), giá trị đầu trung bình cho bở i công thức: Nên thành phần xoay chiều ; chiều cho bở i công thức: = − = − = − = 1−2 −(2 − 1) Đối với dải TE/T = 0÷0.5 tương tự dịng dòng điện: = − 58 TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử = 1−2 −(2 − 1) Đối với dải TE/T =0.5÷1 có giá trị tương tự Các thành phần AC có giá trị lớn hệ số điền xung 25% 75% Xác định hệ số định dạn dạngg Đo tham số sau theo hệ h ệ số điền xung, với tải trở: o Hệ số định dạng: Fi o Dòng điện DC trung bình: I m2 o Dịng điện DC: I2 • Hình 2.3.2: Hệ số định dạng theo hệ số điền xung (R=810Ω, f=112Hz) Giải thích kết đưa lý …………………………………………………………………………………………… ………………………………………………….? 59 TN Chuyển Mạch Tự Động Từ định định nghĩa hệ h ệ số định dạng: Đối với dải TE/T = 0÷0.5: Phòng TN Điện-Điện Tử = = = 2 − ; = 2 − 1 = − ( ( ) Kết dễ dàng đạt từ phép đo hình 2.3.2 ccáách chia I2 cho Im2 Đối với dải TE/T = 0.5÷1 q trình tính tốn thực tươ ng ng tự Hồn tất biểu đồ vector cơng công suấ suất Đo thành phần DC (Pdc2) thành phần AC (Pac2) cơng suất thực thực • Thực trình đo chế độ biểu đồ vector với tham số tải điều khiển sau: R=810Ω, L=0H, f=112Hz, hệ số điền xung TE/T = 0.25 Hình 2.3.3: Các vector công suất, hệ số điền xung 75%, R=810Ω, f=112Hz 60 TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử Vẽ vector công suất, đề cập tới thành phần DC công suất thực P dc2 Hình 2.3.4: Các vector cơng suất, hệ số điền xung 25%, R =810Ω, f=112Hz Kết luận thành phần công suất ? Để đưa giá trị trung bình cơng suất thực Pdc2, điều ều khiển phải thiết kế cho công suất kép, từ trường hợp xấu (hệ số điền xung 25%), Pac2 Pdc2 P có giá trị nha Đo công suất thực P2, thành phần DC AC (P ( Pdc2 Pac2) theo hệ số điền xung Thực trình đo đo chế độ đặc tính tính với tham số tải điều khiển sau: sau: R=810Ω, L=0H, f=112Hz 61 TN Chuyển Mạch Tự Động Phịng TN Điện-Điện Tử Hình 2.3.5: Các thành phần công suất theo hệ số điền đ iền xung, R=810Ω, f=112Hz Tính thành phần DC AC công suất so sánh kết vvới ới giá trị đo Khi: = 2 − 1 ; = 2 − 1 Áp dụng công thức cho hệ số điền xung 0.25 0.75: = (2 ) Khi: = ……… (W)\ = 1 − 2 −(2 − 1) = 1 − −(2 − 1) ; Áp dụng công thức cho hệ số điền xung 0.25 0.75: = 1−2 1−2 − 2 − 1 = ………………… (W) So sánh với giá trị đo …………………………………………………………………………………………… …………………………………….? 62 TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử Cơng suất P2 đ được ược tính sa sau: = 1 − ; = 1 − Đối với hệ số điền xung 0.25: = 1−2 = (() Vẽ biểu đồ vector công suất tải R-L Thực trình đo chế độ đ ộ biểu đồ vector với th tham am số tải điều khiển sau: R=810Ω, L=1.2H, f=112Hz, hệ số điền xung TE/T = 0.25 Hình 2.3.6: Các vector công suất, hệ số điền xung 25% 63 TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử Hình 2.3.7: Các vector cơng suất, hệ số điền xung 25%, đ ược phục hồi tới Pdc2 Đo suất thực P2, công suất phảnR-L kháng Pcông S thành phần DC AC ac2) theo hệ số điền xung với tải R-L. (Pdc Thực trình đo chế độ đ ộ đặc tính với tham số tải điều khiển sau: R=810Ω, L=1.2H, f=112Hz 64 TN Chuyển Mạch Tự Động Phịng TN Điện-Điện Tử Hình 2.3.8: Các thành phần cơng suất theo hệ số điền xung R = 810Ω,L=1.2H,f = 112 Hz Phân tích kết quả? …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………… 65 TN Chuyển Mạch Tự Động • Phịng TN Điện-Điện Tử Cài đặt thí nghiệm Hình 2.3.9: Mạch sử dụng cho nghiên thành phần DC AC dòng điện, điện áp công suất, hoạt động nhiều góc phần tư d.Phân tích q trình điều khiển bán d ẫ ẫ n Mục đích thí nghiệm Hồn thành thực hành này, sinh viên : o Hiểu trình chuyển trạng thái linh kiện bán dẫn hai góc phần tư điều điều khiển băm xung DC o Nhận biết đ ược phương pháp dẫn dòng chế độ hoạt động chu kì khác o Hiểu ảnh hưởng tải điện cảm tần số xung • 66 TN Chuyển Mạch Tự Động • Phòng TN Điện-Điện Tử Các thực hành: o Phân tích dòng điện linh kiện bán dẫn với tải R-L điện áp dương o Phân tích dịng điện dòng điện linh kiện bán dẫn với tải R-L điện áp âm o Phân tích dòng điện linh kiện bán dẫn với tải R-L tần số cao Tiến hành thí nghiệm Lắp ráp mạch hình 2.4.4 kết nối tồn thiết bị,tải R=810Ω với điều khiển góc phần tư, bật biến áp cách ly Thiết đặt khối điều khiển đa RS232 kết nối điều khiển băm xung DC theo đường PC ( cài đặt PWM-TRAIN, tần số 112Hz, hoạt động góc phần tư, hệ số điền xung 75% ) Quá trình điều chế xung thực tần số thấp 112Hz • Sử dụng cài đặt sau: Điện áp (Kênh A) Dòng điện (KênhD) Shunt 1 Shunt 2 400 V 2.5 A Ω 1.5 Ω Phân tích dịng điện linh kiện bán dẫn với tải R-L điện áp dươ ng • Bộ điều khiển hoạt động với tải hỗn hợp (R=810Ω, L=1.2H) L=1.2H) tần số f=112Hz f =112Hz Ghi đường dòng điện điện áp với hệ số điền xung 75% Ở bảng, đặt dấu nhân vào linh kiện bán dẫn mà dẫn hướng dòng điện điện áp đánh dấu trường hợp free-wheeling (FW) 67 TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử Hình 2.4.1: Các dáng điệu sóng điện áp dòng điện, R=810Ω, L=1.2H, hệ số điền xung 75% Phân tích nhiệm vụ IGBT điốt q trình dẫn dịng điện? Khi V4 V1 (IGBT) mở, điện áp DC dương được cấp tới tải q tr ình ình tăng lên dịng điện bị trễ tính cảm tả tải Khi V4 (IGBT) khoá, điện áp trở lượng tích trữ cuộn cảm giải phóng theo đường free-wheeling, dịng điện tải chảy thơng thơng qua qua V1 (IGBT) V3 (điốt), sau trình lật trạng thái V4 (IGBT), tiếp đến dịng chảy theo đường V2 (điốt) V4 Một chu kì lại bắt đầu Phân tích dịng điện linh kiện bán dẫn với tải R-L điện áp âm Bộ điều khiển hoạt động với tải hỗn hợp (R=810Ω, L=1.2H) L=1.2H) tần số f=112Hz f =112Hz Ghi đường dòng điện điện áp với hệ số điền xung 25% Ở bảng, đặt dấu nhân vào linh kiện bán dẫn mà dẫn hướng dòng điện điện áp đánh dấu trường hợp free-wheeling (FW) • 68 TN Chuyển Mạch Tự Động Phịng TN Điện-Điện Tử Hình 2.4.2: Các dáng điệu sóng dịng điện điện ện áp, R=810Ω, L L=1.2H, =1.2H, hệ số điền đ iền xung 25% Phân tích nhiệm vụ IGBT điốt q trình dẫn dịng điện? Khi V2 V3 (IGBT) mở, điện áp DC âmđược âmđược cấp tới tải tr ình ình tăng lên dịng điện bị trễ tính cảm của tải Khi V2 (IGBT) khoá, điện áp trở lượng tích trữ cuộn cảm giải phóng theo đường free-wheeling, dịng điện tải chảy thơng qua qua V3 (IGBT) V1 (điốt), sau trình lật trạng thái V2 (IGBT), tiếp đến dịng chảy theo đường V2 (IGBT) V4 (điốt) Một chu kì lạ lại bắt đầ đầu Phân tích dịng điện linh kiện bán dẫn với tải R-L tần số xung ca ca o • Bộ điều khiển hoạt động với tải hỗn hợp h ợp (R=810Ω, L=1.2H) tần số f=1800Hz Ghi dáng điệu sóng điện áp dòng điện hệ số điền xung 75% 69 TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử Hình 2.4.3: Các dáng điệu sóng điện áp dòng d òng điện, R=810Ω, L=1.2H, f=1800Hz, hệ số điền xung 75% Phân tích nhiệm vụ IGBT điốt q trình tr ình dẫn dịng điện? ………………………………………………………………………………………… …………………………………… 70 TN Chuyển Mạch Tự Động • Phịng TN Điện-Điện Tử Cài đặt thí nghiệm Hình 2.4.4: Mạch sử dụng cho phân tích q trình điều khiển linh kiện bán dẫn hoạt động nhiều góc phần tư 71 ... trúc biến đổi tĩnh chuyển mạch tự động hình 5, có b? ?? xung thêm chuyển đổi đảo biến tĩnhbộ4 -biến IGBT nối DC với tải R-L,chiều Vấn lượngđềcócầnthểquan đượctâm nhận từ nguồn thôngđổiqua đổi? ?ược tĩnh. .. lưỡng cực có cực cửa cách ly IGBT • GTO, Thyristor, diode Đối với biến đổi tĩnh chuyển mạch tự động: Các biến đổi DC nghịch lưu làm nhiệm vụ sau: Hình 2: Các kiểu biến đổi tĩnh Tuỳ thuộc vào... số xung cao 2. Giới thiệu lý thu huyyết Các biến đổi tĩnh chuyển mạch tự động sử dụng điều khiển b? ?m xung DC biến đổi trung gian Các biến đổi thường sử dụng truyền động điện DC ba pha, khối
Ngày đăng: 01/12/2022, 10:08
Xem thêm: