B ài 2 các bộ BIẾN b ài 2 các bộ BIẾN đổi TĨNH CHUYỂN MẠCH tự ĐỘNG

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 Giới thiệu lý thuyết Hoạt động góc phần tư 10 a.Quá trình độ dòng điện điện áp điều khiển băm xung DC 11 b.Ghi lại đặc tính điều khiển 17 c Phân tích ảnh hưởng phần tử f ee-wheeling r 20 d Phân tích thành phần điện áp AC DC, dòng điện công suất 26 e Phân tích điều khiển bán dẫn 38 t 4.Hoạt động nhiều góc phần 42 a.Quá 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 trình điều khiển bán dẫn 66 TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử Mục đích thí nghiệm 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 dịng 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 DC • • • • • • Phân tích q trình q độ dòng điện điện áp đầu Đánh giá biến thiên điện áp góc phần tư Nghiên cứu ảnh hưởng tải điện cảm tần số xung Xác định quy tắc liên quan đến thành phần dịng điện, điện ápvà cơng suất Nghiên cứu đánh giá giá trị đỉnhđỉnh Quá trình nghiên cứu dựa nguyên lý mạch nghịch lưu TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử Tổng quan thực hành Truyền động góc phần tư Q trình độ điện áp dòng điện đầu điều khiển băm xung DC o o Ghi lại q trình q độ điện áp dịng điện đầu với tải điện trở Ghi lại trình độ điện áp dòng điện đầu với tải hỗn hợp Ghi lại đặc tính điều khiển o o 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 Phân tích ảnh hưởng phần tử f ee-wheeling (phục hồi) r o Xác định q trình q độ dịng điện theo tải điện cảm o Xác định trình độ dòng điện theo tần số xung Phân tích thành phần điện áp AC DC, dịng điện, cơng suấ t o Phân tích q trình q độ dòng điện điện áp o Xác định hệ số định dạng o Hoàn tất biểu đồ vector cơng suất Phân tích điều khiển bán dẫn o Phân tích dịng điện van bán dẫn với tải điện trở o Phân tích dịng điện van bán dẫn với 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 điều khiển băm xung o Ghi trình q độ điện áp dịng điện đầu với tải hỗn hợp Ghi đáp ứn điện áp dòng điện đầu với tải hỗn hợp điện áp ngược o Xác định giá trị đỉnh-đỉnh dịng điện o Ghi lại đặc tính điều khiển o o 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 TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử Phân tích thành phần điện áp AC DC, dịng điện, cơng suấ t o Phân tích q trình q độ dòng điện điện áp o Xác định hệ số biến đổi o Hoàn tất biểu đồ vector cơng suất Phân tích điều khiển bán dẫn o Phân tích dịng điện van bán dẫn với tải R-L điện áp đầu dương o Phân tích dòng điện van bán dẫn với tải R-L điện áp đầu âm o Phân tích dịng điện van bán dẫn với tải RL tần số xung cao Giới thiệu lý thuyết 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 thời điểm Do đó, xung điện áp chiều DC, giá trị điện áp DC trung bình Um2 tải phẳng ( hình 1) Hình 1: Điện áp dòng điện tải R-L TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử Các phần tử sau thường sử 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 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 DC ( chuyển đổi điện áp DC cố định thành điện áp chiều DC thay đổi theo thời gian) Ở 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 TE thay đổi ) Điều khiển tần số xung (độ rộng xung TE không đổi, tần số chu kì T thay đổi ) Điều khiển dịng điện hai vị trí ( giữ khoảng cách đỉnh-đỉnh dịng điện khơng đổi ) TN Chuyển Mạch Tự Động Phịng TN Điện-Điện Tử Các biến đổi tĩnh chuyển mạch tự động đại thường điều khiển phương 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: == Hoạt động góc phần tư: = Tỷ số TE /T gọi hệ số điền xung, có giá trị nằm dải từ 0÷1 biểu diễn dạng phần trăm Với tải cố định, q trình tăng giảm dịng điện đặc trưng quy luật hàm mũ Tuy nhiên, trình phẳng thực tần số xung cao hơn, sau dịng điện có dạng tam giác (hình 1) Khoảng cách đỉnh-đỉnh dịng điện, ∆i tính theo biểu thức 3: ∆2=2 α α = 0.5 hoạt động góc phần tư = 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 0, tính bởi: Đối với hoạt động góc phần tư = 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 DC đảo chiều Vấn đề cần quan tâm biến đổi tĩnh 4- IGBT nối với tải R-L, lượng nhận từ nguồn thông qua biến đổi 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 góc phần tư thứ nhất, điều khiển cho phép dòng lượng chảy qua tải điện áp dịng điện dương Ở trạng thái khố, lượng chảy qua đường free-wheeling (phục hồi) nhờ D2 Ở • Ở Hoạt động nhiều góc phần tư với tải R-L góc phần tư thứ cơng suất dương, dòng lượng chảy qua tải xuất theo đường kết hợp V4 V1 ( hình 6) V2 V3 Quá trình đảo chiều theo hướng lượng thực dịng điện điện áp đảo chiều ( tạo cơng suất dương) Ở góc phần tư thứ nhất, trình free-wheeling (phục hồi) thực theo đường V1,D3 V4,D2; TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử 1− ( − 22 − 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 dạng Đo tham số sau theo hệ số điền xung, với tải trở: o Hệ số định dạng: Fi • o D ò n g đ i ệ n D C t r u n g b ì n h : I m o D ò n g đ i ệ n D C : I 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 nghĩa hệ số định dạng: Phòng TN Điện-Điện Tử = = Đối với dải TE/T = 0÷0.5: = 2− −1 =− ( =2 ; ) Kết dễ dàng đạt từ phép đo hình 2.3.2 cách chia I2 cho Im2 Đối với dải TE/T = 0.5÷1 q trình tính tốn thực tương tự • Hồn tất biểu đồ vecto công suất r Đo thành phần DC (Pdc2) thành phần AC (Pac2) công suất 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 cơng 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 P dc2, điều khiển phải thiết kế cho công suất kép, từ trường hợp xấu (hệ số điền xung 25%), Pac2 Pdc2 P có giá trị Đo công suất thực P2, thành phần DC AC (Pdc2 Pac2) theo hệ số điền xung Thực q trình đo chế độ đặc tính với tham số tải điều khiển sau: R=810Ω, L=0H, f=112Hz 61 TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử Hình 2.3.5: Các thành phần cơng suất theo hệ số điền xung, R=810Ω, f=112Hz Tính thành phần DC AC công suất so sánh kết với giá trị đo Khi: Áp dụng công thức cho hệ số điền xung 0.25 0.75: =(2) Khi: = Áp dụng công thức cho hệ số điền xung 0.25 0.75: = 1−2− 2−1 So sánh với giá trị đo …………………………………………………………………………………………… …………………………………….? 62 TN Chuyển Mạch Tự Động Phịng TN Điện-Điện Tử Cơng suất P2 tính sau: = 1−2 ; = 1−2 Đối với hệ số điền xung 0.25: = 1−2 = ( ) Vẽ biểu đồ vector công suất tải R-L Thực trình đo chế độ biểu đồ vector với tham 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%, phục hồi tới P dc2 Đo công suất thực P2, công suất phản kháng S2 thành phần DC AC (Pdc Pac2) theo hệ số điền xung với tải R-L Thực trình đo chế độ 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 công 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 dịng điện, điện áp cơng suất, hoạt động nhiều góc phần tư d.Phân tích q trình điều khiển bán dẫn • Mục đích thí nghiệm Hồn thành thực hành này, sinh viên : o o o Hiểu trình chuyển trạng thái linh kiện bán dẫn hai góc phần tư điều khiển băm xung DC Nhận biết phương pháp dẫn dòng chế độ hoạt động chu kì khác Hiểu ảnh hưởng tải điện cảm tần số xung 66 TN Chuyển Mạch Tự Động • • Phịng TN Điện-Điện Tử Các thực hành: o Phân tích dịng điện linh kiện bán dẫn với tải R-L điện áp dương o Phân tích dịng điện dịng điện linh kiện bán dẫn với tải R-L điện áp âm o Phân tích dịng 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 Shunt • Phân tích dòng điện linh kiện bán dẫn với tải R-L điện áp dương Bộ điều khiển hoạt động với tải hỗn hợp (R=810Ω, L=1.2H) tần số 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 Phịng TN Điện-Điện Tử Hình 2.4.1: Các dáng điệu sóng điện áp dịng 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 cấp tới tải trình tăng lên dịng điện bị trễ tính cảm tải Khi V4 (IGBT) khoá, điện áp trở lượng tích trữ cuộn cảm giải phóng theo đường free-wheeling, dịng điện tải chảy thơng 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) tần số 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 Phòng TN Điện-Điện Tử Hình 2.4.2: Các dáng điệu sóng dịng điện điện áp, R=810Ω, L=1.2H, hệ số điền xung 25% Phân tích nhiệm vụ IGBT điốt q trình dẫn dịng điện? Khi V2 V3 (IGBT) mở, điện áp DC âmđược cấp tới tải q trình tăng lên dịng điện bị trễ tính cảm tải Khi V2 (IGBT) khố, điện áp trở lượng tích trữ cuộn cảm giải phóng theo đường free-wheeling, dịng điện tải chảy thông qua V3 (IGBT) V1 (điốt), sau trình lật trạng thái V2 (IGBT), tiếp đến dòng chảy theo đường V2 (IGBT) V4 (điốt) Một chu kì lại bắt đầu • Phân tích dịng điện linh kiện bán dẫn với tải R-L tần số xung cao Bộ điều khiển hoạt động với tải hỗn hợp (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 Phịng TN Điện-Điện Tử Hình 2.4.3: Các dáng điệu sóng điện áp dịng điện, R=810Ω, L=1.2H, f=1800Hz, hệ số điền xung 75% Phân tích nhiệm vụ IGBT điốt trình dẫn dòng 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 ... thuyết 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 cấp nguồn dự phòng khẩn cấp Các nghịch... 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 dòng chảy lượng, mà q trình chuyển đổi diễn hệ thống... tính b? ??i: Đối với hoạt động góc phần tư = 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 b? ?? xung thêm chuyển