Giáo trình Điện tử công suất (nghề Điện công nghiệp cao Đẳng)

Kể từ khi hiệu ứng nắn điện của miền tiếp xúc PN được công bố bởiShockley vào năm 1949 thì ứng dụng của chất bán dẫn càng ngày càng đisâu vào các lĩnh vực chuyên môn của ngành kỹ thuật đ

Quá trình phát triển

Điện tử công suất là một lĩnh vực quan trọng trong kỹ thuật năng lượng thuộc ngành kỹ thuật điện Nghiên cứu về điện tử công suất không chỉ giới hạn ở việc quản lý công suất mà còn mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực điều khiển khác.

Kể từ khi Shockley công bố hiệu ứng nắn điện của miền tiếp xúc PN vào năm 1949, ứng dụng của chất bán dẫn đã phát triển mạnh mẽ trong ngành kỹ thuật điện, dẫn đến sự hình thành của ngành điện tử công suất Ngành này chuyên nghiên cứu khả năng ứng dụng của chất bán dẫn trong lĩnh vực năng lượng, tập trung vào các phương pháp biến đổi dòng điện cùng với yêu cầu đóng/ngắt và điều khiển Cụ thể, điện tử công suất nghiên cứu kỹ thuật đóng/ngắt trong mạch điện một chiều và xoay chiều, điều khiển dòng điện, cũng như các hệ thống chỉnh lưu và nghịch lưu nhằm biến đổi điện áp và tần số của nguồn năng lượng theo yêu cầu Các mạch biến đổi điện tử có nhiều ưu điểm so với các phương pháp biến đổi khác, góp phần nâng cao hiệu quả và tính linh hoạt trong ứng dụng năng lượng.

 Hiệu suất làm việc cao

Có tính kinh tế cao.

Vận hành và bảo trì dễ dàng.

Không bị ảnh hưởng bởi khí hậu, độ ẩm nhờ các linh kiện đều được bọc trong vỏ kín

Làm việc ổn định với các biến động của điện áp nguồn cung cấp

Dễ dự phòng, thay thế

Không có phần tử chuyển động trong điều kiện tỏa nhiệt tự nhiên, có thể làm mát bằng quạt gió để kéo dài tuổi thọ

Đáp ứng được các giá trị điện áp và dòng điện theo yêu cầu bằng cách ráp song song và nối tiếp các thyristor lại với nhau.

Chịu được chấn động cao, thích hợp cho các thiết bị lưu động

Phạm vi nhiệt độ làm việc rộng, thông số ít thay đổi theo nhiệt độ

Đặc tính điều khiển có nhiều ưu điểm.

Lĩnh vực ứng dụng của điện tử công suất

Trong bối cảnh công nghiệp hóa và hiện đại hóa, thiết bị bán dẫn công suất ngày càng trở nên phổ biến, không chỉ trong sản xuất mà còn trong đời sống hàng ngày Sự phát triển của các linh kiện bán dẫn công suất như Diode, Transistor, Tiristor và Triac đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất và tiện ích cho con người.

Hình 1.1: Sơ đồ khối của một bộ điện tử công suất.

Trong lĩnh vực điện tử công suất, các khối chức năng được biểu diễn bằng các ký hiệu sơ đồ khối Điện năng được truyền từ nguồn đến tải thông qua các khối này.

Hình 1.2: Sơ đồ khối hệ chỉnh lưu.

- Khối chỉnh lưu: Nhiệm vụ của khối chỉnh lưu nhằm biến đổi năng lượng nguồn xoay chiều một pha hoặc ba pha sang dạng năng lượng một chiều (hình 1.3)

- Khối nghịch lưu: Nhiệm vụ mạch nghịch lưu nhằm biến đổi năng lượng dòng một chiều thành năng lượng xoay chiều một pha hoặc ba pha (hình 1.4)

Hình 1.3: Sơ đồ khối hệ nghịch lưu. b Các hệ biến đổi.

Các mạch biến đổi nhằm thay đổi: Dòng xoay chiều có điện áp, tần số và số pha xác định sang các giá trị khác.

Hình 1.4: Sơ đồ khối hệ biến đổi.

Dòng một chiều có điện áp xác định sang dòng một chiều có giá trị điện áp khác (converter DC to DC).

Mạch biến đổi là sự kết hợp giữa mạch chỉnh lưu và mạch nghịch lưu, được chia thành hai loại chính: biến đổi trực tiếp và biến đổi có khâu trung gian Các van biến đổi đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.

Van điện là các thành phần cho phép dòng điện chỉ chảy theo một chiều nhất định Trong lĩnh vực điện tử công suất, các thiết bị quan trọng bao gồm diode bán dẫn, thyristor và transistor công suất.

Van không điều khiển được (Diode).

Một diode lý tưởng cho phép dòng điện chỉ chảy khi điện áp ở anode cao hơn ở cathode Điện áp đầu ra của diode phụ thuộc hoàn toàn vào điện áp đầu vào của nó.

Van điều khiển được (Thyristor)

Một chỉnh lưu có điều khiển lý tưởng không dẫn điện khi anode và cathode được phân cực thuận Để các van này dẫn điện, cần có thêm xung kích tại cực cổng cùng với chế độ phân cực thuận Điện áp ngõ ra không chỉ phụ thuộc vào điện áp vào mà còn phụ thuộc vào thời điểm xuất hiện xung kích, được đặc trưng bởi góc kích α.

Các phương pháp điều khiển

Dựa trên nguyên lý làm việc người ta chia thành hai phương pháp điều khiển.

Có nhiều phương pháp điều khiển khác nhau, bao gồm: điều khiển theo chương trình (kết hợp điều khiển vô cấp và gián đoạn), điều khiển theo thời gian, điều khiển theo tuyến, điều khiển theo quá trình và điều khiển lập trình.

Phương pháp điều khiển tuần tự theo quá trình là một bước phát triển nâng cao của điều khiển theo chương trình Trong phương pháp này, các thao tác và tiến trình vật lý được thực hiện theo một thứ tự đã được lập trình, dựa trên các trạng thái hiện tại của quá trình điều khiển Chương trình có thể được cài đặt cố định hoặc được truy xuất từ các bìa đục lỗ, băng đục lỗ, băng từ, hoặc thiết bị lưu trữ khác.

Phần tử chấp hành

Các phần tử thừa hành trong hệ thống tự động điều khiển bao gồm không chỉ các thiết bị điện mà còn cả van, con trượt và bơm định lượng.

CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN

Diode công suất

Diode công suất có cấu tạo khác biệt so với diode thông thường, bao gồm ba vùng bán dẫn silic với mật độ tạp chất khác nhau, được gọi là cấu trúc PN Giữa hai vùng bán dẫn PN là một vùng có mật độ tạp chất rất thấp, được gọi là vùng S.

Hình 2.1: Cấu tạo và ký hiệu diode công suất.

Đặc tuyến V–A của diode công suất gần như đạt được đặc tính lý tưởng, với đoạn đặc tính thuận có độ dốc thẳng đứng Trong điều kiện này, nhiệt độ trên diode được coi là không đổi, và điện áp thuận trên diode là tổng của điện áp ngưỡng U không phụ thuộc vào dòng điện và thành phần điện áp tỷ lệ với dòng điện thuận chảy qua diode.

Hình 2.2: a) Đặc tính diode lý tưởng ; b)Đặc tính diode thực tế

Độ tin cậy của diode được xác định qua khả năng chịu tải trong thời gian dài với tần số lưới điện 50-60Hz Nhiệt độ tại mối nối của diode phụ thuộc chủ yếu vào công suất tiêu tán, nhiệt trở và điều kiện tỏa nhiệt, cũng như điện áp nghịch.

- Phân loại diode công suất

Dựa trên lĩnh vực ứng dụng, các diode công suất được chia thành các loại như sau:

+ Diode tiêu chuẩn (tốc độ chậm) dùng cho các yêu cầu thông thường với tần số làm việc từ 50 60Hz

+ Diode công suất lớn với dòng cho phép đến 1,5KA

+ Diode điện áp cao với điện áp nghịch cho phép đến 5KV

+ Diode tốc độ nhanh với thời gian trì hoãn ngắn, có đặc tính động và hiệu suất cao.

+ Các diode cho phép làm việc với xung điện áp nghịch trong một khoảng thời gian ngắn.

+ Bước 1: Kiểm tra Diode công suất bằng đồng hồ V.O.M

- Để thang đo điện trở Rx1Ω hoặc Rx1KΩ

- Quan sát V.O.M để kết luận Diode tốt/hỏng theo hướng dẫn.

+ Bước 2: Lắp ráp, khảo sát Diode công suất trên Panel điện tử công suất.

- Lắp ráp bố trí dây gọn gàng, chú ý các đầu cốt có tiếp xúc không.

+ Bước 3: - Dùng V.O.M kiểm tra ngõ vào và ngõ ra trên tải.

- Dùng OSC đo và vẽ dạng sóng trên tải vào vở.

+ Bước 4: Vận hành kiểm tra hoạt động của Diode công suất.

- Từng học sinh thực hiện khảo sát Didoe công suất theo các bước nêu trên Diode.

- Thao tác chính xác, gọn gàng tại nơi làm việc.

- Ghi kết quả khảo sát vào vở.

Transistor công suất

Cấu tạo của vật liệu chế tạo hiện nay đang đối mặt với mâu thuẫn giữa hai yêu cầu quan trọng: khả năng chịu đựng điện áp cao và khả năng tải dòng lớn.

Transistor công suất được chia làm 3 loại như sau:

Transistor công suất ghép Darlington.

- Đặc tuyến V – A và nguyên lý hoạt động.

Hình 2.3:Đặc tuyến V – A và nguyên lý hoạt động

Hình 2.4: Hình dạng của các loại BJT trong thực tế.

- Các thông số kỹ thuật của Transistor.

 Dòng tải Ic: Là dòng điện định mức mà transistor cho phép đi qua chân C mà transistor vẫn đảm bảo hoạt động ổn đinh.

 Điện áp UCB: là hiệu điện thế định mức giữa chân C với chân B Quá điện áp này sẽ làm transistor hỏng.

 Điện áp UCE: là hiệu điện thế định mức giữa chân C với chân E Quá điện áp này cũng làm transistor bị phá hủy.

 Tần số hoạt động: Là tần số cho phép transistor hoạt động bình thường. Khi làm việc quá tần số này thì cũng làm transistor bị hỏng.

 Công suất tỏa nhiệt: Là công suất chịu đựng lớn nhất của transistor.

+ Bước 1 : Kiểm tra Transistor công suất bằng đồng hồ V.O.M.

- Sử dụng V.O.M ở thang đo điện trở Rx1Ω hoặc Rx1KΩ.

- Quan sát V.O.M để kết luận Transistor tốt/hỏng theo hướng dẫn.

+Bước 2 : Lắp ráp, khảo sát mạch KĐ đơn dùng Transistor công suất trên Panel điện tử công suất.

- Lắp ráp bố trí dây gọn gàng, chú ý các đầu cốt có tiếp xúc không.

+Bước 3 : - Dùng V.O.M kiểm tra ngõ vào và ngõ ra trên tải.

- Dùng OSC đo và vẽ dạng sóng ngõ ra tên tải.

+Bước 4 : Vận hành kiểm tra hoạt động của Transistor công suất.

- Từng học sinh thực hiện khảo sát Van bán dẫn công suất Transistor theo sự hướng dẫn của giáo viên.

- Thao tác chính xác, gọn gàng tại nơi làm việc.

- Ghi kết quả khảo sát vào vở.

Thyristor

Thyristor, hay còn gọi là SCR, là một linh kiện điện tử công suất phổ biến với đặc tính nghịch tương tự như diode trong đoạn đặc tính thuận Thyristor chỉ có hai trạng thái xác định và để chuyển từ trạng thái khóa sang trạng thái dẫn, cần phải kích xung điện áp dương vào cực cổng của nó Khoảng thời gian từ gốc tọa độ đến khi xuất hiện xung kích được gọi là góc kích α.

Đường đặc tính thực tế của thyristor thể hiện dòng rò theo chiều thuận ID và chiều nghịch IR, các dòng điện này chịu ảnh hưởng bởi nhiệt độ mối nối νJ.

Mạch điều khiển trong sổ tay cung cấp thông tin về dòng kích IGT và điện áp kích UGT, thường là các trị số tối thiểu, được xác định ở nhiệt độ mối nối là 25°C.

Trong trường hợp tải điện cảm, cần duy trì xung kích cho đến khi dòng điện qua thyristor vượt quá dòng duy trì IH, nhằm ngăn chặn thyristor chuyển về trạng thái tắt (khóa thuận).

+ Bước 1 : Kiểm tra Thysistor công suất bằng đồng hồ V.O.M.

- Sử dụng V.O.M ở thang đo điện trở Rx1Ω hoặc Rx1KΩ.

- Quan sát V.O.M để kết luận Thysistor tốt/hỏng theo hướng dẫn.

+ Bước 2 : Lắp ráp, khảo sát mạch điều khiển dùng Thysistor công suất trên Panel điện tử công suất.

- Lắp ráp bố trí dây gọn gàng, chú ý các đầu cốt có tiếp xúc không.

+ Bước 3 : - Dùng V.O.M kiểm tra ngõ vào và ngõ ra trên tải.

- Dùng OSC đo và vẽ dạng sóng trên tải vào vở.

+ Bước 4 : Vận hành kiểm tra hoạt động của Thysistor công suất.

Từng học sinh thực hiện khảo sát Van bán dẫn công suất Thysistor theo sự hướng dẫn của giáo viên.

- Thao tác chính xác, gọn gàng tại nơi làm việc.

- Ghi kết quả khảo sát vào vở.

Triac và Diac

Triac được cấu tạo tương đương với hai thyristor ghép song song ngược chiều, có chung cực cổng, cho phép dẫn điện hai chiều Đặc tính, ký hiệu và phương pháp điều khiển của triac được minh họa chi tiết trong hình 2.6.

Giống như thyristor, sau khi được kích dẫn, triac chỉ duy trì trạng thái dẫn điện khi dòng qua nó lớn hơn dòng duy trì IH.

Triac là một linh kiện điện tử được sử dụng để điều khiển dòng điện xoay chiều, thường được áp dụng như một công tắc xoay chiều để kiểm soát đèn, motor và lò sưởi có công suất nhỏ đến trung bình.

Hình 2.6: Ký hiệu, đặc tính và cách điều khiển triac

Hình 2.7:Điều chỉnh dòng xoay chiều dùng triac 1.4.2 Trình tự thực hiện.

+ Bước 1: Kiểm tra Triac công suất bằng đồng hồ V.O.M.

- Sử dụng V.O.M ở thang đo điện trở Rx1Ω hoặc Rx1KΩ.

- Quan sát V.O.M để kết luận Thysistor tốt/hỏng theo hướng dẫn.

+ Bước 2: Lắp ráp, khảo sát mạch điều khiển dùng Diac kích Triac công suất trên Panel điện tử công suất.

- Lắp ráp bố trí dây gọn gàng, chú ý các đầu cốt có tiếp xúc không.

+ Bước 3: - Dùng V.O.M kiểm tra ngõ vào và ngõ ra trên tải.

- Dùng OSC đo và vẽ dạng sóng ngõ ra trên tải vào vở.

+ Bước 4: Vận hành kiểm tra hoạt động của Triac và Diac công suất.

- Từng học sinh thực hiện khảo sát Van bán dẫn công suất Diac và Triac theo sự hướng dẫn của giáo viên.

- Thao tác chính xác, gọn gàng tại nơi làm việc.

- Ghi kết quả khảo sát vào vở.

MosFet

G : Gate gọi là cực cổng

S : Source gọi là cực nguồn

D : Drain gọi là cực máng

Mosfet kênh N bao gồm hai miếng bán dẫn loại P được đặt trên nền bán dẫn N, với lớp cách điện SiO2 giữa hai lớp P-N Hai miếng bán dẫn P được kết nối với cực D và cực S, trong khi nền bán dẫn N được nối với lớp màng mỏng phía trên, tạo thành cực G.

Mosfet có điện trở rất lớn giữa cực G và cực S cũng như giữa cực G và cực D Điện trở giữa cực D và cực S phụ thuộc vào điện áp chênh lệch giữa cực G và cực S (UGS).

Khi điện áp UGS bằng 0, điện trở RDS rất lớn Khi điện áp UGS lớn hơn 0, hiệu ứng từ trường làm giảm điện trở RDS Tăng điện áp UGS sẽ dẫn đến việc điện trở RDS giảm dần.

+ Bước 1: Kiểm tra MOSFET loại tăng (E-MOSFET) chế tạo dưới dạng V- MOSFET (Vertical MOSFET) hay D-MOSFET (Double-diffused MOSFET) công suất bằng đồng hồ V.O.M.

- Sử dụng V.O.M ở thang đo điện trở Rx1Ω hoặc Rx1KΩ.

- Quan sát V.O.M để kết luận Thysistor tốt/hỏng theo hướng dẫn.

+ Bước 2: Lắp ráp, khảo sát mạch điều khiển dùng MOSFET công suất trên Panel điện tử công suất.

- Lắp ráp bố trí dây gọn gàng, chú ý các đầu cốt có tiếp xúc không.

+ Bước 3: - Dùng V.O.M kiểm tra ngõ vào và ngõ ra trên tải.

- Dùng OSC đo và vẽ dạng sóng ngõ ra trên tải vào vở.

+ Bước 4: Vận hành kiểm tra hoạt động của Mosfet công suất.

BJT được điều khiển bằng dòng điện IB, trong khi FET được điều khiển bởi điện áp VGS Điện áp VGS phụ thuộc vào loại FET, do đó cần phải cẩn thận để tránh các sự cố không mong muốn.

IDvượt quá IDMAXmà FET có thể chịu được.

- Từng học sinh thực hiện khảo sát Van bán dẫn công suất Mosfet theo sự hướng dẫn của giáo viên.

- Thao tác chính xác, gọn gàng tại nơi làm việc.

- Ghi kết quả khảo sát vào vở.

IGBT

- Cấu tạo, ký hiệu hình dạng và cách đo IGBT

IGBT có cấu trúc bán dẫn tương tự như MOSFET, nhưng điểm khác biệt chính là sự hiện diện của lớp nối với collector, tạo thành cấu trúc p-n-p giữa emiter (tương tự cực gốc) và collector (tương tự cực máng), thay vì cấu trúc n-n như ở MOSFET Do đó, IGBT có thể được xem như một transistor p-n-p, trong đó dòng base được điều khiển bởi một MOSFET.

Dưới tác động của áp điều khiển Uge>0, các điện tử mang điện được hình thành trong kênh dẫn, tương tự như cấu trúc MOSFET Những điện tử này di chuyển về phía collector, vượt qua lớp tiếp giáp n-p, tạo ra dòng collector như trong transistor thông thường giữa base và collector.

Hình 2.10: Cấu trúc của IGBT 1.6.2 Trình tự thực hiện.

Hình 2.11 Khảo sát IGBT + Bước 1: Tắt nguồn Thiết lập mạch như hình 2.11 (chỉ thay MOSFET bằng IGBT)

Để thiết lập điện áp 0V, bạn cần xoay núm dương của nguồn điều khiển trên bộ chân đế theo chiều ngược kim đồng hồ đến mức tối đa Sau khi hoàn tất, hãy bật nguồn cung cấp để bắt đầu quá trình.

Bước 3: Kiểm tra điện áp giữa cực C và E của IGBT trên bộ dao động ký Bước 4: Xoay nguồn điều khiển dương theo chiều kim đồng hồ để tăng điện áp tại cực G của IGBT lên 10V.

+ Bước 5: Điện áp giữa cực C và E của IGBT là bao nhiêu?

Bước 6: Sử dụng VOM ở chế độ DC để đo điện áp trên điện trở R1 tại cực G Dòng điện tại cực G được tính bằng cách chia điện áp đo được cho điện trở R1, từ đó xác định được dòng G.

+ Bước 7: Biến đổi vài lần điện áp giữa 0 đến 10V, quan sát thật kỹ tín hiệu

+ Bước 8: Có phải IGBT hoạt động như một công tắc được điều khiển bởi dòng

G, nghĩa là dẫn điện khi cung cấp điện áp 10V cho dòng G và ngắt điện khi không cung cấp điện áp cho dòng G không?

- Từng học sinh thực hiện khảo sát Van bán dẫn công suất IGBT theo sự hướng dẫn của giáo viên.

- Thao tác chính xác, gọn gàng tại nơi làm việc.

- Ghi kết quả khảo sát vào vở.

GTO

Hình 2.12: Cấu tạo của GTO

• GTO có thêm cổng kích ngắt mắc song song với cổng kích dẫn.

• Để GTO dẫn thì dòng kích dẫn phải được duy trì khi nó dẫn.

• Khi dòng kích vượt quá giá trị cho phép thì GTO sẽ không kích ngắt được

GTO là thiết bị lý tưởng cho các mạch công suất lớn, có khả năng hoạt động với dòng điện lên tới 6000-7000A Để điều khiển hoặc ngắt công tắc bán dẫn ở mức công suất rất cao, việc sử dụng thyristor GTO là cần thiết.

Thyristor GTO là một loại công tắc điều khiển hiệu quả, được sử dụng trong các ứng dụng công suất cao Để kích hoạt GTO, cần cung cấp một xung dòng dương từ cực G, trong khi để ngắt GTO, cần một xung dòng âm Để duy trì trạng thái hoạt động của GTO, cần đảm bảo dòng điện tại cực G đủ lớn.

+ Bước 1: Nối cực POWER INPUT của bảng mạch với nguồn cung cấp 15V. Lúc này đừng bật nguồn cung cấp.

Để thiết lập mạch theo hình 2.13, đầu tiên, bạn cần đặt một jumper nối R1 và một jumper thứ hai để đoản mạch cuộn cảm L1 Tiếp theo, trong khối mạch DRIVER, hãy nối jumper giữa cực dương của nguồn và ngõ ra cực A, rồi kết nối cực A của khối mạch DRIVER với cực A của khối mạch Thyristor GTO Trong khối mạch THYRISTOR GTO, bạn cần đặt jumper nối cực B với +15V Cuối cùng, hãy nối cực B và C của khối mạch LOAD (Z) với cực B và C của khối mạch Thyristor GTO.

Để khảo sát Thyristor GTO, bước đầu tiên là xoay núm dương của nguồn điều khiển theo chiều ngược kim đồng hồ trên bộ chân đế cho đến khi đạt được điện áp 0V Sau khi hoàn thành bước này, bật nguồn cung cấp để tiếp tục quá trình.

+ Bước 4: Trên bộdao động ký, trên kênh 2, điện áp giữa anode và cathode của Thyristor GTO là bao nhiêu?

+ Bước 5: Xem kết quả ở bước 4, bạn có thể xác định Thyristor GTO ngắt và ngăn không cho dòng IAchạy qua không ?

+ Bước 6: Xoay nguồn điều khiển dương theo chều kim đồng hồ sao cho điện áp cực G Thyristor GTO tăng đến 10V.

+ Bước 7: Điện áp giữa cực anode và cathode của Thyristor GTO bằng bao nhiêu?

+ Bước 8: Xem kết quả ở bước 7, bạn có thểxác định Thyristor GTO dẫn và cho dòng IA chạy qua không ?

+ Bước 9: Dùng nguồn điều khiển dương, thay đổi vài lần điện áp từ 0 đến 10V, trong khi đó quan sát tín hiệu.

+ Bước 10: Có phải Thyristor GTO hoạt động như một công tắc được điều khiển bởi dòng G không?

+ Bước 11: Xoay núm điều khiển nguồn âm hết cỡ theo ngược chiều kim đồng hồ Gỡ jumper mà nối ngõ ra dương (+10V) với cực A và nối ngõ ra âm

(-10V) với cực A để đưa xung âm vào cực G Thyristor GTO.

- Từng học sinh thực hiện khảo sát Van bán dẫn công suất GTO theo sự hướng dẫn của giáo viên.

- Thao tác chính xác, gọn gàng tại nơi làm việc.

- Ghi kết quả khảo sát vào vở.

CÂU HỎI ÔN TẬP Câu 1: Trình bày cách đo xác định chân của Transistor công suất 2N3055 và xác định Transiator còn tốt hay hỏng.

Câu 2: Trình bày cách đo xác định chân của Thysistor công suất D815E và xác định Thysistor còn tốt hay hỏng.

Câu 3: Trình bày cách đo xác định chân của Mosfet IRF540 và xác địnhMosfet còn tốt hay hỏng.

BỘ CHỈNH LƯU

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Lý thuyết liên quan

Để tích hợp nguồn DC vào hệ thống, cần biến đổi nguồn DC này thành nguồn DC khác hoặc nhiều nguồn DC phù hợp Chẳng hạn, nếu nguồn đầu vào là 12V nhưng hệ thống yêu cầu 100V, chúng ta phải nâng điện áp từ 12V lên 100V để đảm bảo hoạt động của hệ thống.

- Nguồn xung hiện nay có rất nhiều loại khác nhau nhưng nó được chia thành 2 nhóm nguồn : Cách ly và không cách ly.

Mỗi loại nguồn xung đều có ưu nhược điểm riêng, vì vậy cần lựa chọn kiểu nguồn phù hợp với yêu cầu cụ thể Dưới đây là nguyên tắc hoạt động của các bộ nguồn thường được sử dụng trong thực tế.

Điều chế PWM (Pulse Width Modulation) là phương pháp quan trọng trong việc điều khiển các cơ cấu servo và được ứng dụng rộng rãi trong viễn thông PWM hoạt động bằng cách điều chỉnh độ rộng xung tương ứng với các giá trị dữ liệu cụ thể, cho phép mã hóa tín hiệu ở một đầu và giải mã ở đầu kia.

- Các xung có độ dài khác nhau (bản thân thông tin) sẽ được gửi đi theo các khoảng thời gian đều đặn (tần số sóng mang của điều chế).

PWM là phương pháp hiệu quả để điều chỉnh lượng điện cung cấp cho phụ tải, giúp giảm thiểu tổn hao năng lượng qua điện trở trong quá trình phân phối điện qua dây truyền tải.

PWM được áp dụng trong các bộ điều chỉnh điện áp hiệu quả bằng cách điều chỉnh chu kỳ đóng cắt nguồn cung cấp cho tải, giúp tạo ra điện áp đầu ra theo mức mong muốn Để giảm thiểu nhiễu chuyển mạch, thường sử dụng cuộn cảm và tụ điện để lọc.

PWM thường được áp dụng trong tổng hợp âm thanh, đặc biệt là trong tổng hợp trừ, vì nó tạo ra hiệu ứng âm thanh giống như hợp ca hoặc các máy tạo dao động tách đôi hoạt động đồng thời Thực tế, PWM tương đương với sự chênh lệch giữa hai sóng răng cưa, trong đó một trong hai sóng được đảo ngược.

Trình tự thực hiện

+ Bước 1: Lắp ráp mạch điện theo sơ đồ nguyên lý hình 6.6.

+ Bước 2: Sử dụng đồng hồ V.O.M ở thang đo điện trở, kiểm tra chất lượng của linh kiện trong mạch.

Hình 6.6: Sơ đồ nguyên lý mạch PWM dùng IC 555.

+ Bước 3: Cấp nguồn cho mạch điện.

+ Bước 4: Kiểm tra hoạt động của mạch điện.

- Dùng V.O.M ở thang đo DCV kiểm tra chân 2, 6 của IC 555

- Quan sát động cơ có hoạt động không.

- Đo điện áp ngõ ra tại chân 3 của IC 555 và quan sát động cơ.

- Điều chỉnh biến trở VR5KΩ đo tại chân 3 IC 555 và nhận xét.

Bước 5: Ghi lại giá trị điện áp DC tại ngõ ra cao nhất và thấp nhất vào vở Bước 6: Sử dụng OSC để đo dạng sóng tại chân 3 của IC555, điều chỉnh VR và quan sát sự thay đổi độ rộng xung, sau đó vẽ dạng sóng vào vở.

Thực hành

- Từng học sinh thực hiện lắp ráp và kiểm tra hoạt động của các mạch điện theo sự hướng dẫn của giáo viên.

BỘ NGHỊCH LƯU VÀ BIẾN TẦN

Lắp ráp, sửa chữa bộ nghịch lưu áp một pha

Nghịch lưu là mạch chuyển đổi nguồn một chiều thành nguồn xoay chiều, có thể phát sinh từ mạch điện hoặc do thiết kế Để ứng dụng hiệu quả trong kỹ thuật, nghịch lưu được chia thành hai loại: nghịch lưu phụ thuộc và nghịch lưu độc lập.

Nghịch lưu phụ thuộc là chế độ làm việc của các sơ đồ chỉnh lưu, cho phép năng lượng từ một chiều được trả về lưới điện xoay chiều Chế độ này rất phổ biến trong các bộ chỉnh lưu, đặc biệt trong hệ thống truyền động điện một chiều Khi máy điện một chiều được điều khiển bởi bộ chỉnh lưu, nó có thể hoạt động như động cơ tiêu thụ năng lượng từ lưới điện và cũng có thể phát năng lượng, như trong chế độ hãm tái sinh Trong chế độ hãm tái sinh, năng lượng động học tích lũy trong phần quay của động cơ được đưa trở về lưới điện Việc chuyển đổi năng lượng giữa một chiều và xoay chiều diễn ra luân phiên, là chế độ làm việc bình thường trong hệ thống truyền tải điện.

Để thực hiện chế độ nghịch lưu phụ thuộc, cần có những yêu cầu cụ thể Năng lượng từ nguồn một chiều phải được chuyển đổi về phía xoay chiều Trong mạch một chiều, sức điện động E d phải có cực tính phù hợp để tăng cường dòng I d, với dòng điện một chiều của bộ biến đổi đi vào cực âm và ra khỏi cực dương của sức điện động E d.

Bản chất của phụ tải chính là phía xoay chiều, vì trong phần lớn thời gian của nửa chu kỳ điện áp lưới, dòng điện có cực tính âm khi đi vào và cực tính dương khi đi ra.

Nghịch lưu độc lập là các bộ biến đổi điện từ nguồn điện một chiều sang nguồn điện xoay chiều, phục vụ cho phụ tải xoay chiều mà không phụ thuộc vào lưới điện Điều này có nghĩa là phụ tải hoạt động độc lập, không có sự liên hệ trực tiếp với lưới điện Bộ nghịch lưu thực hiện chức năng ngược lại với chỉnh lưu, với khái niệm độc lập giúp phân biệt với các bộ biến đổi phụ thuộc như chỉnh lưu hoặc các bộ biến đổi xung áp xoay chiều, trong đó các van chuyển mạch hoạt động dưới tác động của điện áp lưới xoay chiều.

Nghịch lưu độc lập được phân loại thành hai loại chính dựa trên chế độ làm việc của nguồn một chiều cung cấp: nghịch lưu độc lập nguồn áp và nghịch lưu độc lập nguồn dòng.

Phụ tải của nghịch lưu độc lập có thể là một tải xoay chiều bất kỳ

Nguồn điện có thể được phân loại thành nguồn áp hoặc nguồn dòng, và chế độ hoạt động của các bộ nghịch lưu phụ thuộc nhiều vào nguồn một chiều cung cấp Do đó, việc phân biệt các đặc tính riêng của hai loại nguồn này là rất cần thiết.

Nguồn áp lý tưởng là nguồn điện có nội trở bằng không, cho phép điện áp ra không đổi và không phụ thuộc vào phụ tải Dòng điện ra sẽ thay đổi theo phụ tải, nguồn áp có thể hoạt động ở chế độ không tải nhưng không thể hoạt động ở chế độ ngắn mạch do dòng điện có thể rất lớn Thực tế, nguồn áp được tạo ra bằng cách kết nối một tụ điện có giá trị lớn ở đầu ra của nguồn một chiều.

Nguồn dòng lý tưởng là nguồn điện có nội trở rất lớn, khiến dòng điện ra không đổi và không phụ thuộc vào tính chất của phụ tải, trong khi điện áp ra phụ thuộc vào tải Nguồn dòng hoạt động ở chế độ ngắn mạch với dòng điện không đổi, nhưng không hoạt động ở chế độ không tải do hiện tượng quá áp xảy ra khi trở kháng tải lớn Để tạo ra nguồn dòng, người ta thường mắc một nguồn một chiều có điện cảm lớn ở đầu ra Tuy nhiên, điện cảm đầu vào phải chịu toàn bộ dòng điện yêu cầu của nghịch lưu, do đó có thể gặp công suất lớn Để duy trì nguồn dòng ổn định, mạch chỉnh lưu điều khiển với mạch phản hồi dòng điện được sử dụng, giúp đảm bảo dòng điện ra không đổi và điện cảm chỉ cần có giá trị nhỏ hơn để san bằng dòng điện.

+) Bước 1: Nhận dạng và phân tích mạch điện.

Hình 6.4: Mạch nghịch lưu nguồn áp môt pha dùng Transistor. +) Bước 2: Lắp ráp mạch điện theo sơ đồ mạch.

- Dùng VOM đo kiểm tra chất lượng của linh kiện điện tử.

- Bố trí linh kiện trên testboard hợp lý.

- Lắp ráp theo sơ đồ mạch điện.

+) Bước 3: Kiểm tra hoạt động của mạch điện.

- Cấp nguồn +12Vdc cho mạch tạo dao động Mass nối trực tiếp.

- Cấp nguồn cho biến áp xung, nối ngõ ra của mạch tạo xung với ngõ vào của mạch công suất Ngõ ra của mạch nối với tải đèn.

- Mở nguồn cung cấp, sử dụng dao động ký quan sát dạng sóng trên các điểm đo: ngõ ra mạch tạo xung, ngõ ra trên tải.

+) Bước 4: Bảo đảm an toàn và vệ sinh công nghiệp tại vị trí làm việc.

Từng học sinh thực hiện lắp ráp và kiểm tra hoạt động của các mạch điện theo sự hướng dẫn của giáo viên.

Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha Rôto lồng sốc dùng biến tần

Biến tần là thiết bị chuyển đổi nguồn điện áp có thông số điện áp và tần số cố định thành nguồn điện với thông số có thể điều chỉnh Thông thường, biến tần hoạt động với nguồn đầu vào từ lưới điện, nhưng về nguyên tắc, nó có thể sử dụng bất kỳ nguồn điện xoay chiều nào.

Biến tần được chia thành hai loại chính: biến tần trực tiếp và biến tần gián tiếp Biến tần gián tiếp, hay còn gọi là biến tần có khâu trung gian một chiều, sử dụng bộ chỉnh lưu để chuyển đổi nguồn điện áp xoay chiều thành nguồn điện một chiều Nguồn điện một chiều này được tích trữ trong các kho từ hoặc kho điện, sau đó được chuyển đổi trở lại thành nguồn điện xoay chiều thông qua bộ nghịch lưu Khâu trung gian một chiều này tạo ra sự độc lập nhất định, cho phép quá trình biến đổi diễn ra chậm hơn và tách phần phụ tải ra khỏi lưới điện.

Biến tần trực tiếp tạo ra điện áp trên tải bằng cách sử dụng các phần của điện áp lưới mà không cần kho năng lượng trung gian, cho phép trao đổi năng lượng với lưới theo cả hai chiều Đặc điểm này mang lại ưu thế cho biến tần trực tiếp, đặc biệt trong các hệ điện cơ công suất lớn từ hàng trăm kW đến vài MW Hơn nữa, tổn hao công suất trong biến tần trực tiếp thấp hơn do phụ tải chỉ kết nối với nguồn qua phần tử đóng cắt Tuy nhiên, biến tần trực tiếp có số lượng van lớn hơn và hệ thống điều khiển phức tạp hơn Trong phần này, giáo trình sẽ chỉ tập trung vào biến tần gián tiếp.

Biến tần gián tiếp bao gồm ba thành phần chính: bộ chỉnh lưu, khâu lọc trung gian và bộ nghịch lưu Các bộ biến đổi này đã được phân tích chi tiết trong các chương trước Bài viết này sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan về một số sơ đồ, giúp người đọc nhận diện những đặc điểm thực tế của biến tần.

Biến tần gián tiếp chia ra làm ba loại chính:

- Biến tần nguồn áp với nguồn một chiều đầu vào có điều chỉnh,

- Biến tần nguồn áp với nguồn một chiều đầu vào không điều chỉnh.

Biến tần nguồn áp loại này sử dụng nghịch lưu nguồn áp với đầu vào một chiều có thể điều khiển Điện áp một chiều có thể được điều chỉnh thông qua việc sử dụng chỉnh lưu tiristo hoặc chỉnh lưu điôt kết hợp với bộ biến đổi xung áp một chiều.

+ Bước 1 : Các thông số của biến tần M420 Điện áp vào và Công suất 200V đến 240V 1 AC ± 10% 0,12 đến

3kW 200V đến 240V 3 AC ± 10% 0,12 đến 5,5kW

Tần số điện vào 47 đến 63Hz

Tần số điện ra 0 đến 650Hz

Hiệu suất chuyển đổi 96 đến 97%

Khả năng quá tải Quá dòng 1,5 x dòng định mức trong 60 giây ở mỗi 300 giây Dòng điện vào khởi động Thấp hơn dòng điện vào định mức

Phương pháp điều Tuyến tính V/f; bình phương V/f; đa điểm

V/f; điều khiển từ dòng thông FCC Tần số điều chế xung (PWM) 16kHz (tiêu chuẩn cho 230V 1PH hay

3PH) 4kHz (tiêu chuẩn cho 400V 3PH) 2kHz đến 16kHz (bước chỉnh 2kHz)

Tần số cố định 7, tuỳ đặt

Dải tần số nhảy 4, tuỳ đặt Độ phân giải điểm đặt 10 bit analog

Hệ thống giao tiếp nối tiếp 0,01Hz cho phép kết nối mạng hiệu quả Nó bao gồm ba đầu vào số lập trình được, được cách ly và có khả năng chuyển đổi giữa PNP và NPN Ngoài ra, các đầu vào tương tự có thể được sử dụng cho điểm đặt hoặc phản hồi cho PI, với dải điện áp từ 0 đến 10V, có thể điều chỉnh thang hoặc sử dụng như đầu vào số thứ tư.

Các đầu ra tương tự 1, tuỳ chọn chức năng; 0 – 20mA

Cổng giao tiếp nối tiếp RS-485, vận hành với USS protocol Độ dài cáp động cơ - Không có kháng ra :

Max 50m (bọc kim) Max 100m (không bọc kim)

- Có kháng ra : max 200m (bọc kim) max 300m (không bọc kim) Tính tương thích điện từ Bộ biến tần với bộ lọc EMC lắp sẵn theo

EN 61 800-3 (giới hạn theo chuẩn EN 55

Hãm Hãm DC, hãm tổ hợp

Dải nhiệt độ làm việc -10 o C đến +50 o C Độ ẩm 90% không đọng nước Độ cao lắp đặt 1000m trên mực nước biển

Các chức năng bảo vệ Thấp áp, quá áp, quá tải, chạm đất, ngắn mạch, chống kẹt, I 2 t quá nhiệt động cơ, quá nhiệt biến tần, khóa tham số PIN

Phù hợp theo các tiêu chuẩn CE mark Phù hợp với chỉ dẫn về thiết bị thấp áp

73/23/EC, loại có lọc còn phù hợp với chỉ dẫn 89/336/EC

Kích thước và tuỳ chọn

(không có tuỳ chọn) Cỡ vỏ (FS) Cao x Rộng x Sâu kg

+ Bước 2: Các phím chức năng của biến tần.

Trạng thái hiển thị cho phép người dùng xem các giá trị cài đặt trên biến tần Để khởi động biến tần, nhấn nút khởi động; tuy nhiên, nút này chỉ có thể sử dụng khi cài đặt P700 = 1.

Để tắt biến tần, nhấn nút OFF1, giúp dừng động cơ theo thời gian giảm tốc, nhưng nút này chỉ hoạt động khi cài đặt P700 = 1 Nút OFF2 cho phép dừng động cơ nhanh chóng bằng cách nhấn hai lần hoặc nhấn một lần lâu Để thay đổi chiều quay của động cơ, chỉ cần nhấn nút tương ứng và màn hình sẽ hiển thị dấu hiệu khi động cơ đổi chiều.

‘-‘ Mặc định không sử dụng, chỉ sử dụng khi đặt P700 = 1.

Nhấn nút khởi động động cơ khi biến tần không có tín hiệu ra để động cơ hoạt động tại tần số xác định Động cơ sẽ dừng lại khi bạn thả nút này Lưu ý rằng nút này không có tác dụng khi động cơ đang chạy.

Hàm Nút này sử dụng xem thông tin thêm vào Nó làm việc bằng cách nhấn và giữ nút, nó sẽ lần lượt trình chiếu :

3 Tần số ngõ ra (Hz).

5 Giá trị lựa chọn tại P0005 (nếu P0005 đặt trình chiếu giá trị 3 4 5 thì nó sẽ không xuất hiện lại lần nữa).

Khi nhấn nút Fn từ tham số rxxxx hoặc Pxxxx, hệ thống sẽ quay về trạng thái r0000 Người dùng có thể thay đổi tham số nếu cần thiết Nhấn nút Fn một lần nữa từ trạng thái r0000 sẽ đưa hệ thống trở lại tham số ban đầu.

Tham số truy cập Nhấn nút này dùng để truy cập những tham số.

Tăng giá trị Nhấn nút này để gia tăng giá trị hiện hành Để thay đổi ‘điểm đặt tần số ‘ đặt P1000 = 1.

Giảm giá trị Nhấn nút này để giảm giá trị hiện hành Để thay đổi ‘điểm đặt tần số ‘ đặt P1000 = 1.

+ Bước 3: Cài đặt biến tần điều khiển tốc độ động cơ bằng bàn phím.

Kết nối biến tần với động cơ 3 pha, sau khi cài đặt các thông số cần thiết, ta có thể bắt đầu vận hành biến tần bằng cách nhấn phím cho phép hoạt động Để điều chỉnh tốc độ động cơ, nhấn phím tăng hoặc giảm tần số Để đảo chiều động cơ, chỉ cần nhấn phím ngay sau khi động cơ giảm tốc và dừng lại Để theo dõi thông số điện áp, dòng điện và tần số của động cơ, nhấn phím tương ứng Khi kết thúc quá trình hoạt động, nhấn phím để ngắt điều khiển biến tần, động cơ sẽ dừng hoàn toàn, hoàn tất bài thực hành.

+ Bước 5: Cài đặt biến tần điều khiển tốc độ động cơ bằng biến trở.

Bước 6: Sau khi cài đặt các thông số theo bảng, bắt đầu cho biến tần hoạt động bằng cách kết nối chân 24VDC vào DIN1, cho phép biến tần hoạt động theo chiều thuận Sử dụng biến trở xoay theo chiều kim đồng hồ để tăng tần số và ngược chiều kim đồng hồ để giảm tần số, từ đó thay đổi tốc độ động cơ Để đảo chiều động cơ, kết nối chân 24VDC vào DIN 2; động cơ sẽ giảm tốc độ, dừng lại và đảo chiều Để xem thông số điện áp, dòng điện, tần số của động cơ, nhấn phím Kết thúc quá trình, ngắt kết nối DIN1 với tín hiệu 24VDC để dừng hoàn toàn động cơ, hoàn thành bài thực hành.

+ Bước 7: Cài đặt biến tần điều khiển động cơ ở nhiều cấp tốc độ.

Bước 8: Sau khi cài đặt thông số, kết nối chân 24VDC vào DIN1 để biến tần hoạt động ở tốc độ 1 (FF1) với động cơ quay theo chiều thuận Tiếp theo, kết nối chân 24VDC vào DIN2 để thay đổi tần số và tăng tốc độ lên cấp độ 2 (FF2) Kết nối chân 24VDC vào DIN1 và DIN2 để đạt tốc độ 3 (FF3), sau đó kết nối chân 24VDC vào DIN3 để hoạt động ở tốc độ 4 (FF4) Kết nối chân 24VDC vào DIN3 và DIN1 để đạt tốc độ 5 (FF5), tiếp tục với DIN3 và DIN2 cho tốc độ 6 (FF6), và cuối cùng kết nối 24VDC vào DIN1, DIN2 và DIN3 để đạt tốc độ 7 (FF7) Để kiểm tra thông số điện áp, dòng điện và tần số, nhấn phím FN Để kết thúc quá trình, ngắt kết nối DIN1, DIN2 và DIN3 với tín hiệu 24VDC, khiến biến tần ngừng điều khiển và động cơ dừng hoàn toàn.

Từng học sinh thực hiện cài đặt biến tần và kiểm tra hoạt động của các mạch điện theo sự hướng dẫn của giáo viên.