Giáo trình điện tử công suất (2)

Giáo trình điện tử công suất (2)

- 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 n ăng lượng qua sự chuyển đổi của các bộ chuyển đổi năng lượng điện

( S = ngu ồn , L = tải )

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

- 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

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

- 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 M ạch chỉnh lưu bán kỳ một pha không điều khiển M1U

Hình 2.1.1.2 D ạng sóng dòng và áp trong mạch chỉnh lưu bán kỳ 1 pha không điều khiển M1U đối

v ới 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 (

- 64 -

Câu hỏi :

Hãy so sánh U s và U d B ằng cách nào đã làm cho 2 điện áp nầy có sự khác nhau và sự khác nhau nầy

xu ất phát từ đâu ?

Trả lời :

- 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

□ 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

- 68 -

Câu hỏi 1:

S ự 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 :

………

………

………

………

………

………

………

………

• 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 U d đôi khi là âm khi bạn nhìn vào biểu đồ hình 2.1.2.7 Bạn hãy giải thích cho cả 2

ph ần điện áp dương và âm xuất hiện tại ngõ ra của mạch chỉnh lưu?

Trả lời :

………

………

………

………

- 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 h ồi phục có tác dụng gì đối với dòng điện qua tải điện trở - cuộn dây? Trả lời : ………

………

………

………

………

………

………

- 72 -

Ghi chú:

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 h ọa 2 kiểu mạch thông dụng

• Thiết lập mạch điện như trình bày ở hình

2.2.2.1 với board công suất

- 76 -

Câu hỏi :

Hãy cho bi ết số lượng xung trên mạch điện B2U ( số lượng xung là số xung điện áp trên phần DC

trong m ột 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

- 78 -

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

- 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

• Đặt nguồn cung cấp 3 pha sang chức năng nối cầu

• Vẽ dạng sóng cho các đại lượng biến đổi sau :

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 )

- 82 - Hình 2.3.2.2 Minh hoạ kết nối mạch đo lường hình 2.3.2.1 ở board công suất

Điện áp pha UL2’ V/div

Điện áp pha UL3’ V/div

Điện áp ngõ ra Ud V/div

2.4 Mạch chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển B6U

2.4.1 Tổng quát

Mạch cầu 6 xung không điều khiển B6U – còn được gọi là mạch cầu dòng 3 pha không điều khiển –

cũng có thể được xem như một dạng nối tiếp của 2 mạch điểm giữa 3 xung không điều khiển M3U để

dễ dàng cho việc tìm hiểu hơn

Hình 2.4.1.1 trình bày sự mô tả nầy

Các diode V1, V3 và V5 tạo thành mạch M3U cung cấp một điện áp dương cho ngõ ra là Ud1 so với

điểm giữa N’ của biến thế Chúng ta cũng nói đến mạch M3UC bởi vì các âm cực của 3 diode tạo

thành 1 điểm nối chung cho mạch chỉnh lưu

Khi các diode V4, V6, và V2 mắc theo hướng ngược chiều với điện áp pha, kết quả dẫn đến một điện

áp âm Ud2 xuất hiện ở ngõ ra cho mạch M3U nầy Mạch nầy cũng giống như mạch M3UA vì dương

cực của các diode tạo thành 1 điểm nối chung cho mạch chỉnh lưu Điện áp tổng ngõ ra Ud được cho

bởi sự phối hợp của 2 mạch điểm giữa nầy.Dạng mạch cầu bây giờ có được ud = ud1 – ud2.( u là giá trị

tức thời khác với U là giá trị trung bình tính toán )

Hình 2.4.1.1 M ạch điện nối tiếp của 2 mạch M3U trong 1 mạch B6U

- 86 -

Hình 2.4.1.2 m ạch cầu 6 xung không điều khiển thường dùng

• Đặt nguồn cung cấp 3 pha sang chức năng kết nối dạng cầu của nguồn 3 pha

• Đo dạng sóng các giá trị biến đổi sau :

-Điện áp ngõ ra Ud

-Điện áp trên các diode Uv4, Uv6, Uv2

-Dòng điện qua các diode Iv4, Iv6, Iv2

• Vẽ dạng sóng vào biểu đồ đã cho ở hình 2.4.2.2 2.4.24

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 )

- 88 -

Điện áp ngõ ra Ud V/div

điện áp diode UV4 V/div

dòng diode IV4 A/div ≈ ……V/div

Điện áp diode UV6 …….V/div

Dòng điện diode IV6 A/div ≈ …… V/div

- 90 -

Điện áp diode UV2 …….V/div

Dòng điện diode IV2 A/div ≈ …… V/div

Câu hỏi 1:

Khi nào diode V 2 ở nửa phần dưới của mạch cầu dẫn điện, những diode nào ở nửa trên mạch cầu có

th ể cho dòng chạy qua sau đó?

Trong m ục 2.4.1, chúng ta giải thích rằng giá trị thời gian của điện áp ngõ ra chỉnh lưu u d được cho

b ởi u d1 - u d2 T ại sao giá trị hiệu dụng U d12 không b ằng U d1 - U d2 ?

Trả lời :

………

………

………

………

Ghi chú :

- 92 -

2.5 Giá trị trung bình số học và giá trị hiệu dụng trong chỉnh lưu không

điều khiển

2.5.1 Tổng quát

Khi khảo sát mạch chỉnh lưu,giá trị hiệu dụng thường để chỉ về điện áp xoay chiều ngõ vào Tuy vậy ,

nó là lượng trung bình tính toán, cho nên ở phần điện áp DC thì được chú ý dùng cho điện áp ngõ ra

của mạch chỉnh lưu Để phân biệt chính xác giữa 2 giá trị nầy, chữ viết tắt U1rms được dùng trong

trường hợp nầy là giá trị hiệu dụng của điện áp xoay chiều ngõ vào , chữ viết tắt Udar là giá trị tính

toán của điện áp DC.Vì vậy nó quan trọng cho việc chọn lựa dụng cụ đo hợp lý để đo lường các mạch

chỉnh lưu

Bảng 2.5.1.1 Bảng trợ giúp chọn lựa dụng cụ đo lường

Giá trị hiệu dụng của điện áp và

Giá trị hiệu dụng của điện áp và

dòng điện không sin

-Dụng cụ đo lường có công cụ bằng sắt di chuyển được

-Đồng hồ vạn năng điện tử tạo được giá trị hiệu dụng -Cặp nhiệt với công cụ điện áp DC

Giá trị trung bình tính toán của điện

áp , dòng điện sin và không sin

-Dụng cụ đo lường có công cụ bằng sắt di chuyển được

-Đồng hồ vạn năng thông thường có các thang đo DC -Máy hiện sóng có công tắc AC/DC

2.5.2 Phần thí nghiệm

□ Thí nghiệm

Đo giá trị trung bình cộng tính toán và giá trị hiệu dụng trong các mạch chỉnh lưu không điều khiển

Tiến trình thực hiện

• Thiết lập lần lượt các mạch điện khác nhau như trình bày ở hình 2.5.2.1

• Đo những đại lượng biến đổi sau bằng dụng cụ đo lường thích hợp:

-Giá trị hiệu dụng điện áp AC ngõ vào U1rms

-Giá trị hiệu dụng của điện áp ngõ ra Ud rms

-Giá trị trung bình tính toán của điện áp ngõ ra Ud ar

• Ghi kết quả đo vào bảng 2.5.2.1

Ghi chú:

Mạch điện cần thiết lập được trình bày ở hình 2.1.2.2 (trang 7), hình 2.2.2.2 ( trang 17), hình 2.3.2.2(

trang 24), hình 2.4.2.1( trang 29 ), nhưng không cần đo điện trở

Trong những mạch chỉnh lưu dòng 3 pha,nguồn 3 pha cũng phải được đặt hoạt động với 1 mạch cầu

có bộ phận điều chỉnh pha Hơn nữa, công tắc chọn lựa M3/B6 phải được đặt theo nguồn cung cấp

- 94 -

Trang 35

Xác định các giá trị sau đây và chuyển chúng vào bảng 2.5.2.2

Bảng 2.5.2.2

Câu hỏi 1:

So sánh giá tr ị hiệu dụng rms của điện áp ngõ ra U d v ới giá trị trung bình toán học cho các mạch điện

riêng bi ệt.Bạn có thể rút ra được kết luận gì từ mối quan hệ mật thiết giữa độ gợn sóng và mức DC?

- 96 -

Câu hỏi 2:

M ột tải rẽ nhánh DC tiệp nhận một điện áp DC của nguồn U E = 230V, được thực hiện bởi mạch B2U

t ại điểm nối E 1 và E 2 c ủa cuộn dây kích thích Hãy cho biết biến thế cần phải cung cấp điện áp thứ

c ấp U S là bao nhiêu để có được giá trị nầy?

Trả lời :

Hình 2.5.2.2

Tính toán :

Ghi chú :