Thí nghiệm chuyển mạch tự động

TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử 1 B ÀI 2: CÁC BỘ BIẾN ĐỔI TĨNH CHUYỂN MẠCH TỰ ĐỘNG MỤC LỤC 1. Tổng quan bài thực hành 3 2. Giới thiệu lý t hu y ế t 4 3. Hoạt động ở một góc phần t ư 10 a.Quá trình quá độ dòng điện và điện áp ra của bộ điều kh i ể n băm xung D C 11 b.Ghi lại các đặc tính điều kh i ể n 17 c. Phân tích ảnh hưởng của phần tử f r ee-w h ee li n g 20 d. Phân tích các thành phần điện áp AC và DC, dòng điện v à công s u ấ t 26 e. Phân tích điều khiển bán d ẫ n 38 4.Hoạt động ở nhiều góc phần t ư 42 a.Quá trình quá độ dòng điện và điện áp của bộ điều kh i ể n băm xung D C 43 b.Ghi các đặc tính điều kh i ể n 52 c.Phân tích các thành phần AC và DC của điện áp, dòng đ i ệ n và công s u ấ t 56 d.Phân tích quá trình điều khiển bán d ẫ n 66 TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử 2 Mục đích thí n g h iệ m Quen thuộc với nguyên lý làm việc của bộ điều khiển băm xung DC, hoạt động ở 1 và nhiều góc phần tư, với các loại tải khác nhau. Phân tích vai trò của thyristor trong các quá trình dẫn của dòng điện, trong các chế độ hoạt động khác nhau và các khoảng thời gian khác nhau. Nhận biết được trình tự quá trình chuyển mạch và điều khiển các thyristor ở trong các mạch điều khiển băm xung DC. • Phân tích các quá trình quá độ của dòng điện và điện áp đầu ra. • Đánh giá sự biến thiên của điện áp trong các góc phần tư. • Nghiên cứu ảnh hưởng của tải điện cảm và tần số xung. • Xác định quy tắc liên quan đến các thành phần như dòng điện, điện ápvà công suất. • Nghiên cứu và đánh giá giá trị đỉnh-đỉnh . • Quá trình nghiên cứu dựa trên các nguyên lý cơ bản của mạch nghịch lưu. TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử 3 1. Tổng quan bài thực h à nh Truyền động một góc phần t ư Quá trình quá độ của điện áp và dòng điện đầu ra bộ điều khiển băm x un g D C o Ghi lại quá trình quá độ của điện áp và dòng điện đầu ra với tải điện trở. o Ghi lại quá trình quá độ của điện áp và dòng điện đầu ra với tải hỗn hợp. Ghi lại các đặc tính điều kh iể n o Ghi đặc tính điều khiển với tải R-L ở tần số xung thấp. o Ghi đặc tính điều khiển với tải R-L ở tần số xung cao. Phân tích ảnh hưởng của phần tử f r ee-w h eeli n g (phục h ồi) o Xác định quá trình quá độ của dòng điện theo tải điện cảm. o Xác định quá trình quá độ của dòng điện theo tần số xung. Phân tích các thành phần điện áp AC và DC, dòng điện, công s uấ t. o Phân tích quá trình quá độ của dòng điện và điện áp. o Xác định hệ số định dạng. o Hoàn tất biểu đồ vector công suất. Phân tích điều khiển bán dẫn o Phân tích dòng điện trong các van bán dẫn với tải điện trở. o Phân tích dòng điện trong các van bán dẫn với tải R-L. o Phân tích dòng điện trong các van bán dẫn với tải R-L ở tần số xung cao. Hoạt động ở nhiều góc phần t ư Quá trình quá độ của điện áp và dòng điện đầu ra bộ điều khiển băm x un g o Ghi quá trình quá độ của điện áp và dòng điện đầu ra với tải hỗn hợp. o Ghi đáp ứn của điện áp và dòng điện đầu ra với tải hỗn hợp và điện áp ngược. o Xác định giá trị đỉnh-đỉnh của dòng điện. Ghi lại các đặc tính điều kh iể n o Ghi đặc tính điều khiển với tải R-L ở tần số xung thấp. o Ghi đặc tính điều khiển với tải R-L ở tần số xung cao. TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử 4 Phân tích các thành phần điện áp AC và DC, dòng điện, công s uấ t o Phân tích quá trình quá độ của dòng điện và điện áp. o Xác định hệ số biến đổi. o Hoàn tất biểu đồ vector công suất. Phân tích điều khiển bán dẫn o Phân tích dòng điện trong các van bán dẫn với tải R-L và điện áp đầu ra dương. o Phân tích dòng điện trong các van bán dẫn với tải R-L và điện áp đầu ra âm. o Phân tích dòng điện trong các van bán dẫn với tải R-L ở tần số xung cao. 2. Giới thiệu lý t hu y ế t Các bộ biến đổi tĩnh chuyển mạch tự động được sử dụng như các bộ điều khiển băm xung DC và các bộ biến đổi trung gian. Các bộ biến đổi này thường được sử dụng trong truyền động điện DC và ba pha, cũng như trong các khối cấp nguồn dự phòng khẩn cấp. Các bộ nghịch lưu chuyển mạch tự động được cấu trúc bởi transistor, thyristor, nó có đặc trưng là các chuyển mạch bán dẫn có thể được mở hoặc khoá ở bất kì thời điểm nào. Do đó, xung điện áp một chiều DC, giá trị điện áp DC trung bình U m2 trên tải có thể được là phẳng ( hình 1) Hình 1: Điện áp và dòng điện trên tải R-L TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử 5 Các phần tử sau thường được sử dụng: • Transistor hiệu ứng trường MOSFET • Transistor lưỡng cực có cực cửa cách ly IGBT • GTO, Thyristor, diode Đối với các bộ biến đổi tĩnh chuyển mạch tự động: Các bộ biến đổi DC và nghịch lưu làm các nhiệm vụ sau: Hình 2: Các kiểu cơ bản của bộ biến đổi tĩnh Tuỳ thuộc vào dòng chảy năng lượng, mà quá trình chuyển đổi có thể diễn ra giữa hệ thống một chiều DC và hệ thống xoay chiều AC. Ở trong các bài thực hành đi kèm tài liệu này thì các mạch điều khiển băm xung DC sẽ được nghiên cứu. Các mạch thông thường của bộ điều khiển băm xung DC là kết hợp của IGBT đơn (hình 3) và 4 IGBT (hình 4). Gồm có phần nguồn DC đầu vào và phần thực hiện nhiệm vụ chuyển đổi nguồn DC ( chuyển đổi điện áp DC cố định thành điện áp một chiều DC thay đổi theo thời gian). TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử 6 Hình 3: Bộ điều khiển xung áp DC ( một góc phần tư ) Hình 4: Bộ điều khiển băm xung 4 góc phần tư ( 4 IGBT ) Các phương pháp sau thường được sử dụng để thay đổi điện áp một chiều DC: • Điều chế độ rộng xung ( chu kì T không đổi, độ rộng xung T E thay đổi ) • Điều khiển tần số xung (độ rộng xung T E không đổi, tần số hoặc chu kì T thay đổi ). • Điều khiển dòng điện hai vị trí ( giữ khoảng cách đỉnh-đỉnh dòng điện không đổi ) TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử 7 Các bộ biến đổi tĩnh chuyển mạch tự động hiện đại thường được điều khiển bởi phương pháp điều chế độ rộng xung ( pulse width modulation - PWM), dễ dàng tạo ra các mẫu xung khác nhau. Điện áp ở trên mạch tải, tương ứng với hình 3, được xác định bởi biểu thức sau: Hoạt động ở 1 góc phần tư:            Hoạt động ở 4 góc phần tư:                    Tỷ số T E /T được gọi là hệ số điền xung, nó có giá trị nằm trong dải từ 0÷1 và cũng có thể được biểu diễn dưới dạng phần trăm. Với tải cố định, quá trình tăng và giảm của dòng điện được đặc trưng bởi quy luật hàm mũ. Tuy nhiên, nếu quá trình là phẳng được thực hiện hoặc tần số xung cao hơn, thì sau đó dòng điện sẽ có dạng tam giác (hình 1). Khoảng cách đỉnh-đỉnh của dòng điện, ∆i có thể được tính theo biểu thức 3:              α = 0.5 đối với hoạt động ở 1 góc phần tư α = 1 đối với hoạt động ở 4 góc phần tư Mạch 4 IGBT (hình 4) cho phép điện áp, dòng điện, cũng như dòng chảy của năng lượng theo hai hướng. Công suất được nhận từ nguồn và được tiêu thụ bởi tải trong trường hợp tổn hao trên tải bằng 0, được tính bởi: Đối với hoạt động ở 1 góc phần tư        TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử 8 Đối với hoạt động ở 4 góc phần tư               Cấu trúc bộ biến đổi tĩnh chuyển mạch tự động ở trong hình 5, có bổ xung thêm chuyển đổi DC và đảo chiều. Vấn đề cần quan tâm ở đây là bộ biến đổi tĩnh 4- IGBT được nối với tải R-L, năng lượng có thể được nhận từ nguồn thông qua bộ biến đổi tĩnh hoặc được trả ngược trở lại nguồn lưới. Các chế độ hoạt động của mạch điều khiển băm xung DC, các đặc trưng của nó được nghiên cứu đầy đủ thông qua các IGBT và diode. • Hoạt động ở một góc phần tư với tải R - L Thiết kế bộ điều khiển một góc phần tư được biểu diễn ở trong hình 5 Hình 5: Bộ điều khiển băm xung- hoạt động một góc phần tư với tải R-L Ở trong góc phần tư thứ nhất, bộ điều khiển chỉ cho phép dòng năng lượng chảy qua tải khi cả điện áp và dòng điện là dương. Ở trạng thái khoá, năng lượng chảy qua đường free-wheeling (phục hồi) nhờ D2. • Hoạt động nhiều góc phần tư với tải R-L Ở trong góc phần tư thứ nhất đối với công suất dương, dòng năng lượng chảy qua tải xuất hiện theo đường kết hợp của V4 và V1 ( hình 6) hoặc V2 và V3. Quá trình đảo chiều theo hướng năng lượng là không thể thực hiện khi cả dòng điện và điện áp cùng đảo chiều ( vì vẫn tạo ra công suất dương). Ở trong góc phần tư thứ nhất, quá trình free-wheeling (phục hồi) được thực hiện theo đường V1,D3 và V4,D2; còn ở TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử 9 trong góc phần tư thứ ba là theo đường V3,D1 và V2,D4. Hình 6: Bộ điều khiển băm xung DC- hoạt động ở nhiều góc phần tư với tải R-L Nếu mạch tải có chứa nguồn năng lượng ( như ắc quy hoặc khi động cơ được phanh), thì có thể xuất hiện dòng ngược chạy theo đường D1,D4 ( hoạt động ở góc phần tư thứ hai ) hoặc D2,D3 (ở góc phần tư thứ 4), và năng lượng được trả lại nguồn. Năng lượng này cũng chỉ có thể xuất hiện với điện áp nhỏ nếu cuộn cảm làm nhiệm vụ tích trữ năng lượng trung gian. Bằng cách đổi chiều điều khiển ( V1,D3 hoặc V2,D4 ), năng lượng trả về có thể xuất hiện theo đường D1,D4 bởi năng lượng được tích trữ trên cuộn cảm. Ở trong góc phần tư thứ 4, năng lượng trả về có thể xuất hiện theo đường D3,D2 bằng cách đảo điều khiển ( V3, D1 hoặc D2,V4). TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử 10 3. Hoạt động ở một góc phần t ư Giới t h iệ u Các bộ điều khiển băm xung DC điều chế độ rộng xung được sử dụng để biến đổi điện áp một chiều không đổi thành điện áp một chiều DC có thể thay đổi được. Nếu điện áp một chiều DC chỉ cần biến đổi trong dải nhỏ từ 0 tới giá trị lớn nhất và không có yêu cầu về dòng điện ngược, thì chỉ cần sử dụng bộ điều khiển một góc phần tư ( mạch IGBT đơn ). Năng lượng trả về không thể xuất hiện ở trong mạch này. Các bài thực hành a.Quá trình quá độ dòng điện và điện áp ra của bộ điều khiển bă m xung D C Ghi lại quá trình quá độ của dòng điện và điện áp với tải điện trở. Ghi lại quá trình quá độ của dòng điện và điện áp với tải hỗn hợp. b.Ghi các đặc tính điều kh iể n Ghi đặc tính điều khiển với tải R-L ở tần số xung thấp. Ghi đặc tính điều khiển với tải R-L ở tần số xung cao. c.Phân tích ảnh hưởng f r ee-w h eeli n g ( hồi ngược ) Xác định quá trình quá độ của dòng điện theo tải cảm. Xác định quá trình quá độ của dòng điện theo tần số xung. d.Phân tích các thành phần điện áp AC và DC, dòng điện và cô n g s uấ t Phân tích các quá trình quá độ của dòng điện và điện áp. Xác định hệ số biến đổi. Hoàn tất biểu đồ vector công suất. e. Phân tích điều khiển bán dẫn Phân tích dòng điện trong các phần tử bán dẫn với tải điện trở. Phân tích dòng điện trong các phần tử bán dẫn với tải R-L. Phân tích dòng điện trong các phần tử bán dẫn với tải R-L ở tần số xung cao [...]... cho đặc tính của mạch IGBT đơn: ˡ $ = × ( × × So sánh các đặc tính ghi được và đánh giá các kết quả? Các đặc tính là tương đồng nhau Đặc tính điều khiển không phụ thuộc vào tần số xung, mà chỉ phụ thuộc vào hệ số điền xung Hệ số điền xung là tỷ số giữa thời gian mở chuyển mạch trên toàn chu kì chuyển mạch 19 TN Chuyển Mạch Tự Động • Phòng TN Điện-Điện Tử Cài đặt thí nghiệm: Hình 1.2.3 Mạch điện phục... qua biểu thức (3), sử dụng các đoạn thẳng ở trên hàm mũ: ∆˩ = × ˠ × 1− 25 = (mA) TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử • Cài đặt thí nghiệm Hình 1.3.5: Mạch thí nghiệm phục vụ nghiên cứu các ảnh hưởng của tải điện cảm và tần số xung d Phân tích các thành phần điện áp AC và DC, dòng điện và công suất • Mục đích thí nghiệm: Sinh viên có thể nhận ra các quy luật xếp chồng của các thành phần DC và... điện trở của cuộn cảm, sai số điện trở tải và điện trở DC của dây tóc bóng đèn • Cài đặt thí nghiệm Hình 1.1.6 Mạch phục vụ cho nghiên cứu quá trình quá độ dòng điện và điện áp, 16 TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử hoạt động ở một góc phần tư, với tải hỗn hợp b.Ghi lại các đặc tính điều khiển • Mục đích thí nghiệm Hoàn thành bài thực hành này, sinh viên có thể: o Nhận thấy giá trị trung bình... tải 21 TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử Sau bao lâu thì dòng điện đạt được trạng thái tĩnh lớn nhất ? Do tải chỉ gồm các thành phần R và L, nên dòng điện đạt được 95% giá trị tĩnh lớn nhất của nó sau khoảng thời gian: ˮ =3šü=3š = So sánh kết quả này với các phép đo Ở tần số 112Hz, chu kì sấp xỉ 9ms Thời gian mở chuyển mạch là 50% ( hệ số điền xung 50% ), do đó thời gian mở chuyển mạch là... điện áp ra: Um2 o Giá trị trung bình của dòng điện ra: Im2 11 TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử Hình 1.1.1: Dáng điệu sóng dòng điện và điện áp của bộ điều khiển băm xung DC một góc phần tư, hệ số điền xung 25% Hình 1.1.2: Dáng điệu sóng dòng điện và điện áp của bộ điều khiển băm xung DC, hệ số điền xung 50% 12 TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử Hình 1.1.3: Dáng điệu sóng dòng điện... nghiên cứu này được xây dựng từ các nguyên lý của nghịch lưu AC được sử dụng với các truyền động ba pha • Các bài thực hành: o Phân tích quá trình quá độ dòng điện và điện áp o Xác định hệ số biến đổi o Hoàn tất biểu đồ vector công suất 26 TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử • Tiến hành thí nghiệm Lắp ráp mạch như hình 1.4.9 và kết nối toàn bộ các thiết bị,tải R=810Ω với bộ điều khiển một góc... dụng sẽ có giá trị nhỏ hơn • Các bài thực hành o Xác định quá trình quá độ dòng điện theo tải điện cảm o Xác định quá trình quá độ dòng điện theo tần số xung 20 TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử • Tiến hành thí nghiệm Lắp ráp mạch như hình 1.3.5 và kết nối toàn bộ các thiết bị, tải R=810Ω với bộ điều khiển một góc phần tư, bật biến áp cách ly Thiết đặt khối điều khiển đa năng về RS232 và... đảm bảo quá trình đo tự động được chính xác, thời gian chờ 1000ms phải được bổ xung vào trong chương trình PWM Quá trình điều chỉnh hệ số điền xung nên được thực hiện với độ rộng bước khoảng 2% Ghi đặc tính điều khiển với tải R-L ở tần số xung thấp Ghi đặc tính điều khiển ( giá trị trung bình của điện áp DC theo hệ số điền xung ) với tải R-L và tần số xung 112Hz 17 TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện... xung cao hơn, thì dòng điện có dạng tuyến tính ở trong cả hai khoảng thời gian mở và khoá của chuyển mạch Tính giá trị trung bình của điện áp DC, Um2 và so sánh kết quả với các giá trị đo được đối với tải điện trở: Điện áp trung bình DC được tính theo biểu thức (1): = ŴŹ ˡ $ = ŴŹ ×ˡ = (V) 15 TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử Giá trị trung bình của điện áp DC là không bị ảnh hưởng bởi tải hỗn...TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử a.Quá trình quá độ dòng điện và điện áp ra của bộ điều khiển băm xung DC • Mục đích thí nghiệm o Trở nên quen thuộc với nguyên lý làm việc của bộ điều khiển băm xung DC ở trong một góc phần tư, với các tải khác nhau o Nhận thấy . TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử 1 B ÀI 2: CÁC BỘ BIẾN ĐỔI TĨNH CHUYỂN MẠCH TỰ ĐỘNG MỤC LỤC 1. Tổng quan bài thực hành 3 2. Giới thiệu lý t hu y ế t 4 3. Hoạt động. là tỷ số giữa thời gian mở chuyển mạch trên toàn chu kì chuyển mạch. TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử 20 • Cài đặt thí nghiệm: Hình 1.2.3 Mạch điện phục vụ ghi lại đặc. khoảng cách đỉnh-đỉnh dòng điện không đổi ) TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử 7 Các bộ biến đổi tĩnh chuyển mạch tự động hiện đại thường được điều khiển bởi phương pháp