Các dạng bài tập điện tử công suất và thiết bị chuyển đổi điện tử công suất

Các dạng bài tập điện tử công suất và thiết bị chuyển đổi điện tử công suất bao gồm kiến thức cơ bản về điện tử công suất, lý thuyết về thiết bị chuyển đổi điện tử công suất; các dạng bài tập về điện tử công suất, các dạng bài tập về thiết bị chuyển đổi điện tử công suất và bài giải mẫu

CÁC DẠNG BÀI TẬP ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT VÀ THIẾT BỊ CHUYỂN ĐỔI ĐTCS Bài tập Cho mạch chỉnh lưu tia pha khơng điều khiển, biết điện áp nguồn xoay chiều u2 = 12Sin314t [V], RT =  Hãy xác định thơng số để lựa chọn diode cho mạch chỉnh lưu trên, vẽ sơ đồ mạch, dạng sóng điện áp trước, sau chỉnh lưu dạng sóng dòng điện tải (biết diode chỉnh lưu chế tạo từ Si) HƯỚNG DẪN: Để có thơng số lựa chọn diode chỉnh lưu, trước tiên cần phải tính điện áp trung bình tải Ud, tính dòng qua tải Id dòng qua diode IDtt, tìm điện áp ngược lớn diode theo điện áp xoay chiều UPIVDtt, sau chọn theo tiêu chuẩn: - IDst ≥ (1.25 ÷ 1.3)IDtt ; - UPIVDst ≥ (1.6)UPIVDtt Trong IDst; UPIVDst thơng số dòng áp làm việc định mức cho sổ tay tra cứu nhà sản xuất (Datasheet) Bài tập Cho mạch chỉnh lưu tia pha, biết điện áp xoay chiều cuộn thứ cấp máy biến áp u2 = 21,2 Sin314t [V], tải R=1  (bỏ qua tổn hao diode) a Tính dòng điện trung bình qua tải qua diode, điện áp ngược lớn diode; b Giả sử tải có gắn thêm nguồn E=12V nối tiếp thơng số thay đổi nào? c Vẽ sơ đồ mạch chỉnh lưu, dạng sóng điện áp trước, sau chỉnh lưu dạng sóng dòng điện tải d Giả sử tải RL (hệ số tự cảm lớn), vẽ dạng sóng điện áp dòng điện tải đồ thị? Bài tập Cho mạch chỉnh lưu cầu pha dùng diode chế tạo từ Si Biết giá trị hiệu dụng điện áp nguồn xoay chiều U = 24V Tải R, có dòng điện trung bình Id = 12A a Hãy tính cơng suất tiêu tải thơng số để lựa chọn diode b Vẽ sơ đồ mạch, dạng sóng điện áp trước sau chỉnh lưu dạng sóng dòng điện tải Bài tập Cho mạch chỉnh lưu cầu pha, biết thơng số tương tự tải RL, dòng liên tục gần phẳng Vẽ dạng sóng điện áp dòng điện tải Bài tập Người ta dùng thiết bị chỉnh lưu cầu pha để nạp điện cho ắc quy, có E = 110V, dòng nạp Id = 50A, điện áp nguồn xoay chiều u = 311Sin314t a Tính t1 thời điểm thiết bị chỉnh lưu bắt đầu dòng nạp cho ắc quy nửa chu kỳ,  thời gian dẫn dòng diode chu kỳ b Điện trở R phải để đảm bảo dòng nạp u cầu Bài tập Cho mạch chỉnh lưu tia pha khơng điều khiển, cấp dòng cho mạch tải gồm ắc quy có E = 120V, R =  , giá trị hiệu dụng điện áp pha U = 220V, tần số nguồn điện xoay chiều f = 50 Hz a Tính dòng điện trung bình qua tải qua diode; b Vẽ sơ đồ mạch, dạng sóng điện áp dòng điện tải; c Tính điện áp ngược lớn diode; d Tính dòng điện trung bình qua tải qua diode ắc quy nạp tới trị số E = 170V, vẽ dạng sóng điện áp dòng điện tải trường hợp Bài tập Cho mạch chỉnh lưu cầu pha khơng điều khiển cấp dòng từ máy biến áp pha nối  /  , biết điện áp nguồn cuộn dây thứ cấp 400V, tải R = 10  a Tính dòng điện trung bình qua tải, qua diode điện áp ngược lớn mà diode phải chịu; b Giả sử có thêm tải E = 100V thơng số thay đổi nào? c Vẽ mạch chỉnh lưu dạng sóng điện áp tải trường hợp a Hướng dẫn: Khi biến áp nối kiểu tam giác điện áp ngõ điện áp dây Bài tập Cho mạch chỉnh lưu tia pha khơng dùng cuộn kháng cân bằng, làm nguồn cấp dòng cho máy hàn có điện trở R = 0.15  , biết điện áp dây hiệu dụng cuộn sơ cấp máy biến áp nối Y/YY 380V, tỷ số biến áp Kba = 6,3 a Tính dòng điện hàn, dòng trung bình qua diode điện áp ngược lớn diode; b Giả sử có gắn thêm cuộn kháng cân thơng số thay đổi nào, cho biết tác dụng cuộn kháng cân bằng? c Vẽ sơ đồ chỉnh lưu dạng sóng điện áp tải trường hợp trên? d Mạch chỉnh lưu tia pha thường sử dụng cho loại tải nào, sao, nêu tên loại tải? Ghi chú: Mỗi pha bên thứ cấp có cuộn dây để có điện áp U2 cấp cho mạch chỉnh lưu ta cần chia Kba cho Bài tập Hãy tính dòng điện trung bình qua tải R = 10  , qua diode điện áp ngược lớn diode sơ đồ sau chúng cho điện áp U d = 200V khơng dùng tụ lọc có tụ điện lọc phẳng điện áp tải: a Sơ đồ tia pha, tia pha, cầu pha; b Sơ đồ tia pha, cầu pha; c Sơ đồ tia pha khơng dùng cuộn kháng có cuộn kháng cân bằng; d Vẽ sơ đồ mạch dạng sóng điện áp tải trường hợp có tụ điện lọc phẳng điện áp Bài tập 10 Cho mạch chỉnh lưu tia pha hình vẽ SCR1 biết tỷ số biến áp Kba = U1/U2 = 2, giá trị hiệu dụng U1 id E L U R = 380V, f = 50Hz cấp dòng cho tải R = 1.5; L có giá trị + U xác định, E = 50V (bỏ qua điện trở cuộn cảm ud sụt áp SCR, Lng = 0, RLE khơng thay đổi giá trị) a Tính dòng điện trung bình tải qua SCR góc kích cho SCR  = 600, góc tắt dòng  = SCR2 Hình 225 ; b Tính dòng điện trung bình tải  = 300; c Giả sử bỏ E, tải R, L, tính dòng điện trung bình tải SCR kích với góc  = 750  = 450; d Tính dòng điện trung bình tải SCR kích với  = 900 trường hợp bỏ L, E tải R; e Giả sử người ta thay tải L tải LT = ∞, tính Id  = 900; f Vẽ dạng sóng điện áp tải trường hợp trên; g Giả sử tải có Lng = 10mH, LT = , R = 2, E = 0V, tính dòng điện trung bình tải SCR khích góc  = 300? Bài tập 11 Cho mạch chỉnh lưu cầu pha điều khiển tồn phần, biết điện áp hiệu dụng nguồn xoay chiều hình sin 200V, tần số điện áp nguồn 50Hz, cung cấp dòng cho tải R = 10  , E = 40V, L có giá trị xác định (bỏ qua điện trở cuộn cảm RL sụt áp SCR, Lng =0) a Tính dòng điện trung bình tải Id góc kích cho SCR = 450, góc tắt dòng  = 2100; b Tính dòng điện trung bình tải Id góc kích cho SCR  = 200 (R, L, E khơng thay đổi giá trị); c Nếu bỏ E, tải R, L, tính Id = 600 = 100; d Nếu bỏ L, E tải R tính dòng trung bình tải Id dòng điện trung bình qua SCR, = 300; e Nếu thay SCR chung anode diode, bỏ E tải R, L, tính dòng điện trung bình qua SCR diode SCR kích với = 450 (dòng liên lục); f Vẽ dạng sóng điện áp dòng điện tải trường hợp Bài tập 12 Cho mạch điện hình vẽ, biết u2 = 70Sin100t [V], RT = 1.5  , LT = ∞ a Nêu tên gọi chức khối 1; 2; 3; 4; sơ đồ; b Tính dòng điện trung bình tải góc kích cho SCR  = 600; c Hãy vẽ giản đồ xung (dạng sóng điện áp) điểm A; B; C; D; E; F biến trở VR dạng sóng điện áp tải  = 450 nửa chu kỳ đầu (A dương B âm); d Tại ngõ vào IN- so sánh hình vẽ lại lấy điện áp biến trở VR? 9V Y 1M 47k 224 D B LM324 1M 100k u2 2k2 4007 9V LM324 + ~U1 C 1M 100k VR 4007 A 47k 224 Vcc E 330 103 D 4007 12V 100k 50k 50k LM324 Vcc 1M 4007 1k F 4007 E BAX 47k NPN 330 103 BAX 4007 47k NPN Mạch điều khiển đồng điện áp chiều31 pha tia dùng SCR T1 u2 LOAD Y RT LT 4007 1k 4007 SCR1 X Vcc + X LM324 + 2k2 4007 B 12V 4007 A + T2 SCR Bài tập 13 Cho mạch điện hình 13.1; 13.2, biết điện áp vào hình Sin, f = 50Hz a Hãy vẽ dạng sóng điện áp điểm A; B; E; B1 b Xung ngõ cuộn thứ cấp BAX (hình 13.1) điều khiển cho SCR mạch chỉnh lưu cầu điều khiển bán phần khơng? c Nếu tín hiệu ngõ B1 q nhỏ khơng đủ kích cho SCR cần giải nào? RS B A 4k7 10k E 100k ui 10k 12V C BAX G1 B1 G2 Hình 13.1 A R1 B R2 UAC 12V VR C Hình 13.2 R3 E UJT B1 R4 OUT Bài tập 14 Một mạch chỉnh lưu tia pha có điều khiển cấp nguồn từ máy biến áp nối tam giác/sao (Δ/Y), biết điện áp hiệu dụng cuộn sơ cấp máy biến áp 660V, tỷ số biến áp Kba = 1,73, tải có điện trở R =  (bỏ qua sụt áp linh kiện bán dẫn) a Tính dòng điện trung bình qua tải qua diode SCR kích với góc  = 00; b Tính dòng điện hiệu dụng cuộn thứ cấp I2 c Tính cơng suất tiêu thụ tải góc kích cho SCR  = 450; d Tính dòng điện trung bình tải SCR kích với  = 300; e Xác định góc  để kích cho SCR dòng điện trung bình tải 49,72A; f Giả sử có gắn thêm LT = ∞ nối tiếp với R, tính điện áp trung bình tải SCR kích với góc với  = 600; g Giả sử LT có giá trị xác định  = 2100, tính dòng điện trung bình tải trường hợp 1 = 900, 2 = 600, 3 = 450 h Tính điện áp ngược lớn SCR Hướng dẫn: Tỷ số biến áp Kba = U1/U2 ,vì sơ cấp nối tam giác nên U1 điện áp dây ngõ ra, để có tỷ lệ U2 phải điện áp dây ngõ Bài tập 15 Cho mạch chỉnh lưu tia pha khơng điều khiển, biết điện áp dây hiệu dụng cuộn thứ cấp biến áp U2 = 220V, cung cấp dòng cho tải trở có cơng suất tiêu thụ P = 3kW (bỏ qua sụt áp linh kiện bán dẫn) a Tính dòng điện trung bình tải diode; b Tính cơng suất tiêu thụ tải thay diode SCR với góc kích  = 600 ; c Xác định góc kích  SCR tải có cơng suất P = 2,65 kW Bài tập 16 Cho mạch chỉnh lưu cầu pha điều khiển tồn phần có tải R =10, điện áp dây hiệu dụng cuộn thứ cấp biến áp U2 = 380V, f = 50Hz a Tính dòng điện trung bình tải qua SCR chúng kích với góc  = 00 ; Tính cơng suất tiêu thụ tải; b Tính điện áp ngược cực đại SCR; c Tính dòng điện trung bình tải SCR kích với góc 1 =450 2 =75; d Nếu thay SCR chung anode diode, tính dòng điện trung bình tải SCR kích với góc  = 450 Bài tập 17 Cho mạch chỉnh lưu tia pha khơng điều khiển, khơng dùng cuộn kháng cân biết điện áp dây hiệu dụng cuộn thứ cấp U2 = 200V, cung cấp dòng cho tải trở có cơng suất tiêu thụ P = 10kW (bỏ qua sụt áp linh kiện bán dẫn) a Tính dòng điện trung bình tải diode; b Giả sử thay diode SCR, tính cơng suất tiêu thụ tải SCR kích với góc  = 300 ; c Tính dòng điện trung bình tải SCR kích với  = 900 ; d Xác định góc kích  SCR tải tiêu thụ hết cơng suất P = 5kW; e Tính điện áp ngược lớn SCR HƯỚNG DẪN I Các tập chương (từ 1-9) áp dụng chủ yếu cơng thức tổng hợp vào bảng 3.3, phần sơ đồ dạng sóng U, I coi giáo trình - Nếu cho vật liệu chế tạo diode Si tổn hao diode 0.7V, bỏ qua tổn hao coi diode lý tưởng - Nếu điện áp nguồn xoay chiều cho dạng giá trị tức thời biết tần số f phải xác định giá trị hiệu dụng điện áp nguồn AC II Các tập chương 3, chủ yếu áp dụng cơng thức bảng tổng hợp 3.3, 3.4 3.5 Chú ý vấn đề sau: Đối với mạch pha tải RL RLE, để áp dụng dạng cơng thức cần dùng phép thử sau: Khi biết góc tắt dòng  lấy X =  - π để biết phần kéo dài sức điện động tự cảm eL phía bán kỳ âm sau π bao nhiêu, từ suy ra: - Nếu  > X, ta có dòng điện gián đoạn ( < π +); - Nếu  = X, ta có giới hạn dòng điện liên tục gián đoạn ( = π +); - Nếu  < X, ta có dòng điện liên tục ( = π +) Đối với mạch tia pha cho LT giá trị xác định, cần xác định theo điều kiện: - Khi  < 5π/6 +, ta có dòng gián đoạn; - Khi  = 5π/6 +, ta có dòng điện liên tục giới hạn liên tục với gián đoạn Đối với mạch pha pha tải RL, RLE cho L LT = ∞, ln có dòng liên tục phẳng Khi cho Lng = 0, khơng có tượng trùng dẫn, Lng ≠0, mạch có tượng trùng dẫn, cần phải tính dòng điện trường hợp có trùng dẫn Đối với mạch tia pha, cầu pha tia pha tải R, cần xác định góc kích  phạm vi dòng liên tục hay gián đoạn để áp dụng cơng thức tính Ud Đối với dạng tập cho trước dòng tải cơng suất tải, u cầu phải xác định góc kích  Để xác định dạng cơng thức, cần tính Ud, Id Pd góc  giới hạn dòng liên tục gián đoạn so sánh với giá trị cho để rút kết luận áp dụng dạng cơng thức Trong mạch chỉnh lưu pha, pha, cho điện áp dây, để áp dụng cơng thức bảng 3.3; 3.4; 3.5, cần phải đổi từ điện áp dây sang điện áp pha Trong mạch chỉnh lưu tia pha có cuộn thứ cấp, cuộn có điện áp U2 Các dạng sơ đồ, dạng sóng cơng thức tính U, I coi giáo trình lý thuyết Các câu hỏi 13, coi nội dung 3.3 từ trang 88 – 91 3.14 trang 127 Bài tập 18 Cho mạch điều chỉnh điện áp xoay chiều pha G1 biết RT = 20, XL= 0, điện áp hiệu dụng nguồn xoay chiều U Y = 380V, f = 50Hz SCR1 a Tính cơng suất tiêu thụ tải trường hợp điện áp RT tải lớn nhất; G2 SCR2 ~u b Tính cơng suất tiêu thụ tải SCR điều XL = L  khiển với góc kích  = 30 , tính hệ số cơng suất Cos X mạch vẽ dạng sóng điện áp tải; c Tính cơng suất tiêu thụ tải SCR điều khiển theo tỷ lệ thời gian đóng ngắt, biết thời gian làm việc TLV = 120mS, thời gian nghỉ TN = 40mS; d Cần phải khống chế góc kích TH độ để điện áp tải khơng trở thành DC XL = 10 (xung điều khiển xung ngắn); e Vẽ dạng sóng dòng điện, điện áp tải góc kích cho SCR1  = 900 , SCR2 thay diode (tải có R XL = 10, giả sử nửa chu kỳ đầu Y có điện dương) f Mạch tạo xung điều khiển 12 điều khiển cho SCR mạch khơng, cần khống chế góc kích TH thực nào? HƯỚNG DẪN: Mạch mạch điều chỉnh điện áp xoay chiều pha dùng SCR (cũng dùng TRIAC) Các u cầu tập xác định theo cơng thức giáo trình Có thể cho trước dòng tải cơng suất xác định thơng số khác mạch Bài tập 19: Cho mạch điện hình vẽ, biết điện áp xoay chiều u = 311Sin314t [V], (bỏ qua sụt áp linh A Tải B kiện bán dẫn) a Tính cơng suất tiêu thụ tải thiết bị gia nhiệt ~ u có R= 5Ω đặt hai điểm AB góc kích cho SCR  = 450, vẽ dạng sóng điện áp tải; b Tính dòng điện trung bình qua SCR nối tắt AB, tải R = 2Ω, LT = ∞, dòng liên tục phẳng chế độ xác lập đặt CD góc kích cho SCR  = 300, vẽ dạng sóng dòng điện điện áp tải; c Thực tương tự trường hợp b LT = 0,  = 600; d Cho biết tác dụng diode hai trường hợp trên? C D1 D2 SCR D4 D3 HƯỚNG DẪN: - Mạch mạch điều chỉnh điện áp xoay chiều tải đặt AB, điều khiển theo pha (Phase control); - Trường hợp b tải RL dòng liên tục đặt CD mạch chỉnh lưu cầu pha; - Trường hợp c, mạch trở Bài tập 20: Hãy vẽ kiểu mạch điều chỉnh điện áp xoay chiều pha? D Bài tập 21: Cho mạch điện hình vẽ, biết điện áp dây nguồn xoay chiều pha u = 660Sin314t [V], (bỏ qua sụt áp linh kiện bán dẫn), MOSFET điều khiển với xung điều chế có độ rộng ton= 60mS, toff = 30mS, R = 5Ω a Tính thơng số lựa chọn MOSFET (IQ, UDS); b Tính thơng số lựa chọn diode ( ID0, UD0); c Tính dòng điện trung bình qua diode chỉnh lưu D1-D6; d Tính điện áp ngược lớn diode D1 – D6 L IQ IT D1 D3 D5 ~u PWM Ui D4 D6 ID0 C U0 R D0 D2 HƯỚNG DẪN: - Mạch mạch kết hợp mạch chỉnh lưu cầu pha (có thể mạch chỉnh lưu khơng điều khiển khác) mạch điều chỉnh điện áp chiều kiểu giảm áp (có thể mạch tăng áp) Điện áp ngõ mạch chỉnh lưu cầu pha điện áp ngõ vào mạch DC – DC (Ui); - Mục c; d, Ui thơng số mạch chỉnh lưu xác định theo bảng 3.3; - Mục a; b theo phụ lục bảng hướng dẫn xác định dạng sóng thơng số mạch biến đổi điện áp TI cuối giáo trình ta có: Mạch giảm áp: - Điện áp ngõ ra: Uo = Ui.D - Dòng điện ngõ qua MOSFET: IQ = I0 = U0/R - Điện áp ngược diode D0: UD0 = Ui - Điện áp MOSFET: UDS = Ui - Dòng điện qua diode D0: ID0 = I0(1-D) Mạch tăng áp: - Điện áp ngõ ra: U0 = Ui 1  D  - Dòng qua MOSFET: IQ = I0 1  D  - Điện áp ngược diode D0: - Điện áp MOSFET: - Dòng điện ngõ qua diode D0: UD0 = U0 UDS = U0 ID0 = I0 = U0/R ID0 Ui PWM L IQ D0 R C Q Trong D = ton/ton+toff = ton/T : Duty cycle - Ngồi ta có U0 = Ui.ton.f (f = 1/T), cho biết ton; toff; ton; f ta tính U0 - Cũng người ta cho trước dòng điện cơng suất tiêu thụ tải, cần xác định tần số đóng cắt f độ rộng xung điều chế ton tỷ số D Nếu tải khơng phải trở mà RE hặc RLE (động DC) ta phải áp dụng cơng thức thích hợp để tính I0 Bài tập 22: Cho đồ thị dạng sóng điện áp hình vẽ a Vẽ mạch nghịch lưu tạo điện áp xoay chiều điện áp nguồn DC 36V? b Tính tần số điện áp xoay chiều, xác định tỷ số biến áp để điện áp UAC = 220V Ut +220V t -220V 1mS 1mS HƯỚNG DẪN: - Dạng sóng điện áp ngõ cấp từ mạch nghịch lưu áp qua biến áp tăng áp; - Ngồi cho điện áp xoay chiều ngõ có giá trị nhỏ (dưới 40V) dùng mạch nghịch kiểu cầu nửa cầu trực tiếp từ nguồn DC; - Trường hợp khác cho sơ đồ mạch nghịch lưu, biết tần số, dạng xung điều khiển linh kiện bán dẫn, cần vẽ dạng sóng điện áp tải? Bài tập 23: Cho mạch nghịch lưu áp pha hình vẽ 23.1 a Hãy vẽ sơ đồ nối dây tải từ bước đến IGBT điều khiển xung vng với thời gian dẫn 1200 1800, lệch pha 600 b Hãy lập bảng trạng thái điện áp pha điện áp dây (bảng 23.1) tải tương ứng với xung điều khiển c Hãy vẽ dạng sóng điện áp pha UA0’; UB0’; UC0’và điện áp dây UAB; UBC; UCA tải tương ứng với xung kích S1 U D1 D2 S3 S5 D3 + A ZA - B C ZB S4 D1 ’ D2 ’ S6 S2 0’ ZC D3’ Hình 23.1 Mạch nghịch lưu áp pha Bảng 23.1 Độ chia Điện áp – 60o 60o – 120o 120o – 180o 180o – 240o 240o – 300o 300o – 360o UA0’ UB0’ UC0’ UAB UBC UCA Bài tập 24.Cho mạch điều chế SPWM hình vẽ (fURC =14fUđk) Hãy vẽ dạng xung điều chế ngõ sóng Sin đưa vào IN+, sóng tam giác đưa vào IN- so sánh trường hợp OP-AMP sử dụng nguồn đơn +12V nguồn đơi ± 12V k (sin chuẩn) URC (tam giác) U  U0 +U  -U 10 ... mạch, dạng sóng điện áp dòng điện tải; c Tính điện áp ngược lớn diode; d Tính dòng điện trung bình qua tải qua diode ắc quy nạp tới trị số E = 170V, vẽ dạng sóng điện áp dòng điện tải trường hợp Bài. .. pha, cho điện áp dây, để áp dụng cơng thức bảng 3.3; 3.4; 3.5, cần phải đổi từ điện áp dây sang điện áp pha Trong mạch chỉnh lưu tia pha có cuộn thứ cấp, cuộn có điện áp U2 Các dạng sơ đồ, dạng sóng... thêm tải E = 100V thơng số thay đổi nào? c Vẽ mạch chỉnh lưu dạng sóng điện áp tải trường hợp a Hướng dẫn: Khi biến áp nối kiểu tam giác điện áp ngõ điện áp dây Bài tập Cho mạch chỉnh lưu tia pha