THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG XUẤT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Biên soạn: ThS Bùi Hữu Hiên Tài Liệu Lưu Hành Tại HUTECH www.hutech.edu.vn THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Ấn 2015 MỤC LỤC I MỤC LỤC MỤC LỤC I HƯỚNG DẪN II BÀI 1: THÍ NGHIỆM MẠCH KÍCH THYRISTOR VÀ TRIAC BÀI 2: THÍ NGHIỆM BỘ CHỈNH LƯU CẦU CÔNG SUẤT PHA 10 BÀI 3: THÍ NGHIỆM BỘ CHỈNH LƯU CẦU CÔNG SUẤT PHA 23 BÀI 4: THÍ NGHIỆM BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU 29 BÀI 5: THÍ NGHIỆM BỘ BIẾN ĐỔI NGUỒN DC - DC CÔNG SUẤT 35 BÀI 6: THÍ NGHIỆM BỘ BIẾN TẦN KIỂU ĐIỀU RÔNG XUNG (PULSE WIDTH MODULATION INVERTER) 42 BÀI 7: THÍ NGHIỆM BỘ BIẾN TẦN THEO PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI ĐIỆN THẾ (VARIABLE - VOLTAGE INTERVER) 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 II HƯỚNG DẪN HƯỚNG DẪN MÔ TẢ MÔN HỌC Giới thiệu tổng quan điện tử công suất, linh kiện công suất phổ thông sử dung phổ biến thị trường, mạch điện tử công suất, nguyên lý vận hành phương pháp kích dẫn Môn học giúp người học nhận diện sơ đồ mạch điện tử công suất, phân tích nguyên lý phương pháp đo đạc thông số dòng áp nhận biết dạng sóng điện áp, dòng điện tải linh liện công suất mạch NỘI DUNG MÔN HỌC  Bài Thí nghiệm mạch kích Thyristor Triac: Bài cung cấp cho sinh viên kiến thức phương pháp kích dẫn cho Thyristor Triac, đặc biệt phương pháp kích đồng  Bài Bộ chỉnh lưu cầu công suất pha: Bài cung cấp cho sinh viên kiến thức chỉnh lưu cầu pha điều khiển bán phần toàn phần với phương pháp kích đồng  Bài Bộ chỉnh lưu cầu công suất pha: Bài cung cấp cho sinh viên kiến thức chỉnh lưu cầu pha điều khiển bán phần toàn phần với phương pháp kích đồng  Bài Bộ biến đổi điện áp xoay chiều: Bài cung cấp cho sinh viên kiến thức điều khiển điện áp xoay chiều mà linh kiện công suất Triac  Bài Bộ biến đổi ngườn DC - DC công suất: Bài giúp sinh viên nhận diện, phân tích đo đạc thông số dòng áp mạch biến đổi DC - DC  Bài Bộ biến tần điều rộng xung: Bài giúp sinh viên có kiến thức biến tần dùng phương pháp điều rộng xung (PWM)  Bài Bộ biến tần theo phương pháp biến đổi điện (Six – step): Bài giúp sinh viên hiểu biết biến tần Six – Step dạng sóng tải mạch HƯỚNG DẪN III KIẾN THỨC TIỀN ĐỀ Môn học thí nghiệm điện tử công suất đòi hỏi sinh viên phải có kiến thức lý thuyết môn học Điện tử công suất YÊU CẦU MÔN HỌC Người học phải dự học đầy đủ buổi thí nghiệm lớp soạn phần chuẩn bị hoàn chỉnh phần báo cáo TN nhà trước lên lớp CÁCH TIẾP NHẬN NỘI DUNG MÔN HỌC Để học tốt môn này, người học cần ôn tập học lý thuyết, trả lời câu hỏi phần chuẩn bị trước thí nghiệm Đọc trước học Đối với thí nghiệm, người học phải đọc trước mục tiêu tóm tắt học, sau tìm thông tin liên quan đến nội dung thí nghiệm để tham khảo thêm Kết thúc thí nghiệm người học phải soạn báo cáo thí ngiệm theo mẫu Báo cáo đính kèm theo giáo trình thí nghiệm PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ MÔN HỌC Môn học đánh giá gồm:  Điểm trình: 30% Hình thức nội dung GV định, phù hợp với quy chế đào tạo tình hình thực tế nơi tổ chức học tập  Điểm thi: 70% Chấm báo cáo thí nghiệm làm thi thực hành tùy vào quan điểm người hướng dẫn thí nghiệm BÀI 1: THÍ NGHIỆM MẠCH KÍCH THYRISTOR VÀ TRIAC BÀI 1: THÍ NGHIỆM MẠCH KÍCH THYRISTOR VÀ TRIAC 1.1 MỤC ĐÍCH YÊU CẦU: Giúp sinh viên làm quen vài linh kiện điện tử công suất thông dụng Thyristor Triac Tính vận hành chúng phương pháp kích dẫn, đặc biệt đề cao ý nghĩa phương pháp kích động 1.2 PHẦN LÝ THUYẾT: 1.2.1 Thyristor (SCR): Thyristor (tên ghép từ Thyratron Transistor) cấu tạo từ lớp bán dẫn P-NP-N (hình 1.1.a), có điện cực Anode (A), Cathode (K) điện cực điều khiển (G) Hình 1.1: Cấu trúc hình dạng Thysistor Khi nối Anode với cực “+” Cathode với cực “-” nguồn chiều, J1 J3 phân cực thuận J2 phân cực nghịch Kết gần toàn điện nguồn đặt lên lớp tiếp xúc J2 Nếu tác động vào cực G điện dương so với K (tín hiệu xung kích) Thysistor nhận lượng đủ lớn điện trường tổng cộng Các điện trường ion hóa nguyên tử bán dẫn, tạo điện tử (thứ THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT cấp) Các điện tử thứ cấp nhận lượng gây ion hóa Kết thác lũ điện tử tạo lớp tiếp xúc J2 chảy vào N1, sau qua P1 để tới cực A tạo thành dòng qua Thyristor Thyristor làm việc chế độ chế độ mở, có điện trở thuận nhỏ dòng dẫn I lớn Để đưa Thyristor trạng thái cấm (khóa), cần tiến hành theo cách sau: - Giảm dòng I xuống giá trị trì dẫn - Đảo chiều phân áp U tạo phân cực ngược cho Thyristor (Chỉ áp dụng với tải trở, với tải cảm được!) Một số đặc điểm cần lưu ý sử dụng Thyristor:  Mỗi loại Thyristor chế tạo có đặc trưng khác nhau, cần lựa chọn loại thích hợp với yêu cầu sử dụng: - Dòng điện định mức In: (tùy loại) ~A  1000A - Dòng điện rò ~mA - Điện áp ngược cực đại Uin (max): (tùy loại) vài trăm Volt  vài kV - Dòng điện điều khiển IG - Tốc độ tăng dòng điện dI/dt: A/s - Tốc độ tăng điện áp dV/dt: V/s - Thời gian khóa: vài chục s - Thời gian mở: vài s - Quá trình chuyển từ mở sang cấm không xảy tức thời Nếu Thyristor chưa cấm hẳn mà xác lập U để UA-K dương, làm đoản mạch nguồn hỏng Thyristor 1.2.2 TRIAC (Triode Alternative Current): Triac dụng cụ tương đương với Thyristor song song ngược chiều có chung cực điều khiển Do làm việc với nguồn phân cực dương âm, khái niệm Anode Cathode Triac không phù hợp Được quy ước sử dụng ký hiệu T2 (hoặc B2) T1 (hoặc B1) cho cực ngõ cực điều khiển G gần T1 BÀI 1: THÍ NGHIỆM MẠCH KÍCH THYRISTOR VÀ TRIAC Hình 1.2: Cấu trúc (a) ký hiệu Triac (b) Cấu trúc bán dẫn Triac mô tả cấu trúc lớp tiếp xúc bán dẫn Ta Tb Trong trường hợp nối T2 với nguồn “+” T1 với nguồn ”-“, G với “+”, nửa Ta Triac làm việc Thyristor thông thường Nếu phân cực nguồn ngược lại, điện tử từ N3 phóng vào P2, gây trình thác lũ va chạm làm dẫn Tb Khác với Thyristor, Triac làm việc với điện điều khiển âm không đổi trạng thái đảo cực nguồn nuôi Hình 1.3: Đặc tuyến V - A Triac BÀI 6: THÍ NGHIỆM BỘ BIẾN TẦN KIỂU ĐIỀU RÔNG XUNG 45 Hình 6.3: Thiết bị thực tập biến tần kiểu điều rộng xung 6.3.2 Các thực hành: a) Khảo sát phát tín hiệu sin pha: - Kiểm tra việc cấp nguồn  12V GND cho sơ đồ điều khiển PEC-505A - Vặn biến trở SET VALUE để thay đổi tần số biên độ máy phát tín hiệu sine Xác định khoảng tần số biên độ làm việc máy phát tín hiệu sine pha 46 - THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Sử dụng dao động ký quan sát dạng tín hiệu máy phát tín hiệu sine ngõ PEC-505A - Dao động ký đặt chế độ đồng với tín hiệu sine A Quan sát chênh lệch pha tín hiệu sine B sine C so với tín hiệu sine A  Vặn biến trở SET VALUE để thay đổi tần số biên độ máy phát tín hiệu sine, dừng lại vị trí cho tín hiệu dễ vẽ - Vẽ giản đồ thời gian cho tín hiệu sine vào hình phần 6.2.II báo cáo Xác định độ lệch pha tín hiệu sine Hình 6.4: Máy phát tín hiệu sin pha hình thành xung điều rộng BÀI 6: THÍ NGHIỆM BỘ BIẾN TẦN KIỂU ĐIỀU RÔNG XUNG b) 47 Khảo sát hoạt động tạo xung có độ rộng thay đổi:  Khảo sát hoạt động khối PEC-505A (Hình 6.4) - Kiểm tra việc cấp nguồn  12V GND cho sơ đồ điều khiển PEC-505A PEC505B - Nối ngõ sine A, sine B, sine C khối PEC-505A với ngõ vào tương ứng khối PEC-505B  Kiểm tra ngõ máy phát tín hiệu tam giác Vẽ dạng tín hiệu tam giác vào hình phần 6.2.II có dạng sóng sine vừa vẽ - Sử dụng dao động ký quan sát dạng tín hiệu ngõ so sánh Comp 1, Comp 2, Comp TP1-2-3 tương ứng - Vẽ giản đồ thời gian tín hiệu điều khiển lối T1-T6/PEC-505B vào hình tương ứng Báo cáo  Vặn biến trở SET VALUE để thay đổi tần số biên độ máy phát tín hiệu sine vài lần Quan sát nhận xét dừng lại vị trí cho tần số sóng sine với tần số sine vừa vẽ xong - Kiểm tra lại hình vẽ giản đồ thời gian tín hiệu điều khiển lối T1-T6/PEC505B lần - Giữ nguyên vị trí biến trở SET VALUE cho thí nghiệm sau - Phát biểu kết luận phụ thuộc tín hiệu so sánh (Comp1-3) theo tần số biên độ tín hiệu sine chuẩn c) Khảo sát hoạt động biến tần điều rộng xung (PWM):  Nối sơ đồ PEC-505A, PEC-505B, PEC-504A, PE-516, PEL-521 hình 6.5, đó: - Khối PEC-504A phần ngỏ vào AC khối PE-516 tạo thành biến đổi điện DC-DC cấp cho khối MOSFET công suất biến tần - Khối PEC-505A máy phát sine pha - Khối PEC-505B tạo xung độ rộng thay đổi ngõ điều khiển khối MOSFET công suất biến tần PE-516 48 - THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chú ý trình tự nối ngõ biến xuất tương ứng với MOSFET: Hàng ký hiệu T1-T3-T5 Hàng tương ứng T4-T6-T2 Khi nối nhầm dẫn tới MOSFET cột dẫn gây đoản mạch, nổ nguồn, hư hỏng linh kiện công suất - Nối chốt U – V – W với tải R1-R2-R3 bóng đèn khối tải PEC-521, Các tải R nên đấu theo kiểu (Lưu ý : Lúc ngõ Biến tần cho nguồn pha theo kiểu tam giác) - Nối nguồn ~24VAC từ PE-500PS tới ngõ vào AC In PE-516  Kiểm tra hoạt động biến đổi DC-DC Converter Chỉnh biến trở SET khối PEC-504A để 24VDC - Kiểm tra cấp nguồn  12V GND cho sơ đồ điều khiển PEC-505A, PEC-505B  Sử dụng dao động ký quan sát tín hiệu pha điểm U-V-W PE- 516 (so với điểm trung tính tải) Vẽ dạng tín hiệu vào giản đồ thời gian hình báo cáo  Sử dụng dao động ký quan sát tín hiệu dây cặp: U-V, V-W, U-W PE-516 Vẽ dạng tín hiệu vào giản đồ thời gian hình báo cáo  Nối lối U-V-W với tải R1-R2-R3 Giữ nguyên U0 = 24V Thay đổi biến trở SET VALUE Xác định mối quan hệ tần số sóng sin chuẩn với dòng tải d) Khảo sát Bộ biến tần ứng với tải cảm (động pha):  Giữ nguyên cấu hình thí nghiệm Nối chốt U-V-W trực tiếp với tải motor AC Sử dụng dao động ký quan sát vẽ lại tín hiệu riêng pha U và cặp điện áp dây U-V vào hình  So sánh khác tín hiệu điện áp pha điện áp dây bước vừa với bước tương ứng (tải trở)  Nhận xét, đánh giá kết đo BÀI 6: THÍ NGHIỆM BỘ BIẾN TẦN KIỂU ĐIỀU RÔNG XUNG Hình 6.5: Bộ biến tần kiểu điều rộng xung 49 50 THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT BÀI 7: THÍ NGHIỆM BỘ BIẾN TẦN THEO PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI ĐIỆN THẾ (VARIABLE - VOLTAGE INTERVER) 7.1 MỤC ĐÍCH YÊU CẦU: Giúp sinh viên tìm hiểu phương pháp biến đổi điện nguyên lý kích dẫn cầu tạo điện áp ba pha Six - step Inverter 7.2 PHẦN LÝ THUYẾT: Sơ đồ khối biến tần theo phương pháp biến đổi điện (tên gọi khác Biến tần Six – Step), kiểu bước, trình bày hình 7.1 Tín hiệu từ máy phát tín hiệu bước qua khối công suất (Drive) để điều khiển MOSFET tương ứng hình thành tín hiệu Hình 7.1: Sơ đồ khối biến tần kiểu bước BÀI 7: THÍ NGHIỆM BỘ BIẾN TẦN THEO PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI ĐIỆN THẾ (VARIABLE - VOLTAGE INTERVER) 51 Khi cấp nguồn ~24VAC vào cho module PE-516 qua khâu chỉnh lưu ta có điện áp DC thô, qua khâu DC-DC Converter cho phép tạo điện áp chiều ổn định cung cấp cho khối MOSFET công suất biến tần Khi thay đổi biến trở SET khối PEC-504A, biến đổi V to F Converter làm thay đổi tần số xung Clock tương ứng, làm thay đổi tần số sóng điều khiển khâu biến tần Đồng thời làm thay đổi tương ứng DC làm thay đổi điện áp sóng tải Dạng sóng biến tần bước có dạng bậc nhảy hình chữ nhật Khi dùng với tải cảm, dòng điện chậm pha so với điện áp Trên hình 7.2a dạng sóng mồi 1200 ứng với tải trở Trên hình 7.2b dạng sóng mồi 1800 ứng với tải trở Hình 7.2: Giản đồ thời gian hoạt động biến tần kiểu bước 52 THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 7.3 TIẾN TRÌNH THÍ NGHIỆM: BỘ BIẾN TẦN THEO PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI ĐIỆN THẾ (SIX - STEP – INTERVER) 7.3.1 Thiết bị sử dụng:  Thiết bị cho thực tập biến tần kiểu biến đổi điện hay gọi biến tần kiểu bước (hình 7.3) chứa phần chức năng: - Bảng nguồn PE–500PS chứa Aptomat pha cho ổ điện 220 VAC, Aptomat pha cấp nguồn cho thí nghiệm, cầu chì 10A, đèn báo nguồn, ngõ cho nguồn ~24V AC/10A pha, nguồn chiều +12V/1.5A -12V/1.5A - Module biến đổi nguồn DC – DC tạo xung clock PEC-504A - Module công suất biến tần: PE-516 - Module tải PEL-521 - Motor pha AC, 24V (3 cuộn dây tải bỏ ngõ)  Dao động ký tia  Phụ tùng: Dây có chốt cắm đầu BÀI 7: THÍ NGHIỆM BỘ BIẾN TẦN THEO PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI ĐIỆN THẾ (VARIABLE - VOLTAGE INTERVER) 53 54 THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Hình 7.3: Thiết bị thực tập biến tần kiểu biến đổi điện 7.3.2 Các thực hành: a) Khảo sát hoạt động biến đổi điện DC-DC Converter:  Khảo sát hoạt động khối PEC-504A PE-516 (Hình 7.5) - Kiểm tra việc cấp nguồn  12V GND cho sơ đồ điều khiển PEC-504A - Nối chốt Uin+, Uin-, U0 khối PEC-504A PE-516  cấp nguồn ~24VAC từ PE-500PS cho ngõ vào AC in PE-516  Điều chỉnh biến trở SET PEC-504A, theo dõi thay đổi điện áp U0 đồng hồ PE-516 Quan sát tín hiệu điều khiển C1 (so với Emitter Transistor điều khiển công suất) Nối tải đèn R1 với ngõ nguồn DC PE516 (song song với đồng hồ đo V) Vặn biến trở SET để thay đổi Xác định mối liên quan U0 với độ rộng T xung điều khiển C1 Ghi kết vào bảng Bảng U0 5V 7.5V 10V 15V 20V 25V T(C1)  Đặt U0 = 20V, mắc song song bóng đèn lại Xác định mối liên quan dòng tải với độ rộng xung điều khiển C1 Ghi kết vào bảng Bảng I(R) R1 R1//R2 R1//R2//R3 T(C1)  Kiểm tra thay đổi tần số ngõ biến đổi V-F Converter PEC504A Xác định mối liên hệ điện U0 với chu kỳ xung ngõ DIGITAL OUTPUT Ghi kết đo vào bảng Bảng U0 F(Dig.Out) 5V 7.5V 10V 15V 20V 25V BÀI 7: THÍ NGHIỆM BỘ BIẾN TẦN THEO PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI ĐIỆN THẾ (VARIABLE - VOLTAGE INTERVER) 55 b) Khảo sát tín hiệu bước:  Khảo sát hoạt động khối PEC-504B (Hình 7.4) - Giữ nguyên sơ đồ tín hiệu mục a) Nối ngõ DIGITAL OUT PEC-504A vào ngõ DIGITAL INPUT PEC-504B - Kiểm tra việc cấp nguồn +12V GND cho sơ đồ điều khiển PEC-504B - Đặt biến trở SET PEC-504A để U0 = 24VDC  Đặt công tắc MODE vị trí 1200 - Sử dụng dao động ký quan sát dạng tín hiệu máy phát tín hiệu ngõ PEC-504B Dao động ký đặt chế độ đồng với tín hiệu D0 - Quan sát lệch pha tín hiệu D1-D5 so với tín hiệu D0 Quan sát tín hiệu tương ứng ngõ T1-T6 Vẽ dạng xung vào hình mục II.A Báo cáo Lưu ý: vẽ phải thể độ lệch thời gian thứ tự xung từ D0  D5 - Có thể dùng hai kênh dao động ký để xác định đồng thời tín hiệu D T  Đặt công tắc MODE vị trí 1800 - Sử dụng dao động ký quan sát dạng tín hiệu máy phát tín hiệu ngõ PEC-504B Dao động ký đặt chế độ đồng với tín hiệu D0 - Quan sát lệch pha tín hiệu D1-D5 so với tín hiệu D0 Quan sát tín hiệu tương ứng ngõ T1-T6 Vẽ dạng xung vào hình vẽ c) Khảo sát hoạt động biến tần bước:  Nối sơ đồ PEC-504A, PEC-504B, PE-516, PEL-521 hình 7.5, đó: - Khối PEC-504A phần vào PE-516 tạo thành biến đổi điện DC-DC cấp cho ngõ vào khối công suất biến tần - Nối khối PEC-504B tạo xung điều khiển bước cho MOSFET khối công suất biến tần PE-516 - Nối U-V-W với tải R1, R2, R3 khối tải PEL-521 Nối tải trở theo kiểu đấu 56 THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Hình 7.4: Khối phát tín hiệu điều khiển kiểu bước Chú ý trình tự nối biến tương ứng với MOSFET: Hàng ký hiệu T1-T3-T5 Hàng tương ứng T4-T6-T2 Khi nối nhầm dẫn tới MOSFET cột dẫn gây đoản mạch, nổ nguồn, hư hỏng linh kiện công suất - Nối nguồn ~24VAC từ PE–500PS tới ngõ vào AC in PE-516  Kiểm tra hoạt động biến đổi DC-DC Chỉnh biến trở SET (PEC-504A) để = 24VDC BÀI 7: THÍ NGHIỆM BỘ BIẾN TẦN THEO PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI ĐIỆN THẾ (VARIABLE - VOLTAGE INTERVER) 57  Đặt công tắc MODE vị trí 1200 Sử dụng dao động ký quan sát vẽ lại tín hiệu điện áp pha (so với điểm trung tính tải) điểm U-V-W PE-516 vào hình báo cáo  Sử dụng dao động ký quan sát vẽ lại tín hiệu dây: U-V, V-W, U-W PEC-516 Đưa tiếp dạng tín hiệu vào giản đồ thời gian hình báo cáo  Giữ nguyên cấu hình thí nghiệm Nối chốt U-V-W trực tiếp với tải motor AC Sử dụng dao động ký quan sát vẽ lại tín hiệu điện áp pha điện áp dây vào hình vẽ ứng với tải động  Xác định mối quan hệ điện U0 dòng tải Ghi kết vào bảng 7.1  So sánh khác tín hiệu U pha U dây bước (với tải trở)  Đặt công tắc MODE vị trí 1800 Lập lại bước tương từ MODE 1200 Ghi kết vào hình vẽ  Vặn biến trở SET PEC-504A để thay đổi DC cấp cho công suất MOSFET Quan sát hiệu ứng thay đổi điện áp dây điện áp pha  Nhận xét đánh giá kết thí nghiệm 58 THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Hình 7.5: Bộ biến tần kiểu bước BÀI 7: THÍ NGHIỆM BỘ BIẾN TẦN THEO PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI ĐIỆN THẾ (VARIABLE - VOLTAGE INTERVER) TÀI LIỆU THAM KHẢO 59