THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT. KS. Bùi Hữu Hiên

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Biên soạn: KS Bùi Hữu Hiên Tài Liệu Lưu Hành Tại HUTECH www.hutech.edu.vn THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT Ấn 2013 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 CƠNG SUẤT PHA 10 BÀI 3: THÍ NGHIỆM BỘ CHỈNH LƯU CẦU CÔNG SUẤT PHA 22 BÀI 4: THÍ NGHIỆM BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU 27 BÀI 5: THÍ NGHIỆM BỘ BIẾN ĐỔI NGUỒN DC - DC CÔNG SUẤT 34 BÀI 6: THÍ NGHIỆM BỘ BIẾN TẦN KIỂU ĐIỀU RÔNG XUNG 40 BÀI 7: THÍ NGHIỆM BỘ BIẾN TẦN THEO PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI ĐIỆN THẾ (VARIABLE - VOLTAGE INTERVER) 49 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 Mơn học giúp người học nhận diện sơ đồ mạch điện tử cơng suất, phân tích ngun lý phương pháp đo đạc thơng số dịng áp nhận biết dạng sóng điện áp, dịng điện tải linh liện công suất mạch NỘI DUNG MƠN HỌC  Bài Thí nghiệm mạch kích Thyristor Triac: Bài cung cấp cho sinh viên hiểu biết phương pháp kích dẫn cho Thyristor Triac, đặc biệt phương pháp kích đồng  Bài 2: Bộ chỉnh lưu cầu công suất pha: Bài cung cấp cho sinh viên hiểu biết chỉnh lưu cầu pha điều khiển bán phần tồn phần với phương pháp kích đồng  Bài 3: Bộ chỉnh lưu cầu công suất pha: Bài cung cấp cho sinh viên hiểu biết chỉnh lưu cầu pha điều khiển bán phần toàn phần với phương pháp kích đồng  Bài 4: Bộ biến đổi điện áp xoay chiều: Bài cung cấp cho sinh viên hiểu biết điều khiển điện áp xoay chiều mà linh kiện công suất Triac  Bài 5: Bộ biến đổi ngườn DC - DC công suất: Bài giúp sinh viên nhận diện, phân tích đo đạc thơng số dịng áp mạch biến đổi DC - DC  Bài 6: Bộ biến tần điều rộng xung: Bài giúp sinh viên có kiến thức biến tần dung phương pháp PWM  Bài 7: Bộ biến tần theo phương pháp biến đổi điện (Six – step): Bài giúp sinh viên có kiến thức biến tần dùng phương pháp Six – Step, dạng sóng tải mạch HƯỚNG DẪN III KIẾN THỨC TIỀN ĐỀ Môn học thí nghiệm điện tử cơng suất địi hỏi sinh viên có kiến thức lý thuyết điện tử cơng 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 MƠN HỌC Để học tốt mơn 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 đọc trước mục tiêu tóm tắt học, sau tìm thêm thông tin liên quan đến đọc nội dung thí nghiệm để tham khảo thêm Kết thúc thí nghiệm người học phải soạn báo cáo thí ngiệm theo mẫu đính kèm theo giáo trình thí nghiệm PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ MƠN HỌC Mơn 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 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 Anod (A), Catod (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 ngược 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 cấp) Các điện tử thứ cấp nhận lượng gây ion hóa Kết THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT 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 dịng 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 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 lối 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 mơ 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 ni Hình 1.3: Đặc tuyến V - A Triac BÀI 6: THÍ NGHIỆM BỘ BIẾN TẦN KIỂU ĐIỀU RÔNG XUNG - 45 Nối lối sinA, sinB, sinC khối PEC-505A với lối vào tương ứng khối PEC-505B  Kiểm tra lối máy phát tín hiệu tam giác Vẽ dạng tín hiệu tam giác vào hình 6.1 BC  Sử dụng dao động ký quan sát dạng tín hiệu lối so sánh Comp1, Comp2, Comp3 TP1-2-3 tương ứng - Vẽ giản đồ xung TP1-2-3 tín hiệu sin tam giác vào hình 6.1BC - Vẽ giản đồ thời gian tín hiệu điều khiển lối T1-T6/PEC-505B vào hình 6.1.BC  Vặn biến trở SET VALUE để thay đổi tần số biên độ máy phát tín hiệu sin Quan sát vẽ lại dạng tín hiệu lối so sánh Comp1, Comp2, Comp3 TP1-2-3 tương ứng vào hình 6.2.BC - Vẽ giản đồ thời gian tín hiệu điều khiển lối T1-T6/PEC-505B vào hình 6.2.BC - 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 sin chuẩn c) Khảo sát hoạt động biến tần điều rộng xung (PWMI):  Nối sơ đồ PEC-505A, PEC-505B, PEC-504A, PE-516, PEL-521 hình 6.5, đó: - Khối PEC-504A phần vào PE-516 tạo thành biến đổi điện DC-DC cấp cho lối vào công suất biến tần - Khối PEC-505A máy phát sin pha - Khối PEC-505A tạo xung độ rộng thay đổi lối điều khiển MOSFET công suất biến tần PE-516 - Nối chốt U – V – W với tải R1-R2-R3 khối tải PEC-521, Các tải R đấu kiểu 46 - THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT Chú ý trình tự nối biến tương ứng với MOSFET: Hàng tên ký hiệu T1-T3-T5 Hàng tên tương ứng T4-T6-T2 Khi nối nhầm dẫn tới MOSFET cột dẫn, chập, nổ nguồn, gây hư hỏng - Nối nguồn 24VAC từ PS-500 tới lối vào AC In PE-516  Kiểm tra hoạt động biến đổi DC-DC Chỉnh biến trở SET (PEC-504A) để 24VDC - Kiểm tra cấp nguồn  12V đất cho sơ đồ điều khiển PEC-505A, PEC-505B BÀI 6: THÍ NGHIỆM BỘ BIẾN TẦN KIỂU ĐIỀU RƠNG XUNG 47 Hình 6.5: Bộ biến tần kiểu điều rộng xung  Sử dụng dao động ký quan sát vẽ tín hiệu pha điểm U-V-W PE516 so với Uin- Đưa tiếp dạng tín hiệu vào giản đồ thời gian hình 6.2.BC 48 THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT  Sử dụng dao động ký quan sát vẽ tín hiệu dây U-V, V-W, U-W PE-516 Đưa tiếp dạng tín hiệu vào giản đồ thời gian hình 6.2.BC  Giữ ngun 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 U pha U dây vào hình 6.2.BC  So sánh khác tín hiệu U pha U dây bước 5-6-7  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  Nhận xét, đánh giá kết đo BÀI 7: THÍ NGHIỆM BỘ BIẾN TẦN THEO PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI ĐIỆN THẾ (VARIABLE - VOLTAGE INTERVER) 49 BÀI 7: THÍ NGHIỆM BỘ BIẾN TẦN THEO PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI ĐIỆN THẾ (VARIABLE - VOLTAGE INTERVER) 7.1 MỤC ĐÍCH U CẦU: Giúp sinh viên tìm hiểu phương pháp biến đổi điện nguyên lý kích dẫn cầu tạo điện áp ba pha Inverter Six - step 7.2 PHẦN LÝ THUYẾT: Sơ đồ khối biến tần theo phương pháp biến đổi điện thế, kiểu bước, trình bày hình 7.1 Tín hiệu từ máy phát tín hiệu bước qua công suất (Drive) để điều khiển MOSFET tương ứng hình thành tín hiệu Hình 7.1: Sơ đồ khối biến tần kiểu bước (VV1) Khi biến đổi DC-DC lối vào cho phép tạo chiều công suất cung cấp cho biến tần 50 THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT Khi thay đổi biến trở đặt SET, biến đổi A tới F làm thay đổi tần số đếm tương ứng, làm thay đổi tần số sóng biến tần Đồng thời làm thay đổi tương ứng DC làm thay đổi điện áp sóng Dạng sóng biến tần bước có dạng bậc nhảy hình chữ nhật Các sóng qua Thysistor có dạng nhảy bậc giống xung kích Khi dùng với tải cảm, dòng điện chậm pha so với điện áp Trên hình 7.2a dạng sóng mồi 1200 vào tải trở Trên hình 7.2b dạng sóng mồi 1800 vào tải trở Hình 7.2: Giản đồ thời gian hoạt động biến tần kiểu bước BÀI 7: THÍ NGHIỆM BỘ BIẾN TẦN THEO PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI ĐIỆN THẾ (VARIABLE - VOLTAGE INTERVER) 51 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 24V AC, đèn báo nguồn, lối cho nguồn 24V AC/10A pha, nguồn chiều +12V/1.5A -12V/1.5A - Module biến đổi nguồn DC – DC tạo xung đếm PEC-504A - Module công suất biến tần: PE-516 - Module tải PEL-521 - Motor pha AC, 24V đấu kiểu  Dao động ký tia  Phụ tùng: Dây có chốt cắm đầu 52 THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT Hình 7.3: Thiết bị thực tập biến tần kiểu biến đổi điện (VV1) 53 BÀI 7: THÍ NGHIỆM BỘ BIẾN TẦN THEO PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI ĐIỆN THẾ (VARIABLE - VOLTAGE INTERVER) 7.3.2 Các thực hành: a) Khảo sát hoạt động biến đổi điện DC-DC:  Khảo sát hoạt động khối PEC-504A PE-516 (Hình 7.5) - Kiểm tra việc cấp nguồn  12V đất cho sơ đồ điều khiển PEC-504A - Nối chốt Uin+, Uin-, U0 khối PEC-504A PE-516  cấp 24VAC từ PE-500PS cho lối 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 lối nguồn DC PE516 (song song cới 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 lối biến đổi V-F PEC-504A Xác định mối liên hệ điện U0 với chu kỳ xung lối DIGITAL OUTPUT Ghi kết đo vào bảng Bảng U0 F(Dig.Out) 5V 7.5V 10V 15V 20V 25V 54 THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT b) Khảo sát tín hiệu bước:  Khảo sát hoạt động khối PEC-504B (Hình 7.4) - Giữ nguyên sơ đồ tín hiệu mục I Nối lối DIGITAL OUT PEC-504A vào lối DIGITAL INPUT PEC-504B - Kiểm tra việc cấp nguồn +12V đất 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 lối 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 lối T1-T6 Vẽ dạng xung vào hình 7.1BC - Có thể dùng hai kênh dao động ký để xác định đồng thời tín hiệu D T  Đặt cơng tắc MODE vị trí 1800 - Sử dụng dao động ký quan sát dạng tín hiệu máy phát tín hiệu lối 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 lối T1-T6 Vẽ dạng xung vào hình 7.2BC BÀI 7: THÍ NGHIỆM BỘ BIẾN TẦN THEO PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI ĐIỆN THẾ (VARIABLE - VOLTAGE INTERVER) 55 Hình 7.4: Máy phát tín hiệu điều khiển bước 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 lối vào công suất biến tần - Nối khối PEC-504B tạo xung điều khiển bước cho MOSFET công suất biến tần PE-516 - Nối U-V-W với tải R1, R2, R3 khối tải pel-521 nối tải trở kiểu 56 - THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT Chú ý trình tự nối biến tương ứng với MOSFET: Hàng tên ký hiệu T1-T3-T5 Hàng tên tương ứng T4-T6-T2 Khi nối nhầm dẫn đến MOSFET cột dẫn, làm chập, nổ nguồn, gây hư hỏng - Nối nguồn 24VAC từ PS-500 tới lối vào AC in PE-516  Kiểm tra hoạt động biến đổi DC-DC Chỉnh biến trở SET (PEC-504A) để = 24VDC  Đặt cơng tắc MODE vị trí 1200 Sử dụng dao động ký quan sát vẽ lại tín hiệu pha (so với Uin-) điểm U-V-W PE-516 vào hình 7.1.BC  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 7.1.BC  Giữ ngun cấu hình thí nghiệm Nối chột U-V-W trực tiếp với tải motor AC Sử dụng dao động ký quan sát vẽ lại tín hiệu U pha U dây vào hình 7.1.BC  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 5-6-8  Đặt công tắc MODE vị trí 1800 Lập lại bước – Ghi kết vào hình 7.2.BC  Vặn biến trở SET PEC-504A để thay đổi DC cấp cho công suất MOSFET Quan sát hiệu ứng thay đổi U dây U pha  Nhận xét đánh gia kết thí nghiệm BÀI 7: THÍ NGHIỆM BỘ BIẾN TẦN THEO PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI ĐIỆN THẾ (VARIABLE - VOLTAGE INTERVER) Hình 7.5: Bộ biến tần kiểu bước 57 BÀI 7: THÍ NGHIỆM BỘ BIẾN TẦN THEO PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI ĐIỆN THẾ (VARIABLE - VOLTAGE INTERVER) TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 ... 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... pha cho Thyristor Triac 1.3 TIẾN TRÌNH THÍ NGHIỆM: ĐIỀU KHIỂN ĐỒNG BỘ SCR & TRIAC 1.3.1 Thi? ??t bị sử dụng: Thi? ??t bị cho thực tập khảo sát mạch kích Thyristor Triac (hình 1.5), chứa phần tử chức... NGHIỆM ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT 2.3 TIẾN TRÌNH THÍ NGHIỆM: BỘ CHỈNH LƯU CẦU CƠNG SUẤT PHA 2.3.1 Thi? ??t bị sử dụng:  Thi? ??t bị cho thực tập chỉnh lưu cơng suất (hình 2.10), chứa phần tử chức năng: - - Bảng