• Mục đích thí nghiệm
Hoàn thành bài thực hành này, sinh viên có thể :
o Nhận biết chuỗi chuyển mạch và điều khiển quá trình chuyển mạch các dụng cụ bán dẫn trong các trường hợp khác nhau của điều khiển băm xung DC.
o Phân tích các nhiệm vụ của thyristor và điốt, trong quá trình dẫn của dòng điện, ở trong các chế độ hoạt động khác nhau và các khoảng thời gian khác nhau.
o Hiểu được các ảnh hưởng của tải điện cảm và tần số xung.
• Các bài thực hành
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.
• Tiến hành thí nghiệm
Lắp ráp mạch như hình 1.5.4 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 kết nối bộ điều khiển băm xung DC theo đường PC ( PWM, tần số 112Hz, hoạt động ở một góc phần tư, hệ số điền xung 50% ). Quá trình điều chế xung thực hiện ở tần số thấp 112Hz. Sử dụng các cài đặt sau: Điện áp ra (Kênh A) 400 V Dòng điện ra (Kênh D) 2.5 A Shunt 1 8 Ω Shunt 2 1.5 Ω
• Phân tích dòng điện trong các dụng cụ bán dẫn với tải điện trở
Bộ điều khiển hoạt động với tải điện trở R=810Ω ở tần số f = 112Hz. Hiển thị dáng điệu sóng dòng điện và điện áp ở hệ số điền xung 50%.
39
Hình 1.5.1: Dáng điệu sóng dòng điện và điện áp R=810Ω, f=112Hz
Phân tích nhiệm vụ của IGBT (V1) và điốt (V2), trong quá trình dẫn của dòng điện? Khi IGBT mở (dẫn), dòng điện tải Id tăng lên ngay lập tức, điều này chỉ thực sự đúng với tải thuần trở. Quá trình dẫn dòng điện bởi V1 (IGBT). Khi IGBT khoá, dòng điện tải là bằng không, do không có năng lượng tích trữ ở trên mạch tải. Điốt V2 không dẫn dòng trong bất kì trường hợp nào.
• Phân tích dòng điện trong các van bán dẫn với tải R-L
Bộ điều khiển hoạt động với R=810Ω, L=1.2H, f=112Hz. Hiển thị dáng điệu sóng dòng điện và điện áp ở hệ số điền xung 50%.
40
Hình 1.5.2: Dáng điệu sóng dòng điện và điện áp, R=810Ω, L=1.2H, f=112Hz
Phân tích nhiệm vụ của IGBT (V1) và điốt (V2) trong quá trình dẫn của dòng điện? Khi V1 (IGBT) mở, quá trình tăng lên của dòng điện bị trễ lại do năng lượng tích trữ ở trong mạch tải ( thành phần cảm kháng). Dòng điện được dẫn nhờ V1(IGBT). Khi V1 khoá, dòng điện tải không trở về 0 ngay lập tức bởi do năng lượng tích trữ ở trong mạch tải, dòng điện tải suy giảm chậm theo đường điốt V2 free-wheeling (phục hồi). Trong suốt khoảng thời gian này, điốt (V2) dẫn dòng điện tải id.
• Phân tích dòng điện trong các van bán dẫn với tải R-L ở tần số xung cao Bộ điều khiển hoạt động với tải R-L, R=810Ω, L=1.2H, f=1800Hz
41
Hình 1.5.3: Dáng điệu sóng dòng điện và điện áp, R=810Ω, L=1.2H, f=1800Hz. Phân tích nhiệm vụ của IGBT (V1) và điốt (V2) trong quá trình dẫn của dòng điện? Chức năng của các van bán dẫn là không thay đổi. Với cùng kiểu tải, thì ở tần số xung cao hơn dòng điện tải id được là phẳng hơn. Dòng chảy của dòng điện thông qua V1 (IGBT) và V2 (điốt) là tương tự ở hệ số điền xung 50% và chỉ khác ở độ dốc của sườn lên và sườn xuống của dòng điện tải.
• Cài đặt thí nghiệm
Hình 1.5.4: Mạch phục vụ cho phân tích quá trình điều khiển các dụng cụ bán dẫn trong hoạt động ở một góc phần
42
4.Hoạt động ở nhiều góc phần tư
• Giới thiệu
Hoạt động ở nhiều góc phần tư được thực hiện bằng mạch các van bán dẫn ở dạng mạch cầu ( hình 4 và 5 ). Với cách bố trí như vậy cho phép đảo chiều dòng điện và điện áp ngay tức thì. Do đó, với tải R-L các giá trị điện áp âm và dương có thể được tạo ra. • Nội dung thực hành
a.Quá trình quá độ dòng điện và điện áp ra của bộ điều khiển băm xung DC Ghi quá trình quá độ dòng điện và điện áp ra với tải hỗn hợp.
Ghi quá trình quá độ dòng điện và điện áp ra với tải hỗn hợp và điện áp ngược. Xác định giá trị đỉnh-đỉnh của U,I.
b .Ghi các đặc tính điều khiển
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 các thành phần AC và DC của điện áp, dòng điện, công suất Phân tích quá trình quá độ của dòng điện và điện áp.
Xác định hệ số biến đổi.
Hoàn tất biểu đồ vector công suất.
d.Phân tích quá trình điều khiển bán dẫn
Phân tích dòng điện trong các van bán dẫn với tải R-L và điện áp ra dương. Phân tích dòng điện trong các van bán dẫn với tải R-L và điện áp ra âm. Phân tích dòng điện trong các dụng cụ bán dẫn với tải R-L ở tần số xung cao.
43
a. Quá trình quá độ dòng điện và điện áp của bộ điều khiển băm xung DC
• Mục đích thí nghiệm
Hoàn thành bài thực hành này, sinh viên có thể:
o Hiểu được nguyên lý làm việc của bộ điều khiển băm xung DC hoạt động ở nhiều góc phần tư với các tải khác nhau.
o Nhận thấy giá trị trung bình của điện áp có thể thay đổi cực tính.
o Nhận thấy cuộn cảm có tác dụng là phằng dòng điện.
o Nhận thấy ảnh hưởng của tần số xung đối với khoảng cách đỉnh-đỉnh của dòng điện.
o Đánh giá quá trình xếp chồng các thành phần AC và DC của dòng điện, điện áp, công suất.
• Các bài thực hành
o Ghi quá trình quá độ dòng điện và điện áp ra với tải hỗn hợp.
o Ghi quá trình quá độ dòng điện và điện áp ra với tải hỗn hợp và điện áp ngược.
• Tiến hành thí nghiệm
Lắp ráp mạch như hình 2.1.3 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 kết nối bộ điều khiển băm xung DC theo đường PC ( PWM,tần số 112Hz ).
Quá trình điều chế xung thực hiện ở tần số thấp 112Hz. Sử dụng các cài đặt sau:
Điện áp ra (Kênh A) 400 V Dòng điện ra (Kênh D) 2.5 A
Shunt 1 8 Ω
Shunt 2 1.5 Ω
• Ghi quá trình quá độ dòng điện và điện áp với tải hỗn hợp
Hiển thị các hàm sau ở hệ số điền xung 75% với tải R-L (810Ω/0.3H) và tần số xung f=112Hz
44
o Dòng điện ra I2
o Giá trị trung bình của điện áp ra Um2
o Giá trị trung bình của dòng điện ra Im2
Hình 2.1.1: Dáng điệu sóng dòng điện và điện áp của bộ điều khiển 4 góc phần tư với tải hỗn hợp, f = 75 %, L = 1.2 H, R = 810 Ω
Phân tích dáng điệu điện áp ra U2 và dòng điện ra I2?
……… ………..?
• Ghi quá trình quá độ dòng điện và điện áp ra với tải hỗn hợp và điện áp ngược
Hiển thị các hàm sau ở hệ số điền xung 25% với tải R-L (810Ω/1.2H) và tần số xung f=112Hz.
o Điện áp ra U2
o Dòng điện ra I2
45
Hình 2.1.2: Dáng điệu sóng dòng điện và điện áp của bộ điều khiển 4 góc phần tư hệ số điền xung 25%, L = 1.2H, R = 810 Ω, f = 112 Hz
Phân tích dáng điệu sóng của điện áp ra U2 và dòng điện ra I2?
……… ……….?
Với tải R-L, thì bộ điều khiển có thể hoạt động ở những góc phần tư nào ?
……… ………..?
Tính giá trị trung bình của điện áp DC, Um2 và so sánh kết quả với các phép đo? Giá trị trung bình của thành phần điện áp DC được cho bởi biểu thức (2) Ở hệ số điền xung 25%:
=% % % % % # (&)
Hệ số điền xung 75%:
=% % % % % # (&)
So sánh với các giá trị của phép đo?
……… ………?
50
• Xác định khoảng cách đỉnh-đỉnh của dòng điện
Từ hình 2.1.1 và 2.1.2 xác định khoảng cách đỉnh-đỉnh dòng điện và so sánh kết quả với các phép đo.
Khoảng cách đỉnh-đỉnh có thể được lấy sấp xỉ bằng biểu thức (3): Hệ số điền xung 25%:
∆2 =% % % % % # (&)
Hệ số điền xung 75%:
∆2 =% % % % % # (&)
So sánh với giá trị đỉnh-đỉnh dòng điện đo được?
……… ……….
Khoảng cách đỉnh-đỉnh lớn hơn của dòng điện có thể được tạo ra ở các hệ số điền xung khác không
…... ...
51 • Cài đặt thí nghiệm
52
b. Ghi các đặc tính điều khiển
• Mục đích thí nghiệm
Hoàn thành bài thực hành, sinh viên có thể:
o Nhận thấy rằng giá trị trung bình của điện áp DC có thể được là phẳng theo hệ số điền xung, ở trong cả hai chiều cực tính.
o Nhận được mối liên hệ tuyến tính giữa điện áp ra và hệ số điền xung.
o Nhận thấy rằng tải hỗn hợp hoặc tần số xung không ảnh hưởng tới đặc tính điều khiển.
• Các bài thực hành
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.
• 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 kết nối bộ điều khiển băm xung DC theo đường PC ( PWM, tần số 112Hz ). Quá trình điều chế xung thực hiện ở tần số thấp 112Hz.
Sử dụng các cài đặt sau:
Điện áp ra (Kênh A) 400 V Dòng điện ra (Kênh D) 2.5 A
Shunt 1 8 Ω
Shunt 2 1.5 Ω
• Ghi đặc tính điều khiển với tải R-L ở tần số xung thấp
Ghi đặc tính điều khiển ( giá trị điện áp DC trung bình theo hệ số điền xung ) với tải hỗn hợp ở tần số xung 112Hz.
53
Hình 2.2.1: Đặc tính điều khiển của bộ điều khiển băm xung DC nhiều góc phần tư, f=112Hz, tải hỗn hợp: R=810Ω, L=1.2H
Kết luận gì về dải điều khiển điện áp Um2
……… ………...?
Biểu thức toán học đường đặc tính của mạch 4 IGBT.
= 2 × − 1 × = 2 × − 1 ×
• Ghi đặc tính điều khiển với tải R-L ở tần số xung cao
Ghi đặc tính điều khiển ( giá trị điện áp DC trung bình theo hệ số điền xung ) với tải hỗn hợp ở tần số xung 1800Hz.
54
Hình 2.2.2: Đặc tính điều khiển của bộ điều khiển băm xung DC nhiều góc phần tư, tải 810Ω, L = 1.2H, f=1800Hz.
Kết luận gì về dải điều khiển điện áp Um2
……… ……….…….…..?
So sánh các đặc tính điều khiển và đánh giá các kết quả đo ở 2 tần số khác nhau 112 Hz và 1800 Hz
……… ……… ……….…….…?
55 • Cài đặc thí nghiệm
Hình 2.2.3: Mạch sử dụng cho nghiên cứu các đặc tính điều khiển, ở nhiều góc phần tư, với tải R-L.
56
c. Phân tích các thành phần AC và DC của điện áp, dòng điện và công suất
• Mục đích thí nghiệm
Hoàn thành bài thực hành này, sinh viên có thể:
Nhận biết quy luật xếp chồng của các thành phần DC và AC trong quá trình hoạt động ở nhiều góc phần tư. Những kết quả này sẽ là có sở cho quá trình nghiên cứu hoạt động của bộ điều khiển băm xung DC ở nhiều góc phần tư và các mạch nghịch lưu AC ở các hệ 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.
• 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 kết nối bộ điều khiển băm xung DC theo đường PC ( PWM, tần số 112Hz ). Quá trình điều chế xung thực hiện ở tần số thấp 112Hz.
Sử dụng các cài đặt sau:
Điện áp ra (Kênh A) 400 V Dòng điện ra (Kênh D) 2.5 A
Shunt 1 8 Ω
Shunt 2 1.5 Ω
• Phân tích quá trình quá độ dòng điện và điện áp Giá trị điện áp DC trung bình: Um2 Thành phần AC của điện áp DC: Uac2 Điện áp DC ra: U2
Giá trị dòng điện DC trung bình: Im2 Dòng điện DC: I2
57
Hình 2.3.1: Các thành phần AC và DC đầu ra ( R=810Ω, L=1.2H, f=112Hz) Phân tích và trình bày sự phụ thuộc của các tham số đầu ra phụ thuộc vào hệ số điền xung ( % duty).
o Các giá trị trung bình, điện áp và dòng điện DC
Từ biểu thức (2), có mối liên hệ tuyến tính đối với giá trị điện áp đầu ra Um2 và dòng điện đầu ra trung bình Im2.
U = 2 − 1 ×
N = 2 − 1 × M
58
Đối với trường hợp giới hạn: TE/T =0.5, các điện áp U2, Uac2 và Um2 là bằng 0. Đối với trường hợp TE/T =0 và TE/T =1, thì đạt được các giá trị lớn nhất –Um2 và +Um2, do bộ điều khiển được mở hoặc khoá hoàn toàn. Các thành phần AC khi này bằng 0.
Trường hợp TE/T = 0.25 tạo ra giá trị trung bình –Um2 = Uac2 và TE/T =0.75 tạo ra +Um2 = Uac2.
Do dòng điện tỷ lệ với điện áp, nên các giá trị dòng điện cũng có dạng tương tự như ở trong các trường hợp trên.
Mối liên hệ toán học được xây dựng thành các biểu thức sau ứng với các dải TE/T
+ Các giá trị hiệu dụng đầu ra với TE/T = 0÷0.5 =A1 −
× ; =A1 −
×56**
+ Các giá trị hiệu dụng đầu ra với TE/T = 0.5÷1
=A2 −
× ; =A2 −
×56**
Đối với toàn dải ( 0 ÷ 1 ), giá trị đầu ra trung bình được cho bởi công thức: U = 2
− 1 × ; N = 2
− 1 ×56 Nên các thành phần xoay chiều
được cho bởi công thức:
3B =A −
Đối với dải TE/T = 0÷0.5
3B = ×O1 − 2 × − (2 × − 1)
và tương tự đối với dòng điện:
59
3B = 56×A1 − 2 ×
− (2 ×
− 1)
Đối với dải TE/T =0.5÷1 cũng có giá trị tương tự.
Các thành phần AC có giá trị lớn nhất ở hệ số điền xung 25% và 75%. • Xác định hệ số định dạng
Đo các tham số sau theo hệ số điền xung, với tải thuần trở:
o Hệ số định dạng: Fi
o Dòng điện DC trung bình: Im2
o Dòng điện DC: I2
Hình 2.3.2: Hệ số định dạng theo hệ số điền xung (R=810Ω, f=112Hz) Giải thích kết quả và đưa ra các lý do
……… ……….?
60
Từ định nghĩa của hệ số định dạng: FG =EEP =E)*E*
Đối với dải TE/T = 0÷0.5:
=A2 −
×56** ; N = 2
− 1 ×56
FG =− Q
A(QD×@@)*
Kết quả này dễ dàng đạt được từ các phép đo trong hình 2.3.2 bằng cách chia I2 cho Im2.
Đối với dải TE/T = 0.5÷1 quá trình tính toán được thực hiện tương tự. • Hoàn tất biểu đồ vector công suất
Đo thành phần DC (Pdc2) và thành phần AC (Pac2) của công suất thực
Thực hiện quá trình đo trong chế độ biểu đồ vector với các tham số tải và điều khiển sau: R=810Ω, L=0H, f=112Hz, hệ số điền xung TE/T = 0.25.
61
Vẽ các vector công suất, đề cập tới thành phần DC của công suất thực Pdc2
Hình 2.3.4: Các vector công suất, hệ số điền xung 25%, R =810Ω, f=112Hz Kết luận gì về các thành phần công suất ?
Để đưa ra giá trị trung bình của công suất thực Pdc2, bộ điều khiển phải được thiết kế cho công suất kép, từ trường hợp xấu nhất (hệ số điền xung 25%), Pac2 và Pdc2 trong P đều có giá trị bằng nhau.
Đo công suất thực P2, các thành phần DC và AC (Pdc2 và Pac2) theo hệ số điền xung. Thực hiện quá trình đo trong chế độ đặc tính với các tham số tải và điều khiển sau: R=810Ω, L=0H, f=112Hz.
62
Hình 2.3.5: Các thành phần công suất theo hệ số điền xung, R=810Ω, f=112Hz