6.3.1. Nhiệm vụ
- Lắp ráp hoàn chỉnh mạch cầu chỉnh lưu ba pha hình cầu và hình tia sử dụng SCR, diode công suất, thử nghiệm chất lượng điện áp ra trên các loại tải;
- Kết luận về trạng thái hoạt động của các diode công suất trong mạch và tổng hơp theo mẫu bảng báo cáo.
6.3.2. Trình tự thực hiện
a) Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha điểu khiển đối xứng
Trong sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha có ba SCR thuộc nhóm anode chung và ba SCR thuộc nhóm kathode chung (hình 6.3). Cấu trúc của mỗi kênh cũng cơ bản giống như cấu trúc của mạch điều khiển một SCR.
6 6 5 6 3 2 6 7 6 11 6 9 6 13
Hình 6.3. Sơ đồ mạch công suất của cầu chỉnh lưu ba pha dùng SCR
Đặc điểm của mạch kích mở SCR trong sơ đồ chỉnh lưu ba pha hình cầu là phải bảo đảm luôn luôn có xung kích mở đồng thời, luân phiên hai SCR (một ở nhóm anode chung và một ở nhóm cathode chung). Có như thế mới khởi động được khóa bán dẫn và bảo đảm hoạt động của thiết bị khi làm việc ở chế độ dòng tải gián đoạn. Nếu xung kích mở các SCR có thời gian ngắn thì sơ đồ sẽ không khởi động được hoặc sẽ không làm việc được trong chế độ dòng điện gián đoạn. Để giải quyết vấn đề này, có thể thực hiện theo một trong ba phương pháp là:
- Điều khiển bằng hệ thống xung kép (mỗi xung cách nhau 600); - Điều khiển bằng xung có độ rộng lớn;
- Điều khiển bằng xung chùm (băm xung có độ rộng lớn thành chuỗi xung liên tiếp với tần số cao khoảng 8 10 kHz).
Trong mạch chỉnh lưu cầu điều khiển đối xứng ba pha, sự làm việc của các SCR đấu nối như trong hình 6.3 theo tín hiệu nguồn điện ba pha được tổng hợp như trong bảng 6.1.
Bảng 6.1. Tổng hợp trạng thái làm việc của SCR trong mạch Thời điểm kích SCR được kích dẫn SCR bị khóa
1 = /6 + T1 T5 2 = 3/6 + T6 T4 3 = 5/6 + T3 T1 4 = 7/6 + T2 T6 5 = 9/6 + T5 T3 6 = 11/6 + T4 T2
Đặc điểm của xung kích mở lần lượt các SCR là các xung này phải có độ lệch pha nhau một góc 600 (/3) lần lượt đưa đến cực điều khiển của các SCR theo thứ tự T1 T2 T3 T4 T5 T6.
Tại một thời điển nhất định sẽ có hai SCR dẫn, với chiều dòng điện đi từ SCR có điện áp cao nhất đến nơi SCR có điện áp thấp nhất. Mỗi SCR có thể dẫn trong khoảng thời gian (2/3). Trong mỗi nhóm, khi một SCR dẫn nó sẽ khóa ngay SCR dẫn dòng trước đó. Ta có thể tóm tắt thời điểm các SCR dẫn như bảng 6.2.
Bảng 6.2. Trạng thái hoạt động của các SCR theo điện áp nguồn
Khoảng Chiều dòng điện SCR dẫn
Từ /63/6 Từ A đến B T1 và T4 Từ 3/65/6 Từ A đến C T1 và T6 Từ 5/67/6 Từ B đến C T3 và T6 Từ 7/69/6 Từ B đến A T3 và T2 Từ 9/611/6 Từ C đến A T5 và T2 Từ 11/613/6 Từ C đến B T5 và T4
Sơ đồ thường được sử dụng phổ biến hiện nay như hình 6.4, trong đó gồm một máy biến áp đồng bộ ba pha, ba vi mạch TCA785, 6 khuếch đại xung (gồm các phần tử nằm sau các chân 14 và 15 của TAC785) và 6 biến áp xung có nhiệm vụ cách ly tín hiệu điều khiển với tín hiệu mạch công suất. Các phần tử đấu nối trong mạch ở ba pha hoàn toàn giống nhau. Trong đó, tín hiệu điều khiển V11 kết nối trên chân 11 của ba TCA785 được điều chỉnh trong khoảng giá trị dưới +15V bằng việc sử dụng biến trở giống như trong sơ đồ mạch điều khiển một pha đã trình bày trong các bài thực hành trước.
1K VR 5K 86 13 16 1 9 10 12 14 15 11 TCA785 R9 47K C10 68n C12 330p 5 86 13 16 1 9 10 12 14 15 11 TCA785 5 86 13 16 1 9 10 12 14 15 11 TCA785 5 A B C +15V K1 G1 K2 G2 K3 G3 K4 G4 K5 G5 K6 G6 Biến áp 3 pha đấu Y R5 (T3) (T2) (T1) (T4) (T5) (T6)
Hình 6.4. Sơ đồ mạch tạo xung kích mở SCR ba pha
Chú ý: Khi thực tập có thể học viên không có được biến áp ba pha với cách đấu nêu trên. Để giải quyết vấn đề này có thể sử dụng ba biến áp một pha 220V/24VAC để đấu nối với nguồn điện ba pha theo sơ đồ như hình 6.5.
TCA có dòng vào đồng bộ trên chân số 5 khoảng I5 = 200A do đó cần tính toán điện trở đấu nối với chân 5 theo giá trị:
5 2 5
I U
R trong đó U2 là điện áp đầu ra của thứ cấp máy biến áp:
0 11 0 đk max 2 170 sin V 170 sin U U
Với Uc là tín hiệu điều khiển lấy trên chân 11 của TCA785.
Trình tự thực hiện các bước thí nghiệm cần thiết như sau:
suất). Sử dụngdao động ký quan sát tín hiệu trên các đầu ra tại các chân 14 và 15 của ba TCA785. Nhận xét về độ lệch pha của các tín hiệu này sau đó vẽ lại dạng sóng tương ứng.
- Thay đổi góc kích mở bằng cách điều chỉnh biến trở VR. Sử dụng dao động ký quan sát tín hiệu tương ứng trên các đầu ra của TCA.
- Cấp điện cho mạch công suất. Sử dụng dao động ký quan sát tín hiệu trên tải đèn. Vẽ dạng sóng của tín hiệu trên tải theo giá trị điện áp vào tương ứng.
- Thay thế tải trở (đèn) bằng tải có tính cảm (motor). Vẽ dạng sóng của tín hiệu trên tải (motor) theo giá trị điện áp vào.
- So sánh dạng sóng trên hai dạng tải trở và tải có tính cảm. Giải thích sự khác nhau giữa chúng.
- Khảo sát hiện tượng trùng dẫn xảy ra trên tải cảm.
1K VR 5K 6 13 16 1 9 10 12 14 15 11 TCA785 R9 47K C10 68n C12 330p 5 6 13 16 1 9 10 12 14 15 11 TCA785 5 6 13 16 1 9 10 12 14 15 11 TCA785 5 +15V K1 G1 K2 G2 K3 G3 K4 G4 K5 G5 K6 G6 R5 (T3) (T2) (T1) (T4) (T5) (T6) 2K2 220V/24V A N B N C N 220V/24V 220V/24V
b) Chỉnh lưu cầu ba pha không đối xứng
Cũng giống như trong sơ đồ chỉnh lưu bán điều khiển một pha, ở đây chỉ sử dụng ba SCR thuộc một nhánh anode chung hoặc kathode chung và ba diode công suất ở nhánh còn lại (hình 6.6).
A B C T2 T1 T3 D2 D1 D3 15 TCA1 15 TCA2 15 TCA3 A B C T2 T1 T3 D2 D1 D3 TCA2 14 TCA3 14 TCA1 14 a) b)
Hình 6.6. Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển
a- Dạng mạch anode chung; b- Dạng mạch kathode chung
Trong trường hợp này, mạch tạo xung kích mở cho sơ đồ đã đơn giản hơn so với trường hợp chỉnh lưu cầu đối xứng. Ta vẫn sử dụng sơ đồ mạch kích trên hình 6.5 nhưng ở mỗi kênh chỉ lấy tín hiệu trên một chân đầu ra của TCA785. Với sơ đồ nối ba SCR thuộc nhóm anode chung ta cần sử dụng tín hiệu trên chân 14 còn nếu nối ba SCR thuộc nhóm kathode chung ta cần sử dụng tín hiệu lấy ra trên chân 15 của vi mạch TCA785.
Thực tế thường hay sử dụng sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha có nhóm van cathode chung là SCR và nhóm anode chung là diode. Ưu điểm của dạng mạch này là có thể điều khiển trực tiếp các van SCR mà không cần biến áp xung, điều này có lợi cho các ứng dụng có yêu cầu chất lượng điện áp chỉnh lưu không cao. Đồng thời cũng giống như sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu một pha không đối xứng là có hệ số cos cao hơn hẳn so với các sơ đồ dạng đối xứng.
Tiến hành các thí nghiệm cần thiết cho sơ đồ mạch thực hành giống các bước đã thực hiện trong sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu điều khiển đối xứng.
c) Sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha có điều khiển
Đấu nối sơ đồ mạch chỉnh lưu ba pha hình tia như trên hình 6.7. Nguồn cung cấp cho sơ đồ mạch công suất có thể nhận trực tiếp từ lưới điện ba pha bốn dây (có dây trung tính N) hoặc để tiện lợi trong quá trình thực hành học viên có thể dùng ba biến áp một pha loại 220V/24V đấu theo sơ đồ Y/Y để nhận nguồn từ lưới điện ba pha 380V nhằm bảo đảm đầu ra của biến áp có
đầu dây trung tính.
Trong sơ đồ chỉnh lưu ba pha hình tia, ta cũng sử dụng mạch điều khiển như sơ đồ hình 6.5 nhưng trong trường hợp này mạch tạo xung kích mở chỉ cần lấy ở chân 15 của ba vi mạch TCA785 để cấp cho ba SCR.
Trong mạch chỉnh lưu ba pha hình tia, việc xác định thời điểm dẫn dòng của các SCR cũng hoàn toàn tương tự như sơ
đồ dùng diode và phụ thuộc vào thời điểm cấp xung kích mở SCR (nằm trong khoảng giá trị cho phép dẫn dòng tương ứng). Thời điểm cấp xung kích mở các SCR theo giá trị điện áp nguồn được tổng hợp như trong bảng 6.3.
Bảng 6.3. Tổng hợp trạng thái làm việc của SCR trong mạch
Thời điểm SCR dẫn SCR khóa
1 = /6 + T1 T2, T3
2 = 5/6 + T2 T1, T3
3 = 9/6 + T3 T1, T2
Sau khi lắp ráp mạch, học viên cần tiến hành các thí nghiệm cần thiết cho sơ đồ mạch thực hành giống các bước đã thực hiện trong sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu, tổng hợp báo cáo kết quả thu hoạch.
Hình 6.7. Sơ đồ mạch chỉnh lưu tia ba pha có điều khiển
Bài thực hành số 07
BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU 7.1. Mục đích, yêu cầu
7.1.1. Mục đích
Giúp cho học viên nắm vững cơ sở lý thuyết về mạch biến đổi điện áp một chiều và các kỹ năng lắp ráp mạch điện ứng dụng đối với các thiết bị biến đổi điện trong công nghiệp và trên tàu thủy.
7.1.2 Yêu cầu kiến thức nền
- Nắm chắc kiến thức lý thuyết về mạch biến đổi điện áp một chiều (DC-DC);
- Biết cách vận dụng công thức tính toán để xác định các thông số cơ bản của mạch điện;
- Có kỹ năng đọc hiểu sơ đồ mạch nguyên lý, sử dụng thành thạo các linh kiện điện tử công suất và linh kiện điện tử ứng dụng cơ bản và các dụng cụ, thiết bị đo kiểm tra để lắp ráp và đo tín hiệu trên các đầu ra.
7.1.3. Các dụng cụ thực hành
- Các linh kiện điện tử ứng dụng hoặc bo mạch thực hành mạch biến đổi điện áp một chiều.
- Máy hiện sóng, đồng hồ VOM, dây điện đấu nối mạch. - Các bộ nguồn điện 12VDC và 24VDC.
7.1.4. Nhiệm vụ chung của bài thực hành
a) Nhiệm vụ chuẩn bị ngoài giờ
- Đọc trước phần nội dung kiến thức bổ trợ cho bài thực hành, các nội dung cần thực hiện trong bài thực hành;
- Chuẩn bị dụng cụ, linh kiện hỗ trợ thêm cho bài thực hành được giảng viên yêu cầu.
b) Nhiệm vụ tại phòng thực hành
Học viên cần thực hiện các nội dung theo trình tự như sau:
- Chuẩn bị các dụng cụ, linh kiện, bo mạch thực hành theo yêu cầu; - Phân nhóm thực hiện, phân công công việc cho từng người;
- Lắp ráp hoàn chỉnh các sơ đồ mạch điều khiển, mạch công suất theo từng nội dung bài thực hành được giao;
- Vận dụng các sơ đồ thực hành tại lớp để lắp ráp mạch điều khiển các linh kiện có công suất cao hơn (MOSFET, IGBT) được sử dụng trong nguồn điện một chiều có công suất cao hơn. Hoàn thiện sản phẩm theo nhóm có đầy đủ mô hình kèm theo và viết báo cáo kết quả thực hiện của từng nhóm được phân công.
7.2. Tóm tắt cơ sở lý thuyết
Bộ biến đổi điện áp một chiều (DC-DC) dùng để biến đổi điện áp của nguồn điện một chiều có giá trị U thành chuỗi các xung áp một chiều có trị số trung bình Utb có thể điều chỉnh được từ 0 đến giá trị lớn nhất bằng chính điện áp nguồn cung cấp cho bộ băm nên được gọi là bộ băm điện áp một chiều (hay gọi tắt là bộ băm xung).
Ứng dụng quan trọng nhất của bộ băm điện áp một chiều là điều chỉnh tốc độ của động cơ một chiều sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, giao thông vận tải và lĩnh vực tự động hóa. Ưu điểm của bộ băm điện áp là tiết kiệm được năng lượng, kinh tế và hiệu quả cao, đồng thời đảm bảo được trạng thái hãm tái sinh của động cơ.
Có ba dạng bộ băm: bộ băm nối tiếp, bộ băm song song, bộ băm đảo dòng.
a) b)
Hình 7.1. Sơ đồ mạch thay thế của bộ băm điện áp một chiều (a) và nguyên lý điều chỉnh điện áp một chiều (b)
Cấu trúc của bộ băm điện áp một chiều gồm có phần mạch công suất bao gồm các linh kiện bán dẫn có điều khiển làm việc với lưới điện một chiều và mạch điều khiển. Các nguyên lý điều khiển trong bộ biến đổi điện áp một chiều gồm:
- Điều chế độ rộng xung (PWM – Pulse Width Modulation) khi chu kỳ T không đổi, thay đổi thời gian đóng điện TON:
- Điều chế tần số khi TON không đổi, chu kỳ T thay đổi. - Điều khiển hỗn hợp, khi cả T và TON đều thay đổi.
Hai phương pháp sau ít thông dụng trong thời gian gần đây, nó gắn liền với những mạch điện cụ thể, thường là đơn giản. Chất lượng của chúng thường không cao với nhược điểm lớn nhất là tần số làm việc của hệ thống bị thay đổi.
7.3. Thực hành
7.3.1. Bộ băm điện áp một chiều dùng IC555
a) Nhiệm vụ
- Lắp ráp mạch điều khiển trên bo test, hoàn chỉnh phầm mạch công suất và chạy thử nghiệm sản phẩm theo nhóm;
- Điều chỉnh giá trị, kiểm nghiệm chất lượng mạch, thiết kế mạch in có kèm theo mô hình sản phẩm, viết báo cáo thu hoạch.
b) Trình tự thực hiện
Trường hợp 1: Đối với mạch điều khiển tải có công suất nhỏ
- Lắp ráp mạch trên bo test như sơ đồ hình 7.1. Để tiến hành kiểm tra tín hiệu thu được trên đầu ra, học viên cần thực hiện một số nội dung sau:
- Đấu nối hoàn chỉnh sơ đồ sau đó cấp nguồn một chiều 12VDC cho sơ đồ mạch tạo xung và mạch công suất nối với tải bóng đèn.
- Sử dụng dao động ký quan sát dạng tín hiệu tại chân
3 của mạch tạo xung (chú ý quan sát cả dạng sóng, giá trị điện áp trên ngõ ra và độ ổn định của tín hiệu ở các chu kỳ khác nhau);
- Thay đổi giá trị của biến trở VR. Quan sát sự thay đổi dạng sóng của tín hiệu trên tải trở (đèn). Giải thích sự thay đổi đó.
- Thay thế tải trở (đèn) bằng tải có tính cảm (motor). Vẽ dạng sóng của tín hiệu trên tải có tính cảm (motor) theo điện áp vào.
Hình 7.1. Sơ đồ băm xung áp một chiều dùng IC555 và transistor
- So sánh dạng sóng trên hai dạng tải trở và tải có tính cảm và giải thích sự khác nhau giữa chúng.
Trường hợp 2: Đối với mạch điều khiển tải có công suất lớn
- Trong trường hợp này ta thực hiện sơ đồ sử dụng MOSFET như trên hình 7.2. Lưu ý khi đấu nối mạch công suất dùng để điều khiển động cơ điện một chiều nên lắp thêm tụ điện C3 để ổn định điện áp nguồn cấp cho động cơ và diode D3 cần phải có nhằm mục đích giải phóng năng lượng trên phần ứng động cơ DC khi khóa Q1 bị khóa. Do vậy diode D3 phải là diode phục hồi nhanh, cần chọn loại có trị số dòng điện làm việc tương ứng với dòng tải qua động cơ.