Giáo trình thí nghiệm điện tử công suất

in và truyền thông. Trường: Đại học Cần Thơ Địa chỉ email để liên hệ: dhminh@cit.ctu.edu.vn 2. PHẠM VI VÀ ĐỐI TƯỢNG SỬ DỤNG CỦA GIÁO TRÌNH ƒ Giáo trình có dùng để tham khảo ở những ngành: Kỹ thuật Điện, Điện tử, Tự động hóa của các trường đại học kỹ thuật. ƒ Từ khóa: Linh kiện công suất, chỉnh lưu, ổn áp một chiều, điều khiển công suất, biến tần gián tiếp, biến tần trực tiếp, lập trình mô phỏng, MATLAB, PSIM, mạch tạo xung kích. ƒ Yêu cầu kiến thức trước khi học về môn này: đã học lý thuyết về Điện tử công suất. ƒ Chưa xuất bản CHÚ Ý AN TOÀN ĐIỆN Tất cả các mạch thí nghiệm đều sử dụng trực tiếp nguồn điện xoay chiều 220V. Do đó khi thực tập sinh viên phải luôn cảnh giác giữ an toàn về người lẫn thiết bị thí nghiệm. Để bảo đảm an toàn sinh viên phải tuyệt đối chấp hành các qui định sau đây: 1. Không được chạm vào mạch điện khi đã mở nguồn cấp điện. 2. Khi mắc điện xong, phải báo cáo cho cán bộ hướng dẫn kiểm tra, có sự đồng ý của cán bộ hướng dẫn mới được mở nguồn cấp điện. 3. Khi đo điện áp, dòng điện hoặc xem dạng sóng cần phải: − Sử dụng đúng giai đo. − Đặt que đo đúng chỗ, đúng cực. − Khi xem dạng sóng ở những điểm có điện thế cao phải dùng bộ điện cực (probe) có giảm áp. 4. Sắp xếp thiết bị và dây dẫn điện ngăn nắp, gọn gàng, thao tác chính xác, tập trung làm bài, không đùa giỡn. 5. Không được di dời các thiết bị thí nghiệm từ bài này sang bài khác. 6. Khi thực tập xong phải tắt điện, sắp xếp gọn gàng các thiết bị trước khi ra về. Sinh viên sẽ chịu trách nhiệm về các sự cố và bồi thường thiết bị hư hỏng nếu không chấp hành đúng các qui định trên. MỤC LỤC THÔNG TIN VỀ TÁC GIẢ ............................................................................................................ 2 1. THÔNG TIN VỀ TÁC GIẢ .................................................................................................... 2 2. PHẠM VI VÀ ĐỐI TƯỢNG SỬ DỤNG CỦA GIÁO TRÌNH ............................................. 2 CHÚ Ý AN TOÀN ĐIỆN ............................................................................................................... 3 MỤC LỤC ....................................................................................................................................... 4 LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................................7 BÀI 1: KHẢO SÁT LINH KIỆN CÔNG SUẤT CƠ BẢN ............................................................ 8 1.1. MỤC ĐÍCH .......................................................................................................................... 8 1.2. KIẾN THỨC NỀN ............................................................................................................... 8 1.2.1. BJT công suất: ............................................................................................................... 8 a) Tải đặt ở chân E .............................................................................................................. 8 b) Đặt tải ở chân C .............................................................................................................. 9 c) Điều khiển gián tiếp ........................................................................................................ 9 1.2.2. MOSFET công suất:.................................................................................................... 10 1.2.3. SCR ............................................................................................................................. 10 a. Ký hiệu .......................................................................................................................... 10 b. Khi phân cực thuận: ...................................................................................................... 11 c. Khi phân cực nghịch:..................................................................................................... 11 d. Tóm lại: ......................................................................................................................... 11 1.2.4. TRIAC ......................................................................................................................... 11 1.3. THỰC HÀNH: ................................................................................................................... 12 1.3.1. BJT: ............................................................................................................................ 12 1.3.2. MOSFET .................................................................................................................... 12 1.3.3. SCR ............................................................................................................................. 13 A. Mắc mạch như hình sau: (Hình 1.20):.......................................................................... 13 B. Mắc mạch như hình sau (Hình 1.21): ........................................................................... 13 1.3.4. TRIAC ......................................................................................................................... 14 A. Mắc mạch như hình sau (Hình 1.22): ........................................................................... 14 B. Mắc mạch như hình sau (Hình 1.23): ........................................................................... 14 1.4. THIẾT BỊ: .......................................................................................................................... 15 1.5. TÀI LIỆU THAM KHẢO:................................................................................................. 15 BÀI 2: MÔ PHỎNG LINH KIỆN CÔNG SUẤT CƠ BẢN ......................................................... 16 2.1. MỤC ĐÍCH ........................................................................................................................ 16 2.2. NỘI DUNG ........................................................................................................................ 16 2.2.1. DIODE: ....................................................................................................................... 16 2.2.1.1. Mô hình toán học [6]: ........................................................................................... 16 2.2.1.2. Thực hành:............................................................................................................ 17 2.2.2. TRANSISTOR ........................................................................................................... 17 2.2.2.1. Mô hình toán học [6]: ........................................................................................... 18 Trong mô hình Ebers-Moll cơ bản (hình 3.c), các dòng điện IC, IB, IE được xác định bởi các biểu thức sau: .............................................................................................................. 18 2.2.2.2. Thực hành: [1], [3], [7], [8], [9], [10], [11] .......................................................... 19 2.2.3. MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) ............................... 20 2.2.3.1. E-MOSFET transistor [2], [12] ............................................................................ 20 2.2.4. THYRISTOR (SCR) [2], [10] ..................................................................................... 21 2.2.4.1.Các thông số kỹ thuật cơ bản của SCR là: ............................................................ 22 2.2.4.2. Thực hành [1], [3], [6], [7], [8], [9], [10], [11] .................................................... 22 2.2.5. TRIAC [2], [12]........................................................................................................... 22 2.2.5.1. Các thông số kỹ thuật cơ bản của TRIAC là:....................................................... 23 2.2.5.2. Thực hành:............................................................................................................ 23 2.3. TÀI LIỆU THAM KHẢO:................................................................................................. 23 BÀI 3: CHỈNH LƯU MỘT PHA CÓ ĐIỀU KHIỂN ................................................................... 24 3.1. MỤC ĐÍCH ........................................................................................................................ 24 3.2. CÁC KIẾN THỨC LIÊN QUAN ...................................................................................... 24 3.2.1. Sinh viên ôn lại:........................................................................................................... 24 3.2.2. Sinh viên tìm hiểu và giải thích nguyên tắc hoạt động của mạch tạo xung kích: ............ 24 3.3. THỰC HÀNH: ................................................................................................................... 24 3.3.1. Khảo sát Board mạch tạo xung kích: .......................................................................... 24 3.3.2. Khảo sát nguyên tắc điều khiển góc mở: .................................................................... 26 3.3.3. Khảo sát chỉnh lưu cầu dùng 4 diode công suất: ......................................................... 27 3.3.4. Khảo sát chỉnh lưu cầu, bán điều khiển....................................................................... 27 3.3.5. Chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển hoàn toàn .................................................................. 28 a. Mắc tải R ( bóng đèn): ................................................................................................... 28 b. Mắc tải R-L (gồm đèn và cuộn cảm nối tiếp): .............................................................. 28 3.4. THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM................................................................................................... 28 3.5. TÀI LIỆU THAM KHẢO:................................................................................................. 29 BÀI 4: LẬP TRÌNH MÔ PHỎNG MẠCH CHỈNH LƯU BẰNG MATLAB.............................. 30 4.1. MỤC ĐÍCH ........................................................................................................................ 30 4.2. KIẾN THỨC NỀN ............................................................................................................. 30 4.3. THỰC HÀNH .................................................................................................................... 30 4.3.1. Chỉnh lưu 3 pha mạch tia không điều khiển................................................................ 30 a. Chương trình mẫu 1:...................................................................................................... 31 b. Câu hỏi: ......................................................................................................................... 33 4.3.2. CHỈNH LƯU 3 PHA MẠCH TIA CÓ ĐIỀU KHIỂN................................................ 34 a. Chương trình mẫu 2:...................................................................................................... 34 b. Câu hỏi: ......................................................................................................................... 36 4.4. TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................. 38 BÀI 5: MÔ PHỎNG MẠCH CHỈNH LƯU MỘT PHA CÓ ĐIỀU KHIỂN BẰNG PSIM ......... 39 5.1. MỤC ĐÍCH: ...................................................................................................................... 39 5.2. KIẾN THỨC NỀN: ........................................................................................................... 39 5.3. THỰC HÀNH: .................................................................................................................. 41 5.3.1. Mạch chỉnh lưu điều khiển một pha nửa chu kỳ: ........................................................ 41 5.3.2. Mạch chỉnh lưu điều khiển một pha hai nửa chu kỳ: .................................................. 42 5.4. TÀI LIỆU THAM KHẢO:................................................................................................. 43 BÀI 6: ỔN ÁP MỘT CHIỀU ........................................................................................................ 44 6.1. MỤC ĐÍCH ........................................................................................................................ 44 6.2. SƠ LƯỢC VỀ LÝ THUYẾT ............................................................................................. 44 6.2.1. Ổn áp tuyến tính .......................................................................................................... 44 6.2.2. Ổn áp ngắt mở ............................................................................................................. 45 6.3. PHẦN THỰC HÀNH ........................................................................................................ 47 6.3.1. Ổn áp tuyến tính .......................................................................................................... 47 6.3.2. Ổn áp ngắt mở: ............................................................................................................ 49 6.3.2.1. Vi mạch KA3842 có sơ đồ chân: ......................................................................... 50 6.3.2.2. Sinh viên khảo sát mạch và thực hiện các công việc sau: .................................... 50 6.4. THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM:.................................................................................................. 51 6.5. TÀI LIỆU THAM KHẢO:................................................................................................. 51 BÀI 7: ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT AC...................................................................................... 52 7.1. MỤC ĐÍCH: ....................................................................................................................... 52 7.2. SƠ LƯỢC LÝ THUYẾT: .................................................................................................. 52 7.3. CÂU HỎI VÀ THỰC HÀNH ............................................................................................ 53 A. Câu hỏi lý thuyết : ............................................................................................................ 53 B. Câu hỏi thực hành :........................................................................................................... 54 7.4. THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM:................................................................................................. 56 7.5. TÀI LIỆU THAM KHẢO:................................................................................................. 56 BÀI 8: BIẾN TẦN GIÁN TIẾP .................................................................................................... 57 8.1. MỤC ĐÍCH ....................................................................................................................... 57 8.2. SƠ LƯỢC VỀ LÝ THUYẾT BIẾN TẦN ........................................................................ 57 8.2.1. Phân loại ...................................................................................................................... 57 8.2.2. Cấu tạo: ....................................................................................................................... 57 a. Bộ chỉnh lưu và mạch trung gian một chiều:................................................................. 58 b. Bộ nghịch lưu áp ........................................................................................................... 58 8.2.3. Phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp : ................................................................ 60 a. Phương pháp điều chế độ rộng sin (sin PWM) ............................................................. 60 b. Phương pháp điều chế độ rộng xung vuông (Square PWM) ........................................ 60 c. Phương pháp điều chế độ rộng xung tối ưu (Optimum PWM) ..................................... 61 8.2.4. Giới thiệu về biên tần SIEMENS G110 ...................................................................... 61 a. Giới thiệu chung ............................................................................................................ 61 b. Sơ lược cấu tạo. ............................................................................................................. 62 c. Sử dụng......................................................................................................................... 63 8.3. CÂU HỎI VÀ THỰC HÀNH ............................................................................................ 65 A. Câu hỏi lý thuyết .............................................................................................................. 65 B. Phần thực hành trên bộ biến tần dùng BJT công suất và mạch tạo xung kích dùng vi điều khiển 89C51. ......................................................................................................................... 65 C. Phần thực hành trên bộ biến tần Siemens G110. .............................................................. 66 1. Điều khiển G110 từ các DIN......................................................................................... 66 2. Điều khiển G110 từ BOP .............................................................................................. 66 8.4. THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM................................................................................................... 67 8.5. TÀI LIỆU THAM KHẢO:................................................................................................. 68 BÀI 9: BIẾN TẦN TRỰC TIẾP ................................................................................................... 69 9.1. MỤC ĐÍCH ........................................................................................................................ 69 9.2. SƠ LƯỢC LÝ THUYẾT ................................................................................................... 69 9.2.1. Mạch công suất: .......................................................................................................... 69 9.2.2. Mạch điều khiển (mạch tạo xung kích): ...................................................................... 69 9.3. CÂU HỎI VÀ THỰC HÀNH ............................................................................................ 71 A. Câu hỏi lý thuyết: ............................................................................................................. 72 B. Câu hỏi thực hành ............................................................................................................. 73 1. Khảo sát mạch tạo xung kích: ....................................................................................... 73 2. Khảo sát mạch công suất:.............................................................................................. 73 9.4. THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM:................................................................................................. 74 9.5. TÀI LIỆU THAM KHẢO:................................................................................................. 74 LỜI NÓI ĐẦU Năm 2001, Bộ môn Viễn thông và điều khiển tự động, Khoa Công nghệ thông tin & truyền thông, Trường Đại học Cần Thơ, đã thực hiện thiết kế lại các bài thí nghiệm Điện tử công suất. Các bài thí nghiệm này đã được thiết kế bao gồm thiết bị thí nghiệm và giáo trình, phục vụ cho các chuyên ngành Điện tử, Viễn thông, Tự động hóa, Kỹ thuật điện, Giáo trình thí nghiệm Điện tử công suất được thực hiện lần này là sự bổ sung và cải tiến giáo trình thí nghiệm Điện tử công suất năm 2001. Giáo trình được biên soạn gồm 9 bài thực tập cho học phần 2 tín chỉ, thời lượng là 60 tiết thực tập, mỗi bài được thực hành với thời gian 6 tiết, 6 tiết còn lại dành cho kiểm tra học phần. Tuy nhiên, ta cũng có thể chọn ra 5 bài cho học phần 1 tín chỉ. Tôi xin chân thành cám ơn quí thầy cô trong Bộ môn Viễn thông & Kỹ thuật điều khiển, Khoa Công nghệ thông tin & Truyền thông, hiện nay là Bộ môn Viễn thông và Bộ môn Tự động hóa, khoa Công nghệ, đã tham gia thực hiện các bài thí nghiệm năm 2001. Cảm ơn ThS. Phạm văn Tấn, ThS. Nguyễn Hoàng Dũng, TS. Trần Thanh Hùng và quí thầy, cô khác đã có nhiều đóng góp để hoàn thành giáo trình này. Cần Thơ, ngày 18 tháng 2 năm 2009 ĐOÀN HÒA MINH BÀI 1: KHẢO SÁT LINH KIỆN CÔNG SUẤT CƠ BẢN Tham gia thực hiện: KS. Trương Văn Tám 1.1. MỤC ĐÍCH Khảo sát các linh kiện công suất: BJT, MOSFET, SCR và Triac. Trong lĩnh vực điện tử công suất, các linh kiện này được dùng như các chuyển mạch (switch). Vì vậy, ta chỉ khảo sát chúng trong hai chế độ đóng (dẫn) và ngắt (ngưng dẫn), riêng với SCR và Triac ta sẽ khảo sát thêm các đặc tính cơ bản như điện thế phân cực, dòng kích, góc mỡ (điều khiển pha) Qua bài thực hành này, sinh viên sẽ hiểu rõ hơn nguyên lý hoạt động của các linh kiện công suất, từ đó, có thể ứng dụng chúng trong thực tế. 1.2. KIẾN THỨC NỀN Để làm tốt bài thí nghiệm này, sinh viên phải tự ôn tập kiến thức nền trong các giáo trình lý thuyết đã học. Đây là các linh kiện quen thuộc, nên trong các phần sau đây chỉ nhắc lại một số vấn đề cơ bản. 1.2.1. BJT công suất: Về cấu tạo, nguyên lý họat động cơ bản vẫn giống như BJT công suất nhỏ. Sau đây là các đặc tính riêng của BJT công suất mà ta cần lưu ý: ƒ Hệ số khuếch đại dòng điện vài chục).  â = I C I B  của BJT công suất thường khá nhỏ (khoảng ƒ Khi dùng BJT như một chuyển mạch, các điểm cần quan tâm là: thời gian chuyển mạch (thời gian chuyển từ trạng thái dẫn bão hòa sang trạng thái ngưng dẫn và ngược lại) càng ngắn càng tốt; ở trạng thái đóng, mạch kích phải tạo dòng IB đủ lớn (trong thực tế IB lớn từ 2 đến 5 lần IBSAT) để bảo đảm BJT dẫn điện tốt. Tất nhiên, ta phải thiết kế sao cho BJT hoạt động không vượt quá các định mức. ƒ BJT là lọai linh kiện công suất có thể kích ngắt. Ví dụ: a) Tải đặt ở chân E (Hình 1.1) - Khi SW ở vị trí 1 (nối mass), BJT ngưng dẫn (ngắt): R = VCE → ∞ CE I C BJT như một SW ở vị trí hở (OFF, ) và Vo= 0, IL = 0. - Khi SW ở vị trí 2, BJT chuyển sang trạng thái dẫn : R = VCE CE I C Khi BJT dẫn bảo hòa (VCE ≈ 0, thực tế từ 0.1V → 0.2V) thì RCE ≈ 0 (BJT như một SW đóng mạch - ON), V0 ≈ Vi IC # IL IL Vi Vo RL RB • SW 2 • • 1 B+ Hình 1.1 - Việc điều khiển như trên có bất lợi là B+ phải lớn hơn VCC nếu không thì BJT không bão hòa tuyệt đối (phải phân cực thuận cả nối BC và BE). Để cải thiện ta có thể: b) Đặt tải ở chân C (Hình 1.2) - c) Điều khiển gián tiếp (Hình 1.3): * R3 nối B+ ⇒ Q3, Q2, Q1 dẫn bảo hòa, SW ở trạng thái ON * R3 nối mass ⇒ Q3, Q2, Q1 ngưng, SW ở trạng thái OFF Trong hai trường hợp trên B+ chỉ cần khoảng vài volt 1.2.2. MOSFET công suất: ƒ Bài thí nghiệm này khảo sát MOSFET loại tăng (E-MOSFET) chế tạo dưới dạng V-MOSFET (Vertical MOSFET) hay D-MOSFET (Double-diffused MOSFET) ƒ MOSFET kênh N dẫn khi VGS > VGS(th) > 0 và VDS > 0. ƒ MOSFET kênh P dẫn khi VGS < VGS(th)< 0 và VDS < 0. ƒ Ở MOSFET kênh N do VGS > 0 nên tải thường phải mắc ở cực D khi sử dụng MOSFET như một chuyển mạch (Hình 1.4). ƒ MOSFET có ưu diểm là khi bão hòa là VDS xuống rất thấp nên công suất tiêu tán bên trong (dưới dạng nhiệt) nhỏ hơn nhiều so với BJT ƒ Chú ý: BJT được điều khiển bằng dòng điện IB, còn FET thì được điều khiển bằng điện áp VGS và điện áp này tùy thuộc FET nên phải thật cẩn thận tránh để ID vượt quá IDMAX mà FET có thể chịu được. 1.2.3. SCR a. Ký hiệu (Hình 1.5) b. Khi phân cực thuận: VA >VK (Hình 1.6) - SCR không dẫn điện khi VAK còn nhỏ, khi tăng VAK (bằng cách tăng VAA) đến trị số VBO (điện thế quay về) thì SCR chuyển sang trạng thái dẫn, lúc này VAK giảm xuống còn khoảng 0.7V và hoạt động như Diode chỉnh lưu. Điện áp VBO thường khá lớn (từ vài chục volt đến vài trăm volt tùy SCR). - Thực tế người ta thường tạo dòng kích IG để SCR có thể dẫn điện ngay mà không chờ điện thế cao. Dòng kích IG tối thiểu và tối đa tùy thuộc vào mỗi SCR nhưng nói chung các dòng này càng lớn (từ vài mA đến vài chục mA) khi SCR có công suất càng lớn. - Khi SCR đã dẫn, nếu ta bỏ dòng kích thì SCR vẫn tiếp tục dẫn điện (không thể tắt SCR bằng cực cổng). c. Khi phân cực nghịch: VA <VK SCR không dẫn điện cho dù có dòng kích IG d. Tóm lại: SCR chỉ dẫn điện một chiều từ Anode sang Cathode khi có dòng kích IG thích hợp. 1.2.4. TRIAC Ký hiệu (Hình 1.7) T2 (đầu cuối) IG G (Gate) VT1T2 T1 (đầu cuối) Hình 1.7 Triac còn được gọi là SCR lưỡng hướng. Khi VT2 >VT1, Triac dẫn điện từ T2 sang T1 khi kích bằng dòng cổng IG dương (VGT1>0) Khi VT1 >VT2, Triac dẫn điện từ T1 sang T2 khi kích bằng dòng cổng âm. Khi Triac ⏐VT2T1⏐# 0,7V Như vậy Triac dùng trong điện xoay chiều thuận lợi hơn SCR. Cũng như SCR, dòng cổng tối thiểu và tối đa cũng tuỳ thuộc vào mỗi Triac. 1.3. THỰC HÀNH: 1.3.1. BJT: Ta khảo sát một công tắc điện tử dùng BJT. Mạch thực hành như hình sau (Hình 1.8): a) Bật SW về vị trí mass. Đo điện thế của các chân Q1, Q2, Q3. Giải thích kết quả. b) Bật SW về vị trí +5V. Lập lại câu 1. c) Bật SW về vị trí +5V. Đo V suy ra I ( I # V0  ) của Q R 0 C C 1 L d) Bật SW về vị trí +5V. Đo VCE suy ra RCE của Q1 1.3.2. MOSFET: Mạch thực tập có dạng (Hình 1.19): Vi 47K  Tải vi 470Ù/5W VD VR 10K RG 47Ù 47K 0.33Ù Hình 1.19 a) Đo VD chỉnh VR xác định điện thế thềm VGS(th) b) Đo VD chỉnh VR đến khi MOSFET bảo hòa. Xác định thị số tối thiểu của VGS làm FET bảo hòa. Suy ra IDSAT . So sánh VDS(SAT) với VCESAT của BJT. Nhận xét. 1.3.3. SCR A. Mắc mạch như hình sau: (Hình 1.20): a) Lần lượt bật SW về vị trí 1, 2, 3 quan sát led (được mắc song song với tải, khi SCR dẫn led cháy sáng). Giải thích kết quả. b) Đặt SW về vị trí 2 quan sát tải, xong bật về vị trí 1. Nhận xét giải thích. c) Đổi cực của nguồn Vi, lập lại câu a, giải thích kết quả. B. Mắc mạch như hình sau (Hình 1.21): a) Chỉnh VR quan sát tải. Giải thích. b) Chỉnh VR , dùng dao dộng nghiệm quan sát điện áp hai đầu tải, vẽ lại dạng sóng ở một vị trí nào đó của VR khi SCR dẫn. Giải thích. c) Tại sao bán kỳ âm SCR không dẫn. d) Chức năng của diode D1. e) Làm cách nào để tăng công suất của SCR trong mạch điện xoay chiều? Hình 1.21 1.3.4. TRIAC A. Mắc mạch như hình sau (Hình 1.22): a. Lần lượt bật SW về vị trí 1, 2, 3 quan sát led và giải thích kết quả. b. Đặt SW về vị trí 2 quan sát tải, xong bật về vị trí 1. Nhận xét giải thích. c. Đổi cực của nguồn VI, lập lại câu a và b, giải thích kết quả. B. Mắc mạch như hình sau (Hình 1.23): 2,2K ∼ 50K VR  Tải 47Ù Hình 1.23 a. Giải thích nguyên tắc hoạt động của mạch (nêu rõ chức năng các linh kiện trong mạch điều khiển pha). b. Chỉnh VR, quan sát tải, vẽ lại dạng sóng hai đầu tải. c. Thử nêu vài ứng dụng của mạch này. 1.4. THIẾT BỊ: 1. 01 Mạch thí nghiệm (board lớn). 2. 01 oscilloscope 3. 01 VOM 1.5. TÀI LIỆU THAM KHẢO: [1]. Các bài giảng và giáo trình ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT – Bộ Môn Viễn Thông & Kỹ thuật Điều khiển - Khoa công Nghệ Thông Tin & Truyền thông – ĐHCT. [2]. TRƯƠNG VĂN TÁM - LINH KIỆN ĐIỆN TỬ – Giáo trình – Bộ Môn Viễn Thông & Tự Động Hóa - Khoa công Nghệ Thông Tin & Truyền thông – ĐHCT – 2001. [3]. TRƯƠNG VĂN TÁM - MẠCH ĐIỆN TỬ – Giáo trình – Bộ Môn Viễn Thông & Tự Động Hóa - Khoa công Nghệ Thông Tin & Truyền thông – ĐHCT – 2001. BÀI 2: MÔ PHỎNG LINH KIỆN CÔNG SUẤT CƠ BẢN 2.1. MỤC ĐÍCH Đặc tính hoạt động của linh kiện được mô tả một cách rõ ràng nhất thông qua đặc tuyến của nó. Đặc tuyến của các linh kiện điện tử chỉ phụ thuộc vào loại linh kiện mà không phụ thuộc vào công suất của nó và chúng ta cũng đã biết trong các môn lý thuyết linh kiện điện tử và điện tử công suất. Đặc tuyến của một linh kiện có thể xây dựng từ thực nghiệm hoặc vẽ ra từ mô hình toán học của nó. Tuy rằng linh kiện công suất hoạt động chủ yếu ở hai chế độ ngắt (ngưng dẫn) và đóng (dẫn bão hòa), nhưng việc vẽ đặc tuyến của linh kiện giúp cho sinh viên nắm được đặc tính hoạt động của linh kiện, từ đó sử dụng chúng tốt hơn trong các mạch công suất. Vì vậy, nội dung chủ yếu của bài này là vẽ đặc tuyến của các linh kiện điện tử cơ bản từ các mô hình toán học của nó, với sự trợ giúp của máy tính. Bài thực tập này còn giúp cho sinh viên nắm được các nguyên tắc cơ bản của việc mô phỏng linh kiện hay mạch điện tử bằng máy vi tính. 2.2. NỘI DUNG 2.2.1. DIODE: Đặc tuyến biểu diễn sự phụ thuộc của dòng điện I [A] qua diode vào điện áp V[V] giữa anode A và cathode K của diode. A P N K Qui ước: chiều dương của I là chiều từ anode đến cathode, tương ứng với chiều dương của điện áp hướng về anode. Hình 2.1 mô tả cấu tạo (a) và ký hiệu của diode (b) . A I + V Phaân cöïc thuaän: U > 0, I > 0 Phaân cöïc nghòch: U < 0, I < 0 K (a) (b) Hình 2.1 2.2.1.1. Mô hình toán học [6]: ⎡ ⎛ V ⎞ ⎤ kT I = I S ⎢exp⎜ V ⎟ −1⎥ với Vt = e được gọi là nhiệt điện thế. ⎝ t ⎠ Trong đó: IS là dòng điện rỉ; T là nhiệt độ tuyệt đối; e = 1,59.10-19Coulomb; và k = 1.38.10-23 (hằng số Boltzmann). IS = 1,2mA đối với diode Germanium. IS = 0,2nA đối với diode Silicon. Ở nhiệt độ bình thường T = 3000K, Vt = 0,026 Volt Khi phân cực thuận, dòng điện qua diode tăng nhanh, vì thế phải hạn chế dòng điện qua diode để nó không bị đánh thủng. Khi diode dẫn diện, điện áp phân cực thuận V=0,3 Volts đối với diode Ge và V=0,7 Volts đối với diode Si. Do đó, V/Vt > 10 và exp(V/Vt) >>1. ⎛ V ⎞ Suy ra: I ≈ I S exp⎜ ⎟ ⎝ Vt ⎠ Công thức trên chỉ đúng khi dòng điện qua mối nối khá lớn. Với dòng điện nhỏ (vài mA trở xuống) dòng điện qua diode là: I ≈ Is[exp(V/çVt)-1] Trong đó: ç=1 đối với diode Ge, ç=2 đối với diode Si Trong thí nghiệm, mạch phân cực để vẽ đặc tuyến của diode như sau: 2.2.1.2. Thực hành: 1) Dự vào mô hình toán học, hãy viết chương trình vẽ đặc tuyến I-V của diode bằng ngôn ngữ MATLAB (hoặc ngôn ngữ tuỳ ý) với V biến thiên từ -10V đến 0.7V cho diode Si ở nhiệt độ bình thường. Chạy thử chương trình và so sánh kết q...ch điện mới) hoặc Open (để mở project cũ đã lưu dưới dạng file có phần mở rộng là “.sch”). Các thao tác cơ bản để thực hiện một mạch điện mới: o Chọn linh kiện, nguồn tín hiệu và các thành phần khác từ Elements trên menu hoặc trên thanh công cụ ở phía dưới màn hình ( nhấp chuột trái vào phần tử muốn chọn. Sau đó nhấp chuột vào vị trí muốn đặt phần tử đó trên cửa sổ thiết kế, có thể quay phần tử đã chọn từ Rotate trên menu Edit hoặc nhấp chuột trái vào biểu tượng tương ứng trên menu bar). o Thực hiện các đường mạch nối các linh kiện và các thành phần khác: chọn Wire trên menu Edit hoặc biểu tượng tương ứng trên menu bar, sau đó rê chuột giữa các điểm muốn nối. o Đặt các tham số của các linh kiện: nhấp chuột trái vào biểu tượng “mũi tên” trên menu bar, rồi nhấp chuột trái vào thành phần muốn đặt tham số, sau đó chọn Attributes trên menu Edit (hoặc ấn phím tắt F4), một cửa sổ con hiện ra, cho phép ta nhập các tham số cần thiết. Chú ý các tham số và đơn vị tính của các linh kiện. o Dán nhãn: chọn Label trên menu Edit (hoặc ấn phím tắt F2) , nếu cần. o Chạy chương trình mô phỏng: chọn Run Simulation trên menu Simulate, hoặc ấn phím tắt F8, hoặc nhấp chuột trên biểu tượng tương ứng trên menu bar. Ở chế độ mặc định (Auto-Run SIMVIEW), một cửa sổ con “Data Display Selection” hiện ra cho phép ta chọn các biến cần hiển thị đã liệt kê sẵn (theo các thiết bị và điện áp có trong mạch điện). Nếu muốn hiển thị đồ thị của một đại lượng (biến) nào đó, ta cần phải đặt thiết bị đo lường tướng ứng vào vị trí đó trên mạch điện. o Sinh viên cần tham khảo trước về PSIM trong các tài liệu [6]. 5.3. THỰC HÀNH: 5.3.1. Mạch chỉnh lưu điều khiển một pha nửa chu kỳ: a. Mở phần mềm PSIM và vẽ mạch chỉnh lưu một pha bán điều khiển hình 5.2: Hình 5.2: Mạch chỉnh lưu điều khiển một pha nửa chu kỳ. - Thiết lập các giá trị phù hợp. - Vẽ lại trên bài phúc trình dạng sóng điện thế tải ud, dạng sóng dòng điện tải id. - Giải thích dạng sóng ud, id. - Dựa vào đồ thị dạng sóng điện áp tải, tính giá trị điện áp trung bình giữa 2 đầu tải b. Thay đổi V1 để thay đổi góc kích α. Vẽ lại trên bài phúc trình dạng sóng ứng với góc kích α= 2π/3 (V1 = 120 Volt). c. Thiết lập L=0.05H. Vẽ lại trên bài phúc trình dạng sóng ud, id. So sánh với dạng sóng ở câu a và giải thích. 5.3.2. Mạch chỉnh lưu điều khiển một pha hai nửa chu kỳ: a. Vẽ mạch chỉnh lưu điều khiển một pha hai nửa chu kỳ như sau (Hình 5.3): Hình 5.3: Mạch chỉnh lưu điều khiển một pha hai nửa chu kỳ. - Thiết lập các giá trị phù hợp. - Vẽ lại trên bài phúc trình dạng sóng điện thế tải ud, dạng sóng dòng điện tải id. - Giải thích dạng sóng ud, id. b. Thay đổi V2 để thay đổi góc kích α. Vẽ lại trên bài phúc trình dạng sóng ứng với góc kích α = π/3 (V2 = 120 Volt). c. Thiết lập L = 0H. Vẽ lại trên bài phúc trình dạng sóng ud, id. So sánh với dạng sóng ở câu a và giải thích. 5.4. TÀI LIỆU THAM KHẢO: [1]. Các bài giảng và giáo trình ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT – Bộ Môn Viễn Thông & Kỹ thuật Điều khiển - Khoa công Nghệ Thông Tin & Truyền thông – ĐHCT. [2]. Các bài giảng và giáo trình CAD – Bộ Môn Viễn Thông & Kỹ thuật Điều khiển - Khoa công Nghệ Thông Tin & Truyền thông – ĐHCT. [3]. NGUYỄN CHÍ NGÔN - Giáo trình THIẾT KẾ MÔ PHỎNG MẠCH VÀ VẼ MẠCH IN - Bộ Môn Viễn Thông & Kỹ thuật điều khiển - Khoa công Nghệ Thông Tin & Truyền thông – ĐHCT – 2003. [4]. NGUYỄN VĂN NHỜ - GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT I – NXB Đại học Quốc gia TP HCM – 2002. [5]. TRƯƠNG VĂN TÁM - MẠCH ĐIỆN TỬ – Giáo trình – Bộ Môn Viễn Thông & Kỹ thuật Điều khiển - Khoa công Nghệ Thông Tin & Truyền thông – ĐHCT – 2001. [6]. http:// www.powersimtech.com [7]. [8]. [9]. BÀI 6: ỔN ÁP MỘT CHIỀU Tham gia thực hiện: KS. Trương Văn Tám 6.1. MỤC ĐÍCH: Giúp cho sinh viên thấu hiểu nguyên lý hoạt động của các loại ổn áp DC, rèn luyện kỹ năng thực hành, hình thành khả năng thiết kế và lắp ráp các loại ổn áp DC theo yêu cầu thực tế. 6.2. SƠ LƯỢC VỀ LÝ THUYẾT Mạch ổn áp một chiều còn được gọi là mạch biến đổi DC-DC, đây là một mạch biến đổi từ điện áp một chiều này thành điện áp một chiều khác. Thông thường, người ta chia ổn áp một chiều ra làm 2 loại: - Ổn áp tuyến tính, - Ổn áp ngắt mở (switching regulator). Dù là loại nào, một mạch ổn áp cũng phải đạt 2 chức năng: - Ổn định điện áp ngõ ra khi điện áp ngõ vào thay đổi và khi dòng tải thay đổi. - Giảm đến mức thấp nhất sóng dư ở ngõ ra. + vi Ổn áp -  + - vo RL Hình 6.1 6.2.1. Ổn áp tuyến tính Trong bài thí nghiệm này ta khảo sát mạch ổn áp tuyến tính dạng nối tiếp. Sơ đồ khối như sau: vi + Chưa ổn áp + AV - Công suất ổn áp Kích  vo Đã ổn áp IL + C1 - So sánh + 2 C Lấy mẫu - RL Chuẩn C1: Tụ lọc ngõ vào C2: Tụ lọc ngõ ra  Hình 6.2 - Công suất ổn áp: Thường là một transistor công suất lớn, hoạt động như một điện trở thay đổi. - So sánh: So sánh điện thế lấy mẫu và điện thế chuẩn để tạo thành điện thế điều khiển VDK để điều khiển mạch kích tạo dòng kích cho công suất. - Chuẩn: Tạo điện thế chuẩn Vref cho mạch so sánh (thường dùng zener). - Lấy mẫu: Lấy một phần điện thế ngõ ra so sánh với điện thế chuẩn (điện thế lấy mẫu thay đổi theo điện thế ngõ ra vo). Nguyên tắc hoạt động: vo=vi-AV Giả sử khi vo thay đổi (vì lý do nào đó), điện thế lấy mẫu thay đổi theo trong khi điện thế chuẩn không đổi nên ngõ ra VDK của mạch so sánh thay đổi, điện thế VDK này điều khiển mạch kích và công suất thay đổi độ hoạt động (chạy mạnh/chạy yếu) để thay đổi AV sao cho vo ổn định. Mạch căn bản có dạng: R Q1 + R2 vi R 1 Q2 C1 + - + Q C2 - 3 D  + R3 IL vo C3 RL VR R4 - Hình 6.3 Q1: Công suất ; Q2: Thúc (kiểu darlington) ; Q3: So sánh Zener D: tạo điện thế chuẩn R3, R4,VR: Lấy mẫu C2: Giảm sóng dư ngõ ra Do dòng tải IL chạy thẳng và thường trực qua Q1 nên Q1 phải có công suất lớn và phải được giải nhiệt cẩn thận. Mạch thường có một điện trở R công suất lớn để chia bớt dòng qua Q1 6.2.2. Ổn áp ngắt mở - Tuy có rất nhiều dạng, nhưng đa số đều dùng phương pháp biến điệu độ rộng xung. - Nguyên lý chung vẫn như mạch ổn áp tuyến tính nhưng thay mạch khuếch đại kích bằng một mạch dao động tạo sóng vuông. Tín hiệu ra của mạch dao động kích vào transistor công suất ổn áp (thường là BJT hoặc MOSFET công suất lớn), mức cao của xung vuông làm transistor bảo hòa, mức thấp làm transistor ngưng. Như vậy công suất ổn áp hoạt động như một chuyển mạch (switch). - Dao động tạo xung vuông có thể là đa hài (công suất độc lập với mạch dao động) hoặc thông dụng hơn là dao động blocking (công suất tham gia vào mạch dao động) do cách ly được mass điện. + AV - Công suất ổn áp + vi + Dao động tạo xung vuông + Ci So sánh - Chuẩn - IL vo Lấy mẫu Co RL - SW vi vo vo ⇒ 0 T x T Hình 6.4 - Khi chưa mắc tụ lọc ngõ ra, v0 có dạng xung với biên độ đỉnh bằng vi khi SW ở trạng thái ON và v0=0 khi SW ở trạng thái OFF. Trị trung bình của v0 là x T v o = v i T Ta thấy: Để thay đổi trị trung bình ngõ ra vo ta có thể: - Thay đổi thời gian SW ở trạng thái ON (Transistor dẫn bảo hòa) - Thay đổi tần số của mạch dao động (Tức thay đổi chu kỳ T) - Hoặc thay đổi cả hai Thực tế, để tiện việc thiết kế và kiểm soát, thường người ta giữ nguyên tần số dao động (thực tế trong máy thu hình, monitor máy tính. Người ta dùng xung quét ngang đưa về để giữ cho tần số dao động bằng với tần số quét ngang), tín hiệu lấy mẫu chỉ làm thay đổi độ rộng của xung vuông tức thay đổi thời gian dẫn-ngưng của transistor công suất, tức Tx. - Để ổn định vo, thí dụ khi vi cao người ta giảm Tx, khi vi giảm người ta tăng Tx. - Mạch thường được thiết kế ở tần số khá cao (hơn 10KHz) nên tụ lọc ngõ ra không cần lớn mà vẫn bảo đảm được việc giảm tối đa sóng dư (vo gần lý tưởng). - Để tạo ra nhiều loại điện áp khác nhau, nhất là cách ly được mass điện và mass máy (chống giật), người ta thường thiết kế bộ nguồn có biến áp xung. Tùy theo tần số hoạt động của mạch và số vòng cuộn sơ cấp, thứ cấp mà ta có được các điện áp khác nhau theo yêu cầu. D B+ B1 + - D B2 S OSC + - W Hình 6.5 6.3. PHẦN THỰC HÀNH 6.3.1. Ổn áp tuyến tính Mạch dùng thực tập có dạng: Q1 + R3 R4  + vo IL vi R1 1,8K 560Ù 1K Q2  Co + vo Ci + 2200µF -  + R2 -  C Q3 100µF 2200µF - RL VR 1K 100K D  R5 2,2K Hình 6.6 ƒ Với vi được cấp từ một nguồn thay đổi bên ngoài a/ Giải thích vắn tắt nguyên lý hoạt động của mạch (khi vi và IL thay đổi) b/ Cấp vI = +18V, đo điện thế ngõ ra vo , chỉnh VR theo hai chiều. Nhận xét và giải thích. c/ Chỉnh VR để vo=+12V, cho vi thay đổi từ +15V →+20V, đo vo, lập bảng theo mẫu sau và vẽ đồ thị vo=f(vi). Nhận xét. Vi +15V +16V +17V +18V +19V +20V vo d/ Cấp vi=+18V, Đo vo khi thay đổi IL (bằng cách thay đổi RL) RL R1(100Ù) R2(50Ù) R3(100/3Ù) R4(25Ù) IL vo Vẽ đồ thị vo=f(IL). Nhận xét. e/ Không mắc tụ C vào mạch, quan sát sóng dư ngõ ra. Lập lại thí nghiệm. Khi mắc tụ C vào mạch. Nhận xét và giải thích. f/ Giả sử không mắc Co vào mạch, vo bị ảnh hưởng gì? Giải thích? 6.3.2. Ổn áp ngắt mở:  Mạch thực hành hình 6.7 220VAC +300V 47K/2W 7 8 + C1 272/1K - B1 47K/2W 47K/2W  47Ù  .33Ù/2W 47K  K794 5 9 100ìF/ 100V 10 + RL1 + - - B2 .0022  22K .1  1KÙ + .001 - + RL2 + 11 - - 13 15 47Ù 100p 4 3 1MÙ .KA3842 2 5 out 6 Vcc 7  100ìF/ 25V  47Ù 3 18K 1 8  + 100Ù - 100K Vz=18V 5K .22  3.3K  .1 1KÙ  1 Hình 6.7 Ghi chú quan trọng: * Trong mạch có 2 mass, một mass điện và 1 mass máy. Sinh viên khi làm thực tập phải thật cẩn thận, tránh bị điện giật. * Trong bài thực tập dùng SCR và E-MOSTFET kênh N với sơ đồ chân như sau: SCR K794 G D S 6.3.2.1. Vi mạch KA3842 có sơ đồ chân: 7 Vcc Vref 8  INTERNAL BIAS  5V SET Vref RESET  UVLO 29V  5 GND VFB 2 Comp 1 CS 3  Sense  ½ Vref LOGIC ERROR Amp + -  1/3 R S  C.S Comp 1V  22V  PWRVC 7 out 6 RT/CT 4  > T OSCILLATOR PWR GND 5 Hình 6.8 IC KA3842 là IC dao động điều khiển mạch nguồn Switching được sử dụng rất nhiều trong các mạch nguồn monitor máy tính. IC này hoạt động theo kiểu biến điệu độ rộng xung (pulse width modulation). IC có khả năng tạo nguồn chuẩn Vref=+5V tại chân 8, mạch so sánh cảm nhận về điện áp để khoá mạch biến điệu độ rộng xung bên trong. Chân 4 mắc R, C định tần số dao động, xung biến điệu độ rộng được thực hiện bởi mạch FF RS cấp cho mạch khuếch đại Push-Pull thông qua cổng OR. Khi mở máy, chân 7 được cấp nguồn từ điện thế 300V để khởi động mạch, sau đó điện thế cảm ứng lấy từ cuộn 1-3 sẽ đuợc chỉnh lưu để cấp nguồn ổn định cho IC3842. Cuộn 1-3 còn được dùng để lấy mẫu ngõ ra để đưa về mạch so sánh (chân 1-2). Zener 18V và SCR giữ vai trò bảo vệ khi điện áp vượt quá cao. 6.3.2.2. Sinh viên khảo sát mạch và thực hiện các công việc sau: 1. Để hở công suất nguồn, khảo sát IC3842 a/ Đo điện áp DC chân 7 khi mạch hoạt động ổn định. Lúc này zener 18V và SCR dẫn hay ngưng? b/ Đo điện áp DC tại chân 2. Điện áp này dùng làm gì? Có thay đổi theo điện áp ngõ ra B1 và B2 không? Tại sao? c/ Quan sát và vẽ lại dạng sóng chân số 4 d/ Quan sát và vẽ lại dạng sóng tại ngõ ra (chân 6). Chỉnh biến trở 5K, dạng sóng ngõ ra thay đổi như thế nào? 2. Nối công suất nguồn vào mạch a/ Đo B1  khi RL = 4.7 KÙ 2 b/ Thay đổi RL bằng cách không nối rồi nối lần lượt JP1, JP2, JP3, đo B1, lập bảng: RL(KÙ) B1 B1  4 . 7 2  4 . 7 3  4 . 7 4  4 . 7 5 IL = RL Vẽ đồ thị B1 theo IL. Nhận xét? c/ Đo B1, chỉnh VR=5K. Nhận xét và cho biết chức năng của VR. 6.4. THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM: 1) 01 mạch ổn áp tuyến tính (board nhỏ). 2) 01 mạch ổn áp ngắt mở (boad lớn). 3) 01 VOM. 4) 01 ocilloscope 6.5. TÀI LIỆU THAM KHẢO: [1]. Giáo trình THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT – Bộ Môn Viễn Thông & Kỹ thuật Điều khiển - Khoa công Nghệ Thông Tin & Truyền thông – ĐHCT - 2001. [2]. Các bài giảng và giáo trình ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT – Bộ Môn Viễn Thông & Kỹ thuật Điều khiển - Khoa công Nghệ Thông Tin & Truyền thông – ĐHCT. [3]. NGUYỄN VĂN NHỜ - GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT I – NXB Đại học Quốc gia TP HCM – 2002. [4]. TRƯƠNG VĂN TÁM - MẠCH ĐIỆN TỬ – Giáo trình – Bộ Môn Viễn Thông & Kỹ thuật Điều khiển - Khoa công Nghệ Thông Tin & Truyền thông – ĐHCT – 2001. [5]. CYRIL W. LANDER – POWERS ELETRONICS –McGraw-Hill, London – 1987. [6]. Zainal Salam – POWER ELECTRONICS AND DRIVES – Version 3 – UTM.JB – 2003 [7]. t BÀI 7: ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT AC 7.1. MỤC ĐÍCH: - Biết cách dùng Triac để điều khiển công suất tiêu thụ trên tải AC. - Nắm được nguyên tắc tạo xung kích Triac và mối quan hệ giữa góc mở á với công suất tiêu thụ trên tải. 7.2. SƠ LƯỢC LÝ THUYẾT: - Triac là một linh kiện điều khiển không thể kích ngắt. Công dụng quan trọng của nó là điều khiển công suất AC trên tải. Trong trường hợp này Triac đóng vai trò như một khóa điện tử. Sơ đồ mạch điều khiển công suất AC như hình 7.1 : VS VD A2 A1 VS IG VG G V Tải IG L Mạch tạo xung kích t VL t Hình 7.1 á Hình 7.2 Vì Triac dẫn cả 2 chiều nên chỉ có 2 trạng thái dẫn và khóa. Triac được kích đóng (dẫn) bằng dòng điện IG và để đưa Triac từ trạng thái dẫn sang trạng thái khóa phải có 2 điều kiện là : IG=0 và điện áp nguồn đổi chiều. Triac có thể được kích đóng trong 4 trường hợp sau : a/. VD>0, VG>0, IG>0 b/. VD>0, VG0, IG>0 d/. VD<0, VG<0, IG<0 Triac ít nhạy cảm nhất trong trường hợp c/. Với VS là nguồn điện xoay chiều hình sin, công suất tiêu thụ phụ thuộc vào góc mở á (hay góc trễ). Dạng sóng của điện áp nguồn VS, dòng điện kích đóng IG (hoặc điện áp VG), điện áp trên tải VL được vẽ trong hình 7.2. - Sơ đồ mạch điều khiển công suất AC dùng Triac được trình bày trong hình 7.3 ở cuối bài thí nghiệm này. Lưu ý rằng, để xác định góc trễ và xung kích xuất hiện đúng thời điểm, mạch tạo xung kích cần phải có thông tin về pha của điện áp nguồn. - Trường hợp điện áp nguồn có dạng sin : VS=VMsinùt= Với VM : giá trị cực đại,VS : giá trị hiệu dụng,è=ùt=2ðft Điện áp hiệu dụng trên tải là :  2 VSsinè. ð V =[ 2  V 2 sin2èdè ]1/2 L 2ð ∫á 2 S Hay: V  =V [ 1 (ð-á+ sin 2á )]1/2 L S ð 2 Ta thấy, khi á biến thiên từ 0->ð thì VL biến thiên từ VS->0. Điều này chứng tỏ công suất tiêu thụ trên tải phụ thuộc vào á. 7.3. CÂU HỎI VÀ THỰC HÀNH A. Câu hỏi lý thuyết : 1/. Từ sơ đồ mạch tạo xung kích và mạch công suất hình 7.3 hãy cho biết chức năng của các linh kiện sau đây: U2, U3, U4, U5, D3, D4, D5, Q1, Q2, Q3, C3, C6 và R8 (VR 5K). 2/. Thông tin về pha của điện áp nguồn được lấy và xử lý như thế nào? B. Câu hỏi thực hành : 1. Mắc tải R (bóng đèn) vào mạch điều khiển công suất AC, lấy điểm đất (mass) chung, dùng oscilloscope xem và vẽ lại dạng sóng tại các điểm : TP0, TP1, TP2, TP3, TP4, TP5, TP6, TP7 (tất cả cùng một thang thời gian). Trong đó, TP5 được vẽ trên cùng một đồ thị với TP2 và TP5 cũng được vẽ trên cùng một đồ thị với TP3 (các thang giá trị của các đồ thị được vẽ như hình 7.4 ), so sánh và nhận xét. - So sánh dạng sóng ở TP0 với TP2 và Tp4, từ đó suy ra Q2 và U3 tạo xung kích đóng trong bán kỳ nào? - So sánh dạng sóng ở TP0 với TP3 và TP6, từ đó suy ra Q3 và U4 tạo xung kích đóng trong bán kỳ nào? TP1 t TP2 TP5 t TP3 TP5 t TP9 t TP6 t TP7 t Hình 7.4 2. Với tải R, dùng Oscilloscope quan sát điện áp trên tải, ước lượng góc mở, đo điện áp hiệu dụng (hoặc dòng điện hiệu dụng) trên tải, lập bảng 1, nhận xét và so sánh với lý thuyết. á VL 2 P = VL 00 300 600 900 1200 1500 1800 RL Hình 7.5 3. Mắc tải R_L vào mạch điều khiển công suất AC, dùng oscilloscope xem và vẽ lại dạng sóng điện áp trên tải, so sánh với trường hợp tải trở, giải thích. 4. Với tải R_L, lặp lại câu 2 (chú ý: VL là điện áp giữa 2 đầu R) . Nhận xét. 7.4. THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM: 1) 01 board thí nghiệm (board lớn). 2) 01 tải R-L. 3) 01 tải motor. 4) 01 oscilloscope. 5) 01 VOM. 7.5. TÀI LIỆU THAM KHẢO: [1]. Giáo trình THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT – Bộ Môn Viễn Thông & Kỹ thuật Điều khiển - Khoa công Nghệ Thông Tin & Truyền thông – ĐHCT - 2001. [2]. Các bài giảng và giáo trình ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT – Bộ Môn Viễn Thông & Kỹ thuật Điều khiển - Khoa công Nghệ Thông Tin & Truyền thông – ĐHCT. [3]. NGUYỄN VĂN NHỜ - GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT I – NXB Đại học Quốc gia TP HCM – 2002. [4]. TRƯƠNG VĂN TÁM - MẠCH ĐIỆN TỬ – Giáo trình – Bộ Môn Viễn Thông & Kỹ thuật Điều khiển - Khoa công Nghệ Thông Tin & Truyền thông – ĐHCT – 2001. [5]. CYRIL W. LANDER – POWERS ELETRONICS –McGraw-Hill, London – 1987. [6]. Zainal Salam – POWER ELECTRONICS AND DRIVES – Version 3 – UTM.JB – 2003 [7]. BÀI 8: BIẾN TẦN GIÁN TIẾP Tham gia thực hiện: KS Trần Lê Trung Chánh 8.1. MỤC ĐÍCH Giúp sinh viên nắm được nguyên tắc hoạt động và một số ứng dụng của bộ biến tần dùng nghịch lưu áp. 8.2. SƠ LƯỢC VỀ LÝ THUYẾT BIẾN TẦN Biến tần dùng để chuyển đổi điện áp hoặc dòng điện xoay chiều ở đầu vào từ một tần số này thành điện áp hoặc dòng điện có một tần số khác ở đầu ra. Biến tần được dùng để điều khiển vận tốc động cơ xoay chiều theo phương pháp điều khiển tần số, theo đó tần số của lưới nguồn sẽ đổi thành tần số biến thiên. Ngoài việc thay đổi tần số còn có sự thay đổi tổng số pha. Từ nguồn lưới 1 pha, thông qua biến tần ta có thể mắc tải là một động cơ ba pha. Bộ biến tần còn được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật nhiệt điện, chẳng hạn như cung cấp năng lượng cho lò cảm ứng. 8.2.1. Phân loại - Phân loại dựa vào tổng số pha ta có: biến tần 1 pha, 3 pha, m pha - Phân loại dựa vào cấu trúc mạch điện và nguyên tắc hoạt động ta có: biến tần gián tiếp dùng nghịch lưu áp, biến tần gián tiếp dùng nghịch lưu dòng và biến tần trực tiếp. Trong bài này ta sẽ khảo sát biến tần gián tiếp dùng nghịch lưu áp. Biến tần trực tiếp sẽ được thực hiện trong bài 9. 8.2.2. Cấu tạo:  (Xem sơ đồ nguyên lý hình 8.1) Biến tần gián tiếp gồm có: - Bộ chỉnh lưu : Có chức năng chỉnh điện áp xoay chiều với tần số cố định ở ngõ vào. Bộ chỉnh lưu có nhiều dạng: mạch tia, mạch cầu, 1 pha hoặc 3 pha - Mạch trung gian một chiều : gồm cuộn cảm Lf và tụ Cf dùng để làm phẳng điện áp được chỉnh lưu, tạo ra một nguồn áp cung cấp cho bộ nghịch lưu. - Bộ nghịch lưu: có thể là 1 pha hoặc 3 pha. Quá trình chuyển mạch của bộ nghịch lưu áp thường là quá trình chuyển đổi cưỡng bức. Bộ nghịch lưu có chức năng biến nguồn điện một chiều đã được chỉnh lưu thành nguồn điện xoay chiều mà tần số có thể điều chỉnh được - Mạch tạo xung kích để điều khiển nghịch lưu áp: Các bộ nghịch lưu áp thường được điều khiển theo kỹ thuật điều chế xung (PWM: Pulse With Modulation) và qui tắc kích đóng đối nghịch Mạch chỉnh lưu  Mạch nghịch lưu f1 ~ - Id1 Lf Cf Id2 f1 - Ud2 ~ Hình 8.1 Mạch tạo xung kích a. Bộ chỉnh lưu và mạch trung gian một chiều: Chỉnh lưu bán kỳ không điều khiển (hình 8.2) .01ìF/400V Pha • • • AC110/50Hz • Lf • 330ìF/400V •  Pha • Pha • Dây trung hòa •  Lf • 330ìF/400V • (a) (b) Hình 8.2: (a) 1 pha (b) 3 pha Trong bài thí nghiệm này ta sử dụng nguồn điện 1 pha. b. Bộ nghịch lưu áp ƒ Bộ nghịch lưu áp 1 pha: Bộ nghịch lưu áp dùng BJT mắc theo dạng mạch cầu (Hình 8.3.a) có 4 công tắc (BJT) và 4 diode mắc đối song. Xung kích được đưa vào điều khiển bộ nghịch lưu được cách ly bằng biến thế. • +280VDC 10 10 C2939 1N5408 1N5408 C2939 • • 10 C2939 10 1N5408 1N5408 C2939 • - • • • Tải (a) S1, S2 S3, S4 Utả + -  (b) Hình 8.3 (a) Bộ nghịch lưu áp 1 pha. (b) Giản đồ kích đóng các công tắc và đồ thị áp tải. + U/2 S1 S3 S5 S1 S3 S5 + U - S4 S4 U/2  S6 S2 S6 S2 - • J1  • J2  • J3 U11 U12 U13 Hình 8.4 : Bộ nghịch lưu áp 3 pha 8.2.3. Phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp : Các bộ nghịch lưu áp thường được điều khiển dựa theo kỹ thuật điều chế độ rông xung (PWM) và qui tắc kích đóng đối nghịch. Qui tắc kích đóng đối nghịch đảm bảo dạng áp tải được điều khiển tuân theo giản đồ kích công tắc và kỹ thuật điều chế độ rộng xung có tác dụng hạn chế tối đa các ảnh hưởng bất lợi của sóng hài bậc cao xuất hiện ở phía tải. Dựa vào phương pháp thiết lập giản đồ kích đóng các công tắc trong bộ nghịch lưu áp, ta có thể phân biệt các dạng điều chế độ rộng xung khác nhau như sau. a. Phương pháp điều chế độ rộng sin (sin PWM) Giản đồ kích đóng công tắc bộ nghịch lưu dựa trên cở sở so sánh 2 tín hiệu cơ bản : sóng điều chế tần số cao và sóng điều khiển dạng sin. Sóng điều chế có thể ở dạng tam giác. Sóng điều khiển mang thông tin về độ lớn trị hiệu dụng và tần số sóng hài cơ bản của điện áp ở ngõ ra. Trong trường hợp bộ nghịch lưu áp 3 pha, 3 sóng điều khiển của 3 pha phải tạo lệch nhau 1/3 chu kỳ của nó. b. Phương pháp điều chế độ rộng xung vuông (Square PWM) Sóng điều khiển có dạng chữ nhật, có chu kỳ không đổi trong mổi nữa chu kỳ. c. Phương pháp điều chế độ rộng xung tối ưu (Optimum PWM) Ảnh hưởng của một số sóng hài bật thấp chứa trong điệnn áp ra có thể được khử bỏ bằng phương pháp điều chế độ rộng xung tối ưu. Giản đồ kích đóng các công tắc được thiết lập trên cơ sở phân tích hàm tối ưu theo các biến là góc kích đóng các linh kiện. d. Phương pháp điều chế theo dòng điện Giản đồ kích đóng các công tắc được xác định trên cơ sở so sánh dòng điện yêu cầu của tải và dòng điện đo được. e. Phương pháp điều rộng Còn gọi là phương pháp điều chế độ rộng xung đơn, là trường hợp đặt biệt của phương pháp điều chế độ rộng xung. Trong mổi nữa chu kỳ, áp ra chỉ có một xung điện áp. Độ lớn điện áp cho tải được điều khiển bằng cách thay đổi độ rộng xung điện áp. Phương pháp này chỉ áp dụng điều khiển bộ nghịch lưu áp 1 pha. f. Phương pháp điều khiển theo biên độ Gọi tắc là phương pháp điều biên. Phương pháp này đồi hỏi điện áp nguồn điều khiển được. Các công tắc trong cặp công tắc cùng pha được kích đóng với thời gian bằng nhau và bằng một nữa chu kỳ áp ra. Bộ nghịch lưu áp ba pha điều khiển theo biên độ còn gọi là bộ nghịch lưu 6 bước (six-step voltage inverter) Trong bài này sử dụng vi điều khiển 89C51 để tạo xung điều khiển, nó được lập trình cung cấp 3 tín hiệu điều khiển lệch pha 1200 ở 3 port P3.0, P3.1 và P3.2 và có thể chọn một trong 3 tần số 40Hz, 50Hz, 100Hz cho dòng điện ra trên tải. Sơ đồ chi tiết của bộ biến tần trong bài thí này được được in kèm theo board mạch thí nghiệm. 8.2.4. Giới thiệu về biên tần SIEMENS G110 a. Giới thiệu chung - Sinamics G110 là biến tần cho phép thay đổi tần số như mong muốn để điều khiển động cơ AC 3 pha. Hiện dòng sản phẩm có nhiều model với công suất từ 120W đến 3KW. Model sử dụng trong bài thí nghiệm có công suất 2.2KW. - Biến tần G110 là một hệ vi xử lý và điều khiển dùng công nghệ IGBT ( Isolated Gate Bipolar Transistor). Sản phẩm có độ tin cậy cao và linh hoạt trong các ứng dụng. Việc sử dụng phương pháp biến điệu độ rộng xung đặc biệt, với tần số xung có thể lựa chọn cho phép motor hoat động thật yên tĩnh và nhẹ nhàng. Bên cạnh đó, với các tính năng bảo vệ toàn diện giúp bảo vệ an toàn cho chính biến tần G110 và motor kết nối khi sử dụng. - G110 có thể sử dụng theo hai phương thức điều khiển: + Điều khiển Analog – dùng mạch tương tự kết nối với các ngõ vào của G110. + Điều khiển USS – dùng chuẩn RS485. b. Sơ lược cấu tạo.  L1,L2/N BOP DIN10 U,V,W,PE Hình 8.5: Hình dạng biến tần G110 - G110 với góc nhìn từ đỉnh (Hình 8. + L1, L2: nối với nguồn điện 220 + PE (Protect Circuit): thường đượ mass của biến tần G110. 6). V. c nối với sử dụng u. pha. + Led: dùng để hiện thị giúp người biết được trạng thái của G110. + DC+, DC-: ngõ ra điện thế 1 chiề + U, V, W: Kết nối với động cơ 3 + DIN 10: Các ngõ vào của G110.  DIN10 Hình 8.6 - Sơ đồ khối của G110 (Hình 8.7): c. Sử dụng Hình 8.7 G110 có thể điều khiển động cơ bằng nhiều cách: + Thông qua các DIP trên G110 + Keypad + PC (mode USS). - Để điều khiển hoạt động của G110, người điều khiển phải nhập vào các tham số (Parameter). G110 sẽ lấy giá trị các tham số này, tính toán và thực hiện điều khiển tương ứng ở ngõ ra. Các tham số điều khiển: - P0003: Cấp độ truy nhập các thông số. 1: Standard. 2: Extended. 3: Expert 4: Reserved - P0010: Cài đặt chế độ chấp hành cho G110. 0: Ready 1: Quick Commissioning. 2: Inverter. 29: Download 30: Factory setting - P0100: Europe / North America. 0: kw/50hz. 1: Hp/60hz. 2: kw/60hz. - P0700: Chọn bộ điều khiển: 1: BOP (Basic Operation Panel) 2: Terminal / Digital input 3: USS Interface Tên Chức năng P0304 Điện thế định mức của động cơ P0305 Dòng điện định mức của động cơ P0307 Công suất định mức của động cơ P0308 Hệ số công suất P0310 Tần số hoạt động P0311 Số vòng quay trong 1 phút P0335 Chọn chế độ làm mát cho motor P0640 Tham số về dòng quá tải cho phép P1000 Lựa chọn tần số đặt trước P1080 Tần số nhỏ nhất P1082 Tần số lớn nhất P1120 Thời gian tăng đến tần số lớn nhất P1121 Thời gian giảm từ tần số lớn nhất về 0 P1300 Chọn chế độ điều khiển P3900 Chọn kết thúc Quick Commissioning Sử dụng BOP để truy nhập vào các tham số tương đối đơn giản: 1. Nhấn để vào chọn các tham số. 2. Nhấn đến khi tham số cần hiệu chỉnh hiển thị trên màn hình. 3. Nhấn để hiển thị giá trị hiện tại của tham số. 4. Nhấn hoặc để chọn giá trị cần thiết lập. 5. Nhấn để chấp nhận giá trị vừa thay đổi. 6. Lặp lại từ bước 2 cho các thông số kế tiếp. 8.3. CÂU HỎI VÀ THỰC HÀNH A. Câu hỏi lý thuyết 1. Công suất của một dòng điện hình sin phụ thuộc vào tần số của nó như thế nào? 2. Tốc độ quay của một motor AC thay đổi theo tần số của nguồn cấp điện như thế nào? 3. Từ sơ đồ mạch hãy cho biết các xung điều khiển S1, S2, S3, S4, S5, S6 lệch pha nhau như thế nào ? 4. Bộ biến tần gián tiếp dùng nghịch lưu áp khác với biến tần gián tiếp dùng nghịch lưu dòng ở điểm nào? B. Phần thực hành trên bộ biến tần dùng BJT công suất và mạch tạo xung kích dùng vi điều khiển 89C51. 1. Mắc tải R(bóng đèn) vào mạch biến tần theo kiểu Y (đấu hình sao): a. Chọn tần số 40Hz, dùng oscilloscope xem và vẽ lại dạng sóng xung điều khiển S1 ( tại JH1), S3 (tại JH9) và S5 (tại JH4) từ đó cho biết phương pháp điều khiển là phương pháp gì? b. Thay đổi tần số (theo trình tự như sau: ngắt điện nguồn, ấn nút xả điện X, mở nguồn điện lại, ấn nút chọn tần) đo điện áp hiệu dụng trên tải (trên một pha xác định). Lập bảng : Tần số (Hz) 40Hz 50Hz 100Hz Vtải(V) Ptải= V2tải/R Cho nhận xét về sự phụ thuộc của công suất vào tần số. c. Dùng oscilloscope xem và vẽ lại dạng sóng điện áp ra trên tải trên một pha xác định (chú ý : dùng dây lấy tín hiệu cho oscilloscope có mạch giảm áp) , nhận xét. 2. Mắc tải R_L vào mạch biến tần theo kiểu Y, chọn tần số 40Hz, dùng Oscilloscope xem và vẽ lại dạng sóng điện áp trên tải (trên một pha xác định) 3. Thay tải R_L bằng motor 3 pha, thay đổi tần số và quan sát tốc độ quay của motor. Suy ra sự phụ thuộc của tốc độ quay vào tần số của nguồn điện cấp cho motor. Lúc khởi động motor, nguồn cấp điện cho motor có tần số thấp hay cao? Tại sao? C. Phần thực hành trên bộ biến tần Siemens G110. 1. Điều khiển G110 từ các DIN Điều khiển tốc độ và chiều quay động cơ từ mạch điện kết nối từ bên ngoài: - Cài đặt các tham số: + P0700=2 + P1000=2 - Tác động lên các SW ta sẽ điều khiển on/off và chiều quay của động cơ. Thay đổi tần số bằng cách điều chỉnh biến trở. * Sau khi motor hoạt động, nhấn giữ phím trong khoảng 2s để xem các thông số của tải đang hoạt động: điện thế, tần số, dòng diện. Yêu cầu: Lập bảng thống kê sau: Tần số 0 20 30 40 50 Điện áp Cho nhận xét về mối quan hệ giữa điện áp ngõ ra, tốc độ động cơ với tần số được điều chỉnh. 2. Điều khiển G110 từ BOP Thực hiện cài đặt các thông số cho biến tần như sau: P0003=1 // Cấp độ truy cập các tham số P0010=1 P0100=0 P0304=220V P0305=2.00A P0307=0.75kw P0310=50Hz P0311=1390 P0700=1 P1000=1Æ chọn tần số setpoint từ MOP P1080=0 Hz P1082=50 Hz P1120=10 P1121=10 P3900=1 : Khởi động motor ( ON) Æ Motor chạy với tần số 5Hz. : Dừng Motor (OFF). : Đảo chiều quay Motor. : Nhấn giữ Motor sẽ tăng dần đến tần số đã đặt.( P1058 )Æ tần số hoạt động motor tăng dần đến 5Hz. - Vẫn giữ các thông số về motor trên nhưng ta thay đổi thêm một số tham số: P0003=3 P0010=0 P1040=30 Æ thay đổi tần số MOP. P1058 = 20 Æ thay đổi tần số JOG. Thực hiện cài đặt lại 3 tham số: P0700=1 P0719=0 P1000=1 : Khởi động motor ( ON) Æ Motor chạy với tần số 30Hz. : Dừng Motor (OFF). : Đảo chiều quay Motor. : Nhấn giữ Motor sẽ tăng dần đến tần số đã đặt.( P1058 )Æ tần số hoạt động motor tăng dần đến 20Hz. - Nhấn giữ trong khoảng 2-3s, sau đó nhấn tiếp từng lần để xem các thông số hoạt động của motor. Muốn trở về mode các tham số thì ấn giữ trong khoảng 2-3s. Yêu cầu: - Cho nhận xét về hoạt động của động cơ, khi ta thay đổi tần số MOP và JOP. - Cho biết ý nghĩa của 2 tham số MOP và JOP. 8.4. THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 1. Bộ biến tần dùng BJT và mạch kích dùng vi điều khiển 89C51. 2. Bộ biến tần Siemens G110. 3. 01 Osciloocope 4. 3 tải R_L 5. 01 VOM ( hoặc Ampere kiềm) 6. 01 motor 3 pha 8.5. TÀI LIỆU THAM KHẢO: [1]. Giáo trình THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT – Bộ Môn Viễn Thông & Kỹ thuật Điều khiển - Khoa công Nghệ Thông Tin & Truyền thông – ĐHCT - 2001. [2]. Các bài giảng và giáo trình ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT – Bộ Môn Viễn Thông & Kỹ thuật Điều khiển - Khoa công Nghệ Thông Tin & Truyền thông – ĐHCT. [3]. NGUYỄN VĂN NHỜ - GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT I – NXB Đại học Quốc gia TP HCM – 2002. [4]. TRƯƠNG VĂN TÁM - MẠCH ĐIỆN TỬ – Giáo trình – Bộ Môn Viễn Thông & Kỹ thuật Điều khiển - Khoa công Nghệ Thông Tin & Truyền thông – ĐHCT – 2001. [5]. CYRIL W. LANDER – POWERS ELETRONICS –McGraw-Hill, London – 1987. [6]. Zainal Salam – POWER ELECTRONICS AND DRIVES – Version 3 – UTM.JB – 2003 [7]. [8]. Tài liệu kèm theo thiết bị biến tần Siemens G110. BÀI 9: BIẾN TẦN TRỰC TIẾP Tham gia thực hiện: ThS. Trần Thanh Hùng - 2001 9.1. MỤC ĐÍCH Bộ biến tần trực tiếp (cycloconverter) tạo ra điện áp xoay chiều ở ngõ ra với trị hiệu dụng và tần số điều khiển được, trị hiệu dụng và tần số điện áp ngõ ra luôn nhỏ hơn hiệu dụng và tần số của điện áp nguồn. Bộ biến tần loại này được ứng dụng trong điều khiển truyền động động cơ điện xoay chiều. Bài thí nghiệm này khảo sát biến tần trực tiếp với nguồn điện xoay chiều một