TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử B ÀI 2: CÁC BỘ BIẾN ĐỔI TĨNH CHUYỂN MẠCH TỰ ĐỘNG MỤC LỤC 1. Tổng quan bài thực hành hành. Hoạt động ở một góc phần tư .Quá trình quá độ dòng điện và điện áp ra của bộ điều khiển băm xung DC.Ghi lại các đặc tính điều khiển. Phân tích ảnh hưởng của phần tử free-wheeling.
Phân tích các thành phần điện áp AC và DC, dòng điện và công suất. Phân tích điều khiển bán dẫn .Hoạt động ở nhiều góc phần tư .Quá trình quá độ dòng điện và điện áp của bộ điều khiển băm xung DC .Ghi các đặc tính điều khiển .Phân tích các thành phần AC và DC của điện áp, dòng điện và công suất .Phân tích quá trình điều khiển bán dẫn. 66 1 TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử Mục đích thí nghiệm Quen thuộc với nguyên lý làm việc của bộ điều khiển băm xung DC, hoạt động ở 1 và nhiều góc phần tư, với các loại tải khác nhau. Phân tích vai trò của thyristor trong các quá trình dẫn của dòng điện, trong các chế độ hoạt động khác nhau và các khoảng thời gian khác nhau.
Nhận biết được trình tự quá trình chuyển mạch và điều khiển các thyristor ở trong các mạch điều khiển băm xung xu ng DC. • Phân tích các quá trình quá độ của dòng điện và điện áp đầu ra. • Đánh giá sự biến thiên của điện áp trong t rong các góc phần tư. • Nghiên cứu ảnh hưởng hưởng của tải điện cảm và tần số xung.
• Xác định quy tắc liên quan đến đ ến các thành phần như dòng điện, điện ápvà công suất. • Nghiên cứu và đánh đánh giá giá trị đỉnh-đỉnh đỉnh-đỉnh. • Quá trình nghiên cứu dựa trên các nguyên lý cơ bản của mạch nghịch lưu. 2 TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử 1.
Tổng quan bài thực hành Truyền động một góc phần tư Quá trình quá độ của điện áp và dòng điện đầu ra bộ điều khiển băm xun ungg DC o Ghi lại quá trình quá độ của điện áp và dòng điện đầu ra với tải điện trở. o Ghi lại quá trình quá độ của điện áp và dòng điện đầu ra với tải hỗn hợp. Ghi lại các đặc tính điều kh khiể iểnn 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.
Phân tích ảnh hưởng của phần tử free-w ee-whheeli eelinng (phục hồi) o Xác định quá trình quá độ của dòng điện theo tải điện cảm. o Xác định quá trình quá độ của dòng điện theo tần số xung. Phân tích các thành thành phần điện áp AC và DC, dòng điện, công suất. o Phân tích quá trình quá độ của dòng điện và điện áp.
o Xác định hệ số định dạng. o Hoàn tất biểu đồ vector công suất. Phân tích điều khiển bán dẫn o Phân tích dòng điện trong các van bán dẫn với v ới tải điện trở. o Phân tích dòng điện trong các van bán dẫn với v ới tải R-L.
o Phân tích dòng điện trong các van bán dẫn với tải R-L ở tần số xung cao. Hoạt động ở nhiều góc phần tư Quá trình quá độ của điện áp và dòng điện đầu ra bộ điều khiển băm xun ungg o Ghi quá trình quá độ của điện áp và dòng điện đầu ra v với ới tải hỗn hợp. o Ghi đáp ứn của điện áp và dòng điện đầu ra với tải hỗn hợp và điện áp ngược. o Xác định giá trị đỉnh-đỉnh của dòng điện.
Ghi lại các đặc tính điều kh khiể iểnn 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. 3 TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử Phân tích các thành thành phần điện áp AC và DC, dòng điện, công suất o Phân tích quá trình quá độ của dòng điện và v à điện áp. o Xác định hệ số biến đổi.
o Hoàn tất biểu đồ vector công suất. Phân tích điều khiển bán dẫn o Phân tích dòng điện trong các van bán dẫn với tải R-L và điện áp đầu ra dương. o Phân tích dòng điện trong các van bán dẫn với tải R-L và điện áp đầu ra âm. o Phân tích dòng điện trong các van bán dẫn với tải R-L ở tần số xung cao.
Giới thiệu lý thu huyyết Các bộ biến đổi tĩnh chuyển mạch tự động được sử dụng như các bộ điều khiển băm xung DC và các bộ biến đổi trung gian. Các bộ biến đổi này thường được sử dụng trong truyền động điện DC và ba pha, cũng như trong các khối cấp nguồn dự phòng khẩn cấp. Các bộ nghịch lưu chuyển mạch tự động được cấu trúc bởi transistor, thyristor, nó có đặc trưng là các chuyển mạch bán dẫn có thể được mở hoặc khoá ở bất kì thời điểm nào. Do đó, xung điện áp một chiều DC, giá g iá trị điện áp DC trung bình Um2 trên tải có thể được là phẳng ( hình 1) Hình 1: Điện áp và dòng điện trên tải R-L 4 TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử Các phần tử sau thường được sử s ử dụng: • Transistor hiệu ứng trường MOSFET • Transistor lưỡng cực có cực cửa cách ly IGBT • GTO, Thyristor, diode Đối với các bộ biến đổi tĩnh chuyển mạch tự động: Các bộ biến đổi DC và nghịch lưu làm các nhiệm vụ sau: Hình 2: Các kiểu cơ bản của bộ biến đổi tĩnh Tuỳ thuộc vào dòng chảy năng lượng, mà quá trình chuyển đổi có thể diễn ra giữa hệ thống một chiều DC và hệ thống xoay chiều AC.
Ở trong các bài thực hành đi kèm tài liệu này thì các mạch điều khiển băm xung DC sẽ được nghiên cứu. Các mạch thông thường của bộ điều khiển băm xung DC là kết hợp của IGBT đơn (hình 3) và 4 IGBT (hình 4). Gồm có phần nguồn DC đầu vào và phần thực hiện nhiệm vụ chuyển đổi nguồn nguồn DC ( chuyển đổi điện áp DC cố định thành điện áp một chiều DC thay đổi theo thời gian). 5 TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử Hình 3: Bộ điều khiển xung áp DC ( một góc phần tư ) Hình 4: Bộ điều khiển băm xung 4 góc phần tư ( 4 IGBT ) Các phương pháp sau thường được sử dụng để thay đổi điện áp một chiều DC: • Điều chế độ rộng xung ( chu kì T không đổi, độ rộng xung T E thay đổi ) • Điều khiển tần số xung (độ rộng xung T E không đổi, tần số hoặc chu kì T thay đổi ).
• Điều khiển dòng điện hai vị trí ( giữ khoảng khoảng cách đỉnh-đỉnh dòng dòng điện không đổi ) 6 TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử Các bộ biến đổi tĩnh chuyển mạch tự động hiện đại thường được điều khiển bởi phương ph ương pháp điều chế độ rộng xung ( pulse width modulation - PWM), dễ dàng tạo ra các mẫu xung khác nhau. Điện áp ở trên mạch tải, tương ứng với hình 3, được xác định bởi biểu thức sau: Hoạt động ở 1 góc phần tư: = = (1(1)) Hoạt động ở 4 góc phần tư: = 22 − 1 = 22 − 1 (2) Tỷ thể số TE/T được được biểu diễngọi là hệ dưới số điền dạng phầnxung, trăm. nó có giá trị nằm trong dải từ 0÷1 và cũng có Với tải cố định, quá trình tăng và giảm của dòng điện được đặc trưng bởi quy luật hàm mũ. Tuy nhiên, nếu quá trình là phẳng được thực hiện hoặc tần số xung cao hơn, thì sau đó dòng điện sẽs ẽ có dạng tam giác (hình 1).
Khoảng cách đỉnh-đỉnh của dòng điện, ∆i có thể được tính theo biểu thức 3: ∆2 = 2 1 − (3) α = 0.5 đối với hoạt động ở 1 góc phần tư α = 1 đối với hoạt động ở 4 góc phần tư Mạch 4 IGBT (hình 4) cho phép điện áp, dòng điện, cũng như dòng chảy của năng lượng theo hai hướng. Công suất được nhận từ nguồn và được tiêu thụ bởi tải trong trường hợp tổn hao trên tải bằng b ằng 0, được tính bởi: Đối với hoạt động ở 1 góc phần ph ần tư = (4) 7 TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử Đối với hoạt động ở 4 góc phần tư = 2 − 1 () Cấu trúc bộ biến đổi tĩnh chuyển mạch tự động ở trong hình 5, có bổ xung thêm chuyển đổi nối DC và đảo với tải R-L,chiều. năng Vấn lượngđềcócầnthểquan đượctâm ở đây nhận là bộ biến từ nguồn thôngđổiqua tĩnhbộ4-biến IGBTđổiđược tĩnh hoặc được trả ngược trở lại nguồn lưới. Các chế độ hoạt động của mạch điều khiển băm xung DC, các đặc trưng của nó được nghiên cứu đầy đủ thông qua các IGBT và diode.
• Hoạt động ở một góc phần tư với tải R-L Thiết kế bộ điều khiển một góc phần tư được biểu diễn ở trong hình 5 Hình 5: Bộ điều khiển băm xung- hoạt động một góc phần tư với tải R-L Ở trong góc phần tư thứ nhất, bộ điều khiển chỉ cho phép dòng năng lượng chảy qua tải khi cả điện áp và dòng điện là dương. Ở trạng thái khoá, năng lượng chảy qua đường free-wheeling (phục hồi) nhờ D2. • Hoạt động nhiều góc phần tư với tải R-L Ở trong góc phần tư thứ nhất đối với công suất dương, dòng năng lượng chảy qua tải xuất hiện theo đường kết hợp của V4 và V1 ( hình 6) hoặc V2 và V3. Quá trình đảo chiều theo hướng năng lượng là không thể thực hiện khi cả dòng điện và điện áp cùng đảo chiều ( vì vẫn tạo ra công suất dương).
Ở trong góc phần tư thứ nhất, quá trình free-wheeling (phục hồi) được thực hiện theo đường V1,D3 và V4,D2; còn ở 8 TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử trong góc phần tư thứ ba là theo đường V3,D1 V3 ,D1 và V2,D4. Hình 6: Bộ điều khiển băm xung DC- hoạt động ở nhiều góc phần tư với tải R-L Nếu mạch tải có chứa nguồn năng lượng ( như ắc quy hoặc khi động cơ được phanh), thì có thể xuất hiện dòng ngược chạy theo đường D1,D4 ( hoạt động ở góc phần tư thứ hai ) hoặc D2,D3 (ở góc phần tư t ư thứ 4), và năng lượng được trả lại nguồn. Năng lượng này cũng chỉ ch ỉ có thể xuất hiện với điện áp nhỏ nếu cuộn cảm làm nhiệm vụ tích trữ năng lượng trung gian.