ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ỨNG DỤNG Thi nghiem bo bien doi cong suat mot chieu (1) (1)

Hướng dẫn thí nghiệm Cơ Sở Điện Tử Cơng Suất

BÀI 2: THÍ NGHIỆM BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU
I.
Mục đích
Trong bài này, sinh viên sẽ khảo sát hoạt động các bộ tăng áp và giảm áp với tải R.
Mục tiêu sau khi thí nghiệm bộ biến đổi điện áp một chiều
 Nắm vững chức năng, ứng dụng, phân loại, sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi điện áp một
chiều.
 Phân tích hoạt động của các bộ biến đổi điện áp một chiều theo thông số điều khiển.
 Xây dựng các giản đồ áp và dòng tải, linh kiện, biến đổi điện áp một chiều theo thông
số điều khiển.
 Phân tích, so sánh và đánh giá các dạng sóng áp và dịng.
 Tính tốn trị trung bình.
 Có khả năng tính tốn, định mức linh kiện khóa cơng suất cho các bộ biến đổi điện áp
một chiều.
II.
Cơ sở lý thuyết
1. Lý thuyết [1], [2].
a. Chức năng của bộ biến đổi điện áp một chiều:
Bộ biến đổi điện áp một chiều dung để điều khiển trị trung bình điện áp một chiều ở
ngõ ra từ một nguồn điện áp một chiều không đổi. Bộ biến đổi điện áp một chiều dùng làm
nguồn điện áp cấp cho truyền động điện động cơ một chiều (bộ giảm áp) cũng như thu hồi
năng lương từ động cơ trong quá trình hãm tái sinh (bộ tăng áp), làm bộ phận nguồn cho
bộ biến tần áp, bộ biến tần dịng điện.
b. Phân tích hoạt động bộ giảm áp

Phịng thí nghiệm Điện Cơng Nghiệp 002H6

Page | 1

Hướng dẫn thí nghiệm Cơ Sở Điện Tử Cơng Suất
Hình 1.1 sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp
Sơ đồ nguyên lý của mạch giảm áp được cho ở hình 1.1 bao gồm nguồn một chiều, IGBT,
Diode, tu điện, cuộn dây và tải R.
Giả thuyết:
 Mạch làm việc ở trạng thái xác lập
 Dịng qua cuộn kháng liên tục ln dương
 Tụ điện rất lớn, điện áp ngõ ra không đổi và có giá trị Vo
 Chu kỳ đóng cắt T, thời gian đóng DT, thời gian ngắt (1-D)T
Trạng thái đóng S
Mạch được khép kín, dịng điện chạy từ nguồn U qua khóa S đến cuộn cảm L, tụ điện C và
tải R trước khi về nguồn.
Điện áp trên cuộn dây L được xác định như sau:
(1.1)

DT

(1.2)
Láy tích phân hai vế (1.2) ta suy ra độ thay đổi của dòng điện qua cuộn dây trong thời gian

(1.3)

Trạng thái ngắt S
Khi khóa S ngắt, nguồn U được tách ra khỏi tải. Do dịng qua cuộn L khơng thể tắt đột ngột
nên dịng tiếp tục đi theo chiều củ và được khép kín bằng diode
Điện áp trên cuộn dây L được xác định như sau:

.

(1.4)
(1.5)
Láy tích phân hai vế (1.5) ta suy ra độ thay đổi của dịng điện trong thời gian (1-D)T
(1.6)
Vì dòng điện qua cuộn cảm L thay đổi theo chu kỳ khi mạch ở trạng thái xác lập nên
(1.7)
(1.8)
Phịng thí nghiệm Điện Công Nghiệp 002H6

Page | 2


Hướng dẫn thí nghiệm Cơ Sở Điện Tử Cơng Suất
Vậy

(1.9)

c. Phân tích hoạt động bộ tăng áp

Hình 1.2 bộ tăng áp
Sơ đồ nguyên lý của mạch tăng áp được cho ở hình 1.2 bao gồm nguồn một chiều,
IGBT, Diode, cuộn dây L, tụ C và tải R.
Giả thuyết
 Mạch làm việc ở trạng thái xác lập
 Dòng qua cuộn khang liên tục luôn dương
 Tụ điện rất lớn, điện áp ngõ ra khơng đổi và có giá trị Vo
 Chu kỳ đóng cắt T, thời gian đóng DT, thời gian ngắt (1-D)T
Trạng thái đóng S
Dịng điện từ nguồn qua cuộn dây, qua khóa IGBT và về nguồn
Điện áp trên cuộn dây L được xác định như sau:

(1.10)

DT

(1.11)
Láy tích phân hai vế (1.11) ta suy ra độ thay đổi của dòng điện qua cuộn dây trong thời gian

Phịng thí nghiệm Điện Công Nghiệp 002H6

Page | 3


Hướng dẫn thí nghiệm Cơ Sở Điện Tử Cơng Suất

(1.12)
Trạng thái ngắt S
Khi khóa S ngắt, dịng điện đi qua cuộn cảm L đến diode, qua tải và về lại nguồn.
Điện áp trên cuộn dây L được xác định như sau:
(1.13)
(1.14)
Láy tích phân hai vế (1.14) ta suy ra độ thay đổi của dòng điện qua cuộn dây trong thời gian
(1-D)T
(1.15)
Vì dịng điện qua cuộn cảm L thay đổi theo chu kỳ khi mạch ở trạng thái xác lập nên
(1.16)
(1.17)
Vậy

(1.18)

d. Phân tích hoạt động bộ đảo dịng

Phịng thí nghiệm Điện Công Nghiệp 002H6

Page | 4


Hướng dẫn thí nghiệm Cơ Sở Điện Tử Cơng Suất

Hình 1.3 bộ đảo dịng
Trị trung bình điện áp trên tải
(1.19)
Các khố S1 v à S2 được kích đóng đối nghịch nhau. điện áp trên tải ln dương và có giá trị từ
+U đến 0. Nếu trong mạch có nguồn E, bằng cách thay đổi tỉ số làm việc của các khoá S1 và S2,
ta sẽ điều khiển được chiều của dịng điện.
e. Phân tích hoạt động bộ đảo áp

Phịng thí nghiệm Điện Công Nghiệp 002H6

Page | 5


Hướng dẫn thí nghiệm Cơ Sở Điện Tử Cơng Suất

Hình 1.3 bộ đảo áp
Trị trung bình điện áp trên tải
(1.20)
Các khố S1 v à S2 được kích đóng đối nghịch nhau. điện áp trên tải ln dương và có giá trị từ
+U đến 0. Nếu trong mạch có nguồn E, bằng cách thay đổi tỉ số làm việc của các khoá S1 và S2
và đảo chiều đấu dây qua tải ta sẽ điều khiển được chiều công suất.

2. Kết quả mô phỏng
Bộ Giảm áp
Thông số mô phỏng: điện áp nguồn 30V , L=100uH, tải R = 10Ω

Phịng thí nghiệm Điện Công Nghiệp 002H6

Page | 6


Hướng dẫn thí nghiệm Cơ Sở Điện Tử Cơng Suất

Hình 1.3 dịng điện qua cuộn L và xung đóng cắt của khóa khi f=20kHz, D=0.5

Hình 1.4 dịng điện qua cuộn L và xung đóng cắt của khóa khi f=50kHz, D=0.5

Phịng thí nghiệm Điện Cơng Nghiệp 002H6

Page | 7


Hướng dẫn thí nghiệm Cơ Sở Điện Tử Cơng Suất

Hình 1.5 dịng điện qua cuộn L và xung đóng cắt của khóa khi f=50kHz, D=0.75
Bộ tăng áp
Thơng số mơ phỏng: điện áp nguồn 30V , L=100uH, tải R = 20Ω

Hình 1.6 dịng điện qua cuộn L và xung đóng cắt của khóa khi f=20kHz, D=0.2

Phịng thí nghiệm Điện Cơng Nghiệp 002H6

Page | 8


Hướng dẫn thí nghiệm Cơ Sở Điện Tử Cơng Suất

Hình 1.7 dịng điện qua cuộn L và xung đóng cắt của khóa khi f=50kHz, D=0.2

Hình 1.8 dịng điện qua cuộn L và xung đóng cắt của khóa khi f=50kHz, D=0.5
Bộ đảo dịng
Thơng số mơ phỏng: điện áp nguồn 30V

Phịng thí nghiệm Điện Công Nghiệp 002H6

Page | 9


Hướng dẫn thí nghiệm Cơ Sở Điện Tử Cơng Suất

Hình 1.9 xung đóng cắt của khóa , dịng điện, điện áp trên tải khi f=20kHz, D=0.5 tải
R=10ohm

Hình 1.10 xung đóng cắt của khóa, dịng điện, điện áp trên tải khi f=20kHz, D=0.5 tải
R=10ohm,L=25mH
Bộ đảo áp
Thông số mô phỏng: điện áp nguồn 30V

Phịng thí nghiệm Điện Cơng Nghiệp 002H6

Page | 10

Hướng dẫn thí nghiệm Cơ Sở Điện Tử Cơng Suất

Hình 1.11 xung đóng cắt của khóa , dịng điện, điện áp trên tải khi f=20kHz, D=0.25
tải R=10ohm, L=25mH

Hình 1.12 xung đóng cắt của khóa, dịng điện, điện áp trên tải khi f=50kHz, D=0.5 tải
R=10ohm,L=25mH

Phịng thí nghiệm Điện Cơng Nghiệp 002H6

Page | 11


Hướng dẫn thí nghiệm Cơ Sở Điện Tử Cơng Suất
III.

Mơ tả thí nghiệm
Cấu trúc phần cứng của nội dung thí nghiệm chỉnh lưu gồm có:
 Nguồn một chiều 15V và nguồn một chiều DC (Hình 1.9). Trong nguồn này có
nút nhất ON- OFF và các đèn báo trạng thái của nguồn điện.
 bộ biến đổi điện áp một chiều (Hình 1.10 Bàn thí nghiệm 1,2,3).
 Bộ tải thuần trở hoặc có tải cảm kháng (Hình 1.11).
 Mạch điều khiển có nhiệm vụ tạo các tín hiệu xung để điều khiển IGBT .
 Tần số đóng cắt và tỉ lệ làm việc của khóa được điều chỉnh bằng cách vặn biến
trở Frequency và Delay angle .

Hình 1.13 Nguồn xoay chiều ba pha.

Phịng thí nghiệm Điện Cơng Nghiệp 002H6

Page | 12


Hướng dẫn thí nghiệm Cơ Sở Điện Tử Cơng Suất

Hình 1.14 Bộ giảm áp (trên) và bộ tăng áp (dưới)

Phòng thí nghiệm Điện Cơng Nghiệp 002H6

Page | 13


Hướng dẫn thí nghiệm Cơ Sở Điện Tử Cơng Suất

Hình 1.15 Bộ dc-dc chopper

Phịng thí nghiệm Điện Cơng Nghiệp 002H6

Page | 14


Hướng dẫn thí nghiệm Cơ Sở Điện Tử Cơng Suất

Hình 1.16 Tải R, L hoặc RL
Thiết bị đo gồm có:
 Dao động kí Siglent SDS 2104 hình 1.24

Hình 1.17 Dao động ký
 VOM Fluke 179 hình 1.25.

Phịng thí nghiệm Điện Công Nghiệp 002H6

Page | 15


Hướng dẫn thí nghiệm Cơ Sở Điện Tử Cơng Suất

Hình 1.18 Fluke 179

IV.

Thực hiện thí nghiệm

1. Cấp nguồn cho bộ biến đổi điện áp một chiều
- Để hoạt động được, bộ biến đổi điện áp một chiều cần được cấp hai nguồn DC
riêng biệt. Ta quy ước cực dương (+) ở phía trên và cực âm (-) ở phía dưới.
- Nguồn 15V: được dùng để cấp cho mạch điều khiển. Ta nối nguồn 15V từ module
nguồn xuống phần DC SOURCE .
- Nguồn DC ( khoản 30V): được dùng để cấp cho mạch giảm áp hoặc tăng áp. Tiến
hành nối nguồn DC trên module nguồn với đầu vào của mạch giảm áp hoặc tăng
áp.
2. Mạch giảm áp
Khép kín mạch giảm áp bằng cách nối đầu còn hở của cuộn dây với đầu cịn hở của
tụ điện sau đó nối hai đầu tụ điện ra hai cực dương và âm ở module mạch cơng
suất.
3. Mạch tăng áp
Khép kín mạch tăng áp bằng cách nối kathode của diode với đầu còn hở của tụ điện
rồi nối hai đầu tụ điện ra hai cực dương và âm ở module mạch cơng suất
Page | 16

Phịng thí nghiệm Điện Cơng Nghiệp 002H6


Hướng dẫn thí nghiệm Cơ Sở Điện Tử Cơng Suất
4. mạch đảo dòng
sinh viên chọn cặp 2 IGBT và 2 diode trên cùng một nhánh sau đó nối cực Kathode
của diode với cực C của IGBT.
Tiếp tục liên kết 2 cụm diode và IGBT lại với nhau và nối vào nguồn. Nguồn được
nối vào mạch với cực dương (+) nối vào Kathode của diode phía trên và cực câm
(-) nối nào Anode phía dưới
5. mạch đảo áp
Trên nhánh thứ nhất, sinh viên liên kết cực E của IGBT(S1) và cưc Kathode của
diode(D2) lại.
Trên nhánh thứ hai, sinh viên liên kết cực Anode của diode(D3) và cưc C của
IGBT(S4) lại.
Nối cực C của IGBT(S1) với cực Kathode của diode(3) và nối ra cực dương (+) của
nguồn , Nối cực Adode của diode(D2) với cực E của IGBT(S4) và nối ra cực âm (-)
của nguồn .
6. Kết nối tải
- Tải thuần trở: hai cực dương và âm ở module mạch công suất được nối vào 2 cực
của điện trở ở module tải. Tải thuần trở có thể điều chỉnh ở mức 10Ω hoặc 20Ω.
7. Nhấn nút nguồn ở trạng thái ON và điều chỉnh Delay Angle và Frequency
8. Kết nối thiết bị đo.
 Sử dụng dao động ký để quan sát các dạng sóng. Các dạng sóng cần quan sát:
điện áp tải, dòng tải (điện áp trên R), điện áp trên linh kiện.
-

Chỉnh Time/Div (nút bên trái cùng trong khu vực Horizontal Controlling Area hình
xx)
Chỉnh Vol/div (Trong khu vực Vertical Channel Controlling Area hình xx) về mức

2V/div
Chỉnh Probe và dao động ký ở mức 10X,
Sử dụng USB để lưu các dạng sóng (Nút Print)
 Sử dụng VOM để đo điện áp trung bình. Các giá trị cần đo: giá trị điện áp
nguồn, trị trung bình điện áp trên tải, trị trung bình dòng điện tải.
 Để quan sát điện áp trên tải hoặc trên linh kiện, gắn 2 đầu của Probe vào 2 cực
của tải hoặc linh kiện.

V.

Báo cáo kết quả thí nghiệm.
Sinh viên trình bày báo cáo thí nghiệm gồm các nội dung sau:
1. Đo đạc giá trị trung bình điện áp tải và dòng tải trong các trường hợp
D=50%, 70%, 100% ( R=10ohm) với bộ giảm áp

Phịng thí nghiệm Điện Công Nghiệp 002H6

Page | 17


Hướng dẫn thí nghiệm Cơ Sở Điện Tử Cơng Suất
D= 0%, 25%, 50% ( R=20ohm) với bộ tăng áp
D= 25%, 50%, 75% khi tải R=10ohm, tải R=10ohm, L=25mH bộ đảo dòng
D= 25%, 50%, 75% khi tải R=10ohm, tải R=10ohm, L=25mH bộ đảo áp
2. Các dạng sóng điện áp tải, dịng điện tải, điện áp trên linh kiện và dòng qua cuộn
dây.
3. So sánh kết quả thí nghiệm với kết quả mơ phỏng, kết quả lý thuyết (L đủ lớn để
dịng tải phẳng) và đưa ra nhận xét.
4. Nhận xét và các đánh giá khác liên quan đến kết quả thí nghiệm.
Lưu ý:

giáo viên cần kiểm tra:
Nguồn cấp cho mạch điều khiển (15V) và mạch động lực (30V).
Tải với bộ boost là 20ohm, với bộ buck là 10ohm.
Tài liệu tham khảo
[1] PGS TS Nguyễn Văn Nhờ, “Điện Tử Công Suất 1”, Nhà xuất bản Đại Học Quốc Gia
[2] Slide bài giảng Điện Tử Công Suất, PGS TS Lê Minh Phương, Bộ môn Cung Cấp Điện, Khoa
Điện – Điện Tử, Đại học Bách Khoa, ĐHQG TpHCM.

Phịng thí nghiệm Điện Cơng Nghiệp 002H6

Page | 18