Thí nghiệm chuyển mạch tự động

TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử
1


B ÀI 2: CÁC BỘ BIẾN ĐỔI TĨNH CHUYỂN MẠCH TỰ ĐỘNG
MỤC LỤC

1. Tổng quan bài thực
hành
3
2. Giới thiệu lý
t
hu
y
ế
t
4
3. Hoạt động ở một góc phần
t
ư
10
a.Quá
trình
quá độ dòng điện và điện áp
ra
của bộ điều
kh
i
ể
n
băm xung

D
C
11
b.Ghi lại các đặc tính điều
kh
i
ể
n
17
c. Phân tích ảnh hưởng của phần tử
f
r
ee-w
h
ee
li
n
g
20
d. Phân tích các thành phần điện áp AC và DC, dòng điện
v
à
công
s
u
ấ
t
26
e. Phân tích điều khiển bán
d

ẫ
n
38
4.Hoạt động ở nhiều góc phần
t
ư
42
a.Quá
trình
quá độ dòng điện và điện áp của bộ điều
kh
i
ể
n
băm xung
D
C
43
b.Ghi các đặc tính điều
kh
i
ể
n
52
c.Phân tích các thành phần AC và DC của điện áp, dòng
đ
i
ệ
n
và công

s
u
ấ
t
56
d.Phân tích quá
trình
điều khiển bán
d
ẫ
n
66




TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử
2


Mục đích thí
n
g
h
iệ
m


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 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 các góc phần tư.

• Nghiên cứu ảnh hưởng của tải điện cảm và tần số xung.

• Xác định quy tắc liên quan đến các thành phần như dòng điện, điện ápvà công
suất.

• Nghiên cứu và đánh giá giá trị đỉnh-đỉnh .

• Quá trình nghiên cứu dựa trên các nguyên lý cơ bản của mạch nghịch lưu.
TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử
3

1. Tổng quan bài thực
h
à
nh


Truyền
động một góc phần
t
ư

Quá
trình
quá độ của điện áp và dòng điện đầu
ra
bộ điều khiển băm x
un
g
D
C

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
iể
n

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 f
r
ee-w
h
eeli

n
g (phục
h
ồi)
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 phần điện áp AC và DC, dòng điện, công s
uấ
t.

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 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.


Hoạt động ở nhiều góc phần
t
ư

Quá
trình
quá độ của điện áp và dòng điện đầu
ra
bộ điều khiển băm x
un
g
o Ghi quá trình quá độ của điện áp và dòng điện đầu ra với 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
iể
n

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.

TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử
4



Phân tích các thành phần điện áp AC và DC, dòng điện, công s
uấ
t

o Phân tích quá trình quá độ của dòng điện và 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.

2. Giới thiệu lý
t

hu
y
ế
t

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 trị điện áp DC trung bình
U
m2
trên tải có thể được là phẳng ( hình 1)




Hình 1: Điện áp và dòng điện trên tải R-L

TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử
5


Các phần tử sau thường được sử 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 DC ( chuyển đổi điện áp DC cố định
thành điện áp một chiều DC thay đổi theo thời gian).

TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử
6



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 cách đỉnh-đỉnh dòng điện không
đổi )


TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử
7


Các bộ biến đổi tĩnh chuyển mạch tự động hiện đại thường được điều khiển bởi phương
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:














Hoạt động ở 4 góc phần tư:






















Tỷ số T
E
/T được gọi là hệ số điền xung, nó có giá trị nằm trong dải từ 0÷1 và cũng có
thể được biểu diễn dưới dạng phần trăm.
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 sẽ có dạng tam giác (hình 1). Khoảng cách đỉnh-đỉnh của
dòng điện, ∆i có thể được tính theo biểu thức 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 0, được tính bởi:

Đối với hoạt động ở 1 góc phần tư








TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử
8


Đối với hoạt động ở 4 góc phần tư
















Cấu trúc bộ biến đổi tĩnh chuyển mạch tự động ở trong hình 5, có bổ xung thêm chuyển
đổi DC và đảo chiều. Vấn đề cần quan tâm ở đây là bộ biến đổi tĩnh 4- IGBT được
nối với tải R-L, năng lượng có thể được nhận từ nguồn thông qua bộ biến đổi 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
TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử
9

trong góc phần tư thứ ba là theo đường 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 thứ 4), và năng lượng được trả lại nguồn.
Năng lượng này cũng chỉ có thể xuất hiện với điện áp nhỏ nếu cuộn cảm làm nhiệm vụ
tích trữ năng lượng trung gian. Bằng cách đổi chiều điều khiển ( V1,D3 hoặc V2,D4 ),
năng lượng trả về có thể xuất hiện theo đường D1,D4 bởi năng lượng được tích trữ trên
cuộn cảm. Ở trong góc phần tư thứ 4, năng lượng trả về có thể xuất hiện theo đường
D3,D2 bằng cách đảo điều khiển ( V3, D1 hoặc D2,V4).



TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử
10




3. Hoạt động ở một góc phần

t
ư


Giới
t
h
iệ
u

Các bộ điều khiển băm xung DC điều chế độ rộng xung được sử dụng để biến đổi
điện áp một chiều không đổi thành điện áp một chiều DC có thể thay đổi được. Nếu
điện áp một chiều DC chỉ cần biến đổi trong dải nhỏ từ 0 tới giá trị lớn nhất và
không có yêu cầu về dòng điện ngược, thì chỉ cần sử dụng bộ điều khiển một góc
phần tư ( mạch IGBT đơn ). Năng lượng trả về không thể xuất hiện ở trong mạch
này.

Các bài thực
hành

a.Quá
trình
quá độ dòng điện và điện áp
ra
của bộ điều khiển
bă
m
xung D
C

Ghi lại quá trình quá độ của dòng điện và điện áp với tải điện trở.

Ghi lại quá trình quá độ của dòng điện và điện áp với tải hỗn hợp.
b.Ghi các đặc tính điều
kh
iể
n


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 ảnh hưởng f
r
ee-w
h
eeli
n
g ( hồi ngược )

Xác định quá trình quá độ của dòng điện theo tải cảm.

Xác định quá trình quá độ của dòng điện theo tần số xung.
d.Phân tích các thành phần điện áp AC và DC, dòng điện và cô
n
g s
uấ
t

Phân tích các quá trình quá độ của dòng điện và điện áp.

Xác định hệ số biến đổi.

Hoàn tất biểu đồ vector công suất.
e. Phân tích điều khiển bán
dẫn


Phân tích dòng điện trong các phần tử bán dẫn với tải điện trở.

Phân tích dòng điện trong các phần tử bán dẫn với tải R-L.

Phân tích dòng điện trong các phần tử bán dẫn với tải R-L ở tần số xung cao
TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử
11

a.Quá
trình
quá độ dòng điện và điện áp
ra
của bộ điều
kh
i
ể
n
băm xung
D
C

•
Mục đích thí
n
g
h
iệ
m

o Trở nên quen thuộc với nguyên lý làm việc của bộ điều khiển băm
xung DC ở trong một góc phần tư, với các tải khác nhau.
o Nhận thấy rằng điện áp trung bình có thể được là phẳng.

o Hiểu được cuộn cảm góp phần là phẳng dòng điện.



•
Các bài thực
hành

o Ghi lại quá trình quá độ dòng điện và điện áp ra với tải điện trở.

o Ghi lại quá trình quá độ dòng điện và điện áp ra với tải hỗn hợp.



•
Tiến hành thí

n
g
h
iệ
m

Lắp ráp mạch như hình 1.1.6 và kết nối toàn bộ với 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. Quá trình
điều chế xung thực hiện ở tần số thấp 112Hz.


Sử dụng các cài đặt s
au
:
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 lại quá
trình
quá độ dòng điện và điện áp
ra
với tải điện
t
r
ở



Hiển thị các hàm sau theo các hệ số điền xung 25%, 50% và 75%:
o Điện áp ra (giá trị hiệu dụng): U
2

o Dòng điện ra : I
2

o Giá trị trung bình của điện áp ra: U
m2

o Giá trị trung bình của dòng điện ra: I
m2

TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử
12

Hình 1.1.1: Dáng điệu sóng dòng điện và điện áp của bộ điều khiển băm xung DC
một góc phần tư, hệ số điền xung 25%


Hình 1.1.2: Dáng điệu sóng dòng điện và điện áp của bộ điều khiển băm xung DC, hệ
số điền xung 50%.



TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử
13



Hình 1.1.3: Dáng điệu sóng dòng điện và điện áp của bộ điều khiển băm xung DC,
hệ số điền xung 75%.


Phân tích dáng điệu sóng dòng điện I
2
và điện áp U
2
ra :
Khi IGBT lật trạng thái (mở), điện áp nguồn được cấp tới đầu ra trong khoảng
thời gian T
E
, còn khi IGBT khoá thì điện áp đầu ra trên tải bằng 0. Điện áp đầu
r

a
tải
U
2
có dạng sóng chữ nhật. Dáng điệu sóng của dòng điện đầu ra có d
ạ
ng tương
tự U
2
.


Tính giá trị trung bình của điện áp DC, U
av2
và so sánh kết quả với các giá trị đo
được.


Cho U = 225 VDC, điện áp DC trung bình từ biểu thức (1) đối với các hệ số điền xung
l
à
:





















TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử
14

So sánh với kết quả thực đo được
?
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………
Tính giá trị trung bình của dòng DC, I
av2
và so sánh kết quả thu được với giá trị đo
được:
Vì









































•
Ghi lại quá
trình
quá độ dòng điện và điện áp với tải hỗn
h
ợ
p

Lặp lại bài thực hành 1, tải gồm điện trở R=810Ω cuộn cảm L=1.2H, với hệ số điền
xung 50%, sử dụng tần số xung 112Hz và 1800Hz.

Lắp ráp mạch như trong hình 1.1.6



H
ình1.1.4: Dáng điệu sóng dòng điện và điện áp của bộ điều khiển băm xung DC, hệ số
điền xung 50%, tải hỗn hợp 810Ω/1.2H, f = 112Hz
TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử
15




Hình 1.1.5: Dáng điệu sóng dòng điện và điện áp của bộ băm xung DC một góc phần
tư, tải 810Ω/1.2H, tần số xung 1800Hz

Phân tích dáng điệu sóng dòng điện I
2
và điện áp U
2
ra chỉ khi IGBT được mở thì điện
áp nguồn được cấp tới đầu ra ( trong khoảng th
ờ
i gian T
E
), do đó tạo ra điện áp U
2
dạng xung chữ nhật, dòng điện đầu ra I
2
không có dạng tương tự điện áp U
2
. Do tác
động của năng lượng tích trữ trong cuộn cảm trong suốt khoảng thời gian T
E
, làm cho
dòng điện I
2
bị trễ, và trong khoảng th
ờ
i gian khoá dòng điện I
2
cũng bị t
r
ễ.

Ảnh hưởng của tần số xung đối với quá trình quá độ của dòng điện và điện áp ?

Hai dáng điệu điện áp là tương đồng nhau. Tại tần số cao hơn, quá trình quá độ
tăng lên của điện áp trong phép đo sẽ bị giới hạn. Ở tần số xung cao hơn, thì dòng
điện có dạng tuyến tính ở trong cả hai khoảng thời gian mở và khoá của chuyển
mạch.

Tính giá trị trung bình của điện áp DC, U
m2
và so sánh kết quả với các giá trị đo
được đối với tải điện trở:
Điện áp trung bình DC được tính theo biểu thức (1):





  

 (V)

TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử
16

Giá trị trung bình của điện áp DC là không bị ảnh hưởng bởi tải hỗn hợp hoặc tần số
xung.
So sánh với kết quả đo được?
……………………………………………………………………………………………
………………………………………………

Tính giá trị trung bình của dòng điện DC, I
av2

và so sánh kết quả với các giá trị đo
được:

Vì 


















Giá trị trung bình của dòng điện đo được là như nhau đối với các tần số khác nh
a
u, hay
nói cách khác chúng không phụ thuộc vào tần số.
Tuy
nhiên, chúng lại nhỏ h
ơ
n một

chút so với các giá trị tính toán. Sự sai khác đó là do có thêm điện trở củ
a
cuộn
cảm, sai số điện trở tải và điện trở DC của dây tóc bóng đèn.


•
Cài đặt thí
n
g
h
iệ
m





Hình 1.1.6 Mạch phục vụ cho nghiên cứu quá trình quá độ dòng điện và điện áp,
TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử
17

hoạt động ở một góc phần tư, với tải hỗn hợp.
b.Ghi lại các đặc tính điều
kh
i
ể
n

•

Mục đích thí
n
g
h
iệ
m

Hoàn thành bài thực hành này, sinh viên có thể:
o Nhận thấy giá trị trung bình của điện áp DC có thể thay đổi theo hệ số
điền xung.
o Hiểu được mối quan hệ tuyến tính giữa điện áp ra và hệ số điền xung.

o Nhận thấy đối với tải hỗn hợp và tần số xung không có ảnh hưởng đối

với đặc tính điều khiển.

•
Các bài thực
hành

o Ghi lại đặc tính điều khiển với tải R-L ở tần số xung thấp.

o Ghi lại đặc tính điều khiển với tải R-L ở tần số xung cao.


•
Tiến hành thí
n
g
h

iệ
m

Lắp ráp mạch như hình 1.2.3 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.


Chú ý: Sử dụng các cài đặt s
au
:

Điện áp ra (Kênh A)

400 V

Dòng điện ra (Kênh D)

2.5 A

Shunt 1

8 Ω

Shunt 2

1.5 Ω

Để đảm bảo quá trình đo tự động được chính xác, thời gian chờ 1000ms phải
được bổ xung vào trong chương trình PWM. Quá trình điều chỉnh hệ số điền xung
nên được thực hiện với độ rộng bước khoảng 2%.


Ghi đặc tính điều khiển với tải R-L ở tần số xung
t
hấp.

Ghi đặc tính điều khiển ( giá trị trung bình của điện áp DC theo hệ số điền xung ) với tải
R-L và tần số xung 112Hz.

TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử
18


Hình 1.2.1: Đặc tính điều khiển của bộ điều khiển băm xung DC một góc phần
tư, tải hỗn hợp 810Ω/1.2H, tần số xung 112Hz



Kết luận gì về dải điều khiển?
Giá trị trung bình của điện áp DC, U
m2
có thể thay đổi từ 0 tới giá trị điện áp DC
đầu vào, U (hệ số điền xung 100%). Đặc tính là tuyến tính!

Đưa ra biểu thức toán học cho đặc tính của mạch IGBT đơn








•
Ghi đặc tính điều khiển với tải R-L ở tần số xung c
a
o.
Ghi đặc tính điều khiển ( giá trị điện áp DC trung bình theo hệ số điền xung ) với tải
R-L và tần số xung 1800Hz.

TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử
19



Hình 1.2.2: Đặc tính điều khiển của bộ điều khiển băm xung DC một góc phần tư,
tải hỗn hợp 810Ω/1.2H, tần số 1800Hz.


Kết luận gì về dải điều khiển?
Giá trị điện áp DC trung bình, U
m2
có thể được thay đổi từ 0 tới giá trị điện áp DC
đầu vào, U ( hệ số điền xung 100% ). Đặc tính điều khiển là tuyến tính.

Biểu thức toán học cho đặc tính của mạch IGBT đơn:















So sánh các đặc tính ghi được và đánh giá các kết quả?
Các đặc tính là tương đồng nhau. Đặc tính điều khiển không phụ thuộc vào tần số
xung, mà chỉ phụ thuộc vào hệ số điền xung.
Hệ số điền xung là tỷ số giữa thời gian mở chuyển mạch trên toàn chu kì chuyển
mạch.


TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử
20

•
Cài đặt thí nghiệm:

Hình 1.2.3 Mạch điện phục vụ ghi lại đặc tính điều khiển

c. Phân tích ảnh hưởng của phần tử
f
r
ee-w
h
ee
li
n
g
•
Mục đích thí
n
g
h
iệ
m

Hoàn thành bài thực hành này, sinh viên có thể:
o Nhận thấy cuộn cảm có tham gia vào quá trình free-wheeling( quá
trình phục hồi ).
o Hiểu được ảnh hưởng của cuộn cảm đối với giá trị đỉnh-đỉnh của dòng
điện, cũng như ảnh hưởng tới quá trình là phẳng.
o Nhận thấy ở tần số xung cao hơn, thì cuộn cảm sử dụng sẽ có giá trị nhỏ
hơn.

•
Các bài thực

hành

o Xác định quá trình quá độ dòng điện theo tải điện cảm.

o Xác định quá trình quá độ dòng điện theo tần số xung.





TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử
21

•
Tiến hành thí
n
g
h
iệ
m

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 s
au

Điện áp ra (Kênh A)

400 V

Dòng điện ra (Kênh D)

2.5 A

Shunt 1

8 Ω

Shunt 2

1.5 Ω


•
Xác định quá
trình
quá độ dòng điện theo tải điện c
ả
m

Hiển thị các biến số đầu ra, điện áp và dòng điện với các giá trị trung bình tương ứng
thông qua các tham số sau:
Hệ số điền xung 50%, tần số xung 112Hz, R=810Ω, L=0.3H


Hình 1.3.1: Đo khoảng cách đỉnh-đỉnh của dòng điện, f = 112 Hz, R=810Ω, L =0.3 H

Đánh giá dáng điệu sóng dòng điện?
Khi IGBT được mở, thì dòng điện được tăng lên theo hàm số mũ, còn khi IGBT
khoá, quá trình suy giảm của dòng điện cũng theo hàm mũ được thực hiện thông qua
điốt và IGBT. Giữa hai trạng thái này có tồn tại giá trị lớn nhất tĩnh, còn gọi là đỉnh
dòng điện ( biên độ ). Quá trình quá độ theo thời gian phụ thuộc vào t
ả
i.
TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử
22

Sau bao lâu thì dòng điện đạt được trạng thái tĩnh lớn nhất ?
Do tải chỉ gồm các thành phần R và L, nên dòng điện đạt được 95% giá trị tĩnh l
ớ
n
nhất của nó sau khoảng thời gi
a
n
:




So sánh kết quả này với các phép đo
Ở tần số 112Hz, chu kì sấp xỉ 9ms. Thời gian mở chuyển mạch là 50% ( hệ số điền
xung 50% ), do đó thời gian mở chuyển mạch là sấp xỉ 4.5ms. Sau khoảng 1ms, thì đạt
được 95% giá trị lớn nhất của dòng điện. Các kết quả là rất tương đồng với lý thuyết.

Xác định khoảng cách đỉnh-đỉnh của dòng điện?
Từ hình 1.3.1, khoảng cách đỉnh-đỉnh của dòng điện là: ∆i = 250mA

Kiểm tra giá trị này bởi phép tính:





Giá trị thực tế của dòng điện là nhỏ hơn, do có thêm điện trở của cuộn cảm và dây tóc
bóng đèn.

Lặp lại bài thực hành với L=1.2H



Hình 1.3.2: Đo khoảng cách đỉnh-đỉnh của dòng điện, f=112Hz, R=810Ω, L= 1.2H



TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử
23

Đánh giá dáng điệu sóng của dòng điện?

Khi IGBT được mở, dòng điện tăng lên theo hàm mũ, còn khi IGBT khoá thì qu
á
trình suy giảm của dòng điện cũng giảm theo hàm mũ thông qua điốt và IGBT.
Giữa hai trạng thái này, không có giá trị tĩnh lớn nhất. Quá trình quá độ theo th
ờ
i
gian phụ thuộc vào tải, và trong trường hợp này thì giá trị cảm kháng của cuộn

cảm là lớn h
ơ
n.

Tại sao dòng điện lại không đạt được giá trị tĩnh lớn nhất ?
Do tải chỉ gồm các thành phần R và L nên dòng điện đạt được 95% giá trị tĩnh lớn
nhất sau khoảng thời gian:





So sánh kết quả này với giá trị đo được?

Ở tần số 112Hz, chu kì sấp xỉ 9ms. Thời gian mở chuyển mạch là 50% của chu kì (
hệ số điền xung 50% ). Do đó, thời gian mở chuyển mạch sấp xỉ 4.5ms. Các kết quả
là rất tương đồng.
Xác định khoảng cách đỉnh-đỉnh của dòng điện?

Từ hình 1.3.2, khoảng cách đỉnh-đỉnh dòng điện là ∆i =225mA, mặc dù cuộn cảm có
giá trị lớn hơn, nhưng khoảng cách đỉnh-đỉnh dòng điện chỉ giảm không đáng kể.

So sánh các giá trị trung bình của dòng điện, I
m2

Các giá trị trung bình dòng điện DC là tương đồng.

•
Xác định quá
trình

quá độ dòng điện theo tần số x
un
g
Hiển thị các biến số đầu ra, điện áp và dòng điện, và các giá trị trung bình tương
ứng sử dụng các tham số: Hệ số điền xung 50%, tần số xung 1800Hz, R=810Ω,
L=0.3H.

TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử
24



Hình 1.3.3: Đo khoảng cách đỉnh-đỉnh dòng điện f = 1800 Hz, R=810Ω, L =0.3 H

Đánh giá dáng điệu sóng dòng điện:

Khi
IGBT
mở, dòng điện tăng theo hàm mũ; còn khi
IGBT
khoá, quá trình suy giảm
dòng điện theo hàm mũ thông qua điốt và IGBT. Giữa hai trạng thái này, không đạt
được giá trị tĩnh lớn nhất. Quá trình quá độ theo thời gian phụ thuộc vào t
ả
i. Đường
đặc tính của dòng điện là tuyến tính h
ơ
n.

Sau bao lâu dòng điện đạt được trạng thái tĩnh lớn nhất ?

Do tải chỉ gồm hai thành phần R và L, nên dòng điện đạt 95% giá trị tĩnh lớn nhất sau
khoảng thời gian:




Bởi vậy, dòng điện không thể đạt được giá trị tĩnh lớn nhất do tần số xung 1800Hz, và
chu kì chỉ là T=0.55ms và hệ số điền xung 50%, nên thời gian dẫn chỉ là T
E
=

0.275ms. Nên dòng điện thể hiện quá trình tuyến tính ở sườn lên.

Xác định khoảng cách đỉnh-đỉnh dòng điện:
Từ hình 1.3.3, khoảng cách đỉnh-đỉnh của dòng điện là ∆i=120mA. Với cùng giá
trị
điện cảm, thì tần số xung càng cao thì càng làm giảm hoặc khoảng cách đỉnh củ
a
dòng điện.

Kiểm tra giá trị thông qua quá trình tính toán
Khoảng cách đỉnh-đỉnh có thể được tính thông qua biểu thức (3), đối với các đo
ạ
n
cong của hàm mũ có thể được sấp xỉ bởi các đoạn th
ẳ
ng.
TN Chuyển Mạch Tự Động Phòng TN Điện-Điện Tử
25














Lặp lại bài thực hành với L=1.2H


Hình 1.3.4: Khoảng cách đỉnh-đỉnh dòng điện, f=1800Hz, R=810Ω, L=1.2H

Đánh giá dáng điệu sóng dòng điện?
Khi IGBT mở, dòng điện tăng theo hàm mũ nhưng đoạn cong này có thể
đư
ợ
c tuyến tính hoá. Đồng thời, dòng điện cũng giảm theo hàm mũ thông qua
điốt khi IGBT khoá. Giữa hai trạng thái này, không đạt được giá trị tĩnh
lớn nhất. Qu
á
trình quá độ theo thời gian phụ thuộc vào tải. Đường đặc tính
của dòng điện l
à

tuyến tính h
ơ
n.

Xác định khoảng cách đỉnh-đỉnh?
Từ hình 1.3.4, khoảng cách đỉnh-đỉnh dòng điện là ∆i=30mA. Ở tần số xung c
à
ng
cao, thì càng làm giảm khoảng cách đỉnh-đỉnh dòng điện và hiệu quả là ph
ẳ
ng
dòng điện được tăng lên.
Kiểm tra giá trị bởi quá trình tính toán


Khoảng cách đỉnh-đỉnh có thể được tính thông qua biểu thức (3), sử dụng các đo
ạ
n
thẳng ở trên hàm mũ:














 (mA)