Báo cáo thí nghiệm điện tử công suất
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (613.65 KB, 21 trang )
Báo cáo thí nghiệm điện tử công suất
BÀI 1 : CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN CƠ BẢN
1.1.Mục đích, yêu cầu
-Chứng minh bài giảng về các phần tử bán dẫn cơ bản trong môn học điện tử
công suất.
-Luyện cho sinh viên kỹ năng đo, xác định tính năng, trạng thái các phần tử
bán dẫn công suất.
1.2.Nội dung thực hành
- Tìm hiểu hình dáng kích thước và đặc trưng các phần tử bán dẫn công suất.
- Đo đạc thử nghiệm các phần tử bán dẫn công suất.
- Các phần tử bán dẫn công suất cơ bản.
1.2.1 DIODE
A
A
-Điôt công suất do hai mặt ghép p-n ghép thành,
diện tích mặt ghép tỉ lệ với dòng điện cho phép
qua điôt.
-Trung bình mật độ dòng cỡ 10A/mm2.
P
N
K
K
1
Báo cáo thí nghiệm điện tử công suất
Đặc tính Vôn-ampe:
i
i
U
U2
U
UDo
V-
Đặc
tính
A
của
điốt
gồm hai nhánh:
- Nhánh thuận: Dưới điện áp U AK>0. Điôt phân cực thuận. Đường đặc tính có
dạng hàm mũ.
- Nhánh ngược: Dưới điện áp UAK<0. Điôt phân cực ngược. Khi tăng U dòng
điện cũng tăng.
Tới giá trị giới hạn. Khi U > U 2 . Dòng điện tăng đột biến phá huỷ điôt.
1.2.2. TRANSISTOR
2
Báo cáo thí nghiệm điện tử công suất
- Tranzito là phần tử bán dẫn có cấu trúc gồm 3 lớp bán dẫn p-n-p hoặc n-p-n tạo
lên từ 2 tiếp giáp p-n.Tranzito có 3 cực như hình vẽ.
- Tranzito công suất thường là loại n-p-n
Một số trasistor trên thực tế
Đặc tính V-A
3
Báo cáo thí nghiệm điện tử công suất
1.2.3. MOSFET
-MOSFET là Transistor hiệu ứng trường ( Metal Oxide Semiconductor Field
Effect Transistor ) là một Transistor đặc biệt có cấu tạo và hoạt động khác với
Transistor thông thường mà ta đã biết, MOSFET có nguyên tắc hoạt động dựa
trên hiệu ứng từ trường để tạo ra dòng điện, là linh kiện có trở kháng đầu vào
lớn .
SiO2 kªnh N
D
cực máng
D
N
G
U
GS
cực nguồn
p
nÒn P
cực cổng
G
§Õ
N
Mosfet kênh n
S
D
G
Mosfet kênh P
S
S
Cấu tạo MOSFET kênh cảm ứng
Ký hiệu
4
Báo cáo thí nghiệm điện tử công suất
Một số hình ảnh về mosfet
1.2.4.THYRISTOR
- THYRISTOR là phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn p-n-p-n tạo
thành.Cấu trúc và ký hiệu trình bày trên hình
5
Báo cáo thí nghiệm điện tử công suất
THYRISTOR có 3 lớp tiếp giáp J 1, J2, J3. hình thành 3 cực Anot A, Katot K, cực
điều khiển G.
Một số hình ảnh về thyristor trên thực tế
1.2.5. IGBT
E
G
E
n
C¸ch ®iÖn
p
n
E
n
n
n-
p
n
S
E
npn
G
D
pnp
G
p+
C
C
C
Cấu tạo IGBT
Sơ đồ thay thế và ký hiệu IGBT
6
Báo cáo thí nghiệm điện tử công suất
-IGBT là transistor công suất hiện đại, kích thước gọn nhẹ. Nó có khả năng chịu
được điện áp vào dòng điện lớn cũng như tạo nên độ sụt áp vừa phải khi dẫn
điện.
-IGBT có phần tử MOS với cổng cách điện được tích hợp trong cấu trúc của
nó. Giống như thyristor và GTO, nó có cấu tạo gồm hai transistor. Việc điều
khiển đóng và ngắt IGBT được thực hiện nhờ phần tử MOSFET đấu nối giữa
hai cực transistor npn. Việc kích dẫn IGBT được thực hiện bằng xung điện áp
đưa vào cổng kích G. Đặc tính V-A của IGBT có dạng tương tự như đặc tính VA của MOSFET.
1.2.6. TRIAC( Triode Alternative Current)
Triac là phần tử bán dẫn gồm 3 cực được tạo lên từ 5 lớp bán dẫn tạo lên cấu
trúc p-n-p-n như ở tiristo theo cả 2 chiều giữa các cực T1 và T2 như trên hình
vẽ. Ký hiệu triac như trên hình. Về nguyên tắc có thể coi triac như 2 tiristo đấu
song song ngược.
7
Báo cáo thí nghiệm điện tử công suất
Mạch điều khiển TRIAC
a) cấu tạo, b,c) Cấu trúc tương đương
Triac có thể điều khiển dẫn dòng bằng cả xung dương (dòng đi vào cực điều
khiển) và cả xung âm (dòng đi ra khỏi cực điều khiển). Tuy nhiên dòng điều
khiển âm có độ nhạy kém hơn, nghĩa là dòng điều khiển phải lớn hơn.
Đặc tính V-A
* Trong quá trình thí nghiệm , ta nhận dạng một số linh kiện dựa vào hình dáng
bên ngoài như sau :
- Thyristor thường chia thành thyristor loại trụ, loại đĩa, modul…
- Transistor gồm loại 3 chân rõ ràng hoặc dạng sò (ví dụ như 2N3055…)
- Triac, IGBT, GTO,… thường ở dạng 3 chân rõ ràng.
- Diot có nhiều loại như loại trụ, loại khối vuông,….
- Thường thì trên linh kiện công suất có chỗ để ta gắn tản nhiệt vì khi làm việc
thì các phần tử này phát nóng rất mạnh vì vậy ta cần gắn tản nhiệt cho chúng
8
Báo cáo thí nghiệm điện tử công suất
nếu không thì nhiệt sinh ra sẽ làm hỏng bề mặt bán dẫn.Các vật liệu tản nhiệt
thường làm từ nhôm hoặc đồng.Tuỳ theo công suất và yêu cầu sử dụng mà kích
thước của tản nhiệt khác nhau.
- Các hình ảnh trên chỉ là đại diện cho loại công suất trung bình được dùng
trong dân dụng, các loại công suất lớn dùng trong công nghiệp thì kích thước
của chúng lớn hơn nhiều.
1.3.Cách sử dụng đồng hồ đo để kiểm tra các linh kiện .
- Đồng hồ thực tế gồm có đồng hồ số và đồng hồ kim.Với
loại đồng hồ số thì cho kết quả chính xác nhưng kết quả
thường thay đổi nhanh và liên tục dẫn đến khó quan sát
trong thí nghiệm.Đồng hồ kim thì cho kết quả không đựơc
chính xác như đồng hồ số nhưng vì kim chỉ thị có quán tính
cho nên nó ít thay đổi khi các thông số đo thay đổi 1 giá trị
rất nhỏ, điều này giúp ta dễ quan sát định tính và nhận xét
hơn.Thường khi kiểm tra các linh kiện điện tử ta hay dùng
đồng hồ kim.
-Khi đo ta vặn nút về vị trí thang đo Ω x 10. Với các loại
đồng hồ kim thì que đen thường có thế dương . Để kiểm
tra ta có thể mắc vào đó 1 con led đơn, nếu led sáng thì
chân nối với anot của led có thế dương.
( mặc định que đen có thế dương trong bài báo cáo này.)
Các hình vẽ hướng dẫn thao tác để tăng khả năng hình
dung cách đo.
1.3.1 ĐO DIODE
-Vì diot chỉ có 1 tiếp giáp P-N cho nên việc đo diot khá đơn giản, ta không cần
chỉnh “0” cho đồng hồ
9
Báo cáo thí nghiệm điện tử công suất
-Ta đặt que đen vào 1 cực, que đỏ vào cực còn lại, sau
đó đảo chiều que đo.Nếu kim chỉ lên trong 1 trường
hợp thì diot còn tốt và cực gắn với que đen khi kim lên
là anot, cực còn lại là catot.Nếu cả 2 trường hợp kim
đều lên hoặc đều không lên thì diot bị hỏng.
1.3.2 TRANSISTOR(BJT)
Đối với transitor thì ta có nhiều cách xác định
chất lượng của nó.Thực tế khi đo transistor ta
thường đi xác định các chân của nó luôn.Để xác
định chân của BJT ta làm như sau:
Lưu ý: Ta không được chạm đồng thời 2 tay
vào 2 que đo
B1: Vặn đồng hồ về thang Ω x10
B2: Đặt que đo bất kì vào 1 chân X nào đó. Đặt que thứ 2 lần lượt vào 2 chân
còn lại.Nếu mà trong 2 trường hợp mà lên kim chỉ giá trị vài chục ôm thì chân X
đó là chân B.Nếu X là que đen đặt vào thì BJT là loại ngược, còn nếu X do que
đỏ đặt vào thì la BJT loại thuận.Nếu không đồng thời lên kim thì ta cứ thay đổi
đến khi xảy ra trường hợp trên là được.Việc xác định này rất nhanh với người đã
có kinh nghiệm.
B3: Vặn đồng hồ về thang đo Ω x10k.
-Nếu lúc trước que đỏ đặt vào chân B thì bây giờ ta ta sẽ đặt que đen vào chân
B, tương tự nếu lúc trước que đen đặt vào chân B thì bây giờ ta đặt que đỏ vào
chân B.Sau đó dùng que đo còn lại lần lượt chạm vào 2 chân C, E. Nếu trường
hợp nào kim lên (giá trị cỡ vài trăm k Ω) thì đó chắc chắn là chân E, như vậy
chân còn lại là chân C. Nếu cả 2 trường hợp mà đều lên kim thì BJT bị hỏng.
1.3.3 ĐO THYRISTOR(SCR)
10
Báo cáo thí nghiệm điện tử công suất
Với thyristor thì việc xác định chân dễ dàng hơn
transitor.Thường thì các SCR công suất lớn thì chân
G thường nhỏ hơn nhiều so với chân A và K.Chính
vì vậy ta có thể xác định được A,K bằng cách như
sau:
-Vặn đồng hồ về thang đo Ω x10(hoặc 1).Có thể
chỉnh ‘0” hoặc thôi cũng được.Sau đó đặt que đen
vào chân G, que đỏ vào 2 chân còn lại.Nếu khi nào mà kim lên thì chân đó là
chân K, suy ra chân còn lại là chân A
Còn khi mà không biết chân G thì ta có thể tìm bằng cách tìm cặp chân nào mà
có điện trở bằng vô cùng với cả 2 chiều que đo.Khi đó cặp chân đó là cặp A,K,
suy ra chân còn lại là chân G.Nếu không tồn tại cặp chân nói trên thì SCR đã
hỏng.
SCR có loại trụ, loại đĩa, hoặc modul…
1.3.4.ĐO MOSFET
Một mosfet còn tốt khi điện trở giữa G với S và G với D phải
bằng vô cùng (kim không nên cả 2 chiều đo).Khi G được thoát
điện thì trở kháng giữa D và S cũng phải là vô cùng.
Thông thường các mosfet được quy định chung thứ tự chân là GD-S
*Cách xác định mosfet còn tốt
B1: Vặn về thang đo Ω x1k
B2: Nạp cho G 1 điện tích bằng cách đưa que
đen vào G, que đỏ vào S hoặc D.
B3: Đo điện áp UDS, que đen vào D, que đỏ vào
S.
11
Báo cáo thí nghiệm điện tử công suất
B4: Chập chân G vào D hoặc S để thoát điện chân G.
B5: Đo điện áp UDS, nếu kim không lên thì mosfet còn tốt.
1.4. Kết quả thí nghiệm thu được và nhận xét :
1.4.1 ĐO DIODE
Tên Diot
Loại lớn
Nhận xét
26 Ω
∞
Tốt
1022648
Loại nhỏ
24 Ω
∞
Tốt
1.4.2. ĐO TRANSISTOR
Tên
R12
R13
R23
R21
R31
transistor
H1061
34 Ω 32 Ω ∞
2T803A
26 Ω 30Ω
R32
Nhận xét
∞
∞
∞
Tốt
1000Ω 1000Ω ∞
∞
Tốt
0876
1.4.3. ĐO TRIAC
Tên TRIAC
BTA 06
R12
0
R13
R23
32 Ω ∞
R21
0
R31
R32
Nhận xét
36 Ω 36 Ω Tốt
1.4.4. ĐO MOSFET
Tên
R12
R13
R23
R21
R31
R32
MOSFET
20N60S5
∞
∞
∞
∞
∞
22 Ω Tốt
Nhận xét
12
Báo cáo thí nghiệm điện tử công suất
1.4.5. ĐO THYRISTOR
Tên THYRISTOR
Nhận xét
Asea 22025
30Ω 26Ω
LX ∆ 5K9202E9008 250Ω 54Ω
∞
∞
∞
∞
∞
∞
∞
∞
Tốt
Tốt
1.4.6. ĐO IGBT.
Tên
GT40T101
Nhận xét
26Ω ∞
∞
∞
∞
∞
Tốt
BÀI 2 : ĐIỀU KHIỂN CÁC THIẾT BỊ BIẾN ĐỔI
2.1.Mục đích, yêu cầu.
-Chứng minh bài giảng về các phần tử bán dẫn công suất và các mạch biến đổi
chỉnh lưu, xung áp, nghịch lưu.
-Luyện cho học sinh kỹ năng phân tích mạch công suất.
-Thực tập,điểu khiển và đo đạc đặc tính các bộ biến đổi
2.2.Nội dung thực hành
-Tìm hiểu nguyên lý các bộ biến đổi
-Phân tích các bộ biến đổi
-Đo đạc tham số các bộ biến đổi
2.3.Các bộ biến đổi
a. Biến tần của hãng siemen
Trong phòng thí nghiệm có 3 bộ biến tần Micromaster 370W, Micromaster
3000W, Micromaster 5500W. Nhiệm vụ các bộ biến đổi này biến điện áp xoay
chiều 3 pha thành điện áp 1 chiều, sau đó lại biến điện áp 1 chiều thành điện áp
xoay chiều nhưng có tần số khác với tần số ban đầu
13
Báo cáo thí nghiệm điện tử công suất
Đấu nối biến tần
Biến tần Micromaster MMW370 được trang bị trong phòng thí nghiệm có cấu
hình như sau:
+ 2 đầu vào tương tự
+ 2đầu ra tương tự
+ 6 đầu vào số
+ 2 cổng truyền thông nối tiếp
+ 1 cổng ghép nối PTC (Nhiệt trở đo nhiệt độ động cơ)
+ cổng ghép nối với điện trở hãm bên ngoài
+ 2 Rơle có thể lập trình
+ Đầu phản hồi kín
+ Nguồn cấp 15V,50mA cho các biến bên ngoài
+ Nguồn 10 V cấp cho đầu vào tương tự
14
Báo cáo thí nghiệm điện tử công suất
+Xây dựng bài thí nghiệm
-Đấu nối mạch điện
+Nội dung và các bước làm thí nghiệm
- Nối dây theo sơ đồ đấu nối.
Trên thân biến tần có 3 đầu đấu nối (U, V, W) được nối với động cơ (động cơ
mắc hình sao). 3 đầu L1, L2, L3 mắc vào nguồn 3 pha qua Aptomat. Trung tính
của động cơ được đấu nối với đầu PE trên biến tần và nối với đất của nguồn.
Trong bài thí nghiệm không sử dụng bộ lọc đầu vào.
- Cài đặt tham số của động cơ
Trước tiên ta cài đặt biến tần theo hướng dẫn để thực nghiệm hoạt động cơ bản
của biến tần sau đó cài đặt lần lượt các tham số đã chuẩn bị để thực nghiệm các
tính năng của biến tần.
- Điều khiển biến tần hoạt động
Chú ý: mỗi lần thử các tính năng biến tần cần kiểm tra xem các tính năng đó có
ảnh hưởng đến nhau không. ( VD tính năng Rampup time với Smoothing time )
nếu chúng ảnh hưởng lẫn nhau cần thử nghiệm riêng từng tính năng để được kết
quả chính xác sau đó mới thử nghiệm sự kết hợp của các tính năng.
Chuẩn bị trước khi làm thực nghiệm
Ta phải chuẩn bị cài
đặt tham số biến tần
với tham số động cơ
như sau:
Ud =380 V
P=1,5Kw
F=50Hz
N=1430v/p
Cosϕ =0,85
I=3,4A
Các hàm cần chuẩn bị:
-P001- P009 : Hiển thị
-P080-P085 : Tham số động cơ
-P012-P014 : Giới hạn tần số
-P031-P034 : Giới hạn nút thử
15
Báo cáo thí nghiệm điện tử công suất
-P088: Xác định điện trở stator.
b.Mô hình biến tần điều biến bằng phương pháp PWM :
Chỉnh lưu có điều khiển
Mô hình mạch công suất trong phòng thí nghiệm bao gồm các khối chức năng
sau :
-Khối nguồn:
-Sơ đồ cầu chỉnh lưu
-Aptomat
-Biến áp
-Khối nghịch lưu
-6 Mosfet 2OH60S5
-3 tụ mắc song song 60V-380µF có chức năng ổn định điện áp
-Quạt gió có chức năng làm mát cho van
-Khối điều khiển:
+ Bộ vi xử lý: 2 IC mắc song song, PC 8177 dùng để cách ly quang
-IC 16PU0721J
-IC 32A5J3M
-IC HD74LS14P
-IC LM339N
Bộ vi xử lý có chức năng tạo ra xung tam giác và sóng sin và so sánh
chúng để thu được dạng xung thích hợp . Đây là cách sử dụng tín hiệu số cho
nên độ chính xác cao hơn các bộ tương tự bởi vì nó khắc phục được nhược
điểm không của bộ tương tự và khả năng chống nhiễu tốt .
+ 3 IC driver điều khiển mosfet dễ dàng hơn.
+ Điều khiển Location
+ Bộ nguồn vào vi xử lý: bộ chỉnh lưu cầu 4 diot, 2 transistor ổn áp, 3 tụ
lọc.
16
Báo cáo thí nghiệm điện tử công suất
Mạch nguyên lý
có dạng như sau
:
2 sơ đồ cầu một
pha không đối
xứng
dùng
thyristor và diot
như sơ đồ trên ,
trong đó :
- 1 sơ đồ tạo ra
điện
áp
một
chiều cấp cho
phần ứng động
cơ
- 1 sơ đồ tạo ra điện áp một chiều cấp cho phần kích từ của động cơ .
- 1 động cơ 1 chiều công suất nhỏ, dòng qua động cơ vào khoảng 3A
-1 động cơ đóng vai trò là tải, có dây nối để giữa 2 đầu trục động cơ.
-1 biến áp nguồn biến đổi điện áp 220V~ thành điện áp 24V ~, đưa qua cầu
chỉnh lưu đưa ra điện áp 1 chiều 30V
Nội dung và các bước làm thí nghiệm
-Quan sát nối dây theo sơ đồ đấu nối trên panel điều khiển.
-Quan sát tham số động cơ
-Điều khiển bộ chỉnh lưu hoạt động
-Thay đổi giá trị biến trở, đo điện áp ra trên động cơ, vẽ đặc tính.
-Quan sát hình dạng điện áp ra trên tải bằng máy tính.
-Điều khiển từ xa thông qua máy tính
*Làm thí nghiệm với vòng kín( điều khiển mở các van công suất và đo tốc độ
động cơ để so sánh với giá trị đặt đưa ra luật điều khiển để điều chỉnh tốc đô
động cơ)
Đặt các thông số của bộ điều khiển như sau như sau:
17
Báo cáo thí nghiệm điện tử công suất
K p = 3, K i = 1, K d = 0
-Khi có tín hiệu tác động vào động cơ, rất nhanh sau đó tốc độ động cơ đạt đến
giá trị mong muốn sau một thòi gian ngắn.
-Khi tải thay đổi thì bộ điều khiển với các tham số trên không còn phù hợp nữa.
Nếu cũng với tải như trên, tiến hành thay đổi các giá trị của bộ điều khiển K p , K
i
, K d của bộ điều khiển PID thì dạng đáp ứng của động cơ cũng không bám đẹp
theo tốc độ đặt mà có độ quá điều chỉnh rất lớn .
c) Xung áp một chiều
Mô hình trong phòng thí nghiệm bao gồm các khối chức năng sau :
- Mạch lực chứa các phần tử sau
-Cầu dao
-Cầu chì, biến áp
-Bộ tản nhiệt
-4 tiristor
-Mạch điều khiển: cổng COM
+) X1:
-Bộ điều khiển có IC 89U0717J, IC 0702, IC HA17324A.
-Bộ điều khiển bằng tay
+) X2:
-1 bộ tản nhiệt cho 3 tiristor
-2 mosfet 20N60S5
-Sơ đồ cầu 1 pha gồm 4
-Rơle: 5A-250VAC, 5A240VAC, 5A-28VAC
tiristor
Nguyên lý làm việc của mạch xung áp
18
Báo cáo thí nghiệm điện tử công suất
it
i
T
B
EN
U
EB
D
id
L
Ut
Ed
t T
0
t
Ut
t
i
t
iT
t
id
t
Sơ đồ mạch công suất
WKT
220/ 110 V
DC
D
KN
B
T
ROLE1
K
KN
K
AT1
Nội dung và các bước làm thí nghiệm
-Quan sát nối dây theo sơ đồ đấu nối trên panel điều khiển.
-Quan sát tham số động cơ
-Điều khiển bộ xung áp hoạt động
19
Báo cáo thí nghiệm điện tử công suất
-Thay đổi giá trị biến trở, đo điện áp ra trên động cơ, vẽ đặc tính.
-Quan sát hình dạng điện áp ra trên tải bằng máy tính.
-Điều khiển từ xa thông qua máy tính
d. Hệ điều khiển và giám sát hệ T – Đ :
- Mạch lực: gồm 2 cầu tiristor điều khiển cho phần ứng và kích từ.
- Mạch điều khiển: sử dụng vi điều khiển (AT 89S52...) có thể thực hiện tại chỗ
hoặc qua PC MAX 232(bộ chuyển đổi tín hiệu).
- Kết nối giữa mạch điều khiển và mạch động lực bằng biến áp xung và có một
cảm biến dòng cảm nhận dòng mạch lực để phản hồi tín hiệu cho mạch điều
khiển .
- Khối cách li sử dụng các cảm biến để cách li bảo vệ kết nối cổng COM với PC
- Bộ nguồn cấp 5V-12V
-Bộ điều khiển: gồm 2 cầu tiristor (mỗi cầu có 4 tiristor)
-Bộ nguồn gồm:
-Ic ổn áp 7815
-4 tụ
-Ic ổn áp 7805
-Diot cầu và biến áp.
-Bộ vi xử lý điều khiển trung tâm.
Gồm 2 con ATMEGA16
-1 bộ nguồn gồm: IC ổn áp LM7815, diode chỉnh lưu.
-DAC 7541
-LM 324
- DAC 080SL
-HA 1732A
-Cổng COM và bộ điều khiển bằng tay.
e. Bộ điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều :
- Động cơ 1 chiều và 1 máy phát để biến đổi tải có trục truyền động gắn với trục
động cơ .
- Khâu hồi tiếp tốc độ gồm có: vi điều khiển PIC
- Bộ điều khiển trung tâm
-Vi điều khiển họ AVR
-Màn hình LCD hiển thị
hoặc 8501...
kết quả
-Bộ nguồn
-1 cầu transistor
20
Báo cáo thí nghiệm điện tử công suất
-Điện trở công suất
-1 biến áp cho bộ điều
khiển
-1 biến áp cho mạch động
lực
-Cổng COM
-Sử dụng Max 232
4 Chiết áp
-Bộ đệm gồm:
-LM 32HN
-HD 74LS14
-HD 74LS00P
-Biến áp phát xung:
-4 con TLA-TX0040
-VC 413976K
-4 con H1061
-Biến dòng
-Biến áp
-Bộ biến đổi tín hiệu đầu ra (5V-12V)
-2 con PC 8177 để cách ly
quang
-Max 232 CPE
-LM 7805
21
