Tài liệu Thí nghiệm chuyển mạch lưới

TN Chuyển Mạch Lưới Phòng TN Điện-Điện Tử Bài 1: Các Bộ Biến Đổi Chuyển Mạch Lưới Mục Lục: I. Chỉnh lưu nửa chu kì .................................................................................................... 4 1.Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ không điều khiển .............................................................. 4 2. Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ có điều khiển ................................................................... 6 II.Chỉnh lưu cầu ................................................................................................................ 8 1.Mạch chỉnh lưu cầu không điều khiển .......................................................................... 8 2.Mạch cầu chỉnh lưu điều khiển toàn phần .................................................................. 11 3.Mạch cầu chỉnh lưu bán điều khiển ,đối xứng ............................................................ 14 4.Mạch chỉnh lưu bán điều khiển, bất đối xứng ............................................................ 17 III.Chỉnh lưu cầu ba pha ............................................................................................... 20 1.Mạch chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển ............................................................ 20 2.Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển toàn phần ................................................................ 23 3.Mạch chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển................................................................ 27 IV.Bộ điều khiển công suất nguồn xoay chiều ................................................................ 31 1.Điều khiển công suất nguồn xoay chiều một pha, tải thuần trở ................................... 31 2.Điều khiển công suất nguồn xoay chiều ba pha, tải thuần trở...................................... 35 1 TN Chuyển Mạch Lưới Phòng TN Điện-Điện Tử LỜI MỞ ĐẦU Các bộ biến đổi được sử dụng rất rộng rãi ở hầu hết các lĩnh vực công nghiệp. Phải kể đến như các khối cấp nguồn một chiều hay xoay chiều, ứng dụng về điều khiển nhiệt độ, ánh sáng, trong nhà máy xí nghiệp…v.v. Ngoài ra các bộ biến đổi này còn xuất hiện ở hầu hết các thiết bị điện qua dụng. Các bộ biến đổi nói chung làm nhiệm vụ chuyển đổi nguồn: AC→DC, AC↔ AC,DC→AC, DC↔DC. Các linh kiện được sử dụng trong các bộ biến đổi bao gồm: Diode công suất, Thyristor và một số các van bán dẫn khác như Transistors công suất, Triacs, IGBT, GTO. Các công thức sử dụng để tính toán: Điện áp trung bình đầu ra: Um2 = k. U1. ( k là hệ số tùy thuộc vào mạch chỉnh lưu) Công suất toàn phần: S = U.I Công suất tác dụng: P = U.I. Cos φ Công suất phản kháng: Q = U.I. Sin φ Xét đến thành phần sóng hài: + Công suất tác dụng (công suất thực): Chỉ có thành phần hài cơ bản quyết định giá trị công suất thực P = U.I1.Cos φ1 + Công suất phản kháng: Bao gồm công suất phản kháng của thành phần hài cơ bản Q1 = S1.Sinφ1 và các thành phần hài bậc cao 2 TN Chuyển Mạch Lưới = . Phòng TN Điện-Điện Tử = − + Công suất toàn phần: = . = = . = − + = + + Chú thích: + MODULE 1: Module kênh đo gồm 4 kênh A, B, C, D. + MODULE 2: Module chỉnh lưu cấp nguồn DC cho Module 3. + MODULE 3: Module thực hiện lấy tín hiệu đo từ các kênh A, B, C, D. Module này cho phép lựa chọn chế độ đo và điều khiển, qua đường truyền RS 232 đi về máy tính. + MODULE 4: Module này cho phép đấu nối các mạch chỉnh lưu. + MODULE 5: Module biến áp cách ly, đầu vào là nguồn 3 pha đầu ra có thể ghép nối thành các mạch một pha ( hoặc ba pha) 47 VAC, 94 VAC. + MODULE 6: Module phụ tải, bao gồm các tải R (280Ω), L (0,3 H). Chức năng của các kênh đo trong Module 1: Kênh A: Đo điện áp ra U2 Kênh B: Đo điện áp vào U1 Kênh C: Đo dòng điện vào I1 Kênh D: Đo dòng điện ra I2 Trình tự bài thí nghiệm: +Đấu nối theo sơ đồ lắp ráp, kiểm tra kỹ lưỡng đảm bảo không có hiện tượng ngắn mạch. +Mở biến áp cách ly, đặt khối điều khiển đa năng về chế độ RS232 3 TN Chuyển Mạch Lưới Phòng TN Điện-Điện Tử +Sử dụng cáp truyền cổng com RS 232 từ khối điều khiển về máy tính PC. +Sử dụng phần mềm PHACON trên máy tính PC. I. Chỉnh lưu nửa chu kì Các bài thực hành: 1. Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ không điều khiển 2. Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ có điều khiển Mục đích:  Tiếp cận với chỉnh lưu nửa chu kì, phân tích và hiểu rõ nguyên lý làm việc.  Nhận thấy thành phần cảm kháng làm mở rộng chu kì dẫn của dòng điện. Thu hẹp chu kỳ dẫn bằng cách nào?  Công suất tiêu thụ của mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ bằng bao nhiêu % công suất đầu vào? 1.Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ không điều khiển Lắp ráp mạch như trong hình sau: a.Ghi lại các dạng sóng của điện áp AC đầu vào, điện áp và dòng điện DC đầu ra,giá trị trung bình điện áp đầu ra với tải R,tải R-L. Tải R = 270 Ω. 4 TN Chuyển Mạch Lưới Phòng TN Điện-Điện Tử Hình 1.1:Dạng sóng dòng điện,điện áp mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ không điều khiển tải R Tải R = 270 Ω,L = 1.2 H. Hình 1.2:Dạng sóng dòng điện,điện áp mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ không điều khiển tải R-L Thành phần cảm kháng làm giảm giá trị trung bình điện áp DC đầu ra,và làm trễ pha dòng điện trên tải. Trong quá trình này, năng lượng điện từ đã bị lưu giữ lại trong cuộn cảm. Năng lượng này được phục hồi trong chu kỳ âm gây ra điện áp âm trên tải và làm 5 TN Chuyển Mạch Lưới Phòng TN Điện-Điện Tử giảm giá trị trung bình của điện áp DC. + Giá trị trung bình điện áp DC đầu ra: Giá trị trung bình của điện áp DC theo lý thuyết: Um2 = ……… (V). Giá trị trung bình thực tế đo được là: Tải R: Um2 = …….... (V) Tải R-L: Um2 = …….... (V) (Khoảng dẫn được mở rộng tới δ ≈ ……..o) b. Tính toán công suất tiêu thụ? Tải R: P= = . = = ………..( ) Tải R-L: (Yêu cầu sv tự tính) ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………… So sánh với kết quả đo được thực tế đo được? ……………………………………………………………………………………………… ………………………………………… 2. Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ có điều khiển Lắp ráp mạch như trong hình sau: a.Ghi lại các dạng sóng của điện áp AC đầu vào, điện áp và dòng điện DC đầu ra, điện áp trung bình đầu ra với R, R-L. Tải R = 270 Ω, α = 90o 6 TN Chuyển Mạch Lưới Phòng TN Điện-Điện Tử Hình 1.3:Dạng sóng dòng điện,điện áp mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ có điều khiển tải R, góc điều khiển α= 90o Trong một chu kỳ 2π, góc dẫn có thể được điều khiển tới: δ = 180o – α. b.Ghi lại dạng sóng của điện áp AC đầu vào,điện áp và dòng điện DC đầu ra, giá trị trung bình điện áp đầu ra với tải R-L. Tải R = 270Ω, L = 1.2H, góc điều khiển α = 90o Hình 1.4:Dạng sóng dòng điện,điện áp mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ có điều khiển tải R-L, góc điều khiển α = 90o 7 TN Chuyển Mạch Lưới Phòng TN Điện-Điện Tử Phân tích đặc tính điện áp và dòng điện đầu ra: ………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………… c.Ghi lại đặc tính điều khiển. Ghi lại đặc tính của điện áp DC và công suất thực với biến số là góc điều khiển α ( 0  π) Hình 1.5: Đặc tính điều khiển và công suất tiêu thụ của chỉnh lưu điều khiển tải R II.Chỉnh lưu cầu Các bài thực hành 1. Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha không điều khiển 2. Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển toàn phần 3. Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha bán điều khiển đối xứng 4. Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha bán điều khiển không đối xứng Mục đích:  Quen với mạch chỉnh lưu cầu 1 pha,nguyên lý làm việc của mạch chỉnh lưu cầu 1 pha.  Ảnh hưởng của thành phần cảm kháng đến mạch như thế nào?  Tính toán và đo đạc các thành phần công suất. 1.Mạch chỉnh lưu cầu không điều khiển Lắp ráp mạch như hình sau: 8 TN Chuyển Mạch Lưới Phòng TN Điện-Điện Tử a.Dạng sóng điện áp, dòng điện AC đầu vào, điện áp và dòng điện DC đầu ra giá trị trung bình điện áp DC. Hình 1.6: Dạng sóng dòng điện và điện áp của chỉnh lưu cầu không điều khiển tải R 9 TN Chuyển Mạch Lưới Phòng TN Điện-Điện Tử Hình 1.7: Dạng sóng dòng điện và điện áp của chỉnh lưu cầu không điều khiển với tải R-L. So sánh dạng sóng dòng điện DC đầu ra tải R và R-L? ……………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………… Tính toán giá trị trung bình của điện áp DC. Tính giá trị trung bình của điện áp DC theo lý thuyết: Um2 = ………(V) Giá trị đo được: Tải R: Um2 = ……..(V) Tải R-L: Um2 = ……..(V) b.Tính các thành phần công suất. Tải R: P= = . = = ………..( ) Tải R-L: (Yêu cầu sv tự tính) ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………… So sánh với kết quả đo được thực tế đo được? ……………………………………………………………………………………………… ………………………………………… 10 TN Chuyển Mạch Lưới Phòng TN Điện-Điện Tử 2.Mạch cầu chỉnh lưu điều khiển toàn phần Lắp ráp mạch như hình sau: a.Ghi các dạng sóng của điện áp AC, điện áp và dòng điện DC đầu ra, giá trị trung bình điện áp đầu ra. Góc điều khiển α = 90o, tải: R = 270Ω Hình 1.8: Dạng sóng dòng điện và điện áp cầu chỉnh lưu điều khiển toàn phần với tải R Góc điều khiển α = 90o, tải: R = 270Ω, L =1.2 H 11 TN Chuyển Mạch Lưới Phòng TN Điện-Điện Tử Hình 1.9: Dạng sóng dòng điện và điện áp cầu chỉnh lưu điều khiển toàn phần với tải R-L So sánh quá trình chỉnh lưu cho cả 2 trường hợp tải R, R-L? ……………………………………………………………………………………………… ………………………………………… b.Ghi các đặc tính điều khiển.  Điện áp đầu ra.  Công suất tiêu thụ.  Công suất phản kháng của hài cơ bản theo góc điều khiển pha. 12 TN Chuyển Mạch Lưới Phòng TN Điện-Điện Tử Hình 1.10: Các đặc tính điều khiển tải R c.Các thành phần công suất. Biểu đồ vector biểu diễn các thành phần công suất: Hình 1.11: Các thành phần công suất cầu chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển toàn phần tải R 13 TN Chuyển Mạch Lưới Phòng TN Điện-Điện Tử Hình 1.12: Các thành phần công suất chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển toàn phần tải R-L 3.Mạch cầu chỉnh lưu bán điều khiển ,đối xứng Lắp ráp mạch như hình sau: a.Ghi lại dạng sóng điện áp AC đầu vào, điện áp DC đầu ra và dòng điện, giá trị trung bình điện áp đầu ra. Góc điều khiển: α = 90o, tải: R = 270 14 TN Chuyển Mạch Lưới Phòng TN Điện-Điện Tử Hình 1.13: Dạng sóng đối xứng của dòng điện và điện áp, chỉnh lưu bán điều khiển với tải R Góc điều khiển α = 90o tải R= 270, L = 1.2H Hình 1.14: Dáng điệu sóng đối xứng dòng điện và điện áp, chỉnh lưu điều khiển với tải R-L b.Ghi các đặc tính điều khiển. Ghi lại đặc tính điều khiển (theo góc mở α). 15 TN Chuyển Mạch Lưới Phòng TN Điện-Điện Tử Hình 1.15: Đặc tính điều khiển của mạch chỉnh lưu bán điều khiển đối xứng tải R c.Tính toán các thành phần công suất. Biểu đồ véctơ biểu diễn các thành phần công suất: Hình 1.16: Các thành phần công suất của mạch chỉnh lưu điều khiển toàn phần đối xứng tải R 16 TN Chuyển Mạch Lưới Phòng TN Điện-Điện Tử Hình 1.17: Các thành phần công suất của mạch chỉnh lưu điều khiển toàn phần đối xứng tải R-L 4.Mạch chỉnh lưu bán điều khiển, bất đối xứng Lắp ráp mạch như hình sau: a.Ghi các dạng sóng điện áp AC đầu vào, điện áp và dòng điện DC đầu ra,giá trị trung bình điện áp đầu ra. 17 TN Chuyển Mạch Lưới Phòng TN Điện-Điện Tử Hình 1.18: Dáng điệu sóng dòng điện và điện áp bất không xứng của chỉnh lưu bán điều khiển với tải R, α = 90o Hình 1.19: Dáng điệu sóng dòng điện và điện áp của chỉnh lưu bán điều khiển không đối xứng tải R-L, α = 90o b.Ghi các đặc tính điều khiển Ghi lại đặc tính điều khiển (theo góc mở α). 18 TN Chuyển Mạch Lưới Phòng TN Điện-Điện Tử Hình 1.20: Đặc tính điều khiển tải R c.Tính toán các thành phần công suất. Biểu đồ vector biểu diễn các thành phần công suất: Hình1.21: Các thành phần công suất của chỉnh lưu bán điều khiển bất đối xứng tải R 19 TN Chuyển Mạch Lưới Phòng TN Điện-Điện Tử Hình 1.22: Các thành phần công suất của chỉnh lưu bán điều khiển bất đối xứng tải R-L III.Chỉnh lưu cầu ba pha Các bài thực hành: 1. Mạch chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển 2. Mạch chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển toàn phần 3. Mạch chỉnh lưu cầu 3 pha bán điều khiển Mục đích:  Quen với mạch chỉnh lưu cầu 3 pha,nguyên lý làm việc của mạch chỉnh lưu cầu 3 pha.  Ảnh hưởng của thành phần cảm kháng đến mạch như thế nào?  Tính toán và đo đạc các thành phần công suất. 1.Mạch chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển Lắp ráp mạch như hình sau: 20