Thí nghiệm điện tử công suất

TRƯỜNG ĐH KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP.HCM TN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BÀI 1: THÍ NGHIỆM MẠCH KÍCH THYRISTOR VÀ TRIAC A. PHẦN LÝ THUYẾT I. Thyristor (SCR) Thyristor (tên ghép từ Thyratron và Transistor) được cấu tạo từ 4 lớp bán dẫn p-n-p-n (hình 1.1.a), có các điện cực ra Anod (A), Catod (K) và điện cực điều khiển (G). + Khi nối Anode với cực “+” và Cathode với cực “-” của nguồn một chiều, J1 và J3 được phân cực thuận và J2 phân cực ngược. Kết quả là gần như toàn bộ điện thế nguồn đặt lên lớp tiếp xúùc J2. Nếu tác động vào cực G một điện thế dương so với K (tín hiệu xung kích) thì Thysistor nhận năng lượng đủ lớn của điện trường tổng cộng. Các điện trường này sẽ ion hóa các nguyên tử bán dẫn, tạo ra các điện tử mới (thứ cấp). Các điện tử thứ cấp nhận năng lượng và gây ion hóa tiếp theo. Kết quả là một thác lũ điện tử được tạo ra trong lớp tiếp xúc J2 và chảy vào N1, sau đó qua P1 để tới cực A tạo thành dòng qua Thyristor. Thyristor làm việc trong chế độ này là chế độ mở, có điện trở thuận nhỏ và dòng dẫn I lớn. Để đưa Thyristor về trạng thái cấm (khóa), cần tiến hành theo 2 cách sau: - Giảm dòng I xuống giá trị duy trì dẫn. - Đảo chiều thế phân áp U hoặc tạo thế phân cực ngược cho Thyristor. Một số đặc điểm cần lưu ý khi sử dụng Thyristor: • Mỗi loại Thyristor chế tạo có các đặc trưng khác nhau, cần lựa chọn loại thích hợp với yêu cầu sử dụng: - Dòng điện định mức In: (tùy loại) ∼ A ÷ 1000A. - Dòng điện rò ∼ mA. P1 N1 N2 E2 E1 J1 J2 J3 - K a) Cấu tạo P2 E3 A K K A G äu G K A b) Ký hie A G c) Hình dạng bên ngoài Hình 1.1: Cấu trúc và hình dạng của Thysistor G Trang 1 TRƯỜNG ĐH KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP.HCM TN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ - Điện áp ngược cực đại Uin.max : ( Tùy loại) vài trăm Volt ÷ vài kV. - Dòng điện điều khiển IG. - Tốc độ tăng dòng điện dI/dt: A/μs. - Tốc độ tăng điện áp dV/dt: V/μs. - Thời gian khóa: vài chục μs. - Thời gian mở: vài μs. Quá trình chuyển từ mở sang cấm không xảy ra tức thời. Nếu khi Thyristor chưa cấm hẳn mà đã xác lập thế U để UA-K dương, sẽ làm đoản mạch nguồn và hỏng Thyristor. II. TRIAC ( Triode Alternative Current) Triac là dụng cụ tương đương với 2 Thyristor song song ngược chiều nhau có chung một cực điều khiển. Do làm việc với cả nguồn phân cực dương và âm, khái niệm Anode và Cathode của Triac không phù hợp. Được quy ước sử dụng ký hiệu T2 ( hoặc B2) và T1 (hoặc B1) cho các cực lối ra và cực điều khiển G ở gần T1. T1 T2 G P1 N1 P2 N2 T2 N3 P1 N1 P2 N2 - + T1 N3 E2 E1 E3 - + TaTb G +- G Hình 1.2: Cấu trúc (a) và cấu tạo Triac (b) a) b) Cấu trúc bán dẫn của Triac có thể mô tả bằng 2 cấu trúc 4 lớp tiếp xúc bán dẫn Ta và Tb. Trong trường hợp nối T2 với nguồn “+” và T1 với nguồn ”-“, G với “+”, nửa Ta của Triac làm việc như một Thyristor thông thường. Nếu phân cực nguồn ngược lại, điện tử từ N3 sẽ phóng vào P2, gây ra quá trình thác lũ do va chạm làm dẫn Tb. Khác với Thyristor, Triac có thể làm việc với điện thế điều khiển âm và không đổi trạng thái khi đảo cực nguồn thế nuôi. Trang 2 TRƯỜNG ĐH KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP.HCM TN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ I Ig2=0 ig3 III. Sơ đồ điều khiển (kích) Thyristor và Triac Thyristor và Triac có thể được kích bằng nguồn một chiều. Thời gian kích để chuyển trạng thái Thyristor và Triac không lớn. Sau khi được kích dẫn, tín hiệu điều khiển mất tác dụng. Chính vì vậy có thể điều khiển các linh kiện này bằng xung có biên độ và thời gian kéo dài tương ứng với từng loại sử dụng. AC K1 C2 SCR1 x Y * Rt + - +V I1 TF1 TẠO XUNG A2 Y X UP + TF2 * AC A1 K1 Hình1.4: Kiểu sơ đồ điều khiển đồng bộ pha cho Thyristor và Triac UF Ig2>0 UH IH Ig2>0 ig3 Ig2=0 Hình 1.3: Đặc tuyến V-A của Triac I III Trang 3 TRƯỜNG ĐH KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP.HCM TN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ B. THỰC HÀNH ĐIỀU KHIỂN ĐỒNG BỘ SCR & TRIAC I. THIẾT BỊ SỬ DỤNG 1. Thiết bị cho thực tập khảo sát mạch kích Thyristor và Triac (hình 1.5), chứa các phần tử chức năng: - Bảng nguồn PE-500PS ,chứa Aptomat 1 pha cho các ổ điện 220 VAC, Aptomat chính 3 pha cấp nguồn (~24VAC) cho thí nghiệm, cầu chì, đèn báo nguồn, các lối ra cho các nguồn ~24VAC/10A 3 pha, nguồn DC ±12V/1.5A. - Module nguồn kích DC và máy phát :PEC-501A. - Module liên kết quang và biến thế: PEC-501B. - Module tạo khung điều khiển đồng bộ:PEC-502. - Module linh kiện CS chứa Diode, Transistor, SCR, Triac, MOSFET: PE-511 - Module tải:PEL-521 2. Dao động ký 2 tia, Đồng hồ đo. 3. Phụ tùng: Dây có chốt cắm hai đầu. 4. Lưu ý ký hiệu thống nhất cho các khối để dễ xác định khi lắp ráp: - PE: Power Electronics-ký hiệu cho khối công suất, ví dụ PE-511,PE-512, … - PEC: Power Electronics Controller-ký hiệu cho các khối điện tử điều khiển, ví dụ PE-501A,B,PEC-502,PEC-503,… - PEL: Power Electronics Load-ký hiệu cho khối tải. Trang 4 TRƯỜNG ĐH KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP.HCM TN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Hình 1.5: Thiết bị thực tập khảo sát linh kiện điện tử công suất U V W B1 220V 24V B2 220V 24V B3 220V 24V U V W UAC + 12V GND - 12V Bộ ổn áp Bộ chỉnh lưu * * * Hình 1.6: Sơ đồ mạch nguồn 3 pha (24VAC) và mạch nguồn DC ( 12V) ± * U * V * W + 12VDC GND - 12VDC PE-500PS MAIN POWER POWER ON 220 VAC 3 PHASE POWER SUPPLY DC POWER SUPPLY POWER ON MAIN POWER 220 VAC Hình 1.7: Mô hình bộ nguồn công suất Trang 5 TRƯỜNG ĐH KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP.HCM TN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ II. THỰC HÀNH ĐIỀU KHIỂN ĐỒNG BỘ SCR VÀ TRIAC THEO PHA ĐIỆN LƯỚI 1. Nối sơ đồ thí nghiệm như hình 1.6: - Kiểm tra việc cấp nguồn ±12V và GND cho các module điện tử. - Cấp nguồn ∼24VAC cho lối vào X-Y sơ đồ điều khiển đồng bộ PEC-502. Chú ý chiều đánh dấu X&Y tương ứng với các cực nối tải. - Nối lối ra bộ điều khiển OUT1/A với chốt G và OUT1/B với chốt K của SCR1 (PE-511). - Nối chốt A/SCR1 với tải đèn R1(PEL-521). Nối tải đèn với nguồn 24VAC - Nối chốt Vrefo với Vrefi trên Module PEC-502 để cấp thế chuẩn từ biến trở P3 cho các bộ so sánh. 2. Sử dụng dao động ký quan sát dạng tín hiệu tại lối vào X-Y, các điểm kiểm tra TP1÷TP5 và lối ra sơ đồ điều khiển đồng bộ, tín hiệu trên tải đèn. Vặn biến trở P3 để thay đổi góc cắt pha, quan sát sự thay đổi tín hiệu trên tải tương ứng. (lưu ý: dùng dao động ký 2 tia để quan sát độ dịch của các tín hiệu). 3. Sử dụng OUT3 thay cho OUT1 của PEC-502. Nối OUT3/A với G và OUT3/B với K của SCR1. Quan sát dạng tín hiệu trên tải. So sánh với trường hợp sử dụng OUT1. Giải thích nguyên nhân khác nhau giữa chung. 4. Đảo ngược dây nối ∼24V cho lối vào sơ đồ điều khiển đồng bộ. Quan sát tín hiệu ra trên tải. Giải thích sự khác nhau giữa chúng. L Load Hình 1.8 : Sơ đồ điều khiển xung đồng bộ Thysistor với tải trở Trang 6 TRƯỜNG ĐH KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP.HCM TN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ 5. Thay tải trở bằng tải cảm L(PEL-521). Lặp lại các bước thí nghiệm trên. Vẽ dạng tín hiệu trên tải vào báo cáo. So sánh dạng tín hiệu trên tải khi dùng tải trở và tải cảm. Giải thích sự khác nhau giữa chúng. 6. Vẽ giản đồ so sánh trên tải R và L vào báo cáo khi đặt giá trị góc cắt pha (điều chỉnh P3) α = π/5. 7. Thay thế Thyristor bằng Triac cho trường hợp tải trở và tải cảm (hình 1.8). Lặp lại các bước thí nghiệm cho sơ đồ Triac (giống như đối với Thyristor). Vẽ dạng tín hiệu trên tải vào báo cáo. So sánh dạng tín hiệu và giải thích sự khác nhau giữa chúng. 8. Vẽ giản đồ sóng trên tải R và L vào báo cáo khi đặt giá trị góc cắt pha (điều chỉnh P3) α = π/5. Hình 1.9: Sơ đồ điều khiển xung đồng bộ Thysistor với tải cảm L Loa d Hình 1.10: Sơ đồ điều khiển xung đồng bộ Triac với tải trở Trang 7