Bài tập Điện tử công suất

BÀI TẬP ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Phần 1: Đặc tính van bán dẫn, mạch Driver và mạch Snubber Bài 1: Thiết kế mạch khuếch đại xung cho Tiristor SKKT 106/16E, nguồn sơ cấp biến áp xung 24VDC, tỷ số biến áp xung 3:1. Kết quả thiết kế được kiểm nghiệm bằng phần mềm mô phỏng PSIM. Bài 2: Thiết kế mạch driver cho MOSFET IRFP4468 sử dụng IC IR2110. Bài 3: Thiết kế mạch driver cho IGBT GT50J325 sử dụng IC HCPL316J hoặc HCPL3120. Bài 4: Phân tích quá trình chuyển mạch cho van bán dẫn MOSFET IRFP4468, IGBT GT50J325. Quá trình phân tích được được kiểm nghiệm bằng phần mềm mô phỏng LTSPICE. Phần 2: Chỉnh lưu Tiristor 1 pha (Phạm Quốc Hải, Phân tích và giải mạch điện tử công suất, Nhà xuất bản khoa học kĩ thuật) Bài 1: 1. Yêu cầu tính toán theo Thí dụ 2.3, trang 38; Bài tập 2.3a, Bài tập 2.3b, trang 40. 2. Mô phỏng kiểm chứng bằng phần mềm Matlab hoặc PSIM. 3. Phân tích phổ dòng điện sơ cấp máy biến áp (i1) và nhận xét. Bài 2: 1. Yêu cầu tính toán theo Thí dụ 2.4, trang 40; Bài tập 2.4a, Bài tập 2.4b, trang 42. 2. Mô phỏng kiểm chứng bằng phần mềm Matlab hoặc PSIM. 3. Phân tích phổ dòng điện sơ cấp máy biến áp (i1) và nhận xét. Bài 3: 1. Yêu cầu tính toán theo Thí dụ 2.5, trang 42; Bài tập 2.5a, Bài tập 2.5b, trang 44. 2. Mô phỏng kiểm chứng bằng phần mềm Matlab hoặc PSIM. 3. Phân tích phổ dòng điện sơ cấp máy biến áp (i1) và nhận xét. Bài 4: 1. Yêu cầu tính toán theo Thí dụ 2.6, trang 44; Bài tập 2.6a, Bài tập 2.6b, trang 46. 2. Mô phỏng kiểm chứng bằng phần mềm Matlab hoặc PSIM. 3. Phân tích phổ dòng điện đi xoay chiều đi vào bộ biến đổi và nhận xét. Bài 5: 1. Yêu cầu tính toán theo Thí dụ 2.7, trang 47; Bài tập 2.7a, Bài tập 2.7b, trang 48. 2. Mô phỏng kiểm chứng bằng phần mềm Matlab hoặc PSIM. 3. Phân tích phổ dòng điện đi xoay chiều đi vào bộ biến đổi và nhận xét. Bài 6: 1. Yêu cầu tính toán theo Thí dụ 2.8, trang 48; Bài tập 2.8, trang 50. 2. Mô phỏng kiểm chứng bằng phần mềm Matlab hoặc PSIM. 3. Phân tích phổ dòng điện đi xoay chiều đi vào bộ biến đổi và nhận xét. Bài 7: 1. Yêu cầu tính toán theo Thí dụ 2.9, trang 50; Bài tập 2.9, trang 50. 2. Mô phỏng kiểm chứng bằng phần mềm Matlab hoặc PSIM. 3. Phân tích phổ dòng điện đi xoay chiều đi vào bộ biến đổi và nhận xét. Bài 8: 1. Yêu cầu tính toán theo Thí dụ 2.10, trang 53; Bài tập 2.10, trang 53. 2. Mô phỏng kiểm chứng bằng phần mềm Matlab hoặc PSIM. 3. Phân tích phổ dòng điện đi xoay chiều đi vào bộ biến đổi và nhận xét. Phần 3: Chỉnh lưu Tiristor 3 pha (Phạm Quốc Hải, Phân tích và giải mạch điện tử công suất, Nhà xuất bản khoa học kĩ thuật) Bài 1: 1. Yêu cầu tính toán theo Thí dụ 2.11, trang 56; Bài tập 2.11a ÷ Bài tập 2.11b, trang 56- 57. 2. Mô phỏng kiểm chứng bằng phần mềm Matlab hoặc PSIM. Bài 2: 1. Yêu cầu tính toán theo Thí dụ 2.13, trang 59; Bài tập 2.13a ÷ Bài tập 2.13d, trang 59- 60. 2. Mô phỏng kiểm chứng bằng phần mềm Matlab hoặc PSIM. Bài 3: 1. Yêu cầu tính toán theo Thí dụ 2.18, trang 65; Bài tập 2.18, trang 66. 2. Mô phỏng kiểm chứng bằng phần mềm Matlab hoặc PSIM. Bài 4: 1. Yêu cầu tính toán theo Thí dụ 2.19, trang 66; Bài tập 2.19, trang 67. 2. Mô phỏng kiểm chứng bằng phần mềm Matlab hoặc PSIM. Bài 5: 1. Yêu cầu tính toán theo Thí dụ 2.20, trang 67; Bài tập 2.20, trang 68. 2. Mô phỏng kiểm chứng bằng phần mềm Matlab hoặc PSIM. Bài 6: 1. Yêu cầu tính toán theo Thí dụ 2.21, trang 68; Bài tập 2.21a ÷ Bài tập 2.13f , trang 70. 2. Mô phỏng kiểm chứng bằng phần mềm Matlab hoặc PSIM. Phần 4: Thiết kế sơ đồ chỉnh lưu cho một số ứng dụng 1. Trần Trọng Minh, Giáo trình điện tử công suất, Nhà xuất bản giáo dục Việt Nam. 2. Phạm Quốc Hải, Phân tích và giải mạch điện tử công suất, Nhà xuất bản khoa học kĩ thuật. 3. Phạm Quốc Hải, Hướng dẫn thiết kế mạch điện tử công suất, Nhà xuất bản khoa học kĩ thuật. Bài 1: Chỉnh lưu tia 3 pha. Ví dụ tham khảo thí dụ 2.14 và 2.15 (trang 60 ÷ 61, Phạm Quốc Hải, Phân tích và giải mạch điện tử công suất, Nhà xuất bản khoa học kĩ thuật). Sinh viên làm các bài tập 2.15a ÷ 2.15e trang 62 và 63. Trong đó cần phải bổ sung tính chọn các van bán dẫn trong sơ đồ mạch lực. Bài 2: Thiết kế sơ đồ đồ chỉnh lưu cho các ứng dụng cụ thể 1. Điều khiển động cơ 1 chiều (Ví dụ 5.3, trang 150, Trần Trọng Minh, Giáo trình điện tử công suất, Nhà xuất bản giáo dục Việt Nam). Bổ sung tính chọn được van bán dẫn Tiristor và mạch khuếch đại xung. 2. Tính toán cho nguồn hàn 1 chiều (Ví dụ 5.4, trang 159, Trần Trọng Minh, Giáo trình điện tử công suất, Nhà xuất bản giáo dục Việt Nam). Bổ sung tính chọn được van bán dẫn Tiristor và mạch khuếch đại xung. 3. Tính toán cho ứng dụng nạp acquy, mạ điện, lọc bụi tĩnh điện(trang 160 ÷ 180, Trần Trọng Minh, Giáo trình điện tử công suất, Nhà xuất bản giáo dục Việt Nam). Phần 5: Điều áp xoay chiều (Bộ biến đổi xung áp AC/AC) (Phạm Quốc Hải, Phân tích và giải mạch điện tử công suất, Nhà xuất bản khoa học kĩ thuật) Bài 1: 1. Yêu cầu tính toán theo Thí dụ 3.1, trang 84; Bài tập 3.1a ÷ Bài tập 3.1c, trang 88-89. 2. Mô phỏng kiểm chứng bằng phần mềm Matlab hoặc PSIM. Bài 2: 1. Yêu cầu tính toán theo Thí dụ 3.2, trang 89; Bài tập 3.1a ÷ Bài tập 3.2b, trang 90. 2. Mô phỏng kiểm chứng bằng phần mềm Matlab hoặc PSIM. Bài 3: 1. Yêu cầu tính toán theo Thí dụ 3.2, trang 94; Bài tập 3.4a ÷ Bài tập 3.4c, trang 98. 2. Mô phỏng kiểm chứng bằng phần mềm Matlab hoặc PSIM. Bài 4: 1. Yêu cầu tính toán theo Thí dụ 3.7, trang 102; Bài tập 3.7a ÷ Bài tập 3.7c, trang 106. 2. Mô phỏng kiểm chứng bằng phần mềm Matlab hoặc PSIM. Bài 5: 1. Yêu cầu tính toán theo Thí dụ 3.8, trang 107; Bài tập 3.8, trang 107. 2. Mô phỏng kiểm chứng bằng phần mềm Matlab hoặc PSIM. Phần 5: Thiết kế bộ biến đổi DC/DC Bài 1: Tính chọn mạch cho bộ biến đổi Buck có các tham số sau Điện áp đầu vào bộ biến đổi 15VDC Điện áp đầu ra bộ biến đổi 5VDC Công suất lớn nhất 100W Tần số chuyển mạch van MOSFET 100kHz Độ đập mạch dòng điện cho phép 20% Độ đập mạch điện áp đầu ra phép 1% 1. Vẽ dạng điện áp và dòng điện của các phần tử trên sơ đồ mạch lực. 2. Tính toán tham số mạch lực (Giá trị cuộn cảm, Giá trị tụ điện, Van bán dẫn MOSFET và DIODE cụ thể). 3. Mô phỏng kiểm chứng kết quả thiết kế bằng phần mềm Matlab hoặc PSIM. Bài 2: Tính chọn mạch cho bộ biến đổi Boost có các tham số sau Điện áp đầu vào bộ biến đổi 10VDC Điện áp đầu ra bộ biến đổi 15VDC Công suất lớn nhất 100W Tần số chuyển mạch van MOSFET 100kHz Độ đập mạch dòng điện cho phép 20% Độ đập mạch điện áp đầu ra phép 1% 1. Vẽ dạng điện áp và dòng điện của các phần tử trên sơ đồ mạch lực. 2. Tính toán tham số mạch lực (Giá trị cuộn cảm, Giá trị tụ điện, Van bán dẫn MOSFET và DIODE cụ thể). 3. Mô phỏng kiểm chứng kết quả thiết kế bằng phần mềm Matlab hoặc PSIM. Bài 2: Tính chọn mạch cho bộ biến đổi Buck - Boost có các tham số sau Điện áp đầu vào bộ biến đổi 10VDC Điện áp đầu ra bộ biến đổi 5 ÷ 15VDC Công suất lớn nhất 100W Tần số chuyển mạch van MOSFET 100kHz Độ đập mạch dòng điện cho phép 20% Độ đập mạch điện áp đầu ra phép 1% 4. Vẽ dạng điện áp và dòng điện của các phần tử trên sơ đồ mạch lực. 5. Tính toán tham số mạch lực (Giá trị cuộn cảm, Giá trị tụ điện, Van bán dẫn MOSFET và DIODE cụ thể). 6. Mô phỏng kiểm chứng kết quả thiết kế bằng phần mềm Matlab hoặc PSIM. Bài 4: Tính chọn tham số cho bộ biến đổi PFC có các tham số sau Sơ đồ mạch lực bộ biến đổi PFC Điện áp đầu vào xoay chiều 85 – 265VAC/50Hz Điện áp đầu ra bộ PFC 400V Công suất thiết kế 1200W Tần số mạch van MOSFET fs = 100 kHz Đập mạch điện áp đầu ra tại 120Hz 10% điện áp đỉnh – đỉnh Thời gian giữ điện áp 16,6ms tại điện áp 340VDC Đập mạch dòng điện 25% tại điện áp thấp và đầy tải 1. Vẽ dạng điện áp và dòng điện của các phần tử trên sơ đồ mạch lực. 2. Tính toán tham số mạch lực a. Cầu chỉnh lưu diode 1 pha. b. Tụ DC. c. Điện cảm d. Van bán dẫn MOSFET và Diode. 3. Mô phỏng kiểm chứng kết quả thiết kế bằng phần mềm Matlab hoặc PSIM. Bài 5: Tính chọn mạch cho bộ biến đổi Flyback có các tham số sau Điện áp đầu vào xoay chiều 85 – 265VAC/50Hz Điện áp đầu ra bộ PFC 45V Công suất thiết kế 75W Tần số mạch van MOSFET fs = 50 kHz Hệ số điều chế tại dòng điện vào lớn nhất 0,6 Hiệu suất 85% 4. Tính toán tham số mạch lực e. Cầu chỉnh lưu diode 1 pha. f. Tụ DC (Cin, Co) g. Biến áp xung T h. Van bán dẫn MOSFET (Q) và Diode (Do). i. Mạch snubber. 5. Mô phỏng kiểm chứng kết quả thiết kế bằng phần mềm Matlab hoặc PSIM. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Design Guideline of Single-Stage Flyback AC-DC Converter Using FAN7530 for LED Lighting, www.fairchildsemi.com [2] Buck Converter Design, Published by Infineon Technologies North America [3] Sam Abdel-Rahman, Franz Stückler , Ken Siu, PFC Boost Converter Design Guide, Application Note [4] Brigitte Hauke, Basic Calculation of a Boost Converter's Power Stage, SLVA372C [5] [6] Phần 5: Thiết kế bộ biến đổi DC/AC (Tài liệu tham khảo Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh “Điện tử công suất”). Bài tập 1: Hãy tính toán sơ đồ nghịch lưu nguồn áp một pha điều khiển theo phương pháp điều chế độ rộng xung PWM với các thông số sau: a) Giá trị điện áp hình sin ra mong muốn Uo = 220 VAC và tần số sóng cơ bản f1 = 50 Hz. b) Công suất đầu ra Po = 1000 W, hệ số công suất của tải trở cảm cos = 0,85. c) Tần số đóng cắt của PWM fs = 5 kHz. d) Dự phòng điện áp một chiều cung cấp UDC có thể dao động trong phạm vi +/- 10%. Cho phép sụt áp tại tần số sóng cơ bản trên cuộn cảm của mạch lọc LC không lớn hơn 10% điện áp đầu ra định mức Uo. Hãy xác định: 1 Điện áp một chiều yêu cầu: U DC (V). 2 Tính toán biên độ dòng đầu ra yêu cầu: I om (A). 3 Tính toán dòng trung bình qua van và điôt: I V , I D (A). 4 Xác định dòng đỉnh lớn nhất qua van IGBT và điôt. 5 Điện áp ngược lớn nhất qua van IGBT và điôt. 6 Xác định tụ lọc C phía xoay chiều từ hai điều kiện: 1. Tần số cắt của mạch lọc fLC = 0,1. fs 2. Bù hết công suất phản kháng của tải. 7 Tính toán giá trị tụ lọc C phía một chiều để đảm bảo độ đập mạch UDC = 5%UDC 8 Kiểm chứng bằng phần mềm mô phỏng Matlab. Bài tập 2: Hãy tính toán sơ đồ nghịch lưu nguồn áp ba pha điều khiển theo phương pháp điều chế độ rộng xung PWM với các thông số sau: e) Giá trị điện áp hình sin ra mong muốn Uo = 380 VAC và tần số sóng cơ bản f1 = 50 Hz. f) Công suất đầu ra Po = 5000 W, hệ số công suất của tải trở cảm cos = 0,85. g) Tần số đóng cắt của PWM fs = 5 kHz. h) Dự phòng điện áp một chiều cung cấp UDC có thể dao động trong phạm vi +/- 10%. Cho phép sụt áp tại tần số sóng cơ bản trên cuộn cảm của mạch lọc LC không lớn hơn 10% điện áp đầu ra định mức Uo. Hãy xác định: 1 Điện áp một chiều yêu cầu: U DC (V). 2 Tính toán biên độ dòng đầu ra yêu cầu: I om (A). 3 Tính toán dòng trung bình qua van và điôt: I V , I D (A). 4 Xác định dòng đỉnh lớn nhất qua van IGBT và điôt. 5 Điện áp ngược lớn nhất qua van IGBT và điôt. 6 Xác định tụ lọc C phía xoay chiều từ hai điều kiện: 1. Tần số cắt của mạch lọc fLC = 0,1. fs 2. Bù hết công suất phản kháng của tải. 7 Tính toán giá trị tụ lọc C phía một chiều để đảm bảo độ đập mạch UDC = 5%UDC 8 Kiểm chứng bằng phần mềm mô phỏng Matlab. Bài tập 3: Cho sơ đồ nghịch lưu nguồn áp cầu ba pha, UDC = 450 V, tải ba pha đối xứng ZA = ZB = ZC nối sao. Sơ đồ được điều khiển theo kiểu cơ bản, điện áp ra dạng 6 xung, mỗi van được điều khiển dẫn  = 180. 1 Hãy vẽ ra sơ đồ bộ biến đổi. 2 Hãy vẽ dạng xung dòng điện, điện áp ra của sơ đồ. 3 Hãy tính giá trị biên độ, hiệu dụng của thành phần sóng hài bậc nhất điện áp ra trên tải, điện áp pha và điện áp dây. 4 Kiểm chứng bằng phần mềm mô phỏng Matlab. Bài tập 4: Cho sơ đồ nghịch lưu nguồn áp cầu ba pha, UDC = 450 V, tải ba pha đối xứng ZA = ZB = ZC = 10 + 10j, nối sao. Sơ đồ được điều khiển theo kiểu theo quy luật điều chế PWM, xung răng cưa tam giác đối xứng, biên độ răng cưa +/- 1 V. Tần số đóng cắt mạch điều chế fs = 500 Hz. Tần số fs cố ý cho thấp, bằng 10 lần tần số ra để có thể vẽ được các đồ thị dạng xung của bộ điều chế và dạng xung điện áp ra. Tần số điện áp ra định mức f1 = 50 Hz. 1 Hãy vẽ ra sơ đồ bộ biến đổi và nguyên lý mạch điều chế PWM. 2 Sử dụng quy luật điều chế sin tuyến tính SPWM, hệ số điều chế m = 1. 1.2.1 Hãy vẽ dạng xung dòng điện (một cách tương đối), điện áp ra của sơ đồ, cho nửa chu kỳ điện áp ra của pha A. Đặc biệt lưu ý dạng của dòng một chiều đầu vào Id. 1.2.2 Hãy tính giá trị biên độ, hiệu dụng của thành phần sóng hài bậc nhất điện áp ra trên tải, điện áp pha và điện áp dây. 2. Kiểm chứng mô phỏng Matlab. Bài tập 5: Cho sơ đồ nghịch lưu nguồn áp cầu ba pha, UDC = 450 V, tải ba pha đối xứng ZA = ZB = ZC = 10 + 10j, nối sao. Sơ đồ được điều khiển theo kiểu theo quy luật điều chế PWM, xung răng cưa tam giác đối xứng, biên độ răng cưa +/- 1 V. Tần số đóng cắt mạch điều chế fs = 500 Hz. Tần số fs cố ý cho thấp, bằng 10 lần tần số ra để có thể vẽ được các đồ thị dạng xung của bộ điều chế và dạng xung điện áp ra. Tần số điện áp ra định mức f1 = 50 Hz. Sử dụng quy luật điều chế có thành phần thứ tự 0 dạng sin bậc ba, biên độ 1/6 sóng sin cơ bản, ZSS-PWM, hệ số điều chế m = 1,154. 1. Hãy vẽ dạng tín hiệu ra của bộ điều chế ZSS – PWM. 2. Hãy vẽ dạng xung dòng điện (một cách tương đối), điện áp ra của sơ đồ, cho nửa chu kỳ điện áp ra của pha A. Đặc biệt lưu ý dạng của dòng một chiều đầu vào Id. 3. Hãy tính giá trị biên độ, hiệu dụng của thành phần sóng hài bậc nhất điện áp ra trên tải, điện áp pha và điện áp dây. 4. Kiểm chứng bằng phần mềm mô phỏng Matlab. Bài tập 6: Cho sơ đồ nghịch lưu nguồn áp cầu ba pha, UDC = 450 V, tải ba pha đối xứng ZA = ZB = ZC = 10 + 10j, nối sao. Sơ đồ được điều khiển theo kiểu theo quy luật điều chế vector không gian SVM.Tần số đóng cắt mạch điều chế (tần số xung răng cưa tâm giác cân của khối PWM), fs = 5000 Hz. Tần số điện áp ra định mức f1 = 50 Hz. 1 Hãy xác định: + Các trạng thái van được phép (State Switches). + Các vector trạng thái (State Vector). + Thể hiện các vector không gian trên mặt phẳng tọa độ 0. 2 Vector điện áp ra mong muốn cho dưới dạng hệ tọa độ cực Uo = 250ejo , góc pha điện áp ra o = 2*50*t (rad). + Vector điện áp ra đang trong sector I, o = 35, hãy tính toán các hệ số biến điệu và thời gian sử dụng các vector chuẩn. + Hãy vẽ đồ thị mẫu xung điều khiển trong trường hợp này. + Hãy cho biết hệ số điều chế lớn nhất trong chế độ điều chế tuyến tính. 3 Vector điện áp ra mong muốn cho dưới dạng tọa độ thành phần  , 150, 80 T T oU u u      ; o = 2*50*t (rad). + Hãy xác định vector điện áp ra thuộc sector nào. Hãy tính toán các hệ số biến điệu và thời gian sử dụng các vector chuẩn. + Hãy vẽ đồ thị mẫu xung điều khiển trong trường hợp này (5.3.1). 4 Kiểm chứng bằng phần mềm mô phỏng Matlab.