Giáo trình Điện tử công suất - Đinh Hoàng Bách

Nội dung text: Giáo trình Điện tử công suất - Đinh Hoàng Bách

1. TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ MÔN HỌC: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT MÃ MÔN HỌC : 403005 GV. ĐINH HOÀNG BÁCH 02 Jan 2011 403005 – Điện tử công suất 1
2. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Điện Tử Công Suất , TS. Nguyễn Văn Nhờ , ĐHBK TP.HCM. [2] Ned Mohan, Tore M. Underland, Robbins: Power Electronics, 1989 [3] M.Rashid: Power Electronics [4] M.Rashid: Spice for Power Electronics and Electric Power, 1993 [5] Matlab Guide: Power System Blockset, 1998 02 Jan 2011 403005 – Điện tử công suất 2
3. ĐÁNH GIÁ MÔN HỌC Thi giữa kì: 20% Kiểm tra trên lớp: 10% Thi cuối kì: 70% 02 Jan 2011 403005 – Điện tử công suất 3
4. CHƯƠNG I: Giới thiệu linh kiện điện tử công suất 02 Jan 2011 403005 – Điện tử công suất 4
5. Các linh kiện ĐTCS  Các linh kiện không điều khiển: DIOD, DIAC  Các linh kiện chỉ điều khiển đóng được: SCR, TRIAC  Các linh kiện điều khiển đóng ngắt được: BJT, MOSFET, IGBT, GTO  Các linh kiện khác (R,L,C) 02 Jan 2011 403005 – Điện tử công suất 5
6. DIOD - Ký hiệu - Đặc tính Volt-Ampere (đặc tính tĩnh) - Cấu trúc p-n Đặc tính đóng-ngắt (đặc tính động) + Khi dòng thuận qua diode giảm nhanh, diode sẽ không ngắt theo đặc tính V-A; + Khi dòng thuận giảm tới 0, diode không ngắt ngay mà dẫn theo chiều ngược lại; + Sau một thời gian ngắn dòng này giảm nhanh về giá trị dòng nghịch. Lúc này điện trở nghịch của diode được phục hồi và diode có khả năng chịu áp nghịch. 02 Jan 2011 403005 – Điện tử công suất 6
7. DIAC - Ký hiệu - Đặc tính Volt-Ampere (đặc tính tĩnh) + Khi áp nằm trong khoảng -UBO, +UBO diac không dẫn; + Khi áp lớn hơn +UBO hoặc nhỏ hơn -UBO diac dẫn - Cấu trúc p-n + 2 lớp tiếp giáp p-n; - Đặc điểm + Dẫn dòng theo cả 2 chiều. Khi dẫn điện áp trên Diac nhỏ, dòng qua lớn theo cả 2 chiều thuận nghịch. 02 Jan 2011 403005 – Điện tử công suất 7
8. THYRISTOR (SCR) - Ký Hiệu - Cấu trúc p-n - Đặc tính Volt-Ampere (đặc tính tĩnh) + Nhánh thuận: thyristor đóng, điện áp trên thyristor gần bằng 0; + Nhánh nghịch: thyristor ngắt, chịu áp nghịch và dòng gần bằng 0; + Trạng thái khóa: thyristor ngắt và chịu được áp thuận. 02 Jan 2011 403005 – Điện tử công suất 8
9. THYRISTOR (SCR) - Đặc điểm + Thyristor đóng khi có 2 điều kiện: I/ Thyristor ở trạng thái khóa; II/ Có xung dòng kích IG>0 đủ lớn. + Quá trình ngắt Thyristor qua 2 giai đoạn: I/ Dòng thuận giảm xuống thấp hơn dòng duy trì (bằng cách thay đổi điện trở hay điện áp trên Thyristor); II/ Thyristor phục hồi khả năng khóa (duy trì áp ngược). Giai đoạn đầu của quá trình ngắt Thyristor tương tự như Diode. Tuy nhiên sau khi phục hồi điện trở nghịch, cần có thêm thời gian để khả năng khóa của Thyristor được phục hồi. 02 Jan 2011 403005 – Điện tử công suất 9
10. THYRISTOR (SCR) - Các thông số cơ bản + Điện áp nghịch cực đại lặp lại URRM; + Điện áp khóa cực đại lặp lại UDRM; + Điện áp nghịch cực đại không lặp lại URSM; µ + Độ tăng điện áp khóa cho phép (du/dt)crit (V/ s) ; µ + Độ tăng của dòng điện cho phép (di/dt)crit (A/ s) ; + Điện áp kích VG; + Dòng kích IG; + Dòng hiệu dụng ITRMS; + Dòng trung bình ITAV; + Độ sụt áp theo chiều thuận VT; + Dòng duy trì IH; + Thời gian ngắt tối thiểu (duy trì áp ngược để phục hồi khả năng khóa) tq. 02 Jan 2011 403005 – Điện tử công suất 10
11. TRIAC - Ký hiệu : - Đặc tính Volt-Ampere (đặc tính tĩnh) + Dẫn dòng theo cả 2 chiều; + Có 2 trạng thái: đóng và khóa. - Đặc điểm + Khi trên Triac có điện áp khác 0, đóng Triac được thực hiện bằng xung IG có chiều bất kỳ. Tuy nhiên độ nhạy sẽ cao hơn khi kích thuận (dòng kích dương khi dòng qua Triac dương và ngược lại); + Không điều khiển ngắt Triac. Triac ngắt theo nguyên tắc của Thyristor 02 Jan 2011 403005 – Điện tử công suất 11
12. TRIAC - Các thông số cơ bản + Điện áp nghịch cực đại lặp lại URRM; + Điện áp khóa cực đại lặp lại UDRM; µ + Độ tăng điện áp khóa cho phép (du/dt)crit (V/ s) ; µ + Độ tăng của dòng điện cho phép (di/dt)crit (A/ s); + Điện áp kích cực đại VGM; + Dòng kích cực đại IGM; + Dòng hiệu dụng ITRMS; + Độ sụt áp khi dẫn VT; + Dòng duy trì IH. 02 Jan 2011 403005 – Điện tử công suất 12
13. BJT - Ký hiệu - Cấu trúc p-n + Có 2 lớp tiếp giáp p-n; + Trong ĐTCS thường sử dụng BJT mắc cực E chung làm việc như công tắc CE được điều khiển bằng dòng iB. - Đặc tính Volt-Ampere (đặc tính tĩnh) + Trong ĐTCS BJT làm việc ở chế độ đóng ngắt, nên điểm làm việc không nằm trong vùng khuếch đại. + Cần hạn chế điện áp âm trên BE vì khả năng chịu áp ngược của BJT khá thấp. 02 Jan 2011 403005 – Điện tử công suất 13
14. BJT - Các thông số cơ bản + Hệ số khuếch đại tĩnh của dòng hFE = IC / IB khi UCE = const, hệ số khi bão hòa hFE SAT; + Định mức điện áp: phụ thuộc vào khả năng chịu áp của các lớp bán dẫn uCEOM - là điện áp cực đại trên lớp CE khi IB= 0, uEBOM - là điện áp cực đại trên lớp EB khi IC = 0; + Định mức dòng điện: IBM, ICM, IEM; + Công suất giới hạn cho phép: chủ yếu do tổn hao công suất ở ngõ ra PC = UCE*IC; + Thời gian trễ đóng, ngắt ton, toff. 02 Jan 2011 403005 – Điện tử công suất 14
15. MOSFET - Ký hiệu - Cấu trúc p-n - Đặc tính Volt-Ampere (đặc tính tĩnh) - Đặc điểm + Là transistor hiệu ứng trường, dẫn điện chỉ bằng 1 loại hạt dẫn; + Đóng ngắt nhanh, tổn hao đóng ngắt thấp; + Điện trở khi dẫn điện lớn nên tổn hao công suất khi dẫn lớn; + Điều khiển bằng điện áp cổng uGS, để MOSFET dẫn điện 02 Janáp 2011 này phải tác động403005 liên – Điện tục. tử công suất 15
16. IGBT - Ký hiệu - Cấu trúc p-n - Đặc tính Volt-Ampere (đặc tính tĩnh) - Đặc điểm + Là transistor được điều khiển bởi MOSFET ở ngõ vào, đóng ngắt bằng điện áp uGE; + Có điện áp và dòng định mức lớn; + Đóng ngắt nhanh, tổn hao đóng ngắt thấp; + Có thể làm việc ở tần số cao; + Sụt áp khi dẫn thấp. 02 Jan 2011 403005 – Điện tử công suất 16
17. GTO - Ký hiệu - Cấu trúc p-n - Đặc tính Volt-Ampere (đặc tính tĩnh) - Đặc điểm + Tương tự như thyristor nhưng có thể điều khiển ngắt; + Kích đóng bằng xung dòng, cần duy trì dòng kích khi GTO dẫn; + Kích ngắt bằng xung dòng âm có giá trị lớn. Năng lượng cần cho việc kích ngắt lớn hơn lúc kích đóng gấp nhiều lần, quá trình kích ngắt chậm; + Ứng dụng trong các mạch công suất lớn. 02 Jan 2011 403005 – Điện tử công suất 17
18. CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU BỘ CHỈNH LƯU 02 Jan 2011 403005 – Điện tử công suất 18
19. Phân loại 02 Jan 2011 403005 – Điện tử công suất 19
20. Phân loại (tt) α Mạch Pha Điều khiển Góc Ud IV1 I1 Tia 1 (1) (0,π ) I /2 I 2 2.cosα d d U π 2 Cầu 1 (1) (0,π ) 2 2.cosα I /2 I U d d π Cầu 1 (2) (0,π ) 2.(1+ cosα) I /2 π − α U d I π π d (3) π Cầu 1 (0, ) 2.(1+ cosα) π −α π − α U I I π 2π d π d (1) - điều khiển hoàn toàn; (2) - điều khiển bán phần đối xứng; (3) - điều khiển bán phần không đối xứng 02 Jan 2011 403005 – Điện tử công suất 20
21. Phân loại (tt) α Mạch Pha Điều khiển Góc Ud IV1 I1 (1) π Tia 3 (0, ) 3 6.cosα Id/3 I U d 2π 3 Cầu 3 (1) (0,π ) 3 6.cosα I /3 2 U d I π 3 d (2) π π Cầu 3 (0, ) 3 6.(1+ cosα) Id/3 •α : 3 π −α I π d 02 Jan 2011 403005 – Điện tử công suất 21
22. Các chế độ làm việc Tham số \ PP điều khiển ĐK hoàn toàn ĐK bán phần Góc điều khiển α 0 0 0 Công suất trên tải Pd >0 0 Chiều truyền công suất Nguồn → Tải Nguồn ← Tải Nguồn → Tải Chế độ làm việc Chỉnh lưu Nghịch lưu Chỉnh lưu 02 Jan 2011 403005 – Điện tử công suất 22
23. Chế độ dòng liên tục và gián đoạn  Điện áp chỉnh lưu có chứa thành phần xoay chiều làm dòng chỉnh lưu có thể bị gián đoạn;  Khi dòng tải liên tục, trị trung bình của áp chỉnh lưu chỉ phụ thuộc vào nguồn và góc kích. Khi dòng gián đoạn, dạng điện áp chỉnh lưu còn phụ thuộc vào tham số của tải;  Dòng tải gián đoạn làm đặc tính điều khiển trở thành phi tuyến, hệ thống trở nên khó hiệu chỉnh nên cần hạn chế vùng dòng gián đoạn. 02 Jan 2011 403005 – Điện tử công suất 23
24. Bài tập áp dụng  Xem các Ví dụ 2.1, 2.2, 2.5, 2.7, 2.17 trong tài liệu [1] 02 Jan 2011 403005 – Điện tử công suất 24
25. CHƯƠNG III: GIỚI THIỆU BỘ BIẾN ĐỔI ÁP XOAY CHIỀU 02 Jan 2011 403005 – Điện tử công suất 25
26. Chức năng, đặc điểm, ứng dụng  Với nguồn điện áp ngõ vào có giá trị và tần số không đổi, bộ biến đổi điện áp xoay chiều dùng để thay đổi điện áp hiệu dụng ở ngõ ra;  Điện áp ngõ vào và ngõ ra có cùng tần số;  Tương tự như máy biến áp nhưng điện áp ngõ ra có thể thay đổi liên tục (thay đổi vô cấp);  Dùng để điều khiển công suất các tải xoay chiều như lò nướng, bếp điện, động cơ không đồng bộ, 02 Jan 2011 403005 – Điện tử công suất 26
27. Bộ biến đổi xoay chiều 1 pha + Là công tắc bán dẫn với 2 Thyristor mắc song song ngược chiều nhau, nếu tải có công suất nhỏ thì có thể thay bằng Triac; + Phụ thuộc vào góc điều khiển, điện áp trên tải thay đổi trong khoảng từ 0 tới giá trị điện áp nguồn; 02 Jan 2011 403005 – Điện tử công suất 27
28. Các tham số Loại tải R L Góc điều khiển 0< α < π 0< α < π /2 < α < π π /2 α α α α U / U sin 2 1 − 2 + sin 2 t 1− + 2 π 2π π π R ωL Tải tương α = Z =ω L α = R( ) L Z L ( ) đương α sin 2α 2α sin 2α 1− + 2 − + π 2π π π Điều khiển áp Được Không Được tải được Dòng tải Gián đoạn Liên tục Gián đoạn 02 Jan 2011 403005 – Điện tử công suất 28
29. Đặc tính điều khiển Ghi chú: U, Ut - trị hiệu dụng của điện áp nguồn và điện áp trên tải; It - dòng hiệu dụng qua tải. 02 Jan 2011 403005 – Điện tử công suất 29
30. Bộ biến đổi xoay chiều 3 pha + Gồm 3 công tắc bán dẫn mắc vào 3 pha của nguồn, nếu tải có công suất nhỏ thì có thể thay bằng Triac; + Góc kích thay đổi trong khoảng 0 < α < 5π /6; + Việc mô tả các quá trình điện áp và dòng điện được thực hiện bằng cách mô phỏng trên máy tính. 02 Jan 2011 403005 – Điện tử công suất 30
31. Công tắc xoay chiều  Đóng nguồn hay ngắt nguồn cho tải xoay chiều;  Ưu điểm so với công tắc cơ: không có hiện tượng phóng tia lửa điện, đáp ứng nhanh, công suất điều khiển nhỏ;  Khuyết điểm: ở trạng thái đóng luôn có độ sụt áp trên công tắc, ở trạng thái ngắt luôn có dòng điện rò;  Dùng đóng ngắt các tải: động cơ, tụ bù công suất phản kháng,  Đóng công tắc: cấp xung kích liên tục đồng thời vào tất cả các thyristor để chúng thay phiên nhau dẫn. Hoạt động như bộ biến đổi điện áp xoay chiều với góc kích α luôn bằng 0;  Ngắt công tắc: khóa kích đồng thời tất cả các thyristor. 02 Jan 2011 403005 – Điện tử công suất 31
32. Bài tập áp dụng  Xem các ví dụ 3.1, 3.2, 3.5 và 3.6 trong tài liệu [1]. 02 Jan 2011 403005 – Điện tử công suất 32
33. CHƯƠNG IV: GIỚI THIỆU BỘ NGHỊCH LƯU 02 Jan 2011 403005 – Điện tử công suất 33
34. Chức năng, đặc điểm, ứng dụng của mạch nghịch lưu  Biến đổi nguồn một chiều thành xoay chiều;  Nguồn có thể là nguồn áp hay nguồn dòng, ở ngõ ra có thể điều khiển điện áp hay dòng điện;  Là thành phần quan trọng trong bộ biến tần. Có thể ứng dụng trong điều khiển động cơ AC, bộ lưu điện, nguồn gia dụng, bù công suất phản kháng, lò cảm ứng, 02 Jan 2011 403005 – Điện tử công suất 34
35. Phân loại 02 Jan 2011 403005 – Điện tử công suất 35
36. Bộ nghịch lưu áp 1 pha cầu (1) (2) (3) Ut Ut(n) THD U 2 2 48.3% U nπ , n lẻ 02 Jan 2011 403005 – Điện tử công suất 36
37. Bộ nghịch lưu áp 1 pha bán cầu (1) (2) (3) Ut Ut(n) THD U/2 2 48.3% U nπ , n lẻ 02 Jan 2011 403005 – Điện tử công suất 37
38. Bộ nghịch lưu áp 3 pha cầu (1) (2) (3) Ut Ut(n) THD 31.1% 2 2 U U 3 nπ , n lẻ 02 Jan 2011 403005 – Điện tử công suất 38
39. Bộ nghịch lưu áp đa bậc (1) (2) (3) Ut Ut(n) THD 6 21.1% 19 U U π 5 n , n lẻ 02 Jan 2011 403005 – Điện tử công suất 39
40. Bộ nghịch lưu dòng 1 pha 02 Jan 2011 403005 – Điện tử công suất 40
41. Bộ nghịch lưu dòng 3 pha 02 Jan 2011 403005 – Điện tử công suất 41
42. Bài tập áp dụng  Xem các ví dụ 5.6, 5.7, 5.9 và 5.10 trong tài liệu [1]. 02 Jan 2011 403005 – Điện tử công suất 42
43. CHƯƠNG V: GIỚI THIỆU BỘ BIẾN TẦN 02 Jan 2011 403005 – Điện tử công suất 43
44. Chức năng, đặc điểm, ứng dụng  Biến đổi điện áp / dòng xoay chiều từ tần số này thành tần số khác, số pha cũng có thể thay đổi;  Dùng để điều khiển tốc độ động cơ AC đồng bộ hay không đồng bộ, điều khiển năng lượng cung cấp cho lò cảm ứng. 02 Jan 2011 403005 – Điện tử công suất 44
45. Phân loại các bộ biến tần 02 Jan 2011 403005 – Điện tử công suất 45
46. Bộ biến tần gián tiếp  Bộ chỉnh lưu (có điều khiển hay không điều khiển): dùng để biến đổi điện áp xoay chiều tần số không đổi 1 hay 3 pha thành điện áp hay dòng 1 chiều.  Khâu trung gian 1 chiều: là nguồn cho bộ nghịch lưu, gồm cuộn cảm L và tụ lọc C có giá trị lớn (vài ngàn µ F) nếu bộ biến tần có chứa bộ nghịch lưu áp. Nếu bộ biến tần có chứa bộ nghịch lưu dòng thì khâu trung gian 1 chiều chỉ có cuộn cảm L (vài mH).  Bộ nghịch lưu biến điện áp / dòng điện 1 chiều thành điện áp / dòng điện xoay chiều 1 hay 3 pha với tần số thay đổi được ở ngõ ra. 02 Jan 2011 403005 – Điện tử công suất 46
47. Bộ biến tần trực tiếp  Có cấu tạo giống bộ chỉnh lưu kép;  Tạo điện áp trên tải bằng các phần của điện áp nguồn, không qua khâu trung gian;  Khác với bộ chỉnh lưu kép, bộ biến tần trực tiếp có điện áp trên tải thay đổi tuần hoàn với tần số thấp hơn tần số của điện áp nguồn;  Có thể điều khiển các bộ chỉnh lưu trong bộ biến tần trực tiếp theo phương pháp điều khiển riêng hay phương pháp điều khiển đồng thời;  Sơ đồ mạch và qui luật điều khiển phức tạp hơn bộ biến tần gián tiếp; 02 Jan 2011 403005 – Điện tử công suất 47