bài giảng điện tử công suất và ứng dụng chương 1

Môn học ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT và ỨNG DỤNG Mạch điện tử công suất, điều khiển và ứng dụng Tài liệu tham khaœo: - tiếng Anh: - M.H.. Chương 1: Mở đầu Chương 2: Linh kiện điện tử công suất Chư

Môn học ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT và ỨNG DỤNG

( Mạch điện tử công suất, điều khiển và ứng dụng )

Tài liệu tham khaœo:

- tiếng Anh: - M.H Rashid, POWER ELECTRONICS – Circuits,

devices and applications, Pearson Education Inc., Pearson Prentice Hall 2004.

- tiếng Việt: - PTS Nguyễn văn Nhờ, Điện tủ công suất & Bài

Chương 1: Mở đầu Chương 2: Linh kiện điện tử công suất Chương 3: BBĐ điều khiển pha

Chương 4: BBĐ áp một chiều Chương 5: Nghịch lưu và biến tần nguồn áp Chương 6: Bộ nguồn một chiều

Chương 7: Điều khiển động cơ

- tải bài giảng và tài liệu tham khảo:

http://www.4shared.com/account/dir/1CcVzXvw/sharing.html

chương trình mô phỏng PSIMDEMO:

http://www.powersimtech.com/index.php?name=download

Chương 1: Mở đầu

1.1 Khái niệm chung: Bộ biến đổi và ngắt điện điện tử 1.2 Nội dung và phương pháp khảo sát mạch điện tử

công suất 1.3 Tính chọn linh kiện công suất

1.4 Bảo vệ linh kiện công suất và bộ biến đổi

I.1 CÁC KHÁI NIỆM:

1 ĐTCS và BBĐ:

- Các tên gọi:

Điện tử công suất

(Power Electronics)

Điện tử công suất lớn.

Kỹ thuật biến đổi điện năng.

- ĐTCS: bộ phận của Điện tử ứng dụng hay Điện tử công nghiệp.

- Phân loại các bộ Biến Đổi (BBĐ - Converter) theo mục đích:

1 Bộ Biến Đổi (tiếp):

- Mạch ĐTCS sử dụng Ngắt Điện Bán Dẫn NĐBD (Ngắt Điện Điện Tử – SEMICONDUCTOR SWITCH)

Ví dụ về Ngắt Điện Điện Tử: Diod, Transistor, SCR

- BBĐ còn có thể phân loại theo phương thức hoạt động của NĐBD.

2 Ngắt điện bán dẫn:

Là các linh kiện điện tử:

- Làm việc trong chế độ đóng ngắt.

- Được lý tưởng hóa để các khảo sát của mạch ĐTCS có giá trị tổng quát.

- DIODE ( chỉnh lưu ):

ON : khi phân cực thuận: V AK > 0, sụt áp thuận V F = 0,

dòng phụ thuộc mạch.

OFF : khi phân cực ngược: V AK < 0, hở mạch.

G

- SCR ( Chỉnh lưu có điều khiển ):

OFF : Có thể ngắt mạch hai chiều ( VAK > 0 và VAK < 0 ) khi G = 0.

ON : Dẫn điện (đóng mạch) khi G  0 và phân cực thuận VAK > 0 SCR có khả năng tự giữ trạng thái dẫn điện:

khi đã ON, SCR chỉ OFF khi I A -> 0.

G

- Ngắt điện bán dẫn một chiều (NĐBDMC) - gọi tắt là ngắt điện hay

TRANSISTOR:

VS luôn luôn > 0 : không phân cực ngược

OFF : Ngắt mạch khi G = 0

ON : Dẫn điện (đóng mạch) khi G  0

Có hai loại chính :

BJT (G là dòng cực B), MOSFET công suất (G là áp V GS ).

Trong thực tế, NGẮT ĐIỆN là linh kiện hay tổ hợp linh kiện điện tử.

G

Diode NDBDMC SCR

I.2 NỘI DUNG KHẢO SÁT MẠCH ĐTCS:

Đầu vào khảo sát : Mạch ĐTCS + tín hiệu điều khiển NĐBD + tải.

Đầu ra: hoạt động của mạch: u(t), i(t) các phần tử

Số đo => Các đặc trưng áp, dòng, công suất

1 Các đặc trưng áp, dòng:

- Giá trị cực đại:

- Giá trị trung bình V O , I O

- Giá trị hiệu dụng V R , I R

Các biểu thức cho dòng điện trung bình và hiệu dụng:

2 Sóng hài bậc cao và hệ số hình dáng:

Phân tích các thành phần Fourier tín hiện răng cưa (o)

Sóng hài bậc 1 (cơ bản) (a), bậc 2 (b), bậc 3 (c) và tổng (d) = (a)+(b)+c).

Tổng hợp các thành phần Fourier xung vuông đến các sóng hài (harmonics) khác nhau

Khai triễn FOURIER dạng áp ra (làm việc có chu kỳ):

12

trong đó : V 0 : trị số trung bình ( thành phần một chiều ) của v(t)

 : tần số góc của v(t), chu kỳ T=/2

v n : sóng hài bậc n – có tần số n

A n , B n : các thành phần sin, cos của sóng hài bậc n

V n , n : biên độ và lệch pha của sóng hài bậc n

V R : Trị hiệu dụng của v(t).

3 Công suất và hệ số công suất:

- Công suất tác dụng (trung bình) P hay PO : năng lượng sử dụng trong một đơn vị thời gian.

- Công suất biểu kiến S : tích số giá trị hiệu dụng dòng và áp

- Hệ số công suất HSCS hay cos  : cho biết hiệu quả sử dụng năng lượng

S

P HSCS

I V S dt

t i t v T

4 Phương pháp nghiên cứu mạch:

Mạch điện tử công suất = tổ hợp nhiều mạch tuyến tính thay đổi theo trạng thái của các ngắt điện

Ví dụ 0: Khảo sát chỉnh lưu 1 diod tải RL có D phóng điện

bán sóng có diod

phóng điện D2, v là

nguồn xoay chiều.

Ở bán kỳ v > 0, D1 dẫn dòng i O

> 0

i

o v o

(c)

L R

Khi D2 dẫn điện, D1 không dẫn: v

< 0 và dòng

o

o i

v

(d)

R L

Khi dòng i O =

0 tương ứng không có diod dẫn điện.

i O > 0.

b Giải chu kỳ tựa xác lập mạch ĐTCS bằng PT vi phân hay biến đổi Laplace: Giải mạch điện theo t (lưu ý trạng thái các ngắt điện)

Ví dụ1: Giải ví dụ 0 để mô tả hoạt động của mạch

Áp nguồn v  2 V sin wt, điều kiện đầu t = 0; i O = 0

t = 0 : v > 0, D1 dẫn điện, mạch điện hình (b):

=>  sin(    ) sin     

t o

t: dòng i o Io 0 phóng qua diod phóng điện D2 :

. điều kiện đầu ( )

o

(c)

L R

b Giải chu kỳ tựa xác lập mạch ĐTCS bằng PT vi phân hay biến đổi Laplace:

- Khảo sát hoạt động trong một chu kỳ với giả sử các giá trị ban đầu của biến trạng thái của mạch được biết

- Nhận được hệ phương trình để tính các thông số cuả dạng dòng/áp

Ví dụ 2: Giải tiếp tục ví dụ 1 ở chế độ tựa xác lập.

t = 0 : D1 dẫn điện, phương trình vi phân mô tả mạch điện là:

điều kiện đầu

Ở bán kỳ kế, D2 cũng dẫn điện:

. điều kiện đầu ( )

(c)

L R

=> i o I e o. t và ở cuối chu kỳ  w

o

I1 I e <vd2.3>

<vd2.3>, <vd2.2> cho phép ta tính I 1 và I o từ đó vẽ được dạng dòng i O

Nhận xét: việc rút ra các đặc trưng dòng, áp từ KQ khó khăn

c Khảo sát dòng áp trên tải bằng nguyên lý xếp chồng: Nguyên lý xếp chồng: khai triển Fourier + tính chất tuyến tính

Hệ tuyến tính: f x x ( 1  2)  f x ( )1  f x ( )2

=> Giá trị trung bình dòng qua tải bằng tổng:

- dòng một chiều do thành phần trung bình áp trên tải

- các dòng điện hình sin do sóng hài bậc cao.

Thực tế ta chỉ cần tính tác dụng của những thành phần có ảnh hưởng lớn (một chiều hay tần số cơ bản).

Ví dụ 3: Tính dòng và áp trung bình qua điện trở R2 của mạch điện

hình Vd2, áp nguồn v có dạng trên hình Vd2.a, V = 200 volt.

Giải: Trị trung bình áp ra:

Thuật toán tổng quát để khảo sát mạch ĐTCS bằng máy tính:

Bước mở đầu: Xác định dòng áp qua các phần tử ở thời gian t = 0+

Bước 1: Dựa vào tín hiệu điều khiển và dòng, áp qua các ngắt điện,

tìm ra các ngắt điện ON

Bước 2: Thành lập phương trình mô tả mạch.

Bước 3: Giải phương trình mô tả mạch để tìm ra dòng áp qua các phần tử ở t = t + t

Bước 4: Khai thác số liệu tính, tăng thời gian hiện tại t  t + t

Bước 5: Kiểm tra điều kiện kết thúc khảo sát:

nếu thỏa thì qua bước 6, nếu không trở về bước 1.

Bước 6: Dừng chương trình.

Nhận xét: Việc khảo sát bằng máy tính ứng dụng phương pháp số để giải phương trình vi phân cho ta dòng áp qua các phần tử theo từng sai phân thời gian t

I.3 TÍNH CHỌN NGẮT ĐIỆN ĐIỆN TỬ:

1 Định mức áp: V DRM > k atV * V lvmax

V lvmax : Áp làm việc max V DRM : Áp khóa

k atV : hệ số an toàn áp  2.

Nhiệt độ mối nốiJ < Nhiệt độ cho phépcp

mối nối J vỏ SCR C  tản nhiệtH  môi trường A

tương ứng phương trình: J  A   P  ( RJC  RCH  RHA)

+ R JC : điện trở nhiệt mối nối (Junction) – vỏ (Case)

+ R CH : điện trở nhiệt vỏ – tản nhiệt (Heatsink)

+ R HA : điện trở nhiệt tản nhiệt – môi trường (Ambience)

Giải mạch ĐTCS => tổn hao công suất PTính toán nhiệt => J

- Gần đúng: tính dòng trung bình I O

hay hiệu dụng I R

và kiểm tra nhiệt độ vỏ linh kiện

I O < định mức trung bình I AVE

Hay I R < định mức hiệu dụng I RMS

D hay SCR: I RMS = 1.57 I AVE

BJT, MosFET:

I RMS , I AVE là hàm số của dạng dòng điện.

Hệ số an toàn dòng 1.3 – 2.

- Sử dụng dòng điện làm việc max Cách lắp linh kiện công

suất vỏ TO220AB vào tản nhiệt

Câu hỏi: - Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tải dòng?

1.Bạo veô doøng:

+ Bạo veô doøng cöïc ñái ( ngaĩn mách – quaù doøng töùc thôøi):

thođng soẩ Ti 2 dt

Caău chì taùc ñoông nhanh, Caău chì thođng thöôøng

CB ( ngaĩt mách töï ñoông – Aptomat )+ Bạo veô quaù tại ( quaù doøng coù thôøi gian ):

CB ( ngaĩt mách töï ñoông – Aptomat )

Rô le nhieôtMách hán doøng cụa boô ñieău khieơn voøng kín

2 Bạo veô aùp: (quaù aùp dáng xung)

260v

IRF450

T FR105

C 103 10k

R4