Bài giảng điện tử công suất

Bài giảng điện tử công suất

7 Đi u ki n tiên quy t:

8 Mô t vắn tắt n i dung h c ph n:

Học phần bao gồm các phần chính: khái niệm & các đại l ợng đặc tr ng; linh kiện bán

dẫn công suất; bộ chỉnh l u; bộ biến đổi điện áp xoay chiều; bộ biến đổi điện áp 1 chiều; bộ

nghịch l u - biến tần

9 Nhi m vụ của sinh viên:

- Dự lớp: Trên 80% tổng số buổi lên lớp

- Bài tập: làm các bài tập lớp và nhà Hoàn thành bài thi và các bài kiểm tra

10 Tài li u h c t ập:

- Sách, giáo trình chính

[2] Điện tử công suất _ Nguyễn Bính _ NXB khoa học và kỹ thuật

- Sách tham kh o

[2] Trang bị điện tử công nghiệp _ Vũ Quang Hồi _ NXB Giáo Dục

[3] Giáo trình điện tử công suất 1_ Nguyễn Văn Nh _ NXB Đại Học Quốc Gia TP.HCM

12 Nội dung chi tiết học phần:

Ch ơng 1: LINH KI N BÁN D N CÔNG SU T

2.2.1 Chỉnh l u hình tia không điều khiển

2.2.2 Chỉnh l u hình tia có điều khiển

2.2.3 Chỉnh l u cầu không điều khiển

2.2.4 Chỉnh l u cầu có điều khiển

Ch ơng 4: Đ I ĐI N M T CHI U THÀNH ĐI N XOAY CHI U

4.1 Sơ đ nữa c u dùng ngu n đôi

4.2 Sơ đ c u

4.3 Sơ đ đ y kéo

4.4 Đ i đi n m t chi u ra đi n xoay chi u dạng sin

4.5 Đ i đi n m t chi u ra đi n xoay chi u 3 pha

Ch ơng 5: B BI N T N

5.1 C u trúc b bi n t n

5.2 H ng d n sử dụng m t số bi n t n thông dụng

Ch ơng 1: LINH KI N BÁN D N CÔNG SU T

A Mục tiêu :

Sau khi học xong chương này, học sinh phải :

- Nhận dạng đ ợc linh kiện

- Nguyên lý hoạt động của từng loại linh kiện công suất

- Vẽ đ ợc đ ng đặt tuyến của từng loại linh kiện

B N i dung :

1.1 DIODE

Điện áp nghịch đặt lên diode mà nó có thể chịu đ ợc tùy từng loại, có thể từ hàng trăm vôn đến hàng ngàn vôn Dòng điện mà diode chịu đ ợc cũng tùy theo từng loại có thể

từ vài trăm mA đến hàng trăm A Diode th ng đ ợc sử dụng trong chỉnh l u

Hình 1.1 Ký hiệu và hình dạng diode

A

K

Trong điện tử công suất, transistor làm việc chế độ khóa Thông số quan trọng

Hình 1.2: Ký hiệu và hình dạng một sô loại transistor

1.3 THYRISTO R ( SCR )

Có 3 cực: Anôt, Catôt và Gate (cực cổng)

Điều kiện cần và đủ m SCR - UAK > 1V

Điều kiện SCR khoá: Khi đư m , SCR không tự khoá mặc dù xung dòng điều khiển đư hết

Để khóa SCR có hai cách:

Điện tr SCR trạng thái ngắt cỡ hàng trăm kΩ, trạng thái m còn khoảng

1.4 TRIAC

Triac giống hai SCR mắc song song ng ợc nhau Triac có thể dẫn dòng theo hai chiều tùy theo cách kích cực G, vì vậy triac không còn có khái niệm anôt và catôt thay vào đó là T1 (hoặc B1) và T2 (hoặc B2) với ký hiệu T1 gần cực G

Hình 1.4: Cấu tạo và ký hiệu triac

Ph ơng pháp kích triac (m triac)

+ Khi T2 có điện áp d ơng, kíck cực G bằng triac xung d ơng thì triac dẫn theo chiều

từ T2 đến T1

+ Khi T2 có điện áp âm, kíck cực G bằng xung âm thì triac dẫn theo chiều từ T1 đến

T2

Hình 1.5: Các ph ơng pháp kích triac

C Câu hỏi ôn tập

Câu 1: Trình bày nguyên lý hoạt động của Diode, Transitor, thyristor, triac

Câu 2: Vẽ đ ng đặt tuyến của Diode, Transitor, thyristor, triac

Z -

Ch ơng 2: B Đ I ĐI N XOAY CHI U THÀNH ĐI N M T CHI U

A Mục tiêu :

Sau khi học xong chương này, học sinh phải :

- Trình bày đ ợc vai trò của điện một chiều

- Vẽ lại s đồ và dạng sóng ngõ ra của các mạch chỉnh l u không điều khiển và chỉnh l u có điều khiển

phẳng điện áp chỉnh l u, giảm độ mấp mô

mạch chỉnh l u đ a đến mạch điều khiển

Hình 2.1: Cấu trúc chung của một sơ đồ chỉnh l u

2.1 CH NH L U 1 PHA

2.1.1 Ch nh l u 1 pha không đi u khiển

a Ch nh l u nửa chu kỳ

T i thu n trở R bán kỳ d ơng diode cho dòng qua tải, Uo=Ui Bán kỳ âm

diode khóa không cho dòng qua tải Uo = 0 Gía trị điện áp chỉnh l u trung bình :

Utb=0,45Ui với Ui trị hiệu dụng của điện áp vào

Hình 2.2: Sơ đồ chỉnh l u bán kỳ và dạng điện ra trên tải

T i đi n trở và đi n c m (R + L): Vì tải có tính cảm nên sẽ sinh ra sức điện

động tự cảm e ng ợc với chiều biến thiên của dòng điện: e = - L.di/dt, tức là nó có xu

h ớng chống lại sự tăng hoặc giảm dòng điện sinh ra nó Trên hình ta thấy rằng, trong

1   2 dòng vào giảm dần, sức điện động

T ải một chi ều

t

uO

iR

tự cảm e sinh một dòng điện cùng chiều với dòng vào (chống lại sự giảm của dòng vào)

vì vậy dù ui đổi chiều nh ng vẫn có dòng qua tải Trong thực tế đối với mạch tải R + L

ng i ta dùng một diod Dr mắc song song với tải để dẫn dòng tự cảm hoàn trả năng

l ợng, vừa để duy trì đ ợc dòng điện tải trong nửa chu kỳ âm của điện áp nguồn vừa

Hình 2.3: Sơ đồ chỉnh l u bán kỳ tải R + L và dạng điện áp, dòng điện ra trên tải

b Ch nh l u 2 nửa chu kỳ (toàn kỳ)

* Mạch ch nh l u hình tia

Hình 2.4: Sơ đồ chỉnh l u toàn bán kỳ và dạng điện áp ra trên tải

Với mạch chỉnh l u hình tia dùng diode điện áp ra trung bình: Utb = 0,45.Ui Dòng trung bình qua tải

R

UR

uO

Sơ đồ hình tia có nh ợc điểm là điện áp ng ợc đặt lên Diode lớn gấp đôi nên ít

đ ợc dùng

* Mạch ch nh l u hình c u

Hình 2.5: Sơ đồ chỉnh l u toàn bán kỳ và dạng điện áp ra trên tải

Vào bán kỳ d ơng D2 và D4 dẫn, dòng điện chạy từ nguồn d ơng (+) (chân số 1) qua D2 đến tải R qua D4 và về nguồn âm (-) (chân số 3) Vào bán kỳ âm D3 và D1 dẫn, dòng điện chạy từ nguồn d ơng (chân số 3) qua D3 đến tải R qua D1 và về nguồn (chân

số 1)

2.1.2 Ch nh l u 1 pha có đi u khiển

Chỉnh l u dùng SCR gọi là chỉnh l u có điều khiển SCR chỉ m cho dòng chảy

qua khi thỏa mưn hai điều kiện: UAK0 và IG  0 và nó tự động khóa lại bán kỳ âm của điện áp, vì vậy cần phải có mạch kích SCR vào th i điểm thích hợp

Vào bán kỳ d ơng đoạn từ 0- SCR đ ợc phân cực thuận nh ng vẫn ch a dẫn vì ch a có

xung kích vào cực G Đoạn từ  đến  SCR dẫn vì đư có xung kích vào cực G Vào bán kỳ

âm SCR đ ợc phân cực nghịch nên SCR ng ng dẫn Nh vậy, tùy thuộc vào vị trí góc m

 mà dạng sóng điện áp ra thây đổi

2

khi mà điện áp Ui đư chuyển sang nửa chu kỳ âm

Hình 2.7: Dạng điện áp và dòng điện trên tải R + L khi chỉnh l u bán kỳ bằng SCR

 là góc tính từ gốc toa độ đến điểm dòng điện iR giảm về 0, gọi là góc tắt dòng

b Ch nh l u toàn kỳ có đi u khiển

* Mạch ch nh l u hình tia có đi u khiển

Hình 2.8: Mạch chỉnh l u hình tia có điều khiển và dạng sóng ngõ ra

A

UoT1

Với Uin = UABta có điện áp trung bình lối ra:

2

cos 1 45 ,

tb U U

Ta có thể kích theo thứ tự từng SCR một, nh ng cũng có thể kích đồng th i hai SCR

vì lúc đó một trong hai SCR bị phân cực ng ợc do đó không bị ảnh h ng b i xung kích

* Mạch ch nh l u hình c u có đi u khiển

Hình 2.9: Sơ đồ chỉnh l u cầu dùng SCR Dạng diện áp ra cũng giống tr ng hợp chỉnh l u hình tia nh ng biên độ gấp đôi

Điện áp trung bình lối ra:

2

cos 1 9 ,

tb U U

Ngoài sơ đồ chỉnh l u cầu nh trên, còn có các mạch chỉnh l u gọi là không đối xứng với việc thay hai SCR bằng hai diod

Hình 2.10: Mạch chỉnh l u cầu không đối xứng

T4

T1

T3 Ui

R D2

D3

T1

T4 Ui

2.2 CH NH L U 3 PHA

2.2.1 Ch nh l u hình tia không đi u khiển

nhau, gọi là các điểm chuyển mạch tự nhiên

Trong khoảng 1<  < 2 : ua lớn nhất, D1 dẫn, uO = ua

Trong khoảng 2<  < 3 : ub lớn nhất, D2 dẫn, uO = ub

Trong khoảng 2<  < 3 : uc lớn nhất, D3 dẫn, uO = uc

Điện áp chỉnh l u thu đ ợc là đ ng bao phía trên của các đ ng điện áp

Hình 2.11: Mạch chỉnh l u ba pha hình tia và dạng sóng ngõ ra

2.2.2 Ch nh l u hình tia có đi u khiển

; Utb = 1,17 Up.cos, với  là góc tính từ điểm giao nhau của các đ ng điện áp pha (phần d ơng) đến khi có xung điều khiển

2 3





tb U U

N

UoD1

D3

b

RD2

Hình 2.12: Mạch chỉnh l u ba pha hình tia có điều khiển và dạng sóng ngõ ra

2.2.3 Ch nh l u c u không đi u khiển

Ta chia các diode ra làm hai nhóm: Nhóm catot chung bao gồm T1, T3, T5 và nhóm anôd chung bao gồm T2, T4, T6

Hình 2.13: Mạch chỉnh l u ba pha hình cầu và dạng sóng ngõ ra

Nguyên tắc hoạt động của sơ đồ chỉnh lưu cầu

+ Khi: 1<  < 2: điện áp pha a cao nhất, pha b thấp nhất D1, D6 m (D6,D1)

+ Khi: 2 <  < 3: điện áp pha a cao nhất, pha c thấp nhất D1, D2 m (D1,D2)

+ Khi: 3 <  < 4: điện áp pha b cao nhất, pha c thấp nhất D3, D2 m (D2,D3)

+ Khi: 4<  < 5: điện áp pha b cao nhất, pha a thấp nhất D3, D4 m (D3,D4)

N

Uo b

T1

T3

T2

R a

c

0

uO Upmax  a  b  c

+ Khi: 5<  < 6: điện áp pha c cao nhất, pha a thấp nhất D5, D4 m (D4, D5)

+ Khi: 6<  < 7: điện áp pha c cao nhất, pha b thấp nhất D5, D6 m (D5,D6)

Dạng điện áp ra sau khi lọc bằng tụ có tải R đ ợc biểu diễn trên hình 2.14 Từ 0

phóng điện qua R

Hình 2.14: Mạch lọc dùng tụ điện

Cf

IVr

bình qua tải, f – tần số nguồn điện Đối với chỉnh l u hai bán kỳ :

Cf

IVr

.2

Với cùng một tụ lọc, tần số nguồn điện nào càng cao độ mấp mô càng nhỏ Trong thực tế ng i ta tạo ra nguồn điện một chiều với độ mấp mô nhỏ bằng cách chỉnh l u và lọc các dao động có tần số cao

2.3.2 Mạch l c dùng LC

Bộ lọc LC đ ợc dùng cho thiết bị chỉnh l u công suất lớn Chúng ta biết rằng

Cuộn cảm L mắc nối tiếp với tải sẽ chặn lại những thành phần tần số cao, tụ điện C mắc song song với tải sẽ cho qua (nối mat) những thành phần tần số cao mà cuộn cảm không chặn lại đ ợc

Hình 2.15: Mạch lọc LC

C Câu hỏi ôn tập

Câu 1: Vẽ lại s đồ và dạng sóng ngõ ra của mạch chỉnh l u bán kỳ không điều khiển

Câu 2: Vẽ lại s đồ và dạng sóng ngõ ra của mạch chỉnh l u toàn kỳ hình tia không điều khiển

Câu 3: Vẽ lại s đồ và dạng sóng ngõ ra của mạch chỉnh l u cầu không điều khiển

Câu 4: Vẽ lại s đồ và dạng sóng ngõ ra của mạch chỉnh l u bán kỳ có điều khiển

Câu 5: Vẽ lại s đồ và dạng sóng ngõ ra của mạch chỉnh l u toàn kỳ hình tia có điều khiển

Câu 6: Vẽ lại s đồ và dạng sóng ngõ ra của mạch chỉnh l u cầu có điều khiển

Câu 7: Vẽ lại mạch lọc và dạng sóng ngõ ra của mạch lọc dùng tụ

+

Uo+

L

Ch ơng 3: Đ I ĐI N M T CHI U THÀNH M T CHI U

A Mục tiêu :

Sau khi học xong chương này, học sinh phải :

- Vẽ lại s đồ và dạng sóng ngõ ra của các mạch converter flyback, forward,

ng ợc

Khi transistor ng ng dẫn, cực tính của cuộn dây đ ợc đổi ng ợc lại do từ thông giảm Bây gi diode D dẫn, nạp vào tụ C và cấp dòng IL ra tải

Hình 3.1: Bộ converter flyback cách ly và các dạng sóng t ơng ứng

3.2 B converter forward

Phần tử cách ly trong bộ converter forward là biến áp, phần tử tích trữ năng

l ợng là cuộn dây L yêu cầu phải có ngõ ra để mạch hoạt động tốt hơn và hiệu suất cao hơn Chú ý rằng dây quấn cuộn sơ cấp và thứ cấp có cùng cực tính Hoạt động của mạch nh sau: Khi Q1 dẫn, dòng điện tăng dần trong cuộn sơ cấp, tích trữ năng l ợng

Vì cuộn dây sơ cấp và thứ cấp có cùng cực tính nên năng l ợng này đ ợc chuyển ra ngõ ra và đ ợc tích trữ trong cuộn L thông qua diode D2 đ ợc phân cực thuận Diode D3 phân cực ng ợc Khi Q1 ng ng dẫn, điện áp trên cuộn dây biến áp đảo chiều làm

phân cực ng ợc D2 Bây gi diode D3 đ ợc phân cực thuận dẫn dòng điện ngõ ra cung cấp đến tải thông qua cuộn dây L

T

Hình 3.2: Bộ converter forward cách ly và các dạng sóng Cuộn dây thứ 3 và diode D1 cung cấp từ tr ng cho biến áp khi Q1 ng ng dẫn trả năng l ợng qua biến áp ra ngõ ra dc Vùng đ ợc tô đen trong dạng sóng hình 3.2 là dòng điện từ hóa

3.3 B converter push-pull

Bộ converter push-pull thật sự là 2 bộ converter forward ghép lại và làm việc

ng ợc pha nhau Mỗi nửa bộ converter push-pull cung cấp công suất ra tải trong nửa chu kỳ

Hình 3.2 trình bày mạch push-pull cơ bản và các dạng sóng t ơng ứng Từ dạng sóng chúng ta có thể thấy rằng vì có 2 bộ transistor chuyển mạch và diode ngõ ra nên dòng điện trung bình qua mỗi phần đ ợc giảm đi một nửa so với bộ converter forward

nên không cần phải có diode flywheel

L

VT

mag





Hình 3.2: dạng sóng tương ứng

Điện áp ngõ ra bộ converter này có thể đ ợc tính



n

V2

out





Trong đó n là tỉ lệ số vòng dây quấn sơ cấp trên thứ cấp

Những gi i hạn của mạch converter push-pull

Mặc dù converter push-pull có một số u điểm nh ng nó cũng có một số nh ợc điểm Giới hạn đầu tiên là điện áp của transistor phải nhỏ hơn hoặc bằng hai lần điện

áp ngõ vào Bộ converter này tạo ra các đỉnh điện áp rất cao là do cảm kháng đỉnh của

trên 800V khi điện áp vào là 230Vac Đây có thể là vấn đề của các bộ converter công suất cao, vì dòng điện cao, điện áp cao và giá thành cũng cao

Hình 3.3: Các dạng sóng điện áp và dòng điện thực tế của converter push-pull

Trong hình 3.4 cũng trình bày vần đề thứ hai của mạch push-pull là bưo hòa từ của lõi biến áp Trong hầu hết các nguồn xung hiện nay thì lõi ferrit đ ợc sử dụng phổ biến nhất vì tổn hao thấp và chịu đ ợc tần số cao 20KHz hoặc cao hơn nữa Nh ng lõi ferrit cũng có khả năng bưo hòa từ cao vì mật độ từ thông thấp (th ng sử dụng khoảng 3000 Gauss) Vì vậy một l ợng nhỏ phân cực dc trong lõi sắt sẽ dẫn đến bưo hòa từ Đây mới là vấn đề của mạch push-pull Khi một transistor dẫn, từ thông sẽ chạy theo một h ớng của đ ơng cong B-H và chạy theo h ớng ng ợc lại khi transistor

n

V8,0

out

thứ nhất ng ng dẫn và transistor thứ hai dẫn Để hai vùng có mật độ từ thông bằng nhau, thì độ bưo hòa từ và đặc tính chuyển mạch của hai transistor chuyển mạch điện

tử phải giống nhau d ới tất cả điều kiện và nhiệt độ làm việc Nếu đặc tính của các transistor không giống nhau, thì từ thông bị lệch về một h ớng dẫn đến lõi sắt rơi vào

vùng bão hòa

Dòng điện v ợt quá sinh ra một l ợng lớn công suất tổn hao trên transistor làm nóng transistor, làm mất cân bằng giữa các transistor, làm tăng độ bưo hòa từ sinh ra dòng điện bưo hòa từ cao hơn Chu kỳ này cứ tiếp tục cho đến khi transistor bị quá nhiệt và làm hỏng mạch

Có thể có hai cách giải quyết vấn đề này Thứ nhất là khe h lõi từ là nguyên nhân làm tăng các cảm ứng đỉnh nhọn và vì vậy cần làm giảm tổn hao lõi từ để cải thiện hiệu suất Thứ hai là sử dụng mạch hiệu chỉnh đối xứng đảm bảo cân bằng hoạt động của biến áp bằng cách giữ tỉ lệ on-off của các transistor bằng nhau Nh ng

ph ơng pháp này đòi hỏi phải có nhiều mạch phụ làm tăng giá thành và mạch phức tạp hơn

C Câu hỏi ôn tập

Câu 1: Vẽ lại s đồ và dạng sóng ngõ ra của các mạch converter flyback Trình bày hoạt động của mạch

Câu 1: Vẽ lại s đồ và dạng sóng ngõ ra của các mạch converter fforward Trình bày hoạt động của mạch

Câu 1: Vẽ lại s đồ và dạng sóng ngõ ra của các mạch converter Trình bày hoạt động của mạch

Ch ơng 4: Đ I ĐI N M T CHI U THÀNH ĐI N XOAY CHI U

A Mục tiêu :

Sau khi học xong chương này, học sinh phải :

- Trình bày đ ợc vai trò của việc đổi điện một chiều thành điện xoay chiều

- Vẽ lại s đồ và dạng sóng ngõ ra của các mạch nghịch l u cầu, nghịch l u đẩy kéo

- Trình bày đ ợc ph ơng pháp đổi điện một chiều thành điện xoay chiều 3 pha

Vẽ đ ợc dạng sóng ngõ ra

B N i dung :

Những lúc mất điện, ng i ta cần chuyển đổi điện một chiều từ bình accu, pin thành điện xoay chiều để điều khiển một số yêu cầu thiết yếu nh máy vi tính, đèn chiếu sáng … Hoặc năng l ợng tích tụ đ ợc từ pin mặt tr i, năng l ợng gió cần phải chuyển thành điện xoay chiều để hòa với l ới điện Bộ đổi điện một chiều ra điện xoay

chiều gọi là b ngh ch l u

Có một số loại thiết bị nghịch l u sau đây :

để cấp điện dự phòng khi mất điện l ới

h ng tần số và điện áp phụ thuộc vào tải nh lò nung thép trung tần

đ ợc cung cấp cho động cơ điện 3 pha

4.1 Sơ đ nữa c u dùng ngu n đôi

Để đơn giản vấn đề ta dùng hai tiếp điểm cơ khí T1 và T2 mắc theo sơ đồ d ới đây

Hình 4.1: Sơ đồ nghịch l u nửa cầu dùng nguồn đôi

T1 và T2 luân phiên nhau dẫn điện, T1 dẫn dòng từ A qua B, T2 dẫn dòng từ B qua A Dạng sóng điện áp và dòng ra trên tải R phụ thuộc vào tải nh sau :

Nh vậy điện áp ra có dạng hình chữ nhật, điện áp hiệu dụng bằng :

in out

out out

T

TVTdtVT

1)(2

L

VinT in

L

Vin Iout  ( 1   )  

T1

VR

Vv

Vv

iL

Hình 4.2: Dạng dòng điện, điện áp trên tải R + L

L u ý rằng khi phụ tải có thành phần cảm kháng thì lúc T1 đóng mạch dòng điện có chiều âm Do đó, nếu thay tiếp điểm cơ khí bằng linh kiện bán dẫn thì gắn thêm 1 diode thu hồi năng l ợng, làm chức dẫn dòng ng ợc từ phụ tải có cảm khoáng

về nguồn Nếu thiếu diode, dòng trả về sẽ gián đoạn sinh ra điện áp tăng vọt

dt

di L

phá huỷ linh kiện bán dẫn

Vv

T/2 +Vv

-Vv

t

T

T/2 +Vv/R

-Vv

t +Vv/R

-Vv/R

T/2

T

Hình 4.3: Sơ đồ nghịch l u nửa cầu dùng nguồn đôi sử dụng linh kiện bán dẫn

D1 Q1

Dạng điện áp và dòng ra có dạng t ơng tự nh sơ đồ nữa cầu :

T4 D4

Bán kỳ đầu : 0 < t < T2 , T1 dẫn, T2 ng ng dẫn Dòng điện chạy từ đầu chấm cuộn n sang dầu không chấm

min 1 1

I t L

Vin

L

VinT in

Vout   

2

dt

d n

 u điểm của mạch :

 Nh ợc điểm :

4.4 Đ i đi n m t chi u ra đi n xoay chi u dạng sin

Nhiều phụ tải nh động cơ điện xoay chiều, máy biến áp yêu cầu điện áp dạng sin mà các mach tr ớc đây chỉ cho điện dạng chữ nhật làm phát nóng động cơ điện

Các sơ đồ biến tần tr ớc đó chỉ tạo ra đ ợc điện áp “ sin chữ nhật” chứa nhiều sóng hài Để có dạng điện áp ra giống sin vàgiảm nhỏ ảnh h ng của sóng hài cũng nh điều khiển đ ợc điện áp ra ng i ta dùng ph ơng pháp điều biến dộ rộng xung Các b ớc thực hiện nh sau:

+ Tạo một sóng sin, gọi là sóng điều biến, có tần số bằng tần số mong muốn lối

Nh vậy ta sẽ có một chuỗi xung với độ rộng thay đổi giống quy luật sóng

sin Hình 4.6 chỉ ra nguyên tắc điều biến độ rộng xung