Bài Giảng Điện Tử Công Suất Phạm Quốc Hải

Theo nghĩa rộng, nhiệm vụ của điện tử công suất là xử lý và điều khiển dòng năng lượng điện bằng cách cung cấp điện áp và dòng điện ở dạng thích hợp cho các tải. Tải sẽ quyết định các thông số về điện áp, dòng điện, tần số, và số pha tại ngõ ra của bộ biến đổi. Thông thường, một bộ điều khiển có hồi tiếp sẽ theo dõi ngõ ra của bộ biến đổi và cực tiểu hóa sai lệch giữa giá trị thực của ngõ ra và giá trị mong muốn (hay giá trị đặt). Các bộ biến đổi bán dẫn là đối tượng nghiên cứu cơ bản của điện tử công suất. Trong các bộ biến đổi các phần tử bán dẫn công suất được sử dụng như những khóa bán dẫn, còn gọi là van bán dẫn, khi mở dẫn dòng thì nối tải vào nguồn, khi khóa thì không cho dòng điện chạy qua. Khác với các phần tử có tiếp điểm, các van bán dẫn thực hiện đóng cắt dòng điện mà không gây nên tia lửa điện, không bị mài mòn theo thời gian.Tuy có thể đóng ngắt các dòng điện lớn nhưng các phần tử bán dẫn công suất lại được điều khiển bởi các tín hiệu điện công suất nhỏ, tạo bởi các mạch điện tử công suất nhỏ. Quy luật nối tải vào nguồn phụ thuộc vào các sơ đồ của bộ biến đổi và phụ thuộc vào cách thức điều khiển các van trong bộ biến đổi. Như vậy quá trình biến đổi năng lượng được thực hiện với hiệu suất cao vì tổn thất trong bộ biến đổi chỉ là tổn thất trên các khóa điện tử, không đáng kể so với công suất điện cần biến đổi.Không những đạt được hiệu suất cao mà các bộ biến đổi còn có khả năng cung cấp cho phụ tải nguồn năng lượng với các đặc tính theo yêu cầu, đáp ứng các quá trình điều chỉnh, điều khiển trong một thời gian ngắn nhất, với chất lượng phù hợp trong các hệ thống tự động hoặc tự động hóa. Đây là đặc tính mà các bộ biến đổi có tiếp điểm hoặc kiểu điện từ không thể có được. Điện tử công suất được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành công nghiệp hiện đại. Có thể kể đến các ngành kỹ thuật mà trong đó có những ứng dụng tiêu biểu của các bộ biến đổi bán dẫn công suất như truyền động điện, giao thông đường sắt, nấu luyện thép, gia nhiệt cảm ứng, điện phân nhôm từ quặng mỏ, các quá trình điện phân trong công nghiệp hóa chất, trong rất nhiều các thiết bị công nghiệp và dân dụng khác nhau...Trong những năm gần đây công nghệ chế tạo các phần tử bán dẫn công suất đã có những tiến bộ vượt bậc và ngày càng trở nên hoàn thiện dẫn đến việc chế tạo các bộ biến đổi ngày càng nhỏ gọn, nhiều tính năng và sử dụng ngày càng dễ dàng hơn.

Nội dung chương trình môn học

Điện tử công suất.

• Sách :“ Phân tích và giải mạch điện tử công suất” TG :Phạm Quốc

Hải; Dương Văn Nghi.

• Bài tập ôn tập thi.

3 THÍ NGHIỆM

4 ĐỒ ÁN.

• Sách: “Hướng dẫn thiết kế Điện tử công suất” TG: PQH

5 THI.

1/ những vấn đề chung của kỹ thuật điên tử :

Vị trí

và mục

đích

tín hiệu :

1 Trung thực

2 Hiệu suất

Năng l ợng :

1.Hiệu suất.

2.Trung thực

Điện tử công suất là kỹ thuật biến đổi và điều khiển năng

lượng điện víi hiệu quả cao nhất

Các kiểu biến đổi và điều khiển năng lượng điện:

• biến đổi AC  DC : chỉnh lưu.

• Biến đổi DC AC : nghịch lưu.

• biến đổi tần số : AC (f1) AC(f2) : Biến tần.

• điều chỉnh điện áp AC/AC : băm xung xoay chiều.

• điều chỉnh điện áp DC/DC :băm xung một chiều

Điện tử công suất là

ngành kỹ thuật phối

hợp đa diện:

C¸c nh¸nh kü thuËt hç trî §iÖn tö c«ng suÊt

Yêu cầu cơ bản của thiết bị ĐTCS

1 Thiết bị phải có hiệu suất cao.

2 KÝch thước nhỏ, gän, giá rẻ và có tuổi thọ

cao.

Vấn đề 1 CÊu tróc tæng qu¸t cña thiÕt bÞ ®iÖn tö

Đặc điểm của van bán dẫn lý tưởng

 Đặc tính nhiệt: có điện trở nhiệt giữa

tinh thể bán dẫn và môi trường nhỏ

RJA= 0 để thoát nhiệt tốt

 Khả năng I2t lớn để chịu được các

dòng sự cố lâu dài không hỏng

• Điện áp điều khiển nhỏ UG=0

• Dòng điện điều khiển nhỏ IG=0

• Công suất điều khiển nhỏ PG=0

 Chịu được tốc độ biến thiên điện áp

lớn du/dt = ∞;

 Chịu được tốc độ biến thiên dòng

điện qua van lớn di/dt = ∞;

Các van bán dẫn công suất hiện nay

2 B ipolar T ransistor ( BT ); B i J unction T ransistor (BJT)

Bipolar

Transistor Dalinhtơn BT

3 Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor

(MOSFET -1978 )

4 I nsulated G ate B ipolar T ransistor ( IGBT – 1985 )

5 THYRISTOR ( 1958 )

Tr¹ng th¸i

van:

Các tham số

6 G ate T urn- O ff Thyristor ( GTO 1980 )

Tr¹ng th¸i van

GTO:

7 M OS- C ontrolled T hyristor ( MCT 1988)

8 Light -Triggered Thyristor (LTT)

9 TRIODE ALTERNATIVE CURRENT (TRIAC -1958)

10 I ntergrated G ate- C ommutated T hyristor ( IGCT -1996)

11 E mitter T urn-0ff T hyristor ( ETO )

12 C¸c van c¶m øng tÜnh SI: STATIC

INDUCTION

Vùng tham số ứng dụng của

các van bán công suất dẫn hiện đại ở phần tử bán dẫn Phát nhiệt

Thoát nhiệt làm mát van

Ch ơng1.thiếtbịChỉnhl u

biến đổi AC/DC

1 Giới thiệu chung

Định nghĩa: chỉnh lưu là thiết bị để biến đổi năng lượng dòng điện xoay chiều thành năng lượng dòng điện một chiều

CÊu tróc chØnh l u.

Phân loại

1 Chỉnh lưu không điều khiển

2 Chỉnh lưu điều khiển

3 Chỉnh lưu bán điều khiển

4 Chỉnh lưu tích cực

k ®

m

k sb

5 Hiệu suất:

η

6 Hệ

số méo tổng dòn

g điện vào

THD

7 Hệ số công suất đầu vào PF

1.1.4 Các sơ đồ chỉnh l u

I.Chỉnhl ukhôngđiềukhiển

Qui luật chung : Udo = k sđ

U2

II Các sơ đồ chỉnh l u điều khiển

vàbánđiềukhiển.

Qui luật chung: Ud

=Udo f(gócđk)

1.1.5 C¸c d¹ng t¶i th«ng dông cña chØnh l u

1.2.ChØnh l u ®i«t. I ChØnh l u mét pha mét

nöa chu kú, t¶i thuÇn trë

II ChØnh l u h×nh tia hai pha, t¶i thuÇn trë

III Chỉnh l u hình tia ba pha, tải

u A U 1msin ; u a  U 2m sin

u B U 1msin(  120) ; u b  U 2m sin(  120)

u C U 1msin(  120) ; u c  U 2m sin(  120).

Nguyên lý hoạt động :

IV ChØnh l u h×nh tia 6 pha

V ChØnh l u cÇu mét pha, t¶i thuÇn trë

V ChØnh l u cÇu ba pha, t¶i thuÇn trë

V ChØnh l u cÇu ba pha, t¶i thuÇn trë (3)

1.3 ChØnh l u ®iÒu khiÓn t¶i R.

1.3.1 Kh¸i niÖm vÒ gãc

®iÒu khiÓn.

Tia ba pha

Cầu ba pha

1.3.2 ChØnh l u ®iÒu khiÓn t¶i thuÇn trë

I ChØnh l u h×nh tia

mét pha.

1.3.2 ChØnh l u ®iÒu khiÓn t¶i thuÇn trë

II ChØnh l u h×nh tia hai pha III ChØnh l u cÇu mét pha.

1.3.2 ChØnh l u ®iÒu khiÓn t¶i thuÇn trë

IV ChØnh l u h×nh tia ba

pha.

IV Chỉnh l u hình tia ba pha, các chế độ dòng điện.

điều khiển chỉnh lưu

cầu ba pha bằng xung kép Các dạng xung điều khiển mạch chỉnh lưu

1.3.3 chØnh l u ®iÒu khiÓn t¶i RL

Tải có thêm điện cảm

Tải thuần trở

II chØnh l u ®iÒu khiÓn h×nh tia hai pha t¶i RL

II chỉnh l u điều khiển hình tia hai pha tải RL

chế độ dòng điện

liên tục.

1.3.4 ChØnh l u ®iÒu khiÓn t¶i RLE

1.3.4 ChØnh l u ®iÒu khiÓn t¶i RLE

Chinh l u h×nh tia hai pha

1.3.4 Chỉnh l u điều khiển tải RLE

Sơ đồ hình tia ba

pha.

1.3.4 Chỉnh l u điều khiển tải RLE

Sơ đồ cầu ba

pha.

1.3.5 Qu¸ tr×nh chuyÓn m¹ch m¹ch van.

I ChuyÓn m¹ch van khi nguån lý

t ëng

Sơ đồ thay thế

Sơ đồ thay thế nguồn thực

II Qui luËt chuyÓn m¹ch van trïng dÉn

Chuyển mạch ở chỉnh lưu tia hai pha Chuyển mạch ở cầu một pha

Chuyển mạch ở tia ba pha Chuyển mạch ở cầu ba pha

1.4 ChØnh l u b¸n ®iÒu khiÓn

Ph©n

lo¹i

1.4 ChØnh l u b¸n ®iÒu khiÓn

1.4.1 ChØnh l u b¸n ®iÒu khiÓn mét pha, thyristor m¾c th¼ng hµng

1.4.2 sơ đồ bán điều khiển, thyristor mắc katôt chung

1.4.3 ChØnh l u b¸n ®iÒu khiÓn

ba pha

1.4.4 Chỉnh l u điều khiển có điôt

đệm Do

1.5.2 NghÞch l u phô thuéc I ChØnh l u h×nh tia

hai pha

II Chỉnh lưu cầu một pha

1.5.2 NghÞch l u phô thuéc

III Sơ đồ h×nh tia ba

1.5.3.Chỉnh l u đảo chiều

Nguyên lý

chung.

1 Nguyờn lý điều khiển riờng

1.5.3.Chỉnh l u đảo chiều

2 Nguyên tắc điều khiển chung :

1.6.1.§Êu c¸c m¹ch chØnh l u víi nhau

II §Êu song

song.

1 Đấu song song cácvan 2 Đấu song song các mạch van

III ChØnh l u 6 pha cã cuén kh¸ng

c©n b»ng Đặc điểm làm việc của Lcb

1.6.2 Läc san b»ng ( läc mét chiÒu )

1.6.3 §Æc tÝnh ngoµi cña chØnh l u

®iÒu khiÓn chØnh l u

Phân loại hệ điều khiển

Phân loại theo nguyên lý

Chức năng hệ điều khiển

®iÒu khiÓn chØnh l u

®iÒu khiÓn theo nguyªn lý

ngang

®iÒu khiÓn theo nguyªn

lý däc

Thí dụ về mạch điều khiển của chỉnh lưu một pha

sử dụng phương pháp phát xung chùm

2.1 Các vấn đề chung.

2.2.2 ĐAXC một pha, sơ đồ 2 Thyristor đấu song song ng ợc I. Tải thuần trở.

điện áp nguồn xoay chiều

hình sin :

u v  U m sin  2U sin

II T¶i RL.

2.3 Điều áp xoay chiều ba pha

2.3.1 Các sơ đồ cơ

bản

2.3.2 ĐAXC, sơ đồ 6 Thyristor đấu song song ng ợc

Xét tải thuần trở,

đấu sao

C¸c tr êng hîp dÉn cña van phô thuéc vµo gãc ®iÒu khiÓn Cã

3 vïng ®iÒu khiÓn :

1/ 0o < α <

60o .

2/ 60o < α <

90o .

3/ 90o < α <

150o .

2.4 øng dông

§AXC

Ch ơngIII.

Điềuchỉnhđiệnápmộtchiều

(bămxungmộtchiều)

1 Giới thiệu chung.

2 BXMC có van mắc nối tiếp

tải.

3 Các bộ BXMC khác

4 BXMCđảo chiều.

5 Điều khiển BXMC.

3.1 Giíi thiÖu chung.

3.2 BXMC có van mắc nối tiếp tải.

3.2.1 Tải RL.

a/ Chế độ dòng điện

gián đoạn.

3.2.1 Tải RL (5)

b/ Chế độ dòng điện liên tục.

3.2.2 T¶i

RLE

1 Chế độ dòng liên tục

3.2.3 M¹ch kho¸ c ìng bøc cho Thyristor

3.2.3 M¹ch kho¸ Thyristor (2)

3.3 C¸c bé BXMC

kh¸c

1 BXMC cã van m¾c song song t¶i.

3.3 C¸c bé BXMC

kh¸c

2 BXMC cã ®iÖn c¶m m¾c song song t¶i

3.4.Băm xung một chiều có đảo chiều.

3.4 BXMC đảo chiều Điều khiển

đối xứng.

3.4 BXMC đảo chiều Điều khiển

đối xứng.

2 Điều khiển không đối xứng

• Qui luật điều khiển.

Cỏc van được điều khiển khỏc nhau

3 Điều khiển riờng

3.5 Điều khiển Băm xung một chiều

3.5.1.Điều khiển BXMC không đảo

chiều.

1 Ph ơng pháp PWM T=const;

to=var

2 Phương phỏp xung – tần

3.5.2 Điều khiển BXMC đảo chiều.

Điều khiển đối

xứng.

3.5.2 Điều khiển BXMC đảo chiều.

II Điều khiển không đối

xứng.

Ch ¬ng IV.

4.1 Giíi thiÖu chung

2

4.2.1.NL§L ®iÖn ¸p (3) Ph ¬ng ph¸p sãng hµi c¬ b¶n



4.2.1.NLĐL điện áp Ph ơng pháp sóng hài cơ bảnđồ thị làm việc

thực theo thời

gian

đồ thị làm việc theo

ph ơng pháp sóng hài cơ bản

4.2.1.NLĐL điện áp một pha Sơ đồ bán cầu

4.2.1.NL§L ®iÖn ¸p C¶i thiÖn

®iÖn ¸p ra

4.3.1 NLĐL điện áp ba pha Tải

đấu sao

4.3.1 NLĐL điện áp ba pha Tải đấu sao;

4.3.2 NL§L ®iÖn ¸p ba pha T¶i tam gi¸c ;

4.3.2 NL§L ®iÖn ¸p ba pha T¶i tam gi¸c ;

2 E3

4.3.3 NLĐL điện áp ba pha Tải đấu tam giác;

4.3.1 NL§L dßng ®iÖn mét pha

4.3.1 NL§L dßng ®iÖn mét pha

4.3.1 NL§L dßng ®iÖn ba pha (6).

4.4.1 NghÞch l u céng h ëng song song.

4.4.2 NghÞch l u céng h ëng nèi tiÕp.

4.4.3 NghÞch l u céng h ëng nối tiếp – song song.

4.5.BiÕn tÇn.

BiÕn tÇn trùc tiÕp Nguyªn lý chung.

I M¹ch ®iÒu khiÓn NL§L

1 Loại một pha

2 Loại ba pha

1 TruyÒn t¶i ®iÖn n¨ng mét chiÒu HVDC

2 §iÒu chØnh kÝch tõ m¸y ph¸t ®iÖn.

3 C«ng nghÖ ®iÖn ho¸.

Läc bôi tÜnh ®iÖn ( E lectro S tatic

P recipitator – ESP )

5 §¶m b¶o chÊt l îng ®iÖn n¨ng l íi

®iÖn.

6 Kü thuËt chiÕu s¸ng.

7 Nguån l u ®iÖn UPS.

8 Điều khiển động cơ

điện.

9 Bộ biến đổi cho các nguồn năng l ợng mới.