Bài giảng điện tử công suất phần 1 trường đại học thái bình

Giới thiệu

Điện tử công suất là lĩnh vực quan trọng trong sản xuất và công nghiệp, dựa trên các môn học như mạch điện tử và kỹ thuật xung số Nó liên quan đến việc điều khiển và truyền năng lượng điện từ nguồn đến tải với công suất từ vài chục watt đến vài gigawatt Để đảm bảo hiệu suất và giá trị kinh tế, kỹ thuật giao hoán được áp dụng nhằm giảm thiểu tổn thất trong quá trình chuyển đổi và điều khiển.

- AC biến đổi thành DC: chỉnh lưu

- DC biến đổi thành DC: biến đổi điện một chiều

- DC biến đổi thành AC: nghịch lưu

- AC biến đổi thành AC: biến đổi điện AC

Trong công nghiệp, ngoài tải riêng ra, phần lớn mạch điện tử công suất là điều khiển động cơ để thực hiện các yêu cầu của tải

Trong chương này chúng ta khảo sát các nội dung sau

- Các đại lượng đặc trưng về điện: trị trung bình, trị hiệu dụng, công suất…

- Các linh kiện công suất giao hoán có những đặc tính sau

- Tốc độ giao hoán nhanh

- Giảm thiểu công suất tiêu tán

- Cho phép điều khiển các tải nặng (dòng tải lớn hay điện trở tải nhỏ)

- Có gắn các bộ vi xử lý, vi điều khiển hoặc PLC

Các linh kiện công suất giao hoán thông dụng là: Diode,Transistor Mosfet,

SCR, TRIAC, GTO, SCS, IGBT, MCT…

Các đại lƯợng đặc trƯng

Trị trung bình của một đại lƯợng

Gọi i(t) là hàm biến thiên tuần hoàn theo thời gian với chu kỳ Tp Giá trị trung bình của đại lượng i(t), ký hiệu là IAV, được xác định thông qua hệ thức cụ thể.

Với t0 là thời điểm đầu của chu kì được lấy tích phân

Ta thường gặp các đại lượng có giá trị trung bình được biểu diễn với chỉ số AV

(average…giá trị trung bình ) UAV IAV

Tính giá trị trung bình (IAV) của dạng sóng sau: i(t)

Giá trị trung bình của dạng sóng trên được tính bởi hệ thức sau:

Các ứng dụng của công thức tính trị trung bình:

Tính trị trung bình của dòng điện Id

Tính trị trung bình của điện áp Ud

Tính trị trung bình của công suất Pd

Nếu dòng qua tải có giá trị không đổi trong cả chu kỳ Công suất trung bình có thể tính bởi hệ thức:

*Các trường hợp đặc biệt:

Quan hệ giữa điện áp và dòng điện tức thời qua điện trở R là : uR = RiR

Lấy trị trung bình hai vế ta được :

Trong chế độ xác lập, dòng điện qua cuộn cảm L được xác định bởi iL(t0) = iL(t0 + Tp) Để tính trị trung bình của điện áp trên cuộn cảm L, ta thực hiện tích phân hai vế của phương trình trong khoảng thời gian (t0, t0 + Tp) Kết quả thu được từ phép tích phân này sẽ cho giá trị trung bình điện áp.

Trị áp trung bình: UZAV = RIZAV + ULAV = RIZAV

Trị trung bình dòng không phụ thuộc vào giá trị L mà chỉ phụ thuộc vào R và điện áp UZ

( Với E là suất điện động không đổi E=const.)

Trị hiệu dụng của một đại lƯợng

Đại lượng i(t) thay đổi theo thời gian theo một hàm tuần hoàn với chu kỳ Tp hoặc theo góc Xp =  Tp Giá trị hiệu dụng của i(t) được tính bằng công thức cụ thể.

Chỉ số RMS Root Mean Square – giá trị hiệu dụng

Cho điện áp u(t) = Um sin(314.t) = 220 áp trên

Giải sin(314.t) (V) Tính giá trị hiệu dụng của điện

Chu kỳ của điện áp u(t) là 2 (rad) Giá trị hiệu dụng điện áp cho bởi hệ thức:

Công suất

Công suất tức thời của một tải tiêu thụ được xác định bằng tích điện áp và dòng điện tức thời dẫn qua nó

Nếu dòng qua tải không đổi thì:

Nếu áp đặt trên tải không đổi thì:

Hệ số công suất

Hệ số công suất là tỉ lệ giữa công suất tiêu thụ thực tế (P) và công suất biểu kiến (S) của nguồn cung cấp cho tải tiêu thụ.

Trong trường hợp nguồn áp dạng sin và tải tuyến tính với các phần tử R, L, C không đổi, cùng với suất điện động dạng sin có tần số tương ứng và góc lệch pha , hệ số công suất được tính theo công thức sau:

Trong hệ thống điện, U và I đại diện cho giá trị hiệu dụng của điện áp và dòng điện qua tải, với m là tổng số pha Các bộ biến đổi công suất có tính phi tuyến, và khi nguồn cung cấp là dạng sin, dòng điện có thể không tuần hoàn Bằng cách áp dụng phân tích Fourier cho dòng điện i, ta có thể phân tách nó thành các sóng hài cơ bản i1 cùng tần số với nguồn áp và các sóng hài bật cao i2, i3, Điều này cho thấy rằng sóng điện áp nguồn kết hợp với sóng hài cơ bản của dòng điện tạo thành công suất tiêu thụ của tải.

1 là góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện hài cơ bản Các sóng hài bậc cao tạo nên công suất ảo

P = m.U.I1 cos1 là công suất tiêu thụ trên tải

Công suất phản kháng, được ký hiệu là Q = m.U.I1sinφ1, là công suất ảo do sóng hài cơ bản của dòng điện tạo ra Biến dạng (Deformative) xuất hiện từ tác động của các sóng dòng điện này khi chúng đi vào lưới điện, gây ra sụt áp trên các nội trở của nguồn, dẫn đến việc sóng áp thực tế cung cấp cho tải bị méo dạng.

Từ đó ta rút ra biểu thức tính hệ số công suất theo các thành phần công suất nhƯ sau:

Muốn tăng hệ số công suất ta có thể thực hiện các bước sau:

Giảm Q là quá trình bù công suất phản kháng thông qua công suất ảo của sóng hài cơ bản Các phương pháp thực hiện bao gồm sử dụng tụ điện, máy điện đồng bộ kích từ dư và thiết bị hiện đại bù bán dẫn.

Giảm D là công suất ảo của sóng hài bậc cao Tùy thuộc vào phạm vi hoạt động của dãy tần số của sóng hài bậc cao được bù, chúng ta có thể phân biệt các biện pháp khác nhau để tối ưu hóa hiệu suất.

Lọc sóng hài là phương pháp áp dụng cho các sóng hài bậc cao, thường lớn hơn sóng hài cơ bản với tần số khoảng hàng KHz Để thực hiện, có thể sử dụng các mạch lọc cộng hưởng LC, chẳng hạn như mạch lọc cộng hưởng LC bậc 5, 7, hoặc 11, được mắc song song với nguồn cần lọc.

Khử nhiễu là quá trình cần thiết cho các sóng hài bậc cao có tần số từ KHz đến MHz, thường phát sinh từ mạch điều khiển hoặc quá trình đóng ngắt linh kiện công suất Những sóng tần số cao này có khả năng tạo ra điện trường gây nhiễu cho các thiết bị xung quanh và thậm chí làm ảnh hưởng đến chính mạch điều khiển Do đó, các thiết bị biến đổi công suất cần được trang bị hệ thống khử nhiễu nghiêm ngặt Một số biện pháp hiệu quả bao gồm sử dụng tụ điện, bọc kim dây dẫn, hoặc lưới chống nhiễu để bảo vệ thiết bị khỏi tác động của nhiễu điện từ.

Ngoài ra, có thể dẫn giải hệ thức hệ số công suất theo hệ thức sau: m U 2 2   I 2 j j 2

I cos  1 (F115) Độ méo dạng: (Total Harmonic Distortion- THD)

Là đại lƯợng để đánh giá tác dụng sóng hài bậc cao (bậc 2,3…) xuất hiện trong nguồn điện cho bởi hệ thức sau:

Trong đó Ij là trị hiệu dụng của sóng hài bậc j, j>=2 và I1 là trị hiệu dụng dòng điện nguồn

2 5 Đặc tính giao hoán của công tắc bán dẫn

Chất bán dẫn có tính chất đặc biệt, do đó khi bị tác động bởi xung kích, dạng sóng đầu ra sẽ có hình dạng như trong hình 1.2 Đặc tuyến giao hoán được thể hiện từ trạng thái tắt (off) sang trạng thái dẫn (on) và ngược lại từ trạng thái dẫn (on) sang trạng thái ngưng (off).

Hình 1.2 a TrƯờng hợp công tắc lý tƯởng (Vf=0)

Hình 1.3 Chọn t = 0 lúc bắt đầu khởi dẫn, ta có phƯơng trình dòng điện và điện thế: do khi dẫn điện thế2 đầu công tắc là V= 0V nên i  I t t

Công suất tức thời: swon  swon 

)( t )  VI  t t 2  tswon t swon t swon t swon 

Năng lƯợng thất thoát trong thời gian khởi dẫn bằng

Phân giải tƯơng tựta có kết quả năng lƯợng thất thoát trong thời gian khởi ngƯng turn off bằng

W woff = tswoff  pdt  1 VIt swoff

Năng lƯợng thất thoát tổng cộng trong chu kỳ giao hoán bằng:

W SW = W SWON + W SWOFF = 1/6VI(t swon + t swoff ) Công suất tiêu tán trong chu kỳgiao hoán :

PSW TrƯờng hợp điện thế công tắc bán dẫn khác không (Vf ) ≠ 0

Do khi dẫn điện thế 2 đầu công tắc là Vf ≠ 0V nên

Công suất tức thời trong thời gian khởi dẫn

Năng lƯợng tiêu tán trong thời gian khởi dẫn

TƯơng tự, năng lƯợng tiêu tán trong thời gian khởi ngƯng:

Năng lƯợng trong suốt thời gian giao hoán:

Vậy công suất giao hoán tiêu tán trung bình tại tần số giao hoán bằng

Công suất thất thoát tĩnh

Gọi thời gian công tắc giao hoán dẫn tĩnh là Ts, và thời gian dẫn thực tế của công tắc là Ton, ta có:

Với D là chu trình định dạng

Và Vf là điện thế2 đầu công tắc khi dẫn, ta có công suất tĩnh tiêu tán trung bình tại tần số f bằng :

CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

GIỚI THIỆU

Linh kiện điện tử công suất là những thiết bị có kích thước lớn hơn so với linh kiện thông thường, được thiết kế để hoạt động với điện áp và dòng điện cao, đồng thời có khả năng chịu nhiệt và áp suất lớn Chúng có hai chức năng chính: đóng mạch để cho dòng điện chạy qua và ngắt mạch để ngăn chặn dòng điện Khi ở trạng thái đóng, linh kiện hoạt động như một điện trở rất nhỏ, cho phép dòng điện lưu thông dễ dàng trong mạch.

0) Độ sụt áp rơi trên linh kiện nhỏ không đáng kể

Trạng thái linh kiện ngắt trong mạch điện hoạt động như một điện trở lớn, khiến dòng điện qua linh kiện gần như bằng không Trong lý thuyết, linh kiện điện tử công suất được coi là lý tưởng khi không dẫn điện, tức là dòng điện qua linh kiện bằng không, và khi dẫn điện, điện áp rơi trên linh kiện cũng bằng không.

Các linh kiện điện tử công suất, như SCR và TRIAC, có khả năng chuyển đổi giữa trạng thái dẫn điện và ngắt nhờ tín hiệu điều khiển tác động lên cổng điều khiển Những linh kiện này được gọi là linh kiện có tính điều khiển Tín hiệu điều khiển có thể là dòng điện, điện áp hoặc ánh sáng, thường có công suất nhỏ hơn nhiều so với công suất của nguồn và tải trong mạch công suất.

Trong trường hợp linh kiện không có cổng điều khiển và quá trình chuyển trạng thái của nó diễn ra dưới tác động của nguồn công suất ở ngõ ra, linh kiện này được gọi là loại không điều khiển Ví dụ điển hình cho loại linh kiện này là diode và diac.

Linh kiện điện tử công suất cũng được cấu tạo từ các lớp bán dẫn loại P và loại N

Chất bán dẫn loại P được tạo ra bằng cách pha trộn một lượng nhất định các nguyên tử thuộc nhóm III vào tinh thể silic Qua công nghệ khuếch tán dưới nhiệt độ và áp suất thích hợp, quá trình này giúp hình thành chất bán dẫn loại P.

Chất bán dẫn loại n được tạo ra bằng cách pha trộn một lượng nhất định các nguyên tử thuộc nhóm V vào tinh thể silic Công nghệ khuếch tán dưới nhiệt độ và áp suất thích hợp giúp hình thành loại chất bán dẫn này.

DIODE

1.2.1 Ki hiệu và hình dáng a Kí hiệu b Hình dáng

Hình 2.1: Hình dáng thực tế của các linh kiện

1.2.2 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động a Cấu tạo:

Diode được tạo thành từ sự kết hợp giữa lớp bán dẫn loại p, nơi có nhiều lỗ trống hơn điện tử, và lớp bán dẫn loại n, nơi có nhiều điện tử tự do hơn lỗ trống Tại điểm giao nhau của hai lớp này, xuất hiện một lớp mỏng gọi là lớp chuyển tiếp p-n, là thành phần cấu tạo chính của hầu hết các thiết bị bán dẫn Nguyên lý hoạt động của diode được giải thích dựa trên đặc tính của lớp chuyển tiếp p-n này.

Hình 2.2: Cấu tạo Diode b Nguyờn lớ hoạt động Vuứng ngheứo electron Vuứng ngheứo electron

Phân cực nghịch Phân cực thuận

Hình 2.3: Nguyên lí hoạt động của diode

Trong vùng chuyển tiếp, nồng độ hạt dẫn rất thấp, dẫn đến điện trở cao nhất Khi áp dụng điện áp ngoài lên miếng bán dẫn, hầu hết điện áp sẽ rơi trên lớp chuyển tiếp, tạo ra dòng điện qua lớp này.

Khi phân cực ngược, điện thế tại A thấp hơn điện thế tại K (UAK < 0), dẫn đến hiện tượng các electron trong lớp bán dẫn loại n di chuyển về K, trong khi các lỗ trống ở lớp bán dẫn loại p tập trung về A Kết quả là diện tích vùng nghèo electron gia tăng, làm cho điện trở tại chuyển tiếp trở nên rất lớn, khiến diode không cho dòng điện chạy qua.

Khi đặt điện thế lớn hơn tại điểm A so với điểm K (UAK > 0), hiện tượng phân cực thuận xảy ra Trong quá trình này, các electron trong lớp bán dẫn loại n sẽ di chuyển về phía A, trong khi các lỗ trống ở lớp bán dẫn loại p sẽ chuyển động về phía ngược lại.

K Nên diện tích vùng nghèo electron giảm xuống dẫn đến điện trở trên lớp chuyển tiếp bé Diode cho dòng điện chạy qua

Vậy diode chỉ cho dòng điện đi theo một hướng: từ A -> K

0 U Đăc tuyến thực tế Đặc tuyến tuyến tính hoá Đặc tuyến lí tưởng

Hình 2.4: Đặc tuyến Volt-Ampere

Tính chất của diode có thể được xác định thông qua đặc tuyến volt-ampere, bao gồm hai phần: đặc tuyến thuận khi UAK > 0 và đặc tuyến ngược khi UAK < 0.

Khi điện áp UAK tăng từ 0 đến khoảng 0,6 đến 0,7 V, dòng điện qua diode sẽ tăng cao, trong khi điện áp rơi trên diode gần như giữ nguyên do điện trở thấp.

Khi điện áp UKA tăng từ 0 đến Ung.max, dòng qua diode rất nhỏ, được gọi là dòng rò Khi đạt đến mức điện áp Ung.max, diode sẽ bị đánh thủng.

1.2.3 Thông số kỹ thuật a Giá trị trung bình của dòng điện cho phép chạy qua diode theo chiều thuận ID

Trong quá trình hoạt động, diode phát nhiệt do dòng điện chạy qua, và nó chỉ cho phép dẫn điện theo một chiều Điều này có nghĩa là công suất phát nhiệt tỷ lệ thuận với dòng trung bình qua diode, do đó, thông số ID trở nên quan trọng khi lựa chọn diode cho các ứng dụng thực tế Bên cạnh đó, giá trị điện áp ngược tối đa (U ng max) cũng cần được xem xét.

Thông số quan trọng thứ hai khi chọn diode là giá trị điện áp ngược lớn nhất mà diode có thể chịu đựng, được ký hiệu là Ung max Như đã chỉ ra trong đặc tính volt-ampere, quá trình đánh thủng diode là không thể phục hồi, dẫn đến hư hỏng diode Do đó, trong quá trình sử dụng, cần phải đảm bảo rằng UAK luôn nhỏ hơn hoặc bằng Ung max.

Quá trình phát nhiệt trên diode phụ thuộc vào tần số đóng ngắt, vì vậy việc lựa chọn diode cần chú ý đến tần số phù hợp Các diode được chế tạo để hoạt động hiệu quả ở các giải tần số khác nhau, do đó tần số là một tham số quan trọng Thời gian phục hồi cũng là yếu tố cần xem xét khi lựa chọn diode.

Trong các bộ biến đổi, quá trình chuyển mạch giữa các phần tử diễn ra thường xuyên Thời gian phục hồi của diode là yếu tố quyết định tổn thất công suất Vì vậy, khi lựa chọn diode, cần chú ý đến thời gian phục hồi để đảm bảo hiệu suất hoạt động.

Diode là linh kiện quan trọng trong nhiều ứng dụng thực tế như mạch chỉnh lưu một pha và ba pha, mạch nhân điện áp, tách sóng, mạch xén, lái dòng, triệt nhiễu và bảo vệ Chương này sẽ tập trung vào một số mạch điển hình sử dụng diode.

Mạch nhân đôi điện áp sử dụng hai diode D1 và D2 để nạp điện cho hai tụ C1 và C2 trong các bán kỳ dương và âm của nguồn AC Khi diode D1 dẫn, tụ C1 được nạp điện, trong khi tụ C2 nạp điện khi diode D2 dẫn, và tụ C1 xả chậm qua R1 Ở bán kỳ dương tiếp theo, tụ C1 lại nạp điện trong khi tụ C2 xả qua R2 Kết quả là điện thế ra VDC đạt giá trị trung bình của tụ C1 và C2, gấp đôi so với mạch chỉnh lưu thông thường Tụ C3 được sử dụng ở ngõ ra để lọc và giảm bớt độ gợn sóng.

- Mạch triệt nhiễu và bảo vệ:

Khi transistor ngừng dẫn, cuộn dây của rơle sẽ tạo ra điện áp ngược chiều theo định luật Lenz, dẫn đến nguy cơ hỏng transistor do điện áp này rất lớn Để bảo vệ transistor, diode được sử dụng để ngắn mạch cuộn dây rơle, giúp xả điện qua nó và giữ cho điện áp qua cuộn dây rơle ở mức 0,6V, từ đó nhanh chóng dập tắt dòng điện.

TRANSISTOR

1.3.1 Kí hiệu và hình dáng: C E a Kí hiệu: b Hình dáng:

Hình 2.9: Ký hiệu và hình dáng của Transistor

1.3.2 Cấu tạo và nguyên li hoạt động a Cấu tạo

Transistor được cấu tạo từ hai tiếp xúc P-N ghép nối, bao gồm các vùng bán dẫn loại P và N xen kẽ Vùng giữa của transistor có tính chất dẫn điện khác biệt và bề rộng rất mỏng, khoảng 10A0 m, cho phép tạo ra hai tiếp xúc P-N gần nhau Nếu vùng giữa là N, transistor sẽ là PNP; nếu vùng giữa là P, nó sẽ là NPN Nguyên lý hoạt động của transistor dựa trên sự điều khiển dòng điện qua các vùng này.

Theo cấu tạo của transistor ta thấy:

Mối nối BE (nền phát) được phân cực thuận

Mối nối BC ( nền thu) phân cực nghịch Điều kiện để TST hoạt động:

Loại npn: Vc > Vb >VE

Loại pnp: VE >Vb >Vc

Xét hoạt động loại npn:

Khi mắc mạch như hình A, điện tử di chuyển từ cực E về cực C nhờ lực hút tĩnh điện Tuy nhiên, vì cực B để hở, electron từ E không thể sang C, dẫn đến việc không có dòng điện chạy qua transistor, lúc này transistor chưa được phân cực.

Hình 2.10: Nguyên lí hoạt động TST

Khi mắc mạch như hình b, hai lớp bán dẫn p và n ở cực E và B hoạt động như một diode, được phân cực thuận và dẫn điện Điện tử di chuyển từ cực E đến cực B, làm cho cực B nhận thêm điện tử và có điện tích âm Cực B được nối vào cực dương của nguồn điện, dẫn đến việc cực dương hút một phần điện tích xuống, tạo ra dòng điện I b Đồng thời, do điện áp ở cực C cao hơn, mật độ điện tích tại cực này cũng tăng lên.

C chênh lệch nhiều so với cực B) nên hút hầu hết các e tạo thành dòng Ic (Ic >> Ib) Đối với loại pnp ta xét tƯơng tự nhƯ trên

1.3.3 Đặc tuyến Volt-ampere : Đặc tuyến ngõ vào: (đặc tuyến chỉ sự quan hệ giữa dòng điện IB theo điện áp VBE khi điện áp đầu ra không đổi Mắc trsansistor nhƯ hình: Đặc tuyến IB / VBE có dạng giống nhƯ đặc tuyến của diode, khi điện áp VBE tăng đến trị số điện áp thềm V thì bắt đầu có dòng IB, dòng IB cũng cũng tăng theo hàm số mũ nhƯ của diode

Mỗi điện áp VEB thì dòng IB có trị số khác nhau

Hình 2.11: Đặc tuyến ngõ ra (là quan hệ giữa dòng ra và áp ra, khi Ib không đổi)

Để khảo sát đặc tuyến ngõ ra, cần điều chỉnh điện áp Vce trong mạch thí nghiệm Nếu điện áp tại cực b không đủ lớn (Vb < Vγ), dòng Ib sẽ bằng 0 và từ đó Ic cũng bằng 0 Do đó, trước tiên, cần phân cực điện áp cho VBE để tạo ra dòng Ib cố định Sau đó, có thể thay đổi Vcc (thay đổi VCE) và tiến hành đo đạc.

Ic Đặc tuyến ngõ ra nhƯ hình

Khi tăng điện áp VCE từ 0V, dòng điện Ic sẽ tăng nhanh chóng Tuy nhiên, khi Ic đạt đến giá trị β.Ib, dòng Ic sẽ gần như không thay đổi mặc dù VCE vẫn tiếp tục tăng Để tăng Ic lên mức cao hơn, cần phân áp cho cực B với điện áp cao hơn trước đó.

1.3.4 Các thông số kỹ thuật : Độ khuếch đại dòng điện : Độ khuếch đại thực ra không phải cố định mà thay đổi theo Ic Điện áp giới hạn: Điện áp đánh thủng là điện áp ngƯợc tối đa đặt vào giữa các cặp cực, nếu quá giá trị này thì transistor sẽ bị đánh thủng

Dòng điện giới hạn : Dòng qua transistor cũng được giới hạn ở mức cho phép nếu quá giới hạn này thì transistor sẽ bị hƯ

Khi dòng điện đi qua transistor, nó sẽ sinh ra nhiệt và làm cho transistor nóng lên, dẫn đến công suất nhiệt Nếu công suất nhiệt quá lớn, transistor sẽ dễ bị hỏng Vì vậy, khi lựa chọn transistor, cần chú ý đến các thông số kỹ thuật để đảm bảo hiệu suất và độ bền.

6 Ứng dụng : Mạch dùng transistor đảo chiều động cơ

MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)

Mosfet công suất có cấu trúc chữ V (còn gọi là VMOSFET) để cấp dòng lớn (H Đặc tuyến Nguyên tắc hoạt động

Mosfet có những đặc tính sau Đặc tuyến có trị giới hạn tối đa, không có hiện tƯợng huỷ thác thứ cấp nhƯ ở transistor công suất

− Dòng thoát I từ vài chục đến vài trăm Ampe, điện thế đánh thủng cực đại BV từ

500V – 800V Điện trở động khi dẫn nhỏ r

− Tổng trở vào rất lớn dson vài chục mΩ

− Thời gian giao hoán nhanh khoảng f > 100kHZ

− Thời gian đáp ứng trên khoảng nhiệt độ rộng

− Thiết kế mạch điều khiển đơn giản

− Khác với Mosfet công suất nhỏ, dòng thoát I của Mosfet công suất cho bởi

• Bảo vệ cho Mosfet công suất

Cấu tạo đặc biệt của MOSFET so với BJT giúp linh kiện hoạt động hiệu quả mà không cần nhiều biện pháp bảo vệ như BJT Tuy nhiên, việc sử dụng mạch RC nhỏ mắc song song với ngõ ra của MOSFET có thể hạn chế tác động của các gai điện áp và xung nhiễu dao động khi linh kiện hoạt động.

THYRISTOR: SCR (SILICON CONTROLLED RECTIFIER)

1 6.1 Kí hiệu và hình dáng: a Kí hiệu:

Hình 2.17: Kí hiệu và hình dáng SCR

1.6.2 Cấu tạo và nguyên li hoạt động

Thyristor, hay còn gọi là SCR (diode chỉnh lưu có điều khiển), được cấu tạo từ 4 lớp bán dẫn theo thứ tự p-n-p-n Hai lớp ngoài là miền phát, trong đó miền p là anot A và miền n là catod K Hai lớp giữa được gọi là lớp gốc, với tiếp giáp giữa mỗi miền gốc và miền phát là lớp phát Một trong hai miền gốc được đưa ra ngoài thành cực điều khiển G (gate) Nếu cực G nằm ở cạnh catod, SCR được gọi là loại p, còn nếu nằm ở cạnh anot, SCR là loại n Hiện nay, loại p đang được chú trọng phát triển hơn.

Hình 2.18: Cấu tạo (a) và ký hiệu (b) a TrƯờng hợp dòng điện vào cực khiển IG = 0:

Khi áp dụng điện áp VAK dương vào SCR, tiếp giáp jA và jk sẽ phân cực thuận, trong khi jG phân cực nghịch, khiến dòng qua SCR rất nhỏ và nó ở trạng thái tắt Khi VAK tăng đến giá trị Vth, SCR sẽ bị đánh thủng tại tiếp giáp jG, dẫn đến dòng điện thuận IA tăng lên đáng kể, chủ yếu phụ thuộc vào mạch ngoài Khi điện áp A-K giảm xuống, SCR chuyển sang trạng thái dẫn và duy trì trạng thái này Nếu có một xung kích IG > 0 đưa vào cực g, SCR sẽ dẫn với điện áp.

VAK nhỏ hơn điện áp đánh thủng là nguyên lý hoạt động của SCR Để nghiên cứu hoạt động của SCR, ta sử dụng mô hình mạch tương đương bao gồm hai transistor BJT.

Hình 2.29: Mô hình tương đương (a) và mạch điện (b)

Mắc mạch SCR nhƯ hình b): Khi cấp nguồn VDC > 0 cho cực G thì dòng IG chính là dòng

Trong quá trình hoạt động, T2 được phân cực thuận và dẫn đến dòng IC2, tương đương với dòng IB1 Khi đó, T1 cũng dẫn và tạo ra dòng IC1, dòng này cung cấp ngược lại cho T2 với IC1 = IB2 Hai TST tiếp tục hoạt động theo cơ chế này cho đến khi đạt trạng thái bão hòa, cho phép SCR duy trì trạng thái dẫn mà không cần dòng IG liên tục.

Trong trường hợp SCR bị phân cực ngược, nó hoạt động như một diode không dẫn điện, chỉ cho phép một dòng điện rỉ nhỏ đi qua Khi điện áp ngược tăng đến một giá trị nhất định, SCR sẽ bị đánh thủng và cho phép dòng điện chảy qua theo chiều ngược lại từ K đến A.

1.6.3 Đặc tuyến V – A của SCR Đặc tuyến volt – ampe hay còn gọi là đặc tuyến V – A là sự biến thiên của dòng anod IA theo hiệu điện thế VAK giữa anod và catod với dòng cổng IG nhƯ là một thông số

Khi SCR được phân cực nghịch, đặc tính của nó tương tự như diode, chỉ cho phép một dòng rỉ rất nhỏ chạy qua Tuy nhiên, khi điện áp ngược đạt đến một mức nhất định, SCR sẽ bắt đầu dẫn điện Trong trường hợp phân cực thuận, đặc tính cũng giống như khi phân cực ngược, nhưng khi đạt đến điện áp Vth, điện áp VAK sẽ giảm xuống gần giống như diode thông thường Lúc này, dòng điện duy trì sẽ xuất hiện, và SCR sẽ hoạt động như một diode thông thường (trong trường hợp IG = 0).

TrƯờng hợp VDC > 0 nhƯ ta đã xét SCR sẽ hoạt động ở trạng thái dẫn bão hoà, khi đó VAK rất nhỏ khoảng 0,7v

Hình 2.20: Sơ đồ đặc tính V-A của SCR

1.6.4 Ảnh hƯởng của dòng điều khiển IG tới sự làm việc của SCR

Dòng IG là dòng vào cực gốc (B) TST thứ hai của SCR kích thích quá trình làm giảm điện áp mở SCR

Điện áp mở của SCR giảm khi dòng điều khiển IG tăng, cho phép điều chỉnh điện áp mở bằng cách thay đổi IG Do đó, SCR được gọi là diode có điều khiển, vì thay đổi IG sẽ ảnh hưởng đến thời gian mở của SCR.

SCR hoạt động nhờ vào dòng kích, thường được gọi là xung kích Khi SCR đã được kích hoạt, dòng kích sẽ không còn tác dụng, nghĩa là SCR vẫn tiếp tục dẫn điện ngay cả khi dòng kích bị ngắt.

Các phƯơng pháp tắt SCR :

Ngắt nguồn cấp điện khỏi SCR

Giảm dòng qua SCR xuống dƯới giá trị dòng duy trì Đảo cực tính điện áp cấp cho SCR

1.6.5 Các thông số kỹ thuật của SCR

Điện thế ngược cực đại là mức điện thế ngược tối đa có thể áp dụng cho SCR mà không gây ra hiện tượng đánh thủng Nếu vượt quá giá trị này, SCR sẽ bị đánh thủng, với điện thế đánh thủng nằm trong khoảng từ 100V đến 1000V.

Dòng điện thuận cực đại IAmax là giá trị dòng điện tối đa mà SCR có thể chịu đựng Nếu vượt quá trị số này, SCR sẽ bị hư hỏng và dẫn điện với điện áp VAK khoảng 0.7V.

Dòng điện kích cực G cực tiểu IGmin là dòng kích nhỏ nhất cần thiết để điều khiển SCR dẫn điện Để SCR hoạt động hiệu quả, cần cung cấp dòng IGmin tại cực G.

IGmin của SCR phụ thuộc vào công suất của nó, với IGmin lớn hơn cho SCR có công suất cao hơn, thường nằm trong khoảng từ 1mA đến vài chục mA Thời gian mở của SCR, tức là độ rộng xung cần thiết để chuyển SCR sang trạng thái dẫn, thường chỉ khoảng vài micro giây.

SCR duy trì trạng thái dẫn khi được kích hoạt, nhưng để chuyển từ trạng thái dẫn sang tắt, cần đảm bảo IG = 0 và VAK = 0 trong một khoảng thời gian đủ dài Nếu không, SCR sẽ tự động chuyển trở lại trạng thái dẫn, thời gian cần thiết khoảng vài chục micro giây.

Mạch điều khiển động cơ

Hình 2.21: Sơ đồ điện động của động cơ pin mặt trời

Pin mặt trời nạp điện cho tụ chính 4700nF, làm tăng điện áp Khi đạt 3V, transistor UJT tạo dao động và gửi xung đóng mạch cho bộ chỉnh lưu điều khiển bằng SCR Xung này đủ mạnh để kích hoạt SCR, cho phép toàn bộ năng lượng từ tụ chính được cung cấp cho động cơ Động cơ quay trong khi tụ phóng điện và dừng lại, tạo thành chu kỳ lặp lại liên tục trong quá trình hoạt động.

Triac

1.7.1 ký hiệu và hình dáng: a Kí hiệu:

Hình 2.26: Ký hiệu và hình dáng của TRIAC

1.7 2 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động T2 a Cấu tạo:

Triac được cấu tạo từ 5 lớp bán dẫn P-N, tạo thành cấu trúc P-N-P-N, giống như hình vẽ Cấu trúc này cho thấy Triac hoạt động như hai SCR mắc song song nhưng ngược chiều nhau.

Do Triac nhƯ hai SCR mắc song song nhƯng ngƯợc chiều nên Triac có thể dẫn dòng điện theo hai chiều từ T2 -> T1 và từ T1 -> T2

Cách kích hoạt cổng của Triac tương tự như SCR, nhưng có thể sử dụng cả dòng dương và dòng âm Do đó, có bốn phương pháp kích Triac như sau:

Hình 2.28: Nguyên lí hoạt động

1.7.3 Đặc tính Volt-Ampe của Triac

Đặc tính Volt-Ampere của TRIAC bao gồm hai đoạn đặc tính nằm ở góc phần tư thứ nhất và thứ ba, mỗi đoạn tương tự như đặc tính thuận của SCR.

1.7.4 Các thông số kỹ thuật

- Thời gian đóng, thời gian ngắt

- Khả năng chịu tải (Khả năng chịu dòng, khả năng chịu áp)

1.7.5 Một số mạch ứng dụng

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

1.8.1 Cấu tạo, ký hiệu và mạch tƯơng đƯơng

Linh kiện này kết hợp giữa đặc tính tác động nhanh và công suất lớn của Transistor với điện thế điều khiển lớn tại cực cổng của MOSFET Mạch cấu tạo của nó có hình dạng đặc trưng.

IGBT còn có các tên gọi theo các hãng khác sau:

GEMET (Gain Enhanced Mosfet, hãng Motorola)

• Ví dụ thông số kỹ thuật của

Công suất cấp cho tải vài kW t swof f rất bé, 0,15 sμ

Tần số làm việc cao vài kHz

IGBT có đặc tuyến sau

Công suất tiêu tán trong thời gian khởi dẫn P swon và khởi tắt P swoff tương tự như ở transistor công suất, đồng thời công suất tiêu tán tổng cộng giao hoán cũng được xem xét.

CHỈNH LƯU

Khái niệm

Mạch chỉnh lưu chuyển đổi điện AC thành DC, với mạch chỉnh lưu có điều khiển cho phép điều chỉnh công suất tải theo yêu cầu Phương pháp thường được sử dụng là thay đổi góc kích của SCR, ứng dụng trong các lĩnh vực như nạp accu, hàn điện, mạ điện, điện phân, và điều khiển động cơ DC Mặc dù một số ứng dụng công nghiệp sử dụng mạch chỉnh lưu không có điều khiển (Diode), nhưng điều này có thể coi là trường hợp của SCR với góc kích bằng không Khi nói đến chỉnh lưu, giá trị điện DC và giá trị trung bình của các đại lượng điện là rất quan trọng, bên cạnh đó, đại lượng hiệu dụng cũng cần được xem xét để so sánh và ứng dụng trong việc điều khiển tải AC.

Bộ chỉnh lưu có nhiệm vụ chuyển đổi điện xoay chiều thành điện một chiều, điều này rất quan trọng trong nhiều ứng dụng thực tế Nguồn điện một chiều thường được sử dụng cho động cơ điện một chiều, mạch kích từ của máy điện và trong các thiết bị như nam châm điện, bồn mạ, và bồn điện phân.

Chính lưu một pha

2.2.1 Chỉnh lưu bán kì a Tải R

Sơ đồ mạch và dạng sóng vào ra

Khi Vi > 0 ( Bán kỳ dƯơ ng ) và t ại góc kích α , SCR dẫn, ta có dòng iL qua tải tạo nên điện 2 đầu tải vL = i L RL

Khi Vi < 0 ( Bán kỳ âm ) SCR ngƯng, dòng tải bằng không, điện thế vL = 0 Vậy SCR dẫn từ α ÷ π và ngƯng từ π ÷(α +2π ), ta tính được:

 Trị trung bình của điện áp chỉnh lưu

 Trị trung bình của dòng tải

 Điện áp ngƯợc cực đại

 Tính trị trung bình của điện áp chỉnh lưu

 Trị hiệu dụng của dòng thứ cấp biến áp

 Điện áp ngƯợc cực đại là điện áp phân cực ngƯợc cực đại mà diode phải chịu NhƯ vậy đối với mạch này

Diode D được phân cực thuận khi U 2  t   E , dạng sóng ngõ ra U 0

Dòng điện i 0 chỉ tồn tại trong khoảng 1 và 2 , biểu thức dòng tải nhƯ hình vẽ i  U m sin E

2 là nghiệm của pt sau:

 Trị trung bình của dòng chảy qua diode và qua tải

 Trị hiệu dụng của dòng chảy qua diode và tải

Cuộn cảm L sinh ra sức điện động tự cảm mỗi khi có sự biến thiên của dòng điện, e  L di dt theo định luật Ohm ta có phƯơng trình u 2  e  Ri

DƯới dạng toán tử Laplace, với điều kiện đầu i 0  0

Cuối cùng ta nhận được:

Khi   ,dòng i  0 , diode ngƯng dẫn ta có

Khi biết góc β, có thể xác định góc tắt dòng bằng cách tính toán chính xác phương trình, dựa trên dạng sóng ngõ ra Trong khoảng 0 < θ < θ1, dòng i tăng dần do ảnh hưởng của cuộn cảm.

Cuộn cảm L sinh ra sức điện động tự cảm e có chiều ngược với U2, tích lũy năng lượng trong khoảng từ θ1 đến θ2, trong khi dòng i suy giảm Sức điện động tự cảm tác động cùng chiều với U2, khiến cuộn cảm L hoàn lại năng lượng, và diode D dẫn từ π đến θ2, lúc này U2 nhỏ hơn 0 Đường cong U0 cắt đường cong R.i tại điểm A, tại đó U D = R.i, dẫn đến L di/dt = 0, tức là dòng có giá trị cực đại tại điểm A là i(a) = I m.

Có thể chứng minh :Trong một chu kỳ, năng lƯợng cuộn L tích luỹ được khi i tăng vừa bằng năng lƯợng nó hoàn lại khi i giảm, sử dụng pt

U 0  Ri  iL dt  Li dt

Ri  U 0`  i.L dt    1   L.i dt dt   I  L.idi  I m m Điện áp ngƯợc cực đại

U ng max  U m b Chỉnh lưu bán kỳ có điều khiển

 Trong khoảng 0   , u 2  t   0 nhƯng SCR vẫn chƯa dẫn vì chƯa có xung kích, khi đƯa xung kích tại góc  SCR dẫn từ đầu tiên )

Dạng sóng ngõ ra nhƯ hình bên

Trong khoảng 0   ,u 2  t   0 tuy nhiên để SCR dẫn cần để ý đến góc kích (tại thời điểm đó u 2  t   E )dòng i 0 gián đoạn nhƯ hình vẽ

 Trị trung bình của điện áp chỉnh lưu u 1  t 

1 được xác định dựa vào pt:

Tìm giá trị :(giải pt siêu việt)

Do tải mang tính cảm kháng nên đƯờng cong i d chuyển qua nửa chu kỳ âm

- Tải R+L+E kéo dài qua khỏi  khi mà u 2  t  u 2  t   U m sin Độ lớn của góc  phụ thuộc vào giá trị L

(Dùng máy biến áp thứ cấp có điểm giữa) a Tải R thuần trở u 21  t   U m sin

 Trong khoảng 0    u 21  t   0,u 22  t   0 nên D 1 dẫn ,D2 tắt

 Trong khoảng   2 u 21  t   0,u 22  t   0 nên D 1 tắt ,D2 dẫn

Dạng sóng ngõ ra nhƯ hình vẽ

 Trị trung bình của dòng qua mỗi diode

 Trị hiệu dụng dòng thứ cấp

 Trị trung bình của dòng qua mỗi diode

 Trị hiệu dụng dòng thứ cấp

B Chỉnh lưu hai nửa chu ki có điều khiển

U AV    U m sin d   cos   cos =  cos  1

2.2.3 Chỉnh lưu cầu một pha a Chỉnh lưu cầu

 Trong khoảng 0    điện thế tại điểm A dƯơng V A  0,V B  0

Dòng điện đi từ A  B diode D1, D3 dẫn, D2, D4 tắt i 21 u 21  t  u 22  t  R

 Trong khoảng   2 điện thế tại B dƯơng hơn điện thế tại A, dòng điện đi từ

Dạng sóng ngõ ra nhƯ hình vẽ u

 Trị trung bình của dòng điện tải

 Trị trung bình của dòng qua D1 ,D3.(D2,D4)

Trong khoảng 0    điện thế tại A dƯơng hơn điện thế tại B nhƯng diode

D 1 và D 3 chƯa dẫn dòng qua tải bằng 0 Khi nào u 2  t   E thì D 1 và D 3 dẫn

  2 điện thế tại B dƯơng hơn tại A, khi đó u 2  t   E thì

Dạng sóng ngõ ra nhƯ hình bên

1 được xác định theo pt hoành độ

 Trị trung bình của dòng qua diode

U ng max  U m b Chỉnh lưu cầu điều khiển toàn phần

 Trị trung bình qua mỗi SCR

 Trong những ứng dụng thực tế, L  R nên i 0

 Trị trung bình của điện áp là dòng liên tục, trong trƯờng hợp này

 Trị trung bình của dòng qua tải

 Trị hiệu dụng của dòng qua mỗi SCR

 Hiện tƯợng trùng dẫn (sẽ được trình bày chi tiết sau)

Nếu L  R thì dạng sóng ngõ ra giống nhƯ không có nguồn E Vì có điện cảm L trong mạch tải nên thực tế i 0 là dòng liên tục i 0  I 0

 Trị trung bình của dòng qua SCR

2 c Chỉnh lưu cầu điều khiển bán phần

Chỉnh lưu cầu một pha trong điện tử công suất chỉ cần tập trung vào sơ đồ mạch và phương pháp điều khiển Quá trình tính toán tương tự như mạch chỉnh lưu cầu, và có thể bỏ qua các giá trị của dòng điện và áp suất trên linh kiện.

Trong mạch chỉnh lưu D 3 U 0, có thể áp dụng các công thức tính toán của mạch toàn kỳ, bao gồm cả diode và SCR Tuy nhiên, cần lưu ý rằng trong quá trình tính toán các đại lượng điện, cần điều chỉnh theo các linh kiện cụ thể được sử dụng.

Chỉnh lưu ba pha

2.3.1 Sơ đồ hình tia a Tải R u a  t 

 Xem diode là lý tƯởng U D  0 khi diode dẫn

6 u c  t   lớn nhất D 3 dẫn, điện thế tại điểm A bằng u c  t  nên D 1 , D 2 phân cực ngƯợc nên ngƯng dẫn

 Nếu E  U m dạng sóng ngõ ta không đổi

2 m dạng sóng ngõ ra nhƯ hình bên

U m sin1  E c Mạch chỉnh lưu ba pha hình tia có điều khiển

- Với 0   6 (tính từ thời điểm  6 ) ta có dognf ra tải là liên tục: u a  t   U m sin u  t   U sin 2 b m  

 Trị trung bình qua tải

 6    dòng qua tải gián đoạn

 Trị Trung bình của dòng qua tải

6 dạng sóng ngõ ra giống nhƯ khi chƯa có L

 6    dạng sóng ngõ ra nhƯ hình vẽ

L  R e Tải R+E dạng sóng ngõ ra giống nhƯ tải R+L

2 dạng sóng ngõ ra không ảnh hƯởng đến E

2 m cần để ý đến góc kích (tại thời điểm kích u  t   E ) u a  t   U m sin u  t   U sin 2 d  (F3.52) b m  

2.3.2 Chỉnh lưu cầu ba pha a Tải R u a  t  i 0 m

 Trong khoảng 6  36 U a  t lớn nhất, u b  t bé nhất nên dòng điện đi từ

 Trong khoảng 36  56 U a  t lớn nhất, u c  t bé nhất nên dòng điện đi từ

 TƯơng tự hay D 1 , D 4 dẫn, D 2 , D 3 , D 5 , D 6 tắt o 5 6   76 B  D 2  R  D 4  C hay D 2 , D 4 dẫn, D 1 , D 3 , D 5 , D 6 tắt o 7 6   96 B  D 2  R  D 6  A hay D 2 , D 6 dẫn, D 1, D 3, D 4 , D 5 tắt o 9 o 11 o 13

 Trị trung bình dòng qua tải

R R b / Chỉnh lưu ba pha điều khiển toàn phần

 TrƯờng hợp 0   3(tính từ thời điểm  6 ) U 0 luôn luôn lớn hơn 0

 Trị trung bình điện áp chỉnh lưu

 Trị trung bình qua tải

- Điện áp hiệu dụng sau chỉnh lưu:

 TrƯờng hợp 0   23 dạng sóng ngõ ra không ảnh hƯởng đến L

 Trị trung bình của dòng tải(dòng i 0 liên tục phẳng)

- Dòng hiệu dụng của tải

- Dòng hiệu dụng của nguồn cấp

I RMS  AC    2 3  I LDC c / Chỉnh lưu ba pha điều khiển bán phần

2.4.1 Mạch chỉnh lưu ghép tăng Ở bán kỳ dƯơng của nguồn điện D1 và D2 ngƯng, tụ C1 nạp điện đến điện thế đỉnh Vm Ở bán kỳ âm D1 ngƯng và D2 dẫn điện, tụ C2 nạp điện đến điện thế Vc2 = Vm – Vc1 2Vm

Mạch chỉnh lưu tăng đôi điện thế một bán kỳ được hình thành khi bán kỳ dương kế tiếp D2 ngừng hoạt động, trong khi C2 phóng điện qua tải và nạp điện 2 Vm Do đó, điện thế đỉnh nghịch tại hai đầu diode đạt 2Vm.

Mạch chỉnh lưu tăng 3 và 4 điện áp hoạt động như sau: Đầu tiên, tụ điện C1 nạp điện đến điện áp VC1=Vm khi diode D1 dẫn điện trong bán kỳ dương Trong bán kỳ âm, diode D2 dẫn điện, giúp tụ C2 nạp điện đến điện áp VC2=2Vm, tổng điện thế đỉnh của cuộn thứ cấp và tụ C1 Tiếp theo, trong bán kỳ dương kế tiếp, D2 dẫn điện, và tụ C3 nạp điện đến VC3=2Vm do D1 và D2 cùng dẫn, trong khi D2 ngừng dẫn để điện thế 2Vm của C2 nạp vào C3 Cuối cùng, trong bán kỳ âm tiếp theo, D2 và D4 dẫn điện, cho phép điện thế 2Vm của C3 nạp vào C4 Do đó, điện thế giữa hai đầu của C2 là 2Vm.

Họa tần

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU

Khái niệm

Bộ điều khiển điện thế AC hay còn gọi là bộ điều thế AC, dùng chuyển đổi nguồn điện

AC cố định thành nguồn điện AC thay đổi Tần số ngõ ra bằng tần số ngõ vào

Một phương pháp hiệu quả để điều khiển điện thế AC vào tải là sử dụng công tắc AC Công tắc AC có thể được cấu tạo từ một Triac hoặc hai SCR mắc đối song, như được minh họa trong hình 3.1, hoặc có thể sử dụng linh kiện giao hoán.

Hình 3.1 Trong phần lớn trƯờng hợp, kết quả điều khiển độc lập với công tắc được sử dụng Để đạt công suất lớn thƯờng chọn SCR hơn là Triac

Bộ điều chỉnh AC chủ yếu được sử dụng trong việc điều khiển ánh sáng, nung nhiệt trong ngành công nghiệp, hàn điện, ổn định điện áp cho máy phát điện AC và điều chỉnh tốc độ cho động cơ cảm ứng.

Có 2 phƯơng cách điều khiển công suất cho tải:

Điều khiển toàn chu kỳ, hay còn gọi là điều khiển giao hoán (on – off control), là phương pháp phù hợp cho các hệ thống có thời hằng lớn, như hệ thống điều khiển nhiệt độ Phương pháp này điều chỉnh công suất tải bằng cách nối nguồn vào tải trong một số chu kỳ và sau đó cắt nguồn ra khỏi tải trong các chu kỳ khác, tạo thành một chu kỳ giao hoán liên tục Tuy nhiên, điều khiển giao hoán không thích hợp cho các tải có thời hằng nhỏ.

Điều khiển pha là phương pháp điều khiển tải có thời hằng nhỏ, trong đó công tắc kết nối tải với nguồn điện tại một phần của mỗi chu kỳ điện thế nguồn Góc kích trong điều khiển pha có thể thay đổi từ 0 đến 180 độ, dẫn đến điện thế trên tải cũng thay đổi từ 0 đến điện thế nguồn vào V i.

So với công tắc cơ khí, công tắc AC có các Ưu và khuyết điểm sau

Tác động nhanh chóng và điều khiển chính xác theo yêu cầu, thiết bị này có khả năng chịu đựng điện thế và dòng điện lớn lên tới vài ngàn volt và vài ngàn Ampe Với kích thước gọn nhẹ, việc điều khiển trở nên dễ dàng hơn bao giờ hết.

Dễ hƯ khi có quá tải Có điện thế sụt thế đáng kể khi dẫn Hoạt động không tiếng động nên khó biết công tắc có hoạt động không

Bộ biến đổi điện áp xoay chiều được thiết kế để điều chỉnh trị hiệu dụng của điện áp đầu ra, kết nối với nguồn xoay chiều dạng Sin có tần số và trị hiệu dụng ổn định Thiết bị này tạo ra điện áp xoay chiều ở đầu ra với tần số tương đương nhưng trị hiệu dụng có thể điều chỉnh Nhờ đó, bộ biến đổi điện áp xoay chiều hoạt động tương tự như máy biến thế điều khiển sơ cấp, cho phép điện áp đầu ra thay đổi nhanh chóng và liên tục.

Bộ biến đổi điện áp xoay chiều một pha điêu khiển toàn kỳ

Bộ điều khiển toàn chu kỳ hoạt động như hình 4.1, cung cấp điện thế AC cho tải khi có góc kích α 0 Khi không có góc kích, mạch sẽ cắt nguồn AC khỏi tải, tạo ra dạng sóng như hình 4.4, với t là thời gian dẫn (on) và t là thời gian ngưng (off).

T : là chu kỳ giao hoán T = t + t off on

− Công suất trung bình ra trên tải : P OAV  i on  i D  P D

− Điện thế hiệu dụng ngõ ra

Hệ số công suất: pF  P o

T  D Ưu điểm: Tải hoạt động trong thời gian lâu hơn 1 bán kỳ Dễ dàng điều khiển chính xác

− Ứng dụng: Lò nung (kim loại, hóa chất, chất lỏng khác…), tạo nhiệt, truyền nhiệt, công nghệ lạnh.

Bộ biến đổi điện áp xoay chiều một pha điều khiển pha

3.3.1 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều điều khiển không đối xứng a Tải thuần trở R

Mạch như hình 3.5 và 3.6 bao gồm một SCR và một diode mắc đối song, cho phép biến đổi điện AC Do phép biến đổi không đối xứng, điện thế ra ở tải sẽ có giá trị trung bình, có thể âm hoặc dương tùy thuộc vào vị trí của diode Mạch này không được sử dụng để điều khiển tải mà chủ yếu phục vụ cho việc kiểm tra và phân tích tác hại của dạng sóng bất đối xứng trong điều khiển tải cảm.

Hình 3.4 Theo hình 3.5 SCR dẫn từ α đến π; Diod dẫn từ π đến 2π Ta tính được

− Điện thế trung bình trên tải

V AV = V AV(SCR) +V AV(DIODE)

 2   V M sin  td  t  2    V M sin  td  t  2 V M (1  cos  )  2 V M (1 1)  2  V M (cos   1)  0

Dòng điện hiệu dụng trên tải:

P RMS  V RMS RMS I  RMS  RMS (2  )   

Hệ số công suất: pF 

TƯơng tự nhƯ hình 3.5 ta có điện áp trung bình sẽ có giá trị dƯơng

2  V M sin  td  t  2       V M sin  td  t  V M (1  cos  )  0

3.3.2 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều điều khiển đối xứng

Mạch điều khiển AC đối xứng thường được thiết kế theo hình 4.9, với dạng sóng ra được điều khiển hoàn toàn ở cả hai bán kỳ Đặc biệt, cần chú ý đến góc kích điều khiển cho hai bán kỳ nhằm đảm bảo dạng sóng ra đối xứng, đặc biệt khi tải là R.

Trong mỗi bán kỳ, các SCR dẫn trong khoảng thời gian (π - α), do đó, chúng ta có thể coi các SCR dẫn từ α đến π trong chu kỳ mới là π Từ đó, ta có thể tính được điện thế hiệu dụng của tải.

4 Dòng điện hiệu dụng của tải:

Hệ số công suất: pF 

Dòng điện trung bình qua SCR bằng:

I AV ( SCR)   M sin  td  t  M (1  cos  )

Mỗi SCR có dòng điện bằng 1/2 dòng qua nguồn AC nên dòng hiệu dụng của mỗi SCR bằng:

Trong bán kỳ dƯơng, nếu có xung kích tại góc kích α thì SCR1 dẫn ta có phƯơng trình: v(t)  L di  V dt M sint i(t)   V M

SCR2 dẫn điện phụ thuộc vào điện thế âm trên catod và góc kích Để SCR2 hoạt động hiệu quả, cần xem xét các trường hợp khác nhau liên quan đến điều kiện này.

Khi SCR1 đang dẫn tại thời điểm ωt = α < π/2, chúng ta cần kích SCR2 tại thời điểm ωt = α + π Tuy nhiên, tại thời điểm này, SCR1 vẫn còn dẫn do dòng điện không bằng 0, khiến SCR2 có điện thế cathode dương hơn anode và không thể dẫn Do đó, không thể chọn góc kích giới hạn trong khoảng 0 < α < π/2.

Trong giai đoạn này, khi SCR1 đã ngừng hoạt động trước khi SCR2 được kích hoạt, điện thế cung cấp cho Catod có giá trị âm so với Anod, dẫn đến việc SCR2 hoạt động.

Vậy để có dòng qua SCR1 dƯơng là : α < ωt < 2π- α Góc kích phải chọn α > π/2

Dòng điện hiệu dụng qua tải :

Hệ quả: Với tải L, khi  

, bộ biến đổi điện áp xoay chiều hoạt động nhƯ công

2 tắc ở trạng thái đóng và điện áp trên tải bằng áp nguồn xoay chiều d TrƯờng hợp tải RL:

TƯơng tự nhƯ trƯờng hợp tải L, việc phân tích mạch điện phụ thuộc vào góc điều khiển

 Giá trị phân biệt  ở trƯờng hợp tải L được thay bằng độ lớn góc  trong trƯờng hợp

Trường hợp   : Dòng điện tải bị gián đoạn Chu kỳ hoạt động được chia làm bốn khoảng tƯơng ứng với bốn trạng thái sau:

Trong trường hợp α < φ, dòng tải sẽ duy trì liên tục và điện áp tải không thể điều khiển Bộ biến đổi điện áp xoay chiều hoạt động như một công tắc luôn đóng, với điện áp tải bằng điện áp nguồn xoay chiều có trị hiệu dụng U Xung kích cho linh kiện được cung cấp dưới dạng chuỗi xung, bắt đầu từ vị trí điều khiển cho đến khi kết thúc nửa chu kỳ tương ứng của điện áp nguồn Đặc tính U(t)(α) phụ thuộc vào các tham số RL của mạch tải, và có sự thay đổi giữa đặc tính tải thuần điện trở và tải thuần cảm L.

Tính chất tƯơng tự khi hoạt động với các tải R, L, RL được trình bày ngắn gọn trong bảng so sánh sau:

Quan hệ tổng quát R L RL Tính chất

 : Góc đặc trƯng của tải

Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha

Bộ điều chỉnh AC 3 pha được cấu thành từ 3 bộ điều chỉnh AC 1 pha kết nối với nhau, áp dụng nguyên tắc điều khiển pha Có nhiều phương pháp kết nối khác nhau tùy thuộc vào các hệ thống cấp điện 3 pha theo hình sao.

Tam giác Δ vào tải được minh họa trong Hình 3.20, cho thấy các dạng mạch của bộ biến đổi AC thông dụng Bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha đầy đủ bao gồm ba công tắc bán dẫn kết nối với nguồn xoay chiều ba pha để cung cấp điện cho tải ba pha Khi công suất tải nhỏ, các cặp công tắc SCR có thể được thay thế bằng TRIAC.

Phân tích hoạt động của bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha là một quá trình phức tạp, đặc biệt trong trường hợp tải thuần trở, do khó khăn trong việc theo dõi điện áp và dòng điện trong mạch Hình dạng sóng điện áp và dòng điện tải thay đổi tùy thuộc vào góc điều khiển và các tham số mạch tải, đặc biệt là với tải không thuần trở Hiện nay, việc phân tích này được thực hiện thông qua lập trình mô phỏng trên máy tính.

Để đảm bảo quá trình kích dẫn SCR, xung kích được thực hiện dưới dạng xung chuỗi, bắt đầu từ vị trí tương ứng với góc kích cho đến khi vượt qua nửa chu kỳ tương ứng với góc π.

Bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha tải mắc hình sao

Khảo sát hoạt động mạch Để khảo sát cách hoạt động ta phải lưu ý các nhận xét sau

− Các SCR được kích lần lƯợt theo thứ tự 1, 2, 3, 4, 5, 6 cách nhau 60 0

Khi có 3 SCR được kích dẫn, điện thế mỗi pha của tải tƯơng ứng với điện thế đƯờng dây – trung hòa van =Vbn =(Vab/3)….; xem VSCR = 0 khi dẫn

Khi có 2 SCR cùng dẫn, thí dụ khi A và B cùng dẫn thì có điện thế của tải bằng:

2 và sớm pha 30 0 so với Van; bo  V BA

2 và chậm pha 30 0 so với Van;

Góc lệch pha giửa đƯờng dây và pha

Nguyên tắc dòng điện dẫn trong sơ đồ điều áp ba pha o Dòng dẫn ở bán kỳ dƯơng Ở bán kỳ âm:

Xem bảng tóm tắt sau: ĐƯờng dây dẫn điện ĐƯờng dây không dẫn điện Điện thế ngõ ra Pha (v an ) Dây (V ab )

Tất cả Không có V AB /3 V AB

Ta có 3 trƯờng hợp sau:

Xét trƯờng hợp góc kích 30 0

Dòng hiệu dụng qua tải

Tại ωt =0: S5 và S6 cùng dẫn, nên không có dòng nào qua Za Vao =0

Tại ωt =π/6: S1 bắt đầu dẫn, S5 và S6 tiếp tục dẫn, ta có Vao = Van

Tại ωt =π/3: S ngƯng, chỉ còn S1 và S6 tiếp tục dẫn, ta có Vab/2 = Vao

Tại ωt =π/2: S2 bắt đầu dẫn, cả 3 S1, S6, S2 cùng dẫn ta có Vao/2 = Van

Tại ωt =2π/3: S6 ngƯng, S1, S2, S2 cùng dẫn ta có Vab/2 = Vao

Tại ωt =5π/6: S1, S2, S2 cùng dẫn ta có Vao = Van

Tại ωt =π: S1 ngƯng ta có Vao = 0

Từ ωt > π trở đi, lý luận tƯơng tự nhƯng với chiều ngƯợc lại

Hiệu điện thế hiệu dụng trên tải

Xét trƯờng hợp α Lúc nào cũng chỉ có 2 SCR cùng dẫn

Tại : S5 và S6 cùng dẫn: v075≤tω ao = 0

Tại thời điểm S1 bắt đầu dẫn, S6 tiếp tục dẫn, trong khi S5 ngừng hoạt động do v075=tω cn < 0 Khi S6 ngừng, S2 bắt đầu dẫn và cả S1 cùng S2 đều hoạt động Cuối cùng, khi S1 tắt, S2 và S3 cùng dẫn mà không có dòng điện qua Z0195, với v ao = 0.

Từ 195 0 trở đi ta lý luận tƯơng tự nhƯng với chiều ngƯợc lại

Theo hình vẽ, ta tính được

− Hiệu điện thế hiệu dụng trên tải

Dòng hiệu dụng qua tải:

Tại ωt < 105 0 SCR1 ngƯng nên v ao = 0

Tại ωt = 105 0 SCR1 và SCR6 cùng dẫn (vì v ab >0) nên v ao = V ab /2

Tại ω t ≥ 105 0 do vab0: S1 và S2 cùng dẫn vao =vac/2

Từ ω =7π/6 ta lý luận tƯơng tự với giá trị âm

- Hiệu điện thế hiệu dụng trên tải:

Dòng hiệu dụng qua tải:

Ta có sơ đồ mạch nhƯ hình vẽ

Các biểu thức nguồn điện ba pha nhƯ sau:

SCR chỉ dẫn khi điện thế vak>0 hoặc điện thế đường dây lớn nhất, đồng thời yêu cầu xung kích phải hiện diện cùng lúc hoặc sớm hơn Để dễ hiểu, chúng ta sẽ xem xét các trường hợp cụ thể sau đây.

Trong thời khoảng θ1 θ2 do có v các T1, T5 và T6 cùng dẫn

> 0, v ac > 0 và có các xung kích hiện diện nên

Trong thời gian θ2, θ3 lý luận tƯơng tự ta có T1, T6 và T2 cùng dẫn

Trong thời gian θ3,θ4 : T1, T3 và T2 cùng dẫn

Trong thời gian θ4, θ5 : T3, T2 và T4 cùng dẫn

Trong thời gian θ5, θ6: T3, T5 và T4 cùng dẫn

Trong thời gian θ: T5, T2 và T6 cùng dẫn

Theo hình vẽ ta thấy ở bất cứ thời điểm nào cũng có 3 SCR cùng dẫn cho dòng chảy qua tải Mỗi SCR có góc dẫn bằng 180 0

− Điện thế trên tải bằng

Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha tải mắc tam giác.(Tham khảo ngoài)

Công tắc xoay chiều là thiết bị dùng để điều khiển nguồn điện áp xoay chiều đến tải So với công tắc tơ cơ, công tắc bán dẫn hoạt động với tần số cao và nhanh chóng hơn, đồng thời giảm thiểu hiện tượng phóng tia lửa điện khi ngắt dòng tải Tuy nhiên, do cấu trúc của công tắc xoay chiều bao gồm các linh kiện bán dẫn, nên có độ sụt áp tồn tại khi công tắc đóng, gây tổn hao năng lượng đáng kể khi dòng tải lớn Để khắc phục, công tắc bán dẫn thường được làm mát, nhưng trong chế độ ngắt dòng, vẫn tồn tại một dòng điện rò qua linh kiện.

Các công tắc xoay chiều bán dẫn được sử dụng để khởi động và đảo chiều động cơ không đồng bộ, đồng thời đóng ngắt tụ bù công suất phản kháng cho lưới điện Chúng cũng có khả năng điều chỉnh mức điện áp xoay chiều cung cấp cho tải và thực hiện việc đóng ngắt nguồn trong các hệ thống nguồn dự trữ (UPS).

các ứng dụng

Công tắc xoay chiều được sử dụng để điều khiển nguồn điện áp xoay chiều đến tải, với ưu điểm nổi bật so với công tắc tơ cơ là khả năng hoạt động với tần số cao và đáp ứng nhanh hơn, đồng thời giảm thiểu hiện tượng phóng tia lửa điện khi ngắt dòng tải Tuy nhiên, do cấu tạo từ các linh kiện bán dẫn, công tắc xoay chiều vẫn gặp phải tình trạng sụt áp, gây tổn hao điện năng đáng kể khi dòng tải lớn Để khắc phục, công tắc bán dẫn cần được làm mát và chú ý đến trở kháng trong chế độ ngắt, vì vẫn có dòng điện rò qua linh kiện.

Các công tắc xoay chiều bán dẫn được sử dụng để khởi động và đảo chiều động cơ không đồng bộ, đồng thời thực hiện việc đóng ngắt tụ bù công suất phản kháng cho lưới điện Chúng cũng có khả năng điều chỉnh mức điện áp xoay chiều cung cấp cho tải và đóng ngắt nguồn trong các hệ thống nguồn dự trữ UPS.

Cấu tạo công tắc xoay chiều:

Công tắc xoay chiều có hai loại chính là một pha và ba pha Mỗi pha tải được điều khiển bởi một công tắc pha, trong đó mỗi công tắc pha bao gồm hai SCR mắc đối song song hoặc một Triac.

Phân tích hoạt động của mạch khi thực hiện đóng và ngắt công tắc bán dẫn có thể giải thích qua công tắc một pha với tải RL (Hình 4.12) u t

Khi đóng công tắc tại vị trí X=α, ta thực hiện bằng cách đưa xung kích liên tục, chẳng hạn như chuỗi xung iG=1, vào cổng điều khiển của các SCR 51 và 52 Một trong hai SCR mắc đối song song sẽ chuyển từ trạng thái khóa sang trạng thái đóng, ví dụ như SCR 51.

Dòng điện qua 51 sẽ có độ lớn thay đổi theo phƯơng trình sau; di t ut = R.it + L dt = UmsinX (F3.55) Điều kiện ban đầu it() = 0

Dòng điện qua tải liên tục thay đổi và có thể xem công tắc xoay chiều như một bộ biến đổi điện áp xoay chiều với góc kích bằng Các SCR v1 và v2 dẫn điện tuần tự, và sau một thời gian đủ lớn, thành phần quá độ qua tải sẽ bị triệt tiêu Cuối cùng, mạch đạt trạng thái xác lập với dòng điện lệch pha so với p một góc .

Ngắt công tắc được thực hiện bằng cách khóa đồng thời các xung kích của SCR 51 và 52 tại vị trí ngắt xung kích Nếu dòng tải qua SCR 51 có giá trị khác không, SCR 51 sẽ tiếp tục dẫn điện cho đến khi dòng điện qua nó và tải triệt tiêu Chỉ khi đó, dòng điện mới bị ngắt bởi công tắc Phân tích cho thấy việc ngắt dòng điện qua tải bằng công tắc bán dẫn diễn ra thuận lợi mà không gây ra quá điện áp, ngay cả khi tải có tính cảm kháng Thời gian đáp ứng dòng điện sau khi khóa xung kích có thể trễ tối đa bằng nửa chu kỳ điện áp nguồn.

Công tắc xoay chiều ba pha có cấu trúc mạch công suất tương tự như bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha, cho phép thực hiện quá trình đóng ngắt điện áp và dòng điện trên từng pha tải Khi công tắc được đóng, dòng điện qua từng pha sẽ triệt tiêu về 0 tại các thời điểm khác nhau, trong khi điện áp trên linh kiện bị tắt sẽ tăng vọt lên giá trị điện áp dây Để giảm số lượng linh kiện bán dẫn và công suất tổn hao, một số cấu hình công tắc tiết kiệm sử dụng diode thay cho SCR, giúp ngắt hẳn dòng điện khi công tắc ở chế độ ngắt Việc kết hợp công tắc bán dẫn với các tiếp điểm thường được áp dụng, với trình tự đóng ngắt công tắc cơ khí K1, K2 và khóa bán dẫn S được minh họa trên giản đồ đóng ngắt.

Các phương pháp điều khiển bộ biến đổi điện áp xoay chiều

Phương pháp điều khiển pha thông thường sử dụng xung kích được đưa vào vị trí điều khiển trễ một góc  so với điện áp khoá trên linh kiện Điện áp nguồn xoay chiều đóng vai trò là điện áp chuyển mạch, giúp giảm dòng điện qua linh kiện.

BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

NGHỊCH LƯU VÀ BIẾN TẦN

Tiêu đề	Bài Giảng Điện Tử Công Suất Phần 1 Trường Đại Học Thái Bình
Tác giả	Nguyễn Thị Thu Hà
Trường học	Trường Đại học Thái Bình
Chuyên ngành	Điện Tử Công Suất
Thể loại	Giáo trình
Năm xuất bản	2021
Thành phố	Thái Bình

Định dạng
Số trang	87
Dung lượng	2,75 MB