Bài giảng Điện tử công suất

KHÁI NIỆM CHUNG VỀ ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤTMạch điện tử cơng suất sử dụng các van bán dẫn công suất, ở chế độ đóng cắt, để xửlý vấn đề năng lượng.. GIÁ TRỊ TRUNG BÌNH VÀ GIÁ TRỊ HIỆU DỤNGGía tr

Trang 1

BÀI GIẢNG MÔN HỌC Điện tử công suất

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

Khoa Điện – Điện tử

BÀI GIẢNG MÔN HỌC

Điện tử công suất

Giảng viên: TS Nguyễn Hoàng Việt

Bộ môn: KTĐK&TĐH Khoa: Điện – Điện tử

Trang 2

Ho Chi Minh City University of Technical Education www.hcmute.edu.vn

CHƯƠNG 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ

ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Trang 3

NỘI DUNG

1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

NỘI DUNG CHƯƠNG 1

2 MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA BỘ BIẾN ĐỔI

3 GIÁ TRỊ TRUNG BÌNH VÀ GIÁ TRỊ HIỆU DỤNG

4 PHÂN TÍCH FOURIER VÀ CHỈ SỐ THD

5 CÔNG SUẤT VÀ HỆ SỐ CÔNG SUẤT

6 BÀI TẬP

Trang 4

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Trần Trọng Minh, Giáo trình Điện tử công suất, NXB Giáo Dục Việt Nam, 2009.

2 Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh, Điện tử công suất, NXB

4 Trần Trọng Minh, Bài giảng điện tử công suất, Đại học Bách Khoa Hà Nội.

5 Phạm Quốc Hải, Bài giảng điện tử công suất, Đại học Bách Khoa Hà Nội.

6 Ned Mohan, Tore M Undeland, William P Robbins, Power Electronics – Converter Applications and Design, Jonh Wiley & Sons, INC, 2003.

7 V R Moothi, Power Electronics Devices, Circuits and Industrial Applicatons,

Oxford University Press, 2010.

8 Daniel W Hart, Power Electronics, McGraw Hill, 2010.

Trang 5

Mạch điện tử công suất sử dụng các van bán dẫn công suất, ở chế độ đóng cắt, để xử

lý vấn đề năng lượng Chúng còn được gọi là bộ biến đổi (converter)

Bộ Biến Đổi (BBĐ) biến đổi năng lượng của nguồn (các thông số không thay đổi) thành dạng năng lượng phù hợp với yêu cầu của tải.

Hình 1.1 Mắc trực tiếp nguồn và tải Hình 1.2 Cách mắc bộ biến đổi nối tiếp

Hình 1.3 Mắc bộ biến đổi song song Hình 1.4 Mắc bộ biến đổi song song –nối tiếp

Trang 6

Các loại bộ biến đổi cơ bản

Hình 1.5 Các loại bộ biến đổi cơ bản

Trang 7

Hình 1.6 Cấu trúc tổng quan của một bộ biến đổi

Bộ biến đổi có thể chia ra làm bốn phần chính

- Mạch đo lường: Đo các tín hiệu cần thiết cho thuật toán điều khiển

- Mạch điều khiển: Tính toán ra xung điều khiển

- Mạch khuyếch đại: Khuyếch đại tín hiệu điều khiển

- Mạch động lực: Mắc van bán dẫn theo một quy luật nhất định và làm việc vớiđiện áp cao, dòng lớn

Cấu trúc tổng quát của bộ biến đổi

Trang 8

Yêu cầu với bộ biến đổi

- Hiệu suất cao

- Kích thước nhỏ gọn

Hình 1.7 Tỷ lệ khối lượng và thể tích các thành phần trong bộ biến đổi

Trang 9

Trang 10

2 MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA CÁC BỘ BIẾN ĐỔI

Các hệ thống truyền động

Hình 1.9 Điều khiển động cơ một chiều

Hình 1.10 Điều khiển động cơ xoay chiều

Trang 11

Nguồn điện phân tán DPS hoặc bộ nguồn liên tục UPS

Hình 1.11 Bộ nguồn phân tán DPS (Distribuited Power System)

Trang 12

Truyền tải điện một chiều HVDC

Hình 1.13 Hệ thống truyền tải điện một chiều

HVDC từ Malaysia sang Thái Lan

Trang 13

Truyền tải điện linh hoạt FACTS (Flexible Alternative Current Transmission System)

Trang 14

Truyền tải điện linh hoạt FACTS (Flexible Alternative Current Transmission System)

Trang 15

Ứng dụng trong hệ thống năng lượng tái tạo

Hộp



PMSG

Chỉnh lưu Nghịch lưu phía lưới

Hình 1.14 Hệ thống điều khiển tuabin gió

Trang 16

Lưới điện thông minh

Trang 17

KHỐI ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM

Cảm biến tốc độ

BỘ GIẢI

MÃ Chân ga

Chân ga

BỘ ĐIỀU KHIỂN DÒNG NĂNG LƯỢNG Tín hiệu điều khiển

BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC HAI CHIỀU

ẮC QUY

DC

Đo dòng , áp Một chiều

BỘ ĐIỀU KHIỂN BIẾN TẦN

Xung PWM

SIÊU TỤ

Xung PWM

BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ

Đặt dòng, áp

BIẾN TẦN

DC Link

Đo dòng , áp Một chiều

ĐỘNG

CƠ ĐIỆN

Đo dòng 3 pha

Đặt tốc độ, mômen

Tín hiệu pha

Đo tốc độ động cơ

Hộp số

tự động Bộ vi sai

Hệ thống điều khiển xe điện

Trang 18

u(t) là điện áp tức thời

Hoàn toàn tương tự chúng ta có

- Dòng điện tức thời i(t)

- Công suất tức thời p(t)=u(t).i(t)

(1.1)

Trang 19

Gía trị hiệu dụng

- Điện áp hiệu dụng RMS (Root – Mean – Squares)

(1.2)

Trang 20

Gía trị trung bình

(1.3)

- Điện áp trung bình (average)

Trang 21

Theo định lý Fourier, hàm tuần hoàn u(t) có thể phân tích thành dạng sau:

(1.6)

Trang 23

Theo công thức lượng giác

Phân tích fourier cho điện áp ở (1.6) có thể được viết như sau

Phân tích Fourier

(1.10)

Trong đó

Trang 24

Chỉ số méo dạng toàn phần THD ( Total Harmonic distortion)

Chỉ số méo dạng toàn phần THD là tỷ số giữa sóng hài bậc cao so với sóng hài

cơ bản

(1.11)

Trang 25

1 Công suất dưới điều kiện hình sin

Giả sử điện áp và dòng điện đều có dạng hình sin như sau

Công suất tức thời

Công suất tức thời dao động với tần số gấp hai lần tần số lưới

(1.12)

(1.13)

Trang 26

1 Công suất dưới điều kiện dòng điện và điện áp hình sin

(1.14)

(1.15)

(1.16)

(1.17)

Trang 27

(1.18)

Từ phương trình (1.15) , (1.16) và (1.18), ta có

(1.19)

Trang 28

Ví dụ 3:

Lời giải:

Trang 29

2 Công suất dưới điều kiện điện áp hình sin, dòng điện không sin

Điện áp nguồn là hình sin

Dòng điện là hàm tuần hoàn với tần số ω

Công suất tác dụng chính là giá trị trung bình của công suất tức thời

(1.20)

(1.21)

Trang 30

Phân tích Fourier cho dòng điện, theo (1.10) ta có

(1.22)

Trong đó

Trang 31

Trang 32

Hệ số méo (Distortion Factor)

Hệ số công suất lệch (Displacement Power Factor)

Mối liên hệ giữa hệ số méo, hệ số công suất lệch và hệ số công suất

(1.26)

(1.27)

(1.28)

Trang 33

Trang 34

Ví dụ 3:

Lời giải

Trang 35

Ví dụ 3:

Trang 37

3 Công suất dưới điều kiện điện áp không sin

Điện áp không sin, nhưng tuần hoàn với tần số ω

Dòng điện không sin, nhưng tuần hoàn với tần số ω

Công suất tác dụng là giá trị trung bình của công suất tức thời

(1.32)

(1.33)

(1.34)

Trang 38

3 Công suất dưới điều kiện điện áp không sin

Ví dụ 4:

Lời giải

Trang 39

6 BÀI TẬP

Trang 40

6 BÀI TẬP

Trang 41

BÀI GIẢNG MÔN HỌC Điện tử công suất

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

Khoa Điện – Điện tử

BÀI GIẢNG MÔN HỌC

Điện tử công suất

Trang 42

Ho Chi Minh City University of Technical Education www.hcmute.edu.vn

CHƯƠNG 2 CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN

CÔNG SUẤT

Trang 43

NỘI DUNG

1 MỘT SỐ ĐẶC ĐIỂM CỦA VAN BÁN DẪN

NỘI DUNG CHƯƠNG 2

Trang 44

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Trần Trọng Minh, Giáo trình Điện tử công suất, NXB Giáo Dục Việt Nam, 2009.

2 Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh, Điện tử công suất, NXB

5 Trần Trọng Minh, Bài giảng điện tử công suất, Đại học Bách Khoa Hà Nội.

6 Phạm Quốc Hải, Bài giảng điện tử công suất, Đại học Bách Khoa Hà Nội.

7 Ned Mohan, Tore M Undeland, William P Robbins, Power Electronics – Converter Applications and Design, Jonh Wiley & Sons, INC, 2003.

8 V R Moothi, Power Electronics Devices, Circuits and Industrial Applicatons,

Oxford University Press, 2010.

9 Daniel W Hart, Power Electronics, McGraw Hill, 2010.

Trang 45

1 MỘT SỐ KIẾN THỨC VỀ VAN BÁN DẪN

Hình 2.1 Van lý tưởng

Hình 2.2 Chu kỳ đóng cắt

Khi van bật (TURN ON) – Van dẫn – Van đóng

Khi van tắt (TURN OFF) – Van không dẫn – Van ngắt

Trang 46

[6]

2 Khái niệm về chất bán dẫn

- Chất cách điện: Dải dẫn ở rất xa vỏ hóa trị nên nó không có electron tự do

- Chất dẫn điện: Dải dẫn và vỏ hóa trị chồng lên nhau vì vậy nó có nhiều electron tự do

- Chất bán dẫn: Dải dẫn gần vỏ hóa trị Nếu cung cấp một năng lượng thích hợp thì các electron ở vỏ hóa trị có thể nhảy lên dải dẫn.

Trang 47

3 Bán dẫn loại p và bán dẫn loại n

- Bán dẫn loại N: Pha Si với chất có 5 electron ở vỏ hóa trị nên nó có nhiều electron tự do

Trang 48

[8]

4 Phân loại van bán dẫn công suất

Theo khả năng điều khiển

+ Van điều khiển không hoàn toàn: TIRISTOR, TRIAC

+ Van điều khiển hoàn toàn: BJT, MOSFET, IGBT, GTO

Trang 49

2 DIODE

1 Nguyên lý hoạt động của DIODE

- Diode được cấu tạo từ một lớp tiếp giáp p-n

- Vùng nghèo là vùng hình thành tại lớp tiếp cúc p-n, electron của bán dẫn loại n bị khuyếch tán sang bán dẫn loại p và ngược lại lỗ trống của bán dẫn loại p khuyếch tán sang bán dẫn loại n

- Vùng nghèo trờ thành một tụ điện và hình thành một điện trường E (điện áp tiếp xúc) có hường từ n sang p

Trang 50

2 DIODE

[10]

2 Cấu tạo, ký hiệu và đặc tính V-A lý tưởng

Hình 2.3 Cấu tạo và ký hiệu của diode thường

Đặc tính V-A của diode mô

tả mối quan hệ giữa điện

áp giữa hai đầu diode và dòng điện chảy qua diode

Hình 2.4 Đặc tính V-A lý tưởng

Trang 51

2 DIODE

3 Đặc tính V-A thực tế và tuyến tính hóa

Hình 2.4 Đặc tính V-A thực tế Hình 2.5 Đặc tính V-A tuyến tính hóa

u D = U D,0 + r D *i D ; r D = ΔU D /ΔI D

Trang 52

2 DIODE

4 Đặc tính đóng cắt của diode

Khi diode bật: điện áp u D lớn lên đến

vài V trước khi trở về giá trị điện áp

thuận cỡ 1 – 1,5V do vùng n- còn

thiếu điện tích

Đặc tính đóng cắt cho biết dạng dòng điện và dạng điện áp khi diode đóng cắt

Hình 2.6 Điện áp và dòng điện khi diode bật Hình 2.7 Điện áp và dòng điện khi diode tắt

Khi diode tắt: Dòng điện giảm dần về không , diode vẫn tiếp tục dẫn do vẫn tồn tại rất nhiều các hạt điện tích trong vùng nghèo (lớp tiếp giáp) Các hạt điện tích cần một thời gian để kết hợp với các điện tích trái dầu và được trung hòa Thời gian này gọi là thời gian phục hồi

Trang 53

2 DIODE

5 Các thông số chính của diode

Trang 54

3 TRANSISTOR - BJT

Trang 55

1 Cấu tạo, ký hiệu và nguyên lý hoạt động

Transistor, BJT (Bipolar Junction Transistor), được tạo nên từ ba lớp bán dẫn và hai lớp tiếp giáp p-n BJT gồm ba cực: C – Colecter, E – Emiter và cực B – Base.

Transistor ngược npn thường được sử dụng nhiều hơn do tại cùng một công suất nó có kích thước nhỏ gọn, giá thành rẻ

C – Collecter: tạp chất trung bình, rất rộng

E – Emiter: nhiều tạp chất, rộng vừa

B – Base: ít tạp chất, rất mỏng.

Trang 56

- Lớp tiếp giáp B-E được phân cực thuận, lớp tiếp giáp B-C phân cực ngược

- Vì tiếp giáp B-E được phân cực thuận, dòng base I B mang điện tích dương kích thích lớp tiếp xúc và tại đây chúng bị trung hòa hết.

a Chế độ tuyến tính

BJT làm việc ở ba chế độ: tuyến tính, bão hòa và khóa

- Cực E có rât nhiều electron tự do, chảy sang cực B rất mạnh.

- Cực B mỏng và có ít lỗ trống nên phần lớn electron đi vào cực B sẽ không tái hợp với lỗ trống mà sẽ khuyếch tán qua lớp tiếp giáp B-C và chúng sẽ được kéo ra khỏi vùng phân cực nghịch này do điện áp nguồn ngoài đặt trên cực C.

Hình 2.10 Phân cực BJT ngược npn

Trong chế độ này dòng collecter tỷ lệ với dòng base, I C =βI B ,

vì vậy nó còn được gọi là chế độ khuyếch đại.

Trang 57

b Chế độ bão hòa

- Lớp tiếp giáp B-E và B-C đều phân cực thuận

- Dòng base I B có giá trị đủ lớn, tạo ra dòng I C đến mức bão hòa và cực C và E được xem như kín mạch.

Hình 2.11 Chế độ bão hòa

- Khi đóng I B tăng lên, dòng I C cũng tăng lên làm

cho U CE giảm xuống Khi U CE giảm xuống giá trị

bão hòa U CEsat thì lớp tiếp giáp B-C phân cực thuận.

Dòng điện I C bắt đầu tăng mạnh và mối quan hệ

I C =βI B không còn chính xác.

- Điện áp bão hòa U CEsat thường nhỏ và có giá trị

khoảng 1 V -2 V.

Trang 58

c Chế độ khóa

- Cả hai lớp tiếp giáp B-E và B-C đều phân cực ngược, dòng chảy vào cực base I B =0.

- Hai cực C và E coi như bị hở mạch

Hình 2.12 Chế độ khóa

Trang 60

+ Chế độ khóa (vùng cut off) : transistor không dẫn điện.

+ Chế độ bão hòa (vùng bão hòa) : transistor dẫn điện.

- Vùng ngưng dẫn (cut off):Transistor

hoạt động trong chế độ khóa Dòng

Trang 61

3 Cấu trúc Darlington

Hình 2.16 Cấu trúc Darlington

(2.5)

Trang 62

4 Các thông số của BJT

- Dòng Collector cho phép, I c,max

- Điện áp cho phép giữa Collector – Emitor, U CE,max

- Hệ số khuyếch đại dòng điện β hay h FE : phụ thuộc vào I C

Trang 63

4 MOSFET

transistor có khả năng đóng cắt nhanh và tổn hao đóng cắt thấp

Cực điều khiển G cách ly hoàn toàn với cấu trúc bán dẫn còn lại bởi lớp điện môi cực mỏng nhưng có độ cách điện lớn

SiO2.

Hai tiếp điểm nguồn S và máng D được ghép với hai lớp bán dẫn N

Trang 65

4 MOSFET

Giữa cực S và cực G hình thành một tụ điện

Nếu UGS>0, sẽ hình thành một lớp electron lấp đầy giữa hai cực D và S, hình thành một dòng

electron chạy từ S về D khi hai cực này được nối với nguồn điện UDS>0.

Trang 67

5 IGBT

- IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)

kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khả năng chịu tải lớn của BJT

- IGBT tương đương với một mạch transistor p-n-p với dòng base được điều khiển bởi một MOSFET.

Trang 68

5 IGBT

2 Đặc tính V-A và nguyên lý hoạt động

Hình 2.20 Đặc tính V-A của IGBT

- IGBT dẫn khi U CE lớn hơn một điện áp ngưỡng (2-3V) và điện áp U GE cũng phải lớn hơn một điện áp bão hòa

Trang 69

6 TIRISTOR

1 Cấu tạo, ký hiệu

Hình 2.20 Cấu trúc, ký hiệu của Tiristor

A – Anode

K – Cathode

G – Gate

- Lớp catot là bán dẫn loại N rất mỏng, có nồng độ tạp chất cao

- Lớp điều khiển là bán dẫn loại P rất mỏng, có nồng độ tạp chất trung bình

- Lớp chắn là bán dẫn loại N rất dày, có nồng độ tạp chất thấp nhất, chịu được điện áp ngược

- Lớp anot là bán dẫn loại P có chiều dày và nồng độ tạp chất trung bình

Tiristor có thể xem tương đương với hai transistor npn và pnp

Trang 70

6 TIRISTOR

2 Đặc tính V-A và nguyên lý hoạt động

Đặc tính ngược U AK <0 , hai lớp tiếp giáp J1, J3 phân cực ngược còn J2 phân cực thuận Tiristor giống hai diode mắc nối tiếp bị phân cực ngược nên khi UAK<0 nó có đặc tính giống của diode

Hình 2.21 Đặc tính V-A Hình 2.22 Tiristor phân cực ngược

Trang 71

+ Khi U AK <U thmax , tiristor vẫn không dẫn dòng + Khi tăng điện áp U AK lên, U AK >U thmax , điện áp trên các lớp tiếp giáp tăng lên, các điện tích được tăng thêm năng lượng, tạo lên hiện tượng

va chạm dây truyền làm cho tiristor dẫn điện + Để Tiristor dẫn được trong trường hợp này thì

I V > I dt

- TH2: I G >0

- Nếu có thêm dòng điều khiển thì việc dẫn dòng sẽ diễn ra sớm hơn khi U AK đạt được đến

Ut hmax Các hiện tượng xảy ra giống hệt trường hợp I G =0.

Trang 72

3 Đóng cắt Tiristor

6 TIRISTOR

Mở tiristor có hai cách

- Tăng U AK đến U thmax dưới điều kiện I V >I dt , cách này không được sử dụng trong thực tế

- Sử dụng dòng điều khiển I G dưới điều kiện U AK >0 và I V >I dt , cách này được sử dụng trong thực tế

Tiêu đề	Điện Tử Công Suất
Tác giả	Trần Trọng Minh, Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải
Người hướng dẫn	TS. Nguyễn Hoàng Việt
Trường học	Trường Đại Học Thủy Lợi
Chuyên ngành	Điện Tử
Thể loại	Bài Giảng
Năm xuất bản	2016
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	119
Dung lượng	5,68 MB