1.3.1 Một biến trở như một dụng cụ điều khiển 1.3.2 Một chuyển mạch như một dụng cụ điều khiển 1.4 Các chuyển mạch nửa dẫn công suất 1.5 Tổn thất công suất trong chuyển mạch thực tế 1.5.
Trang 1CHƯƠNG I : CÔNG SUẤT ĐIỆN TỬ
Đề cương học tập
1.1 Giới thiệu
1.2 Công suất điện tử là gì ?
1.3 Tại sao có công suất điện tử ?
1.3.1 Một biến trở như một dụng cụ điều khiển
1.3.2 Một chuyển mạch như một dụng cụ điều khiển
1.4 Các chuyển mạch nửa dẫn công suất
1.5 Tổn thất công suất trong chuyển mạch thực tế
1.5.1 Tổn thất dẫn điện
1.5.2 Tổn thất chuyển mạch
1.6 Các kiểu mạch điện công suất điện tử
1.7 Các ứng dụng của công suất điện tử
1.8 Thảo luận
1.9 Các công thức
Trọng tâm học tập
Sau khi hoàn thành chương này sinh viên cần có khả năng
Định rõ giới hạn công suất điện tử
Kể các ứng dụng của việc dùng chuyển mạch để điều khiển công suất điện
Liệt kê các kiểu khác của dụng cụ nửa dẫn công suất
Xác định tổn hao công suất trong chuyển mạch thực
Liệt kê các kiểu khác của mạch công suất điện tử
Liệt kê các kiểu ứng dụng của công suất điện tử
Trang 21.1 Giới thiệu
Các ứng dụng của điện tử trạng thái rắn trong lĩnh vực công suất điện tăng trưởng vững chắc, và chiều hướng công suất điện tử hiện nay là đặc trưng phổ biến của nhiều chương trình kỹ thuật cơ điện Các điện tử công suất đã được dùng từ những năm
1960, sau việc giới thiệu mạch chỉnh lưu có điều khiển silíc (SCR) của điện khí đại cương Công suất điện tử tăng trưởng nhanh chóng trong những năm gần đây với sự phát triển của các dụng cụ nửa dẫn công suất như chuyển mạch các dòng điện lớn có hiệu qủa ở điện áp cao Từ những dụng cụ này với độ tin cậy cao, kích cỡ nhỏ, công suất điện tử mở rộng chủng loại và phạm vi đến các ứng dụng như điều khiển nhiệt và ánh sáng, điều chỉnh công suất cung cấp, thay đổi tốc độ động cơ AC và DC, sự bù tĩnh VAR, và hệ thống biến thế DC cao áp
1.2 Công suất điện tử là gì ?
Lĩnh vực rộng lớn của công việc kỹ sư điện có thể được chia thành ba chủ đề : công suất điện ; điện tử ; và điều khiển Công suất điện tử với các ứng dụng của các dụng cụ nửa dẫn công suất, như là thyristor và bán dẫn , cho sự biến đổi và điều khiển năng lượng điện tại các mức công suất cao Sự biến đổi này thường từ AC thành DC, trong đó thông số điều khiển là điện áp, dòng điện hay tần số Ví dụ như, chỉnh lưu đơn giản từ AC thành DC là biến đổi công suất, nhưng nếu điều chỉnh mức điện áp được cung cấp đến chỉnh lưu, cả hai biến đổi và điều khiển công suất điện là gắn với nhau.Vì vậy, công suất điện tử có thể được xem xét là mộ công nghệ liên quan nhiều lĩnh vực gồm ba lĩnh vực co bản : công suất , điện tử, và điều khiển, như trình bày trong hình 1.1
Hình 1.1 : Công suất điện tử : một tổ hợp của công suất, điện tử và điều khiển
Trang 3Cuốn sách này sẽ bao gồm việc sữ dụng các dụng cụ nửa dẫn công suất trong các ứng dụng như chỉnh lưu, sự đảo chiều , biến đổi tần số, dụng cu AC và DC, và công suất cung cấp Trong công suất điện tử, các dụng cu như diot, bán dẫn, thyristor, và triac được dùng chủ yếu như là chuyển mạch để thực hiện công việc đóng mở đó là căn bản các mạch công suất điện tử
1.3 Tại sao có công suất điện tử ?
Truyền tải công suất điện từ một nguồn đến tải có thể điều khiển bởi thay đổi điện áp cung cấp (dùng biến thế) hay bằng cách thêm một máy điều chỉnh ( như là biến trở, lò phản ứng hay chuyển mạch ) Các dụng cụ bán dẫn dùng làm chuyển mạch có ư điểm là kích cỡ nhỏ, không đắt, và hiệu qủa, và chúng có thể dùng điều khiển công suất tự động Một ư điểm nữa của dùng chuyển mạch như một yếu tố điều khiển ( so với dùng biến trở hay cái phân thế để điều chỉnh điện trở) như trình bày trong phần sau
1.3.1 Dụng cụ điều khiển là một biến trở
Hình 1.2 trình bày một biến trở điều khiển tải Khi R1 đặt ở điện trở 0, toàn công suất được phân phối đến tải Khi R1 đặt ở điện trở cực đại, công suất phân phối đóng xuống 0 Để truyền tải công suất cực đại đến tải, R1 phải bằng RL Với điều kiện này, biến trở tiêu thụ nhiều công suất đến ảti – hiệu qủa của sự biến đổi chỉ còn 50% Hơn nữa, biến trở lớn hơn tải và tiêu hao thêm nhiệt
Hình 1.2 :
Một biến trở điều khiển tải
Trong ứng dụng này, công suất được điều khiển lớn, hiệu qủa của sự biến đổi là quan trọng Hiệu qủa thấp có nghĩa là tổn hao lớn, xem xét tính kinh tế vì nó còn phát nhiệt và phải có lớp chuyển tiếp của hệ thống để ngăn ngừa qúa nhiệt
Trang 4Ví dụ 1.1 Một nguồn DC 100 V cungcấp cho tải điện trở 10 Ω Tìm công suất phân
phối đến tải PL , công suất tổn hao trong biến trở PR , tổng công suất cung cấp bởi nguồn PT , và hiệu suất η, nếu biến trở đặt ở :
a) 0 Ω
b) 10 Ω
c) 100 Ω
Giải đáp :
a) Điện áp qua tải VL = 100 V
Công suất cung cấp đến tải PL = 1002 / 10 = 1 kW
Công suất tiêu thụ trong biến trở PR = 0 kW
Công suất cungcấp bởi nguồn PR = PL + PR = 1 kW
T
P P
b) Điện áp qua tải VL = 10 * 100 / 20 = 50 V
Công suất cung cấp đến tải PL = 502 / 10 = 250 W
Công suất tiêu thụ trong biến tải PR = 250 W
Công suất cungcấp bởi nguồn PT = PL + PR = 500 W
T
P P
c) Điện áp qua tải VL = 10 * 100 / 110 = 9 V
Công suất cung cấp đến tải PL = 92 / 10 = 8,1 W
Công suất tiêu thụ trong biến tải PR = 91 * 19 / 100 = 82,8 W
Công suất cungcấp bởi nguồn PT = PL + PR = 90,9 W
T
P P
Từ ví dụ này rõ ràng là hiệu suất của công suất truyền tải từ nguồn đến tải là rất thấp –nên nhớ rằng nó chỉ bằng 50% trong trường hợp (b)
1.32 Dụng cụ điều khiển là một chuyển mạch
Trong hình 1.3 , một chuyển mạch được dùng để điều khiển tải Khi chuyển mạch mở, công suất cực đại được phân phối đến tải Công suất tổn hao trên chuyển mạch là 0 vì không có điện áp qua nó Khi chuyển mạch đóng, không có công suất phân phối đến tải Một lần nữa, chuyển mạch không có tổn hao công suất vì không có dòng điện qua nó Hiệu suất là 100% bởi vì chuyển mạch không có tổn hao công suất ở cả hai vị trí của nó Vấn đề với phương pháp này đó là không giống như biến trở, một chuyển mạch không thể đặt tại điểm giữa để biến đổi công suất Tuy nhiên, chúng ta có thể tạo hiệu qủa giống như vậy bằng cách vặn đổi chiều định kỳ chuyển mạch đóng và mở Bóng bán dẫn và SCRs được dùng như một chuyển mạch có thể tự động vặn đổi chiều đóng và mở hàng trăm lần trong một giây Chuyển mạch điện tử đặt mở cho một thời gian dài hơn và đặt đóng cho một thời gian ngắn hơn Khi cần công suất thấp, nó đặt thời gian đóng dài hơn
Trang 5Hình 1.3 : Một chuyển mạch điều khiển tải
Ví dụ 1.2
Một nguồn DC 100 V cung cấp tải điện trở 10 Ω qua một chuyển mạch Tìm công suất cung cấp đến tải PL , công suất tổn hao trong chuyển mạch Ps , và tổng công suất cung cấp bởi nguồn PT , nếu chuyển mạch là :
a) đóng
b) Mở
c) Đóng 50% thời gian
d) Đóng 20% thời gian
Giải đáp :
a) Với chuyển mạch đóng
Công suất phân phối đến tải PL = 1002 / 10 = 1 kW
Công suất tổn hao trong chuyển mạch Ps = 0
Công suất cung cấp bởi nguồn PT = 1 kW
b) Với chuyển mạch mở
Công suất phân phối đến tải PL = 0 kW
Công suất tổn hao trong chuyển mạch Ps = 0
Công suất cung cấp bởi nguồn PT = 0 kW
c) Đóng 50% thời gian ( xem hình 1.4 )
Công suất phân phối đến tải PL = 502 / 10 = 250 W
Công suất tổn hao trong chuyển mạch Ps = 0
Công suất cung cấp bởi nguồn PT = 250 W
d) Đóng 20% thời gian
Công suất phân phối đến tải PL = 202 / 10 = 40 W
Công suất tổn hao trong chuyển mạch Ps = 0
Công suất cung cấp bởi nguồn PT = 40 W
Trang 6Hình 1.4 : xem ví dụ 1.2
Như ví dụ này trình bày, tất cả công suất cung cấp bởi nguồn được phấn phối đến tải Hiệu suất truyền tải công suất là 100% Dĩ nhiên, trong ví dụ này chuyển mạch giả sử là lý tưởng, nhưng khi chúng ta dùng bóng bán dẫn làm chuyển mạch, kết qủa rất gần với sự làm việc của mạch lý tưởng
1.4 Công suất chuyển mạch bán dẫn
Công suất các chuyển mạch bán dẫn là yếu tố quan trong nhất trong mạch điện công suất điện tử Các loại chủ yếu của các dụng cụ bán dẫn được dùng làm chuyển mạch trong mạch công suất điện tử là :
Các diot
Các bóng bán dẫn nối hai cực ( BJT )
Lĩnh vực chất bán dẫn oxit kim loại – các bóng bán dẫn hiệu qủa ( MOSFET) Các chỉnh lưu có điều khiển silic ( SCR )
Các triac
Các thyristor cổng rẽ ( GTO )
Các thyristor có điều khiển – MOS ( MCT )
Trong các điện tử công suất, các dụng cụ này làm việc theo kiểu chuyển mạch Các chuyển mạch này có thể làm để hoạt động ở các tần số cao để biến đổi và điều khiển công suất điện với hiệu suất cao vàcách thức tốt Công suất tổn hao trong chuyển mạch tự nó rất nhỏ vì điện áp gần là 0 khi chuyển mạch mở và dòng điện gần là 0 khi chuyển mạch đóng
Chúng ta sẽ xem như các chuyển mạch này là lý tưởng ( các hạn chế của một chuyển mạch thực tế trình bày trong phần tiếp theo ) Một chuyển mạch lý tưởng thoả mãn các điều kiện sau :
Trang 71 Nó vặn mở và vặn đóng trong thời gian là 0
2 Khi chuyển mạch mở, điện áp qua nó là 0
3 Khi chuyển mạch đóng, dòng điện qua nó là 0
4 Nó không tiêu thụ công suất
Thêm vào còn muốn các điều kiện sau :
5 Khi mở, nó có thể mang dòng điện lớn
6 Khi đóng , nó có thể chịu được điện áp cao
7 Nó dùng ít công suất để điều khiển hoạt động của nó
8 Nó có độ tin cậy cao
9 Nó có kích cỡ và trong lương nhỏ
10 Nó có chi phí thấp
11 Nó khôngcần bảo dưỡng
1.5 Tổn hao công suất trong chuyển mạch thực:
Một chuyển mạch lý tưởng trình bày trong hình 1.5 Công suất tổn hao phát sinh trong chuyển mạch là sản phẩm của dòng điện qua chuyển mạch và điện áp qua chuyển mạch Khi chuyển mạch là đóng, không có dòng điện qua nó ( dẫu cho có một điện áp
Vs qua nó ), Và vì vậy không có công suất tiêu thụ Khi chuyển mạch mở, Có một dòng ( Vs / RL ) qua nó , nhưng không có điện áp qua nó , như vậy không có công suất tổn hao Chúng ta cũng giả sử rằng với một chuyển mạch lý tưởng thời gian tăng vượt và rơi xuống của dòng điện là 0, đó là chuyển mạch lý tưởng thay đổi từ trạng thái đóng sang trạng thái mở tức thời Công suất tổn hao trong chuyển mạch vì thế là 0
Hình 1.5 :Tổn hao công suất trong chuyển mạch lý tưởng
Không giống chuyển mạch lý tưởng, một chuyển mạch thực tế, như là bóng bán dẫn nối lưỡng cực, có hai nguồn chủ yếu tổn thất công suất : tổn hao dẫn điện và tổn hao chuyển mạch
Trang 81.5.1 Tổn hao dẫn điện
Khi bóng bán dẫn trong hình 1.6a là đóng, nó mang một dòng dò rỉ ( Ileak ) Công suất tổn hao liên đới với dòng dò rỉ là Poff = Vs * Ileak Tuy nhiên vì dòng dò rỉ là hoàn toàn nhỏ và không thay đổi đáng kể với điện áp, như thế tổn hao công suất bóng bán dẫn cơ bản là 0 Khi bóng bán dẫn là mở, như hình 1.6b, có một điện áp nhỏ qua nó Điện áp này được gọi là điện áp bão hòa ( VCE(SAT) ) Công suất tiêu thụ của bóng bán dẫn hay tổn hao dẫn điện hưởng từ điện áp bão hòa là :
Ở đây :
s CE SAT s
c
I
−
Công thức 1.1 cho tổn hao công suất do sự dẫn điện nếu chuyển mạch vẫn còn mở là không xác định Tuy nhiên , để điều khiển công suất với ứng dụng đã cho, chuyển mạch vặn mở và đóng một cách tuần hoàn Vì vậy, để tìm tổn hao công suất trung bình chung ta phải xét đến hệ số chu kỳ :
on avg CB SAT c CB SAT c
t
T
Tương tự
off avg s leak
t
T
Ở đây, hệ số chu kỳ d được xác định như tỷ lệ của chu kỳ trong chuyển mạch mở:
on on
on off
d
Hình 1.6 : Các tổn hao công suất trong chuyển mạch bán dẫn
Trang 91.5.2 Tổn hao chuyển mạch
Thêm vào tổn hao dẫn điện, một chuyển mạch thực còn có tổn hao chuyển mạch bởi
vì nó không thể thay đổi từ trạng thái mở sang trạng thái đóng ngay lập tức Một chuyển mạch thực lấy đi một thời gian có hạn Tsw(on) để vặn mở và một thời gian có hạn Tsw(off) để vặn đóng Những thời gian này không chỉ đưa vào công suất tiêu thụ mà còn giới hạn tần số chuyển mạch cao nhất có thể được Các thời gian qúa độ
Tsw(on) và Tsw(off) với chuyển mạch thực thường không bằng nhau, Tsw(on) nói chung là lớn hơn Tuy nhiên chúng ta giả sử rằng Tsw(on) là bằng Tsw(off) Hình 1.7 trình bày dạng sóng chuyền mạch cho a) điện áp qua chuyển mạch và b) dòng điện qua nó Khi chuyển mạch đóng, điện áp qua nó là bằng điện áp nguồn Khi vặn đóng, một thời gian có hạn để điện áp qua chuyển mạch giảm xuống 0 Trong thời gian như vậy, dòng điện qua chuyển mạch tăng dần từ 0 đến IC Bóng bán dẫn dòng điện qua nó và một điện áp qua nó trong lúc thời gian chuyển mạch; vì vậy nó có tổn hao công suất
Hình 1.7 : Dạng sóng lúc chuyển mạch hoạt động (a) điện áp qua chuyển mạch (b)
dòng điện qua chuyển mạch (c) Công suất tiêu thụ trong chuyển mạch
Để tìm công suất tiêu thụ trong bóng bán dẫn trong các khoảng thời gian chuyển mạch, chúng ta nhân giá trị tức thời Ic và giá trị tương ứng VCE Đương cong công suất tức thời trình bày trong hình 1.7c Năng lượng tiêu thụ trong chuyển mạch là bằng với diện tích phần dưới dạng sóng công suất Nên nhớ rằng công suất cực đại tiêu thụ khi cả hai dòng điện và điện áp đi qua các giá trị trung điểm của chúng Vì vậy, tổn hao công suất cực đại khi chuyển mạch từ trạng thái đóng chuyển sang trạng thái mở là :
Trang 10Có điều nên nhớ rằng đường công công suất nhìn cơ bản giống một chỉnh lưu sóng sin Giá trị trung bình của dạng sóng này là :
Pswon(avg) = 0,637 * Pswon(max)
= 0,637 * 0,5 VCE(max) * 0,5 Ic (max)
= 0,167 VCE(max) * IC (max) Hay :
Pswon(avg) = 1
Tổn thất năng lượng ( công suất * thời gian ) trong lúc mở sẽ là
Psw on(avg) * tsw(on)
Wsw on = 1
Phân tích tương tự cho tổn hao năng lượng lúc đóng là
Wsw off = 1
Tổng tổn thất năng lượng trong một chu kỳ do chuyển mạch được cho bởi :
Wsw = Wsw on + Wsw off = 1
6 VCE(max) * IC(max) * [ tsw(on) + tsw(off) ] Công suất trung bình tiêu thụ trong chuyển mạch sẽ là
Psw = W sw
T = Wsw * f
Psw = 1
6 VCE(max) * IC(max) * [ tsw(on) + tsw(off) ] * f
Ở đây T là định kỳ chuyển mạch và f là tỷ lệ tái diễn xung (tần số của chuyển mạch ) Nên nhớ rằng :
T = ton + tsw(on) + toff + tsw(off)
Nếu chúng ta cho phép :
tsw(on) = tsw(off) = tsw
Thì :
Psw = 1
Tổng tổn hao công suất trong chuyển mạch là
≈ Pon(avg) + Psw
PT = d * VCE(sat) * IC + 1
3 * VCE(max) * IC(max) * tsw * f 1.12
Trang 11Ví dụ 1.3 Trong hình 1.5 , Vs là 50 V , RL = 5 Ω , và chuyển mạch là lý tưởng không có tổn hao chuyển mạch Nếu điện áp trạng thái mở là 1,5 V và dòng điện dò
rỉ là 1,5 mA, tính công suất tổn hao trong chuyển mạch khi nó là :
a) Mở
b) Đóng
Giải đáp:
a) Dòng điện dẫn là = 50 1, 5
5
− = 9,7 A Tổn hao công suất trong trạng thái mở Pon = 1,5 * 9,7 = 14,55 W
b) Tổn hao công suất trong trạng thái đóng Poff = 50 * 0,0015 = 75 mW
Đối với các điều kiện tải thông thường, công suất tiêu thụ trong trạng thái đóng có thể không đáng kể so với tổn thất công suất trong trạng thái mở
Ví dụ 1.4 Tính tổn hao công suất trung bình và cực đại cho chuyển mạch trong ví dụ
1.3 nếu tần số chuyển mạch là 500 Hz với hệ số chu kỳ 50%
Giải đáp :
Tổn hao công suất trung bình trong trạng thái mở = Pon * t on
T = 14,55 * 0,5 = 7,27 W Tổn hao công suất trung bình trong trạng thái đóng = Poff * t off
T = 0,075 * 0,5 = 0,037W Tổn hao công suất trung bình cho một chu kỳ = P0(avg) + Poff(avg) = 7,27 + 0,037 = 7,3W Công suất tiêu thụ cực đại ( từ ví dụ 1.3) = 14,55 W
Ví dụ 1.5 Trong hình 1.6, Vs là 120 V , RL là 6 Ω và bóng bán dẫn là lý tưởng không có tổn hao dẫn điện Nếu tsw(on) = tsw(off) = 1,5 µs, tính tổn hao công suất chuyển
mạch trung bình với tần số chuyển mạch là 1 kHz
Giải đáp :
IC(max) = 120 / 6 = 20 A
Psw on(avg) = 1
6 VCB(max) * IC(max) = ( 120 * 20 ) / 6 = 400 W Tổn hao năng lượng là :
Wsw on = Psw on(avg) * tsw(on) = 400 * 1,5 (10-6) = 0,6 (10-3) Jun
Tổn hao năng lượng trong lúc đóng là : Wsw off = 0,6 (10-3) Jun
Tổng tổn hao năng lượng trong một chu kỳ do chuyển mạch được cho bởi
Wsw = Wsw on + Wsw off = 2 * 0,6 (10-3) = 1,2 (10-3) Jun
Công suất trung bình tiêu thụ trong lúc chuyển mạch sẽ là
Psw = Wsw * f = 1,2 (10-3) * 1000 = 1,2 W
