Bài giảng Điện tử công suất

 Các hệ thức và khái niệm cơ bản (Relations and basic concepts)  Các phần tử bán dẫn công suất (Power semiconductor devices)  Bộ chỉnh lưu (Rectifier or AC to DC Converters)  Bộ băm (BuckBoost converters or DC to DC Converters)  Bộ nghịch lưu (Inverters or DC to AC Converters)

Giảng viên: TS.Phạm Công Thành

Bô Môn: Điện Công Nghiệp Khoa Điện – Điện Tử Email: phamcongthanh1978@gmail.com

ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Môn học

Nội dung môn học

 Các hệ thức và khái niệm cơ bản (Relations and basic concepts)

 Các phần tử bán dẫn công suất (Power semiconductor devices)

 Bộ chỉnh lưu (Rectifier or AC to DC Converters)

 Bộ băm (Buck-Boost converters or DC to DC Converters)

 Bộ nghịch lưu (Inverters or DC to AC Converters)

January 15 2014 © Phạm Công Thành

Lãnh vực ứng dụng của ĐTCS

1 Các thiết bị gia dụng

 Tủ lạnh, tủ đơng

 Gia nhiệt, sưởi

 Hệ thống điều hịa khơng khí

 Lị nấu

 Chiếu sáng

 Các thiết bị điện tử dân dụng (TV, máy

tính, các thiết bị nghe nhìn, giải trí…)

2 Trang thiết bị cho cao ốc

 Các hệ thống sưởi, thơng giĩ, điều hịa

 Hệ thống điều hịa trung tâm

 Máy tính và các thiết bị văn phịng

 UPS (Uninterruptible Power Supply)

 Lị nấu hồ quang, Lị nấu cảm ứng

 Gia nhiệt cảm ứng (tơi cao tần…)

 Máy hàn điện

4 Giao thơng vận tải

 Điều khiển động cơ xe hơi điện

 Nạp acquy xe hơi điện

 Các hệ thống tàu điện, tàu điện ngầm

6 Hàng khơng

 Hệ thống điện tàu con thoi

 Hệ thống điện của các vệ tinh

 Hệ thống điện máy bay

7 Viễn thơng

 Bộ nạp bình acquy

 Bộ nguồn (DC, UPS)

Ví dụ ứng dụng của bộ biến đổi ĐTCS

• Ứng dụng các bộ biến đổi ĐTCS giúp tiết kiệm năng lượng,

nâng cao chất lượng đáp ứng của thiết bị

Tiết kiệm năng lượng tiêu thụ của hệ thống bơm khi điều chỉnh lưu lượng bằng

bộ điều khiển tốc độ động cơ thay cho van tiết lưu

Nguồn

lưới

Nguồn lưới

Động cơ

Bơm

Van tiết lưu

Bộ điều khiển tốc độ + Động cơ

Sơ đồ khối Bộ biến đổi

điều khiển

Mạch động lực

Lưu ý là các mạch ĐTCS hoạt động theo chế độ đóng-ngắt (switch-mode)

 Hiệu suất mạch ĐTCS cao

Chỉnh lưu Tụ lọc

Biến áp nguồn

Nguồn lưới

Tầm thay đổi của v d

Tải

a Sơ đồ nguyên lý

b Dạng sóng điện áp ngõ vào v d và ngõ ra v o

Chỉnh lưu Mạch lọc

thông thấp

Tải

Mạch điều khiển Mạch động lực

Bộ ổn áp xung

b Mạch tương đương của bộ ổn áp xung

Mạch động lực

Mạch điều khiển

Tải

V o = V oi

v oi

Tải

c Điện áp ngõ ra của bộ ổn áp xung

Transistor hoạt động như một khóa đóng ngắt  hiệu suất cao

Biến áp, mạch lọc hoạt động ở tần số cao  kích thước nhỏ

Điện áp ngõ ra thay đổi bằng cách điều khiển độ rộng xung (tỉ lệ ton/Ts)

Chế độ hoạt động của BBĐ

Chế độ chỉnh lưu

Bộ biến đổi

Chế độ nghịch lưu

Nguồn

lưới

CÁC HỆ THỨC VÀ KHÁI NIỆM CƠ BẢN Trị trung bình của một đại lượng:

Gọi i(t) là hàm biến thiên tuần hoàn theo thời gian với chu kỳ T Trị trung bình của đại lượng i, viết tắt là Iav được xác định theo hệ thức:

 0

T T

Các trường hợp thường gặp:

Tải R:

Quan hệ giữa điện áp và dòng điện tức thời qua điện trở R cho bởi:

uR=R.iR

Lấy trị trung bình hai vế ta có:

URAV=R.IRAV

Tải L:

L L

Trị trung bình áp: UtAV=R.ItAV + ULAV=R.ItAV

Từ đó: ItAV=UtAV/R

Công suất trung bình:

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

Trường hợp dòng qua tải không đổi theo thời gian i=const=IAV, công suất trung

bình qua tải bằng tích của điện áp trung bình và dòng điện:

PAV=UAV.I=UAV.IAV

Trị hiệu dụng của một đại lượng (Chỉ số RMS Root Mean Square)

Giả thiết đại lượng i biến thiên theo thời gian theo một hàm tuần hồn với chu kỳ T hoặc với chu kỳ theo gĩc X= Tpω Trị hiệu dụng của đại lượng i được tính theo cơng thức:

Ví dụ: Cho một điện áp dạng u=Um.sin(t)=220 2sin(314t)

a Tính trị hiệu dụng của điện áp trên?

0 0

0

- 0

u u u

u = |Umsinωt| = |Umsinθ|,

với Um, ω là hằng, t là biến thời gian Hàm này có biến là góc θ = ωt và tuần hoàn

với chu kỳ π Đồ thị của hàm như hình 1.1

Trị trung bình của hàm là:

π

2U d

sin U

Hệ số công suất:

Hệ số công suất λ hoặc PF (Power Factor) đối với một tải được định nghĩa bằng tỉ số giữa công suất tiêu thụ P và công suất biểu kiến S mà nguồn cấp cho tải đó

P PF

S

  

Trong trường hợp đặc biệt của nguồn áp dạng sin và tải tuyến tính chứa các phần tử như R,L,C không đổi và sức điện động dạng sin, dòng điện qua tải sẽ có dạng sin cùng tần số của nguồn áp với góc lệch pha có độ lớn bằng  Ta có hệ thức tính hệ số công suất như sau:

P=m.U.I.cos

S=m.U.I

cos

P S

Trong đĩ: U,I là các trị hiệu dụng của điện áp và dịng điện qua tải; m là tổng số pha

Giả sử nguồn điện áp cung cấp cĩ dạng sin và dịng điện qua nĩ cĩ dạng tuần hồn khơng sin Dựa vào phân tích Fourier áp dụng cho dịng điện i, ta cĩ thể tách dịng điện thành các thành phần sĩng hài cơ bản I(1) cùng tần số với nguồn áp và các sĩng hài bậc cao I(2) , I(3)

P=P1=m.U.I(1)cos1

1 góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện sóng hài cơ bản

Các sóng hài còn lại (bậc cao) tạo nên công suất ảo

D: Cơng suất biến dạng (cơng suất ảo do các sĩng hài bậc cao của dịng điện tạo nên)

Muốn tăng hệ số cơng suất, ta cĩ thể:

P=m.U.I (1) cos1 cơng suất tiêu thụ của tải

Q 1 =m.U.I (1) sin1 cơng suất phản kháng (cơng suất ảo do sĩng hài cơ bản của dịng điện tạo nên)

- Giảm Q1 -công suất ảo của sóng hài cơ bản, tức thực hiện bù công suất phản kháng

- Giảm D -công suất ảo của các sóng hài bậc cao bằng cách:

+ Lọc sóng hài

I

Hệ số méo dạng (Distortion Factor-DF)

Được định nghĩa bằng tỉ số trị hiệu dụng thành phần hài cơ bản và trị hiệu dụng

đại lượng dòng điện:

  1

I DF

I



Quan hệ giữa hệ số công suất và hệ số méo dạng vì thế liên hệ theo hệ thức:

PF=DF.cos1

Độ méo dạng tổng do sóng hài (Total Harmonic Distortion-THD):

Là đại lượng dùng để đánh giá tác dụng của các sóng hài bậc cao (2,3, ) xuất hiện trong nguồn điện, cho bởi hệ thức:

I THD

Trong đó, I(j) là trị hiệu dụng sóng hài bậc j, j>=2 và I(1) là trị hiệu dụng thành phần

hài cơ bản dòng điện Quan hệ giữa DF và THD:

1 1

a Hàm công suất tức thời của tải

b Công suất tức thời lớn nhất

c Công suất trung bình của tải

2 Điện áp và dòng điện trên tải là những hàm tuần hoàn theo thời gian với chu

kỳ T=100ms

Phân tích Fourier đại lượng tuần hoàn

Hàm tuần hoàn i(x) chu kz T có thể biểu diễn bằng một tổng dạng:

 k ω x  b sin  k ω x 

cos a

I

1 k

2 a

2 b

biểu thức phân tích Fourier (hoặc chuỗi Fourier) của hàm i(x)