thiết kế hệ thống điều khiển điện tử công suất

Phần điều khiển thiết bị điện tử công suấtChủ yếu làm việc với điện áp lưới xoay chiều => phát xung mở van Thyristor dựa vào tần số lưới điện, => Hệ điều khiển phụ thuộc lưới điện... Đ

Trang 1

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

MÔN HỌC

Khoa Điện

Trang 2

I Đặc điểm chính của các van bán dẫn

II Thiết bị điện tử công suất loại điều khiển tần số phụ thuộc

III Thiết bị điện tử công suất loại điều khiển tần số độc lập

NỘI DUNG MÔN HỌC

2

Trang 3

1 Phạm Quốc Hải: “Hướng dẫn thiết kế Điện tử công suất” Nhà

xuất bản Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, 2009.

2 Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh: “Điện tử

công suất” Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, 2004.

3 Trần Văn Thịnh: “Tính toán thiết kế thiết bị Điện tử công

suất” Nhà xuất bản giáo dục, Hà Nội, 2009.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

3

Trang 4

Mạch lực Tải

Mạch điều khiển

Đầu ra:

- AC

- DC Được điều khiển

Đầu vào :nguồn

Cấu trúc thiết bị điện tử công suất

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

4

Trang 5

Phần lực các chủng loại thiết bị điện tử công suất –

các dạng biến đổi năng lượng điện cơ bản

Trang 6

Phần điều khiển thiết bị điện tử công suất

Chủ yếu làm việc với điện áp lưới

xoay chiều => phát xung mở van

Thyristor dựa vào tần số lưới điện,

=> Hệ điều khiển phụ thuộc lưới điện

Trang 7

Van bán dẫn là một phần tử khi hoạt động chỉ có hai

trạng thái chính:

• Van dẫn dòng: cho dòng điện đi qua nó đưa năng

lượng điện ra tải với sụt áp trên van nhỏ nhất có thể

(lý tưởng bằng 0 )

• Van khoá (không dẫn dòng), không cho dòng điện đi

qua, lý tưởng nếu dòng này bằng không

Phần lực sử dụng các van bán dẫn đấu thành mạch thực hiện quá trình biến đổi năng lượng điện.

I Đặc điểm các van bán dẫn công suất

7

Trang 8

Các van bán dẫn công suất hiện nay

1 Van không điều

Trang 9

• không dẫn dòng khi Ube ≤ 0;

9

Trang 10

BT - BJT

Hiện nay đã chế tạo được BT với tham số cao nhất: 1000A x 1000V loại dalinhtơn (4 transistor, sụt áp khi dẫn 4V)

10

Trang 11

3 M etal- O xide- S emiconductor F ield- E ffect T ransistor

Trang 12

Đánh giá về MOSFET

Hiện nay đã chế tạo MOSFET:

+ dòng lớn: 1900A x 200V

+ điện áp cao: 900V x 85A

+ loại trung bình: 300A x 300V

Ưu:

+ điều khiển bằng áp

+ công suất điều khiển nhỏ

+ tham số ít phụ thuộc nhiệt độ

+ có thể không cần điện áp âm ở

+ Khả năng chịu điện áp ở trạng thái khóa thấp

+ Van một cực tính

12

Trang 13

4 I nsulated G ate B ipolar T ransistor

( IGBT – 1985 )

Tr¹ng th¸i van:

• lµm viÖc víi Uce>0

• dÉn : Uge> 0 ; b·o hoµ tèt nÕu Uge=15V

• kho¸ Uge  0 , kho¸ tèt nÕu Uge= -7V

13

Trang 14

Đánh giá về IGBT

Ưu:

• Điều khiển bằng điện áp;

• Công suất điều khiển nhỏ;

• Chịu được điện áp khá cao;

• Sụt áp dẫn nhỏ (2-4V tương đương

một điôt và điện trở nối tiếp);

• Tham số ít phụ thuộc vào nhiệt độ;

• Tần số chuyển mạch cao đến 30kHz (

thấp hơn MOSET, nhưng cao hơn các

van họ thyristor và BT-Dalinhtơn)

• Dễ mắc song song;

• Công nghệ cho phép nhanh chóng chế

tạo với cấp điện áp và dòng lớn hơn

nữa;

Nhược:

• Van một cực tính;

• Cấp điện áp vẫn thấp hơn họ thyristor;

Hiện nay đã chế tạo IGBT : + điện áp cao: 6500V x 600A

+ dòng lớn: 1700V x 3600A14

Trang 15

5 THYRISTOR ( 1958 )

15

Trang 16

Đặc điểm van Thyristor

Trạng thái van:

• Khoá cả hai chiều điện áp.

• Dẫn dòng nếu đảm bảo hai điều kiện

đồng thời;

- điện áp trên thyristor dương.

- có dòng điều khiển Ig.

• Khoá nếu điện áp âm,

• trong trường hợp điện áp dương vẫn

có thể khoá van nếu đảm bảo hai điều

kiện nối tiếp :

- giảm dòng qua thyristor dưới giá trị duy

trì.

- trong thời gian van phục hồi tính chất

khoá điện áp trên van không được dương.

16

Trang 17

• Chịu được điện áp cao;

• Công suất điều khiển nhỏ;

• Van hai cực tính

Nhược

• Van bán điều khiển (chỉ đk mở, không đk khóa);

• Tần số chuyển mạch thấp

Trang 18

H×nh d¹ng van Thyristor

Van đĩa 4500V/800A và 4500V/1500A

Hiện đã chế tạo Thyristor:

Cao áp: 12kV x 2360A

Dòng lớn: 8200A x 5kV

18

Trang 19

Tham số ứng dụng của các van bán dẫn hiện đại

19

Trang 20

II THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT LOẠI ĐIỀU

KHIỂN TẦN SỐ PHỤ THUỘC

Trang 20

Trang 21

Phần lực các chủng loại thiết bị điện tử công suất –

các dạng biến đổi năng lượng điện cơ bản

Trang 22

GIỚI THIỆU CHUNG

Định nghĩa : chỉnh lưu là thiết bị để biến đổi năng

lượng dòng điện xoay chiều thành năng lượng dòng

1 Chỉnh lưu không điều khiển

2 Chỉnh lưu điều khiển

3 Chỉnh lưu bán điều khiển

Trang 23

CÁC SƠ ĐỒ CHỈNH LƯU KHÔNG ĐiỀU KHIỂN

Qui luËt chung:

23

Trang 24

CÁC SƠ ĐỒ CHỈNH LƯU ĐIỀU KHIỂN VÀ BÁN ĐIỀU KHIỂN

Qui luËt chung:

Ud =Udo f(α)

Udo=ks®U2

α - gãc điÒu khiÓn24

Trang 26

CÁC DẠNG TẢI THÔNG DỤNG CỦA CHỈNH LƯU

1 Tải thuần trở

2 Tải có tính cảm kháng RdLd

2 Tải vừa có RL vừa có sức

điện động Ed (gọi là tải RLE)

26

Trang 27

KHÁI NIỆM VỀ GÓC ĐIỀU KHIỂN

27

Trang 28

Chỉnh lưu một pha một nửa chu kỳ

2

1 os2

Trang 29

Chỉnh lưu hình tia 2 pha

;2

cos1

9,

R

U

;2

cos1

9,

29

Trang 30

Chỉnh lưu cầu 1 pha

;2

cos1

9,

; cos 9

R

U

30

Trang 31

Chỉnh lưu cầu 1 pha

; cos

9 ,

d

d d

d

R

E U



31

Trang 33

3

) 30 cos(

1 17 , 1

0 2

R

U

33

Trang 34

Chế độ ranh giới: α = 30o

34

Trang 35

Tải RL

Tải RLE



cos 17

R

U

35

Trang 36



2

3cos

17,

d

I X U

d

d d

d

R

E U



Tải RLE

36

Trang 37

Chỉnh lưu điều khiển cầu 3 pha

Tải R

α = 60o

2

17,

1 U

37

Trang 38

α > 60o

α < 60o

)]

60 cos(

1 [ 34

d

R

E U



d

d d

d

R

E U



38

Trang 39

d d

d

R

E U

39

Trang 40

x 3 cos

U U

Tải RLE

d

d d

d

R

E U



40

Trang 41

x 3 cos

U

d

d d

d

R

E U



41

Trang 42

Chỉnh lưu bán điều khiển

42

Trang 43

Chỉnh lưu bán điều khiển một pha, thyristor mắc thẳng hàng

43

Trang 44

Chỉnh lưu bán điều khiển một pha, thyristor mắc katot chung

44

Trang 45

Chỉnh lưu bán điều khiển ba pha

45

Trang 46

2 BBĐ xoay chiều – xoay chiều

(Bộ điều áp xoay chiều)

Trang 47

47

Trang 56

3 MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Nhiệm vụ của mạch điều khiển

1 Phát xung điều khiển các van bán dẫn của mạch lực

2 Tính toán giá trị điều khiển để đảm bảo điều khiển bộ biến đổi qua đó điều

khiển phụ tải theo đúng yêu cầu công nghệ

3 Tương tác với người vận hành và các thiết bị khác trong hệ thống điều khiển 56

Trang 57

Đặc điểm:

• Tác động ngay với mọi thay đổi của các tham số hệ thống: phản

ứng tức thời => làm việc với thời gian thực.

• Các phần tử làm việc trong chế độ tuyến tính với mọi giá trị điện

áp và dòng điện trong phạm vi cho phép.

• Tổn hao công suất trên các phần tử lớn

• Nhậy nhiễu nên cần phải có biện pháp chống nhiễu hữu hiệu

• Chịu ảnh hưởng khá rõ của môi trường

• Đòi hỏi người am hiểu sâu kỹ thuật điện tử trong tất cả các giai

đoạn: thiết kế, chỉnh định và sửa chữa (khó chuẩn đoán).

Hệ điều khiển tương tự

57

Trang 58

Đặc điểm:

• Thời gian tác động phụ thuộc thời

gian lấy mẫu: phản ứng không tức

thời và làm việc theo thời gian tính

Trang 59

Yêu cầu

1 Phát xung điều khiển ( xung để mở van ) đến các van lực theo đúng pha và với góc điều khiển  cần thiết

2 Đảm bảo phạm vi điều chỉnh góc điều khiển min  max tương

ứng với phạm vi thay đổi điện áp ra tải của mạch lực

3 Cho phép bộ chỉnh lưu làm việc bình thường với các chế độ khác nhau

do tải yêu cầu như chế độ khởi động, chế độ nghịch lưu, các chế độ dòng điện liên tục hay gián đoạn, chế độ hãm hay đảo chiều điện áp v.v

4 Có độ đối xứng xung điều khiển tốt , không vượt quá 1  3 độ điện, tức là góc điều khiển với mọi van không được lệch quá giá trị trên

5 Đảm bảo mạch hoạt động ổn định và tin cậy khi lưới điện xoay chiều dao động cả về giá trị điện áp và tần số

6 Có khả năng chống nhiễu công nghiệp tốt

7 Độ tác động của mạch điều khiển nhanh , dưới 1ms

Hệ điều khiển tần số phụ thuộc:

Điều khiển chỉnh lưu và điều áp xoay chiêu

59

Trang 60

Yêu cầu đối với mạch điều khiển

8 Thực hiện các yêu cầu về bảo vệ bộ chỉnh lưu từ phía điều khiển nếucần như ngắt xung điều khiển khi sự cố, thông báo các hiện tượng khôngbình thường của lưới và bản thân bộ chỉnh lưu v.v

9 Đảm bảo xung điều khiển phát tới các van lực phù hợp để mở chắcchắn van, có nghĩa là phải thoả mãn các yêu cầu :

+ Đủ công suất ( về điện áp và dòng điện

điều khiển Uđk , Iđk )

+ Có sườn xung dốc đứng để mở van chính

xác vào thời điểm qui định, thường tốc độ

tăng áp điều khiển phải đạt 10V/ s, tốc độ

tăng điều khiển 0,1A/ s

+ Độ rộng xung điều khiển đủ cho dòng qua

van kịp vượt trị số dòng điện duy trì Idt của

nó , để khi ngắt xung van vẫn giữ được

trạng thái dẫn

+ Có dạng phù hợp với sơ đồ chỉnh lưu và

tính chất tải Có bốn dạng xung điều khiển

phổ biến là xung đơn, xung kép, xung rộng

Trang 61

Các hệ điều khiển chỉnh lưu cơ bản

Ph©n lo¹i theo nguyªn lý

61

Trang 62

 Phương pháp điều khiển

Phương pháp điều khiển ngang

62

Trang 63

 Phương pháp điều khiển

Phương pháp điều khiển dọc

63

Trang 64

Mạch điều khiển một kênh và nhiều kênh

Mạch điều khiển nhiều kênh Mạch điều khiển một kênh

64

Trang 65

Thí dụ về mạch điều khiển của chỉnh lưu một pha.

65

Trang 66

Các khâu chức năng thường dùng trong mạch điều khiển tần số độc lập

1 Khâu đồng bộ

2 Khâu tạo điện áp tựa

3 Khâu so sánh

4 Khâu tạo dạng xung: xung chùm, xung đơn, xung kép

5 Khâu phân kênh

6 Khâu khuếch đại xung và cách li

7 Khâu đo lường

8 Khâu Bảo vệ

9 Khâu tạo điện áp điều khiển

10 Khâu tạo tín hiệu đặt

11 Khối nguồn

66

Trang 67

- Hình thành điện áp có dạng phù hợp làm xung nhịp cho hoạt động của khâu tạo điện áp tựa phía sau nó, mạch này gọi là mạch đồng bộ

Trang 68

1 Khâu đồng bộ: Mạch đồng pha + mạch đồng bộ

a Mạch đồng pha

- Đồng pha bằng máy biến áp

68

Hình 1: Máy biến áp đồng pha cho chỉnh lưu 3 pha

a Đấu Δ/Y b Đấu Δ/ Δ

Trang 69

Biến áp đồng pha bằng opto

1 Khâu đồng bộ: Mạch đồng pha + mạch đồng bộ

a Mạch đồng pha

Trang 70

* Mạch đồng bộ hai nửa chu kỳ kết hợp chỉnh lưu với khuếch đại thuật toán

Hình 2: Mạch đồng bộ hai nửa chu kỳ kết hợp chỉnh lưu với khuếch đại thuật toán

a Sơ đồ nguyên lý b Giản đồ điện áp

Trang 71

b Mạch đồng bộ

1 Khâu đồng pha: Mạch đồng pha + mạch đồng bộ

71

Mạch chỉnh lưu kiểu 2 nửa chu kỳ có điểm giữa (tia hai pha) dùng diode D1,D2 và tải cho mạch chỉnh lưu này là điện trở R0 Điện áp chỉnh lưu Ucl này đượcđưa tới cửa (+) của khuếch đại thuật toán OA1 để so sánh với điện áp ngưỡng

Unglấy từ biến trở P1, điện áp đồng bộ sẽ tuân theo quan hệ sau:

Uđb = A0 (U+ - U-) = A0 (Ucl - Ung)

Trang 72

b Mạch đồng bộ

1 Khâu đồng pha: Gồm Mạch đồng pha + mạch đồng bộ

72

Nếu Ucl > Ung thì Uđb dương và bằng điện áp bão hòa của OA: Uđb= +UbhNếu Ucl < Ung thì Uđb âm và Uđb = - Ubh

Trang 73

Ví dụ 1.1: Tính khâu đồng bộ hai nửa chu kỳ để đảm bảo phạm vi điều chỉnh góc điều khiển bằng 170 o , biết điện áp đồng pha U đp =10V, tần số f=50Hz, E=±15V

Trang 74

Ví dụ 1.1: Tính khâu đồng bộ hai nửa chu kỳ để đảm bảo phạm vi điều chỉnh góc điều khiển bằng 170 o , biết điện áp đồng pha U đp =10V, tần số f=50Hz, E=±15V

Giải (tiếp):

0 min

Trang 75

2 Khâu tạo điện áp tựa răng cưa

Điện áp tựa sử dụng khuếch đại thuật toán

Hình 3: Mạch tạo răng cưa tuyến tính hai nửa chu kỳ sử dụng khuếch đại thuật toán

75

Trang 76

2 Khâu tạo điện áp tựa

76

Udb<0 (OA1 bão hòa âm: Udb= -Ubh), diode D3 dẫn Sử dụng đặc điểm của OA là điện thế giữa hai cửa (+) và (-) của nó bằng nhau, ta có điện thế điểm (-) của OA2 bằng 0 do điểm (+) nối với 0V Lúc này theo sơ đồ mạch ta thấy điện áp trên tụ điện C bằng điện áp ở đầu ra của OA2: uc=urc

Trang 77

77

Khi điện áp này đạt trị số ngưỡng của diode ổn áp Dz thì nó thông và giữ điện áp ra

ở trị số ổn áp này (nếu không có Dz thì điện áp tăng tới trị số bằng +Ubh).

Uđb>0 (OA1 bão hòa dương: Udb=+Ubh), diode D3 khóa nên dòng qua R2 bằng 0 Lúc này dòng qua tụ C bằng dòng đi qua điện trở R3, dòng điện này ngược chiều với dòng đi qua tụ C ở nửa chu kỳ trước, có nghĩa là tụ C phóng điện:

Trang 78

Trang 79

Mạch tạo răng cưa tuyến tính hai nửa chu

kỳ sử dụng khuếch đại thuật toán

2

3 3

bh Dz n

U R

Trang 80

Ví dụ: Tính toán giá trị mạch răng cưa hai nửa chu kỳ, hình 1.26a, biết U rcmax =10V, E = ±12V, điện áp đồng pha Uđp=10V, tần số f=50Hz, phạm vi điều chỉnh góc điều khiển khoảng 168 o

168 10

9,33180

U R

Trang 81

Kết quả mô phỏng

81

Trang 82

3 Khâu so sánh

82

Trang 83

a Xung đơn

b Xung kép

4 Khâu tạo dạng xung

83

Trang 84

c Xung chùm

T = 2RC.ln(1+2R1/R2) T=t1+t2=0,7(R1+R2)C=1,4RC

4 Khâu tạo dạng xung

84

Trang 85

5 Khâu tách xung

Trong mạch điều khiển chỉnh lưu, điện áp tựa được tạo ra trong cả hainửa chu kỳ bằng một mạch duy nhất Lúc này khâu so sánh sẽ xác địnhgóc điều khiển cho cả hai van thuộc cùng một pha của mạch lực:

+ Một van làm việc ở nửa chu kỳ dương,

+ Một van ở nửa chu kỳ âm của lưới điện xoay chiều

Như vậy sau khâu tạo dạng xung (DX) ta nhận được hai xung điều khiển

ở cả hai nửa chu kỳ này Tuy nhiên việc phát xung điều khiển cho van khiđiện áp trên van âm là có thể được nhưng không mong muốn Để tránhđiều này cần có thêm một khâu tách xung (còn gọi là phân phối xung),lúc đó van lực chỉ nhận xung điều khiển chỉ ở giai đoạn khi điện áp trên

nó là dương uAK>0

85

Trang 86

6 Khâu khuếch đại xung

a Khuếch đại xung trực tiếp

Kiểu ghép trực tiếp cho phép đưa tới van dạng xung điều khiển tối

ưu, nhưng cũng có nhược điểm cơ bản là không cho phép cách lygiữa mạch điều khiển và mạch lực, do đó chỉ được sử dụng ở các bộchỉnh lưu với điện áp tải dưới 40V (như các nguồn mạ điện, nạpacquy…)

3

0,3 0, 6

(100 200) 1 3.10

g I v

I K

I 



86

Trang 87

b Khuếch đại xung ghép qua phần tử quang

87

Trang 88

c Khuếch đại xung bằng biến áp xung

88

Trang 89

7 Khâu tạo điện áp điều khiển

89

Trang 90

VÍ DỤ MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHỈNH LƯU

1a Mạch phát xung chùm, có khâu tách xung

90

Trang 91

1a Mạch phát xung chùm, có khâu tách xung

91

Trang 92

1b Mạch phát xung chùm, có khâu tách xung

92

Trang 93

1b Mạch phát xung chùm, có khâu tách xung

93

Trang 94

2 Mạch chỉnh lưu tia ba pha

94

Trang 95

2 Mạch chỉnh lưu cầu ba pha phát xung kép

95

Trang 96

3 Mạch chỉnh lưu cầu ba pha phát xung chùm

96

Trang 97

3 Mạch chỉnh lưu cầu ba pha phát xung chùm

97

Trang 98

Mạch điều khiển điều áp xoay chiều một pha, không có khâu tách xung

98

VÍ DỤ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU

Trang 99

Mạch điều khiển điều áp xoay chiều một pha, có khâu tách xung

Trang 101

Mạch điều khiển loại 3 pha

1 Loại mạch phát xung kép

101

Trang 102

2 Loại mạch phát xung chùm

102

Mạch điều khiển loại 3 pha

Trang 103

Điều khiển các bộ biến đổi phụ thuộc lưới điện sử dụng kỹ thuật số

Cấu trúc phần cứng của mạch điều khiển số :

Giao diện người dùng

Truyền thông

Điều khiển trung tâm

Mạch khuếch đại xung và cách li

BBĐ

SENSOR

Mạch khuếch đại và

cách li ADC

Cấu trúc phần cứng bộ điều khiển BBD sử dụng kĩ thuật số

Một/nhiềuVi điều khiển , DSP, FPGA,…

Trang 104

Cấu trúc phần cứng của mạch điều khiển số các bộ biến đổi phụ thuộc

điều khiển theo hệ đồng bộ:

Cấu trúc này tối giản số linh kiện sử dụng, linh hoạt, có thể thực hiện nhiều chức năng điều khiển khác nhau trên cùng một phần cứng.

Vi điều hiển

huếch đại xung

c ch li HMI

Điều khiển

c c van

n n

Trang 105

Cấu trúc phần cứng của mạch điều khiển số các bộ biến đổi phụ thuộc điều khiển theo hệ đồng bộ:

Trang 107

Các dạng biến đổi năng lượng điện cơ bản

Trang 108

3.1 Băm xung một chiều

1 Buck chopper (băm xung giảm áp)

1 γ

0

γE

E T

Trang 109

b/ Loại cách ly.

nE

n=w2/w1

Định dạng
Số trang	186
Dung lượng	5,76 MB