Giáo trình Điện tử công suất: Phần 2 - CĐN Yên Bái

Giáo trình Điện tử công suất là một trong những giáo trình chuyên môn nghề quan trọng trong chương trình đào tạo hệ Cao đẳng nghề và Trung cấp nghề. Vì vậy giáo trình đã bám sát chương trình khung của nghề nhằm đạt mục tiêu đào tạo của nghề đồng thời tạo điều kiện cho người sử dụng tài liệu tốt và hiệu quả. Giáo trình gồm 2 phần, sau đây là phần 2.

Bài 4: BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU 4.1 Khái niệm

Điều áp một chiều được định nghĩa là bộ điều khiển dòng điện và điện áp một chiều khi nguồn cấp là điện môt chiều

Các phương pháp điều áp một chiều

có một số cách điều khiển một chiều như sau:

• điều khiển bằng cách mắc nối tiếp với tải một điện trở

• điều khiển liên tục bằng cách mắc nối tiếp với tải một tranzitor

• điều khiển bằng băm áp (xung áp)

4.1.1 Điều khiển bằng cách mắc nối tiếp với tải một điện trở

sơ đồ:

H4.1 Điều khiển bằng cách mắc nối tiếp với tải một điện trở

dòng điện và điện áp điều chỉnh được tính:

Nhược điểm của phương pháp:

Hiệu suất thấp (pf = ic ut)

Không điều chỉnh liên tục khi dòng tải lớn

4.1.2.Điều khiển liên tục bằng cách mắc nối tiếp với tải một tranzitor

• sơ đồ và nguyên lí điều khiển

H4.2 Điều khiển liên tục bằng cách mắc nối tiếp với tải một tranzitor

4.1.3 điều khiển bằng băm áp (băm xung)

băm áp một chiều là bộ biến đổi điện áp một chiều thành xung điện áp điều chỉnh độ rộng xung điện áp, điều chỉnh đợc trị số trung bình điện áp tải

các bộ băm áp một chiều có thể thực hiện theo sơ đồ mạch nối tiếp (phần tử đóng cắt mắc nối tiếp với tải) hoặc theo sơ đồ mạch song song (phần tử đóng cắt được mắc song song với tải)

d d f d

d f d

R R R

U U

R R

U I

;

- định nghĩa về nguồn dòng và nguồn áp

• nguồn áp: là nguồn mà dạng sóng và giá trị điện áp của nó không phụ thuộc dòng điện (kể cả giá trị cũng như tốc độ biến thiên)

• đặc trưng cơ bản của nguồn áp là điện áp không đổi và điện trở trong nhỏ để sụt áp bên trong nguồn nhỏ

• nguồn dòng: là nguồn mà dạng sóng và giá trị dòng điện của nó không phụ thuộc điện áp áp của nó (kể cả giá trị cũng nh tốc độ biến thiên)

• đặc trưng cơ bản của nguồn dòng là dòng điện không đổi và điện trở lớn để sụt dòng bên trong nguồn nhỏ

* tính thuận nghịch của nguồn

• nguồn có tính thuận nghịch:

• điện áp có thể không đảo chiều (acquy), hay đảo chiều (máy phát một chiều)

• dòng điện thường có thể đổi chiều

• công suất p = u.i có thể đổi chiều khi một trong hai đại lợng u, i đảo chiều

* cải thiện đặc tính cuả nguồn

• nguồn áp thường có r0, l0 , khi có dòng điện có r0i, l(di/dt) làm cho điện áp trên cực nguồn thay đổi để cải thiện đặc tính của nguồn áp người ta mắc song song với nguồn một tụ

• tương tự, nguồn dòng có z0 =  khi có biến thiên du/dt làm cho dòng điện thay đổi để cải thiện đặc tính nguồn dòng người ta mắc nối tiếp với nguồn một điện cảm

• chuyển đổi nguồn áp thành nguồn dòng và ngược lại:

H4.3 Sơ đồ chuyển đổi nguồn áp thành nguồn dòng và ngược lại:

* quy tắc nối các nguồn

Đối với nguồn áp:

• không nối song song các nguồn có điện áp khác nhau

• không ngắn mạch nguồn áp

• cho phép hở mạch nguồn áp

Đối với nguồn dòng:

• không mắc nối tiếp các nguồn dòng có dòng điện khác nhau

• không hở mạch nguồn dòng

• cho phép ngắn mạch nguồn dòng

4.2 bộ giảm áp (buks) (nối tiếp)

H4.4 Sơ đồ nguyên lý và tín hiệu bộ giảm áp

Sơ đồ nguyên lí băm áp một chiều nối tiếp giới thiệu trên hình 2.1a theo đó phần tử chuyển mạch tạo các xung điện áp mắc nối tiếp với tải điện áp một chiều được điều khiển bắng cách điều khiển thời gian đóng khoá k trong chu kì đóng cắt trong khoang 0  t1 (hình 2.1b) khoá k đóng điện áp tải bằng điện áp nguồn (ud =

u1), trong khoảng t1  t2 khoá k mở điện áp tải bằng 0

trị số trung bình điện áp một chiều được tính

1

1 1

U T t

dt U T U

ck

t CK d



ckT

t1





H4.5 Sơ đồ nguyên lý và tín hiệu băm áp một chiều

Trong khoảng t1t2 tranzitor khoá, cuộn dây xả năng lượng qua tải bằng dòng id dòng điện này đồng thời nạp cho tụ c

Khi tran dẫn lại, tụ xả qua tải để duy trì dòng điện trên tải coi điện dung của

tụ lớn, dòng điện ic qua tải bây giời gần như không đổi

 khi t dẫn, diod chịu một điện áp:

2 0 2 0

1

0

;1

1

.1

1

;1

E U

cã ta R

coi NÕu

R I E

U U

I I

I I I I

d

d C

d

d d

N L d N

d d hc

d d hc

R R

U U

R R

U i

2

2 1

2

t t

t i R t i R

2

2 1 1

2 1

t t

t R R

U t

Khi điều chỉnh, chu kì xung điện áp không đổi khi đó, cứ tăng t1 thì giảm t2

và ngược lại khi cần giảm điện áp tải, cần tăng t1 và giảm t2, công suất tổn hao trong biểu thức trên tăng

Do đó, băm áp song song không thích hợp khi tải nhận năng lượng từ lưới + Băm áp có hoàn trả năng lượng về nguồn

trường hợp này chỉ xét khi tải có sức điện động (ví dụ cấp điện một chiều về nguồn tải thuần trở)

H4.6 Sơ đồ nguyên lý và tín hiệu băm áp tăng áp một chiều có trả năng lượng về nguồn

dòng điện chạy ngược về nguồn chỉ tồn tại khi ed>u1

4.4 Các phương pháp điều khiển bộ biến đổi điện áp một chiều

Mạch điều khiển băm áp một chiều có nhiệm vụ xác định thời điểm mở và khóa van bán dẫn trong một chu kỳ chuyển mạch Như biết ở trên, chu kỳ đóng cắt van nên thiết kế cố định điện áp tải khi điều khiển được tính:

u tải = .u1

H4.6 Sơ đồ nguyên lý và tín hiệu vào, tín hiệu ĐK và tín hiệu ra

H4.6 Sơ đồ khối tạo điên áp điều khiển

Khối tạo tần số: Có nhiệm vụ tạo điện áp tựa răng cưa Urc với tần số theo ý

muốn người thiết kế tần số của các bộ điều áp một chiều thường chọn có tần số lớn (hàng chục khz) tần số này lớn hay bộ là do khả năng chịu tần số của van bán dẫn nếu van động lực là tiristor tần số của khâu tạo tần số khoảng 1-5 khz nếu van động lực là tranzitor lưỡng cực, trường, IGBT tần số có thể hàng chục Khz

khâu so sánh: Có nhiệm vụ xác định thời điểm điện áp tựa bằng điện áp điều

khiển tại các thời điểm điện áp tựa bằng điện áp điều khiển thì phát lệnh mở hoặc khoá van bán dẫn

uđk

sơ đồ

Khâu tạo xung khuếch đại: Có nhiệm vụ tạo xung phự hợp để mở van bán

dẫn một xung được coi là phù hợp để mở van là xung có đủ công suất (đủ dòng điện và điện áp điều khiển), cách ly giữa mạch điều khiển với mạch động lực khi nguồn động lực hàng chục voltrở lên hình dạng xung điều khiển phụ thuộc loại van động lực được sử dụng

Bài 5: BỘ NGHỊCH LƯU VÀ BỘ BIẾN TẦN 5.1 Bộ nghịch lưu áp một pha

* giới thiệu chung vê nguồn điện áp nghịch lưu

Nghịch lưu là thiết bị biến đổi năng lượng điện một chiều thành năng lượng điện xoay chiều

Nghịch lưu có lọai một pha và lọai ba pha

Nếu nguồn năng lượng một chiều cung cấp cho nghịch lưu là nguồn dòng , ta

cú nghịch lưu dòng, còn nếu nguồn điện một chiều cung cấp cho nghịch lưu là nguồn áp thì ta có nghịch lưu áp

* Phương pháp làm thyristor ngưng dẫn

Đối với nguồn DC, Thyristor có tính duy trì trạng thái dẫn điện khi đã được kích dẫn

Dựa vào đặc tính kỹ thuật của thyristor người ta có thể làm ngưng thyristor đang dẫn trong nguồn DC bằng 3 phương pháp sau :

- Cắt nguồn điện cung cấp cho thyristor

- Giảm dòng IA qua thyristor xuống dưới trị số của dòng điện duy trì IH

- Tạo điện áp phân cực ngược Anod và Catod để cắt đứt dòng điện qua

thyristor (gọi là khóa cưỡng bức)

H5.1 Sơ đồ làm SCR ngưng dẫn Đối với 2 phương pháp đầu khi ta ấn vào nút bấm K thì thyristor sẽ bị khóa

Thế nhưng nếu thời gian tắt thyristor không đủ lớn hay điện áp rơi trên

thyristor còn lớn vẫn có thể lại làm cho thyristor trở về trạng thái dẫn

Đối với phương pháp thứ 3 gọi là phương pháp khóa cưỡng bức ,phương pháp này được dùng chủ yếu trong các mạch nghịch lưu

Khi cấp nguồn cho mạch và có xung kích mở cổng thyristor dẫn cho dòng qua tải RL ,điện áp rơi trên thyristor rất nhỏ có thể bỏ qua nên áp trên cực Anod xem như gần bằng không ,đồng thời lúc này có dòng qua điện trở R nạp cho tụ C

Sau thời gian áp trên tụ C có trị đạt gần bằng điện áp nguồn U với cực dương bên phải và cực âm bên trái Khi ta muốn thyristor ngưng dẫn ,ta ấn vào nút bấm K làm điện áp trên cực dương của tụ nối mass và điện áp trên cực âm của tụ có giá trị bằng –U , tức UAnod < UKatod thyristor bị phân cực ngược nên ngưng dẫn và tụ C

xả điện qua K xuống mass

 Nguyên tắc họat động:

Tụ C là tụ dùng để đổi trạng thái chuyển mạch của thyristor có trị số được

tính theo công thức :

Mạch dùng hai Thyristor mắc song song:

H5.2 Sơ đồ nguyên lý và tín hiệu mạch dùng hai Thyristor mắc song song:

Mạch nghịch lưu này dùng hai thyristor T1 , T2 mắc song song Các Thyristor được thể hiện qua các khóa điện T1 , T2

[F]

U

t I

C1,45 A off

uOA = Eo

Trong nửa chu kỳ sau khóa T2 đóng và T1 mở nên: uOB = E Dạng sóng điện áp trên tải có dạng xoay chiều hình chữ nhật

Mạch dùng hai Thyristor mắc nối tiếp:

H5.3 Sơ đồ nguyên lý và tín hiệu mạch dùng hai Thyristor mắc nối tiếp

Mạch nghịch lưu dùng hai thyristor mắc nối tiếp T1, T2 mà ta có thể xem như là hai khóa điện T1 và T2

Khi T1 đóng và T2 mở ,điện áp trên phụ tải là:

Khi T2 đóng và T1 mở ,điện áp trên phụ tải là:

Dạng sóng điện áp trên tải có dạng xoay chiều hình chữ nhật

Ở hai sơ đồ dùng hai thyristor T1 và T2 chỉ có thể tiến hành điều chỉnh tần

số

của điện áp phụ tải u nhờ thay đổi thời gian đóng ,mở của các khóa điện T1

và T2 mà không thay đổi được giá trị hiệu dụng U của điện áp xoay chiểu ở đầu ra của bộ biến đổi vì điện áp u trên tải có trị số hiệu dụng không đổi

(Đối với mạch dùng hai thyristor mắc song song)

(Đối với mạch dùng hai thyristor mắc nối tiếp)

2

E MO u

2

EONu

2n U 1 2



Mạch dùng bốn Thyristor mắc cầu

H5.4 Sơ đồ nguyên lý và tín hiệu mạch dùng bốn Thyristor mắc cầu

Trong sơ đồ này cho phép điều chỉnh được tỉ số biến đổi nhờ điều khiển không đối xứng quá trình đóng mở các khóa điện Trong sơ đồ này mỗi cặp khóa T1 và T’2 , T1’ & T2 sẽ cùng đóng hoặc cùng mở

Khi cặp T1và T’2 hoặc T1’ và T2 được điều khiển đóng hay mở cùng lúc thì

ta có kiểu điều khiển đối xứng

Còn khi cặp T1 và T’2 hoặc T1’ và T2 được điều khiển đóng hay mở không cùng lúc thì ta có kiểu điều khiển lệch pha

* Kiểu điều khiển đối xứng

Tại thời điểm t = 0 cặp T1 và T’2 đồng thời đóng mạch điện, còn cặp T1’ và T2 đồng thời ngắt mạch điện nên điện áp trên phụ tải u =E

Tại thời điểm cặp T1’ và T2 đồng thời đóng mạch điện, còn cặp T1 và T’2 đồng thời ngắt mạch điện nên điện áp trên phụ tải u = -E

Quá trình này được lặp đi lặp lại tuần hòan ta có được điện áp xoay chiều u trên phụ tải là những nửa sóng chữ nhật dương và âm liền kề nhau Trị số hiệu dụng của điện áp trên tải U = E

* Kiểu điều khiển lệch pha

Khóa điện T1 đóng tại t = 0 và ngắt tại T/2 giống như kiểu điều khiển đối xứng

Nhưng T’2 đóng mạch điện và ngắt mạch điện chậm sau T1 một khỏang thời gian



Với β là góc lệch pha giữa quá trình đóng của T1 với T’2 (hay T1’ với T2 )

Tương tự khóa điện T1’ đóng tại và ngắt tại t = T trong bán kỳ từ :

Các khóa T đóng mạch trong khỏang thời gian bằng nhau là :

Khi cả hai khóa T1 và T’2 cùng dẫn thì u = E , tương tự cả hai khóa T1’

và T2 cùng dẫn thì u = -E

Trong một chu kỳ T điện áp u trên tải tồn tại hai khỏang thời gian như nhau , trong đó mạch điện phụ tải bị nối tắt do các khóa T1 và T2 hoặc T1’ , T’2 cùng đóng mạch khiến cho u = 0 Thay đổi góc lệch pha β từ 0 → π ta có thể điều chỉnh được trị số hiệu dụng của điện áp u trên phụ tải thay đổi từ E → 0

T

H5.4 Sơ đồ nguyên lý và tín hiệu một số mạch nghịch lưu một pha

Mạch nghịch lưu áp một pha dùng cầu SCR từ SCR1 đến SCR4 chia làm 2 cặp SCR1 - SCR3 và SCR2 - SCR4 được điều khiển luân phiên Tụ C1 là lọc thành phần xoay chiều và là tụ nạp điện áp phản kháng đưa trả về nguồn

Hai tụ C2 và C3 là tụ chuyển mạch để là ngưng dẫn các SCR đang dẫn ,cầu diod D1 đến D4 là mạch nắn điện ngược đưa điện áp phản kháng nạp về tụ lọc C1 Cầu diod D5 đến D8 dùng để cách ly không cho các tụ chuyển mạch C1 và C2 phóng điện qua tải

Các cuộn dây L1 và L2 nối tiếp với nguồn có tác dụng giới hạn dòng ban đầu Gỉa sử SCR1 và SCR3 đã được kích và dẫn điện Dòng điện sẽ đi từ nguồn dương qua SCR1 – D5 – Tải – D7 – SCR3 rồi trở về nguồn âm Như vậy dòng điện qua tải theo chiều từ A sang B ,lúc này UA > UB nên tụ C2 và C3 nạp như hình vẽ

Khi có xung kích cho SCR2 và SCR4 thì tụ C2 sẽ xả điện thế âm làm phân cực ngược SCR1 và tụ C3 sẽ xả điện thế âm làm phân cực ngược SCR3

Như vậy lúc này SCR1 và SCR3 ngưng dẫn và SCR2 và SCR4 dẫn Dòng điện bây giờ sẽ đi từ nguồn dương qua SCR2 – D6 – tải – D8 – SCR4 rồi trở về nguồn âm

Như vậy dòng điện qua tải theo chiều từ B sang A Trường hợp này UA <

UB nên 2 tụ C2 và C3 sẽ nạp điện thế theo chiều ngược lại với với hình vẽ để chuẩn bị làm tắt SCR2 và SCR4

Tần số của dòng điện xoay chiều cấp cho tải chính là tần số của mạch dao động xung kích cho các SCR từ SCR1 đến SCR4

5.2 Phân tích bộ nghịch lưu áp ba pha

H5.5 Sơ đồ nguyên lý và tín hiệu mạch nghịch lưu ba pha

5.3 Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp

Nguồn một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu áp có tính chất nguồn áp, và nguồn một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu dòng có tính chất nguồn dòng Các bộ

nghịch lưu tương ứng được gọi là bộ nghịch lưu áp nguồn áp và bộ nghịch lưu dòng nguồn dòng hoặc gọi tắt là bộ nghịch lưu áp và bộ nghịch lưu dòng

Trong trường hợp nguồn điện ở đầu vào và đại lượng ở ngõ ra khác nhau, bộ nghịch lưu cung cấp dòng điện xoay chiều từ nguồn điện áp một chiều, ta gọi chúng là bộ nghịch lưu dòng nguồn áp Bộ nghịch lưu là thành phần chủ yếu trong

bộ biến tần Ứng dụng của chúng khá quan trọng và tương đối rộng rãi, chủ yếu nhằm vào lĩnh vực truyền động điện động cơ xoay chiều với độ chính xác cao

Trong lĩnh vực tần số cao, bộ nghịch lưu được dùng trong các thiết b ị lò cảm ứng trung tần, thiết bị hàn trung tần Bộ nghịch lưu còn được dùng làm nguồn điện xoay chiều cho các nhu cầu trong gia đình, làm nguồn điện liên tục UPS, điều khiển chiếu sáng và còn được ứng dụng trong lĩnh vực bù nhuy ễn công suất phản kháng

Bộ nghịch lưu: Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện một chiều không đổi sang dạng năng lượng điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều Đại lượng được điều khiển ở ngõ ra là điện áp hoặc dòng điện Nếu đại lượng được điều khiển ở ngõ ra là điện áp thì bộ nghịch lưu được gọi là bộ nghịch lưu áp, ngược lại gọi là bộ nghịch lưu dòng Nguồn một chiều cung cấp cho

bộ nghịch lưu áp có tính chất nguồn áp, và nguồn một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu dòng có tính chất nguồn dòng

Các bộ nghịch lưu tương ứng được gọi là bộ nghịch lưu áp nguồn áp và bộ nghịch lưu dòng nguồn dòng hoặc gọi tắt là bộ nghịch lưu áp và bộ nghịch lưu dòng Trong trường hợp nguồn điện ở đầu vào và đại lượng ở ngõ ra khác nhau, bộ nghịch lưu cung cấp dòng điện xoay chiều từ nguồn điện áp một chiều, ta gọi chúng là bộ nghịch lưu dòng nguồn áp

Bộ nghịch lưu là thành phần chủ yếu trong bộ biến tần Ứng dụng của chúng khá quan trọng và tương đối rộng rãi, chủ yếu nhằm vào lĩnh vực truyền động điện động cơ xoay chiều với độ chính xác cao Trong lĩnh vực tần số cao, bộ nghịch lưu được dùng trong các thiết bị lò cảm ứng trung tần, thiết bị hàn trung tần Bộ nghịch lưu còn được dùng làm nguồn điện xoay chiều cho các nhu cầu trong gia đình, làm nguồn điện liên tục UPS, điều khiển chiếu sáng và còn được ứng dụng trong lĩnh vực bù nhuyễn công suất phản kháng

Bộ nghịch lưu áp đa bậc:

Khái niệm:

Bộ nghịch lưu áp là một bộ nghịch lưu có nguồn một chiều cung cấp là nguồn áp và đối tượng điều khiển ở ngõ ra là điện áp Bộ nghịch lưu dòng là bộ nghịch lưu có nguồn một chiều cung cấp là nguồn dòng và đối tượng điều khiển ở ngõ ra là nguồn dòng

Trên thực tế nguồn một chiều là nguồn áp và đối tượng nghiên cứu là bộ