Bài giảng môn điện tử công suấ

Hiện nay có nhiều loại thiết bị điện tử công suất cho các ứng dụng công suất cao high power và tần số cao high frequency, điển hình là – Các thiết bị Thyristor được tắt bằng cổng – T

Trang 1

BÀI GIẢNG MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG

Trang 2

Tài liệu

1 Điện tử công suất- Đại học Thủy lợi

Trang 3

Chương 1 Hệ thống điện tử công suất

• Điện tử công suất hiện đại bắt đầu với Thyristor vào cuối

những năm 1950 Hiện nay có nhiều loại thiết bị điện tử công

suất cho các ứng dụng công suất cao (high power) và tần số

cao (high frequency), điển hình là

– Các thiết bị Thyristor được tắt bằng cổng

– Transitors công suất

– MOSFETs và transitors lưỡng cực IGBTs

• Các thiết bị công suất bán dẫn thực hiện nhiều chức năng

trong các ứng dụng chuyển đổi công suất Các thiết bị công

suất được sử dụng chủ yếu là khóa đóng cắt để chuyển công suất từ dạng này sang dạng khác như trong hệ thống điều

khiển động cơ, hệ thống UPS (uninterrupted power supplies)

• Truyền dẫn điện áp một chiều lớn (high )

Department of Control engineering and Automation-TS

Trang 4

Ứng dụng Điện tử công suất

Trang 5

Department of Control engineering and Automation-TS Phạm Đức Đại 5

Ứng dụng Điện tử công suất

Điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều ba pha

IGBT

Trang 6

Mô hình hóa

Nguồn công

suất đầu vào

Nguồn công suất đầu ra

Bộ điều khiển

Đại lượng đặt, ví dụ:

tốc độ, dòng điện, điện áp,…

Trang 7

Switching devices)

Thiết bị đóng cắt

(Power Switching

devices)

Trang 8

Nguyên lý cơ bản tổng hợp hệ thống đóng

cắt

• Tần số đóng cắt không đổi

(Constant switching frequency)

• L-C filters the ripple

• Pulse width controls the average

Trang 9

Các khóa bán dẫn

Department of Control engineering and

Automation-TS Phạm Đức Đại 9

Trang 10

Thyristor

Trang 11

Thyristor

• Thyristor dẫn: IF khác 0; UAK nhỏ;

• Thyristor khóa: IF=0 và UAK bằng điện áp nguồn đặt

vào hai đầu A và K

Trang 12

Điện áp

ngược đánh

thủng

Dòng điện chốt IL

Điện áp rơi khi Thyristor dẫn

Dòng điện giữ IH

- Dòng điện qua thyristor phải lớn hơn dòng điện chốt IL

- Dòng điện chốt IL là dòng điện nhỏ nhất để duy trì Thyristor

dẫn sau ngay khi Thyristor

được mở và xung kích cực cổng không còn

- Dòng điện giữ IH<IL: là dòng điện giữ cho Thyristor dẫn

Nếu dòng điện qua Thyristor

Trang 13

• The thyristor có ba cực: anode, cathode, and gate

Thyristor được mở (turned on) bằng cách đưa một xung ngắn vào giữa cực cổng (gate) và cathode Khi Thyristor dẫn, nó đóng vai trò như diode, và cực cổng không có tác dụng ngắt Thyristor

• Việc ngắt Thyristor được thực hiện bằng cách áp một

điện áp ngược vào giữa anode và cathode

Trang 14

Một số điểm quan trọng của Thyristor

• Dòng điện thuận của thyristor phải lớn hơn dòng điện chốt để chốt trạng thái dẫn; ngược lại, Thyristor sẽ chuyển sang trạng thái khóa (không dẫn)khi điện áp Vak giảm

• Nếu dòng điện thuận của Thyristo giảm dưới

dòng điện giữ, thiết bị sẽ không được chốt và

vẫn ở trạng thái khóa

• Khi Thyristor dẫn , nó đóng vai trò giống như

diode dẫn và không có điều khiển Nghĩa là,

Thyristor không thể được ngắt bằng xung âm

hay dương ở cực cổng

Trang 15

Mối liên hệ giữa dòng điện cực cổng và điện

áp để Thyristor mở (blocking voltages)

• Khi dòng điện cực cổng tăng, điện áp để mở

Thyristor giảm

Trang 16

Thời điểm ngắt

Ngắt hoàn toàn

• Thời gian ngắt tq tính từ khi dòng điện cắt qua điểm không và điện áp cắt qua điểm không

Thời gian phục

hồi (Recovery

time)

Trang 17

• Trong khoảng thời gian này, nếu đưa điện áp dương vào

AK, thì Thyristor dẫn (không mong muốn), và gây ra

phá hủy mạch điện hoặc thiết bị

• Trong datasheet, thì bên sản xuất sẽ cho thời gian tq và

điện áp âm tương ứng; tốc độ tăng của điện áp âm này

(từ âm cắt qua điểm không)

• Tùy thuộc vào yêu cầu của ứng dụng, nhiều loại

Thyristor được sử dụng Ngoài điện áp, dòng điện, thời gian ngắt tq, và điện áp rơi trên Thyristor là những yếu tố cần quan tâm

Trang 18

Ứng dụng

1 Chỉnh lưu (converter thyristors), sử dụng trong các bộ

chỉnh lưu cho các hệ truyền động một chiều và xoay chiều; truyền dẫn điện áp một chiều cao Yêu cầu chính là khả năng chịu được dòng điện và điện áp lớn, trong khi điện áp rơi là thấp (Vak) Loại Thyristor này được chế tạo với đường kính lên đến 10cm, ở đó dòng điện trung bình khoảng 4000A, điện

áp ngược chịu được là từ 5-7kV Điện áp rơi Uak=1.5V cho

điện áp nguồn là 1000V , và 3.0V cho điện áp từ 5-7kV

2 Inverter-grade thyristors , được thiết kế để có thời gian ngắt

tq là nhỏ, thêm nữa điện áp rơi khi Thyristor mở là thấp

(thông thường điện áp rơi cao hơn với thiết bị có giá trị tq

nhỏ) Những thiết bị này hiện nay có điện áp lên đến 2500V,

và 1500A Thời gian ngắt của chúng thường vào cỡ khoảng vài micro giây đến 100 μs tùy thuộc vào điện áp ngược chịu

Trang 19

Ứng dụng

• High-power products ( mạch công suất cao )

• including heat controls ( điều khiển nhiệt độ )

• light Controls ( điều khiển đèn )

• motor controls ( điều khiển động cơ )

• power supplies ( nguồn cấp )

• vehicle propulsion systems (hệ thống truyền động)

• high-voltage direct-current (HVDC)

systems (hệ thống điện áp một chiều cao)

• Flexible AC transmissions (FACTs)

Trang 21

Ví dụ: Thyristor inverter grade

Các thông số cơ bản của Thyristor

Điện áp nhỏ nhất yêu cầu để tạo ra xung kích vào cực cổng Dòng điện cực cổng nhỏ nhất

Thời gian ngắt Dòng điện chịu được lớn nhất khi Thyristor dẫn Dòng điện chịu được lớn nhất khi xảy ra sự cố (ngắn mạch)

Trang 22

Thực hành với Thyristors

• Thyristors (hoặc SCRs - bộ chỉnh lưu được điều

khiển bằng silic) có thể được miêu tả đơn giản

như các đi ốt có thể chuyển mạch

• Khi chúng không được kích hoạt chúng sẽ không được dẫn

• Sau khi chúng được kích hoạt chúng hoạt động

giống như là các đi ốt

• Thyristor khi đang kích hoạt (dẫn ), chúng không thể tự khóa (ngắt) cho đến khi điện áp đặt trên

nó âm

Trang 24

Kích mở Thyristors

Trang 25

GTO

• The thyristor có ba cực: anode, cathode, and gate

Thyristor được mở (turned on) bằng cách đưa một xung ngắn vào giữa cực cổng (gate) và cathode Khi Thyristor dẫn, nó đóng vai trò như diode

• Việc ngắt Thyristor có thể được thực hiện bằng cách áp

một điện áp ngược vào giữa Gate và cathode (xung âm)

Trang 27

POWER MOSFET

Trang 29

Department of Control engineering and

Hình trên là ví dụ về MOSFET kênh n MOSFET được điều khiển bằng

điện áp như trên hình 2-9b Thiết bị được cho là OFF khi điện áp cực nguồn nhỏ hơn điện áp ngưỡng VGS

Trang 30

cổng-IGBT (Insulated gate bipolar transistor)

Trang 33

Comparisons

Trang 35

Phân tích Fourier của các sóng ra có dạng

Trang 36

  

1/ 2

2 2 0

1

h h

Chú ý rằng nhiều dạng sóng xoay chiều như trên

cách sử dụng tính đối xứng của sóng ta thông thường

Trang 37

Bảng sau

Trang 38

Thất thoát do dòng điện (line current

distortion)

mạnh Dòng điện thất thoát có thể dẫn đến thất thoát nguồn cấp Tuy nhiên thất thoát từ nguồn thường nhỏ Để đơn giản, giả sử nguồn cấp là thuần sin tại tần số cơ bản (với )

Trang 39

Department of Control engineering and Automation-TS Phạm Đức Đại 39

Ở đó là góc lệch pha giữa điện áp vào vs và dòng điện cơ bản is1 (nếu

có nghĩa rằng dòng điện lệch pha so với điện áp) Giá trị hiệu dụng Is của dòng điện có thể được tính bằng cách như sau

0 1

Trang 40

THD dòng điện được tính như sau

Công suất được tính như sau

Trang 41

Trang 42

Một số đại lượng tính toán trong mạch điện tử

công suất

Dòng điện hiệu dụng rms (roots mean square)

Trang 43

Trang 45

Diode

Gía trị trung bình của điện áp ra (tải) v dc

Gía trị trung bình của dòng điện ra (tải) I dc

Công suất đầu ra (một chiều) P dc

Thành phần điện áp ra đập mạch (ripple)

Thành phần một chiều

Trang 46

Tính toán

Trang 47

Trang 48

Chỉnh lưu không điều khiển sử dụng diode

Trang 49

Các loại diode hiện nay

1 Shottky dioes Những diode này được sử dụng khi mà

điện áp rơi nhỏ (cỡ 0.3V) , ứng dụng trong mạch điện có điện áp nhỏ Những diode này giới hạn điện áp ngược từ 50-100V

2 Fast-recovery diodes Được thiết kế sử dụng ở mạch điện

tần số cao kết hợp với các thiết bị đóng cắt có điều khiển ở

đó thời gian trr yêu cầu là nhỏ Với điện áp vài trăm vôn,

và vài trăm ampe, thời gian trr là vai micro giây

3 Line-frequency diodes Điện áp rơi trên diode khi chúng

dẫn được thiết kế là nhỏ nhất có thể và do đó chúng có trrlớn hơn, và được chấp nhận cho các ứng dụng line-

frequency Những diode này hiện này có điện áp ngược chịu được lên tới vài kV và dòng điện lên đến vài kA

Chúng có thể được mắc nooid tiếp hoặc song song để thỏa mãn các yêu cầu về điện áp và dòng điện

Trang 50

Một số chú ý khi phân tích mạch điện tử công suất: Đáp ứng của phần tử điện cảm và tụ điện

Trang 51

Trang 53

Giá trị trung bình V L và I C

Diện tích vùng A= diện tích vùng

B

Trang 54

Diện tích vùng A= diện tích vùng B

Trang 56

Chỉnh lưu tải thuần trở + cảm

Trước thời điểm t=0, điện áp vs<0,

Từ thời điểm t1 đến t2

Trang 57

Chỉnh lưu tải thuần trở + cảm

Sau thời điểm t2 v s  0 tuy nhiên dòng điện vẫn dương, diode vẫn dẫn

bởi năng lượng chứa trong cuộn cảm, lúc này

L i

Sau thời điểm t3, điện áp trên R và L là bằng 0, và điện áp âm (=-vs) đặt lên

diode Điện áp trên tải vd là âm trong khoảng thời gian t2 đến t3 Do đó, so với trường hợp tải thuần trở, điện áp trung bình giảm

Trang 58

Mô phỏng và tính toán mạch điện tử

Trang 59

Giải phương tình ODE với hàm vào là cosine

Ví dụ:

Đưa ra một biến mới y thỏa mãn

Ta kết hợp biến x và y thành biến z= x+iy; i- là số phức

Từ phương trình 2 và 3, nhân hai vế của 3 với i, ta thu được

Giải phương trình ODE sau

Phương trình ODE tổng quát cần giải cho như sau

 

.

cos

x kx  B t

Trang 60

2

2 2 i t

z  z  e

Phương trình này có đầu vào dạng mũ, nên nghiệm của nó có dạng

Vế trái thu được

Vế phải thu được

Cân bằng hai vế ta thu được

Trang 61

Nghiệm của phương trình (homogeneous) là

Trước hết ta giải phương trình với đáp ứng đầu vào Bằng cách đưa ra

biến z, ta thu được x  Re z

Do đây là phương trình với đầu vào dạng mũ (exponential), chúng ta sẽ

thử dạng của

  it p

Trang 63

2

( / ) 2

Trang 64

 

   

( / ) 2

2

2 2

Trang 66

% Giai phuong trinh phi tuyen

fun = @Ptrinh; % function

x0 = 0.001; % gia tri ban dau

x = fzero(fun,x0)

Tìm được nghiệm 0.0110

Trang 67

Mô phỏng sử dụng MATLAB/ SIMULINK

Trang 68

Chỉnh lưu tải là điện cảm mắc nối tiếp nguồn một

chiều

Ta xem xét mạch điện gồm tải L, và một

nguồn áp một chiều Ed

- Diode bắt đầu dẫn tại t1 khi điện áp

- Dòng điện đạt giá trị đỉnh tại t2 khi

và suy giảm về 0 tại t3, với t3 được xác

Trang 69

Trang 71

Chỉnh lưu cầu một pha

- Tụ C lớn được mắc ở phía một chiều để điện áp một chiều được san phẳng

- Mô hình nguồn cấp bao gồm nguồn được nối với điện cảm Ls phù hợp với nguồn sơ cấp trong thực tế

- Có thể thay đổi giá trị Ls bằng cách mắc nối tiếp thêm điện cảm

Trang 72

Chỉnh lưu cầu một pha, xét trường hợp Ls=0

Tải R Tải là nguồn dòng không

đổi (ví dụ: điện cảm có giá trị lớn được mắc nối tiếp với tải)

Dòng điện id đi qua một diode trong mỗi nhóm

- Nhóm trên: diode dẫn dòng khi anode có thế cao nhất

Trang 73

Chỉnh lưu cầu một pha, xét trường hợp Ls=0

Tải R Nguồn không đổi

Chuyển giữa hai trạng thái là ngay lập tức vì Ls=0

Trang 74

Điện áp trung bình

Trường hợp, tải R: Điện áp trung bình Vdo của điện áp đầu ra một chiều

ký hiệu o cho trường hợp lý tưởng với Ls=0 Chú ý

Trong trường hợp dòng điện không đổi , dòng điện hiệu dụng (rms)

của is là bằng với dòng điện Id

Sóng hài của dòng điện có biên độ hiệu dụng như sau (xem slides sau

để biết cách tính)

   

2 0

0

1

2 sin 2

Trang 75

Trang 76

  

1/ 2

2 2 0

1

h h

Chú ý rằng nhiều dạng sóng xoay chiều như trên

cách sử dụng tính đối xứng của sóng ta thông thường

Trang 77

Áp dụng tính biên độ hiệu dụng sóng hài

2 2

h



Trang 79

Mô phỏng sử dụng MATLAB/SIMULINK

Vào simulink/simscape/Power System

Trang 80

Ví dụ: chỉnh lưu cầu 1 pha

Trang 81

Ví dụ: chỉnh lưu cầu 1 pha

Tăng giá trị điện cảm, dòng điện được san phẳng hơn (đường màu vàng)

Trang 82

Ví dụ: chỉnh lưu cầu 1 pha, với tải là R+L+E

Trang 83

Xét hình 5-11a, với hai diode; trong trường hợp bỏ qua ảnh hưởng của Ls, đồ thị điện áp như trên hình 5-11b

Trang 84

Ảnh hưởng của Ls

Trong trường hợp Ls khác 0, dòng điện Is được hình thành

+ khi 0 < Is < Id, sơ đồ mạch điện cho như trên hình 5-12(a) Ở đó hai diodes đều

dẫn, lúc này ta gọi là trùng dẫn (commuation); điện áp Vd =0; dòng điện qua diode D2 là Id2=Id-Is; do đó dòng điện Is tăng đến giá trị Id trong khoảng thời gian wt=u, Id2>0, D2 dẫn

+ D2 dừng dẫn khi dòng điện Is lớn hơn Id (dòng Id2<0) Diode D2 dừng dẫn tại

wt=u, lúc này mạch như hình 5-12b Dạng sóng được cho trên hình 5-13 như là hàm của wt

+ Có thể thấy rằng Is bắt đầu quá trình trùng dẫn từ giá trị 0 và kết thúc khi

Is=Id Khoảng trùng dẫn là u

Trang 86

+ Tích phân hai vế và chú ý rằng is từ 0 đến Id trong khoảng trùng dẫn, ta thu được

+ Tích phân vế trái là diện tích Au

+ Từ hai phương trình trên, ta thu được

+ Trong phương trình trên, khoảng thời gian trùng dẫn có thể được tính thông qua Ls, dòng điện Id, và w

Trang 87

+ Với Ls=0, thì điện áp trung bình tính như sau

+ Với Ls là giá trị khác không, thì điện áp trong khoảng trùng dẫn =0, do đó

+ Như vậy điện áp sụt giảm một lượng là

Trang 88

Phân tích dòng điện

cho chỉnh lưu cầu

Trang 89

Trước thời điểm wt=0, diode3 và 4 dẫn dòng điện Id và dòng điện is=-Id Mạch được

vẽ lại thành mạch sau trong khoảng trùng dẫn 0<wt<u

Tại thời điểm t=0, vs trở lên dương và diode 1 và 2 được phân cực thuận bởi vì đoạn ngắn mạch do diode 3 và 4 Có ba mạch dòng điện; hai dòng điện trùng dẫn

iu là bằng nhau (giả sử các diode là giống nhau) Cả 4 diode đều dẫn trong khoảng thời gian trùng dẫn, do đó vd=0 Dòng điện qua diode và is được cho như sau

Dòng điện is bắt đầu từ 0 và kết thúc tại Id trong khoảng thời gian trùng dẫn do đó

Tiêu đề	Bài giảng môn điện tử công suất
Tác giả	TS. Phạm Đức Đại
Trường học	Đại học Thủy Lợi
Chuyên ngành	Điện tử công suất
Thể loại	Tài liệu

Định dạng
Số trang	104
Dung lượng	4,85 MB