Slide điện tử công suất đại học bách khoa hà nội

 Mục tiêu:◦ Nắm được các kiến thức cơ bản về quá trình biển đổi năng lượng điện dùng các bộ biến đổi bán dẫn công suất cũng như những lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu của biến đổi điện năng

Ts Trần Trọng Minh

Bộ môn Tự đông hóa, Khoa Điện, ĐHBK Hà nội

Hà nội, 9 - 2010

 Mục tiêu:

◦ Nắm được các kiến thức cơ bản về quá trình biển đổi năng lượng điện dùng các bộ biến đổi bán dẫn công suất cũng như những lĩnh vực ứng dụng tiêu

biểu của biến đổi điện năng.

◦ Có hiểu biết về những đặc tính của các phần tử bán dẫn công suất lớn.

◦ Có các khái niệm vững chắc về các quá trình biến đổi xoay chiều – một

chiều (AC – DC), xoay chiều – xoay chiều (AC – AC), một chiều – một

chiều (DC – DC), một chiều – xoay chiều (DC – AC) và các bộ biến tần.

◦ Biết sử dụng một số phần mềm mô phỏng như MATLAB, PLEC,… để

nghiên cứu các chế độ làm việc của các bộ biến đổi

◦ Sau môn học này người học có khả năng tính toán, thiết kế những bộ biến

đổi bán dẫn trong những ứng dụng đơn giản.

 Yêu cầu:

◦ Nghe giảng và đọc thêm các tài liệu tham khảo,

◦ Sử dụng Matlab-Simulink để mô phỏng, kiểm chứng lại các quá trình xảy ra

trong các bộ biến đổi,

◦ Củng cố kiến thức bằng cách tự làm các bài tập trong sách bài tập.

 Đánh giá kết quả:

◦ Điểm quá trình: trọng số 0,25

◦ Kiểm tra giữa kỳ: 0,25

◦ Thi cuối kỳ: 0,75

 Tất cả các lần thi và kiểm tra đều

được tham khảo tất cả các loại tài

liệu (Open book examination).

 1 Điện tử công suất; Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải,

Trần Trọng Minh; NXB KH&KT Hà nội, 2009.

Quốc Hải, Dương Văn Nghi; NXB KH&KT, 1999.

NXB Giáo dục, 2009.

Hải; NXB KH&KT 2009.

Xu hướng Ví dụ

 Xu hướng phát triển: dải

công suất trải rộng, từ

thiết bị công nghiệp.

 Đặc biệt: tham gia vào

điều khiển trong hệ

thống năng lượng.

 Vài W đến vài trăm W, thành phần chính trong các hệ thống Power

management của các thiết bị nhỏ.

 Vài trăm kW đến vài chục MW.

 FACTS: hệ truyền tải,

 DG – Distributed Generation, Custom Grid, Renewable Energy

System, …

Nguyên nhân phát triển Các dữ liệu thực tế

 Các chip vi xử lý, vi điều khiển, DSP 16 bit, 32 bit, nhanh, mạnh về điều

Phần I: Những vấn đề chung của ĐTCS và điều khiển các bộ biến đổi

Điện tử công suất trong hệ thống năng lượng từ trước

đến nay và từ nay về sau

Phần I: Những vấn đề chung của ĐTCS và điều khiển các bộ biến đổi

Các bộ biến đổi Điện tử công suất

Phần I: Những vấn đề chung của ĐTCS và điều khiển các bộ biến đổi

Các lĩnh vực liên quan đến Điện tử công suất

Phần I: Những vấn đề chung của ĐTCS và điều khiển các bộ biến đổi

Sơ đồ khối chức năng của bộ biến đổi

Phần I: Những vấn đề chung của ĐTCS và điều khiển các bộ biến đổi

Sơ đồ các lớp mạch của bộ biến đổi

Phần I: Những vấn đề chung của ĐTCS và điều khiển các bộ biến đổi

Các phần tử trong mạch của bộ biến đổi

Phần I: Những vấn đề chung của ĐTCS và điều khiển các bộ biến đổi

Tỷ lệ khối lượng và thể tích các phần tử

trong bộ biến đổi bán dẫn

Phần I: Những vấn đề chung của ĐTCS và điều khiển các bộ biến đổi

Chuyển mạch: vấn đề cực kỳ quan trọng đối với công suất lớn

Ba loại chuyển mạch: Cứng (Hard switching), Snubbered,

Soft-switching

Zero voltage switch

 I.1 Những vấn đề chung

 I.2 Điôt

 I.3 Thyristor

 I.4 Triac

 I.5 GTO (Gate-Turn-off Thyristor)

 I.6 BJT (Bipolar Junction Transistor)

 I.7 MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field Effect

◦ Muốn tạo ra các van bán dẫn hai

chiều hai chiều phải kết hợp các

phần tử lại.

 Về khả năng điều khiển, các van

bán dẫn được phân loại:

◦ Van không điều khiển, như ĐIÔT,

◦ Van có điều khiển, trong đó lại phân

ra:

 Điều khiển không hoàn toàn, như

TIRISTOR, TRIAC,

 Điều khiển hoàn toàn, như BIPOLAR

TRANSISTOR, MOSFET, IGBT, GTO.

Đặc tính vôn-ampe của van lý tưởng: dẫn dòng theo cả hai chiều;

chịu được điện áp thep cả hai chiều.

 Cấu tạo từ một lớp tiếp giáp p-n

 Đặc tính vôn-ampe của điôt

◦ Giúp giải thích chế độ làm việc thực tế của điôt

◦ Tính toán chế độ phát nhiệt (tổn hao trên điôt) trong quá trình làm việc

Đặc tính Vôn-ampe thực tế của điôt Đặc tính tuyến tính hóa:

u D = U D,0 + r D *i D ; r D = ΔU D /ΔI D

 Đặc điểm cấu tạo của điôt

công suất (Power diode)

◦ Phải cho dòng điện lớn

chạy qua (cỡ vài nghìn

ampe), phải chịu được điện

 Đặc tính đóng cắt của điôt

◦ Đặc tính động u D (t), i D (t),

Khi mở: điện áp u Fr lớn lên đến vài V trước

khi trở về giá trị điện áp thuận cỡ 1 – 1,5V

do vùng n- còn thiếu điện tích

Khi khóa: dòng về đến 0, sau đó tiếp tục tăng theo chiều ngược với tốc độ dir/dt đến giá trị Irr rồi về bằng 0.

Điện tích phục hồi Qrr

Thời gian phục hồi trr

 Các thông số cơ bản của điôt

◦ Giá trị dòng trung bình cho

phép chạy qua điôt theo

chiều thuận: ID (A)

◦ Giá trị điện áp ngược lớn

 Tại sao lại là dòng trung bình?

◦ Liên quan đến quá trình phát nhiệt.

◦ Cho ví dụ:

 Khả năng chịu điện áp: 3 giá trị,

◦ Repetitive peak reverse voltages, URRM

◦ Non repetitive peak reverse voltages , URSM

◦ Direct reverse voltages, UR

 Khi tần số tăng lên tổn thất do quá trình đóng cắt sẽ đóng vai trò chính chứ không phải là tổn thất khi dẫn.

 Ba loại điôt công suất chính:

◦ 1 Loại thường, dùng ở tần số 50, 60 Hz Không cần quan tâm đến trr.

◦ 2 Loại nhanh: fast diode, ultrafast diode.

◦ 3 Schottky Diode: không phải là loại có tiếp giáp p-n Sụt

áp khi dẫn rất nhỏ, cỡ 0,4 – 0,5 V, có thể đến 0,1 V Dùng cho các ứng dụng tần số cao, cần dòng lớn, điện áp nhỏ, tổn thất rất nhỏ Chỉ chịu được điện áp thấp, dưới 100 V.

 Cấu tạo: cấu trúc bán dẫn gồm 4 lớp,

p-n-p-n, tạo nên 3 tiếp giáp p-n, J1,

J2, J3

 Có 3 cực:

◦ Anode: nối với lớp p ngoài cùng,

◦ Cathode: nới với lớp n ngoài cùng,

◦ Gate: cực điều khiển, nối với lớp p ở giữa.

Đặc tính vôn-ampe lý tưởng của thyristor.

Thyristor: Cấu trúc bán dẫn và mạch điện tương đương.

Lớp n- làm tăng khả năng chịu điện áp

 Đặc tính vôn-ampe của thyristor  1 Đặc tính ngược: UAK < 0.

◦ Rất giống đặc tính ngược của điôt.

 1 Giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua tiristor, IV

◦ Làm mát tự nhiên: một phần ba dòng I V .

◦ Làm mát cưỡng bức bằng quạt gió: hai phần ba dòng I V .

◦ Làm cưỡng bức bằng nước: có thể sử dụng 100% dòng I V.

 2 Điện áp ngược cho phép lớn nhất, Ung,max

 3 Thời gian phục hồi tính chất khóa của thyristor, trr (μs)

◦ Thời gian tối thiểu phải đặt điện áp âm lên anôt-catôt của tiristor sau khi dòng iV

đã về bằng 0 trước khi có thể có điện áp U AK dương mà tiristor vẫn khóa.

◦ Trong nghịch lưu phụ thuộc hoặc nghịch lưu độc lập, phải luôn đảm bảo thời

gian khóa của van cỡ 1,5 - 2 lần t r.

◦ trr phân biệt thyristor về tần số:

 Tần số thấp: trr> 50 μs;

 Loại nhanh: trr = 5 – 20 μs trr càng nhỏ, càng đắt

 6 Thông số yêu cầu đối với tín

hiệu điều khiển, (UGK, IG)

◦ Ngoài biên độ điện áp, dòng điện, độ rộng

xung là một yêu cầu quan trọng.

◦ Độ rộng xung tối thiểu phải đảm bảo

dòng IVvượt qua giá trị dòng duy trì Ih

 Minh họa hiệu ứng dU/dt tác dụng như dòng mở van

 S ẽ tìm hi ể u nh ữ ng v ấ n đ ề khi mu ố n tăng công su ấ t

c ủ a các b ộ bi ế n đ ổ i theo hư ớ ng dòng đi ệ n l ớ n và đi ệ n

áp cao Ph ả i làm th ế nào?

◦ Lĩnh vực ứng dụng công suất nhỏ: rất quan trọng nhưng

phải có một chương trình khác

 S ẽ tìm hi ể u lĩnh v ự c ứ ng d ụ ng quan tr ọ ng c ủ a ĐTCS

trong đi ề u khi ể n h ệ th ố ng năng lư ợ ng, bù và đ ả m

b ả o ch ấ t lư ợ ng đi ệ n áp Đ ặ c bi ệ t liên quan đ ế n lư ớ i

đi ệ n phân tán

◦ Những ứng dụng rộng rãi của ĐTCS trong điều khiển máy

điện đã được đề cập đến trong các môn học về Truyền

động điện Không đề cập ở đây

◦ Các bộ biến đổi dùng thyristor trong các bộ chỉnh lưu hay

những bộ nguồn cho các quá trình công nghệ đã đề cập đầy

đủ trong chương trình ĐTCS cơ bản

1 Xác định trạng thái van state

switch:

◦ Không làm ngắn mạch nguồn áp (tụ C);

◦ Không hở mạch nguồn dòng (cuộn cảm

L).

2 Với mỗi trạng thái van xác định

vector trạng thái state vector

3 Xây dựng đồ thị vector không

gian: các vector biên và các

sector.

4 Cho vector mong muốn dưới

dạng hệ tọa độ cực , ,

hoặc dạng tọa độ,

5 Tính toán hệ số biến điệu tùy

theo vị trí của vector mong muốn

nằm trong sector nào.

Trạng thái van u a u b u c u/E Vectơ

 Quy luật tổng hợp vector đầu

ra mong muốn khi vector nằm

trong một tam giác bất kỳ:

◦ u = p3 + d1 + d2,

◦ d1 = d1(p1– p3); d2 = d2(p2 – p3); d1,

d2 là tỷ lệ độ dài so với cạnh tương

ứng của tam giác

◦ u = p3 + d1(p1– p3) + d2(p2 – p3)

◦ u = p3(1 – d1 – d2) + d1p1 + d2p2.

 Vector không gian:

◦ Có 3 loại vector: vector lớn LV, trung bình MV, nhỏ SV (và vector không)

◦ 18 vector chia mặt phẳng ra 6 sector , mỗi sector chứa 4 tam giác đều.

V1

V2 V3

V4

V5 V6

V15 V16 V17

V18 V7 V8

V9 V10

 Mạch vòng dòng điện đảm bảo đáp ứng của dòng điện như mong

muốn:

◦ Không sai lệch;

◦ Thời gian đáp ứng trong phạm vi cho phép;

◦ Tần số cắt ωCL < 1/10 ωs

 Dùng bộ điều chỉnh PI xoay chiều.

 Bộ điều chỉnh PI trong hệ tọa độtĩnh 0αβ.

 Có sai số tĩnh

do độ dịch pha của tín hiệu xoay chiều

 Bộ điều chỉnh PI trong hệ tọa độtĩnh 0αβ.

 Không sai sốtĩnh

 Có liên hệ chéo, phức tạp

 Bộ điều chỉnh

PI với các thành phần một chiều

 Không sai sốtĩnh

 Phức tạp vì cần nhiều phép biến đổi tọa độ

 Cách thực hiện.

 Lưu ý cấu trúc liên hệchéo

 Cấu trúc tương tự  Cấu trúc gián đoạn số

 Phần tỷ lệ P không thay đổi qua các phép quay tọa độ

 Chỉ có khâu tích phân I chịu tác động của phép quay

 Biến đổi Laplace cho thấy phần tích phân tương đương với khâu cộng hưởng

trong hệ tọa độtĩnh

 Vai trò của các bộ biến đổi bán dẫn trong hệ thống năng lượng

 Điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng

 Lý thuyết tính toán dòng công suất