Đề cương bài giảng Điện tử công suất Nghề Đcn bàI 1: TỔng quan về ĐIỆn tử CÔng suấT

Đề cương bài giảng Điện tử công suất Nghề ĐCN

1. 
   Giới thiệu chung về điện tử công suất.
   
   1. 
      Khái niệm:
      

Các thiết bị sản xuất của chúng ta sử dụng các loại năng lượng điện khác nhau, có loại dùng điện một chiều, có loại dùng điện xoay chiều, các mức điện áp khác nhau, các tần số khác nhau, và đặc biệt là để điều khiển hoạt động của các thiết bị đó, ta cần điều khiển nguồn năng lượng điện cấp cho nó. Như vậy, biến đổi và điều khiển năng lượng điện là một nhiệm vụ hàng đầu trong tự động hoá sản xuất.

Việc biến đổi và điều khiển năng lượng điện trong công nghiệp trước đây chủ yếu sử dụng các relay (rơ-le), dựa vào việc đóng mở các relay mà có được nguồn điện năng theo ý muốn. Tuy nhiên, do yêu cầu ngày càng cao của thực tiến sản xuất, kèm theo đó là sự tiến bộ của công nghệ bán dẫn đã cho phép chế tạo các phần tử đóng cắt bán dẫn (không tiếp điểm) công suất lớn nhằm thay thế các mạch relay tiếp điểm –>> ngành Điện tử công suất.

Như vậy, theo tôi, có thể nói rằng Điện tử công suất tức là dùng các thiết bị điện tử có công suất lớn với các thuật toán điều khiển nhằm biến đổi và điều khiển năng lượng điện.

Các bộ biến đổi điện tử công suất được phân loại dựa vào các Điện xoay chiều –>> Điện một chiều: Các bộ Chỉnh lưu (Rectifier) điều khiển (dùng Thyristor) hoặc không điều khiển (dùng Diode) tuỳ theo việc ta có cần điều khiển giá trị của dòng điện một chiều ở đầu ra hay không.

Đó chỉ là sự phân loại mang tính chất cơ bản và rất chung chung, khi đi sâu vào từng khía cạnh ta sẽ thấy sự phong phú của các loại thiết bị biến đổi điện tử công suất.

2. 
   Các linh kiện chuyển mạch dùng trong điện tử công suất (Diode, SCR, DIAC, TRIAC, IGBT, GTO).
   
   1. 
      Diode.
      
      1. 
         Cấu tạo:
         

2. 
   Đặc tính V-A:
   

Hình 2.1 Đặc tính của Diode lý tưởng

Diode thực tế:


Với r_R =_ : điện trở ngược trong diode

U_BR: điện áp đánh thủng

U_TO: điện áp rơi trên diode

r_F = _ : điện trở thuận trong diode

Các thông số chính của diode:

• 
  Giá trị điện áp đánh thủng U_BR
  
• 
  Giá trị điện áp ngược lập lại U_RRM.
  
• 
  Giá trị điện áp ngược không lập lại: U_RSM.
  
• 
  Dòng điện, nhiệt độ làm việc.
  
• 
  Giá trị trung bình cực đại dòng điện thuận I _F(AV)M.
  
• 
  Giá trị cực đại dòng điện thuận không lập lại I _FSM.
  

3. 
   Đo, Kiểm tra và khảo sát Diode
   
   1. 
      Đo. Kiểm tra Diode
      
   2. 
      Khảo sát đặc tuyến Volt – Ampe của Diode
      

2.2. DIAC: (Diod Ac Semiconductor Switch)

- Caáu taïo, kyù hieäu.

- Nguyeân lyù, ñaëc tính vaø caùc thoâng soá kyõ thuaät.

Xeùt maïch ñieän nhö hình 1.71a:

Vôùi nguoàn ñieän V_DC coù theå ñieàu chænh ñöôïc töø thaáp leân cao. Khi V_DC = 0^V thì Diac khoâng daãn, doøng ñieän qua noù baèng khoâng. Khi taêng V_DC ôû trò soá nhoû thì doøng ñieän qua Diac chæ laø doøng ñieän ræ coù trò soá nhoû. Neáu ta taêng V_DC ñeán moät trò soá ñuû lôùn thì ñieän theá treân Diac taêng ñeán giaù trò V_BO thì ñieän theá treân Diac laïi giaûm xuoáng vaø doøng ñieän qua diac baét ñaàu taêng leân nhanh. Ñieän theá naøy goïi laø ñieän theá ngaäp (Breakover) vaø doøng ñieän töông öùng vôùi noù laø doøng ñieän ngaäp I_BO. Ñieän theá V_BO cuûa Diac coù trò soá trong khoaûng töø 20^V ñeán 40^V. Doøng ñieän I_BO coù trò soá khoaûng töø vaøi chuïc A ñeán vaøi traêm A. Khi ñoåi chieàu doøng ñieän ngöôïc laïi vaø taêng nguoàn V_DC theo chieàu aâm thì Diaêc cuõng daãn theo chieàu ngöôïc laïi vaø ta veõ ñöôïc ñaëc tuyeán cuûa Diac nhö hình 1.71b. Nhìn vaøo ñaëc tính Voân – Ampe cuûa Diac ta thaáy Diac gioáng nhö hai diode zener ñaáu ñoái ñaàu nhau nhö hình 1.7a.

- Ứng dụng: Dùng trong công ngiệp để mở hoặc kích cho SCR, TRIAC điều khiển các mạch động cơ, quạt xoay, đèn bàn, đèn đường…

THÖÏC HAØNH VEÀ DIAC

Noäi dung : Ño và kiểm tra tốt hay xấu, xác định chân của DIAC.

Ñoïc tröïc tieáp treân thaân DIAC.

Nhận dạng hình dáng DIAC.

2. 
   Transistor lưỡng cực cổng cách ly- IGBT
   

Đặc tính động

Hình 2.6

Hình 2.7

1MB-30-060- Fuji Electric

1. 
   Thyristor
   
   1. 
      Trạng thái:
      

• 
  Mở.
  
• 
  Đóng.
  
• 
  Khóa.
  

2. 
   Ký hiệu: (Hình 2.9)
   

T: thuận

R: ngược

UAK > 0

Điều kiện để đóng : điện áp ngược đặt lên A-K

Đặc tính V-A

Thyristor lý tưởng

Ba trạng thái: đóng- mở- khóa

Hình 2.10

Thyristor thực tế

U_BR: điện áp ngược đánh thủng.

U_BO: điện áp tự mở Th

U_TO: điện áp rơi trên Th

I_H: dòng duy trì (holding).

I_L: latching

3. 
   Đặc tuyến của SCR
   

Hình 2.11

Đặc tính điều khiển Thyristor

Hình 2.12 Sơ đồ điều khiển Thyristor

Hình 2.13 Đặc tuyến V-A của Thyristor

Đặc tính động:

Mở Thyristor

Hình 2.14 Đặc tuyến V-A khi mở Thyristor

Khóa Thyristor

Hình 2.15 Đặc tuyến V-A khi khóa Thyristor

Hình 2.16 Đặc tuyến V-A khi đóng Thyristor

Hình 2.17 Thyristor thực tế

4. 
   GTO
   

Hình 2.18 ký hiệu GTO

Đặc tính động:

Mở GTO

Hình 2.19 Đặc tính GTO khi mở

Đóng GTO

Hình 2.20 Đặc tính GTO khi đóng

5. 
   Triac
   

Hình 2.22 Ký hiệu Triac

2.6.2. Đặc tuyến của Triac

Hình 2.23 Đặc tuyến V-A của Triac

Triac thực tế:

Hình 2.24 Hình dạng của Triac

3. 
   Các tổn hao trong mạch điện tử công suất.
   

Định nghĩa:

• 
  Hệ số công suất là tỷ số giữa công suất tích cực P và công suất toàn phần S
  
• 
  (3.1)
  

PF = cosφ

Trong đó φ là góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp, hiệu chỉnh hệ số công suấtchính là hiệu nchỉnh hay bù cosφ. Trong thực tế dòng điện và điện áp thường có dạng sin không lý tưởng. Hệ số công suất theo cách hiểu đơn giản không còn phù hợp và trong các phân tích cũng như tính toán phải xuất phát từ định nghĩa chung (3.1). Để dễ tính toán mỗi dòng điện thực tế được coi là tổng của các dòng sin lý tưởng, và mỗi dòng sin thành phần được gọi là một hài. Hài có tần số thấp nhất, bằng tần số dòng thực tế, được gọi là hài cơ bản, các hài khác, có tần số cao hơn, được gọi là hài bậc cao. Khi đó mức độ hay tính chất sin của mỗi dòng điện thực tế được đánh giá bằng tương quan giữa tổng năng lượng của các hài bậc cao và năng lượng của hài cơ bản. Tương quan này được gọi là hệ số méo dạng tổng và thường được viết tắt là TDH, đó là tỷ số giữa trị hiệu dụng của tất cả các dòng bậc cao và trị hiệu dụng của dòng cơ bản:
(3.2)

Dòng điện có hệ số này càng lớn thì có dạng càng khác nhiều so với sin lý tưởng, dòng sin lý tưởng có THD=0. Điện áp thực tế cũng được biểu diễn tương tự như biểu diễn dòng điện ở trên.

trong đó hệ số Uhd, I1hd, φ tương ứng là trị hiệu dụng của điện áp nguồn,

của dòng điện cơ bản và góc lệch pha giữa dòng điện cơ bản và điện áp;

Kp =I1hd/Ihd và Kφ = cosφ.

Quan hệ giữa hệ số méo hài tổng THD và hệ số Kp có dạng:

(1.5) (3.4)

Cuối cùng nhận được:

Biểu thức trên cho thấy hệ số công suất phụ thuộc vào thành phần hài bậc cao, góc lệch pha giữa dòng điện cơ bản và điện áp. Từ đó dễ thấy rằng để có hệ số công suất lớn thì phải giảm thiểu hàm lượng các hài bậc cao trong thành phần của dòng điện vào của các thiết bị điện tử công suất.

a. Lần lượt bật SW về vị trí 1, 2, 3 quan sát led và giải thích kết quả.

b. Đặt SW về vị trí 2 quan sát tải, xong bật về vị trí 1. Nhận xét giải thích.

c. Đổi cực của nguồn V_I, lập lại câu a và b, giải thích kết quả.

Bước 1: chuẩn bị dụng cụ: kềm, kéo, test-board, điện trở, dây nối, tải, sw, led, nguồn,..

Bước 2: ráp mạch theo hình vẽ: theo thứ tự từ trên xuống dưới, từ trái qua phải.

Bước 3: kiểm tra lại sơ đồ, chỉnh sửa lại lần cuối cho chính xác.

Bước 4: cấp nguồn cho mạch chạy.

Bước 5: nhận xét kết quả của mạch và bài học kinh nghiệm có được.

a. Giải thích nguyên tắc hoạt động của mạch (nêu rõ chức năng các linh kiện trong mạch điều khiển pha).

b. Chỉnh V_R, quan sát tải, vẽ lại dạng sóng hai đầu tải.

c. Thử nêu vài ứng dụng của mạch này.

Hình 2.4

Hình 2.5

1. 
   Transistor lưỡng cực cổng cách ly- IGBT
   

Đặc tính động

1. 
   Khái quát chung.
   
   1. 
      Khái niệm cơ bản
      

Cấu trúc như hình vẽ

1. 
   Phân loại
   

• 
  Theo số pha: một pha, hai pha, ba pha, sáu pha..
  
• 
  Theo loại ngắt điện
  
• 
  Mạch chỉ dùng toàn diode là chỉnh lưu không điều khiển.
  
• 
  Mạch chỉ dùng toàn Thyristor là chỉnh lưu có điều khiển.
  
• 
  Một nửa chỉnh lưu, một nửa diode là chỉnh lưu bán điều khiển (chỉnh lưu điều khiển không đối xứng)
  
• 
  Phân loại theo sơ đồ mắc.
  
• 
  Phân loại theo công suất.
  

3. 
   Các thông số cơ bản của chỉnh lưu.
   

• 
  Điện áp tải: U_d = _(t).dt
  
• 
  Dòng điện tải: Id = U_dc/R_d
  
• 
  Dòng điện chạy qua ngắt điện: I_ND = I_d/m
  
• 
  Điện áp ngược của ngắt điện: U_N= Umax
  
• 
  Công suất biến áp: S_BA = _ = k_ad.Ud
  
• 
  Số lần đập mạch trong một chu kỳ m
  
• 
  Độ đập mạch (nhấp nhô) của điện áp tải.
  

1. 
   Nguyên tắc dẫn của các ngắt điện bán dẫn:
   

• 
  Nhóm ngắt điện nối chung Kathode:
  

Điện áp anode của diode nào dương hơn thì diode ấy dẫn. Khi đó điện thế điểm A bằng điện thế anode dương nhất

• 
  Nguyên tắc dẫn và điều khiển Thyristor:
  

• 
  Nhóm ngắt điện nối chung anode:
  

Điện áp cathode ngắt điện nào âm hơn hơn thì diode ấy dẫn. Khi đó điện thế điểm K bằng điện thế anode âm nhất.

• 
  Nguyên tắc dẫn và điều khiển Thyristor:
  

Phụ thuộc vào điện thế cực dương trên cực anode và tín hiệu điều khiển.

2. 
   Chỉnh lưu một nửa chu kỳ.
   
   1. 
      Chỉnh lưu không điều khiển bán kỳ.
      
      1. 
         Chỉnh lưu không điều khiển tải thuần trở R
         

* Sơ đồ mạch

* Các thông số sơ đồ:

Điện áp tải: U_d = _dt = _ U₂ = 0,45 U₂

• 
  Dòng điện tải: I_d = U_dc/R_d
  
• 
  Dòng điện chạy qua diode: I_D = I_d
  
• 
  Điện áp ngược của ngắt điện: _
  
• 
  Công suất biến áp: : S_BA = _ = 3,09 U_d.I_d
  

- Điện áp ngõ vào

- Điện áp ngõ ra

- Tính toán các thông số

2. 
   Chỉn lưu không điều khiển tải thuần trở R, L
   

* Các thông số sơ đồ:

Điện áp tải: U_d = _dt = 0,45 U_{2 }

• 
  Dòng điện tải: I_d = U_dc/R_d
  
• 
  Dòng điện chạy qua diode: I_D = I_d
  
• 
  Điện áp ngược của ngắt điện:U_N = _
  
• 
  Công suất biến áp: : S_BA = _ = 3,09 U_d.I_d
  

- Điện áp ngõ vào

- Điện áp ngõ ra

- Tính toán các thông số

2. 
   Chỉnh lưu có điều khiển bán kỳ.
   
   1. 
      Chỉnh lưu có điều khiển bán kỳ tải thuần trở.
      

* Các thông số sơ đồ:

Điện áp tải được tính:

U_d = _dt = 0,45 U_{2 }

* Lắp ráp và khảo sát

- Điện áp ngõ vào

- Điện áp ngõ ra

- Tính toán các thông số

2. 
   Chỉnh lưu có điều khiển bán kỳ tải R, L.
   





* Lắp ráp và khảo sát

- Điện áp ngõ vào

- Điện áp ngõ ra

- Tính toán các thông số

3. 
   Chỉnh lưu có điều khiển bán kỳ tải R, L có diode xả năng lượng.
   

* Lắp ráp và khảo sát

- Điện áp ngõ vào

- Điện áp ngõ ra

- Tính toán các thông số

3. 
   Chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp có trung tính.
   
   1. 
      Chỉnh lưu không điều khiển.
      

Điện áp, dòng điện chỉnh lưu và ngắt điện.

• 
  Udtb =2. _dt = 2 _ U₂ = 0,9 U₂
  
• 
  Dòng điện tải: I_d = U_dc/R_d
  





U_ND = 2_

S_BA = _ = 1,48 UdId
* Lắp ráp và khảo sát

- Điện áp ngõ vào

- Điện áp ngõ ra

- Tính toán các thông số

2. 
   Chỉnh lưu có điều khiển
   

1. 
   Tải thuần trở: Udtb =. _dt = 0,9 U_{2 }
   





Khi dòng liên tục: α = 0

U_d = 0,9 U_2
3.2.3. Chỉnh lưu có diode xả năng lượng

* Sơ đồ và các đường cong

* Lắp ráp và khảo sát

- Điện áp ngõ vào

- Điện áp ngõ ra

- Tính toán các thông số
3.2.4. Hiện tượng chuyển mạch

Chỉ xét chuyển mạch khi dòng tải liên tục

4. Chỉnh lưu cầu 1 pha.

Chỉnh lưu không điều khiển

Chỉnh lưu điều khiển đối xứng.

Chỉnh lưu điều khiển không đối xứng.

1. 
   Chỉnh lưu không điều khiển
   

* Thông số của sơ đồ

Điện áp và dòng điện tải có hình dạng giống như chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp trung tính, do đó thông số giống như trường hợp trên

U_d =. _dt = 0,9 U₂

U_d0 = U_d + U_BA + 2U_D + U_dn

SBA = 1,23 U_dI_d

U_n = _

* Lắp ráp và khảo sát

- Điện áp ngõ vào

- Điện áp ngõ ra

- Tính toán các thông số

2. 
   Chỉnh lưu cầu điều khiển đối xứng
   

* Đặc điểm điều khiển đồng thời hai SCR

- Điện áp ngõ vào

- Điện áp ngõ ra

- Tính toán các thông số

3. 
   Chỉnh lưu điều khiển không đối xứng.
   
   1. 
      Đặc điểm điều khiển
      

2. 
   Sơ đồ
   

- Điện áp ngõ vào

- Điện áp ngõ ra

- Tính toán các thông số

4. 
   Chỉnh lưu tia 3 pha.
   

Chỉnh lưu có điều khiển

Hiện tượng trùng dẫn

1. 
   Chỉnh lưu không điều khiển
   
   1. 
      Sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha không điều khiển
      

2. 
   Sơ đồ và đặc tuyến
   

3. 
   Thông số của sơ đồ
   

Udtb = _dt = _U_2f = 1,17 U_2f

• 
  Dòng điện tải: I_d = U_dc/R_d
  





U_ND = 2,45_f = (2,45/1,17)U_d

S_BA = _ = _U_dI_d = 1,35 U_dI_d

m = 3

- Điện áp ngõ vào

- Điện áp ngõ ra

- Tính toán các thông số

2. 
   Chỉnh lưu có điều khiển
   
   1. 
      Sơ đồ
      

Định nghĩa về góc thông tự nhiên

2. 
   Nguyên tắc điều khiển
   

3. 
   Hoạt động của sơ đồ khi tải thuần trở.
   

Khi tải thuần trở góc mở nhỏ hơn 30⁰

Udtb = _dt = _U_{2f .} = 1,17 U_2f

Khi góc mở ngắt điện lớn hơn 300

Udtb = _dt = 1,17 U_{2f }

Các thông số còn lại như chỉnh lưu không điều khiển

4. 
   Hoạt động của sơ đồ khi tải điện cảm
   

Thông số của sơ đồ

Điện áp chỉnh lưu Udtb = _dt = _U_{2f .} = 1,17 U_2f

5. 
   Hoạt động của sơ đồ khi có diode xả năng lượng.
   





3. 
   Hiện tượng trùng dẫn (tham khảo thêm tài liệu)
   

- Điện áp ngõ vào

- Điện áp ngõ ra

- Tính toán các thông số

4. 
   Chỉnh lưu cầu 3 pha
   
   1. 
      Chỉnh lưu không điều khiển
      
      1. 
         Sơ đồ
         

Hai nhóm ngắt điện NA mắc chung cathode cho điện áp dương, NK mắc chung anode cho điện áp âm.

2. 
   Hoạt động của sơ đồ.
   

3. 
   Thông số của sơ đồ.
   





• 
  Dòng điện tải: I_d = U_dc/R_d
  





U_ND = 2,45_f = (2,45/234)U_d

S_BA = 1,05 U_dI_d

m = 6
6.1.4. Lắp ráp và khảo sát

- Điện áp ngõ vào

- Điện áp ngõ ra

- Tính toán các thông số

2. 
   Chỉnh lưu điều khiển đối xứng.
   
   1. 
      Sơ đồ
      

Cấp 2 xung điều khiển đúng thứ tự pha, 2 xung điều khiển không đúng thứ tự pha, ba xung điều khiển như bảng dưới

6.2.2. Lắp ráp và khảo sát

- Điện áp ngõ vào

- Điện áp ngõ ra

- Tính toán các thông số