Bài giảng môn Điện tử công suất
Chất bán dẫn - Lớp tiếp giáp P - N
Chất bán dẫn:
Ở nhiệt độ bình thường có độ dẫn điện nằm giữa chất dẫn điện và chất cách điện
Loại P: phần tử mang điện là lỗ trống – mang điện tích dương
Loại N: phần tử mang điện là các electron – mang điện tích âm
Các thông số chính của diode
Điện áp:
• Giá trị điện áp đánh thủng UBR
• Giá trị cực đại điện áp ngược lập lại:
U
RRM
• Giá trị cực đại điện áp ngược không lập
lại: URSM
Dòng điện - nhiệt độ làm việc
• Giá trị trung bình cực đại dòng điện
thuận: IF(AV)M
• Giá trị cực đại dòng điện thuận không
lập lại: IFS
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng môn Điện tử công suất", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
Tóm tắt nội dung tài liệu: Bài giảng môn Điện tử công suất
CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU – CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 1.1 Khái niệm chung Điện tử Công suất lớn Các linh kiện điện tử công suất được sử dụng trong các mạch động lực – công suất lớn Sự khác nhau giữa các linh kiện điện tử ứng dụng (điện tử điều khiển) và điện tử công suất • Công suất: nhỏ – lớn • Chức năng: điều khiển – đóng cắt dòng điện công suất lớn IB IC • Thời điểm • Công suất Động lựcĐiều khiển Các linh kiện điện tử công suất chỉ làm chức năng đóng cắt dòng điện – các van Transistor điều khiển: Khuyếch đại Transistor công suất: đóng cắt dòng điện B IC U R ab A A UCE = U - RIC UCE = UCE1 UCE1 U IB2 > IB1 IB1 > 0 IB = 0 UBE < 0 UCE IB2IB R U uCE CiB B uBE E iE iC Đặc tính Volt – Ampe của van công suất lý tưởng i u điều khiển u i ac b d Đối tượng nghiên cứu của điện tử công suất • Các bộ biến đổi công suất • Các bộ khóa điện tử công suất lớn Chỉnh lưu Nghịch lưu BBĐ điện áp một chiều (BĐXA) • BBĐ điện áp xoay chiều (BĐAX) • Biến tần 1. 2. Các linh kiện điện tử công suất 1.2.1 Chất bán dẫn - Lớp tiếp giáp P - N Chất bán dẫn: Ở nhiệt độ bình thường có độ dẫn điện nằm giữa chất dẫn điện và chất cách điện Loại P: phần tử mang điện là lỗ trống – mang điện tích dương Loại N: phần tử mang điện là các electron – mang điện tích âm + ++ + + +++ -- -+ -- - -- - Miền bão hòa - Cách điện P N + ++ + + +++ + + + --- -+ --- - --- - P N J Phân cực ngược + ++ + + +++ -- -+ -- - -- - Miền bão hòa - Cách điện P N +- + + + - - - Miền bão hòa - Cách điện P N +- Phân cực thuận + ++ + + +++ -- -+ -- - -- - Miền bão hòa - Cách điện P N -+ -+ i 1.2.2 Diode Cấu tạo, hoạt động R: reverse – ngược F: forward – thuận NP Katode KA Anode iR uR iF uF KA Hướng ngược Hướng thuận Đặc tính V – A Diode lý tưởng u i Nhánh thuận – mở Nhánh ngược – đóngDiode thực tế UTO: điện áp rơi trên diode điện trở thuận trong diode F F F dI dUr = điện trở ngược trong diode R R R dUr dI = UBR: điện áp đánh thủng Hai trạng thái: mở – đóng U[BR] IR [mA] UF [V]UR [V] 1 1,5800 400 0 50 100 30 20 URRM T j = 30 C o o T j = 160 C IF [A] URSM Nhánh thuận – mở Nhánh ngược – đóng Đặc tính động của diode • UK: Điện áp chuyển mạch • trr: Thời gian phục hồi khả năng đóng • irr: Dòng điện chuyển mạch – phục hồi ∫= rr t rrr dtiQ 0 : điện tích chuyển mạch Quá áp trong L + UK - S I iF irr iR iF Ð ó n g S trr 0,1 irrM i r r M iR i F = I tO irr Qr t uR uF Uk uRM uR = Uk O Bảo vệ chống quá áp trong R C LuR V Uk irr iL iRC - + V O t irr iRC O Uk t Mở Đóng L R k diu U L dt = −RCrrL iii += Các thông số chính của diode Điện áp: • Giá trị điện áp đánh thủng UBR • Giá trị cực đại điện áp ngược lập lại: URRM • Giá trị cực đại điện áp ngược không lập lại: URSM Dòng điện - nhiệt độ làm việc • Giá trị trung bình cực đại dòng điện thuận: IF(AV)M • Giá trị cực đại dòng điện thuận không lập lại: IFSM U[BR] IR [mA] UF [V]UR [V] 1 1,5800 400 0 50 100 30 20 URRM T j = 30 C o o T j = 160 C IF [A] URSM Nhánh thuận – mở Nhánh ngược – đóng Diode thực tế: IDB30E60 – Infineon Technologies 1.2.3 Transistor lưỡng cực (BT) Cấu tạo, hoạt động R U uCE CiB B uBE E iE iC R U uEC CiB B uEB E iE iC N N P B C E P P N B C E (Bipolar Transistor) Đặc tính Volt – Ampe Miền mở bão hòa Miền đóng bão hòa Mở Đóng • Đặc tính ngoài IC = f(UCE) • Đặc tính điều khiển IC = f(IB) B IC U R ab A A UCE = U - RIC UCE = UCE1 UCE1 U IB2 > IB1 IB1 > 0 IB = 0 UBE < 0 UCE IB2IB ICE ICE0 ICER ICES ICEU UCE0 UCE UBR(CEU) UBR(CES) UBR(CER) UBR(CE0)IB = 0 UCER UCES UCEU RB -IB UBE + - RB -IB UBE + -+ - ICEU b) c) a) O • 0 Hở mạch B – E (IB = 0) • R Mạch B – E theo hình b) • S Ngắn mạch B – E (RB→0) • U Mạch B – E theo hình c) Quá trình quá độ của transistor iB IB 0.9IB O t 0.1IB 0.1IC uCE td tr iC ts toffton O tf 0.9IC IC 0.1IC Mạch trợ giúp đóng mở (Điện tử công suất – Nguyễn Bính) Các thông số chính Điện áp: • Giá trị cực đại điện áp colector – emitor UCE0M khi IB = 0 • Giá trị cực đại điện áp emitor – bazơ UEB0M khi IC = 0 Dòng điện: Giá trị cực đại của các dòng điện IC, IB, IE Transistor thực tế - MJW3281A (NPN) – ON Semiconductor 1.2.4 Transistor trường MOSFET (Metal Oxid Semiconductor Field Effect Transistor) N iD D OXIDGS uGS P N G D iD uDS S uGS N D OXIDGS P N G D S Đặc tính động RGon UG off CGS uGS G CGD D iD CDS R uDS U + -+ - S GS UGS(th)0.1UG UG 0.9UG t 0.9U U tr td(on) ton td(off) uDSiD tf toff 0.9U 0.1U MOSFET thực tế - 19MT050XF – International Rectifier 1.2.5 Transistor lưỡng cực cổng cách ly - IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor C G E G C E Đặc tính động Gon UG RG iC C E uCE uGE off R U uGE 0.1UCM UGE(th) UG 0.9UG t uCE 0.1ICM U td(on) tr ton td(off) tf toff ICT iC ICM 0.1ICM 0.9ICM IGBT thực tế 1MB-30-060 – Fuji Electric 1.2.6 Thyristor Cấu tạo – Hoạt động A iG i2 i1 i G K uAK u R A K G PP P N NN J3 J2 J1 A K G N P N P Điều kiện để mở Thyristor • UAK > 0 • Xung điều khiển đưa vào cực điều khiển. Điều kiện để đóng Thyristor Đặt điện áp ngược lên A – K uD iD iG iR uR uT iT uG A K Hướng ngược Hướng thuận Trạng thái: • Mở • Đóng • Khóa • T: Thuận • D: Khóa • R: Ngược Ký hiệu Đặc tính Volt - Ampe Thyristor lý tưởng u i Nhánh thuận – mở Nhánh ngược – đóngThyristor thực tế Ba trạng thái: đóng – mở – khóa Nhánh khóa – khóa UBR: điện áp ngược đánh thủng UBO: điện áp tự mở của thyristor UTO: điện áp rơi trên Thyristor IH: Dòng duy trì (holding) IL: Latching Các thông số chính Tương tự như diode. URRM = UDRM Nhánh thuận – mở Nhánh khóa – khóa Nhánh ngược – đóng IG = 25 mA IG = 0 IG = 0 IG = 25 mA IN IL U[TD] U[BR] U[BR] [V]UR [V]UDUT IR-110 -210 -310 [A] [A] ID IT 10 102 10-3 10-2 10-1 1 1101010 23 32 1010101 Đặc tính điều khiển của thyristor: iG U R uG UG[V] 40 30 20 UGT O IGT 1 IG[A] 2 (PGM)Ψ=π/6 UG=U-RIG (PGM)Ψ=π/12 -400C iG Ψ 2π IG ωt iG t0 Đặc tính động Mở thyristor Tổn thất công suất khi mở thyristor Khóa thyristor G A J1 J2 J3 P N P N iC + K - iC C uD uD tO tO iC Đóng thyristor • Bảo vệ quá áp trong • Thời gian đóng thyristor – Góc an toàn toff Thyristor thực tế - 22RIA SERIES – International Rectifier 1.2.7 GTO Gate Turn Off Thyristor J1 J2 J3 G iRG K A P N P N uRG uFGiRG iFG ir (iD) ur (uD) A K G Đặc tính động Mở GTO uD tgd tgr UD 0.9UD ir 0.1UD t O O tgt iFG IFG÷10Α 0.2IFG Đóng GTO I iD iT L uD iRG uRG iT tgs tgf uD ITQ 0.9IT UDP IT=I O t tgq ttq O uRG iRG iRG QGQ uRG IRG Mạch trợ giúp GTO thực tế - FG3000FX-90DA – Misubishi Electric 1.2.8 Triac Hướng ngược Hướng thuận Điện áp thuận Điện áp khóa Dòng điện thuận Dòng điện khóa Dòng điện thuận Dòng điện khóa Điện áp thuận Điện áp khóa Dòng điện và điện áp cực điều khiển Nhánh mở Nhánh khóa Nhánh khóa Nhánh mở UD > 0 UG > 0; IG > 0 UG < 0; IG < 0 UDR > 0 UG > 0; IG > 0 UG < 0; IG < 0 Đặc tính Volt - Ampe Triac thực tế - 2N6344 - ON Semiconductor CHƯƠNG 2: MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN TRONG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 2.1 Năng lượng tích lũy vào cuộn kháng và giải phóng từ cuộn kháng [ ] 1 0 1 1 0 0 0 1 ( ) ( ) 0 1 1 0 1 0 ( ) ( ) ( , ); ( , ) ( ) ( ) ( ) ( ) L L L L t L L L L L t t i t L L L L L L L t i t d diu dt Q t t u L dt dt Q t t d L di t t L i t i t Ψ Ψ Ψ= = = = Ψ = = Ψ −Ψ = − ∫ ∫ ∫ t0 t0 2.2 Nhịp và sự chuyển mạch Nhịp là khoảng thời gian giữa hai lần liên tiếp thay đổi trạng thái của linh kiện điện tử công suất trong mạch. Tên của nhịp là tên của linh kiện đang dẫn điện. Chuyển mạch là trạng thái điện từ xảy ra trong mạch bộ biến đổi, được đặc trưng bằng việc dòng điện trong một nhánh chuyển sang một nhánh khác trong khi dòng điện tổng chảy ra từ nút giữa hai nhánh vấn không đổi. Nhánh chính – Nhánh phụ Linh kiện ĐTCS chính – Linh kiện ĐTCS phụ Nhánh chínhNhánh chính Nhánh chính Nhánh phụ • Điện áp chuyển mạch • Chuyển mạch ngoài – Chuyển mạch tự nhiên • Chuyển mạch trong • Chuyển mạch trực tiếp • Chuyển mạch gián tiếp • Chuyển mạch nhiều tầng • Thời gian chuyển mạch – Góc chuyển mạch • Chuyển mạch tức thời 2.3 Các đường đặc tính Đặc tính ngoài (Đặc tính tải): Mối quan hệ giữa điện áp đầu ra và dòng điện đầu ra của bộ biến đổi Đặc tính điều khiển: Mối quan hệ giữa điện áp đầu ra và đại lượng điều khiển của bộ biến đổi 2.4 Hệ số công suất của bộ biến đổi S P=λ P: Công suất hữu công S: Công suất biểu kiến Hệ số công suất PF (Power Factor) P = mUI(1)cosϕ(1) m: số pha U: Giá trị hiệu dụng điện áp điều hòa của pha I(1): Giá trị hiệu dụng của thành phần bậc 1 dòng điện phaϕ(1): Góc chậm pha của thành phần bậc 1 dòng điện pha so với điện áp S = mUI I: Giá trị hiệu dụng dòng điện pha ∑∞ = = 1 2 )( 2 n nII 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 ( ) (1) ( ) 1 2 n n n n S m U I m U I m U I ∞ ∞ = = = = +∑ ∑ 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1)cos sinS m U I m U I m U I P Qϕ ϕ= = + = + mUI(1): Công suất biểu kiến của thành phần bậc 1 Q(1): Công suất phản kháng của thành phần bậc 1 2 2 2 2 (1) 2 ( ) 2 n n S P Q D D mU I ∞ = = + + = ∑ D: Công suất phản kháng biến dạng (1)2 2 2 (1) (1) cosP P Q D I I λ υ ϕ υ = =+ + = Độ méo dạng tổng THD (Total Harmonic Distortion) Hệ số méo dạng DF (Distortion Factor) Hệ số công suất PF (Power Factor) 2 ( ) 2 (1) n n I I THD I ∞ == ∑ CHƯƠNG 3: THIẾT BỊ CHỈNH LƯU Chức năng: Biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều Ứng dụng Cấp nguồn cho các tải một chiều: Động cơ điện một chiều, bộ nạp accu, mạ điện phân, máy hàn một chiều, nam châm điện, truyền tải điện một chiều cao áp, 3.1 KHÁI NIỆM CHUNG 3.2 Đặc điểm của điện áp và dòng điện chỉnh lưu 3.2.1 Điện áp chỉnh lưu ud: Giá trị tức thời của điện áp chỉnh lưu – Bao gồm cả thành phần xoay chiều uσ và thành phần một chiều – Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu Ud dd Uuu += σ Số xung đập mạch của sóng điện áp chỉnh lưu: (1)fp f σ= • fσ(1): Tần số của sóng điều hòa bậc 1 thành phần xoay chiều của ud • f: Tần số điện áp lưới 3.1.2 Dòng điện chỉnh lưu id: Giá trị tức thời của dòng điện chỉnh lưu – Sóng dòng điện chỉnh lưu Id: Giá trị trung bình – Thành phần một chiều của sóng dòng điện chỉnh lưu iσ: Thành phần xoay chiều của dòng điện chỉnh lưu d di i Iσ= + Xét hệ thống chỉnh lưu – tải R,L,Eư: ( )dL d d diu L u Ri E dt = = − + − 0; 0dd d L diu Ri E u dt > + ⇒ > >− 0; 0dd d L diu Ri E u dt = + ⇒ = =− 0; 0dd d L diu Ri E u dt < + ⇒ < <− • Dòng điện liên tục • Dòng điện gián đoạn • Dòng điện ở biên giới gián đoạn d di i Iσ= + d d U EI R −= − 0d dI U E≥ ⇒ ≥ − ( ) ( ) 22 ( ) n n n U I R L σ σ σω = ⎡ ⎤+ ⎣ ⎦ Đối với giá trị trung bình – thành phần một chiều: Đối với thành phần xoay chiều: • Iσ(n): Giá trị hiệu dụng của sóng điều hòa bậc n thành phần xoay chiều của dòng điện chỉn lưu • Uσ(n): Giá trị hiệu dụng của sóng điều hòa bậc n thành phần xoay chiều điện áp chỉnh lưu. • ωσ(n): Tần số góc của sòng điều hòa bậc n thành phần xoay chiều. ( ) 0n d dL I i Iσ→∞ ⇒ → ⇒ = Î Dòng điện được san phẳng tuyệt đối 3.3 Chỉnh lưu hình tia m-pha – dòng liên tục Z LK RK u1 3.3.1 Chỉnh lưu hình tia không điều khiển Sơ đồ 1 2 3 sin 2sin( ) 3 4sin( ) 3 m m m u U u U u U θ πθ πθ = = − = − tθ ω= 2sin ( 1)n mu U n m πθ⎡ ⎤= − −⎢ ⎥⎣ ⎦ Trong khoảng θ1 < θ < θ2: • Giả sử V2 mở 2 1 2 1 1 1 2 1 0 0 0 V V V V u u u u u u u u = ⇒ − − = ⇒ = − ⇒ > Tương tự khi giả thiết V3 mở. Î V1 mởÎ Nhịp V1 Î Không hợp lý Nhịp V1 – θ1 < θ < θ2: 1 2 2 1 3 3 1 1 1 2 3 0; ; ; ; 0 V V V d d V d V V u u u u u u u u u i i I i i = = − = − = = = = = Nhịp V2 – θ2 < θ < θ3: 2 1 1 2 3 3 2 2 2 1 3 0; ; ; ; 0 V V V d d V d V V u u u u u u u u u i i I i i = = − = − = = = = = Nhịp V3 – θ3 < θ < θ4: 3 1 1 3 2 2 3 3 3 1 2 0; ; ; ; 0 V V V d d V d V V u u u u u u u u u i i I i i = = − = − = = = = = Nhịp Vn: 1 1 1 0; ; ; ; 0 Vn V n Vm m n d n d Vn d V Vm u u u u u u u u u i i I i i = = − = − = = = = = Quá trình chuyển mạch tại các thời điểm θ2: Æ Điện áp chuyển mạch là uk = u2 – u1 Tương tự tại các thời điểm θ3, θ4: điện áp chuyển mạch lần lượt là u3 – u2 và u1 – u3 Î Chuyển mạch tự nhiên p = mSố xung: 3.3.2 Chỉnh lưu hình tia có điều khiển Tín hiệu điều khiển uc Khâu phát xung Thời điểm chuyển mạch tự nhiên Góc điều khiển α: tính từ thời điểm chuyển mạch tự nhiên đến thời điểm phát xung mở thyristor. Phạm vi của góc điều khiển α: πα <≤0 ααππ coscossin 0di m di Um mUU == 0 sinmdi mUU m π π= Udi0: Giá trị trung bình điện áp chỉnh lưu không điều khiển. 2 0 2 3 3 3 3 6sin 1.17 3 2 2 m m di U U UU Uππ π π= = = = m = 3 Giá trị trung bình điện áp chỉnh lưu 2 2 sin 2 m di m m mU U d π π α π π α θ θπ + + − + = ∫ Các đường đặc tính Đặc tính điều khiển: Đặc tính ngoài (đặc tính tải): • Đầu ra: Ud • Đầu vào: α 0 cosdi diU U α= Chế độ chỉnh lưu Chế độ nghịch lưu 6 2 π πα< < để có dòng liên tục: trong tải phải có L 3.3.3 Chế độ làm việc chỉnh lưu và nghịch lưu phụ thuộc • Chế độ làm việc chỉnh lưu • Chế độ làm việc nghịch lưu d dP U I= chế độ nghịch lưu phụ thuộc 2 πα > • Trong tải phải có Eư • Eư đảo chiều2 πα⋅ > dE U⋅ >− Điều kiện để có nghịch lưu phụ thuộc Góc an toàn 0 α π γ≤ < − γ Chế độ chỉnh lưu Chế độ nghịch lưu offtγ ω= 3.3.4 Chỉnh lưu hình tia 3 pha có diode V0 dV uu −=0 V0 sẽ mở khi trong trường hợp không có V0 thì ud < 0 Î V0 chỉ hoạt động khi 2 m π πα ≥ − Chen vào giữa các nhịp V1, V2, V3 là các nhịp V0: 0 1 1 2 2 3 3 0 0; ; ;d V V V V d V d u u u u u u u u i i I = − = = = = = = ααππ coscossin 0di m di Um mUU == 0 sinmdi mUU m π π= 2 m π πα• ≤ − 2 2m m π π π πα• − ≤ ≤ + 0 2 1 sin( ) sin 2 2sin m di di m mU mU d U m π π π α πα θ θ ππ − + − − = =∫ 0 sinmdi mUU m π π= Ảnh hưởng của diode V0 • Không có chế độ nghịch lưu • Diode V0 làm tăng hiệu suất của bộ chỉnh lưu d dU I mUI λ = U, I: giá trị hiệu dụng của điện áp và dòng điện pha 1 2 V dI I ψ π= 1 0 2 V Vm πψ ψ= − • Diode V0 làm giảm giá trị hiệu dụng thành phần xoay chiều của điện áp chỉnh lưu 3.4 Chỉnh lưu hình cầu trong chế độ dòng liên tục Thiết bị chỉnh lưu sơ đồ đấu nối hình cầu về thực chất là hai bộ chỉnh lưu hình tia mắc nối tiếp N hóm K A TO D E N hóm A N O D E Nhóm ANODE Nhóm KATODE 3.4.1 Chỉnh lưu hình cầu 3 pha điều khiển hoàn toàn Sơ đồ • Dòng điện trong các pha: i1 = iV1 – iV4; i2 = iV3 – iV6; i3 = iV5 – iV2 • Giá trị trung bình điện áp chỉnh lưu: p = 2m di diA diKU U U= − 2 sin cos diA diKU U m U m π απ = − = Trong trường hợp m = 3 0 0 cos 2 2 sin di di di U U mUU m α π π = = 0 3 6 2.34d ... với hệ số góc bằng U/L Nhịp S kéo dài trong khoảng thời gian T1. Kết thúc khi tín hiệu “cắt” đưa vào S. U RP S uc L iZ L iS SiR Rp U uc T1 T2 T iS iR iZMIN iZM t 0 iZ =iS+iR Nhịp 0 iZ = iR; giảm theo đường cong hàm mũ về giá trị U/Rp. Nhịp 0 kéo dài trong khoảng thời gian T2. Kết thúc khi tín hiệu”đóng” được đưa vào S iZ L iS SiR Rp U uc T1 T2 T iS iR iZMIN iZM t 0 iZ =iS+iR • Xác định giá trị điện trở tương đương Rei ei p ZZpZ R U T TR UITIRTUI ==⇒= 2 2 2 ( )2 1ei p pTR R z RT= = − 0 ei pR R≤ ≤ iZ L iS SiR Rp U uc T1 T2 T iS iR iZMIN iZM t 0 iZ =iS+iR 4.5 Bộ chuyển mạch 4.5.1 Mạch LC U dt diLidt C u t C =++ ∫ 0 1)0( (0) sin (0)cosC v v U ui t i t L C ω ω−= + ωv: tần số góc của mạch LC 1 v LC ω = C uC i L t = 0 uC(0) 0 uC i t U t = 0 L i uC C O t uC(0)=0 uC i U 2U V iV S C [ ] 0 1(0) (0) cos (0)sin t C C C v v u u idt C LU u U t i t C ω ω = + = = + − + ∫ 4.5.2 Phân tích bộ chuyển mạch của bộ biến đổi xung áp uc S iS U iV0 V0 R L uZ iZ Z i iV1 V1 C uC iC uV1 V2 V3L1 U V0 Z iZ uZ Nhịp V0 – (0, t1) iZ = iV0, uV0 = 0, uZ = 0 Giả thiết uC = U uV2 = 0; uV1 = U iC = iV1 = iV2 =0 i iV1 V1 C uC iC uV1 V2 V3L1 U V0 Z iZ uZ t 0 0 0 0 U U U -K1U K1U uC iC IZ iV1 uV1 t0V1 uV2 iV2 t0V2 t IZ iZ iV2 iV0 V0 T T1 T2 V1 V3 V1 V2 V0 K1U U uZ t2 0 t1 t3 t4 t5 t6 t7 QK Nhịp V1, V3 (t1, t3) Tại t1 đưa xung điều khiển mở V1 uZ = U; uV0 = -uZ = -U Æ V0 đóng lại iZ = iV1 1cos ( )C vu U t tω= − 1sin ( )C v Ui t t L C ω−= − i iV1 V1 C uC iC uV1 V2 V3L1 U V0 Z iZ uZ t 0 0 0 0 U U U -K1U K1U uC iC IZ iV1 uV1 t0V1 uV2 iV2 t0V2 t IZ iZ iV2 iV0 V0 T T1 T2 V1 V3 V1 V2 V0 K1U U uZ t2 0 t1 t3 t4 t5 t6 t7 QK uV1 = 0 iV1 = IZ - iC uV2 = -uC iV2 = 0 Tại t = t3, dòng iC = 0; V3 đóng lại uC(t3) = -K1U; K1 = 0.7 – 0.9 i iV1 V1 C uC iC uV1 V2 V3L1 U V0 Z iZ uZ t 0 0 0 0 U U U -K1U K1U uC iC IZ iV1 uV1 t0V1 uV2 iV2 t0V2 t IZ iZ iV2 iV0 V0 T T1 T2 V1 V3 V1 V2 V0 K1U U uZ t2 0 t1 t3 t4 t5 t6 t7 QK Nhịp V1 (t3, t4) Tất cả các đại lượng giữ nguyên giá trị tại thời điểm t = t3 i iV1 V1 C uC iC uV1 V2 V3L1 U V0 Z iZ uZ t 0 0 0 0 U U U -K1U K1U uC iC IZ iV1 uV1 t0V1 uV2 iV2 t0V2 t IZ iZ iV2 iV0 V0 T T1 T2 V1 V3 V1 V2 V0 K1U U uZ t2 0 t1 t3 t4 t5 t6 t7 QK Nhịp V2 (t4, t6) Tại t = t4 đưa xung điều khiển vào V2 – mở V2 uV2 = 0 Điện áp ngược trên C đặt lên V1 Æ đóng V1 4 4 4 1 1( ) ( ) t C Z C C Z t Z i I u u t I dt C I t t K U C = ⇒ = + = − − ∫ i iV1 V1 C uC iC uV1 V2 V3L1 U V0 Z iZ uZ t 0 0 0 0 U U U -K1U K1U uC iC IZ iV1 uV1 t0V1 uV2 iV2 t0V2 t IZ iZ iV2 iV0 V0 T T1 T2 V1 V3 V1 V2 V0 K1U U uZ t2 0 t1 t3 t4 t5 t6 t7 QK Nhịp V2 (t4, t6) iV2 = IZ uV1 = uC iV1 = 0 uZ = U – uC = -uV0 Tại t = t6, uZ = 0 Æ V0 mở, V2 đóng lại Î Bắt đầu nhịp V0 uZ(t6) = 0 ÆuC = U i iV1 V1 C uC iC uV1 V2 V3L1 U V0 Z iZ uZ t 0 0 0 0 U U U -K1U K1U uC iC IZ iV1 uV1 t0V1 uV2 iV2 t0V2 t IZ iZ iV2 iV0 V0 T T1 T2 V1 V3 V1 V2 V0 K1U U uZ t2 0 t1 t3 t4 t5 t6 t7 QK Nạp điện cho tụ C khi bắt đầu làm việc • Mở V2 trước • Đóng tụ C trực tiếp vào nguồn U qua một điện trở hạn chế dòng Xác định các thông số C và L • V1 sử dụng khoảng (t4, t5) để phục hồi khả năng khóa Æ (t5 – t4)MIN = toffV1 11 5 4 1 ( ) ZM offV Z I tK UCt t C I K U − = ⇒ = • V2 sử dụng khoảng (t1, t2) để phục hồi khả năng khóa Æ (t2 – t1)MIN = toffV2 2 2 2 1 2 4 ( ) 4 2 offVv tTt t LC L C π π− = = ⇒ = 4.6 Nguyên tắc điều khiển bộ biến đổi xung áp • Độ rộng xung – thay đổi T1 • Tần số xung – thay đổi T • Hai giá trị 4.6.1 Nguyên tắc điều khiển độ rộng xung Giữ nguyên f = 1/T, thay đổi T1 BÐK M Đ uc BCM Đ C T T1 T2 0 ucM uP uc t 4.6.2 Nguyên tắc điều khiển tần số xung Giữ nguyên T1, thay đổi T f = 1/T M Đ BÐK M Đ uc BCM Khâu phát xung Trễ T1 4.6.3 Nguyên tắc điều khiển hai giá trị Bộ phát xung đóng vai trò của một bộ điều khiển dòng điện ∆iZ t 0 iZMIN iZM I'Z=IZ ui1 ui2 iZ ui1 ui2 ui1 ui2 uc uc > 0 uc < 0 M Ð uc BCM V0 Z iZ ui1 ui2 ucÐ M 4.7 Các bộ biến đổi xung nhiều góc phần tư 4.7.1 Bộ biến đổi hai góc phân tư đảo chiều dòng điện V S1 U S2 V0 Z uZ iZ 4.7.2 Bộ biến đổi hai góc phân tư đảo chiều điện áp )12(21 −=−= zU T TTUUZi z > 0.5 Æ Uzi > 0 z < 0.5 Æ Uzi < 0 U S1 V2 uZ iZ V1 S2 Z S1S2 V1 V2 S1S2 V2 V1 0 iZ uZ t T1 T2 T 4.7.3 Bộ biến đổi bốn góc phân tư V2 V1 S2 S1 S3 S4V4 V3 Z iZ uZ U S2S1 S4S3 S3S4 S2S1 V4V3 V1 V2 S4S3 V2 V1 iZ uZ t 0 0 S2S1 S1 V3 S2S1 S3 V1 S3S4 S3 V1 t iZ uZ Chương 5: Thiết bị nghịch lưu 5.1 Khái niệm chung – Phân loại Biến đổi năng lượng điện một chiều thành năng lượng điện xoay chiều Phân loại • Theo số lượng pha: - Một pha - Ba pha - Nhiều pha • Theo sơ đồ - Hình cầu - Hình tia • Theo đặc điểm nguồn - Nguồn áp - Nguồn dòng 5.2 Sơ đồ nguyên lý Sơ đồ nguyên lý nghịch lưu cầu một pha Sơ đồ nguyên lý nghịch lưu tia và bán cầu một pha S1 S3 S4 S2 R uZ U S2S1 S2S1S4S3 0 uZ θ = ωt S1 S2 R Ud uZ O S1S2S1 Ud θ = ωt uZ Ud Ud S1 S2 R uZ Nghịch lưu cầu ba pha tải thuần trở Ud S1 S3 S5 S4 S6 S2 1 2 3 uZ1 uZ2 uZ3 S1 S2 S3 S4 S5 S6 π 3 Ud 2 θ = ωt uZ1 uZ2 uZ3 5.3 Nghịch lưu áp 5.3.1 Dòng công suất hữu công và phản kháng P = UdId P > 0 Æ Id > 0: c.độ nghịch lưu P < 0 Æ Id < 0: c.độ chỉnh lưu ∑ = == m n ndd piUp 1 • Mang tính chất nguồn áp: tạo ra điện áp xoay chiều. Dòng điện đầu ra phụ thuộc vào tải. • Đầu vào của nghịch lưu áp là nguồn điện áp một chiều Ud id -id S VR P = Ud.Id p = Ud.id 1 2 3 p1 Z1 p2 Z2 p3 Z3 5.3.2 Nghịch lưu áp cầu một pha Ψ: Góc dự kiến đóng các bộ khóa ΨS: Góc thông dòng của các bộ khóa ΨR: Góc thông dòng của các diode ngược VR2 VR1 S2 S1 S3 S4 VR4 VR3 iZ uZUd L R Z id iVR1 iS1 S1,S2 VR1,VR2 S3,S4 VR3,VR4 uZ ΨR Ψ θ = ωt Ud ΨS -Ud O Ud/R -Ud/R 2π iZ iS1 = iS2 O Id iVR3 = iVR4 iS3 = iS4 iVR1 = iVR2 O O Ud S1 S2 Z iZ S1,S2 Z iZ VR3 VR4 VR3,VR4 S4 S3 Z iZ S3,S4 5.3.3 Nghịch lưu áp tia một pha • Nhịp S1: uZ = ua = Ud iS1 = id = iZ tăng theo đường cong hàm mũ Ψ = π • Nhịp VR2: uZ = ub = -Ud iVR2 = -id = iZ giảm theo đường cong hàm mũ Ngắt xung điều khiển đưa vào S1. Do ảnh hưởng của L trong tải, dòng điện trong cuộn thứ cấp và qua đó dòng trong cuộn sơ cấp vẫn giữ chiều cũ. Dòng trong cuộn sơ cấp chảy qua VR2 và qua nửa phải của cuộn sơ cấp. Nhịp VR2 kết thúc khi dòng iVR2 giảm về giá trị 0 • Nhịp S2: uZ = ub = -Ud iS2 = id = -iZ tăng theo đường cong hàm mũ với chiều ngược lại Xung điều khiển đưa vào S2 ngay sau khi ngắt S1. Khi VR2 đóng, dòng sẽ chảy qua S2. Điện áp trên tải vẫn không đổi, tuy nhiên dòng iZ sẽ đảo chiều Nhịp S2 kết thúc khi ngắt xung điều khiển đưa vào S2 và bắt đầu đưa xung điều khiển vào S1 • Nhịp VR1: uZ = ua = Ud iVR1 = -id = -iZ tăng theo đường cong hàm mũ Ngắt xung điều khiển đưa vào S2. Do ảnh hưởng của L trong tải, dòng điện trong cuộn thứ cấp và qua đó dòng trong cuộn sơ cấp vẫn giữ chiều cũ. Dòng trong cuộn sơ cấp chảy qua VR1 và qua nửa trái của cuộn sơ cấp. Nhịp VR1 kết thúc khi dòng iVR1 tăng lên giá trị 0 5.3.4 Nghịch lưu áp cầu ba pha ππ ≤Ψ< 3 • S1, S5, S6 1 3 2 ZuZ1 uZ3 uZ2 Ud uZ1 = uZ3 = Ud/3 uZ2 = -2Ud/3 • S1, S2, S6 1 32 uZ1 uZ3uZ2 Ud uZ1 = 2Ud/3 uZ2 = uZ3 = -Ud/3 • S1, S2, S3 1 2 3 ZuZ1 uZ2 uZ3 Ud uZ1 = uZ2 = Ud/3 uZ3 = -2Ud/3 • S2, S3, S4 2 31 uZ2 uZ3uZ1 Ud uZ2 = 2Ud/3 uZ1 = uZ3 = -Ud/3 • S3, S4, S5 2 3 1 ZuZ2 uZ3 uZ1 Ud uZ2 = uZ3 = Ud/3 uZ1 = -2Ud/3 • S4, S5, S6 3 21 uZ3 uZ2uZ1 Ud uZ3 = 2Ud/3 uZ1 = uZ2 = -Ud/3 Ψ= πÆ ΨS + ΨR = Ψ = πΨ Ψ TẢI 5.3.5 Điều khiển nghịch lưu áp cầu 3 pha Nguyên tắc thay đổi tần số xung Nguyên tắc điều biến độ rộng xung - PWM ĐIỆN ÁP RĂNG CƯA ĐiỆN ÁP ĐIỀU KHIỂN • Độ lớn: Ud • Tần số: tần số phát xung vào các bộ khóa Phát xung uc Phân phối xung Khuyếch đại xung • S1, S3, S5 • S2, S4, S6 uZ1 = uZ2 = uZ3 = 0 5.4 Nghịch lưu dòng 5.4.1 Hai chức năng của bộ chuyển mạch trong nghịch lưu dòng • Đặt điện áp ngược lên thyristor, đóng thyristor. • Tham gia vào quá trình chuyển mạch 5.4.2 Nghịch lưu dòng một pha Giả sử V1, V2 mở, dòng điện qua tải iZ = Id Điện áp trên các tụ uC1 < 0, uC2 < 0. Muốn đóng V1, V2: mở V11, V12. Dòng iZ = Id chảy qua V11, C1, C2, V12 Æ điện áp trên các tụ đảo chiều. Trong thời gian điện áp trên các tụ còn <0, V1 và V2 phục hồi khả năng khóa. Bộ chuyển mạch thực hiện chức năng thứ nhất. Xung điều khiển được đưa vào V3, V4, cùng với V11 và V12, tuy nhiên chưa mở do uV3 = uC1 + uZ <0, uV4 = uC2 + uZ < 0. Đối với tải L: uV3 = uC1, uV4 = uC2 Æ V3, V4 mở khi uC1 = uC2 = 0 Dòng điện chảy qua V11, C1, Z, C2, V12 giảm dần. Dòng điện chảy qua V3, Z, V4 tăng dần. Bộ chuyển mạch thực hiện chức năng thứ hai Quá trình chuyển mạch kết thúc khi iV3 = iV4 = -iZ = Id 5.4.3 Nghịch lưu dòng 3 pha • Thyristor chính: V1, V2, , V6 • Tụ chuyển mạch: C13, C35, , C 26, C24 • Diode phân cách: V11, V12, , V16. 0120Ψ = V1 V2 V3 V4 V5 V6 iZ1 iZ2 Id -Id iZ3 • Nhịp V1, V2, V11, V12 iZ1 = Id; iZ2 = 0; iZ3 = -Id uC13 > 0 uV3 = uC13 > 0: V3 đang ở trạng thái khóa • Nhịp V3, V11, V2, V12 Đưa xung điều khiển mở V3. uC13 đóng V1. Dòng Id chảy qua V3, C13, song song với C13 là C35 và C15, V11, vào pha 1. uV13 = uZ12 – uC13 < 0 ... V13 vẫn đóng. Id sẽ đảo chiều điện áp trên C13. Bộ chuyển mạch thực hiện chức năng thứ 1 • Nhịp V3, V11, V13, V2, V12 Khi uV13 = uZ12 – uC13 = 0 ... V13 mở ... Dòng chảy qua V3 và V13 vào pha 2. Quá trình chuyển mạch: dòng chảy vào pha 1 giảm dần, dòng chảy vào pha 2 tăng dần. Bộ chuyển mạch thực hiện chức năng thứ 2: tham gia vào quá trình chuyển mạch Quá trình chuyển mạch kết thúc khi dòng chảy vào pha 1 giảm về 0 và dòng chảy vào pha thứ 2 bằng Id. Î Chuyển sang nhịp V3, V13, V2, V12 5.4.4 Điều khiển nghịch lưu dòng Chương 6: Thiết bị biến tần 6.1 Khái niệm chung – Phân loại Dùng để biến đổi năng lượng điện xoay chiều bằng cách thay đổi tần số • Phân loại theo số lượng pha - Một pha - Ba pha - m-pha • Phân loại theo sơ đồ - Trực tiếp - Gián tiếp + Nguồn áp + Nguồn dòng 6.2 Biến tần trực tiếp Biến đổi trực tiếp điện áp xoay chiều thành điện áp xoay chiều có tần số khác 1 2 1 2( 1) TT T n p = + − n: số nửa chu kỳ điện áp đầu vàođể tạo nên nửa chu kỳ điện áp đầu ra 2 1 1 2 2( 1) f T p f T p n = = + − [ ] 1 12 2( 1) T TT p n q p p = + − = Tần số điện áp đầu ra f2 < 25Hz và không thể điều khiển vô cấp Î Biến tần trực tiếp ít được sử dụng [ ] 1 12 2( 1) T TT p n qp p= + − =Đối với biến tần 3 pha: 6.3 Biến tần gián tiếp 6.3.1 Biến tần nguồn áp CHỈNH LƯU NGHỊCH LƯU ÁP UdII > 0 Cf, Lf: mạch lọc Mạch lọc cùng với chỉnh lưu tạo thành nguồn áp một chiều đầu vào của nghịch lưu áp Cf: nhận dòng phản kháng. Nguyên tắc điều khiển: • Nguyên tắc điều khiển tần số xung: f2: tần số xung phát vào nghịch lưu U2: sử dụng chỉnh lưu có điều khiển, hoặc sử dụng chỉnh lưu không điều khiển và bộ biến đổi xung áp • Nguyên tắc PWM – chỉnh lưu chỉ cần là không điều khiển. • UdI > 0 • IdI > 0 Î PI > 0 Công suất không thể đảo chiều 6.3.2 Biến tần nguồn dòng CHỈNH LƯU NGHỊCH LƯU DÒNG Lf: Mạch lọc Chỉnh lưu và mạch lọc phải có tính chất nguồn dòng một chiều Nguyên tắc điều khiển: f2: tần số xung phát vào nghịch lưu I2: sử dụng chỉnh lưu có điều khiển. • Id > 0 • UdI > 0 hoặc < 0 Î Công suất có thể đảo chiều Chương 7 Bộ khóa xoay chiều và thiết bị biến đổi điện áp xoay chiều 7.1 Khái niệm chung – Phân loại Bộ khóa xoay chiều: đóng, cắt dòng xoay chiều Thiết bị biến đổi điện áp xoay chiều: thay đổi giá trị điện áp xoay chiều • Phân loại theo số lượng pha - Một pha - Ba pha - m-pha • Phân loại theo sơ đồ - Cơ bản - Tiết kiệm • Phân loại theo phương pháp điều khiển - Điều khiển hoàn toàn - Bán điều khiển 7.2 Bộ khóa xoay chiều 7.2.1 Bộ khóa xoay chiều một pha ĐÓNG NGẮTθθω sinm Z Z Uud diLRi ==+ θZ: góc bắt đầu iz(θz) = 0 ( ) sin( ) sin( )Z R m m L Z z U Ui e Z Z θ θωθ ϕ θ ϕ− −= − − − 2 2 2 ; arctan LZ R L R ωω ϕ= + = f1(θ) f2(θ) ĐÓNG NGẮT 7.2.2 Bộ khóa xoay chiều ba pha Gồm 3 bộ khóa 1 pha 7.3 Thiết bị biến đổi điện áp xoay chiều Tải thuần trở R 7.3.1 Thiết bị biến đổi điện áp xoay chiều một pha Tải R, L: • Khi ϕ < α < π ( ) sin( ) sin( ) m Z R m L Ui Z U e Z θ αω θ ϕ α ϕ− − = − − − − θZ = α • Khi 0 < α < ϕ Không điều khiển được điện áp. Thiết bị làm việc như bộ khóa xoay chiều Tải L • Khi π/2 < α < π (cos cos )mZ Ui L α θω= − • Khi 0 < α < π/2 Không điều khiển được điện áp. Thiết bị làm việc như bộ khóa xoay chiều ϕ = π/2 7.3.2 Thiết bị biến đổi điện áp xoay chiều ba pha Gồm có ba bộ biến đổi điện áp xoay một pha mặc với nhau CHƯƠNG 8: BẢO VỆ VÀ ĐIỀU KHIỂN CÁC THIẾT BỊ BIẾN ĐỔI 8.1 Bảo vệ các phần tử điện tử công suất 8.1.1 Công suất tổn thất và làm mát 1 2 1P p p p∆ = ∆ + ∆ ≈ ∆ P∆ Công suất tổn thất 1p∆ Công suất tổn thất chính 2p∆ Công suất tổn thất phụ 2 0 ( )T AV FP U I R I∆ = + j a th th jv vr ra T T R P R R R R = + ∆ = + + Nhiệt độ mặt ghép Tj Nhiệt độ mặt ghép Ta Nhiệt độ không khí môi trường Rjv Điện trở nhiệt giữa mặt ghép và vỏ linh kiện bán dẫn Rvr Điện trở nhiệt giữa vỏ và cánh tản nhiệt Rra Điện trở nhiệt giữa cánh tản nhiệt và không khí môi trường Làm mát: • Cánh tản nhiệt • Cánh tản nhiệt + quạt gió • Cánh tản nhiệt + nước • Ngâm trong dầu biến thế 8.1.2 Bảo vệ dòng điện Cầu chì: • CC phải chịu được dòng làm việc định mức của thiết bị • Nhiệt dung chịu đựng của CC phải nhỏ hơn nhiệt dung của thiết bị cần bảo vệÆ nhiệt lượng (I2t)CC < (I2t)TB •Điện áp hồ quang của CC phải tương đối lớn Æ Giảm nhanh dòng điện và tiêu tán năng lượng trong mạch. • Khi CC đứt, điện áp phục hồi phải đủ lớn Æ Không làm cho hồ quang cháy lại giữa hai cực của cầu chì Lắp đặt: có nhiều cách • Từng pha của cuộn dây sơ cấp hoặc thứ cấp MBA • Nối tiếp với từng van • Nối tiếp với từng nhóm van mắc song song • Đầu ra của thiết bị biến đổi 8.1.3 Bảo vệ quá áp Quá áp trong Sự tích tụ điện tích trong các lớp bán dẫn (quá trình động của diode và thyristor) Î Bảo vệ bằng mạch R – C đấu song song với diode hoặc thyristor Quá áp ngoài Cắt không tải MBA trên đường dây, CC bảo vệ nhảy, sấm sét, Î Bảo vệ bằng mạch R – C mắc giữa các pha thứ cấp của MBA động lực • R .. 10 – 1000 Ω • C 0.01 – 1 µF 8. 2 Điều khiển các thiết bị biến đổi 8.2.1 Khuyếch đại thuật toán 2 1 r v Ru u R = − Khuyếch đại đảo Mạch so sánh ... ... cc r cc U u u u U u u − + + − − >⎧= ⎨+ >⎩ Mạch tích phân 1 r vu u dtRC = − ∫ - + R C ur v r duu RC dt = − Mạch vi phân 8.2.2 Mạch tạo xung chuẩn sử dụng IC 555 1 1 2 2 2 1 2 1 2 0.693 ( ); 0.693 0.693 ( 2 ) t C R R t CR T t t t C R R = + = = = + = + Mạch lật đơn sử dụng IC 555 1.1T RC= 1 3 cc V−
File đính kèm:
- bai_giang_mon_dien_tu_cong_suat.pdf