• Điều kiện có dòng điện chạy qua tiristor • Muốn có dòng điện chạy qua tiristor phải đáp ứng hai điều kiện: • Có điện áp UAK>0; • Có dòng điện điều khiển iGK≠0 • Một số sơ đồ mở tiristo
Trang 1PGS TS Kim Ngäc Linh
ThiÕt bÞ ®iÖn tö c«ng suÊt vµ øng dông
Hµ Néi - 2011
Trang 2Trường Đại học Mỏ - Địa chất
6 Bảo vệ thiết bị điện tử công suất
I Linh kiện điện tử công suất
1 Điôt công suất
2 Tiristor (SCR)
3 Triắc
4 Tranzitor lưỡng cực (BJT)
5 Tranzitor trường (JFET, MOSFET)
6 Tranzitor cực cửa cách ly (IGBT)
1.1 Điôt bán dẫn công suất
Nguyên lí cấu tạo
Gồm hai chất bán dẫn p,nmột tiếp giáp J
+ -
∆P– tổn hao công suất; ∆P = ∆U.I (đến hàng kW)
Tcp- nhiệt độ làm việc cho phép; Tại lớp tiếp giápkhoảng 2000C
UN- điện áp ngược; Trong khoảng (50-4000)V
Trang 3• tm, tk– thời gian mở, khóa tiristor, tCM= tm+ tK
• Uđk, iđk- điện áp và dòng điện điều khiển
• dU/dt, di/dt - giới hạn tốc độ biến thiên điện áp và
dòng điện
U I
+ _
• Việc mở tiristor là chuyển nó từ trạng thái không
dòng điện sang trạng thái có dòng điện
• Điều kiện có dòng điện chạy qua tiristor
• Muốn có dòng điện chạy qua tiristor phải đáp ứng
hai điều kiện:
• Có điện áp UAK>0;
• Có dòng điện điều khiển iGK≠0
• Một số sơ đồ mở tiristor trong mạch xoay chiều:
MĐK
Mở tiristor bằng điện áp anod
Mở tiristor bằng nguồn phụ
Mở bằng mạch phát xung điều khiển
• Định nghĩa việc khoá tiristorlà chuyển từ trạng
thái có dòng điện về trạng thái không dòng điện
(hay pn trở về trạng thái ban đầu)
• Điều kiện để khoá tiristor là phải đưa dòng điện
chạy qua nó về 0
• Có thể hiểu về điều kiện này là đặt một điện áp
ngược trực tiếp trên hai đầu UAK<0, tiristor được
khoá
• Việc đặt điện áp ngược như thế không phải khi nào
cũng thuận tiện, do đó có một số cách khoá như
sau:
Một số sơ đồ khoá tiristor trong mạch một chiều
• Trong mạch điện xoay chiều tiristor tự khoá do dòng điện tự động đổi chiều theo điện áp, khi dòng điện bằng 0 tiristor tự khoá.
• Một số sơ đồ khoá tiristor trong mạch một chiều:
IT
IN
Hở mạch dòng điện
Ngắn mạch tiristor
Tạo dòng chạy ngượctiristor với IT+IN=0
Kiểm tra sơ bộ
Bước 1: Kiểm tra bằng ủồng hồ vạn năng
• Để thang điện trở đo lớn nhất:
• ±A với±K (đổi đầu que đo) có điện trở∞ Ω
• ±A với G (đổi đầu que đo) có điện trở∞ Ω
• ±K với G (đổi đầu que đo) có điện trở (5 - 20) Ω
• Được như thế này có thể mắc tiristor vào mạch
Bước 2 Kiểm tra điều khiển
• Có thể dùng các mạch sau để kiểm tra tiristor:
Ví dụ mạch kiểm tra
• Tiristor được mắc vào lưới điện xoay chiều như cáchình vẽ dưới
• Điều kiện được phép mắc tiristor vào mạch: UN>2 U~
• Khi khoá K hở tiristor khoá đèn không sáng
• Khi khoá K đóng tiristor dẫn đèn sáng 1/4 công suất
2
Up
Trang 4Nguyên lí cấu tạo của Triắc
Xuất xứ cấu tạo triac
• Thông số:
tương tự như của tiristor.
U I
UBO
IG3>IG2>IG1> 0
0 < IG1<IG2<IG3
Kết cấu của Triắc
• Hoàn toàn giống như tiristor:
Nguyên lí cấu tạo BJT
• Cấu tạo của tranzitor có dạng như hình vẽ
p n p Emitơ Colectơ
E
B C
• Cùng một ICmuốn có
UCEnhỏ thì IBphảilớn
• Hệ số khuếch đại củatranzito công suất nhỏ(cỡ hàng chục)
IC– dòng điện định mức, ( tới 1000A)
β- hệ số khuếch đại dòng điện
IB= IC/ β– dòng điện bazơ mA
∆U– sụt áp thuận; (khoảng (0,7 - 2)V)
∆P– tổn hao công suất sinh nhiệt (đến hàng kW)
Tcp- nhiệt độ làm việc cho phép; Tại lớp tiếp giáp
khoảng 2000C
UCE- điện áp CE; Trong khoảng (50-1500)V
UBE- điện áp BE; hàng vôn
Hình dạng bên ngoài một số loại BJT
Trang 51.5 TRANZITOR TRƯỜNG (FET)
• Khỏc với tranzitor lưỡng cực mà ủặc ủiểm
chủ yếu là dũng ủiện trong chỳng do cả hai
loại hạt dẫn (ủiện tử và lỗ trống) tạo nờn,
tranzitor trường (Field Effect Tranzitor
-FET), hoạt ủộng dựa trờn nguyờn lý hiệu
ứng trường, ủộ dẫn ủiện của ủơn tinh thể
bỏn dẫn ủược ủiều khiển nhờ tỏc dụng của
một ủiện trường ngoài Dũng ủiện trong
FET chỉ do một loại hạt dẫn tạo nờn.
Cấu tạo và ủặc tớnh của JFET
• 1 Cấu tạo và ký hiệu
a.
p n p
D
G
S
Vựng nghốo
IDS
p p N
D
G
S
Vựng nghốo
IDS
p p N
D
G
S
Vựng nghốo
2 0 -2 -3 -6
Những đặc điểm khi xây dựng các mạch
điều khiển IGBT
Cực góp của IGBT trực tiếp nối với phụ tải thường có
điện áp cao, trong khi điện áp điều khiển thườngthấp, vì vậy giữa mạch điều khiển và cực G củaIGBT phải cách ly qua biến áp hoặc Opto
Trị số điện áp UGE phải được chọn phù hợp để IGBT cóthể mở và khóa tin cậy Để đảm bảo IGBT khoá cầnmột điện áp UGE âm
IGBT rất nhạy đối với sự tích tụ điện tích cực điềukhiển Vì vậy mạch điều khiển phải đảm bảo tạo
được mạch phóng điện tích nhằm đảm bảo IGBT hoạt động an toàn
Trang 6Các phương pháp điều khiển IGBT
Mạch điều khiển trực tiếp:
G
E
C
G E
C
G E
C CC
G R
C U CC V
G R R
)
C U
G R
CC V
CC V
Hình 6-9 Các mạch điều khiển trực tiếp IGBT
Các phương pháp điều khiển IGBT
Mạch điều khiển ghép cách ly:
G R OC
Hình 6-10 Các mạch điều khiển IGBT ghép cách ly
G E
C G
E C
)
a
dk U
CC V
C u C IGBT
C U
IGBT
Các phương pháp điều khiển IGBT
Điều khiển IGBT bằng các vi mạch chức năng:
G R
Hình 6-11 Mạch tích hợp điều khiển IGBT
G E
C IGBT
C U
k
7 , 4
2
14 15
1 3
• UCES- Điện áp cực đại CE khi GE ngắn mạch
• UGES- Điện áp GE cực đại cho phép khi CE ngắn mạch
• IC- Dòng điện một chièu cực đại
• ICmax- Dòng điện đỉnh của colector;
• Pm- Công suất tổn hao cực đại;
• TCP- Nhiệt độ cho phép;
• IL- Dòng điện tải cảm cực đại;
• Ir- Dòng điện rò
• UGEng- Điện áp ngưỡng GE
II Chỉnh lưu cụng suất
• Khái niệm chung
• Chỉnh lưu nửa chu kì
• Chỉnh lưu cả chu kì với biến áp trung tính
• Chỉnh lưu cầu một pha
• Chỉnh lưu tia ba pha
• Chỉnh lưu cầu ba pha
• Chỉnh lưu tia sáu pha
• Điều khiển chỉnh lưu
Khái niệm chung
• Định nghĩa: Chỉnh lưu là thiết bị biến đổi dòng
điện (điện áp) xoay chiều thành dòng điện mộtchiều
• Cấu trúc chỉnh lưu như hình vẽ
U 1 , P 1 U 2 , P 2 U = , P =
Phân loại chỉnh lưu
• Theo số pha: một pha, hai pha, ba pha, sáu pha
• Theo loại van:
• Toàn diod là chỉnh lưu không điều khiển
• Toàn tiristor là chỉnh lưu điều khiển
• Một nửa chỉnh lưu, một nửa diod là chỉnh lưu bán
điều khiển (chỉnh lưu điều khiển không đối xứng)
3 Dòng điện chạy qua van: IV= Id/m
4 Điện áp ngược của van: UN= Umax
0
1
U k 2 S S
S BA = 1BA+ 2BA= sd d
Trang 7Nguyên tắc dẫn của các van bán dẫn
• Nhóm van nối chung catod
• Nguyên tắc diod dẫn:
Điện áp anod van nào dương
hơn diod ấy dẫn Khi đó điện
thế điểm A bằng điện thế anod
-b)
Chỉnh lưu một nửa chu kì
• Chỉnh lưu không điều khiển
• Sơ đồ chỉnh lưu một nửa chu kì không điều
Chỉnh lưu một nửa chu kì có điều khiển
1 Trường hợp tải thuần trở
Điện áp tải được tính
U 2 R
T
U 1
2 cos 1 U 45 , 0 t d sin U 2 2
1
α +
= ω ω π
F
2 Xét trường hợp tải điện cảm
Điện áp tải được tính
2 cos cos U 45 , 0 t d sin U 2 2
1
α +
= ω ω π
T2R
A B F
ϕE
ϕF 13,4 %
Trang 8Cầu chỉnh lưu ba pha dùng điôt Thông số của sơ đồ
• Điện áp, dòng điện chỉnh lưu và van
6m
IU.05,1S
U34.2/45,2U.45,2U32U
;3
II
;3
II
;R
UI
U.17,1.2U263.2td.sinU232
6U
d BA
d f
2 f 2 ND
d Dhd d Dtb d
d d
f 2 f
2 6
/ 4 3 / f 2 dtb
=ωωπ
L R
điều khiển thiết bị chỉnh lưu
• Nguyên tắc điều khiển mở tiristo
• Điều khiển chỉnh lưu cầu một pha đối xứng
• Điều khiển chỉnh lưu ba pha hình tia
• Điều khiển chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng
• Điều khiển cầu ba pha không đối xứng
Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển
• Khâu đồng pha có nhiệm vụ tạo điện áp tựa Urc (thường gặp là
điện áp dạng răng cưa tuyến tính) trùng pha với điện áp anod củaTiristor
• Khâu so sánh nhận tín hiệu điện áp răng cưa và điện áp điều
khiển, có nhiệm vụ so sánh giữa điện áp tựa với điện áp điềukhiển Uđk, tìm thời điểm hai điện áp này bằng nhau (Uđk = Urc) Tại thời điểm hai điện áp bằng nhau, thì phát xung ở đầu ra để gửisang tầng khuếch đại
• Khâu tạo xung có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Tiristor
Xung để mở Tiristor có yêu cầu: sườn trước dốc thẳng đứng, để
đảm bảo yêu cầu Tiristor mở tức thời khi có xung điều khiển(thường gặp loại xung này là xung kim hoặc xung chữ nhật); đủ
độ rộng (với độ rộng xung lớn hơn thời gian mở của Tiristor); đủcông suất; cách ly giữa mạch điều khiển với mạch động lực (nếu
điện áp động lực quá lớn)
Trang 9Nguyên lý điều khiển chỉnh lưu Khâu đồng pha dùng khuếch đại thuật toán
Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển tiristo
trong các bộ chỉnh lưu bằng mạch số Nguyên lý điều khiển tiristo bằng mạch số
Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển
một kênh của chỉnh lưu cầu ba pha Mạch điều khiển chỉnh lưu
cầu một pha đối xứng
Trang 10Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển
chỉnh lưu ba pha hình tia
Mạch điều khiển 6 kênh một nửachu kỳ, phát xung kép
Mạch điều khiển 3 kênh hai nửa
chu kỳ, phát xung chùm Sơ đồ mạch điều khiển chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng dùng xung chùm
Sơ đồ mạch điều khiển chỉnh lưu cầu
Khái niệm chung
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
I 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)
Điều khiển bằng cách mắc nối tiếp với tải một
điện trở
Sơ đồDòng điện và điện áp điềuchỉnh được tính
1 d
d f 1 d
R R R
U U
; R R
U I
+
= +
= Nhược điểm của phương pháp:
Hiệu suất thấp (∆Pf= IC ∆UT) Không điều chỉnh liên tục khi dòngtải lớn
Trang 11Điều khiển liên tục bằng cách mắc nối tiếp với
Z d
c
MĐK T
Z d
b
a MĐK T
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 sẽ điều chỉnh được 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).
Băm áp một chiều nối tiếp
1 Nguyên lí băm áp một chiều nối tiếp
được điều khiển bằng cách điều khiển thời gian đóngkhoá K trong chu kì đóng cắt Trong khoảng 0 ữt1(hình b) khoá K đóng điện áp tải bằng điện áp nguồn(Ud= U1), trong khoảng t1ữt2khoá K mở điện áp tảibằng 0
1 Nguyên lí băm áp song song
; R U
hc 1
S = =
d d hc 1 d d
hc
1
R R U U
=
Băm áp đảo chiều
• Sơ đồ như hình vẽ
• Theo chiều chạy thuận, điều khiển
T1, T3, dòng điện tải iTcó chiều trên xuống như hình vẽ, U AB >0.
• Theo chiều chạy ngược, điều khiển
T 2 , T 4 , dòng điện tải i N có chiều dưới lên như hình vẽ, UAB<0.
B
iT
iN
Nguyên lí điều khiển
• Mạch ủiều khiển băm ỏp một chiều cú
nhiệm vụ xỏc ủịnh thời ủiểm mở và khoỏ
van bỏn dẫn trong một chu kỡ chuyển mạch
Như ủó biết ở trờn, chu kỡ ủúng cắt van nờn
thiết kế cố ủịnh ðiện ỏp tải khi ủiều khiển
URC- ủiện ỏp tựa
Uủk- ủiện ỏp ủiều khiển
Trang 12Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiểnbộ băm
xung áp một chiều • Khõu tạo tần sốtựa răng cưa U cú nhiệm vụ tao ủiện ỏp
người thiết kế Tần số của cỏc bộ ủiều ỏpmột chiều thường chọn khỏ lớn (hàng chụckHz) Tần số này lớn hay bộ là do khả năngchịu tần số của van bỏn dẫn Nếu van ủộnglực là Tiristor tần số của khõu tạo tần sốkhoảng 1-5 kHz Nếu van ủộng lực làTranzitor lưỡng cực, trường, IGBT tần số cúthể hàng chục kHz
ủiện ỏp tựa bằng ủiện ỏp ủiều khiển Tại cỏc thời
ủiểm ủiện ỏp tựa bằng ủiện ỏp ủiều khiển thỡ phỏt
lệnh mở hoặc khoỏ van bỏn dẫn
phự hợp ủể mở van bỏn dẫn Một xung ủược coi là
phự hợp ủể mở van là xung cú ủủ cụng suất (ủủ
dũng ủiện và ủiện ỏp ủiều khiển), cỏch ly giữa
mạch ủiều khiển với mạch ủộng lực khi nguồn
ủộng lực hàng chục vụn trở lờn Hỡnh dạng xung
ủiều khiển phụ thuộc loại van ủộng lực ủược sử
dụng
Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển băm xung áp một chiều kiểu PWM
Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển băm
xung áp một chiều kiểu xung tần
Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển bộ băm xung áp một chiều dùng IGBT
Mạch điều khiển bộ băm xung áp một chiều
• Khái niệm chung
• Điều áp xoay chiều một pha
• Điều áp xoay chiều ba pha
• Điều khiển điều áp xoay chiều
Trang 13Sơ đồ điều áp xoay chiều một pha
• Hình dưới đây giới thiệu các sơ đồ điều áp xoay chiều một pha
Điều áp xoay chiều một pha tải thuần trở
• Khi tải thuần trở hoạt động của sơ đồ cho điện áp dạng:
Điều áp xoay chiều một pha tải điện cảm
• Nguyên lí điều khiển:
Utảii
b
A1 T1 A2T2
• Đường cong điện áp và dòng điện khi các góc mở khác nhau:
α1
Utảii
α
b a
c
α2
α2
ϕ1
Mạch lực bộ điều áp xoay chiều ba pha
ðiều ỏp xoay chiều ba pha cho phộp ứng dụng cho phụ
tải ủến hàng trăm kilo Oỏt
Trường hợp tải ủấu sao cú dõy trung tớnh hoặc tải ủấu
tam giỏc mà mỗi cụm van ủấu nối tiếp với từng pha
của phụ tải thỡ cỏc pha hoạt ủộng ủộc lập với nhau
Khi tải khụng dựng dõy trung tớnh cú thể sử dụng cỏc
sơ ủồ ỏp dụng cho tải ủấu sao hoặc tải ủấu tam giỏc
mà mạch ủiều khiển của cỏc sơ ủồ này ủều ủồng
bộ theo ủiện ỏp pha của nguồn
Khi tải ủấu sao mà lại cú thể ủưa ra cả 6 ủầu của phụ
tải ra ngoài ta cú thể ủưa bộ van xuống vị trớ ủiểm
t U
C B
t U
Sơ đồ điều áp ba pha đấu van ở vị
trí điểm trung tính
f U t U
t U
Trang 14Mạch ủiều khiển
Nguyờn lý ủiều khiển bộ ủiều ỏp xoay chiều tương tự ủiều
khiển bộ chỉnh lưu, do ủú cú thể ứng dụng cỏc sơ ủồ
ủiều khiển chỉnh lưu cho ủiều khiển ðAXC Tuy
nhiờn, nếu ðAXC một pha cú thể lấy thẳng sơ ủồ ủiều
khiển của chỉnh lưu một pha thỡ với ðAXC ba pha ủể
chuyển ủổi ủược mạch ủiều khiển của chỉnh lưu ba pha
sang cần chỳ ý hai ủiểm sau ủõy:
- Khõu ủồng pha phải ủược thực hiện chớnh xỏc tựy
theo sơ ủồ mạch lực cụ thể ủể ủảm bảo phạm vi ủiều
chỉnh cần thiết
- Dạng xung cũng phải phự hợp với mạch lực cụ thể
Với sơ ủồ mà tải ở cỏc pha ủộc lập nhau thỡ dạng xung
lấy theo sơ ủồ một pha Với cỏc sơ ủồ khỏc nhỡn chung
nờn dựng xung chựm hoặc xung kộp
Mạch điều khiển điều áp xoay chiều một pha
Mạch điều khiển Tiristo đơn giản:
T VRC
t
R 1 C 1
d) c)
b)
VR
R 2 C T AT
a)
Các phương án điều khiển cặp tiristo mắc song song ngược
Sơ đồ điều khiển cặp tiristo mắc
khiển triắc
điều khiển điều áp xoay chiều
Trang 15Sơ đồ mạch điều khiển bộ điều áp ba
Mạch điều khiển bộ điều áp ba pha
Trong thực tế cú một số phụ tải ủiện, do yờu cầu cụng
nghệ hay tớnh chất tải, khi bắt ủầu chạy khụng cho
phộp ủúng toàn bộ ủiện ỏp lưới vào ngay mà buộc
phải tăng dần ủiện ỏp theo thời gian từ giỏ trị thấp
ủến giỏ trị ủịnh mức
Như vậy cần cú thiết bị ủúng tải vào lưới nhưng ủặc
ủiểm làm việc cần ủiều chỉnh tăng ủiện ỏp trong
quỏ trỡnh khởi ủộng theo qui luật phự hợp và kết
thỳc quỏ trỡnh ở 100% ủiện ỏp nguồn, tức là sau
khởi ủộng nú trở thành một cụng tắc tơ Thiết bị
như vậy phải cho phộp ủiều chỉnh ủược cỏc tham
số khởi ủộng mềm dẻo theo yờu cầu kỹ thuật cụ thể
và do ủú ủược gọi là bộ khởi ủộng mềm
ủiều khiển sao cho ủỏp ứng ủược luật tăng ỏp trong quỏ
trỡnh khởi ủộng và khả năng thay ủổi luật này một cỏch
“mềm”
Dựng khởi ủộng mềm nhiều nhất là ủộng cơ khụng ủồng bộ
ba pha roto lồng súc Tuy nhiờn do ủặc ủiểm của ủộng
cơ loại này cú mụ men mở mỏy giảm mạnh khi giảm
ủiện ỏp ủặt vào nờn khởi ủộng mềm ủộng cơ khụngủồng bộ chỉ phự hợp với phụ tải cơ dạng mỏy bơm,
quạt giú
đặc tính của động cơ KĐB ba pha khi
điện áp vào thay đổi
n
M
0
dm U dm
n
Phụ tải bơm, quạt
Nếu “Soft-Starter” chỉ thực hiện ủỳng quỏ trỡnh khởi
ủộng thỡ sau khi ủiện ỏp tải ủạt ủịnh mức ủộng cơ
sẽ ủược ủúng thẳng vào lưới nhờ cụng tắc tơ và bộkhởi ủộng ủược nghỉ (ngắt xung ủiều khiển van), như thế bộ khởi ủộng sẽ làm việc nhẹ nhàng hơn.Một số “Soft-Starter” phải thực hiện cả hai quỏ trỡnhkhởi ủộng và dừng mỏy theo yờu cầu của cụngnghệ cụ thể, lỳc ủú bộ khởi ủộng phải chạy liờn tụctoàn bộ quỏ trỡnh mỏy chạy nờn mạch phải hoạt
ủộng nặng nề hơn, chế ủộ phỏt nhiệt của cỏc van
cần tớnh toỏn cẩn thận
Trang 161 Khối phỏt xung mở van cú thể dựng cỏc sơ ủồ
ủiều khiển cỏc bộ ủiều ỏp xoay chiều
2 Khối bảo vệ: bảo vệ mất pha hay quỏ dũng phảingắt khởi ủộng
3 Khối tạo luật ủiều khiển khởi ủộng (và dừng nếuyờu cầu)
đặc tính làm việc thông dụng
của bộ khởi động mềm động cơ
dongco U
v u
ra u
v U
ra u
2
kd R
OA Dz
mạch điều khiển bộ khởi động
