bài giảng điện tử công suất và ứng dụng chương 1

Môn học ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ỨNG DỤNG ( Mạch điện tử công suất, điều khiển ứng dụng ) Tài liệu tham khaœo: - tiếng Anh: - M.H Rashid, POWER ELECTRONICS – Circuits, devices and applications, Pearson Education Inc., Pearson Prentice Hall 2004 - tiếng Việt: - PTS Nguyễn văn Nhờ, Điện tủ công suất & Bài tập, ĐHBK TP HCM - NGUYỄN BÍNH, Điện tủ công suất, Hànội, nhà xuất KHKT - Điện tử công suất điều khiển động điện, (dịch từ tiếng Anh) trang / 26 ch1 mo dau Nội dung: Chương 1: Mở đầu Chương 2: Linh kiện điện tử công suất Chương 3: BBĐ điều khiển pha Chương 4: BBĐ áp chiều Chương 5: Nghịch lưu biến tần nguồn áp Chương 6: Bộ nguồn chiều Chương 7: Điều khiển động - tải giảng tài liệu tham khảo: http://www.4shared.com/account/dir/1CcVzXvw/sharing.html chương trình mô PSIMDEMO: http://www.powersimtech.com/index.php?name=download trang / 26 ch1 mo dau Chương 1: Mở đầu 1.1 Khái niệm chung: Bộ biến đổi ngắt điện điện tử 1.2 Nội dung phương pháp khảo sát mạch điện tử công suất 1.3 Tính chọn linh kiện công suất 1.4 Bảo vệ linh kiện công suất biến đổi trang / 26 ch1 mo dau I.1 CÁC KHÁI NIỆM: ĐTCS BBĐ: - Các tên gọi: Điện tử công suất (Power Electronics) Điện tử công suất lớn BBĐ Kỹ thuật biến đổi điện - ĐTCS: phận Điện tử ứng dụng hay Điện tử công nghiệp - Phân loại Biến Đổi (BBĐ - Converter) theo mục đích: AC > DC: chỉnh lưu AC > AC: BBĐ áp AC, Biến tần DC > DC: BBĐ áp DC DC > AC: Nghịch lưu - Bộ Biến Đổi = Mạch ĐTCS + ĐIỀU KHIỂN trang / 26 ch1 mo dau Bộ Biến Đổi (tiếp): - Mạch ĐTCS sử dụng Ngắt Điện Bán Dẫn NĐBD (Ngắt Điện Điện Tử – SEMICONDUCTOR SWITCH) Ví dụ Ngắt Điện Điện Tử: Diod, Transistor, SCR - BBĐ phân loại theo phương thức hoạt động NĐBD Ngắt điện bán dẫn: Là linh kiện điện tử: - Làm việc chế độ đóng ngắt - Được lý tưởng hóa để khảo sát mạch ĐTCS có giá trị tổng quát trang / 26 ch1 mo dau - DIODE ( chỉnh lưu ): ON : phân cực thuận: VAK > 0, sụt áp thuận VF = 0, dòng phụ thuộc mạch OFF : phân cực ngược: VAK < 0, hở maïch G Diode NDBDMC SCR trang / 26 ch1 mo dau - SCR ( Chỉnh lưu có điều khiển ): OFF : Có thể ngắt mạch hai chiều ( VAK > vaø VAK < ) G = ON : Dẫn điện (đóng mạch) G  phân cực thuận VAK > SCR có khả tự giữ trạng thái dẫn điện: ON, SCR OFF IA -> G Diode NDBDMC SCR trang / 26 ch1 mo dau - Ngắt điện bán dẫn chiều (NĐBDMC) - gọi tắt ngắt điện hay TRANSISTOR: VS luôn > : không phân cực ngược OFF : Ngắt mạch G = ON : Dẫn điện (đóng mạch) G  Có hai loại : BJT (G dòng cực B), MOSFET công suất (G áp VGS) Trong thực tế, NGẮT ĐIỆN linh kiện hay tổ hợp linh kiện điện tử G trang / 26 ch1 mo dau Diode NDBDMC SCR I.2 NOÄI DUNG KHẢO SÁT MẠCH ĐTCS: Đầu vào khảo sát : Mạch ĐTCS + tín hiệu điều khiển NĐBD + tải Đầu ra: hoạt động mạch: u(t), i(t) phần tử Số đo => Các đặc trưng áp, dòng, công suất Các đặc trưng áp, dòng: - Giá trị cực đại: - Giá trị trung bình VO, IO - Giá trị hiệu dụng VR, IR Các biểu thức cho dòng điện trung bình hiệu dụng: 1 i(t)  dt IO   i(t)dt ; I R  T T T T   Biểu thức cho điện áp VO, VR có dạng tương tự trang 10 / 26 ch1 mo dau Sóng hài bậc cao hệ số hình dáng: Phân tích thành phần Fourier tín cưa (o) Sóng hài bậc (cơ bản) (a), bậc (b), bậc (c) tổng (d) = (a)+(b)+c) trang 12 / 26 ch1 mo dau Khai triễn FOURIER dạng áp (làm việc có chu kỳ):   n1 n1 v(t)  VO   ( An sin n t Bn cos n t)  VO   với An  v(t)  sin n t  dt T T Bn   Vn sin(n t   n ) v(t)  cos n t  dt T T vaø  An   2 Vn  A  B n  tg   VR  Vo   Vn B n1  n : V0 : trị số trung bình ( thành phần chiều ) v(t)  : tần số góc v(t), chu kỳ T=/2 vn: sóng hài bậc n – có tần số n An , Bn : thành phần sin, cos sóng hài bậc n Vn , n : biên độ lệch pha sóng hài bậc n VR : Trị hiệu dụng v(t) n n 1 trang 13 / 26 ch1 mo dau Công suất hệ số công suất: - Công suất tác dụng (trung bình) P hay PO : lượng sử dụng đơn vị thời gian - Công suất biểu kiến S : tích số giá trị hiệu dụng dòng áp - Hệ số công suất HSCS hay cos  : cho biết hiệu sử dụng lượng P v(t )  i(t )  dt T T S  VR  I R HSCS  cos   => Tải trở có HSCS P S trang 14 / 26 ch1 mo dau Phương pháp nghiên cứu mạch: Mạch điện tử công suất = tổ hợp nhiều mạch tuyến tính thay đổi theo trạng thái ngắt điện Ví dụ 0: Khảo sát chỉnh lưu diod tải RL có D phóng ñieän i o D1 v o D2 v (a) i o R L v v o i o R L (b) Mạch chỉnh lưu Ở bán kỳ v > 0, bán sóng có diod D1 dẫn dòng iO phóng điện D2, v > nguồn xoay chiều v o i o R L v o R L (c) (d) Khi D2 dẫn điện, D1 không dẫn: v < dòng Khi dòng iO = tương ứng diod dẫn điện trang 15 / 26 ch1 mo dau iO > b Giải chu kỳ tựa xác lập mạch ĐTCS PT vi phân hay biến đổi Laplace: Giải mạch điện theo t (lưu ý trạng thái ngắt điện) i o Ví dụ1: Giải ví dụ để mô tả hoạt động mạch Áp nguồn v  2V sin wt , điều kiện đầu t = 0; iO = t = : v > 0, D1 dẫn điện, mạch điện hình (b): phương trình vi phân: v dio điều kiện đầu io  dt t  V 2  => io  sin( t   )  sin   e  Z   v  R.io  L v o (b) wL với   L R , tổng trở tải Z  R   L  ,goùc pha   tg-1 R R L trang 16 / 26 ch1 mo dau t: dòng io  Io  phóng qua diod phóng điện D2 :  R.io  L dio điều kiện đầu io (0)  Io dt (lấy lại gốc thời gian) i o v o R L (c) => io  Io e t  Ở đầu chu kỳ kế io  Io e  w  I1  Chu kỳ điễn tương tự với dòng ban đầu iO = I1 > đạt chế độ xác lập (TỰA XÁC LẬP) TỰA XÁC LẬP: Khi dòng áp thay đổi có chu kỳ, giá trị đầu giá trị cuối chu kỳ  trang 17 / 26 ch1 mo dau b Giải chu kỳ tựa xác lập mạch ĐTCS PT vi phân hay biến đổi Laplace: R1 100 ohm v C1 R2 microF 100 ohm Hình vd2: Mạch RC cung cấp xung vuông - Khảo sát hoạt động chu kỳ với giả sử giá trị ban đầu biến trạng thái mạch biết - Nhận hệ phương trình để tính thông số cuả dạng dòng/áp trang 18 / 26 ch1 mo dau Ví dụ 2: Giải tiếp tục ví dụ chế độ tựa xác laäp i o D1 v o D2 v (a) i o R L v v o R L (b) t = : D1 dẫn điện, phương trình vi phân mô tả mạch điện là: v  R.io  L dio điều kiện đầu io  I1 dt    t V V sin( t   )   I1  sin    e => io  Z Z   trang 19 / 26 ch1 mo dau Ở bán kỳ kế, D2 dẫn điện:  R.io  L dio điều kiện đầu io (0)  Io dt v (a) t v o D2   w V V với Io  sin(   )   I1  sin    e Z Z   => io  Io e  cuối chu kỳ I1  Io e i o D1  w i o R L v o R L (c) , cho phép ta tính I1 Io từ vẽ dạng dòng iO Nhận xét: việc rút đặc trưng dòng, áp từ KQ khó khăn trang 20 / 26 ch1 mo dau c Khảo sát dòng áp tải nguyên lý xếp chồng: Nguyên lý xếp chồng: khai triển Fourier + tính chất tuyến tính Hệ tuyến tính: f ( x1  x2 )  f ( x1 )  f ( x2 ) => Giá trị trung bình dòng qua tải tổng: - dòng chiều thành phần trung bình áp tải - dòng điện hình sin sóng hài bậc cao trang 21 / 26 ch1 mo dau Thực tế ta cần tính tác dụng thành phần có ảnh hưởng lớn (một chiều hay tần số bản) Ví dụ 3: Tính dòng áp trung bình qua điện trở R2 mạch điện hình Vd2, áp nguồn v có dạng hình Vd2.a, V = 200 volt T 1 Giải: Trị trung bình áp ra: Vo   v.dt  T0 T 2T /  V dt  V => trị trung bình dòng IO = (200/3)/200 = 1/3 A trị trung bình áp điện trở tải Vo1 = Vo/ = 33.3 V trang 22 / 26 ch1 mo dau Io v V Vo t R1 100 ohm R2 100 ohm Vo1 T Hình Vd2.a: dạng áp nguồn tính Hình Vd2.b: Mạch tương đương với số thành phần chiều f Khảo sát mô hình toán mạch ĐTCS máy tính (dùng chương trình mô phỏng) hay khảo sát mô hình thực tế phòng thí nghiệm: Thuật toán tổng quát để khảo sát mạch ĐTCS máy tính: Bước mở đầu: Xác định dòng áp qua phần tử thời gian t = 0+ Bước 1: Dựa vào tín hiệu điều khiển dòng, áp qua ngắt điện, tìm ngắt điện ON trang 23 / 26 ch1 mo dau Bước 2: Thành lập phương trình mô tả mạch Bước 3: Giải phương trình mô tả mạch để tìm dòng áp qua phần tử t = t + t Bước 4: Khai thác số liệu tính, tăng thời gian t  t + t Bước 5: Kiểm tra điều kiện kết thúc khảo sát: thỏa qua bước 6, không trở bước Bước 6: Dừng chương trình Nhận xét: Việc khảo sát máy tính ứng dụng phương pháp số để giải phương trình vi phân cho ta dòng áp qua phần tử theo sai phân thời gian t I.3 TÍNH CHỌN NGẮT ĐIỆN ĐIỆN TỬ: Định mức áp: VDRM > katV * Vlvmax Vlvmax : Áp làm việc max katV : hệ số an toàn áp  VDRM : Áp khóa trang 24 / 26 ch1 mo dau Định mức dòng: Cơ sở tính phát nóng linh kiện: Nhiệt độ mối nối J < Nhiệt độ cho phép cp mối nối J  vỏ SCR C  tản nhiệt H  môi trường A tương ứng phương trình:  J   A  P  (R JC  R CH  R HA ) + RJC: điện trở nhiệt mối nối (Junction) – vỏ (Case) + RCH: điện trở nhiệt vỏ – tản nhiệt (Heatsink) + RHA: điện trở nhiệt tản nhiệt – môi trường (Ambience) Giải mạch ĐTCS => tổn hao công suất P Tính toán nhiệt => J trang 25 / 26 ch1 mo dau - Gần đúng: tính dòng trung bình IO hay hiệu dụng IR kiểm tra nhiệt độ vỏ linh kiện IO < định mức trung bình IAVE Hay IR < định mức hiệu dụng IRMS D hay SCR: IRMS = 1.57 IAVE BJT, MosFET: IRMS , IAVE laø hàm số dạng dòng điện Hệ số an toàn dòng 1.3 – - Sử dụng dòng điện làm việc max Cách lắp linh kiện công suất vỏ TO220AB vào tản nhiệt Câu hỏi: - Các yếu tố ảnh hưởng đến khả tải dòng? trang 26 / 26 ch1 mo dau I.4 BẢO VỆ LINH KIỆN VÀ BBĐ: 1.Bảo vệ dòng: + Bảo vệ dòng cực đại ( ngắn mạch – dòng tức thời): thông sốø T i dt Cầu chì tác động nhanh, Cầu chì thông thường CB ( ngắt mạch tự động – Aptomat ) + Bảo vệ tải ( dòng có thời gian ): CB ( ngắt mạch tự động – Aptomat ) Rơ le nhiệt Mạch hạn dòng điều khiển vòng kín Bảo vệ áp: (quá áp daïng xung) R4 10k 260v C 103 FR105 T IRF450 ... 26 ch1 mo dau I .1 CÁC KHÁI NIỆM: ĐTCS BBĐ: - Các tên gọi: Điện tử công suất (Power Electronics) Điện tử công suất lớn BBĐ Kỹ thuật biến đổi điện - ĐTCS: phận Điện tử ứng dụng hay Điện tử công. .. Chương 1: Mở đầu 1. 1 Khái niệm chung: Bộ biến đổi ngắt điện điện tử 1. 2 Nội dung phương pháp khảo sát mạch điện tử công suất 1. 3 Tính chọn linh kiện công suất 1. 4 Bảo vệ linh kiện công suất biến đổi... bậc n VR : Trị hiệu dụng v(t) n n ? ?1 trang 13 / 26 ch1 mo dau Công suất hệ số công suất: - Công suất tác dụng (trung bình) P hay PO : lượng sử dụng đơn vị thời gian - Công suất biểu kiến S : tích