Giáo trình điện tử công suất (nghề kỹ thuật máy lạnh và điều hòa không khí cao đẳng)

ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ HÀ NỘI TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ VIỆT NAM - HÀN QUỐC THÀNH PHỐ HÀ NỘI NGUYỄN THỊ YẾN (Chủ biên) TRẦN THỊ HƯƠNG GIANG – NGUYỄN ĐỨC NAM GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT Nghề: Kỹ thuật máy lạnh điều hịa khơng khí Trình độ: Cao đẳng (Lưu hành nội bộ) Hà Nội - Năm 2021 LỜI NÓI ĐẦU Để cung cấp tài liệu học tập cho học sinh - sinh viên tài liệu cho giáo viên giảng dạy, Khoa Điện Trường CĐN Việt Nam - Hàn Quốc thành phố Hà Nội chỉnh sửa, biên soạn giáo trình “Điện tử công suất” dành riêng cho học sinh - sinh viên nghề Kỹ thuật máy lạnh điều hịa khơng khí Đây mơ đun kỹ thuật chun ngành chương trình đào tạo nghề Kỹ thuật máy lạnh điều hịa khơng khí trình độ Cao đẳng Nhóm biên soạn tham khảo tài liệu: Nguyễn Thế Công, Trần Văn Thịnh, Điện tử công suất, lý thuyết, thiết kế, ứng dụng, Nxb Khoa học kỹ thuật 2008; Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh, Điện tử công suất, Nxb Khoa học kỹ thuật 2004; Lê Đăng Doanh, Nguyễn Thế công, Trần Văn Thịnh, Điện tử công suất tập 1,2, Nxb Khoa học kỹ thuật 2007 nhiều tài liệu khác Mặc dù nhóm biên soạn có nhiều cố gắng khơng tránh thiếu sót Rất mong đồng nghiệp độc giả góp ý kiến để giáo trình hồn thiện Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày … tháng … năm 2021 Chủ biên: Nguyễn Thị Yến MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU MỤC LỤC GIÁO TRÌNH MƠ ĐUN Bài Mở đầu: Tổng quan điện tử công suất 1.1 Giới thiệu chung điện tử công suất 1.2 Các linh kiện chuyển mạch dùng điện tử công suất Bài Bộ chỉnh lưu 40 2.1 Khái quát chung 40 2.2 Mạch chỉnh lưu không điều khiển 40 2.3 Mạch chỉnh lưu có điều khiển 60 Bài Mạch biến đổi điện áp xoay chiều 83 3.1 Khái quát chung 83 3.2 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều pha 84 3.3 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha 89 Bài Bộ biến đổi điện áp chiều 93 4.1 Khái quát chung 93 4.2 Mạch giảm áp – mắc nối tiếp 94 4.3 Mạch tăng áp – mắc song song 94 4.4 Bộ ổn áp 95 4.5 Các phương pháp điều khiển biến đổi điện áp chiều 100 Bài Bộ nghịch lưu 104 5.1 Mạch điều khiển nghịch lưu dòng nghịch lưu cộng hưởng pha 104 5.2 Mạch điều khiển nghịch lưu dòng ba pha 105 5.3 Điều khiển nghịch lưu áp pha 106 5.4 Điều khiển nghịch lưu áp ba pha 107 Bài Bộ biến tần 109 6.1 Khái niệm chung 109 6.2 Bộ biến tần gián tiếp 109 6.3 Biến tần trực tiếp 113 6.4 Sự làm việc có dịng điện vịng 119 6.5 Điều khiển biến tần trực tiếp 122 6.6 Bộ biến tần đường bao 124 TÀI LIỆU THAM KHẢO 126 GIÁO TRÌNH MƠ ĐUN Tên mơ đun: Điện tử công suất Mã mô đun: MĐ 17 Thời gian thực hiện: 60 (Lý thuyết: 20 giờ; Thực hành, thí nghiệm, tập, thảo luận: 38 giờ; Kiểm tra: giờ) I Vị trí, tính chất mơ đun - Vị trí: Mơ đun bố trí sau học sinh học xong mô-đun/ môn học Đo lường điện lạnh, Điện tử - Tính chất: Là mơ đun chuyên môn nghề bắt buộc II Mục tiêu mô đun - Kiến thức: Hiểu trình bày đặc tính cấu tạo linh kiện điện tử công suất Phân tích tính tốn mạch điều khiển công suất như: chỉnh lưu, biến đổi AC, biến đổi DC nghịch lưu Giải toán mạch: chỉnh lưu, biến đổi AC, biến đổi DC nghịch lưu - Kỹ năng: Đo kiểm tra tình trạng hoạt động xác định chân linh kiện công suất Lắp ráp mạch chỉnh lưu mạch ứng dụng kỹ thuật chỉnh lưu vào thực tế hoạt động tốt theo yêu cầu Lắp ráp mạch biến đổi điện AC mạch ứng dụng kỹ thuật biến đổi điện AC vào thực tế hoạt động tốt theo yêu cầu Lắp ráp mạch biến đổi điện DC mạch ứng dụng kỹ thuật biến đổi điện DC vào thực tế hoạt động tốt theo yêu cầu Lắp ráp mạch nghịch lưu mạch ứng dụng kỹ thuật nghịch lưu vào thực tế hoạt động tốt theo yêu cầu - Năng lực tự chủ trách nhiệm: + Rèn luyện tính cẩn thận, xác, tác phong cơng nghiệp lao động sản xuất + Có tác phong cơng nghiệp, ý thức tổ chức kỷ luật, khả làm việc độc lập phối hợp làm việc nhóm q trình sản xuất III Nội dung mơ đun Thời gian TT Tên mô đun Tổng Lý Thực Kiểm số thuyết hành, thí tra nghiệm, tập, thảo luận Bài 1: Mở đầu 1 Bài 2: Bộ chỉnh lưu 29 22 2.1 Khái quát chung 2.2 Mạch chỉnh lưu không điều khiển 12 4 4 2.2.1 Mạch chỉnh lưu pha 2.2.2 Mạch chỉnh lưu pha 2.3 Mạch chỉnh lưu có điều khiển 2.3.1 Các sơ đồ mạch điện 2.3.2 Kết chỉnh lưu Bài 3: Mạch biến đổi điện áp xoay chiều 3.1 Khái quát chung 3.1.1 Khái niệm 3.1.2 Ứng dụng 3.2 Mạch biến đổi điện áp XC pha 3.2.1 Sơ đồ mạch điện 2 3.2.2 Nguyên lý làm việc 3.2.3 Khảo sát mạch 3.3 Mạch biến đổi điẹn áp XC pha 3.3.1 Sơ đồ mạch điện 3.3.2 Nguyên lý làm việc 3.3.3 Khảo sát mạch Bài 4: Bộ biến đổi điện áp chiều 4.1 Khái quát chung 4.1.1 Khái niệm 4.1.2 Ứng dụng 4.2 Mạch giảm áp 4.2.1 Sơ đồ mạch điện 4.2.2 Nguyên lý làm việc 4.2.3 Lắp ráp, khảo sát mạch điện 4.3 Mạch tăng áp 4.3.1 Sơ đồ mạch điện 4 4.3.2 Nguyên lý làm việc 4.3.3 Lắp ráp khảo sát mạch điện Bài 5: Bộ nghịch lưu 5.1 Khái quát chung 5.1.1 Khái niệm 5.1.2 Ứng dụng 5.2 Mạch nghịch lưu pha 5.2.1 Mạch nghịch lưu pha điện áp 3 5.2.2 Mạch nghịch lưu pha dòngđiện 5.3 Mạch nghịch lưu pha 5.3.1 Sơ đồ mạch điện 5.3.2 Nguyên lý làm việc Bài 6: Bộ biến tần 6.1 Khái quát chung 1 0.5 6.1.1 Khái niệm 6.1.2 Phân loại 6.1.3 Ứng dụng 6.2 Bộ biện tần pha 6.2.1 Sơ đồ khối 0.5 6.2.2 Nguyên lý làm việc 6.2.3 Các thông số kỹ thuật 6.3 Bộ biến tần pha 6.3.1 Sơ đồ khối 0.5 1.5 60 20 38 6.3.2 Nguyên lý làm việc 6.3.3 Các thông số kỹ thuật Cộng: Bài Mở đầu: Tổng quan điện tử cơng suất Mục tiêu - Trình bày khái niệm điện tử công suất - Tính tốn đại lượng điện tử cơng suất - Có ý thức trách nhiệm, chủ động học tập 1.1 Giới thiệu chung điện tử công suất Điện tử công suất lĩnh vực áp dụng rộng sản xuất, công nghiệp, mà dựa tảng mơn học mạch điện tử, kỹ thuật xung số… Trong đối tượng điều khiển để truyền lượng điện có kiểm sốt từ nguồn đến tải Cơng suất có trị số từ vài chục watt đến vài gigawatt Yêu cầu quan trọng điện tử công suất hiệu suất giá trị kinh tế phải sử dụng kỹ thuật giao hoán nhằm giảm thiểu tổn thất trình chuyển đổi điều khiển Lĩnh vực áp dụng điện tử cơng suất mơ tả hình vẽ Hình 1.1: Bốn kỹ thuật biến đổi cốt lõi điện tử cơng suất • AC biến đổi thành DC: chỉnh lưu • DC biến đổi thành DC: biến đổi điện chiều • DC biến đổi thành AC: nghịch lưu • AC biến đổi thành AC: biến đổi điện xoay chiều Trong cơng nghiệp, ngồi tải riêng phần lớn mạch điện tử công suất điều khiển động để thực yêu cầu tải Trong chương khảo sát nội dung sau • Các đại lượng đặc trưng điện: trị trung bình, trị hiệu dụng, cơng suất… • Các linh kiện cơng suất giao hốn có đặc tính sau • Các linh kiện cơng suất giao hốn thơng dụng là: Diode, Transistor, Mosfet,SCR, TRIAC, GTO, SCS, IGBT, MCT… 1.2 Các linh kiện chuyển mạch dùng điện tử công suất 1.2.1 Diode công suất a Chất bán dẫn Về phương diện dẫn điện, chất chia thành hai loại: chất dẫn điện (có điện trở suất nhỏ) chất khơng dẫn điện (có điện trở suất lớn) Chất khơng dẫn điện cịn gọi chất cách điện chất điện môi Giữa hai loại chất có chất trung gian mà điện trở suất thay đổi giới hạn rộng giảm mạnh nhiệt độ tăng (theo quy luật hàm mũ) Nói cách khác, chất dẫn điện tốt nhiệt độ cao dẫn điện không dẫn điện nhiệt độ thấp Đó chất bán dẫn (hay chất nửa dẫn điện) Hình 1.2 Các nguyên tố bán dẫn Trong bảng tuần hoàn (Mendeleev) nguyên tố bán dẫn chiếm vị trí trung gian (Hình 1.2) kim loại kim Điển hình Ge, Si… Vì phân nhóm IV, lớp ngồi Ge, Si có điện tử (electron) chúng liên kết đồng hoá trị với tạo thành mạng bền vững (Hình 1.3a) Khi có tâm khơng khiết (nguyên tử lạ, nguyên tử thừa không liên kết bán dẫn, khuyết tật mạng tinh thể: nút chân không, nguyên tử hay ion nút mạng, phá vỡ tinh thể, rạn vỡ…) trường điện tuần hoàn tinh thể bị biến đổ chuyển động điện tử bị ảnh hưởng, tính dẫn điện bán dẫn thay đổi Nếu trộn vào Ge đơn chất thuộc phân nhóm III chẳng hạn In, lớp điện tử ngồi In có ba điện tử nên thiếu điện tử để tạo cặp điện tử đồng hố trị Ngun tử In lấy diện tử nguyên tử Ge lân cận làm xuất lỗ trống (hole) dương Ion Ge lỗ trống lại lấy điện tử nguyên tử Ge khác để trung hoà biến nguyên tử Ge sau thành lỗ trống Quá trình tiếp diễn bán dẫn Ge gọi bán dẫn lỗ trống hay bán dẫn dương (bán dẫn loại P – Positive) Tương tự, trộn vào Ge đơn chất thuộc phân nhóm V, chẳng hạn As, lớp điện tử ngồi As có điện tử nên sau tạo cặp điện tử đồng hoá trị với nguyên tử Ge xung quanh, As thừa điện tử Điện tử dễ dàng rời khỏi nguyên tử As trở thành điện tử tự Bán dẫn Ge trở thành bán dẫn điện tử hay bán dẫn âm (bán dẫn loại N – Negative) Khi nhiệt độ chât bán dẫn tăng hay bị ánh sáng chiếu vào nhiều chuyển động phần tử mang điện mạnh lên nên chất bán dẫn dẫn điện tốt Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge In Ge a, Ge - As Ge b, Ge Ge c, Hình 1.3: Sự tạo bán dẫn P(b) N(c) Các chất bán dẫn đơn chất B, C, Si, Ge, S, Se…các hợp chất ZnS, CdSb, AlSb…các ôxyt Al2O3, Cu2O, ZnO, SiO2…các sulfua ZnS, CdS… Hiện nay, chất bán dẫn dùng nhiều lĩnh vực khoa học, kỹ thuật đời sống b Tính dẫn điện chiều lớp tiếp xúc P-N Khi ghép loại bán dẫn P N lại với (Hình 1.4) chỗ hai mặt ghép giáp hình thành lớp tiếp xúc P-N (ký hiệu là: J - Junction) Quá trình xảy sau: Tại chỗ ghép, điện tử âm tự từ bán dẫn N chuyển sang bán dẫn P, chúng tái hợp với lỗ trống trở nên trung hoà điện Phía bán dẫn P, lỗ trống nên trở thành mang điện âm Phía bán dẫn N điện tử nên trở thành mang điện dương Do vậy, điện trường E0 lớp tiếp xúc P-N hình thành hướng từ N sang P (Hình 1.4a) Điện trường rào ngăn không cho lỗ trống từ P tiếp tục sang N điện tử từ N tiếp tục sang P Nếu nối P-N với nguồn điện chiều để tạo phân cực thuận (Hình 4b) tức cực dương nguồn nối với bán dẫn P, cực âm nguồn nối với bán dẫn N có điện trường ngồi (do nguồn tạo ra) hướng từ P sang N, mạnh E0 ngược hướng E0 Điện trường giúp lỗ trống dương tiếp tục từ P sang N điện tử tiếp tục từ N sang P tạo dòng điện thuận Ith qua lớp tiếp xúc P-N Nếu nối P-N để tạo phân cực ngược (Hình 1.4c) tức cực dương nguồn nối với bán dẫn N cực âm nguồn nối với bán dẫn P điện trường - Giả sử ban đầu T1 dẫn điện cho dòng qua tải từ dưong nguồn qua T1 qua pha a pha c T2và âm nguồn Các tụ C1, C5 nạp với cực tính Hình vẽ ,tụ C3 chưa nạp , tương tự tụ C6 C2 nạp với cực tính Hình vẽ, tụ C4 chưa nạp - Trong trình làm việc dây quấn pha động điện xuất s.đ.đ ua= U2sin  t 2 ub= 2` U2sin(  t  ) 4 uc= U2sin(  + ) -Quá trình chuyển mạch cầu biến tần trình chuyển mạch pha Xét trình chuyển mạch từ T1 đến T3 Giả sử thời điểm xét dòng điện từ T1, D1 qua pha a qua dây quấn pha ac động qua T2, D2 nguồn t≥0 t>1 L ud L Id ud Id T1 T3 uC1 C1 + - C5 + - D1 uC5 u13 u21 D3 C3 C6 u32 D5 T5 T4 D6 uC3 C4 D4 C2 + - T6 + - D2 U V T2 T1 C1 T3 C3 C5 + - + - D1 D4 D6 D5 T5 W T4 D3 + - C4 U C6 + - C2 + - D2 V T6 T2 W t>2 t>3 L ud L Id ud Id T3 T5 C1 C3 + - T1 + - C5 D4 D1 C4 T4 D6 D3 D2 D5 U V C6 + - C2 + - T6 T2 T1 C1 T3 C3 T5 W + - C5 + - D1 C4 T4 D3 D6 D5 U 112 D4 D2 V W C6 + - C2 + - T6 T2 C1 T3 C3 + - T1 C5 D1 uVU = u21 D6 D3 + - CT3 CT1 U iT1,T3 D2 D5 T5 V W t1 Xs uU uV t0 uW t = t1-t0 Maschine Hình 6.4: Quá trình chuyển mạch cầu biến tần - Tại thời điểm t= cho xung điều khiển vào T3, T3 dẫn tụ C1 phóng điện qua T3 làm cho T1 khố lại Lúc dịng tải chuyển từ T1đến T3 , thời điểm t  dịng tải có - Ở giai đoạn t > dòng tải pha a đựơc trì, điện áp tụ tạo nên điện áp ngược D3 D3 làm việc Vì chưa có dịng tải qua pha b Tại thời điểm tụ C1 C3 nạp với cực tính Hình vẽ Và C5 phóng hết hay điện áp D3 phân cực thuận trở lại ban đầu dẫn dòng, giai đoạn tụ tiếp tục phóng nạp ngược đầy Khi dòng tải pha a trình chuyển mạch từ pha a qua pha b coi kết thúc Các tụ C1, C3, C5 phóng nạp tạo nên tụ có điện dung tương đương : Ctđ = C - Khi trình chuyển mạch kết thúc, tụ nạp để chuẩn bị cho trình chuyển mạch T3 vàT5 T2 T4 Đồ thị chuyển mạch dòng điện - Khoảng thời gian t = t1-t0 thời gian cần thiết để khoá T1 6.3 Biến tần trực tiếp a Sơ đồ nguyên lý G1 ,  UI Z G2 ,  iz Hình 6.5 Sơ ngun lý biến tần trực tiếp 113 Bộ biền tần gồm hai chỉnh lưu nối song song ngược Các chỉnh lưu sơ đồ pha có điểm trung tính, sơ đồ cầu chỉnh lưu nhiều pha Số pha chỉnh lưu (m) lớn thành phần sóng điều hồ bậc cao giảm Nguyên lý làm việc biến tần sau: Để đơn giản, giả thiết tải trở, van lý tưởng Điện áp tải (u2) gồm hai nửa sóng dương âm Nửa sóng dương tạo nhóm van I làm việc (T1, T2, T3), cịn nửa sóng âm tạo nhóm van II (T4, T5, T6) làm việc Lần lượt đóng mở nhóm van I II, ta tạo tải điện áp xoay chiều có giá trị: 2U pha sin u2    m1 cos  m m1- số pha điện áp lưới;  - góc điều khiển chỉnh lưu Theo Hình vẽ ta có : 1 n  T2 T1 T   n  T1    m1 2  m1  n = 0, 1, 2, 3,… Tần số điện áp (f2) thấp tần số lưới Từ suy : f2  f1m1 2n  m1 Để điều chỉnh f2 , cần tạo thời gian trễ hai chỉnh lưu (góc  ) tần số : f2  f1m1  2n  m1 m1 Khi biến tần làm việc với tải trở cảm động điện, lượng tích luỹ tải trả lưới Lúc chỉnh lưu làm việc chế độ nghịch lưu phụ thuộc Nhóm I làm việc chế độ nghịch lưu điện áp tải mang dấu âm nhóm II chế độ nghịch lưu điện áp tải mang dấu dương Nếu chỉnh lưu mắc theo sơ đồ cầu điện áp tải lớn gấp lần so với sơ đồ pha có điểm trung tính: 2U pha sin U2    m1 m1 114 Xung điều khiển nhóm van lệch góc  /m1 Các biến tần có hiệu suất thấp (vì điều chỉnh  ) dịng điện áp có chứa nhiều thành phần sóng điều hồ bậc cao Để loại thành phần bậc cao cần dùng lọc Nếu thay đổi góc  nhóm chỉnh lưu I II theo quy luật điện áp thay đổi theo luật Để đảm bảo điện áp gần sin góc điều khiển  (chế độ chỉnh lưu)  (chế độ nghịch lưu) cần thay đổi theo luật sau:  = arccos (Asin  2) A U 2m U 2m0 U2m – giá trị biên độ điện áp tải; U2m0 – giá trị biên độ điện áp tải ứng với trạng thái mở Thyristor (  = 0); A = luật điều chỉnh  ,  tuyến tính Với luật điều khiển m1 tỷ số f1/f2 đủ lớn, điện áp  U2(  2t) = U1m  sin m1 sin  2t m1 tải có dạng hình sin : Đường cong điện áp có thêm phần sóng điều hồ với tần số f2 Các biến tần trực tiếp có tàn số nhỏ tần số vào (f2