Giáo trình Điện tử công suất (Nghề Điện công nghiệp CĐTC).

SỞ LAO ĐỘNG TB & XH TỈNH HÀ NAM TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ HÀ NAM GIÁO TRÌNH MƠ ĐUN: Điện tử cơng suất NGHỀ: Điện cơng nghiệp TRÌNH ĐỘ: Cao đẳng/Trung cấp Ban hành kèm theo Quyết định số 234/QĐ-CĐN ngày 05 tháng năm 2020 Trường Cao đẳng nghề Hà Nam Hà Nam, năm 2020 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng ngun trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm Dựa theo giáo trình này, sử dụng để giảng dạy cho trình độ nghề ngành/ nghề khác nhà trường LỜI GIỚI THIỆU Nhằm thống nội dung giảng dạy đáp ứng nhu cầu học tập, nghiên cứu sinh viên Tác giả xây dựng giáo trình áp dụng chương trình đào tạo Cao đẳng nghề Điện công nghiệp Đây tài liệu giảng dạy giảng viên học tập, nghiên cứu sinh viên trường Cao đẳng nghề Hà Nam Nội dung giáo trình xây dựng sở thừa kế nội dung giảng dạy giảng viên trường Cao đẳng nghề Hà Nam kết hợp với tài liệu tham khảo ngồi nước Giáo trình nhà giáo có nhiều năm kinh nghiệm tham gia giảng dạy đóng góp ý kiến Giáo trình biên soạn ngắn gọn, dễ hiểu, định hướng kiến thức theo quan điểm phát triển công nghệ ứng dụng không nghiên cứu sâu kiến thức hàn lâm mà chủ yếu nghiên cứu hệ q trình phân tích mạch cơng suất Tuy tác giả có nhiều cố gắng biên soạn, giáo trình khơng tránh khỏi khiếm khuyết Hy vọng nhận góp ý bạn đọc Mọi góp ý xin liên hệ tác giả theo địa mail: thucdnhanam@gmail.com xin chân thành cảm ơn! Hà Nam, ngày 20 tháng năm 2020 Tham gia biên soạn Chủ biên: Đặng Thị Nguyệt Thu MỤC LỤC Trang BÀI MỞ ĐẦU KHÁI QUÁT CHUNG VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Khái niệm chung điện tử công suất 1.1 Khái niệm chung 1.2 Ứng dụng điện tử công suất .7 Các khái niệm 2.1 Trị trung bình đại lượng .7 2.2 Công suất trung bình 2.3 Trị hiệu dụng đại lượng .8 2.4 Hệ số công suất BÀI 1: CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN CÔNG SUẤT CƠ BẢN 10 Đặc điểm, phân loại phần tử bán dẫn công suất 10 1.1 Đặc điểm 10 1.2 Phân loại 11 Các phần tử bán dẫn công suất 11 2.1 Đi ốt 11 2.2 Transistor 17 2.3 Transistor trường FET 21 2.3 Thyristor 25 Triac 30 4.3 Công tắc tơ tĩnh: 31 BÀI 2: BỘ CHỈNH LƯU 35 Khái niệm chung 36 1.1 Định nghĩa cấu trúc 36 1.2 Phân loại mạch chỉnh lưu 36 1.3 Các thông số mạch chỉnh lưu 36 1.4 Nguyên tắc dẫn van dẫn 37 Mạch chỉnh lưu không điều khiển 37 2.1 Chỉnh lưu pha nửa chu kỳ không điều khiển 37 2.2 Chỉnh lưu khơng điều khiển chu kỳ với biến áp có trung tính 39 2.3 Chỉnh lưu cầu pha không điều khiển 41 2.4 Chỉnh lưu cầu pha không điều khiển 42 Mạch chỉnh lưu có điều khiển 45 3.1 Mạch chỉnh lưu tia pha nửa chu kỳ 45 Chỉnh lưu chu kỳ với biến áp có trung tính 49 3.3 Chỉnh lưu cầu pha (đối xứng bất đối xứng) 52 3.4 Chỉnh lưu cầu pha (đối xứng bất đối xứng) 57 3.5 Chỉnh lưu tia pha 63 Mạch điều khiển thyristor 67 4.1 Sơ đồ khối 67 4.2 Khối đồng pha 67 4.3 Khối phát xung chủ đạo 68 4.4 Khối so sánh 68 4.5 Khối sửa xung khuếch đại xung 70 TCA785 70 5.1 Cấu tạo dạng điện áp chân 71 5.2 Khối phát xung điều khiển thyristor 72 Máy phát xung UJT 73 6.1 Cấu tạo 73 6.2 Nguyên lý hoạt động 73 Bộ phát xung dùng IC 555 74 BÀI 3: BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU 76 Bộ biến đổi điện áp pha 76 1.1 Trường hợp tải trở R 77 1.2 Trường hợp tải L 78 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha 80 2.1 Sơ đồ mạch 80 2.2 Nguyên lý hoạt động mạch 80 BÀI 4: BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU 86 Bộ giảm áp 86 1.1 Sơ đồ mạch 86 1.2 Nguyên lý hoạt động 87 Bộ tăng áp 89 2.1 Sơ đồ mạch 89 2.2 Nguyên lý hoạt động 89 Bộ biến đổi chiều kép 91 3.1 Bộ biến đổi kép dạng tổng quát 91 3.2 Bộ biến đổi kép dạng đảo dòng 93 3.3 Bộ biến đổi kép dạng đảo áp 94 BÀI 5: BỘ NGHỊCH LƯU VÀ BỘ BIẾN TẦN 97 Bộ nghịch lưu 98 1.1 Bộ nghịch lưu áp pha 99 1.2 Bộ nghịch áp ba pha 103 1.3 Bộ nghịch lưu dòng 105 Biến tần 107 Phương pháp điều chỉnh tốc độ động xoay chiều không đồng tần số 107 2.2 Phân loại 108 Các cấu trúc biến tần 109 3.1 Các cấu trúc 109 3.2 Nghịch lưu nguồn áp pha 110 3 Biến tần gián tiếp với NLĐL nguồn dòng 110 3.4 Biến tấu gián tiếp với NLĐL nguồn áp 112 GIÁO TRÌNH MƠ ĐUN Tên mơ đun: Điện tử cơng suất Mã mơ đun: MĐ26 Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị mơ đun: - Vị trí: Trước học mơ đun cần hồn thành môn học, mô đun sở, đặc biệt môn học, mô đun: Mạch điện; Điện tử - Tính chất: Là mơ đun kĩ thuật chun môn, thuộc mô đun đào tạo nghề bắt buộc - Ý nghĩa vai trị mơ đun: có vị trí quan trọng chương trình đào tạo nghề điện công nghiệp Mục tiêu mô đun: - Về kiến thức: + Mô tả đặc trưng ứng dụng chủ yếu linh kiện Diode, Mosfet, DIAC, TRIAC, IGBT, SCR, GTO + Giải thích dạng sóng vào, biến đổi AC-AC + Giải thích ngun lý làm việc tính tốn biến đổi DCDC - Về kỹ năng: + Vận dụng kiến thức cấu tạo nguyên lý hoạt động mạch tạo xung biến đổi dạng xung + Vận dụng loại mạch điện tử công suất thiết bị điện công nghiệp - Về lực tự chủ trách nhiệm: Nghiêm túc học tập, tích cực luyện tập, đảm bảo an tồn cho người thiết bị, tổ chức nơi làm việc gọn gàng ngăn nắp Nội dung mô đun: BÀI MỞ ĐẦU KHÁI QUÁT CHUNG VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Mã bài: MĐ 26 - 00 Giới thiệu Điện tử công suất chuyên ngành kỹ thuật điện - điện tử, nghiên cứu ứng dụng phần tử bán dẫn công suất Nhằm khống chế nguồn lượng điện với tham số không thay đổi thành nguồn lượng điện với tham số thay đổi để cung cấp cho phụ tải Như biến đổi bán dẫn công suất đối tượng nghiên cứu môn học điện tử công suất Quy luật nối tải vào nguồn biến đổi công suất phụ thuộc vào sơ đồ biến đổi phụ thuộc vào cách thức điều khiển van biến đổi Quá trình biến đổi lượng sử dụng van công suất thực với hiệu suất cao tổn thất biến đổi tổn thất khố điện tử, khơng đáng kể so với công suất điện cần biến đổi Các biến đổi công suất đạt hiệu suất cao mà cịn có khả cung cấp cho phụ tải nguồn lượng với đặc tính theo yêu cầu, đáp ứng trình điều chỉnh, điều khiển thời gian ngắn nhất, với chất lượng phù hợp hệ thống tự động Đây đặc tính trội biến đổi bán dẫn công suất mà biến đổi có tiếp điểm kiểu điện tử thơng thường khơng thể có Điện tử cơng suất hầu hết ứng dụng nhiều ngành công nghiệp đại dân dụng Có thể kể nghành kỹ thuật mà có ứng dụng tiêu biểu biến đổi bán dẫn công suất truyền động điện tự động, giao thông đường sắt, nấu luyện thép, gia nhiệt cảm ứng, điện phân nhơm từ quặng mỏ, q trình điện phân cơng nghiệp hóa chất Trong nhiều thiết bị công nghiệp dân dụng ngày sử dụng rộng rãi điều khiển ánh sáng, chuyển đổi điện DC sang AC hay băm xung áp…Những năm gần công nghệ chế tạo phần tử bán dẫn cơng suất có tiến vượt bậc ngày trở nên hoàn thiện, dẫn đến việc chế tạo biến đổi ngày gọn nhẹ, nhiều tính ưu vượt sử dụng ngày dễ dàng Mục tiêu: - Trình bày khái niệm điện tử cơng suất - Tính tốn đại lượng điện tử cơng suất - Rèn luyện đức tính cẩn thận, tỉ mỉ, tư sáng tạo khoa học Nội dung chính: Khái niệm chung điện tử công suất 1.1 Khái niệm chung Điện tử công suất tập hợp thiết bị sử dụng để biến đổi, điều khiển dịng lượng điện thơng qua dụng cụ bán dẫn công suất Theo nghĩa rộng điện tử cơng suất ngành khoa học chuyên nghiên cứu trình phát triển ứng dụng thiết bị dùng để biến đổi, điều khiển lượng điện 1.2 Ứng dụng điện tử công suất Điện tử công suất ứng dụng nhiều ngành cơng nghiệp đại Theo lĩnh vực ứng dụng điện tử cơng suất nhiều kể đến là: Máy tính, tơ, điện tử viễn thơng, máy điện, hàng không, vũ trụ, chuyển đổi nguồn lượng, chiếu sáng Những ứng dụng điện tử công suất kể đến là: - Truyền tải điện - Hệ truyền động động chiều, động xoay chiều - Hệ thống nguồn liên tục UPS - Hệ truyền động máy điện tích hợp nam châm vĩnh cửu - Điều khiển số thiết bị điện đặc biệt: động bước, miện điện từ trở vi bước Các khái niệm 2.1 Trị trung bình đại lượng 2.1.1 Giá trị trung bình dịng điện, điện áp Gọi i(t) hàm biến thiên tuần hoàn theo thời gian với chu kỳ Tp Trị trung bình đại lượng i, ký hiệu IAV xác định sau: I AV  Tp t T  i(t )dt t0 Với t0 thời điểm đầu chu kỳ lấy tích phân Trong nhiều trường hợp, thực tích phân theo hàm biến đổi thời gian phức tạp thực tích phân theo biến góc X với X=  t Với  tần số góc xác định Khi đó, trị trung bình đại lượng theo góc X tính theo hệ thức: Id  Tp t T t i(t )dt  X p x0  T p  i( X )dX x0 Với X 0 .t ; X p  .T p ; X  .t; ; dX  d (t ) Ví dụ: Tính giá trị trung bình điện áp chỉnh lưu chỉnh lưu cầu pha khơng điều khiển Điện áp chỉnh lưu có dạng u= U msin  t với Um= 220 (V);  = 314 (rad/s) Giải: Chu kỳ điện áp Tp= 0.01 (s) Đặt X=314t; Xp=314.0,01 =  (rad) Ta có U d  Xp x0  X p  u ( X )dX  x0    220 sin X dX  0,9.220  198(V ) 2.2 Cơng suất trung bình Công suất tức thời tải tiêu thụ xác định tích điện áp dịng điện tức thời dẫn qua tải đó, tức là: p(t) = u(t).i(t) Cơng suất trung bình xác định cách áp dụng tính trung bình vào đại lượng cơng suất tức thời p(t), tức là: Pd  Tp Tp 0 p(t )dt T p Tp  u(t ).i(t )dt Hoặc theo X  .t Pd  Xp Xp  p( X )dX Xp Xp  u ( X ).i( X )dX với X p  .T p Trường hợp dịng qua tải khơng đổi theo thời gian I=const = Id, cơng suất trung bình qua tải tích điện áp dịng điện trung bình: Pd= Ud.I = Ud.Id Trường hợp điện áp đặt lên tải không đổi theo thời gian u=const = Ud, cơng suất trung bình qua tải tích điện áp dịng điện trung bình: Pd= U.Id = Ud.Id 2.3 Trị hiệu dụng đại lượng Gỉa thiết đại lượng i biến thiên theo thời gian theo hàm tuần hoàn với chu kỳ Tp với chu kỳ theo góc X p  .T p Trị hiệu dụng đại lượng i tính theo công thức: I RMS  Tp t T p i dt  Xp x0  X p i dX Chỉ số RMS (Root Mean Square) có nghĩa trị hiệu dụng 2.4 Hệ số công suất Hệ số công suất cos - PF (Power Factor) tải định nghĩa tỉ số công suất tiêu thụ P công suất biểu kiến S mà nguồn cấp cho tải cos  P S Trong trường hợp đặc biệt nguồn áp dạng sin tải tuyến tính chứa phần tử R, L, C không đổi sức điện động dạng sin, dòng điện qua tải có dạng sin tần số nguồn áp với góc lệch pha có độ lớn  Ta có hệ thức tính hệ số cơng suất sau: P  m.U I cos; S  m.U I ; cos  P S Trong đó: U, I - trị hiệu dụng điện áp pha dòng điện qua tải; m - tổng số pha Câu hỏi ơng tập Tính giá trị trung bình điện áp chỉnh lưu chỉnh lưu cầu pha khơng điều khiển Điện áp chỉnh lưu có dạng u= U msin  t với Um= 200 (V);  = 314 (rad/s) Nêu cách xác định trị hiệu dụng đại lượng hệ số cơng suất Nguồn điện áp chiều dạng đơn giản acquy, pin điện dạng phức tạp gồm điện áp xoay chiều chỉnh lưu lọc phẳng Linh kiện nghịch lưu áp có khả kích đóng kích ngắt dịng điện qua nó, tức đóng vai trị cơng tắc Trong ứng dụng cơng suất nhỏ vừa, sử dụng transistor BJT, MOSFET, IGBT làm công tắc phạm vi cơng suất lớn sử dụng GTO, IGCT SCR kết hợp với chuyển mạch Với tải tổng qt, cơng tắc cịn trang bị diode mắc đối song với Các diode mắc đối song tạo thành mạch chỉnh lưu cầu khơng điều khiển có chiều dẫn điện ngược lại với chiều dẫn điện công tắc Nhiệm vụ chỉnh lưu cầu diode tạo điều kiện thuận lợi cho q trình trao đổi cơng suất ảo nguồn chiều tải xoay chiều, qua hạn chế điện áp phát sinh kích ngắt công tắc 1.1 Bộ nghịch lưu áp pha a Sơ đồ mạch Bộ nghịch lưu áp pha dạng mạch cầu (còn gọi nghịch lưu dạng chữ H) (hình H3-1a) chứa Tiristor diode mắc đối song ngược chiều T1,2 T1 T3 D1 U T4 t L D4 T3,4 ut it t D3 R T2 +u ut t D2 -u b a Hình 5-1 Sơ đồ mạch dạng điện áp sau nghịch lưu áp pha Giản đồ kích đóng công tắc đồ thị áp tải vẽ hình 3-1a,b Bộ nghịch lưu mắc dạng mạch tia hình 3-2 99 Hình 5-2 Sơ đồ mạch dạng điện áp sau nghịch lưu máy biến áp có điểm Mạch gồm hai cơng tắc hai diode mắc đối song với chúng Mạch tải ngõ nghịch lưu cách ly qua máy biến áp với cuộn sơ cấp phân chia Trong trường hợp không sử dụng máy biến áp cách ly phía tải, nguồn điện áp chiều cần thiết kế với nút phân hình 3-2, dạng mạch nghịch lưu áp nửa cầu b Phân tích nghịch áp pha Hai cặp Thyristor (T1,T4) (T2,T3) tương ứng với hệ thống hai pha tải đối xứng tưởng tượng hình 3-1 u u u u u u ut1  t  10 20 , ut   t  20 10 2 2 Ta có: ut = 2.ut1 = - 2.ut2 = u10 - u20 Nếu cơng tắc kích theo qui tắc đối nghịch, ta xác định dạng áp tải dựa giản đồ kích cơng tắc điện áp nguồn u10 = + U/2 kích T1 , ngắt T4 u10 = - U/2 kích T4, ngắt T1 u20 = + U/2 kích T3, ngắt T2 u20 = - U/2 kích T2, ngắt T3 Xét trình đại lượng chu kỳ hoạt động chế độ xác lập * Xét khoảng ( - ): Giả thiết thời điểm t = 0, thực đóng T1 T2, ngắt T3 T4 ta có: Từ ut = 2.ut1 = - 2.ut2 = u10 - u20 = + U/2 – ( - U/2) = U 100 Điện áp tải U, dòng điện tải chạy qua mạch (U - T1- T2) tăng lên theo phương trình: t  U Nghiệm dịng điện có dạng: it   Ae  R A số,  = L/R số thời gian * Xét khoảng (  - 2): Tại thời điểm t = T/2, thực ngắt T1,T2 đóng T3,T4 Từ ut = 2.ut1 = - 2.ut2 = u10 - u20 = - U/2 – ( + U/2) = - U Điện áp xuất tải –U, dòng điện qua mạch (U – R - L - T3 T4) giảm theo phương trình: T t T u t  U ; u t  Rit  L Với nghiệm có dạng: Ở trạng thái xác lập, dòng điện biến đổi theo dạng xoay chiều, tuần hoàn Các số A, B xác định từ điều kiện dịng điện tải thời điểm t = 0, t = T/ t = T it di L dt  U    Be R U/2 + - + - T1 D1 T4 D4 t  T T3 D3 T2 D2 U U/2 + - Ut L/2 R/2 L/2 R/2 Hình 5-3a Sơ đồ mạch nghịch lưu áp pha tải động 101 S1, S2 S3, S4 Ut It Hình 5-3b Dạng điện áp sau nghịch lưu tải động Lúc đó, thời điểm t = 0: U U  Ae  I mim  A  I mm  R R Tại thời điểm t = T/2 T T   U U U  Ae 2  I max   ( I mim  ) Ae 2  I max R R R U U   Be  I max  B   I max R R Tại thời điểm t = T T U   Be 2  I mim R Như vậy, trình dịng tải chu kỳ hoạt động biểu diễn sau: t U U  2 T   I e ( ) ;0  t   mim R R it   T t  U U  22 T ; t T   ( I mâx  )e R  R Giá trị Imin Imax xác định từ trình đối xứng hai nửa chu kỳ điện áp dịng điện tải, từ suy Imax= - IminÁp dụng quan hệ vào hệ thức tính I, ta thu được: 102 T   2 U 1 e I max   I   T  R 1  e  1.2 Bộ nghịch áp ba pha a Sơ đồ mạch:     + C Ud - Hình 3-4a Sơ đồ mạch nghịch áp pha b Nguyên lý hoạt động mạch: Góc dẫn van  từ T1 - T6: Nguồn điện chiều cấp cho nghịch lưu phải nguồn áp Bộ lọc điện L, C với mục đích phẳng điện áp chiều sau chỉnh lưu Bộ nghịch lưu áp ba pha có tác dụng biến đổi nguồn áp chiều thành nguồn áp xoay chiều qua van ban dẫn từ T1 – T6, điơt hồn lượng, chuyển mạch van T1 – T6 khóa D1- D6 Thay đổi tần số cách thay đổi số lần đóng mở van hay điều h góc phát xung α mạch điều khiển Dạng điện áp dòng điện sau nghịch lưu hình bên  Trong khoảng nhỏ < t < có T1, T5, T6 dẫn Vì mạch đối xứng ZA = ZB = ZC = Z:   Z TD  U A  I A Z  Z Ud IA  U U I  d  d 2 Z TD 3.Z   U A  T1 ZA ZB Ud T5 103 ZC T6 Ud Xét tương tự xét chu kỳ (   2 ) ta có dạng điện áp hình 3-4 t T1 T2   2  T3 4 5 t 2 t  2 t  2 T4 t  T5 2 t T6  2  2 t UAN UA Ud  2U d t  2  2 t Hình 3-4b 5ạng điện áp sau nghịch lưu ba pha  2 T1 , T2 , T6 dẫn: 3 U U U A  I Z  d Z  d Z  U d Z td Z Trong khoảng t  ZB T1 T6 ZA ZC T2 Ud  UA  Ud Trong khoảng 2  t   T1 , T2 , T3 dẫn Tương tự ta tính U A  T1 ZA ZC Ud T3 T2 ZB Ud Xét tương tự xét chu kỳ (   2 ) ta có dạng điện áp hình 3-4 104 1.3 Bộ nghịch lưu dòng 1.3.1 Bộ nghịch dòng pha a Sơ đồ mạch T T T T T T T T Hình 5-5b Sơ đồ nghịch lưu dòng ba pha Giả sử T1, T2 mở, dòng điện qua tải iZ = id Diện áp tụ uC1 < ; uC2 < Muố đóng T1, T2 mở T11, T12 dòng i Z = id chảy qua T11, C1, C2, T12 => điện áp tụ đảo chiều Trong thời gian điện áp tụ cịn nhỏ khơng, T1, T2 phục hồi khả khóa Bộ chuyển mạch thực chức thứ Xung điều khiển đưa vào T3, T4 với T11, T12 nhiên chưa mở uV3 = uC1 + uZ < 0, uV4 = uC2 + uZ < b Nguyên lý hoạt động Đối tải L uV3 = uC1, uV4 = uC2 => V3, V4 mở uC1 = uC2 = Dòng điện chảy qua T11, Z, C1, C2, T12, giảm dần Dòng điện chảy qua v3, Z, v4, tăng đần Bộ chuyển mạch thực chức thứ hai Quá trình chuyển mạch kết thúc iV3 = iV4 = - iZ = Id 1.3.2 Bộ nghịch lưu dòng ba pha a Sơ đồ mạch Nguồn điện chiều cấp cho phải nguồn dịng điện tức dịng điện khơng phụ thuộc vào tải mà phụ thuộc vào tín hiệu điều khiển Để tạo nguồn dòng chiều thường dùng chỉnh lưu cầu Mạch lọc điện kháng L có giá trị đủ lớn để phẳng giá trị điện áp chiều sau chỉnh lưu 105 + U - Hình 5-6a Sơ đồ mạch nghịch lưu dịng ba pha b Nguyên lý hoạt động mạch - Góc dẫn van 2 thứ tự dẫn van từ T1 – T6 lệch  Tương tự biến tần nguồn áp ba pha ta xét khoảng:   2 2 ,  t   3 Có van dẫn tương ứng, tổng hợp 3 chu kỳ ta có dịng điện pha a, b,c hình 0