Giáo trình Điện tử công suất (Nghề Điện công nghiệp Trình độ Trung cấp)

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠ GIỚI VÀ THỦY LỢI KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ -oOo - GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT NGHỀ: ĐIỆN CƠNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP Lưu hành nội - 2020 LỜI NÓI ĐẦU Giáo trình Điện Tử Cơng Suất sử dụng làm tài liệu giảng dạy cho môn học Điện tử cơng suất thuộc chương trình đào tạo trung cấp nghề Điện Công Nghiệp số nghề liên quan Trong chương trình đào tạo mơn Điện tử cơng suất môn học học sau số môn Điện tử bản, Mạch điện, Truyền động điện… Nội dung sách gồm chương nhằm phục vụ cho hệ cao đẳng nghề với nội dung kiến thức Điện tử công suất kiến thức mở rộng Trong q trình biên soạn có tham khảo nhiều tài liệu, trình đánh máy, in ấn cịn sai sót mong nhận đóng góp xây dựng quý thầy cô, bạn sinh viên để giáo trình hồn thiện Xin chân thành cảm ơn MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU BÀI 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1 Trị trung bình (Average): 1.2 Trị hiệu dụng (Root Mean Square-rms): 13 Cơng suất trung bình: 1.4 Hệ số công suất: BÀI 2: CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 2.1 Phân loại linh kiện điện tử công suất 2.2 Diode Công Suất 2.3 BJT Công Suất (Bipolar Juntion Transistor) 2.4 MOSFET (Metal – Oxide – Semiconductor Field Effect Transistor) 13 2.5 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) 16 2.6 SCR (Silicon Controlled Rectifier) 18 2.7 TRIAC 23 2.8 GTO 26 2.9 SSR 27 2.10 SCS 30 BÀI : BỘ CHỈNH LƯU 32 3.1 Bộ chỉnh lưu pha 32 3.1.1 Chỉnh lưu pha không điều khiển 32 3.1.2 Chỉnh lưu pha có điều khiển 35 3.2 Bộ chỉnh lưu ba pha 38 3.2.1 Chỉnh lưu ba pha không điều khiển 38 3.2.2 Chỉnh lưu ba pha có điều khiển 44 3.3 Các chế độ chỉnh lưu nghịch lưu 49 3.3.1 Chế độ chỉnh lưu nghịch lưu 49 3.3.2 Chế độ dòng điện liên tục dòng điện gián đoạn 50 BÀI : BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU 51 4.1 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều pha 51 4.1.1 Trường hợp tải trở 51 4.1.2 Trường hợp tải L 53 4.1.3 Trường hợp tải RL 54 4.2 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha 55 4.2.1 Trường hợp tải trở 55 4.2.2 Trường hợp tải L 55 4.2.3 Trường hợp tải RL 55 BÀI : BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU 59 5.1 Bộ giảm áp 59 5.1.1 Sơ đồ mạch điện 59 5.1.2 Nguyên lý hoạt động 60 5.2 Bộ tăng áp 62 5.2.1 Sơ đồ mạch điện 62 5.2.2 Nguyên lý hoạt động 63 5.3 Các phương pháp điều khiển biến đổi điện áp chiều 63 BÀI : BỘ NGHỊCH LƯU 67 6.1 Bộ nghịch lưu áp pha 68 6.2 Phân tích nghịch lưu áp pha 69 6.3 Các phương pháp điều khiển nghịch lưu áp 72 6.3.1 Phương pháp điều biên 72 6.3.2 Phương pháp điều chế độ rộng xung 72 6.4 Bộ nghịch lưu dòng điện 73 6.4.1 Bộ nghịch lưu dòng pha 73 6.4.2 Bộ nghịch lưu dòng ba pha 73 Bài 1: Các Khái Niệm Cơ Bản Nhiệm vụ điện tử công suất Điện tử công suất môn học thuộc chuyên ngành kỹ thuật điện - điệntử, nghiên cứu ứng dụng phần tử bán dẫn cơng suất Nhiệm vụ củađiện tử công suất biến đổi nguồn lượng điện với tham số không thay đổiđược 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 mơn học điện tử cơng suất Trong biến đổi phần tử bán dẫn cơng suất sử dụng khố bán dẫn, gọi van bán dẫn, van bán dẫn mở dẫn dịng nối tải vào nguồn cịn khố khơng cho dịng điện chạy qua van Khác với phần tử có tiếp điểm, van bán dẫn thực đóng cắt dịng điện mà khơng gây tia lửa điện, khơng bị mài mịn theo thời gian, khơng gây tiếng ồn có khả đóng cắt với tần số lớn Khơng van bán dẫn cịn đóng cắt dòng điện lớn với điện áp cao phần tử điều khiển chúng lại tạo mạch điện tử công suất nhỏ, nên công suất tiêu thụ nhỏ dẫn đến hiệu suất làm việc cao Về van công suất có đặc tính chung sau: * Các van bán dẫn cơng suất (BDCS) mở dẫn dịng qua điện trở tương đương nhỏ, cịn khố khơng cho dịng điện qua điện trở tươngđương lớn Bản chất BDCS dẫn dòng điện theo chiều phân cực thuậnvà có tín hiệu điều khiển với van có điều khiển Nếu van cơng suất bị phân cực ngược có dòng điện nhỏ qua khoảng vài mA, gọi dòng điện ngược hay dòng rò 1.1 Trị trung bình (Average): Xét đồ thị sóng tín hiệu Sin sau : + Vp : điện áp tức thời lớn tính từ điểm gốc đến biên độ dương +Vp Như hình 0->+Vp + Vpp : điện áp tính đỉnh dương đỉnh âm dạng sóng Nó tổng điển áp hai mức dương âm so với điểm Vpp = (-Vp->0) + (0->+Vp) Nếu tín hiệu sóng khơng có mức âm Vp=Vpp + Vavg : mức điện áp trung bình dạng sóng Đây mức điện áp dàn chu kỳ Đối với sóng sin có hai miền âm dương điện áp trung bình miền dương miền âm + Vrms : Được viết tắt : Root mean square tức Căn bậc hai trung bình bình phương Trong thực tế giá trị gọi giá trị hiệu dụng hay giá trị thực 1.2 Trị hiệu dụng (Root Mean Square-rms): Giá trị hiệu dụng RMS 0.707 lần so với giá trị max (giá trị cực đại) hay giá trị cực đại √2 = 1.414 nhân với giá trị hiệu dụng Gía trị cực đại 1A hiệu dụng = 1,414A Trong đó, giá trị trung bình 0.636 giá trị cực đại hay nói cách khác 0,9 giá trị hiệu dụng Đối với dạng sóng hình sin Với dạng sóng hình sin có giá trị hiệu dụng 1A, ta có cơng thức:   Giá trị MAX = 1.414A Giá trị trung bình = 0.9A Giá trị RMS Hệ số dạng sóng = = 1.11 Giá trị trung bình Đối với dạng sóng khơng hình sin Trong trường hợp, giá trị hiệu dụng 1A, dạng sóng khơng hình sin ta có :   Giá trị Max = 2.6A Giá trị trung bình = 0.55A Giá trị RMS Hệ số dạng sóng = = 1.82 Giá trị trung bình 1.3 Cơng suất trung bình: 1.4 Hệ số cơng suất: (Power Factor – ký hiệu  hay PF): tỷ số công suất tiêu thụ P công suất biểu kiến S mà nguồn cấp cho tải PF P S (1.33) Nếu nguồn áp có dạng sin tải tuyến tính chứa phần tử R, L, C có giá trị khơng đổi dịng điện qua tải có dạng sin lệch pha vối điện áp góc  Ta có biểu thức tính hệ số công suất sau: S  mU .I P  mU .I cos ;  Trong đó: P  cos S (1.34) U, I: trị hiệu điện áp dòng điện qua tải m: tổng số pha Bài 2: Các Linh Kiện Điện Tử Công Suất 2.1 Phân loại linh kiện điện tử công suất - Các linh kiện bán dẫn công suất có hai chức ĐĨNG NGẮT dịng điện qua - Trạng thái linh kiện dẫn điện (ĐÓNG): linh kiện giống điện trở có giá trị bé (gần khơng) - Trạng thái linh kiện không dẫn điện (NGẮT): linh kiện giống điện trở có giá trị lớn - Các linh kiện bán dẫn chuyển đổi trạng thái làm việc từ trạng thái dẫn điện sang trạng thái khơng dẫn điện ngược lại thơng qua tín hiệu kích thích tác động lên cổng điều khiển linh kiện Ta gọi linh kiện có điều khiển Tín hiệu điều khiển dịng điện, điện áp hay ánh sáng với công suất nhỏ nhiều so với công suất nguồn tải - Nếu linh kiện khơng có cổng điều khiển q trình chuyển trạng thái làm việc xảy tác dụng nguồn công suất ngõ ra, ta gọi linh kiện loại không điều khiển - Đối với linh kiện điều khiển được, tín hiệu điều khiển cho dẫn dịng điện mà khơng thể tác động ngắt dịng điện qua nó, ta gọi linh kiện khơng có khả kích ngắt (SCR, TRIAC) Ngược lại, linh kiện chuyển trạng thái làm việc từ đóng sang ngắt hay từ ngắt sang đóng thơng qua tín hiệu kích thích tác động lên cổng điều khiển gọi linh kiện có khả kích ngắt (BJT, MOSFET, IGBT, GTO…) Ta phân thành ba nhóm linh kiện sau : - Nhóm linh kiện khơng điều khiển Diode, DIAC - Nhóm linh kiện điều khiển kích đóng SCR, TRIAC - Nhóm linh kiện điều khiển kích ngắt BJT, MOSFET, IGBT, GTO 2.2 Diode Công Suất 2.2.1 Nguyên lý cấu tạo làm việc A a Cấu tạo b Ký hiệu Hình H1.1: Cấu trúc Diode (a) ký hiệu (b) Diode cấu tạo mối nối P-N, lớp N thừa điện tử, lớp P thiếu điện tử đồng thời chứa phần tử mang điện dạng lỗ trống tạo hàng rào điện vào khoảng 0,6 V a) phân cực thuận b) phân cực ngược Hình H1.2: Sơ đồ nguyên lý phân cực cho diode Khi ta đặt điện áp lên diode, cực dương gắn với lớp P cực âm gắn với lớp N (hình H1.2a), điện tử chuyển từ lớp N qua lớp P Còn hạt mang điện chuyển từ lớp P sang lớp N có dịng điện chạy qua diode Khi điện áp ngược đặt lên diode (cực dương gắn với lớp N cực âm gắn với lớp P – hình H1.2b), điện tử phần tử mang điện dạng lỗ trống điện tử tự bị kéo xa mối nối, kết có dịng điện rị vào khoảng vài mA chạy qua Khi điện áp ngược tiếp tục tăng điện tích tăng gia tốc gây lên va chạm dây chuyền làm hàng rào điện bị chọc thủng diode tính chất dẫn điện theo chiều (diode bị hỏng) Trên hình vẽ, đầu lớp P gọi Anode (A) lớp N Cathode (K) 2.2.2 Đặc tính Volt – Ampere (V – A) Vùng khóa Hình H1.3: Đặc tính V – A thực tế (a) lý tưởng Đặc tính có hai nhánh: nhánh thuận tương ứng với trạng thái dẫn điện (nằm góc phần tư I) nhánh nghịch tương ứng với trạng thái ngắt (nằm góc phần tư III) hình H1.3 Trong đó, hình H1.3a đặc tính V – A thực tế, hình H1.3b đặc tính lý tưởng   Hệ Với chế độ dịng điện tải liên tục, ta có: - Điện áp tải có dạng xung, có giá trị thay đổi khoảng U - Điện áp tải thay đổi cách thay đổi thời gian đóng (T1), thời gian ngắt (T2) cơng tắc S xác định theo biều thức: T Ut U (5.5) T - Dòng điện tải chế độ xác lập: I Ut E t  (5.6) R 5.2.Bộ tăng áp Chức Dùng để chuyển lượng từ nguồn có điện áp thấp sang nguồn có điện áp cao Ví dụ: hãm tái sinh động điện chiều, lượng từ nguồn điện áp thấp (sức điện động E) trả trở lại nguồn chiều U 5.2.1 Sơ đồ mạch điện Hình 5.7: Sơ đồ nguyên lý tăng áp Uđk Up Ut It Hình H5.8: giản đồ xung kích dạng sóng điện áp ngõ tăng áp 62 - Nguồn chiều có trị trung bình khơng đổi U, có khả tiếp nhận lượng từ tải trả - Linh kiện đóng ngắt S có là: BJT, MOSFET, IGBT, GTO SCR với chuyển mạch - Tải chiều dạng tổng quát RLE với E