Mục tiêu:◦ Nắm được các kiến thức cơ bản về quá trình biển đổi năng lượng điện dùng các bộ biến đổi bán dẫn công suất cũng như những lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu của biến đổi điện năng.
Trang 1Điện tử công suất
Trang 2 Mục tiêu:
◦ Nắm được các kiến thức cơ bản về quá trình biển đổi năng lượng điện dùng các bộ biến đổi bán dẫn công suất cũng như những lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu của biến đổi điện năng.
◦ Có hiểu biết về những đặc tính của các phần tử bán dẫn công suất lớn.
◦ Có các khái niệm vững chắc về các quá trình biến đổi xoay chiều – một chiều (AC – DC), xoay chiều – xoay chiều (AC – AC), một chiều – một chiều (DC – DC), một chiều – xoay chiều (DC – AC) và các bộ biến tần.
◦ Biết sử dụng một số phần mềm mô phỏng như MATLAB, PLEC,… để nghiên cứu các chế
độ làm việc của các bộ biến đổi
◦ Sau môn học này người học có khả năng tính toán, thiết kế những bộ biến đổi bán dẫn trong những ứng dụng đơn giản.
Yêu cầu:
◦ Nghe giảng và đọc thêm các tài liệu tham khảo,
◦ Sử dụng Matlab-Simulink để mô phỏng, kiểm chứng lại các quá trình xảy ra trong các bộ biến đổi,
◦ Củng cố kiến thức bằng cách tự làm các bài tập trong sách bài tập.
10/22/2010
2
Trang 33
Trang 4 1 Điện tử công suất; Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải,
Trần Trọng Minh; NXB KH&KT Hà nội, 2009.
Quốc Hải, Dương Văn Nghi; NXB KH&KT, 1999.
Trang 5ĐTCS: Xu hư ng phát tri n và ớ ể
ph m vi ng d ng ạ ứ ụ
Xu hư ng phát tri n: d i ớ ể ả công su t tr i r ng, t ấ ả ộ ừ
nh , … ỏ
… Đ n l n và r t l n ế ớ ấ ớ
Ứ ng d ng: r ng kh p, t ụ ộ ắ ừ các thi t b c m tay, dân ế ị ầ
d ng đ n các h th ng ụ ế ệ ố thi t b công nghi p ế ị ệ
Đ c bi t: tham gia vào ặ ệ
đi u khi n trong h ề ể ệ
th ng năng lư ng ố ợ
Vài W đ n vài trăm W, ếthành ph n chính trong ầcác h th ng Power ệ ố
…
10/22/2010
5
Trang 6ĐTCS: Xu hư ng phát tri n và ớ ể
ph m vi ng d ng ạ ứ ụ
Nguyên nhân phát tri n ể Các d li u th c t ữ ệ ự ế
S phát tri n c a ĐTCS ự ể ủ liên quan đ n: ế
ph n t đi u khi n và lý ầ ử ề ểthuy t đi u khi n.ế ề ể
MOSFET, IGBT: t n s đóng c t ầ ố ắ cao, ch u đư c đi n áp cao, ị ợ ệ dòng đi n l n ệ ớ
Các chip vi x lý, vi đi u khi n, ử ề ể DSP 16 bit, 32 bit, nhanh, m nh ạ
Trang 7Ph n I: Nh ng v n đ chung c a ĐTCS và đi u khi n các b bi n đ iầ ữ ấ ề ủ ề ể ộ ế ổ
Đi n t công su t trong h th ng năng lư ng t trư c đ n ệ ử ấ ệ ố ợ ừ ớ ế
nay và t nay v sau.ừ ề
10/22/2010 7
Trang 8Ph n I: Nh ng v n đ chung c a ĐTCS và đi u khi n các b bi n đ iầ ữ ấ ề ủ ề ể ộ ế ổ
Các b bi n đ i Đi n t công su t.ộ ế ổ ệ ử ấ
10/22/2010 8
Trang 9Ph n I: Nh ng v n đ chung c a ĐTCS và đi u khi n các b bi n đ iầ ữ ấ ề ủ ề ể ộ ế ổ
Các lĩnh v c liên quan đ n Đi n t công su t.ự ế ệ ử ấ
10/22/2010 9
Trang 10Ph n I: Nh ng v n đ chung c a ĐTCS và đi u khi n các b bi n đ iầ ữ ấ ề ủ ề ể ộ ế ổ
Sơ đ kh i ch c năng c a b bi n đ i.ồ ố ứ ủ ộ ế ổ
10/22/2010 10
Trang 11Ph n I: Nh ng v n đ chung c a ĐTCS và đi u khi n các b bi n đ iầ ữ ấ ề ủ ề ể ộ ế ổ
Sơ đ các l p m ch c a b bi n đ i.ồ ớ ạ ủ ộ ế ổ
10/22/2010 11
Trang 12Ph n I: Nh ng v n đ chung c a ĐTCS và đi u khi n các b bi n đ iầ ữ ấ ề ủ ề ể ộ ế ổ
Các ph n t trong m ch c a b bi n đ i.ầ ử ạ ủ ộ ế ổ
10/22/2010 12
Trang 13Ph n I: Nh ng v n đ chung c a ĐTCS và đi u khi n các b bi n đ iầ ữ ấ ề ủ ề ể ộ ế ổ
T l kh i lư ng và th tích các ph n t trong b bi n ỷ ệ ố ợ ể ầ ử ộ ế
đ i bán d n ổ ẫ
10/22/2010 13
Trang 14Ph n I: Nh ng v n đ chung c a ĐTCS và đi u khi n các b bi n đ iầ ữ ấ ề ủ ề ể ộ ế ổ
Chuy n m ch: v n đ c c kỳ quan tr ng đ i v i công su t l n ể ạ ấ ề ự ọ ố ớ ấ ớ
Ba lo i chuy n m ch: C ng (Hard switching), Snubbered, Soft- ạ ể ạ ứ
switching.
10/22/2010 14
Trang 15Ph n I: Nh ng v n đ chung c a ĐTCS và đi u khi n các b bi n ầ ữ ấ ề ủ ề ể ộ ế
Trang 16Chương I Những phần tử bán dẫn công suất
I.5 GTO (Gate-Turn-off Thyristor)
I.6 BJT (Bipolar Junction Transistor)
I.7 MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)
I.8 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
C n n m đư c:ầ ắ ợ
◦ Nguyên lý ho t đ ng ạ ộ
◦ Các thông s cơ b n ố ả (Đ c tính k thu t), c n thi t đ l a ch n ph n t ặ ỹ ậ ầ ế ể ự ọ ầ ử cho m t ng d ng c th ộ ứ ụ ụ ể
Trang 17 Các van bán dẫn chỉ làm việc trong chế độ khóa
◦ Van không điều khiển, như ĐIÔT,
◦ Van có điều khiển, trong đó lại phân ra:
Điều khiển không hoàn toàn, như TIRISTOR, TRIAC,
Điều khiển hoàn toàn, như BIPOLAR TRANSISTOR, MOSFET, IGBT, GTO.
10/22/2010
17
Chương I Những phần tử bán dẫn công suất
I.1 Những vấn đề chung
Đặc tính vôn-ampe của van lý tưởng: dẫn dòng theo cả hai chiều; chịu được điện áp thep cả hai chiều.
Trang 18 Cấu tạo từ một lớp tiếp giáp p-n
◦ Chỉ dẫn dòng theo một chiều từ anot đến catot
◦ uAK >0 iD >0; Phân cực thuận.
◦ uAK < 0 iD = 0; Phân cực ngược
10/22/2010
18
Chương I Những phần tử bán dẫn công suất
I.2 Điôt
Ký hiệu điôt
Đặc tính vôn-ampe lý tưởng của điôt
Trang 19 Đặc tính vôn-ampe của điôt
◦ Giúp giải thích chế độ làm việc thực tế của điôt
◦ Tính toán chế độ phát nhiệt (tổn hao trên điôt) trong quá trình làm việc
10/22/2010
19
Chương I Những phần tử bán dẫn công suất
I.2 Điôt
Đặc tính Vôn-ampe thực tế của điôt Đặc tính tuyến tính hóa:
uD = UD,0 + rD*iD; rD = ΔUD/ΔID
Trang 20 Đặc điểm cấu tạo của điôt công suất (Power diode)
◦ Phải cho dòng điện lớn chạy qua (cỡ vài nghìn ampe), phải chịu được điện
áp ngược lớn (cỡ vài nghìn vôn);
◦ Vì vậy cấu tạo đặc biệt hơn là một tiếp giáp bán dẫn p-n thông thường
Trong lớp bán dẫn n có thêm lớp nghèo điện tích n-
10/22/2010
20
Chương I Những phần tử bán dẫn công suất
I.2 Điôt
Trang 21Khi mở: điện áp uFr lớn lên đến vài V
trước khi trở về giá trị điện áp thuận cỡ 1 – 1,5V do vùng n- còn thiếu điện tích
Khi khóa: dòng về đến 0, sau đó tiếp tục tăng theo chiều ngược với tốc độ dir/dt đến giá trị Irr rồi về bằng 0.
Đi n tích ệ
ph c h i Qrr ụ ồ
Th i gian ờ
ph c h i trr ụ ồ
Trang 22 Các thông số cơ bản của điôt
◦ Giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua điôt theo chiều thuận: ID (A)
◦ Giá trị điện áp ngược lớn nhất
mà điôt có thể chịu đựng được,
Tại sao lại là dòng trung bình?
◦ Liên quan đến quá trình phát nhiệt.
◦ Cho ví dụ:
Khả năng chịu điện áp: 3 giá trị,
◦ Repetitive peak reverse voltages, URRM
◦ Non repetitive peak reverse voltages , URSM
◦ Direct reverse voltages, UR
Khi tần số tăng lên tổn thất do quá trình đóng cắt
sẽ đóng vai trò chính chứ không phải là tổn thất khi dẫn.
Ba loại điôt công suất chính:
◦ 1 Loại thường, dùng ở tần số 50, 60 Hz Không cần quan tâm đến trr.
◦ 2 Loại nhanh: fast diode, ultrafast diode.
◦ 3 Schottky Diode: không phải là loại có tiếp giáp p-n Sụt áp khi dẫn rất nhỏ, cỡ 0,4 – 0,5 V, có thể đến 0,1 V Dùng cho các ứng dụng tần số cao, cần dòng lớn, điện áp nhỏ, tổn thất rất nhỏ Chỉ chịu được điện áp thấp, dưới 100 V.
+
= ∫
Trang 23 Cấu tạo: cấu trúc bán dẫn gồm 4 lớp, p-n-p-n, tạo nên 3 tiếp giáp p-n, J1, J2, J3.
Có 3 cực:
◦ Anode: nối với lớp p ngoài cùng,
◦ Cathode: nới với lớp n ngoài cùng,
◦ Gate: cực điều khiển, nối với lớp p ở giữa.
Là phần tử có điều khiển Có thể khóa cả điện áp ngược lẫn điện áp thuận
Chỉ dẫn dòng theo một chiều từ anot đến catot
◦ uAK >0 ; Phân cực thuận.
◦ uAK < 0 ; Phân cực ngược
10/22/2010
23
Chương I Những phần tử bán dẫn công suất
I.3 Thyristor
Ký hiệu thyristor
Đặc tính vôn-ampe lý tưởng của thyristor.
Trang 2424
Chương I Những phần tử bán dẫn công suất
I.3 Thyristor
Thyristor: Cấu trúc bán dẫn và mạch điện tương đương.
L p n- làm ớ tăng kh năng ả
ch u đi n áp ị ệ
Trang 25 Đặc tính vôn-ampe của thyristor
2.2 Khi UGK > 0,
◦ Đặc tính chuyển lên đoạn điện trở nhỏ tại UAK
<< Uf,max.
◦ Điện áp chuyển càng nhỏ nếu UGK càng lớn.
Trong mọi trường hợp thyristor chỉ dẫn dòng được nếu IV > Ih, gọi là dòng duy trì (Holding current).
10/22/2010
25
Chương I Những phần tử bán dẫn công suất
I.3 Thyristor
Ur: reverse voltage Uf: forward voltage
Trang 26 1 Giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua tiristor, IV
2 Điện áp ngược cho phép lớn nhất, Ung,max
3 Thời gian phục hồi tính chất khóa của thyristor, trr (μs)
◦ Thời gian tối thiểu phải đặt điện áp âm lên anôt-catôt của tiristor sau khi dòng
iV đã về bằng 0 trước khi có thể có điện áp UAK dương mà tiristor vẫn khóa.
◦ Trong nghịch lưu phụ thuộc hoặc nghịch lưu độc lập, phải luôn đảm bảo thời
gian khóa của van cỡ 1,5 - 2 lần tr.
◦ trr phân biệt thyristor về tần số:
trr càng nh , càng đ t ỏ ắ
Trang 27 4 Tốc độ tăng dòng cho phép, dI/dt (A/μs)
◦ Thyristor tần số thấp: dI/dt cỡ 50 – 100 A/μs.
◦ Thyristor tần số cao: dI/dt cỡ 200 – 500 A/μs.
5 Tốc độ tăng điện áp cho phép, dU/dt (V/μs)
◦ Thyristor tần số thấp: dU/dt cỡ 50 – 100 V/μs.
◦ Thyristor tần số cao: dU/dt cỡ 200 – 500 V/μs.
6 Thông số yêu cầu đối với tín hiệu điều khiển, (UGK, IG)
◦ Ngoài biên độ điện áp, dòng điện, độ rộng xung là một yêu cầu quan trọng.
◦ Độ rộng xung tối thiểu phải đảm bảo dòng IV vượt qua giá trị dòng duy trì Ih
Minh h a hi u ng dU/dt ọ ệ ứtác d ng như dòng m vanụ ở
10/22/2010
27
Chương I Những phần tử bán dẫn công suất I.3 Thyristor Các thông số cơ bản.
Trang 2828
Chương I Những phần tử bán dẫn công suất I.3 Thyristor Sơ đồ ứng dụng tiêu biểu.
Trang 2929
Trang 30 S tìm hi u nh ng v n đ khi mu n tăng công su t c a các b ẽ ể ữ ấ ề ố ấ ủ ộ
bi n đ i theo hư ng dòng đi n l n và đi n áp cao Ph i làm ế ổ ớ ệ ớ ệ ả
th nào?ế
◦ Lĩnh v c ng d ng công su t nh : r t quan tr ng nhưng ph i có m t ự ứ ụ ấ ỏ ấ ọ ả ộ chương trình khác.
S tìm hi u lĩnh v c ng d ng quan tr ng c a ĐTCS trong ẽ ể ự ứ ụ ọ ủ
đi u khi n h th ng năng lư ng, bù và đ m b o ch t lư ng ề ể ệ ố ợ ả ả ấ ợ
đi n áp Đ c bi t liên quan đ n lư i đi n phân tánệ ặ ệ ế ớ ệ
◦ Nh ng ng d ng r ng rãi c a ĐTCS trong đi u khi n máy đi n đã đư c ữ ứ ụ ộ ủ ề ể ệ ợ
đ c p đ n trong các môn h c v Truy n đ ng đi n Không đ c p ề ậ ế ọ ề ề ộ ệ ề ậ ở đây.
◦ Các b bi n đ i dùng thyristor trong các b ch nh lưu hay nh ng b ộ ế ổ ộ ỉ ữ ộ ngu n cho các quá trình công ngh đã đ c p đ y đ trong chương ồ ệ ề ậ ầ ủ trình ĐTCS cơ b n ả
10/22/2010
30
Trang 31Multilevel Converter dùng để tăng công suất
bộ biến đổi
10/22/2010
31
Trang 32Nguyên lý tạo điện áp ra trong nghịch lưu đa cấp
10/22/2010
32
Trang 33Các sơ đồ NL ĐC cơ bản
10/22/2010
33
Trang 34So sánh số lượng van bán dẫn trong các sơ đồ
NL ĐC
10/22/2010
34
Trang 35Vector không gian c a NL 4 c p ủ ấ
10/22/2010
35
Trang 36Sơ đ NL 4 c p và ch nh lưu 12 xung ồ ấ ỉ
10/22/2010
36
Trang 37D ng đi n áp pha và dòng t i ạ ệ ả
10/22/2010
37
Trang 381 Xác đ nh tr ng thái van ị ạ state switch:
◦ Không làm ng n m ch ngu n áp (t C); ắ ạ ồ ụ
◦ Không h m ch ngu n dòng (cu n c m L) ở ạ ồ ộ ả
2 V i m i tr ng thái van xác đ nh vector ớ ỗ ạ ị
tr ng thái ạ state vector
3 Xây d ng đ th vector không gian: ự ồ ị các vector biên và các sector.
4 Cho vector mong mu n dư i d ng h ố ớ ạ ệ
t a đ c c , , ho c d ng t a đ , ọ ộ ự ặ ạ ọ ộ
5 Tính toán h s bi n đi u tùy theo v ệ ố ế ệ ị trí c a vector mong mu n n m trong ủ ố ằ sector nào.
Trang 39Trạng thái van ua ub uc u/E Vectơ
1/ 3 1/ 2 + j 3 / 2
1/ 3 1/ 2 − + j 3 / 2 ( ) 1/ 3 1/ 2 − + j0
1/ 3 1/ 2 − − j 3 / 2
1/ 3 1/ 2 − j 3 / 2 ( )
Trang 40 Quy lu t t ng h p vector đ u ậ ổ ợ ầ
◦ u = p3 + d1 + d2,
◦ d1 = d1(p1 – p3); d2 = d2(p2 – p3); d1, d2 là t l đ dài so v i ỷ ệ ộ ớ
c nh tương ng c a tam giác ạ ứ ủ
◦ u = p3 + d1(p1 – p3) + d2(p2 – p3)
◦ u = p3(1 – d1 – d2) + d1p1 + d2p2.
◦ Có 3 lo i vector: vector l n LV, trung ạ ớ bình MV, nh SV (và vector không) ỏ
◦ 18 vector chia m t ph ng ra 6 sector ặ ẳ , m i sector ch a 4 tam giác đ u ỗ ứ ề
10/22/2010
40
Trang 41 M ch vòng dòng đi n đ m b o đáp ng c a dòng đi n như mong ạ ệ ả ả ứ ủ ệ
Trang 42Các lo i m ch vòng dòng đi n ạ ạ ệ
10/22/2010
42
Trang 43M ch vòng dòng đi n: có và không ạ ệ
có PWM 10/22/2010
43
Trang 44 Dùng b đi u ộ ề
ch nh PI xoay ỉchi u.ề
10/22/2010
44
Trang 45 B đi u ch nh PI ộ ề ỉtrong h t a đ ệ ọ ộtĩnh 0αβ.
Có sai s tĩnh ố
do đ d ch pha ộ ị
c a tín hi u ủ ệxoay chi u.ề
10/22/2010
45
Trang 46 B đi u ch nh PI ộ ề ỉtrong h t a đ ệ ọ ộtĩnh 0αβ.
Không sai s ốtĩnh
Trang 47 B đi u ch nh ộ ề ỉ
PI v i các ớthành ph n ầ
m t chi u.ộ ề
Không sai s ốtĩnh
Ph c t p vì ứ ạ
c n nhi u ầ ềphép bi n đ i ế ổ
Trang 48 Cách th c ự
hi n.ệ
Lưu ý c u ấtrúc liên h ệchéo
10/22/2010
48
Trang 49 C u trúc tương tấ ự
C u trúc gián đo n sấ ạ ố
quay 0dq10/22/2010
49
Trang 50 Ph n t l P ầ ỷ ệkhông thay đ i ổqua các phép quay t a đọ ộ
Ch có khâu tích ỉphân I ch u tác ị
đ ng c a phép ộ ủquay
Bi n đ i Laplace ế ổcho th y ph n ấ ầtích phân tương đương v i khâu ớ
c ng hư ng ộ ởtrong h t a đ ệ ọ ộtĩnh
10/22/2010
50
Trang 51 Tính ch t quan tr ng: ấ ọ
◦ Không c n nhi u phép bi n đ i;ầ ề ế ổ
◦ Tác đ ng có tính ch n l c v t n s ;ộ ọ ọ ề ầ ố
◦ Thích h p cho ng d ng trong l c tích c cợ ứ ụ ọ ự
◦ Có th thi t k nhi u khâu tích phân song song đ đ m ể ế ế ề ể ả
b o tính l c cho các sóng hài b c cao hơn như b c 5, 7, 11, ả ọ ậ ậ
…
10/22/2010
51
Trang 53 Vai trò của các bộ biến đổi bán dẫn trong hệ thống năng lượng
Điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng
Lý thuyết tính toán dòng công suất
10/22/2010
53
Trang 54PE in Electrical Smart Grid
10/22/2010
54
Trang 55PE in Electrical Systems
10/22/2010
55