Giáo trình điện tử công suất (nghề điện tử công nghiệp trình độ cao đẳng)

TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng nguyên 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 LỜI GIỚI THIỆU Điện tử công suất mô đun chuyên ngành của nghề Điện tử cơng nghiệp biên soạn dựa theo chương trình đào tạo đã xây dựng ban hành năm 2021 của trường Cao đẳng nghề Cần Thơ phục vụ cho nghề Điện tử cơng nghiệp hệ Cao đẳng Giáo trình biên soạn làm tài liệu học tập, giảng dạy nên giáo trình đã xây dựng mức độ đơn giản dễ hiểu, học có thí dụ tập tương ứng để áp dụng làm sáng tỏ phần lý thuyết Khi biên soạn, nhóm biên soạn đã dựa kinh nghiệm thực tế giảng dạy, thiết bị thực hành của trường, tham khảo đồng nghiệp, tham khảo giáo trình có cập nhật kiến thức có liên quan để phù hợp với nội dung chương trình đào tạo phù hợp với mục tiêu đào tạo, nội dung biên soạn gắn với nhu cầu thực tế Nội dung giáo trình biên soạn với dung lượng thời gian đào tạo 60 giờ gồm có: Bài MĐ08-01: Linh kiện điện tử công suất Bài MĐ08-02: Chỉnh lưu công suất pha Bài MĐ08-03: Chỉnh lưu công suất ba pha Bài MĐ08-04: Điều khiển công suất xoay chiều Bài MĐ08-05: Biến tần Mặc dù đã cố gắng tổ chức biên soạn để đáp ứng mục tiêu đào tạo không tránh thiếu sót Rất mong nhận đóng góp ý kiến của thầy, cơ, bạn đọc để nhóm biên soạn điều chỉnh hoàn thiện Cần Thơ, ngày tháng năm 2021 Tham gia biên soạn Chủ biên: Nguyễn Thanh Nhàn MỤC LỤC Trang TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN LỜI GIỚI THIỆU MỤC LỤC BÀI 1: LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT DIODE 10 1.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động 10 1.2 Đặc tính V-A (Volt-Ampe) 10 1.3 Đặc tính đóng cắt 11 1.4 Các thông số 12 1.5 Ứng dụng 12 THYRISTO 12 2.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động SCR (Silicon Controlled Rectifier) 12 2.2 Các thông số 13 2.3 Ứng dụng 14 Các linh kiện khác họ Thyristor 14 3.1 TRIAC Error! Bookmark not defined 3.2 THYRISTOR khoá cực điều khiển GTO 15 3.3 Ứng dụng 17 Transistor công suất BJT (Bipolar Junction Transistor) 17 4.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động 17 4.2 Đặc tính đóng cắt của BJT 17 Transistor trường MOSFET 18 5.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động 18 5.2 Đặc tính đóng cắt của MOSFET 19 Transistor có cực điều khiển cách ly IGBT 20 6.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động 20 6.2 Đặc tính đóng cắt của IGBT 21 6.3 Yêu cầu tín hiệu điều khiển IGBT 21 Bảo vệ làm mát cho van bán dẫn công suất 21 7.1 Đặc tính nhiệt 21 7.2 Mạch trợ giúp van 21 Thực hành 22 8.1 Chuẩn bị trang thiết bị, dụng cụ linh kiện 22 8.2 Các bước thực tra cứu linh kiện theo sổ tay ECG 23 8.3 Tra cứu linh kiện mạng Internet 23 BÀI 2: CHỈNH LƯU CÔNG SUẤT MỘT PHA 25 Chỉnh lưu pha nửa chu kỳ 25 1.1 Chỉnh lưu pha nửa chu kỳ không điều khiển 25 1.1.1 Sơ đồ nguyên lý 25 1.1.2 Nguyên lý hoạt động 26 1.2 Chỉnh lưu pha nửa chu kì có điều khiển 27 1.2.1 Tải thuần trở 27 1.2.2 Tải Trở - Cảm 28 Chỉnh lưu pha hai nửa chu kỳ có điểm trung tính không điều khiển 29 2.1 Sơ đồ nguyên lý 29 2.2 Nguyên lý hoạt động 29 3 Chỉnh lưu cầu pha 31 3.1 Chỉnh lưu cầu pha không điều khiển 31 3.1.1 Sơ đồ nguyên lý 31 3.1.2 Nguyên lý hoạt động 31 3.2 Chỉnh lưu cầu pha có điều khiển 32 3.2.1 Tải thuần trở 32 3.2.2 Tải trở cảm (R-L) 33 Thực hành 34 4.1 Chuẩn bị trang thiết bị, dụng cụ 34 4.2 Các bước thực lắp đặt mạch thực hành 34 BÀI 3: CHỈNH LƯU CÔNG SUẤT BA PHA 39 Chỉnh lưu tia ba pha không điều khiển 39 1.1 Sơ đồ nguyên lý 39 1.2 Nguyên lý hoạt động 39 Chỉnh lưu hình cầu ba pha không điều khiển 40 2.1 Sơ đồ nguyên lý 40 2.2 Nguyên lý hoạt động 41 Chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển 42 Chỉnh lưu hình tia ba pha có điều khiển 43 4.1 Tải thuần trở 43 4.2 Tải trở - Cảm (R-L) 45 5.Thực hành 45 5.1 Chuẩn bị trang thiết bị, dụng cụ 45 5.2 Các bước thực lắp đặt mạch thực hành 45 BÀI 4: ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT XOAY CHIỀU 50 Khái quát biến đổi điện áp xoay chiều 50 Bộ biến đổi xung áp xoay chiều pha tải thuần trở 50 2.1 Sơ đồ nguyên lý 50 2.2 Nguyên lý hoạt động 51 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều pha tải cảm 52 3.1 Góc điều khiển a   / 52 3.2 Góc điều khiển a   / 53 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha 54 Thực hành 55 5.1 Chuẩn bị trang thiết bị, dụng cụ 55 5.2 Các bước thực lắp đặt mạch thực hành 55 BÀI 5: BIẾN TẦN 59 Khái quát phân loại 59 Bộ biến đổi trực tiếp 60 2.1 Biến tần trực tiếp pha 60 2.2 Bộ biến tần trực tiếp ba pha 60 Biến tần nguồn dòng 61 3.1 Biến tần nguồn dòng pha 61 3.2 Biến tần nguồn dòng ba pha 62 Biến tần nguồn áp 64 4.1 Biến tần nguồn áp pha 65 4.2 Biến tần nguồn áp ba pha 65 Các biến tần đại 66 5.1 Bộ biến tần chỉnh độ rộng xung (PWM) 66 5.1.1 Cơ sở điều chỉnh độ rộng xung 66 5.1.2 Nguyên tắc điều khiển 66 5.2 Bộ biến tần điều chỉnh độ rộng xung ba pha dùng IGBT 68 Thực hành 69 6.1 Chuẩn bị trang thiết bị, dụng cụ 69 6.2 Các bước thực lắp đặt mạch thực hành 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 GIÁO TRÌNH MƠ ĐUN Tên mơ đun: ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT Mã mơ đun: MĐ08 Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị mơ đun - Vị trí: Mơ đun bố trí dạy sau học xong môn sở như: linh kiện điện tử, mạch điện tử, kỹ thuật số, đo lường điện – điện tử, …và học song song mơ đun: Điều khiển điện khí nén, Điều khiển thủy lực, Hệ thống sản xuất linh hoạt MPS, Robot công nghiệp - Tính chất: Là mơ đun chun mơn nghề Điện tử cơng nghiệp trình độ cao đẳng - Ý nghĩa vai trị của mơ đun: Ngày nay, thiết bị điện tử công suất đề xuất để phục vụ yêu cầu ngày cao của số lĩnh vực sống Điện tử công suất đã giúp cho việc vận hành, sử dụng điện cách hiệu Một số loại linh kiện điện tử công suất sử dụng trình làm biến đổi điều khiển cơng suất, ví dụ đem lại hiệu cao tổn hao thấp lò cao tần, truyền tải điện DC Điện tử công suất có nhiệm vụ xử lý điều khiển dịng lượng điện cách đưa vào điện áp dịng điện dạng thích hợp cho tải Các tải định thông số điện áp, tần số, dòng điện số pha đầu của biến đổi Mục tiêu Mô đun: Sau học xong mơ đun học viên có lực - Về kiến thức: + Nhận biết xác hệ thống điều khiển sử dụng điện tử cơng suất; + Trình bày cấu trúc, ứng dụng của điện tử công suất công nghiệp; + Phân tích chuẩn đốn tượng hư hỏng có liên quan đến mạch điện tử công suất; - Về kỹ năng: + Vận hành thiết bị dây chuyền sản xuất dùng điện tử công suất; + Xác định nguyên nhân hư hỏng biện pháp xử lý hư hỏng xảy thực tế; + Thực thiết kế ứng dụng điều của điện tử công suất vào thực tiễn sản xuất; + Kiểm tra, vận hành sửa chữa mạch điện tử công suất kỹ thuật - Năng lực tự chủ trách nhiệm: + Cẩn thận, chủ động sáng tạo học tập, an toàn cho người thiết bị; + Tổ chức nơi làm việc gọn gàng, ngăn nắp biện pháp an toàn; Nội dung mô đun Thời gian (giờ) Thực hành, Số Tên mơ đun Tổng Lý thí nghiệm, Kiểm TT số thuyết thảo luận, tra tập Bài 1: Linh kiện điện tử công 4 suất Diode 0.5 0.5 1.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động 1.2 Đặc tính V-A 1.3 Đặc tính đóng cắ 1.4 Các thơng số 1.5 Ứng dụng Thyristor 2.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động SCR 2.2 Các thông số 2.3 Ứng dụng Các linh kiện khác họ THYRISTOR TRIAC 3.2 Thyristor khoá cực điều khiển GTO 3.3 Ứng dụng Transistor công suất BJT 4.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động 4.2 Đặc tính đóng cắt của BJT Transistor trường MOSFET 5.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động 5.2 Đặc tính đóng cắt của MOSFET Transistor có cực điều khiển cách ly IGBT 6.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động 6.2 Đặc tính đóng cắt của IGBT 6.3 Yêu cầu tín hiệu điều khiển IGBT Bảo vệ làm mát cho van bán dẫn cơng suất 7.1 Đặc tính nhiệt 7.2 Mạch trợ giúp van Thực hành 8.1 Chuẩn bị trang thiết bị, dụng cụ linh kiện 8.2 Các bước thực tra cứu linh kiện theo sổ tay ECG 8.3 Tra cứu linh kiện mạng Internet Bài 2: Chỉnh lưu công suất pha Chỉnh lưu pha nửa chu kỳ 1.1 Chỉnh lưu pha nửa chu kỳ không điều khiển 1.1.1 Sơ đồ nguyên lý 1.1.2 Nguyên lý hoạt động 0.5 0.5 1 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 1 4 1.2 Chỉnh lưu pha nửa chu kì có điều khiển 1.2.1 Tải th̀n trở 1.2.2 Tải Trở - Cảm Chỉnh lưu pha hai nửa chu kỳ có điểm trung tính khơng điều khiển 2.1 Sơ đồ nguyên lý 2.2 Nguyên lý hoạt động Chỉnh lưu cầu pha 3.1 Chỉnh lưu cầu pha không điều khiển 3.1.1 Sơ đồ nguyên lý 3.1.2 Nguyên lý hoạt động 3.2 Chỉnh lưu cầu pha có điều khiển 3.2.1 Tải thuần trở 3.2.2 Tải trở cảm Thực hành 4.1 Chuẩn bị trang thiết bị, dụng cụ 4.2 Các bước thực lắp đặt mạch thực hành Bài 3: Chỉnh lưu công suất ba pha Chỉnh lưu tia ba pha không điều khiển 1.1 Sơ đồ nguyên lý 1.2 Nguyên lý hoạt động Chỉnh lưu hình cầu ba pha không điều khiển 2.1 Sơ đồ nguyên lý 2.2 Nguyên lý hoạt động Chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển Chỉnh lưu hình tia ba pha có điều khiển 4.1 Tải thuần trở 4.2 Tải trở - Cảm Thực hành 5.1 Chuẩn bị trang thiết bị, dụng cụ 5.2 Các bước thực lắp đặt mạch thực hành Kiểm tra Bài 4: Điều khiển công suất xoay chiều 1 2 4 12 1 1 2 2 5 16 1 Khái quát biến đổi điện áp xoay chiều Bộ biến đổi xung áp xoay chiều pha tải thuần trở 2.1 Sơ đồ nguyên lý 2.2 Nguyên lý hoạt động Bộ biến đổi điện áp xoay chiều pha tải cảm 3.1 Góc điều khiển a   / 3.2 Góc điều khiển a   / Bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha Thực hành 5.1 Chuẩn bị trang thiết bị, dụng cụ 5.2 Các bước thực lắp đặt mạch thực hành Kiểm tra Bài 5: Biến tần Khái quát phân loại Bộ biến đổi trực tiếp 2.1 Biến tần trực tiếp pha 2.2 Bộ biến tần trực tiếp ba pha Biến tần nguồn dòng 3.1 Biến tần nguồn dòng pha 3.2 Biến tần nguồn dòng ba pha Biến tần nguồn áp 4.1.Biến tần nguồn áp pha 4.2 Biến tần nguồn áp ba pha Các biến tần đại 5.1 Bộ biến tần chỉnh độ rộng xung (PWM) 5.1.1.Cơ sở điều chỉnh độ rộng xung 5.1.2 Nguyên tắc điều khiển 5.2 Bộ biến tần điều chỉnh độ rộng xung ba pha dùng IGBT Thực hành 6.1 Chuẩn bị trang thiết bị, dụng cụ 6.2 Các bước thực lắp đặt mạch thực hành Kiểm tra Cộng 1 2 2 2 1 16 1 1 2 2 2 60 7 30 27 BÀI 1: LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Mã Bài: MĐ08 - 01 Giới thiệu: 1 Các phần tử bán dẫn công suất sử dụng biến đổi hoạt động khóa điện tử, gọi van bán dẫn; mở dẫn dịng nối tải vào nguồn, khóa ngắt tải khỏi nguồn Khác với phần tử có tiếp điện, van bán dẫn thực đóng cắt dịng điện không gây nên tia lửa điện, không bị mài mịn theo thời gian Tuy đóng cắt dòng điện lớn van bán dẫn lại điều khiển tín hiệu cơng suất nhỏ Quy luật nối tải vào nguồn phụ thuộc vào sơ đồ biến đổi phụ thuộc cách thức điều khiển van biến đổi Các van bán dẫn phân loại thành: - Van không điều khiển, Diode - Van có điều khiển, phân loại ra: + Điều khiển khơng hồn tồn, thyritsto, TRIAC + Điều khiển hoàn toàn, BJT, MOSFET, IGBT, GTO Mục tiêu: - Nhận dạng linh kiện điện tử cơng suất; - Trình bày cấu trúc, thông số kỹ thuật nguyên lý hoạt động của linh kiện điện tử công suất; - Kiểm tra đánh giá chất lượng linh kiện điện tử công suất; - Chủ động, sáng tạo đảm bảo an toàn q trình học tập Nội dung chính: Diode 1.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động Diode phần tử cấu tạo lớp tiếp giáp bán dẫn P-N Diode có cực, Anod (A) cực nối với lớp bán dẫn P, Katod (K) cực nối với lớp bán dẫn N (Hình 1.1) Hình 1.1 Diode a Cấu tạo b Ký hiệu c Hình dạng Do hiệu ứng khuếch tán phần tử tải điện miền, lớp tiếp xúc (phần truyền) hình thành hiệu điện tiếp xúc, tạo từ trường E để ngăn ngừa khuếch tán tiếp tục của phần tử tải điện Kết trạng thái cân bằng, ranh giới tiếp xúc tạo vùng nghèo phần tử tải điện 1.2 Đặc tính V-A (Volt-Ampe) Trên hình 1.2 mơ tả đặc tuyến Volt-Ampe của Diode, ứng với nhánh phân cực ngược dịng rị khơng đáng kể, phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ Diode cơng suất làm việc với dịng thuận lớn địi hỏi chế độ giảm nhiệt thích hợp Thơng thường có cực tính chế tạo thuận lợi cho việc ghép với tản nhiệt 10