Giáo trình Điện tử công suất (Nghề Cơ điện tử 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 Cơ điện tử biên soạn dựa theo chương trình đào tạo đã xây dựng và ban hành năm 2021 của trường Cao đẳng nghề Cần Thơ phục vụ cho nghề Cơ điện tử hệ Cao đẳng Giáo trình biên soạn làm tài liệu học tập, giảng dạy nên giáo trình xây dựng mức độ đơn giản dễ hiểu, học có thí dụ tập tương ứng để áp dụng và làm sáng tỏ phần lý thuyết Khi biên soạn, nhóm biên soạn dựa kinh nghiệm thực tế giảng dạy, thiết bị thực hành trường, tham khảo đồng nghiệp, tham khảo các giáo trình có và 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 gồm có: Bài MĐ24-01: Linh kiện điện tử công suất Bài MĐ24-02: Chỉnh lưu công suất pha Bài MĐ24-03: Chỉnh lưu công suất ba pha Bài MĐ24-04: Điều khiển công suất xoay chiều Bài MĐ24-05: Biến tần Mặc dù cố gắng tổ chức biên soạn để đáp ứng mục tiêu đào tạo không tránh thiếu sót Rất mong nhận sự đóng góp ý kiến 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 .1 LỜI GIỚI THIỆU .2 MỤC LỤC BÀI 1: LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 10 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 13 2.1.Cấu tạo nguyên lý hoạt động SCR (Silicon Controlled Rectifier) 13 2.2.Các thông số 13 2.3.Ứng dụng 14 Các linh kiện khác họ Thyristor 14 3.1 TRIAC 14 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 BJT 18 Transistor trường MOSFET 19 5.1.Cấu tạo nguyên lý hoạt động .19 5.2.Đặc tính đóng cắt 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 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 24 Chỉnh lưu pha nửa chu kỳ 24 1.1 Chỉnh lưu pha nửa chu kỳ không điều khiển 24 1.1.1 Sơ đồ nguyên lý .24 1.1.2 Nguyên lý hoạt động .25 1.2 Chỉnh lưu pha nửa chu kì có điều khiển 26 1.2.1 Tải trở 26 1.2.2 Tải Trở - Cảm 27 Chỉnh lưu pha hai nửa chu kỳ có điểm trung tính khơng điều khiển 28 2.1 Sơ đồ nguyên lý 28 2.2 Nguyên lý hoạt động 28 3 Chỉnh lưu cầu pha 30 3.1 Chỉnh lưu cầu pha không điều khiển 30 3.1.1 Sơ đồ nguyên lý .30 3.1.2 Nguyên lý hoạt động .30 3.2 Chỉnh lưu cầu pha có điều khiển .31 3.2.1 Tải trở 31 3.2.2 Tải trở cảm (R-L) 32 Thực hành .33 4.1 Chuẩn bị trang thiết bị, dụng cụ 33 4.2 Các bước thực lắp đặt mạch thực hành 33 BÀI 3: CHỈNH LƯU CÔNG SUẤT BA PHA .38 Chỉnh lưu tia ba pha không điều khiển .38 1.1 Sơ đồ nguyên lý 38 1.2 Nguyên lý hoạt động 38 Chỉnh lưu hình cầu ba pha khơng điều khiển .39 2.1 Sơ đồ nguyên lý 39 2.2 Nguyên lý hoạt động 40 Chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển 41 Chỉnh lưu hình tia ba pha có điều khiển .42 4.1 Tải trở .42 4.2 Tải trở - Cảm (R-L) 44 5.Thực hành 44 5.1 Chuẩn bị trang thiết bị, dụng cụ .44 5.2 Các bước thực lắp đặt mạch thực hành 44 BÀI 4: ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT XOAY CHIỀU 49 Khái quát biến đổi điện áp xoay chiều 49 Bộ biến đổi xung áp xoay chiều pha tải trở 49 2.1 Sơ đồ nguyên lý 49 2.2 Nguyên lý hoạt động 50 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều pha tải cảm .51 3.1 Góc điều khiển .51 3.2 Góc điều khiển .52 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha .53 Thực hành .54 5.1 Chuẩn bị trang thiết bị, dụng cụ 54 5.2 Các bước thực lắp đặt mạch thực hành 54 BÀI 5: BIẾN TẦN 58 Khái quát phân loại 58 Bộ biến đổi trực tiếp 59 2.1 Biến tần trực tiếp pha 59 2.2 Bộ biến tần trực tiếp ba pha 59 Biến tần nguồn dòng 60 3.1 Biến tần nguồn dòng pha 60 3.2 Biến tần nguồn dòng ba pha 61 Biến tần nguồn áp 63 4.1.Biến tần nguồn áp pha 64 4.2.Biến tần nguồn áp ba pha 64 Các biến tần đại 65 5.1 Bộ biến tần chỉnh độ rộng xung (PWM) 65 5.1.1 Cơ sở điều chỉnh độ rộng xung 65 5.1.2 Nguyên tắc điều khiển 65 5.2 Bộ biến tần điều chỉnh độ rộng xung ba pha dùng IGBT .67 Thực hành .68 6.1 Chuẩn bị trang thiết bị, dụng cụ .68 6.2 Các bước thực lắp đặt mạch thực hành .68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 73 GIÁO TRÌNH MƠ ĐUN Tên mơ đun: ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT Mã mơ đun: MĐ24 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: Bài tập tổng hợp Cơ điện tử, Robot công nghiệp, Công nghệ CAD/CAM - Tính chất: Là mơ đun chun mơn nghề Cơ điện tử trình độ cao đẳng - Ý nghĩa vai trị mơ đun: Ngày nay, thiết bị điện tử công suất đề xuất để phục vụ yêu cầu ngày cao số lĩnh vực sống Điện tử công suất giúp cho việc vận hành, sử dụng điện cách hiệu Một số loại linh kiện điện tử cơng suất sử dụng q trình làm biến đổi điều khiển cơng suất, ví dụ đem lại hiệu cao tổn hao thấp lị cao tần, truyền tải điện DC Điện tử cơng 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 biến đổi Mục tiêu Mô đun: Sau học xong mô 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 điện tử công suất công nghiệp; + Phân tích chuẩn đốn tượng hư hỏng có liên quan đến mạch điện tử cơng 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 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 BJT Transistor trường MOSFET 5.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động 5.2 Đặc tính đóng cắt MOSFET Transistor có cực điều khiển cách ly IGBT 6.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động 6.2 Đặc tính đóng cắt 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 1.2 Chỉnh lưu pha nửa 0.5 0.5 1 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5  4 1 4 chu kì có điều khiển 1.2.1 Tải trở 1.2.2 Tải Trở - Cảm Chỉnh lưu pha hai nửa chu kỳ có điểm trung tính không 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 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 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 Khái quát biến đổi điện áp  1  2  4 12 1 1 2 2  5 5 1 16  1 xoay chiều Bộ biến đổi xung áp xoay chiều pha tải 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 3.2 Góc điều khiển 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 2  2  2  8 16 1 1 2 2 2  1 60 1 30 27 BÀI 1: LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Mã Bài: MĐ24 - 01 Giới thiệu: Các phần tử bán dẫn công suất sử dụng biến đổi hoạt động khóa điện tử, gọi van bán dẫn; mở dẫn dòng nối tải vào nguồn, khóa ngắt tải khỏi nguồn Khác với phần tử có tiếp điện, van bán dẫn thực đóng cắt dịng điện khơng gây nên tia lửa điện, khơng 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 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 tồn 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 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 Diode, ứng với nhánh phân cực ngược dịng rị khơng đáng kể, phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ 10 Trong thực tế sử dụng điện ta cần thay đổi tần số nguồn cung cấp, biến tần sử dụng rộng rãi truyền động điện, thiết bị đốt nóng cảm ứng, thiết bị chiếu sang… Nhờ chuyển mạch điện tử ta biến đổi tần số lưới điện Người ta chia biến tần thành hai loại: - Bộ biến tần trực tiếp: biến đổi tần số đầu vào f1 thành tần số f2 cách thức đóng cắt dịng xoay chiều tần số f1 Nói chung f2 < f1 Thuật ngữa tiếng Anh biến tần trực tiếp là: Cycloconverter - Biến tần gián tiếp (Bộ nghịch lưu) Trong nghịch lưu dòng điện chiều (f1=0) chuyển mạch để tạo nên tần số f2 Thuật ngữ tiếng Anh nghịch lưu Inverter Bộ biến đổi trực tiếp 2.1 Biến tần trực tiếp pha Hình 5.1 Bộ biến tần trực tiếp pha Các chuyển mạch hai nửa chu kỳ gồm hai nhóm: nhóm dương ký hiệu P nhóm âm ký hiệu N Các thyristor mồi không trễ (góc mở α = 0), nghĩa P coi nhóm chỉnh lưu diode Tải nhận hai nửa chu kỳ điện áp nguồn với biên độ điện áp tải trở nên điện áp trùng pha với dịng điện Khi tăng góc mở điện áp tiến tới không - Sự làm việc nhóm bị khóa: Trên sơ đồ hình 5.1 ta nhận thấy tiristor nhóm dương P nhóm âm N dẫn đồng thời xảy ngắn mạch nguồn Để tránh tình trạng ta đặt thêm cuộn kháng san nhóm để hạn chế dịng điện chạy vịng qua nhóm tiến hành điều khiển cho nhóm khơng thể mồi nhóm chưa bị khóa Muốn có điện áp mong muốn, khoảng dẫn nhóm không Để tạo nên điện áp gần hình sin nhất, cần điều chỉnh góm mở khác Do trễ dòng điện tải, khoảng dẫn nhóm chỉnh lưu nghịch lưu khác Nhóm ngừng dẫn dòng điện tải ngược chiều Theo dạng sóng điện áp chuyển đổi nhóm chirng lưu nghịchlưu tức thời Trong thực tế cần khoảng thời gian chết để đảm bảo dòng điện ngừng hẳn, thyristor trở trạng thái bị khóa trước bắt đầu mồi nhóm Có thể chỉnh điện áp cách chỉnh góc mở Tuy nhiên điều hịa bậc cao tăng thêm 2.2 Bộ biến tần trực tiếp ba pha 61 Hình 5.2 Bộ biến tần trực tiếp ba pha hình tia p = Hình 5.2 trình bày sơ đồ biến tần trực tiếp ba pha có sỉ số đập mạch bậc ba 18 thyristor cung cấp cho tải ba pha Các nhóm biến đổi nối hình tia Điện áp cực đại biến tần có số đập mạch p là: (5.1) Biên độ điện áp phụ thuộc vào góc mở α: (5.2) Khi biến tần ba pha trực tiếp có p = cung cấp cho tải ba pha đối xứng, dòng điện đối xứng rõ rệt Dạng sóng trường hợp tỉ số biến tần 4/1 cosφ = 0,707 Giả thiết dịng điện tải hình sin, nhiên thực tế chứa điều hòa bậc cao Dòng điện tải tưng chu kỳ khơng giống nhau, có chứa điều hịa chậm so với điện áp chứa điền hòa bậc cao Các thyristor chuyển mạch tự nhiên, tùy theo tính chất tải mà phải mồi tiristor để tạo điện áp mong muốn Dòng điện vào phía ngồn ln chậm pha so với điện áp Gọi U01max trị số cực đại điều hòa Sự biến thiên góc mồi α để tạo nên điện áp mong muốn hình sin xác định bằng: (5.3) hàm phi tuyến, với r ≤ Tuy nhiên góc mồi nhóm biến đổi dương P khơng thể giảm khơng góc mồi nhóm biến đổi âm N 180o Điều thực trùng dẫn thyristor Vì góc mở nhóm biến dổi dương phải giới hạn góc αmin điện áp giảm lượng cosαmin Biến tần nguồn dòng 3.1 Biến tần nguồn dịng pha 62 Hình 5.3 Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu dòng pha dạng dòng tải Bộ nghịch lưu nguồn dòng thường dùng cho hệ thống cơng suất lớn, van dẫn điều khiển hồn tồn tải mang tính cảm kháng cần diode tạo thành cầu ngược dòng điện phản kháng qua dấu dòng tải ngược chiều với dấu điện áp cuộn dây Ld có điện cảm lớn để san dịng chỉnh lưu lọc thành phần sóng hài bậc cao Hoạt động sơ đồ: Giả sử T T4 dẫn dòng chảy từ B sang A t = cho mở T1 T3 T2 T4 bị khóa thiết bị chuyển mạch Vì dịng khơng thể thay đổi đột ngột nên dòng chảy theo chiều cũ D D3 dẫn, T1 T3 bị khóa Từ t1 ÷ t2 T1 T3 dẫn cịn xung điều khiển Từ t2 ÷ t4 cho xung mở T2 T4, T1 T3 bị khóa từ t2 ÷ t3 D2 D4 dẫn cịn t3 ÷ t4 T2 T4 dẫn, dòng điện áp tải có dạng hình sin chữ nhật “Sunus” hàm lẻ chu kỳ 3.2 Biến tần nguồn dòng ba pha Hình 5.4 Biến tần dịng ba pha Khối nghịch lưu dòng dùng để biến đổi dòng điện chiều sau lọc thành dòng xoay chiều để cung cấp cho động không đồng ba pha Trong hệ thống truyền động điện điều chỉnh nghịch lưu dịng thường dùng cho hệ thống có cơng suất lớn có sơ đồ cầu ba pha, van bán dẫn 63 van điều khiển hoàn toàn- ta dùng thyristor Nguồn điện chiều U d thơng qua cuộn dây có cuộn cảm lớn cung cấp cho cầu biến tần dịng điện có Id Hình 5.5 Sơ đồ phân phối xung cho thyristor Trong cầu biến tần tiristor nối thêm diode, gọi diode chặn Các thyristor mở theo thứ tự 1, 2, 3, 4, 5, 6, 1, … Bất kỳ thời điểm nào, trừ giai đoạn trùng dẫn, có hai thyristor dẫn dịng Dịng điện tải có dạng sóng “gần sin chữ nhật” gồm hai khối Các khối cách khoảng, trường hợp lý tưởng khoảng π/3 khoảng dòng điện pha tải Các pha stator động nhận dịng điện “sin chữ nhật” lệch góc 2π/3, tạo từ trường quay mà tốc độ định nhịp điệu cấp xung điều khiển cầu biến tần Động điện sản sinh pha sức điện động tương ứng Nguồn cung cấp cho nghịch lưu nguồn dòng điện, nguồn điện chiều không phụ thuộc vào tổng trở tải Để thực điều thường điện cảm L d phải có giá trị đủ lớn phải sử dụng mạch vòng điều chỉnh dòng điện Dòng điện tải có dạng hình chữ nhật trình tự đóng cắt van từ T1 đến T6 định Giá trị hiệu dụng dòng điện tải: (5.4) Giá trị hiệu dụng thành phần sóng dịng điện phân tích Fourie là: 64 Hình 5.6 Sơ đồ chuyển mạch từ pha R sang pha S Khi nghịch lưu nguồn dòng làm việc với tải động xoay chiều đồ thị điện áp tải có xuất xung nhọn thời điểm chuyển mạch dòng điện pha Trong thực tế kỹ thuật thường dùng van điều khiển khơng hồn tồn, cần có mạch khóa cưỡng van dẫn, đảm bảo chuyển mạch pha cách chắn phạm vi điều chỉnh tần số dịng điện đủ rộng Trong sơ đồ cầu ngồi thyristor lực T1÷T6 cịn sử dụng diode cách ly hay diode chặn D1÷D6 để cách ly tụ điện chuyển mạch dây quấn pha động không đồng để chúng không tạo thành mạch cộng hưởng làm ảnh hưởng đến trình chuyển mạch Biến tần nguồn áp Biến tần nguồn áp hay cịn gọi nghịch lưu điện áp có đặc điểm dạng điện áp tải định hình sẵn, cịn dạng dịng điện tải lại phụ thuộc vào tính chất tải Nguồn cấp điện cho biến tần phải nguồn sức điện động với nội trở nhỏ Nếu sử dụng chỉnh lưu làm nguồn cho nghịch lưu độc lập cần phải mắc thêm tụ điện C0 đầu vào nghịch lưu để mặt đảm bảo điện áp nguồn bị thay đổi, mặt khác để trao đổi lượng phản kháng với điện cảm tải (với tải R động điện) Điện áp nghịch lưu độc lập khơng có dạng hình sin mong muốn mà đa số dạng xung chữ nhật Để đánh giá sóng hài điện áp người ta thường dùng hệ số sau: (5.5) 65 Trong Uq U1 trị hiệu dụng sóng hài bậc q bậc 1(sóng bản) Các van dẫn dùng nghịch lưu độc lập thyristor transistor (bipolar, MOSFET, IGBT), phù hợp ưu tiên dùng transistor người ta tránh dùng thyristor Các sơ đồ nghịch lưu độc lập phần lớn có dạng tương tự mạch chỉnh lưu, thông dụng sơ đồ cầu 4.1 Biến tần nguồn áp pha Hình 5.7 Bộ nghịch lưu điện áp pha a)Sơ đồ, b) đặc tính Trên hình 5.7 trình bày sơ đồ biến tần nguồn áp pha thyristor từ T ÷ T4 nối theo sơ đồ cầu điều khiển cặp (T1 -T4 T2 -T3) Các tụ điện C1, C2 làm nhiệm vụ chuyển mạch Ví dụ T1 T4 mở cho dịng điện chạy qua tụ điện C 1, C2 nạp tới giá trị điện áp nguồn Khi mở T 2, T3 C1 phóng điện qua T1, T2 cịn C2 phóng qua T3, T4 Như dòng qua T1, T4 giảm tới không, thyristor bị ngắt Các diode D1 - D ngăn tụ chuyển mạch với tải để loại trừ ảnh hưởng tụ lên tải Các diode D - D tạo thành cầu ngược cho dòng phản kháng qua tụ Co Ví dụ: trước T - T4 mở, dịng tải chạy theo chiều mũi tên hình vẽ cho xung mở T2 - T3 dịng tải tác dụng sức điện động tự cảm mạch tải đổi chiều đột ngột mà giữ chiều cũ khoảng thời gian t2 ÷ t3 Trong khoảng thời gian t2 ÷ t3 dịng chạy qua D - Co – D7 Các điện kháng L1, L2 dùng để hạn chế dịng điện phóng C1, C2 khơng qua thyristor cần khóa (vì C1 cịn phóng điện mạch D1 -D5 -L1 -T2, C2 mạch T3 -L2 -D8 -D4) 4.2 Biến tần nguồn áp ba pha Dòng hiệu IC -I0 chạy qua diode phóng DZ khơng qua tải Tại t dòng IC =I0, dòng tụ điện giảm nhảy bậc xuống Từ thời điểm dòng tải gây nên lượng tích lũy cảm kháng tải chạy qua mạch khép kín DZ (sđđ cảm ứng phân cực DZ4 theo hướng dẫn) Bây DZ4 đóng vai trị diode zerơ Dịng I chạy mạch DZ4 -L1 -pha A-pha C-L3 -D2 -T2 - DZ4 Nếu độ cảm kháng tải đủ lớn, lượng điện từ mạch vừa nói khơng phóng khoảng ωt=π/3 Điều có nghĩa sau góc π/3 kể từ T3 dẫn lượng kháng đưa nguồn T2 ngắt, DZ5 bắt đầu phân cực dẫn, dòng tải chảy theo mạch sau: DZ4 - L1 -pha A- pha C-L3 -DZ5 -Ud - DZ4 Ở chế độ hãm máy phát động lượng kháng chuyển nguồn từ tải qua điôt DZ 66 Đặc trưng loại chuyển mạch chuyển mạch cưỡng bức, nguồn lượng dùng để chuyển mạch tụ điện nạp tới điện áp tỷ lệ với điện áp nguồn Ud cấp cho Khi giảm giá trị điện áp nguồn giảm lượng tích lũy tụ điện khơng thực chuyển mạch Hình 5.8 Bộ biến tần ba pha nguồn áp có chuyển mạch pha a) sơ đồ, b) đặc tính điện áp pha, c) điện áp dây Các biến tần đại 5.1 Bộ biến tần chỉnh độ rộng xung (PWM) 5.1.1 Cơ sở điều chỉnh độ rộng xung Trên hình 1.18 biểu diễn sơ đồ nguyên lý biến tần pha gồm van điều khiển Điện áp chuỗi xung điện áp chữ nhật biên độ độ rộng xung định luật điều khiển góc mở Hình 5.9 Cơ sở hệ thống biến tần điều chỉnh độ rộng xung 5.1.2 Nguyên tắc điều khiển Luật điều khiển PWM sử dụng nhiều luật so sánh điện áp: 67 - Điện áp chuẩn (điện áp điều biên), ký hiệu u r có dạng hình sin, tần số f r thể điện áp mong muốn - Điện áp mang, ký hiệu u p có dạng tam giác đối xứng, tần số f p (fp >fr) Chúng ta xem xảy chu kỳ điện áp mang Khi xếp chồng ur lên up, chúng cắt hoành độ α 2π-α, giao điểm chúng định giá trị trung bình điện áp Để có xung điều khiển van V1 V2 ta thực sau (hình 5.10) Đưa vào khâu so sánh hai điện áp ur up Mỗi lần chuyển trạng thái lần xuất xung điều khiển van tương ứng Hình 10 Sơ đồ khối phương pháp điều chế độ rộng xung Ngồi việc tạo xung lưỡng cực người ta có cách tạo xung đơn cực hình 20 Do điều khiển băm điện áp tải thành nhiều xung có độ rộng khác nên làm cho điện áp tải chứa sóng hài Hình 5.11 Điều chế độ rộng xung đơn cực 68 5.2 Bộ biến tần điều chỉnh độ rộng xung ba pha dùng IGBT Trên hình 5.12 biểu diễn biến tần gián tiếp pha điều chỉnh độ rộng xung PWM dùng transistor IGBT, sơ đồ gồm transistor IGBT: T1, T2, T3, T4, T5, T6 nối theo sơ đồ cầu Do transistor khơng có khả chịu điện áp âm nên ta dùng diode mắc song song với transitor để bảo vệ transitor khỏi điện áp ngược Trong sơ đồ transistor T1, T 3, T5 mắc chung cực colectơ phía dương transistor T 2, T4, T6 mắc chung cực emitơ phía âm nguồn điện chiều Ud Vì biến tần gián tiếp PWM dùng transistor IGBT nên điện áp tải lặp lại điện áp điều khiển cực cửa transistor, có nghĩa điện áp tải biến tần có dạng xung hình chữ nhật với độ rộng khác giống điện áp điều khiển Hình 5.12 Sơ đồ nguyên lý biến tần gián tiếp ba pha nguồn áp PWM IGBT Do nhiệm vụ hệ thống phải xây dựng sơ đồ điều khiển để tạo điện áp điều khiển có dạng điện áp Để tạo điện áp điều khiển transistor IGBT có dạng xung PWM ta dựa vào nguyên lý trình bày phần Hình 5.13 Điện áp điều khiển transistor biến tần PWM Trên hình 5.13 biểu diễn cách xác định điện áp điều khiển transistor theo nguyên lý điều khiển độ rộng xung cho pha Điện áp pha dây biến tần pha PWM biểu diễn hình 5.14 69 Hình 5.14 Điện áp pha dây biến tần PWM dùng transistor IGBT Thực hành 6.1 Chuẩn bị trang thiết bị, dụng cụ - Máy tính - Phần mềm labsoft - Bộ thực hành điện tử công suất CO3636-3B, SE2673-1K, CO3636-3E, CO5127-Z, CO3636-6V - Dây kết nối - Máy sóng tia - Máy đo DVOM 6.2 Các bước thực lắp đặt mạch thực hành - Bước 1: Xác định tên mạch cần lắp đặt - Bước 2: Kết nối cáp thực hành với máy tính 70 - Bước 3: Kết nối dây PE 71 - Bước 5: Kết nối nguồn đầu vào - Bước 6: Kết nối nguồn với tải 72 - Bước 7: Kết nối hoàn thiện - Bước 8: Điều khiển ngõ theo yêu cầu Những trọng tâm cần ý - Nhận dạng xác phận biến tần - Lắp đặt xác ngõ vào ngõ loại mạch - Điều khiển xác theo yêu cầu Bài tập mở rộng nâng cao Bài 1: Điều khiển tốc độ động với tần số đặt 60Hz Bài 2: Điều khiển tốc độ động với kỹ thuật 87Hz Yêu cầu đánh giá kết học tập 73 Nội dung: + Về kiến thức: Trình bày cấu trúc nguyên lý hoạt động dạng mạch biến tần + Về kỹ năng: Lắp đặt, đo kiểm tra dạng sóng ngõ vào điều khiển động theo yêu cầu kỹ thuật + Năng lực tự chủ trách nhiệm: Tỉ mỉ, cẩn thận, xác, ngăn nắp công việc Phương pháp: + Về kiến thức: Được đánh giá hình thức kiểm tra viết, trắc nghiệm, vấn đáp + Về kỹ năng: Đánh giá kỹ thực hành lắp mạch, đo kiểm tra, vận hành mạch theo yêu cầu + Năng lực tự chủ trách nhiệm: Tỉ mỉ, cẩn thận, xác, ngăn nắp cơng việc - Điều kiện để hồn thành mơ đun để dự thi kết thúc mô đun: + Người học tham dự 70% thời gian học lý thuyết đầy đủ học tích hợp, học thực hành, thực tập + Điểm trung bình chung điểm kiểm tra đạt từ 5,0 điểm trở lên theo thang điểm 10; + Người học có giấy xác nhận khuyết tật theo quy định hiệu trưởng xem xét, định ưu tiên điều kiện dự thi sở sinh viên phải bảo đảm điều kiện điểm trung bình điểm kiểm tra + Số lần dự thi kết thúc mô đun theo quy định khoản Điều 13 Thông tư 09/2017/TT-BLĐTBXH, ngày 13 tháng năm 2017 - Điều kiện để công nhận, cấp chứng nhận đạt mô đun đào tạo: Người học công nhận cấp chứng nhận đạt mơ đun có điểm trung bình mơ đun theo thang điểm 10 đạt từ 4.0 trở lên 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Vụ trung học chuyên nghiệp - Dạy nghề Giáo trình điện tử cơng suất NXB giáo dục 2003 [2] [3] [4] [5] Võ Minh Chính (chủ biên) - Điện tử công suất — NXB KHKT năm 2007 Trần Trọng Minh - Giáo trình Điện tử cơng suất - NXB KHKT năm 2002 Nguyễn Bính - Điện tử công suất - NXB KHKT năm 2002 Nguyễn Văn Nhờ - Điện tử công suất - NXB Đại học quốc gia TP HCM 75