Giáo trình Điện tử công suất (Nghề Điện tử công nghiệp CĐ)

QUÂN KHU TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ SỐ 20 - - GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT Nghề đào tạo: Điện tử cơng nghiệp Trình độ đào tạo: Cao đẳng nghề LƯU HÀNH NỘI BỘ Biên soạn: Lương Quốc Việt Năm 2022 Bài 1: KHÁI NIỆM VỀ ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT Q TRÌNH PHÁT TRIỂN Điện tử cơng suất xếp vào phạm vi môn thuộc kỹ thuật lượng ngành kỹ thuật điện nói chung Tuy nhiên việc nghiên cứu khơng dừng lại phần cơng suất mà cịn ứng dụng lĩnh vực điều khiển khác Kể từ hiệu ứng nắn điện miền tiếp xúc PN cơng bố Shockley vào năm 1949 ứng dụng chất bán dẫn ngày sâu vào lĩnh vực chuyên môn ngành kỹ thuật điện từ phát triển thành ngành điện tử công suất chuyên nghiên cứu khả ứng dụng chất bán dẫn lĩnh vực lượng Với thành cơng việc truyền tải dịng điện pha vào năm 1891, dòng điện chiều thay dòng điện xoay chiều việc sản xuất điện năng, để cung cấp cho tải chiều cần thiết phải biến đổi từ dòng điện xoay chiều thành chiều, yêu cầu thực hệ thống máy phát - động Hiện phương pháp áp dụng kỹ thuật hàn điện Thay cho hệ thống máy điện quay nói việc ứng dụng đèn thủy ngân để nắn điện kéo dài vịng 50 năm sau chấm dứt đời thyristor Điện tử công suất nghiên cứu phương pháp biến đổi dòng điện yêu cầu đóng/ngắt điều khiển, chủ yếu kỹ thuật đóng/ngắt mạch điện chiều xoay chiều, điều khiển dòng chiều, xoay chiều, hệ thống chỉnh lưu, nghịch lưu nhằm biến đổi điện áp tần số nguồn lượng ban đầu sang giá trị khác theo yêu cầu Ưu điểm mạch biến đổi điện tử so với phương pháp biến đổi khác liệt kê sau: - Hiệu suất làm việc cao - Kích thước nhỏ gọn - Có tính kinh tế cao - Vận hành bảo trì dể dàng - Khơng bị ảnh hưởng khí hậu, độ ẩm nhờ linh kiện bọc vỏ kín - Làm việc ổn định với biến động điện áp nguồn cung cấp - Dễ dự phòng, thay - Tuổi thọ cao - Khơng có phần tử chuyển động điều kiện tỏa nhiệt tự nhiên, làm mát quạt gió để kéo dài tuổi thọ - Đáp ứng giá trị điện áp dòng điện theo yêu cầu cách ráp song song nối tiếp thyristor lại với - Chịu chấn động cao, thích hợp cho thiết bị lưu động - Phạm vi nhiệt độ làm việc rộng, thông số thay đổi theo nhiệt độ - Đặc tính điều khiển có nhiều ưu điểm NGUYÊN TẮC BIẾN ĐỔI TĨNH 2.1 Sơ đồ khối Trong lĩnh vực điện tử công suất, để biểu diễn khối chức người ta dùng ký hiệu sơ đồ khối, điện truyền từ nguồn (có số 1) đến tải (có số 2) 2.1.1 Chỉnh lưu Nhiệm vụ mạch chỉnh lưu nhằm biến đổi lượng nguồn xoay chiều pha ba pha sang dạng lượng chiều U1, f1 U2, f2=0Hz ~ Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ chỉnh lưu 2.1.2 Nghịch lưu Nhiệm vụ mạch nghịch lưu nhằm biến đổi lượng dòng chiều thành lượng xoay chiều pha ba pha ~ U1, f1=0Hz U2, f2 Hình 1.2: Sơ đồ khối hệ nghịch lưu 2.1.3 Các hệ thống biến đổi Các mạch biến đổi nhằm thay đổi: - Dòng xoay chiều có điện áp, tần số số pha xác định sang giá trị khác ~ U1, f1 U2, f2 ~ Hình 1.3: Sơ đồ khối hệ biến đổi - Dịng chiều có điện áp xác định sang dịng chiều có giá trị điện áp khác (converter DC to DC) Mạch biến đổi thường kết hợp từ mạch chỉnh lưu mạch nghịch lưu Do đó, lại chia làm hai loại: Biến đổi trực tiếp biến đổi có khâu trung gian 2.2 Các loại tải Tính chất tải có ảnh hưởng quan trọng đến chế độ làm việc mạch đổi điện, người ta chia tải thành loại sau: 2.2.1 Tải thụ động Tải trở bao gồm điện trở thuần, loại tải đơn giản nhất, dòng điện qua tải điện áp rơi tải pha với Loại ứng dụng chủ yếu lĩnh vực chiếu sáng lị nung Tải cảm kháng có đặc tính lưu trữ lượng, tính chất thể tượng san thành phần gợn sóng có điện áp chiều ngõ mạch nắn điện xung điện áp cao xuất thời điểm cắt tải Các ứng dụng quan trọng loại tải là: Các cuộn kích từ máy điện (tạo từ trường), thiết bị nung cảm ứng lị tơi cao tần Trong trường hợp điện cảm thường mắc song song với điện dung để tạo thành khung cộng hưởng song song 2.2.2 Tải tích cực Các loại tải thường có kèm theo nguồn điện áp van chỉnh lưu chế độ phân cực nghịch Ví dụ: Q trình nạp điện bình ắc quy sức phản điện động điện id + R L Ud + Vi _ Hình 1.4: Sơ đồ tương đương tải trở kháng với sức phản điện 2.3 Các van biến đổi Các van điện phần tử cho dòng điện chảy qua theo chiều định Trong lĩnh vực điện tử công suất diode bán dẫn thyristor kể transistor công suất 2.3.1 Van không điều khiển (diode) Một diode lý tưởng cho dòng điện chạy qua điện áp anode dương cathode, điện áp ngõ diode phụ thuộc theo điện áp ngõ vào diode 2.3.2 Van điều khiển (thyristor) Mơt chỉnh lưu có điều khiển lý tưởng không dẫn điện anode cathode phân cực thuận (anode dương cathode) Điều kiện để van dẫn điện đồng thời với chế độ phân cực thuận phải có thêm xung kích cực cổng (UAK dương UGK dương) Điện áp ngõ phụ thuộc theo điện áp vào mà phụ thuộc theo thời điểm xuất xung kích (đặc trưng góc kích α) CƠ BẢN VỀ ĐIỀU KHIỂN MẠCH HỞ Vào kỷ trước đây, nhờ ứng dụng khí hóa vào kỹ thuật mà phát triển lúc chủ yếu hướng khả tự động hóa Tự động hóa q trình có nghĩa q trình tự thực theo chương trình đặt sẵn hội đủ số điều kiện cho trước không cần tham gia người Ưu điểm kỹ thuật tự động hóa độ an tồn, độ xác tính kinh tế cao Kỹ thuật tự động hóa phân thành hai chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển kỹ thuật điều chỉnh Tuy nhiên, thực tế thường gặp trường hợp kết hợp hai Ví dụ: Phương pháp điều chỉnh tốc độ động chiều cầu chỉnh lưu có điều khiển 3.1 Khái niệm Từ mô tả van chỉnh lưu phần có sử dụng khái niệm “van có điều khiển'' Các thyristor điều khiển cách dịch chuyển pha xung kích dẫn đến điện áp cơng suất rơi tải thay đổi theo Thuật ngữ “điều khiển'' nói lên q trình mà nhiều đại lượng vào hệ thống có ảnh hưởng đến đại lượng hệ thống Khi đại lượng khơng hồi tiếp trở lại ngõ vào, người ta gọi trình hở, hướng tác động trình cố định biểu diển mũi tên hình 1.5 Trong thực tế, khái niệm tên gọi kỹ thuật điều khiển định nghĩa xử dụng theo tiêu chuẩn DIN 19226 sau: Đại lượng X đại lượng vật lý hệ thống, đại lượng bị ảnh hưởng theo quy luật điều khiển định Đối tượng điều khiển khâu trình điều khiển, nơi xuất phát đại lượng ra, hệ thống truyền động điều chỉnh thyristor: Động thyristor đối tượng điều khiển, tốc độ momen quay đại lượng Phần tử chấp hành phận đối tượng điều khiển tác động trực tiếp đến lượng khối lượng cần điều khiển, có loại phần tử tác động gián đoạn như: rơ le, cơng tắc tơ có loại tác động liên tục như: Con trượt, van tiết lưu, transistor mạch nắn điện có điện áp thay đổi Tín hiệu điều khiển y tín hiệu tác động vào phần tử chấp hành, tín hiệu phần tử điều khiển Phần tử điều khiển có nhiệm vụ tạo tín hiệu điều khiển, cấu trúc phần tử điều khiển phụ thuộc theo đại lượng vào Đại lượng vào w đưa từ ngồi vào hệ thống, độc lập với q trình điều khiển, đại lượng vào với đại lượng tồn quan hệ xác định Nhiễu z có nguồn gốc từ nhiều nguyên nhân khác nhau, tạo tác động ý muốn đến kết điều khiển Xen Xoutn Xe3 Đại lượng Xe2 vào Đại lượng HỆ ĐIỀU KHIỂN Xout1 Xe1 Hình 1.5: Định nghĩa hệ điều khiển hở Z Nhiễu Xout Năng lượng Đối tượng điều khiển PT chấp hành Y Đại lượng Tín hiệu điều khiển Phần tử điều khiển W Đại lượng vào (Xin) Hình 1.6: Sơ đồ khối hệ điều khiển hở 3.2 Các phương pháp điều khiển Dựa nguyên lý làm việc người ta chia thành hai phương pháp điều khiển Điều khiển vô cấp Điều khiển gián đoạn Dựa trình tự thực người ta chia thành: Điều khiển theo chương trình, điều khiển theo thời gian, điều khiển theo tuyến , điều khiển theo trình điều khiển lập trình 3.2.1 Điều khiển vơ cấp Trong phương pháp đại lượng vào đại lượng tồn quan hệ đơn trị trạng thái ổn định nhiễu không làm xáo trộn hoạt động hệ thống Đại lượng vào w chỉnh định thay đổi từ đến w công nhân vận hành máy Mạch điều chỉnh vơ cấp độ sáng đèn ví dụ 3.2.2 Điều khiển gián đoạn Hệ thống điều khiển trường hợp làm việc chế độ đóng-ngắt Trước tiên, đại lượng vào có giá trị tương ứng với mức đóng (ON) để tác động phần tử chấp hành Hệ thống chuyển sang trạng thái ngắt ví dụ nhấn nút STOP tiếp điểm hành trình Phương pháp dùng phổ biến hệ thống có phần tử chấp hành loại điện như: Rơ le, công tắc tơ Trong kỹ thuật lắp đặt điện gia dụng, phương pháp điều khiển gián đoạn thực rơ le dòng, mạch cảm biến - tiếp điểm cảm biến không tiếp điểm (bán dẫn), loại trình bày hình 1.7 N L1 Cam bien - chuyen mach F1 1A R3 C1 R1 D2 DIODE R4 U1A T Q _ Q Q3 R2 C2 C3 J CP K R R5 Q2 E F2 1A Cam bien L R6 Q1 E Hình 1.7: Hệ điều khiển gián đoạn dùng cảm biến Nguyên lý hoạt động : Các phần tử R1, R2, T C3 tạo nguồn nuôi cho Flip-Flop transistor mạch cảm biến cảm biến, Flip-Flop đóng vai trị rơ le điện tử Khi có tín hiệu ngõ vào E (do tiếp xúc vào cực cảm biến B) Transistor Q3 tắt, triac kích khoảng thời gian bán kỳ điện áp nguồn lúc có dịng qua tải Xung vào làm transistor dẫn, tụ C2 bị ngắn mạch triac chuyển sang trạng thái tắt, dòng qua tải Một trường hợp đặc biệt phương pháp điều khiển gián đoạn ''chế độ tiếp xúc'', chế độ trạng thái ON có hiệu lực nút nhấn tiếp điểm nhiều vị trí trì trạng thái đóng, loại thường gặp cấu nâng, chuyển động như: Tới, lui, lên, xuống cần nút nhấn riêng, ứng dụng vị trí cần trục đại lượng Xout 3.2.3 Điều khiển theo chương trình Điều khiển theo chương trình mở rộng hai phương pháp điều khiển vô cấp điều khiển gián đoạn, phương pháp sử dụng ''cảm biến chương trình'' lại chia làm hai loại: Điều khiển theo thời gian điều khiển theo tuyến Một ví dụ điều khiển theo thời gian đơn giản trình điều khiển độ sáng thiết bị định thời Các cảm biến chương trình thường đĩa lệch tâm, cam chuyển mạch, băng đục lổ loại băng từ Phương pháp điều khiển theo tuyến thường thấy máy tự động gia công kim loại, việc điều khiển tốc độ quay tốc độ ăn dao phụ thuộc vào vị trí cơng cụ lĩnh vực vận tải tốc độ vận chuyển điều khiển phù hợp theo tuyến (tuyến truyền vận, tuyến hãm, vị trí dừng) Mức phát triển cao phương pháp điều khiển theo chương trình phương pháp điều khiển theo q trình (hình 1.8) Trong thao tác tiến trình vật lý thực theo thứ tự lập trình tùy thuộc vào trạng thái đạt trình điều khiển Chương trình cài đặt cố định đọc từ bìa đục lổ, băng đục lổ, băng từ thiết bị lưu trữ khác Năng lượng Đối tượng điều khiển phần tử chấp hành Đại lượng Y Phần tử điều khiển Hồi tiếp W Chương trình Hình 1.8: Đồ thị tín hiệu phương pháp điều khiển Một ví dụ đơn giản cho phương pháp mạch tự động đổi nối sao-tam giác, điều kiện để mạch phép chuyển đổi cách nối phải đạt thời gian khởi động tối thiểu tốc độ tối thiểu động không đồng pha 3.2.4 Điều khiển lập trình Việc nâng cao hiệu suất tự động hóa yêu cầu cần thiết kỹ thuật điều khiển Trong phương pháp điều khiển dùng rơ le linh kiện điện tử, quan hệ ngõ vào với ngõ mô tả sơ đồ mạch điều khiển, phần tử mạch hàn nối với theo sơ đồ Người ta gọi hệ thống kể làm việc theo ''chương trình cứng'', sơ đồ mạch điều khiển mơ tả đầy đủ cách liệt kê quan hệ có Ví dụ mơ tả mạch điện vẽ hình 1.9 L a S1 c b S2 S3 K Y N Hình 1.9: Điều khiển dùng rơ le 10 đồ toàn phần B2C thứ hai sơ đồ bán phần B2HK a Điện áp vào xoay chiều b Điện áp chiều c Dịng tải chọn van theo hình 5.7C 5.31 d Dịng vào xoay chiều với góc lệch pha sóng tương ứng 1 Hình 5.34: a Điện áp DC mạch B2H   90 b Dịng tải khơng đổi dịng qua van mạch B2HK c Dịng tải khơng đổi dòng qua van mạch B2HZ d Dòng vào xoay chiều, sóng hài bậc với góc lệch pha tương ứng 1 so với điện áp vào xoay chiều u Thời điểm bắt đầu q trình dịng mạch B2 HK giải thích mục 4.2.1 trình bày lại hình 5.34b Với mạch B2 HZ hình 5.32, dịng bất đầu chảy qua thyristor V1, tải diode V20 thời điểm 174 kích khoảng thời gian bán kỳ dương Sau qua điểm hướng âm, điện áp xoay chiều đảo cực tính làm cho diode V10 dẫn thyristor V1 tắt Vì khoảng thời gian thyristor V2 tắt trình bày hình 5.35 Hình 5.35: Mạch tắt cho van có điều khiển V1 mạch dịng điện áp AC đảo chiều Trong khoảng thời gian dịng, hai đầu tải xem ngắn mạch Trong trường hợp lý tưởng có nghĩa điện áp DC Ud = 0V Trong hoạt động thực tế điều tương ứng với tổng điện áp thuận van có dịng điện chảy qua Đối với mạch B2 HZ có nghĩa ud = - 2uF Đối với mạch B2 HK : ud = - (uT + uF) Một cách tổng quát, mạch điện có chế độ dịng điện áp DC khơng có giá trị tức thời âm Do đó, mạch biến đổi công suất điều khiển bán phần dùng để chỉnh lưu 4.3 Mạch cầu xung điều khiển bán phần Mạch loại gọi tắt “h DB” B6 H Tương tự, sơ đồ bao gồm nhánh không điều khiển nhánh có điều khiển Trong hình 5.36, mạch M3 ghép cathode nhánh có điều khiển mạch M3 ghép anode khơng có điều khiển 175 Hình 5.36: Mạch B6 bán phần có diode dịng Trong mạch B6 H khơng có chế nghịch lưu điện áp DC tính sau : U d   cos xU d với Ud0 = 1,35U Điểm cần ý chế độ xung xảy góc kích α < 60 Vì vậy, với góc kích lớn tồn điện áp DC xung Hình 5.37 cho thấy dạng sóng điện áp tìm cách cộng điện áp hai nhánh mạch biến đổi Từ đồ thị cho thấy điện áp DC bắt đầu xuất khe hở α > 60 Mặc dù mạch điều khiển bán phần hoạt động mạch nghịch lưu Nhưng tượng nghịch lưu xảy lân cận α = 180 Một diode thoát dòng thường thêm vào để ngăn tượng này, diode dẫn điện áp vượt qua điểm Để hoạt động với mạch dịng tự nhiên cần phải dùng tải điện cảm (hình 5.38) Nếu khoảng thời gian điện áp U qua điểm 0, thyristor V3 V5 chưa kích, thời gian trì hỗn kích, V1 phải tiếp tục dẫn để trì dịng điện chiều Id Sau đó, điện áp U tăng lên trở lại với cực tính hình 5.38 Các khối V20 V40 tiếp nhận dòng Id chảy qua V40, V1 tải thyristor kích dẫn trở lại Với mạch B6 H, cặp mạch nhánh V3, V60 tạo nên mạch dịng hoạt động α > 60 176 Hình 5.37: Điện áp DC mạch B6H a Dạng sóng điện áp pha b Điện áp nhánh M3K điều khiển tồn phần tăng góc kích  c Điện áp nhánh M3A khơng có điều khiển d Điện áp DC chênh lệch Ud  (M3K) - Ud  (M3A) với số xung phụ thuộc vào góc kích 177 Hình 5.39: Sự hình thành mạch dịng tự nhiên sau UL1L2 qua điểm hướng tâm dòng chuyển mạch từ V20 sang V40 KHẢO SÁT CƠNG SUẤT 5.1 Đại cương Khảo sát cơng suất lĩnh vực biến đổi công suất cho thấy điểm khác chủ yếu so với kỹ thuật điện tuyền thống Ví dụ ngun nhân phát sinh sóng hài việc kích trễ mạch điều khiển xoay chiều giải thích trước Một đặc tính khác cơng suất điều khiển phản kháng, việc xảy tăng góc kích trường hợp tải trở Tương tự vậy, mạch biến đổi cơng suất có điều khiển tạo hiệu ứng phản kháng với hệ thống Ví dụ có mâu thuẫn giả định có biến đổi cơng suất tác dụng chứng minh mặt điện áp DC, mặt hệ thống có cơng suất phản kháng phụ thuộc vào thời điểm kích Trong kỹ thuật chiều cổ điển, công suất tính theo cơng thức P = U x I, khoảng thời gian xét, U I coi không đổi theo thời gian giá trị hiệu dụng Tuy nhiên, giả thiết khơng cịn áp dụng hệ biến đổi cơng suất khơng điều khiển theo khơng có khả cân công suất đại lượng Umixed Pmixed đưa Mặt khác, kỹ thuật xoay chiều cổ điển dựa điện áp dịng điện hình sin Q trình biến đổi cơng suất lớn đạt điện áp dòng điện pha Tuy nhiên, điện trở xoay chiều 178 cảm kháng dung kháng nối vào hệ thống xoay chiều , lệch pha sẻ xảy ra, lượng tích trữ loại tải Ví dụ với dòng điện tức thời giá trị dương với mộtt điện áp tức thời giá trị âm tạo công suất tức thời giá trị âm Một nguồn lượng tạo trạng thái cung cấp cho hệ thống Bằng cách sử dụng giá trị hiệu dụng điện áp dịng điện, áp dụng công thức sau kỹ thuật xoay chiều Công suất biểu kiến : S = U.I Công suất tác dụng : P = U.I.cos  Công suất phản kháng : Q = U.I.sin  S  P2  Q2 5.2 Công suất kỹ thuật biến đổi cơng suất Như trình bày đoạn trên, mạch có điểm cung cấp dịng điện hỗn hợp đầu vào Mặt khác, mạch cầu lại cung cấp dòng xoay chiều, kết hầu hết ngõ hoàn toàn phẳng nên dịng điện ngõ vào có dạng xung vng (hình 5.33 5.34) Như biết, dao động tuần hồn thay số dao động hình sin Phát biểu áp dụng cho dịng điện xoay chiều hình vng Điều chứng minh lại hình 5.39 Một cách gần xem xung vng gồm có dao động hình sin Để đơn giản hình vẽ thành phần dao động bậc nhất, bậc ba bậc năm Tổng thành phần tạo nên dịng điện có dạng gần hình vng lý tưởng Như trình bày hình 3.27, thành phần hình sin có tần số với tần số hệ thống gọi thành phần Kể từ ϕ1 = α áp dụng cho mạch biến đổi điều khiển tồn phần, cơng suất tác dụng phụ thuộc vào thành phần dao động tính sau : P  U I1 cos1 P  U I1 cos Phương trình thứ hai cho thấy cách rõ ràng cơng suất tác dụng đạt giá 179 0 trị tối ưu α = (cos = 1) Với mạch biến đổi khơng có tổn hao xem công suất tác dụng P ngõ vào với công suất Pd ngõ Pd = Ud  Id cos α Công suất biểu kiến thành phần tính sau : S1  U I1  P cos S1  U d I d  P cos Hình 5.39: a Điện áp DC tải điện cảm a = 600 b Dạng sóng dịng điện vào tổng thành phần dao động sin Tuy nhiên, công suất biểu kiến tổng S hệ thống lớn công suất biểu kiến S1 thành phần bản, khơng kể đến dịng điện bậc cao I3, I5, chúng tạo nên cơng suất phản kháng , S > S1 Trong thực tế, công suất biểu kiến S xác định dể dàng từ giá hiệu dụng U I (S = U.I) 180 Đối với hệ số thay cos1  P S1 Đối với hệ số công suất tổng   P S Áp dụng quan hệ cho mạch biến đổi công suất B2 với tải điện cảm α = 90 0 Với α = ϕ1 = 90 suy P = S1.cos90 = 0W Kết cho thấy công suất tác dụng P hai phía sơ thứ cấp phải Điều ngõ mạch biến đổi công suất, bất chấp dòng điện chiều chảy, Ud  = 0V Pd = Ud  Id = 0W Tại ngõ vào mạch biến đổi, công suất tác dụng P 0, dịng điện thành phần chậm điện áp góc 900 Do đó, cơng suất phản kháng thành phần đạt cực đại trường hợp Q1 = U.I.sinϕ1 5.3 Các mạch lưu trữ công suất phản kháng Như trình bày phần trước mạch biến đổi cơng suất điều khiển tồn phần bị ảnh hưởng lớn vào quan hệ pha điện áp với dòng điện hệ thống xoay chiều Kể từ hệ số công suất trở nên xấu chủ yếu công suất phản kháng, nên cần thiết phải tìm biện pháp để giảm thành phần cơng suất phản kháng 5.3.1 Bù cơng suất phản kháng Nói cách tổng qt bù thành phần cơng suất phản kháng hệ thống cách dùng điện dung Trong thực tế phương pháp cải thiện cách thỏa đáng Tuy nhiên, việc ghép tụ khơng thể thay đổi nhanh chóng mạch kích tải điều thương gặp kỹ thuật biến đổi công suất Một phương pháp khác dùng máy điện đồng Ở thay đổi dòng điện phát rotor tạo nguồn cung cấp cơng suất phản kháng nhanh chóng dẫn đến đạt hiệu bù công suất tốt Do chi phí đầu tư cao nên phương pháp có tính kinh tế hệ thống lớn, 181 đặc biệt máy điện đồng dùng động Ngoài phương pháp bù, mạch điện biết kỹ thuật biến đổi công suất tiêu thụ lượng công suất phản kháng thấp, đặc điểm hoạt động vật lý chúng nên giải đầy đủ vấn đề công suất phản kháng Tuy nhiên, phần đề cập cách ngắn gọn mạch quen thuộc 5.3.2 Biến đổi công suất điều khiển bán phần Các mạch biến đổi loại giới thiệu mục 5.4, đặc điểm tiêu thụ công suất phản kháng thấp khảo sát dựa sở hiệu ứng dịng bên chúng Ngõ mạch biến đổi trở nên ngắn mạch điện áp DC thay đổi cực tính Ở trạng thái này, dòng điện chiều chảy ngang qua nhánh dịng đến tải, thời điểm dịng lưới 0, tượng mơ tả hình 5.33 Trong trường hợp điều khiển toàn phần với quan hệ a = j1, công suất phản kháng thành phần Q1 = U.I1.sinϕ1 = U.I1.sinα Trong trường hợp điều khiển bán phần tính sau Q1  U I1 sin 1  U I1 sin  Và quan hệ 1    Từ hai mạch điện hình 5.33, điều có nghĩa α = = 60 góc lệch pha điện áp với thành phần dòng điện bị giảm từ ϕ1 = 60 0 mạch B2 đến ϕ1 = 30 mạch B2H Như biết việc giảm công suất phản kháng đạt tổn hao chế độ nghịch lưu Tuy nhiên, trường hợp định, chế độ nghịch lưu tái sinh bỏ qua để tải hệ thống nhỏ 5.3.3 Các mạch dùng diode dịng Đối với mạch biến đổi công suất điều khiển tồn phần, hiệu ứng dịng việc giảm dịng tải đạt cách dùng diode ghép thêm vào ngõ mạch biến đổi Tuy nhiên, lại lần nửa việc tích 182 trữ công suất phản kháng ám đến tổn hao chế độ nghịch lưu Các mạch biến đổi cầu điều khiển tồn phần có diode dịng hoạt động giống với mạch cầu điều khiển bán phần, loại sau thơng dụng tốn van Do đó, diode dịng chủ yếu áp dụng mạch có điểm Trong thiết kế đơn giản ký hiệu loại mạch thường thêm ký hiêu “F” ví dụ B6F Mạch biến đổi cơng suất M3F giới thiệu lại hình 5.40 ví dụ mạch tích trữ cơng suất phản kháng Hình 5.40: Mạch M3F có cơng suất phản kháng thấp 5.3.4 Mạch 2B2HZ điều khiển pha Một kết hợp hai mạch cầu xoay chiều điều khiển khơng đối xứng trình bày hình 5.41 dùng chủ yếu yêu cầu điều khiển xe lửa, với điện áp Uda thấp, có PC1 kích Lúc dịng tải chảy qua nhánh dịng PC2 cho cuộn dây biến áp khơng có dịng PC2 chưa kích PC1 điều khiển đầy đủ có nghĩa α1 = , công suất phản kháng thành phần tương ứng trở nên Bên cạnh việc giảm công suất phản kháng, mạch cho hệ số gợn sóng điện áp DC 183 Hình 5.41: Sơ đồ mạch biến đổi công suất 2B2HZ 5.3.5 Các mạch biến đổi công suất ngắt mạch Các mạch công suất phản kháng thấp giới thiệu hoạt động nguyên tắc chuyển mạch hệ thống có nghĩa dịng điện chuyển từ van sang van khác điện áp lưới Tuy nhiên, phương pháp khác – chuyển mạch cưỡng – cho phép cơng suất phản kháng nén hồn toàn Phương pháp hoạt động gọi điều khiển hình quạt Hình 5.42: Dịng điện chính, điện áp AC điện áp DC phương pháp chuyển mạch cưỡng Đặc tính GTO thyristor giới thiệu Đồ thị hình cho thấy diện tích điện áp DC/góc kích đối xứng so với bán kỳ dương điện áp xoay chiều Hình 5.42 cho thấy dạng dịng điện xoay chiều trường hợp dịng điện sóng đồng pha với điện áp xoay chiều 5.4 Ảnh hưởng công suất phản kháng lên hệ thống 184 Do việc xuất công suất phản kháng nên mạch biến đổi công suất tương tác với hệ thống lưới điện giống tải cảm kháng Hơn ảnh hưởng quan đến hệ thống phát sinh nhiễu Ví dụ dịng điện sóng hài bậc cao gây tổn thất điện áp cần phải có mạch lọc đặc biệt Các thành phần sóng hài lẫn vào lưới điện thơng qua cảm kháng dung kháng Tại thời điểm kích thyristor điện áp đột biến phát sinh phổ tần số cao nhiễu xảy dải tần radio TV 185 MỤC LỤC Bài 1: KHÁI NIỆM VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 1 QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN 2 NGUYÊN TẮC BIẾN ĐỔI TĨNH 2.1 Sơ đồ khối 2.2 Các loại tải 2.3 Các van biến đổi CƠ BẢN VỀ ĐIỀU KHIỂN MẠCH HỞ 3.1 Khái niệm 3.2 Các phương pháp điều khiển 3.3 Phần tử chấp hành 11 KỸ THUẬT ĐIỀU CHỈNH (ĐIỀU KHIỂN MẠCH KÍN) 11 4.1 Khái niệm 12 4.2 Hoạt động vòng điều chỉnh 13 4.3 Đặc tính khâu điều chỉnh 16 BÀI 2: CÔNG TẮC ĐIỆN TỬ 27 LINH KIỆN VÀ MODULE 27 1.1 Tổng quan 27 1.2 Diode công suất 28 1.3 Thyristor 32 1.4 Triac 35 1.5 Đặc tính động van bán dẫn 37 1.6 Ghép diode thyristor 40 1.7 Module bán dẫn công suất 42 1.8 Diode selen 43 1.9 Transistor công suất 43 PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ DIODE SILIC 47 2.1 Bảo vệ áp 47 2.2 Bảo vệ dòng ngắn mạch 51 2.3 Bảo vệ nhiệt 54 CÔNG TẮC XOAY CHIỀU VÀ PHA 58 3.1 Đại cương 58 3.2 Công tắc xoay chiều 59 3.3 Công tắc pha 66 3.5 Hướng dẫn thiết kế 74 CÔNG TẮC MỘT CHIỀU 76 4.1 Đại cương 76 4.2 Rờ le bán dẫn 76 4.3 Công tắc DC dùng transistor 76 4.4 Công tắc DC dùng GTO thyristor 78 4.5 Công tắc DC dùng thyristor 78 Bài tập 85 BÀI 3: ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT ĐIỆN TỬ 86 ĐẠI CƯƠNG 86 186 ĐIỀU KHIỂN CHUỔI XUNG (TỒN SĨNG) 86 2.1 Nguyên tắc 86 2.2 Điều khiển chuỗi xung với tải trở kháng tải biến áp 87 2.3 Mạch điều khiển công suất pha đơn giản 91 ĐIỀU KHIỂN GÓC PHA 94 3.1 Nguyên tắc 94 3.2 So sánh điều khiển công suất AC với biến áp xoay 95 3.3 Mạch điều khiển công suất AC tải điện trở 98 3.4 Điều khiển công suất AC tải điện cảm 99 3.5 Điều khiển công suất AC tải trở kháng 102 3.6 Mạch điều khiển kết hợp TCA 780 104 CÔNG SUẤT ĐIỀU KHIỂN PHẢN KHÁNG 110 4.1 Đại cương 110 4.3 Sóng hài dịng điện 111 4.4 Hệ số công suất tổng 112 ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT PHA 112 5.1 Đại cương 112 5.2 Khảo sát điện áp 114 ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT MỘT CHIỀU 118 6.1 Đại cương 118 6.2 Điều khiển công suất DC transistor 118 6.3 Điều khiển công suất DC dùng thyristor 120 6.4 Các phương pháp điều khiển công suất DC 123 Điều khiển cơng suất dùng Thyristor với vịng hồi tiếp 125 7.1 Đại cương 125 7.2 Sơ đồ mạch 126 BÀI 4: BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT CỐ ĐỊNH 127 KHÁI NIỆM CƠ BẢN 127 1.1 Khái niệm 127 1.3 Xác định điện áp gợn 128 MẠCH CHỈNH LƯU BÁN KỲ (M1) 128 2.1 Đại cương 128 2.2 Khảo sát điện áp 128 2.3 Số xung hệ số gợn sóng 130 2.4 Khảo sát dòng điện 130 2.5 Khảo sát công suất 132 CHỈNH LƯU TOÀN KỲ 132 3.1 Đại cương 132 3.2 Chỉnh lưu toàn kỳ dùng biến áp có điểm (M2) 133 3.3 Chỉnh lưu toàn kỳ dùng cầu diode (B2) 134 3.4 Chỉnh lưu toàn kỳ tải điện cảm 136 CHỈNH LƯU PHA 137 4.1 Đại cương 137 4.2 Mạch chỉnh lưu pha bán kỳ (M3) 137 CHỈNH LƯU PHA 140 187 5.1 Đại cương 140 5.2 Khảo sát điện áp 141 5.3 Khảo sát dòng điện 143 5.4 Khảo sát công suất 143 BÀI 5: BIẾN ĐỔI CƠNG SUẤT CĨ ĐIỀU KHIỂN 144 ĐẠI CƯƠNG 144 BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT BÁN PHẦN 144 2.1 Đại cương 144 2.2 Biến đổi bán phần tải trở 145 188