Là môn cơ sở của chuyên ngành, giúp sinh viên có các kiến thức cơ bản của các bộ biến đổi công suất dùng bán dẫn được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, hệ thống năng lượng và các thiết bị sinh hoạt dân dụng và là nền tảng để tiếp thu các kiến thức các môn chuyên ngành Điện công nghiệp, Kỹ thuật điện, Điều khiển tự động, Hệ thống điện. Các yêu cầu phải đạt trong môn học này: Nhận dạng được các sơ đồ cơ bản của các bộ biến đổi công suất : phần động lực gồm các khoá bán dẫn và phần điện tử điều khiển; hiểu được nguyên lý vận hành và các đặc tính của các bộ biến đổi công suất; nắm được phương pháp phân tích và thiết kế các bộ biến đổi công suất; hiểu được phương pháp điều khiển; nắm được các hệ quả tổng quát từ sự phân tích hoạt động của bộ biến đổi, có thể sử dụng phần mềm mô phỏng hoạt động các bộ biến đổi.
Trang 1BÀI BÁO CÁO: Biến Đổi AC-AC một pha tải R và R+L I.Mục tiêu, yêu cầu môn học.
-Là môn cơ sở của chuyên ngành, giúp sinh viên có các kiến thức cơ bản của các bộ biến đổi công suất dùng bán dẫn được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, hệ thống năng lượng và các thiết bị sinh hoạt dân dụng và là nền tảng để tiếp thu các kiến thức các môn chuyên ngành Điện công nghiệp, Kỹ thuật điện, Điều khiển tự động, Hệ thống điện -Các yêu cầu phải đạt trong môn học này: Nhận dạng được các sơ đồ cơ bản của các bộ biến đổi công suất : phần động lực gồm các khoá bán dẫn và phần điện tử điều khiển; hiểu được nguyên lý vận hành và các đặc tính của các bộ biến đổi công suất; nắm được phương pháp phân tích và thiết kế các bộ biến đổi công suất; hiểu được phương pháp điều khiển; nắm được các hệ quả tổng quát từ sự phân tích hoạt động của bộ biến đổi, có thể sử dụng phần mềm mô phỏng hoạt động các bộ biến đổi
II.Khái quát chung về môn Điện tử công suất.
1.Khái niệm.
-Điện tử công suất là gì ?
Điện tử công suất là thiết bị điện tử áp dụng cho chuyển đổi và kiểm soát năng
lượng điện.
Phạm vi của quy mô công suất:
Milliwatt (mW) Megawatt (MW) Gigawatt (GW)
Theo nghĩa rộng, nhiệm vụ của điện tử công suất là xử lý và điều khiển dòng năng lượng điện bằng cách cung cấp điện áp và dòng điện ở dạng thích hợp cho các tải Tải sẽ quyết định các thông số về điện áp, dòng điện, tần số, và số pha tại ngõ ra của bộ biến đổi Thông thường, một bộ điều khiển có hồi tiếp sẽ theo dõi ngõ ra của bộ biến đổi và cực tiểu hóa sai lệch giữa giá trị thực của ngõ ra và giá trị mong muốn (hay giá trị đặt).
Các bộ biến đổi bán dẫn là đối tượng nghiên cứu cơ bản của điện tử công suất.
- Xu hướng phát triển và phạm vi ứng dụng:
• Sự phát triển của ĐTCS liên
quan đến:
– Công nghệ chế tạo các
phần tử bán dẫn công suất đạt được
những bước tiến lớn.
– Các tiến bộ vượt bậc
trong công nghệ các phần tử điều
khiển và lý thuyết điều khiển.
• MOSFET, IGBT: tần số đóng cắt cao, chịu được điện áp cao, dòng điện lớn.
• Các chip vi xử lý, vi điều khiển, DSP 16 bit, 32 bit, nhanh, mạnh về điều khiển:
counter, PWM built-in;
– Truyền thông: I2C, CAN,
Trang 2UART, …
• Xu hướng phát triển: dải công
suất trải rộng, từ nhỏ, đến
lớn và rất lớn.
• Ứng dụng: rộng khắp, từ các
thiết bị cầm tay, dân dụng đến các hệ
thống thiết bị công nghiệp.
• Đặc biệt: tham gia vào điều
khiển trong hệ thống năng lượng.
• Vài W đến vài trăm W, thành phần chính trong các hệ thống Power
management của các thiết bị nhỏ.
• Vài trăm kW đến vài chục MW.
• FACTS: hệ truyền tải,
• DG – Distributed Generation, Custom Grid, Renewable Energy System,
…
Sơ đồ khối Bộ biến đổi
Tải
Tín hiệu hồi tiếp Tín hiệu đặt
Tín hiệu điều khiển Mạch
điều khiển
Mạch động lực
Lưu ý là các mạch ĐTCS hoạt động theo chế độ đóng-ngắt (switch-mode), khác
với các mạch điện tử hoạt động ở chế độ tuyến tính (linear mode) Hiệu suất mạch ĐTCS cao hơn mạch điện tử chế độ tuyến tính.
Ví dụ ứng dụng của bộ biến đổi ĐTCS
• Ứng dụng các bộ biến đổi ĐTCS giúp tiết kiệm năng
lượng, nâng cao chất lượng đáp ứng của thiết bị
Tiết kiệm năng lượng tiêu thụ của hệ thống bơm khi điều chỉnh lưu lượng bằng
bộ điều khiển tốc độ động cơ thay cho van tiết lưu
Nguồn
lưới
Nguồn lưới
Động
cơ
Bơm
Van tiết lưu
Bộ điều khiển tốc độ + Động cơ
Bơm
Nguồn
lưới
a Hệ thống bơm kiểu truyền thống b Hệ thống bơm có điều chỉnh tốc độ
Trang 3Các bộ biến đổi Điện tử công suất.
Điện tử công suất trong hệ thống năng lượng từ trước đến nay và từ
nay về sau
Các lĩnh vực liên quan đến Điện tử công suất.
Sơ đồ khối chức năng của bộ biến đổi.
Sơ đồ khối chức năng của bộ biến đổi.
- Các bộ ổn áp thường dùng:
Trang 4Bộ ổn áp xung
b Mạch tương đương của bộ ổn áp xung
Mạch động lực
Mạch điều khiển
Tải
V o = V oi
v oi
Tải
c Điện áp ngõ ra của bộ ổn áp xung
Transistor hoạt động như một khóa đóng ngắt hiệu suất cao Biến áp, mạch lọc hoạt động ở tần số cao kích thước nhỏ Điện áp ngõ ra thay đổi bằng cách điều khiển độ rộng xung (tỉ lệ ton/Ts)
a Sơ đồ nguyên lý bộ ổn áp xung Chỉnh lưu
Nguồn
lưới
Tụ lọc
Biến áp tần số cao Chỉnh lưu Mạch lọc thông thấp
Tải
Mạch điều khiển Mạch động lực
Bộ ổn áp tuyến tính
• Transistor công
suất được điều
khiển hoạt
động tương tự
như một điện
trở biến đổi
• Mạch có hiệu
suất thấp và
cồng kềnh
Mạch điều khiển
Chỉnh lưu Tụ lọc
Biến áp nguồn
Nguồn lưới
Tầm thay đổi của v d
Tải
a Sơ đồ nguyên lý
b Dạng sóng điện áp ngõ vào v và ngõ ra v
Trang 5Lãnh vực ứng dụng của ĐTCS
1 Các thiết bị gia dụng
Tủ lạnh, tủ đông
Gia nhiệt, sưởi
Hệ thống điều hòa không khí
Lò nấu
Chiếu sáng
Các thiết bị điện tử dân dụng (TV, máy
tính, các thiết bị nghe nhìn, giải trí…)
2 Trang thiết bị cho cao ốc
Các hệ thống sưởi, thông gió, điều hòa
Hệ thống điều hòa trung tâm
Máy tính và các thiết bị văn phòng
UPS (Uninterruptible Power Supply)
Thang máy
3 Công nghiệp
Bơm
Máy nén
Quạt gió
Máy công cụ
Lò nấu hồ quang, Lò nấu cảm ứng
Gia nhiệt cảm ứng (tôi cao tần…)
Máy hàn điện
4 Giao thông vận tải
Điều khiển động cơ xe hơi điện
Nạp acquy xe hơi điện
Các hệ thống tàu điện, tàu điện ngầm
5 Hệ thống điện
Truyền tải điện DC cao áp (HVDC)
Bộ bù tĩnh
Hệ thống máy phát dùng nguồn năng lượng tái sinh (renewable energy): năng lượng mặt trời, năng lượng gió…
Các hệ thống tích trữ năng lượng (energy storage systems)
6 Hàng không
Hệ thống điện tàu con thoi
Hệ thống điện của các vệ tinh
Hệ thống điện máy bay
7 Viễn thông
Bộ nạp bình acquy
Bộ nguồn (DC, UPS)
III.Giới thiệu về bộ biến đổi AC-AC.
I.1 Tổng quan tại sao phải báo cáo?
Điện tử công suất là 1 môn học bao gồm lý thuyết và thực hành Phần lý thuyết
đưa ra những nội dung lý thuyết, công thức và những dạng bài tập cần thiết đủ để
giúp sinh viên có thể hiểu và vận dụng tính toán những dạng toán theo yêu cầu
Cũng như những môn học khác, sự lựa chọn theo phương pháp giáo viên giảng bài
và sinh viên ghi chép, điều đó có những ưu điểm nhất định, song nó làm cho sinh
viên “lười” tìm hiểu hơn, thụ động hơn… Do đó báo cáo nội dung bài học có thể
xem là 1 phương pháp giảng dạy mới mang lại hiệu quả cao Giảng viên là những
người hướng dẫn sinh viên báo cáo nội dung của mình, giúp cho sinh viên năng
động hơn, chịu khó tìm hiểu hơn Ngoài ra báo cáo giúp rèn luyện cho sinh viên
khả năng trình bày, thuyết trình, soạn thảo, mô phỏng tốt hơn, đồng thời kết hợp
giữa phần đặt câu hỏi cho những bài thuyết trình của các nhóm khác sẽ không làm
cho sinh viên chỉ thụ động cho nội dung báo cáo của mình, sự trao đổi kiến thức
giữa những sinh viên với sinh viên, giữa các nhóm với nhau, giữa thầy và trò diễn
ra tốt hơn… Do đó có thể xem báo cáo là 1 phương pháp tốt để giảng dạy hiện
nay, là sự kết hợp hoàn hảo giữa giảng viên và sinh viên.
I.2 Nội dung:
Trang 6• Bộ biến đổi AC/AC, tần số thấp (tần số công nghiệp, quanh 50 – 60 Hz), nói chung yêu cầu điện áp, dòng điện ra có dạng sin
Biến tần: BBĐ AC/AC
-Biến đổi trực tiếp: AC – AC:
+ Cycloconverter: dựa trên nguyên lý của các bộ chỉnh lưu có đảo chiều, dùng thyristor,
có tần số ra thấp (0 – 25 Hz) Ứng dụng cho các tải lớn và rất lớn, tốc độ thấp
+ Matrix Converter: dùng các van bán dẫn hai chiều, điều khiển hoàn toàn Hiện đang trong quá trình nghiên cứu, chưa có các thiết bị công nghiệp Tuy nhiên đã có một số ứng dụng trong biến tần trung thế, công suất lớn
1.Chức năng:
• Biến đổi điện áp xoay chiều có giá trị hiệu dụng không đổi thành điện áp xoay chiều có giá trị hiệu dụng thay đổi được ( tần số không thay đổi )
2 Ứng dụng
-Cung cấp điện áp cho các thiết bị nhiệt điện: lò điện, điều khiển nhiệt độ lò, máy nước nóng…
- Điều khiển động cơ không đồng bộ công suất nhỏ và trung bình : máy bơm…
- Điều khiển độ sáng của bóng đèn ( đèn quảng cáo ), đóng ngắt điện…
-Bù nhuyễn công suất phản kháng ( động cơ KĐB )
3 Phân loại
1.Theo số pha:
- BBĐ điện áp xoay chiều 1 pha
- BBĐ điện áp xoay chiều 3 pha
2 Theo dạng mạch
-Đối xứng
-Không đối xứng
3 Nguyên tắc điều khiển
- Điều khiển toàn phần
- Điều khiển bán phần
4 Phương pháp điều khiển
a Điều khiển pha
- Trong phương pháp này tín hiệu điều khiển được đưa vào cực điều khiển của linh kiện
tại vị trí trễ so với vị trí bắt đầu xuất hiện điện áp phân cực thuận cho linh kiện 1 góc α
theo từng cho kỳ của tín hiệu nguồn
- Điện áp xoay chiều đóng vai trò là điện áp chuyển mạch của linh kiện
Trang 7-Tín hiệu xoay chiều ngõ ra có chứa các thành phần hài cơ bản với độ lớn phụ thuộc vào góc điều khiển α
b Điều khiển theo tỉ lệ thời gian:
- Trong phương pháp này tín hiệu điều khiển được đưa vào cực điều khiển của linh kiện liên tục trong 1 khoảng thời gian bằng 1 số nguyên lần chu kỳ của tín hiệu nguồn, sau đó ngắt tín hiệu điều khiển trong 1 khoảng thời gian cũng bằng 1 số nguyên lần chu kỳ của tín hiệu nguồn
-Phương pháp này không dùng cho tải có quán tính nhỏ như: bóng đèn sợi tóc, các động
cơ có mômen quán tính nhỏ mà thường được dùng cho loại tải có quán tính lớn như: lò nhiệt, bếp điện, máy nước nóng, động cơ có mômen quán tính lớn… tín hiệu xoay chiều ngõ ra hầu như không chứa thành phần hài bậc cao
IV Bộ điều khiển điện áp xoay chiều 1 pha ( Điều khiển pha).
Bộ điều khiển điện áp xoay chiều một pha gồm 2 SCR mắc song song ngược nhau.Khi tải có công suất nhỏ có thể thay 2 SCR bằng một TRIAC.
2.1 Tải R
Mạch Điện
Góc kích: 0o 180o
Điều kiện dẫn của SCR : VA>V và VG>0
a.Giải thích: +(0 ÷ α v à π ÷ π +α): Chưa có xung kích SCR1,SCR2 chưa dẫn
Trang 8nên Ur=0.
+ (α ÷ π ): Khi kích SCR1 trong bán kỳ dương với góc trễ α thì
Ur= Umsinωtt=Umsinθ
+ (π +α ÷ 2 π ): Khi kích SCR2 trong bán kì âm với góc trễ α t h ì
Ur= Umsinωtt=Umsinθ
-Tóm lại: Do 2SCR mắc ngược chiều nhau nên USCR1= - USCR2 khi có 1 trong 2 con dẫn Khi đó:
+ Ur= Um sinωtt khi SCR1 hoặc SCR2 dẫn
+ Ur= 0 khi SCR1 và SCR2 không dẫn
+ USCR1= - USCR2=0 khi SCR1 hoặc SCR2 dẫn (khi dẫn gần giống như Diode có sụt áp trên
nó Vγ (coi không đáng kể)
+ USCR1= - USCR2 = Umsinωtt khi SCR1 và SCR2 không dẫn (Khi chưa dẫn SCR pải chịu
áp do nguồn xoay chiều đặt vào cho đến khi kích góc dẫn)
+ USCR1= - USCR2= Um khi SCR1 hoặc SCR2 không dẫn (điện áp ngược đặt lên SCR) b.Dạng sóng
Trang 9c.Xác định công thức :
2.1.Tải R,L
Mạch Điện
L
Trang 10*Trường hợp 1: Góc kích α >φ
a.Giải thích
-Giải thích công thức ixl,itd:
+ Khi kích SCR1 với góc kíchα >φ Ixl > 0 do đó i(td)<0,i=i(SCR1) tăng dần đến giá trị cực đại rồi giảm ở điểm θ0< θxl 0 , θ0: điểm có i=0;θxl 0:điểm có ixl=0.Do đó khi SCR1
ngưng dẫn,SCR2 mới được kích dẫn,vậy SCR2 có thể dẫn dòng i=iSCR 2 theo chiều ngược lại so với chiều dòng qua SCR1 .Dòng i qua phụ tải là dòng đổi chiều và không liên tục trong khoảng từ điểm θ0 đến điểm kích SCR2 với góc kích α
-Giải thích theo sự kích dẫn SCR,sự nạp xả của L và góc tắt dòng τ
+ ( 0÷ π ) : Chưa có xung kích SCR1 chưa dẫn nên Ur =0
+ (α ÷ π ) : Khi kích SCR1 trong bán kỳ dương với góc trễ : SCR1 dẫn đồng thời L nạp thì Ur= Umsinωtt=Umsinθ
+ (π ÷ τ) : Ở bán kì âm:SCR2 chưa có xung kích nên chưa dẫn ,nhưng do L xả năng lượng đã nạp ở bán kì dương với góc trễ α nên Ur= Umsinωtt=Umsinθ
+ (τ ÷ π +α ):SCR2 chưa có xung kích nên vẫn chưa dẫn đồng thời hết năng lượng xả từ L nên Ur=0
+ ( π +α ÷ 2 π ): Lúc này SCR2 có xung kích nên dẫn khi đó Ur= Umsinωtt=Umsinθ, L tiếp tục nạp
b.Dạng sóng
Trang 11π 2π 3π 4π 5π 6π 7π
Tóm lại khi góc kích SCR α >φ khi phụ tải có thành phần cảm kháng,bộ điều chỉnh làm
việc bình thường dòng qua bộ điều chỉnh không liên tục 2 khoảng trong mỗi chu kỳ Do
đó không phù hợp với phụ tải yêu cầu dòng sine như biến áp,động cơ không đồng
Trang 12bộ.Với phụ tải là điện trở phát nhiệt thì dòng không liên tục này vẫn đạt yêu
cầu.c.Xác định công thức.
Ta có: Ur=R.Ir nên :
*Trường hợp 2 : Góc kích α=φ
a.Giải thích : + ( 0÷ π ) : Chưa có xung kích SCR1 chưa dẫn nên Ur =0
+ (α ÷ π ) : Khi kích SCR1 trong bán kỳ dương với góc trễ : SCR1 dẫn đồng thời L nạp thì
Ur= Umsinωtt=Umsinθ
+ ( π ÷ π +α ) :Ở bán kì âm: L xả năng lượng đã nạp ở bán kì dương với góc trễ α đồng thời khi đó năng lượng do L xả vừa tới góc kích α ,SCR2 được kích dẫn nên Ur= Umsinωtt
=Umsinθ (trong đó τ = π +α ,với α=φ¿.Tương tự như vậy trong những thời gian tiếp theo Giải thích theo công thức ixl,itd : Khi góc kích α giảm dần xuống còn bằng
φ=arctg Lωωt
R , điểm θ0 tiến đến θxl 0 ,khoảng cách i gián đoạn giảm dần giá trị bằng 0, thành phần itd =0.Phụ tải coi như nối tiếp với điện áp Ur=Umsinθ
b.Dạng sóng
Trang 13π 2π 3π 4π
điện trở của phụ tải,dòng điện qua tải là dòng hình sin không trải qua giai đoạn quá
khi cần dòng điện trải qua thời kỳ quá độ như trường hợp máy hàn điểm(hàn điện trở) công suất lớn để có điện năng xác định cho mỗi điểm hàn.
Trị hiệu dụng của dòng điện qua tải : I=U/Z
c.Xác định công thức
-Giá trị trung bình của điện áp Ur :
Trang 14-Giá trị trung bình của dòng điện qua tải :
*Trường hợp 3: Góc kích α <φ=arctg Lωωt
R
Trong trường hợp này dạng của dòng điện qua tải i phụ thuộc vào bản chất của xung điều
khiển SCR ngắn hay dài
1.Khi xung điều khiển là các xung ngắn
a.Giải thích: + ( 0÷ π ) : Chưa có xung kích SCR1 chưa dẫn nên Ur =0
+ (α ÷ π ) : Khi kích SCR1 trong bán kỳ dương với góc trễ : SCR1 dẫn
đồng thời L nạp thì Ur= Umsinωtt=Umsinθ
+ (π ÷ τ) : Ở bán kì âm: L xả năng lượng đã nạp ở bán kì dương với góc trễ α và năng lượng L xả tới τ khi đó SCR1 ngưng dẫn (i=iSCR 1=0 và Ur<0) Cho nên tại thời điểm θ=¿
π +α nếu cho xung điều khiển kích SCR2 thì lúc SCR1 vẫn đang dẫn (i¿iSCR 1≠ 0) nên SCR2
chịu một điện áp âm USCR 2=- USCR 1<0.Kết quả là SCR2 không thể dẫn được mà vẫn bị khóa
+ (τ ÷ 2 π + α ) : Khi SCR1 đã ngưng dẫn thì USCR 2 > 0,nhưng xung điều khiển kích cho SCR2
không còn tồn tại nữa nên SCR2 vẫn không thể dẫn được
+ Đến thời điểm θ=¿ 2 π +α lại có xung điểu khiển kích cho SCR1, SCR1 lại dẫn và dòng lại qua tải như nửa chu kỳ đầu tiên của điện áp nguồn Khoảng thời gian dẫn của SCR1 là
từ α đến τ
b.Dạng sóng
Trang 15Như vậy nếu góc kích cho SCR α <φ và các xung điều khiển là xung ngắn thì SCR nào được kích trước nó sẽ dẫn ,SCR tiếp theo không dẫn được.Bộ điều chỉnh chỉ dẫn điện qua 1 chiều,đó là chiều qua SCR được kích trước kể từ lúc bộ điều chỉnh hoạt động Sơ đồ hoạt động như bộ chỉnh lưu 1 pha nửa chu kỳ.Điều này rất nguy hiểm cho thiết bị điện xoay chiều.
c.Xác định công thức
-Giá trị trung bình của điện áp Ur :
-Giá trị trung bình của dòng điện qua tải :
Ta có: Ur=R.Ir nên :
2
2.Trường hợp các xung điều khiển cho SCR là xung có độ dài đủ lớn.
Trang 16a.Giải thích:
+ ( 0÷ π ) : Chưa có xung kích SCR1 chưa dẫn nên Ur =0
+ (α ÷ π ) : Khi kích SCR1 trong bán kỳ dương với góc trễ α : SCR1 dẫn đồng thời L nạp thì Ur= Umsinωtt=Umsinθ
+ (π ÷ τ) : Ở bán kì âm: L xả năng lượng đã nạp ở bán kì dương với góc trễ α và năng lượng L xả tới τ khi đó SCR1 ngưng dẫn (i=iSCR 1=0 và Ur <0)
+ (τ ÷ 2 π + α ) : Điện áp trên SCR2 lớn hơn 0 (USCR 2 > 0) ,còn xung điều khiển cho SCR2
đã được cung cấp từ thời điểm trước đó (θ=¿ π +α) vẫn còn tồn tại vì là xung dài nên SCR2 dẫn cung cấp dòng cho tải (i=iSCR 2)
+ Tương tự tai thời điểm θ=2 π +α, i=iSCR 2=0 nên SCR2 ngưng dẫn,còn SCR1
có USCR 1 > 0 và đang có xung điều khiển nên sẽ cung cấp dòng cho tải Cho nên dòng điện qua tải là dòng hình sin có trị số hiệu dụng I=U/Z
b.Dạng sóng: