Giáo trình điện tử công suất 1

Giáo trình Điện Tử Công Suất CHƯƠNG I: LINH KIỆN CƠNG SUẤT Diode Công Suất: a Cấu tạo: P P P - + - + N q N d -α α Hình Cấu tạo ký hiệu diode Diode công suất linh kiện bán dẫn có hai cực, cấu tạo lớp bán dẫn N lớp bán dẫn P ghép lại Silic nguyên tố hóa học thuộc nhóm IV bảng hệ thống tuần hoàn Silic có điện tử thuộc lớp cấu trúc nguyên tử Nếu ta kết hợp thêm vào nguyên tố thuộc nhóm V mà lớp có điện tử điện tử nguyên tố tham gia liên kết với điện tử tự Silic xuất điện tử tự Trong cấu trúc tinh thể, điện tử tự làm tăng tính dẫn điện Do điện tử có điện tích âm nên chất gọi chất bán dẫn loại N (negative), có nghóa âm Nếu thêm vào Silic nguyên tố thuộc nhóm III mà có nguyên tử thuộc nhóm xuất lổ trống cấu trúc tinh thể Lỗ trống nhận điện tử, tạo nên điện tích dương làm tăng tính dẫn điện Chất gọi chất bán dẫn loại P (positive), có nghóa dương Trong chất bán dẫn loại N điện tử hạt mang điện đa số, lỗ trống thiểu số Với chất bán dẫn loại P ngược lại Ở hai lớp bán dẫn mặt ghép PN Tại xảy tượng khuếch tán Các lỗ trống bán dẫn loại P tràn sang N nơi có lỗ trống Các điện tử bán dẫn loại N chạy sang P nơi có điện tử Kết mặt tiếp giáp phía P nghèo diện tích dương giàu lên điện tích âm Còn phía bán dẫn loại N ngược lại nên gọi vùng điện tích không gian dương Trong vùng chuyển tiếp (-α,α) hình thành điện trường nội Ký hiệu Ei có chiều từ N sang P hay gọi barie điện (khoảng từ 0,6V đến 0,7V vật liệu Silic) Điện trường ngăn cản di chuyển điện tích đa số làm dễ dàng cho di chuyển điện tích thiểu số (điện tử vùng P lổ trống vùng 14 http://www.ebook.edu.vn Giáo trình Điện Tử Công Suất N) Sự di chuyển điện tích thiểu số hình thành nên dòng điện ngược hay dòng điện rò b Nguyên lý hoạt động: E Ei i P N P U + (a) N U - + (b) a) Phân cực thuận diode b) Phân cực ngược diode Hình 3.2 Phân cực cho diode Khi đặt diode công suất điện áp nguồn U có cực tính hình vẽ, chiều điện trường ngược chiều với điện trường nội Ei Thông thường U > Ei có dòng điện chạy mạch, tạo nên điện áp rơi diode khoảng 0,7V dòng điện đònh mức Vậy phân cực thuận hạ thấp barie điện Ta nói mặt ghép PN phân cực thuận Khi đổi chiều cực tính điện áp đặt vào diode, điện trường tác động chiều với điện trường nội Ei Điện trường tổng hợp cản trở di chuyển điện tích đa số Các điện tử vùng N di chuyển thẳng cực dương nguồn U làm cho điện vùng N vốn cao lại cao so với vùng P Vì vùng chuyển tiếp lại rộng ra, dòng điện chạy qua mặt ghép PN Ta nói mặt ghép PN bò phân cực ngược Nếu tiếp tục tăng U đến giá trò ngưỡng Uz, điện tích gia tốc, gây nên va chạm dây chuyền làm barie điện bò đánh thủng Đặc tính volt-ampe diode công suất biểu diễn gần biểu thức sau: ⎛ eU ⎞ I = I s ⎜⎜ e kT − 1⎟⎟ ⎝ ⎠ (3.1) Trong đó: IS : Dòng điện rò, khoảng vài chục mA, e = 1,59.10- 19 Coulomb, k = 1,38.10- 23 số Bolzmann, T = 273 + t0 : Nhiệt độ tuyệt đối (0 K), t0 : Nhiệt độ môi trường (0 C), U điện áp đặt diode (V) I U UZ Uγ Hình 3.3 Đặc tính volt-ampe diode Đặc tính volt-ampe diode gồm có hai nhánh:Nhánh thuận, nhánh ngược 15 http://www.ebook.edu.vn Giáo trình Điện Tử Công Suất Khi diode phân cực thuận điện áp U barie điện Ei giảm xuống gần Tăng U, lúc đầu dòng I tăng từ từ U lớn khoảng 0,7 [V] I tăng cách nhanh chóng, đường đặc tính có dạng hàm mũ Tương tự, phân cực ngược cho diode, tăng U, dòng điện ngược tăng từ từ Khi U lớn khoảng 0,7 [V], dòng điện ngược dừng lại giá trò vài chục mA ký hiệu IS Dòng IS di chuyển điện tích thiểu số tạo nên Nếu tiếp tục tăng U điện tích thiểu số di chuyển dễ dàng hơn, tốc độ di chuyển tỉ lệ thuận với điện trường tổng hợp, động chúng tăng lên Khi ⎢U ⎢ = ⎢UZ ⎢thì va chạm điện tích thiểu số di chuyển với tốc độ cao bẻ gảy liên kết nguyên tử Silic vùng chuyển tiếp xuất điện tử tự Rồi điện tích tự chòu tăng tốc điện trường tổng hợp lại tiếp tục bắn phá nguyên tử Silic Kết tạo phản ứng dây chuyền làm cho dòng điện ngược tăng lên ạt phá hỏng diode Do đó, để bảo vệ diode người ta cho chúng hoạt động với giá trò điện áp: U = (0,7 → 0,8)UZ Khi diode hoạt động, dòng điện chạy qua diode làm cho diode phát nóng, chủ yếu vùng chuyển tiếp Đối với diode loại Silic, nhiệt độ mặt ghép cho phép 2000C Vượt nhiệt độ diode bò phá hỏng Do đó, để làm mát diode, ta dùng quạt gió để làm mát, cánh tản nhiệt hay cho nước dầu biến chảy qua cánh tản nhiệt với tốc độ lớn hay nhỏ tùy theo dòng điện Các thông số kỹ thuật để chọn diode làø: Dòng điện đònh mức Iđm (A), điện áp ngược cực đại Uz ( V ), Điện áp rơi diode ΔU ( V ) Một số dạng diode: Hình 3.4 Một số dạng diode c Các tính chất động học: Trong trình độ diode, trình chuyển diode từ trạng thái dẫn sang trạng thái ngắt có ý nghóa quan trọng Hiện tượng gọi ngắt hay chuyển mạch diode Khi dòng điện qua diode tắt nhanh (khoảng 10A/μs), trình ngắt không diễn đặc tuyến V-A, trình ngắt diode hình 3.5 16 http://www.ebook.edu.vn Giáo trình Điện Tử Công Suất I trr Is IrrM Hình 3.5 Quá trình chuyển mạch diode Sau dòng điện I giảm 0, dòng qua diode không tắt mà tiếp tực dẫn theo chiều ngược tới giá trò IrrM , sau thời gian ngắt trr, khả dẫn theo chiều ngược bò mất, dòng điện qua diode giảm đột ngột giá trò dòng điện ngược Is Hệ trình công suất tổn hao chuyển mạch lớn Giá trò tức thời công suất tổn hao tính tích số điện áp dòng điện qua diode chuyển mạch Transistor Công Suất: a Cấu tạo: Transistor linh kiện bán dẫn gồm lớp: PNP hay NPN C N P N E E P N P C B b – Cấu tạo transistor PNP E B B a – Cấu tạo transistor NPN C B E c – Ký hiệu transistor NPN C d – Ký hiệu transistor PNP Hình 3.6 Cấu tạo ký hiệu transistor công suất Về mặt vật lý, transistor gồm phần: phần phát, phần phần thu Vùng (B) mỏng Hình 3.7 Một số dạng transistor công suất b Nguyên lý hoạt động: Điện UEE phân cực thuận mối nối B - E (PN) nguyên nhân làm cho vùng phát (E) phóng điện tử vào vùng P (cực B) Hầu hết điện tử (electron) sau qua vùng B qua tiếp mối nối thứ hai phía bên phải hướng tới vùng N (cực thu), khoảng 1% electron giữ lại vùng B Các lỗ trống vùng di chuyển vào vùng phát 17 http://www.ebook.edu.vn Giáo trình Điện Tử Công Suất E Emiter N C p • •• pP • • N Colector • E C • IE • Base IE RE + + - UEE IC UCC RC Hình 3.8 Sơ đồ phân cực transistor Mối nối B - E chế độ phân cực thuận diode, có điện kháng nhỏ điện áp rơi nhỏ mối nối B - C phân cực ngược điện áp UCC Bản chất mối nối B - C giống diode phân cực ngược điện kháng mối nối B - C lớn Dòng điện đo vùng phát gọi dòng phát IE Dòng điện đo mạch cực C (số lượng điện tích qua đường biên CC đơn vò thời gian dòng cực thu IC) Dòng IC gồm hai thành phần: - Thành phần thứ (thành phần chính) tỉ lệ hạt electron cực phát tới cực thu Tỉ lệ phụ thuộc vào cấu trúc transistor số tính trước transistor riêng biệt Hằng số đònh nghóa α Vậy thành phần dòng IC αIE Thông thường α = 0,9 → 0,999 - Thành phần thứ hai dòng qua mối nối B - C chế độ phân cực ngược lại IE = Dòng gọi dòng ICBO – nhỏ - Vậy dòng qua cực thu: IC = αIE + ICBO c Đặc tuyến V- A transistor: Đặc truyến V – A transistor mắc Emitter chung hình 3.9 Đặc tuyến V-A transistor chia làm vùng: Vùng cấm, vùng khuếch đại vùng bão hoà Ic Vcc/R Vùng bão hoà VCE = Vcc – R.Ic IB3 > IB2 IB2 > IB1 Đường tải tónh Vùng khuếch đại IB1 >0 IB = Vùng cấm Vcc VCE Hình 3.9 Đặc tuyến V – A mạch Emitter chung 18 http://www.ebook.edu.vn Giáo trình Điện Tử Công Suất Trong ứng dụng điện tử công suất lớn, người ta phân cực cho transistor vùng bão hoà (IB lớn) vùng cấm (IB = 0) mà không phân cực cho transistor vùng khuếch đại Các thông số transistor công suất: IC: Dòng colector mà transistor chòu được, UCesat điện áp UCE transistor dẫn bão hòa, UCEO: Điện áp UCE mạch bazơ để hở, IB = 0, UCEX điện áp UCE bazơ bò khóa điện áp âm, IB < 0, ton: Thời gian cần thiết để UCE từ giá trò điện áp nguồn U giảm xuống UCESat ≈ 0, tf: Thời gian cần thiết để iC từ giá trò IC giảm xuống 0, tS: Thời gian cần thiết để UCE từ giá trò UCESat tăng đến giá trò điện áp nguồn U, P: Công suất tiêu tán bên transistor Công suất tiêu tán bên transistor tính theo công thức: P = UBE.IB + UCE.IC - Khi transistor trạng thái ngắt: IB = 0, IC = nên P = - Khi transistor trạng thái dẫn: UCE = UCESat Các tổn hao chuyển mạch transistor lớn Trong lúc chuyển mạch, điện áp cực dòng điện transistor lớn Tích dòng điện điện áp với thời gian chuyển mạch tạo nên tổn hao lượng lần chuyển mạch Công suất tổn hao xác chuyển mạch hàm số thông số mạch phụ tải dạng biến thiên dòng điện gốc d Tính chất động transistor: Việc khảo sát tượng độ đóng ngắt transistor có ý nghóa quan trọng Quá trình dòng colector kích dạng xung vuông cho transistor hình 3.10 IB t IC tON tOFF t Hình 3.10 Đáp ứng transistor kích tín hiệu xung vuông Thời gian đóng tON thời gian ngắt tOFF khoảng vài μs Một hệ bất lợi tượng chuyển mạch transistor tạo nên công suất tổn hao chuyển mạch lớn điện áp transistor chuyển mạch lớn dòng điện chảy qua transistor lớn Công suất tổn hao transistor chuyển mạch giới hạn tần số đóng ngắt transistor Transistor Hiệu Ứng Trường (FET): Transistor hiệu ứng trường FET (Field – Effect Transistor) chế tạo theo công nghệ Mos (Metal – Oxid – Semiconductor), thường sử dụng chuyển mạch điện tử có công suất lớn Khác với transistor lưỡng cực điều khiển dòng điện, FET điều khiển điện áp FET gồm cực chính: cực máng (Drain), nguồn 19 http://www.ebook.edu.vn Giáo trình Điện Tử Công Suất (Source) cửa (Gate) Dòng điện máng - nguồn điều khiển điện áp cửa – nguồn ID ug = Vùng bão Vùng khuếch đạiug = 7.5 ug = V hoà ug = 4.5 Vùng cấm a Đặc tuyến V - A ug = • Máng Cửa • • • VD Nguồn b.Ký hiệu FET kênh N Hình 3.11 Đặc tuyến V – A ký hiệu FET FET trạng thái ngắt điện áp cực cổng Ug < Uthrd (điện áp ngưỡng) Để FET trạng thái dẫn, đện áp đặt vào cực G phải liên tục lớn điện áp ngưỡng Dòng điện chảy cực cổng không đáng kể ngoại trừ dòng điện trạng thái độ Khi cho tín hiệu điều khiển mở ngắt dòng qua FET, cực cổng xuất hiệu tượng nạp phóng điện cho tụ điện cực cổng Thờ gian phóng nạp tụ thường nhỏ (khoảng vài ns) tùy thuộc vào FET lón hay nhỏ Điện trở FET dẫn điện thay đổi tuỳ vào khả chòu áp FET FET thường có đònh mức thấp tương ứng với điện trở nhỏ, tổn hao Tuy nhiên, FET có tần số đóng ngắt cao (thởi gian tON tOFF nhỏ ), nên đònh mức từ 300 ÷ 400 V, FET tỏ ưu điểm so với BJT tần số vài chục KHz IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor): IGBT có ký hiệu đặc tuyến V – A hình 3.12: C Ic G E VCE5 VCE4 VCE3 VCE2 VCE1 VCE Hình 3.12 Ký hiệu đặc tuyến V – A IGBT Giống MOSFET, IGBT có tổng trở ngõ vào lớn làm hạn chế công suất tổn hao đóng ngắt Giống BJT, IGBT có sụt áp dẫn thấp khả chòu điện áp khóa cao tương tự GTO, IGBT có khả chòu điện áp ngược cao Tần số đóng ngắt IGBT cao khả chòu tải lớn 20 http://www.ebook.edu.vn Giáo trình Điện Tử Công Suất Hình 3.13 Một số dạng IGBT Thyristor: a Cấu tạo: Tiristor linh kiện gồm lớp bán dẫn PNPN liên tiếp tạo nên anode (A), kathode (K) cực điều khiển (G) A A P N P K N G a Cấu tạo thyristor A K G G b Ký hiệu thyristor K c sơ đồ thay Hình 3.14 Cấu tạo, sơ đồ thay ký hiệu thyristor Về mặt lý thuyết tồn loại cấu trúc thyristor PNPN NPNP Tuy nhiên thực tế, người ta phát triển loại PNPN hình vẽ Thyristor gồm đóa Silic từ đơn thể loại N, lớp đệm loại bán dẫn P có cực điều khiển dây nhôm, lớp chuyển tiếp tạo nên kỹ thuật bay Gali Lớp tiếp xúc anốt katốt đóa môlipđen hay tungsen có hệ số nóng chảy gần với Gali Cấu tạo dạng đóa kim loại để dễ dàng tản nhiệt Hình 3.15 Một số dạng thyristor b Hoạt động thyristor: - Phân cực thyristor: a sơ đồ phân cực thuận b sơ đồ phân cực ngược Hình 3.16 Sơ đồ phân cực thyristor - Từ sơ đồ thay thyristor ta thấy, thyristor bò phân cực ngược (Điện áp âm đặt vào A, 21 http://www.ebook.edu.vn Giáo trình Điện Tử Công Suất điện áp dương đặt vào K) Q1 Q2 dẫn nên dòng chảy qua thyristor, thyristor ngắt - Khi phân cực thuận chưa có dòng điện dưa vào cực G, Q2 chưa có dòng điều khiển nên Q2 không dẫn chưa có dòng chảy qua thyristor thyristor trạng thái sẵn sàng dẫn Khi ta cho vào cực G dòng điều khiển IG Q2 dẫn Khi T2 dẫn, dòng điện chảy qua Q2 dòng cực B Q1 Q1 dẫn Khi Q1 dẫn, dòng Ic Q1 đưa vào cực B Q2 Khi Q1 Q2 dẫn dòng điện chảy qua colector transistor dòng điện chảy vào bazơ transistor chúng trì lẫn làm cho thyristor dẫn dòng tín hiệu điều kiển IG không Thyristor ngắt dòng điện chảy qua thyristor không đặt điện áp ngược lên thyristor người ta gọi thyristor linh kiện kích đóng c Đặc tuyến V-A thyristor: I Nhánh thuận t Uma VA Nhánh ngược Hình 3.17 Đặc tuyến V – A Thyristor Đặc tuyến V – A thyristor gồm nhánh: nhánh thuận nhánh ngược Ở nhánh nghòch đặc tuyến V – A tương tự diode Ở nhánh thuận, IG = đặc tuyến V – A tương tự nhánh ngược, điện áp đặt lên thyristor lớn giá trò Umax, dòng điện chảy qua thyristor tăng nhanh, thiristor trạng thái điều khiển bò phá hỏng Khi IG ≠ 0, tuỳ vào giá trò IG mà điện áp khóa thay đổi, điện áp khóa giảm IG tăng ngược lại Triac: Triac thiết bò bán dẫn ba cực, bốn lớp có đường đặc tính volt-ampe đối xứng, nhận góc mở α cho hai chiều Triac chế tạo để làm việc mạch điện xoay chiều, có tác dụng SCR đấu song song ngược T2 N N T2 P N P G N G T1 a Cấu tạo triac T1 b Ký hiệu triac c Sơ đồ tương đương Hình 3.17 Cấu tạo ký hiệu triac 22 http://www.ebook.edu.vn Giáo trình Điện Tử Công Suất Triac hoạt động tương tự thyristor cho dòng dẫn theo chiều Đặc tuyến V-A triac hình 3.18 I Nhánh thuận Umax Umax VA Nhánh ngược Hình 3.18 Đặc tuyến V – A triac Ứng Dụng Của Các linh kiện công suất: Các khoá điện tử ứng dụng để làm thiết bò đóng cắt tần số cao hệ thống điều khiển đóng ngắt van hệ thống điều khiển dùng khí nén, đóng ngắt nguồn hệ thống điều khiển nhiệt độ … Ưu điểm dùng khoá điện tử so với khoá điện từ khoá khoá điện tử không sinh hồ quang đóng ngắt tần số đóng ngắt cao Đặc biệt, khoá điện tử dùng để làm biến đổi công suất để tạo dạng nguồn công suất lớn cung cấp cho phụ tải như: Chỉnh lưu, nghòch lưu, biến đổi điện áp chiều, biến đổi điện áp xoay chiều … 23 http://www.ebook.edu.vn Giáo trình Điện Tử Công Suất III.3 Bộ Biến Đổi Điện Áp Một Chiều Kép: - Sơ đồ mạch: id ud Hình 3.7 Sơ đồ biến đổi điện áp chiều kép - Phân tích: Điều kiện để mạch hoạt động: Các khoá S1 S4, S2 S3 không phép dẫn, giả sử cuộn dây L có giá trò đủ lớn để dòng tải liên tục, khoá s điều khiển tín hiệu: S1, S3 T1 T2 S2, S4 Hình 3.8 Dạng sóng tín hiệu điều khiển khoá + Trong khoảng thời gian T1, khoá S1 S3 dẫn, ta có hệ thức mô tả trạng thái mạch: ud = U Rid + L (3.19) di d − E =U dt (3.20) + Trong khoảng thời gian T1, khoá S2 S4 dẫn, ta có hệ thức mô tả trạng thái mạch: ud = U Ri d + L (3.21) di d − E = −U dt (3.22) Ta có dạng sóng điện áp dòng điện tải: 61 http://www.ebook.edu.vn Giáo trình Điện Tử Công Suất Hình 3.9 Dạng sóng điện áp dòng điện tải Từ dạng sóng điện áp tải ta có hệ thức: + Trò trung bình điện áp tải: T T T 1 1 U U d = ∫ u d (t )dt = ∫ Udt + ∫ − Udt = (T1 − T2 ) T T T T1 T (3.23) Từ (2.23) ta nhận thấy T1 = T2 Ud 0, biến đổi điện áp chiều trở thành nghòch lưu áp pha + Trò trung bình dòng điện id : I d = Ud − E R (3.24) III.4 Sơ Đồ Điều Khiển Bộ Biến Đổi Điện Áp Một Chiều: Vcc LM555 THR TR U1 D1 R4 1k 103 Vcc C828 A1015 12 R Q CV DIS R3 1k 0.1u 8,2 V LM339 R8 1k R7 C 1k 4N35 R2 10k 10k + 10k 1k - R1 Vcc 0.1u 0.1u Vcc 10k Hình 3.10 Sơ đồ mạch điều khiển biến đổi điện áp chiều 62 http://www.ebook.edu.vn B Giáo trình Điện Tử Công Suất CHƯƠNG IV: NGHỊCH LƯU VÀ BIẾN TẦN IV.1 Vai Trò Của Nghòch Lưu: Bộ nghòch lưu dùng để biến đổi điện áp chiều thành điện áp xoay chiều Bộ nghòch lưu phần tử nguồn UPS, biến tần gián tiếp VDC Bộ biến đổi điện áp chiều VAC , f = var IV.2 Đặc Điểm Của Nghòch Lưu: + Điện áp xoay chiều ngõ có trò hiệu dụng tần số thay đổi + Nếu độ lợi nghòch lưu không đổi điện áp ngõ điều khiển cách thay đổi trò trung bình nguồn chiều + Điện áp xoay chiều ngõ thực tế tín hiệu sin chuẩn mà có thành phần sóng hài bậc cao, sóng hài bậc cao giảm bớt kỹ thuật đóng ngắt + Nếu nguồn DC có trò trung bình không đổi trò hiệu dụng điện áp ngõ thay đổi cách thay đổi độ lợi nghòch lưu (PWM: Pulse Width Modulation) + Cấu trúc nghòch lưu: Nguồn DC Bộ nghòch lưu Tải xoay chiều IV.3 Ứng Dụng Của Nghòch Lưu: + Bộ nghòch lưu dùng làm thiết bò biến đổi biến tân gián tiếp, ứng dụng quan trọng rộng rãi nghòch lưu + Dùng làm nguồn điện xoay chiều gia đình, nguồn điện liên tục UPS + Dùng bù nhuyễn công suất phản kháng IV.4 Nghòch Lưu Cầu Áp Một Pha: - Sơ đồ mạch: Hình 4.1 Sơ đồ mạch nghòch lưu cầu áp pha 63 http://www.ebook.edu.vn Giáo trình Điện Tử Công Suất - Phân tích: Điều kiện để mạch hoạt động: Các khoá S1 S4, S2 S3 không phép dẫn Giả sử khoá s điều khiển tín hiệu tuần hoàn với chu kỳ T T1 = T2: S1, S3 T1 T2 S2, S4 Hình 4.2 Dạng sóng tín hiệu điều khiển khoá + Trong khoảng thời gian < t < T/2, khoá S1 S3 dẫn, ta có hệ thức mộ tả trạng thái mạch: uZ = U Ri Z + L (4.1) di Z =U dt ( ) Giải phương trình (4.2) ta được: t − ⎡U ⎤⎛ i Z (t ) = ⎢ − i Z (0)⎥⎜⎜1 − e τ ⎣R ⎦⎝ ⎞ ⎟ + i Z (0) ⎟ ⎠ (4.3) + Trong khoảng thời gian T/2 < t < T, khoá S2 S4 dẫn, ta có hệ thức mô tả trạng thái mạch: u Z = −U RiZ + L ( 4 ) di Z = −U dt (4.5) Giải phương trình (4.5) ta được: T t− ⎛ − ⎡U ⎛ T ⎞⎤⎜ i Z (t ) = − ⎢ − i Z ⎜ ⎟⎥⎜1 − e τ ⎝ ⎠⎦⎜ ⎣R ⎝ ⎞ ⎟ ⎛T ⎞ ⎟ + iZ ⎜ ⎟ ⎝2⎠ ⎟ ⎠ ( ) Ta có dạng sóng tín hiệu tải hình 4.3 Từ dạng sóng thu ta có hệ thức: + Trò hiệu dụng điện áp tải: T UZ = T T 2 1 u Z (t )dt = U dt + (−U ) dt = U ∫ ∫ ∫ T T T 64 ( ) http://www.ebook.edu.vn Giáo trình Điện Tử Công Suất Hình 4.3 Dạng sóng điện áp dòng điện tải + Trò hiệu dụng thành phần hài bản: Khai triển Fourier tín hiệu điện áp tải uZ ta có: uZ = ∞ 4U sin nωt n =1, 3, 5, nπ ∑ (4.8) Từ (4.8) ta có thành hần hài (bậc 1): uZ = 4U π sin ωt (4.9) Từ (4.9) ta có: trò đỉnh thành phần hài bậc 1: U ZMAX = 4U π trò hiệu dụng thành phần hài bậc 1: UZ = U ZMAX = 4U (4.10) 2π + Trò hiệu dụng thành phần hài dòng điện IZ: IZ = UZ = Z UZ R + (ωL ) 2 (4.11) Với ω = 2πf (f: tần số hài bản) 65 http://www.ebook.edu.vn Giáo trình Điện Tử Công Suất IV.4 Nghòch Lưu Cầu Áp Ba Pha: - Sơ đồ mạch: Hình 4.4 Sơ đồ nghòch lưu cầu áp ba pha - Phân tích: Điều kiện để mạch làm việc: Các khoá pha không phép dẫn Giả sử nguồn U phân tách thành hai nguồn có độ lớn U/2 mắc nối tiếp với với điểm phân O giữa, tải pha đối xứng, nguồn pha ngõ lệch 1200 điện có tần số ta có: u z1 + u z + u z = (4.12) Gọi hiệu điện điểm 1, 2, điểm phân O là: u1O, u2O, u3O điện áp pha xuyên tâm nguồn , ta có: u z1 = u10 − u N u z = u 20 − u N u z = u 30 − u N (4.13) (4.14) (4.15) Cộng (4.13), (4.14), (4.15) kết hợp với (4.12) ta được: u10 + u 20 + u 30 − 3u N = u z1 + u z + u z = Từ (4.16) ta có: uN0 = u10 + u 20 + u 30 (4.16) (4.17) Thay (4.17) vào (4.13), (4.14), (4.15) ta có: u z1 = 2u10 − u 20 − u 30 (4.18) uz2 = 2u 20 − u10 − u 30 (4.19) u z3 = 2u 30 − u 20 − u10 (4.20) Trong đó: uz1, uz2, uz3 điện áp pha tải Từ (4.18), (4.19), (4.20) ta thấy điện áp pha tải xác đònh biết điện áp pha xuyên tâm nguồn Muốn có điện áp pha xuyên tâm nguồn thí khoá S mạch phải đóng ngắt thoả mãn điều kiện đẩ mạch làm việc 66 http://www.ebook.edu.vn Giáo trình Điện Tử Công Suất + Nếu S1 dẫn S4 ngắt, ta có: u10 = U + Nếu S4 dẫn S1 ngắt, ta có: u10 = − + Nếu S3 dẫn S6 ngắt, ta có: u 20 = U + Nếu S6 dẫn S3 ngắt, ta có: u 20 = − + Nếu S5 dẫn S2 ngắt, ta có: u 30 = U U U + Nếu S2 dẫn S5 ngắt, ta có: u 30 = − U Từ việc phân tích ta nhận thấy: Điện áp tải hoàn toàn xác đònh biết giản đồ xung kích đóng ngắt khoá S mạch biết điện áp nguồn chiều U Xét giản đồ xung kích đóng Six – Step (Phương pháp điều biên) sau: S1 S2 S3 S4 S5 S6 U10 U20 U30 2U/3 U/3 uz1 -U/3 -2U/3 2U/3 U/3 uz2 -U/3 -2U/3 2U/3 U/3 uz3 -U/3 -2U/3 67 http://www.ebook.edu.vn Giáo trình Điện Tử Công Suất Hình 4.5 Giản đồ xung six – step tín hiệu xoay chiều ngõ nghòch lưu Từ dạng sóng thu ta có hệ thức: U + Trò hiệu dụng điện áp xoay chiều tải: U Z = + Trò hiệu dụng thành phần hài bậc UZ1: U Z = U (4.21) (4.22) π + Trò hiệu dụng thành phần hài bậc dòng điện tải: IZ1: I Z1 = U Z1 = Z U Z1 R + (ωL ) 2 (4.23) IV.5 Các Phương Pháp Điều Khiển Bộ Nghòch Lưu: Các nghòch lưu thường điều khiển theo phương pháp: - Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM: Pulse Width Modulation) - Phương pháp PWM tối ưu - Phương pháp điều rộng (Bộ nghòch lưu áp pha) - Phương pháp điều biên (Six- step) Dưới dây giới thiệu dạng sóng điện áp xoay chiều ngõ nghòch lưu theo phương pháp điều khiển Hình 4.6 Tín hiệu điều khiển, áp dây áp pha nghòch lưu theo phương pháp PWM 68 http://www.ebook.edu.vn Giáo trình Điện Tử Công Suất Hình 4.7 Tín hiệu điều khiển, áp dòng nghòch lưu pha theo phương pháp điều rộng IV.6 Vai trò biến tần: Bộ biến tần dùng để biến đổi tần số điện áp xoay chiều có trò hiệu dụng tần số không đổi thành điện áp xoay chiều có tần số trò hiệu dụng thay đổi V = const, f = const Bộ biến tần V= var, f=var Có loại biến tần: Biến tần gián tiếp biến tần trực tiếp + Biến tần gián tiếp: Bộ biến tần gián tiếp có cấu tạo gồm chỉnh lưu làm nhiệm vụ chỉnh lưu điện áp xoay chiều có trò hiệu dụng tần số cố đònh ngõ vào thành điện áp chiều, điện áp chiều sau chỉnh lưu đưa vào nghòch lưu để tạo điện áp xoay chiều ngõ với trò hiệu dụng điều chỉnh tần số điều chỉnh không phụ thuộc vào tần số nguồn Bộ biến tần gián tiếp có công suất tối đa lên tới vài MW tần số tối đa đạt tới hàng chục KHz (sử dụng lò cao tần) Hình 6.1 Sơ đồ biến tần gián tiếp 69 http://www.ebook.edu.vn Giáo trình Điện Tử Công Suất + Bộ biến tần trực tiếp: Bộ biến tần trực tiếp biến đổi trực tiếp điện áp xoay chiều có tần số trò hiệu dụng cố đònh thành điện áp xoay chiều có tần số trò hiệu dụng thay đổi mà bước trung gian chỉnh lưu Đối với biến tần trực tiếp, điện áp xoay chiều lấy phụ thuộc vào nguồn xoay chiều ngõ vào mà biến tần trực tiếp tạo điện áp xoay chiều có trò hiệu dụng tần số nhỏ nguồn Biến tần trực tiếp thường có công suất lớn thường sử dụng hệ truyền động tốc độ thấp có công suất lớn Hình 6.2 Sơ đồ biến tần trực tiếp IV.7 Ứng dụng biến tần: Bộ biến tần thường dùng để điều khiển tốc độ động xoay chiếu theo phương pháp điều khiển tần số Ngoài việc thay đổi tần số, biến tần thay đổi tổng số pha Với có mặt biến tần, ta dùng động pha lưới điện pha Ngoài biến tần sử dụng rộng rãi kỹ thuật nhiệt điện, trường hợp biến tần dùng để cung cấp lượng cho lò cảm ứng Một số biến tần công nghiệp: Dưới giới thiệu số biến tần công nghiệp: Hình 6.3 Một số biến tần công nghiệp 70 http://www.ebook.edu.vn Giáo trình Điện Tử Công Suất CHƯƠNG V: BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU V.1 Vai Trò Của Bộ Biến Đổi Điện Áp Xoay Chiều: Bộ biến đổi điện áp xoay chiều dùng để biến đổi điện áp xoay chiều có trò hiệu dụng không đổi thành điện áp xoay chiều có trò hiệu dụng thay đổi V = const, f = const Bộ BĐĐA XC V= var, f=const V.2 Ứng dụng Của Bộ Biến Đổi Điện Áp Xoay Chiều: Bộ biến đổi điện áp xoay chiều thường dùng để điều khiển công suất tiêu thụ tải hệ thống điều khiển nhiệt độ lò, máy nước nóng, bếp điện, điều khiển tốc độ động quạt gió, máy bơm đặc biệt dùng làm thiết bò hạn chế dòng khởi động cho động (Các softstart) V.3 Các Phương Pháp Điều Khiển Bộ Biến Đổi Điện Áp Xoay Chiều: Bộ biến đổi điện áp xoay chiều điều khiển phương pháp: Điều khiển pha điều khiển tỷ lệ thời gian Điều khiển pha: Trong phương pháp điều khiển pha, tín hiệu điều khiển đưa vào cổng điều khiển linh kiện vò trì trễ so với vò trí bắt đầu xuất điện áp phân cực thuận cho linh kiện góc α theo chu kỳ tín hiệu nguồn Điện áp nguồn xoay chiều đóng vai trò điện áp chuyển mạch linh kiện Tín hiệu xoay chiều ngõ biến đổi điện áp xoay chều điều khiển theo phương pháp có chứa thành phần hài với độ lớn phụ thuộc vào góc điều khiển Điều khiển tỷ lệ thời gian: Trong phương pháp điều khiển tỷ lệ thời gian, tín hiệu điều khiển đưa vào cổng điều khiển linh kiện liên tục khoảng thời gian số nguyên lần chu kỳ tín hiệu nguồn sau ngắt tín hiệu điều khiển khoảng thời gian số nguyên chu kỳ tín hiệu nguồn Phương pháp không dùng cho loại tải có quán tính nhỏ bóng đèn dây tóc, động có mô men quán tính nhỏ mà thường dùng cho loại tải có quán tính lớn lò nhiệt, bếp điện, máy nước nóng … Tín hiệu xoay chiều ngõ gần không chứa thành phần hài bậc cao V.4 Bộ Biến Đổi Điện Áp Xoay Chiều Một Pha: - Sơ đồ mạch: Hình 5.1 Sơ đồ mạch biến đổi điện áp xoay chiều 71 http://www.ebook.edu.vn Giáo trình Điện Tử Công Suất - Phân tích: Nguồn xoay chiều : u1 = 2V sin θ • Trường hợp tải R: + Trong khoảng < θ < π: điện áp xoay chiều u có giá trò dương, Thyrirtor T1 phân cực thuận, thyrirtor T2 bò phân cực ngược Tuy T1 phân cực thuận T1 loại linh kiện có điều khiển nên thyristor T1 chưa dẫn, điện áp tải uz = Giả sử góc < θ = α < π, ta cho tín hiệu điều khiển mở T1, T1 dẫn điện áp tải: u z = u = 2V sin θ (5.1) Dòng điện chảy từ nguồn qua T1, qua tải R trở nguồn Dòng điện chảy qua tải: uz 2V sin θ iz = R = (5.2) R + Khi θ = π, điện áp nguồn xoay chiều 0, dòng điện chảy qua tải dòng điện chảy qua thyristor T1 0, T1 ngắt + Trong khoảng π < θ < 2π: điện áp xoay chiều u có giá trò âm, thyristor T1 bò phân cực ngược, thyristor T2 phân cực thuận Giả sử góc π < θ = α+π < 2π, ta cho tín hiệu điều khiển mở T2, T2 D1 dẫn điện áp tải: u d = u = 2V sin θ (5.3) + Dạng sóng tín hiệu điện áp dòng điện tải hình 5.2: Từ dạng sóng nhận ta có hệ thức: + Trò hiệu dụng điện áp xoay chiều ngõ ra: Uz = 2π 2π ∫ u (θ )dθ = z π ( π∫ ) 2V sin θ dθ = V − α α sin 2α + π 2π (5.4) +Trò hiệu dụng dòng điện qua tải: Iz = Uz V α sin 2α = 1− + π R R 2π 72 (5.5) http://www.ebook.edu.vn Giáo trình Điện Tử Công Suất Hình 6.2 Dạng sóng điện áp dòng điện tải + Công suất tiêu tán tải R: V ⎛ α sin 2α ⎞ Pz = U z I z = ⎜1 − + ⎟ (5.6) R ⎝ π 2π ⎠ + Hệ số sử dụng công suất nguồn: λ= Pz U z I z α sin 2α = = 1− + S VI z π 2π (5.7) • Trường hợp tải RL: + Trong khoảng < θ < π: điện áp xoay chiều u có giá trò dương, Thyrirtor T1 phân cực thuận, thyrirtor T2 bò phân cực ngược Tuy T1 phân cực thuận T1 loại linh kiện có điều khiển nên thyristor T1 chưa dẫn, điện áp tải uz = Giả sử góc < θ = α < π, ta cho tín hiệu điều khiển mở T1, T1 dẫn điện áp tải: u z = u = 2V sin θ (5.8) Dòng điện chảy từ nguồn qua T1, qua tải R, L trở nguồn Khi T1 dẫn, ta có phương trình mạch tải: Ri z + L di z = 2V sin θ dt (5.9) Giải phương trình (5.9) ta được: i z (θ ) = θ −α ⎡ ⎤ sin (θ − ϕ ) − sin (α − ϕ )e tgϕ ⎥ ⎢ R + X ⎢⎣ ⎥⎦ 2V 73 (5.10) http://www.ebook.edu.vn Giáo trình Điện Tử Công Suất Trong (5.10) thì: X = ωL, tgϕ = ωL R Dòng điện tăng lên từ Khi dòng điện bi61n thiên theo xu hướng giảm cuộn dây L xuất sức điện động theo chiều chống lại chiều biến thiên dòng điện + Khi θ = π, điện áp nguồn xoay chiều 0, cuộn dây L hoàn lượng nên T1 không ngắt mà tiếp tục dẫn thêm đoạn đến góc β = π+ϕ tắt T1 ngắt β gọi góc tắt dòng điện Khi T1 ngắt, T2 xuất điện áp phân cức thuận + Trong khoảng π < θ < 2π: Giả sử thời điểm θ = π + α > β, ta cho tín hiệu điều khiển mở T2, T2 dẫn + Dạng sóng tín hiệu điện áp dòng điện tải hình 5.2: β Hình 5.3 Dạng sóng điện áp dòng điện tải Ta nhận thấy: α = ϕ dòng tải dòng liên tục, α > ϕ, dòng tải dòng gián đoạn Khi α = ϕ, người ta gọi góc mở tới hạn xác đònh: ωL α th = arctg (5.11) R Từ dạng sóng nhận ta có hệ thức: + Trò hiệu dụng điện áp xoay chiều ngõ ra: Uz = 2π 2π ∫u z (θ )dθ = V ψ sin 2α − sin 2β β − α sin 2α − sin β + =V + π π 2π 2π (5.12) Trong ψ = β - α gọi góc dẫn dòng điện +Trò hiệu dụng dòng điện qua tải: Iz = Uz R2 + X 74 (5.13) http://www.ebook.edu.vn Giáo trình Điện Tử Công Suất • Mạch điều khiển biến đổi điện áp xoay chiều pha: Vcc R3 4,7k LM339 R4 1k 10k A1015 C828 Vcc 10k 1u + 8,2 V + 4,7k LM339 - 104 T1 5 K T1 G D TIP122 D 4,7k 12 220V T2 D 1k - 10k 12 Vcc R1 Vcc 6V Vcc Vcc BB + - R4 1k 10k C828 10k 1u 8,2 V Vcc T2 + - LM339 4,7k D 104 D TIP122 4,7k 10k Hình 5.4 Sơ đồ mạch điều khiển biến đổi điện áp xoay chiều 75 K T2 D A1015 12 R3 4,7k Vcc 10k LM339 1k 12 R2 Vcc http://www.ebook.edu.vn G [...]... 5 K SCR1 1k 1 10k 7 C828 + 1k 1u 8,2 V 6 3 R4 1 T1 5 220V D 8 T2 4,7k + LM339 1 5 D 4 8 TIP122 - G K SCR3 10 4 D G 4,7k 6V Vcc 4 4 1 3 A1 015 - 7 Vcc 10 k R3 4,7k LM339 12 6 10 k Vcc 12 R1 Vcc 8 1 BB T2 5 K SCR2 Vcc - 1 Vcc A1 015 D 4 10 k 7 + C828 R4 1k 1u 8,2 Vcc V 1 1 3 R3 4,7k 6 12 6 12 10 k LM339 + 2 7 1k 10 k 3 R2 LM339 1 - 4,7k 10 4 8 T2 4 TIP122 D 4,7k 3 10 k Hình 2.23 sơ đồ chi tiết mạch điều khiển bộ... của dòng điện chảy qua thứ cấp của máy biến áp: I= 1 π I π α∫ 2 d ⎛ α⎞ dθ = I d ⎜ 1 − ⎟ ⎝ π⎠ (2 .11 1) c Sơ đồ mạch điều khiển: - Sơ đồ khối mạch điều khiển: So sánh Biến áp đồng bộ 2 220V Vcc 1 Mạch kích SCR k 3 10 k Hình 2.22 Sơ đồ khối mạch điều khiển chỉnh lưu 47 http://www.ebook.edu.vn Giáo trình Điện Tử Công Suất 1 - Sơ đồ chi tiết mạch điều khiển: Vcc Vcc 1 T2 5 K SCR1 1k 1 10k 7 C828 + 1k 1u 8,2... 1 θ2 π θ∫ 2V sin θdθ + 2.E. 1 = 1 1 π π − 1 ∫ θ 2V sin θdθ + 2.E. 1 = 1 2 2V π (cos 1 ) + 2.E. 1 + Trò trung bình của dòng điện qua tải: Id = 1 π i π∫ d (θ )dθ = 0 1 θ2 π θ∫ 1 Với ωτ = θ2 - 1, ω = 2V sin θ − E 2 2V ⎛ cos 1 τ ⎞ dθ = − sin 1 ⎟ ⎜ R R ⎝ π T ⎠ (2.35) 2π , E xác đònh bằng công thức 2. 31 ( u d = u = 2V sin θ T (2. 31) ) + Trò trung bình của dòng điện chảy qua diode: π I 1 2V ⎛ cos 1. .. điện áp trên tải: u d = −u = − 2V sin θ 41 (2.82) http://www.ebook.edu.vn Giáo trình Điện Tử Công Suất 1 Ta có dạng sóng điện áp và dòng điện tải như hình 2 .17 : + Trò trung bình của điện áp trên tải: Ud = 1 π u π∫ d (θ )dθ = 0 1 π π α∫ 2V sin θdθ = 2V π (1 + cos α ) (2.83) Hình 2 .17 Dạng sóng điện áp và dòng điện tải Từ (2.83) ta nhận thấy khi 0 < α < π, điện áp trên tải 0 < U d < 2 2 π V Ud 2V (1. .. về nguồn Dòng điện chảy qua tải tăng lên, khi đó điện áp trên tải: u d = −u = − 2V sin θ (2 .10 5) Ta có dạng sóng điện áp và dòng điện tải: Hình 2. 21 Dạng sóng điện áp và dòng điện tải 46 http://www.ebook.edu.vn Giáo trình Điện Tử Công Suất 1 + Trò trung bình của điện áp trên tải: Ud = 1 π π ∫ u d (θ )dθ = 0 1 π π α∫ 2V sin θdθ = 2V π (1 + cos α ) Từ (2.83) ta nhận thấy khi 0 < α < π, điện áp trên tải... R λ X (2 .13 ) (2 .14 ) Góc tắt λ có thể được xác đònh từ phương trình siêu việt (2 .14 ) + Khi λ < θ < 2π: Diode bò phân cực ngược, diode ngắt Khi đó điện áp trên tải ud = 0 27 http://www.ebook.edu.vn Giáo trình Điện Tử Công Suất 1 Hình 2.4 Dạng sóng điện áp và dòng điện tải + Trò trung bình của điện áp trên tải: 1 Ud = 2π 2π 1 ∫0 ud (θ )dθ = 2π 2π ∫ 2V sin θdθ = 0 2V π − 2V (1 + cos λ ) 2π (2 .15 ) + Trò... π 1 2 V id (θ )dθ = ∫ 2π 0 2R 26 ( 2 9 ) http://www.ebook.edu.vn Giáo trình Điện Tử Công Suất 1 • Trường hợp tải RL: + Khi 0 < θ < π: Diode được phân cực thuận, diode mở cho dòng điện chảy qua tải Khi đó điện áp trên tải ud bằng điện áp nguồn u u d = u = 2V sin θ (2 .10 ) Dòng điện chảy qua mạch được xác đònh thông qua phương trình cho mạch điện: R.id + L did = u = 2V sin θ dt (2 .11 ) Giải phương trình. .. bằng 0, dòng điện chảy qua tải là liên tục Từ phương trình (2.43) ta có trò trung bình của dòng điện chảy qua tải: 33 http://www.ebook.edu.vn Giáo trình Điện Tử Công Suất 1 Ud − E R Id = (2.44) Dạng sóng của điện áp và dòng điện tải khi có cuộn dây L: Hình 2 .10 Dạng sóng điện áp và dòng điện tải Từ dạng sóng nhận được ta có: + Trò trung bình của điện áp trên tải: Ud = 1 π π ∫ u d (θ )dθ = 0 1 π π∫ 2V... 2π: điện áp xoay chiều u có giá trò âm, phân tích tương tự như trên, diode D2 và D4 sẽ dẫn khi nguồn xoay chiều xoay chiều lớn hơn nguồn sưc điện động E Điện áp trên hai đầu tải: u d = −u = − 2V sin θ 31 (2.33) http://www.ebook.edu.vn Giáo trình Điện Tử Công Suất 1 Ta có dạng sóng điện áp và dòng điện tải: 1 θ2 Hình 2.9 Dạng sóng điện áp và dòng điện tải + Trò trung bình của điện áp trên tải: Ud = 1. .. diode ngắt Điện áp trên hai đầu tải: ud = 0, dòng điện chảy qua tải Id = 0 Diode bò 25 http://www.ebook.edu.vn Giáo trình Điện Tử Công Suất 1 đặt một điện áp ngược cực đại bằng giá trò cực đại của điện áp trên 2 đầu thứ cấp của máy biến áp: u d = 2V ( 2 4 ) Ta có dạng sóng điện áp và dòng điện tải: Hình 2.3 dạng sóng điện áp và dòng điện tải + Trò trung bình của điện áp trên tải: Từ dạng sóng điện áp ... THR TR U1 D1 R4 1k 10 3 Vcc C828 A1 015 12 R Q CV DIS R3 1k 0.1u 8,2 V LM339 R8 1k R7 C 1k 4N35 R2 10 k 10 k + 10 k 1k - R1 Vcc 0.1u 0.1u Vcc 10 k Hình 3 .10 Sơ đồ mạch điều khiển biến đổi điện áp chiều... http://www.ebook.edu.vn Giáo trình Điện Tử Công Suất - Sơ đồ chi tiết: Vcc 6V U13 R3 4,7k LM339 C828 1u 8,2 V + 4,7k LM339 - 10 4 6V U 21 12 Vcc 10 k 8,2 V 1u + 4,7k LM339 - 10 4 6V U32 12 Vcc 10 k R4 1k C828 10 k 1u 8,2... V + 12 BB T2 LM339 4,7k 10 4 K SCR5 D A1 015 10 k G 4,7k R3 4,7k Vcc + T1 - LM339 K SCR3 TIP122 D Vcc 1k D Vcc R1 T2 D 10 k C828 BB Vcc A1 015 R4 1k G 4,7k 12 10 k R3 4,7k LM339 TIP122 D + T1 - 1k K