Điện tử công suất nâng cao

Bài giảng dành cho các kỹ sư và cử nhân muốn tìm hiểu sâu thêm về điện tử công suất. Bài giảng viết rất chi tiết và cập nhật thường xuyên. Có các bài tập mẫu giúp người đọc tiếp cận dễ dàng hơn. Một số bài tập dành cho người đọc ôn luyện rèn kỹ năng

1/24/2015 Ts Trần Trọng Minh Bộ môn Tự động hóa, Viện Điện, ĐHBK Hà nội Hà nội, - 2014  Tại gọi ĐTCS nâng cao? ◦ Sau có khái niệm BBĐ bán dẫn công suất, loại biến đổi bán dẫn (AC-DC, AC-AC, DC-DC, DC-AC), ◦ Sau biết Điều khiển ĐTCS, quy luật điều chế PWM, SVM, phương pháp xây dựng mạch vòng điều chỉnh, ◦ Ta bắt đầu nghiên cứu ứng dụng ĐTCS hệ thống, môi trường đặc thù khác ◦ Mỗi hệ thống, môi trường đặc thù đặt vấn đề khác cần giải Giải số vấn đề mục tiêu ĐTCS nâng cao! 1/24/2015 1/24/2015  Mục tiêu: ◦ Giới thiệu xu hướng phát triển ứng dụng quan trọng Điện tử công suất ◦ Phương pháp phân tích biến đổi bán dẫn công suất phạm vi ứng dụng đặc thù, hiểu rõ đặc tính kỹ thuật yêu cầu ◦ Nắm rõ cấu trúc mạch động lực, hệ thống điều khiển biến đổi bán dẫn công suất lĩnh vực ứng dụng  Yêu cầu: ◦ Đã có kiến thức ĐTCS, Điều khiển ĐTCS!!! ◦ Sử dụng tốt Matlab-Simulink, ◦ Đọc tài liệu tham khảo tiếng Anh  Thi, kiểm tra: ◦ Được lựa chọn: Xây dựng mô hình mô phỏng, trình bày lớp; Làm viết 120 phút, dùng tất loại tài liệu (Open book exam.) 1/24/2015  Phần I: ◦ I.1 Giới thiệu xu hướng phát triển ứng dụng quan trọng Điện tử công suất ◦ I.2 Nhắc lại Mô hình hóa mô Điện tử công suất  Phần II ◦ II.1 Các phương pháp điều khiển phi tuyến biến đổi bán dẫn công suất (Chương 8, TLTK 1) ◦ II.2 Tuyến tính hóa phương pháp phản hồi trạng thái (Chương 9, TLTK 1) ◦ II.3 Điều khiển tựa thụ động cho Điện tử công suất (Chương 10, TLTK 1) ◦ II.4 Điều khiển hệ có cấu trúc thay đổi – Sliding mode (Chương 11, TLTK 1) ◦ II.5 Điều khiển biến phẳng - Flatness  Phần III ◦ Các nghịch lưu đa cấp ứng dụng (NCS Bùi Văn Huy, Bộ môn TĐH XNCN) Phần IV:    Điều khiển Chỉnh lưu tích cực Phần V: ◦ Điện tử công suất hệ thống truyền tải điện linh hoạt (FACTS) (TS Phạm Việt Phương, Bộ môn TĐH XNCN).) 1/24/2015 1/24/2015      Mô hình hóa thiết kế điều khiển cho biến đổi Điện tử công suất (Bài giảng Điều khiển Điện tử công suất); Trần Trọng Minh; 2014 Power Electronic Converters Modeling and Control; Seddik Bacha, Iulian Munteanu, Antonera Iuliana Bratcu; Springer 2014 Power Electronics in Smart Electrical Energy Networks; Ryszard Strzelecki, Grzegorz Benysek; Springer 2008 Digital Control in Power Electronics; Simone Buso and Paolo Mattavelli; Copyright © 2006 by Morgan & Claypool Một số tài liệu khác … 1/24/2015 1/24/2015 Phần I 1/24/2015   I.1 Các vấn đề chung I.2 Mô hình hóa mô mạch ĐTCS 1/24/2015  Sẽ tìm hiểu vấn đề muốn tăng công suất biến đổi theo hướng dòng điện lớn điện áp cao Phải làm nào?  Sẽ tìm hiểu lĩnh vực ứng dụng quan trọng ĐTCS điều khiển hệ thống lượng, bù đảm bảo chất lượng điện áp Đặc biệt liên quan đến lưới điện phân tán ◦ Những ứng dụng rộng rãi ĐTCS điều khiển máy điện đề cập đến môn học Truyền động điện Không đề cập ◦ Các biến đổi dùng thyristor chỉnh lưu hay nguồn cho trình công nghệ đề cập đầy đủ chương trình ĐTCS 1/24/2015 1/24/2015     Xu hướng phát triển: dải công suất trải rộng, từ nhỏ, … … Đến lớn lớn Ứng dụng: rộng khắp, từ thiết bị cầm tay, dân dụng đến hệ thống thiết bị công nghiệp Đặc biệt: tham gia vào điều khiển hệ thống lượng Xu hướng     Vài W đến vài trăm W, thành phần hệ thống Power management thiết bị nhỏ Vài trăm kW đến vài chục MW FACTS: hệ truyền tải, DG – Distributed Generation, Custom Grid, Renewable Energy System, … Ví dụ 1/24/2015  Sự phát triển ĐTCS liên quan đến: ◦ Công nghệ chế tạo phần tử bán dẫn công suất đạt bước tiến lớn ◦ Các tiến vượt bậc công nghệ phần tử điều khiển lý thuyết điều khiển Nguyên nhân phát triển   MOSFET, IGBT: tần số đóng cắt cao, chịu điện áp cao, dòng điện lớn Các chip vi xử lý, vi điều khiển, DSP 16 bit, 32 bit, nhanh, mạnh điều khiển: ◦ Tích hợp ADC, đầu vào counter, PWM built-in; ◦ Truyền thông: I2C, CAN, UART, … Các liệu thực tế 1/24/2015 10 1/24/2015  Các lĩnh vực liên quan đến Điện tử công suất 1/24/2015 11 1/24/2015 12 Điện tử công suất từ trước đến từ sau 1/24/2015 Các biến đổi Điện tử công suất 1/24/2015  13 Sơ đồ khối chức biến đổi 1/24/2015 14 1/24/2015  Sơ đồ lớp mạch biến đổi 1/24/2015  15 Các phần tử mạch biến đổi 1/24/2015 16 1/24/2015  Tỷ lệ khối lượng thể tích phần tử biến đổi bán dẫn 1/24/2015 17 1/24/2015 18 1/24/2015     Chuyển mạch: vấn đề quan trọng công suất lớn Ba loại chuyển mạch: Cứng (Hard switching), Snubbered, Soft-switching 1/24/2015 19 1/24/2015 20 Mạch L1-D1-R1: hỗ trợ mở (turn-on), Mạch D2-R2-C2: hỗ trợ khóa (turn-off) 10 1/24/2015  D-STATCOM: cấu hình 1/24/2015  10 D-STATCOM: nguyên lý hoạt động, điều khiển giá trị tức thời công suất tác dụng, công suất phản kháng 1/24/2015 11 55 1/24/2015   D-STATCOM: Chế độ làm việc: Bù tải; Điều chỉnh điện áp 1/24/2015    11 D-STATCOM: Chế độ làm việc: Bù tải; Điều chỉnh điện áp Bù tải: ◦ Bù thành phần dòng hài bậc cao; ◦ Bù thành phần thứ tự ngược cân bằng; ◦ Bù công suất phản kháng tải 1/24/2015 11 56 1/24/2015  Bù tải: Sơ đồ cấu trúc ◦ Phương pháp tính toán lượng đặt dòng điện cho chế độ bù tải: 1/24/2015  11 Bù tải: Cấu trúc mạch tính toán thành phần công suất, điện áp, dòng điện 1/24/2015 11 57 1/24/2015  Điều chỉnh điện áp: Sơ đồ cấu trúc ◦ Công suất yêu cầu lớn hơn, ◦ Điều chỉnh điện áp tốt SVC đặc tính V-I vuông ◦ Loại bỏ ảnh hưởng Flicker or Voltage dip  1/24/2015 11 1/24/2015 11 D-STATCOM, cấu trúc hybrid 58 1/24/2015   Các tích trữ lượng 1/24/2015 11 1/24/2015 11 Bộ phục hồi điện áp 59 1/24/2015  Nguyên lý điều khiển: ◦ Đưa trước lõm ◦ Phục hồi trùng pha ◦ Tốn lượng 1/24/2015 11 1/24/2015 12 ◦ Kết hợp với tích trữ lượng 60 1/24/2015 ◦ UPFC mạch điện tương đương 1/24/2015 12 1/24/2015 12 ◦ UPFC mạch điện tương đương 61 1/24/2015  Chất lượng điện liên quan đến nhiều vấn đề Ở xét hai khía cạnh: ◦ Mất cân pha, ◦ Ảnh hưởng sóng hài  Các thành phần thứ tự thuận, thứ tự ngược thứ tự không, biểu diễn biểu đồ vector: 1/24/2015  12 Dòng điện ba pha biểu diễn qua thành phần đối xứng: thứ tự thuận, thứ tự ngược thứ tự không (cùng tần số): 1/24/2015 12 62 1/24/2015  Sóng hài: thành phần qua phân tích Fourier 1/24/2015 12 1/24/2015 12 63 1/24/2015 1/24/2015 12 1/24/2015 12 64 1/24/2015  1/24/2015 12 1/24/2015 13 Cấu trúc chung hệ thống cấp nguồn phân tán 65 1/24/2015   Phương án thực 1/24/2015 13 1/24/2015 13 Nguyên lý mạch PFC 66 1/24/2015    Các chế độ làm việc: Dòng liên tục Dòng gián đoạn 1/24/2015  13 Nguyên lý thực hiện: dòng liên tục, điều khiển theo dòng trung bình Bộ phận quan trọng nhất, điều chế dòng điện 1/24/2015 13 67 1/24/2015  Dòng liên tục: dòng sin nhờ tạo dòng 1/24/2015  13 PFC bản: ◦ Dòng qua ba phần tử, khó đạt hiệu suất đến 90%  PFC công suất lớn: ◦ Chính chỉnh lưu tích cực, ◦ Với ứng dụng pha: thay cầu điôt cầu MOSFET 1/24/2015 13 68 1/24/2015  DC-DC bản: ◦ Buck ◦ Boost ◦ Buck-Boost  Yêu cầu cao nhất: đạt hiệu suất 90 – 95% Điều đạt nhờ DC-DC cộng hưởng mạch chỉnh lưu đồng 1/24/2015 137 1/24/2015 138 69 [...]... Chương 11 TLTK 1 1/24/2015 47 1/24/2015 48 Phần III 24 1/24/2015     Khi công suất BBĐ tăng lên, đến vài MW, các phần tử bán dẫn phải làm việc với điện áp cao, đóng cắt dòng điện lớn hơn Các vấn đề đặt ra đối với tốc độ tăng điện áp dU/dt, cùng với nó là độ đập mạch dòng điện ΔI Ở công suất lớn tần số PWM fs không thể rất cao hơn tần số cơ bản ra mong muốn được, fs có thể chỉ cỡ 1-2 kHz trở xuống,... tăng điện áp của các xung điện áp đầu ra lên tải dU/dt ảnh hưởng đến khả năng cách điện của cáp dẫn và của cách điện dây cuốn động cơ dU/dt cũng làm tăng dòng rò cáp dẫn và dây cuốn động cơ ◦ Giảm điện áp đặt lên các van bán dẫn (Voltage stress) ◦ Cải thiện chất lượng sóng hài trên sóng điện áp ra Lưu ý rằng với BBĐ làm việc với điện áp cao, dòng điện lớn không thể cho các van đóng cắt với tần số cao. .. quan hệ đầu ra – đầu vào trong quá trình xác lập như điện áp, dòng điện phụ thuộc vào mạch điện và các thông số của sơ đồ Đưa ra được hình dạng dòng điện, điện áp trên mỗi phần tử bán dẫn Xác định các đặc tính động của sơ đồ, qua đó xác định được cấu trúc của các mạch vòng, đảm bảo độ quá điều chỉnh, thời gian và độ chính xác điều chỉnh Sau khi các phần tử của sơ đồ đã được lựa chọn và có thể đã xây dựng... tăng dần độ phức tạp để thể hiện các đặc tính theo thời gian của các dạng dòng điện, điện áp cần quan tâm Lúc đầu có thể coi các van bán dẫn như những khóa lý tưởng, nối hoặc cắt hoàn toàn một phần mạch điện Sau đó có thể tính tới sụt áp trên van khi dẫn dòng với một phần điện trở động thể hiện sụt áp theo độ lớn của dòng điện 1/24/2015 28 14 1/24/2015  Có thể lập phương trạng thái cho mỗi khoảng làm... nghịch lưu hai cấp thì ΔIL lớn gấp đôi so với nghịch lưu ba cấp với cùng giá trị điện áp ra yêu cầu Do bước nhảy điện áp trong nghịch lưu đa cấp nhỏ hơn nên cải thiện được độ đập mạch dòng điện, từ đó giảm được tổn thất do sóng hài dòng điện sinh ra 1/24/2015 50 25 1/24/2015  VSI cơ sở: sơ đồ nửa cầu ◦ Sơ đồ (Half Bridge) ◦ Dạng điện áp ra ◦ Dạng dòng tải Có thể thấy các chế độ phát và trả năng lượng xen... pha ◦ Sóng hài bậc cao có bậc gấp đôi: ◦ Cần hai sin chuẩn, ngược pha 180 hoặc … 1/24/2015 55 1/24/2015 56 Nghịch lưu ba cấp PWM cầu một pha  ◦ Sóng hài bậc cao có bậc gấp đôi: ◦ Cần hai sin chuẩn, ngược pha 180 hoặc hai sóng răng cưa, lệch pha 180 28 1/24/2015  Nghịch lưu ba pha ◦ Dạng điện áp ra gọi là dạng 6 xung Điện áp pha trên tải có 4 cấp: +2/3Ud, +1/3Ud, -1/3Ud, -2/3Ud Điện áp dây có 3 mức:... hài:  1/24/2015 57 1/24/2015 58 Nghịch lưu ba pha Giá trị biên độ sóng cơ bản điện áp dây: Sóng hài: Hiệu dụng sóng cơ bản: Hiệu dụng toàn bộ điện áp: 29 1/24/2015  Nghịch lưu ba pha PWM ◦ Độ tự do cao hơn ◦ Áp dụng PWM cho mỗi trong ba nhánh nửa cầu ◦ Mỗi nhánh nửa cầu là một nghịch lưu 2 mức, ◦ Điện áp dây là hiệu của điện áp ra của hai nhánh nửa cầu nên trở thành 3 mức Cần ba sin chuẩn, lệch nhau... công suất lớn hoặc trong các mạch STATCOM, trong đó điện áp làm việc cao, dạng điện áp ra cần có chất lượng sóng hài tốt là một yêu cầu thiết yếu  2 Sơ đồ dùng tụ tự do (Flying capacitor): ◦ Không cần điôt kẹp, cần 2N van và N-1 tụ tự do ◦ Nạp điện cho tụ ban đầu là một vấn đề ◦ Tụ tự do là thừa trong một chu kỳ đóng cắt nên có thể dùng để cân bằng điện áp trên tụ Do đó chỉ cần dùng một nguồn DC duy... kéo (giao thông đường sắt)  3 Sơ đồ nối tầng cầu chữ H (cascaded H bridge VSI): ◦ Ghép các module cầu H Dùng van rẻ tiền Có thể tạo ra dạng điện áp ra chất lượng cao Tuy nhiên cần nguồn DC cách ly, MBA phức tạp, nhiều van Thường dùng cho các hệ truyền động công suất lớn, trung thế 1/24/2015 63 1/24/2015 64 32 1/24/2015 1/24/2015  65 Ví dụ về sơ đồ NL 4 cấp dùng điôt kẹp (Diode clamped VSI) 1/24/2015... Using a New Quasi-Paralell Resonant DC link; Yong C Jung, Hyo L Liu, Guk C Cho, Gyu H Cho; IEEE Trans On Power Electronics, Vol 11, NO 3, May 1996 1/24/2015 22 11 1/24/2015  Mạch điện tương đương và đồ thị dạng dòng điện, điện áp: 1/24/2015  23 Tài liệu tham khảo: ◦ 1 Modeling and simulation of power electronic converters; Maksimovic D., Stankocovic A.M., Thottuvelil V.J., Verghese G.C.; Proceedings