Bài giảng Điện tử công suất

 Các hệ thức và khái niệm cơ bản (Relations and basic concepts)  Các phần tử bán dẫn công suất (Power semiconductor devices)  Bộ chỉnh lưu (Rectifier or AC to DC Converters)  Bộ băm (BuckBoost converters or DC to DC Converters)  Bộ nghịch lưu (Inverters or DC to AC Converters)

Mơn học ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT Giảng viên: TS.Phạm Cơng Thành Bơ Mơn: Điện Cơng Nghiệp Khoa Điện – Điện Tử Email: phamcongthanh1978@gmail.com January 15 2014 © Phạm Công Thành Nội dung mơn học      Các hệ thức khái niệm (Relations and basic concepts) Các phần tử bán dẫn cơng suất (Power semiconductor devices) Bộ chỉnh lưu (Rectifier or AC to DC Converters) Bộ băm (Buck-Boost converters or DC to DC Converters) Bộ nghịch lưu (Inverters or DC to AC Converters) January 15 2014 © Phạm Công Thành Lãnh vực ứng dụng ĐTCS Các thiết bị gia dụng  Tủ lạnh, tủ đơng  Gia nhiệt, sưởi  Hệ thống điều hòa khơng khí  Lò nấu  Chiếu sáng  Các thiết bị điện tử dân dụng (TV, máy tính, thiết bị nghe nhìn, giải trí…) Trang thiết bị cho cao ốc  Các hệ thống sưởi, thơng gió, điều hòa  Hệ thống điều hòa trung tâm  Máy tính thiết bị văn phòng  UPS (Uninterruptible Power Supply)  Thang máy Cơng nghiệp  Bơm  Máy nén  Quạt gió  Máy cơng cụ  Lò nấu hồ quang, Lò nấu cảm ứng  Gia nhiệt cảm ứng (tơi cao tần…)  Máy hàn điện January 15 2014 Giao thơng vận tải  Điều khiển động xe điện  Nạp acquy xe điện  Các hệ thống tàu điện, tàu điện ngầm Hệ thống điện  Truyền tải điện DC cao áp (HVDC)  Bộ bù tĩnh  Hệ thống máy phát dùng nguồn lượng tái sinh (renewable energy): lượng mặt trời, lượng gió…  Các hệ thống tích trữ lượng (energy storage systems) Hàng khơng  Hệ thống điện tàu thoi  Hệ thống điện vệ tinh  Hệ thống điện máy bay Viễn thơng  Bộ nạp bình acquy  Bộ nguồn (DC, UPS) © Phạm Công Thành Ví dụ ứng dụng biến đổi ĐTCS • Ứng dụng biến đổi ĐTCS giúp tiết kiệm lượng, nâng cao chất lượng đáp ứng thiết bị Van tiết lưu Nguồn lưới Động Nguồn lưới Bộ điều khiển tốc độ + Động Bơm Bơm a Hệ thống bơm kiểu truyền thống b Hệ thống bơm có điều chỉnh tốc độ Tiết kiệm lượng tiêu thụ hệ thống bơm điều chỉnh lưu lượng điều khiển tốc độ động thay cho van tiết lưu January 15 2014 © Phạm Công Thành Sơ đồ khối Bộ biến đổi Pin Mạch động lực Pout Tải Tín hiệu điều khiển Mạch điều khiển Tín hiệu hồi tiếp Tín hiệu đặt Lưu ý mạch ĐTCS hoạt động theo chế độ đóng-ngắt (switch-mode)  Hiệu suất mạch ĐTCS cao January 15 2014 © Phạm Công Thành Bộ ổn áp tuyến tính • Transistor cơng suất điều khiển hoạt động tương tự điện trở biến đổi Biến áp nguồn Mạch điều khiển Tải Nguồn lưới Chỉnh lưu Tụ lọc a Sơ đồ ngun lý Tầm thay đổi vd • Mạch có hiệu suất thấp cồng kềnh b Dạng sóng điện áp ngõ vào vd ngõ vo January 15 2014 © Phạm Công Thành Bộ ổn áp xung Mạch động lực Tải Nguồn lưới Biến áp Chỉnh lưu Mạch lọc thơng thấp tần số cao Chỉnh lưu Tụ lọc Mạch điều khiển a Sơ đồ ngun lý ổn áp xung January 15 2014 © Phạm Công Thành Bộ ổn áp xung Mạch động lực Tải Tải voi Vo = Voi Mạch điều khiển b Mạch tương đương ổn áp xung c Điện áp ngõ ổn áp xung Transistor hoạt động khóa đóng ngắt  hiệu suất cao Biến áp, mạch lọc hoạt động tần số cao  kích thước nhỏ Điện áp ngõ thay đổi cách điều khiển độ rộng xung (tỉ lệ ton/Ts) January 15 2014 © Phạm Công Thành Chế độ hoạt động BBĐ Chế độ chỉnh lưu Bộ biến đổi Chế độ nghịch lưu Bộ biến đổi Bộ biến đổi Nguồn lưới January 15 2014 © Phạm Công Thành CÁC HỆ THỨC VÀ KHÁI NIỆM CƠ BẢN Trị trung bình đại lượng: Gọi i(t) hàm biến thiên tuần hồn theo thời gian với chu kỳ T Trị trung bình đại lượng i, viết tắt Iav xác định theo hệ thức: I av  T t0  T  i  t dt t0 Với t0 thời điểm đầu chu kỳ lấy tích phân Ví dụ 01: I av  0.5 January 15 2014 0.5 0.3 i t dt  10.dt   A   0  0.5 © Phạm Công Thành Các trường hợp thường gặp: Tải R: Quan hệ điện áp dòng điện tức thời qua điện trở R cho bởi: uR=R.iR Lấy trò trung bình hai vế ta có: URAV=R.IRAV Tải L: diL uL  L dt Ở chế độ xác lập iL(t0) = iL(t0+Tp), trị trung bình điện áp L xác định cách lấy tích phân hai vế hệ thức thời gian (t0 tới t0+Tp) Kết thu được: ULAV=0 Tải RL: Tương tự, ta có: ut  Rit  L dit dt Trò trung bình áp: UtAV=R.ItAV + ULAV=R.ItAV Từ đó: ItAV=UtAV/R January 15 2014 © Phạm Công Thành Công suất trung bình: Công suất tức thời tải tiêu thụ xác đònh tích điện áp dòng điện tức thời dẫn qua tải đó, tức là: p(t)=u(t).i(t) Công suất trung bình xác đònh cách áp dụng cách tính trung bình vào đại lương công suất tức thời p(t), tức là: T PAV T 1   p  t dt   u  t  i  t dt T T Hoặc theo biến góc X=t: T PAV X 1   p  X dX   u  X  i  X dX T X X  T Trường hợp dòng qua tải không đổi theo thời gian i=const=IAV, công suất trung bình qua tải tích điện áp trung bình dòng điện: PAV=UAV.I=UAV.IAV January 15 2014 © Phạm Công Thành Trò hiệu dụng đại lượng (Chỉ số RMS Root Mean Square) Giả thiết đại lượng i biến thiên theo thời gian theo hàm tuần hồn với chu kỳ T với chu kỳ theo góc X= Tpω Trị hiệu dụng đại lượng i tính theo cơng thức: I RMS  T t0  T  i  t  dt  t0 X X0  X  X0 Ví dụ: Cho điện áp dạng u=Um.sin(t)=220 2sin(314t) a Tính trị hiệu dụng điện áp trên? January 15 2014 © Phạm Công Thành i  X  dX Ví dụ: Cách 1  cos  2t  1 2   U m sin t.dt  U m  d  2t   T 2T T U RMS T  2t  sin  2t   U m  Um  2.2.T T Cách T U RMS T 1 2   U m sin t.dt  U m  1  cos  2t  .d t  T 2T t=0  X=0 Đăt : X  t   t  T  X  T  2 2   sin  X   1  2  Um  1  cos X .dX  U m X 0   2.2 2.2   2 U RMS January 15 2014 © Phạm Công Thành  U  m   Ví dụ: Cho hàm u1và u2 với tính chất sau: u u1   0 u0 u0 u u  u2   -u u  b Xác định trị trung bình hiệu dụng điện áp u1 u2 nêu January 15 2014 © Phạm Công Thành Trị trung bình T U1av  T 1   U m sin t .dt   U m sin t .d t  T T   U m cos t   T T 2.U m U m   2.  T U av  T 2   U m sin t .dt   U m sin t .d t   T T 2  U m cos t   T January 15 2014 T 2.2.U m 2.U m   2.  © Phạm Công Thành Trị hiệu dụng T U1RMS  cos  2t  1 2   U m sin t .dt  U m  d  2t  T 2T T  T  2  sin   U  2t  sin  2t   2    m  220 V  Um 4T 4T 2 T  Um U RMS   Um T T T  cos  2t  2  U m sin t .dt  U m  d  2t  T 2T 2  2t  sin  2t   January 15 2014 4T T 2  Um T  T   sin   U 2    m  220  220V 2T 2 © Phạm Công Thành u = |Umsinωt| = |Umsinθ|, với Um, ω hằng, t biến thời gian Hàm có biến góc θ = ωt tuần hồn với chu kỳ π Đồ thị hàm hình 1.1 π Trị trung bình hàm là: 2U m U d   U m sin d  π0 π π Trị hiệu dụng hàm là: January 15 2014 U RMS  U sin   m  d   π0 © Phạm Công Thành 19 Ví dụ: Cho hàm tuần hòan biểu diễn điện áp tải u chu kỳ T sau: U m  t   T u 0  T  t  T   1 Vẽ dạng sóng điện áp u xác định trị hiệu dụng giá trị trung bình điện áp tải? Hướng dẫn: U RMS January 15 2014 T T T   1 2   u  t dt    U m dt   dt   T T  T  © Phạm Công Thành Hệ số cơng suất: Hệ số cơng suất λ PF (Power Factor) tải định nghĩa tỉ số cơng suất tiêu thụ P cơng suất biểu kiến S mà nguồn cấp cho tải   PF  P S Trong trường hợp đặc biệt nguồn áp dạng sin tải tuyến tính chứa phần tử R,L,C khơng đổi sức điện động dạng sin, dòng điện qua tải có dạng sin tần số nguồn áp với góc lệch pha có độ lớn  Ta có hệ thức tính hệ số cơng suất sau: P=m.U.I.cos S=m.U.I  January 15 2014 P  cos  S © Phạm Công Thành Trong đó: U,I trị hiệu dụng điện áp dòng điện qua tải; m tổng số pha Giả sử nguồn điện áp cung cấp có dạng sin dòng điện qua có dạng tuần hồn khơng sin Dựa vào phân tích Fourier áp dụng cho dòng điện i, ta tách dòng điện thành thành phần sóng hài I(1) tần số với nguồn áp sóng hài bậc cao I(2) , I(3) P=P1=m.U.I(1)cos1 1 góc lệch pha điện áp dòng điện sóng hài Các sóng hài lại (bậc cao) tạo nên công suất ảo Ta có: S   mUI   m 2U  I12  I 22  I 32   I n2   m 2U I12  sin 1  cos 1   m 2U  I 22  I 32   I n2   m 2U I12 sin 1  m 2U I12 cos 1  m 2U  I 22  I 32   I n2   P Q m U 2 n I j 2 j  S  P12  Q12  D January 15 2014 © Phạm Công Thành D: Cơng suất biến dạng (cơng suất ảo sóng hài bậc cao dòng điện tạo nên) P=m.U.I(1) cos1 cơng suất tiêu thụ tải Q1=m.U.I(1)sin1 cơng suất phản kháng (cơng suất ảo sóng hài dòng điện tạo nên)  P  S P P  Q12  D Muốn tăng hệ số cơng suất, ta có thể: - Giảm Q1 -công suất ảo sóng hài bản, tức thực bù công suất phản kháng - Giảm D -công suất ảo sóng hài bậc cao cách: + Lọc sóng hài + Khử nhiễu Ngoài ra, biểu diễn hệ số công suất theo hệ thức sau:   PF  January 15 2014 I 1 I cos 1 © Phạm Công Thành Hệ số méo dạng (Distortion Factor-DF) Được định nghĩa tỉ số trị hiệu dụng thành phần hài trị hiệu dụng đại lượng dòng điện: DF  I 1 I Quan hệ hệ số cơng suất hệ số méo dạng liên hệ theo hệ thức: PF=DF.cos1 Độ méo dạng tổng sóng hài (Total Harmonic Distortion-THD): Là đại lượng dùng để đánh giá tác dụng sóng hài bậc cao (2,3, ) xuất nguồn điện, cho hệ thức:  THD  I j 1 j I 1 Trong trường hợp đại lượng I khơng chứa thành phần DC, ta có:  THD  C j 2 I 1  I  I 21 I 1 Các thành phần khơng phải bậc chia cho thành phần bậc January 15 2014 © Phạm Công Thành Trong đó, I(j) trị hiệu dụng sóng hài bậc j, j>=2 I(1) trị hiệu dụng thành phần hài dòng điện Quan hệ DF THD: DF  1  THD  Bài tập: Điện áp đặt tải điện trở 10Ω có hàm biểu diễn u=170sin100t [V] Hãy xác định: a Hàm cơng suất tức thời tải b Cơng suất tức thời lớn c Cơng suất trung bình tải Điện áp dòng điện tải hàm tuần hồn theo thời gian với chu kỳ T=100ms January 15 2014 © Phạm Công Thành Phân tích Fourier đại lượng tuần hồn Hàm tuần hồn i(x) chu kz T biểu diễn tổng dạng:  i(x)  Id   a kcoskωx   bksinkωx  k 1 biểu thức phân tích Fourier (hoặc chuỗi Fourier) hàm i(x) T I d   ix .dx T0 T a k   ix coskx .dx T0 T bk   ix sinkx .dx T0 January 15 2014 © Phạm Công Thành ... January 15 2014 © Phạm Công Thành Công suất trung bình: Công suất tức thời tải tiêu thụ xác đònh tích điện áp dòng điện tức thời dẫn qua tải đó, tức là: p(t)=u(t).i(t) Công suất trung bình xác đònh... ảo sóng hài dòng điện tạo nên)  P  S P P  Q12  D Muốn tăng hệ số cơng suất, ta có thể: - Giảm Q1 -công suất ảo sóng hài bản, tức thực bù công suất phản kháng - Giảm D -công suất ảo sóng hài... 2014 © Phạm Công Thành D: Cơng suất biến dạng (cơng suất ảo sóng hài bậc cao dòng điện tạo nên) P=m.U.I(1) cos1 cơng suất tiêu thụ tải Q1=m.U.I(1)sin1 cơng suất phản kháng (cơng suất ảo sóng