Giáo trình điện tử công suất Giáo trình được biên soạn bổ sung và hiệu đính với sự hổ trợ của các bạn đồng nghiệp và dựa trên các tài liệu tham khảo đó là các bài giảng của thầy ThS. Trần Dũng, Trường Đại Học Lạc Hồng, giáo trình Điện tử công suất của PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ Trường Đại Học Bách khoa TPHCM và Hoàng Ngọc Văn, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT HUỲNH ĐỨC CHẤN Tháng 04/2015 LỜI NÓI ĐẦU Trong thời kỳ phát triển khoa học kỹ thuật, đặc biệt lĩnh vực điện tử Ngày có nhiều thiết bị bán dẫn đại xuất lĩnh vực sản xuất sinh hoạt Muốn tiếp cận, sử dụng vận hành tốt phương tiện kỹ thuật đại ứng dụng thực tế, sinh viên cần có hiểu biết kỹ thuật điện tử nói chung điện tử cơng suất nói riêng Giáo Trình Điện tử cơng suất tập thể giáo viên môn Kỹ Thuật Điện- Điện Tử, Khoa Cơ Điện- Điện Tử, Trường Đại Học Lạc Hồng, Biên Hoà- Đồng Nai biên soạn biên dịch Giáo trình sử dụng làm tài liệu học tập cho sinh viên khối ngành kỹ thuật ngành có liên quan đến kỹ thuật Nội dung giáo trình đề cặp cách có hệ thống tổng hợp kiến thức đại làm tảng cho việc học tập môn chuyên ngành Giáo trình biên soạn bổ sung hiệu đính với hổ trợ bạn đồng nghiệp dựa tài liệu tham khảo giảng thầy ThS Trần Dũng, Trường Đại Học Lạc Hồng, giáo trình Điện tử cơng suất PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ Trường Đại Học Bách khoa TPHCM Hoàng Ngọc Văn, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM Giáo trình “Điện Tử Cơng Suất” trinh bày khái niệm, lĩnh vực điện tử công suất, mạch biến đổi điện như: Các mạch chỉnh lưu không điều khiển, mạch chỉnh lưu có điều khiển, mạch biến đổi, đóng ngắt điện áp xoay chiều, mạch biến đổi điện áp DC-DC, mạch nghịch lưu, biến tần…Giáo trình trình bày kiến thức sở lĩnh vực điện tử bán dẫn công suất Những vấn đề ứng dụng cụ thể chuyên sâu lĩnh vực điện tử cơng suất cơng nghiệp đời sống khơng trình bày tài liệu Theo chương trình đào tạo, số dành cho khâu lên lớp ít, biên soạn tác giả cố gắng trình bày phần lý thuyết bản, cốt yếu nhất, đọc sinh viên cần tìm hiểu, nắm vấn đề bản, không nên đầu tư nhiều thời gian vào vấn đề hạn hẹp phức tạp quỹ thời gian không cho phép, nhiên cần nghiên cứu sâu hơn, sinh viên tìm đọc tài liệu khác phần tài liệu tham khảo trang web Ngoài phần lý thuyết, chương có số phần tập ví dụ tập cuối chương giúp cho sinh viên tự hệ thống kiến thức học Thay mặt nhóm biên soạn, tơi xin gửi lời cám ơn chân thành đến đồng nghiệp môn Kỹ Thuật Điện- Điện Tử, đặc biệt giảng viên ThS.Trần Dũng 3 giáo viên khoa Cơ Điện- Điện Tử, cựu sinh viên giúp đỡ tư vấn đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho việc hoàn thành sách Do thời gian hạn chế, chắn sách không tránh khỏi sơ suất nhỏ Chúng mong nhận nhiều ý kiến đóng góp bạn đọc để tái tốt Địa liên hệ: Bộ Môn Kỹ Thuật Điện- Điện Tử, khoa Cơ Điện- Điện Tử Trường Đại Học Lạc Hồng, Biên Hoà- Đồng Nai Địa email: Huynhducchan@gmail.com Đồng Nai, tháng 04 năm 2015 Chủ biên ThS Huỳnh Đức Chấn 4 Chương MỤC LỤC CHƯƠNG 1: CÁC HỆ THỨC VÀ KHÁI NIỆM CƠ BẢN 18 1.1. Khái niệm 18 1.2. Đối tượng khảo sát và kết đạt được trong quá trình khảo sát 18 1.3. Các đại lượng cơ bản và hệ thức liên quan 19 1.3.1. Giá trị trung bình của một đại lượng 19 1.3.2. Giá trị hiệu dụng của một đại lượng 20 1.4. Những tải thường gặp cần xét đến 22 1.4.1. 1.4.2. Tải R thuần 22 Tải L thuần 22 1.4.3. 1.4.4. Tải RL (Tải R nối tiếp L) 22 Tải RLE nối tiếp 23 1.5. Phân tích Fourier cho một đại lượng tuần hồn khơng sin thường áp dụng trong điện tử cơng suất 23 1.6. Một số vấn đề về công suất 24 1.7. Các hệ số cần quan tâm 25 1.7.1. Hệ số méo dạng, kí hiệu DF (Distortion Factor) 25 1.7.2. Độ méo dạng tổng do hài gây ra; kí hiệu THD (Total Harmonic Distortion) 25 CHƯƠNG 2:LINH KIỆN BÁN DẪN TRONG LĨNH VỰC ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 29 2.1. Chức năng, phân loại linh kiện bán dẫn công suất 29 2.1.1. 2.1.2. Chức năng linh kiện trong mạch công suất 29 Phân loại 29 2.2. Khảo sát một số linh kiện điện tử công suất 30 2.2.1. Diode 30 2.2.2. 2.2.3. Transistor loại BJT 34 Transistor loại MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 39 2.2.4. Transitor loại hiện đại IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) 42 2.2.5. 2.2.6. 2.2.7. Thyristor (SCR: Silicon Controlled Rectifier) 43 SCS (Silicon Controlled Switching) 49 GTO (Gate Turn Off SCR) 51 2.2.8. 2.2.9. DIAC (Diode AC Semiconductor Switching) 53 TRIAC (Triode AC Semiconductor Switching) 55 8 Chương 2.2.10. LASCR (Light Activated SCR) 57 CHƯƠNG 3: BỘ CHỈNH LƯU (RECTIFIER) 63 3.1. Chức năng, phân loại và ứng dụng của các mạch chỉnh lưu 63 3.1.1. 3.1.2. Chức năng bộ chỉnh lưu 63 Phân loại 63 3.1.3. 3.1.4. Ứng dụng 64 Cơng thức tính giá trị trung bình 64 3.2. Khảo sát các mạch chỉnh lưu không điều khiển (dùng diode) 64 3.2.1. Mạch chỉnh lưu 1 pha 64 3.2.2. Mạch chỉnh lưu 1 pha toàn kỳ (dùng diode) 67 3.3. Mạch chỉnh lưu 3 pha 74 3.3.1. Mạch chỉnh lưu 3 pha hình tia (dùng 3 diode) 74 3.3.2. Mạch chỉnh lưu 3 pha cầu (dùng 6 diode) 75 3.4. Khảo sát các mạch chỉnh lưu có điều khiển (dùng SCR) 84 3.4.1. 3.4.2. Tính chất của tải cảm và góc kích 84 Mạch chỉnh lưu 1 pha 85 3.4.3. Mạch chỉnh lưu 3 pha 90 CHƯƠNG 4: BỘ BIẾN ĐỔI MỘT CHIỀU (DC) SANG MỘT CHIỀU (DC) 104 4.1. Chức năng và ứng dụng 104 4.1.1. Bộ biến đổi áp DC – DC là gì 104 4.1.2. Ứng dụng của bộ biến đổi 104 4.1.3. 4.1.4. Ưu nhược điểm 104 Nhắc lại hai loại nguồn một chiều 105 4.2. Khảo sát nguyên tắc hoạt động của bộ băm xung áp một chiều 105 4.2.1. Bộ băm xung áp làm việc ở chế độ giảm áp 105 4.2.2. Bộ băm xung áp làm việc ở chế độ tăng áp 108 4.3. Khảo sát bộ khoá điện tử H 108 4.4. Các mạch điều khiển cơ bản 109 4.4.1. 4.4.2. Mạch một kênh: Tạo sóng vng bằng Op-amp 109 Mạch dùng IC CMOS: Tạo sóng vng bằng cổng NAND 111 4.4.3. Mạch dùng IC 555: Tạo sóng vng bằng IC 555 111 4.5. Phương pháp điều khiển cơ bản 112 4.6. Khảo sát một số mạch converter cơ bản 112 4.6.1. Bộ biến đổi kép tổng quát dạng mạch cầu 112 4.6.2. 4.6.3. Bộ biến đổi kép dạng đảo dòng 113 Bộ biến đổi kép dạng đảo áp 114 9 Chương 4.6.4. Mạch converter dùng 1 BJT 116 4.6.5. Mạch converter dùng bộ biến đổi đẩy kéo 119 4.7. Mạch lọc cho bộ biến đổi điện áp một chiều 120 4.7.1. 4.7.2. Mạch lọc điện áp ngõ vào 120 Mạch lọc điện áp ngõ ra 121 CHƯƠNG 5: BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU SANG XOAY CHIỀU (AC-AC) 129 5.1. Chức năng và ứng dụng 129 5.1.1. Bộ biến đổi điện áp AC – AC là gì 129 5.1.2. Ứng dụng 129 5.2. Bộ biến đổi xoay chiều sang xoay chiều 129 5.2.1. Bộ biến đổi xoay chiều một pha 129 5.2.2. Bộ biến đổi xoay chiều ba pha 132 5.3. Một số phương pháp điều khiển 134 5.3.1. 5.3.2. Phương pháp điều khiển pha 134 Phương pháp điều khiển tỉ lệ thời gian 135 5.4. Một số ứng dụng 135 5.4.1. Relay bán dẫn SSR (Solid State Relay) dùng để đóng ngắt tải AC 135 5.4.2. Điều chỉnh áp trên tải 136 CHƯƠNG 6: BỘ NGHỊCH LƯU VÀ BIẾN TẦN 144 6.1. Khái niệm chung 144 6.1.1. 6.1.2. Biến tần trực tiếp (còn gọi là biến tần phụ thuộc) 144 Biến tần gián tiếp (còn gọi là biến tần độc lập ) 144 6.1.3. Ứng dụng của bộ nghịch lưu và biến tần 145 6.2. Phân loại bộ nghich lưu 145 6.3. Khảo sát về bộ nghịch lưu 146 6.3.1. Nghịch lưu 1 pha 146 6.3.2. Nghịch lưu 3 pha 148 6.4. Phân tích bộ nghịch lưu áp 148 6.4.1. Phân tích điện áp bộ nghịch lưu áp ba pha 148 6.4.2. Phân tích bộ nghịch lưu áp 1 pha 151 6.5. Các phương pháp điều chế dùng cho biến tần 2 bậc 159 6.5.1. 6.5.2. Phương pháp điều chế theo bề rộng xung truyền thống (PWM) 159 Phương pháp điều khiển sáu bước 160 6.5.3. Phương pháp điều chế vector không gian 161 6.6. Khảo sát sơ đồ biến tần áp gián tiếp 3 pha 168 10 Chương 6.6.1. Sơ đồ khối tổng quan của một biến tần 3 pha 168 6.6.2. 6.6.3. Sơ chi tiết của một biến tần 3 pha 169 Giải thích chức năng của các khối 170 11 Chương DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Dạng sóng điện áp u(t) 19 Hình 1.2: Dạng sóng điện áp chỉnh lưu 20 Hình 1.3: Q trình dòng điện 21 Hình 1.4: Dạng sóng điện áp chỉnh lưu 22 Hình 1.5: Mơ tả các thành phần thường tồn tại trong hệ thống tín hiệu, chuổi Fourier của tín hiệu dao động tuần hồn 23 Hình 2.1: Biểu diễn trạng thái làm việc của linh kiện bán dẫn 29 Hình 2.2: Mơ tả cấu tạo và mạch tương đương của diode 30 Hình 2.3: Minh họa hình dạng thực tế của diode loại đơn 30 Hình 2.4: Minh họa hình dạng thực tế của diode cầu loại 1 pha 30 Hình 2.5: Hình dạng thực tế của diode cầu loại 3 pha và bảng thơng số 31 Hình 2.6: Cách kết nối bên trong của diode 3 pha 31 Hình 2.7: Đặc tuyến Volt-Amp tĩnh và mơ tả phân cực của diode 31 Hình 2.8: Mơ tả thời gian phục hồi khi diode đổi trạng thái 32 Hình 2.9: Dạng sóng dòng và áp trên diode trong q trình đóng ngắt 33 Hình 2.10: Cấu tạo và ký hiệu transistor NPN và PNP 34 Hình 2.11: Hình dạng thực tế tượng trưng cho Transistor 35 Hình 2.12: Đặc tuyến V-A khi BJT phân cực 35 Hình 2.13: Mơ tả dạng sóng điện áp và dòng của BJT đóng cắt theo thời gian 36 Hình 2.14: Mạch tăng cường kích đóng 37 Hình 2.15: Mơ tả mạch kích ngắt cho BJT 38 Hình 2.16: Minh họa mạch bảo vệ cho BJT 38 Hình 2.17: Mạch cách ly dùng máy biến áp xung 38 Hình 2.18: Mạch cách ly dùng optron 39 Hình 2.19: Cấu tạo FET 39 Hình 2.20: Phân loại FET 40 Hình 2.21: Ký hiệu các loại FET 40 Hình 2.22: Ảnh thực tế của MOSFET 40 Hình 2.23: Mạch phân cực của FET 41 Hình 2.24: Họ đặc tuyến của FET 41 Hình 2.25: Mạch kích đóng 41 Hình 2.26: Mạch kích ngắt 42 Hình 2.27: Ký hiệu và mạch tương đương của IGBT 42 Hình 2.28: Hình ảnh tượng trưng của IC tích hợp 43 12 Chương Hình 2.29: Mơ tả cấu tạo, kí hiệu và mạch tương đương của SCR 43 Hình 2.30: Hình dạng thực tế và các thơng số của linh kiện SCR 44 Hình 2.31: Đặc tính tĩnh V-A của SCR 44 Hình 2.32: Mơ tả đặc tính động (thời gian đóng và thời gian ngắt của SCR) 46 Hình 2.33: Mạch bảo vệ cho SCR 47 Hình 2.34: Mơ tả mạch kích dùng máy biến áp xung 47 Hình 2.35: Mơ tả mạch kích có bộ phận cách ly cho SCR 47 Hình 2.36: Mơ tả mạch kích SCR trực tiếp 48 Hình 2.37: Mơ tả cấu tạo, kí hiệu, mạch tương đương của SCS 49 Hình 2.38: Mạch dao động tích thốt 50 Hình 2.39: Mơ tả kí hiệu và mạch tương đương của GTO 51 Hình 2.40: Đặc tuyến V-A của GTO 52 Hình 2.41: Mạch tương đương của GTO 52 Hình 2.42: Mạch bảo vệ cho GTO 52 Hình 2.43: Mạch bảo vệ dòng sự cố ngắn mạch 53 Hình 2.44: Mơ tả kí hiệu, mạch tương của Triac 55 Hình 2.45: Mơ tả đặc tính V-A của TRIAC 56 Hình 2.46: Mơ tả cấu tạo, kí hiệu, mạch tương đương của Diac 54 Hình 2.47: Mơ tả đặc tuyến V-A của Diac 54 Hình 2.48: Mơ tả mạch ứng dụng của Diac 55 Hình 3.1: Phân loại bộ chỉnh lưu 63 Hình 3.2: Sơ đồ chỉnh lưu một pha bán kỳ dùng 1 diode 65 Hình 3.3: Dạng sóng chỉnh lưu được mơ phỏng bằng phần mềm PSIM từ hình 3.2 khi đã gắn tụ lọc và tải là thuần trở 65 Hình 3.4: Dạng sóng chỉnh lưu được mơ phỏng bằng phần mềm PSIM từ hình 3.2 khi chưa gắn tụ lọc và tải là thuần trở 66 Hình 3.5: Sơ đồ chỉnh lưu một pha tồn kỳ dùng 2 diode 67 Hình 3.6: Dạng sóng chỉnh lưu được mơ phỏng bằng phần mềm PSIM từ hình 3.5 khi chưa gắn tụ lọc và tải sử dụng là thuần trở 68 Hình 3.7: Sơ đồ chỉnh lưu một pha cầu dùng diode 69 Hình 3.8: Dạng sóng chỉnh lưu được từ hình 3.7 khi chưa gắn tụ lọc 69 Hình 3.9: Dạng sóng chỉnh lưu được từ hình 3.7 khi đã gắn tụ lọc 69 Hình 3.10: Dạng sóng chỉnh lưu đối với tải RE khi có E =50v, R =100 70 Hình 3.11: Dạng sóng chỉnh lưu đối với tải RLE khi có E =50v, L=0.05H, R =100 70 Hình 3.12: Dạng sóng chỉnh lưu đối với tải RLE khi có E =50v, L=0.11H 71 Hình 3.13: Sơ đồ chỉnh lưu ba pha cầu dùng 3 diode 74 13 Chương Hình 3.14: Dạng sóng chỉnh lưu được từ hình 3.13 khi chưa gắn tụ lọc 74 Hình 3.15: Sơ đồ chỉnh lưu ba pha cầu dùng diode 76 Hình 3.16: Dạng sóng chỉnh lưu được từ hình 3.15 khi chưa gắn tụ lọc 77 Hình 3.17: Sơ đồ chỉnh lưu một pha bán kỳ dùng 1 SCR 85 Hình 3.18: Dạng sóng chỉnh lưu được từ hình 3.17 khi chưa gắn tụ lọc 85 Hình 3.19: Sơ đồ chỉnh lưu một pha cầu dùng 4 SCR 86 Hình 3.20: Dạng sóng chỉnh lưu được từ hình 3.19 khi chưa gắn tụ lọc 87 Hình 3.21: Sơ đồ chỉnh lưu 3 pha hình tia dùng SCR 90 Hình 3.22: Dạng sóng chỉnh lưu được từ hình 3.21 khi chưa gắn tụ lọc 90 Hình 3.23: Sơ đồ chỉnh lưu ba pha cầu dùng SCR 91 Hình 3.24: Dạng sóng chỉnh lưu được từ hình 3.23 khi chưa gắn tụ lọc 92 Hình 3.25: Sơ đồ chỉnh lưu ba pha cầu khơng đối xứng 92 Hình 3.26: Dạng sóng chỉnh lưu được từ hình 3.25 khi chưa gắn tụ lọc 93 Hình 4.1: Mơ tả sơ đồ khối của bộ biến đổi DC-DC 104 Hình 4.2: Mơ tả giá trị cơng suất của các loại mạch 104 Hình 4.3: Mơ tả nguồn dc loại nguồn dòng và nguồn áp 105 Hình 4.4: Sơ đồ khối của mạch giảm áp 106 Hình 4.5: Mơ tả chu kỳ làm việc của mạch điều khiển 106 Hình 4.6: Mơ tả mạch làm việc ở chế độ tăng áp 108 Hình 4.7: Mơ tả cấu tạo của bộ H 108 Hình 4.8: Mơ tả hai dạng sóng tạo ra từ mạch kích dùng để kích cho SP, SC của mạch ở hình 4.7 109 Hình 4.9: Mạch tạo sóng vng bằng Op-Amp 110 Hình 4.10: Sơ đồ mạch tương đương của R4 110 Hình 4.11: Mạch tạo sóng vng bằng cổng NAND 111 Hình 4.12: Mạch tạo sóng vng bằng IC 555 111 Hình 4.13: Sơ đồ ngun lý và giản đồ kích đóng bộ biến đổi kép dạng mạch cầu 112 Hình 4.14: Dạng sóng áp và dòng điện khi được kích cơng tắc theo giản đồ hình 4.13 113 Hình 4.15: Sơ đồ ngun lý bộ biến đổi kép dạng đảo dòng 114 Hình 4.16: Dạng sóng điện áp và dòng điện của giản đồ đóng kích cơng tắc S1, S4 114 Hình 4.17: Sơ đồ ngun lý bộ biến đổi kép dạng đảo áp 115 Hình 4.18: Giản đồ kích đóng các cơng tắc và đồ thị điện áp trên tải 115 Hình 4.19: Sơ đồ ngun lý của bộ biến đổi cơng suất 116 Hình 4.20: Mạch converter dùng bộ biến đổi đẩy kéo 119 Hình 4.21: Mạch lọc điện áp ngõ vào 120 14 ... cần có hiểu biết kỹ thuật điện tử nói chung điện tử cơng suất nói riêng Giáo Trình Điện tử cơng suất tập thể giáo viên môn Kỹ Thuật Điện- Điện Tử, Khoa Cơ Điện- Điện Tử, Trường Đại Học Lạc Hồng,... Ngọc Văn, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM Giáo trình Điện Tử Cơng Suất trinh bày khái niệm, lĩnh vực điện tử công suất, mạch biến đổi điện như: Các mạch chỉnh lưu khơng điều khiển, mạch... như tivi, đầu máy, thiết bị lưu trữ điện, biến tần,…Phần điện tử cơng suất này còn gọi là bộ biến đổi điện tử. Bộ biến đổi điện tử thường gặp có chức năng biến đổi. Bảng 1.1: Thống kê biến đổi điện tử Bộ biến đổi điện tử thường gặp Chức