Giáo trình điện tử công suất

0 UBNN TỈNH VĨNH PHÚC TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ VĨNH PHÚC GIÁO TRÌNH Mơn học: ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT NGHỀ: ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG Biên soạn: Trần Xuân Mạnh Năm 2013 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng ngun trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm LỜI GIỚI THIỆU Để thực biên soạn giáo trình đào tạo nghề Điện tử cơng nghiệp trình độ Cao Đẳng Nghề Trung Cấp Nghề, giáo trình Điện tử cơng suất giáo trình mơn học đào tạo chuyên ngành biên soạn theo nội dung chương trình khung Bộ Lao động Thương binh Xã hội Tổng cục Dạy Nghề phê duyệt Nội dung biên soạn ngắn gọn, dễ hiểu, tích hợp kiến thức kỹ chặt chẽ với nhau, logíc Khi biên soạn, nhóm biên soạn cố gắng cập nhật kiến thức có liên quan đến nội dung chương trình đào tạo phù hợp với mục tiêu đào tạo, nội dung lý thuyết thực hành biên soạn gắn với nhu cầu thực tế sản xuất đồng thời có tính thực tiển cao Nội dung giáo trình biên soạn với dung lượng thời gian đào tạo 120 gồm có: MĐ22-01: Tổng quan điện tử công suất MĐ22-02: Công tắc điện tử (Van bán dẫn công suất) MĐ22-03: Chỉnh lưu công suất không điều khiển MĐ22-04: Chỉnh lưu cơng suất có điều khiển MĐ22-05: Điều chỉnh điện áp xoay chiều MĐ22-06: Nghịch lưu Trong trình sử dụng giáo trình, tuỳ theo yêu cầu khoa học cơng nghệ phát triển điều chỉnh thời gian bổ sung kiên thức cho phù hợp Trong giáo trình, chúng tơi có đề nội dung thực tập để người học cố áp dụng kiến thức phù hợp với kỹ Tuy nhiên, tùy theo điều kiện sơ vật chất trang thiết bị, trường có thề sử dụng cho phù hợp Mặc dù cố gắng tổ chức biên soạn để đáp ứng mục tiêu đào tạo không tránh khiếm khuyết Rất mong nhận đóng góp ý kiến thầy, giáo, bạn đọc để nhóm biên soạn hiệu chỉnh hoàn thiện Các ý kiến đóng góp xin gửi Trường Cao đẳng nghề Lilama 2, Long Thành Đồng Nai Đồng Nai, ngày 15 tháng năm 2013 Tham gia biên soạn Chủ biên: TS Lê Văn Hiền Ths Trần Minh Đức Mục Lục TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN LỜI GIỚI THIỆU BÀI 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Quá trình phát triển Nguyên tắc biến đổi tĩnh 10 2.1 Sơ đồ khối 10 2.2 Các loại tải 12 2.3 Các van biến đổi 12 Cơ điều khiển mạch hở 13 3.1 Khái niệm .13 3.2 Các phương pháp điều khiển .16 3.3 Phần tử chấp hành .21 Điều khiển mạch kín 21 4.1 Khái niệm 21 4.2 Hoạt động vòng điều chỉnh 23 4.4 Khâu điều chỉnh dùng op-amp .34 Yêu cầu đánh giá 44 BÀI CÔNG TẮC ĐIỆN TỬ (VAN BÁN DẪN ) 45 Linh kiện điện tử công suất 45 1.1 Diode công suất 45 1.2 Thyristor .50 1.3 Triac Diac .52 1.4 Transistor công suất .54 1.5 MOSFET .57 1.6 IGBT 62 1.7 GTO .63 PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ DIODE SILIC 66 2.1 Bảo vệ áp .67 2.2 Bảo vệ dòng ngắn mạch 70 2.3 Bảo vệ nhiệt 73 Công tắc xoay chiều ba pha 77 3.1 Đại cương .78 3.2 Công tắc xoay chiều .79 3.3 Công tắc pha .84 3.4 Úng dụng 87 Công tắc chiều 92 4.1 Đại cương .92 4.2 Rờ le bán dẫn .92 4.3 Công tắc DC dùng transistor 92 Yêu cầu đánh giá kết học tập 101 BÀI CHỈNH LƯU CÔNG SUẤT KHÔNG ĐIỀU KHIỂN 102 Các khái niệm 102 Mạch chỉnh lưu công suất pha không điều khiển 105 2.1 Chỉnh lưu công suất nửa chu kỳ 105 2.2 Chỉnh lưu công suất hai nửa chu kỳ 111 2.3 Chỉnh lưu công suất cầu pha (B2) 112 Chỉnh lưu pha 116 3.1 Đại cương 116 3.2 Mạch chỉnh lưu pha hình tia (M3) 116 3.3 Mạch chỉnh lưu pha hình cầu 121 BÀI CHỈNH LƯU CƠNG SUẤT CĨ ĐIỀU KHIỂN 129 Tổng quan mạch điều khiển chỉnh lưu công suất 129 1.1 Nguyên tắc .129 1.2 Điều khiển chuỗi xung 129 1.3 Điều khiển góc pha 130 Mạch chỉnh lưu công suất pha có điều khiển 131 2.2 Mạch chỉnh lưu cơng suất hai nửa chu kỳ có điều khiển 135 2.3 Mạch chỉnh lưu hình cầu pha có điều khiển .136 2.4 Khảo sát mạch biến đổi cơng suất tồn phần (B2) .137 Mạch chỉnh lưu cơng suất pha có điều khiển 142 3.1 Mạch chỉnh lưu pha hình tia có điều khiển .142 3.2 Chỉnh lưu pha hình cầu có điều khiển (B6) 151 Thiết kế tính tốn lắp mạch điều khiển 162 BÀI ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU 180 Khái niệm 180 Điều khiển điện áp xoay chiều pha 180 2.1 Điều khiển chuỗi xung với tải trở kháng tải biến áp .180 2.2 Điều khiển góc pha 184 2.3 Mạch điều khiển công suất AC tải điện trở 185 2.4 Điều khiển công suất AC tải điện cảm .188 2.6 Mạch điều khiển kết hợp TCA 780 192 2.7 Điều khiển công suất phản kháng 198 Điều khiển điện áp xoay chiều pha 203 3.1 Đại cương 203 3.2 Khảo sát điện áp 205 3.3 Đường đặc tính điều khiển 208 Biến tần 210 4.1 Đại cương 211 4.2 Biến tần gián tiếp .211 4.3 Biến tần trực tiếp 215 4.4 Hướng dẫn sử dụng biến tần Siemens 217 BÀI NGHỊCH LƯU 255 Các khái niệm phân loại 255 Mạch nghịch lưu pha: 255 2.1 Nghịch lưu phụ thuộc: .255 2.2 Nghịch lưu độc lập 257 Nghịch lưu pha 261 Thực hành lắp nghịch lưu 264 TÀI LIỆU THAM KHẢO 299 MÔ ĐUN ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT Mã mơ đun: MĐ 22 Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trò mơ đun  Vị trí mơ đun: Mơ đun bố trí dạy sau học xong mơn học chuyên môn linh kiện điện tử, đo lường điện tử, kỹ thuật xung - số, điện tử bản,  Tính chất mơ đun: Là mô đun chuyên môn nghề  Ý nghĩa mô đun: giúp người học có cách nhìn nhận phương pháp điều khiển thiết bị điện không tiếp điểm  Vai trò mơ đun: giúp người học biết cách sửa chữa thiết bị điện tử cơng nghiệp Phán đốn có cố sảy mạch điều khiển Khắc phục sửa chữa board điều khiển công nghiệp Mục tiêu mô đun: + Về kiến thức: - Hiểu cấu tạo nguyên lý hoạt động linh kiện điện tử công suất - Biết thông số kỹ thuật linh kiện - Phân tích nguyên lý làm việc mạch điện tử công suất + Về kỹ năng: - Kiểm tra chất lượng linh kiện điện tử công suất - Lắp mạch điện tử công suất ứng dụng công nghiệp - Kiểm tra sửa chữa đạt yêu cầu thời gian với độ xác - Thay linh kiện, mạch điện tử công suất hư hỏng + Về thái độ: - Rèn luyện tính tỷ mỉ, xác an tồn vệ sinh cơng nghiệp III Nội dung mô đun Số TT Thời gian Lý Thực Tổng số thuyết hành Tổng quan điện tử 2 công suất Công tắc điện tử (van 16 bán dẫn công suất) Chỉnh lưu công suất 20 13 khơng điều khiển Chỉnh lưu cơng suất có 30 10 18 điều khiển Điều chỉnh điện áp xoay 20 13 chiều Nghịch lưu 30 21 Tên mô đun Cộng 120 40 74 Kiểm tra 1 1 BÀI TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Mã bài: MĐ22-01 Giới thiệu Bài học giới thiệu khái niệm cần thiết lĩnh vực điện tử công suất ứng dụng công nghệ điện tử sản xuất công nghiệp: Hệ điều khiển mạch hở, hệ điều khiển mạch kín hay gọi hệ điều chỉnh Mục tiêu  Hiểu trình phát triển, ý nghĩa phạm vi nghiên cứu ứng dụng điện tử cơng suất  Hiểu cấu tạo, đặc tính hệ điều khiển hở  Hiểu cấu tạo, đặc tính hệ điều chỉnh, cấu trúc khâu hệ: Khâu quán tính, vi phân, tích phân Nội dung Q trình phát triển Mục tiêu: + Hiểu trình phát triển lĩnh vực điện tử công suất + Ứng dụng lĩnh vực điện tử công suất + Các nghiên cứu lĩnh vực điện tử cơng suất 1.1 Q trình phát triển Điện tử cơng suất xếp vào phạm vi môn thuộc kỹ thuật lượng ngành kỹ thuật điện nói chung Tuy nhiên việc nghiên cứu không dừng lại phần công suất mà ứng dụng lĩnh vực điều khiển khác Kể từ hiệu ứng nắn điện miền tiếp xúc PN công bố Shockley vào năm 1949 ứng dụng chất bán dẫn ngày sâu vào lĩnh vực chuyên môn ngành kỹ thuật điện từ phát triển thành ngành điện tử công suất chuyên nghiên cứu khả ứng dụng chất bán dẫn lĩnh vực lượng Với thành công việc truyền tải dòng điện pha vào năm 1891, dòng điện chiều thay dòng điện xoay chiều việc sản xuất điện năng, để cung cấp cho tải chiều cần thiết phải biến đổi từ dòng điện xoay chiều thành chiều, yêu cầu thực hệ thống máy phát - động hình 1.1 Hiện phương pháp áp dụng kỹ thuật hàn điện Hình 1.1 Nguyên lý hệ biến đổi quay Thay cho hệ thống máy điện quay nói việc ứng dụng đèn thủy ngân để nắn điện kéo dài vòng 50 năm sau chấm dứt đời thyristor Điện tử công suất nghiên cứu phương pháp biến đổi dòng điện u cầu đóng/ngắt điều khiển, chủ yếu kỹ thuật đóng/ngắt mạch điện chiều xoay chiều, điều khiển dòng chiều, xoay chiều, hệ thống chỉnh lưu, nghịch lưu nhằm biến đổi điện áp tần số nguồn lượng ban đầu sang giá trị khác theo yêu cầu (hình 1.2) Ưu điểm mạch biến đổi điện tử so với phương pháp biến đổi khác liệt kê sau: Hình 1.2 Dòng lượng hệ biến đổi tinh Q: Nguồn ; V: Tải 279 280 281 Phần 2: Hướng dẫn sử dụng biến tần SIEMENS dòng Micromaster 420 Biến tần Siemens Đức Có dòng sản phẩm biến tần AC Micormaster 410, 420 440 Mỗi dòng sản phẩm giống có số tính khác Trong tài liệu trình bày 420 Sơ đồ đấu nối phần động lực cho MM 420 Hình 3: Vị trí nối dây động lục biến tần biến tần Micormaster 420 Hình 4: Sơ đồ nối dây động lục biến tần biến tần Micormaster 420 loại pha pha 282 Hình 5: Vị trí nối điều khiển biến tần Micormaster 420 Hình 6: Sơ đồ nối điều khiển biến tần Micormaster 420 283 Hình 7: Sơ đồ tổng quát biến tần Micormaster 420 284 Thao tác cài đặt thơng số Hình 8: Hình dáng hình BOP Màn hình BOP hiển thị số Những đèn Led đoạn trình bày tham số giá trị, tin nhắn cảnh báo lỗi, điểm đặt giá trị hoat động Những thông tin tham số không lưu hình BOP 285 Bảng thông số 286 287 288 289 290 291 Ví dụ điều khiển động theo theo theo yêu cầu sau: Nhấn nút ON/OF từ điều khiển động tăng giảm tốc biến trở Trình tự thực hiện: - Nối dây theo sơ đồ - Cài đặt thông số Trước tiên reset giá trị mặt định P0010 = 30 P0970 = 1.0 Các thông số cần cài đặt: P0003 = P0004 = P0005 = 21 P0010 = (cài đặt nhanh) P0100 = P0300 = Tuỳ loại động hoặc1 P0304 = Điện áp định mức động P0305 = Dòng điện định mức đong P0307 = Công suat định mức động P0308 = Gia trị Cos động P0309 = Hiệu suất định mưc động (tuy thuộc vào P0300) P0310 = Tần so định mức đong P0311 = Tốc độ định mức động P0700 = P1000 = P1080 = 0.0 (tần số chạy nhỏ nhất) P1082 = 50.0 (tần số chạy lớn nhất) P1120 = 10.0 (thời gian tăng tốc) P1121 = 10.0 (thời gian giảm tốc) P3900 = Câu hỏi ôn tập Câu 1: Biến tần dùng để làm gì? Câu 2: Vẽ sơ đồ khối chức biến tần Câu 3: Dùng biến tần Control technicques MM 420 để điều khiển máy nâng hạ theo yêu cầu sau: - Gạt tay điều khiển lên máy chạy lên - Gạt tay điều khiển xuống máy chạy xuống - Gạt tay điều khiển máy dừng 292 Yêu cầu: Khởi động chậm 20s, hãm chậm 20s, tốc độ điều khiển biến trở Máy lúc dừng mang tải U CẦU VỀ ĐÁNH GIÁ HỒN THÀNH MƠ ĐUN Về lý thuyết: Hiểu thực nội dung sau - Cấu tạo, đặc tính linh kiện điện tử công suất thông dụng - Các biện pháp bảo vệ : Quá áp, dòng, nhiệt - Cấu tạo nguyên lý mạch điện tử công suất : Công tắc điện tử, điều khiển công suất, biến đổi công suất cố định điều khiển đươc - Ứng dụng thông dụng vi mạch ổn áp chân - Biết mạch ứng dụng thực tế Về thực hành: Có khả làm - Lắp ráp mạch điện theo sơ đồ - Phân tích tượng phán đốn ngun nhân gây hư hỏng mạch - Thay linh kiện - Thay linh kiện tương đương Về thái độ - Cẩn thận, tỉ mỉ, xác - Tổ chức cơng việc cách khoa học, hợp lý - Ngăn nắp, kiểm tra an toàn trước chạy thử 293 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đề cương môđun/môn học nghề Sửa chữa thiết bị điện tử công nghiệp”, Dự án Giáo dục kỹ thuật Dạy nghề (VTEP), Tổng cục Dạy Nghề, Hà Nội, 2003 [2] Power electronic - Heinz- Piest-Institut fur Handwekstechnik at the University of Hannover [3] Leistungelektronik - Rainer Felderhoff [4] Điện tử công suất điều khiển động điện Cyril W Lander [5] Nguyễn Bính: Điện tử công suất NXB Khoa học kỹ thuật 2005 [6] Nguyễn Tấn Phước: điện tử công suất nxb khoa học kỹ thuật 2004 ... Q trình phát triển Mục tiêu: + Hiểu trình phát triển lĩnh vực điện tử công suất + Ứng dụng lĩnh vực điện tử công suất + Các nghiên cứu lĩnh vực điện tử công suất 1.1 Q trình phát triển Điện tử. .. hành Tổng quan điện tử 2 công suất Công tắc điện tử (van 16 bán dẫn công suất) Chỉnh lưu công suất 20 13 không điều khiển Chỉnh lưu công suất có 30 10 18 điều khiển Điều chỉnh điện áp xoay 20... Tổng quan điện tử công suất MĐ22-02: Công tắc điện tử (Van bán dẫn công suất) MĐ22-03: Chỉnh lưu công suất không điều khiển MĐ22-04: Chỉnh lưu công suất có điều khiển MĐ22-05: Điều chỉnh điện áp