Đang tải... (xem toàn văn)
năng của ngƣời Kỹ sƣ Chức năng hay hoạt động của người Kỹ sư có một phạm vi rất rộng, có thể bao gồm: nghiên cứu, phát triển, thiết kế, sản xuất, xây dựng, vận hành, bán hàng và quản lý. 1 Nghiên cứu (Research): là hoạt động để tìm kiếm những tri thức mới hoặc để hiểu biết tốt hơn ý nghĩa và mối liên hệ giữa các sự việc đã biết đang tồn tại trong thế giới khách quan của đời sống con người. 2 Phát triển (Development): là hoạt động phát minh và ứng dụng các kết quả nghiên cứu để đưa ra các sản phẩm, các phương pháp và các quá trình hữu ích. 3 Thiết kế (Design): là quá trình hoạt động chuyển đổi các khái niệm và thông tin thành những kế hoạch và những mô tả kỹ thuật để từ đó có thể sản xuất hay xây dựng những sản phẩm, công trình. 4 Sản xuất (Production): là quá trình hoạt động công nghiệp để sản xuất ra các sản phẩm hoặc vật phẩm từ các nguyên vật liệu. 5 Xây dựng (Construction): là quá trình hoạt động để chuyển đổi các thiết kế và vật liệu thành các công trình như nhà cửa, đường xá v.v . . . 6 Vận hành (Operation): trong kỹ thuật, được hiểu là việc áp dụng các nguyên lý kỹ thuật hoặc thực hiện một công việc thực tế. Trong sản xuất, vận hành năng của ngƣời Kỹ sƣ Chức năng hay hoạt động của người Kỹ sư có một phạm vi rất rộng, có thể bao gồm: nghiên cứu, phát triển, thiết kế, sản xuất, xây dựng, vận hành, bán hàng và quản lý. 1 Nghiên cứu (Research): là hoạt động để tìm kiếm những tri thức mới hoặc để hiểu biết tốt hơn ý nghĩa và mối liên hệ giữa các sự việc đã biết đang tồn tại trong thế giới khách quan của đời sống con người. 2 Phát triển (Development): là hoạt động phát minh và ứng dụng các kết quả nghiên cứu để đưa ra các sản phẩm, các phương pháp và các quá trình hữu ích. 3 Thiết kế (Design): là quá trình hoạt động chuyển đổi các khái niệm và thông tin thành những kế hoạch và những mô tả kỹ thuật để từ đó có thể sản xuất hay xây dựng những sản phẩm, công trình. 4 Sản xuất (Production): là quá trình hoạt động công nghiệp để sản xuất ra các sản phẩm hoặc vật phẩm từ các nguyên vật liệu. 5 Xây dựng (Construction): là quá trình hoạt động để chuyển đổi các thiết kế và vật liệu thành các công trình như nhà cửa, đường xá v.v . . . 6 Vận hành (Operation): trong kỹ thuật, được hiểu là việc áp dụng các nguyên lý kỹ thuật hoặc thực hiện một công việc thực tế. Trong sản xuất, vận hành
Chương KHÁI NIỆM CƠ BẢN & CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CÔNG SUẤT Vài nét lịch sử phát triển ĐTCS ứng dụng 1901: Peter Cooper Hewitt giới thiệu chỉnh lưu dùng đèn thủy ngân (mercury-arc rectifier) 1926: Đèn thyratron đời 1930: Chỉnh lưu dùng đèn thủy ngân công suất 3MW lắp đặt cho hệ thống tàu điện ngầm New York (dùng để điều khiển động DC xe điện) 1931: Hệ thống cycloconverter dùng đèn thủy ngân ứng dụng hệ thống tàu điện Đức 1948: Transistor phát minh Bell Labs 1956: Diode công suất dùng bán dẫn Silic đời 1958: GE giới thiệu thyristor (SCR) thương phẩm 1971: Kỹ thuật điều khiển vector động không đồng (lý thuyết) giới thiệu Vài nét lịch sử phát triển ĐTCS ứng dụng 1975: Transistor luỡng cực (BJT) công suất lớn chế tạo TOSHIBA 1980: GTO công suất lớn đời Nhật 1981: Cấu hình nghịch lưu đa bậc (diode clamped) đời 1983: IGBT đời 1983: Kỹ thuật điều rộng xung vector không gian (Space Vector PWM) đời 1986: Kỹ thuật điều khiển trực tiếp momen (Direct Torque Control – DTC) động không đồng đời 1996: IGCT giới thiệu lần đầu ABB ĐTCS lãnh vực liên quan ngày CHỈNH LƯU HƠI THỦY NGÂN ĐÈN ĐIỆN TỬ KHUẾCH ĐẠI TỪ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT (POWER ELCTRONICS) LINH KIỆN BÁN DẪN CÔNG SUẤT CẤU TRÚC BỘ BIẾN ĐỔI PHẦN MỀM VÀ PHẦN CỨNG KỸ THUẬT GIẢI TÍCH VÀ MƠ PHỎNG KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN Sơ đồ khối hệ thống ĐTCS Sơ đồ khối hệ thống ĐTCS Nhiệm vụ hệ thống điện tử cơng suất (ĐTCS) kiểm sốt điều khiển dòng lượng điện cách cung cấp cho tải điện áp dòng điện dạng tối ưu Ngõ vào hệ thống ĐTCS thường điện lưới pha pha, tần số 50 60Hz Ngõ (điện áp, tần số, dòng điện, số pha) thường thiết kế để phù hợp với tải Phần mạch động lực sử dụng linh kiện bán dẫn công suất Phần mạch điều khiển sử dụng kỹ thuật mạch tích hợp tuyến tính (linear integrated circuits) và/hoặc mạch xử lý số (digital signal processor) Trong năm gần đây, lãnh vực điện tử cơng suất có thành tựu lớn nhờ vào phát triển của: - Kỹ thuật vi điều khiển (microcontroller, digital signal processor - DSP) - Kỹ thuật bán dẫn công suất lớn (power semiconductor) Một số ứng dụng tiêu biểu ĐTCS Bộ nguồn Bộ nguồn xung (Switching mode power supply) Bộ nguồn liên tục (UPS – Uninterruptible Power Supply ) Một số ứng dụng tiêu biểu ĐTCS Bộ biến đổi dùng chiếu sáng, điều khiển động LED driver Bộ biến tần (dùng điều khiển tốc độ động xoay chiều) Một số ứng dụng tiêu biểu ĐTCS Ứng dụng giao thông vận tải Tàu điện Xe điện Một số ứng dụng tiêu biểu ĐTCS Gia nhiệt cảm ứng Máy hàn điện (Welding machine) Máy tơi cao tần (induction heating machine) Lò cảm ứng (induction melting machine) 10 Một số ứng dụng tiêu biểu ĐTCS Năng lượng tái tạo Máy phát điện gió Hệ thống phát điện dùng pin quang điện 11 Lãnh vực ứng dụng ĐTCS Các thiết bị gia dụng Tủ lạnh, tủ đông 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 Công nghiệp Bơm Máy nén Quạt gió Máy cơng cụ Lò nấu hồ quang, Lò nấu cảm ứng Gia nhiệt cảm ứng (tôi cao tần…) Máy hàn điện Giao thông 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 không 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) 12 Ví dụ ứng dụng: So sánh ổn áp tuyến tính ổn áp xung Xét ứng dụng cần nguồn ổn áp với: Ngõ vào Ud = 100V, Ngõ Uo = 50V, Io = 10A 13 Ví dụ ứng dụng: So sánh ổn áp tuyến tính ổn áp xung Xét mạch sử dụng điện trở phân áp • • Cơng suất tổn hao lớn điện trở phân áp mạch có hiệu suất thấp Điện áp ngõ thay đổi điện áp ngõ vào điện trở tải thay đổi 14 Ví dụ ứng dụng: So sánh ổn áp tuyến tính ổn áp xung Xét mạch sử dụng ổn áp tuyến tính • • Transistor cơng suất điều khiển hoạt động tương tự điện trở biến đổi điện áp ổn định điện áp vào điện trở tải thay đổi, Mạch có hiệu suất thấp cồng kềnh 15 Ví dụ ứng dụng: So sánh ổn áp tuyến tính ổn áp xung Xét mạch với biến đổi dc-dc Mạch nguyên lý với S khóa bán dẫn (transistor + diode) Tổn hao S nhỏ mạch có hiệu suất cao 16 Ví dụ ứng dụng: So sánh ổn áp tuyến tính ổn áp xung Xét mạch với biến đổi dc-dc (t-t) Dạng sóng điện áp us Điện áp ngõ Uo = giá trị trung bình us = D.Ud Mạch lọc L-C để lọc bỏ sóng hài điện áp tần số cao ngõ giữ lại thành phần trung bình us 17 Ví dụ ứng dụng: So sánh ổn áp tuyến tính ổn áp xung Xét mạch với biến đổi dc-dc (t-t) Mạch ổn áp thực tế với phần động lực mạch Buck converter 18 Phân loại biến đổi công suất Phân loại theo tần số điện áp ngõ vào ngõ ra: biến đổi công suất (converter) (gọi tắt biến đổi – BBĐ) bao gồm: ac dc (chỉnh lưu – rectifier) dc ac (nghịch lưu – inverter) dc dc ac ac Trong thực tế, biến đổi cơng suất bao gồm nhiều biến đổi phần tử trữ lượng (tụ điện, cuộn cảm) Chiều truyền công suất biến đổi chiều (nguồn tải tải nguồn) hai chiều 19 Phân loại biến đổi công suất 20 10 Một số trường hợp thường gặp Tải R: Quan hệ điện áp dòng điện tức thời qua R cho bởi: uR=R.iR Lấy trò trung bình hai vế ta có: URAV=R.IRAV 31 Một số trường hợp thường gặp Tải L: Lưu ý: dòng qua L liên tục uL uL iL(t0) t0 32 16 Một số trường hợp thường gặp Taûi L: Ta có: uL L di L dt Ở chế độ xác lập iL(t0)=iL(t0+Tp) Trò trung bình điện áp L xác đònh cách lấy tích phân hai vế biểu thức chu kỳ, kết quả: ULAV=0 Điện áp trung bình điện cảm L = Lưu ý tích phân theo thời gian điện áp L từ thơng cuộn dây Do đó, ý nghĩa vật lý việc điện áp trung bình L zero là: trạng thái xác lập tổng độ biến thiên từ thông cuộn dây L chu kỳ zero (trên hình: diện tích A = diện tích B) 33 Một số trường hợp thường gặp Taûi C: Lưu ý: Áp qua C liên tục 34 17 Một số trường hợp thường gặp Tải C: Ta có: iC C duC dt Ở chế độ xác lập uC(t0)=uC(t0+Tp) Trò trung bình dòng điện qua C xác đònh cách lấy tích phân hai vế biểu thức chu kỳ, kết quả: ICAV=0 Dòng trung bình qua tụ C = Lưu ý tích phân theo thời gian dòng điện qua C điện tích tụ Do đó, ý nghĩa vật lý việc dòng trung bình qua tụ C zero là: trạng thái xác lập tổng độ biến thiên điện tích tụ C chu kỳ zero (trên hình: diện tích A = diện tích B) 35 Một số trường hợp thường gặp Tải RL: Tương tự, ta có: ut R i t L di t dt Trò trung bình áp: UtAV=R.ItAV+ULAV=R.ItAV Từ đó: ItAV=UtAV/R Trò trung bình dòng qua tải RL phụ thuộc vào R giá trị trung bình điện áp ut 36 18 Một số trường hợp thường gặp Taûi RLE: ut R i t L di t E dt Với E sức điện động không đổi: E=const Kết quả: UtAV=R.ItAV+E hay ItAV=(UtAV-E)/R Trò trung bình dòng qua tải RLE phụ thuộc vào R, E giá trị trung bình điện áp ut 37 Mạch pha với dòng, áp dạng sin U u Nguồn Tải u Mạch pha với dòng, áp dạng sin chế độ xác lập 38 19 Mạch pha với dòng, áp dạng sin Dòng áp pha dạng sin: u 2U cos t i I cos t U Ue j I Ie j Công suất phức (complex power): S UI* UIe j Se j P jQ Công suất biểu kiến (apparent power): S UI Công suất thực: P Re S UI cos Công suất phản kháng (reactive power): Q Im S UI sin 39 Mạch ba pha cân (dòng, áp dạng sin) 40 20 Mạch ba pha cân (dòng, áp dạng sin) Thứ tự pha: a-b-c: U Ue j U I a a j e j Ie j Z Z Ze j 2 j ( 2 3) Ib I a e Ie I c I a e j 2 Ie j ( 2 3) Liên hệ điện áp pha điện áp dây: U LL 3U 41 Mạch ba pha cân (dòng, áp dạng sin) Công suất pha: S phase UI Pphase UI cos Với mạch pha cân bằng, công suất tổng pha tính bởi: S3 phase 3S phase 3UI 3U LL I P3 phase 3Pphase 3UI cos 3U LL I cos 42 21 Hệ số cơng suất Hệ số công suất PF (Power Factor) tải đònh nghóa tỉ số công suất tiêu thụ P công suất biểu kiến S mà nguồn cấp cho tải PF P S Trong trường hợp dòng, áp tải có dạng sin: PF P P cos S UI 43 Chế độ xác lập với dòng, áp khơng sin Ví dụ: Dạng sóng điện áp ngõ dạng sóng dòng-áp ngõ vào biến tần 3-pha kiểu điều rông xung (PWM) điển hình 44 22 Chế độ xác lập với dòng, áp khơng sin i n 45 Phân tích Fourier Dòng điện khơng sin i(t) triển khai thành thành phần hình sin theo phân tích Fourier: i I AV A n 1 với I AV An 2 n sin( n.X ) 2 i dx , X t 2 B n cos( n.X ) i sin( n.X ).dX ; B n 2 i cos( n.X ).dX Biên độ sóng hài bậc n đại lượng i xác đònh theo hệ thức: I ( n )m An2 B n2 46 23 Phân tích Fourier Sử dụng hệ thức biên độ vừa tìm được, đại lượng i viết lại dạng: i I AV I n 1 ( n ) m sin( n X n ) với n xác đònh theo hàm: n arctan Bn An Trò trung bình đại lượng i hệ thức IAV Trò hiệu dụng đại lượng i cho hệ thức: I rms I AV n 1 I (2n ) I AV n 1 I (2n ) m 47 Phân tích Fourier Gọi u, i p điện áp, dòng điện công suất với u,i có dạng tuần hoàn không sin Ta có: u U AV i I AV U n 1 I n 1 ( n ) m sin( n.X ( n ) m sin( n.X n U ) n _ I ) Công suất trung bình: P U AV I AV P U AV I AV U n 1 n 1 ( n ) I ( n ) cos( n _ U U ( n ) m I ( n ) m n _ I ) cos( n _ U n _ I ) 48 24 Phân tích Fourier Với tải RL, quan hệ điện áp hài U(n) dòng ñieän hài I(n) : I ( n )m U ( n )m Z (n) hoaëc: I ( n ) U(n) Z (n) U ( n )m R ( n..L ) U( n) R ( n..L ) 49 Méo dạng sóng hài Dòng ngõ vào is(t) qua phân tích Fourier: is (t ) i1 in n 1 Hệ số méo dạng (distortion factor - DF): I DF I Độ méo dạng tổng hài (Total harmonic distortion – THD): THD I n 1 n I1 50 25 Méo dạng sóng hài Ta coù: THD I j 2 I1 ( j) I I12 I1 Trong đó, I(j) trò hiệu dụng sóng hài bậc j, j>=2 I1 trò hiệu dụng thành phần hài dòng điện Quan hệ DF THD: DF 1 (THD ) 51 Méo dạng sóng hài Các biến đổi cơng suất thiết bị có tính phi tuyến 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), … Sóng điện áp nguồn sóng hài dòng điện tạo nên cơng suất tiêu thụ tải: P=P1=m.U.I(1).cos1 1: góc lệch pha điện áp dòng điện sóng hài Các sóng hài lại (bậc cao) tạo nên công suất ảo 52 26 Méo dạng sóng hài Ta có: 2 S mU I m U ( I (1) I (2) I (3) ) S2 m U I (1) m U I (2j ) j 2 2 m U I (1) cos 1 m U I (1) sin 1 m U I (2j ) j 2 S P Q1 D 2 53 Méo dạng sóng hài S2 P Q12 D Với : P=m.U.I(1).cos1 : công suất tiêu thụ tải Q1=m.U.I(1).sin1 : công suất phản kháng (cơng suất ảo sóng hài dòng điện tạo nên) D m U I (2j ) : công suất biến dạng (cơng suất ảo sóng j 2 hài bậc cao dòng điện tạo nên) Khái niệm biến dạng (deformative) xuất từ ý nghĩa tác dụng gây biến dạng điện áp nguồn thành phần dòng điện vào lưới điện chúng tạo nên sụt áp tổng không sin trở kháng nguồn, từ sóng điện áp thực tế cấp cho tải bị méo dạng 54 27 Méo dạng sóng hài Từ đó, ta rút biểu thức tính hệ số công suất theo thành phần công suất sau: PF P S P P Q12 D Muốn tăng hệ số cơng suất giảm méo dạng, ta có thể: - Giảm Q1 - cơng suất ảo sóng hài bản, tức thực bù công suất phản kháng Các biện pháp thực bù tụ điện, bù máy điện đồng kích từ dư dùng thiết bị đại bù bán dẫn (SVC - Static Var Compensator); - Giảm D - công suất ảo sóng hài bậc cao 55 Ví dụ: Ảnh hưởng dòng nguồn khơng sin Xét mạch chỉnh lưu cầu diode pha với tụ lọc ngõ 56 28 Ví dụ: Ảnh hưởng dòng nguồn khơng sin Xét mạch chỉnh lưu cầu diode pha với tụ lọc ngõ ud us Dạng dòng ngõ vào is cầu chỉnh lưu không sin chứa nhiều sóng hài 57 Ví dụ: Ảnh hưởng dòng nguồn khơng sin Xét mạch chỉnh lưu cầu diode pha với tụ lọc ngõ Xét trường hợp cầu chỉnh lưu cấp nguồn chung với tải khác điện kháng nguồn cung cấp Ls1 đáng kể 58 29 Ví dụ: Ảnh hưởng dòng nguồn không sin Xét mạch chỉnh lưu cầu diode pha với tụ lọc ngõ Thành phần hài dòng iS gây sụt áp sóng hài Ls1, làm méo dạng áp uPCC điểm nối chung với tải khác 59 Các công thức thường dùng sin( A B) sin A cos B cos A sin B cos( A B ) cos A cos B sin A sin B sin A 2sin A cos A cos A 1 2sin A cos A sin A sin B 2sin A B A B cos 2 cos A cos B cos A B A B cos 2 sin A sin B cos A B cos A B 2 sin A cos B sin A B sin A B 2 sin nx dx cos nx n cos nx dx sin A sin B cos A B A B sin 2 cos A cos B 2sin A B B A sin 2 cos A cos B cos A B cos A B 2 sin nx n 60 30 ... nhiệt, sư i 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 sư i, thơng... ELCTRONICS) LINH KIỆN BÁN DẪN CÔNG SUẤT CẤU TRÚC BỘ BIẾN ĐỔI PHẦN MỀM VÀ PHẦN CỨNG KỸ THUẬT GIẢI TÍCH VÀ MƠ PHỎNG KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN Sơ đồ khối hệ thống ĐTCS Sơ đồ khối hệ thống ĐTCS Nhiệm vụ hệ... điện tử cơng suất có thành tựu lớn nhờ vào phát triển của: - Kỹ thuật vi điều khiển (microcontroller, digital signal processor - DSP) - Kỹ thuật bán dẫn công suất lớn (power semiconductor) Một số