Giáo trình điện tử công suất

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠ ĐIỆN HÀ NỘI ****************** GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ( Lưu hành nội ) Tác giả : Th.S Dương Tiến Dũng (chủ biên) Mục Lục MÔ ĐUN ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT Mã mơ đun: MĐ 22 Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị 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 mơ 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 trị 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 Tên mô đun Thời gian Lý Thực Tổng số thuyết hành Kiểm tra Tổng quan điện tử công suất Công tắc điện tử (van bán dẫn công suất) Chỉnh lưu công suất không điều khiển Chỉnh lưu cơng suất có điều khiển Điều chỉnh điện áp xoay chiều Nghịch lưu Cộng 2 16 20 13 30 10 18 20 13 30 21 120 40 74 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 cịn gọi hệ điều chỉnh Mục tiêu • Hiểu q 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 khơng dừng lại phần cơng suất mà cịn ứng dụng lĩnh vực điều khiển khác Kể từ hiệu ứng nắn điện miền tiếp xúc PN cơng 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 cơng việc truyền tải dịng 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 vịng 50 năm sau chấm dứt đời thyristor Điện tử công suất nghiên cứu phương pháp biến đổi dòng điện yêu 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 Dịng lượng hệ biến đổi tinh Q: Nguồn ; V: Tải • Hiệu suất làm việc cao  Kích thước nhỏ gọn  Có tính kinh tế cao  Vận hành bảo trì dễ dàng  Khơng bị ảnh hưởng khí hậu, độ ẩm nhờ linh kiện bọc vỏ kín  Làm việc ổn định với biến động điện áp nguồn cung cấp  Dễ dự phòng, thay  Tuổi thọ cao  Khơng có phần tử chuyển động điều kiện tỏa nhiệt tự nhiên, làm mát quạt gió để kéo dài tuổi thọ  Đáp ứng giá trị điện áp dòng điện theo yêu cầu cách ráp song song nối tiếp thyristor lại với  Chịu chấn động cao, thích hợp cho thiết bị lưu động  Phạm vi nhiệt độ làm việc rộng, thơng số thay đổi theo nhiệt độ  Đặc tính điều khiển có nhiều ưu điểm Nguyên tắc biến đổi tĩnh Mục tiêu + Biết quy tắc biến đổi lượng: AC-DC,DC-DC, AC-AC + Hiểu tác dụng số loại tải 2.1 Sơ đồ khối Trong lĩnh vực điện tử công suất, để biểu diển khối chức ngườii ta dùng ký hiệu sơ đồ khối, điện truyền từ nguồn (có số 1) đến tải (có số 2) a Khối chỉnh lưu Hình 1.3 Sơ đồ khối hệ chỉnh lưu Nhiệm vụ mạch chỉnh lưu nhằm biến đổi lượng nguồn xoay chiều pha ba pha sang dạng lượng chiều (hình 1.3) b Khối nghịch lưu Nhiệm vụ mạch nghịch lưu nhằm biến đổi lượng dòng chiều thành lượng xoay chiều pha ba pha (hình 1.4) Hình 1.4 Sơ đồ khối hệ nghịch lưu c Các hệ biến đổi Các mạch biến đổi nhằm thay đổi: Dịng xoay chiều có điện áp, tần số số pha xác định sang giá trị khác (hình 1.5) Hình 1.5 Sơ đồ khối hệ biến đổi Dịng chiều có điện áp xác định sang dịng chiều có giá trị điện áp khác (converter DC to DC) Mạch biến đổi thường kết hợp từ mạch chỉnh lưu mạch nghịch lưu Do đó, lại chia làm hai loại: Biến đổi trực tiếp biến đổi có khâu trung gian 2.2 Các loại tải Tính chất tải có ảnh hưởng quan trọng đến chế độ làm việc mạch đổi điện, người ta chia tải thành loại sau: 2.2.1 Tải thụ động Tải trở bao gồm điện trở thuần, loại tải đơn giản nhất, dòng điện qua tải điện áp rơi tải pha với Loại ứng dụng chủ yếu lĩnh vực chiếu sáng lị nung Tải cảm kháng có đặc tính lưu trữ lượng, tính chất thể tượng san thành phần gợn sóng có điện áp chiều ngõ mạch nắn điện xung điện áp cao xuất thời điểm cắt tải Các ứng dụng quan trọng loại tải là: Các cuộn kích từ máy điện (tạo từ trường), thiết bị nung cảm ứng lị tơi cao tần Trong trường hợp điện cảm thường mắc song song với điện dung để tạo thành khung cộng hưởng song song 2.2.2 Tải tích cực Các loại tải thường có kèm theo nguồn điện áp (hình 1.6) van chỉnh lưu chế độ phân cực nghịch Ví dụ: Q trình nạp điện bình ắc quy sức phản điện động điện Hình 1.6 Sơ đồ tương đương tải trở kháng với sức phản điện 2.3 Các van biến đổi Các van điện phần tử cho dòng điện chảy qua theo chiều định Trong lĩnh vực điện tử cơng suất diode bán dẫn thyristor kể transistor công suất 2.3.1 Van không điều khiển (diode) Một diode lý tưởng cho dịng điện chạy qua điện áp anode dương cathode, điện áp ngõ diode phụ thuộc theo điện áp ngõ vào diode 2.3.2 Van điều khiển (thyristor) Mơt chỉnh lưu có điều khiển lý tưởng khơng dẫn điện anode cathode phân cực thuận (anode dương cathode) Điều kiện để van dẫn điện đồng thời với chế độ phân cực thuận phải có thêm xung kích cực cổng (UAK dương UGK dương) Điện áp ngõ phụ thuộc theo điện áp vào mà phụ thuộc theo thời điểm xuất xung kích (đặc trưng góc kích α) Cơ điều khiển mạch hở Mục tiêu  Mô tả phần tử hệ thống điều khiển Hiểu nguyên lý phương pháp điều khiển vô cấp điều khiển gián đoạn  Biết phần tử chấp hành hệ thống điều khiển  Giải thích đáp ứng hệ thống 3.1 Khái niệm Vào kỷ trước đây, nhờ ứng dụng khí hóa vào kỹ thuật mà phát triển lúc chủ yếu hướng khả tự động hóa Tự động hóa q trình có nghĩa q trình tự thực theo chương trình đặt sẳn nều hội đủ số điều kiện cho trước không cần tham gia người Ưu điểm kỹ thuật tự động hóa độ an tồn, độ xác tính kinh tế cao Kỹ thuật tự động hóa phân thành hai chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển kỹ thuật điều chỉnh Tuy nhiên, thực tế thường gặp trường hợp kết hợp hai Ví dụ: Phương pháp điều chỉnh tốc độ động chiều cầu chỉnh lưu có điều khiển Từ mơ tả van chỉnh lưu phần có xử dụng khái niệm van có điều khiển Các thyristor điều khiển cách dịch chuyển pha xung kích dẫn đến điện áp công suất rơi tải thay đổi theo Thuật ngữ ‘điều khiển’ nói lên q trình mà nhiều đại lượng vào hệ thống có ảnh hưỡng đến đại lượng hệ thống Khi đại lượng không hồi tiếp trở lại ngõ vào, người ta gọi trình hở, hướng tác động trình cố định biểu diển mũi tên hình 1.7 Trong thực tế, khái niệm tên gọi kỹ thuật điều khiển định nghĩa xử dụng theo tiêu chuẩn DIN 19226 sau: Đại lượng Xout: đại lượng vật lý hệ thống, đại lượng bị ảnh hưởng theo quy luật điều khiển định Đối tượng điều khiển: khâu trình điều khiển, nơi xuất phát đại lượng ra, hệ thống truyền động điều chỉnh thyristor: Động thyristor đối tượng điều khiển, tốc độ momen quay đại lượng Phần tử chấp hành phận đối tượng điều khiển tác động trực tiếp đến lượng khối lượng cần điều khiển, có loại phần tử tác động gián đoạn như: rờ le, công tắc tơ có loại tác động liên tục như: Con trượt, van tiết lưu, transistor mạch nắn điện có điện áp thay đổi Tín hiệu điều khiển y : tín hiệu tác động vào phần tử chấp hành, tín hiệu phần tử điều khiển  Phần 2: Hướng dẫn sử dụng biến tần SIEMENS dòng Micromaster 420 Biến tần Siemens Đức Có dịng 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 Hình 5: Vị trí nối điều khiển biến tần Micormaster 420 Hình 6: Sơ đồ nối điều khiển biến tần Micormaster 420 Hình 7: Sơ đồ tổng quát biến tần Micormaster 420 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 Bảng thơng số 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 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 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 cơng 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 cơng suất 1.1 Q trình phát triển Điện tử. .. thuyết hành Kiểm tra Tổng quan điện tử công suất Công tắc điện tử (van bán dẫn công suất) Chỉnh lưu công suất khơng điều khiển Chỉnh lưu cơng suất có điều khiển Điều chỉnh điện áp xoay chiều Nghịch... 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