Giáo trình điện tử công suất

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI Giáo trình ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT Trần Văn Thịnh HÀ NỘI 03/2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI Giáo trình ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT Trần Văn Thịnh HÀ NỘI 03/2021 LỜI NĨI ĐẦU Trong thời đại 4.0, điện tử công suất, lĩnh vực khoa học quan trọng thiếu chương trình đào tạo kỹ sư ngành Cơng nghệ kỹ thuật Điện, Điều khiển tự động hóa Điện tử - Viễn thông Môn học điện tử công suất (ĐTCS) môn học lý thuyết sở cho chuyên ngành Điện, Điều khiển tự động hóa … Mơn học cung cấp cho sinh viên phương pháp phân tích, tổng hợp mạch ứng dụng để giải tốn cụ thể Trong chương trình đào tạo ngành “Công nghệ kỹ thuật điều khiển tự động hóa” trường Đại học Mở Hà Nội, môn học ĐTCS môn học môn học kỹ thuật điện tử, sở cho nhiều môn học sở chuyên ngành Nội dung giáo trình gồm chương: Chương Linh kiện bán dẫn công suất; Chương Các biến đổi AC-DC; Chương Các biến đổi DC-DC; Chương Các biến đổi AC-AC; Chương Nghịch lưu độc lập – biến tần; Chương Bảo vệ thiết bị ĐTCS Với kinh nghiệm nhiều năm giảng dạy thực hành lĩnh vực ĐTCS, biên soạn giáo trình tác giả cập nhật nhiều kiến thức lý thuyết thực tế phù hợp với trình độ sinh viên, tác giả cố gắng khơng đưa vào kiến thức cao làm cho người đọc thấy ngại môn học mà đưa nhiều kiến thức thực tế Tinh thần chung tác giả viết giáo trình cung cấp nhiều tính ứng dụng Tinh thần thể có nhiều ví dụ minh họa thực tế nội dung học, tập ứng dụng Nội dung phần thực hành gồm thể loại: ví dụ, câu hỏi ôn tập, câu hỏi trắc nghiệm, tập có lời giải tập cho đáp số Tài liệu dùng làm giáo trình cho mơn học "Điện tử cơng suất" trường Đại học Mở Hà Nội Có thể dùng làm tài liệu tham khảo hữu ích cho kỹ sư chuyên ngành Điện, Điều khiển tự động hóa … Trong q trình biên soạn, tác giả nhận động viên tạo điều kiện nhiều lãnh đạo khoa Công nghệ Điện tử Thông tin, trường đại học Mở Hà Nội, bạn đồng nghiệp trường Đại học Mở Đại học Bách khoa Hà Nội (nơi tác giả làm việc nhiều năm), tác giả trân trọng động viên tạo điều kiện Tác giả chân thành cám ơn TS Lê Thị Thúy Nga TS Nguyễn Thế Công dành thời gian đọc phản biện cho Giáo trình cho góp ý q báu Mặc dụ có nhiều cố gắng, khơng tránh khỏi sai sót Tác giả mong nhận đóng góp bạn đọc tài liệu Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về: Khoa Cơng nghệ Điện tử Thông tin, trường Đại học Mở Hà Nội, địa chỉ: B01 Phố Nguyễn Hiền, Bách Khoa, Hai Bà Trưng, Hà Nội 100000 Xin chân thành cảm ơn! Tác giả MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chương LINH KIỆN BÁN DẪN CÔNG SUẤT 10 1.1 Điốt công suất 10 1.1.1 Cơ điốt 10 1.1.2 Cấu tạo điốt công suất 12 1.1.3 Đặc tính thông số điốt công suất 13 1.1.4 Một số điốt đặc biệt 19 1.2 Thyristor .22 1.2.1 Nguyên lý cấu tạo thyristor công suất 23 1.2.2 Hoạt động thyristor 23 1.2.3 Đặc tính thơng số thyristor 25 1.3 Triac 33 1.3.1 Cấu tạo triac .33 1.3.2 Nguyên lý hoạt động 34 1.3.3 Đặc tính thơng số 34 1.3.4 Chuyển mạch Triac mạch điều khiển cổng G .36 1.4 Transistor lưỡng cực (BJT) 36 1.4.1 Cấu tạo hoạt động tranzito lưỡng cực (BJT) 37 1.4.2 Đặc điểm cấu tạo hoạt động BJT công suất 38 1.4.3 Đặc tính I-U transistor cơng suất 41 1.4.4 Cấu trúc darlington transistor cơng suất 46 1.4.5 Đặc tính chuyển mạch BJT công suất .46 1.5 Mosfet công suất 50 1.5.1 Cấu tạo hoạt động mosfet .50 1.5.2 Đặc tính mosfet 53 1.5.3 Các thông số mosfet công suất 59 1.5.4 Điều khiển gate MOSFET .62 1.6 Transistor lưỡng cực cổng cách ly .64 1.6.1 Cấu tạo hoạt động IGBT 65 1.6.2 Thông số IGBT 67 1.6.3 Đặc tính IGBT 68 1.6.4 Hoạt động an toàn IGBT 70 1.6.5 Lưu ý sử dụng .72 Câu hỏi tập chương 76 Chương CÁC BỘ BIẾN ĐỔI AC-DC 83 2.1 Phân loại chỉnh lưu .84 2.2 Những vấn đề chỉnh lưu .85 2.2.1 Sơ đồ tổng quát chỉnh lưu cấp điện từ nguồn lưới công nghiệp 85 2.2.2 Thông số chỉnh lưu 86 2.3 Chỉnh lưu nửa chu kỳ 87 2.3.1 Chỉnh lưu nửa chu kỳ không điều khiển 87 2.3.2 Chỉnh lưu nửa chu kỳ có điều khiển 90 2.4 Chỉnh lưu chu kỳ với biến áp trung tính 92 2.4.1 Chỉnh lưu chu kỳ với biến áp trung tính không điều khiển 92 2.4.2 Chỉnh lưu chu kỳ với biến áp có trung tính có điều khiển 94 2.5 Chỉnh lưu cầu pha 97 2.5.1 Chỉnh lưu cầu pha không điều khiển 97 2.5.2 Chỉnh lưu cầu pha điều khiển đối xứng 98 2.5.3 Chỉnh lưu cầu pha điều khiển không đối xứng .99 2.6 Chỉnh lưu tia pha 100 2.6.1 Chỉnh lưu tia ba pha không điều khiển 100 2.6.2 Chỉnh lưu tia ba pha có điều khiển 102 2.7 Chỉnh lưu cầu pha 104 2.7.1 Chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển 104 2.7.2 Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng 106 2.7.3 Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng 111 2.8 Chỉnh lưu có điốt xả lượng 112 2.9 Chuyển mạch sơ đồ chỉnh lưu 114 2.9.1 Quá trình chuyển mạch 114 2.9.2 Điện áp tải trùng dẫn .116 2.9.3 Chuyển mạch số mạch chỉnh lưu .116 2.10 Chế độ nghịch lưu phụ thuộc trả lượng lưới chỉnh lưu 118 2.10.1 Bản chất chế độ nghịch lưu phụ thuộc 118 2.10.2 Chế độ nghịch lưu phụ thuộc mạch pha .120 2.10.3 Chế độ nghịch lưu phụ thuộc ba pha 121 122 2.11 Đặc tính ngồi chỉnh lưu 122 2.11.1 Đặc tính chỉnh lưu theo góc điều khiển 122 2.11.2 Đặc tính tải chình lưu 122 2.12 Khái quát điều khiển chỉnh lưu 123 2.12.1 Mạch điều khiển theo nguyên tắc thẳng đứng 123 2.12.2 Thiết kế mạch điều khiển mạch số 124 Câu hỏi tập chương 126 Chương CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC 132 3.1 Khái quát điều khiển điện áp chiều 133 3.1.1 Băm xung điện áp chiều 133 3.1.2 Phân loại sơ đồ băm áp chiều thường gặp 137 3.2 Băm xung không biến áp 139 3.2.1 Bộ băm giảm áp (buck converter) 139 3.2.2 Bộ băm biến đổi tăng áp (boost converter) 143 3.2.3 Bộ băm tăng giảm áp (buck–boost converter ) 147 3.2.4 Bộ băm hỗn hợp (Cuk converter) 149 3.3 Bộ băm có biến áp 151 3.3.1 Bộ băm tích lũy lượng (Flyback) 151 3.3.2 Bộ biến đổi Forward .158 3.3.3 Bộ biến đổi đẩy kéo .161 3.3.4 Bộ biến đổi nửa cầu (Half-Bridge Regulators) 162 3.3.5 Bộ biến đổi cầu (Full-Bridge Regulators) .164 Câu hỏi tập chương 165 Chương CÁC BỘ BIẾN ĐỔI AC-AC 171 4.1 Khái quát biến đổi AC-AC 172 4.1.1 Các mạch biến đổi AC-AC truyền thống .172 4.1.2 Các mạch ĐAXC pha bán dẫn 172 4.2 Điều khiển xoay chiều phương pháp đóng/cắt 174 4.3 Điều khiển pha không đối xứng 177 4.3.1 Nguyên lý hoạt động điều khiển pha không đối xứng .177 4.3.2 Các quan hệ sơ đồ 178 4.4 Điều khiển pha đối xứng 180 4.4.1 Điều khiển pha đối xứng tải trở 180 4.4.2 Điều khiển pha tải RL 184 4.5 Một số sơ đồ mạch ĐAXC ba pha 190 4.6 Điều áp xoay chiều ba pha có tải nối Y khơng dây trung tính 193 4.6.1 Hoạt động ĐAXC pha tải nối Y khơng dây trung tính 193 4.6.2 Điều áp xoay chiều ba pha tải trở nối Y không trung tính 195 4.6.3 Điều áp xoay chiều ba pha tải RL nối Y khơng trung tính 199 4.7 Điều áp xoay chiều ba pha có tải nối  200 4.7.1 Hoạt động tương đương tải nối tam giác nối 200 4.7.2 Hoạt động ĐAXC ba pha tải nối  200 4.8 Điều khiển điều áp xoay chiều 205 Câu hỏi tập chương 205 Chương NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP VÀ BIẾN TẦN 211 5.1 Phân loại biến tần 211 5.1.1 Phân loại theo cấu trúc vật lí 211 5.1.2 Phân loại theo linh kiện bán dẫn sử dụng 212 5.1.3 Nghịch lưu nguồn áp nguồn dòng: 213 5.2 Nghịch lưu nguồn áp 214 5.2.1 Nghịch lưu nguồn áp pha: 214 5.2.2 Nghịch lưu nguồn áp ba pha 220 5.3 Nghịch lưu nguồn dòng 223 5.3.1 Nghịch lưu nguồn dòng pha: 223 5.3.2 Nghịch lưu nguồn dòng ba pha 225 5.4 Nâng cao chất lượng điện áp nghịch lưu độc lập 226 5.4.1 Sóng hài điện áp nghịch lưu 226 5.4.2 Điều khiển điện áp ra: 229 5.4.3 Hạn chế sóng hài nâng cao chất lượng điện áp nghịch lưu 231 5.4.4 Các phương pháp PWM khác 235 5.5 Nghịch lưu cộng hưởng 239 5.5.1 Khái quát mạch cộng hưởng .239 5.5.2 Ưu điểm mạch cộng hưởng 240 5.5.3 Các dạng mạch cộng hưởng 240 5.6 Mạch điều khiển nghịch lưu 246 5.7 Biến tần: 251 5.7.1 Biến tần trực tiếp: 251 5.7.2 Biến tần có trung gian chiều: 252 Câu hỏi tập chương 254 Chương BẢO VỆ THIẾT BỊ ĐTCS .261 6.1 Hư hỏng điện áp 261 6.1.1 Nguyên nhân gây điện áp 262 6.1.2 Bảo vệ thiết bị ĐTCS điện áp 264 6.2 Hư hỏng dòng điện 270 6.2.1 Nguyên nhân gây nên hư hỏng dòng điện 270 6.2.2 Bảo vệ TBĐTCS nguyên nhân dòng điện 271 6.3 Hư hỏng nhiệt độ 276 6.3.1 Tổn hao Trên van bán dẫn .276 6.3.2 Bảo vệ nhiệt 277 6.4 Hư hỏng nhiễu 281 6.4.1 Cơ sở sinh nhiễu thiết bị điện tử 281 6.4.2 Một số khái niệm nhiễu .283 6.4.3 Tiêu chuẩn nhiễu cần đáp ứng .286 6.4.4 Các sơ đồ mạch lọc nhiễu điển hình 289 6.5 Sơ đồ bảo vệ thực tế 290 Câu hỏi tập 291 TÀI LIỆU THAM KHẢO 296 PHỤ LỤC: Trả lời câu hỏi tập 297 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TIẾNG VIỆT Chữ viết tắt Nghĩa từ BT Biến tần CL Chỉnh lưu ĐAMC Điều áp chiều ĐAXC Điều áp xoay chiều ĐTCS Điện tử công suất NL Nghịch lưu TBĐT Thiết bị điện tử TBĐTCS Thiết bị điện tử công suất TIẾNG ANH Chữ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa sử dụng tài liệu AC Alternating current Điện xoay chiều ASCR Asymmetrical Thyristor Thyristor không đối xứng BJT Bipolar junction transistor Transistor lưỡng cực CCM Continuous Conduction Mode Chế độ dẫn liên tục CM Common-mode Chế độ chung DC Direct current Điện chiều DCM Discontinuous conduction mode Chế độ dẫn gián đoạn DM Differential mode Chế độ vi phân DMOS Double-diffused MOSFET MOSFET khuếch tán kép EMC Electromagnetic Compatibility Tương thích điện từ EMI Electromagnetic interference Nhiễu điện từ EMS Electromagnetic Susceptibility Nhạy cảm điện từ - Miễn nhiễm ESD Electrostatic discharge Xả tĩnh điện ETO Emitter Turn Off Thyristor Thyristor khóa emitter FBSOA Forward Bias Safe Operating Area Vùng hoạt động an toàn thuận Lưu ý: Trong máy phân tích phổ, giá trị nhiễu thể đơn vị dBV Trong đó, thực tế lấy đơn vị V hay V Sở dĩ giá trị dB dùng số chẵn dễ đọc, dễ nhớ tiện cho phân tích hơn, cịn giá trị V hay V số lớn hay số lẻ, khó nhớ Do để tiện việc so sánh, hình 6.32 trục tung có vẽ thêm đơn vị V (là đơn vị thường đọc dễ dàng đổi thành V chia cho 106) dBV (là đơn vị gặp nhiều dao động ký có phân tích phổ Tương ứng giá trị trục tung hình 6.32 sau:  dBV – giá trị điện áp nhiễu thang đo dBV (giá trị thường cho tài liệu)  V – giá trị nhiễu dBV thang đo V (hay tính V = V/106) ví dụ 60 dBV = 103 V = 10-3V  dBV – giá trị thang đo dBV Ví dụ: 60 dBV = 103 V = 10-3V = -60dB b Tiêu chuẩn CISPR 15 – TCVN 7186 - Limits and methods of measurement of radio disturbance characteristics of electrical lighting and similar equipment Tiêu chuẩn Việt Nam 7186: 2010 – Giới hạn phương pháp đo đặc tính nhiễu tần số radio thiết bị chiếu sáng thiết bị tương tự, tiêu chuẩn dịch từ “Tiêu chuẩn CISPR 15” Mức nhiễu dẫn tiêu chuẩn cho bảng 6.3 Bảng 6.3 Giới hạn mức nhiễu đầu nối lưới CISPR 15 TCVN7186 a Dải tần Từ kHz đến 50 kHz Từ 50 kHz đến 150 kHz Từ 150 kHz đến 0,5 MHz Từ 0,5 MHz đến 5,0 MHz Từ MHz đến 30 MHz Giới hạn (dBV) Tựa đỉnh Trung bình 110 b Từ 90 đến 80 b b Từ 66 đến 56 Từ 56 đến 46 c 56 46 60 50 Tại tần số chuyển tiếp, áp dụng giới hạn thấp Giới hạn giảm tuyến tính theo logarit tần số dải tần từ 50 kHz đến 150 kHz 150 kHz đến 0,5 MHz c Đối với bóng đèn đèn điện khơng có điện cực, dải tần từ 2,51 MHz đến 3,0 MHz áp dụng giới hạn tựa đỉnh 73 dB(V) trung bình 63 dB(V) CHÚ THÍCH: Ở Nhật Bản, khơng áp dụng giới hạn dải tần từ kHz đến 150 kHz a b Tiêu chuẩn nhiễu xạ Vì tiêu chuẩn Việt Nam châu Âu gần đưa quy định mức nhiễu TCVN 7186 (CISPR 15) a Dải tần từ kHz đến 30 MHz Bảng 3a đưa giới hạn tựa đỉnh thành phần từ cường độ trường nhiễu xạ dải tần từ kHz đến 30 MHz đo thông qua giá trị dòng điện chạy anten vòng m, m m xung quanh thiết bị chiếu sáng 288 Giới hạn đường kính anten vịng m áp dụng cho thiết bị có chiều dài khơng vượt 1,6 m, giới hạn đường kính anten vịng m áp dụng cho thiết bị có chiều dài từ 1,6 m đến 2,6 m, giới hạn đường kính anten vịng m áp dụng cho thiết bị có chiều dài từ 2,6 m đến 3,6 m Bảng 6.4 - Giới hạn nhiễu xạ dải tần từ kHz đến 30 MHz Giới hạn đường kính anten vịng Dải tần dBAa MHz 2m 3m 4m từ kHz đến 70 kHz 88 81 75 b b từ 70 kHz đến 150 kHz từ 88 đến 58 từ 81 đến 51 từ 75 đến 45 b từ 150 kHz đến 3,0 MHz từ 58 đến 26 b từ 51 đến 15 b từ 45 đến b từ 3,0 MHz đến 30 MHz 22 từ 15 đến 16 c từ đến 12 c a Ở tần số chuyển tiếp, áp dụng giới hạn thấp Giảm tuyến tính theo logarit tần số Đối với bóng đèn đèn điện khơng có điện cực, dải tần từ 2,2 MHz đến 3,0 MHz, giới hạn 58 dB (V) đường kính anten vịng m, giới hạn 51 dB(V) đường kính anten vịng m 45 dB(V) đường kính anten vịng m c Tăng tuyến tính theo logarit tần số b b Dải tần từ 30 MHz đến 300 MHz Bảng 3b đưa giới hạn tựa đỉnh thành phần điện cường độ trường nhiễu xạ dải tần từ 30 MHz đến 300 MHz đo theo phương pháp quy định Điều 10 TCVN 7189 (CISPR 22) Bảng 6.5 - Giới hạn nhiễu xạ dải tần từ 30 MHz đến 300 MHz khoảng cách đo 10 m Dải tần Giới hạn trực đỉnh MHz dB(V/m)* Từ 30 đến 230 30 Từ 230 đến 300 37 * Tại tần số chuyển tiếp, áp dụng giới hạn thấp Ngoài tiêu chuẩn nhiều tiêu chuẩn quốc gia khác FCC Hoa Kỳ, EN55015 châu Âu, KCC Hàn Quốc mà 6.4.4 Các sơ đồ mạch lọc nhiễu điển hình Trong thực tế, người thiết kế phải đo mức nhiễu thiết bị sau thiết kế mạch lọc nhiễu Mạch lọc nhiễu thường dùng mạch lọc thông LC Tùy theo mức độ nhiễu mà mạch lọc sử dụng mạch lọc bậc với tầng mạch LC (Hình 6.33a), mức nhiễu nhiều sử a b 289 Hình 6.33 Mạch lọc nhiễu LC dụng mạch lọc bậc với hai tầng mạch LC (Hình 6.33b) Trong khn khổ giáo trình khơng thể trình bầy chi tiết 6.5 Sơ đồ bảo vệ thực tế Có nhiều giải pháp bảo vệ thiết bị ĐTCS khác Hình 6.34 minh họa mạch nguồn chiều với tương đối đầy đủ loại bảo vệ trình bầy Các bảo vệ bao gồm bảo vệ dòng điện cầu chì F1, bảo vệ xung điện áp varistor VR1, VR2, GDT1, GDT2, bảo vệ xung nhiễu từ từ vào bằng: LF1, LF2, CX1, CX2, CY2, mắc song song điốt đầu (D17, D18) dịng tải lớn Mắc song song điốt Bảo vệ xung sét Chống nhiễu Bảo vệ xung sét Bảo vệ dịng điện Hình 6.34 Sơ đồ mạch nguồn chiều 290 Câu hỏi tập Câu hỏi ôn tập Hãy cho biết nguyên nhân gây nên hư hỏng cho thiết bị ĐTCS? Những nguyên nhân gây nên điện áp cho thiết bị ĐTCS? Hậu việc điện áp lưới TBĐTCS gì? Có thể dùng Varistor để bảo vệ điện áp tạm thời khơng? Tại sao? Có thể dùng chung thiết bị bảo vệ cho áp tạm thời xung gai không? Tại sao? Phân biệt cố dòng điện? Trong trường hợp cần mắc song song van bán dẫn? Tại sao? Nguyên nhân hậu linh kiên bán dẫn làm việc q nhiệt gì? Có giải pháp để bảo vệ nhiệt cho TBĐTCS? Trường hợp khơng cần bố trí thiết bị bảo vệ nhiệt? 10 Tại thiết bị ĐTCS làm việc lại sinh nhiễu? 11 Nhiễu thiết bị điện tử phụ thuộc yếu tố nào? 12 Tại tín hiệu nhiễu hai dây điện pha khơng giống nhau? 13 Nhiễu có ảnh hưởng đến thiết bị điện điện tử? 14 Những thông số dùng để đánh giá nhuễ? Có tiêu chuẩn để đanh giá nhiễu? Bài tập trắc nghiệm T6.1 Thyristor có thơng số UN = 350V, Iđm = 100A làm việc với điều kiện có cánh toả nhiệt khơng quạt đối lưu khơng khí Thơng số tải phù hợp với thyristor này: A - Ulv = 350V, Ilv = 10A; B - Ulv = 150V, Ilv = 30A; C - Ulv = 150V, Ilv = 50A; D - Ulv = 300V, Ilv = 20A T6.2 Tải có thơng số làm việc thyristor Ulv = 350V, Ilv = 100A, điều kiện làm việc có cánh toả nhiệt có quạt mát Thyristor chọn phù hợp cho tải này: A - UN = 550V, Iđm = 100A; B - UN = 1000V, Iđm = 200A; C - UN = 450V, Iđm = 200A; D - UN = 700V, Iđm = 1000A T6.3 Mạch RC mắc song song với van bán dẫn động lực dùng để: A - bảo vệ xung điện áp từ lưới; B - bảo vệ van chuyển mạch; C - bảo vệ nhiệt cho van bán dẫn; D - bảo vệ ngắn mạch van bán dẫn T6.4 Mạch RC mắc song song đầu vào mạch ĐTCS dùng để: A - bảo vệ xung điện áp từ lưới; B - bảo vệ van chuyển mạch; C - bảo vệ nhiệt cho van bán dẫn; D - bảo vệ ngắn mạch van bán dẫn 291 T6.5 Cần mắc song song van bán dẫn trường hợp sau đây: A ngắn mạch van bán dẫn; B - dòng điện làm việc lớn dòng điện van theo điều kiện làm mát; C - xung điện áp từ lưới; D - ngắn mạch tải T6.6 Chức biến áp mạch ĐTCS: A - biến đổi điện áp lưới cho phù hợp với tải; B - bảo vệ xung điện áp từ lưới; C - bảo vệ di/dt cho van bán dẫn; D - tất chức T6.7 Cần mắc nối tiếp van bán dẫn trường hợp sau đây: A ngắn mạch van bán dẫn; B - dòng điện làm việc lớn dòng điện van theo điều kiện làm mát; C - xung điện áp từ lưới; D - diiện áp dài hạn T6.8 Khi mắc song song thyristor (hay điốt) cần phải có phương pháp bảo vệ nào? Hãy chọn câu trả lời xác nhất: A – mạch RC đầu vào, B – mắc nối tiếp điện trở, C – mắc nối tiếp với van mơt cầu chì, D – Mắc mạch RC song song với van vbasn dẫn T6.9 Có thể dùng giải pháp để hạn chế dòng điện chạy van bán dẫn làm mát nước? Hãy chọn câu trả lời phù hợp nhất: A – Tăng chiều dài đường ống dẫn nước, B – Giảm tiết diện đường ống dẫn nước, C – Tính tốn điện trở nước ống dẫn Rn = .l/S ( điện trở suất nước, l – chiều dài đường ống nước, S – tiết diện ống nước), D - Nối điện trở van T6.10 Hiện tượng xảy cắt điện cuộn dây khỏi lưới điện? Hãy chọn câu trr lời phù hợp nhất: A – Xung điện áp trả lên lưới, B – Xung dòng điện lên lưới, C – Xung điện áp đưa đến tải, D – Khơng có tượng xảy T6.11 Hiện tượng xảy đóng tụ điện vào lưới điện? Hãy chọn câu trả lời phù hợp nhất: A – Xung điện áp trả lên lưới, B – Xung dòng điện lên lưới, C – Xung điện áp đưa đến tải, D – Khơng có tượng xảy Bài tập có lời giải B6.1 Ở lưới hạ pha 220V, thiết bị điện tử bảo vệ xung sét varistor loại 14D471 với điện áp hạn ghim (giới hạn) 775 V, lượng tối đa mà 14D471 phép bảo vệ 125J Xung điện áp 2000V, dịng xung 100A độ rộng xung 3s Tính lượng xung số lần đánh xung mà 14D471 cịn bảo vệ Giải: Năng lượng xung tính: EX = P.t = (Uin – Ugh).IX.t = (2000-775).100.10-6 = 0,3675 J Số lần xung sét tương tự đánh vào thiết bị mà varistor phép bảo vệ N = ETC/EX = 125/0,3675 = 340,1 lần Như xung có UX = 2000 V, IX = 100 A đánh vào thiết bị bảo vệ 14D471 340 lần thiết bị không bảo vệ 292 B6.2 Bộ nguồn SVC có nguồn cấp 220 kV cần ghép nối tiếp thyristor loại 5STP 18M6500 có điện áp ngược 6,5 kV, dòng điện hiệu dụng 2820 A Hãy lựa chọn sơ đồ nối dây tính số lượng thyristor cần mắc nối tiếp Giải: Điện áp đình hình sin Umax = √ Upik = 1,1.310000 = 341000 V = 310000 V Dao động lưới 10% Số lượng thyristor mắc nối tiếp cần chọn là: = 65 = (chọn số van lớn 53 van, chọn 55 thyristor mắc nối tiếp) B6.3 Bộ nguồn chiều SWPS thông số 2,9 kW, 48 V, điốt đầu dùng loại STTH6003CW: 30A, 300V, tỏa nhiệt dùng cánh tỏa nhiệt có quạt Hãy lựa chọn cách mắc điốt chỉnh lưu cho an toàn cho sơ đồ mạch cộng hưởng hình 3.14a Giải Tính dịng điện chiều IO = 2900/48 = 60 A Dòng điện hiệu dụng điốt theo công thức (2.25) IDhd = 0,71.IO = 42,9A Van bán dẫn làm mát cánh tỏa nhiệt quạt, chọn dòng điện làm việc van không 70%.IDđm Nghĩa điốt cho phép làm việc đến 30.0,7 = 21 A Số lượng van điốt cần mắc song song là: n = IDhd/IDcp = 42,9/21 = 2,04 Chọn số lượng điốt STTH6003CW mắc song song (an tồn chọn n = 3) B6.4 Tính tốn nhiệt cho mosfet có tổn hao dẫn Pcon = 430 mW, tổn hao chuyển mạch PVsw = 517,8 mW Tính trở nhiệt (RN) cần thiết để mosfet làm việc nhiệt độ tối đa 1070C nhiệt độ môi trường 450C = < = = Với giá trị trở nhiệt sử dụng bề mặt đông mạch in đẻ tản nhiệt cho van Giá trị RN TN chọn là: Diện tích lớp đồng cm2 RN TN = 64 0C/W Diện tích lớp đồng cm2 RN TN = 56 0C/W B6.5 MOSFET cơng suất có tổng cơng suất tiêu thụ tính tốn 10 W Nhiệt độ tiếp giáp tối đa thiết bị 1500C Nhiệt độ vỏ MOSFET phải trì  1000C để hoạt động đáng tin cậy Điện trở nhiệt MOSFET từ tiếp giáp đến vỏ 30/W Xác định kích thước tản nhiệt tối thiểu cần thiết Giải 293 Theo đầu Rthjc = 30/W Rthchs điện trở nhiệt vỏ MOSFET tản nhiệt (Về khả chịu nhiệt phần tử liên kết vỏ máy tản nhiệt Đây LMS, vít, bu lơng, kẹp, v.v Trong SMPS gần đây, LMS phổ biến khơng tiêu tốn dung lượng) Trong ví dụ tính tốn điện trở nhiệt tản nhiệt này, điện trở nhiệt vỏ MOSFET tản nhiệt không cung cấp Chúng ta bỏ qua thân MOSFET gá lắp tốt với tản nhiệt Tuy nhiên, nên xem xét mực độ để đáp ứng giả thiết định Chúng sử dụng phương trình cho viết lại Từ cơng thức (6.19) ta có:  = Suy ra: = = = Như cần sử dụng tản nhiệt có điện trở nhiệt nhỏ 20/W Bài tập cho đáp số B6.6 Ở lưới hạ pha 220V, thiết bị điện tử bảo vệ xung sét varistor loại 14D471 với điện áp hạn ghim (giới hạn) 775 V, lượng tối đa mà 20D471 phép bảo vệ 125J Xung điện áp 1500V, dòng xung 100A độ rộng xung 3s Tính lượng xung số lần đánh xung mà 14D471 bảo vệ B6.7 Hãy lựa chọn varistor cho thiết bị điện tử nối vào lưới 220V (dao độ tối đa 20% 264 V), biết bên thiết bị ĐTCS có linh kiện cần bảo vệ: tu điện 200 F – 500V, Mosfet 500V – 20 A, chỉnh lưu cầu 600 V, 20 A B6.8 Ở lưới hạ pha 220V, thiết bị điện tử bảo vệ xung sét varistor loại 14D431 với điện áp hạn ghim (giới hạn) 710 V, lượng tối đa mà 14D431 phép bảo vệ 115J Tính lượng xung số lần đánh xung sét 1500V, dòng xung 100A độ rộng xung 3s, độ rộng xung 5s Cho nhận xét trường hợp B6.9 Bộ nguồn SVC cao có nguồn cấp 110 kV cần ghép nối tiếp thyristor loại 5STP 18M5800 có điện áp ngược 6,5 kV, dòng điện hiệu dụng 2820 A Hãy lựa chọn sơ đồ nối dây tính số lượng thyristor cần mắc nối tiếp B6.10 Bộ nguồn SVC trung có nguồn cấp 35 kV cần ghép nối tiếp thyristor loại KK2000A/2600 V có điện áp ngược 2600 V, dòng điện hiệu dụng 2000 A Hãy lựa chọn sơ đồ nối dây tính số lượng thyristor cần mắc nối tiếp B6.11 Bộ nguồn chiều SMPS: RST-5000-24, thông số 4,8 kW, 24 V, hiệu suất  = 0,89, điốt đầu dùng loại F60UP30DN: 60A, 300V, tỏa nhiệt dùng cánh tỏa 294 nhiệt có quạt Hãy lựa chọn cách mắc điốt chỉnh lưu cho an toàn cho sơ đồ mạch cộng hưởng hình 3.14a B12 Bộ nguồn chỉnh lưu cho điện phân 230V, 3000A dùng sơ đồ cầu ba pha, sử dụng điốt loại ZP300A 300A 1600V, tỏa nhiệt dùng cánh tỏa nhiệt không quạt đối lưu Hãy lựa chọn cách ghép điốt phù hợp B6.13 Tính tốn nhiệt cho IGBT có tổn hao dẫn Pcon = 11W, tổn hao chuyển mạch PVsw = mW Tính trở nhiệt cần thiết để IGBT làm việc nhiệt độ tối đa 1400C nhiệt độ môi trường 700C B6.14 IGBT cơng suất có tổn hao công suất dẫn 20 W, tổn hao chuyển mạch 11 W Nhiệt độ tiếp giáp tối đa thiết bị 1550C Nhiệt độ vỏ MOSFET phải trì  700C để hoạt động đáng tin cậy Điện trở nhiệt IGBT từ tiếp giáp đến vỏ 20/W, trở nhiệt tiếp xúc vỏ với cánh tản nhiệt Rth(c) = 0,2, khơng lớp lót tản nhiệt với cánh tản nhiệt Xác định kích thước tản nhiệt tối thiểu cần thiết B6.15 Modul IGBT cơng suất có tổn hao công suất dẫn 35 W, tổn hao chuyển mạch 20 W Nhiệt độ tiếp giáp tối đa thiết bị 1600C Nhiệt độ vỏ MOSFET phải trì  800C để hoạt động đáng tin cậy Điện trở nhiệt MOSFET từ tiếp giáp đến vỏ 0,750/W, trở nhiệt tiếp xúc vỏ với cánh tản nhiệt Rth(c) = 0,2, khơng lớp lót tản nhiệt với cánh tản nhiệt Xác định tản nhiệt tối thiểu cần thiết B6.16 Bộ chỉnh lưu cơng suất cầu pha dịng điện 3000A, sử dụng loại thyristor FG3000DV-90DA sụt áp van 3,5 V, trở nhiệt van Rthj = 0,015 0/W Tính tổn hao van tản nhiệt cần thiết cho van để nhiệt độ không 1250C, nhiệt độ môi trường 300C B6.17 Bộ chỉnh lưu công suất cầu pha dòng điện 3000A, sử dụng loại thyristor FG3000DV-90DA sụt áp van 3,5 V, trở nhiệt van Rthj = 0,015 0/W Tính tổn hao van tản nhiệt cần thiết cho van để nhiệt độ không 1250C, nhiệt độ môi trường 700C Hãy cho nhận xét hai trường hợp trở nhiệt tính tập B6.14 B6.15 B6.18 Tính toán mức nhiễu xa thiết bị điện tử làm việc với tần số 50MHz, diện tích vịng mạch cm2, dòng điện A, khoảng cách xa 10 m Gợi ý: vận dụng công thức (6.23) để tính B6.19 Tính tốn mức nhiễu xạ thể dạng dBV/m thiết bị điện tử làm việc với tần số 100MHz, diện tích vịng mạch cm2, dòng điện mA, khoảng cách xa m B6.20 Hãy kiểm tra mức nhiễu xạ theo tiêu chuẩn TCVN7186 bảng 6.5 thiết bị điện tử làm việc với tần số 250MHz, diện tích vòng mạch dm2, dòng điện 25 A 42 A Cho biết nhận xét trường hợp 295 TÀI LIỆU THAM KHẢO Võ Minh Chính, Phan Quốc Hải, Trần Trọng Minh; ĐTCS; NXB KHKT, Hà Nội 2004; Lê Văn Doanh, Nguyễn Thế Công, Trần Văn Thịnh; ĐTCS; NXB KHKT; Hà Nội 2004 Nguyễn Văn Nhờ; ĐTCS, NXB ĐHQG TPHCM, 2002 Trần Văn Thịnh; Tính toán thiết kế thiết bị ĐTCS; NXB Giáo dục 2005 Trần Văn Thịnh, Hà Xuân Hòa, Nguyễn Thành Khang, Nguyễn Thanh Sơn, Nguyễn Vũ Thanh; Tính tốn thiết kế thiết bị điều khiển; NXB Giáo dục; Hà Nội 2009 Muhamad H Rashid; Power Electronic Hanbook; Academic press, 2001, Chapter 17 Timothy L Skvarenina; The Power Electronics Handbook; CRC Press; 2002 Robert W Erickson, Dragan Maksimovic; Fundamential of Power Electronics; Kluwer Academic Publishers; 2004 Розанов Ю К., Рябчицкий М В., Кваснюк А А.; Силовая электроника, Издательство: Типография «Наука»; 2009 296 10 Геннадий Степанович Зиновьев; Силовая электроника, 5-e Изд; Издательство: Юрайт; Год издания: 2015 11 Онищенко Г.Б., Соснин О.М.; "Силовая электроника Силовые полупроводниковые преобразователи для электропривода и электроснабжение Учебное пособие"; издательство: Инфра-М; серия: Высшее образование год издания: 2016 12 DEHN + SÖHNE – Lightning Protection Guide 3rd updated edition as of December 2014; ISBN 978-3-9813770-1-9 13 Schneider, Matthew J., "Design Considerations to Reduce Conducted and Radiated EMI" College of Technology Masters Theses; 2010; http://docs.lib.purdue.edu/techmasters 14 Design Techniques for EMC; Eur Ing Keith Armstrong CEng MIET MIEEE ACGI BSc(hons); Partner, Cherry Clough Consultants, www.cherryclough.com, Associate of EMC-UK; Phone & fax: (+44) (0)1785 660247, Email: keith.armstrong@cherryclough.com PHỤ LỤC: Trả lời câu hỏi tập CH TL Chương Trả lời câu hỏi trắng nghiệm T1.1 T1.2 T1.3 T1.4 T1.5 T1.6 T1.7 T1.8 T1.9 T1.10 A C B B C B D C A D CH T1.11 T1.12 T1.13 T1.14 T1.15 T1.16 T1.17 T1.18 T1.19 T1.20 TL B C D D B C D B C C CH T1.21 T1.22 T1.23 T1.24 T1.25 T1.26 T1.27 T1.28 T1.29 T1.30 TL B A B C A B C C A C CH T1.31 T1.32 T1.33 T1.34 T1.35 T1.36 T1.37 T1.38 T1.39 T1.40 TL B A B B A C D B A C Ghi chú: CH – Câu hỏi; TL – Trả lời Trả lời câu hỏi điền khuyết TT Đáp án TT Đáp án Ngược lại, 20 điểm nóng 297 TT 10 11 12 13 14 15 Đáp án 16 17 18 19 tăng, pha tạp ít, cầu chì bảo vệ pha tạp (drift), hàng chục, độ lớn, tăng, thấp hơn, nhanh thiểu số; một, hai; giữ, chuyển mạch khóa; du/dt gate; đánh thủng, khơng phụ thuộc; nhiệt độ vỏ, góc dẫn; nhiễu dương, thuận chiều; trễ, tăng dòng, lan rộng; TT 39 40 41 42 43 44 Đáp án BJT, điện áp; Khóa; giảm; không phụ thuộc; phá hủy thứ hai; dương, song song; TT 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 Đáp án Tự giữ, tắt; hai chiều; song song ngược; thứ nhất, thứ ba; thiểu số; Hoạt động tích cực; khóa; ngược cao; thấp hơn; khơng đáng kể; Gần bão hịa, bão hịa; hai, một; sụt áp, dòng rò; tức thời 35 36 37 38 chậm; tăng base, base; BJT, đa số; TT 45 46 47 48 49 50 Đáp án lớn nhất; điều khiển gate độc lập; phối hợp, MOSFET, BJT; MOSFET; dương; Chương Bài tập trắc nghiệm CH T2.1 T2.2 T2.3 T2.4 T2.5 T2.6 T2.7 T2.8 T2.9 T2.10 T2.11 TL B C A C B B C B D B A CH T2.12 T2.13 T2.14 TL C B D Bài tập tự luận 298 B2.6, U0 = 201V, U45 = 141,6V, U90 = 0V B2.7 U0 = 49.5V, U30 = 42,5; U45 = 34,65VV, U60 = 24,8V, U90 = 0V B2.8 U0 = 257,4, U30 = 223,18V, U60 = 148V B2.9 U0 = 257,4, U30 = 223,18V, U60 = 128,7V B2.10 U0 = 257,4, U30 = 223,18V, U60 = 128,7V B2.11 kBA = n2/n1 = 0,618 B2.12 U0 = 300V, U30 = 258V, U60 = 150V B2.13 U0 = 198V, U30 = 171V, U60 = 99V B2.14 kBA =n2/ = 0,91, U0 = 220V, U30 = 190,5V, U60 = 110V B2.15 UNV > 75 V, IVlv > 70A, SBA > 5,9 Kva (giả thiết chọn sơ đồ cầu pha) (Nếu chọn sơ đồ BATT thông số khác) B2.16 Chọn sơ đồ cầu tia ba pha UNV > 25 V, IVlv > 190A, SBA > 8,1 kVA B2.17 Chọn sơ dồ chỉnh lưu cầu ba pha không đối xứng Các thông số: UNV > 230V, IV > 5,8A, SBA > 2,3 kVA B2.18 Chọn sơ dồ chỉnh lưu cầu pha không đối xứng Các thông số: UNV > 335V, IV > 7,1A, SBA > 2,76 kVA B2.19 SBA > 11,67 kVA; UNV > 314V, IVlv = 22,5V B2.20 SBA > 13,67 kVA; UNV > 470V, IVlv = 32,35V Chương Các câu hỏi trắc nghiệm CH T3.1 T3.2 T3.3 T3.4 T3.5 T3.6 T3.7 T3.8 T3.9 T3.10 T3.11 TL C B C C A C B A C B D Bài tập tự luận B3.6 a Itr = 90A, ID = 80A, b ITr = 4A, ID = 16A, ITr = 25A, ID = 25A, ITr = 49A, ID = 21A, B3.7 L = 0,99mH B3.8 L = 5,5 mH B3.9 Ipik = 76,6A, L = 153nH, B3.10 D = 0,416, L = 12,12 H B3.11 L = 127H, Ipik = 1,15A B3.12 U0,9 = 567V, U0,1 = 31,98 V, L = 2,5 mH, C = 1,59.10-6F; ITr = 45A, ID = 5A, ULV = 639V B3.13 ITr = 45A, ID = 5A, ULV = 639V B3.14 U0,2 = 117,2V, U0,8 = 375V; L = 13,76mH, C = 53,3.10-6F 299 B3.15 ITr = 40A, ID = 10A, IO = 0,83A B3.16 E = 131,21 V, Uư = 154,4 V, D1 = 0,7018, Uưmin = 23,32 V, Dmin = 0,106 B3.17 E = 196,8 V, D1 = 0,8946, I = Imax – Imin = 1,277 A B3.18 E = 219,91V, D = 0,91 B3.19 UR = 127,5V, I1pik = 1,04A, Lmax = 294,8.10-6H, Udsmax = 603V B3.20 Pin = 59W, Dmax = 0,55, ILpik = 2,16A, ILRMS = 0,92 A, L1 = 253.10-6 H Chương Các câu hỏi trắc nghiệm CH T4.1 T4.2 T4.3 T4.4 T4.5 T4.6 T4.7 T4.8 T4.9 T4.10 T4.11 TL C B B B C D D B A A A CH T4.12 TL C Các tập tự luận B4.6 UO = 207,1V; PO = 8578,6 W, cos = = 0,94 B4.7 UO = 175,85 V; PO = 309,24 W, cos = 0,8 B4.8 UO = 220 V; IO = 70,11A, QO = 15426,37 VA B4.9 UO = 118,85 V; IO = 4,37A, QO = 517,03 VA B4.10 IO = 6,32A Tính chọn van theo: ULV max = 1,41.220 = 310V, IVtb = 2,84A, IVhd = 4,47A Góc dịch pha:  = 64,50, phạm vi điều chỉnh sau góc  đến 1800, (64,50 – 1800) B4.11 a = 17,440, b = 300, b = 38,150, Trường hợp a dòng điện gián đoan 12,560 B4.12 a = 17,440, b = 300, b = 38,150, Trường hợp a dòng điện gián đoạn 12,560, trường hợp b dịng điện hình sin c thành chỉnh lưu B4.13 44,60 = 44036' B4.14 53,70 = 53042' B4.15  = 450 B4.16 R = 10  B4.17  = 1500 B4.18 L = 0.03 H 300 B4.19 B4.20  = 310; UORMS = 220 V  = 72,40; UORMS = 220 V Chương Các câu hỏi trắc nghiệm CH T5.1 T5.2 T5.3 T5.4 T5.5 T5.6 T5.7 T5.8 T5.9 T5.10 T5.11 TL C A D C A D B B D C Các tập tự luận B5.6 IinAV = 61,2 A; Pin = 12238,12 W; Pt = 12238,12 W B5.7 Ut(1) = 225 V, It RMS = 62,58 A, THDU = 0,484 B5.8 Uin = 100 V, IT(1)RMS = A, IT RMS = 6,56 A B5.9 UT(1RMS) = 220 V, IT(1)RMS = 35,54 A, IT RMS = 37,62 A B5.10 UT(1) = 43,37 , PTAV = 1152 W , THDU = 0,474 B5.11 UT(1) = 198,76 V, PTAV = 3226,67 W , THDU = 0,474 B5.12 Uin = 497 V, Iin = 79,9 A, Um5 = 62 V, Um7 = 44 V B5.13 Uin = 490 V, Iin = 48,86 A, zt = 7,33 , It = 30 A, cos = 0,88 B5.14 UO = 150,4 V, uO = 203,8.sin(314t), PO = 5655,4 W, THD = 2977, Iin = 17,672 A B5.15 UO = 103,4 V, iO = 11,679.sin(314t), PO = 2672,89 W, THD = 0,2977, Iin = 12,15 A B5.16 UO = 179,629 V, uO = 210.sin(314t), PO = 2672,89 W, B5.17 iO(1) = 17,5.sin(314t) B5.18 I1 RMS = 4,1 A, THD = 0,86% B5.19 Uin = 72 V, PTB = 518,4 W B5.20 Uin =100V, IORMS = 5,94 A B5.21 Uin =48V, ZT = 15,208  Chương Các câu hỏi trắc nghiệm CH T6.1 T6.2 T6.3 T6.4 T6.5 T6.6 T6.7 T6.8 T6.9 T6.10 T6.11 TL B B C A B D B C C A D Các tập tự luận B6.6 EX = 0,2175 J, n = 1011 lần B6.7 Chọn varistor loại 20D 431K dùng cho bảo vệ điện áp 275VAC có điện áp giới hạn UCL = 710 V, điện áp Varistor 387 - 473 V B6.8 EX1 = 0,237 J, n1 = 485,2 lần; EX2 = 0,395 J, n2 = 291,1 lần Nhận xét: độ rộng xung lớn lượng xung nhiều số lần đánh xung sét ít, varistor nhanh hết dung lượng khơng cịn chức bảo vệ B6.9 n = 30 van (chọn 33) 301 B6.10 n = 21 van, (chọn 25) B6.11 Chọn n = van B6.12 n = 12 van B6.13 RN = 3,5 0C/W B6.14 Rth(f) = 1,42 0C/W B6.15 Rth(f) = 0,504 0C/W B6.16 PV = 4350 W, RT TN = 0,0068 0C/W B6.17 PV = 4350 W, RT TN = -0,00236 0C/W Khi nhiệt độ mơi trường cánh tản nhiệt 300C RT TN tính dương, cịn Mơi trường 700C RT TN tính âm, điều phi thực tế, nghĩa trường hợp thứ phải dùng quạt làm mát cịn trường hợp thứ hai khơng cánh tản nhiệt đáp ứng yêu cầu B6.18 E = 0,33 mV/m B6.19 E = 12,9 dBV/m B6.20 E25 = 26,28 dBV/m, E25 = 30,8 dBV/m Theo tiêu chuẩn nhiễu khoảng cách 10 m dòng điện 25 A đạt tiêu chuẩn nhiễu cịn 42 A khơng đạt tiêu chuẩn nhiễu 302 ... chiều ĐTCS Điện tử công suất NL Nghịch lưu TBĐT Thiết bị điện tử TBĐTCS Thiết bị điện tử công suất TIẾNG ANH Chữ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa sử dụng tài liệu AC Alternating current Điện xoay... thiếu chương trình đào tạo kỹ sư ngành Công nghệ kỹ thuật Điện, Điều khiển tự động hóa Điện tử - Viễn thông Môn học điện tử công suất (ĐTCS) môn học lý thuyết sở cho chuyên ngành Điện, Điều khiển...BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI Giáo trình ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT Trần Văn Thịnh HÀ NỘI 03/2021 LỜI NÓI ĐẦU Trong thời đại 4.0, điện tử công suất, lĩnh vực khoa học