Giáo trình Điện tử công suất (Ngành Điện công nghiệp)

1 UBND THÀNH PHỐ HẢI PHỊNG TRƢỜNG CAO ĐẲNG CƠNG NGHIỆP HẢI PHỊNG GIÁO TRÌNH Mơn học/ Mơ đun: Điện tử cơng suất NGHỀ:ĐIỆN CƠNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ CAO ĐẲNG Hải Phòng, 2019 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 Điện tử công suất chuyên ngành kỹ thuật điện tử nghiên cứu ứng dụng phần tử bán dẫn công suất Nhằm khống chế nguồn lượng điện với tham số không thay đổi thành nguồn lượng điện với tham số thay đổi cung cấp cho phụ tải Như biến đổi bán dẫn công suất đối tượng nghiên cứu điện tử công suất Trong biến đổi phần tử bán dẫn cơng suất sử dụng khố bán dẫn, gọi van bán dẫn, mở dẫn dịng nối tải vào nguồn, khố khơng cho dòng điện chạy qua Khác với phần tử có tiếp điểm, van bán dẫn thực đóng cắt dịng điện mà khơng gây lên tia lửa điện, khơng bị mài mịn theo thời gian Tuy đóng cắt dịng điện lớn phần tử bán dẫn công suất lại điều khiển tín hiệu điện cơng suất nhỏ, tạo mạch điện tử công suất nhỏ Quy luật nối tải vào nguồn phụ thuộc vào sơ đồ biến đổi phụ thuộc vào cách thức điều khiển van biến đổi Bằng cách trình biến đổi lượng thực với hiệu suất cao tổn thất biến đổi tổn thất khố điện tử, khơng đáng kể so với công suất điện cần biến đổi Không đạt hiệu suất cao mà biến đổi cịn có khả cung cấp cho phụ tải nguồn lượng với đặc tính theo yêu cầu, đáp ứng trình điều chỉnh, điều khiển thời gian ngắn nhất, với chất lượng phù hợp hệ thống tự động tự động hố Đây đặc tính biến đổi bán dẫn cơng suất mà biến đổi có tiếp điểm kiểu điện từ khơng thể có Tổ môn MỤC LỤC Trang Lời giới thiệu Bài mở đầu: Các khái niệm Trị trung bình đại lượng Cơng suất trung bình Trị hiệu dụng đại lượng Hệ số công suất 8 Bài 1: Các linh kiện bán dẫn Phân loại 10 Diode Transistor BJT 10 13 Transistor MOSFET 15 10 Transistor IGBT Thyristor SCR Triac 16 18 20 Gate Turn off Thyristor GTO Bài 2: Bộ chỉnh lƣu Bộ chỉnh lưu pha 23 24 24 Bộ chỉnh lưu ba pha 37 Các chế độ làm việc chỉnh lưu 48 50 Bài 3: Bộ biến đổi điện áp xoay chiều Bộ biến đổi điện áp xoay chiều pha Bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha Bài 4: Bộ biến đổi điện áp chiều Bộ giảm áp Bộ tăng áp Các phương pháp điều khiển biến đổi điện áp chiều 50 53 54 54 55 57 Bài 5: Bộ nghịch lƣu biến tần Bộ nghịch lưu áp pha 58 Phân tích nghịch lưu áp ba pha Các phương pháp điều khiển nghịch lưu áp Bộ nghịch lưu dòng điện 59 61 62 Các phương pháp điều khiển nghịch lưu dòng Bộ biến tần gián tiếp Bộ biến tần trực tiếp 56 68 69 Tài liệu tham khảo 72 58 CHƢƠNG TRÌNH MƠ ĐUN Tên mô đun: Điện tử công suất Mã mô đun: MĐ 26 Thời gian thực mô đun: 90 (Lý thuyết: 28 giờ; Thực hành, thí nghiệm, tập: 52 giờ; Kiểm tra: 10 giờ) I Vị trí tính chất mơ đun: - Vị trí: Mơ đun Điện tử công suất học sau môn học, mô đun kỹ thuật sở, đặc biệt môn học, mô đun: Mạch điện; Điện tử bản; Điện - Tính chất: Là mơ đun chun mơn nghề II Mục tiêu mô đun: - Kiến thức : + Mô tả đặc trưng ứng dụng chủ yếu linh kiện Diode, Mosfet, DIAC, TRIAC, IGBT, SCR, GTO + Giải thích dạng sóng vào, biến đổi AC-AC + Giải thích nguyên lý làm việc tính tốn biến đổi DC-DC - Kỹ : + Vận dụng kiến thức cấu tạo nguyên lý hoạt động mạch tạo xung biến đổi dạng xung + Vận dụng loại mạch điện tử công suất thiết bị điện công nghiệp - Năng lực tự chủ trách nhiệm: + Làm việc độc lập điều kiện công việc thay đổi; + Hướng dẫn, giám sát người khác thực công việc định sẵn; + Đánh giá hoạt động nhóm kết thực công việc III Nội dung mô đun: Nội dung tổng quát phân phối thời gian : Thời gian (giờ) Số TT Tên mô đun Bài mở đầu Các khái niệm Trị trung bình đại lượng Cơng suất trung bình Trị hiệu dụng đại lượng Hệ số cơng suất Thực hành, thí Tổng Lý Kiểm thuyế nghiệm, thảo luận, số tra t tập 3 0 2Bài 1: Các linh kiện bán dẫn 27 11 15 13 12 20 13 Phân lọai Diode Transistor BJT Transistor MOSFET Transistor IGBT Thyristor SCR Triac Gate Turn off Thyristor GTO Bài 2: Bộ chỉnh lƣu Bộ chỉnh lưu pha Bộ chỉnh lưu ba pha Các chế độ làm việc chỉnh lưu Bài 3: Bộ biến đổi điện áp xoay chiều Bộ biến đổi điện áp xoay chiều pha Bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha Bài 4: Bộ biến đổi điện áp chiều Bộ giảm áp Bộ tăng áp Các phương pháp điều khiển biến đổi điện áp chiều Bài 5: Bộ nghịch lƣu biến tần Bộ nghịch lưu áp pha Phân tích nghịch lưu áp ba pha Các phương pháp điều khiển nghịch lưu áp Bộ nghịch lưu dòng điện Các phương pháp điều khiển nghịch lưu dòng Bộ biến tần gián tiếp Bộ biến tần trực tiếp Kiểm tra kết thúc môn Cộng: 90 28 52 10 BÀI MỞ ĐẦU CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Trị trung bình đại lƣợng 1.1.Trị trung bình điện áp Trị trung bình điện áp tổng giá trị điện áp đo chia cho tổng thời gian làm việc - Cơng thức tính trị trung bình điện áp: Trong đó: Ud UAV trị trung bình điện áp Xp chu kỳ X0: Là thời gian ban đầu X0 + Xp: Là thời gian lúc sau U (x) : Là điện áp tức thời 1.2 Trị trung bình dịng điện Trị trung bình dịng điện tổng giá trị dòng điện đo chia cho tổng thời gian làm việc - Cơng thức tính trị trung bình dịng điện: Trong đó: Id IAV trị trung bình dịng điện Tp chu kỳ t0: Là thời gian ban đầu t0 + Tp: Là thời gian lúc sau i (t) : Là dịng điện tức thời Cơng suất trung bình Cơng suất trung bình tổng cơng suất đo chia cho tổng thời gian làm việc - Trong đó, cơng suất tức thời cơng suất tính theo điện áp dịng điện tức thời: - Cơng thức tính cơng suất trung bình: Trong đó: Pd PAV cơng suất trung bình Tp chu kỳ p(t): Là cơng suất tức thời u(t): Là điện áp tức thời i(t) : Là dòng điện tức thời Trị hiệu dụng đại lƣợng 3.1 Trị hiệu dụng dòng điện Trị số hiệu dụng dòng điện dòng chiều I cho chạy qua điện trở tạo cơng suất Trị số hiệu dụng dịng điện tính: = /√2 Trường hợp biết giá trị tức thời dòng điện chu kỳ làm việc ta tính theo cơng thức sau: 3.2 Trị hiệu dụng điện áp Tương tự trị số hiệu dụng điện áp tính: = /√2 Trường hợp biết giá trị tức thời điện áp chu kỳ làm việc ta tính theo cơng thức sau: Hệ số cơng suất Trong biểu thức công suất tác dụng P = UIcosφ, cosφ gọi hệ số công suất Hệ số công suất phụ thuộc vào thông số mạch điện tiêu kỹ thuật quan trọng, có ý nghĩa lớn kinh tế sau: - Nâng cao hệ số công suất tận dụng tốt công suất nguồn cung cấp cho tải - Khi cần truyền tải công suất P định đường dây dịng điện - chạy đường dây là: I = P/ U cosφ Nếu cosφ cao dịng điện I giảm, dẫn đến giảm tổn hao điện năng, giảm điện áp rơi đường dây chọn dây dẫn tiết diện nhỏ Để nâng cao cosφ ta thường dùng tụ điện nối song song với tải (hình 1) I U R C L Hình Nâng cao cosφ dùng tụ điện nối song song với tải 10 BÀI CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN Phân loại Căn vào hoạt động phần tử bán dẫn ta phân loại linh kiện bán dẫn Linh kiện điện tử gồm có: Các linh kiện thụ động linh kiện tích cực 2.1 Linh kiện -Điện trở thụ động - Cuộn cảm -Tụ điện Linh kiện điện tử -Điốt - Tranzito lưỡng cực -Tranzito trường - Thysistor 2.2 Linh kiện tích cực Diode Trình bầy cấu tạo, nguyên lý hoạt động, đặc tính ứng dụng điển hình điốt cơng suất 2.1.Cấu tạo nguyên lý hoạt động - Cấu tạo Cấu tạo ký hiệu điốt (hình 1-1) Anốt A P D N K a Catôt b Hình 1-1 Điốt a Cấu tạo ; b Ký hiệu Điốt phần tử cấu tạo lớp tiếp giáp PN Điốt có cực, anốt A cực nối với lớp bán dẫn P, catôt K cực nối với lớp bán dẫn kiểu N 58 BÀI BỘ NGHỊCH LƢU VÀ BỘ BIẾN TẦN Bộ nghịch lƣu áp pha Mục tiêu: - Trình bày nguyên lý hoạt động mạch nghịch lưu áp pha - Lắp ráp, kiểm tra, sửa chữa hư hỏng mạch 1.1 Sơ đồ mạch Trong đó: - T1, T2, T3, T4 : Là thyristor có nhiệm vụ để đóng cắt điều chỉnh thay đổi điện áp xoay chiều tải - R, L: Là phụ tải động điện xoay chiều - D1, D2, D3, D4: Là diơt dẫn dịng tải trả lượng nguồn nuôi - is: Là dòng nguồn xoay chiều dạng cưa Khi is > nguồn cung cấp lượng cho tải (các thyristor dẫn dịng) Khi is < tải trả lượng nguồn ni (các diơt dẫn dịng) - C: Tụ lọc - MBA: Máy biến áp pha có điện áp sơ cấp đặt lên van điện áp thứ cấp đặt lên tải 1.2 Nguyên lý làm việc Giả sử T2 T4 cho dòng chạy qua (dòng tải từ B A) Khi t = cho xung mở T1 T3, T2 T4 bị khố lại, dịng tải i = -Im khơng thể đảo chiều cách đột ngột Nó tiếp chảy theo chiều cũ theo mạch D1 E D3 tải D1 suy giảm dần, D1 D3 dẫn dòng khiến T1 T3 vừa kịp mở bị khoá lại Khi t = t1, i = 0, D1 D3 bị khoá lại, T1 T3 mở lại xung điều khiển tác động cực G1, G3 dòng tải i > tăng chảy theo chiều từ A B Giai đoạn từ t = đến t1 giai đoạn hoàn lượng Khi t = T/2 cho xung mở T2 T4 , T1 T3 bị khố lại, dịng tải chảy qua D2 D4 khiến cho T2 T4 vừa kịp mở bị khoá lại Khi t = t3, i = 0, T2 T4 mở lại , i < chảy theo chiều từ B A Dòng tải i biến thiên theo quy luật hàm mũ hai giá trị Im -Im Các xung điều khiển Thyristor thường xung chùm 59 * Biểu thức dòng tải i: + Khi bắt đầu cho xung mở T1 T3 ta có phương trình: L di Ri E dt di dt a.E R Dưới dạng tốn tử Laplace ta có: p.I ( p) i(0) a.I ( p) Trong đó: i(0) = -Im a R đó: i L a.E R p E (1 e at ) Im e at R + Khi cho xung mở T2 T4 ta có phương trình: L di Ri E dt Và i E e a(t T / 2) R Im e a(t T / 2) 1.3 Đồ thị Phân tích nghịch lƣu áp ba pha Mục tiêu: - Trình bày nguyên lý hoạt động mạch nghịch lưu áp ba pha - Lắp ráp, kiểm tra, sửa chữa hư hỏng mạch nghịch lưu áp ba pha 60 2.1 Sơ đồ mạch Sơ đồ mạch nghịch lưu áp pha cho (hình 5-4) + E V1 D1 V3 D3 V5 D5 V4 D4 V6 D6 V2 D2 C - ZA ZB ZC Hình 5-4 Bộ nghịch lưu áp pha Gồm van điều khiển hoàn toàn V1 đến V6 điốt ngược D1 đến D6 Các điốt giúp cho trình trao đổi CS phản kháng tải với nguồn Đầu vào chiều nguồn áp với đặc trưng có tụ C với giá trị đủ lớn, Z A = ZB= ZC phụ tải đấu Y Ä 2.2 Nguyên lý hoạt động Mỗi van vào dẫn cách 60 , khoảng điều khiển dẫn van 0 khoảng từ 120 đến 180 Để thuận tiện cho việc xây dựng hệ thống điều khiển, van 0 thường chọn giá trị 120 , 150 180 Giả sử van chọn khoảng dẫn 180 Theo luật điều khiển van : V1 V4 dẫn lệch 180 tạo pha A V3 V6 0 dẫn lệch 180 tạo pha B V5 V6 dẫn lệch 180 tạo pha C Các pha lệch 120 Dạng điện áp tải xây dựng sau: + 0≤ố ≤ 60 : V1, V5, V6 dẫn, ( ZA // ZC) nt ZB trở kháng nên: UA = UC = 1/3 E; UB = 2/3 E Tương tự: 0 + 60 ≤ố ≤ 120 : V1, V2, V6 dẫn : UC = UB = 1/3 E; UA = 2/3 E + 120≤ố ≤ 180 : V2, V3, V4 dẫn: UA = UC = 1/3 E; UB = 2/3 E Giá trị hiệu dụng điện áp pha: U pha Suy ra: U pha ( )d 2 3E UA (t) = 2/3 E sin ωt UB (t) = 2/3 E sin (ωt – 1200) UC (t) = 2/3 E sin (ωt + 1200) 61 Các phƣơng pháp điều khiển nghịch lƣu áp Mục tiêu: Trình bày phương pháp điều khiển nghịch lưu áp 3.1 Phƣơng pháp điều khiển theo biên độ Nội dung phương pháp điều khiển theo biên độ: Phương pháp gọi tắt phương pháp điều biên Khác với phương pháp sử dụng kỹ thuật điều chế độ rộng xung ( PWM ) cần nguồn áp DC khơng đổi, phương pháp điều biên địi hỏi điện áp nguồn DC điều khiển Độ lớn điện áp điều khiển cách điều khiển nguồn điện áp DC Chẳng hạn sử dụng chỉnh lưu có điều khiển kết hợp chỉnh lưu không điều khiển biến đổi điện áp DC Bộ nghịch lưu áp thực chức điều khiển tần số điện áp Các công tắc cặp cơng tác pha tải kích đóng với thời gian nửa chu kỳ áp Mạch điều khiển kích đóng cơng tắc nghịch lưu áp đơn giản Bộ nghịch lưu áp ba pha điều khiển theo biên độ gọi nghịch lưu áp bước Tần số áp tần số đóng ngắt linh kiện Các thành phần sóng hài bội ba bậc chẵn không xuất áp dây cung cấp cho tải Cịn lại sóng hài bậc cao cần khử bỏ biện pháp sóng hài Sóng hài bậc cao xuất dạng điện áp cao, hạn chế phạm vi sử dụng phương pháp điều biên, tần số thấp Nếu sử dụng SCR kết hợp với chuyển mạch làm chức công tắc nghịch lưu áp, chuyển mạch làm việc phụ thuộc vào độ lớn nguồn áp chiều , phương pháp điều biên rõ ràng không phù hợp để điều khiển điện áp tải phạm vi áp nhỏ Tuy nhiên, trường hợp điều khiển theo biên độ đòi hỏi nguồn DC điều khiển phương pháp khác dựa vào kỹ thuật PWM sử dụng nguồn điện áp DC không đổi Trong trường hợp nguồn DC tạo nên từ lưới điện AC qua chỉnh lưu không điều khiển mạch lọc chứa tụ trực tiếp từ nguồn dự trữ dạng pin, acqui 3.2 Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung Nội dung phương pháp điều chế độ rộng xung: Về nguyên lý, phương pháp thực dựa vào kỹ thuật analog Giản đồ kích đóng công tắc nghịch lưu dựa vào sở so sánh hai tín hiệu bản: - Sóng mang up tần số cao - Sóng điều khiển ur dạng sin Ví dụ: Cơng tắc lẻ kích đóng sóng điều khiển lớn sóng mang u r> up Trong trường hợp ngược lại, cơng tắc chẵn kích đóng Sóng mang up dạng tam giác Tần số sóng mang cao, lượng sóng hài bậc cao bị khử bớt nhiều Tuy nhiên, tần số đóng ngắt cao làm cho tổn hao phát sinh q trình đóng ngắt cơng tắc tăng theo Ngồi ra, linh kiện địi hỏi có thời gian đón ton thời gian ngắt toff định Các yếu tố làm hạn chế việc chọn tần số sóng mang 62 Sóng điều khiển ur mang thơng tin độ lớn trị hiệu dụng tần số sóng hài điện áp đầu Trong trường hợp nghịch lưu áp ba pha, ba sóng điều khiển ba pha phải tạo lệch pha 1/3 chu kỳ Trong trường hợp nghịch lưu áp pha, ta cần tạo hai sóng điều khiển lệch pha 1/2 chu kỳ( tức chúng ngược pha ) Để đơn giản mạch kích nữa, ta sử dụng sóng điều khiển để kích đóng, ví dụ: cặp cơng tắc ( S1 - S4 ) kích đóng theo quan hệ sóng điều khiển sóng mang, cịn cặp ( S2 - S3 ) kích đóng ngược lại với chungs Lúc đó, hình thành trạng thái kích đóng ( S1 – S2 ) ( S4 - S3 ) Gọi mf tỉ số điều chế tần số: mf = fsm / fss Việc tăng giá trị mf dẫn đến việc tăng giá trị tần số sóng hài xuất Điểm bất lợi việc tăng tần số sóng mang vấn đề tổn hao đóng ngắt lớn Gọi ma tỉ số điều chế biên độ: ma = uss / usm Nếu ma ≤ quan hệ biên độ thành phần áp áp điều khiển tuyến tính Đối với nghịch lưu áp pha biên độ áp pha hài U t (1)m = ma U Đối với nghịch lưu áp ba pha biên độ áp pha hài Ut (1)m = ma U/2 Khi giá trị ma >1, biên độ tín hiệu điều chế lớn biên độ sóng mang biên độ hài điện áp tăng khơng tuyến tính theo biến ma Lúc này, bắt đầu xuất lượng sóng hài bậc cao tăng dần đạt mức giới hạn cho phương pháp bước Trong trường hợp nghịch lưu áp ba pha, thành phần sóng hài bậc cao giảm đến cực tiểu giá trị mf chọn số lẻ bội ba Việc đánh giá chất lượng sóng hài xuất điện áp tải thực phân tích chuỗi Fourier Ở đây, chu kỳ lấy tích phân Fourier chia thành nhiều khoảng nhỏ, với cận lấy tích phân khoảng xác định từ giao điểm sóng điều khiển sóng mang dạn tam giác Bộ nghịch lƣu dịng điện Mục tiêu: - Trình bày nguyên lý hoạt động mạch nghịch lưu dòng điện - Lắp ráp, kiểm tra, sửa chữa hư hỏng mạch nghịch lưu dòng điện 4.1 Bộ nghịch lƣu dòng pha 1.1 Bộ nghịch lƣu dòng có máy biến áp điểm 63 - Sơ đồ mạch: Zt + - + C E V1 V2 - - Sơ đồ bi ến áp có điể m trung tính Hình Tụ C mắc song song với phụ tải bên p hía cuộn s cấp, đóng vai trị Uc tụ chuy ển mạch Điện cảm L có trị số lớn mắc nối tiếp với nguồn V đầu vào làm cho dòng đầu vào phẳng hồn tồn ngăn tụ phóng T/ t UL T ngược trả nguồn SCR chuyển mạch - Hoạt động: Khi SCR V1 thông điện áp đặt lên nửa cuộn sơ cấp máy biến áp, tụ C nạp điện với U n = 2E E Khi SCR V nhận tín hiệu điều khiển, V mở dẫn tới dòng I d chạy qua V , V đóng Tụ C nạp điện lại để sẵn sàng cho lần chuyển mạch SCR V nhận tín hiệu điều khiển Dạng dịng điện, điện áp phần tử 64 1.2 Sơ đồ nghịch lƣu dòng pha sử dụng sơ đồ cầu - Sơ đồ: Ld Id + ic T1 + Us i T4 C1 T3 - Z iZ T2 _ - Nguyên lý làm việc: Các tín hiệu điều khiển đưa vào đơi Tiristor T1, T2 lệch pha với tín hiệu điều khiển đưa vào đơi T3 ,T4 góc 180 Điện cảm đầu vào nghịch lưu lớn (Ld = ∞), dịng điện đầu vào id san phẳng (biểu đồ xung), nguồn cấp cho nghịch lưu nguồn dịng dạng dịng điện nghịch lưu (i) có dạng xung vuông Khi đưa xung vào mở cặp van T1,T2 , dòng điện i = id = Id Đồng thời dòng qua tụ C tăng lên đột biến , tụ C bắt đầu nạp điện với cực (+) bên trái cực (-) bên phải Khi tụ C nạp đầy, dịng qua tụ giảm khơng Do i = ic = it =Id = số, nên lúc đầu dịng qua tải nhỏ sau dịng qua tải tăng lên Sau nửa chu kỳ (t = t1) người ta đưa xung vào mở cặp van T3,T4 Cặp T3,T4 mở tạo q trình phóng điện tụ C từ cực (+) cực (-) Dịng phóng ngược chiều với dịng qua T1 T2 làm choT1 T2 bị khố lại Q trình chuyển mạch gần tức thời Sau tụ C nạp điện theo chiều ngược lại với cực (+) bên phải cực (-) bên trái Dòng nghịch lưu i =id =-Id (đã đổi dấu) Đến thời điểm t = t2, người ta đưa xung vào mở T1,T2 T3,T4 bị khố lại q trình lặp lại trước Như chức tụ C làm nhiệm vụ chuyển mạch cho Tiristor Tại thời điểm t1 , mở T3 T4 T1 T2 bị khoá lại điện áp ngược tụ C đặt vào Khoảng thời gian trì diện áp ngược (t 1-t’1 ) cần thiết để trì qúa trình khố phục hồi tính điều khiển van t’1- t 1= tk ≥ toff thời gian khố Tiristor thời gian phục hồi tính điều khiển .tk góc khố nghịch lưu Dịng điện tải: Vì nguồn nguồn dịng dạng dịng điện nghịch lưu dịng xoay chiều hình sin chữ nhật Phân tích theo chuỗi Fourier ta có 2 I iNL sin d Id sin d Giá trị hiệu dụng sóng m(1) Id 65 I 2 Id Dòng điện tải (n = 1, 3, 5, ) it I n max sin( tn ) n Ta lấy sóng arctg 2.I A I 1.max (n =1) XL R - Giản đồ dòng điện tải: 4.2 Bộ nghịch lƣu dòng ba pha 4.2.1 Sơ đồ nguyên lý hoạt động mạch Sơ đồ mạch nghịch lưu dòng ba pha cho (hình 5-6) S S D D S S D D L L L D D S S Hình 5-6 Bộ nghịch lưu dịng ba pha R R R 66 Tương tự trường hợp nghịch lưu dòng pha, cấu tạo nghịch lưu dòng ba pha gồm dạng mạch: Mạch chứa điốt cao áp bảo vệ, mạch chứa tụ chuyển mạch mạch chứa tụ tích lượng Đối với nghịch lưu dịng điện ba pha Tại thời điểm có công tắc nhánh dẫn công tắc nhánh dẫn Mỗi công tắc dẫn điện thời gian 1/3 chu kỳ Các phƣơng pháp điều khiển nghịch lƣu dịng Mục tiêu: - Trình bày phương pháp điều khiển nghịch lưu dòng điện Giả thiết giá trị trạng thái van dẫn đóng ngắt Qui luật điều khiển nghịch lưu dòng phải đảm bảo điều kiện kích đóng ( qui luật kích nhóm ) S1 + S3 + S5 = S2 + S4 + S6 = Điều có nghĩa, thời điểm có van nhóm van nhóm kích đóng 5.1 Phƣơng pháp điều khiển theo biên độ Nội dung phương pháp điều khiển theo biên độ: Đây phương pháp điều khiển chủ yếu áp dụng cho nghịch lưu dòng Độ lớn dòng điện tải điều khiển cách điều khiển nguồn dịng Chẳng hạn điều khiển góc kích α chỉnh lưu có điều khiển điều khiển tỉ số thời gian ᵧ có nguồn DC điều khiển biến đổi điện áp chiều Giản đồ xung kích cho (hình 5-7) S1 S2 S3 S4 S5 S6 Hình 5-7 Giản đồ xung kích Tần số dịng điện tải điều khiển giản đồ kích cho nghịch lưu dịng Góc kích đóng cho cơng tắc nghịch lưu dịng điện 2π / m với m số pha nghịch lưu 67 Ví dụ, nghịch lưu dịng ba pha, xung kích đóng cho cơng tắc nhóm thực gửi đến linh kiện S1, S3, S5 với độ rộn xung 2π / Tương tự cho linh kiện nhóm Các thành phần sóng hài dịng điện tải có biên độ tương đối cao Do ảnh hưởng nhiều đến hoạt động tải Dạng sóng dịng điện cải tiến thuận lợi cách kéo dài thời gian chuyển mạch cơng tắc dẫn điện, chẳng hạn nhờ mạch tích lượng chuyển mạch 5.2 Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung Nội dung phương pháp điều chế độ rộng xung: Qúa trình chuyển mạch nhánh cơng tắc nghịch lưu dòng tạo nên xung gai điện áp tác dụng không tốt đến hoạt động phần tử mạch điện Độ lớn gai điện áp giảm bớt cách kéo dài thời gian chuyển mạch Thông thường chức thực nhờ tụ điện chứa mạch Để xung gai điện áp giảm nhiều, tụ điện lớn thời gian chuyển mạch kéo dài Do đó, tần số đóng cắt cơng tắc khơng thể cao Phương pháp địi hỏi độ lớn dòng điện DC phải điều khiển phương pháp điều biên thực điều rộng xung mạch nghịch lưu dịng để cải tiến dạng sóng dịng điện ngõ dãy tần số làm việc thấp Phương pháp điều chế độ rộng xung nghịch lưu dòng ba pha cho dạngdòng điện phần với dạng cho phương pháp bước Tại số vị trí, dịng điện qua pha tải có độ lớn thay ± I ± I thay số vị trí khác Xét dịng điện it1 qua pha chẳng hạn S2 dẫn, cách đóng ngắt liên tục S1 S3, ta có độ lớn dịng tải it1 ( hình 5-8 ) it1 = I S1 đóng, S3 ngắt it1 = S3 đóng, S1 ngắt Để đạt sóng dịng điện ba pha đối xứng, dạng dòng điện điều chế pha phải chứa xung trung tâm rộng tối thiểu π/3 Khi hai pha điều chế xung, pha thứ ba không thay đổi trạng thái dẫn điện Gọi n số lần thay đổi trạng thái dịng điện pha tải ¼ chu kỳ dịng tải, chọn vị trí kích thích hợp cơng tắc, ta khử bỏ ( n-1 ) sóng hài dịng tải, đồng thời điều khiển biên độ sóng hài theo giá trị cho trước Hình 5-8 Điều chế độ rộng xung 68 Bộ biến tần gián tiếp Mục tiêu: -Trình bày nguyên lý hoạt động biến tần gián tiếp - Lắp ráp, kiểm tra, sửa chữa hư hỏng mạch 6.1 Bộ biến tần áp gián tiếp Sơ đồ nguyên lý hoạt động mạch: Sơ đồ mạch chotrên (hình 5-9) sơ đồ có điều kiển cho (hình 5-10) ZA ZB ZC Hình 5-9 Mạch biến tần nguồn áp Biến tần nguồn áp dùng chỉnh lưu có điều khiển (hình 5-10) ZA ZB ZC Hình 5-10 Biến tần nguồn áp dùng chỉnh lưu có điều khiển Biến tần nguồn áp dùng chỉnh lưu không điều khiển biến đổi xung áp chiều Biến tần nguồn áp loại này, điện áp chiều cung cấp dùng chỉnh lưu có điềukhiển chỉnh lưu khơng điều khiển sau điều chỉnh nhờ biến đổi xung áp Với hình b hệ số công suất sơ đồ không đổi, không phụ thuộc vào tải, nhiên sơ đồ qua nhiều khâu biến đổi hiệu suất phù hợp cho tải nhỏ, 30kw 69 Đặc điểm: Dạng điện áp xung chữ nhật, biên độ điều chỉnh nhờ thay đổi điện áp chiều, hình dạng điện áp khơng phụ thuộc vào tải, dịng điện tải xác định, điện áp có độ méo lớn khơng phù hợp với số loại phụ tải Hiện nay, loại chế tạo chủ yếu với điện áp biến điệu bề rộng xung 6.2 Bộ biến tần dòng gián tiếp - Sơ đồ mạch: Loại dùng chỉnh lưu có điều khiển, nghịch lưu SCR Đặc điểm dạng dịng điện nguồn chiều xác định dạng dòng điện tải, dạng điện áp tải phụ thuộc tính chất tải Ưu điểm biến tần loại có sơ đồ đơn giản sử dụng loại SCR với tần số khơng cao Sơ đồ mạch chotrên (hình 5-11) M Hình 5-11 Mạch biến tần nguồn dịng - Hoạt động: Bộ chỉnh lưu có điều khiển với cuộn cảm tạo nên nguồn dòng cấp cho nghịch lưu Nghịch lưu sơ đồ nguồn dòng song song, hệ thống tụ chuyển thành mạch cách ly với tải qua hệ thống điốt cách ly, dòng nghịch lưu có dạng xung CN , điện áp có dạng tương đối hình sin phụ tải động Loại biến tần có đặc điểm: dùng với động không đồng sơ đồ có khả trả lượng lưới, động chuyển sang chế độ máy phát dòng đầu vào nghịch lưu giữ không đổi chỉnh lưu chuyển sang chế độ nghịch lưu phụ thuộc nhờ lượng từ phía nghịch lưu đưa lưới Sơ đồ không phù hợp với công suất nhỏ hiệu suất cồng kềnh, với cơng suất cỡ 100 kw lại phù hợp Nhược điểm sơ đồ hệ số công suất thấp phụ thuộc vào tải, tải nhỏ Bộ biến tần trực tiếp Mục tiêu: - Trình bày nguyên lý hoạt động biến tần trực tiếp - Lắp ráp, kiểm tra, sửa chữa hư hỏng mạch Bộ biến tần trực tiếp pha: - Sơ đồ mạch nguyên lý hoạt động: Sơ đồ mạch cho (hình 5-12) sơ đồ điều khiển cho (hình 5-13.) 70 Hình 5-12 Biến tần nguồn lưới pha có điều khiển Hình 5-13.Sơ đồ điều khiển Bộ biến tần có cấu tạo chỉnh lưu kép Do đó, phân tích hoạt động phương pháp điều khiển biến tần giống chỉnh lưu kép Sơ đồ hoạt động mạch Sơ đồ sau: dùng sơ đồ tia pha dùng sơ đồ cầu pha Sơ đồ biến tần trực tiếp pha hình tia Za Zb N Hình 5-14.Sơ đồ tia pha Zc 71 Sơ đồ biến tần trực tiếp pha hình cầu Za Zb Zc Hình 5-15 Sơ đồ trực tiếp hình tia pha Gồm chỉnh lưu nối song song ngược, phận chỉnh lưu sơ đồ pha có điểm trung tính, sơ đồ cầu chỉnh lưu nhiều pha Số pha chỉnh lưu lớn thành phần sang điều hồ bậc cao giảm f2 ln nhỏ f1 nên tải biến tần trực tiếp thường động xoay chiều làm việc tốc độ thấp Sơ đồ gồm 03 pha điện áp ra, pha tạo sơ đồ mà nguyên tắc sơ đồ chỉnh lưu có đảo chiều gồm 02 chỉnh lưu pha ( hình tia) ngược chiều , thay mạch cầu chỉnh lưu hình tia thành hình cầu phức tạp số SCR tăng gấp mạch điều khiển phức tạp Có 02 phương pháp điều khiển SCR , phương pháp điều khiển riêng phương pháp điều khiển chung Dùng phương pháp điều khiển riêng khơng cần cuộn kháng cân bằng, cịn dùng phương pháp điều khiển chung cần số cuộn kháng cân Nguyên lý tạo điện áp cho biến tần trực tiếp dùng cho SCR chuyển mạch tự nhiên, tần số điện áp phải thấp nhiều so với tần số lưới ( khoảng 10 – 25 hz) Tuy nhiên, sử dụng van bán dẫn điều khiển hồn tồn đạt tần số cao 72 Tài liệu cần tham khảo: [1]- Nguyễn Thế Công, Trần Văn Thịnh, Điện tử công suất, lý thuyết, thiết kế, ứng dụng, Nxb Khoa học kỹ thuật 2008 [2]- Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh, Điện tử công suất, Nxb Khoa học kỹ thuật 2004 [3]- Võ Minh Chính, Điện tử công suất, Nxb Khoa học kỹ thuật 2008 [4]- Phạm Quốc Hải, Phân tích giải mạch điện tử công suất, Nxb Khoa học kỹ thuật 2002 [5]-Lê Đăng Doanh, Nguyễn Thế công, Trần Văn Thịnh, Điện tử công suất tập 1,2, Nxb Khoa học kỹ thuật 2007 ... GIỚI THIỆU Điện tử công suất chuyên ngành kỹ thuật điện tử nghiên cứu ứng dụng phần tử bán dẫn công suất Nhằm khống chế nguồn lượng điện với tham số không thay đổi thành nguồn lượng điện với tham... dẫn công suất đối tượng nghiên cứu điện tử công suất Trong biến đổi phần tử bán dẫn công suất sử dụng khố bán dẫn, cịn gọi van bán dẫn, mở dẫn dịng nối tải vào nguồn, khố khơng cho dịng điện. .. cơng suất tức thời cơng suất tính theo điện áp dịng điện tức thời: - Cơng thức tính cơng suất trung bình: Trong đó: Pd PAV cơng suất trung bình Tp chu kỳ p(t): Là công suất tức thời u(t): Là điện