Nghiên cứu các phương pháp và các thiết bị dùng để biến đổi và điều khiển năng lượng điện ( tên gọi khác của điện tử công suất) Các thiết bị sản xuất của chúng ta sử dụng các loại năng lượng điện khác nhau Điều khiển nguồn năng lượng điện cấp cho các thiết bị. Biến đổi và điều khiển năng lượng điện là một nhiệm vụ hàng đầu trong tự động hoá sản xuất.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI BÀI GIẢNG HỌC PHẦN BIẾN ĐỔI ĐIỆN NĂNG KHOA ĐIỆN TỬ BỘ MÔN: ĐIỆN TỬ VIỄN THƠNG Website: https://haui.edu.vn © 2021 Hanoi University of Industry All rights reserved TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI Nội dung Chương – Khái niệm mạch biến đổi điện 1.Quá trình phát triển 2.Nguyên tắc biến đổi tĩnh 3.Cơ điều khiển mạch hở 4.Điều khiển mạch kín Chương – Linh kiện điện tử công suất Linh kiện mô đun Phương pháp bảo vệ diot silic Công tắc xoay chiều pha Công tắc chiều Chương – Bộ biến đổi AC - DC Đại cương Chỉnh lưu bán kỳ pha Chỉnh lưu toàn kỳ pha Chỉnh lưu tia pha Chỉnh lưu cầu pha Website: https://haui.edu.vn Chương 4: Bộ biến đổi AC-AC 1.Đại cương Bộ biến đổi AC-AC pha Bộ biến đổi AC-AC pha Chương 5: Bộ biến đổi DC-DC Đại cương Bộ biến đổi tăng áp Bộ biến đổi giảm áp Bộ biến đổi đảo áp Chương 6: Bộ biến đổi DC-AC Đại cương Bộ nghịch lưu áp pha Bộ nghịch lưu áp ba pha Chương 7: Mạch điều khiển 1.Đại cương Mạch điều khiển chỉnh pha Mạch điều khiển chỉnh ba pha Mạch kích Mosfet Mạch tạo xung PWM © 2021 Hanoi University of Industry All rights reserved TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI 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 [2] Heinz- Piest, Power Electronic, Institut fur Handwekstechnik at the University of Hannover [3] Rainer Felderhoff, Leistungelektronik [4] Cyril W Lander, Điện tử công suất điều khiển động điện [5] Nguyễn Bính,Điện tử cơng suất, NXB Khoa học kỹ thuật [6] Nguyễn Tấn Phước, Điện tử công suất, NXB khoa học kỹ thuật Website: https://haui.edu.vn © 2021 Hanoi University of Industry All rights reserved TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI Yêu cầu Việc đánh giá môn học, mô-đun thực theo quy định thông tư số 09/2017/TTBLĐTBXH ngày 13/3/2017 Bộ trưởng Bộ Lao động - Thương binh Xã hội, cụ thể sau 2.1 Kiểm tra thường xuyên, kiểm tra định kỳ -Kiểm tra thường xun: Có 01 Hình thức kiểm tra: vấn đáp Hệ số - Kiểm tra định kỳ: 03 Hình thức kiểm tra: Viết Hệ số 2.2 Thi kết thúc môn học, mô-đun: - Điều kiện dự thi kết thúc mơn học, mơ-đun: sinh viên phải tham dự 70% thời gian học lý thuyết có điểm trung bình chung điểm kiểm tra đạt từ 5,0 điểm trở lên theo thang điểm 10 - Hình thức thi: Bài Website: https://haui.edu.vn tập lớn © 2021 Hanoi University of Industry All rights reserved TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI Nội dung Chương – Khái niệm mạch biến đổi điện 1.Quá trình phát triển 2.Nguyên tắc biến đổi tĩnh 3.Cơ điều khiển mạch hở 4.Điều khiển mạch kín Chương – Linh kiện điện tử công suất Linh kiện mô đun Phương pháp bảo vệ diot silic Công tắc xoay chiều pha Công tắc chiều Chương – Bộ biến đổi AC - DC Đại cương Chỉnh lưu bán kỳ pha Chỉnh lưu toàn kỳ pha Chỉnh lưu tia pha Chỉnh lưu cầu pha Chương 4: Bộ biến đổi AC-AC1 1.Đại cương Bộ biến đổi AC-AC pha Bộ biến đổi AC-AC pha Chương 5: Bộ biến đổi DC-DC Đại cương Bộ biến đổi tăng áp Bộ biến đổi giảm áp Bộ biến đổi đảo áp Chương 6: Bộ biến đổi DC-AC Đại cương Bộ nghịch lưu áp pha Bộ nghịch lưu áp ba pha Chương 7: Mạch điều khiển 1.Đại cương Mạch điều khiển chỉnh pha Mạch điều khiển chỉnh ba pha Mạch kích Mosfet Mạch tạo xung PWM Website: https://haui.edu.vn © 2021 Hanoi University of Industry All rights reserved TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM MẠCH BIẾN ĐỔI ĐIỆN NĂNG BỘ MƠN: ĐIỆN TỬ VIỄN THƠNG Website: https://haui.edu.vn © 2021 Hanoi University of Industry All rights reserved TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI Nội dung học Mục tiêu: - Trình bày chất, yêu cầu trình điều khiển theo nội dung học - Giải thích cấu trúc, đặc tính khâu hệ thống theo nội dung học Nội dung: 2.1 Quá trình phát triển 2.2 Nguyên tắc biến đổi tĩnh 2.3 Cơ điều khiển mạch hở 2.4 Điều khiển mạch kín Website: https://haui.edu.vn © 2021 Hanoi University of Industry All rights reserved Khái niệm mạch biến đổi điện Khái niệm - Nghiên cứu phương pháp thiết bị dùng để biến đổi điều khiển lượng điện ( tên gọi khác điện tử công suất) - Các thiết bị sản xuất sử dụng loại lượng điện khác - Điều khiển nguồn lượng điện cấp cho thiết bị - Biến đổi điều khiển lượng điện nhiệm vụ hàng đầu tự động hoá sản xuất - Trước chủ yếu sử dụng relay (rơ-le), dựa vào việc đóng mở relay mà có nguồn điện theo ý muốn Do yêu cầu ngày cao thực tiến sản xuất, kèm theo tiến công nghệ bán dẫn cho phép chế tạo phần tử đóng cắt bán dẫn (khơng tiếp điểm) công suất lớn nhằm thay mạch relay tiếp điểm BĐ ĐN dùng linh kiện (thiết bị) điện tử có cơng suất lớn với thuật toán điều khiển nhằm biến đổi điều khiển lượng điện Khái niệm mạch biến đổi điện Nguyên tắc biến đổi tĩnh -Biến đổi AC/DC: Các Chỉnh lưu (Rectifier) điều khiển (dùng Thyristor) khơng điều khiển (dùng Diode) tuỳ theo việc ta có cần điều khiển giá trị dòng điện chiều đầu hay không Nghiên cứu chương -Biến đổi DC/AC: Các Nghịch lưu (Inverter) Các nghịch lưu có khả biến dịng điện chiều thành dịng điện xoay chiều có giá trị điện áp tần số thay đổi tuỳ vào luật đóng mở van bán dẫn Nghiên cứu chương -Biến đổi DC/DC: Các Băm xung chiều (cịn có tên Điều áp chiều, biến đổi điện áp chiều – DC to DC converter, DC chopper) Các biến đổi biến dòng điện chiều có giá trị cố định thành dịng điện chiều có giá trị điện áp, dịng điện điều khiển Nghiên cứu chương - Các biến tần( AC/AC)- Frequency Driver trực tiếp(Cycloconverter) gián tiếp (Inverter) Các biến tần có khả biến nguồn điện xoay chiều có giá trị dịng điện, điện áp tần số cố định lưới điện thành dòng điện xoay chiều có giá trị dịng, áp tần số điều khiển theo ý muốn Nghiên cứu chương Khái niệm mạch biến đổi điện Phân loại Phân loại mạch chỉnh lưu: -Theo số pha: pha, hai pha, ba pha, sáu pha -Theo loại ngắt điện - Mạch dùng toàn Diode chỉnh lưu khơng điều khiển - Mạch dùng tồn Thyristor chỉnh lưu có điều khiển - Mạch chỉnh lưu dùng Diode kết hợp với Thyristor chỉnh lưu bán điều khiển (chỉnh lưu điều khiển không đối xứng) - Phân loại theo sơ đồ mắc - Phân loại theo công suất - Phân loại biến tần: - Biến tần quay: biến tần quay máy phát điện xoay chiều - Biến tần tĩnh: loại biến tần chế tạo từ linh kiện bán dẫn cơng suất Có loại biến tần tĩnh thường gặp: biến tần trực tiếp biến tần độc lập Khái niệm mạch biến đổi điện Các đường đặc tính Đặc tính ngồi (Đặc tính tải): Mối quan hệ điện áp đầu dòng điện đầu biến đổi Đặc tính điều khiển: Mối quan hệ điện áp đầu đại lượng điều khiển biến đổi Hệ số công suất biến đổi P S … Hệ số công suất PF (Power Factor) P: Công suất hữu công S: Công suất biểu kiến Khái niệm mạch biến đổi điện P = mUI(1)cos(1) m: số pha U: Giá trị hiệu dụng điện áp điều hòa pha I(1): Giá trị hiệu dụng thành phần bậc dòng điện pha (1): Góc chậm pha thành phần bậc dịng điện pha so với điện áp S = mUI I: Giá trị hiệu dụng dòng điện pha I I 2 (n) n1 S m2U I n1 (n) m2U I (1) m U 2 I (n) n2 2 2 S(1) m2U I (1) cos2 (1) m2U I (1) sin (1) P2 Q(1) m2U I (1) mUI(1): Công suất biểu kiến thành phần bậc Q(1): Công suất phản kháng thành phần bậc Khái niệm mạch biến đổi điện S P2 Q(1) D2 I (n) D mU n2 D: Công suất phản kháng biến dạng P P Q(1) D2 I(1) cos (1) … Hệ số công suất PF (Power Factor) … Hệ số méo dạng DF (Distortion Factor) I cos(1) … Hệ số công suất chuyển dịch DPF (Displacement Power Factor) THDI I n2 I (1) (n) … Độ méo dạng tổng THD (Total Harmonic Distortion) Khái niệm mạch biến đổi điện Giá trị trung bình hàm f(t): 1T F( AV ) f(t)dt T f(t) F(AV) T t Giá trị hiệu dụng hàm f(t): 1T f (t)dt F(RSM ) T Khái niệm mạch biến đổi điện Cho dòng điện i(t) điện áp u(t) có chu kỳ T Trị trung bình dịng áp tính cơng thức: Với: t0 – thời điểm đầu chu kỳ lấy tích phân Ở chế độ xác lập trị trung bình điện áp L Vì trị trung bình dịng khơng phụ thuộc vào giá trị L mà phụ thuộc vào R dịng trung bình qua tải tính cơng thức: Khái niệm mạch biến đổi điện Ví dụ 1: Cho dịng điện có dạng hình với IP = 100A, T = 20ms, T0 = 10ms Xác định trị trung bình trị hiệu dụng dòng điện Khái niệm mạch biến đổi điện Khái niệm mạch biến đổi điện Khái niệm mạch biến đổi điện Khái niệm mạch biến đổi điện Các phần tử bán dẫn công suất điển hình dùng biến đổi cơng suất : • • • • • Diode cơng suất, thyristor cơng suất SCR (Silicon Controlled Rectifier), Thyristor khố cực điều khiển GTO (Gate Turn off Thyristor), Transistor lưỡng cực công suất BJT (Bipolar Junction Transistor), Transistor trường công suất FET (Field Effect Transistor), Transistor lưỡng cực cổng cách ly IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), • TRIAC (Triode Alternative Current), • Thyristor điều khiển MOSFET MCT (Mosfet Controlled Thyristor), • Linh kiện cảm ứng tĩnh điện SID (Static Induction Device) Khái niệm mạch biến đổi điện Các đặc tính phần tử bán dẫn công suất : Diode công suất : có dịng điện định mức tới 5000A, điện áp định mức tới 10kV , thời gian chuyển mạch nhanh tới 20ns Chủ yếu dùng chỉnh lưu, biến đổi DC-DC Transistor lưỡng cực công suất BJT: dẫn dịng chiều có dịng bazơ thích hợp Dịng điện định mức 0,5-500A lớn hơn, điện áp định mức tới 1200V, thời gian chuyển mạch từ 0,5-100µs Chức chủ yếu biến đổi DC-DC, phối hợp với diode nghịch lưu BJT thay FET IGBT Transistor trường công suất FET: dẫn dịng điện máng (Drain) có điện áp cổng thích hợp Dòng điện định mức – 100A, điện áp định mức 30-1000V, thời gian chuyển mạch nhanh 50-200ns Chức chủ yếu biến đổi DC-DC nghịch lưu Transistor lưỡng cực cổng cách điện IGBT: FET đặc biệt có chức BJT điều khiển cổng FET Nhờ IGBT nhanh dễ sử dụng BJT cơng suất Dịng điện định mức 10600A, điện áp định mức 600-1700V Được sử dụng chủ yếu nghịch lưu công suất từ 1-100KW Khái niệm mạch biến đổi điện Các đặc tính phần tử bán dẫn công suất : Thyristor (Thyristor): dẫn điện tương tự diode sau nhận xung mồi thích hợp trở trạng thái bị khố dịng điện không Sau dẫn, cực điều khiển không tác dụng Dòng điện định mức 10-5000A, điện áp định mức 200V-6kV, thời gian chuyển mạch 1-200µs Là linh kiện điện tử công suất chủ yếu, ứng dụng rộng rãi lĩnh vực điện tử cơng suất Thyristor khố cực điều khiển GTO: thyristor đặc biệt khóa cách đặt xung âm vào cực điều khiển Thay cho BJT ứng dụng địi hỏi cơng suất lớn Các đại lượng định mức tương tự thyristor ứng dụng nghịch lưu 100KW TRIAC: linh kiện phối hợp hai thyristor nối song song ngược có cực điều khiển Dòng điện định mức 250A, điện áp định mức 200-800V Ứng dụng chủ yếu biến đổi điện áp xoay chiều, điều khiển đèn, thiết bị điện gia dụng Thyristor điều khiển MOSFET MCT: thyristor đặc biệt có chức GTO điều khiển FET nhanh dễ sử dụng GTO Linh kiện cảm ứng tĩnh SID: linh kiện chuyển mạch cách điều khiển hàng rào cổng Công suất 100KW tần số 100kHZ Ưu điểm chủ yếu có tốc độ chuyển mạch cao, điện áp ngược lớn, điện áp rơi thuận nhỏ Khái niệm mạch biến đổi điện Tính phần tử bán dẫn công suất Khái niệm mạch biến đổi điện Ưu điểm phần tử bán dẫn cơng suất: - Đóng cắt dịng điện không gây tia lửa điện Không bị mài mịn theo thời gian Được điều khiển tín hiệu công suất nhỏ Hiệu suất biến đổi điện cao Cung cấp cho phụ tải nguồn lượng theo yêu cầu Đáp ứng nhanh TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI – BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ LOGO KHOA TỔNG KẾT BÀI Định nghĩa biến đổi : AC/DC; AC/AC; DC/DC; DC/AC Có mạch chỉnh lưu theo pha nào? So sánh mạch chỉnh lưu khơng điều khiển, có điều khiển bán điều khiển Có loại biến tần nào? Biến đổi điện gì? Website: https://haui.edu.vn © 2021 Hanoi University of Industry All rights reserved 33 ... uL uL QL(0,t1) 1. 1 Năng lượng tích lũy vào cuộn kháng giải phóng từ cuộn kháng QL (0,? ?1) 2 t2 t0 iL iL L t t1 Q'L(t1,t2) iL t ? ?1 QL (? ?1, 2) Q L(0,? ?1) QL(0,t1) L t0 t1 t t2 t1 d L u... 2 (n) n? ?1 S m2U I n? ?1 (n) m2U I (1) m U 2 I (n) n2 2 2 S (1) m2U I (1) cos2 (1) m2U I (1) sin (1) P2 Q (1) m2U I (1) mUI (1) : Công suất biểu kiến thành phần bậc Q (1) : Công... dt t0 L (t1 ) QL (t0 ,t1 ) L (t0 ) dL L iL (t1 ) iL (t0 ) L ? ?1 2 t diL dt diL L (t1 ) L (t0 ) L iL (t1 ) iL (t0 ) Khái niệm mạch biến đổi điện 1. 2 Nhịp chuyển