Chuong 1 gioi thieu ve dien tu cong suat

Bài Giảng Điện Tử Công Suất Chương CHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 1.1 KHÁI NIỆM VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT: Các tên gọi khác môn học Điện Tử Công Suất: - Điện Tử Công Suất Lớn - Kỹ Thuật Biến Đổi Điện Năng Sơ đồ khối thiết bị điện tử công suất có dạng sau: Hình 1.1 Phân loại biến đổi: Tùy theo mục đích, ta có biến đổi sau - AC  DC: Được gọi chỉnh lưu - AC  AC: Được gọi biến đổi điện áp xoay chiều AC (bộ biến tần) - DC  DC: Được gọi biến đổi điện áp chiều DC - DC  AC: Được gọi nghịch lưu Cấu tạo biến đổi bao gồm phần: Mạch điện tử công suất điều khiển - Mạch điện tử công suất sử dụng linh kiện bán dẫn làm việc chế độ đóng ngắt để biến đổi lïng điện - Bộ điều khiển mạch phát xung cung cấp dòng, áp để điều khiển linh kiện bán dẫn đóng ngắt theo trình tự mong muốn 1.2 NHỮNG NHIỆM VỤ CƠ BẢN CỦA ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT: Điện tử công suất chuyên ngành kỹ thuật điện tử nghiên cứu ứng dụng phần tử bán dẫn công suất sơ đồ biến đổi, nhằm biến đổi khống chế nguồn lượng điện với thông số không thay đổi thành nguồn lượng với thông số thay đổi để cung cấp cho phụ tải điện Trang Bài Giảng Điện Tử Công Suất Chương Như vậy, biến đổi bán dẫn công suất đối tượng nghiên cứu điện tử công suất Trong biến đổi, phần tử bán dẫn công suất sử dụng khóa bán dẫn hay gọi van bán dẫn Khác với phần tử có tiếp điểm, van bán dẫn thực đóng cắt dòng điện mà không tạo tia lửa điện, không bị mài mòn theo thời gian, tín hiệu điều khiển van bán dẫn có công suất nhỏ phụ thuộc vào qui luật điều khiển van bán dẫn Vì có tổn hao nhỏ đạt hiệu suất cao Ngoài có khả cung cấp cho phụ tải nguồn lượng với phụ tải theo yêu cầu, đáp ứng trình điều chỉnh, điều khiển thời gian ngắn với chất lượng phù hợp hệ thống tự động Đây đặc trưng biến đổi bán dẫn công suất mà biến đổi có tiếp điểm không thực 1.3 CÁC ĐẠI LƯNG CƠ BẢN VÀ CÁC HỆ THỨC: 1.3.1 Trị Trung Bình Của Một Đại Lượng: Gọi i (t) hàm biến thiên tuần hoàn theo thời gian với chu kỳ Tp Trị trung bình đại lượng i, viết tắt IAV xác định theo hệ thức: Với t0 thời điểm đầu chu kỳ lấy tích phân Ta thường hay gặp đại lượng trị trung bình biểu diễn với số Id (Direct … chiều) IAV (Average trị trung bình), ví dụ điện áp trung bình UAV, dòng điện trung bình IAV Ví dụ 1.1: Xét trình dòng điện hình 1.2 trị trung bình dòng điện cho hệ thức: Hình 1.2 Trị trung bình dòng điện cho hệ thức: Trang Bài Giảng Điện Tử Công Suất Chương Trong nhiều trường hợp, thực tích phân theo hàm biến thời gian phức tạp thực tích phân theo biến góc X với X cho hệ thức: X=ω.t với ω tần số góc xác định Khi ấy, trị trung bình đại lượng theo góc X tính theo hệ thức Với X0 = ω.t0; Xp= ω.Tp; X = ω.t; dX = d(ω.t) Ví dụ 1.2: Tính trị trung bình điện áp chỉnh lưu chỉnh lưu cầu pha không điều khiển (hình 1.3) Hàm điện áp chỉnh lưu có dạng: Hình 1.3 Dễ dàng thấy rằng, chu kỳ dạng áp Tp= 0.01[s] Đặt X=314.t; Xp=314.0 ,01 = π[rad] Ta có: Các trường hợp thường gặp: Tải R: Quan hệ điện áp dòng điện tức thời qua điện trở R cho bởi: Trang Bài Giảng Điện Tử Công Suất Chương uR = R.iR Lấy trị trung bình hai vế ta có: URAV= R.IRAV Tải L: Ta có: Ở chế độ xác lập iL(t0) = iL(t0+Tp), trị trung bình điện áp L xác định cách lấy tích phân hai vế hệ thức thời hian (t0,t0+Tp) Kết thu được: Tải RL: Tương tự, ta có: Trị trung bình áp: Từ đó: Trị trung bình dòng không phụ thuộc vào giá trị L mà phụ thuộc vào R điện áp ut Tải RLE: Ta có: Với E sức điện động không đổi: E=const Kết quaû: UtAV = R.ItAV+ E hay ItAV= (UtAV- E)/R 1.3.2 Công Suất Trung Bình: Công suất tức thời tải tiêu thụ xác định tích điện áp dòng điện tức thời dẫn qua tải đó, tức là: Trang Bài Giảng Điện Tử Công Suất Chương Công suất trung bình xác định cách áp dụng cách tính trung bình vào đại lương công suất tức thời p(t), tức là: theo biến góc X=wt: Trường hợp dòng qua tải không đổi theo thời gian I = const = IAV , công suất trung bình qua tải tích điện áp trung bình dòng điện: Trường hợp điện áp đặt tải không đổi theo thời gian u = const = UAV, công suất trung bình tải tích điện áp dòng điện trung bình: PAV = U.IAV = UAV.IAV Các trường hợp đặc biệt: Tải R: Tụ điện cuộn kháng phần tử có khả dự trữ không tiêu hao công suất Dễ dàng dẫn giải hệ thức cho tải L C sau Taûi L: PAV = Taûi C: PAV = Ví dụ 1.3: Giả sử, ta có nguồn áp cho trường hợp ví dụ 1.2, tải RLE nối tiếp Giả sử tải có R=1Ω, L vô lớn E=50V Tính trị trung bình dòng qua tải công suất qua tải? Giải Trang Bài Giảng Điện Tử Công Suất Chương Ta có: UtAV=198 V (xem ví dụ 1.2) Dòng qua tải trung bình: ItAV=(198-50)/1=148A Công suất trung bình qua tải: L lớn vô nên dòng qua tải không đổi suốt chu kỳ Từ đó: it = ItAV = 148A Ta áp dụng trường hợp công thức: P(t) = UtAV.ItAV=198.148 = 29304W = 29,3kW 1.3.3 Trị Hiệu Dụng Của Một Đại Lượng: Giả thiết đại lượng i biến thiên theo thời gian theo hàm tuần hoàn với chu kỳ Tp với chu kỳ theo góc Xp= w.Tp Trị hiệu dụng đại lượng i tính theo công thức: Chỉ số RMS Root Mean Square… có nghóa trị hiệu dụng Ví dụ 1.4: Cho điện áp dạng a Tính trị hiệu dụng điện áp ? Cho hàm u1 u2 với tính chất sau: b Xác định trị trung bình hiệu dụng điện áp u1 u2 nêu Giải a Chu kỳ điện áp u 2π [rad] Trị hiệu dụng điện áp cho hệ thức: Lấy tích phân ta thu kết quả: b Ta có: Trang Bài Giảng Điện Tử Công Suất sau: Chương Ví dụ 1.5: Cho hàm tuần hòan biểu diễn điện áp tải u chu kỳ T Xác định trị hiệu dụng điện áp tải Giải 1.3.4 Hệ Số Công Suất: Hệ số công suất λ PF (Power Factor) tải định nghóa tỉ số công suất tiêu thụ P công suất biểu kiến S mà nguồn cấp cho tải đó: Trong trường hợp đặc biệt nguồn áp dạng sin tải tuyến tính chứa phần tử R, L, C không đổi sức điện động dạng sin, dòng điện qua tải có dạng sin tần số nguồn áp với góc lệch pha có độ lớn ϕ Ta có hệä thức tính hệ số công suất sau: Trang Bài Giảng Điện Tử Công Suất Chương Trong đó: U, I - trị hiệu dụng điện áp dòng điện qua tải; m - tổng số pha Các biến đổi công suất thiết bị có tính phi tuyến Giả sử nguồn điện áp cung cấp có dạng sin dòng điện qua có dạng tuần hoàn không 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), Dễ dàng thấy rằng, sóng điện áp nguồn sóng hài dòng điện tạo nên công suất tiêu thụ tải: P = P1 = m.U.I(1).cosϕ1 ϕ1 góc lệch pha điện áp dòng điện sóng hài Các sóng hài lại (bậc cao) tạo nên công suất ảo Ta có: Với: P = m.U.I(1).cosϕ1 - công suất tiêu thụ tải Q1= m.U.I(1).sinϕ1 - công suất phản kháng (công suất ảo sóng hài dòng điện tạo nên) Công suất biến dạng (công suất ảo sóng hài bậc cao dòng điện tạo nên) tính theo công thức: Khái niệm biến dạng (deformative) xuất từ ý nghóa 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 Từ đó, ta rút biểu thức tính hệ số công suất theo thành phần công suất sau: Trang Bài Giảng Điện Tử Công Suất Chương Muốn tăng hệ số công suất, ta có thể: - Giảm Q1 (công 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): Tuỳ theo phạm vi hoạt động dãy tần số sóng hài bậc cao bù, ta phân biệt biện pháp sau đây: * lọc sóng hài: áp dụng cho sóng hài bậc cao lớn sóng hài đến giá trị khoảng kHz Có thể sử dụng mạch lọc cộng hưởng LC Ví dụ dùng mạch lọc LC cộng hưởng với bậc 5, 7, 11 … mắc song song với nguồn cần lọc * khử nhiễu: áp dụng cho sóng bậc cao có tần số khoảng kHz đến hàng Mhz Các sóng tần số cao phát sinh từ mạch điều khiển phát sóng với tần số cao trình đóng ngắt linh kiện công suất, sóng hoạt động mạch điện có khả phát sóng điện từ lan truyền vào môi trường tạo nên tác dụng gây nhiễu cho thiết bị xung quanh, chí gây nhiễu cho thân mạch điều khiển thiết bị công suất Các thiết bị biến đổi công suất thường phải trang bị hệ thống khử nhiễu nghiêm ngặt Một biện pháp sử dụng dùng tụ, dùng bọc kim dây dẫn dùng lưới chống nhiễu cho thiết bị Ngoài ra, biểu diễn hệ số công suất theo hệ thức sau: 1.3.5 Phân Tích Fourier Cho Đại Lượng Tuần Hoàn Không Sin: Đại lượng i tuần hoàn, chu kỳ T không sin triển khai thành tổng đại lượng dạng sin theo hệ thức: p Với: Biên độ sóng hài bậc n đại lượng i xác định theo hệ thức: Trang Bài Giảng Điện Tử Công Suất Chương Sử dụng hệ thức biên độ vừa tìm được, đại lượng i viết lại dạng: Với n xác định theo hàm: Trị trung bình đại lượng i hệ thức I AV Trị hiệu dụng đại lượng i cho hệ thức: Gọi u, i p điện áp, dòng điện công suất với u,i có dạng tuần hoàn không sin Ta có: Công suất trung bình: Nếu nguồn điện áp cung cấp cho tải RL, quan hệ thành phần sóng hài bậc n điện áp U dòng điện I liên hệ theo hệ thức: (n) (n) Hoặc: Trong trường hợp điện áp dạng sin dòng điện không sin 1.3.6 Hệ Số Méo Dạng (Df – Distortion Factor): Trang 10 Bài Giảng Điện Tử Công Suất Chương Được định nghóa tỉ số trị hiệu dụng thành phần hài trị hiệu dụng đại lượng dòng điện: Quan hệ hệ số công suất hệ số méo dạng liên hệ theo hệ thức: Trang 11 Bài Giảng Điện Tử Công Suất Chương 1.3.7 Độ Méo Dạng Tổng Do Sóng Hài (THD - Total Harmonic Distortion) Là đại lượng dùng để đánh giá tác dụng sóng hài bậc cao (2,3, ) xuất nguồn điện, cho hệ thức: Trong trường hợp đại lượng I không chứa thành phần DC, ta có: Trong đó: I(j) - trị hiệu dụng sóng hài bậc j, j>=2 I(1)- trị hiệu dụng thành phần hài dòng điện Quan hệ DF THD: Trang 12 Bài Giảng Điện Tử Công Suất Chương BÀI TẬP ÁP DỤNG CHƯƠNG Bài 1.1: Điện áp đặt tải điện trở 10Ω có hàm biểu diễn u = 170.sin(100  t) Hãy xác định: a Hàm công suất tức thời tải b Công suất tức thời lớn c Công suất trung bình tải Bài 1.2: Điện áp dòng điện tải hàm tuần hoàn theo thời gian với chu kỳ T=100ms Xác định: công suất tức thời, công suất trung bình lượng tiêu thụ tải chu kỳ Bài 1.3: Xác định công suất trung bình tải Cho biết điện áp tải không đổi u=12VDC dòng điện qua tải tuần hoàn có hàm biểu diễn chu kỳ T=100ms sau: Bài 1.4: Dòng điện qua phần tử hai cực có dạng i = 20.sin(100  t) [A] Hãy xác định công suất tiêu thụ trung bình phần tử phần tử hai cực là: a Điện trở  b Cuộn dây có cảm kháng 10mH c Sức điện động E = 6V Bài 1.5: Dòng điện i = + 20.sin(100  t) [A] qua mạch RLE mắc nối tiếp Xác định công suất tiêu thụ trung bình phần tử R,L E Cho biết R = 3, L=10mH E = 12V Bài 1.6: Một lò điện trở công suất 1.500W sử dụng nguồn u = 220 sin(100  t) [V] Nếu điều khiển công suất lò điện theo chu kỳ 12 phút với trình tự đóng điện phút ngắt điện phút Hãy xác định: a Công suất tức thời cực đại b Công suất tiêu thụ trung bình c Năng lượng tiêu thụ dạng nhiệt chu kỳ Trang 13 Bài Giảng Điện Tử Công Suất Chương Bài 1.7: Xác định điện áp hiệu dụng dòng điện hiệu dụng biết hàm biểu diễn chúng tuần hoàn theo chu kỳ T =100ms có dạng: Bài 1.8: Hãy xác định trị hiệu dụng điện áp, dòng điện công suất tiêu thụ trung bình tải cho biết trình điện áp dòng điện có dạng: Bài 1.9: Cho dòng điện có dạng: qua tải gồm R -C mắc song song với R=100  C = 100uF Xác định công suất tiêu thụ phần tử tải Bài 1.10: Cho điện áp có dạng: đặt tải RLE mắc nối tiếp với R = 4Ω, L = 10mH E = 12V Xác định công suất tiêu thụ phần tử Bài 1.11: Điện áp dòng điện qua tải biểu diễn hàm sau: xác định công suất trung bình tải (chính xác đến n = 4) Bài 1.12: Cho điện áp có dạng: cung cấp tải RLE nối tiếp với R=20Ω, L=250mH E=36V Xác định công suất trung bình phần tử tải Trang 14 ... = P1 = m.U.I (1) .cos? ?1 ? ?1 góc lệch pha điện áp dòng điện sóng hài Các sóng hài lại (bậc cao) tạo nên công suất ảo Ta có: Với: P = m.U.I (1) .cos? ?1 - công suất tiêu thụ tải Q1= m.U.I (1) .sin? ?1 -... R = 4Ω, L = 10 mH E = 12 V Xác định công suất tiêu thụ phần tử Bài 1. 11: Điện áp dòng điện qua tải biểu diễn hàm sau: xác định công suất trung bình tải (chính xác đến n = 4) Bài 1. 12: Cho điện... j>=2 I (1) - trị hiệu dụng thành phần hài dòng điện Quan hệ DF THD: Trang 12 Bài Giảng Điện Tử Công Suất Chương BÀI TẬP ÁP DỤNG CHƯƠNG Bài 1. 1: Điện áp đặt tải điện trở 10 Ω có hàm biểu diễn u = 17 0.sin (10 0