Tài liệu Dien tu cong suat

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT HUỲNH ĐỨC CHẤN Tháng 04/2015        LỜI NÓI ĐẦU Trong thời kỳ phát triển của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là lĩnh vực điện tử. Ngày càng có nhiều thiết bị bán dẫn hiện đại được xuất hiện trong mọi lĩnh vực sản xuất và sinh hoạt. Muốn tiếp cận, sử dụng và vận hành tốt các phương tiện kỹ thuật hiện đại ứng dụng trong thực tế, mỗi sinh viên cần có những hiểu biết cơ bản về kỹ thuật điện tử nói chung và điện tử công suất nói riêng. Giáo Trình Điện tử công suất do tập thể giáo viên bộ môn Kỹ Thuật Điện- Điện Tử, Khoa Cơ Điện- Điện Tử, Trường Đại Học Lạc Hồng, Biên Hoà- Đồng Nai biên soạn và biên dịch. Giáo trình này được sử dụng làm tài liệu học tập cho sinh viên các khối ngành kỹ thuật và các ngành có liên quan đến kỹ thuật. Nội dung giáo trình đề cặp một cách có hệ thống và tổng hợp các kiến thức cơ bản và hiện đại làm nền tảng cho việc học tập các môn chuyên ngành. Giáo trình được biên soạn bổ sung và hiệu đính với sự hổ trợ của các bạn đồng nghiệp và dựa trên các tài liệu tham khảo đó là các bài giảng của thầy ThS. Trần Dũng, Trường Đại Học Lạc Hồng, giáo trình Điện tử công suất của PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ Trường Đại Học Bách khoa TPHCM và Hoàng Ngọc Văn, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM. Giáo trình “Điện Tử Công Suất” trinh bày về các khái niệm, các lĩnh vực cơ bản của điện tử công suất, về các mạch biến đổi điện như: Các mạch chỉnh lưu không điều khiển, các mạch chỉnh lưu có điều khiển, các mạch biến đổi, đóng ngắt điện áp xoay chiều, các mạch biến đổi điện áp DC-DC, các mạch nghịch lưu, biến tần…Giáo trình chỉ trình bày kiến thức cơ sở cơ bản của lĩnh vực điện tử bán dẫn công suất. Những vấn đề ứng dụng cụ thể chuyên sâu của lĩnh vực điện tử công suất trong công nghiệp và đời sống không trình bày trong tài liệu này. Theo chương trình đào tạo, số giờ dành cho khâu lên lớp rất ít, vì vậy khi biên soạn tác giả đã cố gắng trình bày phần lý thuyết cơ bản, cốt yếu nhất, khi đọc sinh viên cần tìm hiểu, nắm được các vấn đề cơ bản, không nên đầu tư nhiều thời gian vào vấn đề hạn hẹp và phức tạp khi quỹ thời gian không cho phép, tuy nhiên nếu cần nghiên cứu sâu hơn, sinh viên có thể tìm đọc các tài liệu khác ở phần tài liệu tham khảo hoặc trên các trang web. Ngoài phần lý thuyết, trong các chương còn có một số phần bài tập ví dụ và các bài tập ở cuối chương giúp cho sinh viên tự hệ thống các kiến thức đã học. Thay mặt nhóm biên soạn, tôi xin gửi lời cám ơn chân thành nhất đến các đồng nghiệp ở bộ môn Kỹ Thuật Điện- Điện Tử, đặc biệt là giảng viên ThS.Trần Dũng và 3           các giáo viên khoa Cơ Điện- Điện Tử, các cựu sinh viên đã giúp đỡ tư vấn và đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho việc hoàn thành cuốn sách này . Do thời gian hạn chế, chắc chắn cuốn sách này không tránh khỏi những sơ suất nhỏ. Chúng tôi mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp của các bạn đọc để khi tái bản sẽ tốt hơn. Địa chỉ liên hệ: Bộ Môn Kỹ Thuật Điện- Điện Tử, khoa Cơ Điện- Điện Tử Trường Đại Học Lạc Hồng, Biên Hoà- Đồng Nai. Địa chỉ email: [email protected] Đồng Nai, tháng 04 năm 2015 Chủ biên ThS. Huỳnh Đức Chấn   4    Chương 1   MỤC LỤC   CHƯƠNG 1: CÁC HỆ THỨC VÀ KHÁI NIỆM CƠ BẢN ................................... 18  1.1.  Khái niệm .............................................................................................. 18  1.2.  Đối tượng khảo sát và kết đạt được trong quá trình khảo sát .................. 18  1.3.  Các đại lượng cơ bản và hệ thức liên quan ............................................. 19  1.3.1.  Giá trị trung bình của một đại lượng ................................................ 19  1.3.2.  Giá trị hiệu dụng của một đại lượng................................................. 20  1.4.  Những tải thường gặp cần xét đến.......................................................... 22  1.4.1.  1.4.2.  Tải R thuần...................................................................................... 22  Tải L thuần ...................................................................................... 22  1.4.3.  1.4.4.  Tải RL (Tải R nối tiếp L)................................................................. 22  Tải RLE nối tiếp.............................................................................. 23  1.5.  Phân tích Fourier cho một đại lượng tuần hoàn không sin thường áp dụng  trong điện tử công suất........................................................................................... 23  1.6.  Một số vấn đề về công suất .................................................................... 24  1.7.  Các hệ số cần quan tâm.......................................................................... 25  1.7.1.  Hệ số méo dạng, kí hiệu DF (Distortion Factor) .............................. 25  1.7.2.  Độ  méo  dạng  tổng  do  hài  gây  ra;  kí  hiệu  THD  (Total  Harmonic  Distortion)  ........................................................................................................ 25  CHƯƠNG 2:LINH  KIỆN  BÁN  DẪN  TRONG  LĨNH  VỰC  ĐIỆN  TỬ  CÔNG  SUẤT ........................................................................................................................ 29  2.1.  Chức năng, phân loại linh kiện bán dẫn công suất .................................. 29  2.1.1.  2.1.2.  Chức năng linh kiện trong mạch công suất ...................................... 29  Phân loại.......................................................................................... 29  2.2.  Khảo sát một số linh kiện điện tử công suất ........................................... 30  2.2.1.  Diode............................................................................................... 30  2.2.2.  2.2.3.  Transistor loại BJT .......................................................................... 34  Transistor  loại  MOSFET  (Metal  Oxide  Semiconductor  Field  Effect  Transistor)  ........................................................................................................ 39  2.2.4.  Transitor loại hiện đại IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)..... 42    2.2.5.  2.2.6.  2.2.7.  Thyristor (SCR: Silicon Controlled Rectifier).................................. 43  SCS (Silicon Controlled Switching) ................................................ 49  GTO (Gate Turn Off  SCR) ............................................................. 51  2.2.8.  2.2.9.  DIAC (Diode AC Semiconductor Switching) .................................. 53  TRIAC (Triode AC Semiconductor Switching) ............................... 55  8  Chương 1   2.2.10.  LASCR (Light Activated SCR) ....................................................... 57  CHƯƠNG 3: BỘ CHỈNH LƯU (RECTIFIER) ..................................................... 63  3.1.  Chức năng, phân loại và ứng dụng của các mạch chỉnh lưu.................... 63  3.1.1.  3.1.2.  Chức năng bộ chỉnh lưu................................................................... 63  Phân loại.......................................................................................... 63  3.1.3.  3.1.4.  Ứng dụng ........................................................................................ 64  Công thức tính giá trị trung bình...................................................... 64  3.2.  Khảo sát các mạch chỉnh lưu không điều khiển (dùng diode) ................. 64  3.2.1.  Mạch chỉnh lưu 1 pha ...................................................................... 64  3.2.2.  Mạch chỉnh lưu 1 pha toàn kỳ (dùng diode)..................................... 67  3.3.  Mạch chỉnh lưu 3 pha............................................................................. 74  3.3.1.  Mạch chỉnh lưu 3 pha hình tia (dùng 3 diode).................................. 74  3.3.2.  Mạch chỉnh lưu 3 pha cầu  (dùng 6 diode) ....................................... 75  3.4.  Khảo sát các mạch chỉnh lưu có điều khiển (dùng SCR) ........................ 84  3.4.1.  3.4.2.  Tính chất của tải cảm và góc kích.................................................... 84  Mạch chỉnh lưu 1 pha ...................................................................... 85  3.4.3.  Mạch chỉnh lưu 3 pha ...................................................................... 90  CHƯƠNG 4: BỘ BIẾN ĐỔI MỘT CHIỀU (DC) SANG MỘT CHIỀU (DC) ..... 104  4.1.  Chức năng và ứng dụng ....................................................................... 104  4.1.1.  Bộ biến đổi áp DC – DC  là gì ....................................................... 104  4.1.2.  Ứng dụng của bộ biến đổi.............................................................. 104  4.1.3.  4.1.4.  Ưu nhược điểm.............................................................................. 104  Nhắc lại hai loại nguồn một chiều.................................................. 105  4.2.  Khảo sát nguyên tắc hoạt động của bộ băm xung áp một chiều ............ 105  4.2.1.  Bộ băm xung áp làm việc ở chế độ giảm áp................................... 105  4.2.2.  Bộ băm xung áp  làm việc ở chế độ tăng áp ................................... 108  4.3.  Khảo sát bộ khoá điện tử H .................................................................. 108  4.4.  Các mạch điều khiển cơ bản................................................................. 109  4.4.1.  4.4.2.  Mạch một kênh: Tạo sóng vuông bằng Op-amp............................. 109  Mạch dùng IC CMOS: Tạo sóng vuông bằng cổng NAND............ 111  4.4.3.  Mạch dùng IC 555: Tạo sóng vuông bằng IC 555.......................... 111  4.5.  Phương pháp điều khiển cơ bản ........................................................... 112  4.6.  Khảo sát một số mạch converter cơ bản ............................................... 112  4.6.1.  Bộ biến đổi kép tổng quát dạng mạch cầu...................................... 112  4.6.2.  4.6.3.  Bộ biến đổi kép dạng đảo dòng...................................................... 113  Bộ biến đổi kép dạng đảo áp.......................................................... 114  9    Chương 1   4.6.4.  Mạch converter dùng 1 BJT........................................................... 116  4.6.5.  Mạch converter dùng bộ biến đổi đẩy kéo ..................................... 119  4.7.  Mạch lọc cho bộ biến đổi điện áp một chiều......................................... 120  4.7.1.  4.7.2.  Mạch lọc điện áp ngõ vào .............................................................. 120  Mạch lọc điện áp ngõ ra................................................................. 121  CHƯƠNG  5:  BỘ  BIẾN  ĐỔI  ĐIỆN  ÁP  XOAY  CHIỀU  SANG  XOAY  CHIỀU  (AC-AC).................................................................................................................. 129  5.1.  Chức năng và ứng dụng ....................................................................... 129  5.1.1.  Bộ biến đổi điện áp AC – AC  là gì ............................................... 129  5.1.2.  Ứng dụng ...................................................................................... 129  5.2.  Bộ biến đổi xoay chiều sang xoay chiều............................................... 129  5.2.1.  Bộ biến đổi xoay chiều một pha..................................................... 129  5.2.2.  Bộ biến đổi xoay chiều ba pha ....................................................... 132  5.3.  Một số phương pháp điều khiển ........................................................... 134  5.3.1.  5.3.2.  Phương pháp điều khiển pha.......................................................... 134  Phương pháp điều khiển tỉ lệ thời gian........................................... 135  5.4.  Một số ứng dụng .................................................................................. 135  5.4.1.  Relay bán dẫn SSR (Solid State Relay) dùng để đóng ngắt tải AC . 135  5.4.2.  Điều chỉnh áp trên tải .................................................................... 136  CHƯƠNG 6: BỘ NGHỊCH LƯU VÀ BIẾN TẦN .............................................. 144  6.1.  Khái niệm chung.................................................................................. 144  6.1.1.  6.1.2.  Biến tần trực tiếp (còn gọi là biến tần phụ thuộc)........................... 144  Biến tần gián tiếp (còn gọi là biến tần độc lập ) ............................. 144  6.1.3.  Ứng dụng của bộ nghịch lưu và biến tần........................................ 145  6.2.  Phân loại bộ nghich lưu........................................................................ 145  6.3.  Khảo sát về bộ nghịch lưu .................................................................... 146  6.3.1.  Nghịch lưu 1 pha ........................................................................... 146  6.3.2.  Nghịch lưu 3 pha ........................................................................... 148  6.4.  Phân tích bộ nghịch lưu áp ................................................................... 148  6.4.1.  Phân tích điện áp bộ nghịch lưu áp ba pha ..................................... 148  6.4.2.  Phân tích bộ nghịch lưu áp 1 pha ................................................... 151  6.5.  Các phương pháp điều chế dùng cho biến tần 2 bậc ............................. 159  6.5.1.  6.5.2.  Phương pháp điều chế theo bề rộng xung truyền thống (PWM) ..... 159  Phương pháp điều khiển sáu bước ................................................. 160  6.5.3.  Phương pháp điều chế vector không gian....................................... 161  6.6.  Khảo sát sơ đồ biến tần áp gián tiếp 3 pha............................................ 168  10    Chương 1   6.6.1.  Sơ đồ khối tổng quan của một biến tần 3 pha................................. 168  6.6.2.  6.6.3.  Sơ chi tiết  của một biến tần 3 pha ................................................. 169  Giải thích chức năng của các khối ................................................. 170    11    Chương 1   DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ   Hình 1.1: Dạng sóng điện áp u(t). .............................................................................. 19  Hình 1.2: Dạng sóng điện áp chỉnh lưu. ..................................................................... 20  Hình 1.3:  Quá trình dòng điện................................................................................... 21  Hình 1.4: Dạng sóng điện áp chỉnh lưu. ..................................................................... 22  Hình 1.5: Mô tả các thành phần thường tồn tại trong hệ thống tín hiệu, chuổi Fourier  của tín hiệu dao động tuần hoàn................................................................................. 23  Hình 2.1: Biểu diễn trạng thái làm việc của linh kiện bán dẫn.................................... 29  Hình 2.2: Mô tả cấu tạo và mạch tương đương của diode........................................... 30  Hình 2.3: Minh họa hình dạng thực tế của diode loại đơn .......................................... 30  Hình 2.4: Minh họa hình dạng thực tế của diode cầu  loại 1 pha ................................ 30  Hình 2.5: Hình dạng thực tế của diode cầu loại 3 pha và bảng thông số. .................... 31  Hình 2.6: Cách kết nối bên trong của diode 3 pha. ..................................................... 31  Hình 2.7: Đặc tuyến Volt-Amp tĩnh và mô tả phân cực của diode.............................. 31  Hình 2.8: Mô tả thời gian phục hồi khi diode đổi trạng thái. ...................................... 32  Hình 2.9: Dạng sóng dòng và áp trên diode trong quá trình đóng ngắt. ...................... 33  Hình 2.10: Cấu tạo và ký hiệu transistor NPN và PNP. .............................................. 34  Hình 2.11: Hình dạng thực tế tượng trưng cho Transistor .......................................... 35  Hình 2.12: Đặc tuyến V-A khi BJT phân cực............................................................. 35  Hình 2.13: Mô tả dạng sóng điện áp và dòng của BJT đóng cắt theo thời gian. .......... 36  Hình 2.14: Mạch tăng cường kích đóng. .................................................................... 37  Hình 2.15: Mô tả mạch kích ngắt cho BJT. ................................................................ 38  Hình 2.16: Minh họa mạch bảo vệ cho BJT. .............................................................. 38  Hình 2.17: Mạch cách ly dùng máy biến áp xung....................................................... 38  Hình 2.18: Mạch cách ly dùng optron. ....................................................................... 39  Hình 2.19: Cấu tạo FET. ............................................................................................ 39  Hình 2.20: Phân loại FET. ......................................................................................... 40  Hình 2.21: Ký hiệu các loại FET................................................................................ 40  Hình 2.22: Ảnh thực tế của MOSFET........................................................................ 40  Hình 2.23: Mạch phân cực của FET........................................................................... 41  Hình 2.24: Họ đặc tuyến của FET. ............................................................................. 41  Hình 2.25: Mạch kích đóng........................................................................................ 41  Hình 2.26: Mạch kích ngắt......................................................................................... 42  Hình 2.27: Ký hiệu và mạch tương đương của IGBT. ................................................ 42  Hình 2.28: Hình ảnh tượng trưng của IC tích hợp. ..................................................... 43  12    Chương 1   Hình 2.29: Mô tả cấu tạo, kí hiệu và mạch tương đương của  SCR. ........................... 43  Hình 2.30: Hình dạng thực tế và các thông số của linh kiện SCR .............................. 44  Hình 2.31: Đặc tính tĩnh V-A của SCR. ..................................................................... 44  Hình 2.32: Mô tả đặc tính động (thời gian đóng và thời gian ngắt của SCR). ............. 46  Hình 2.33: Mạch bảo vệ cho SCR.............................................................................. 47  Hình 2.34: Mô tả mạch kích dùng máy biến áp xung. ................................................ 47  Hình 2.35: Mô tả mạch kích có bộ phận cách ly cho SCR.......................................... 47  Hình 2.36: Mô tả mạch kích SCR trực tiếp. ............................................................... 48  Hình 2.37: Mô tả cấu tạo, kí hiệu, mạch tương đương của SCS.................................. 49  Hình 2.38: Mạch dao động tích thoát. ........................................................................ 50  Hình 2.39: Mô tả  kí hiệu và mạch tương đương của GTO......................................... 51  Hình 2.40: Đặc tuyến V-A của GTO.......................................................................... 52  Hình 2.41: Mạch tương đương của GTO.................................................................... 52  Hình 2.42: Mạch bảo vệ cho GTO. ............................................................................ 52  Hình 2.43: Mạch bảo vệ dòng sự cố ngắn mạch. ........................................................ 53  Hình 2.44: Mô tả kí hiệu, mạch tương của Triac. ....................................................... 55  Hình 2.45: Mô tả đặc tính V-A của TRIAC. .............................................................. 56  Hình 2.46: Mô tả cấu tạo, kí hiệu, mạch tương đương của Diac. ................................ 54  Hình 2.47: Mô tả đặc tuyến V-A của Diac. ................................................................ 54  Hình 2.48: Mô tả mạch ứng dụng của Diac. ............................................................... 55  Hình 3.1: Phân loại bộ chỉnh lưu................................................................................ 63  Hình 3.2: Sơ đồ chỉnh lưu một pha bán kỳ dùng 1 diode............................................ 65  Hình 3.3: Dạng sóng chỉnh lưu được mô phỏng bằng phần mềm PSIM từ hình 3.2 khi  đã gắn tụ lọc và tải là thuần trở. ................................................................................. 65  Hình 3.4: Dạng sóng chỉnh lưu được mô phỏng bằng phần mềm PSIM từ hình 3.2 khi  chưa gắn tụ lọc và tải là thuần trở. ............................................................................. 66  Hình 3.5: Sơ đồ chỉnh lưu một pha toàn kỳ dùng 2 diode........................................... 67  Hình 3.6: Dạng sóng chỉnh lưu được mô phỏng bằng phần mềm PSIM từ hình 3.5 khi  chưa gắn tụ lọc và tải sử dụng là thuần trở. ................................................................ 68  Hình 3.7: Sơ đồ chỉnh lưu một pha cầu dùng diode.................................................... 69  Hình 3.8: Dạng sóng chỉnh lưu được từ hình 3.7 khi chưa gắn tụ lọc. ........................ 69  Hình 3.9: Dạng sóng chỉnh lưu được từ hình 3.7 khi đã gắn tụ lọc. ............................ 69  Hình 3.10: Dạng sóng chỉnh lưu đối với tải RE khi có E =50v, R =100  .................. 70  Hình 3.11: Dạng sóng chỉnh lưu đối với tải RLE khi có E =50v, L=0.05H, R =100  70  Hình 3.12: Dạng sóng chỉnh lưu đối với tải RLE khi có E =50v, L=0.11H ................ 71  Hình 3.13:  Sơ đồ chỉnh lưu ba pha cầu dùng 3 diode. ............................................... 74  13    Chương 1   Hình 3.14: Dạng sóng chỉnh lưu được từ hình 3.13 khi chưa gắn tụ lọc. .................... 74  Hình 3.15: Sơ đồ chỉnh lưu ba pha cầu dùng diode. ................................................... 76  Hình 3.16: Dạng sóng chỉnh lưu được từ hình 3.15 khi chưa gắn tụ lọc. .................... 77  Hình 3.17: Sơ đồ chỉnh lưu một pha bán kỳ dùng 1 SCR. .......................................... 85  Hình 3.18: Dạng sóng chỉnh lưu được từ hình 3.17 khi chưa gắn tụ lọc. .................... 85  Hình 3.19: Sơ đồ chỉnh lưu một pha cầu dùng 4 SCR. ............................................... 86  Hình 3.20: Dạng sóng chỉnh lưu được từ hình 3.19 khi chưa gắn tụ lọc. .................... 87  Hình 3.21: Sơ đồ chỉnh lưu 3 pha hình tia dùng SCR. ................................................ 90  Hình 3.22: Dạng sóng chỉnh lưu được từ hình 3.21 khi chưa gắn tụ lọc. .................... 90  Hình 3.23: Sơ đồ chỉnh lưu ba pha cầu dùng SCR...................................................... 91  Hình 3.24: Dạng sóng chỉnh lưu được từ hình 3.23 khi chưa gắn tụ lọc. .................... 92  Hình 3.25: Sơ đồ chỉnh lưu ba pha cầu không đối xứng. ............................................ 92  Hình 3.26: Dạng sóng chỉnh lưu được từ hình 3.25 khi chưa gắn tụ lọc. .................... 93  Hình 4.1: Mô tả sơ đồ khối của bộ biến đổi DC-DC................................................. 104  Hình 4.2: Mô tả giá trị công suất của các loại mạch. ................................................ 104  Hình 4.3: Mô tả nguồn dc loại nguồn dòng và nguồn áp. ......................................... 105  Hình 4.4: Sơ đồ khối của mạch giảm áp................................................................... 106  Hình 4.5: Mô tả chu kỳ làm việc của mạch điều khiển. ............................................ 106  Hình 4.6: Mô tả mạch làm việc ở chế độ tăng áp...................................................... 108  Hình 4.7: Mô tả cấu tạo của bộ H............................................................................. 108  Hình 4.8: Mô tả hai dạng sóng tạo ra từ mạch kích dùng để kích cho SP, SC  của mạch ở  hình 4.7.................................................................................................................... 109  Hình 4.9: Mạch tạo sóng vuông bằng Op-Amp. ....................................................... 110  Hình 4.10: Sơ đồ mạch tương đương của R4. ........................................................... 110  Hình 4.11: Mạch tạo sóng vuông bằng cổng NAND. ............................................... 111  Hình 4.12: Mạch tạo sóng vuông bằng IC 555. ........................................................ 111  Hình 4.13: Sơ đồ nguyên lý  và giản đồ kích đóng bộ biến đổi kép dạng mạch cầu.. 112  Hình 4.14: Dạng sóng áp và dòng điện khi được kích công tắc theo giản đồ hình 4.13 ................................................................................................................................ 113  Hình 4.15: Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi kép dạng đảo dòng. .................................... 114  Hình 4.16: Dạng sóng điện áp và dòng điện của giản đồ đóng kích công tắc S1, S4. 114  Hình 4.17: Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi kép dạng đảo áp. ........................................ 115  Hình 4.18: Giản đồ kích đóng các công tắc và đồ thị điện áp trên tải. ...................... 115  Hình 4.19: Sơ đồ nguyên lý  của bộ biến đổi công suất. ........................................... 116  Hình 4.20: Mạch converter dùng bộ biến đổi đẩy kéo. ............................................. 119  Hình 4.21: Mạch lọc điện áp ngõ vào....................................................................... 120  14    Chương 1   Hình 4.22: Mạch lọc điện áp ngõ ra. ........................................................................ 121  Hình 5.1: Sơ đồ khối mô tả bộ biến đổi AC-AC....................................................... 129  Hình  5.2:  Mạch  biến  đổi  điện  áp  xoay  chiều  thông  qua  tín  hiệu  điều  khiển  từ  mạch  điều khiển. ............................................................................................................... 129  Hình 5.3: Mô tả dạng sóng của hình 5.1 với tần số điều khiển là 100hz . ................. 130  Hình 5.4: Mô tả dạng sóng của hình 5.1 với tần số điều khiển là 1000hz. ................ 130  Hình 5.5: Bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha. .................................................... 133  Hình 5.6: Dạng sóng điện áp điện áp trên tải thuần trở R. ........................................ 133  Hình 5.7: Dạng sóng điện áp điện áp trên tải thuần trở RL....................................... 134  Hình 5.8: Dạng sóng áp ra từ sơ đồ hình 5.1 bằng phương pháp điều khiển pha....... 134  Hình 5.9: Dạng sóng điện áp và dòngđiện trên tải khi dùng phương pháp điều khiển tỉ  lệ thời gian............................................................................................................... 135  Hình 5.10: Sơ đồ minh họa relay bán dẫn SSR......................................................... 136  Hình 5.11: Sơ đồ cơ bản làm dimmer....................................................................... 136  Hình 6.1: Sơ đồ khối biến tần gián tiếp. ................................................................... 144  Hình 6.2: Sơ đồ đặc trưng của bộ nghịch lưu một pha dùng ..................................... 146  Hình 6.3: Sơ đồ đặc trưng của nghịch lưu một pha cầu dùng  SCR. ......................... 147  Hình 6.4: Mô tả loại nghịch lưu dòng và áp. ............................................................ 148  Hình 6.5: Sơ đồ động lực của nghịch lưu áp 3 pha. .................................................. 148  Hình 6.6: Bộ nghịch lưu áp một pha dạng mạch cầu. ............................................... 151  Hình 6.7: Dạng sóng kích và điện áp, dòng điện trên tải. ......................................... 152  Hình 6.8: Sơ đồ cấu trúc của hệ điều khiển trong bộ biến tần sử dụng PWM. .......... 159  Hình 6.9: Mạch so sánh điều chế PWM. .................................................................. 160  Hình 6.10: Sóng dạng điện áp ngõ ra. ...................................................................... 160  Hình 6.11: Nghịch lưu 6 bước.................................................................................. 160  Hình 6.12: Kết quả của dạng sóng nghịch lưu. ......................................................... 161  Hình 6.13: Giản đồ vector điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu. ................................... 163  Hình 6.14: Quỹ đạo của vector không gian sẽ tròn hơn khi tăng tần số chuyển mạch. ................................................................................................................................ 164  Hình 6.15: Vector không gian được tính theo các vector cơ bản. ............................. 165  Hình 6.16: So sánh điều chế PWM kinh điển với điều chế vector không gian. ......... 166  Hình 6.17: Phương thức so sánh tạo xung đóng cắt trong điều chế vector không gian. ................................................................................................................................ 167  Hình 6.18: Sơ đồ khối trình bày nguyên lý làm việc của phương pháp điều chế vector  không gian (SVPWM). ............................................................................................ 168  Hình 6.19: Sơ đồ khối bên trong của biến tần. ......................................................... 168  15    Chương 1   Hình 6.20: Sơ đồ chi tiết mạch công suất của biến tần. ............................................ 169  Hình 6.21: Bộ lọc nhiễu AC..................................................................................... 170  Hình 6.22: Bộ chỉnh lưu 3 pha ngõ vào.................................................................... 171  Hình 6.23: Bộ lọc nhiễu DC..................................................................................... 171  Hình 6.24: Bộ nghịch lưu......................................................................................... 172  Hình 6.25: Các tụ lọc nhiễu AC ngõ ra. ................................................................... 173  Hình 6.26: Board nguồn và Board kích cho bộ nghịch lưu. ...................................... 173  Hình 6.27: Board xử lý và điều khiển, board vào/ra. ................................................ 173  16    Chương 1   DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU   Bảng 1.1: Thống kê bộ biến đổi điện tử. ................................................................ 18  Bảng 2.1: Mô tả một số thông số của diode. .......................................................... 34                                      17    Chương 1   CHƯƠNG 1: CÁC HỆ THỨC VÀ KHÁI NIỆM CƠ BẢN   1.1. Khái niệm Điện  tử  công  suất:  là  công  nghệ  biến  đổi  điện  năng  từ  dạng  này  sang  dạng  khác  trong đó các phần tử bán dẫn công suất đóng vai trò trung tâm.  Môn điện tử công suất (tiếng anh: Power Electronics), được xem là một phần của  tên gọi điện tử ứng dụng hay điện tử công nghiệp [1], [2]. Hầu hết các sơ đồ chỉnh lưu trong chương này thường thấy ở các thiết bị điện tử   như tivi, đầu máy, thiết bị lưu trữ điện, biến tần,…Phần điện tử công suất này còn gọi  là bộ biến đổi điện tử. Bộ biến đổi điện tử thường gặp có chức năng biến đổi.  Bảng 1.1: Thống kê bộ biến đổi điện tử. Bộ biến đổi điện tử thường gặp Chức năng biến đổi của bộ biến đổi AC  DC  Khâu chỉnh lưu  DC  DC  Khâu điều chỉnh điện áp một chiều  AC  AC  Khâu điều chỉnh điện áp xoay chiều  DC  AC  Khâu nghịch lưu  Trong đó: AC là Alternating Current; DC là  Direct Current.   Bộ biến đổi điện tử thường có hai phần:   ♦  Phần động lực  còn  gọi  là  mạch  điện  tử  công  suất.  Các  linh  kiện  trong  mạch  thường làm việc ở chế độ đóng hoặc ngắt [1], [2].  ♦ Phần điều khiển  còn  gọi là  mạch  điều  khiển hay  bộ phát xung.  Phần  này  đóng  ngắt theo quy luật của chúng ta mong muốn. Bộ phát xung có thể điều khiển bằng tín  hiệu dòng hay áp.   1.2. Đối tượng khảo sát và kết đạt được trong quá trình khảo sát Đối tượng khảo sát và kết đạt được [1], [2] - Đối tượng cần khảo sát gồm:  ♦ Mạch điện tử công suất (các sơ đồ chuyển đổi năng lượng).  ♦ Bộ điều khiển.  ♦ Đặc tính phụ tải (tải trở, tải mang cảm,...) - Kết quả mong muốn đạt được:   ♦ Hình dạng điện áp trên tải và dòng điện của tải.   ♦ Định tính và định lượng của mỗi sơ đồ nghiên cứu.   18    Chương 1   1.3. Các đại lượng cơ bản và hệ thức liên quan 1.3.1. Giá trị trung bình của một đại lượng Đại lượng tức thời trong mạch điện như biểu thức điện áp u(t), dòng điện i(t), công  suất p(t) ....Chúng biến thiên tuần hoàn theo thời gian với chu kỳ Tc  (c: cycle). Thông  thường trong quá trình vận hành, thiết kế máy móc người ta chú ý đến các đại lượng  trung bình (kí hiệu: Uav, Iav, Pav, av: average), giá trị hiệu dụng (kí hiệu: U=Urms, I=Irms,  P= Prms … ),  hay giá trị cực đại đỉnh (kí hiệu: Um, Im, Pm…. ) [1],[2], [3].  Cách tính một đại lượng trung bình nào đó đang xét đến bằng cách lấy tích phân  Ví dụ 1.1: Cho hàm như sau:     100 v khi 0  t  0, 01  u (t )      0 v khi 0, 01  t  0, 02  Với u(t) được hiểu dưới dạng sóng như hình 1.1. Hãy tìm trị trung bình điện áp cho  bởi hệ thức?      100v        0,01s    0,02 Hình 1.1: Dạng sóng điện áp u(t). Giải: Dựa trên hình 1.1 ta áp dụng công thức:   U av  1 Tc t 0  Tc  u ( t ). dt      (1.1)  t0 Thay số từ hình 1.1 ta có:   1 0, 02 0 ,02  0 1 u ( t ).dt  0, 02 0 ,01  100.dt  50(V )   0 Lưu ý: u (t ) là một hàm theo thời gian, nó có thể là hàm điều hòa hay hàm rời rạc.  Công việc lấy tích phân lượng giác hay rời rạc được học ở lớp 12 hay toán cao cấp ở  cao đẳng, đại học.  Ví dụ 1.2: Nguồn  điện  áp  xoay  chiều  Việt  Nam  có  dạng  u (t )  220 2 .Sin314t ( f  50 hz ) được chỉnh lưu qua sơ đồ 1 diode với kết quả dạng sóng như hình 1.2. Hãy  tìm điện áp trung bình ngõ ra?      19    Chương 1     220 2 v          t  Tc = 0,02s    3 14(rad / s ) Hình 1.2: Dạng sóng điện áp chỉnh lưu. Giải: U av 1  Tc t 0  Tc 1 t u ( t ).dt  0 ,02 0 0 , 02 1 0 u (t ).dt  0 ,02 0 , 01  220 . 2 . sin 314 .t .dt   0  U av     1 2   220 . 2 . sin  t .d  t  0 2 2 2  220 . 2 . sin  t .d  t  0 2  220 . 2 . (  cos  1) 2 2   U av  0, 45 * 220  98, 79(V dc )   Đối với công suất trung bình:  Pav  1 Tc t 0  Tc  u ( t ). i ( t ) hoặc   P av  U av *I av   t0 Trong trường  hợp  dòng điện qua  tải hay  điện  áp  đặt  trên  tải không thay đổi  theo  thời gian thì i = const = Iav và u = const = Uav   1.3.2. Giá trị hiệu dụng của một đại lượng [1], [2] Giá trị hiệu dụng của một đại lượng Y nào đó biến thiên tuần hoàn theo thời gian  với chu kỳ Tc (với Y là đại lượng như I, U, P ...) thì giá trị hiệu dụng của đại lượng đó  là Y và được tính theo công thức sau:   Y rms =  1 Tc t0  T  c q 2 . dt     ( 1.2 )   t0 Trong đó  rms  ký hiệu giá trị trung  bình  (root  mean  square),  Y  là ký  hiệu  chung  cho đại lượng nào đó ta cần tính như U, I, P…. hay Urms, Irms , Prms …..  Ví dụ 1.3: Cho nguồn điện Việt Nam có dạng:  U (t )  220 2.Sint . Hãy tìm giá trị  hiệu dụng của điện áp?  Giải: Theo công thức (1.2) ta có:  U rms  1 t0 Tp 2 1 2 .  u .dt  .  U .sin X Tp t0 2 0 m   2 .dX   Lấy tích phân ta thu được kết quả:   U rms  Um 2  220 V    20    Chương 1   Ví dụ 1.5: Xét quá trình dòng điện trên hình 1.3. Hãy tìm trị trung bình dòng điện  cho bởi hệ thức?   Hình 1.3: Quá trình dòng điện Giải: Trị trung bình dòng điện cho bởi hệ thức:  Id  1 0.5 1 0.3 i t . dt      10.dt  6( A)   0.5 0 0.5 0 Ghi chú:  Trong  nhiều  trường  hợp,  thực  hiện  tích  phân  theo  hàm  biến  thời  gian  phức tạp hơn thực hiện tích phân  theo biến góc X  với X cho bởi hệ thức:   X=  .t  Với    là tần số góc nào đó xác định.  Khi ấy, trị trung bình đại lượng theo góc X tính theo hệ thức  1 Id  Tp t0 T p 1  i  t .dt  Xp t0 X0 X p  i  X .dX   X0 Với  X0 =   .t0;  Xp=   .Tp; X =   .t; dX =   d(.t)   Ví dụ 1.6: Tính trị trung bình điện áp chỉnh lưu của bộ chỉnh lưu cầu 1 pha không  điều khiển như hình 1.4. Hàm điện áp chỉnh lưu có dạng:   U = U m . sin  ω.t  ; với  U m = 220 2(V) ;  ω = 314(rad / s)   21    Chương 1     Hình 1.4: Dạng sóng điện áp chỉnh lưu. Giải:  Dễ dàng thấy rằng, chu kỳ của dạng áp trên là Tp = 0.01(s)  Đặt X = 314.t; Xp = 314.0,01= π (rad)  Ta có:   Ud = 1 Xp X0 +X p  X0 u(X).dX = 1π  220 2.sinX.dX = 198(V)   π0 1.4. Những tải thường gặp cần xét đến [1], [2] 1.4.1. Tải R thuần Thực tế tải này thường gặp như bóng đèn sợi đốt, điện trở dùng để tạo nhiệt, bàn  là…  Điện áp tức thời trên tải là UR = R.iR Điện áp trung bình trên tải là Uav  = R.Iav  Tính chất: Dòng điện và điện áp của tải cùng pha nhau. Hệ số công suất bằng 1.  1.4.2. Tải L thuần Thực tế ít gặp nhưng trong lý thuyết thường phải tính toán  Điện áp tức thời trên tải là:  U L  L. diL .   dt Tính chất: Điện áp trên cuộn dây L thuần cảm nhanh pha hơn dòng điện của nó một  góc  90 0   Nếu ta xét đến chế độ xác lập – tức là lúc trong mạch không có sự biến thiên của  dòng điện thì diL/dt = 0  Uav= 0V  1.4.3. Tải RL (Tải R nối tiếp L) Tải này thường gặp ở mạch kích từ của máy điện một chiều, máy phát điện đồng  bộ hay cuộn điện trở ....Điện áp trên tải là:  U t  R.it  L. dit    dt 22    Chương 1   Điện  áp  trên  tải  R  nối  tiếp  L  nhanh  pha  hơn  dòng  điện  của  nó  một  góc  nhỏ  hơn  90 0 và lớn hơn không độ.  1.4.4. Tải RLE nối tiếp Tải này thường gặp ở động cơ  điện một chiều.  Điện áp trên tải là:  U t  R.it  L. dit  E ; E là sức phản điện động trong động cơ.  dt 1.5. Phân tích Fourier cho một đại lượng tuần hoàn không sin thường áp dụng trong điện tử công suất [2], [3]   Hình 1.5: Mô tả các thành phần thường tồn tại trong hệ thống tín hiệu, chuổi Fourier của tín hiệu dao động tuần hoàn. Giả  sử  đại  lượng  dòng  điện  I  tuần  hoàn  nhưng  không  sin  thì  theo  Fourier  có  thể  triển khai thành tổng các đại lượng thành phần của nó và bằng:     i (t )  I av  (A k sin k .t  Bk . cos k .t )                                    (1.3 )  k 2 Với Ak  1  2  i(t ). sin(k.t )dt ;  B 0 k  1  2  i(t ). cos(k.t )dt   0 Vậy biên độ sóng hài bậc k của đại lượng dòng  ik  I k sin(k .t   k ) được xác định:          I ( k )  1  2 1  Ak  2 Ak2  Bk2 ;   k  tg   ;  I rms  I av   I k   2 k 1  Bk     (1.4)  Trong đó: I av  là trị số trung bình (thành phần một chiều) của i(t)  ik là biểu thức sóng hài bậc k nó có tần số  k .    I k ,   k lần lượt là biên độ và góc lệnh pha của sóng hài bậc k  I rms  là trị hiệu dụng của  i (t )   Tương tự cho các đại lượng khác xuất hiện khi mạch điện công suất hoạt động   23    Chương 1   1.6. Một số vấn đề về công suất [1], [2] [3] Mạch điện trong thực tế thì công suất toàn phần ngõ ra là:   T  1 1 1 P   v (t ).i (t ).dt  P0  V1.I1.Cos1   VK .I K .Cos k   T 0 2 k 2 2 Trong đó: Công suất một chiều là  P0  V av . I av do điện áp và dòng điện trung bình tạo ra.  Công suất  P1  1 V1.I1.Cos1  là do điện áp  V1 , dòng điện  I1 và  cos 1 tạo ra.  2  1 P  Công suất  k  VK .I K .Cos k  do sóng hài bậc cao (khi  k  2,3,4... ) tạo ra.  k 2 2 Vì vậy thành phần do sóng hài bậc cao gây ra trong mạch điện là các trị số không  mong muốn của bất kỳ mạch điện nào. Do đó quá trình thiết kế, hiệu chỉnh …người ta  cần phải loại bỏ nó càng nhiều thì càng tốt cho mạch điện.  Có ba loại sinh ra hài bậc cao: có thể do chính mạch điện thiết kế gây ra hài hoặc  do tải của chúng thay đổi, chế độ vận hành hoặc do cả hai.  Hệ số công suất: PF (Power Factor) PF  P  cos    S                                               (1.6)  Nếu mạch điện hoạt động tuyến tính thì:  P  m * U * I * Cos  là công suất tiêu thụ với m là số pha.   Q  m * U * I * Sin  là công suất phản kháng với m là số pha.   S  m * U * I  là công suất biểu kiến.                             (1.7)  Theo cơ bản của mạch điện ta có  S  P 2  Q 2 ; giá trị S trong trường hợp này là  mạch  điện  đang  xét  không  có  đại  lượng  nào  biến  dạng.  Điều  này  là  lý  tưởng,  trong  thực tế thường xuất hiện ít nhất một thông số thay đổi có thể là do nhiều nguyên nhân  khác nhau, có thể ảnh hưởng từ bên ngoài mạch hay chính bản thân của mạch điện đó  hay  do  tính  chất  đóng  ngắt  các  linh  kiện  công  suất  gây  nên  công  suất  bị  biến  dạng.  Chính các nguyên nhân trên gây ra sóng hài bậc cao của dòng điện. Tùy theo tính chất  mức độ hài xuất hiện mà mức độ biến dạng khác nhau. Giá trị méo biến dạng này gọi  là công suất ảo D (Deformation) thường tồn tại trong mạch điện. Những tồn tại này mà  có rất nhiều công trình nghiên cứu nhằm giảm thiểu sóng hài. Vì vậy công suất biểu  kiến S ở công thức (1.7) sẽ là:   2 2 2 2 (1) S  (mU . .I )  m .U ( I  I 2 (2) 2 2 2 (1) 2 2  ...)  m .U .I  m .U . I (2k )  (1.8)  k 2 24