Bài giảng Điện tử công suất và ứng dụng - Chương 1: Mở đầu

Slides ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 2 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi Điện Tử Công Suất và Bộ Biến Đổi: - Các tên gọi: Môn học ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT và ỨNG DỤNG Điện tử công suất (Power Electronics) ( Mạch điện tử công suất, điều khiển và ứng dụng ) Điện tử công suất lớn. Kỹ thuật biến đổi điện năng. BBĐ - ĐTCS: bộ phận của Điện tử ứng dụng hay Điện tử công nghiệp. - Phân loại các bộ Biến Đổi (BBĐ - Converter) theo mục đích: AC --> DC: chỉnh lưu AC --> AC: BBĐ áp AC, Biến tần. DC --> DC: BBĐ áp DC DC --> AC: Nghịch lưu - Bộ Biến Đổi = Mạch ĐTCS + bộ ĐIỀU KHIỂN - Tải: Các thiết bị, mạch sử dụng năng lượng điện: R, RL, động cơ.. 3 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 4 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi VAI TRÒ CỦA ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT: - Cung cấp, biến đổi năng lượng: Năng lượng mặt trời, gió, accu (hóa năng) Đèn LED, huỳnh quang (neon) Tài liệu tham khaœo: Bộ nguồn một chiều (DC) - tiếng Anh: - M.H. Rashid, POWER ELECTRONICS – Circuits, - Bộ phận chấp hành cho HT điều khiển: devices and applications, Pearson Education Inc., Pearson Prentice Hall 2004. Nhiệt độ - tiếng Việt: - PTS. Nguyễn văn Nhờ, Điện tủ công suất & Bài Động cơ: công nghiệp, robot tập, ĐHBK TP HCM CÁC BÀI TOÁN: - NGUYỄN BÍNH, Điện tủ công suất, Hànội, nhà - Điều khiển ngỏ ra: Áp dòng Ỉ đặc tính tải (tốc độ, vị trí, xuất bản KHKT nhiệt độ) - Điện tử công suất và điều khiển động cơ điện, - Hiệu suất biến đổi năng lượng (dịch từ tiếng Anh) 5 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 6 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi Nội dung: Chương 1: Mở đầu ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔN HỌC: Chương 2: Linh kiện điện tử công suất Bài thi cuối kỳ 60% Chương 3: BBĐ điều khiển pha Chương 4: BBĐ áp một chiều Kiểm tra giữa kỳ 20% Chương 5: Nghịch lưu và biến tần nguồn áp Bài tập : 20% Chương 6: Bộ nguồn một chiều Chương 7: Điều khiển động cơ - tải tài liệu tham khảo, softwares: - chương trình mô phỏng PSIMDEMO (mới nhất): - BKel môn học: Bài giảng – slides môn học, Bài tập 7 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 8 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi I.1 CÁC KHÁI NIỆM: Chương 1: Mở đầu 1. Bộ Biến Đổi: - Mạch ĐTCS sử dụng Ngắt Điện Bán Dẫn NĐBD (Ngắt 1.1 Khái niệm chung: Bộ biến đổi và ngắt điện điện tử Điện Điện Tử – SEMICONDUCTOR SWITCH) 1.2 Nội dung và phương pháp khảo sát mạch điện tử Ví dụ về Ngắt Điện Điện Tử: Diod, Transistor, SCR ... công suất - BBĐ còn có thể phân loại theo phương thức hoạt động của NĐBD. 1.3 Tính chọn linh kiện công suất 2. Ngắt điện bán dẫn: 1.4 Bảo vệ linh kiện công suất và bộ biến đổi Là các linh kiện điện tử: - Làm việc trong chế độ đóng ngắt. - Được lý tưởng hóa để các khảo sát của mạch ĐTCS có giá trị tổng quát. 9 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 10 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi - DIODE ( chỉnh lưu ): - SCR ( Chỉnh lưu có điều khiển ): ON : khi phân cực thuận: VAK > 0, sụt áp thuận VF = 0, dòng phụ thuộc mạch. OFF : Có thể ngắt mạch hai chiều ( VAK > 0 và VAK < 0 ) khi G = 0. ON : Dẫn điện (đóng mạch) khi G ≠ 0 và phân cực thuận VAK > 0. OFF : khi phân cực ngược: VAK < 0, hở mạch. SCR có khả năng tự giữ trạng thái dẫn điện: khi đã ON, SCR chỉ OFF khi IA -> 0. G G Diode NDBDMC SCR Diode NDBDMC SCR 11 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 12 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi - Ngắt điện bán dẫn một chiều (NĐBDMC) - gọi tắt là ngắt điện hay I.2 NỘI DUNG KHẢO SÁT MẠCH ĐTCS: TRANSISTOR: Đầu vào khảo sát : Mạch ĐTCS + tín hiệu điều khiển NĐBD + tải. VS luôn luôn > 0 : không phân cực ngược Đầu ra: hoạt động của mạch: u(t), i(t) các phần tử OFF : Ngắt mạch khi G = 0. Số đo => Các đặc trưng áp, dòng, công suất ON : Dẫn điện (đóng mạch) khi G ≠ 0 Có hai loại chính : 1. Các đặc trưng áp, dòng: BJT (G là dòng cực B), MOSFET công suất (G là áp VGS). - Giá trị cực đại: Trong thực tế, NGẮT ĐIỆN là linh kiện hay tổ hợp linh kiện điện tử. - Giá trị trung bình VO, IO - Giá trị hiệu dụng VR, IR Các biểu thức cho dòng điện trung bình và hiệu dụng: G 112 IOR==i(t)dt ; I⎡⎤ i(t) dt TT∫∫TT⎣⎦ Diode NDBDMC SCR Biểu thức cho điện áp VO, VR có dạng tương tự. - Một số nhận xét về qua hệ HD và TB 13 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 14 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 2. Sóng hài bậc cao và hệ số hình dáng: Phân tích các thành phần Fourier tín hiện răng cưa (o). Sóng hài bậc 1 (cơ bản) (a), bậc 2 (b), bậc 3 (c) và tổng (d) = (a)+(b)+c). Tổng hợp các thành phần Fourier xung vuông đến các sóng hài (harmonics) khác nhau 15 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 16 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi Khai triễn FOURIER dạng áp ra (làm việc có chu kỳ): Hệ số hình dạng (form factor): Giá trị hữu dụng: ∞∞ tỉ số giữa giá trị hữu dụng DC: trị số trung bình UO vt( )=+ VOn∑∑ ( A sin nω t + B n cos nωωϕ t ) =+ V Onnnn v với v = V sin( n t − ) nn==11 và giá trị hiệu dụng. AC: trị số hiệu dụng hài bậc 1 là U1R 22 AvtntdtBvtntdt=⋅⋅=⋅⋅ ( ) sinωω ( ) cos và thường được tính cho bộ biến đổi có ngỏ ra xoay chiều: nnTT∫∫TT U U1R : trị số hiệu dụng sóng hài bậc 1 (cơ bản) áp ra ⎡⎤A 1 ∞ KF = 1R 22− 1n 2 2 AC UR : trị số hiệu dụng áp ra VABnnn=+ ϕ n = tg⎢⎥ VV Ro =+∑ V n U R ⎣⎦Bn 2 n=1 trong đó : Độ biến dạng (THD - TOTAL HARMONIC DISTORTION): Độ biến dạng thường biểu diễn theo % UU22− V0 : trị số trung bình ( thành phần một chiều ) của v(t) THD = RR1 U ω : tần số góc của v(t), chu kỳ T=ω/2π . 1R vn: sóng hài bậc n – có tần số nω Ta cũng có thể định nghiã tương tự với bộ biến đổi có ngỏ ra một chiều: U U : trị số trung bình áp ra An , Bn : các thành phần sin, cos của sóng hài bậc n o O KFDC = U R UR : trị số hiệu dụng áp ra Vn , ϕn : biên độ và lệch pha của sóng hài bậc n . UU22− VR : Trị hiệu dụng của v(t). THD = Ro U o 17 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 18 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 3. Công suất và hệ số công suất: 4. Phương pháp nghiên cứu mạch: - Công suất tác dụng (trung bình) P hay PO : năng lượng sử Mạch điện tử công suất = tổ hợp nhiều mạch tuyến tính thay dụng trong một đơn vị thời gian. đổi theo trạng thái của các ngắt điện - Công suất biểu kiến S : tích số giá trị hiệu dụng dòng và áp Ví dụ 0: Khảo sát chỉnh lưu 1 diod tải RL có D phóng điện D1 i i i i - Hệ số công suất HSCS hay cos ϕ : cho biết hiệu quả sử dụng o o o o năng lượng. R v R R R D2 v v v v 1 P o o o o P = v(t) ⋅ i(t) ⋅ dt S = VR ⋅ I R HSCS = cosϕ = L L L L T ∫T S v => chỉ có tải thuần trở có HSCS bằng 1. (a) (b) (c) (d) Mạch chỉnh lưu Ở bán kỳ v > 0, Khi D2 dẫn Khi dòng iO = bán sóng có diod D1 dẫn dòng iO điện, D1 0 tương ứng phóng điện D2, v là > 0 không dẫn: v không có diod nguồn xoay chiều. < 0 và dòng dẫn điện. iO > 0. 19 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 20 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi b. Giải mạch ĐTCS bằng PT vi phân hay biến đổi Laplace: − ωt = π : dòng iIo= > 0 phóng qua diod phóng điện D2 : i o o Giải mạch điện theo t (lưu ý trạng thái các ngắt điện) dio 00= Ri.()ooo+= L điều kiện đầu i I (lấy lại gốc thời gian). Ví dụ1: Giải ví dụ 0 để mô tả hoạt động của mạch. i R o dt v o Áp nguồn vVwt= 2 sin , điều kiện đầu t = 0; iO = 0 v R L v − ωt = 0 : v > 0, D1 dẫn điện, mạch điện hình (b): o L phương trình vi phân: (c) dio vRiL=+. oo điều kiện đầu i =0 (b) dt −t τ −π ⎡ −t ⎤ wτ V 2 τ => iIeoo= . . Ở đầu chu kỳ kế iIeoo= . => I1 0 => iteo =−+⋅⎢sin(ωφ ) sin φ ⎥ Z ⎣ ⎦ Chu kỳ kế tiếp điễn ra tương tự với dòng ban đầu iO = I1 > 0 cho 212 wL với τ = L , tổng trở tải Z=+ R()ωφ L ,góc pha = tg- R R đến khi đạt chế độ xác lập (TỰA XÁC LẬP). TỰA XÁC LẬP: Khi các dòng áp thay đổi có chu kỳ, giá trị đầu và giá trị cuối chu kỳ bằng nhau. 21 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 22 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi b. Giải chu kỳ tựa xác lập mạch ĐTCS bằng PT vi phân hay biến đổi Laplace: Ví dụ 2: Giải tiếp tục ví dụ 1 ở chế độ tựa xác lập. R1 D1 i i o o 100 ohm v R v R C1 R2 D2 v v 1 microF 100 ohm o o v L L (a) (b) Hình vd2: Mạch RC cung cấp bằng xung vuông t = 0 : D1 dẫn điện, phương trình vi phân mô tả mạch điện là: - Khảo sát hoạt động trong một chu kỳ với giả sử các giá trị dio vRiL=+. oo điều kiện đầu i = I1 ban đầu của biến trạng thái của mạch được biết. dt - Nhận được hệ phương trình để tính các thông số cuả dạng ⎡⎤−t VV22τ => itIeo = sin(ωφ−+ )⎢⎥1 − sin φ ⋅ dòng/áp. ZZ⎣⎦ 23 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 24 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi c. Khảo sát dòng áp trên tải bằng nguyên lý xếp chồng: D1 i i Ở bán kỳ kế, D2 cũng dẫn điện: o o Nguyên lý xếp chồng: khai triển Fourier + tính chất tuyến tính dio 00=+Ri.() L điều kiện đầu i = I R R oooD2 v v f ()()()x12+ x=+ fx 1 fx 2 dt o o Hệ tuyến tính: ⎡⎤−π v L L VV22wτ => Giá trị trung bình dòng qua tải bằng tổng: với Io =−+−⋅sin(πφ )⎢⎥Ie1 sin φ ZZ - dòng một chiều do thành phần trung bình áp trên tải. ⎣⎦ (a) (c) - các dòng điện hình sin do sóng hài bậc cao. −t −π τ wτ => iIeoo= . và ở cuối chu kỳ IIe1 = o. , cho phép ta tính I1 và Io từ đó vẽ được dạng dòng iO . Nhận xét: việc rút ra các đặc trưng dòng, áp từ KQ khó khăn. Thực tế ta chỉ cần tính tác dụng của những thành phần có ảnh hưởng lớn (một chiều hay tần số cơ bản). 25 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 26 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi Ví dụ 3: Tính dòng và áp trung bình qua điện trở R2 của mạch điện f. Khảo sát mô hình toán mạch ĐTCS bằng máy tính (dùng chương hình Vd2, áp nguồn v có dạng trên hình Vd2.a, V = 200 volt. trình mô phỏng) hay khảo sát mô hình thực tế trong phòng thí nghiệm: 11TT2/6 V Thuật toán tổng quát để khảo sát mạch ĐTCS bằng máy tính: VvdtVdt==.. = Giải: Trị trung bình áp ra: o ∫∫ Bước mở đầu: Xác định dòng áp qua các phần tử ở thời gian t = 0+ TT003 Bước 1: Dựa vào tín hiệu điều khiển và dòng, áp qua các ngắt điện, => trị trung bình dòng ra IO = (200/3)/200 = 1/3 A và trị trung bình tìm ra các ngắt điện ON áp trên mỗi điện trở tải Vo1 = Vo/ 2 = 33.3 V Bước 2: Thành lập phương trình mô tả mạch. Io R1 Bước 3: Giải phương trình mô tả mạch để tìm ra dòng áp qua các phần V v 100 ohm tử ở t = t + Δ t Vo Bước 4: Khai thác số liệu tính, tăng thời gian hiện tại t Å t + Δ t Vo1 R2 Bước 5: Kiểm tra điều kiện kết thúc khảo sát: t 100 ohm nếu thỏa thì qua bước 6, nếu không trở về bước 1. T Bước 6: Dừng chương trình. Hình Vd2.a: dạng áp nguồn tính Hình Vd2.b: Mạch tương đương với bằng số thành phần một chiều Nhận xét: Việc khảo sát bằng máy tính ứng dụng phương pháp số để giải phương trình vi phân cho ta dòng áp qua các phần tử theo từng sai phân thời gian Δ t. 27 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 28 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi I.3 TÍNH CHỌN NGẮT ĐIỆN ĐIỆN TỬ: - Gần đúng: tính dòng trung bình IO 1. Định mức áp: VDRM > katV * Vlvmax hay hiệu dụng IR Vlvmax : Áp làm việc max. VDRM : Áp khóa. và kiểm tra nhiệt độ vỏ linh kiện. I < định mức trung bình I katV : hệ số an toàn áp ≥ 2. O AVE Hay I < định mức hiệu dụng I 2. Định mức dòng: Cơ sở là tính phát nóng của linh kiện: R RMS D hay SCR: IRMS = 1.57 IAVE Nhiệt độ mối nối θJ < Nhiệt độ cho phép θcp BJT, MosFET: mối nối θJ Ỉ vỏ SCR θC Ỉ tản nhiệt θH Ỉ môi trường θA. IRMS , IAVE là hàm số của dạng dòng điện. tương ứng phương trình: θJ − θA = ΔP ⋅ (R JC + R CH + R HA ) Hệ số an toàn dòng 1.3 – 2. + R : điện trở nhiệt mối nối (Junction) – vỏ (Case) JC - Sử dụng dòng điện làm việc max Cách lắp linh kiện công + RCH: điện trở nhiệt vỏ – tản nhiệt (Heatsink) suất vỏ TO220AB vào tản nhiệt + RHA: điện trở nhiệt tản nhiệt – môi trường (Ambience) Giải mạch ĐTCS => tổn hao công suất ΔP Câu hỏi: - Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tải dòng của linh kiện công suất? Tính toán nhiệt => θJ . 29 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 30 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi I.4 BẢO VỆ LINH KIỆN VÀ BBĐ: 2. Bảo vệ áp: (quá áp dạng xung) 260v 1.Bảo vệ dòng: R4 10k C + Bảo vệ dòng cực đại ( ngắn mạch – quá dòng tức thời): 103 FR105 T i2dt thông sốø ∫T Cầu chì tác động nhanh, Cầu chì thông thường IRF450 CB ( ngắt mạch tự động – Aptomat ) + Bảo vệ quá tải ( quá dòng có thời gian ): CB ( ngắt mạch tự động – Aptomat ), Rơ le nhiệt, Mạch hạn dòng của bộ điều khiển vòng kín