Đồ án: Tìm hiểu các bộ biến đổi công suất sử dụng trong ngành giao thông

Tổng quan về các bộ biến đổi công suất trong ngành giao thông. Phân loại, cấu trúc, nguyên lý hoạt động và các ứng dụng phổ biến hiện nay.

• Tác giả: Lâm Văn Tú
• Người hướng dẫn: GS. TSKH. Thân Ngọc Hoàn
• Trường học: Trường Đại Học Dân Lập Hải Phòng
• Chuyên ngành: Điện Tử Truyền Thông
• Đề tài: Tìm Hiểu Các Bộ Biến Đổi Công Suất Sử Dụng Trong Ngành Giao Thông
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hải Phòng

Tóm tắt

I. Khám phá vai trò bộ biến đổi công suất trong giao thông

Điện tử công suất là nền tảng công nghệ cho việc biến đổi điện năng hiệu quả, đóng vai trò trung tâm trong cuộc cách mạng điện hóa giao thông. Cốt lõi của công nghệ này chính là các bộ biến đổi công suất, hay còn gọi là bộ biến đổi tĩnh (static converter). Các thiết bị này xử lý và điều khiển dòng năng lượng điện, cung cấp điện áp và dòng điện ở dạng phù hợp cho các phụ tải khác nhau. Không giống các máy điện truyền thống hoạt động dựa trên nguyên lý điện từ trường, bộ biến đổi công suất sử dụng các linh kiện bán dẫn công suất như những khóa điện tử. Các khóa này, ví dụ như IGBT và SiC MOSFET, thực hiện việc đóng cắt dòng điện với tốc độ cao mà không gây tia lửa điện hay hao mòn cơ học. Quá trình biến đổi năng lượng nhờ đó đạt hiệu suất chuyển đổi rất cao, vì tổn thất trên các khóa điện tử là không đáng kể. Sự phát triển vượt bậc trong công nghệ bán dẫn đã giúp chế tạo các bộ biến đổi ngày càng nhỏ gọn, đa tính năng và dễ dàng tích hợp. Trong ngành giao thông, đặc biệt là với sự trỗi dậy của xe điện (EV) và xe hybrid (HEV), các bộ biến đổi này trở thành thành phần không thể thiếu. Chúng quản lý mọi luồng năng lượng, từ việc sạc pin đến cung cấp năng lượng cho hệ thống truyền động điện, góp phần tối ưu hóa năng lượng và nâng cao hiệu suất tổng thể của phương tiện. Các ứng dụng tiêu biểu trải dài từ truyền động điện, giao thông đường sắt, cho đến các hệ thống phụ trợ trên xe.

1.1. Tổng quan về công nghệ điện tử công suất hiện đại

Nhiệm vụ chính của điện tử công suất là xử lý và điều khiển dòng năng lượng điện một cách chính xác. Thông qua việc sử dụng các linh kiện bán dẫn công suất, công nghệ này cho phép cung cấp điện áp, dòng điện, và tần số theo đúng yêu cầu của tải. Một hệ thống điều khiển hồi tiếp thường được tích hợp để giám sát đầu ra, đảm bảo giá trị thực tế luôn bám sát giá trị đặt. Ưu điểm vượt trội của phương pháp này là hiệu suất chuyển đổi cao, kích thước nhỏ gọn và khả năng đáp ứng nhanh. Các linh kiện bán dẫn như Diode, Tiristor, MOSFET, và IGBT hoạt động như những công tắc lý tưởng, cho phép đóng ngắt các dòng điện lớn bằng các tín hiệu điều khiển công suất nhỏ. Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc tích hợp với các mạch vi xử lý hoặc máy tính, mở ra khả năng tự động hóa và điều khiển thông minh trong các ứng dụng phức tạp như quản lý năng lượng trên xe điện.

1.2. Phân loại các bộ biến đổi tĩnh static converter

Các hệ thống biến đổi điện tử công suất có thể được phân loại dựa trên dạng năng lượng đầu vào và đầu ra. Có bốn loại cơ bản: Bộ chỉnh lưu (rectifier) biến đổi xoay chiều (AC) thành một chiều (DC), ứng dụng chính trong các trạm sạc xe điện và bộ sạc embarqué (on-board charger). Ngược lại, bộ nghịch lưu (inverter) biến đổi DC thành AC, là trái tim của hệ thống truyền động điện trong xe điện (EV). Bộ biến đổi điện áp một chiều (converter DC-DC) thay đổi mức điện áp DC, rất quan trọng trong hệ thống quản lý pin (BMS) để cấp nguồn cho các hệ thống phụ. Cuối cùng, bộ biến đổi điện áp xoay chiều (AC-AC), thường được biết đến với tên gọi bộ biến tần (VFD) khi có khả năng thay đổi cả điện áp và tần số, được dùng để điều khiển tốc độ động cơ AC. Mỗi loại bộ biến đổi công suất này đều có cấu trúc và nguyên lý hoạt động riêng, được lựa chọn tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của từng ứng dụng trong ngành giao thông.

II. Thách thức quản lý năng lượng trong điện hóa giao thông

Quá trình điện hóa giao thông đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật, trong đó quản lý năng lượng là bài toán cốt lõi. Việc chuyển đổi từ động cơ đốt trong sang hệ thống truyền động điện đòi hỏi các bộ biến đổi công suất phải hoạt động với độ tin cậy và hiệu suất cao nhất trong môi trường khắc nghiệt của ô tô. Một trong những thách thức lớn nhất là làm sao để tối đa hóa hiệu suất chuyển đổi năng lượng. Mỗi phần trăm hiệu suất bị mất đi trong quá trình biến đổi từ pin đến bánh xe đều ảnh hưởng trực tiếp đến phạm vi hoạt động của xe điện (EV). Hơn nữa, các bộ biến đổi phải có kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ để không làm tăng khối lượng tổng thể của xe. Yêu cầu về độ bền, khả năng chịu đựng rung động, và dải nhiệt độ hoạt động rộng cũng là những yếu tố quan trọng. Bên cạnh đó, sự phát triển của hạ tầng sạc cũng là một thách thức lớn. Việc xây dựng một mạng lưới trạm sạc xe điện đủ rộng khắp, an toàn và có khả năng tương thích với lưới điện thông minh (smart grid) là điều kiện tiên quyết để thúc đẩy việc áp dụng xe điện trên quy mô lớn. Các bộ sạc, cả bộ sạc embarqué (on-board charger) và sạc nhanh DC, cần đáp ứng các tiêu chuẩn nghiêm ngặt về an toàn và tương thích điện từ (EMC) để đảm bảo an toàn cho người dùng và không gây nhiễu cho các thiết bị khác.

2.1. Vấn đề hiệu suất chuyển đổi và tổn thất năng lượng

Tổn thất năng lượng trong các bộ biến đổi công suất chủ yếu đến từ tổn thất dẫn và tổn thất chuyển mạch trên các linh kiện bán dẫn công suất. Mặc dù hiệu suất đã rất cao (thường trên 95%), việc cải thiện thêm dù chỉ một phần nhỏ cũng mang lại lợi ích lớn, đặc biệt là kéo dài quãng đường di chuyển của xe điện. Thách thức nằm ở việc lựa chọn các linh kiện tiên tiến như SiC MOSFET thay cho IGBT truyền thống để giảm tổn thất, đồng thời thiết kế mạch và thuật toán điều khiển để tối ưu hóa năng lượng. Việc quản lý nhiệt cũng là một vấn đề quan trọng, vì tổn thất năng lượng sẽ sinh nhiệt, đòi hỏi hệ thống làm mát hiệu quả để đảm bảo bộ biến đổi hoạt động ổn định và bền bỉ.

2.2. Yêu cầu khắt khe của hệ thống truyền động điện

Một hệ thống truyền động điện hiệu quả đòi hỏi động cơ phải có mô-men xoắn đáp ứng nhanh và mượt mà ở mọi dải tốc độ. Điều này đặt ra yêu cầu rất cao cho bộ nghịch lưu (inverter) và hệ thống điều khiển. Bộ biến đổi phải có khả năng cung cấp dòng điện xoay chiều với tần số và biên độ thay đổi liên tục một cách chính xác. Ngoài ra, nó phải hoạt động được trong môi trường khắc nghiệt trên xe, bao gồm rung động, nhiệt độ biến thiên và nhiễu điện từ. Việc tích hợp chặt chẽ giữa động cơ, bộ biến đổi và bộ điều khiển không chỉ cải thiện độ tin cậy mà còn giúp giảm giá thành và kích thước của toàn bộ hệ thống truyền động. Theo tài liệu nghiên cứu, đây là một trong những bước đi cần thiết để xe điện cạnh tranh với xe truyền thống (Đồ án tốt nghiệp, 2019).

III. Giải pháp AC DC và DC AC cốt lõi cho xe điện hiệu quả

Trong cấu trúc của một chiếc xe điện (EV) hoặc xe hybrid (HEV), hai loại bộ biến đổi công suất cơ bản là bộ chỉnh lưu (rectifier) và bộ nghịch lưu (inverter) đóng vai trò trung tâm, quyết định đến hiệu quả vận hành và sạc của xe. Bộ chỉnh lưu thực hiện chức năng biến đổi dòng điện xoay chiều (AC) từ lưới điện hoặc từ máy phát trên xe thành dòng một chiều (DC) để nạp vào pin lưu trữ. Quá trình này diễn ra ở các trạm sạc xe điện (sạc nhanh DC) hoặc ngay trên xe thông qua bộ sạc embarqué (on-board charger) (sạc AC). Một bộ chỉnh lưu hiện đại không chỉ đơn thuần nắn dòng mà còn phải tích hợp mạch hiệu chỉnh hệ số công suất (PFC) để đảm bảo dòng sạc có dạng sin, giảm sóng hài và không gây ảnh hưởng xấu đến lưới điện. Ngược lại, bộ nghịch lưu đảm nhận nhiệm vụ sống còn là biến đổi năng lượng DC từ pin thành dòng điện AC ba pha có tần số và điện áp thay đổi để điều khiển động cơ điện. Chất lượng của dòng điện AC đầu ra từ bộ nghịch lưu ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất, độ ồn và độ mượt của động cơ. Các bộ biến đổi công suất này đều dựa trên công nghệ đóng cắt tốc độ cao của các linh kiện bán dẫn công suất như IGBT, cho phép quản lý năng lượng một cách linh hoạt và đạt hiệu suất chuyển đổi cao.

3.1. Phân tích bộ chỉnh lưu rectifier trong sạc xe điện

Một bộ chỉnh lưu điển hình trong ứng dụng sạc xe điện bao gồm ba khối chính: máy biến áp, mạch van bán dẫn và bộ lọc. Máy biến áp có nhiệm vụ hạ áp từ lưới điện xuống mức phù hợp và cung cấp cách ly an toàn. Mạch van, sử dụng Diode (chỉnh lưu không điều khiển) hoặc Tiristor (chỉnh lưu điều khiển), thực hiện quá trình biến đổi AC-DC. Bộ lọc, thường là mạch LC, có nhiệm vụ san phẳng điện áp DC đầu ra, giảm độ gợn sóng để cung cấp nguồn sạc ổn định cho pin. Trong các bộ sạc embarqué (on-board charger), phương pháp hai giai đoạn thường được sử dụng: một giai đoạn PFC để chỉnh lưu và một giai đoạn converter DC-DC cách ly để điều chỉnh điện áp và dòng sạc theo yêu cầu của hệ thống quản lý pin (BMS).

3.2. Vai trò của bộ nghịch lưu inverter trong động cơ điện

Bộ nghịch lưu là cầu nối năng lượng giữa pin và động cơ, quyết định khả năng vận hành của hệ thống truyền động điện. Bằng cách điều khiển đóng/mở các khóa bán dẫn (IGBT hoặc SiC MOSFET) theo thuật toán điều chế độ rộng xung (PWM), nó tạo ra điện áp AC ba pha gần sin từ nguồn DC của pin. Việc thay đổi tần số và biên độ của điện áp này cho phép điều khiển chính xác tốc độ và mô-men xoắn của động cơ. Ngoài ra, bộ nghịch lưu còn đóng vai trò quan trọng trong hệ thống phanh tái sinh. Khi phanh, nó hoạt động như một bộ chỉnh lưu, biến động năng của xe thành điện năng và nạp ngược trở lại pin, giúp tối ưu hóa năng lượng và tăng phạm vi hoạt động của xe.

IV. Phương pháp điều khiển động cơ với converter DC DC VFD

Bên cạnh bộ chỉnh lưu và nghịch lưu, các loại bộ biến đổi công suất khác như converter DC-DC và bộ biến tần (VFD) cũng đóng vai trò thiết yếu trong việc quản lý năng lượng và điều khiển phương tiện giao thông hiện đại. Converter DC-DC là thành phần quan trọng trong việc quản lý các mức điện áp khác nhau trên xe. Hệ thống pin của xe điện (EV) thường hoạt động ở điện áp cao (ví dụ 400V hoặc 800V), trong khi các hệ thống phụ trợ như đèn, hệ thống thông tin giải trí, và bộ điều khiển lại sử dụng điện áp thấp (12V hoặc 48V). Bộ biến đổi DC-DC buck (giảm áp) sẽ hạ điện áp từ pin chính để cung cấp cho các hệ thống này, thay thế cho máy phát điện xoay chiều truyền thống. Trong một số kiến trúc của xe hybrid (HEV) hoặc xe pin nhiên liệu, bộ biến đổi DC-DC boost (tăng áp) lại được dùng để nâng điện áp từ pin hoặc pin nhiên liệu lên mức phù hợp với bộ nghịch lưu (inverter), giúp tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống truyền động điện. Mặt khác, bộ biến tần (VFD), về bản chất là một hệ thống tích hợp bộ chỉnh lưu và nghịch lưu, là giải pháp toàn diện để điều khiển tốc độ động cơ AC. Bằng cách thay đổi tần số và duy trì tỷ số điện áp/tần số (U/f) không đổi, VFD cho phép điều khiển chính xác và hiệu quả các động cơ trong nhiều ứng dụng giao thông, từ tàu điện cao tốc đến các hệ thống bơm và quạt trên xe.

4.1. Ứng dụng converter DC DC trong hệ thống quản lý pin BMS

Trong một hệ thống xe điện (EV), converter DC-DC đóng vai trò là một bộ chuyển đổi nguồn phụ trợ hiệu quả. Nó lấy năng lượng từ bộ pin cao áp và chuyển đổi thành nguồn DC 12V ổn định để sạc ắc quy phụ và cung cấp năng lượng cho toàn bộ thiết bị điện tử điện áp thấp. Điều này loại bỏ sự cần thiết của một máy phát điện cơ khí. Hơn nữa, các bộ biến đổi DC-DC hai chiều còn cho phép năng lượng truyền ngược lại, hỗ trợ khởi động hệ thống cao áp trong một số trường hợp. Sự tích hợp chặt chẽ giữa converter DC-DC và hệ thống quản lý pin (BMS) đảm bảo việc phân phối năng lượng an toàn và hiệu quả, bảo vệ cả pin cao áp và các thiết bị điện tử nhạy cảm.

4.2. Tìm hiểu bộ biến tần VFD gián tiếp điều khiển tốc độ

Bộ biến tần (VFD) gián tiếp là loại phổ biến nhất hiện nay, bao gồm ba khâu chính: chỉnh lưu, lọc một chiều và nghịch lưu. Khâu chỉnh lưu biến đổi điện áp lưới AC thành DC. Khâu lọc, thường là một tụ điện lớn (trong biến tần nguồn áp) hoặc cuộn cảm lớn (trong biến tần nguồn dòng), có nhiệm vụ san phẳng điện áp/dòng điện DC. Cuối cùng, khâu nghịch lưu sẽ tạo ra điện áp AC có tần số và biên độ thay đổi được để cấp cho động cơ. Ưu điểm của bộ biến tần gián tiếp là khả năng điều chỉnh tần số trong một dải rất rộng và chất lượng điều khiển tốt, dễ dàng tạo ra các bộ nguồn theo yêu cầu của tải. Đây là công nghệ nền tảng cho việc điều khiển hệ thống truyền động điện trong hầu hết các phương tiện điện hóa.

V. Top ứng dụng bộ biến đổi công suất trong xe điện xe hybrid

Các bộ biến đổi công suất là công nghệ không thể thiếu, tạo nên xương sống cho các phương tiện giao thông hiện đại, đặc biệt là xe điện (EV), xe hybrid (HEV) và xe hybrid sạc ngoài (PHEV). Ứng dụng quan trọng nhất là trong hệ thống truyền động điện, nơi bộ nghịch lưu (inverter) điều khiển động cơ điện, cung cấp khả năng tăng tốc tức thời và vận hành êm ái. Trong xe HEV, các bộ biến đổi này quản lý luồng năng lượng phức tạp giữa động cơ đốt trong, máy phát, pin và động cơ điện, đảm bảo sự phối hợp nhịp nhàng để tối ưu hóa năng lượng và giảm phát thải. Một ứng dụng quan trọng khác là hệ thống phanh tái sinh. Khi người lái giảm tốc, bộ biến đổi công suất cho phép động cơ điện hoạt động như một máy phát, chuyển đổi động năng thành điện năng và nạp lại vào pin. Công nghệ này giúp thu hồi một phần năng lượng đáng kể, đặc biệt hiệu quả trong điều kiện giao thông đô thị. Ngoài ra, bộ sạc embarqué (on-board charger) là một ứng dụng quan trọng khác, về cơ bản là một bộ biến đổi công suất AC-DC phức tạp, cho phép xe sạc từ nguồn điện gia dụng. Đồng thời, converter DC-DC cũng đảm bảo cung cấp nguồn ổn định cho các hệ thống phụ trợ 12V. Tất cả những ứng dụng này đều nhằm mục tiêu nâng cao hiệu suất chuyển đổi và trải nghiệm người dùng.

5.1. Cấu trúc hệ thống truyền động điện trong xe hybrid HEV

Xe hybrid (HEV) có hai cấu trúc chính: nối tiếp và song song. Trong cấu trúc nối tiếp, động cơ đốt trong chỉ dùng để chạy máy phát, tạo ra điện nạp cho pin và cấp cho động cơ điện. Bộ biến đổi công suất ở đây gồm bộ chỉnh lưu (máy phát-pin) và bộ nghịch lưu (pin-động cơ). Trong cấu trúc song song, cả động cơ đốt trong và động cơ điện đều có thể truyền động cho bánh xe. Hệ thống điều khiển sẽ sử dụng các bộ biến đổi công suất để phối hợp hai nguồn năng lượng này. Ví dụ, động cơ điện có thể hỗ trợ khi cần tăng tốc hoặc hoạt động độc lập ở tốc độ thấp, giúp động cơ đốt trong luôn hoạt động ở vùng hiệu suất cao nhất.

5.2. Công nghệ bộ sạc embarqué on board charger cho PHEV

Bộ sạc embarqué (on-board charger) là một bộ biến đổi công suất tích hợp sẵn trên xe, cho phép sạc pin từ lưới điện AC thông thường. Nó thường có cấu trúc hai giai đoạn. Giai đoạn đầu là một bộ chỉnh lưu có chức năng hiệu chỉnh hệ số công suất (PFC), đảm bảo dòng điện lấy từ lưới có dạng sin và đồng pha với điện áp, giảm thiểu sóng hài. Giai đoạn thứ hai là một converter DC-DC cách ly, có nhiệm vụ điều chỉnh điện áp và dòng điện sạc theo đúng yêu cầu của hệ thống quản lý pin (BMS). Công nghệ này đòi hỏi thiết kế nhỏ gọn, hiệu suất cao và phải tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn điện nghiêm ngặt như UL 2202 và IEC 61851.

5.3. Tích hợp hệ thống phanh tái sinh tối ưu hóa năng lượng

Hệ thống phanh tái sinh là một minh chứng điển hình cho khả năng điều khiển năng lượng hai chiều của bộ biến đổi công suất. Khi phanh hoặc xuống dốc, bộ điều khiển sẽ chuyển bộ nghịch lưu (inverter) sang chế độ chỉnh lưu. Lúc này, động cơ điện hoạt động như một máy phát, tạo ra một mô-men hãm và sinh ra dòng điện. Dòng điện này được bộ biến đổi công suất nắn thành dòng DC và nạp trở lại vào pin. Quá trình này không chỉ giúp thu hồi năng lượng mà còn giảm mài mòn cho hệ thống phanh cơ khí. Việc tối ưu hóa năng lượng thông qua phanh tái sinh là một yếu tố then chốt giúp tăng phạm vi hoạt động của xe điện (EV) và xe hybrid (HEV).

VI. Tương lai ngành giao thông Tích hợp lưới điện thông minh

Tương lai của ngành giao thông gắn liền với sự phát triển của công nghệ bộ biến đổi công suất và khả năng tích hợp sâu rộng với các hệ thống năng lượng lớn hơn. Xu hướng rõ rệt nhất là việc phát triển các linh kiện bán dẫn công suất thế hệ mới, sử dụng vật liệu băng thông rộng như Gallium Nitride (GaN) và Silicon Carbide (SiC). Các linh kiện như SiC MOSFET cho phép các bộ biến đổi hoạt động ở tần số cao hơn, nhiệt độ cao hơn và với tổn thất thấp hơn so với IGBT truyền thống. Điều này dẫn đến các bộ biến đổi công suất nhỏ hơn, nhẹ hơn và hiệu quả hơn, trực tiếp cải thiện hiệu suất của xe điện (EV). Một hướng đi đột phá khác là tích hợp hạ tầng sạc xe điện vào lưới điện thông minh (smart grid). Công nghệ Sạc thông minh (Smart Charging) và Sạc hai chiều (Vehicle-to-Grid - V2G) đang được nghiên cứu và triển khai. Với V2G, xe điện không chỉ tiêu thụ điện mà còn có thể hoạt động như một hệ thống lưu trữ năng lượng phân tán, cung cấp điện ngược lại cho lưới vào giờ cao điểm. Điều này đòi hỏi các bộ biến đổi công suất trên xe và tại trạm sạc xe điện phải có khả năng hoạt động hai chiều một cách an toàn và hiệu quả. Việc quản lý năng lượng ở quy mô này sẽ giúp ổn định lưới điện, tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng tái tạo và mở ra một kỷ nguyên mới cho điện hóa giao thông.

6.1. Xu hướng phát triển linh kiện bán dẫn công suất mới

Sự thống trị của silicon trong linh kiện bán dẫn công suất đang dần bị thách thức bởi các vật liệu băng thông rộng như SiC và GaN. SiC MOSFET có thể chịu được điện áp cao hơn, có điện trở dẫn thấp hơn và tốc độ chuyển mạch nhanh hơn so với MOSFET hay IGBT bằng silicon. Điều này cho phép các nhà thiết kế tạo ra các bộ nghịch lưu (inverter) và converter DC-DC với hiệu suất chuyển đổi vượt trội, đồng thời giảm kích thước của các thành phần thụ động như cuộn cảm và tụ điện. Việc áp dụng rộng rãi các linh kiện này sẽ là một bước nhảy vọt trong việc tối ưu hóa năng lượng cho các phương tiện điện trong tương lai.

6.2. Hướng tới hạ tầng sạc thông minh và quản lý năng lượng

Hạ tầng sạc thông minh là chìa khóa để giải quyết bài toán năng lượng khi số lượng xe điện (EV) tăng lên. Thay vì sạc một cách không kiểm soát, hệ thống sạc thông minh sẽ giao tiếp với lưới điện thông minh (smart grid) để điều phối thời gian sạc, ưu tiên sạc vào giờ thấp điểm hoặc khi có nguồn năng lượng tái tạo dồi dào. Công nghệ V2G còn đi xa hơn, cho phép bộ biến đổi công suất trên xe hoạt động hai chiều. Khi đó, hàng triệu chiếc xe điện có thể trở thành một nguồn pin ảo khổng lồ, giúp cân bằng lưới điện. Điều này đòi hỏi các tiêu chuẩn giao tiếp và an ninh mạng chặt chẽ, là một lĩnh vực nghiên cứu đầy hứa hẹn cho tương lai của điện hóa giao thông.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẶT VẤN ĐỀ 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. Bộ biến đổi điện tử công suất còn được gọi là bộ biến đổi tĩnh (static converter) để phân biệt với các máy điện truyền thống (electric machine) biến đổi điện dựa trên nguyên tắc biến đổi điện từ trường. Theo nghĩa rộng, nhiệm vụ của điện tử công suất là xử lý và điều khiến dòng năng lượng điện bằng cách cung cấp điện áp và dòng điện ở dạng thích họp cho các tải. Tải sẽ quyết định các thông số về điện áp, dòng điện, tần số, và số pha tại ngõ ra của bộ biến đổi.

Thông thường, một bộ điều khiển có hồi tiếp sẽ theo dõi ngõ ra của bộ biến đổi và cực tiếu hóa sai lệch giữa giá trị thực của ngõ ra và giá trị mong muốn (hay giá trị đặt). Trong các bộ biến đổi các phần tử bán dẫn công suất được sử dụng như những khóa bán dẫn, còn gọi là van bán dẫn, khi mở dẫn dòng thì nối tải vào nguồn, khi khóa thì không cho dòng điện chạy qua. Khác với các phần tử có tiếp điếm, các van bán dẫn thực hiện đóng cắt dòng điện mà không gây nên tia lửa điện,không bị mài mòn theo thời gian.Tuy có thể đóng ngắt các dòng điện lớn nhưng các phần tử bán dẫn công suất lại được điều khiển bởi các tín hiệu điện công suất nhỏ, tạo bởi các mạch điện tử công suất nhỏ. Quy luật nối tải vào nguồn phụ thuộc vào các sơ đồ của bộ biến đổi và phụ thuộc vào cách thức điều khiển các van trong bộ biến đối.

Như vậy quá trình biến đổi năng lượng được thực hiện với hiệu suất cao vì tổn thất trong bộ biến 6 đổi chỉ là tổn thất trên các khóa điện tử, không đáng kế so với công suất điện cần biến đối.Không những đạt được hiệu suất cao mà các bộ biến đổi còn có khả năng cung cấp cho phụ tải nguồn năng lượng với các đặc tính theo yêu cầu, đáp ứng các quá trình điều chỉnh, điều khiển trong một thời gian ngắn nhất, với chất lượng phù hợp trong các hệ thống tự động hoặc tự động hóa. Đây là đặc tính mà các bộ biến đổi có tiếp điểm hoặc kiểu điện từ không thể có được. Úng dụng: Điện tử công suất được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành công nghiệp hiện đại. Có thể kể đến các ngành kỹ thuật mà trong đó có những ứng dụng tiêu biểu của các bộ biến đổi bán dẫn công suất như truyền động điện, giao thông đường sắt, nấu luyện thép, gia nhiệt cảm ứng, điện phân nhôm từ quặng mỏ,các quá trình điện phân trong công nghiệp hóa chất, trong rất nhiều các thiết bị công nghiệp và dân dụng khác nhau.Trong những năm gần đây công nghệ chế tạo các phần tử bán dẫn công suất đã có những tiến bộ vượt bậc và ngày càng trở nên hoàn thiện dẫn đến việc chế tạo các bộ biến dổi ngày càng nhỏ gọn, nhiều tính năng và sử dụng ngày càng dễ dàng hơn.

Phân loại: Ta có thể phân loại các hệ thống biến đổi điện tử công suất dựa vào tín hiệu vào và ra là xoay chiều hay một chiều: • Bộ chỉnh lưu (AC - DC) • Bộ nghịch lưu (DC - AC) • Bộ biến đổi điện xoay chiều (AC - AC) • Bộ biến đổi điện một chiều (DC - DC) • Biến tần 7 1. Cấu trúc mạch chỉnh lưu Chỉnh lưu là quá trình biến đổi năng lượng dòng điện xoay chiều thành năng lượng dòng điện một chiều Chỉnh lưu là thiết bị điện tử công suất được sử dụng rộng rãi nhất trong thực tế. Sơ đồ cấu trúc thường gặp của mạch chỉnh lưu như hình vẽ. Sơ đồ cấu trúc mạch chỉnh lưu Trong sơ đồ có máy biến áp làm hai nhiệm vụ chính là: • Chuyển từ điện áp quy chuẩn của lưới điện xoay chiều u1 sang điện áp Ư2 thích hợp với yêu cầu của tải.

Tùy theo tải mà máy biến áp có thế tăng áp hoặc giảm áp • Biến đổi số pha của nguồn lưới sang số pha theo yêu cầu của mạch van. Thông thường số pha lớn nhất của lưới là 3 pha, song mạch van có thế cần số pha là 6, 12. Trường hợp tải yêu cầu mức điện áp phù họp với lưới điện và mạch van đòi hỏi số pha như lưới điện thì có thể bỏ máy biến áp Mạch van ở đây là các van bán dẫn được mắc với nhau theo cách nào đó để tiến hành quá trình chỉnh lưu. Mạch lọc nhằm đẩm bảo điện áp (hoặc dòng điện) một chiều cấp cho tải là bằng phang theo yêu cầu 1.

Phân loại Chỉnh lưu được phân loại theo một số cách sau đây: a) Phân loại theo số pha nguồn cấp cho mạch van: một pha, hai pha, ba pha, 6 pha. b) Phân loại theo mạch van bán dẫn trong mạch van. 8 Hiện nay chủ yếu dùng hai loại van là Diode và Tiristor với các loại mạch: • Mạch van dùng toàn Diode, gọi là chỉnh lưu không điều khiến • Mạch van dùng toàn Tiristor, gọi là chỉnh lưu điều khiến • Mạch chỉnh lưu dùng cả Diode và Tiristor, gọi là chỉnh lưu bán đièu khiển c) Phân loại theo sơ đồ mắc các van. Có hai kiểu mắc van: • Sơ đồ hình tia: Ở sơ đồ này số lượng van bằng số pha nguồn cấp cho mạch van.

Tất cả các van đều đấu chung một đầu nào đó với nhau - hoặc catôt chung, hoặc anôt chung • Sơ đồ cầu: Ở sơ đồ này số lượng van nhiều gấp đôi số pha nguồn cấp cho mạch van. Trong đó một nửa số van mắc chung nhau catôt, nửa kia lại mắc chung nhau anôt. Chức năng, ứng dụng và phân loại a) Chức năng: Nghịch lưu là thiết bị biến đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều có tần số thay đổi được và làm việc với phụ tải độc lập Nguồn một chiều thông thường là điện áp chỉnh lưu, ắcquy và các nguồn một chiều độc lập khác b) Úng dụng: nghịch lưu được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như cung cấp điện, các hệ truyền động xoay chiều, truyền tải điện năng, luyện kim, giao thông. c) Phân loại: - Theo sơ đồ: nghịch lưu một pha, nghịch lưu ba pha - Theo quá trình điện từ xảy ra nghịch lưu: nghịch lưu áp, nghịch lưu dòng, nghịch lưu cộng hưởng.

9 - Theo quá trình chuyến mạch: + Quá trình chuyến mạch cưỡng bức: linh kiện có khả năng kích đóng và ngắt (MOSFET, JBT, TGBT, CiTO) + Quá trình chuyển mạch phụ thuộc: linh kiện chỉ kích đóng, quá trình ngắt phụ thuộc nguồn hoặc tải 1. Bộ nghịch lưu áp Cấu tạo cơ bản: - Nguồn điện áp một chiều: Có thể là ắcquy, pin điện, từ nguồn điện áp xoay chiều được chỉnh lưu và lọc phang - Linh kiện bộ nghịch lưu: Có khả năng kích đóng và ngắt nếu quá trình chuyến mạch là cưỡng bức, hoặc Tiristor nếu quá trình chuyển mạch là phụ thuộc + Công suất nhỏ và vừa: sử dụng các khóa BJT, MOSFET, IGBT + Công suất lớn: IGBT, GTO, Tiristor + bộ chuyển mạch (chuyển mạch cưỡng bức) hoặc Tiristor thường nếu quá trình chuyến mạch phụ thuộc - Diode mắc song song: Tạo thành mạch chỉnh lưu cầu không điều khiển có chiều dẫn ngược lại, cho phép trao đổi công suất ảo giữa tải xoay chiều với nguồn một chiều và hạn chế quá áp khi kích ngắt linh kiện (chức năng bảo vệ linh kiện) - Điện áp ra có thế giữ không đổi hoặc thay đổi được ở tần số cố định hoặc thay đổi được - Điện áp ra lý tưởng của nghịch lưu phải có dạng sin. Tuy nhiên dạng sóng ra của các bộ nghịch lưu trên thực tế không có dạng sin chuẩn (do linh kiện nghịch lưu là các khóa làm việc ở chế độ đóng cắt) và chứa các sóng hài bậc cao. Các dạng sóng hài này có thể gây ra nhiễu dưới dạng lan truyền trong cáp dẫn hoặc dạng tia do bức xạ sóng điện từ, gây ảnh hưởng không tốt đến tải, nguồn và mạng viễn thông.

Vì 10 vậy các biện pháp sử dụng đế chống nhiễu là cần thiết: các bộ lọc nguồn, thiết bị nghịch lưu được đặt trong tủ kim loại, sử dụng cáp bọc. 11 Nghịch lưu áp một pha Trên hình vẽ 1.2 trình bày sơ đồ bộ nghịch lưu điện áp một pha Hình 1. Bộ nghịch lưu điện áp một pha Các tiristor Ti - T4 được nối theo sơ đồ cầu điều khiến từng cặp (Ti, T4 và T2, T3). Các tụ điện Ci, c2làm nhiệm vụ chuyển mạch.

Ví dụ khi Ti, T4 mở cho dòng điện chạy qua tụ điện Ci, c2được nạp tới giá trị điện áp nguồn. Khi mở T2, T3thì Ci phóng điện qua Ti, T2 còn C2 phóng qua T3, T4. Như vậy dòng qua Ti, T4 giảm tới không, các tiristor này bị ngắt. Các diode Di - D4 ngăn các tụ chuyến mạch với tải để loại trừ ảnh hưởng của các tụ lên tải.

Các diode D 5 - D8 tạo thành một cầu ngược cho dòng phản kháng đi qua tụ Co. Ví dụ: Neu trước đây Ti - T4 mở, dòng tải chạy theo chiều mũi tên (trên hình vẽ) thì khi cho xung mở T2 - T3 dòng tải do tác dụng của sức điện động tự cảm trong mạch tải, không thế đổi chiều đột ngột mà vẫn giữ chiều cũ trong một khoảng thời gian t 2 đến t3. Trong khoảng thời gian t2, t3 dòng chạy qua D6 - Co - D7. Các điện kháng Li, L2 dùng để hạn chế dòng điện phóng của Ci, c 2 không qua tiristor cần khóa (vì Ci còn có thế phóng điện trong mạch Di - D5 - Li - T2, còn c2 trong mạch T3 - L2 - D8 - D4).

Nếu không có 12 Li, L2 thì dòng điện phóng theo mạch vừa nói sẽ khá lớn và quá trình chuyển mạch sẽ gặp khó khăn. Điện áp trên tải có dạng chữ nhật như hình vẽ: Đe tìm biếu thức it(t) qua tải dùng phương pháp biến đổi Laplace và biến đổi ngược. Khi mở Ti, do tác động của cuộn sơ cấp biến áp (như biến áp tự ngẫu) nên tụ c nạp tới điện áp gần bang 2E. Khi mở T2, tiristor Ti bị ngắt điện bởi tụ điện c.

Ở hệ thống (hình a) tụ nạp chuyển đổi cộng hưởng trong mạch c - T2 - L - Di tới điện áp 2E với dấu âm. Áp trên tụ không thế vượt quá giá trị 2E bất kế có cộng hưởng ở mạch tải do có phóng ngược của tụ qua những diode tương ứng và nguồn nạp. Thời gian để ngắt tiristor bằng 1/4 chu kỳ dao động riêng 13 của mạch L - c.