TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠ GIỚI VÀ THỦY LỢI KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ---------------oOo--------------- GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT NGHỀ: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP Lưu hành nội bộ - 2020 LỜI NÓI ĐẦU Giáo trình Điện Tử Công Suất được sử dụng làm tài liệu giảng dạy cho môn học Điện tử công suất thuộc chương trình đào tạo trung cấp nghề Điện Công Nghiệp và một số nghề liên quan. Trong chương trình đào tạo thì môn Điện tử công suất là môn học học sau một số môn như Điện tử cơ bản, Mạch điện, Truyền động điện… Nội dung cuốn sách này gồm 6 chương nhằm phục vụ cho hệ cao đẳng nghề với nội dung những kiến thức cơ bản của Điện tử công suất và các kiến thức mở rộng. Trong quá trình biên soạn có tham khảo nhiều tài liệu, quá trình đánh máy, in ấn còn sai sót rất mong nhận được sự đóng góp xây dựng của quý thầy cô, các bạn sinh viên để giáo trình được hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn.
MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU BÀI 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN. Trị trung bình (Average):. Trị hiệu dụng (Root Mean Square-rms):. Công suất trung bình:.
Hệ số công suất:. 3 BÀI 2: CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT .1 Phân loại linh kiện điện tử công suất .2 Diode Công Suất .3 BJT Công Suất (Bipolar Juntion Transistor). 30 BÀI 3 : BỘ CHỈNH LƯU .1 Bộ chỉnh lưu một pha .1 Chỉnh lưu một pha không điều khiển .2 Chỉnh lưu một pha có điều khiển .2 Bộ chỉnh lưu ba pha .1 Chỉnh lưu ba pha không điều khiển .2 Chỉnh lưu ba pha có điều khiển.3 Các chế độ chỉnh lưu và nghịch lưu .1 Chế độ chỉnh lưu và nghịch lưu .2 Chế độ dòng điện liên tục và dòng điện gián đoạn. 50 BÀI 4 : BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU .1 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều một pha .1 Trường hợp tải thuần trở .2 Trường hợp tải L .3 Trường hợp tải RL.2 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha .1 Trường hợp tải thuần trở .2 Trường hợp tải L .3 Trường hợp tải RL.
55 BÀI 5 : BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU .2 Nguyên lý hoạt động .2 Nguyên lý hoạt động .3 Các phương pháp điều khiển bộ biến đổi điện áp một chiều. 63 BÀI 6 : BỘ NGHỊCH LƯU .1 Bộ nghịch lưu áp một pha .2 Phân tích bộ nghịch lưu áp một pha .3 Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp .1 Phương pháp điều biên .2 Phương pháp điều chế độ rộng xung .4 Bộ nghịch lưu dòng điện .1 Bộ nghịch lưu dòng một pha .2 Bộ nghịch lưu dòng ba pha. 73 Bài 1: Các Khái Niệm Cơ Bản Nhiệm vụ của điện tử công suất Điện tử công suất là một môn học thuộc chuyên ngành kỹ thuật điện - điệntử, nghiên cứu và ứng dụng các phần tử bán dẫn công suất. Nhiệm vụ chính củađiện tử công suất là biến đổi nguồn năng lượng điện với các tham số không thay đổiđược thành nguồn năng lượng điện với các tham số có thể thay đổi được để cung cấp cho các phụ tải.
Như vậy các bộ biến đổi bán dẫn công suất là đối tượng nghiên cứu chính của môn học điện tử công suất. Trong các bộ biến đổi các phần tử bán dẫn công suất được sử dụng như các khoá bán dẫn, còn gọi là các van bán dẫn, khi van bán dẫn mở dẫn dòng thì nối tải vào nguồn còn khi khoá thì không cho dòng điện chạy qua các van. Khác với các phần tử có tiếp điểm, các van bán dẫn thực hiện đóng cắt dòng điện mà không gây tia lửa điện, không bị mài mòn theo thời gian, không gây tiếng ồn và có khả năng đóng cắt với tần số rất lớn. Không những vậy các van bán dẫn còn có thể đóng cắt các dòng điện rất lớn với điện áp cao nhưng các phần tử điều khiển của chúng lại được tạo bởi các mạch điện tử công suất rất nhỏ, nên công suất tiêu thụ cũng nhỏ dẫn đến hiệu suất làm việc cao.
Về cơ bản các van công suất đều có các đặc tính chung như sau: * Các van bán dẫn công suất (BDCS) khi mở dẫn dòng đi qua thì điện trở tương đương rất nhỏ, còn khi khoá không cho dòng điện đi qua thì điện trở tươngđương rất lớn. Bản chất BDCS chỉ dẫn dòng điện theo một chiều khi được phân cực thuậnvà có tín hiệu điều khiển với các van có điều khiển. Nếu các van công suất bị phân cực ngược sẽ có dòng điện rất nhỏ đi qua khoảng vài mA, gọi là dòng điện ngược hay dòng rò. Trị trung bình (Average): Xét một đồ thị sóng tín hiệu Sin như sau : 1 + Vp : điện áp tức thời lớn nhất được tính từ điểm gốc 0 đến biên độ dương +Vp.
Như hình trên thì là 0->+Vp. + Vpp : là điện áp được tính giữa đỉnh dương và đỉnh âm của dạng sóng. Nó chính là tổng điển áp của hai mức dương và âm so với điểm 0. Nếu tín hiệu sóng không có mức âm thì Vp=Vpp.
+ Vavg : là mức điện áp trung bình của dạng sóng. Đây chính là mức điện áp được dàn đều trong một chu kỳ. Đối với sóng sin có hai miền âm dương thì điện áp trung bình ở miền dương bằng miền âm. + Vrms : Được viết tắt : Root mean square tức là Căn bậc hai của trung bình các bình phương.
Trong thực tế giá trị này được gọi là giá trị hiệu dụng hay giá trị thực 1. Trị hiệu dụng (Root Mean Square-rms): Giá trị hiệu dụng RMS là 0.707 lần so với giá trị max (giá trị cực đại) hay giá trị cực đại bằng √2 = 1.414 nhân với giá trị hiệu dụng. Gía trị cực đại của 1A hiệu dụng = 1,414A. Trong khi đó, giá trị trung bình chỉ bằng 0.636 giá trị cực đại hay nói cách khác nó chỉ bằng 0,9 giá trị hiệu dụng.
Đối với dạng sóng hình sin Với dạng sóng hình sin có giá trị hiệu dụng là 1A, ta sẽ có được công thức: Giá trị MAX = 1.414A Giá trị trung bình = 0.9A Giá trị RMS Hệ số dạng sóng = -------------------------------- = 1.11 Giá trị trung bình 2 Đối với dạng sóng không hình sin Trong trường hợp, giá trị hiệu dụng bằng 1A, dạng sóng không hình sin ta có : Giá trị Max = 2.6A Giá trị trung bình = 0.55A Giá trị RMS Hệ số dạng sóng = -------------------------- = 1.82 Giá trị trung bình 1. Công suất trung bình: 1. Hệ số công suất: (Power Factor – ký hiệu là hay PF): là tỷ số giữa công suất tiêu thụ P và công suất biểu kiến S mà nguồn cấp cho tải.33) S Nếu nguồn áp có dạng sin và tải tuyến tính chứa các phần tử R, L, C có giá trị không đổi thì dòng điện qua tải cũng có dạng sin và lệch pha vối điện áp một góc là . Ta có biểu thức tính hệ số công suất như sau: P mU.34) S Trong đó: U, I: lần lượt là trị hiệu của điện áp và dòng điện qua tải.
m: là tổng số pha. 3 Bài 2: Các Linh Kiện Điện Tử Công Suất 2.1 Phân loại linh kiện điện tử công suất - Các linh kiện bán dẫn công suất có hai chức năng cơ bản là ĐÓNG và NGẮT dòng điện đi qua nó. - Trạng thái linh kiện dẫn điện (ĐÓNG): linh kiện giống như một điện trở có giá trị rất bé (gần bằng không). - Trạng thái linh kiện không dẫn điện (NGẮT): linh kiện giống như một điện trở có giá trị rất lớn.
- Các linh kiện bán dẫn có thể chuyển đổi trạng thái làm việc từ trạng thái dẫn điện sang trạng thái không dẫn điện và ngược lại thông qua tín hiệu kích thích tác động lên cổng điều khiển của linh kiện. Ta gọi linh kiện có điều khiển được. Tín hiệu điều khiển có thể là dòng điện, điện áp hay ánh sáng với công suất nhỏ hơn nhiều so với công suất của nguồn và tải. - Nếu linh kiện không có cổng điều khiển và quá trình chuyển trạng thái làm việc xảy ra dưới tác dụng của nguồn công suất ở ngõ ra, ta gọi linh kiện thộc loại không điều khiển được.
- Đối với các linh kiện điều khiển được, nếu tín hiệu điều khiển chỉ là cho nó dẫn dòng điện mà không thể tác động ngắt dòng điện qua nó, ta gọi linh kiện không có khả năng kích ngắt (SCR, TRIAC). Ngược lại, nếu linh kiện có thể chuyển trạng thái làm việc từ đóng sang ngắt hay từ ngắt sang đóng thông qua tín hiệu kích thích tác động lên cổng điều khiển gọi là linh kiện có khả năng kích ngắt (BJT, MOSFET, IGBT, GTO…). Ta có thể phân ra thành ba nhóm linh kiện như sau : - Nhóm các linh kiện không điều khiển như Diode, DIAC. - Nhóm các linh kiện điều khiển kích đóng được như SCR, TRIAC.
- Nhóm các linh kiện điều khiển kích ngắt được như BJT, MOSFET, IGBT, GTO.2 Diode Công Suất 2.1 Nguyên lý cấu tạo và làm việc A a Cấu tạo b.1: Cấu trúc Diode (a) và ký hiệu (b) 4 Diode được cấu tạo bằng mối nối P-N, lớp N thừa điện tử, lớp P thiếu điện tử đồng thời chứa các phần tử mang điện dạng lỗ trống tạo ra hàng rào điện thế vào khoảng 0,6 V. a) phân cực thuận b) phân cực ngược Hình H1.2: Sơ đồ nguyên lý phân cực cho diode Khi ta đặt một điện áp lên diode, cực dương gắn với lớp P và cực âm gắn với lớp N (hình H1.2a), khi đó điện tử được chuyển từ lớp N qua lớp P. Còn các hạt mang điện được chuyển từ lớp P sang lớp N và như vậy có một dòng điện chạy qua diode. Khi điện áp ngược được đặt lên diode (cực dương gắn với lớp N và cực âm gắn với lớp P – hình H1.2b), điện tử và phần tử mang điện dạng lỗ trống và các điện tử tự do bị kéo ra xa mối nối, kết quả chỉ có dòng điện rò vào khoảng vài mA có thể chạy qua.
Khi điện áp ngược tiếp tục tăng các điện tích cũng tăng gia tốc gây lên va chạm dây chuyền làm hàng rào điện thế bị chọc thủng và diode mất tính chất dẫn điện theo một chiều (diode bị hỏng). Trên hình vẽ, đầu ra của lớp P gọi là Anode (A) và lớp N là Cathode (K).2 Đặc tính Volt – Ampere (V – A) Vùng khóa Hình H1.3: Đặc tính V – A thực tế (a) và lý tưởng Đặc tính có hai nhánh: nhánh thuận tương ứng với trạng thái dẫn điện (nằm ở góc phần tư I) và nhánh nghịch tương ứng với trạng thái ngắt (nằm ở góc phần tư III) như trên hình H1.