MỞ ĐẦU: TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Mã bài: MĐ19-00 Thời gian: 1 giờ (LT: 01, TH: 0, KT: 0) Giới thiệu: Bài học này giới thiệu về những khái niệm cơ bản cần thiết nhất trong lĩnh vực điện tử công suất và ứng dụng của công nghệ điện tử công suất trong sản xuất công nghiệp. Mục tiêu: - Trình bày được bản chất, yêu cầu của quá trình điều khiển theo nội dung đã học; - Giải thích được các ứng dụng, các khâu cơ bản trong hệ thống của một bộ điện tử công suất. - Chủ động, sáng tạo, nghiêm túc, an toàn trong thực hành tại xưởng và giờ tự học. Nội dung chính: 0.
Quá trình phát triển Điện tử công suất có thể được xếp vào phạm vi các môn thuộc về kỹ thuật năng lượng của ngành kỹ thuật điện nói chung. Tuy nhiên việc nghiên cứu không chỉ dừng lại ở phần công suất mà còn được ứng dụng trong các lĩnh vực điều khiển khác. Kể từ khi hiệu ứng nắn điện của miền tiếp xúc PN được công bố bởi Shockley vào năm 1949 thì ứng dụng của chất bán dẫn càng ngày càng đi sâu vào các lĩnh vực chuyên môn của ngành kỹ thuật điện và từ đó phát triển thành ngành điện tử công suất chuyên nghiên cứu về khả năng ứng dụng của chất bán dẫn trong lĩnh vực năng lượng. Điện tử công suất nghiên cứu về các phương pháp biến đổi dòng điện và cả các yêu cầu đóng/ngắt và điều khiển, trong đó chủ yếu là kỹ thuật đóng/ngắt trong mạch điện một chiều và xoay chiều, điều khiển dòng một chiều, xoay chiều, các hệ thống chỉnh lưu, nghịch lưu nhằm biến đổi điện áp và tần số của nguồn năng lượng ban đầu sang các giá trị khác theo yêu cầu.
Ưu điểm của các mạch biến đổi điện tử so với các phương pháp biến đổi khác được liệt kê ra như sau: Hiệu suất làm việc cao Kích thước nhỏ gọn. Có tính kinh tế cao. Vận hành và bảo trì dễ dàng. Không bị ảnh hưởng bởi khí hậu, độ ẩm nhờ các linh kiện đều được bọc trong vỏ kín Làm việc ổn định với các biến động của điện áp nguồn cung cấp Dễ dự phòng, thay thế Tuổi thọ cao Không có phần tử chuyển động trong điều kiện tỏa nhiệt tự nhiên, có thể làm mát bằng quạt gió để kéo dài tuổi thọ Đáp ứng được các giá trị điện áp và dòng điện theo yêu cầu bằng cách ráp song song và nối tiếp các thyristor lại với nhau.
5 Chịu được chấn động cao, thích hợp cho các thiết bị lưu động Phạm vi nhiệt độ làm việc rộng, thông số ít thay đổi theo nhiệt độ Đặc tính điều khiển có nhiều ưu điểm. Lĩnh vực ứng dụng của điện tử công suất. Trong giai đoạn công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, ngày càng có nhiều thiết bị bán dẫn công suất hiện đại được sử dụng không chỉ trong lĩnh vực sản xuất mà cả trong việc phục vụ đời sống sinh hoạt của con người. Sự ra đời và phát triển của các linh kiện bán dẫn công suất như: Diode, Transistor, Tiristor, Triac… a.1: Sơ đồ khối của một bộ điện tử công suất.
Trong lĩnh vực điện tử công suất, để biểu diển các khối chức năng người ta dùng các ký hiệu sơ đồ khối, điện năng truyền từ nguồn đến tải gồm: Hình 1.2: Sơ đồ khối hệ chỉnh lưu. - Khối chỉnh lưu: Nhiệm vụ của khối chỉnh lưu nhằm biến đổi năng lượng nguồn xoay chiều một pha hoặc ba pha sang dạng năng lượng một chiều (hình 1.3) - Khối nghịch lưu: Nhiệm vụ mạch nghịch lưu nhằm biến đổi năng lượng dòng một chiều thành năng lượng xoay chiều một pha hoặc ba pha (hình 1.3: Sơ đồ khối hệ nghịch lưu. Các hệ biến đổi. Các mạch biến đổi nhằm thay đổi: Dòng xoay chiều có điện áp, tần số và số pha xác định sang các giá trị khác.4: Sơ đồ khối hệ biến đổi.
Dòng một chiều có điện áp xác định sang dòng một chiều có giá trị điện áp khác (converter DC to DC). Mạch biến đổi thường là sự kết hợp từ mạch chỉnh lưu và mạch nghịch lưu. Do đó, lại được chia làm hai loại: Biến đổi trực tiếp và biến đổi có khâu trung gian. Các van biến đổi.
Các van điện là những phần tử chỉ cho dòng điện chảy qua theo một chiều nhất định. Trong lĩnh vực điện tử công suất đó chính là các diode bán dẫn và thyristor kể cả những transistor công suất. Van không điều khiển được (Diode). Một diode lý tưởng chỉ cho dòng điện chạy qua nó khi điện áp anode dương hơn cathode, điện áp ngõ ra của diode chỉ phụ thuộc theo điện áp ngõ vào của diode đó.
Van điều khiển được (Thyristor) Môt chỉnh lưu có điều khiển lý tưởng vẫn không dẫn điện mặc dù giữa anode và cathode được phân cực thuận (anode dương hơn cathode). Điều kiện để các van này dẫn điện là đồng thời với chế độ phân cực thuận phải có thêm xung kích tại cực cổng (UAK dương và UGK dương). Điện áp ngõ ra không những phụ thuộc theo điện áp vào mà còn phụ thuộc theo thời điểm xuất hiện xung kích (đặc trưng bởi góc kích α). Các phương pháp điều khiển.
Dựa trên nguyên lý làm việc người ta chia thành hai phương pháp điều khiển. + Điều khiển vô cấp. + Điều khiển gián đoạn. Dựa trên trình tự thực hiện người ta chia thành: Điều khiển theo chương trình (kết hợp điều khiển vô cấp và gián đoạn), điều khiển theo thời gian, điều khiển theo tuyến, điều khiển theo quá trình và điều khiển lập trình.
Mức phát triển cao hơn của phương pháp điều khiển theo chương trình là phương pháp điều khiển tuần tự theo quá trình. Trong đó các thao tác hoặc các tiến trình vật lý được thực hiện theo một thứ tự đã được lập trình tùy thuộc vào các trạng thái đạt được của quá trình điều khiển. Chương trình có thể được cài đặt cố định hoặc được đọc ra từ các bìa đục lỗ, băng đục lỗ, băng từ hoặc một thiết bị lưu trữ khác. Phần tử chấp hành Các phần tử thừa hành trong một hệ tự động điều khiển không chỉ là các thiết bị điện mà còn bao gồm cả các van, con trượt và bơm định lương.
7 BÀI 1: CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN Mã bài: MĐ19-01 Thời gian: 14 giờ (LT: 03, TH: 10, KT: 01) Giới thiệu: Bài học này giới thiệu về nguyên lý đóng/cắt mạch điện xoay chiều và một chiều bằng linh kiện bán dẫn công suất: Diode, BJT, MOSFET, Thyristor,. phương pháp này đã dần thay thế các thiết bị đóng/cắt cơ học do có nhiều ưu điểm, đặc biệt đối với các ứng dụng yêu cầu tốc độ và tần suất đóng/cắt cao. Mục tiêu: - Hiểu được cấu tạo và nguyên lý hoạt động của linh kiện điện tử công suất - Kiểm tra chất lượng của linh kiện điện tử công suất, khảo sát đúng đặc tính theo yêu cầu kỹ thuật. - Rèn luyện tính tư duy, sáng tạo, an toàn trong học tập.
Diode công suất. Lý thuyết liên quan. - Cấu tạo: Khác với diode thường, về mặt cấu tạo diode công suất bao gồm 3 vùng bán dẫn silic với mật độ tạp chất khác nhau gọi là cấu trúc PN, giữa hai vùng bán dẫn PN là một vùng có mật độ tạp chất rất thấp (vùng S) (hình 2.1: Cấu tạo và ký hiệu diode công suất. - Đặc tuyến V– A Đường đặc tính Diode công suất rất gần với đặc tính lý tưởng (hình 2.2), trong đó đoạn đặc tính thuận có độ dốc rất thẳng đứng (hình 2.2b) vì vây, nhiệt độ trên diode xem như không đổi, điện áp thuận trên diode là tổng giữa điện áp ngưỡng U TO không phụ thuộc dòng điện với thành phần điện áp tỉ lệ với dòng điện thuận chảy qua diode.2: a) Đặc tính diode lý tưởng ; b)Đặc tính diode thực tế - Hình dáng 8 Độ tin cậy của diode được đánh giá qua khả năng chịu tải ở chế độ làm việc dài hạn với tần số lưới điện 50-60Hz và nhiệt độ tại mối nối phụ thuộc rất lớn vào công suất tiêu tán, nhiệt trở và điều kiện tỏa nhiệt của diode và điện áp nghịch.
- Phân loại diode công suất Dựa trên lĩnh vực ứng dụng, các diode công suất được chia thành các loại như sau: + Diode tiêu chuẩn (tốc độ chậm) dùng cho các yêu cầu thông thường với tần số làm việc từ 50.60Hz + Diode công suất lớn với dòng cho phép đến 1,5KA + Diode điện áp cao với điện áp nghịch cho phép đến 5KV + Diode tốc độ nhanh với thời gian trì hoãn ngắn, có đặc tính động và hiệu suất cao. + Các diode cho phép làm việc với xung điện áp nghịch trong một khoảng thời gian ngắn. Trình tự thực hiện: + Bước 1: Kiểm tra Diode công suất bằng đồng hồ V.M - Để thang đo điện trở Rx1Ω hoặc Rx1KΩ - Quan sát V.M để kết luận Diode tốt/hỏng theo hướng dẫn. + Bước 2: Lắp ráp, khảo sát Diode công suất trên Panel điện tử công suất.
- Lắp ráp bố trí dây gọn gàng, chú ý các đầu cốt có tiếp xúc không. - Kiểm tra thông mạch.M kiểm tra ngõ vào và ngõ ra trên tải. - Dùng OSC đo và vẽ dạng sóng trên tải vào vở. + Bước 4: Vận hành kiểm tra hoạt động của Diode công suất.
- Từng học sinh thực hiện khảo sát Didoe công suất theo các bước nêu trên Diode. - Thao tác chính xác, gọn gàng tại nơi làm việc. - Ghi kết quả khảo sát vào vở. Transistor công suất.
Lý thuyết liên quan: - Cấu tạo: Do đặc tính của vật liệu chế tạo, cho đến nay vẫn còn tồn tại mâu thuẩn giữa hai yêu cầu: Chịu đựng được điện áp cao và dòng tải lớn trong 1 transistor công suất. Transistor công suất được chia làm 3 loại như sau: Transistor 3 miền khuếch tán. Transistor công suất ghép Darlington. Transistor công suất epitaxi.
- Đặc tuyến V – A và nguyên lý hoạt động.3: Đặc tuyến V – A và nguyên lý hoạt động - Hình dạng.4: Hình dạng của các loại BJT trong thực tế. - Các thông số kỹ thuật của Transistor. Dòng tải Ic: Là dòng điện định mức mà transistor cho phép đi qua chân C mà transistor vẫn đảm bảo hoạt động ổn đinh. Điện áp UCB: là hiệu điện thế định mức giữa chân C với chân B.
Quá điện áp này sẽ làm transistor hỏng. Điện áp UCE: là hiệu điện thế định mức giữa chân C với chân E. Quá điện áp này cũng làm transistor bị phá hủy. Tần số hoạt động: Là tần số cho phép transistor hoạt động bình thường.
Khi làm việc quá tần số này thì cũng làm transistor bị hỏng. Công suất tỏa nhiệt: Là công suất chịu đựng lớn nhất của transistor.