CHƯƠNG 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Mục tiêu: Thời gian : 4 giờ - Trình bày được các khái niệm cơ bản trong điện tử công suất, ứng dụng của điện tử công suất - Tính toán được các đại lượng trong điện tử công suất. - Rèn luyện đức tính cẩn thận, tỉ mỉ, tư duy sáng tạo và khoa học. Khái niệm Điện tử công suất Điện tử công suất (ĐTCS) là chuyên ngành nghiên cứu các phương pháp và các thiết bị dùng để biến đổi và điều khiển nguồn năng lượng điện. Việc biến đổi và điều khiển năng lượng điện trong công nghiệp trước đây chủ yếu sử dụng các relay (rơ-le), dựa vào việc đóng mở các relay mà có được nguồn điện năng theo ý muốn.
Tuy nhiên, do yêu cầu ngày càng cao của thực tiễn sản xuất, kèm theo đó là sự tiến bộ của công nghệ bán dẫn đã cho phép chế tạo các phần tử đóng, cắt bán dẫn (không tiếp điểm) công suất lớn nhằm thay thế các mạch relay tiếp điểm –>> ngành Điện tử công suất Hình 1.1-1: Sơ đồ chung về bộ biến đổi Điện tử công suất 2. Đối tượng nghiên cứu của điện tử công suất Các bộ biến đổi công suất Các bộ khóa điện tử công suất lớn- Linh kiện điện tử công suất Hình 1.1-2 : Đối tượng nghiên cứu của điện tử công suất 8 Giáo trình Điện tử công suất Khoa Điện – Điện tử 1.1 Các bộ biến đổi Các bộ biến đổi điện tử công suất được phân loại theo công dụng của chúng như sau: Điện xoay chiều –>> Điện một chiều: Các bộ Chỉnh lưu (Rectifier) điều khiển (dùng Thyristor) hoặc không điều khiển (dùng Điốt) tuỳ theo việc ta có cần điều khiển giá trị của dòng điện một chiều ở đầu ra hay không. Điện một chiều –>> Điện xoay chiều: Các bộ Nghịch lưu (Inverter). Các bộ nghịch lưu có khả năng biến dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều có giá trị điện áp và tần số thay đổi được tuỳ vào luật đóng mở các van bán dẫn.
Điện một chiều –>> Điện một chiều: Các bộ Điều áp một chiều, biến đổi điện áp một chiều – DC to DC converter, DC chopper). Các bộ biến đổi này biến dòng điện một chiều có giá trị cố định thành dòng điện một chiều có giá trị điện áp và dòng điện điều khiển được. Điện xoay chiều –>> Điện xoay chiều: Các bộ Biến tần (Frequency Driver) trực tiếp (Cycloconverter) hoặc gián tiếp (Inverter). Các bộ biến tần có khả năng biến nguồn điện xoay chiều có giá trị dòng điện, điện áp và tần số cố định của lưới điện thành dòng điện xoay chiều có giá trị dòng, áp và tần số điều khiển được theo ý muốn chỉ là sự phân loại mang tính chất cơ bản và rất chung chung, khi đi sâu vào từng khía cạnh ta sẽ thấy sự phong phú của các loại thiết bị biến đổi điện tử công suất.2 Linh kiện điện tử công suất Trong các bộ biến đổi công suất các phần tử bán dẫn công suất được sử dụng như những khóa bán dẫn, còn gọi là các van bán dẫn, khi mở dẫn dòng thì nối tải vào nguồn, khi khóa thì không cho dòng điện chạy qua.
Đặc tính chung: Khi van mở cho dòng chạy qua thì điện trở tương đương rất nhỏ, khi khóa thì điện trở tương đương rất lớn. Nhờ đó tổn hao công suất trong quá trình làm vỉệc được tính bằng tích của điện áp rơi trên phần tử với dòng điện chạy qua sẽ có giá trị rất nhỏ. Các phần tử bán dẫn chỉ dẫn dòng theo 1 chiều khi phần tử được đặt dưới điện áp phân cực thuận. Khi điện áp đặt lên phần tử là phân cực ngược, dòng qua phần tử có giá trị rất nhỏ, cỡ mA, gọi là dòng rò.
Do đó, linh kiện bán dẫn hoạt động với hai chế độ làm việc đóng và ngắt dòng điện được xem là lý tưởng nếu ở trạng thái dẫn điện nó có độ sụt áp bằng không và ở trạng thái không dẫn điện, dòng điện qua nó bằng không. Các linh kiện bán dẫn có thể chuyển đổi trạng thái làm việc của mình, ví dụ từ trạng thái không dẫn điện (ngắt) sang trạng thái dẫn điện (đóng) và ngược lại thông qua tác vụ kích thích của tín hiệu lên cổng điều khiển (ngõ vào) của linh kiện. Ta gọi linh kiện có tính điều khiển. Tín hiệu điều khiển có thể tồn tại dưới dạng dòng điện, điện áp, ánh sáng với công suất thường nhỏ hơn rất nhiều so với công suất của nguồn và tải.
Các phần tử bán dẫn công suất được phân loại: 9 Giáo trình Điện tử công suất Khoa Điện – Điện tử Không điều khiển, ví dụ: điôt Có điều khiển: Thyristor, TRIAC 3. Lãnh vực ứng dụng của ĐTCS 1. Các thiết bị gia dụng Tủ lạnh, tủ đông Gia nhiệt, sưởi Hệ thống điều hòa không khí Hệ thống chiếu sáng Các thiết bị điện tử dân dụng (thiết bị nghe nhìn, giải trí…) 2. Trang thiết bị cho cao ốc Hệ thống sưởi, thông gió, điều hòa Máy tính và các thiết bị văn phòng Thang máy UPS (Uninterruptible Power Supply) 3.
Công nghiệp Bơm Máy nén Quạt gió Máy công cụ Lò nấu hồ quang, lò nấu cảm ứng Gia nhiệt cảm ứng (tôi cao tần…) Máy hàn điện 4. Giao thông vận tải Điều khiển động cơ xe hơi điện Nạp acquy xe hơi điện Các hệ thống tàu điện, tàu điện ngầm 5. Hệ thống điện Truyền tải điện DC cao áp (HVPS) High voltage power supply Bộ bù tĩnh Hệ thống máy phát dùng nguồn năng lượng tái sinh (renewable energy): năng lượng mặt trời, năng lượng gió… Các hệ thống tích trữ năng lượng (energy storage system) 6. Hàng không Hệ thống điện tàu con thoi 10 Giáo trình Điện tử công suất Khoa Điện – Điện tử Hệ thống điện máy bay Hệ thống điện các vệ tinh 7.
Viễn thông Bộ nạp bình acquy Bộ nguồn (DC, UPS) 4. Ưu điểm nổi bật của các ứng dụng điện tử công suất Van bán dẫn thực hiện đóng ngắt dòng điện không sinh ra tia lửa điện, không bị mài mòn theo thời gian; Đóng ngắt dòng điện lớn bởi tín hiệu điều khiển từ các mạch điện tử công suất nhỏ; Hiệu suất cao ( vì tổn hao trên các bộ biến đổi chỉ là tổn hao trên các van bán dẫn- khóa điện từ, không đáng kể so với công suất điện cần biến đổi; Cung cấp cho phụ tải nguồn năng lượng với đặc tính theo yêu cầu, đáp ứng quá trình điều khiển với thời gian phù hợp.2 Tính toán Điện tử công suất 1. Trị trung bình của một đại lượng “Gọi i(t) là hàm biến thiên tuần hoàn theo thời gian với chu kỳ Tp. Trị trung bình của đại lượng i, viết tắt là Id được xác định theo hệ thức: t Tp Id i(t)dt 1 0 Tp t 0 Với t0 là thời điểm đầu của chu kỳ được lấy tích phân.
Ví dụ 1: Xét quá trình dòng điện trên hình 1.2-1 Trị trung bình dòng điện cho bởi hệ thức: 10dt 6V 0,5 0 Id i(t)dt 0,5 0,3 1 1 0,5 0 11 Giáo trình Điện tử công suất Khoa Điện – Điện tử Trong nhiều trường hợp, việc lấy tích phân theo hàm biến thời gian phức tạp hơn là lấy theo biến góc cho bởi hệ thức: X = ωt với ω là tần số góc nào đó xác định Khi ấy, trị trung bình đại lượng theo góc X tính theo hệ thức: t i(t)dt X P i(X)dX t 0 Tp X0 X P Id 1 1 TP 0 X0 Với X0 = ωt0; Xp = ωTp ; X = ωt; dX = d(ωt) Ví dụ 2: Tính trị trung bình điện áp chỉnh lưu của bộ chỉnh lưu cầu 1 pha không điều khiển. Hàm điện áp chỉnh lưu có dạng u = Um|sin(ωt)|; với Um = 220 2 [V]; ω = 314 [rad/s]. Giải: Dễ dàng thấy rằng, chu kỳ của dạng điện áp trên là TP = 001[s]. Ta có: u ( X )dX 0 XO X P Ud 220 2 sin XdX 198[V ] 1 1 XP XO Các trường hợp đặc biệt: Tải R: Quan hệ giữa điện áp tức thời và dòng điện tức thời qua điện trở R cho bởi: u R=RiR Lấy trị trung bình hai vế ta có: U R.
I _ Tải L: Ta có: u L L di L dt Ở chế độ xác lập iL(t0) = iL(t0+TP), trị trung bình của điện áp trên L được xác định bằng cách lấy tích phân hai vế của hệ thức trên trong thời gian (t0, t0+TP). Kết quả _ thu được: U = 0 Tải RL: u z Ri z L di z Ta có: dt Trị trung bình áp: U z RIU RI 12 Giáo trình Điện tử công suất Khoa Điện – Điện tử I Uz Từ đó: R Như vậy trị trung bình của dòng không phụ thuộc vào giá trị L mà chỉ phụ thuộc vào R và điện áp Uz. Tải RLE: u z Ri z L E di z Ta có: dt Với E là sức điện động không đổi Kết quả: U R. I E U E Hay : I R Ví dụ 3: Giả sử, ta có nguồn áp cho như trường hợp ví dụ 2, tải RLE nối tiếp: R = 1 , L vô cùng lớn và E = 50V.
Tính trị trung bình dòng qua tải và công suất qua tải? Giải: U 198V 198 50 Dòng qua tải trung bình: I 148 A 1 Công suất trung bình qua tải: do L vô cùng lớn nên dòng qua tải không đổi trong suốt chu kỳ. Trị hiệu dụng một đại lượng i Giả thiết đại lượng i biến thiên theo thời gian qua một hàm tuần hoàn với chu kỳ Tp hoặc với chu kỳ theo góc Xp = wTp. Trị hiệu dụng của đại lượng i được tính theo công thức: TP t0 i dX t Tp X 0 XP I i .dt 1 0 2 1 2 XP X0 Ví dụ 4: Cho một điện áp dạng u = Umsin(314t) = 220 2 sin (314t) [V]. Tính trị hiệu dụng của điện áp trên? Giải: Chu kỳ của điện áp u là 2 π[rad].
Trị hiệu dụng điện áp cho bởi hệ thức: 13 Giáo trình Điện tử công suất Khoa Điện – Điện tử u dt U m sin X 2 dX 1 T P 2 U 2 0 1 2 1 TP t0 Lấy tích phân ta thu được kết quả: U 220[V ] Um 2 3.