MỞ ĐẦU: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Mục tiêu: - Trình bày được các khái niệm cơ bản trong điện tử công suất - Tính toán được các đại lượng trong điện tử công suất. - Rèn luyện đức tính cân thận, ti mi, tu duy sang tao va khoa hoc. Trong công nghiệp, ngoài tải riêng ra, phan lớn mạch điện tử công suất là điều khiển động cơ đề thực hiện các yêu câu của tải. Các đại lượng đặc trưng về điện: trị trung bình, trị hiệu dụng, công suất.
1 Giá trị trung bình Định nghĩa: Gọi i(£) là hàm biến thiên tuần hoàn theo thời gian với chu kỳ Tp. Giá trị trung bình của đại lượng /), viết tắt là 14V (AV: average.giá trị trung bình) được xác định bởi hệ thức: 1 _ #o +2, Lav = ƒzŒ2 2z P to 2 Công suất trung bình Công suât trung bình: Tải R: P,=U,1, >u,=Rl, Tai L: u, = rủ at Ở chế độ xác lập: iL (t0)=iL(t0 + Tp) thi: U„z =9 Tải R-L: U, = Ri, +1 Us =Rl yy +U yy = Rly 3 Gia tri hiéu dung:. Ộ Dinh nghia: i(t) là đại lượng biên thiên theo thời gian, theo một hàm tuân hoàn với chu kỳ 7? hoặc với chu kỳ theo góc. Giá trị hiệu dụng (RMS: Root Mean Square) của đại lượng 1(£) được tính theo công thức - Công suất : Công suât tức thời của một tải tiêu thụ được xác định băng tích điện áp và dòng điện tức thời dẫn qua né: pữ) =w()4() ei oi P, “7 Peta = 5 | u()i()d Nghề: Điện công nghiệp 7 Giáo trình: Điện tử công suất Trường Cao đẳng Cơ giới và Thủy lợi Khoa: Điện - Điện tử Công suất trung bình: 1ƒ 1? Taial R: Py =7— uo |u(t)i(t)dt (t)i( = 7— | R (t)d t) Tai L va C: Py =9 4 Hệ số công suất: pF định nghĩa cho một tải tiêu thụ, như là tỉ SỐ ø1ữa công suất tiêu thụ thực tế trên tải P và công suất biểu kiến Š của nguồn cung cấp cho tải đó: z2Z*~” — 7> —— `Š Biểu thức tính hệ số công suất theo các thành phần công suất như sau pF === = SP? +O? + D? - DO MEO DANG Độ méo dang THD: (Total Harmonic Distortion) la dai lugng để đánh giá tác dụng sóng hài bậc cao (bậc 2, 3.) xuât hiện trong nguồn điện cho bởi hệ thức sau: \J S37? THD = ——— .100[°%] 1 Trong do / là trị hiệu dụng của sóng hải bậc 7, j>2 va 17 trị hiệu dụng dòng điện nguôn Nghề: Điện công nghiệp 8 Giáo trình: Điện tử công suất Trường Cao đẳng Cơ giới và Thủy lợi Khoa: Điện - Điện tu BÀI 1: CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TU CONG SUAT Ma bai: MD 28 - 01 Là một chuyên ngành của kỹ thuật điện tử, nghiên cứu ứng dụng các phân tử bán dẫn công suất trong các bộ biến đổi và khống chế nguồn năng lượng điện.
Điện tử công suất (điện tử dòng điện mạnh) với đặc điểm chủ yếu là chuyển mạch (đóng - cắt) dòng điện lớn, điện áp cao, làm thay đổi độ lớn, tần số, dạng sóng dòng công suất. Công suất đầu ra được biến đôi về độ lớn, tần số, dạng sóng so với công suât đầu vào. Tín hiệu đóng vai trò điêu khiên dòng công suât Điện tử công suất đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong kỹ thuật hiện đại, làm thay đôi tận gốc rễ kỹ thuật truyền động điện, trong sản xuất, truyền tải và phân phối điện. Mục tiêu: - Nhận dạng được các linh kiện điện tử công suât dùng trong các thiệt bị điện điện tử.
- Trình bày được câu tạo các loại linh kiện điện tử công suât - Giải thích được nguyên lý làm việc các loại linh kiện. - Rèn luyện đức tính cân than, ti mi, tu duy sang tao va khoa hoc, dam bao an toan, tiét kiém.1 Phan loai: Các phần tử bán dẫn công suất điển hình được dùng trong các bộ biến đổi công suất : Diode công suất, tiristor công suất SCR (Silicon Controlled Rectifier), tiristor khoá bằng cực diéu khién GTO (Gate Turn off Tiristor), transistor lưỡng cuc céng suat BJT (Bipolar Junction Transistor), transistor trang céng suat FET (Field Effect Transistor), transistor lwGng cyc céng cach ly IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), TRIAC (Triode Alternative Current), tiristor diéu khién bang MOSFET MCT (Mosfet Controlled Tiristor), linh kién cam ung tinh dién SID (Static Induction Device). Cac dic tinh co ban cua cdc phan tt ban dan céng suat : 1. Diode céng suất : có dòng điện định mức tới 5000A, điện áp định mức tới 10kV, thời gian chuyên mạch nhanh nhất tới 20ns.
Chủ yếu được dùng trong chỉnh lưu, biến đổi DC-DC. Transistor lưỡng cực công suất BỊT: dẫn dòng một chiều khi có dòng bazơ thích hợp. Dòng điện định mức 0,5-500A và lớn hơn, điện áp định mức tới 9 Nghề: Điện công nghiệp Giáo trình: Điện tử công suất Trường Cao đẳng Cơ giới và Thủy lợi Khoa: Điện - Điện tu 1200V, thời gian chuyển mạch từ 0,5-100us. Chức năng chủ yếu là biến đổi DC-DC, khuyêch đại tín hiệu, chuyên mạch, tạo dao động, phối hợp với điode trong nghịch lưu.
BJT đang được thay thế bởi FET và IGBT. Transistor trường công suất FET: dẫn dòng điện máng (Drain) khi có điện ap céng thich hop. Dong dién dinh mic 1 — 100A, dién ap dinh mirc 30- 1000V, thoi gian chuyén mach rất nhanh 50-200ns. Chức năng chủ yếu là biến đổi DC-DC và nghịch lưu.
Transistor lưỡng cực công cách điện IGBÏT: là FET đặc biệt có chức năng của BỊT và điều khiến công bằng FET. Nhờ vậy IGBT nhanh hơn và dễ sử dung hon BJT khi cùng công suất. Dòng điện định mức 10-600A, điện áp định mức 600-1700V. Được sử dụng chủ yếu trong nghịch lưu công suất từ 1-100KW.
Tiristor (Thyristor): dẫn điện tương tự như diode sau khi nhận được xung môi thích hợp và trở về trạng thái bị khoá khi dòng điện bằng không. Sau khi đã dẫn, cực điều khiển không còn tác dụng nữa. Dòng điện định mức 10- 5000A, điện áp định mức 200V-6kV, thời gian chuyển mach 1-200us. La linh kiện điện tử công suất chủ yếu, được ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực của điện tử công suât.
Tiristor khoa bang cực điều khiển GTO: 1a tiristor dic biét co thé khóa được băng cách đặt xung âm vào cực điều khiến. Thay thế cho các BỊT trong các ứng dụng đòi hỏi công suất lớn. Các đại lượng định mức tương tự như tiristor và được ứng dụng trong các bộ nghịch lưu trên I00KW. TRIAC: là linh kiện phỗi hợp hai tiristor nối song song ngược và chỉ có một cực điều khiển.
Dòng điện định mức 2-50A, điện áp định mức 200-800V. Ứng dụng chủ yếu trong các bộ biến đổi điện áp xoay chiều, điều khiển đèn, thiết bị điện gia dụng. Tiristor điều khiển băng MOSFET MCT: là tiristor đặc biệt có chức năng của GTO nhưng điều khiến bằng FET vì thế nhanh và dễ sử dụng hơn GTO. Linh kiện cảm ứng fĩnh SID: là linh kiện được chuyên mạch băng cách điều khiển hàng rào thế ở công.
Công suất 100KW ở tần số 100kHZ. 10 Nghề: Điện công nghiệp Giáo trình: Điện tử công suất Trường Cao đẳng Cơ giới và Thủy lợi Khoa: Điện - Điện tu Ưu điểm chủ yêu là có tôc độ chuyên mạch cao, điện áp ngược lớn, điện áp rơi thuận rât nhỏ Tính năng của các phần tử bán dẫn công suất chủ yếu cho trong bảng Sau: Linh kién xuất Van cám r , a z hện | ŒW) | Œ&A) | &H2 | MW) |] Wy Tiristor 1957 6 35 0,5 100 | 15-25 TRIAC 1958 1 0,1 0,5 0,1 1,5-2 GTO 1962 4,5 3 2 10 3-4 BIT 1960 1,2 0,8 10 | 1,5-3 MOSFET | 1976 0,5 0,05 1000 0,1 3-4 IGBT 1983 1,2 0,4 20 0,1 3-4 SID 1976 1,2 0,3 100 0,01 2-4 MCT 1988 3 2 20-100 10 1-2 Các bộ biên đôi điện tử công suât gôm các linh kiện điện tử công suât năm trong mạch động lực và các mạch điêu khiên nhắm biên đôi dòng điện, điện áp và tân số đòng công suất gồm có : 1. Bộ chỉnh lưu: Biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng một chiều AC-DC. Bộ nghịch lưu: Biến đổi dòng một chiều thành dòng xoay chiều DC-AC.
Bộ băm: Biến đổi điện áp một chiều thành điện áp một chiều DC- DC. Bộ điều áp xoay chiều: Biến đổi điện áp xoay chiều thành điên áp xoay chiều tần số không đổi AC-AC 5. Bộ biến tần: Biến đổi dòng điện xoay chiều về tần số và điện áp AC-AC. 11 Nghề: Điện công nghiệp Giáo trình: Điện tử công suất Trường Cao đẳng Cơ giới và Thủy lợi Khoa: Điện - Điện tứ Bộ chỉnh lưu Đại lượng xoay Đại lượng một chiều Vv chiêu Ui, I; A Bộ nghịch lưu Bộ biên tần Bo bam Đại lượng xoay Đại lượng một chiều chiêu U2, Ib Môn học điện tử công suât nghiên cứu: - Ung dung phan tt ban dan cong suat trong nang luong dién.
- Mach dién tir diéu khién cac phan tir ban dan cong suat. Uu diém cua cac phan tir ban dan céng suat: Đóng cắt dòng điện không gây ra tia lửa điện. Không bị mài mòn theo thời gian. Được điêu khiên bởi các tín hiệu công suât nhỏ.
Hiệu suât biên đôi điện năng cao. Cung cấp cho phụ tải được nguồn năng lượng theo yêu cầu.2 Diode Diode công suất do hai mặt ghép p-n ghép thành, diện tích mặt ghép tỉ lệ với dòng điện cho phép qua diode. 12 Nghề: Điện công nghiệp Giáo trình: Điện tử công suất Trường Cao đẳng Cơ giới và Thủy lợi Khoa: Điện - Điện tu Trung bình mật độ dòng cỡ A A 10A/mm”. [ Nhiệt độ mặt ghép cho phép: P \/ 200°C.
N Đề điode làm việc và chịu dòng cao phải có biện pháp K K làm mat diode. - Làm mát tự nhiên, Hình 1. Câu tạo và ký hiệu diode - _ Dùng cánh tản nhiệt: + Làm mát băng gió. + Làm mát băng dâu.
Đặc tính Vôn-ampe Ubo Hinh 1. Dac tinh V-A Đặc tính V-A gồm hai nhánh: - Nhánh thuận: Dưới điện áp UAy>0. Diode phân cực thuận. Đường đặc tính có dạng hàm mũ.
- Nhánh ngược: Dưới điện áp UAk<0. Diode phân cực ngược. Khi tăng |U| dòng điện cũng tăng. Dòng ngược không tăng.
Tới giá trị giới hạn. Dòng điện tăng đột biến phá huy diode. Giải thích: 13 Nghề: Điện công nghiệp Giáo trình: Điện tử công suất Trường Cao đẳng Cơ giới và Thủy lợi Khoa: Điện - Điện tu Dòng điện ngược hình thành do sự di chuyên của các điện tích thiểu số làm nên. Ở thời điểm dau: Khi UT > It.
Dén giới hạn U; toàn bộ các điện tích thiểu số có mặt trong diode đều di chuyển để tạo dòng điện ngược nên dòng điện không tăng (tăng rất chậm). Khi |U|>U„„ các điện tích di chuyền trong điện trường và được tích luỹ năng v? lượng W=““—.