MỞ ĐẦU KHÁI QUÁT CHUNG VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Mã bài: MĐ 29 - 00 Giới thiệu Điện tử công suất là một chuyên ngành của kỹ thuật điện - điện tử, nghiên cứu và ứng dụng các phần tử bán dẫn công suất. Nhằm khống chế nguồn năng lƣợng điện với các tham số không thay đổi đƣợc thành nguồn năng lƣợng điện với các tham số có thể thay đổi đƣợc để cung cấp cho các phụ tải. Nhƣ vậy các bộ biến đổi bán dẫn công suất là đối tƣợng nghiên cứu cơ bản của môn học điện tử công suất. Quy luật nối tải vào nguồn trong các bộ biến đổi công suất phụ thuộc vào sơ đồ các bộ biến đổi và phụ thuộc vào cách thức điều khiển các van trong bộ biến đổi.
Quá trình biến đổi năng lƣợng sử dụng các van công suất đƣợc thực hiện với hiệu suất rất cao vì tổn thất trong bộ biến đổi chỉ là tổn thất trên các khoá điện tử, nó không đáng kể so với công suất điện cần biến đổi. Các bộ biến đổi công suất không những đạt đƣợc hiệu suất cao mà các còn có khả năng cung cấp cho phụ tải nguồn năng lƣợng với các đặc tính theo yêu cầu, đáp ứng các quá trình điều chỉnh, điều khiển trong một thời gian ngắn nhất, với các chất lƣợng phù hợp trong các hệ thống tự động. Đây là đặc tính nổi trội của các bộ biến đổi bán dẫn công suất mà các bộ biến đổi có tiếp điểm hoặc kiểu điện tử thông thƣờng không thể có đƣợc. Điện tử công suất hầu hết đƣợc ứng dụng rất nhiều trong các ngành công nghiệp hiện đại cũng nhƣ trong dân dụng.
Có thể kể ra các nghành kỹ thuật mà trong đó có những ứng dụng tiêu biểu của bộ biến đổi bán dẫn công suất nhƣ truyền động điện tự động, giao thông đƣờng 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 trong dân dụng ngày nay đƣợc sử dụng khá rộng rãi nhƣ các bộ điều khiển ánh sáng, chuyển đổi điện DC sang AC hay bộ băm xung áp…Những năm gần đây công nghệ chế tạo các phần tử bán dẫn công suất đã có những tiến bộ vƣợt bậc và ngày càng trở nên hoàn thiện, dẫn đến việc chế tạo các bộ biến đổi ngày càng gọn nhẹ, nhiều tính năng ƣu vƣợt và sử dụng ngày càng dễ dàng hơn. Mục tiêu: - Trình bày đƣợc các khái niệm cơ bản trong điện tử công suất - Tính toán đƣợc các đại lƣợng trong điện tử công suất. 6 - Rèn luyện đức tính cẩn thận, tỉ mỉ, tƣ duy sáng tạo và khoa học.
Nội dung chính: 1. Khái niệm chung về điện tử công suất 1. Khái niệm chung Điện tử công suất là tập hợp những thiết bị sử dụng để biến đổi, điều khiển dòng năng lƣợng điện thông qua các dụng cụ bán dẫn công suất. Theo nghĩa rộng thì điện tử công suất là một ngành khoa học chuyên nghiên cứu về quá trình phát triển và ứng dụng các thiết bị dùng để biến đổi, điều khiển năng lƣợng điện.
Ứng dụng của điện tử công suất Điện tử công suất đƣợc ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp hiện đại. Theo đó lĩnh vực ứng dụng điện tử công suất nhiều nhất có thể kể đến là: Máy tính, ô tô, điện tử viễn thông, máy điện, hàng không, vũ trụ, chuyển đổi nguồn năng lƣợng, chiếu sáng. Những ứng dụng chính của điện tử công suất đƣợc kể đến là: - Truyền tải điện năng - Hệ truyền động của động cơ một chiều, động cơ xoay chiều. - Hệ thống nguồn liên tục UPS.
- Hệ truyền động máy điện tích hợp nam châm vĩnh cửu. - Điều khiển một số thiết bị điện đặc biệt: động cơ bƣớc, miện điện từ trở vi bƣớc. Các khái niệm cơ bản 2. Trị trung bình của một đại lƣợng 2.1 Giá trị trung bình của dòng điện, điện áp Gọi i(t) là hàm biến thiên tuần hoàn theo thời gian với chu kỳ T p.
Trị trung bình của đại lƣợng i, ký hiệu là IAV đƣợc xác định nhƣ sau: t T 1 0 T p t0 I AV i(t )dt Với t0 là thời điểm đầu của chu kỳ đƣợc lấy tích phân Trong nhiều trƣờng hợp, thực hiện tích phân theo hàm biến đổi thời gian phức tạp hơn thực hiện tích phân theo biến góc X với X= .t Với là tần số góc nào đó xác định. Khi đó, trị trung bình đại lƣợng theo góc X tính theo hệ thức: t T x0 T p 1 0 1 Id T p t0 i (t )dt Xp i( X )dX x0 Với X 0 .t; ; dX d (t ) 7 Ví dụ: Tính giá trị trung bình của điện áp chỉnh lƣu của bộ chỉnh lƣu cầu một pha không điều khiển. Điện áp chỉnh lƣu có dạng u= Umsin t với Um= 220 2 (V); = 314 (rad/s). Giải: Chu kỳ của điện áp trên là Tp= 0.2 Công suất trung bình Công suất tức thời của một tải tiêu thụ đƣợc xác định bằng tích điện áp và dòng điện tức thời dẫn qua tải đó, tức là: p(t) = u(t).
Công suất trung bình đƣợc xác định bằng cách áp dụng tính trung bình vào đại lƣợng công suất tức thời p(t), tức là: Tp Tp 1 1 Pd Tp 0 p(t )dt T p 0 u (t ).i(t )dt Hoặc theo X .t Xp Xp 1 1 Pd Xp 0 p( X )dX X p 0 u ( X ).T p Trƣờng hợp dòng qua tải không đổi theo thời gian I=const = Id, công suất trung bình qua tải bằng tích của điện áp và dòng điện trung bình: Pd= Ud. Trƣờng hợp điện áp đặt lên tải không đổi theo thời gian u=const = Ud, công suất trung bình qua tải bằng tích của điện áp và dòng điện trung bình: Pd= U.3 Trị hiệu dụng của một đại lƣợng Gỉa thiết đại lƣợng i biến thiên theo thời gian theo một hàm tuần hoàn với chu kỳ Tp hoặc với chu kỳ theo góc X p . Trị hiệu dụng của đại lƣợng i đƣợc tính theo công thức: t 0 T p x0 X p 1 1 I RMS i dt i dX 2 2 Tp 0 Xp 0 Chỉ số RMS (Root Mean Square) có nghĩa là trị hiệu dụng.4 Hệ số công suất Hệ số công suất cos - PF (Power Factor) đối với một tải đƣợc định nghĩa bằng tỉ số giữa công suất tiêu thụ P và công suất biểu kiến S mà nguồn cấp cho P tải đó cos . S Trong trƣờng hợp đặc biệt của nguồn áp dạng sin và tải tuyến tính chứa các phần tử R, L, C không đổi và sức điện động dạng sin, dòng điện qua tải sẽ có dạng sin cùng tần số của nguồn áp với góc lệch pha có độ lớn bằng .
Ta có hệ thức tính hệ số công suất nhƣ sau: P P m.I ; cos S Trong đó: U, I - là các trị hiệu dụng của điện áp pha và dòng điện qua tải; m - là tổng số pha. Câu hỏi ông tập 1. Tính giá trị trung bình của điện áp chỉnh lƣu của bộ chỉnh lƣu cầu một pha không điều khiển. Điện áp chỉnh lƣu có dạng u= U msin t với Um= 200 2 (V); = 314 (rad/s).
Nêu cách xác định trị hiệu dụng của một đại lƣợng và hệ số công suất. 9 BÀI 1: CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN CÔNG SUẤT CƠ BẢN Mã bài: MĐ 29 - 01 Giới thiệu Trong các bộ biến đổi các phần tử bán dẫn công suất đƣợc sử dụng nhƣ các khóa 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 nhƣng các phần tử điều khiển chúng lại đƣợc tạo bởi các mạch điện tử công suất nhỏ, nên công suất tiêu thụ cũng nhỏ.
Quá trình biến đổi năng lƣợng sử dụng các van công suất đƣợc thực hiện với hiệu suất rất cao vì tổn thất trong bộ biến đổi chỉ là tổn thất trên các khoá điện tử, nó không đáng kể so với công suất điện cần biến đổi. Có khả năng cung cấp cho phụ tải nguồn năng lƣợng với các đặc tính theo yêu cầu, đáp ứng các quá trình điều chỉnh, điều khiển trong một thời gian ngắn nhất, với các chất lƣợng phù hợp trong các hệ thống tự động. Đây là đặc tính nổi trội của các bộ biến đổi bán dẫn công suất mà các bộ biến đổi có tiếp điểm hoặc kiểu điện tử thông thƣờng không thể có đƣợc. Nhƣợc điểm: Khó vận hành, sửa chữa.
Mục tiêu: - Nhận dạng đƣợc các linh kiện điện tử công suất dùng trong các thiết bị điện điện tử. - Trình bày đƣợc cấu tạo các loại linh kiện điện tử công suất - Giải thích đƣợc nguyên lý làm việc các loại linh kiện. - Rèn luyện đức tính cẩn thận, tỉ mỉ, tƣ duy sáng tạo và khoa học, đảm bảo an toàn, tiết kiệm. Nội dung chính: 1.
Đặc điểm, phân loại các phần tử bán dẫn công suất 1. Đặc điểm - Các linh kiện bán dẫn công suất (van bán dẫn) trong lĩnh vực điện tử công suất có 2 chức năng cơ bản: Đóng và ngắt dòng điện đi qua nó. 10 + Trạng thái đóng (linh kiện dẫn điện): linh kiện có tác dụng nhƣ 1 điện trở rất bé (gần bằng 0). Độ lớn dòng điện qua linh kiện phụ thuộc trạng thái mạch điện, độ sụt áp trên linh kiện nhỏ (tối đa khoảng vài V, lý tƣởng coi bằng 0).
+ Trạng thái ngắt (linh kiện không dẫn điện): linh kiện có tác dụng trong mạch nhƣ một điện trở rất lớn. Dòng điện qua linh kiện có độ lớn không đáng kể (lý tƣởng coi bằng 0), độ lớn điện áp đặt lên linh kiện phụ thuộc vào trạng thái hoạt động của mạch điện bên ngoài. - Các van bán dẫn có thể chuyển đổi trạng thái làm việc của mình, từ trạng thái ngắt (không dẫn điện) sang trạng thái đóng (dẫn điện) và ngƣợc lại thông qua tác dụng kích thích của tín hiệu lên cực điều khiển của các linh kiện. Ta gọi linh kiện có tính điều khiển.
Tín hiệu điều khiển là: dòng điện, điện áo, ánh sáng với công suất thƣờng nhỏ hơn rất nhiều so với công suất của nguồn và tải.