Bài 1: KHÁI NIàM VÀ ĐIàN Tþ CÔNG SUÂT 1. QUÁ TRÌNH PHÁT TRIÂN Đián tā công suÃt có thÅ đ°ÿc xÁp vào ph¿m vi các môn thuác và kā thuÁt năng l°ÿng cÿa ngành kā thuÁt đián nói chung. Tuy nhiên viác nghiên cāu không chã dÿng l¿i á phÅn công suÃt mà còn đ°ÿc āng dāng trong các l*nh vực điÃu khiÅn khác KÅ tÿ khi hiáu āng nÃn đián cÿa miÃn tiÁp xúc PN đ°ÿc công bá bái Shockley vào năm 1949 thì āng dāng cÿa chÃt bán d¿n càng ngày càng đi sâu vào các l*nh vực chuyên môn cÿa ngành kā thuÁt đián và tÿ đó phát triÅn thành ngành điện tử công suất chuyên nghiên cāu và khÁ năng āng dāng cÿa chÃt bán d¿n trong l*nh vực năng l°ÿng Với sự thành công trong viác truyÃn tÁi dòng đián 3 pha vào năm 1891, dòng đián mát chiÃu đ°ÿc thay thÁ bái dòng đián xoay chiÃu trong viác sÁn xuÃt đián năng, do đó đÅ cung cÃp cho các tÁi mát chiÃu cÅn thiÁt phÁi biÁn đái tÿ dòng đián xoay chiÃu thành mát chiÃu, yêu cÅu này có thÅ đ°ÿc thực hián bằng há tháng máy phát - đáng c¢. Hián nay ph°¢ng pháp này chã còn áp dāng trong kā thuÁt hàn đián Thay thÁ cho há tháng máy đián quay nói trên là viác āng dāng đèn h¢i thÿy ngân đÅ nÃn đián kéo dài trong vòng 50 năm và sau đó chÃm dāt bái sự ra đßi cÿa thyristor.
Đián tā công suÃt nghiên cāu và các ph°¢ng pháp biÁn đái dòng đián và cÁ các yêu cÅu đóng/ngÃt và điÃu khiÅn, trong đó chÿ yÁu là kā thuÁt đóng/ngÃt trong m¿ch đián mát chiÃu và xoay chiÃu, điÃu khiÅn dòng mát chiÃu, xoay chiÃu, các há tháng chãnh l°u, nghåch l°u nhằm biÁn đái đián áp và tÅn sá cÿa ngußn năng l°ÿng ban đÅu sang các giá trå khác theo yêu cÅu. ¯u điÅm cÿa các m¿ch biÁn đái đián tā so với các ph°¢ng pháp biÁn đái khác đ°ÿc liát kê ra nh° sau: - Hiáu suÃt làm viác cao - Kích th°ớc nhß gọn - Có tính kinh tÁ cao - VÁn hành và bÁo trì dÅ dàng 1 - Không bå Ánh h°áng bái khí hÁu, đá ẩm nhß các linh kián đÃu đ°ÿc bọc trong vß kín - Làm viác án đånh với các biÁn đáng cÿa đián áp ngußn cung cÃp - Dß dự phòng, thay thÁ - Tuái thọ cao - Không có phÅn tā chuyÅn đáng trong điÃu kián tßa nhiát tự nhiên, có thÅ làm mát bằng qu¿t gió đÅ kéo dài tuái thọ - Đáp āng đ°ÿc các giá trå đián áp và dòng đián theo yêu cÅu bằng cách ráp song song và nái tiÁp các thyristor l¿i với nhau. - Chåu đ°ÿc chÃn đáng cao, thích hÿp cho các thiÁt bå l°u đáng - Ph¿m vi nhiát đá làm viác ráng, thông sá ít thay đái theo nhiát đá - Đặc tính điÃu khiÅn có nhiÃu °u điÅm 2. NGUYÊN TÂC BI¾N ĐàI T)NH 2.
S¢ đß khßi Trong l*nh vực đián tā công suÃt, đÅ biÅu dißn các khái chāc năng ng°ßi ta dùng các ký hiáu s¢ đß khái, đián năng truyÃn tÿ ngußn (có chã sá 1) đÁn tÁi (có chã sá 2) 2. Chãnh l°u Nhiám vā cÿa m¿ch chãnh l°u nhằm biÁn đái năng l°ÿng ngußn xoay chiÃu mát pha hoặc ba pha sang d¿ng năng l°ÿng mát chiÃu.1: Sơ đồ khối hệ chỉnh lưu 2. Nghåch l°u Nhiám vā m¿ch nghåch l°u nhằm biÁn đái năng l°ÿng dòng mát chiÃu 2 thành năng l°ÿng xoay chiÃu mát pha hoặc ba pha.2: Sơ đồ khối hệ nghịch lưu 2. Các há thßng bi¿n đái Các m¿ch biÁn đái nhằm thay đái: - Dòng xoay chiÃu có đián áp, tÅn sá và sá pha xác đånh sang các giá trå khác.3: Sơ đồ khối hệ biến đổi - Dòng mát chiÃu có đián áp xác đånh sang dòng mát chiÃu có giá trå đián áp khác (converter DC to DC) M¿ch biÁn đái th°ßng là sự kÁt hÿp tÿ m¿ch chãnh l°u và m¿ch nghåch l°u.
Do đó, l¿i đ°ÿc chia làm hai lo¿i: BiÁn đái trực tiÁp và biÁn đái có khâu trung gian 2. Các lo¿i tÁi Tính chÃt cÿa tÁi có Ánh h°áng rÃt quan trọng đÁn chÁ đá làm viác cÿa các m¿ch đái đián, ng°ßi ta chia tÁi thành các lo¿i nh° sau: 2. TÁi thụ đáng TÁi thuÅn trá chã bao gßm các đián trá thuÅn, đây là lo¿i tÁi đ¢n giÁn nhÃt, dòng đián qua tÁi và đián áp r¢i trên tÁi cùng pha với nhau. Lo¿i này đ°ÿc āng dāng chÿ yÁu trong l*nh vực chiÁu sáng và trong các lò nung.
TÁi cÁm kháng có đặc tính l°u trữ năng l°ÿng, tính chÃt này đ°ÿc thÅ hián 3 á hián t°ÿng san bằng thành phÅn gÿn sóng có trong đián áp mát chiÃu á ngõ ra cÿa m¿ch nÃn đián và xung đián áp cao xuÃt hián t¿i thßi điÅm cÃt tÁi Các āng dāng quan trọng cÿa lo¿i tÁi này là: Các cuán kích tÿ trong máy đián (t¿o ra tÿ tr°ßng), trong các thiÁt bå nung cÁm āng và các lò tôi cao tÅn. Trong các tr°ßng hÿp này đián cÁm th°ßng đ°ÿc mÃc song song với đián dung đÅ t¿o thành mát khung cáng h°áng song song 2. TÁi tích cực Các lo¿i tÁi này th°ßng có kèm theo mát ngußn đián áp nh° các van chãnh l°u á chÁ đá phân cực nghåch. Ví dā: Quá trình n¿p đián bình Ãc quy và sāc phÁn đián cÿa đáng c¢ đián id + R Ud L + Vi _ Hình 1.4: Sơ đồ tương đương của một tải trở kháng với sức phản điện 2.
Các van bi¿n đái Các van đián là những phÅn tā chã cho dòng đián chÁy qua theo mát chiÃu nhÃt đånh. Trong l*nh vực đián tā công suÃt đó chính là các diode bán d¿n và thyristor kÅ cÁ những transistor công suÃt 2. Van không điÁu khiÃn đ°ợc (diode) Mát diode lý t°áng chã cho dòng đián ch¿y qua nó khi đián áp anode d°¢ng h¢n cathode, đián áp ngõ ra cÿa diode chã phā thuác theo đián áp ngõ vào cÿa diode đó 2. Van điÁu khiÃn đ°ợc (thyristor) Môt chãnh l°u có điÃu khiÅn lý t°áng v¿n không d¿n đián mặc dù giữa anode và cathode đ°ÿc phân cực thuÁn (anode d°¢ng h¢n cathode).
ĐiÃu kián đÅ các van này d¿n đián là đßng thßi với chÁ đá phân cực thuÁn phÁi có thêm xung kích t¿i cực cáng (UAK d°¢ng và UGK d°¢ng). Đián áp ngõ ra không những phā thuác theo đián áp vào mà còn phā thuác theo thßi điÅm xuÃt hián xung 4 kích (đặc tr°ng bái góc kích ³) 3. C¡ BÀN VÀ ĐIÀU KHIÂN M¾CH Hà Vào thÁ kÿ tr°ớc đây, nhß āng dāng cÿa c¢ khí hóa vào kā thuÁt mà sự phát triÅn lúc bÃy giß chÿ yÁu là h°ớng và khÁ năng tự đáng hóa. Tự đáng hóa mát quá trình có ngh*a là quá trình đó s¿ tự thực hián theo mát ch°¢ng trình đặt sẵn nào đó nÁu hái đÿ mát sá điÃu kián cho tr°ớc không cÅn sự tham gia cÿa con ng°ßi.
¯u điÅm cÿa kā thuÁt tự đáng hóa là đá an toàn, đá chính xác và tính kinh tÁ rÃt cao. Kā thuÁt tự đáng hóa đ°ÿc phân thành hai chuyên ngành: Kā thuÁt điÃu khiÅn và kā thuÁt điÃu chãnh. Tuy nhiên, trong thực tÁ cũng th°ßng gặp tr°ßng hÿp kÁt hÿp cÁ hai. Ví dā: Ph°¢ng pháp điÃu chãnh tác đá đáng c¢ mát chiÃu bằng cÅu chãnh l°u có điÃu khiÅn.
Khái niám c¢ bÁn Tÿ sự mô tÁ các van chãnh l°u á phÅn trên có sā dāng khái niám <van có điÃu khiÅn''. Các thyristor đ°ÿc điÃu khiÅn bằng cách dåch chuyÅn pha cÿa xung kích d¿n đÁn đián áp ra cũng nh° công suÃt r¢i trên tÁi thay đái theo. ThuÁt ngữ <điÃu khiÅn'' cũng đã nói lên mát quá trình mà trong đó mát hoặc nhiÃu đ¿i l°ÿng vào cÿa há tháng có Ánh h°áng đÁn các đ¿i l°ÿng ra cÿa há tháng đó. Khi các đ¿i l°ÿng ra không đ°ÿc hßi tiÁp trá l¿i ngõ vào, ng°ßi ta gọi là quá trình há, h°ớng tác đáng cÿa quá trình là cá đånh và đ°ÿc biÅu diÅn bằng các mũi tên nh° trong hình 1.5 Trong thực tÁ, các khái niám và tên gọi trong kā thuÁt điÃu khiÅn đ°ÿc đånh ngh*a và xā dāng theo tiêu chuẩn DIN 19226 nh° sau: Đại lượng ra X là mát đ¿i l°ÿng vÁt lý cÿa há tháng, đ¿i l°ÿng này bå Ánh h°áng theo mát quy luÁt điÃu khiÅn nhÃt đånh Đối tượng điều khiển là mát khâu trong quá trình điÃu khiÅn, là n¢i xuÃt phát đ¿i l°ÿng ra, trong há tháng truyÃn đáng điÃu chãnh bằng thyristor: Đáng c¢ và thyristor là đái t°ÿng điÃu khiÅn, tác đá và momen quay là các đ¿i l°ÿng ra.
Phần tử chấp hành là mát bá phÁn cÿa đái t°ÿng điÃu khiÅn tác đáng trực tiÁp đÁn năng l°ÿng hoặc khái l°ÿng cÅn điÃu khiÅn, có lo¿i phÅn tā tác đáng gián đo¿n nh°: r¢ le, công tÃc t¢ và cũng có lo¿i tác đáng liên tāc nh°: Con tr°ÿt, van tiÁt l°u, transistor và m¿ch nÃn đián có đián áp ra thay đái đ°ÿc 5 Tín hiệu điều khiển y là tín hiáu tác đáng vào phÅn tā chÃp hành, đây chính là tín hiáu ra cÿa phÅn tā điÃu khiÅn. Phần tử điều khiển có nhiám vā t¿o ra tín hiáu điÃu khiÅn, cÃu trúc cÿa phÅn tā điÃu khiÅn phā thuác theo đ¿i l°ÿng vào. Đại lượng vào w đ°ÿc đ°a tÿ ngoài vào há tháng, đác lÁp với quá trình điÃu khiÅn, giữa đ¿i l°ÿng vào với đ¿i l°ÿng ra tßn t¿i mát quan há xác đånh Nhiễu z có ngußn gác tÿ nhiÃu nguyên nhân khác nhau, có thÅ t¿o ra những tác đáng ngoài ý muán đÁn kÁt quÁ điÃu khiÅn Xen Xoutn Xe3 Đ¿i l°ÿng Hà ĐIÂU KHIÄN Đ¿i l°ÿng vào Xe2 ra Xout1 Xe1 Hình 1.5: Định nghĩa hệ điều khiển hở Z Nhißu Xout Năng l°ÿng Đái t°ÿng điÃu khiÅn Đ¿i l°ÿng ra PT chÃp hành Y Tín hiáu điÃu khiÅn PhÅn tā điÃu khiÅn W Đ¿i l°ÿng vào (Xin) Hình 1.6: Sơ đồ khối một hệ điều khiển hở 3. Các ph°¢ng pháp điÁu khiÃn Dựa trên nguyên lý làm viác ng°ßi ta chia thành hai ph°¢ng pháp điÃu khiÅn 1.
ĐiÃu khiÅn gián đo¿n Dựa trên trình tự thực hián ng°ßi ta chia thành: ĐiÃu khiÅn theo ch°¢ng trình, điÃu khiÅn theo thßi gian, điÃu khiÅn theo tuyÁn , điÃu khiÅn theo quá trình và điÃu khiÅn lÁp trình. ĐiÁu khiÃn vô cÃp Trong ph°¢ng pháp này giữa các đ¿i l°ÿng vào và đ¿i l°ÿng ra luôn tßn t¿i mát quan há đ¢n trå á tr¿ng thái án đånh đÁn nßi nhißu cũng không làm xáo trán ho¿t đáng cÿa há tháng. Đ¿i l°ÿng vào w có thÅ đ°ÿc chãnh đånh hoặc thay đái tÿ 0 đÁn w bái công nhân vÁn hành máy. M¿ch điÃu chãnh vô cÃp đá sáng cÿa đèn là mát ví dā 3.
ĐiÁu khiÃn gián đo¿n Há tháng điÃu khiÅn trong tr°ßng hÿp này làm viác á chÁ đá đóng-ngÃt. Tr°ớc tiên, đ¿i l°ÿng vào có giá trå t°¢ng āng với māc đóng (ON) đÅ tác đáng phÅn tā chÃp hành. Há tháng s¿ chuyÅn sang tr¿ng thái ngÃt ví dā khi nhÃn nút STOP hoặc mát tiÁp điÅm hành trình nào đó.