ĐẶT VẤN ĐỀ Điện tử công suất là công nghệ biến đổi điện năng từ dạng này sang dạng khác trong đó các phần tử bán dẫn công suất đóng vai trò trung tâm. Bộ biến đổi điện tử công suất còn được gọi là bộ biến đổi tĩnh (static converter) để phân biệt với các máy điện truyền thống (electric machine) biến đổi điện dựa trên nguyên tắc biến đổi điện từ trường. Theo nghĩa rộng, nhiệm vụ của điện tử công suất là xử lý và điều khiến dòng năng lượng điện bằng cách cung cấp điện áp và dòng điện ở dạng thích họp cho các tải. Tải sẽ quyết định các thông số về điện áp, dòng điện, tần số, và số pha tại ngõ ra của bộ biến đổi.
Thông thường, một bộ điều khiển có hồi tiếp sẽ theo dõi ngõ ra của bộ biến đổi và cực tiếu hóa sai lệch giữa giá trị thực của ngõ ra và giá trị mong muốn (hay giá trị đặt). Trong các bộ biến đổi các phần tử bán dẫn công suất được sử dụng như những khóa bán dẫn, còn gọi là van bán dẫn, khi mở dẫn dòng thì nối tải vào nguồn, khi khóa thì không cho dòng điện chạy qua. Khác với các phần tử có tiếp điếm, các van bán dẫn thực hiện đóng cắt dòng điện mà không gây nên tia lửa điện,không bị mài mòn theo thời gian.Tuy có thể đóng ngắt các dòng điện lớn nhưng các phần tử bán dẫn công suất lại được điều khiển bởi các tín hiệu điện công suất nhỏ, tạo bởi các mạch điện tử công suất nhỏ. Quy luật nối tải vào nguồn phụ thuộc vào các sơ đồ của bộ biến đổi và phụ thuộc vào cách thức điều khiển các van trong bộ biến đối.
Như vậy quá trình biến đổi năng lượng được thực hiện với hiệu suất cao vì tổn thất trong bộ biến 6 đổi chỉ là tổn thất trên các khóa điện tử, không đáng kế so với công suất điện cần biến đối.Không những đạt được hiệu suất cao mà các bộ biến đổi còn có khả năng cung cấp cho phụ tải nguồn năng lượng với các đặc tính theo yêu cầu, đáp ứng các quá trình điều chỉnh, điều khiển trong một thời gian ngắn nhất, với chất lượng phù hợp trong các hệ thống tự động hoặc tự động hóa. Đây là đặc tính mà các bộ biến đổi có tiếp điểm hoặc kiểu điện từ không thể có được. Úng dụng: Điện tử công suất được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành công nghiệp hiện đại. Có thể kể đến các ngành kỹ thuật mà trong đó có những ứng dụng tiêu biểu của các bộ biến đổi bán dẫn công suất như truyền động điện, giao thông đường 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 dân dụng khác nhau.Trong những năm gần đây công nghệ chế tạo các phần tử bán dẫn công suất đã có những tiến bộ vượt bậc và ngày càng trở nên hoàn thiện dẫn đến việc chế tạo các bộ biến dổi ngày càng nhỏ gọn, nhiều tính năng và sử dụng ngày càng dễ dàng hơn.
Phân loại: Ta có thể phân loại các hệ thống biến đổi điện tử công suất dựa vào tín hiệu vào và ra là xoay chiều hay một chiều: • Bộ chỉnh lưu (AC - DC) • Bộ nghịch lưu (DC - AC) • Bộ biến đổi điện xoay chiều (AC - AC) • Bộ biến đổi điện một chiều (DC - DC) • Biến tần 7 1. Cấu trúc mạch chỉnh lưu Chỉnh lưu là quá trình biến đổi năng lượng dòng điện xoay chiều thành năng lượng dòng điện một chiều Chỉnh lưu là thiết bị điện tử công suất được sử dụng rộng rãi nhất trong thực tế. Sơ đồ cấu trúc thường gặp của mạch chỉnh lưu như hình vẽ. Sơ đồ cấu trúc mạch chỉnh lưu Trong sơ đồ có máy biến áp làm hai nhiệm vụ chính là: • Chuyển từ điện áp quy chuẩn của lưới điện xoay chiều u1 sang điện áp Ư2 thích hợp với yêu cầu của tải.
Tùy theo tải mà máy biến áp có thế tăng áp hoặc giảm áp • Biến đổi số pha của nguồn lưới sang số pha theo yêu cầu của mạch van. Thông thường số pha lớn nhất của lưới là 3 pha, song mạch van có thế cần số pha là 6, 12. Trường hợp tải yêu cầu mức điện áp phù họp với lưới điện và mạch van đòi hỏi số pha như lưới điện thì có thể bỏ máy biến áp Mạch van ở đây là các van bán dẫn được mắc với nhau theo cách nào đó để tiến hành quá trình chỉnh lưu. Mạch lọc nhằm đẩm bảo điện áp (hoặc dòng điện) một chiều cấp cho tải là bằng phang theo yêu cầu 1.
Phân loại Chỉnh lưu được phân loại theo một số cách sau đây: a) Phân loại theo số pha nguồn cấp cho mạch van: một pha, hai pha, ba pha, 6 pha. b) Phân loại theo mạch van bán dẫn trong mạch van. 8 Hiện nay chủ yếu dùng hai loại van là Diode và Tiristor với các loại mạch: • Mạch van dùng toàn Diode, gọi là chỉnh lưu không điều khiến • Mạch van dùng toàn Tiristor, gọi là chỉnh lưu điều khiến • Mạch chỉnh lưu dùng cả Diode và Tiristor, gọi là chỉnh lưu bán đièu khiển c) Phân loại theo sơ đồ mắc các van. Có hai kiểu mắc van: • Sơ đồ hình tia: Ở sơ đồ này số lượng van bằng số pha nguồn cấp cho mạch van.
Tất cả các van đều đấu chung một đầu nào đó với nhau - hoặc catôt chung, hoặc anôt chung • Sơ đồ cầu: Ở sơ đồ này số lượng van nhiều gấp đôi số pha nguồn cấp cho mạch van. Trong đó một nửa số van mắc chung nhau catôt, nửa kia lại mắc chung nhau anôt. Chức năng, ứng dụng và phân loại a) Chức năng: Nghịch lưu là thiết bị biến đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều có tần số thay đổi được và làm việc với phụ tải độc lập Nguồn một chiều thông thường là điện áp chỉnh lưu, ắcquy và các nguồn một chiều độc lập khác b) Úng dụng: nghịch lưu được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như cung cấp điện, các hệ truyền động xoay chiều, truyền tải điện năng, luyện kim, giao thông. c) Phân loại: - Theo sơ đồ: nghịch lưu một pha, nghịch lưu ba pha - Theo quá trình điện từ xảy ra nghịch lưu: nghịch lưu áp, nghịch lưu dòng, nghịch lưu cộng hưởng.
9 - Theo quá trình chuyến mạch: + Quá trình chuyến mạch cưỡng bức: linh kiện có khả năng kích đóng và ngắt (MOSFET, JBT, TGBT, CiTO) + Quá trình chuyển mạch phụ thuộc: linh kiện chỉ kích đóng, quá trình ngắt phụ thuộc nguồn hoặc tải 1. Bộ nghịch lưu áp Cấu tạo cơ bản: - Nguồn điện áp một chiều: Có thể là ắcquy, pin điện, từ nguồn điện áp xoay chiều được chỉnh lưu và lọc phang - Linh kiện bộ nghịch lưu: Có khả năng kích đóng và ngắt nếu quá trình chuyến mạch là cưỡng bức, hoặc Tiristor nếu quá trình chuyển mạch là phụ thuộc + Công suất nhỏ và vừa: sử dụng các khóa BJT, MOSFET, IGBT + Công suất lớn: IGBT, GTO, Tiristor + bộ chuyển mạch (chuyển mạch cưỡng bức) hoặc Tiristor thường nếu quá trình chuyến mạch phụ thuộc - Diode mắc song song: Tạo thành mạch chỉnh lưu cầu không điều khiển có chiều dẫn ngược lại, cho phép trao đổi công suất ảo giữa tải xoay chiều với nguồn một chiều và hạn chế quá áp khi kích ngắt linh kiện (chức năng bảo vệ linh kiện) - Điện áp ra có thế giữ không đổi hoặc thay đổi được ở tần số cố định hoặc thay đổi được - Điện áp ra lý tưởng của nghịch lưu phải có dạng sin. Tuy nhiên dạng sóng ra của các bộ nghịch lưu trên thực tế không có dạng sin chuẩn (do linh kiện nghịch lưu là các khóa làm việc ở chế độ đóng cắt) và chứa các sóng hài bậc cao. Các dạng sóng hài này có thể gây ra nhiễu dưới dạng lan truyền trong cáp dẫn hoặc dạng tia do bức xạ sóng điện từ, gây ảnh hưởng không tốt đến tải, nguồn và mạng viễn thông.
Vì 10 vậy các biện pháp sử dụng đế chống nhiễu là cần thiết: các bộ lọc nguồn, thiết bị nghịch lưu được đặt trong tủ kim loại, sử dụng cáp bọc. 11 Nghịch lưu áp một pha Trên hình vẽ 1.2 trình bày sơ đồ bộ nghịch lưu điện áp một pha Hình 1. Bộ nghịch lưu điện áp một pha Các tiristor Ti - T4 được nối theo sơ đồ cầu điều khiến từng cặp (Ti, T4 và T2, T3). Các tụ điện Ci, c2làm nhiệm vụ chuyển mạch.
Ví dụ khi Ti, T4 mở cho dòng điện chạy qua tụ điện Ci, c2được nạp tới giá trị điện áp nguồn. Khi mở T2, T3thì Ci phóng điện qua Ti, T2 còn C2 phóng qua T3, T4. Như vậy dòng qua Ti, T4 giảm tới không, các tiristor này bị ngắt. Các diode Di - D4 ngăn các tụ chuyến mạch với tải để loại trừ ảnh hưởng của các tụ lên tải.
Các diode D 5 - D8 tạo thành một cầu ngược cho dòng phản kháng đi qua tụ Co. Ví dụ: Neu trước đây Ti - T4 mở, dòng tải chạy theo chiều mũi tên (trên hình vẽ) thì khi cho xung mở T2 - T3 dòng tải do tác dụng của sức điện động tự cảm trong mạch tải, không thế đổi chiều đột ngột mà vẫn giữ chiều cũ trong một khoảng thời gian t 2 đến t3. Trong khoảng thời gian t2, t3 dòng chạy qua D6 - Co - D7. Các điện kháng Li, L2 dùng để hạn chế dòng điện phóng của Ci, c 2 không qua tiristor cần khóa (vì Ci còn có thế phóng điện trong mạch Di - D5 - Li - T2, còn c2 trong mạch T3 - L2 - D8 - D4).
Nếu không có 12 Li, L2 thì dòng điện phóng theo mạch vừa nói sẽ khá lớn và quá trình chuyển mạch sẽ gặp khó khăn. Điện áp trên tải có dạng chữ nhật như hình vẽ: Đe tìm biếu thức it(t) qua tải dùng phương pháp biến đổi Laplace và biến đổi ngược. Khi mở Ti, do tác động của cuộn sơ cấp biến áp (như biến áp tự ngẫu) nên tụ c nạp tới điện áp gần bang 2E. Khi mở T2, tiristor Ti bị ngắt điện bởi tụ điện c.
Ở hệ thống (hình a) tụ nạp chuyển đổi cộng hưởng trong mạch c - T2 - L - Di tới điện áp 2E với dấu âm. Áp trên tụ không thế vượt quá giá trị 2E bất kế có cộng hưởng ở mạch tải do có phóng ngược của tụ qua những diode tương ứng và nguồn nạp. Thời gian để ngắt tiristor bằng 1/4 chu kỳ dao động riêng 13 của mạch L - c.