LàI NÓI ĐÀU Cùng với các mô đun của ngành Sửa chữa thi¿t bị tự đọng hóa mô đun Đián tử công suÃt là mô đun kỹ thuật tự chọn, hián nay mô đun đ°ợc ứng dụng rộng rãi trong ngành kỹ thuật và các lĩnh vực điÁu khiÃn khác. Mô đun đ°ợc ứng dụng cho tÃt cÁ sinh viên các ngành nh° Đián, Đián tử công nghiáp, Kỹ thuật máy l¿nh và điÁu hòa không khí của tr°ßng ta. Bái vậy đà t¿o điÁu kián cho viác học tập và nghiên cứu mô đun của học viên đ°ợc thuận lợi trong quá trình học tập. Bộ môn Đián tử thuộc Khoa Đián – Đián tử - Tin học Tr°ßng cao đẳng nghÁ số 20/QK3 tổ chức biên so¿n tài liáu: < Điện tử công suất = làm bài giÁng l°u hành hội bộ.
Trong quá trình biên so¿n chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thi¿u sót, bái vậy tôi mong nhận đ°ợc sự thông cÁm và góp ý chân thành của các b¿n đồng nghiáp đà cho giáo trình ngày càng hoàn thián h¡n. Xin chân thành cảm ơn! Bài 1: KHÁI NIàM V ĐIàN Tþ CÔNG SUÂT 1. QUÁ TRÌNH PHÁT TRIÄN Đián tử công suÃt có thà đ°ợc x¿p vào ph¿m vi các môn thuộc vÁ kỹ thuật năng l°ợng của ngành kỹ thuật đián nói chung. Tuy nhiên viác nghiên cứu không chỉ dừng l¿i á phần công suÃt mà còn đ°ợc ứng dụng trong các lĩnh vực điÁu khiÃn khác Kà từ khi hiáu ứng nắn đián của miÁn ti¿p xúc PN đ°ợc công bố bái Shockley vào năm 1949 thì ứng dụng của chÃt bán dẫn càng ngày càng đi sâu vào các lĩnh vực chuyên môn của ngành kỹ thuật đián và từ đó phát triÃn thành ngành điện tử công su¿t chuyên nghiên cứu vÁ khÁ năng ứng dụng của chÃt bán dẫn trong lĩnh vực năng l°ợng Với sự thành công trong viác truyÁn tÁi dòng đián 3 pha vào năm 1891, dòng đián một chiÁu đ°ợc thay th¿ bái dòng đián xoay chiÁu trong viác sÁn xuÃt đián năng, do đó đà cung cÃp cho các tÁi một chiÁu cần thi¿t phÁi bi¿n đổi từ dòng đián xoay chiÁu thành một chiÁu, yêu cầu này có thà đ°ợc thực hián bằng há thống máy phát - động c¡.
Hián nay ph°¡ng pháp này chỉ còn áp dụng trong kỹ thuật hàn đián Thay th¿ cho há thống máy đián quay nói trên là viác ứng dụng đèn h¡i thủy ngân đà nắn đián kéo dài trong vòng 50 năm và sau đó chÃm dứt bái sự ra đßi của thyristor. Đián tử công suÃt nghiên cứu vÁ các ph°¡ng pháp bi¿n đổi dòng đián và cÁ các yêu cầu đóng/ngắt và điÁu khiÃn, trong đó chủ y¿u là kỹ thuật đóng/ngắt trong m¿ch đián một chiÁu và xoay chiÁu, điÁu khiÃn dòng một chiÁu, xoay chiÁu, các há thống chỉnh l°u, nghịch l°u nhằm bi¿n đổi đián áp và tần số của nguồn năng l°ợng ban đầu sang các giá trị khác theo yêu cầu. ¯u điÃm của các m¿ch bi¿n đổi đián tử so với các ph°¡ng pháp bi¿n đổi khác đ°ợc liát kê ra nh° sau: - Hiáu suÃt làm viác cao - Kích th°ớc nhỏ gọn - Có tính kinh t¿ cao - Vận hành và bÁo trì dà dàng - Không bị Ánh h°áng bái khí hậu, độ ẩm nhß các linh kián đÁu đ°ợc bọc trong vỏ kín - Làm viác ổn định với các bi¿n động của đián áp nguồn cung cÃp - Dß dự phòng, thay th¿ - Tuổi thọ cao - Không có phần tử chuyÃn động trong điÁu kián tỏa nhiát tự nhiên, có thà làm mát bằng qu¿t gió đà kéo dài tuổi thọ - Đáp ứng đ°ợc các giá trị đián áp và dòng đián theo yêu cầu bằng cách ráp song song và nối ti¿p các thyristor l¿i với nhau. - Chịu đ°ợc chÃn động cao, thích hợp cho các thi¿t bị l°u động - Ph¿m vi nhiát độ làm viác rộng, thông số ít thay đổi theo nhiát độ - Đặc tính điÁu khiÃn có nhiÁu °u điÃm 2.
NGUYÊN TÀC BIÀN ĐàI T)NH 2. S¢ đß khßi Trong lĩnh vực đián tử công suÃt, đà biÃu dißn các khối chức năng ng°ßi ta dùng các ký hiáu s¡ đồ khối, đián năng truyÁn từ nguồn (có chỉ số 1) đ¿n tÁi (có chỉ số 2) 2. Chãnh l°u Nhiám vụ của m¿ch chỉnh l°u nhằm bi¿n đổi năng l°ợng nguồn xoay chiÁu một pha hoặc ba pha sang d¿ng năng l°ợng một chiÁu.1: Sơ đồ khối hệ chỉnh lưu 2. Nghịch l°u Nhiám vụ m¿ch nghịch l°u nhằm bi¿n đổi năng l°ợng dòng một chiÁu thành năng l°ợng xoay chiÁu một pha hoặc ba pha.2: Sơ đồ khối hệ nghịch lưu 2.
Các há thßng biÁn đái Các m¿ch bi¿n đổi nhằm thay đổi: - Dòng xoay chiÁu có đián áp, tần số và số pha xác định sang các giá trị khác.3: Sơ đồ khối hệ biến đổi - Dòng một chiÁu có đián áp xác định sang dòng một chiÁu có giá trị đián áp khác (converter DC to DC) M¿ch bi¿n đổi th°ßng là sự k¿t hợp từ m¿ch chỉnh l°u và m¿ch nghịch l°u. Do đó, l¿i đ°ợc chia làm hai lo¿i: Bi¿n đổi trực ti¿p và bi¿n đổi có khâu trung gian 2. Các lo¿i tÁi Tính chÃt của tÁi có Ánh h°áng rÃt quan trọng đ¿n ch¿ độ làm viác của các m¿ch đổi đián, ng°ßi ta chia tÁi thành các lo¿i nh° sau: 2. TÁi thụ đßng TÁi thuần trá chỉ bao gồm các đián trá thuần, 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°ợc ứng dụng chủ y¿u trong lĩnh vực chi¿u sáng và trong các lò nung. TÁi cÁm kháng có đặc tính l°u trữ năng l°ợng, tính chÃt này đ°ợc thà hián á hián t°ợng san bằng thành phần gợn sóng có trong đián áp một chiÁu á ngõ ra của m¿ch nắn đián và xung đián áp cao xuÃt hián t¿i thßi điÃm cắt tÁi Các ứng dụng quan trọng của lo¿i tÁi này là: Các cuộn kích từ trong máy đián (t¿o ra từ tr°ßng), trong các thi¿t bị nung cÁm ứng và các lò tôi cao tần. Trong các tr°ßng hợp này đián cÁm th°ßng đ°ợc mắc song song với đián dung đà t¿o thành một khung cộng h°áng song song 2. TÁi tích cāc Các lo¿i tÁi này th°ßng có kèm theo một nguồn đián áp nh° các van chỉnh l°u á ch¿ độ phân cực nghịch.
Ví dụ: Quá trình n¿p đián bình ắc quy và sức phÁn đián của động c¡ đián id + R Ud L + Vi _ Hình 1.4: Sơ đồ tương đương của một tải trở kháng vßi sức phản điện 2. Các van biÁn đái Các van đián là những phần tử chỉ cho dòng đián chÁy qua theo một chiÁu nhÃt định. Trong lĩnh vực đián tử công suÃt đó chính là các diode bán dẫn và thyristor kà cÁ những transistor công suÃt 2. Van không điÃu khiÅn đ°ợc (diode) Một diode lý t°áng chỉ cho dòng đián ch¿y qua nó khi đián áp anode d°¡ng h¡n cathode, đián áp ngõ ra của diode chỉ phụ thuộc theo đián áp ngõ vào của diode đó 2.
Van điÃu khiÅn đ°ợc (thyristor) Môt chỉnh l°u có điÁu khiÃn lý t°áng vẫn không dẫn đián mặc dù giữa anode và cathode đ°ợc phân cực thuận (anode d°¡ng h¡n cathode). ĐiÁu kián đà các van này dẫn đián là đồng thßi với ch¿ độ phân cực thuận phÁi có thêm xung kích t¿i cực cổng (UAK d°¡ng và UGK d°¡ng). Đián áp ngõ ra không những phụ thuộc theo đián áp vào mà còn phụ thuộc theo thßi điÃm xuÃt hián xung kích (đặc tr°ng bái góc kích α) 3. C¡ BÀN V ĐIÂU KHIÄN M¾CH HÞ Vào th¿ kỷ tr°ớc đây, nhß ứng dụng của c¡ khí hóa vào kỹ thuật mà sự phát triÃn lúc bÃy giß chủ y¿u là h°ớng vÁ khÁ năng tự động hóa.
Tự động hóa một quá trình có nghĩa là quá trình đó sẽ tự thực hián theo một ch°¡ng trình đặt sẵn nào đó n¿u hội đủ một số điÁu kián cho tr°ớc không cần sự tham gia của con ng°ßi. ¯u điÃm của kỹ thuật tự động hóa là độ an toàn, độ chính xác và tính kinh t¿ rÃt cao. Kỹ thuật tự động hóa đ°ợc phân thành hai chuyên ngành: Kỹ thuật điÁu khiÃn và kỹ thuật điÁu chỉnh. Tuy nhiên, trong thực t¿ cũng th°ßng gặp tr°ßng hợp k¿t hợp cÁ hai.
Ví dụ: Ph°¡ng pháp điÁu chỉnh tốc độ động c¡ một chiÁu bằng cầu chỉnh l°u có điÁu khiÃn. Khái niám c¢ bÁn Từ sự mô tÁ các van chỉnh l°u á phần trên có sử dụng khái niám <van có điÁu khiÃn''. Các thyristor đ°ợc điÁu khiÃn bằng cách dịch chuyÃn pha của xung kích dẫn đ¿n đián áp ra cũng nh° công suÃt r¡i trên tÁi thay đổi theo. Thuật ngữ <điÁu khiÃn'' cũng đã nói lên một quá trình mà trong đó một hoặc nhiÁu đ¿i l°ợng vào của há thống có Ánh h°áng đ¿n các đ¿i l°ợng ra của há thống đó.
Khi các đ¿i l°ợng ra không đ°ợc hồi ti¿p trá l¿i ngõ vào, ng°ßi ta gọi là quá trình há, h°ớng tác động của quá trình là cố định và đ°ợc biÃu diÃn bằng các mũi tên nh° trong hình 1.5 Trong thực t¿, các khái niám và tên gọi trong kỹ thuật điÁu khiÃn đ°ợc định nghĩa và xử dụng theo tiêu chuẩn DIN 19226 nh° sau: Đại lượng ra X là một đ¿i l°ợng vật lý của há thống, đ¿i l°ợng này bị Ánh h°áng theo một quy luật điÁu khiÃn nhÃt định Đối tượng điều khiển là một khâu trong quá trình điÁu khiÃn, là n¡i xuÃt phát đ¿i l°ợng ra, trong há thống truyÁn động điÁu chỉnh bằng thyristor: Động c¡ và thyristor là đối t°ợng điÁu khiÃn, tốc độ và momen quay là các đ¿i l°ợng ra. PhÁn tử ch¿p hành là một bộ phận của đối t°ợng điÁu khiÃn tác động trực ti¿p đ¿n năng l°ợng hoặc khối l°ợng cần điÁu khiÃn, có lo¿i phần tử tác động gián đo¿n nh°: r¡ le, công tắc t¡ và cũng có lo¿i tác động liên tục nh°: Con tr°ợt, van ti¿t l°u, transistor và m¿ch nắn đián có đián áp ra thay đổi đ°ợc Tín hiệu điều khiển y là tín hiáu tác động vào phần tử chÃp hành, đây chính là tín hiáu ra của phần tử điÁu khiÃn. PhÁn tử điều khiển có nhiám vụ t¿o ra tín hiáu điÁu khiÃn, cÃu trúc của phần tử điÁu khiÃn phụ thuộc theo đ¿i l°ợng vào. Đại lượng vào w đ°ợc đ°a từ ngoài vào há thống, độc lập với quá trình điÁu khiÃn, giữa đ¿i l°ợng vào với đ¿i l°ợng ra tồn t¿i một quan há xác định Nhiễu z có nguồn gốc từ nhiÁu nguyên nhân khác nhau, có thà t¿o ra những tác động ngoài ý muốn đ¿n k¿t quÁ điÁu khiÃn Xen Xoutn Xe3 Đ¿i l°ợng Hà ĐIÀU KHIÂN Đ¿i l°ợng vào Xe2 ra Xout1 Xe1 Hình 1.5: Định nghĩa hệ điều khiển hở Z Nhißu Xout Năng l°ợng Đối t°ợng điÁu khiÃn Đ¿i l°ợng PT chÃp hành Y Tín hiáu điÁu khiÃn Phần tử điÁu khiÃn W Đ¿i l°ợng vào (Xin) Hình 1.6: Sơ đồ khối một hệ điều khiển hở 3.