Bài giảng Điện tử công suất - Chương mở đầu: Các hệ thức và khái niệm cơ bản

Nội dung text: Bài giảng Điện tử công suất - Chương mở đầu: Các hệ thức và khái niệm cơ bản

1. Chương 0 CÁC HỆ THỨC VÀ KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1
2. Các khái niệm cơ bản Giá trị trung bình của đại lượng i: T 1 p I= i() t dt AV Tp 0 Hoặc: 1 2 I= i()() t d t AV 2 0 2
3. Các khái niệm cơ bản Công suất tức thời: p( t )= v ( t ). i ( t ) Công suất trung bình: T 11p 2 P== p()()() t dt p t d t AV Tp 002 Trị hiệu dụng: T 11p 2 I= I = i22()()() t dt = i t d t RMS Tp 002 3
4. Mạch một pha với dòng, áp dạng sin Nguồn Tải Mạch một pha với dòng, áp dạng sin và ở chế độ xác lập 4
5. Mạch một pha với dòng, áp dạng sin v= 2 V cos t Công suất phức (complex power): S= VI* =VIejj = Se = P + jQ i= 2 I cos t j0 Công suất biểu kiến (apparent power): V = Ve S= VI I = Ie−j Công suất thực: P=ReS = VI cos  Công suất phản kháng (reactive power): Q=ImS = VI sin  PP Hệ số công suất (power factor): PF = = =cos  S VI 5
6. Mạch ba pha cân bằng (dòng, áp dạng sin) 6 Mạch 3 pha với dòng, áp dạng sin và ở chế độ xác lập
7. Mạch ba pha cân bằng (dòng, áp dạng sin) Thứ tự pha: a-b-c: V Vej0 V I =a = =e−jj  = Ie −  a Z Zej Z −jj2 3 − ( + 2 3) IIba==e Ie jj2 3− ( − 2 3) IIca==e Ie Liên hệ giữa điện áp pha và điện áp dây: VVLL = 3 7
8. Mạch ba pha cân bằng (dòng, áp dạng sin) Công suất trên 1 pha: Sphase= VI và P phase = VI cos  Với mạch 3 pha cân bằng, công suất tổng trên 3 pha tính bởi: S3− phase=3 S phase = 3 VI = 3 V LL I P3− phase=3 P phase = 3 VI cos  = 3 V LL I cos  8
9. Cuộn dây L – Tụ điện C 9
10. Chế độ xác lập với dòng, áp không sin Ví dụ: Dạng sóng điện áp ngõ ra và dạng sóng dòng-áp ngõ vào của một bộ biến tần 3-pha kiểu điều rông xung (PWM) điển hình. a. Điện áp (pha) ngõ ra của bộ biến tần b. Điện áp và dòng ngõ vào của bộ biến tần 10 Dạng sóng điển hình của một bộ biến tần 3 pha
11. Phân tích Fourier • Phân tích Fourier • Hệ số méo dạng (%THD) • Hệ số công suất in Dòng và áp ngõ vào của bộ chỉnh lưu một pha có tụ lọc ở ngõ ra 11
12. Phân tích Fourier Đại lượng f(t) tuần hoàn, không sin, biến thiên có chu kỳ có thể triển khai thành tổng các đại lượng sin theo hệ thức: ftF( )=AV + ftF n ( ) = AV +( AntB n sin( ) + n cos( nt )) nn==11 Với: 1 2 F= f()() t d t AV 2 0 1 2 A== f( t )sin( n t ) d ( t ), n 1,2,3 n 0 1 2 B== f( t )cos( n t ) d ( t ), n 1,2,3 n 0 12
13. Phân tích Fourier Thành phần sóng hài bậc n: fn( t )=+ A n sin( n t ) B n cos( n t ) Sóng hài bậc n có thể biểu diễn qua giá trị hiệu dụng và dưới dạng: j n Fn = Fen AB22+ F = nn n 2 Bn n = arctan An Trị trung bình của f(t): FAV 22 Trị hiệu dụng của f(t): FFFF=RMS = AV +  n 1 13
14. Méo dạng do sóng hài in Dòng và áp ngõ vào của bộ chỉnh lưu một pha có tụ lọc ở ngõ ra 14
15. Méo dạng do sóng hài Dòng ngõ vào is(t) qua phân tích Fourier: isn() t=+ i1  i n 1 Hệ số méo dạng (distortion factor - DF): I DF = 1 I Độ méo dạng tổng do hài (Total harmonic distortion – THD): 2  In THD = n 1 I1 15
16. Chương 1 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 16
17. Lãnh vực ứng dụng của ĐTCS 1. Các thiết bị gia dụng 4. Giao thông vận tải • Tủ lạnh, tủ đông • Điều khiển động cơ xe hơi điện • Gia nhiệt, sưởi • Nạp acquy xe hơi điện • Hệ thống điều hòa không khí • Các hệ thống tàu điện, tàu điện ngầm • Lò nấu • Chiếu sáng 5. Hệ thống điện • Các thiết bị điện tử dân dụng (TV, máy • Truyền tải điện DC cao áp (HVDC) tính, các thiết bị nghe nhìn, giải trí ) • Bộ bù tĩnh • Hệ thống máy phát dùng nguồn năng 2. Trang thiết bị cho cao ốc lượng tái sinh (renewable energy): • Các hệ thống sưởi, thông gió, điều hòa năng lượng mặt trời, năng lượng • Hệ thống điều hòa trung tâm gió • Máy tính và các thiết bị văn phòng • Các hệ thống tích trữ năng lượng • UPS (Uninterruptible Power Supply) (energy storage systems) • Thang máy 6. Hàng không 3. Công nghiệp • Hệ thống điện tàu con thoi • Bơm • Hệ thống điện của các vệ tinh • Máy nén • Hệ thống điện máy bay • Quạt gió • Máy công cụ 7. Viễn thông • Lò nấu hồ quang, Lò nấu cảm ứng • Bộ nạp bình acquy • Gia nhiệt cảm ứng (tôi cao tần ) • Bộ nguồn (DC, UPS) • Máy hàn điện 17
18. Ví dụ ứng dụng của bộ biến đổi ĐTCS • Ứng dụng các bộ biến đổi ĐTCS giúp tiết kiệm năng lượng, nâng cao chất lượng đáp ứng của thiết bị. Van tiết lưu Bộ điều Động khiển tốc độ Nguồn cơ Nguồn + lưới lưới Động cơ Bơm Bơm a. Hệ thống bơm kiểu truyền thống b. Hệ thống bơm có điều chỉnh tốc độ Tiết kiệm năng lượng tiêu thụ của hệ thống bơm khi điều chỉnh lưu lượng bằng bộ điều khiển tốc độ động cơ thay cho van tiết lưu 18
19. Sơ đồ khối Bộ biến đổi Pout Pin Mạch động lực Tải Tín hiệu điều khiển Tín hiệu hồi tiếp Mạch điều khiển Tín hiệu đặt Lưu ý là các mạch ĐTCS hoạt động theo chế độ đóng-ngắt (switch-mode), khác với các mạch điện tử hoạt động ở chế độ tuyến tính (linear mode) → Hiệu suất mạch ĐTCS cao hơn mạch điện tử chế độ tuyến tính. 19
20. Bộ ổn áp tuyến tính • Transistor công Biến áp suất được điều nguồn Mạch Tải khiển hoạt động điều khiển tương tự như Nguồn lưới một điện trở Chỉnh lưu Tụ lọc biến đổi a. Sơ đồ nguyên lý Tầm thay đổi • Mạch có hiệu của vd suất thấp và cồng kềnh b. Dạng sóng điện áp ngõ vào vd và ngõ ra vo 20
21. Bộ ổn áp xung Mạch động lực Tải Nguồn lưới Chỉnh lưu Mạch lọc Biến áp thông thấp tần số cao Chỉnh lưu Tụ lọc Mạch điều khiển a. Sơ đồ nguyên lý bộ ổn áp xung 21
22. Bộ ổn áp xung Mạch động lực Tải Tải voi Vo = Voi Mạch điều khiển b. Mạch tương đương của bộ ổn áp xung c. Điện áp ngõ ra của bộ ổn áp xung Transistor hoạt động như một khóa đóng ngắt → hiệu suất cao Biến áp, mạch lọc hoạt động ở tần số cao → kích thước nhỏ 22 Điện áp ngõ ra thay đổi bằng cách điều khiển độ rộng xung (tỉ lệ ton/Ts)
23. Chế độ hoạt động của BBĐ Chế độ chỉnh lưu Bộ biến đổi Chế độ nghịch lưu Bộ biến đổi 1 Bộ biến đổi 2 Nguồn lưới 23
24. Giới thiệu các linh kiện ĐTCS thông dụng 24
25. Diode Điện áp khóa ngược Vđm Miền a. Ký hiệu khóa ngược b. Đặc tuyến c. Đặc tuyến lý tưởng 25
26. Thyristor (SCR) Dẫn Tắt→Dẫn khi có xung kích i Miền G khóa Tắt ngược Điện áp Điện áp khóa khóa a. Ký hiệu ngược thuận b. Đặc tuyến Dẫn Tắt→Dẫn Miền khóa Miền khóa ngược thuận 26 c. Đặc tuyến lý tưởng
27. BJT (Bipolar Junction Transistor) Dẫn TTắắt t a. Ký hiệu b. Đặc tuyến c. Đặc tuyến lý tưởng BJT loại NPN 27
28. BJT (Bipolar Junction Transistor) Transistor ghép Darlington 28
29. MOSFET Dẫn Dẫn Tắt Tắt a. Ký hiệu b. Đặc tuyến c. Đặc tuyến lý tưởng MOSFET kênh N 29
30. GTO (Gate Turn-Off Thyristor) Dẫn Dẫn Tắt Tắt c. Đặc tuyến lý tưởng a. Ký hiệu b. Đặc tuyến GTO (Gate-Turn Off) 30
31. GTO (Gate Turn-Off Thyristor) Mạch đệm (snubber) để giảm dv/dt khi tắt dòng Mạch kích a. GTO và mạch đệm b. Chuyển trạng thái dẫn → tắt của GTO 31
32. IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) 32
33. MCT (MOS-Controlled Thyristor) 33
34. Khả năng đóng ngắt của các khóa bán dẫn thông dụng Loại linh kiện Công suất đóng ngắt Tần số đóng ngắt BJT Trung bình Trung bình MOSFET Thấp Cao GTO Cao Thấp IGBT Trung bình Trung bình MCT Trung bình Trung bình 34
35. Khả năng tải & đóng cắt của các linh kiện ĐTCS hiện nay 35