Bài giảng Điện tử công suất (sử dụng cho hệ cao đẳng và đại học)

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ ---------------------------- BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Sử dụng cho hệ cao đẳng & đại học T3 T5T1 ZA A ZB 0BUN ZCC T2 T6T4 BIÊN SOẠN: Trần Văn Hùng LƯU HÀNH NỘI BỘ 2008 LỜI NÓI ĐẦU Tài liệu ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT là một trong những tài liệu phục vụ cho việc giảng dạy môn học ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT cho sinh viện Khoa Công Nghệ Điện Tử của trường đại học Công Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh, nhằm cung cấp các kiến thức cơ bản liên quan đến lĩnh vực điều khiển và biến đổi công suất bằng các bộ biến đổi công suất.. Để có thể hiểu được nội dung trình bày trong tài liệu này sinh viên cần nắm vững các kiến thức lý thuyết về mạch điện, các kiến thức cơ bản về điện tử, lý thuyết điều khiển và truyền động điện… Tài liệu ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT bao gồm 5 chương Chương 1 – Mở đầu, chương này giới thiệu cách tính toán các đại lượng điện cơ bản, giới thiệu tính chất cơ bản của các linh kiện công suất bán dẫn như: Diode, BJT, Mosfet, SCR, Triac, IGBT, GTO, IGCT Chương 2 – Chỉnh lưu, chương này sẽ giới thiệu các bộ chỉnh lưu điều khiển pha của điện một pha và ba pha. Chương 3 – Biến đổi điện áp một chiều, chương này phân tích và tính toán cho các bộ băm xung áp như: bộ giảm áp, tăng áp, tăng - giảm áp. Chương 4 – Biến đổi điện áp xoay chiều, chương này được mô tả và phân tích các kiểu làm việc của bộ biến đổi một pha và ba pha. Chương 5 – Nghịch lưu và biến tần, chương này trình bày các bộ nghịch lưu một pha cơ bản và các mạch nghịch lưu ba pha loại sáu bước. Xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp đã đóng góp ý kiến cho tài liệu trong quá trình biên soạn Tác giả Trần Văn Hùng MỤC LỤC Lời nói đầu Chương 1 – MỞ ĐẦU 1.1 Các đại lượng đặc trưng.......................................................................... 2 1.1.1. Giá trị trung bình ......................................................................... 2 1.1.2. Giá trị hiệu dụng.......................................................................... 3 1.1.3. Công suất ..................................................................................... 3 1.1.4. Hệ số công suất............................................................................ 4 1.2 Linh kiện điện tử công suất..................................................................... 6 1.2.1. Đặc tính giao hoán của công tắc bán dẫn ...................................... 6 1.2.2. Diode công suất ............................................................................. 9 1.2.3. Transistor công suất..................................................................... 11 1.2.4. Thyristor ...................................................................................... 19 Chương 2 – CHỈNH LƯU 2.1 Chỉnh lưu một pha ................................................................................ 37 2.1.1. Chỉnh lưu bán kỳ ....................................................................... 37 2.1.2. Chỉnh lưu toàn kỳ ...................................................................... 46 2.1.3. Sơ đồ cầu một pha ..................................................................... 53 2.2 Tính công suất với dạng sóng tuần hoàn phi sin .................................. 55 2.2.1. Cấp Fourier ................................................................................ 55 2.2.2. Công suất trung bình.................................................................. 56 2.3 Chỉnh lưu ba pha................................................................................... 57 2.3.1. Sơ đồ hình tia............................................................................. 57 2.3.2. Cầu ba pha điều khiển toàn phần............................................... 64 2.3.3. Cầu ba pha điều khiển bán phần................................................ 70 2.4 Họa tần .................................................................................................. 73 Chương 3 – BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU 3.1 Nguyên lý cơ bản của bộ biến đổi điện một chiều ............................... 75 3.2 Phân loại và các cách điều khiển của bộ biến đổi DC.......................... 77 3.3 Các bộ chuyển đổi điện áp hoạt động dòng không liên tục.................. 77 3.3.1. Mạch chuyển đổi giảm áp (Buck Converter) ............................ 79 3.3.2. Mạch chuyển đổi tăng áp (Boost Converter)............................. 83 3.3.3. Mạch chuyển đổi tăng - giảm áp (Buck - boost converter) ....... 87 3.3.4. Bộ chuyển đổi C’uk................................................................... 91 3.4 Bộ chuyển đổi hoạt động với dòng không liên tục............................... 93 3.4.1. Bộ chuyển đổi giảm áp .............................................................. 96 3.4.2. Bộ chuyển đổi tăng áp ............................................................... 98 Chương 4 – BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU 4.1 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều một pha điều khiển toàn chu kỳ ....... 101 4.2 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều một pha điều khiển pha.................... 103 4.2.1. Bộ biến đổi điện AC điều khiển không đối xứng.................... 130 4.2.2. Bộ biến đổi điện AC điều khiển đối xứng............................... 106 4.3 Các bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha ........................................ 113 4.3.1. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha tải mắc hình sao ........ 114 4.3.2. Ba trường hợp điều khiển sóng ra ........................................... 116 Chương 5 – NGHỊCH LƯU VÀ BIẾN TẦN 5.1 Bộ nghịch lưu một pha........................................................................ 125 5.1.1. Bộ đổi điện cơ bản ................................................................... 125 5.1.2. Bộ nghịch lưu bán cầu ............................................................. 126 5.1.3. Bộ nghịch lưu cầu đầy đủ ........................................................ 129 5.1.4. Bộ đổi điện song song ............................................................ 131 5.1.5. Kỹ thuật điều khiển điện thế bộ đổi điện................................. 133 5.1.6. Bộ đổi điện tạo sóng sin .......................................................... 137 5.2 Nghịch lưu ba pha............................................................................... 140 5.2.1. Bộ nghịch lưu áp sáu tia tải mắc hình sao ............................... 142 5.2.2. Bộ nghịch lưu áp sáu tia tải mắc hình tam giác....................... 150 5.2.3. Tải cảm kháng R, L, trường hợp dẫn 1800 mắc tam giác........ 154 5.3 Bộ biến tần .......................................................................................... 155 5.3.1. Biến tần trực tiếp một pha ....................................................... 156 5.3.2. Biến tần ba pha ........................................................................ 159 5.4 Bộ biến tần gián tiếp ........................................................................... 162 5.4.1. Biến tần áp ............................................................................... 163 5.4.2. Biến tần dòng........................................................................... 168 5.5 Giới thiệu một số biến tần công nghiệp.............................................. 171 TÀI LIỆU THAM KHẢO Chương 1: Mở đầu 1 Chương 1 MỞ ĐẦU Điện tử công suất là lĩnh vực áp dụng khá rộng trong sản xuất, trong công nghiệp, mà nó dựa trên nền tảng của các môn học mạch điện tử, kỹ thuật xung số… Trong đó đối tượng được điều khiển để truyền năng lượng điện có kiểm soát từ nguồn đến tải. Công suất này có trị số từ vài chục watt đến vài gigawatt. Yêu cầu quan trọng trong điện tử công suất là hiệu suất và giá trị kinh tế do đó phải sử dụng kỹ thuật giao hoán nhằm giảm thiểu tổn thất trong quá trình chuyển đổi và điều khiển. Lĩnh vực áp dụng điện tử công suất được mô tả như hình 1.1 Hình 1.1 Hình 1.1 bao gồm 4 kỹ thuật biến đổi cốt lõi nhất của điện tử công suất đó là • AC biến đổi thành DC: chỉnh lưu • DC biến đổi thành DC: biến đổi điện một chiều • DC biến đổi thành AC: nghịch lưu • AC biến đổi thành AC: biến đổi điện AC Trong công nghiệp, ngoài tải riêng ra, phần lớn mạch điện tử công suất là điều khiển động cơ để thực hiện các yêu cầu của tải Trong chương này chúng ta khảo sát các nội dung sau • Các đại lượng đặc trưng về điện: trị trung bình, trị hiệu dụng, công suất… • Các linh kiện công suất giao hoán có những đặc tính sau − Tốc độ giao hoán nhanh − Giảm thiểu công suất tiêu tán − Cho phép điều khiển các tải nặng (dòng tải lớn hay điện trở tải nhỏ) Chương 1: Mở đầu 2 − Có gắn các bộ vi xử lý, vi điều khiển hoặc PLC • Các linh kiện công suất giao hoán thông dụng là: Diode,Transistor, Mosfet, SCR, TRIAC, GTO, SCS, IGBT, MCT… 1.1 Các đại lượng đặc trưng 1.1.1 Giá trị trung bình Gọi i(t) là hàm biến thiên tuần hoàn theo thời gian với chu kỳ Tp. Giá trị trung bình của đại lượng i(t), viết tắt là IAV (AV: average…giá trị trung bình) được xác định bởi hệ thức dtti T I pTt tp AV ∫ + = 0 0 )(1 (1.1) Với t0 là thời điểm đầu của chu kỳ được lấy tích phân. Các đại lượng thông dụng được tính trung bình bao gồm − Tính trị trung bình của dòng điện IAV − Tính trị trung bình của điện áp UAV − Tính trị trung bình của công suất PAV Nếu dòng qua tải có giá trị không đổi trong cả chu kỳ. Công suất trung bình có thể tính bởi hệ thức: Pd = Ud Id (1.2) Các trường hợp đặc biệt: a. Tải R Quan hệ giữa điện áp và dòng điện tức thời qua điện trở R là: uR = RiR (1.3) Lấy trị trung bình hai vế ta được: URAV = RIRAV (1.4) b. Tải L Quan hệ giữa điện áp và dòng điện tức thời qua cảm L là: dt diLu tL = (1.5) Ở chế độ xác lập iL(t0) = iL(t0 + Tp). Trị trung bình của điện áp trên L được tính bằng cách lấy tích phân hai vế của phương trình trên trong thời gian (t0, t0 + Tp), kết quả thu được Chương 1: Mở đầu 3 ULAV = 0 (1.6) c. Tải R-L Tương tự: dt diLiRU ZZZ += . (1.7) Trị áp trung bình:UZAV = RIZAV + ULAV = RIZAV (1.8) Từ đó: IZAV = UZAV/R Trị trung bình dòng không phụ thuộc vào giá trị L mà chỉ phụ thuộc vào R và điện áp UZ d. Tải R-L-E E dt diLiRU ZZZ ++= . (1.8) Với E là suất điện động không đổi E= const. UZAV = RIZAV + E (1.9) 1.1.2 Giá trị hiệu dụng Giả thiết đại lượng i(t) biến thiên theo thời gian, theo một hàm tuần hoàn với chu kỳ Tp hoặc với chu kỳ theo góc Xp = ω Tp . Giá trị trung bình của đại lượng i(t) được tính theo công thức ∫∫ ++ == pp Xx xp Tt tp RMS dxiX dti T I 0 0 0 0 22 11 (1.10) Chỉ số RMS: Root Mean Square – giá trị hiệu dụng 1.1.3 Công suất Công suất tức thời của một tải tiêu thụ được xác định bằng tích điện áp và dòng điện tức thời dẫn qua nó. p(t) = u(t).i(t) (1.11) Công suất trung bình dttitu T dttp T P pp Tt t Tt t pp AV )()( 1)(1 0 0 0 0 ∫∫ ++ == (1.12) Nếu dòng qua tải không đổi thì PAV = UAV.I = UAV.IAV (1.13) Nếu điện áp đặt trên tải không đổi thì PAV = U.IAV = UAV.IAV (1.14) Chương 1: Mở đầu 4 Các trường hợp đặc biệt a. Tải R dttiR T dttitu T P pp T p T p AV )( 1)()(1 0 2 0 ∫∫ == (1.15) b. Tải L PAV = 0 (1.16) c. Tải C PAV = 0 (1.17) 1.1.4 Hệ số công suất Hệ số công suất pF định nghĩa cho một tải tiêu thụ, như là tỉ số giữa công suất tiêu thụ thực tế trên tải P và công suất biểu kiến S của nguồn cung cấp cho tải đó. S PpF = (1.18) Trong trường hợp đặc biệt của nguồn áp dạng sin và tải tuyến tính chứa các phần tử như R,L,C không đổi và suất điện động dạng sin cùng tần số của nguồn áp với góc lệch pha có độ lớn bằng ϕ. Ta có công thức tính hệ số công suất như sau P = mUI cosϕ S = mUI pF = S P = cosϕ (1.19) Trong đó U, I là các giá trị hiệu dụng của điện áp và dòng điện qua tải, m là tổng số pha. Các bộ biến đổi công suất là những thiết bị có tính phi tuyến. Giả sử nguồn cung cấp dạng sin và dòng điện qua nó có dạng tuần hoàn không sin. Dựa vào phân tích Fourier áp dụng cho dòng điện i, ta có thể tách dòng điện thành các sóng hài cơ bản i1 cùng tần số với nguồn áp và các sóng hài bật cao i2, i3,... dễ dàng thấy rằng sóng điện áp nguồn và sóng hài cơ bản của dòng điện tạo nên công suất tiêu thụ của tải P = P1 = mUI1cosϕ1 (1.20) Trong đó ϕ1 là góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện hài cơ bản. Các sóng hài bậc cao tạo nên công suất ảo Chương 1: Mở đầu 5 Tacó S2 = (mUI)2 = m2U2(I12 + I22 + I32 + ...) ∑ ∑ ∞ = ∞ = ++= += 2 222 1 2222 1 2222 2 2222222 sincos j jÍÍ j jÍ IUmIUmIUm IUmIUmS ϕϕ S2 = P2 + Q2 + D2 (1.21) Với P = m.U.I1 cosϕ1 : là công suất tiêu thụ trên tải Q = m.U.I1sinϕ1 : là công suất phản kháng (công suất ảo do sóng hài cơ bản của dòng điện tạo nên) ∑∞ = = 2 222 j jIUmD (1.22) D: là công suất biến dạng (công suất ảo do các sóng hài bậc cao của dòng điện tạo nên) Khái niệm biến dạng (Deformative) xuất hiện từ ý nghĩa của các sóng dòng điện này đi vào lưới điện tạo nên sụt áp trên các nội trở của nguồn, từ đó sóng áp thực tế cấp cho tải bị méo dạng. Từ đó ta rút ra biểu thức tính hệ số công suất theo các thành phần công suất như sau: 222 DQP P S P ++ ==λ (1.23) Các cách tăng hệ số công suất • Giảm Q: Công suất ảo của sóng hài cơ bản, có nghĩa là thực hiện bù công suất phản kháng. Các biện pháp thực hiện như bù bằng tụ điện, bù bằng máy điện đồng bộ kích từ dư hoặc dùng thiết bị hiện đại bù bán dẫn. • Giảm D: Công suất ảo của sóng hài bậc cao. Tuỳ theo phạm vi hoạt động của dãy tần số của sóng hài bậc cao được bù ta có thể phân biệt các biện pháp sau đây − Lọc sóng hài: Áp dụng cho các sóng hài bậc cao, lớn hơn các sóng hài cơ bản đến giá trị khoảng hàng KHz. Có thể sử dụng các mạch lọc cộng hưởng LC. Ví dụ dùng mạch lọc LC cộng hưởng với sóng hài bậc 5,7,11..mắc song song với nguồn cần lọc Chương 1: Mở đầu 6 − Khử nhiễu: Áp dụng cho các sóng hài bậc cao có tần số khoảng KHz đến hàng MHz. Các sóng tần số cao này phát sinh từ các mạch điều khiển phát sóng với tần số cao hoặc do quá trình đóng ngắt các linh kiện công suất. Các sóng hoạt động trong các mạch điện có khả năng phát sóng điện trường lan truyền vào môi trường và tạo nên tác dụng gây nhiễu cho các thiết bị xung quanh, thậm chí gây nhiễu cho chính bản thân mạch điều khiển các thiết bị công suất. Các thiết bị biến đổi công suất thường phải trang bị khử nhiễu nghiêm ngặt. Một trong các biện pháp sử dụng là dùng tụ, dùng biện pháp bọc kim dây dẫn hoặc dùng lưới chống nhiễu cho thiết bị • Ngoài ra, có thể dẫn giải hệ thức hệ số công suất theo hệ thức sau 1 1 cosϕ I IpF = (1.24) • Độ méo dạng THD: (Total Harmonic Distortion) Là đại lượng để đánh giá tác dụng sóng hài bậc cao (bậc 2, 3…) xuất hiện trong nguồn điện cho bởi hệ thức sau [%]100. 1 2 2 I I THD m j j∑ == (1.25) Trong đó Ij là trị hiệu dụng của sóng hài bậc j, j ≥ 2 và I1 là trị hiệu dụng dòng điện nguồn 1.2 Linh kiện điện tử công suất 1.2.1 Đặc tính giao hoán của công tắc bán dẫn Do tính chất của chất bán dẫn nên khi chịu tác động của xung kích, dạng sóng ngõ ra có dạng như ở hình 1.2 Đặc tuyến giao hoán được biểu diễn từ trạng thái tắt (off) sang trạng thái dẫn (on) và từ trạng thái dẫn (on) sang trạng thái ngưng (off) Chương 1: Mở đầu 7 Hình 1.2 a. Trường hợp công tắc lý tưởng (Vf =0) Hình 1.3 Chọn t = 0 lúc bắt đầu khởi dẫn, ta có phương trình dòng điện và điện thế: do khi dẫn điện thế 2 đầu công tắc là Vf = 0V nên swont tIi = ; ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −= swont tVv 1 (1.25) Công suất tức thời ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −== swonswon t t t tVIvip 1 = ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ − 2 2 swonswon t t t tVI (1.26) Năng lượng thất thoát trong thời gian khởi dẫn bằng Wswon = ∫ swont pdt0 = 61 VItswon (1.27) Dòng điện I Hiệu điện thế V Công suất p v,i t tswofftswon tswon toff toff ton Chọn t=0 Chương 1: Mở đầu 8 Phân giải tương tự ta có kết quả năng lượng thất thoát trong thời gian khởi ngưng turn off bằng Wswoff = ∫ swofft pdt0 = 61 VItswoff (1.28) Năng lượng thất thoát tổng cộng trong chu kỳ giao hoán bằng Wsw = Wswon + Wswoff = 6 1 VI( tswon + tswoff ) (1.29) Công suất tiêu tán trong chu kỳ giao hoán Psw = T Wsw =Wswf = 6 1 VI( tswon + tswoff )f (1.30) b. Trường hợp điện thế công tắc bán dẫn khác không (Vf ≠ 0) Hình 1.4 Do khi dẫn điện thế 2 đầu công tắc là Vf ≠ 0V nên i = I swont t ; v = - (V - Vf) swont t + V = V swon f swon t V t 111 +⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ − (1.31) Công suất tức thời trong thời gian khởi dẫn p = vi = VI ( ) 2 2 swon f swon t tIVV t t −− (1.32) Năng lượng tiêu tán trong thời gian khởi dẫn Wswon = swonfswonfswon t tIVVIItVVItpdtswon ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ +=+=∫ 213131610 (1.33) Tương tự, năng lượng tiêu tán trong thời gian khởi ngưng: Wswoff = swofffswofffswoff t tIVVIItVVItpdtswoff ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ +=+=∫ 213131610 (1.34) Năng lượng trong suốt thời gian giao hoán Dòng điện I Hiệu điện thế V Công suất p v,i t tswofftswon tswon toff toff ton Vf Chọn t=0 Chương 1: Mở đầu 9 Wsw = Wswon + Wswoff = 3 1 ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ + IVVI f2 1 ( tswon + tswoff ) (1.35) Vậy công suất giao hoán tiêu tán trung bình tại tần số giao hoán bằng Psw = Wswf = 3 1 ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ + IVVI f2 1 ( tswon + tswoff )f (1.36) c. Công suất thất thoát tĩnh Gọi thời gian công tắc giao hoán dẫn tĩnh là Ts , và thời gian dẫn thực tế của công tắc là Ton , ta có Ton = Ts + ( )⇒+ swoffswon tt21 Ts = ( )swoffswon ttfD +− 21 (1.37) Với D là chu trình định dạng OFFON ON TT T D += (1.38) Và Vf là điện thế 2 đầu công tắc khi dẫn, ta có công suất tĩnh tiêu tán trung bình tại tần số f bằng Ps = VfI ( ) fttfD swoffswon ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ +− 2 1 (1.39) 1.2.2 Diode công suất Diod công suất hoạt động như diod công suất nhỏ (nối p-n) nhưng với dòng điện lớn từ vài chục đến vài trăm Ampe. • Hình dạng cấu tạo và ký hiệu như hình 1.5 Hình 1.5 Etx Engoµi p n + Et p n Etx Engoµi p n + p n J A K Chương 1: Mở đầu 10 • Thời gian hồi phục Khi diod đang dẫn thình lình chuyển sang trạng thái ngưng, diod không thể ngưng ngay mà có thời gian chuyển tiếp do sự hồi phục của các hạt tải trong nối p-n làm dòng và thế có dạng như hình 1.6 Hình 1.6 o trr (thời gian hồi phục nghịch): là thời gian khi dòng điện giảm từ trị số 0 đến trị số IRM rồi lại trở về trị số 0. Thời gian trr có giá trị từ vài ns → sµ , trr = ts + tt. o ts thời gian tích trữ, khi điện thế giảm nhanh từ thuận đến nghịch nhưng số hạt tải điện vẫn còn di chuyển trong vùng hiếm làm dòng điện thay đổi từ trị số 0 đến trị số IR. o tt thời gian chuyển tiếp, là thời gian dòng điện chuyển đổi từ trị số IRM về trị số hay một trị số tối thiểu I0 nào đó tuỳ theo loại diod. o Đối với các diod có thời gian hồi phục nhanh, ta có thể xem đường cong hồi phục như một tam giác và tính được − Điện tích tích trữ Qrr = rrRMtI2 1 (1.40) Với: IRM = sD tt i ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ∂ ∂ − Suy ra thời gian hồi phục nghịch I F I t d i / d tF d i / d tR V r r t t t 1 2 3 t 5 V F P t V o n 0 . 2 5 I r r t r r Q = I t / 2r rr r r r t 5 t 4 S = r r V R t 4 Chương 1: Mở đầu 11 trr = s D rr t t i Q ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ∂ ∂ 2 (1.41) − Các trường hợp giới hạn Trường hợp tt = 0 hay ts = trr (giao hoán nhanh) trr = t i Q D rr ∂ ∂ 2 ; IRM = ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ∂ ∂ t iQ Drr2 (1.42) Trường hợp ts = tt = trr/2 trr = t i Q D rr ∂ ∂ 4 ; IRM = ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ∂ ∂ t iQ Drr (1.43) Khi điện thế biến thiên ở tần số cao f = 100kHZ, thì diod bình thường không còn hoạt động ở chế độ giao hoán nữa (do có sự chuyển đổi trạng thái nhanh). • Công suất thất thoát của diod công suất Tương tự như đã tính ở trên ta có công suất tiêu tán tổng cộng bằng PT = PON + POFF + Psw (1.44) Với PON = VFIF T tON POFF =VRIR T tOFF