CHÖÔNG I : COÂNG SUAÁT ÑIEÄN TÖÛ Ñeà cöông hoïc taäp 1.1 Giôùi thieäu 1.2 Coâng

Chia sẻ: Nguyen Van Ty Ty | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:17

Thêm vào BST

Báo xấu

111
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Lĩnh vực rộng lớn của công việc kỹ sư điện có thể chia làm 3 chủ đề: công suất điện, điện tử, và điều khiển. Công suất điện tử với các ứng dụng của các dun gj cụ nửa dẫn công suất...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: CHÖÔNG I : COÂNG SUAÁT ÑIEÄN TÖÛ Ñeà cöông hoïc taäp 1.1 Giôùi thieäu 1.2 Coâng

CHÖÔNG I : COÂNG SUAÁT ÑIEÄN TÖÛ Ñeà cöông hoïc taäp 1.1 Giôùi thieäu 1.2 Coâng suaát ñieän töû laø gì ? 1.3 Taïi sao coù coâng suaát ñieän töû ? 1.3.1 Moät bieán trôû nhö moät duïng cuï ñieàu khieån 1.3.2 Moät chuyeån maïch nhö moät duïng cuï ñieàu khieån 1.4 Caùc chuyeån maïch nöûa daãn coâng suaát 1.5 Toån thaát coâng suaát trong chuyeån maïch thöïc teá 1.5.1 Toån thaát daãn ñieän 1.5.2 Toån thaát chuyeån maïch 1.6 Caùc kieåu maïch ñieän coâng suaát ñieän töû 1.7 Caùc öùng duïng cuûa coâng suaát ñieän töû 1.8 Thaûo luaän 1.9 Caùc coâng thöùc Troïng taâm hoïc taäp Sau khi hoaøn thaønh chöông naøy sinh vieân caàn coù khaû naêng Ñònh roõ giôùi haïn coâng suaát ñieän töû Keå caùc öùng duïng cuûa vieäc duøng chuyeån maïch ñeå ñieàu khieån coâng suaát ñieän Lieät keâ caùc kieåu khaùc cuûa duïng cuï nöûa daãn coâng suaát Xaùc ñònh toån hao coâng suaát trong chuyeån maïch thöïc Lieät keâ caùc kieåu khaùc cuûa maïch coâng suaát ñieän töû Lieät keâ caùc kieåu öùng duïng cuûa coâng suaát ñieän töû 1
1.1 Giôùi thieäu Caùc öùng duïng cuûa ñieän töû traïng thaùi raén trong lónh vöïc coâng suaát ñieän taêng tröôûng vöõng chaéc, vaø chieàu höôùng coâng suaát ñieän töû hieän nay laø ñaëc tröng phoå bieán cuûa nhieàu chöông trình kyõ thuaät cô ñieän. Caùc ñieän töû coâng suaát ñaõ ñöôïc duøng töø nhöõng naêm 1960, sau vieäc giôùi thieäu maïch chænh löu coù ñieàu khieån silíc (SCR) cuûa ñieän khí ñaïi cöông. Coâng suaát ñieän töû taêng tröôûng nhanh choùng trong nhöõng naêm gaàn ñaây vôùi söï phaùt trieån cuûa caùc duïng cuï nöûa daãn coâng suaát nhö chuyeån maïch caùc doøng ñieän lôùn coù hieäu quûa ôû ñieän aùp cao. Töø nhöõng duïng cuï naøy vôùi ñoä tin caäy cao, kích côõ nhoû, coâng suaát ñieän töû môû roäng chuûng loaïi vaø phaïm vi ñeán caùc öùng duïng nhö ñieàu khieån nhieät vaø aùnh saùng, ñieàu chænh coâng suaát cung caáp, thay ñoåi toác ñoä ñoäng cô AC vaø DC, söï buø tónh VAR, vaø heä thoáng bieán theá DC cao aùp. 1.2 Coâng suaát ñieän töû laø gì ? Lónh vöïc roäng lôùn cuûa coâng vieäc kyõ sö ñieän coù theå ñöôïc chia thaønh ba chuû ñeà : coâng suaát ñieän ; ñieän töû ; vaø ñieàu khieån. Coâng suaát ñieän töû vôùi caùc öùng duïng cuûa caùc duïng cuï nöûa daãn coâng suaát, nhö laø thyristor vaø baùn daãn , cho söï bieán ñoåi vaø ñieàu khieån naêng löôïng ñieän taïi caùc möùc coâng suaát cao. Söï bieán ñoåi naøy thöôøng töø AC thaønh DC, trong ñoù thoâng soá ñieàu khieån laø ñieän aùp, doøng ñieän hay taàn soá. Ví duï nhö, chænh löu ñôn giaûn töø AC thaønh DC laø bieán ñoåi coâng suaát, nhöng neáu ñieàu chænh möùc ñieän aùp ñöôïc cung caáp ñeán chænh löu, caû hai bieán ñoåi vaø ñieàu khieån coâng suaát ñieän laø gaén vôùi nhau.Vì vaäy, coâng suaát ñieän töû coù theå ñöôïc xem xeùt laø moä coâng ngheä lieân quan nhieàu lónh vöïc goàm ba lónh vöïc co baûn : coâng suaát , ñieän töû, vaø ñieàu khieån, nhö trình baøy trong hình 1.1 Hình 1.1 : Coâng suaát ñieän töû : moät toå hôïp cuûa coâng suaát, ñieän töû vaø ñieàu khieån 2
Cuoán saùch naøy seõ bao goàm vieäc söõ duïng caùc duïng cuï nöûa daãn coâng suaát trong caùc öùng duïng nhö chænh löu, söï ñaûo chieàu , bieán ñoåi taàn soá, duïng cu AC vaø DC, vaø coâng suaát cung caáp. Trong coâng suaát ñieän töû, caùc duïng cu nhö diot, baùn daãn, thyristor, vaø triac ñöôïc duøng chuû yeáu nhö laø chuyeån maïch ñeå thöïc hieän coâng vieäc ñoùng môû ñoù laø caên baûn caùc maïch coâng suaát ñieän töû. 1.3 Taïi sao coù coâng suaát ñieän töû ? Truyeàn taûi coâng suaát ñieän töø moät nguoàn ñeán taûi coù theå ñieàu khieån bôûi thay ñoåi ñieän aùp cung caáp (duøng bieán theá) hay baèng caùch theâm moät maùy ñieàu chænh ( nhö laø bieán trôû, loø phaûn öùng hay chuyeån maïch ) . Caùc duïng cuï baùn daãn duøng laøm chuyeån maïch coù ö ñieåm laø kích côõ nhoû, khoâng ñaét, vaø hieäu quûa, vaø chuùng coù theå duøng ñieàu khieån coâng suaát töï ñoäng. Moät ö ñieåm nöõa cuûa duøng chuyeån maïch nhö moät yeáu toá ñieàu khieån ( so vôùi duøng bieán trôû hay caùi phaân theá ñeå ñieàu chænh ñieän trôû) nhö trình baøy trong phaàn sau 1.3.1 Duïng cuï ñieàu khieån laø moät bieán trôû Hình 1.2 trình baøy moät bieán trôû ñieàu khieån taûi. Khi R1 ñaët ôû ñieän trôû 0, toaøn coâng suaát ñöôïc phaân phoái ñeán taûi. Khi R1 ñaët ôû ñieän trôû cöïc ñaïi, coâng suaát phaân phoái ñoùng xuoáng 0. Ñeå truyeàn taûi coâng suaát cöïc ñaïi ñeán taûi, R1 phaûi baèng RL . Vôùi ñieàu kieän naøy, bieán trôû tieâu thuï nhieàu coâng suaát ñeán aûti – hieäu quûa cuûa söï bieán ñoåi chæ coøn 50%. Hôn nöõa, bieán trôû lôùn hôn taûi vaø tieâu hao theâm nhieät. Hình 1.2 : Moät bieán trôû ñieàu khieån taûi Trong öùng duïng naøy, coâng suaát ñöôïc ñieàu khieån lôùn, hieäu quûa cuûa söï bieán ñoåi laø quan troïng. Hieäu quûa thaáp coù nghóa laø toån hao lôùn, xem xeùt tính kinh teá vì noù coøn phaùt nhieät vaø phaûi coù lôùp chuyeån tieáp cuûa heä thoáng ñeå ngaên ngöøa quùa nhieät. 3
Ví duï 1.1 Moät nguoàn DC 100 V cungcaáp cho taûi ñieän trôû 10 Ω . Tìm coâng suaát phaân phoái ñeán taûi PL , coâng suaát toån hao trong bieán trôû PR , toång coâng suaát cung caáp bôûi nguoàn PT , vaø hieäu suaát η , neáu bieán trôû ñaët ôû : a) 0 Ω b) 10 Ω c) 100 Ω Giaûi ñaùp : a) Ñieän aùp qua taûi VL = 100 V PL = 1002 / 10 = 1 kW Coâng suaát cung caáp ñeán taûi Coâng suaát tieâu thuï trong bieán trôû PR = 0 kW Coâng suaát cungcaáp bôûi nguoàn PR = PL + PR = 1 kW P Hieäu suaát η = L *100 = 100% PT b) Ñieän aùp qua taûi VL = 10 * 100 / 20 = 50 V = 502 / 10 = 250 W Coâng suaát cung caáp ñeán taûi PL Coâng suaát tieâu thuï trong bieán taûi PR = 250 W Coâng suaát cungcaáp bôûi nguoàn PT = PL + PR = 500 W P Hieäu suaát η = L *100 = 50% PT c) Ñieän aùp qua taûi VL = 10 * 100 / 110 = 9 V = 92 / 10 = 8,1 W Coâng suaát cung caáp ñeán taûi PL Coâng suaát tieâu thuï trong bieán taûi PR = 91 * 19 / 100 = 82,8 W Coâng suaát cungcaáp bôûi nguoàn PT = PL + PR = 90,9 W P Hieäu suaát η = L *100 = 8,9% PT Töø ví duï naøy roõ raøng laø hieäu suaát cuûa coâng suaát truyeàn taûi töø nguoàn ñeán taûi laø raát thaáp –neân nhôù raèng noù chæ baèng 50% trong tröôøng hôïp (b) 1.32. Duïng cuï ñieàu khieån laø moät chuyeån maïch Trong hình 1.3 , moät chuyeån maïch ñöôïc duøng ñeå ñieàu khieån taûi. Khi chuyeån maïch môû, coâng suaát cöïc ñaïi ñöôïc phaân phoái ñeán taûi. Coâng suaát toån hao treân chuyeån maïch laø 0 vì khoâng coù ñieän aùp qua noù. Khi chuyeån maïch ñoùng, khoâng coù coâng suaát phaân phoái ñeán taûi. Moät laàn nöõa, chuyeån maïch khoâng coù toån hao coâng suaát vì khoâng coù doøng ñieän qua noù. Hieäu suaát laø 100% bôûi vì chuyeån maïch khoâng coù toån hao coâng suaát ôû caû hai vò trí cuûa noù. Vaán ñeà vôùi phöông phaùp naøy ñoù laø khoâng gioáng nhö bieán trôû, moät chuyeån maïch khoâng theå ñaët taïi ñieåm giöõa ñeå bieán ñoåi coâng suaát. Tuy nhieân, chuùng ta coù theå taïo hieäu quûa gioáng nhö vaäy baèng caùch vaën ñoåi chieàu ñònh kyø chuyeån maïch ñoùng vaø môû. Boùng baùn daãn vaø SCRs ñöôïc duøng nhö moät chuyeån maïch coù theå töï ñoäng vaën ñoåi chieàu ñoùng vaø môû haøng traêm laàn trong moät giaây. Chuyeån maïch ñieän töû ñaët môû cho moät thôøi gian daøi hôn vaø ñaët ñoùng cho moät thôøi gian ngaén hôn. Khi caàn coâng suaát thaáp, noù ñaët thôøi gian ñoùng daøi hôn. 4
Hình 1.3 : Moät chuyeån maïch ñieàu khieån taûi Ví duï 1.2 Moät nguoàn DC 100 V cung caáp taûi ñieän trôû 10 Ω qua moät chuyeån maïch. Tìm coâng suaát cung caáp ñeán taûi PL , coâng suaát toån hao trong chuyeån maïch Ps , vaø toång coâng suaát cung caáp bôûi nguoàn PT , neáu chuyeån maïch laø : a) ñoùng b) Môû c) Ñoùng 50% thôøi gian d) Ñoùng 20% thôøi gian Giaûi ñaùp : a) Vôùi chuyeån maïch ñoùng Ñieän aùp qua taûi VL = 100 V PL = 1002 / 10 = 1 kW Coâng suaát phaân phoái ñeán taûi Coâng suaát toån hao trong chuyeån maïch Ps = 0 Coâng suaát cung caáp bôûi nguoàn PT = 1 kW b) Vôùi chuyeån maïch môû Ñieän aùp qua taûi VL = 0 V Coâng suaát phaân phoái ñeán taûi PL = 0 kW Coâng suaát toån hao trong chuyeån maïch Ps = 0 Coâng suaát cung caáp bôûi nguoàn PT = 0 kW c) Ñoùng 50% thôøi gian ( xem hình 1.4 ) Ñieän aùp qua taûi V L = 50 V PL = 502 / 10 = 250 W Coâng suaát phaân phoái ñeán taûi Coâng suaát toån hao trong chuyeån maïch Ps = 0 Coâng suaát cung caáp bôûi nguoàn PT = 250 W d) Ñoùng 20% thôøi gian Ñieän aùp qua taûi V L = 20 V PL = 202 / 10 = 40 W Coâng suaát phaân phoái ñeán taûi Coâng suaát toån hao trong chuyeån maïch Ps = 0 Coâng suaát cung caáp bôûi nguoàn PT = 40 W 5
Hình 1.4 : xem ví duï 1.2 Nhö ví duï naøy trình baøy, taát caû coâng suaát cung caáp bôûi nguoàn ñöôïc phaán phoái ñeán taûi. Hieäu suaát truyeàn taûi coâng suaát laø 100%. Dó nhieân, trong ví duï naøy chuyeån maïch giaû söû laø lyù töôûng, nhöng khi chuùng ta duøng boùng baùn daãn laøm chuyeån maïch, keát quûa raát gaàn vôùi söï laøm vieäc cuûa maïch lyù töôûng. 1.4 Coâng suaát chuyeån maïch baùn daãn Coâng suaát caùc chuyeån maïch baùn daãn laø yeáu toá quan trong nhaát trong maïch ñieän coâng suaát ñieän töû. Caùc loaïi chuû yeáu cuûa caùc duïng cuï baùn daãn ñöôïc duøng laøm chuyeån maïch trong maïch coâng suaát ñieän töû laø : Caùc diot Caùc boùng baùn daãn noái hai cöïc ( BJT ) Lónh vöïc chaát baùn daãn oxit kim loaïi – caùc boùng baùn daãn hieäu quûa ( MOSFET) Caùc chænh löu coù ñieàu khieån silic ( SCR ) Caùc triac Caùc thyristor coång reõ ( GTO ) Caùc thyristor coù ñieàu khieån – MOS ( MCT ) Trong caùc ñieän töû coâng suaát, caùc duïng cuï naøy laøm vieäc theo kieåu chuyeån maïch. Caùc chuyeån maïch naøy coù theå laøm ñeå hoaït ñoäng ôû caùc taàn soá cao ñeå bieán ñoåi vaø ñieàu khieån coâng suaát ñieän vôùi hieäu suaát cao vaøcaùch thöùc toát. Coâng suaát toån hao trong chuyeån maïch töï noù raát nhoû vì ñieän aùp gaàn laø 0 khi chuyeån maïch môû vaø doøng ñieän gaàn laø 0 khi chuyeån maïch ñoùng. Chuùng ta seõ xem nhö caùc chuyeån maïch naøy laø lyù töôûng ( caùc haïn cheá cuûa moät chuyeån maïch thöïc teá trình baøy trong phaàn tieáp theo ). Moät chuyeån maïch lyù töôûng thoaû maõn caùc ñieàu kieän sau : 6
1. Noù vaën môû vaø vaën ñoùng trong thôøi gian laø 0 2. Khi chuyeån maïch môû, ñieän aùp qua noù laø 0 3. Khi chuyeån maïch ñoùng, doøng ñieän qua noù laø 0 4. Noù khoâng tieâu thuï coâng suaát Theâm vaøo coøn muoán caùc ñieàu kieän sau : 5. Khi môû, noù coù theå mang doøng ñieän lôùn 6. Khi ñoùng , noù coù theå chòu ñöôïc ñieän aùp cao 7. Noù duøng ít coâng suaát ñeå ñieàu khieån hoaït ñoäng cuûa noù 8. Noù coù ñoä tin caäy cao 9. Noù coù kích côõ vaø trong löông nhoû 10. Noù coù chi phí thaáp 11. Noù khoângcaàn baûo döôõng 1.5 Toån hao coâng suaát trong chuyeån maïch thöïc: Moät chuyeån maïch lyù töôûng trình baøy trong hình 1.5. Coâng suaát toån hao phaùt sinh trong chuyeån maïch laø saûn phaåm cuûa doøng ñieän qua chuyeån maïch vaø ñieän aùp qua chuyeån maïch. Khi chuyeån maïch laø ñoùng, khoâng coù doøng ñieän qua noù ( daãu cho coù moät ñieän aùp Vs qua noù ), Vaø vì vaäy khoâng coù coâng suaát tieâu thuï. Khi chuyeån maïch môû, Coù moät doøng ( Vs / RL ) qua noù , nhöng khoâng coù ñieän aùp qua noù , nhö vaäy khoâng coù coâng suaát toån hao. Chuùng ta cuõng giaû söû raèng vôùi moät chuyeån maïch lyù töôûng thôøi gian taêng vöôït vaø rôi xuoáng cuûa doøng ñieän laø 0, ñoù laø chuyeån maïch lyù töôûng thay ñoåi töø traïng thaùi ñoùng sang traïng thaùi môû töùc thôøi. Coâng suaát toån hao trong chuyeån maïch vì theá laø 0. Hình 1.5 :Toån hao coâng suaát trong chuyeån maïch lyù töôûng Khoâng gioáng chuyeån maïch lyù töôûng, moät chuyeån maïch thöïc teá, nhö laø boùng baùn daãn noái löôõng cöïc, coù hai nguoàn chuû yeáu toån thaát coâng suaát : toån hao daãn ñieän vaø toån hao chuyeån maïch. 7
1.5.1 Toån hao daãn ñieän Khi boùng baùn daãn trong hình 1.6a laø ñoùng, noù mang moät doøng doø ræ ( Ileak ). Coâng suaát toån hao lieân ñôùi vôùi doøng doø ræ laø Poff = Vs * Ileak . Tuy nhieân vì doøng doø ræ laø hoaøn toaøn nhoû vaø khoâng thay ñoåi ñaùng keå vôùi ñieän aùp, nhö theá toån hao coâng suaát boùng baùn daãn cô baûn laø 0. Khi boùng baùn daãn laø môû, nhö hình 1.6b, coù moät ñieän aùp nhoû qua noù. Ñieän aùp naøy ñöôïc goïi laø ñieän aùp baõo hoøa ( VCE(SAT) ) . Coâng suaát tieâu thuï cuûa boùng baùn daãn hay toån hao daãn ñieän höôûng töø ñieän aùp baõo hoøa laø : Pon = VCE(SAT) * Ic 1.1 ÔÛ ñaây : Vs − VCE ( SAT ) Vs 1.2 Ic = ≈ RL RL Coâng thöùc 1.1 cho toån hao coâng suaát do söï daãn ñieän neáu chuyeån maïch vaãn coøn môû laø khoâng xaùc ñònh. Tuy nhieân , ñeå ñieàu khieån coâng suaát vôùi öùng duïng ñaõ cho, chuyeån maïch vaën môû vaø ñoùng moät caùch tuaàn hoaøn. Vì vaäy, ñeå tìm toån hao coâng suaát trung bình chung ta phaûi xeùt ñeán heä soá chu kyø : t 1.3 Pon ( avg ) = VCB ( SAT ) * I c * on = VCB ( SAT ) * I c * d T Töông töï toff 1.4 Poff ( avg ) = Vs * I leak * T ÔÛ ñaây, heä soá chu kyø d ñöôïc xaùc ñònh nhö tyû leä cuûa chu kyø trong chuyeån maïch môû: t on t 1.5 = on d= ton + toff T Hình 1.6 : Caùc toån hao coâng suaát trong chuyeån maïch baùn daãn 8
1.5.2 Toån hao chuyeån maïch Theâm vaøo toån hao daãn ñieän, moät chuyeån maïch thöïc coøn coù toån hao chuyeån maïch bôûi vì noù khoâng theå thay ñoåi töø traïng thaùi môû sang traïng thaùi ñoùng ngay laäp töùc. Moät chuyeån maïch thöïc laáy ñi moät thôøi gian coù haïn Tsw(on) ñeå vaën môû vaø moät thôøi gian coù haïn Tsw(off) ñeå vaën ñoùng. Nhöõng thôøi gian naøy khoâng chæ ñöa vaøo coâng suaát tieâu thuï maø coøn giôùi haïn taàn soá chuyeån maïch cao nhaát coù theå ñöôïc. Caùc thôøi gian quùa ñoä Tsw(on) vaø Tsw(off) vôùi chuyeån maïch thöïc thöôøng khoâng baèng nhau, Tsw(on) noùi chung laø lôùn hôn. Tuy nhieân chuùng ta giaû söû raèng Tsw(on) laø baèng Tsw(off) . Hình 1.7 trình baøy daïng soùng chuyeàn maïch cho a) ñieän aùp qua chuyeån maïch vaø b) doøng ñieän qua noù. Khi chuyeån maïch ñoùng, ñieän aùp qua noù laø baèng ñieän aùp nguoàn. Khi vaën ñoùng, moät thôøi gian coù haïn ñeå ñieän aùp qua chuyeån maïch giaûm xuoáng 0. Trong thôøi gian nhö vaäy, doøng ñieän qua chuyeån maïch taêng daàn töø 0 ñeán IC . Boùng baùn daãn doøng ñieän qua noù vaø moät ñieän aùp qua noù trong luùc thôøi gian chuyeån maïch; vì vaäy noù coù toån hao coâng suaát Hình 1.7 : Daïng soùng luùc chuyeån maïch hoaït ñoäng (a) ñieän aùp qua chuyeån maïch (b) doøng ñieän qua chuyeån maïch (c) Coâng suaát tieâu thuï trong chuyeån maïch Ñeå tìm coâng suaát tieâu thuï trong boùng baùn daãn trong caùc khoaûng thôøi gian chuyeån maïch, chuùng ta nhaân giaù trò töùc thôøi Ic vaø giaù trò töông öùng VCE . Ñöông cong coâng suaát töùc thôøi trình baøy trong hình 1.7c. Naêng löôïng tieâu thuï trong chuyeån maïch laø baèng vôùi dieän tích phaàn döôùi daïng soùng coâng suaát. Neân nhôù raèng coâng suaát cöïc ñaïi tieâu thuï khi caû hai doøng ñieän vaø ñieän aùp ñi qua caùc giaù trò trung ñieåm cuûa chuùng. Vì vaäy, toån hao coâng suaát cöïc ñaïi khi chuyeån maïch töø traïng thaùi ñoùng chuyeån sang traïng thaùi môû laø : PswOn(max) = 0,5 VCE(max) * 0,5 IC(max) 1.6 9
Coù ñieàu neân nhôù raèng ñöôøng coâng coâng suaát nhìn cô baûn gioáng moät chænh löu soùng sin. Giaù trò trung bình cuûa daïng soùng naøy laø : Pswon(avg) = 0,637 * Pswon(max) = 0,637 * 0,5 VCE(max) * 0,5 Ic (max) = 0,167 VCE(max) * IC (max) Hay : 1 Pswon(avg) = VCE(max) * IC (max) 1.7 6 Toån thaát naêng löôïng ( coâng suaát * thôøi gian ) trong luùc môû seõ laø Psw on(avg) * tsw(on) 1 Wsw on = VCE(max) * IC(max) * tsw(on) ( jun) 1.8 6 Phaân tích töông töï cho toån hao naêng löôïng luùc ñoùng laø 1 Wsw off = VCE(max) * IC(max) * tsw(off) ( jun) 1.9 6 Toång toån thaát naêng löôïng trong moät chu kyø do chuyeån maïch ñöôïc cho bôûi : 1 Wsw = Wsw on + Wsw off = VCE(max) * IC(max) * [ tsw(on) + tsw(off) ] 6 Coâng suaát trung bình tieâu thuï trong chuyeån maïch seõ laø W Psw = sw = Wsw * f T 1 Psw = VCE(max) * IC(max) * [ tsw(on) + tsw(off) ] * f 6 ÔÛ ñaây T laø ñònh kyø chuyeån maïch vaø f laø tyû leä taùi dieãn xung (taàn soá cuûa chuyeån maïch ) Neân nhôù raèng : T = ton + tsw(on) + toff + tsw(off) Neáu chuùng ta cho pheùp : tsw(on) = tsw(off) = tsw Thì : 1 Psw = VCE(max) * IC(max) * 2 tsw * f 1.10 6 Toång toån hao coâng suaát trong chuyeån maïch laø PT = Pon(avg) + Poff(avg) + Psw 1.11 ≈ Pon(avg) + Psw 1 PT = d * VCE(sat) * IC + * VCE(max) * IC(max) * tsw * f 1.12 3 10
Ví duï 1.3 Trong hình 1.5 , Vs laø 50 V , RL = 5 Ω , vaø chuyeån maïch laø lyù töôûng khoâng coù toån hao chuyeån maïch. Neáu ñieän aùp traïng thaùi môû laø 1,5 V vaø doøng ñieän doø ræ laø 1,5 mA, tính coâng suaát toån hao trong chuyeån maïch khi noù laø : a) Môû b) Ñoùng Giaûi ñaùp: 50 − 1, 5 a) Doøng ñieän daãn laø = = 9,7 A 5 Toån hao coâng suaát trong traïng thaùi môû Pon = 1,5 * 9,7 = 14,55 W b) Toån hao coâng suaát trong traïng thaùi ñoùng Poff = 50 * 0,0015 = 75 mW Ñoái vôùi caùc ñieàu kieän taûi thoâng thöôøng, coâng suaát tieâu thuï trong traïng thaùi ñoùng coù theå khoâng ñaùng keå so vôùi toån thaát coâng suaát trong traïng thaùi môû. Ví duï 1.4 Tính toån hao coâng suaát trung bình vaø cöïc ñaïi cho chuyeån maïch trong ví duï 1.3 neáu taàn soá chuyeån maïch laø 500 Hz vôùi heä soá chu kyø 50% Giaûi ñaùp : Ñònh kyø chuyeån maïch T = 1 / 500 = 2 ms Heä soá chu kyø d = 50% Thôøi gian môû ton = 1 ms Thôøi gian ñoùng toff = 1 ms t Toån hao coâng suaát trung bình trong traïng thaùi môû = Pon * on = 14,55 * 0,5 = 7,27 W T t Toån hao coâng suaát trung bình trong traïng thaùi ñoùng = Poff * off = 0,075 * 0,5 = 0,037W T Toån hao coâng suaát trung bình cho moät chu kyø = P0(avg) + Poff(avg) = 7,27 + 0,037 = 7,3W Coâng suaát tieâu thuï cöïc ñaïi ( töø ví duï 1.3) = 14,55 W Ví duï 1.5 Trong hình 1.6, Vs laø 120 V , RL laø 6 Ω vaø boùng baùn daãn laø lyù töôûng khoâng coù toån hao daãn ñieän. Neáu tsw(on) = tsw(off) = 1,5 µ s, tính toån hao coâng suaát chuyeån maïch trung bình vôùi taàn soá chuyeån maïch laø 1 kHz. Giaûi ñaùp : IC(max) = 120 / 6 = 20 A 1 Psw on(avg) = VCB(max) * IC(max) = ( 120 * 20 ) / 6 = 400 W 6 Toån hao naêng löôïng laø : Wsw on = Psw on(avg) * tsw(on) = 400 * 1,5 (10-6) = 0,6 (10-3) Jun Toån hao naêng löôïng trong luùc ñoùng laø : Wsw off = 0,6 (10-3) Jun Toång toån hao naêng löôïng trong moät chu kyø do chuyeån maïch ñöôïc cho bôûi Wsw = Wsw on + Wsw off = 2 * 0,6 (10-3) = 1,2 (10-3) Jun Coâng suaát trung bình tieâu thuï trong luùc chuyeån maïch seõ laø Psw = Wsw * f = 1,2 (10-3) * 1000 = 1,2 W 11
Ví duï 1.6 Moät chuyeån maïch baùn daãn vôùi ñaëc tính sau ñaây ñieàu khieån coâng suaát 25 kW, taûi nhö trong hình 1.6 IRATED = 50 A VRATED = 500 V Ileakage = 1 mA VCE(sat) = 1,5 V Thôøi gian môû tsw(on) = 1,5 µ s Thôøigian ñoùng tsw(off) = 3,0 µ s Ñieän aùp nguoàn Vs laø 500 V , vaø RL laø 10 Ω , neáu taàn soá chuyeån maïch laø 100 Hz , heä soá chu kyø laø 50% , tìm : a) Toån hao coâng suaát luùc môû b) Toån hao coâng suaát 1uùc ñoùng c) Toån hao coângsuaát cöïc ñaïi luùc môû d) Toån hao naêng löôïng luùc môû e) Toån hao naêng löôïng luùc ñoùng f) Toån hao naêng löôïng traïng thaùi môû g) Toån hao naêng löôïng traïng thaùi ñoùng h) Toång toån hao naêng löôïng i) Toån hao coâng suaát trung bình Giaûi ñaùp : IC(max) = 500/10 = 50 A T = 1 / 100 = 10 ms Vôùi d = 50% Ton = toff = 5ms a) Toån hao coâng suaát luùc môû = 1,5 * 50 = 50 A b) Toån hao coâng suaát 1uùc ñoùng = 500 * 1 (10-3) = 0,5 W  500  50  c) Toån hao coângsuaát cöïc ñaïi luùc môû    = 6250W  2  2  1 500 * 50 * 1,5 (10-6) = 6,25 mJ d) Toån hao naêng löôïng luùc môû = 6 1 500 * 50 * 3,0 (10-6) = 12,5 mJ e) Toån hao naêng löôïng luùc ñoùng = 6 f) Toån hao naêng löôïng traïng thaùi môû = 75 * 5 (10-3 ) = 375 mj g) Toån hao naêng löôïng traïng thaùi ñoùng = 0,5 * 5 (10-3 ) = 2,5 mj h) Toång toån hao naêng löôïng = 6,25 + 12,5 + 375 + 2,5 Mj = 396,5 mj  396* 25(10 −3 )  i) Toån hao coâng suaát trung bình   = 39, 6W −3  10(10 )  12
Ví duï 1.7 Trong ví duï 1.6, laëp laïi phaàn d) ñeán i) neáu taàn soá chuyeån maïch taêng daàn ñeán 100 kHz vaø heä soá chu kyø laø 50% Giaûi ñaùp T = 1 / (100 * 103 ) = 10 µ s Vì ñònh kyø nhoû, chuùng ta khoâng boû qua tsw(on) vaø tsw(off T – tsw(on) – tsw(off) = ( 10 – 1,5 -3 ) = 5,5 µ s Vôùi d = 50% Ton = toff = 2,75 µ s 1 500 * 50 * 1,5 (10-6) = 6,25 mJ d)Toån hao naêng löôïng luùc môû = 6 1 500 * 50 * 3,0 (10-6) = 12,5 mJ e) Toån hao naêng löôïng luùc ñoùng = 6 f) Toån hao naêng löôïng traïng thaùi môû = 75 * 2,75 (10-6 ) = 0,206 mj g) Toån hao naêng löôïng traïng thaùi ñoùng = 0,5 * 2,75 (10-6 ) = 1,375 mj h) Toång toån hao naêng löôïng = 0,206 + 1,375 + 6,25 + 12,5 = 20,33 mj  20*33(10−3 )  i) Toån hao coâng suaát trung bình   = 2033W −6  10(10 )  Töø caùc ví duï naøy, roõ raøng laø taïi taàn soá chuyeån maïch thaáp, toån hao coâng suaát traïng thaùi môû chieám phaàn lôùn toång toån hao. Chuùng ta taêng taàn soá chuyeån maïch, toån thaát coâng suaát chuyeån maïch trôû meân nhieàu hôn. Coâng suaát trung bình tieâu thuï cuõng trôû neân raát cao ( 2033 W) taïi taàn soá cao. Coù theå thaáy laø baùn daãn 50 A khoâng theå tieâu hao nhieät phaùt sinh vaø seõ quùa nhieät. Taàn soá cöïc ñaïi maø moät chuyeån maïch coù theå laøm vieäc tuøy thuoäc khoâng chæ coâng suaát tieâu thuï trong chuyeån maïch maø coøn ôû toác ñoä chuyeån maïch. Doøng ñieän chuyeån maïch cuõng taêng taïi taàn soá cao. 1.6 Caùc loaïi maïch ñieän coâng suaát ñieän töû : Caùc maïch coângsuaát ñieän töû ( hay ñoåi ñieän, nhö thöôøng goïi ) coù theå ñöôïc chia thaønh caùc loaïi nhö sau : 1. Chænh löu khoâng ñieàu khieån ( AC ñeán DC ) : Moät chænh löu khoâng ñieàu khieån bieán ñoåi ñieän aùp AC moät pha hay ba pha thaønh moät ñieän aùp DC oån ñònh. Caùc diot ñöôïc duøng nhö caùc yeáu toá chænh löu ñeå cung caáp coâng suaát bieán ñoåi 2. Chænh löu coù ñieàu khieån ( AC thaønh DC ) : moät chænh löu coù ñieàu khieån bieán ñoåi ñieän aùp AC oån ñònh moät pha hay ba pha thaønh ñieän aùp DC thay ñoåi. SCRs ñöôïc duøng nhö yeáu toá chænh löu, cung caáp caû hai bieán ñoåi vaø ñieàu khieån coâng suaát 3. Caùc maïch baêm DC ( DC thaønh DC ) : Moät maïch baêm DC bieán ñoåi töø moät ñieän aùp DC oån ñònh thaønh ñeän aùp DC thay ñoåi ñöôïc. 13
4. Caùc maïch ñieàu khieån ñieän aùp AC ( AC thaønh AC ) : Moät maïch ñieàu khieån ñieän aùp AC bieán ñoåi moät ñieän aùp AC oån ñònh thaønh ñieän aùp AC thay ñoåi taïi taàn soá soá gioáng nhau. Coù hai phöông phaùp cô baûn duøng trong ñieàu khieån ñieän aùp AC laø ñieàu khieån ñoùng – môû vaø ñieàu khieån pha. 5. Maïch ñoåi ñieän ( inverter DC thaønh AC) : Moät maïch inverter bieán ñoåi moät ñieän aùp DC oån ñònh thaønh moät ñieän aùp AC vaø taàn soá ba pha hay moät pha thay ñoåi hay oån ñònh 6. Maïch ñoåi ñieän chu kyø ( AC thaønh AC ) : Moät maïch ñoåi ñieän chu kyø bieán ñoåi moät ñieän aùp vaø taàn soá AC oån ñònh thaønh ñieän aùp vaø taàn soá AC thay ñoåi. Söï bieán ñoåi naøy cuõng coù theå ñaïi ñöôïc baèng caùch giaùn tieáp ñaàu tieân chænh löu AC thaønh DC, sau ñoù ñaûo ngöôïc veà AC taïi taàn soá mong muoán. 7. Caùc chuyeån maïch tónh hoïc ( AC hay DC ) : Moät duïng cuï coâng suaát ( SCR vaø TRIAC ) coù theå laøm vieäc nhö moät chuyeån maïch AC hay DC, baèng caùch ñoù thay theá cho chuyeån maïch cô khí truyeàn thoáng vaø chuyeån maïch ñieän töø. Baûng 1.1 : Moät vaøi öùng duïng cuûa caùc ñieän töû coâng suaát Chuyeån ñoåi coâng suaát Caùc öùng duïng Chænh löu khoâng ñieàu khieån Nguoàn DC cho caùc maïch ñieän töû Chænh löu coù ñieàu khieån Ñieàu khieån toác ñoä ñoäng cô DC töø moät nguoàn AC Ñieàu khieån toác ñoä cuûa caùc duïng cuï coâng suaát xaùch tay Truyeàn taûi doøng DC cao aùp Maïch baêm DC Ñieàu khieån toác ñoäng cô DC töø moät nguoàn DC Chuyeån maïch coâng suaát cung caáp Ñieàu khieån ñieän aùp AC Chuyeån maïch duïng cuï ñieàu chænh aùnh saùng Ñieàu khieån nhieät ñoä Ñieàu khieån toác ñoä caùc duïng cuï gia duïng Phaûn öùng coâng suaát ñieàu khieån Laøm eâm khôûi ñoäng cuûa caùc ñoäng cô caûm öùng Maïch ñoåi ñieän (inverter) Cung caáp coâng suaát lieân tuïc (UPS) Ñieàu khieån toác ñoä ñoäng cô AC ba pha Caûm öùng nhieät Maïch ñoåi ñieän chu kyø Ñieàu khieån toác ñoä ñoäng cô AC Nguoàn taàn soá khoâng ñoåi cho maùy bay Chuyeån maïch tónh hoïc Thay theá chuyeån maïch cô khí vaø ñieän tö( 14
1.7 caùc öùng duïng cuûa caùc ñieän töû coâng suaát Coâng suaát ñieän töû tìm ñöôïc söï aùp duïng trong baát cöù lónh vöïc naøo yeâu caàu bieán ñoåi vaø ñieàu khieån coâng suaát ñieän. Heä thoáng coâng suaát ñieän töû ñöôïc duøng roäng raõi trong caùc thieát bò coâng nghieäp vaø tieâu duøng : töø caùc ñoäng cô nhoû döôøi moät maõ löïc duøng trong caùc duïng cu gia duïng ñeán caùc ñoäng cô coâng nghieäp coâng suaát vaøi traêm maõ löïc; Töø ñieàu chænh coâng suaát thaáp coâng suaát DC cung caáp ñeán caùc heä thoáng truyeàn taûi DC cao aùp nhieàu hôn moät ngaøn megawatt ; Töø caùc duïng cuï ñieàu chænh aùnh saùng coâng suaát thaáp ñeán caùc cô caáu buø tónh VAR coâng suaát haøng traêm megawatt trong caùc heä thoáng coâng suaát. Baûng 1.1 cung caáp vaøi yù töôûng veà taàm roäng lôùn vaø möùc quan troïng cuûa coâng suaát ñieän töû 1.8 Baøi taäp thaûo luaän 1.1 Coâng suaát ñieän töû laø gì ? 1.2 Phöông phaùp hieäu quaû nhaát cuûa ñieàu khieån coâng suaát ñieän laø gì ? 1.3 Duøng bieán trôû ñieàu khieån coângsuaát ñieän ñeán taûi coù nhöôïc ñieåm gì ? 1.4 Giaûi thích taïi sao moät chuyeån maïch toát hôn moät bieán trôû trong vieäc ñieàu khieån coâng suaát ñieän ñeán taûi 1.5 Moät bieán trôû 20 Ω noái ñeán taûi ñieän trôø 30 Ω . Neáu ñieän aùp nguoàn laø 120 V, tìm coâng suaát tieâu thuï bôûi bieán trôû. 1.6 Moät chuyeån maïch ñieàu khieån moät beáp loø 20 Ω noái ñeán nguoàn AC 208 V. Neáu chuyeån maïch môû, tìm coâng suaát tieâu hao bôøi beáp loø vaø chuyeån maïch 1.7 Laëp laïi caâu 1.6 neáu chuyeån maïch laø ñoùng 1.8 Moät chuyeån maïch lyù töôûng ñieàu khieån taûi ñieän trôû 20 Ω noái ñeán nguoàn AC 120 V. Neáu chuyeån maïch môû 20% cuûa thôøi gian, tìm coâng suaát tieâu thuï bôûi taûi 1.9 Hình 1.8 trình baøy moät chuyeån maïch lyù töôûng khoâng coù toån thaát chuyeån maïch. Neáu ñieän aùp traïng thaùi môû laø 2,0 V vaø doøng ñieän doø ræ laø 1 mA, tính toån hao coâng suaát trong chuyeån maïch khi noù laø a) môû b) ñoùng hình 1.8 : xem caâu 1.9 15
1.10 Lieän keâ caùc ñaëc tính cuûa chuyeån maïch lyù töôûng 1.11 Lieät keâ vaøi öùng duïng thoângthöôøng cuûa coâng suaát ñieän töû trong caùc lónh vöïc sau a) Nhaø ôû b) Coâng nghieäp c) Thöông nghieäp d) Heä thoáng ñieän coâng coäng e) Chöông trình truyeàn hình f) Khoâng gian vuõ truï g) Vaän taûi 1.12 Neáu moät nguoàn ñieän aùp trong hình 1.8 laø 150V vaø taûi ñieän trôû laø 1 Ω , tính toån hao daây daãn, toån hao chuyeån maïch, vaø toång toån hao cho caùc heä soá chu kyø vaø caùc taàn soá ñöôïc cho trong baûng 1.2. Duøng VCE(SAT) = 1,1 V ; tsw(on) = 1,0 µ s , vaø tsw(off) = 1,5 µ s Baûng 1.2 Taàn soá Heä soá chu kyø Toån hao daãn Toån hao Toång toån hao chuyeån maïch 1 kHz 20% 1 kHz 50% 1 kHz 75% 2 kHz 20% 2 kHz 50% 2 kHz 75% 1.13 Neáu moät ñieän aùp nguoàn trong hình 1.6 laø 120V vaø taûi ñieän trôû laø 10 Ω tính toån hao coâng suaát chuyeån maïch khi tsw = 1 µ s vaø boùng baùn daãn vaën môû vaø ñoùng taïi taàn soá 5 kHz 1.14 Moät bieán trôû ñieàu khieån coâng suaát cung caáp bôûi nguoàn 100 VDC ñeán taûi ñieän trôû 10 Ω . ñieän trôû bieán trôû thay ñoåi caùc böôùc töø 0 ñeán 100 Ω . Vieát moät chöông trình vi tính ñeå tính coâng suaát cung caáp töø nguoàn, coâng suaát tieâu thuï trong bieán trôû, coâng suaát tieâu thuï bôûi taûi, vaø hieäu suaát. Laäp baûng keâ vaø veõ caùc keát quûa 16
1.9 Caùc coâng thöùc Pon = VCE(SAT) * Ic 1.1 Vs − VCE ( SAT ) Vs 1.2 Ic = ≈ RL RL ton 1.3 Pon ( avg ) = VCB ( SAT ) * I c * = VCB ( SAT ) * I c * d T toff 1.4 Poff ( avg ) = Vs * I leak * T t on t 1.5 = on d= ton + toff T PswOn(max) = 0,5 VCE(max) * 0,5 IC(max) 1.6 1 Pswon(avg) = VCE(max) * IC (max) 1.7 6 1 Wsw on = VCE(max) * IC(max) * tsw(on) ( jun) 1.8 6 1 Wsw off = VCE(max) * IC(max) * tsw(off) ( jun) 1.9 6 1 Wsw = Wsw on + Wsw off = VCE(max) * IC(max) * [ tsw(on) + tsw(off) ] 6 1 Psw = VCE(max) * IC(max) * 2 tsw * f 1.10 6 PT = Pon(avg) + Poff(avg) + Psw 1.11 1 PT = d * VCE(sat) * IC + * VCE(max) * IC(max) * tsw * f 1.12 3 17