Giáo trình Điện tử công suất - Bộ biến đổi (Lý thuyết - Bài tập): Phần 1

Chia sẻ: Hi Vi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:149

Thêm vào BST

Báo xấu

38
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Phần 1 cuốn giáo trình "Điện tử công suất - Bộ biến đổi (Lý thuyết - Bài tập)" trình bày các nội dung: Bộ biến đổi DC - DC; bài tập bộ biến đổi DC - DC; mạch chỉnh lưu nâng cao, bài tập mạch chỉnh lưu AC- DC, mô đun điều khiển công suất PWM. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Điện tử công suất - Bộ biến đổi (Lý thuyết - Bài tập): Phần 1

PHẠM QUANG HUY ■ LÊ NGUYỄN HUN6 PHUNG
PHẠM QUANG HUY - LÊ NGUYỄN HỔNG PHUNG GIÁO TRÌNH HIỆN TỬ CÔNG SUẤT Bộ BIẾN ĐỔI (LÝ THUYẾT - BÀI TẬP) T Ư N Đ H#c «UY NH«N R Ờ G ẠI ________ T H Ư V IỆ N ________ WP- ___ • NHÀ XUẤT BẢN THANH NIÊN
lừltlừ l ÌI1ỆU G OTRINI BIÊN ĩử C N S Ấ B BIÊN BỐ (LÝ TH IÁ Û G U T- Ộ I UYẼT-BÀI TẬP) TÀI LIỆU TH MK Ả A HO 1. BIỆN T0 CÔNG SUẤT - TỈNH TOÁN, MÓ PHỒNG THựC HÀNH QUÁCH THANH HẢI - PHẠM QUANG HUY NHÀ XUẤT BẢN THANH NIÊN - 2017 2. BIỆN TỬ CÔNG S U Ấ T -M Ạ C H BIẾN BỔI BIỆN ÁP QUÁCH THANH HẦI - PHẠM QUANG HUY - LÊ NGUYỄN HỒNG PHONG NHÀ XUẤT BẢN THANH NIÊN - 2017 3. BIỆN 10 CỐNG S U Ấ T -M Ạ C H NGHỊCH Ltiu NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN - NGUYỄN DUY TUỒNG - PHẠM QUANG HUY NHÀ XUẤT BẢN THANH NIÊN - 2017 4. S0 BIỆN ĩừ CÔNG SUẤT - HƯỞNG DẤN DUNG PSIM LÊ HOÀNG MINH - PHẠM QUANG HUY - LÊ NGUYỄN HỒNG PHONG NHÀ XUẤT BẢN THANH NIÊN - 2017 5. POWER ELECTRONICS: CONVERTERS AND REGULATORS BRANKO L DOKIC, BRANKO BLANSA, SPRINGER INTERNATIONAL PUBLISHING SWITZERLAND - 2015 B. POWER ELECTRONICS 1ST EDITION - SUCER DANIEL w. HART McGRAW-HILL- 2011 7. DIGITAL POWER ELECTRONICS AND APPLICATIONS FANG LIN LUO, HONG YE, MUHAMMAD RASHID, ELSEVIER ACADEMIC PRESS, 2005. 8. POWER ELECTRONICS - CIRCUITS, DEVICES AND APPLICATIONS M.H. RASHID PEARSON EDUCATION INC. PEARSON PRENTICE HALL 2004. 9. POWER ELECTRONICS HANDROOK MUHAMMAD H. RASHID ACADEMIC p r e s s - 2001.
GIÁO THÌNH HIỆN TỬ CỒN6 8UẦT-BỘ BIẾN flổ l (LÝ TBUYẾT-BÀI TẬP) LỜI GIỚI THIỆU L0I G I THIỆU IÓ Điện tử công suất là môn học đã và đang được đưa vào giảng dạy tại các trường Cao đẳng, Đại học chuyên ngành điện. Môn học Điện tử công suất ngoài việc nghiên cứu bản chất vật lý, các quá trình diễn ra trong các linh kiện điện tử công suất như Dlode, Thyristor, GTO, Triac, Mostet công suất, IGBT, SID, MCT... làm việc ở chế độ chuyển mạch trong quá trình biến đổi điện năng. Khảo sát các tính năng kỹ thuật và những ứng dụng của các linh kiện này. Môn học còn tìm hiểu các bộ biến đổi qua việc liên kết các linh kiện điện tử công suất và các thiết bị điện khác tạo thành một mạch điện cụ thể bao gồm mạch điều khiển và mạch động lực và tính toán thiết kế mạch điểu khiển. Trong năm 2018 tủ sách STK biên soạn bộ sách giáo trình học Điện tử công suất gồm hai chuyên đề sau: • GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT-BỘ BIẾN Đổl (LÝ THUYÊT- THựC HÀNH). • GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT-BỘ BIÊN Đổl CỘNG HƯỞNG-BALLAST ĐIỆN TỬ. Đây là hai quyển sách chuyên đề được biên soạn dùng cho sinh viên bậc đại học và cao học ngành Điện, Điện tử, Tự động hóa... Sách cũng thích họp cho các cá nhân quan tâm đến các lĩnh vực kỹ thuật điện và điện tử. Sách trình bày các khái niệm cơ bản về các lĩnh vực mới nổi trong điện tử công sũất và một loạt các chủ đề như các bộ biến đổi DC-DC, DC-AC, AC-AC, các bộ biến đổi cộng hưởng, phân tích phương pháp, kỹ thùật chuyển đổi và ứng dụng. Khảo sát bộ biến đổi Cycloconverter, đây là bộ biến đổi chuyển mạch bằng điện áp lưới được cấu thành từ các linh kiện chuyển mạch tự nhiên là thyristor. Điện áp chuyển mạch được tạo ra từ điện áp nguồn (lưới). Ngoài ra, sách còn giới thiệu Bộ biến đổi ma trận: Các bộ biến đổi này sử dụng các linh kiện có khả năng điều khiển dóng ngắt đầy đủ (cả kích dẫn lẫn kích ngắt), các linh kiện thường được sử dụng là IGBT hoặc GTO. s
LỜIBẩlTMỆB H O TBiin B N T C M SIIẤT- B B UB I (LÝ T U Ẽ A TẬP) Á IỆ Ử O B ệ IẾ Ó B Y T-B I Các bộ biến đổi DC-AC (Mạch nghịch lưu) là một trong các dạng mạch điện tử công suất cơ bản. Chức năng chính của mạch diện tử công suất là thực hiện việc biến đổi năng lượng điện. Mạch nghịch lưu được sử dụng để tạo ra điện áp xoay chiều AC một pha hoặc nhiều pha từ nguồn điện một chiều DC. Trong các mạch nghịch lưu nhiều pha, mạch nghịch lưu 3 pha chiếm số lượng lớn nhất. Các mạch nghịch lưu được sử dụng rất phổ biến trong điều khiển tốc độ động cơ. Các mạch nghịch lưu điển hình dùng trong ứng dụng này thường được gọi là mạch nghịch lưu nguồn áp đóng ngắt cứng (hard-switching), có khả năng tạo ra tín hiệu điện áp dạng xung PWM trong đó chứa một thành phần cơ bản dạng sin. Bên cạnh đó, mạch nghịch lưu 1 pha được sử dụng chủ yếu trong các bộ nguồn liên tục (UPS) dùng cho máy tính và các thiết bị quan trọng. Trong các mạch nghịch lưu 1 pha dạng sóng ngõ ra có thể là dạng xung vuông hoặc xung gần như hình sin chuẩn. cdu hi#Bê:a T o ltp m v à o CJ “ U ^ n C h n?ắt cứ" 9' c a c " 9hié" r ậ, donU g“ , X ĩ on o í : ? " 5 ? ' ỉ . f mềm có thêm mạch dao dnnn^! ™ ng,hịch lưu đóng ngắt dẫn và kích ngắt các linh kiên r ~run9 ?'ian d® tạ0 kh^ năn9 kích zero hoặc dông Z Ó'ểm < *? *? “ U U u n x u u c t mm n ? a ch 9? 5 5 ? Hnh kiên ohĩ có .hể U u U lliU d f ' X X ®c ", “ SCR duy tri trạng thái dẫn va Irh H-đẵ Sau khi ■ Wch dẫn' thi SCR mdi chuyển qua hạng thé, „gắ?. qua 8 “ X vê 9 Thông thường mạch nghịch lưu sử dụng SCR được ứng dung làm DC-link giữa các lưới điện, dùng trong truyền tải điện với khoảng cách rất xa hoặc trong điều khiển các động cơ công (Jất rất lớn. Tuy nhiên, hiện nay ứng dụng của mạch nghịch lưu ong điều khiển động cơ công suất lớn đang dần được đảm hiệ^1 bd' c^ c mạch n9hịch lưu đóng ngắt cứng đa bậc.
G OT ÌN B NT C H 8U T Ộ B Nflổl (LÝ T U Ế -B I TẬ ) IÁ R H IỆ Ử Ỗ 6 Ẩ -B IẾ HYT À P LƠI 6IƠI THIỆU Các mạch nghịch lưu hiện đại sử dụng linh kiện đóng ngắt là IGBT. Bên cạnh đó, các loại MOSFET công suất cũng được sử dụng, đặc biệt trong phạm vi công suất và điện áp thấp nhưng cần hiệu suất cao và tần số hoạt động cao. Trong những năm gần đây các loại IGBT, MOSFET và các mạch điều khiển, mạch bảo vệ đi kèm các linh kiện này đã có sự phát triển vượt bậc. Các IGBT hiện đại có thể hoạt động với điện áp lên đến 3300 (V) và dòng điện lên đến 1200 (A). Các loại MOSFET có thể đạt đến trạng thái dẫn chỉ mà điện trở khi dẫn chỉ vài mQ. Bên cạnh sự phát triển của các linh kiện, các nhà sản xuất còn cung cấp nhiều mạch điều khiển có chức năng cách ly tốt, có thể bảo vệ linh kiện dưới nhiều sự cố khác nhau. Hiện nay, một số lượng lớn các dạng mạch nghịch lưu khác cũng đang được nghiên cứu, phát triển. Một trong những tiêu chí quan trọng khi đánh giá các mạch điện tử công suất, như mạch nghịch lưu, chính là hiệu suất biến đổi năng lượng. Để mạch nghịch lưu hoạt động với hiệu suất cao nhất, cần phải hạn chế đến mức thấp nhất các tổn hao năng lượng trong mạch, mà chủ yếu là ở nhiệt lượng tỏa ra trên các linh kiện bán dẫn. Bên cạnh đó, việc sử dụng hiệu quả năng lượng cũng là một vấn đề quan trọng, đặc biệt trong trường hợp mạch nghịch lưu được cấp nguồn từ ắc quy (ví dụ như trong xe hơi). Năng lượng tổn hao tức thời trên linh kiện khi thực hiện việc đóng ngắt được xác định bằng tích số giữa giá trị tức thời của dòng điện qua linh kiện và điện áp hai đầu linh kiện. Việc giảm thiểu tổn hao đóng ngắt trong các linh kiện bán dẫn là một mục tiêu quan trọng khi thiết kế các mạch điện tử công suất. Hiện tượng tổn hao ỏ trạng thái dẫn xuất hiện khi điện áp hai đầu một linh kiện có giá trị khác 0. Các tổn hao chuyển mạch xảy ra là do trên thực tế các linh kiện bán dẫn không thê' chuyển đổi ngay tức thì từ trạng thái này sang trạng thái khác, và trong nhiều mạch biến đổi với công suất lớn thì tổn hao chuyển mạch có thể lớn hơn tổn hao ở trạng thái dẫn.
LỜI6IỠI mậu G OTBlm BIỆHT C 6 S Ấ B B UB I (LỶ THUYẾTBAITẦP) IA ử 0N U T- ệ IÊ Ổ Mặc dầu C khả'năng làm giảm tổn hao chuyền mạch bằng Ó cách tận dụng đặc điểm của quá trình dao động tự nhiên của dòng điện và/hoặc điện áp và thực hiện đóng ngắt linh kiện khi dòng điện qua linh kiện hoặc áp hai đầu linh kiện có giá trị bằng 0. Đối với các mạch này thì tổn hao chuyển mạch có thể được hạn chế bằng cách sử dụng các mạch lái có khả năng điều khiển đóng ngắt nhanh. Nói chung công suất tổn hao trong các khóa bán dẫn sẽ làm phát sinh nhiệt lượng, và việc hạn chế nhiệt độ của các linh kiện khi hoạt động là một vấn đề quan trọng trong thiết kế các mạch biến đổi công suất. Việc tìm hiểu các mạch Snubber được thiết kế để hiệu chỉnh dạng sóng khi chuyển mạch nhằm làm giảm công suất tổn hao và bảo vệ cho khóa bán dẫn cũng như việc tính toán các tấm tản nhiệt sẽ được trình bày trong mọt chương ma cac nha thiet kê mạch điện tử công suất không thể bỏ qua. Một ứng dụng bộ biến đổi điện tử công suất được sử dụng trong các loại đèn phóng điện có tên là Ballast điện tử Các loại ballast diện tử hiện đại dược đánh dấu bằng sự xuất hiện của các BJT công suất với thời gian lưu trữ ngắn, cho phép cung cấp năng lượng cho các loại đèn huỳnh quang tại các tần số lên đến vai kHz va lam tang hiệu suât chiếu sáng thông qua việc vận hành ở tần số lớn. Tiếp theo đó, các loại MOSFET công suất giá rẻ đã được sản xuất ra thị trường, nhờ đó mà các ballast diện tử được sử dụng ngày càng phổ biến vì những Ư điểm ' của u MOSFET trong ballast diện tử. Những Ư điểm chính của ballast u điện tử là: Làm tăng hiệu suất cho bộ đèn chiếu sáng (cả cho đèn lẫn cho ballast), tăng tuổi thọ đèn, làm giảm thiểu đáng kể kích thước của ballast (so với các loại ballast diện từ truyền thông) va còn làm tăng chất lượng chiếu sáng. Hiện chưa thay cac sách tiếng Việt trình bày về lĩnh vực này. Nộl dung về Ballast diện tử sẽ được trình bày qua việc giới thiệu một số kiến thức lý thuyốt quan trọng về ballast điện tử - một ứng dụng thực tế của các bộ biến đổi công suất sử dụng linh kiện bán dẫn. I
6IẮ0 T ÌH B NT C N S Ấ -B B NĐ I (LÝ TBBYÍTB I T P B H IỆ Ử Ù G U T Ệ IẾ Ổ À Ậ) LỜ B T IỆ I lứl H U Việc điều khiển các bộ biến đổi là nhiệm vụ không thể thiếu với các nhà thiết kế cũng như các học viên khi làm các đề tài ra trường, nếu các mạch điều khiển trước đây sử dụng mạch rời (mạch số và Op-Amp) thì nay sử dụng vi xử lý và vi điều khiển. Việc ứng dụng vi điều khiển trong điều khiển các mạch điện tử công suất sẽ được trình bày trong chuyên âề tiếp theo. Chuyên đề “GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT-BỘ BIỂN ĐỔI (LÝ THUYẾT-THỰC HÀNH)” là tập 1 trong bộ sách gồm 11 chương (xem mục lục) trình bày qua 384 trang khổ 16 X 24 cm. Một số điểm cẩn lưu ỷ khi sử dụng sách Đây là tập 1 trong bộ sách học Điện tử công suất với các hướng dẫn cụ thể và thực tế (hướng dẫn từng bước) để tính toán thiết kế các bộ biến đổi. Một tài liệu rất thực dụng giúp việc học điện tử công suất nhanh chóng và dễ dàng giúp người học kiểm tra, củng cố các kiến thức lý thuyết cho môn học. Bạn đọc nên tham khảo tiếp tập 2 “ GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT-BỘ BIỂN Đổl CỘNG HƯỞNG VÀ BALLAST ĐIỆN TỬ” với các nội dung sau: o CÁC KHÁI NIỆM Cơ BẢN. o LINH KIỆN-SỬ DỤNG MẠCH TỪ VÀ TỤ. o MẠCH LÁI (DRIVER)-SNUBBER-TẢN NHIỆT, o BỘ BIẾN ĐỔI AC-AC. o BỘ BIỂN ĐỔI CỘNG HƯỞNG. - GIỔI THIỆU BỘ BIỂN ĐỔI CỘNG HƯỞNG. ■ BỘ BIẾN ĐỔI CỘNG HƯỞNG DC-DC. • BỘ BIẾN ĐỔI CỘNG HƯỞNG DC-AC. o BALLAST ĐIỆN TỬ Sách phục vụ cho những người tự học môn điện tử công suất, thiết kê bộ biến đổi và ứng dụng chúng vào công việc thực tê của mình một cách hiệu quả nhất. Cần lưu ý: 7
LừỉHđl TIIỆU C OTIÌM ỊỊIỆII Ti C H »BẤT- lệ BIẾU BỐI (LÝ TBUYẼT-BAI TẬP) IÂ Ù6 • Các mạch chỉnh lưu cơ bản dùng Diode và SCR một pha cũng như ba pha (bộ biến đổi AC/DC) cũng như phần hướng dẫn sử dụng PSIM để mô phòng trên máy tính trước khi lắp ráp mạch thật không được trình bày trong sách vì đã được trình bày rất chi tiết trong các chuyên đề Điện tử công suất biên soạn trong năm 2017. Bạn dọc nên tham khảo 4 chuyên đề biên soạn về Điện tử công suất trong năm 2017 trước khi học hai chuyên đề chuyên sâu được biên soạn trong năm 2018 sau sẽ tiếp thu tốt hơn. 1. ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT-HƯỚNG DAN sử d ụ n g PSIM. 2. ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT-TÍNH TOÁN MỔ PHỎNG THỰC HÀNH. 3. ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT-MẠCH NGHỊCH Lưu. 4. ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT-MẠCH BIẾN Đổl ĐIỆN ÁP. 1. ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT-HƯỚNG DẪN s ử d ụ n g PSIM. NỘI DUNG SÁCH Sách gổm 376 trang khổ 16 X 24 cm được tổ chức thành 4 phần qua 13 chương và 1 phụ lục. phần 1: GỒM 6 CHƯƠNG 1, 2, 3, 4, 5, 6 6 chương đầu trong sách giới thiệu những phần cơ bản nhất mà bất kỳ người nào mới làm quen với PSIM cần tìm hiểu. CHƯƠNG 1: CÀI ĐẶT PSIM CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU PSIM CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU SIMVIEW Giới thiệu SIMVIEW, dây là chương trình xử lý dạng sóng sau khi mô phỏng của PSIM, giới thiệu các chức năng chính trong mỗi trình đơn của SIMVIEVV giúp người học khai thác và sử dụng chương trình này trong mô phỏng mạch điện tử công suất. CHƯƠNG 4: CÁC THÔNG BÁO Lỗl TRONG PSIM Khi làm việc với PSIM người dùng sẽ gặp các thông báo lỗi. Chương 4 giới thiệu tới người dùng những lỗi xảy ra trong PSIM và các biện pháp khắc phục. I
G OTHÌN! BIỆN TỬ C H SUÃT B BIẾN 8ỔI (LỶ TM VẾT-BÀI TẬP) IẤ ỒG Ộ U ù n 6101 TBIỆII CHƯƠNG 5: CÁC LINH KIỆN BÁN DAN Chương 5 giới thiệu tới bạn đọc các linh kiện bán dẫn có sẵn trong chương trình cùng các giải thích từng thông số trong mỗi linh kiện để người học khai báo chính xác trước khi mô phỏng. CHƯƠNG 6: MÔ PHỎNG MẠCH ĐIỆN c ơ BẢN TRONG PSIM. PHẦN 2: MẠCH CHỈNH LƯU GỒM 2 CHƯƠNG 7, 8 1 Giới thiệu vẽ và mô phỏng mạch chỉnh lưu không điều khiển một pha và ba pha, chỉnh lưu điều khiển toàn phần một pha và ba pha trong PSIM. CHƯƠNG 7: MẠCH CHỈNH LƯU KHÔNG ĐIỂU KHIÊN • Mạch chỉnh lưu Diode một pha. > Mạch chỉnh lưu Diode hình tia bán kỳ một pha tải R . > Mạch chỉnh lưu Diode hình tia hai pha tải R và RE. > Mạch chỉnh lưu Dlode cầu một pha tải R. • Mạch chỉnh lưu Diode ba pha. > Mạch chỉnh lưu Diode hình tia ba pha tải RE. > Mạch chỉnh lưu Diode cầu ba pha tải R. CHƯƠNG 8: MẠCH CHỈNH LƯU SCR (THYRISTO R) • Mạch chỉnh lưu SCR hình tia bán kỳ tải RL. • Mạch chỉnh lưu SCR cầu một pha tải R. • Mạch chỉnh lưu SCR hình tia ba pha tải R. • Mạch chỉnh lưu SCR cầu ba pha. PHẦN 3: MẠCH BIẾN Đ ổl ĐIỆN ÁP GỒM 2 CHƯƠNG 9, 10 Giói thiệu vẽ và mô phỏng mạch biến đổi điện áp xoay chiều một pha và ba pha, mạch biến đổi điện áp một chiều tăng áp và giảm áp. CHƯƠNG 9: MẠCH BIẾN Đ ổl ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU • Mạch biến đổi điện áp xoay chiều một pha tải R. • Mạch biến đổi điện áp xoay chiều ba pha tải R.
LỪ afll TIIỆB I 8IẤ8 ĩliw i BIỆỊI T C H S Ẩ - »ệ B UB I (ỊỶ TIBYẾT-BÀ1 TẬP) ử Ù6 B T IẾ Ổ CHƯƠNG 10: MẠCH BIẾN Đổl ĐIỆN ÁP MỘT CHÍỀU • Mạch biến đổi điện áp một chiều - Bộ giảm áp. PHẦN 4: MẠCH NGHỊCH Lưu ÁP CHƯƠNG 11: MẠCH NGHỊCH Lưu • Mạch nghịch lưu áp một pha. • Mạch nghịch lưu áp một pha hai khóa và bốn khóa. • Mạch nghịch lưu áp ba pha hai bậc. Chương trình dùng để mô phỏng mạch điện tử công suất trong cả bốn tập đều là PSIM với những lý do sau: • PSIM là giải pháp rất tốt cho việc mô phỏng các mạch điện tử công suất. Với thiết kế giao diện rất trực quan, các thiết lập thông số, tạo và hiệu chỉnh đối tượng rất trực quan và dễ dàng. PSIM rất linh hoạt, giao diện rất thân thiện gần gũi với người sử dụng. Chương trình đã và được đưa vào giảng dạy tại hầu hết các trường Đại học, Cao đẳng chuyên ngành Điện - Điện Tử. Chương trình dễ cài đặt và sử dụng, PSIM Không yêu cầu cấu hình máy tính cao và cho phép chạy trên nhiều hệ điều hành khác nhau. • PSIM cho phép người dùng kiểm tra các kết quả theo bảng biểu cũng như các dạng sóng trên màn hình đồ họa máy tính. Với PSIM, người dùng có thể kiểm tra, tính toán nhiều thông số của mạch điều khiển diện tử công suất hiển thị trên màn hình máy tính mà không cần phải dùng thiết bị thật. 2. ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT-TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG THựC HÀNH. Như tên gọi của sách, nếu tên tập 1, 3, 4 rõ ràng thì tên tập 2 còn quá chung do đối tượng nghiên cứu môn Điện tử công suất rất rộng không thể trình bày hết trong 1 quyển sách chỉ 400 trang. Tập 2 giới thiệu tới bạn dọc nguyên lý làm việc, cách do thử ... qqc linh kiện điện tử công suất, tính toán, vẽ, và mô phỏng mạch Jjịên tử công suất chủ yếu là mạch chỉnh lưu không diều khiển dùng Diode và mạch chỉnh lưu điều khiển dùng SCR. II
6IÁ TBÌHIĐIỆH Tử C N S Ả -B B N B I (LÝ T U Ế À TẬP) Ữ Ò G U T Ộ IẾ Ổ H Y T-B I L Ờ ia ỡ lT IIỆ U Sách gồm 400 trang khổ 16 X 24 cm được tổ chức qua hai phần: Phần 1: Các linh kiện bán dần-Tính toán mạch chỉnh lưu và Phần 2: Mô phỏng mạch chỉnh lưu Diode và SCR với Psim trình bày qua 5 chương. Chương trình dùng để mô phỏng mạch điện tử công suất trong tập 2 cũng như tập 1 là PSIM. 3. ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT-MẠCH NGHỊCH LƯU. Bạn đọc thực hành tính toán, vẽ và mô phỏng các mạch điện nghịch lưu cơ bản nhất trong điện tử công suất. Sách gồm 392 trang khổ 16 X 24 cm được tổ chức qua 11 chương gồm cả lý thuyết và bài tập thực hành giúp người học củng cố phần lý thuyết. . CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM c ơ BẢN-BÀI TẬP. . CHƯƠNG 2: LÝ THUYÊT-TÍNH TOÁN MẠCH NGHỊCH LƯU. . CHƯƠNG 3: MẠCH NGHỊCH LƯU MỘT PHA. > MẠCH NGHỊCH LƯU XUNG VUÔNG TẢI R + L. > PHÂN TÍCH THD MẠCH NGHỊCH LƯU XUNG VUÔNG TẢI R + L. • CHƯƠNG 4: MẠCH NGHỊCH LƯU PWM. • CHƯƠNG 5: MẠCH NGHỊCH LƯU ÁP MỘT PHA. > MẠCH NGHỊCH LƯU ÁP MỘT PHA HAI KHÓA. > MẠCH NGHỊCH LƯU ÁP MỘT PHA BỐN KHÓA. • CHƯƠNG 6: MẠCH NGHỊCH LƯU ÁP BA PHA. . CHƯƠNG 7: MẠCH NGHỊCH LƯU ÁP BA PHA HAI BẬC PVVM. • CHƯƠNG 8: MẠCH NGHỊCH LƯU NPC 3 PHA 3 BẬC. • CHƯƠNG 9: MẠCH NGHỊCH LƯU CẦU H 5 BẬC. • CHƯƠNG 10: ĐIỀU CHẾ PWM CHO BỘ NGHỊCH LƯU BA BẬC NPC . CHƯƠNG 11: MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM BỘ NGHỊCH LƯU NPC. 4. ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT-MẠCH BIẾN Đổl ĐIỆN ÁP. Đây là tập 4 trong bộ sách học Điện tử công suất biên soạn trong năm 2017 trình bày qua 352 trang khổ 16 X 24 cm. Sách dược tổ chức qua 16 bài tập thực hành, gồm các nội dung sau: 11
lift t ill ĨIIỆ I filAO HĨM B HT cam S Ẩ - B B MB I (ỊỶ TIBYẾT-BÀI TẬP) IỆ Ử B T ệ IẾ Ổ • BÀI TẬP 1: MẠCH BIẾN Đổl ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU. • BÀI TẬP 2: MẠCH BIẾN Đổl ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU. • BÀI TẬP 3: MẠCH NGUỒN DC CHUYỂN MẠCH. • BÀI TẬP 4: MẠCH BIẾN Đổl ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA TẢI R. . BÀI TẬP 5: MẠCH BIẾN Đổl ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU BỘ TĂNG ÁP. . BÀI TẬP 6: MẠCH GIẢM ÁP MỘT CHIỀU. • BÀI TẬP 7: MẠCH BUCK VỚI DÒNG ĐIỆN GIÁN ĐOẠN. • BÀI TẬP 8: MẠCH TĂNG ÁP MỘT CHIỂU BOOST. • BÀI TẬP 9: MẠQH BUCK CHỈNH LUU ĐỒNG BỘ. • BÀI TẬP 10: MẠCH TĂNG GIẢM ÁP MỘT CHIỀU BUCK-BOOST. • BÀI TẬP 11: MẠCH TĂNG GIẢM ÁP MỘT CHIỀU CUK. • BÀI TẬP 12: MẠCH TĂNG GIẢM ÁP MỘT CHIỀU SEPIC. • BÀI TẬP 13: MẠCH BIẾN Đổl ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU 1 PHA TẢI R. • BÀI TẬP 14: MẠCH BIỂN Đổl ĐIỆN ÁP XOAY CHIẾU MỘT PHA TẢI R+L • BÀI TẬP 15: MẠCH FLYBACK - CHẾ ĐỘ DÒNG ĐIỆN LIÊN TỤC • BÀI TẬP 16: MẠCH FLYBACK - CHẾ ĐỘ DÒNG ĐIỆN GIÁN ĐOẠN Trong quá trình biên soạn không thể tránh khỏi thiếu sót, chúng tôi mong được các bạn đọc góp ý, trao đổi để nội dung biên soạn ngày càng tốt hdn. Mọi thắc mắc, góp ý xin gửi về hộp thư hay điện thoại: Phạm Quang Huy (028)38334168 - 0903728344 Email: huypq@ hcm ute.edu.vn Rất mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp, nhất là ý kiến của các thây, cô có nhiều kinh nghiệm giảng dạy Điện tử công guất--- để sách được hoàn thiện hơn trong lần tái bản sau. T P .H C M Tháng 12 - 2018 Các tác giả ư
GIÁO TB ÌN IB IỆH TỬ CỠHG 8UẲT-BỆ BIẾN BỔI (LỸ TBUYÊT-BÀI TẬP) CHƯƠNG 1: Bộ BIỂN BÍIDC-DG CHƯƠNG 1 Bộ BIẾN Đ I D -D Ổ CC 1.1 TỔNG QUAN Bộ biến đổi DC/DC được dùng để tạo ra một*điện áp DC ngõ ra với giá trị cố định từ một nguồn điện áp DC ngõ vào thay đổi. Điện áp ngõ ra dùng để cung cấp cho một tải thay đổi. Trong nhiều trường hợp, điện áp DC ngõ vào được tạo ra từ mạch chỉnh lưu điện áp lưới, do vậy điện áp DC thu được vẫn có độ nhấp nhô. Các bộ biến đổi DC/DC được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng yêu cầu nguồn điện DC không đổi, ví dụ như trong máy tính, các thiết bị đo lường y khoa, các thiết bị thông tin liên lạc, mạch thu vô tuyến, mạch nạp ắc quy... Các bộ biến đổi DC/DC còn được sử dụng để tạo ra điện áp DC thay đổi để điều khiển tốc độ động cỡ DC. Điện áp ngõ ra trong bộ biến đổi DC/DC thường được điều khiển bằng kỹ thuật đóng ngắt, kỹ thuật này được thể hiện bằng một bộ biến đổi DC/DC cơ bản như hình 1.1. s o'N > Hình 1.1: Bộ biến đổi DC/DC cơ bản. Các bộ biến đổi DC/DC ban đầu được gọi là các mạch chopper (mạch băm áp) và sử dụng linh kiện đóng ngắt là các SCR. Các bộ biến đổi DC-DC hiện đại được phân vào nhóm các bộ nguồn kiểu chuyển mạch (SMPS) trong đó sử dụng các linh kiện đóng ngắt là IGBT hoặc MOSFET. Một bộ nguồn chuyển mạch thường thực hiện một trong các chức năng như sau:
Cilíơnt 1 gệ liến B I IC C • : Ổ -B 6IẤ0 Him B HT C H S Ấ -IỘBIẾU BỔ (LÝ T8UYẾT-BÀI TẬP) IỆ Ử Ồ 6 U T I • Làm giảm giá trị điện áp của một nguồn áp DC ngõ vào chưa ổn định để tạo nên một điện áp DC ngõ ra ổn định, bằng cách sử dụng bộ biến đổi Buck (còn gọi là mạch hạ áp). • Làm tăng giá trị điện áp của một nguồn áp DC ngõ vào chưa ổn định để tạo nên một điện áp DC ngõ ra ổn định, bằng cách sử dụng bộ biến đổi Boost (còn gọi là mạch tăng áp). • Trước tiên làm giảm điện áp, sau dó làm tăng điện áp của nguồn DC ngõ vào chưa ổn định dể tạo nên điện áp DC ngõ ra ổn định bằng cách sử dụng bộ biến đổi Buck-Boost. • Đảo ngược điện áp DC ngõ vào bằng bộ biến đổi Cúk. • Tạo ra nhiều điện áp DC ngõ ra bằng cách sử dụng kết hợp các sơ đồ SMPS. Quá trình điều chỉnh điện áp trung bình ở ngõ ra trong một bộ biến đổi DC/DC là một hàm số theo thời gian dẫn ton của khóa đóng ngắt, theo độ rộng xung, và theo tần số đóng ngắt fs như minh họa ở hình 1.2. V0,i ii 1ì Vi Vo 11 t ^on foff T* Hình 1.2: Dạng sóng điện áp trong bộ biến đổi DC/DC.
ElflO TB MBIỆH TỨ C H SUAT-BQ b ố Đ I (LÝ TBOYẾT-BÃI TẬP) iH Ồ6 Ổ C Ư H Bệ BIẾU BỔI BMC M Ư 61: Kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) được sử dụng phổ biến để điều khiển điện áp ngõ ra. Nguyên lý của kỹ thuật PWM Hình 1.3: Nguyên lý của kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM). Điện áp ngõ ra phụ thuộc vào hệ số duty cycle D. Duty cycle được xác định bằng công thức: Q tọr> V control ( 1" 1) rs Vrepetitive Trong đó ton là thời gian khóa đóng ngắt ở trạng thái dẫn trong 1 chu kỳ, và Ts là chu kỳ đóng ngắt. Trong kỹ thuật PWM, điện áp điều khiển Vcontroi được so sánh với một điện áp lặp lại ^repetitive như hình 1-3. Thời gian khóa đóng ngắt ỏ trạng thái dẫn được xác định bằng khoảng thời gian mà.giá trị của Vrepetitive nhỏ hơn Vcontroi- Chu kỳ đóng ngắt của mạch được giữ không đổi trong khi điện áp điều khiển được làm thay đổi để thay đổi thời gian ton và từ đó thay đổi duty cycle của khóa đóng ngắt. Thông thường tần số đóng ngắt của mạch được chọn trên 20 kHz để các nhiễu sinh ra nằm ngoài tần số mà tai người nghe được. Các bộ biến đổi DC/DC hoạt động tại một trong hai trạng thái sau đây, tùy thuộc vào đặc tính của dòng điện ngõ ra: 15
c f llf n t 1: l ệ BIẾU Bẩl I H t ■ _ _ _ _ _ _ _ tlÂD T IIN I BIỆH TỬ COM SOẨHỘ BIẾU «ỔI (IỶ TMMVẾT-BÀI TẬP) • Trạng thái dòng điện liên tục. • Trạng thái dòng điện không liên tục. Trạng thái dòng điện liên tục được xác định bởi dòng điện ngõ ra có giá trị luôn luôn lớn hơn 0 trong toàn bộ 1 chu kỳ đóng ngắt, trong khi đó trạng thái dòng điện không liên tục thì ứng với trường hợp dòng điện ngõ ra giảm về 0 trong một vài khoảng thời gian nhất định trong 1 chu kỳ dóng ngắt. Các chế độ hoạt động này sẽ lần lượt được khảo sát trong các bộ biến đổi Buck và Boost ở các mục tiếp theo. 1.2 MẠCH CHOPPER Mạch chopper (mạch băm áp) là một dạng của bô biến đổi DC/DC được dùng để chuyển đổi năng lượng điện từ một nguon DC này sang một nguồn DC khác (cỏ thể là một tải thụ động . Các bộ biến dái dạng này đudc sử dụng phổ biến trong các bd nguốn ổn áp kiểu chuyển mạch và trong các ứng dụng diều khiển này là các mạch chopper hoạt động ở 1 gdc phần tu, 2 góc phần l 9?,0 phf " tu- . “ hà" “ fin đổi hạ áp (Buck) và bd biến dổi tăng áp (Boost) là các bô biến đái hoat dftnn A 1 bọ a , E v l i H 1 hf 7 * bie" "àỵ sẽ * 0 nên bộ c h ip e r 2 góc phần tư với khả năng đảo chiều dòng điên Bô h iL * p H cầu được tạo nên từ bọ biến đổi hạ áp ẹ d ê d° dạng * Các mạch chopper 1 góc phần tư điện áp DC ngõ ra thường được giữ cố đĩnh t ’• r *run; ' bì=b của 9 n " 1 ? f p n ? và o ư , f n g 6 9 và và dòng điện ở cả ngõ vào và ngõ ra đêu có glá trị dưòng Chinh vì vậy nià các bộ blén déi này được gọi là mạch chopper 1 góc phần tu. Phưdng pháp đuọc dùng dé điểu khiển diện áp ngõ ra là điều khiển khóa đỏng ngắt tại một tẩn sô' không đôi, hãy nól khác hơn là tại--một chu kỳ đóng ngắt không đổi (T = ton + t „) II
G OT ÌN BIỆNT C N S Ấ -B BIỂN B I (LỶ TN Y T-B I TẬP) IÁ R H Ử ỒG U T Ộ Ổ OỂ À C Ư H 1 >0 IIẼN B I B -B H Ơ6: Ổ CC đồng thời thay đôi khoảng thời gian khóa ở trạng thái dẫn để làm thay đổi trị trung bình điện áp ngõ ra. Phương pháp này được gọi là điêu chê độ rộng xung (PWM), trong đó hệ sô duty cycle d được định nghĩa là tỷ số giữa thời gian khóa dẫn so với chu kỳ đóng ngắt: d = ĩỷ (1 -2 ) Một phương pháp điều khiển khác cũng được sử dụng là điều khiển cả tần số đóng ngắt và thời gian dẫn của khóa đóng ngắt. Phương pháp này được dùng chủ yếu trong các bộ biến đổi sử dụng thyristor chuyển mạch cưỡng bức. Các mạch chopper có 2 chế độ hoạt động khác nhau, mỗi chế độ có các đặc tính khác nhau, đó là chế độ dẫn liên tục và chế độ dẫn không liên tục. Trên thực tế, mỗi một bộ biến đổi đều có thể vận hành trong cả hai chế độ này. Do vậy phương pháp điểu khiển bộ biến đổi sẽ được thiết kế cho cả hai chế độ. ♦> Bộ biến dổi giảm áp (Buck) Bộ biến đổi giảm áp tạo điện áp ngõ ra với trị trung bình nhỏ hơn điện áp ngõ vào V i n . Sơ đồ một bộ biến đổi giảm áp cơ Hình 1.4: Bộ biến đổi Buck giảm áp. Trong chế độ dẫn dòng điện liên tục, với khóa đóng ngắt lý tưởng, khi khóa bán dẫn ở trạng thái dẫn trong khoảng thời gian ton, dòng điện cuộn dây sẽ chạy qua khóa bán dẫn, diode được phân cực ngược. Kết T H Ơ V IỆ N 17 VVD
CltơHC 1: »0 BIẾH flđl D -P . CC Q OTBili BIỆN TỪ CÓ SBẤT-gệ BIÉH BỔ (LÝ TIIIYẼT-BÂI TẬP) IÀ IiE I Điện áp ’này. tạo nên một dòng điện tăng tuyến tính qua cuộn dây, ký hiệu iL. Khi khóa chuyển sang trạng thái ngắt, do có năng lượng tích trữ trong cuộn dây nên dòng ĨL vẫn tiếp tục chạy. Dòng điện này chạy qua diode và giảm dần theo thời gian. Trị trung bình của điện áp ngõ ra có thể được xác định theo hệ số duty cycle như sau: / ve= j J v 0{ t ) d t = ị ‘ K d t + Ị 0.0 = l V in=dVin ĩ f (1-3) ' 0 ' lo L Giá trị Voave C thể dược điều khiển bằng cách thay dổi Ó duty cycle (d = ton/T) của khóa. Một hiện tượng quan trọng khác trong mạch là diện áp trung bình ngõ ra thay đổi tuyến tính theo điện áp điều khiển. Tuy nhiên, trong chế độ hoạt động không liên tục thì mối quan hệ tuyến tính giữa điện áp ngõ vào và diện áp \ V v o,ave ngõ ra không còn tổn tại. Hình 1.5 thể hiện đặc tuyến giữa ^ V: v in,ave Vo,ave _ Hình 1.5: Đặc tuyến của theo io của bộ biến đổi giảm áp. ave V:in,ave ; v fì
G OTBim BIỆNT C N gU T-B Biển B I (LỶ THÜYÊHÀI TẬP) IÁ Ử Ổ6 Ẩ Ộ Ổ C Ư H 1 B «lËH Bẩl B -D B Ơ6: ệ CC ❖ Bộ biến đổi tăng áp (Boost) Sơ đổ bộ biến đổi tăng áp (Boost) được thể hiện trên hình 1.6. Trong bộ biến đổi này điện áp ngõ ra luôn luôn lớn hơn điện áp ngõ vào. Khi khóa ỏ trạng thái dẫn, diode được phân cực ngược, do vậy diode làm cách ly tầng ngõ ra. Lúc này nguồn điện ngõ vào cung cấp năng lượng cho cuộn dây. Khi khóa chuyển sang trạng thái ngắt, tầng ngõ ra nhận năng lượng từ cả cuộn dây lẫn từ nguồn điện ngõ vào. Trong chế độ hoạt động liên tục, gọi d là duty cycle của mạch, khi đó mối quan hệ giữa điện áp ngõ vào-ngõ ra như sau: V , = ^ l —Vn v o,ave - d : (1-4) ' \ Nếu điện áp ngõ vào không phải là hằng số thì giá trị V in trong công thức trên là trị trung bình của điện áp ngõ vào. Trong trường hợp này, mối quan hệ ở (1-3) chỉ là gần đúng. Trong chế- độ hoạt động không liên tục, công thức (1-3) không còn đúng / N nữa. Hình 1.7 thể hiện mối quan hệ giữa — ■ theo — ¡Lave t r ° n 9 cả hai chế độ hoạt động.