Giáo trình Điện tử công suất - ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Nam Định

Chia sẻ: Mucnang222 Mucnang222 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:279

Thêm vào BST

Báo xấu

49
lượt xem 17
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Module Điện tử công suất được biên soạn theo phương pháp dạy học thực hành 4D với mục tiêu: Chuẩn hoá nội dung chi tiết của chương trình module Điện tử công suất. Xây dựng bài giảng cho Module theo phương thức đào tạo dựa chủ yếu vào những tiêu chuẩn năng lực thực hiện-kỹ năng qui định cho nghề. Đưa giáo trình, bài giảng của Module thống nhất trong quá trình giảng dạy. Đảm bảo tính khoa học, cơ bản, hiện đại, đáp ứng được nhu học tập, nghiên cứu. Giáo trình dùng cho đào tạo nghề Điện công nghiệp, Điện tử công nghiệp. Ngoài ra có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho các sinh viên trình độ khác.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Điện tử công suất - ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Nam Định

Giáo trình Module Điện tử công suất LỜI NÓI ĐẦU Module Điện tử công suất là Module chuyên ngành của ngành Điện tử công nghiệp, Điện công nghiệp. Chương trình môn học đã được xây dựng theo chương trình mới của Bộ Giáo dục & Đào tạo cho khối các trường đào tạo nghề. Hiện nay có rất nhiều tài liệu, giáo trình liên quan đến Module Điện tử công suất. Tuy nhiên các giáo trình này biên soạn cho chương trình đào tạo Cao đẳng kỹ thuật và Đại học kỹ thuật, các giáo trình này chưa thật phù hợp với chương trình đào tạo nghề. Do đó cần có giáo trình thực hành phù hợp với chương trình đào tạo nghề. Với yêu cầu trên “Giáo trình Module Điện tử công suất” được biên soạn theo phương pháp dạy học thực hành 4D với mục tiêu: - Chuẩn hoá nội dung chi tiết của chương trình module Điện tử công suất. Xây dựng bài giảng cho Module theo phương thức đào tạo dựa chủ yếu vào những tiêu chuẩn năng lực thực hiện-kỹ năng qui định cho nghề. - Đưa giáo trình, bài giảng của Module thống nhất trong quá trình giảng dạy. Đảm bảo tính khoa học, cơ bản, hiện đại, đáp ứng được nhu học tập, nghiên cứu. - Giáo trình dùng cho đào tạo nghề Điện công nghiệp, Điện tử công nghiệp. Ngoài ra có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho các sinh viên trình độ khác. Nội dung của giáo trình được biên soạn với thời lượng 90 giờ lý thuyết và thực hành được chia làm 13 bài với kiến thức lý thuyết và các kỹ năng thực hành từ nội dung cơ bản đến kỹ thuật hiện đại đang ứng dụng trong thực tế. Sinh viên được trực tiếp thực hành theo các nội dung này để nắm bắt được các kỹ thuật cần thiết trong lĩnh vực Điện tử công suất và cũng là cơ sở để giáo viên đánh giá kiến thức của sinh viên. Chúng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới thầy giáo TS. Nguyễn Ngọc Hùng và các thầy cô giáo nhóm môn học Điện tử công suất của bộ môn Kỹ thuật điện tử, Khoa Điện-Điện tử trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định đã đóng góp những ý kiến xây dựng, tạo điều kiện thuận tiện cho chúng tôi khi biên soạn giáo trình này. Vì đề cập đến một phương pháp giảng dạy mới trong một môn khoa học Kỹ thuật hiện đại và đang phát triển nên không tránh khỏi những sai sót nhất định. Rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các bạn đồng nghiệp, bạn đọc gần xa giúp giáo trình hoàn thiện hơn. Mọi góp ý xin được gửi về Bộ môn Kỹ thuật Điện tử, Khoa Điện-Điện tử, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định. Nam Định, tháng 12 năm 2011. Nhóm tác giả
Giáo trình Module Điện tử công suất DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1. 1. Diode....................................................................................................................... 1 Hình 1. 2.Đặc tính Volt-Ampe của Diode: ........................................................................... 2 Hình 1. 3. Đặc tính đóng cắt của một Diode......................................................................... 3 Hình 1. 4. Cấu tạo và ký hiệu của SCR ................................................................................. 4 Hình 1. 5. Hình dạng bên ngoài SCR .................................................................................... 4 Hình 1. 6. Đặc tuyến V-A của SCR....................................................................................... 5 Hình 1. 7. Triac ........................................................................................................................ 6 Hình 1. 8. Đặc tuyến V-A của triac ....................................................................................... 7 Hình 1. 9. GTO ........................................................................................................................ 8 Hình 1. 10. Nguyên lý điều khiển GTO ................................................................................ 8 Hình 1. 11. Mạch điều khiển GTO ........................................................................................ 9 Hình 2. 1. Sơ đồ khối mạch chỉnh lưu ................................................................................. 29 Hình 2. 2. Sơ đồ phân loại của mạch chỉnh lưu.................................................................. 30 Hình 2. 3. Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ ............................................... 32 Hình 2. 4: Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ. .............................................. 33 Hình 2. 5: Dạng điện áp và dòng điện của các phần tử trên trên sơ đồ hình 2.4. ............ 33 Hình 2. 6. Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ có điều khiển ....................... 34 Hình 2. 7. Dạng điện áp và dòng điện của các phần tử trên trên sơ đồ hình 2.6 ............. 35 Hình 2. 8. Sơ đồ mạch chỉnh lưu tải Trở - Cảm ................................................................. 35 Hình 3. 1: Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ có điểm trung tính ........ 49 Hình 3. 2: Dạng điện áp và dòng điện của các phần tử trên trên sơ đồ hình 3.1. ............ 50 Hình 3. 3: Sơ đồ điện áp ngược đặt trên van D2 ................................................................. 50 Hình 3. 4Chỉnh lưu một pha có điểm trung tính có điều khiển tải thuần trở ................... 51 Hình 3. 5. Giản đồ xung chỉnh lưu tải thuần trở ................................................................. 52 Hình 3. 6Chỉnh lưu một pha có điểm trung tính có điều khiển tải trở-cảm ..................... 52 Hình 3. 7.Giản đồ xung chỉnh lưu tải trở - cảm .................................................................. 53 Hình 4. 2: Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu một pha............................................................ 67 Hình 4. 3: Dạng sóng điện áp sau chỉnh lưu và trên Diode D1,2 ....................................... 68 Hình 4. 4: Sơ đồ điện áp ngược đặt trên van D1 và D2 ..................................................... 68 Hình 4. 5. Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu một pha hình cầu có điều khiển ........................... 69 Hình 4. 6. Dạng điện áp và dòng điện của các phần tử trên trên sơ đồ hình4.4 .............. 70 Hình 5. 1: Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu hình tia ba pha........................................................ 85 Hình 5. 2: Dạng điện áp và dòng điện của các phần tử trên trên sơ đồ hình 5.1. ............ 86 Hình 5. 3: Sơ đồ điện áp ngược đặt trên van D3 ................................................................. 86 Hình 5. 4. Sơ đồ chỉnh lưu hình tia ba pha có điều khiển.................................................. 87 Hình 5. 5. Dạng điện áp và dòng điện của các phần tử trên trên sơ đồ hình 5.4. ............ 87 Hình 5. 6. Dạng điện áp khi dòng gián đoạn và dòng liên tục .......................................... 87
Giáo trình Module Điện tử công suất Hình 5. 7Sơ đồ mạch tải trở cảm và dạng điện áp, dòng điện trên tải.............................. 88 Hình 6. 1: Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu ba pha. ........................................................... 102 Hình 6. 2: Dạng sóng điện áp sau chỉnh lưu và trên Diode D5 ....................................... 103 Hình 6. 3. sơ đồ nguyên lý chình lưu cầu ba pha ............................................................. 104 Hình 6. 4. Dạng sóng các phần tử trên sơ đồ mạch hình 6.3........................................... 104 Hình 6. 5. Dạng dòng điện, điện áp trên tải phụ thuộc góc mở α ................................... 105 Hinh 8. 1. Sơ đồ cấu trúc bộ biến đổi phụ thuộc .............................................................. 134 Hinh 8. 2. Sơ đồ nguyên lý mạch tạo tín hiệu đồng bộ.................................................... 134 Hinh 8. 3 Giản đồ xung các điểm trên hình 8.2 ................................................................ 135 Hinh 8. 4. Sơ đồ nguyên lý mạch tạo xung răng cưa dùng Transistor ........................... 135 Hinh 8. 5. Mạch tạo răng cưa tuyến tính ........................................................................... 136 Hinh 8. 6. Sơ đồ nguyên lý mạch tạo xung răng cưa dùng OPAM................................ 136 Hinh 8. 7. Dạng điện áp răng cưa. ..................................................................................... 136 Hinh 8. 8 Sơ đồ mạch kích xung cho SCR ghép biến áp ................................................ 137 Hinh 8. 9. Phần tử cách ly quang học ................................................................................ 137 Hinh 8. 10. Mạch ghép phần tử cách ly quang ................................................................. 138 Hinh 8. 11. Sơ đồ mạch kích xung cho SCR ghép quang ............................................... 138 Hinh 8. 12. Mạch điều khiển dùng UJT ............................................................................ 139 Hinh 8. 13. Sơ đồ nguyên lý tạo xung điều khiển dùng IC CD4528 ............................. 139 Hinh 8. 14. Giản đồ xung các điểm đo trên sơ đồ hình 8.13 ........................................... 140 Hinh 8. 15 Sơ đồ nguyên lý tạo xung điều khiển sử dụng TCA785 .............................. 141 Hinh 8. 16. Giản đồ xung tại các chân của TCA785 ....................................................... 142 Hinh 8. 17. Mạch tạo xung chùm điều khiển.................................................................... 142 Hinh 8. 18.Giản đồ xung theo nguyên tắc tạo xung chùm của TCA785 ....................... 142 Hình 9. 1. Bộ biến đổi xung áp một chiều dạng nối tiếp ................................................. 157 Hình 9. 2. Bộ biến đổi xung áp một chiều dạng song song ............................................. 158 Hình 9. 3. Bộ biến đổi xung áp có đảo chiều .................................................................... 158 Hình 9. 4Sơ đồ cấu trúc bộ biến đổi xung áp nhiều pha .................................................. 158 Hình 9. 5: Sơ đồ cấu trúc bộ giảm áp ................................................................................ 159 Hình 9. 6: Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp ............................................................................. 160 Hình 9. 7: Giản đồ dòng điện và điện áp trong chế độ dòng liên tục ............................. 161 Hình 9. 8: Đồ thị dòng điện và điện áp trong chế độ dòng gián đoạn ............................ 162 Hình 10. 1Nguyên lý điều khiển xung áp một chiều theo PWM ................................... 177 Hình 10. 2. Sơ đồ khối mạch điều khiển bộ biến đổi xung áp 1 chiều có hồi tiếp........ 177 Hình 10. 3. Sơ đồ nguyên lý điều chế độ rộng xung dùng NE555 ................................. 178 Hình 10. 4.Giản đồ xung mạch điều khiển xung áp một chiều sử dụng IC NE555 ..... 179 Hình 10. 5. Nguyên tắc điều khiển đảo chiều quay motor .............................................. 179 Hình 10. 6. Mạch khuếch đại so sánh dùng Opam .......................................................... 180
Giáo trình Module Điện tử công suất Hình 10. 7. Dạng sóng đầu vào và ra mạch khuêch đại so sánh. .................................... 180 Hình 10. 8. Sơ đồ nguyên lý mạch điều chế có phản hồi ................................................ 180 Hình 11. 9.Sơ đồ nguyên lý nghịch lưu dòng một pha. ................................................... 195 Hình 11. 10. Sơ đồ nguyên lý dòng tải mạch nghịch lưu hình 11.1 ............................... 196 Hình 11. 11. Giản đồ xung các phần tử của sơ đồ cầu một pha...................................... 196 Hình 11. 12. Sơ đồ nguyên lý mạch động lực nghịch lưu dòng ba pha ......................... 197 Hình 11. 13. Giản đồ xung các phần tử của hình 11.4..................................................... 197 Hình 11. 14 Các mạch nghịch lưu dùng van MOSFET và IGBT .................................. 198 Hình 11. 15. Mạch nghịch lưu dùng dao động đa hài ...................................................... 199 Hình 11. 16. Mạch nghịch lưu dùng IC NE555 ............................................................... 200 Hình 11. 17. Mạch nghịch lưu một pha dùng IC CD4047 .............................................. 201 Hình 12. 1. Sơ đồ nghịch lưu áp một pha ......................................................................... 216 Hình 12.2. Đồ thị điện áp và dòng điện các phần tử trong hình 12.1 ............................. 217 Hình 12. 3. Sơ đồ nguyên lý mạch động lực nghịch lưu áp 3 pha.................................. 218 Hình 12. 4. Sơ đồ thay thế hình 12.3 ................................................................................. 218 Hình 12. 5. Dạng sóng của các phần tử trên sơ đồ hình 12.4 .......................................... 219 Hình 12. 6. Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu nguồn áp ................................................ 220 Hình 13. 1. Sơ đồ khối của biến tần trực tiếp.................................................................... 233 Hình 13. 2. Sơ đồ khối của biến tần gián tiếp ................................................................... 234 Hình 13. 3 Sơ đồ vị trí các đầu dây điều khiển ................................................................. 236 Hình 13. 4 Sơ đồ nguyên lý đấu dây ................................................................................. 238 Hình 13. 5 Hình dáng của biến tần 3G3 OMRON .......................................................... 245 Hình 13. 6. Giao diện điều khiển của biến tần 3G3 OMRON ....................................... 248 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1. 1 Thông số cực đại của các phần tử bán dẫn ........................................................ 15 Bảng 13. 1.Dải điện áp đầu vào AC 200 V- 240 V ......................................................... 234 Bảng 13. 2. Dải điện áp đầu vào 3AC 200 V- 240 V................................................... 235 Bảng 13. 3 Dải điện áp đầu vào 3AC 380 V- 480 V.................................................... 236 Bảng 13. 4. Chức năng các đầu dây điều khiển................................................................ 237 Bảng 13. 5. Bảng chức năng các đầu dây trên hình 13.4................................................. 238 Bảng 13. 6. Bảng chức năng thiết lập truyền thông của phần mềm ............................... 239 Bảng 13. 7. Bảng chức năng thiết lập truyền thông MICROMASTER ........................ 240
Giáo trình Module Điện tử công suất MỤC LỤC MD – 12 – 01: LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT CƠ BẢN ............................................ 1 A. Lý thuyết ......................................................................................................................... 1 1.1. Đặc tính cơ bản của các phần tử bán dẫn công suất ................................................. 1 1.2.DIODE........................................................................................................................... 1 1.2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động ......................................................................... 1 1.2.2. Đặc tính V-A (Volt-Ampe)................................................................................. 2 1.2.3 Đặc tính đóng cắt .................................................................................................. 3 1.2.4. Các thông số cơ bản............................................................................................. 3 1.2.5. Ứng dụng .............................................................................................................. 4 1.3 TIRISTO........................................................................................................................ 4 1.3.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động SCR (Silicon Controlled Rectifier) ............. 4 1.3.2. Các thông số cơ bản............................................................................................. 5 1.3.3. Ứng dụng .............................................................................................................. 6 1.4. Các linh kiện khác trong họ Tiristor .......................................................................... 6 1.4.1. Triac....................................................................................................................... 6 1.4.2. Tiristo khoá được bằng cực điều khiển GTO(Gate Turn-off thyrisstor) ........ 7 1.4.3. Ứng dụng .............................................................................................................. 9 1.5. Tranzito công suất BJT (Bipolar Junction Tranzito)................................................ 9 1.5.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động .......................................................................... 9 1.5.2. Đặc tính đóng cắt của BJT ................................................................................ 10 1.6. Tranzito trường Mosfet (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Tranzitor) . 11 1.6.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động ....................................................................... 11 1.6.2. Đặc tính đóng cắt của MOSFET ...................................................................... 12 1.7. Tranzito có cực điều khiển cách ly IGBT (Insulated Gate Bipolar Tranzitor) .... 13 1.7.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động ....................................................................... 13 1.7.2. Đặc tính đóng cắt của IGBT ............................................................................. 13 1.7.3. Yêu cầu đối với tín hiệu điều khiển IGBT ...................................................... 13 1.8. Bảo vệ và làm mát cho các van bán dẫn công suất ................................................ 14 1.8.1 Đặc tính nhiệt ...................................................................................................... 14 1.8.2. Mạch trợ giúp van .............................................................................................. 14 Bài tập: ............................................................................................................................... 15 B. Thực hành ..................................................................................................................... 15 1.9. Phiếu hướng dẫn thực hiện 4B: Tra cứu linh kiện theo sổ tay ECG .................... 20 1.10. Phiếu hướng dẫn thực hiện 4B: Tra cứu linh kiện trên mạng Internet ............... 20 1.11. Phiếu hướng dẫn thực hiện 4B: Đo, kiểm tra Diode ............................................ 21 1.12. Phiếu hướng dẫn thực hiện 4B: Đo, kiểm tra SCR .............................................. 21 1.13. Phiếu hướng dẫn thực hiện 4B: Đo, kiểm tra Triac ............................................. 22
Giáo trình Module Điện tử công suất 1.14. Phiếu hướng dẫn thực hiện 4B: Đo, kiểm tra BJT ............................................... 23 1.15. Phiếu hướng dẫn thực hiện 4B: Đo, kiểm tra MOSFET ..................................... 23 1.16. Phiếu hướng dẫn thực hiện 4B: Đo, kiểm tra IGBT ............................................ 24 1.17. Phiếu hướng dẫn thực hiện 8A: Giao bài tập nhóm ............................................. 26 1.19. Phiếu 9B: Phiếu báo cáo kết quả............................................................................ 28 1.19.1. Phiếu báo cáo tra cứu linh kiện ...................................................................... 28 1.19.2. Phiếu báo cáo đo kiểm tra linh kiện. .............................................................. 28 MD – 12 – 02: CHỈNH LƯU MỘT PHA MỘT NỬA CHU KỲ .......................................... 29 A. Lý thuyết ....................................................................................................................... 29 2.1. Khái quát chung về chỉnh lưu................................................................................... 29 2.1.1. Khái niệm chỉnh lưu .......................................................................................... 29 2.1.2. Sơ đồ khối mạch chỉnh lưu ............................................................................... 29 2.1.3. Các thông số cơ bản của mạch chỉnh lưu ........................................................ 30 2.2. Chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ không điều khiển .................................................. 32 2.2.1. Sơ đồ nguyên lý ................................................................................................. 32 2.2.2. Nguyên lý hoạt động.......................................................................................... 32 2.3. Chỉnh lưu một pha một nửa chu kì có điều khiển .................................................. 34 2.3.1. Tải thuần trở ....................................................................................................... 34 2.3.2. Tải Trở - Cảm ..................................................................................................... 35 2.4. Bài tập ứng dụng........................................................................................................ 36 B. Thực hành. .................................................................................................................... 37 2.5. Phiếu hướng dẫn thực hiện 4B: Lắp ráp chỉnh lưu một pha một nửa chu kỳ không điều khiển .............................................................................................................. 42 2.6. Phiếu hướng dẫn thực hiện 4B: Lắp ráp chỉnh lưu một pha một nửa chu kỳ có điều khiển .......................................................................................................................... 43 2.7. Phiếu chi tiết học tập: Sơ đồ lắp ráp mạch điện...................................................... 44 2.8. Các dạng sai hỏng và nguyên nhân khắc phục ....................................................... 45 2.9. Phiếu 8A: Phiếu giao bài tập nhóm ......................................................................... 46 2.11. Phiếu 9B: Phiếu báo cáo kết quả đo ...................................................................... 48 MD – 12 – 03: CHỈNH LƯU MỘT PHA HAI NỬA CHU KỲ CÓ ĐIỂM TRUNG TÍNH ........................................................................................................................................................ 49 A. Lý thuyết ....................................................................................................................... 49 3.1. Chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ có điểm trung tính không điều khiển ............ 49 3.1.1. Sơ đồ nguyên lý ................................................................................................. 49 3.1.2. Nguyên lý hoạt động.......................................................................................... 49 3.2. Chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ có điểm trung tính có điều khiển .................. 51 3.2.1. Tải thuần trở ....................................................................................................... 51 3.2.2. Tải Trở - Cảm ..................................................................................................... 52
Giáo trình Module Điện tử công suất 3.3. Bài tập ứng dụng........................................................................................................ 53 B. Thực hành ..................................................................................................................... 54 3.4. Phiếu hướng dẫn thực hiện 4B: Lắp ráp chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ không điều khiển .......................................................................................................................... 59 3.5. Phiếu hướng dẫn thực hiện 4B: Lắp ráp chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ có điều khiển .......................................................................................................................... 60 3.6. Phiếu chi tiết học tập theo 4D: Sơ đồ lắp ráp mạch điện ....................................... 61 3.7. Các dạng sai hỏng và nguyên nhân khắc phục ....................................................... 63 3.8. Phiếu 8A: Phiếu giao bài tập nhóm ......................................................................... 64 3.10. Phiếu 9B: Phiếu báo cáo kết quả đo ...................................................................... 66 MD – 12 – 04: CHỈNH LƯU CẦU MỘT PHA ....................................................................... 67 A. Lý thuyết ....................................................................................................................... 67 4.1.Chỉnh lưu cầu một pha không điêu khiển ................................................................ 67 4.1.1. Sơ đồ nguyên lý ................................................................................................. 67 4.1.2. Nguyên lý hoạt động.......................................................................................... 67 4.2. Chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển ...................................................................... 69 4.2.1. Tải thuần trở: ...................................................................................................... 69 4.2.2. Tải trở cảm (R-L) ............................................................................................... 70 4.3. Bài tập ứng dụng........................................................................................................ 71 B. Thực hành. .................................................................................................................... 72 4.4. Phiếu hướng dẫn thực hiện 4B: Lắp ráp chỉnh lưu một pha hình cầu không điều khiển .................................................................................................................................. 77 4.5. Phiếu hướng dẫn thực hiện 4B: Lắp ráp chỉnh lưu một pha hình cầu có điều khiển .................................................................................................................................. 78 4.6. Phiếu chi tiết học tập: Sơ đồ lắp ráp mạch điện...................................................... 80 4.7. Các dạng sai hỏng và nguyên nhân khắc phục. ...................................................... 81 4.8. Phiếu 8A: Phiếu giao bài tập nhóm ......................................................................... 82 4.10. Phiếu 9B: Phiếu báo cáo kết quả đo ...................................................................... 84 MD – 12 – 05: CHỈNH LƯU HÌNH TIA BA PHA ................................................................. 85 A. Lý thuyết ....................................................................................................................... 85 5.1. Chỉnh lưu hình tia ba pha không điều khiển ........................................................... 85 5.1.1. Sơ đồ nguyên lý ................................................................................................. 85 5.1.2. Nguyên lý hoạt động.......................................................................................... 85 5.2. Chỉnh lưu hình tia ba pha có điều khiển .................................................................. 87 5.2.1. Tải thuần trở ....................................................................................................... 87 5.2.2. Tải trở - Cảm (R-L)............................................................................................ 88 5.3. Bài tập ứng dụng........................................................................................................ 89 B.Thực hành. ..................................................................................................................... 89
Giáo trình Module Điện tử công suất 5.4. Phiếu hướng dẫn thực hiện 4B: Lắp ráp chỉnh lưu ba pha hình tia không điều khiển .................................................................................................................................. 94 5.5. Phiếu hướng dẫn thực hiện 4B: Lắp ráp chỉnh lưu ba pha hình tia có điều khiển ............................................................................................................................................ 95 5.6. Phiếu chi tiết học tập 4B: sơ đồ lắp ráp mạch điện ................................................ 97 5.7. Các dạng sai hỏng và nguyên nhân khắc phục. ...................................................... 98 5.8. Phiếu 8A: Phiếu giao bài tập nhóm ......................................................................... 99 5.10. Phiếu 9B: Phiếu báo cáo kết quả đo .................................................................... 101 MD – 12 – 06: CHỈNH LƯU CẦU BA PHA......................................................................... 102 A. Lý thuyết ..................................................................................................................... 102 6.1.Chỉnh lưu hình cầu ba pha không điêu khiển ........................................................ 102 6.1.1. Sơ đồ nguyên lý ............................................................................................... 102 6.1.2. Nguyên lý hoạt động........................................................................................ 102 6.2. Chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển....................................................................... 103 6.3. Bài tập ứng dụng...................................................................................................... 105 B. Thực hành. .................................................................................................................. 106 6.4. Phiếu hướng dẫn thực hiện 4B: Lắp ráp chỉnh lưu ba pha hình cầu không điều khiển ................................................................................................................................ 111 6.5. Phiếu hướng dẫn thực hiện 4B: Lắp ráp chỉnh lưu ba pha hình cầu có điều khiển .......................................................................................................................................... 112 6.6. Phiếu chi tiết học tập 4B: sơ đồ lắp ráp mạch điện .............................................. 114 6.7. Các dạng sai hỏng và nguyên nhân khắc phục ..................................................... 115 6.8. Phiếu 8A: Phiếu giao bài tập nhóm ....................................................................... 116 6.10. Phiếu 9B: Phiếu báo cáo kết quả đo .................................................................... 118 MD 12- 07: BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA .................................. 119 A. Lý thuyết ..................................................................................................................... 119 7.1. Khái quát về biến đổi xung áp xoay chiều ............................................................ 119 7.2. Bộ biến đổi xung áp xoay chiều một pha tải thuần trở ........................................ 119 7.2.1. Sơ đồ nguyên lý ............................................................................................... 119 7.2.2. Nguyên lý hoạt động........................................................................................ 120 7.3. Bài tập ứng dụng...................................................................................................... 121 B. Phần thực hành ........................................................................................................... 122 7.4. Phiếu hướng dẫn thực hiện 4B: Lắp ráp mạch biến đổi xung áp xoay chiều một pha ................................................................................................................................... 127 7.5. Phiếu chi tiết học tập: Sơ đồ lắp ráp mạch điện.................................................... 128 7.6. Các dạng sai hỏng và nguyên nhân khắc phục ..................................................... 129 7.7. Phiếu 8A: Phiếu giao bài tập nhóm ....................................................................... 130 7.9. Phiếu 9B: Phiếu báo cáo kết quả đo ...................................................................... 132
Giáo trình Module Điện tử công suất MD 12- 08: MẠCH ĐIỀU KHIỂN CÁC BỘ BIẾN ĐỔI PHỤ THUỘC ........................... 133 A. Lý thuyết ..................................................................................................................... 133 8.1. Khái quát và phân loại............................................................................................. 133 8.1.1. Chức năng ......................................................................................................... 133 8.1.2. Phân loại............................................................................................................ 133 8.1.3. Cấu trúc của hệ thống điều khiển bộ biến đổi ............................................... 133 8.2. Một số mạch thông dụng trong hệ thống điều khiển bộ biến đổi phụ thuộc ..... 134 8.2.1. Mạch tạo tín hiệu đồng bộ............................................................................... 134 8.2.2 Mạch tạo xung răng cưa ................................................................................... 135 8.2.3. Ghép xung bằng biến áp.................................................................................. 137 8.2.4. Ghép xung bằng cách ly quang học ............................................................... 137 8.3 Một số mạch điều khiển chỉnh lưu thông dụng ..................................................... 138 8.3.1. Mạch điều khiển chỉnh lưu dùng Transistor một tiếp giáp (UJT) ............... 138 8.3.2. Sơ đồ mạch điều khiển bộ biến đổi phụ thuộc dùng IC CD4528 ............... 139 8.3.3. Sơ đồ điều khiển bộ biến đổi phụ thuộc dùng TCA785............................... 140 B. Phần thực hành ........................................................................................................... 143 8.4. Phiếu chi tiết học tập 4B: Sơ đồ lắp ráp mạch điện.............................................. 147 8.5. Phiếu hướng dẫn thực hiện 4B: Lắp ráp mạch đồng bộ xung............................. 149 8.6. Phiếu hướng dẫn thực hiện 4B: Lắp ráp mạch tạo xung răng cưa dùng transistor .......................................................................................................................................... 149 8.7. Phiếu hướng dẫn thực hiện 4B: Lắp ráp mạch kích SCR dùng IC NE555 ....... 150 8.8. Phiếu hướng dẫn thực hiện 4B: Lắp ráp mạch điều khiển bộ biến đổi phụ thuộc dùng CD4528 ................................................................................................................. 151 8.8. Các dạng sai hỏng và nguyên nhân khắc phục ..................................................... 153 8.9. Phiếu 8A: Phiếu giao bài tập nhóm ....................................................................... 154 8.11. Phiếu 9B: Phiếu báo cáo kết quả đo .................................................................... 156 MD – 12 – 09: BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP MỘT CHIỀU..................................................... 157 A. Lý thuyết ..................................................................................................................... 157 9.1. Khái quát về bộ biến đổi xung áp một chiều ........................................................ 157 9.1.1 Đặc điểm ............................................................................................................ 157 9.1.2. Phân loại............................................................................................................ 157 9.1.3 Các phương pháp điều khiển. .......................................................................... 158 9.1.4 Ưu, nhược điểm ................................................................................................ 159 9.2. Bộ giảm áp ............................................................................................................... 159 9.2.1. Sơ đồ cấu trúc ................................................................................................... 159 9.2.2. Nguyên lý hoạt động........................................................................................ 160 9.2.3. Hiệu suất của bộ biến đổi xung áp ................................................................. 163 9.3. Bài tập ứng dụng...................................................................................................... 163
Giáo trình Module Điện tử công suất B. Thực hành ................................................................................................................... 164 9.4. Phiếu hướng dẫn thực hiện 4B: Lắp ráp bộ biến đổi xung áp một chiều không phản hồi ........................................................................................................................... 169 9.5. Phiếu hướng dẫn thực hiện 4B: Lắp ráp bộ biến đổi xung áp một chiều có phản hồi .................................................................................................................................... 170 9.6. Phiếu chi tiết học tập 4B: Sơ đồ lắp ráp mạch điện.............................................. 171 9.6. Các dạng sai hỏng và nguyên nhân khắc phục ..................................................... 172 9.7. Phiếu 8A: Phiếu giao bài tập nhóm ....................................................................... 173 9.9. Phiếu 9B: Phiếu báo cáo kết quả đo ...................................................................... 175 MD 12- 10: MẠCH ĐIỀU KHIỂN BIẾN ĐỔI XUNG ÁP MỘT CHIỀU ........................ 176 A. Lý thuyết ..................................................................................................................... 176 10.1. Khái quát về bộ biến đổi xung áp một chiều ...................................................... 176 10.1.1. Yêu cầu chung của mạch điều khiển ........................................................... 176 10.1.2. Nguyên tắc điều khiển ................................................................................... 176 10.1.3. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển .................................................................... 177 10.2. Các mạch cơ bản trong điều khiển biến đổi xung áp một chiều ....................... 178 10.2.1. Mạch điều chế độ rộng xung sử dụng IC NE555 ....................................... 178 10.2.2. Nguyên lý điều chế độ rộng xung có đảo chiều.......................................... 179 10.2.3. Mạch khuếch đại so sánh .............................................................................. 180 10.2.4. Mạch điều chế dộ rộng xung có phản hồi ................................................... 180 B. Thực hành ................................................................................................................... 181 1. Mạch điều chế độ rộng xung sử dụng IC NE555................................................ 186 4. Mạch điều chế dộ rộng xung có phản hồi ............................................................ 186 10.4. Phiếu hướng dẫn thực hiện 4B: Lắp ráp mạch điều chế độ rộng xung sử dụng IC NE555 ........................................................................................................................ 188 10.5. Phiếu hướng dẫn thực hiện 4B: Lắp ráp mạch điều chế độ rộng xung có đảo chiều. ............................................................................................................................... 188 10.6. Phiếu hướng dẫn thực hiện 4B: Lắp ráp mạch điều chế độ rộng xung có phản hồi .................................................................................................................................... 189 10.7. Các dạng sai hỏng và nguyên nhân khắc phục ................................................... 191 10.8. Phiếu 8A: Phiếu giao bài tập nhóm ..................................................................... 192 10.10. Phiếu 9B: Phiếu báo cáo kết quả đo .................................................................. 194 MD 12- 11: NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP NGUỒN DÒNG.................................................... 195 A. Lý thuyết ..................................................................................................................... 195 11.1. Khái quát về nghịch lưu độc lập .......................................................................... 195 11.2 Nghịch lưu dòng một pha ...................................................................................... 195 11.2.1. Sơ đồ nguyên lý ............................................................................................. 195 11.2.2. Nguyên lý làm việc ........................................................................................ 196
Giáo trình Module Điện tử công suất 11.3. Nghịch lưu nguồn dòng ba pha ............................................................................ 197 11.3.1. Sơ đồ nguyên lý ............................................................................................. 197 11.3.2. Nguyên lý làm việc ........................................................................................ 197 11.4. Một số mạch nghịch lưu một pha cơ bản ............................................................ 198 11.4.1. Mạch nghịch lưu dùng transistor .................................................................. 198 11.4.2. Mạch nghịch lưu dùng IC NE555 ................................................................ 199 11.4.3. Mạch nghịch lưu dùng IC CD4047 ............................................................. 200 B. Phần thực hành ........................................................................................................... 201 11.5. Phiếu chi tiết học tập 4B: Sơ đồ lắp ráp mạch điện ........................................... 206 11.6. Phiếu hướng dẫn thực hiện 4B: Lắp ráp mạch nghịch lưu dao động đa hài.... 208 11.7. Phiếu hướng dẫn thực hiện 4B: Lắp ráp mạch nghịch lưu dùng IC NE555.... 209 11.8. Phiếu hướng dẫn thực hiện 4B: Lắp ráp mạch nghịch lưu dùng IC CD4047 . 210 11.9. Các dạng sai hỏng và nguyên nhân khắc phục ................................................... 212 11.10. Phiếu 8A: Phiếu giao bài tập nhóm ................................................................... 213 11.12. Phiếu 9B: Phiếu báo cáo kết quả đo .................................................................. 215 MD 12- 12: NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP NGUỒN ÁP........................................................... 216 A. Lý thuyết ..................................................................................................................... 216 12.1. Nghịch lưu áp một pha ......................................................................................... 216 12.1.1. Sơ đồ nguyên lý ............................................................................................. 216 12.1.2. Nguyên lý làm việc ........................................................................................ 216 12.1.3. Tính toán các thông số theo phương pháp sóng điều hòa cơ bản ............. 217 12.2 Nghịch lưu áp ba pha ............................................................................................. 218 12.2.1 Sơ đồ nguyên lý mạch động lực nghịch lưu áp 3 pha ................................. 218 12.2.2. Nguyên lý làm việc ........................................................................................ 218 12.3. Mạch nghịch lưu áp một pha cơ bản ................................................................... 220 B. Thực hành ................................................................................................................... 221 12.4. Phiếu chi tiết học tập 4B: Sơ đồ lắp ráp mạch điện ........................................... 225 12.. Phiếu hướng dẫn thực hiện 4B: Lắp ráp mạch biến đổi DC-AC-DC ................ 226 12.6. Phiếu hướng dẫn thực hiện 4B: Lắp ráp mạch tạo xung 50Hz ......................... 227 12.7. Các dạng sai hỏng và nguyên nhân khắc phục ................................................... 229 12.8. Phiếu 8A: Phiếu giao bài tập nhóm ..................................................................... 230 12.10. Phiếu 9B: Phiếu báo cáo kết quả đo .................................................................. 232 MĐ – 12 – 13: BIẾN TẦN........................................................................................................ 233 A. Lý thuyết ..................................................................................................................... 233 13.1. Biến tần trực tiếp dùng tiristo ............................................................................... 233 13.2.Biến tần gián tiếp .................................................................................................... 234 13.3. Giới thiệu một số loại biến tần thông dụng ......................................................... 234 13.3.1. Khảo sát biến tần M420 của Siemens.......................................................... 234
Giáo trình Module Điện tử công suất 13.3.2. Các đầu dây điều khiển ................................................................................. 236 13.3.3. Sơ đồ nguyên lý ............................................................................................. 238 13.3.4. Cài đặt mặc định............................................................................................ 238 13.3.5. Khoá chuyển đổi DIP 50/60 HZ .................................................................. 239 13.3.6. Truyền thông .................................................................................................. 239 13.3.7. Các nút và các chức năng ............................................................................. 241 13.3.8. Thay đổi các thông số.................................................................................... 243 13.3.2. Biến tần 3G3 OMRON ................................................................................ 245 Các phím chức năng ................................................................................................... 248 B. Thực hành ................................................................................................................... 251 13.4. Phiếu chi tiết học tập 4B: Sơ đồ lắp đặt biến tần ................................................ 255 13.5. Phiếu hướng dẫn thực hiện 4B: Lắp đặt biến tần M420 của SIEMENS điều khiển tốc độ động cơ ba pha. ........................................................................................ 257 13.6. Phiếu hướng dẫn thực hiện 4B: Lắp đặt biến tần 3G3JX của OMRON điều khiển tốc độ động cơ ba pha. ........................................................................................ 259 13.7. Các dạng sai hỏng và nguyên nhân khắc phục ................................................... 260 17.3.1. Các chế độ hiển thị và cảnh báo biến tần Siemen ..................................... 261 17.3.2. Các chế độ hiển thị và cảnh báo biến tần Omron ...................................... 262 13.8. Phiếu 8A: Phiếu giao bài tập nhóm ..................................................................... 265 Tài liệu tham khảo .......................................................................................................... 267
Giáo trình Module Điện tử công suất MD – 12 – 01: LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT CƠ BẢN I. Mục tiêu Sau khi học xong bài học này người học sẽ có khả năng: - Hiểu được khái niệm, chức năng và nhiệm vụ các phần tử công suất Diode , SCR, Triac, GTO, BJT, MosFet, IGBT. - Trình bày được cấu tạo, nguyên lý làm việc, các thông số kỹ thuật, đặc điểm nhận dạng của các linh kiện điện tử công suất dùng trong các thiết bị điện điện tử công nghiệp và tổn hao trong mạch điện tử công suất. - Tra cứu được các thông số cơ bản của linh kiện và hiểu được thao tác kiểm tra chất lượng các linh kiện bán dẫn công suất cơ bản theo yêu cầu kỹ thuật. - Đảm bảo an toàn và vệ sinh công nghiệp. II. Nội dung A. Lý thuyết 1.1. Đặc tính cơ bản của các phần tử bán dẫn công suất Các phần tử bán dẫn công suất được sử dụng trong các bộ biến đổi hoạt động như các khóa điện tử, gọi là các van bán dẫn; khi mở dẫn dòng thì nối tải vào nguồn, khi khóa thì ngắt tải ra khỏi nguồn. Khác với các phần tử có tiếp điện, khi các van bán dẫn thực hiện đóng cắt dòng điện không gây nên tia lửa điện, không bị mài mòn theo thời gian. Tuy có thể đóng cắt các dòng điện lớn nhưng các van bán dẫn lại được điều khiển bởi các tín hiệu công suất nhỏ. Quy luật nối tải vào nguồn phụ thuộc vào sơ đồ bộ biến đổi và phụ thuộc cách thức điều khiển các van trong bộ biến đổi. Các van bán dẫn được phân loại thành: - Van không điều khiển, như Diode - Van có điều khiển, trong đó phân loại ra: + Điều khiển không hoàn toàn, như tiritsto, triac + Điều khiển hoàn toàn, như BJT, MOSFET, IGBT, GTO. 1.2.DIODE 1.2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Diode là phần tử được cấu tạo bởi một lớp tiếp giáp bán dẫn p-n. Diode có 2 cực, Anod (A) là cực nối với lớp bán dẫn P, Katod (K) là cực nối với lớp bán dẫn N (Hình 1.1). +12V +12V D D a b c d e Hình 1. 1. Diode a. Cấu tạo b. Ký hiệu c. Hình dạng d. Phân cực thuận e. Phân cực ngược 1
Giáo trình Module Điện tử công suất Do hiệu ứng khuếch tán các phần tử tải điện cơ bản giữa 2 miền, tại lớp tiếp xúc (phần truyền) sẽ hình thành 1 hiệu điện thế tiếp xúc, tạo ra từ trường E để ngăn ngừa sự khuếch tán tiếp tục của các phần tử tải điện cơ bản. Kết quả là ở trạng thái cân bằng, ở ranh giới tiếp xúc tạo ra vùng nghèo các phần tử tải điện. Nối điện thế một điện trường ngoài (U), trạng thái cân bằng bị phá vỡ, nếu nối điện thế ngoài theo chiều dương (+) với Anod và âm (–) với Katod của Diode (hình 1.1d) , điện trường ngoài sẽ ngược chiều với điện trường của điện áp tiếp xúc, các phần tử tải điện dịch chuyển qua vùng tiếp xúc và tạo ra dòng điện thuận qua Diode. Nếu nối điện thế ngoài theo chiều dương (+) với Katod và chiều âm (–) nối với Anod của Diode hình 1.1e, sẽ tạo ra điện trường ngoài cùng chiều với điện thế tiếp xúc, làm vùng nghèo được mở rộng. Vùng nghèo của lớp tiếp xúc không cho phép các phần tử tải điện chuyển qua phần truyền và dòng qua phần truyền chỉ là dòng điện rò. 1.2.2. Đặc tính V-A (Volt-Ampe) Trên hình 1.2 mô tả đặc tuyến Volt-Ampe của Diode, ứng với nhánh phân cực ngược dòng rò là không đáng kể, nó phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ. Diode công suất làm việc với dòng thuận lớn vì vậy đòi hỏi chế độ giảm nhiệt thích hợp. Thông thường sẽ có 1 cực tính được chế tạo thuận lợi cho việc ghép với tản nhiệt. Các Diode công suất sử dụng cho các thiết bị công nghiệp thường đòi hỏi phải có khả năng chịu đựng điện áp ngược lớn, khoảng vài trăm cho đến vài ngàn Volt. Dòng điện định mức (dòng tải chính hay dòng thuận) phải đạt vài trăm Ampe. Đặc tính gồm hai phần, đặc tính thuận nằm ở góc phần tư thứ I tương ứng với UAK>0, đặc tính ngược nằm ở góc phần tư thứ III tương ứng UAK
Giáo trình Module Điện tử công suất không có tính đảo ngược, nghĩa là nếu ta lại giảm điện áp trên Anod -Katod thì dòng điện vẫn không giảm. Ta nói rằng diode bị đánh thủng. Trong thực tế, để đơn qiản cho việc tính tóan, người ta thường dùng đặc tính tuyến tính hóa của Diode như được biểu diễn trên hình 1.2b. Tuy nhiên để phân tích sơ đồ các bộ biến đổi thì một đặc tính lý tưởng cho trên hình 1.2c được sử dụng nhiều hơn cả. Theo đặc tính lý tưởng, Diode có thể cho phép một dòng điện lớn bất kì chạy qua với sụt áp trên nó bằng 0 và chịu được điện áp ngược lớn bất kỳ có dòng rò bằng 0. Nghĩa là, theo đặc tính lý tưởng, Diode có điện trở tương đương khi dẫn bằng 0 và khi khóa bằng  . 1.2.3 Đặc tính đóng cắt Khác với đặc tính Volt-Ampe là đặc tính tĩnh, đặc tính u(t), i(t) cho thấy dạng của địên áp và dòng điện trên Diode theo thời gian, gọi là đặc tính động hay đặc tính đóng-cắt của Diode. Đặc tính đóng-cắt của Diode tiêu biểu của một Diode được thể hiện trên hình 1.3. U(t) t i(t) t di/dt Vùng Qr (1) (2) (3) (4) (5) (6) Hình 1. 3. Đặc tính đóng cắt của một Diode Theo đặc tính trên hình 1.3, Diode ở trạng thái khóa trong các khỏang thời gian (1) và (6) với điện áp phân cực ngược và dòng điện bằng không. ở khoảng (2) Diode bắt đầu dẫn dòng. Dòng điện ban đầu nạp điện tích cho tụ điện tương đương của tiếp giáp p-n. Khi lượng điện tích đã đủ lớn, độ dẫn điện của tiếp giáp tăng lên, điện trở giảm và điện áp trên Diode trở về ổn định ở mức sụt áp UD.0 cỡ 1- 1,5V trong khoảng (3) Diode hoàn toàn ở trạng thái dẫn. Quá trình khóa Diode ở khoảng (4) Diode vẫn còn phân cực thuận cho đến khi các điện tích trong lớp tiếp giáp p-n được di chuyển hết ra bên ngoài. Ở cuối giai đoạn (4) tiếp giáp p-n phân cực ngược và Diode có khả năng ngăn cản dòng điện. Trong giai đoạn (5) tụ điện tương đương của tiếp giáp p-n được nạp tiếp tục tới điện áp phân cực ngược. Diện tích gạch chéo trên đường dòng điện i(t) tương ứng bằng với lượng điện tích phải di chuyển ra bên ngoài Qr. Điện tích Qr là điện tích phục hồi. Thời gian tr giữa đầu giai đoạn (5) gọi là thời gian phục hồi và là một trong những thông số quan trọng của Diode. 1.2.4. Các thông số cơ bản. 1. Giá trị trung bình của dòng điện cho phép chạy qua Diode theo chiều thuận (ID). Trong quá trình làm việc Diode chỉ dẫn dòng theo một chiều từ Anod đến Katod, điều này có nghĩa là công suất phát nhiệt sẽ tỷ lệ với giá trị trung bình của dòng điện. Vì vậy dòng điện ID là thông số quan trọng để lựa chọn Diode cho một ứng dụng thực tế. 3
Giáo trình Module Điện tử công suất 2. Giá trị điện áp ngược lớn nhất mà Diode có thể chịu đựng được (Ung.max). Theo đặc tính Volt - Ampe, quá trình Diode bị đánh thủng là quá trình không bị đảo ngược được, vì vậy trong mọi ứng dụng phải luôn luôn đảm bảo rằng UAK < Ung.max 3. Tần số Quá trình phát nhiệt trên Diode còn phụ thuộc vào tần số đóng cắt của Diode. Trong quá trình Diode mở ra hoặc khóa lại, tổn hao công suất tức thời u(t).i(t) có giá trị lớn hơn lúc Diode đã dẫn dòng hoặc đang bị khóa. Các Diode được chế tạo với tần số làm việc khác nhau, do đó tần số là một thông số quan trọng phải lưu ý khi lựa chọn Diode. 4. Thời gian phục hồi tr và điện tích phục hồi Qr Các Diode khi bị khóa lại có dòng ngược để di chuyển lượng điện tích Qr ra khỏi cấu trúc bán dẫn, phục hồi khả năng khóa cuả mình. Thời qian phục hồi tr nếu bị kéo dài làm chậm lại quá trình chuyển mạch ở các van và làm tăng tổn thất trong quá trình đóng cắt các van. Những lý do như trên khiến ta phải đặc biệt lưu ý đến ảnh hưởng của tr trong những trường hợp cụ thể. 1.2.5. Ứng dụng - Chỉnh lưu không điều khiển. - Bảo vệ các van bán dẫn. 1.3 TIRISTO 1.3.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động SCR (Silicon Controlled Rectifier) SCR là phần tử bán dẫn trong họ Trisistor có cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn p-n-p-n, tạo ra ba tiếp giáp J1, J2, J3, Tiristo có ba cực: Anod (A), Katod (K), cực điều khiển (G) biểu diễn trên hình 1.4. a. b. Hình 1. 4. Cấu tạo và ký hiệu của SCR Hình 1. 5. Hình dạng bên ngoài SCR 4
Giáo trình Module Điện tử công suất i(A) Nhánh thuận mở IG3 > IG2 > IG1 > IG0 = 0 u(V) Ung.max Dòng rò(mA) Uth.max Nhánh ngược khóa Hình 1. 6. Đặc tuyến V-A của SCR VAK < 0: Van khóa: Chạy qua SCR là dòng rò ngược (cỡ mA). Khi VAK SCR bị hỏng. * VAK > 0 và IG = 0: Khóa thuận: Ta có là dòng rò thuận(cỡ mA). Khi VAK > VRB ta có hiện tượng gãy thuận: SCR chuyển sang vùng dẫn điện. Ta phải chọn định mức áp của SCR lớn hơn các giá trị gãy này, hệ số an toàn điện áp thường chọn lớn hơn hay bằng 2. Khi phân cực thuận, nếu IG tăng lên từ giá trị 0, VRB giảm dần SCR chuyển sang trạng thái dẫn. Như vậy, dòng IG cần phải đủ lớn để sử dụng SCR như một khóa điện tử. * Vùng dẫn điện: Ứng với trường hợp SCR đã được kích và dẫn điện, sụt áp qua SCR VAK = VF khoảng 1 - 2 volt. 1.3.2. Các thông số cơ bản. 1. Giá trị dòng cho phép chạy qua tiristo (Iv ) Đây là giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua tiristo với điều kiện nhiệt độ của cấu trúc tinh thể bán dẫn của tiristo không vượt quá một giá trị cho phép. Trong thực tế dòng điện cho phép chạy qua tiristo còn phụ thuộc vào các điều kiện làm mát và nhiệt độ môi trường. 2. Điện áp ngược cho phép lớn nhất (Ung.max ) Đây là giá trị điện áp ngược lớn nhất cho phép đặt lên tiristo. Trong các ứng dụng phải đảm bảo rằng, tại bất kì thời điểm nào điện áp UAK luôn nhỏ hơn hoặc bằng Ung.max . Ngoài ra phải đảm bảo một độ dự trữ nhất định về điện áp, nghĩa là phải được chọn ít nhất bằng 1,2 đến 1,5 lần giá trị biên độ lớn nhất của điện áp trên sơ đồ đó. 3. Thời gian phục hồi tính chất khoá của tiristo (tr ( s )) Đây là thời gian tối thiểu phải đặt lên điện áp âm lên giữa A-K của tiristo sau khi dòng A-K đã về bằng không trước khi lại có thể có điện áp dương mà tiristo vẫn khóa. Thời gian phục hồi tr là một thông số rất quan trọng của tiristo, nhất là trong các bộ nghịch lưu phụ thuộc hoặc nghịch lưu độc lập, trong đó phải luôn đảm bảo rằng thời gian dành cho quá trình khóa phải bằng 1,5 đến 2 lần tr 5
Giáo trình Module Điện tử công suất 4. Tốc độ tăng điện áp cho phép (dU/dt (V/ s )) Tiristo được sử dụng như một phần tử có điều khiển, nghĩa là mặc dù đựơc phân cực thuận (UAK>0) nhưng vẫn phải có tín hiệu điều khiển thì nó mới cho phép dòng điện chạy qua. Khi tiristo được phân cực thuận nếu điện áp biến thiên với tốc độ lớn, dòng điện qua lớp tiếp giáp J2 có thể có giá trị đáng kể, đóng vai trò như dòng điều khiển. Kết quả là tiristo có thể mở ra khi chưa có tín hiệu điều khiển vào cực điều khiển G. Tốc độ tăng điện áp là một thông số phân biệt tiristo tần số thấp với tiristo tần số cao. ở tiristo tần số thấp dU/dt vào khoảng 50 đến 200 V/ s ; với các tiristo tần số cao dU/dt có thể đạt 500 đến 2000 V/ s . 5. Tốc độ tăng dòng cho phép (dI/dt ( A/ s )) Khi tiristo bắt đầu mở, không phải mọi điểm trên tiết diện tinh thể bán dẫn của nó đều dẫn dòng đồng đều. Dòng điện sẽ chạy qua bắt đầu ở một số điểm, gần với cực điều khiển nhất, sau đó sẽ lan toả dần sang các điểm khác trên toàn bộ tiết diện. Nếu tốc độ tăng dòng quá lớn có thể dẫn đến mật độ dòng điện ở các điểm dẫn ban đầu quá lớn, sự phát nhiệt cục bộ có thể dẫn đến hỏng toàn bộ tiết diện tinh thể bán dẫn. Tốc độ tăng dòng tiristo tần số thấp, có dI/dt cỡ 50-100 (A/ s ), với các tiristo tần số cao với dI/dt cỡ 500-2000 (A/ s ). 1.3.3. Ứng dụng - Chỉnh lưu có điều khiển. - Nghịch lưu. - Biến tần. 1.4. Các linh kiện khác trong họ Tiristor 1.4.1. Triac Triac là phần tử bán dẫn có cấu trúc bán dẫn bao gồm năm lớp, tạo nên cấu trúc p-n- p-n như ở tiristo theo cả hai chiều giữa các cực T1 và T2 như được thể hiện trên hình 1.6a. Triac có kí hiệu trên sơ đồ như trên hình 1.6b, có thể dẫn dòng theo cả 2 chiều T1 và T2. Về nguyên tắc triac hoàn toàn có thể coi tương đương với hai tiristo đấu song song ngược như trên hình 1.6a. T2 T2 G G T1 T1 a b c Hình 1. 7. Triac a. Sơ đồ tương đương b. Ký hiệuTriac . Hình dạng bên ngoài Đặc tính Volt-Ampe của triac gồm hai đoạn đặc tính ở góc phần tư thứ I và thứ III, mỗi đoạn đều giống như đặc tính thuận của một tiristo như được biểu diễn trên hình 1.8. 6
Giáo trình Module Điện tử công suất Hình 1. 8. Đặc tuyến V-A của triac Triac có thể điều khiển mở dòng bằng cả xung dòng dương (dòng đi vào cực điều khiển) hoặc bằng xung dòng âm (dòng đi ra khỏi cực điều khiển). Xung dòng điều khiển âm có độ nhạy kém hơn, nghĩa là dòng chỉ có thể chạy qua triac khi điện áp giữa T1 và T2 phải lớn hơn một giá trị xác định, lớn hơn khi dùng dòng điều khiển dương. Vì vậy trong thực tế để đảm bảo tính đối xứng của dòng điện qua triac, sử dụng dòng điều khiển âm là tốt hơn cả. Triac đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng điều chỉnh điện áp xoay chiều hoặc các côngtắctơ tĩnh ở dải công suất vừa và nhỏ. 1.4.2. Tiristo khoá được bằng cực điều khiển GTO(Gate Turn-off thyrisstor) Tiristo thường, như được giới thiệu ở trên được sử dụng rộng rãi trong các sơ đồ chỉnh lưu, từ công suất nhỏ vài Kw đến công suất cực lớn vài trăm MW. Đó là vì tiristo có thể khoá lại một cách tự nhiên dưới điện áp lưới. Tuy nhiên với các ứng dụng trong các bộ biến đổi xung áp một chiều hoặc các bộ nghịch lưu, các van bán dẫn luôn bị đặt dưới điện áp một chiều thì điều kiện để khoá tự nhiên sẽ không còn nữa. Khi đó việc dùng các tiristo thường sẽ cần đến các mạch chuyển mạch cưỡng bức rất phức tạp, gây tổn hao lớn về công suất, giảm hiệu suất của các bộ biến đổi. Các GTO là một van điều khiển hoàn toàn có thể chủ động cả thời điểm khoá dưới tác động của tín hiệu điều khiển, có khả năng đóng cắt điện áp cao giống như tiristo nhưng lại được điều khiển bởi các tín hiệu công suất nhỏ. Cấu trúc bán dẫn của GTO phức tạp hơn so với tiristo (hình 1.9). Dòng điện đi vào cực điều khiển để mở GTO, còn dòng đi ra khỏi cực điều khiển dùng để di chuyển các điện tích ra khỏi cấu trúc bán dẫn của nó, nghĩa là khoá GTO lại. 7
Giáo trình Module Điện tử công suất A P+ n+ P+ n+ P+ n+ P+ J1 V n G P J2 K n+ n+ n+ G J3 Cùc ®iÒu khiÓn K cat«t a) b) Hình 1.H×nh 9. 1.13.GTO GTO : a) Cấu trúc bán dẫn; b) Ký hiệu Khi chưa có dòng điều khiển, nếu anod có điện áp dương hơn so với Katod thì toàn bộ điện áp sẽ rơi trên tiếp giáp J2 ở giữa, giống như trong cấu trúc của tiristo. Tuy nhiên nếu Katod có điện áp dương hơn so với Anod thì tiếp giáp p+ -n ở anod sẽ bị đánh thủng ở điện áp rất thấp, nghĩa là GTO không thể chịu điện áp ngược. GTO được điều khiển mở bằng cách cho dòng vào cực điều khiển, giống như ở tiristo thường. Tuy nhiên do cấu trúc bán dẫn khác nhau nên dòng duy trì và biên độ ở GTO cao hơn ở tiristo thường. Sau khi GTO đã dẫn thì dòng điều khiển không còn tác dụng. Như vậy có thể mở GTO bằng các xung ngắn, với công suất không đáng kể. Để khoá GTO, một xung dòng phải được lấy ra từ cực điều khiển. Khi van đang dẫn dòng, tiếp giáp J2 chứa một số lượng lớn các điện tích sinh ra do tác dụng của hiệu ứng bắn phá tạo nên vùng dẫn điện, cho phép các điện tử di chuyển từ Katod vùng n+ đến Anod vùng p+ tạo nên dòng Anod. Bằng cách lấy đi một số lượng lớn các điện tích qua cực điều khiển. Kết quả là dòng Anod sẽ bị giảm cho đến khi về không. Dòng điều khiển được duy trì một thời gian ngắn để GTO phục hồi tính chất khoá. Yêu cầu về xung điều khiển thể hiện trên hình 1.10, xung dòng khoá GTO phải có biên độ rất lớn, vào khoảng 20 – 25% biên độ dòng Anod -Katod. Một yêu cầu quan trọng nữa là xung dòng điều khiển phải có độ dốc sườn xung rất lớn khoảng 0,5 đến 1 s. A I G, max G K Më Kho¸ a. b. Hình 1. 10. Nguyên lý điều khiển GTO a. Yêu cầu dạng xung điều khiển; b. Nguyên lý thực hiện 8