Giáo trình Điện tử công suất (Nghề: Điện công nghiệp) - CĐ Nghề Đắk Lắk

Chia sẻ: Bautroimaudo Bautroimaudo | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:81

Thêm vào BST

Báo xấu

33
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Điện tử công suất với mục tiêu giúp người học có thể mô tả được đặc trưng và những ứng dụng chủ yếu của các linh kiện Diode, Mosfet, DIAC, TRIAC, IGBT, SCR, GTO. Giải thích được dạng sóng vào, ra ở bộ biến đổi AC-AC. Giải thích được nguyên lý làm việc, tính toán những bộ biến đổi DC-DC. Vận dụng được các kiến thức về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của mạch tạo xung và biến đổi dạng xung.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Điện tử công suất (Nghề: Điện công nghiệp) - CĐ Nghề Đắk Lắk

TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ ĐẮK LẮK KHOA ĐIỆN TỬ TIN HỌC ---------------oOo--------------- GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT NGHỀ: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP NGHỀ Người biên soạn: Hoàng Duy Khánh Đồng biên soạn: Huỳnh Ngọc Tùng Lưu hành nội bộ - 2014 Điện Tử Công Suất Trang 1
LỜI NÓI ĐẦU Giáo trình Điện Tử Công Suất được sử dụng làm tài liệu giảng dạy cho môn học Điện tử công suất thuộc chương trình đào tạo trung cấp nghề Điện Công Nghiệp và một số nghề liên quan. Trong chương trình đào tạo thì môn Điện tử công suất là môn học học sau một số môn như Điện tử cơ bản, Mạch điện, Truyền động điện… Nội dung cuốn sách này gồm 6 chương nhằm phục vụ cho hệ trung cấp nghề với nội dung những kiến thức cơ bản của Điện tử công suất và các kiến thức mở rộng. Trong quá trình biên soạn có tham khảo nhiều tài liệu, quá trình đánh máy, in ấn còn sai sót rất mong nhận được sự đóng góp xây dựng của quý thầy cô, các bạn sinh viên để giáo trình được hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn. Hoàng Duy Khánh Điện Tử Công Suất Trang 2
Mục Lục LỜI NÓI ĐẦU ..................................................................................................... 1 THÔNG TIN CHUNG VỀ MÔN HỌC ............................................................... 6 Bài mở đầu: Các Khái Niệm Cơ Bản ................................................................. 11 1. Trị trung bình (Average):.............................................................................. 11 2. Trị hiệu dụng (Root Mean Square-rms): ....................................................... 11 3. Công suất trung bình: ................................................................................... 13 4. Hệ số công suất:............................................................................................ 14 Chương 1: Các Linh Kiện Điện Tử Công Suất................................................... 15 1.1 Phân loại linh kiện điện tử công suất ........................................................... 15 1.2 Diode Công Suất ......................................................................................... 15 1.2.1 Nguyên lý cấu tạo và làm việc ............................................................ 15 1.2.2 Đặc tính Volt – Ampere (V – A) ......................................................... 16 1.2.3 Trạng thái đóng ngắt ........................................................................... 17 1.2.4 Các tính chất động ............................................................................... 17 1.2.5 Mạch bảo vệ diode .............................................................................. 18 1.2.6 Các đại lượng định mức của diode ...................................................... 18 1.3 BJT Công Suất (Bipolar Juntion Transistor) ............................................... 19 1.3.1 Nguyên lý cấu tạo và làm việc ............................................................ 19 1.3.2 Đặc tính V-A trong mạch có Emitter chung ........................................ 20 1.3.3 Trạng thái đóng ngắt ........................................................................... 21 1.3.4 Các tính chất động ............................................................................... 21 1.3.5 Các đại lượng định mức của transistor ................................................ 21 1.3.6 Mạch kích và bảo vệ cho transistor .................................................... 22 1.4 MOSFET (Metal – Oxide – Semiconductor Field Effect Transistor) .......... 25 1.5 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) ................................................... 27 1.6 SCR (Silicon Controlled Rectifier) .............................................................. 29 1.6.1 Mô tả và chức năng ............................................................................. 29 1.6.2 Các tính chất và trạng thái cơ bản ....................................................... 30 1.6.3 Đặc tính V-A ....................................................................................... 31 1.6.4 Khả năng mang tải............................................................................... 31 1.6.5 Mạch kích SCR ................................................................................... 31 1.6.6 Mạch bảo vệ SCR................................................................................ 33 1.7 TRIAC ......................................................................................................... 34 1.7.1 Đặc điểm cấu tạo ................................................................................. 34 1.7.2 Đặc tính V-A ....................................................................................... 35 1.8 GTO ............................................................................................................ 36 Chương 2 : Bộ Chỉnh Lưu Không Điều Khiển ................................................... 37 Điện Tử Công Suất Trang 3
2.1 Các khái niệm cơ bản .................................................................................. 37 2.2 Chỉnh lưu một pha không điều khiển .......................................................... 37 2.2.1 Chỉnh lưu nửa chu kỳ .......................................................................... 37 2.2.2 Chỉnh lưu toàn kỳ dùng 2 Diode ......................................................... 38 2.2.3 Chỉnh lưu toàn kỳ dùng cầu Diode...................................................... 40 2.3 Mạch chỉnh lưu ba pha không điều khiển.................................................... 42 2.3.1 Chỉnh lưu ba pha hình tia .................................................................... 42 2.3.2 Chỉnh lưu ba pha hình cầu .................................................................. 44 Chương 3: Bộ Chỉnh Lưu Có Điều Khiển.......................................................... 47 3.1 Tổng quan về mạch điều khiển ................................................................... 47 3.2 Chỉnh lưu một pha có điều khiển ................................................................ 47 3.2.1 Chỉnh lưu nửa chu kỳ có điều khiển.................................................... 47 3.2.2 Chỉnh lưu toàn kỳ có điều khiển ......................................................... 49 3.3 Chỉnh lưu ba pha có điều khiển ................................................................... 50 3.3.1 Chỉnh lưu ba pha hình tia có điều khiển .............................................. 50 3.3.2 Chỉnh lưu ba pha hình cầu có điều khiển ............................................ 53 Chương 4: Bộ Biến Đổi Điện Áp Xoay Chiều ................................................... 57 4.1 Giới thiệu chung.......................................................................................... 57 4.2 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều một pha ..................................................... 57 4.2.1 Trường hợp tải thuần trở ................................................................. 57 4.2.2 Trường hợp tải L ............................................................................. 59 4.2.3 Trường hợp tải RL........................................................................... 60 4.3 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha ........................................................ 61 Chương 5: Bộ Biến Đổi Điện Áp Một Chiều ..................................................... 63 5.1 Giới thiệu chung.......................................................................................... 63 5.2 Bộ giảm áp .................................................................................................. 63 5.2.1 Sơ đồ nguyên lý .................................................................................. 63 5.2.2 Nguyên lý hoạt động ........................................................................... 64 5.2 Bộ tăng áp................................................................................................ 66 5.2.1 Chức năng ........................................................................................... 66 5.2.2 Sơ đồ nguyên lý .................................................................................. 66 5.2.3 Nguyên lý hoạt động ........................................................................... 67 5.3 Các phương pháp điều khiển bộ biến đổi điện áp một chiều ................... 67 Chương 6: Bộ Nghịch Lưu Và Biến Tần ........................................................... 69 6.1 Khái niệm:................................................................................................... 69 6.2 Bộ nghịch lưu áp một pha ........................................................................... 69 6.2.1 Nghịch lưu phụ thuộc: ........................................................................ 69 6.2.2 Nghịch lưu độc lập .............................................................................. 70 6.3 Phân tích bộ nghịch lưu áp ba pha ........................................................... 74 6.2.1 Nghịch lưu 3 pha phụ thuộc ................................................................ 74 Điện Tử Công Suất Trang 4
6.2.2 Nghịch lưu độc lập ba pha: .................................................................. 74 6.4 Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp ........................................ 77 6.4.1 Phương pháp điều biên .................................................................... 77 6.3.2 Phương pháp điều chế độ rộng xung ................................................ 77 6.4 Bộ nghịch lưu dòng điện .......................................................................... 78 6.4.1 Bộ nghịch lưu dòng một pha ............................................................ 78 6.4.2 Bộ nghịch lưu dòng ba pha .............................................................. 78 6.5 Bộ biến tần gián tiếp ................................................................................ 79 6.6 Bộ biến tần trực tiếp ................................................................................. 79 6.6.1 Bộ biến tần trực tiếp 1 pha .................................................................. 80 6.6.2. Bộ biến tần trực tiếp 3 pha ................................................................. 80 Điện Tử Công Suất Trang 5
THÔNG TIN CHUNG VỀ MÔN HỌC I. VỊ TRÍ, TÍNH CHẤT CỦA MÔN HỌC: - Vị trí: Trước khi học môn học này cần hoàn thành các môn học, mô đun cơ sở, đặc biệt là các môn học, mô đun: Mạch điện; Điện tử cơ bản; Truyền động điện. - Tính chất: Là môn học kĩ thuật chuyên môn , thuộc môn học đào tạo nghề bắt buộc II. MỤC TIÊU MÔN HỌC: - Mô tả được đặc trưng và những ứng dụng chủ yếu của các linh kiện Diode, Mosfet, DIAC, TRIAC, IGBT, SCR, GTO. - Giải thích được dạng sóng vào, ra ở bộ biến đổi AC-AC. - Giải thích được nguyên lý làm việc, tính toán những bộ biến đổi DC-DC. - Vận dụng được các kiến thức về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của mạch tạo xung và biến đổi dạng xung. - Vận dụng được các loại mạch điện tử công suất trong thiết bị điện công nghiệp. - Rèn luyện đức tính cẩn thận, tỉ mỉ, tư duy sáng tạo và khoa học, đảm bảo an toàn, tiết kiệm và vệ sinh công nghiệp. III. NỘI DUNG MÔN HỌC: Bài mở đầu: Các khái niệm cơ bản Mục tiêu: - Trình bày được các khái niệm cơ bản trong điện tử công suất - Tính toán được các đại lượng trong điện tử công suất. - Rèn luyện đức tính cẩn thận, tỉ mỉ, tư duy sáng tạo và khoa học. Nội dung: 1. Trị trung bình của một đại lượng 2. Công suất trung bình 3. Trị hiệu dụng của một đại lượng 4. Hệ số công suất Chương 1: Các linh kiện điện tử công suất Mục tiêu: - Nhận dạng được các linh kiện điện tử công suất dùng trong các thiết bị điện điện tử. - Trình bày được cấu tạo các loại linh kiện điện tử công suất. - Giải thích được nguyên lý làm việc các loại linh kiện. - Rèn luyện đức tính cẩn thận, tỉ mỉ, tư duy sáng tạo và khoa học, đảm bảo an toàn, tiết kiệm. Nội dung: 1.1 Phân loại linh kiện điện tử công suất 1.2 Diode công suất 1.3 BJT công suất 1.4 MOSFET 1.5 IGBT 1.6 SCR 1.7 Triac 1.8 GTO Điện Tử Công Suất Trang 6
Chương 2: Bộ chỉnh lưu không điều khiển Mục tiêu: - Xác định được nhiệm vụ và chức năng của từng khối của bộ chỉnh lưu không điều khiển. - Kiểm tra, sửa chữa được những hư hỏng trong mạch chỉnh lưu AC - DC 1 pha và 3 pha theo đúng yêu cầu kỹ thuật. - Trình bày được mục tiêu tính toán các thông số kỹ thuật của mạch chỉnh lưu. - Thiết kế được biến áp cung cấp mạch chỉnh lưu. - Rèn luyện tính tích cực, chủ động, đảm bảo an toàn, tiết kiệm. Nội dung: 2.1 Các Khái niệm cơ bản 2.2 Chỉnh lưu một pha không điều khiển 2.2.1 Chỉnh lưu nửa chu kỳ 2.2.2 Chỉnh lưu toàn kỳ dùng 2 diode 2.2.3 Chỉnh lưu toàn kỳ dùng cầu diode 2.3 Mạch chỉnh lưu ba pha không điều khiển 2.3.1 Chỉnh lưu ba pha hình tia 2.3.2 Chỉnh lưu ba pha hình cầu Chương 3: Bộ chỉnh lưu có điều khiển Mục tiêu: - Xác định được nhiệm vụ và chức năng của từng khối của bộ chỉnh lưu có điều khiển. - Kiểm tra, sửa chữa được những hư hỏng trong mạch chỉnh lưu AC - DC 1 pha và 3 pha theo đúng yêu cầu kỹ thuật. - Trình bày được mục tiêu tính toán các thông số kỹ thuật của mạch chỉnh lưu. - Rèn luyện tính tích cực, chủ động, đảm bảo an toàn, tiết kiệm. Nội dung: 3.1 Tổng quan về mạch điều khiển 3.2 Chỉnh lưu một pha có điều khiển 3.2.1 Chinh lưu nửa chu kỳ có điều khiển 3.2.2 Chỉnh lưu toàn kỳ có điều khiển 3.3 Chỉnh lưu ba pha có điều khiển 3.3.1 Chỉnh lưu ba pha hình tia có điều khiển 3.3.2 Chỉnh lưu ba pha hình cầu có điều khiển Chương 4: Bộ biến đổi điện áp xoay chiều Mục tiêu: - Trình bày được nhiệm vụ và chức năng các phần tử trong bộ biến đổi - Giải thích được nguyên lý làm việc của sơ đồ - Sử dụng đúng chức năng các loại mạch biến đổi đáp ứng từng thiết bị điện điện tử thực tế. - Rèn luyện đức tính tích cực, chủ động và sáng tạo Nội dung: 4.1 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều một pha Điện Tử Công Suất Trang 7
4.1.1 Trường hợp tải thuần trở 4.1.2 Trường hợp tải L 4.1.3 Trường hợp tải RL 4.2 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha 4.2.1 Trường hợp tải thuần trở 4.2.2 Trường hợp tải L 4.2.3 Trường hợp tải RL Chương 5: Bộ biến đổi điện áp một chiều Mục tiêu: - Trình bày được nhiệm vụ và chức năng từng khối của bộ biến đổi - Giải thích nguyên lý làm việc của mạch điện - Lắp ráp được bộ biến đổi DC - DC không cách ly. - Lắp ráp được bộ ổn áp tuyến tính. - Rèn luyện tính tích cực, chủ động và sáng tạo Nội dung: 5.1 Bộ giảm áp 5.1.1 Sơ đồ mạch điện 5.1.2 Nguyên lý hoạt động 5.2 Bộ tăng áp 5.2.1 Sơ đồ mạch điện 5.2.2 Nguyên lý hoạt động 5.3 Các phương pháp điều khiển bộ biến đổi điện áp một chiều 5.3.1 Điều khiển với tần số đóng ngắt không đổi 5.3.2 Điều khiển theo dòng điện tải yêu cầu Chương 6: Bộ nghịch lưu và bộ biến tần Mục tiêu : - Trình bày được nguyên lý biến nguồn AC tần số cố định thành nguồn AC tần số thấp hơn. - Xác định được nhiệm vụ và chức năng của từng khối của bộ biến tần. - Kiểm tra, sửa chữa được những hư hỏng trong bộ biến tần 1 pha, 3 pha. - Chọn lựa sử dụng đúng chức năng các bộ biến tần đáp ứng được từng thiết bị thực tế. - Rèn luyện đức tính tích cực, chủ động và sáng tạo Nội dung: 6.1 Bộ nghịch lưu áp một pha 6.2 Phân tích bộ nghịch lưu áp ba pha 6.3 Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp 6.3.1 Phương pháp điều biên 6.3.2 Phương pháp điều chế độ rộng xung 6.4 Bộ nghịch lưu dòng điện 6.4.1 Bộ nghịch lưu dòng một pha 6.4.2 Bộ nghịch lưu dòng ba pha Điện Tử Công Suất Trang 8
6.5 Bộ biến tần gián tiếp 6.6 Bộ biến tần trực tiếp IV. ĐIỀU KIỆN THỰC HIỆN MÔN HỌC: - Vật liệu: + Một số linh kiện điện tử công suất mẫu: Diode, BJT, SCR, triac, Diac, IGBT, GTO, điện trở, tụ điện. - Dụng cụ và trang thiết bị: + Mô hình mạch ứng dụng điện tử công suất. + Bản vẽ, hình ảnh cần thiết. - Nguồn lực khác: + PC và phần mềm chuyên dùng + Projector; Overhead. V. PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG ĐÁNH GIÁ: Áp dụng hình thức kiểm tra tích hợp giữa lý thuyết và thực hành. Các nội dung trọng tâm cần kiểm tra là: - Lý thuyết: + Cách tính toán thiết kế các bộ chỉnh lưu, nghịch lưu đơn giản. + Nhận dạng, khảo sát tính hiệu ở bộ biến đổi DC-DC; bộ PWM. + Lựa chọn thông số kỹ thuật của biến tần theo yêu cầu cho trước. - Thực hành: + Kỹ năng lắp ráp, cân chỉnh các mạch chỉnh lưu, nghịch lưu, biến đổi DC - DC... + Cài đặt, điều chỉnh thông số của biến tần. + Phân tích các sự cố hỏng hóc, xử lý thay thế linh kiện mới hoặc linh kiện tương đương. VI. HƯỚNG DẪN THỰC HIỆN MÔN HỌC: 1. Phạm vi áp dụng chương trình: Chương trình mô đun này được sử dụng để giảng dạy cho trình độ Cao đẳng nghề. 2. Hướng dẫn một số điểm chính về phương pháp giảng dạy mô đun: - Trước khi giảng dạy, giáo viên cần căn cứ vào nội dung của từng bài học để chuẩn bị đầy đủ các điều kiện cần thiết nhằm đảm bảo chất lượng giảng dạy. - Nên áp dụng phương pháp đàm thoại để học sinh ghi nhớ kỹ hơn. - Khi giải bài tập, làm các bài thực hành... Giáo viên hướng dẫn, thao tác mẫu và sửa sai tại chổ cho học sinh. - Nên sử dụng các mô hình, học cụ mô phỏng để minh họa các bài tập ứng dụng các hệ truyền động dùng điện tử công suất, các loại thiết bị điều khiển. 3. Những trọng tâm cần chú ý: - Các dạng mạch, đặc tính làm việc... của bộ chỉnh lưu, nghịch lưu, biến tần... - Phương pháp tính toán các bộ chỉnh lưu, ổn áp. 4. Tài liệu cần tham khảo: [1] Nguyễn Thế Công, Trần Văn Thịnh, Điện tử công suất, lý thuyết, thiết kế, ứng dụng, Nxb Khoa học kỹ thuật 2008. Điện Tử Công Suất Trang 9
[2] Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh, Điện tử công suất, Nxb Khoa học kỹ thuật 2004 [3] Võ Minh Chính, Điện tử công suất, Nxb Khoa học kỹ thuật 2008 [4] Phạm Quốc Hải, Phân tích và giải mạch điện tử công suất, Nxb Khoa học kỹ thuật 2002 [5] Lê Đăng Doanh, Nguyễn Thế công, Trần Văn Thịnh, Điện tử công suất tập 1,2, Nxb Khoa học kỹ thuật 2007 Điện Tử Công Suất Trang 10
Bài mở đầu: Các Khái Niệm Cơ Bản 1. Trị trung bình (Average): Cho dòng điện i(t) và điện áp u(t) có chu kỳ T. Trị trung bình của dòng và áp được tính bằng công thức: t0 T 1 Id  T  t0 i(t )dt (1.1) t0 T 1 Ud  T  t0 u (t )dt (1.2) Với: t0 – là thời điểm đầu của chu kỳ lấy tích phân. Ở chế độ xác lập trị trung bình điện áp trên L bằng 0. Vì thế trị trung bình dòng không phụ thuộc vào giá trị L mà chỉ phụ thuộc vào R và dòng trung bình qua tải được tính bằng công thức: Ud  E Id  (1.3) R 2. Trị hiệu dụng (Root Mean Square-rms): t0 T 1 I rms  T  t0 i 2 (t )dt (1.4) t0 T 1 U rms  T  t0 u 2 (t )dt (1.5) Ví dụ 1: Cho dòng điện có dạng như hình H1 với IP = 100A, T = 20ms, T0 = 10ms. Xác định trị trung bình và trị hiệu dụng của dòng điện. I 0 t T Hình H1 Giải: Trị trung bình: t0 T 100 10 T T 1 1 1 0 I tT I T Id  T  t0 i(t )dt   i (t )dt   I p dt  p 0  p 0  T0 T 0 T 0 T 20  50 A Trị hiệu dụng: Điện Tử Công Suất Trang 11
t0 T T 1 1 0 2 T 10 100   i (t )dt   I P dt  I P 0  100.  2 I rms ( A) T t0 T 0 T 20 2 2 u (t )  U m sin t  Ví dụ 2: Cho điện áp có dạng như hình H2 với và T ; Um  220 2(V ) . Xác định trị trung bình và trị hiệu dụng của điện áp. Hình H2 Giải: Trị trung bình: 1 t0 T 1  1  U 220 2 Ud  T  t0 u (t )dt   2 0 U m sin(t )d (t )  2 U m ( cos(t ))  m  0    99V Trị hiệu dụng: t0 T   1 1 1   u (t )dt   U sin(t )  d (t )  U m  sin 2 (t )d (t ) 2 2 U rms 2 2 0 m T t0 0   1  1  cos(t )  1 t sin 2t Um  Um   2 0  2  d (t )  U m  2 2  4 0  2  110 2V Ví dụ 3: Cho một điện áp u(t )  Um sin(t )  220 2 sin(t )V có dạng sóng như trên hình H3. Hãy xác định trị trung bình và trị hiệu dụng của điện áp trên. Giải: U 0  2   t Hình Trị trung bình: H3 Điện Tử Công Suất Trang 12
t0 T 2 1 1 U m  2  Ud  T  t0 u (t )dt  2  U m sin(t )d (t )  0  2  0 sin XdX    sin XdX    Um 2    cos X 0   cos X  2 0 Trị hiệu dụng: t0 T 2 2 1 1 1 U rms   u 2 (t )dt   U m sin(t ) d (t )  U m  sin (t )d (t ) 2 2 T t0 2 0 2 0 2 2 1  1  cos(t )  1 t sin 2t Um  Um 2 0  2  d (t )  U m 2 2  4 0  2  220V Ví dụ 4: Cho điện áp có dạng u(t )  Um sin(t )  220 2 sin(t )V , f=50Hz như hình H4. Hãy xác định trị trung bình của điện áp trên. Hình H4 Ta có chu kỳ của u(t) là T =  (rad) 1 T 1  U  2U 2 U d   u(t )dt   U m sin( X )d ( X )  m ( cos X )  m   220 2  198,14V T0 0  0   3. Công suất trung bình: Công suất tức thời của tải được xác định bằng công thức: p(t )  u(t )i(t ) (1.6) Vì thế công suất trung bình của tải được xác định bằng công thức: T 1 T 0 Pd  u(t )i(t )dt (1.7) T 1 Hoặc Pd  T  u(t )i(t )d (t ) 0 (1.8) Nếu dòng tải không đổi theo thời gian thì công suất trung bình của tải được tính bằng công thức: Pd  U d I d (1.9) Điện Tử Công Suất Trang 13
Tụ điện và cuộn kháng không tiêu hao công suất. 4. Hệ số công suất: (Power Factor – ký hiệu là  hay PF): là tỷ số giữa công suất tiêu thụ P và công suất biểu kiến S mà nguồn cấp cho tải. P   PF  (1.33) S Nếu nguồn áp có dạng sin và tải tuyến tính chứa các phần tử R, L, C có giá trị không đổi thì dòng điện qua tải cũng có dạng sin và lệch pha vối điện áp một góc là . Ta có biểu thức tính hệ số công suất như sau: . .I .cos ; P  mU S  mU. .I P   cos  (1.34) S Trong đó: U, I: lần lượt là trị hiệu của điện áp và dòng điện qua tải. m: là tổng số pha.  Hệ số méo dạng (Distortion Factor - DF): bằng tỷ số của trị hiệu dụng hài cơ bản và trị hiệu dụng đại lượng dòng điện: I (1) DF  (1.35) I  Hệ số méo dạng tổng do sóng hài (Total Harmonic Distortion – ký hiệu là THD): là đại lượng dùng để đánh giá tác dụng của các sóng hài bậc cao (2, 3, …) xuất hiện trong nguồn điện. Xác định theo biểu thức: 1  I 2  I12 THDI  I1  I n2  n2 I1 (1.36) Điện Tử Công Suất Trang 14
Chương 1: Các Linh Kiện Điện Tử Công Suất 1.1 Phân loại linh kiện điện tử công suất - Các linh kiện bán dẫn công suất có hai chức năng cơ bản là ĐÓNG và NGẮT dòng điện đi qua nó. - Trạng thái linh kiện dẫn điện (ĐÓNG): linh kiện giống như một điện trở có giá trị rất bé (gần bằng không). - Trạng thái linh kiện không dẫn điện (NGẮT): linh kiện giống như một điện trở có giá trị rất lớn. - Các linh kiện bán dẫn có thể chuyển đổi trạng thái làm việc từ trạng thái dẫn điện sang trạng thái không dẫn điện và ngược lại thông qua tín hiệu kích thích tác động lên cổng điều khiển của linh kiện. Ta gọi linh kiện có điều khiển được. Tín hiệu điều khiển có thể là dòng điện, điện áp hay ánh sáng với công suất nhỏ hơn nhiều so với công suất của nguồn và tải. - Nếu linh kiện không có cổng điều khiển và quá trình chuyển trạng thái làm việc xảy ra dưới tác dụng của nguồn công suất ở ngõ ra, ta gọi linh kiện thộc loại không điều khiển được. - Đối với các linh kiện điều khiển được, nếu tín hiệu điều khiển chỉ là cho nó dẫn dòng điện mà không thể tác động ngắt dòng điện qua nó, ta gọi linh kiện không có khả năng kích ngắt (SCR, TRIAC). Ngược lại, nếu linh kiện có thể chuyển trạng thái làm việc từ đóng sang ngắt hay từ ngắt sang đóng thông qua tín hiệu kích thích tác động lên cổng điều khiển gọi là linh kiện có khả năng kích ngắt (BJT, MOSFET, IGBT, GTO…). Ta có thể phân ra thành ba nhóm linh kiện như sau : - Nhóm các linh kiện không điều khiển như Diode, DIAC. - Nhóm các linh kiện điều khiển kích đóng được như SCR, TRIAC. - Nhóm các linh kiện điều khiển kích ngắt được như BJT, MOSFET, IGBT, GTO. 1.2 Diode Công Suất 1.2.1 Nguyên lý cấu tạo và làm việc A p n K A K - a b ) ) Hình H1.1: Cấu trúc Diode (a) và ký hiệu (b) Diode được cấu tạo bằng mối nối P-N, lớp N thừa điện tử, lớp P thiếu điện tử đồng thời chứa các phần tử mang điện dạng lỗ trống tạo ra hàng rào điện thế vào khoảng 0,6 V. Điện Tử Công Suất Trang 15
a) b) Hình H1.2: Sơ đồ nguyên lý phân cực cho diode a) phân cực thuận b) phân cực ngược Khi ta đặt một điện áp lên diode, cực dương gắn với lớp P và cực âm gắn với lớp N (hình H1.2a), khi đó điện tử được chuyển từ lớp N qua lớp P. Còn các hạt mang điện được chuyển từ lớp P sang lớp N và như vậy có một dòng điện chạy qua diode. Khi điện áp ngược được đặt lên diode (cực dương gắn với lớp N và cực âm gắn với lớp P – hình H1.2b), điện tử và phần tử mang điện dạng lỗ trống và các điện tử tự do bị kéo ra xa mối nối, kết quả chỉ có dòng điện rò vào khoảng vài mA có thể chạy qua. Khi điện áp ngược tiếp tục tăng các điện tích cũng tăng gia tốc gây lên va chạm dây chuyền làm hàng rào điện thế bị chọc thủng và diode mất tính chất dẫn điện theo một chiều (diode bị hỏng). Trên hình vẽ, đầu ra của lớp P gọi là Anode (A) và lớp N là Cathode (K). 1.2.2 Đặc tính Volt – Ampere (V – A) I I I U 0 U U 0 U Vùng khóa U a b ) ) Hình H1.3: Đặc tính V – A thực tế (a) và lý tưởng Đặc tính có (b) hai nhánh: nhánh thuận tương ứng với trạng thái dẫn điện (nằm ở góc phần tư I) và nhánh nghịch tương ứng với trạng thái ngắt (nằm ở góc phần tư III) như trên hình H1.3. Trong đó, hình H1.3a là đặc tính V – A thực tế, hình H1.3b là đặc tính lý tưởng. Giải thích các ký hiệu : - U0: điện áp khóa của diode, U0 = 0,3V  0,6V tùy theo chất bán dẫn. Điện Tử Công Suất Trang 16
- UF: điện áp thuận của diode - UR: điện áp ngược của diode (điện áp đánh thủng) - IF: dòng điện thuận chạy qua diode. 1.2.3 Trạng thái đóng ngắt Khi điện áp đặt vào anode và cathode lớn hơn điện áp khóa của diode thì diode sẽ dẫn điện, ngược lại thì diode sẽ khóa (không dẫn điện). UAK > U0: diode dẫn điện. UAK < U0: diode ngưng dẫn. Ta xét với trường hợp diode lý tưởng : UAK > 0: diode dẫn điện. (2.1a) UAK < 0: diode ngưng dẫn. (2.1b) 1.2.4 Các tính chất động Quá trình chuyển mạch: là quá trình diode chuyển từ trạng thái dẫn điện sang trạng thái ngắt. t I t t t t 0, t 25IRR I Hình H2.4: Quá trình chuyển mạch của diode Trong khoảng [ 0  t 0 ] diode dẫn và dòng qua nó là dòng thuận I F Tại thời điểm t 0 diode ngắt, dòng qua diode (dòng thuận) giảm dần về 0. Khi t  t1 : dòng thuận tiến tới 0, nhưng do chuyển động của các hạt dẫn nên diode tiếp tục dẫn với dòng có chiều ngược lại. Khi t  t 2 : các hạt dẫn tiêu tán hết, diode khôi phục khả năng khoá áp ngược. Khi t  t3 : dòng ngược giảm về 0. Qúa trình ngắt diode kết thúc. Thời gian phục hồi tính nghịch: t rr  t 3  t 1  1s Điện Tử Công Suất Trang 17
1.2.5 Mạch bảo vệ diode Hình H1.5: Mạch bảo vệ diode Để hạn chế ảnh hưởng của hiện tượng quá áp và bảo vệ cho diode công suất, ta mắc song song với diode mạch lọc RC. Tuy nhiên, các diode công suất trên thực tế đã tích hợp sẳn mạch RC. 1.2.6 Các đại lượng định mức của diode Điện áp định mức: là điện áp ngược lớn nhất (URM) có thể lặp lại tuần hoàn trên diode. Dòng điện định mức: là dòng điện thuận lớn nhất (IFM) chạy qua diode mà không làm cho diode bị hỏng. Để tăng khả năng chịu áp tải ta ghép nối tiếp các diode, để tăng khả năng chịu dòng tải ta ghép song song các diode. Hình dạng của một số diode trên thực tế như trên hình H1.6. Hình H1.6: Một số diode trên thực tế. Điện Tử Công Suất Trang 18
1.3 BJT Công Suất (Bipolar Juntion Transistor) 1.3.1 Nguyên lý cấu tạo và làm việc Transistor được cấu tạo bởi cấu trúc 3 lớp dạng n-p-n (hình H1.7a) hoặc p-n-p (hình H1.7b). Nhưng dạng n-p-n được sử dụng nhiều hơn vì loại này có kích thước nhỏ hơn với cùng một mức điện áp và dòng điện. Transistor có 3 cực: cực Base (B), cực Collector (C) và cực Emitter (E) và là linh kiện được điều khiển hoàn toàn thông qua cực B và E. Mạch công suất nối giữa 2 cực C và E. Ký hiệu của transistor như trên hình H1.8. Hình H1.7: Nguyên lý cấu tạo của transistor Hình H1.8: Ký hiệu của transistor Trong lĩnh vực điện tử công suất, transistor BJT được sử dụng như một công tắc đóng ngắt các mạch điện, phần lớn sử dụng loại NPN và mắc theo dạng mạch có Emitter chung (hình H1.9) Trên hai cực B và E là điện áp điều khiển uBE. Các điện cực C, E được sử dụng làm công tắc đóng ngắt mạch công suất. Điện áp điều khiển phải có tác dụng tạo ra dòng iB đủ lớn để điện áp giữa hai cực C và E đạt giá trị bằng không (uCE=0). Transistor là linh kiện được điều khiển hoàn toàn bằng dòng điện iB. Điện Tử Công Suất Trang 19
Hình H1.9: Sơ đồ mắc theo dạng Emitter chung 1.3.2 Đặc tính V-A trong mạch có Emitter chung Đặc tính V-A ngõ ra của mạch mắc theo dạng E chung như trên hình H1.10a (đặc tính thực tế) và hình H1.10b (đặc tính lý tưởng). iC Vùng tích cực i Vùng bão hòa Bs i Đ B4 iC óng i Đóng Điểm B3 làm việc i B2 Ngắt i UCE = U - iB VùngB1ngắt uCE ICRC U =0 uCE Ngắt a b ) ) Hình H2.10: Đặc tính V-A ngõ ra của mạch E chung Đặc tính ngõ ra: biểu diễn quan hệ của các đại ngõ ra iC = f(uCE), thông số biến thiên là dòng kích iB. Các đặc tính ngõ ra được vẽ cho các giá trị khác nhau của iB. Đường thẳng biểu diễn UCE = U - ICRC là đường đặc tính tải. Giao điểm của đường này với các đặc tính ngõ ra sẽ xác định điểm làm việc của transistor. Trong vùng chứa đặc tính ngõ ra, ta phân biệt ba vùng: vùng nghịch, vùng bảo hòa và vùng tích cực. Vùng nghịch: iB = 0, transistor ở trạng thái ngắt. Dòng iC có giá trị nhỏ không đáng kể đi qua transistor và tải gọi là dòng điện rò. Vùng bảo hòa: là vùng giới hạn xác định bởi điện thế UCE = UCE(sat) nhỏ nhất có thể đạt được ứng với giá trị I C cho trước và vùng giới hạn bởi đường đặc tính khi IB  0. Điện Tử Công Suất Trang 20