1
LỜI NÓI ĐẦU
Điện tử công suất là môn học khảo sát các mạch điện tử điều khiển dòng năng lượng
điện công suất lớn. Để có thể điều khiển dòng năng lượng điện công suất lớn, đặc điểm
chung của các mạch điện tử công suất là các linh kiện công suất trong mạch được điều
khiển hoạt động như một khóa đóng/ngắt mạch điện, tức là trên các linh kiện này không
đồng thời tồn tại cả hai đại lượng như điện áp và dòng điện (khi trên linh kiện có điện áp thì
dòng điện qua linh kiện ≈ 0; khi có dòng điện qua linh kiện thì điện áp trên linh kiện ≈ 0).
Các mạch điện tử công suất có thể qui về hai dạng chính như các mạch biến đổi điện
năng và các mạch điều chỉnh điện áp. Biến đổi điện năng thực hiện việc đổi điện xoay chiều
thành điện một chiều hoặc ngược lại. Điều chỉnh điện áp là làm thay đổi giá trị trung bình
của điện áp một chiều hoặc giá trị hiệu dụng của điện áp xoay chiều.
Mạch điện tử công suất được ứng dụng rất rộng rãi. Có thể kể ra các lĩnh vực ứng
dụng chính của điện tử công suất như điều khiển động cơ điện (một chiều, xoay chiều); điều
chỉnh điện áp, công suất trên tải; ổn định điện áp máy phát điện; bộ nguồn điện liên tục;
công nghệ điện-hóa và công nghệ hàn điện; truyền tải điện một chiều cao áp (HVDC); điều
khiển chất lượng lưới điện xoay chiều…
Giáo trình này được biên soạn theo đề cương học phần Điện tử công suất của trường
Đại học Công nghiệp Thực phẩm Thành phố Hồ Chí Minh. Giáo trình này gồm chín
chương:
Chương 1: Các khái niệm cơ bản
Chương 2: Linh kiện bán dẫn công suất
Chương 3: Chỉnh lưu không điều khiển
Chương 4: Chỉnh lưu điều khiển
Chương 5: Bộ biến đổi xung áp một chiều
Chương 6: Mạch điều chỉnh điện áp xoay chiều
Chương 7: Nghịch lưu độc lập và biến tần
Chương 8: Mạch điều khiển bộ biến đổi
Chương 9: Mô phỏng thiết bị điện tử công suất
Các tác giả viết chân thành cảm ơn các đồng nghiệp ở tổ môn Điện – Điện tử, khoa
Điện-điện tử đã đọc bản thảo và góp nhiều ý kiến cho giáo trình này.
Để giáo trình ngày một tốt hơn, đề nghị đọc giả hãy gửi ý kiến phê bình cho chúng tôi.
Các ý kiến xin gửi về tổ môn Điện tử, khoa Điện-điện tử, trường Đại học Công nghiệp thực
phẩm thành phố Hồ Chí Minh. Chúng tôi xin chân thành cám ơn và nghiên cứu kỹ ý kiến để
sớm có phản hồi đến người đọc.
Thành phố HCM, tháng 6 năm 2017
Các Tác giả
2
MỤC LỤC
Chương 1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN ............................................................... 5
1.1 Giá trị trung bình của một đại lượng ............................................................... 5
1.2 Giá trị hiệu dụng của một đại lượng ................................................................ 5
1.3 Công suất ........................................................................................................ 5
1.4 Hệ số công suất ............................................................................................... 6
1.5 Phân tích Fourier đại lượng tuần hoàn ............................................................. 7
1.6 Hệ số méo dạng ............................................................................................. 8
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP ....................................................................................... 8
Chương 2. LINH KIỆN BÁN DẪN CÔNG SUẤT ............................................... 9
2.1 Diode (Diode ) bán dẫn công suất ................................................................... 9
2.1.1 Cấu tạo ..................................................................................................... 9
2.1.2 Đặc tính vôn-ampe ................................................................................... 9
2.1.3 Quá trình chuyển mạch (Đặc tính động) ..................................................10
2.1.4 Một số thông số chính ............................................................................12
2.2 Transistor hai tiếp xúc (Bipolar Junction Transistor-BJT) công suất ..............12
2.2.1 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động ..................................................................12
2.2.2 Các chế độ làm việc của transistor ..........................................................14
2.2.3 Quá trình chuyển mạch ...........................................................................15
2.2.4 Một số thông số chủ yếu ........................................................................17
2.3 MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) ..................18
2.3.1 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động ..................................................................18
2.3.2 Mạch kích MOSFET ...............................................................................19
2.3.3 Một số thông số chủ yếu .........................................................................19
2.4 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) .....................................................20
2.5 THYRISTOR (SCR-Silicon controlled Rectifier) ..........................................20
2.5.1 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động ..................................................................20
2.5.2 Đặc tính vôn-ampe (V-A) ......................................................................21
2.5.3 Quá trình chuyển mạch ..........................................................................22
2.5.4 Một số thông số chủ yếu ........................................................................23
2.5.5 Photothyristor ........................................................................................23
2.6 GTO (Gate turn off thyristor) ........................................................................24
2.7 TRIAC (Triode alternative current) ................................................................25
2.8 MCT (Mos controlled thyristor) .....................................................................26
2.9 MTO (Mos turn off thyristor) .........................................................................26
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP ......................................................................................27
Chương 3. CHỈNH LƯU KHÔNG ĐIỀU KHIỂN ............................................ ...28
3.1 Chỉnh lưu một pha ........................................................................................29
3.1.1 Chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ ................................................................29
3.1.2 Chỉnh lưu một pha hình tia ......................................................................35
3
3.1.3 Mạch chỉnh lưu cầu ............................................................................... 42
3.2 Chỉnh lưu ba pha ........................................................................................... 43
3.2.1 Chỉnh lưu ba pha hình tia ........................................................................ 43
3.2.2 Chỉnh lưu 3 pha kiểu cầu ........................................................................ 49
3.3 Mạch lọc ...................................................................................................... 53
3.3.1 Mở đầu ................................................................................................... 53
3.3.2 Mạch lọc dùng tụ điện ............................................................................ 54
3.3.3 Mạch lọc dùng L, C ................................................................................ 56
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP ..................................................................................... 58
Chương 4. CHỈNH LƯU ĐIỀU KHIỂN .............................................................. 60
4.1 Chỉnh lưu một pha có điều khiển ................................................................... 60
4.1.1 Sơ đồ hình tia ........................................................................................ 60
4.1.2 Hiện tượng trùng dẫn ............................................................................. 65
4.1.3 Sơ đồ cầu ............................................................................................... 68
4.1.4 Chỉnh lưu cầu một pha không đối xứng ................................................. 72
4.1.5 Chế độ nghịch lưu phụ thuộc ................................................................. 75
4.2 Chỉnh lưu điều khiển ba pha .......................................................................... 78
4.2.1 Sơ đồ hình tia ........................................................................................ 78
4.2.2 Sơ đồ cầu .............................................................................................. 82
4.2.3 Sơ đồ hình tia sáu pha dùng cuộn kháng cân bằng ................................. 85
4.2.4 Chỉnh lưu cầu ba pha không đối xứng (bán điều khiển) ......................... 87
4.3 Bộ chỉnh lưu đảo dòng ............................................................................. 89
4.4 Một số vấn đề về thiết kế mạch chỉnh lưu .................................................. 92
4.4.1 Chọn sơ đồ mạch chỉnh lưu ................................................................... 92
4.4.2 Tính toán chọn van điều khiển ............................................................... 93
4.4.3 Thiết kế máy biến áp ............................................................................. 94
4.4.4 Thiết bị bảo vệ mạch ........................................................................... 102
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP .................................................................................. 106
Chương 5. BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP MỘT CHIỀU ......................................... 107
5.1. Bộ giảm áp ................................................................................................. 107
5.1.1 Nguyên lý hoạt động ........................................................................... 107
5.1.2 Phân tích dòng điện tải ........................................................................ 107
5.1.3 Khóa cưỡng bức thyristor .................................................................... 110
5.2 Bộ tăng áp .................................................................................................. 112
5.3 Bộ biến đổi đảo dòng .................................................................................. 113
5.4 Bộ biến đổi điện áp một chiều kép .............................................................. 114
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP .................................................................................. 116
Chương 6. MẠCH ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU ............................ 118
6.1 Mạch điều chỉnh điện áp xoay chiều một pha ............................................. 118
6.2. Mạch điều chỉnh điện áp xoay chiều ba pha ................................................ 122
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP .................................................................................. 127
4
Chương 7. NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP VÀ BIẾN TẦN ...................................... 128
7.1. Nghịch lưu nguồn áp ................................................................................... 128
7.1.1. Nghịch lưu áp một pha ......................................................................... 128
7.1.2 Nghịch lưu áp ba pha ........................................................................... 132
7.1.3 Cải thiện chất lượng điện áp ra của nghịch lưu áp bằng cách tăng số lần
chuyển mạch trong một chu kỳ ...................................................................... 134
7.2 Nghịch lưu nguồn dòng .............................................................................. 146
7.2.1 Nghịch lưu dòng một pha ...................................................................... 146
7.2.2 Nghịch lưu dòng ba pha ......................................................................... 147
7.2.3 Phương pháp điều chế độ rộng xung tính trước đối với nghịch
lưu dòng ........................................................................................................ 149
7.3 Bộ biến tần .................................................................................................. 150
7.3.1 Bộ biến tần gián tiếp ............................................................................ 150
7.3.2 Bộ biến tần trực tiếp ............................................................................ 151
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP ................................................................................... 154
Chương 8. MẠCH ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI .............................................. 155
8.1 Mạch điều khiển bộ biến đổi phụ thuộc ........................................................ 155
8.1.1 Sơ đồ khối mạch điều khiển bộ biến đổi phụ thuộc .............................. 155
8.1.2 Các nguyên tắc điều khiển bộ biến đổi phụ thuộc ................................. 156
8.1.3 Mạch so sánh ........................................................................................ 157
8.1.4 Mạch tạo xung đồng bộ ........................................................................ 158
8.1.5 Mạch tạo điện áp tựa răng cưa ............................................................. 161
8.1.6 Mạch tạo điện áp tựa cost .................................................................. 164
8.1.7 Mạch tạo xung kích van ....................................................................... 164
8.1.8 Mạch khuếch đại xung và biến áp xung ............................................... 170
8.1.9 Mạch điều khiển bộ biến đổi phụ thuộc ................................................ 174
8.2. Mạch điều khiển bộ biến đổi độc lập ........................................................... 178
8.2.1 Điều khiển nghịch lưu một pha ............................................................ 178
8.2.2 Điều khiển nghịch lưu ba pha sáu bước ................................................. 178
8.2.3 Sơ đồ khối mạch điều khiển nghịch lưu điều chế độ rộng xung ............. 181
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP ................................................................................... 182
Chương 9. MÔ PHỎNG MẠCH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT..................................183
9.1 Giới thiệu phần mềm mô phỏng Psim 9.0.3 ............................................... ..183
9.2 Hướng dẫn sử dụng phần mềm Psim 9.0.3 ................................................ ..183
9.2.1 Các bước thiết kế .................................................................................. 183
9.2.2 Mô phỏng mạch chỉnh lưu dùng phần mềm Psim 9.0.3 ......................... 190
HỎI VÀ BÀI TẬP ............................................................................................ 200
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................. 202
5
Chương 1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
1.1 Giá trị trung bình của một đại lượng
Trị trung bình một đại lương dòng điện i = i(x) tuần hoàn với chu kỳ T, ký hiệu là Id
và được xác định như sau:
Tx
x
d.dxxi
T
1
I
(1.1)
Trong kỹ thuật điện thường gặp trường hợp đại lượng tuần hoàn là hàm với biến góc,
ví dụ, hàm:
u = |Umsinωt| = |Umsinθ|
với Um, ω là hằng, t là biến thời gian. Hàm này có biến là góc θ = ωt và tuần hoàn với chu
kỳ π. Đồ thị của hàm như hình 1.1.
Hình 1.1. Đồ thị hàm u = |Umsinθ|
Trị trung bình điện áp của u = |Umsinθ| là:
π
2U
θdθsinU
π
1
Um
π
0
md
1.2 Giá trị hiệu dụng của một đại lượng
Trị hiệu dụng của một đại lượng tuần hoàn theo thời gian i(t) với chu kỳ T, được định
nghĩa như sau:
dtti
T
1
I
Tt
t
2
(1.2a)
I là trị hiệu dụng của i(t).
Nếu hàm có thể biểu diễn dưới dạng biến góc i(θ) với θ = ωt, khi đó chu kỳ của hàm sẽ
là: X = ωT và hiệu dụng của hàm là:
dθθi
X
1
I
Xθ
θ
2
(1.2b)
Trị hiệu dụng của điện áp và dòng điện của mạch điện thường được ký hiệu: U, I
1.3 Công suất
Công suất tức thời của một nhánh mạch điện p(t) xác định theo biểu thức:
p(t) = u(t).i(t) (1.3)