Bài giảng Điện tử công suất và ứng dụng

Nội dung text: Bài giảng Điện tử công suất và ứng dụng

1. Slides ÑTCS&ÖD Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi 2 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ÑTCS&ÖD Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi Ñieän Töû Coâng Suaát vaø Boä Bieán Ñoåi: - Caùc teân goïi: Moân hoïc ÑIEÄN TÖÛ COÂNG SUAÁT vaø ÖÙNG DUÏNG Ñieän töû coâng suaát (Power Electronics) ( Maïch ñieän töû coâng suaát, ñieàu khieån vaø öùng duïng ) Ñieän töû coâng suaát lôùn. Kyõ thuaät bieán ñoåi ñieän naêng. BBÑ - ÑTCS: boä phaän cuûa Ñieän töû öùng duïng hay Ñieän töû coâng nghieäp. - Phaân loaïi caùc boä Bieán Ñoåi (BBÑ - Converter) theo muïc ñích: AC > DC: chænh löu AC > AC: BBÑ aùp AC, Bieán taàn. DC > DC: BBÑ aùp DC DC > AC: Nghòch löu - Boä Bieán Ñoåi = Maïch ÑTCS + boä ÑIEÀU KHIEÅN - Taûi: Caùc thieát bò, maïch söû duïng naêng löôïng ñieän: R, RL, ñoäng cô
2. 3 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ÑTCS&ÖD Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi 4 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ÑTCS&ÖD Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi VAI TROØ CUÛA ÑIEÄN TÖÛ COÂNG SUAÁT: - Cung caáp, bieán ñoåi naêng löôïng: Naêng löôïng maët trôøi, gioù, accu (hoùa naêng) Ñeøn LED, huyønh quang (neon) Taøi lieäu tham khaœo: Boä nguoàn moät chieàu (DC) - tieáng Anh: - M.H. Rashid, POWER ELECTRONICS – Circuits, - Boä phaän chaáp haønh cho HT ñieàu khieån: devices and applications, Pearson Education Inc., Pearson Prentice Hall 2004. Nhieät ñoä - tieáng Vieät: - PTS. Nguyeãn vaên Nhôø, Ñieän tuû coâng suaát & Baøi Ñoäng cô: coâng nghieäp, robot taäp, ÑHBK TP HCM CAÙC BAØI TOAÙN: - NGUYEÃN BÍNH, Ñieän tuû coâng suaát, Haønoäi, nhaø - Ñieàu khieån ngoû ra: AÙp doøng Æ ñaëc tính taûi (toác ñoä, vò trí, xuaát baûn KHKT nhieät ñoä ) - Ñieän töû coâng suaát vaø ñieàu khieån ñoäng cô ñieän, - Hieäu suaát bieán ñoåi naêng löôïng (dòch töø tieáng Anh)
3. 5 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ÑTCS&ÖD Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi 6 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ÑTCS&ÖD Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi Noäi dung: Chöông 1: Môû ñaàu ÑAÙNH GIAÙ KEÁT QUAÛ MOÂN HOÏC: Chöông 2: Linh kieän ñieän töû coâng suaát Baøi thi cuoái kyø 60% Chöông 3: BBÑ ñieàu khieån pha Chöông 4: BBÑ aùp moät chieàu Kieåm tra giöõa kyø 20% Chöông 5: Nghòch löu vaø bieán taàn nguoàn aùp Baøi taäp : 20% Chöông 6: Boä nguoàn moät chieàu Chöông 7: Ñieàu khieån ñoäng cô - taûi taøi lieäu tham khaûo, softwares: - chöông trình moâ phoûng PSIMDEMO (môùi nhaát): - BKel moân hoïc: Baøi giaûng – slides moân hoïc, Baøi taäp
4. 7 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ÑTCS&ÖD Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi 8 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ÑTCS&ÖD Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi I.1 CAÙC KHAÙI NIEÄM: Chöông 1: Môû ñaàu 1. Boä Bieán Ñoåi: - Maïch ÑTCS söû duïng Ngaét Ñieän Baùn Daãn NÑBD (Ngaét 1.1 Khaùi nieäm chung: Boä bieán ñoåi vaø ngaét ñieän ñieän töû Ñieän Ñieän Töû – SEMICONDUCTOR SWITCH) 1.2 Noäi dung vaø phöông phaùp khaûo saùt maïch ñieän töû Ví duï veà Ngaét Ñieän Ñieän Töû: Diod, Transistor, SCR coâng suaát - BBÑ coøn coù theå phaân loaïi theo phöông thöùc hoaït ñoäng cuûa NÑBD. 1.3 Tính choïn linh kieän coâng suaát 2. Ngaét ñieän baùn daãn: 1.4 Baûo veä linh kieän coâng suaát vaø boä bieán ñoåi Laø caùc linh kieän ñieän töû: - Laøm vieäc trong cheá ñoä ñoùng ngaét. - Ñöôïc lyù töôûng hoùa ñeå caùc khaûo saùt cuûa maïch ÑTCS coù giaù trò toång quaùt.
5. 9 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ÑTCS&ÖD Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi 10 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ÑTCS&ÖD Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi - DIODE ( chænh löu ): - SCR ( Chænh löu coù ñieàu khieån ): ON : khi phaân cöïc thuaän: VAK > 0, suït aùp thuaän VF = 0, doøng phuï thuoäc maïch. OFF : Coù theå ngaét maïch hai chieàu ( VAK > 0 vaø VAK 0. OFF : khi phaân cöïc ngöôïc: VAK 0. G G Diode NDBDMC SCR Diode NDBDMC SCR
6. 11 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ÑTCS&ÖD Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi 12 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ÑTCS&ÖD Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi - Ngaét ñieän baùn daãn moät chieàu (NÑBDMC) - goïi taét laø ngaét ñieän hay I.2 NOÄI DUNG KHAÛO SAÙT MAÏCH ÑTCS: TRANSISTOR: Ñaàu vaøo khaûo saùt : Maïch ÑTCS + tín hieäu ñieàu khieån NÑBD + taûi. VS luoân luoân > 0 : khoâng phaân cöïc ngöôïc Ñaàu ra: hoaït ñoäng cuûa maïch: u(t), i(t) caùc phaàn töû OFF : Ngaét maïch khi G = 0. Soá ño => Caùc ñaëc tröng aùp, doøng, coâng suaát ON : Daãn ñieän (ñoùng maïch) khi G ≠ 0 Coù hai loaïi chính : 1. Caùc ñaëc tröng aùp, doøng: BJT (G laø doøng cöïc B), MOSFET coâng suaát (G laø aùp VGS). - Giaù trò cöïc ñaïi: Trong thöïc teá, NGAÉT ÑIEÄN laø linh kieän hay toå hôïp linh kieän ñieän töû. - Giaù trò trung bình VO, IO - Giaù trò hieäu duïng VR, IR Caùc bieåu thöùc cho doøng ñieän trung bình vaø hieäu duïng: G 112 IOR==i(t)dt ; I⎡⎤ i(t) dt TT∫∫TT⎣⎦ Diode NDBDMC SCR Bieåu thöùc cho ñieän aùp VO, VR coù daïng töông töï. - Moät soá nhaän xeùt veà qua heä HD vaø TB
7. 13 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ÑTCS&ÖD Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi 14 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ÑTCS&ÖD Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi 2. Soùng haøi baäc cao vaø heä soá hình daùng: Phaân tích caùc thaønh phaàn Fourier tín hieän raêng cöa (o). Soùng haøi baäc 1 (cô baûn) (a), baäc 2 (b), baäc 3 (c) vaø toång (d) = (a)+(b)+c). Toång hôïp caùc thaønh phaàn Fourier xung vuoâng ñeán caùc soùng haøi (harmonics) khaùc nhau
8. 15 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ÑTCS&ÖD Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi 16 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ÑTCS&ÖD Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi Khai trieãn FOURIER daïng aùp ra (laøm vieäc coù chu kyø): Heä soá hình daïng (form factor): Giaù trò höõu duïng: ∞∞ tæ soá giöõa giaù trò höõu duïng DC: trò soá trung bình UO vt( )=+ VOn∑∑ ( A sin nω t + B n cos nωωϕ t ) =+ V Onnnn v vôùi v = V sin( n t − ) nn==11 vaø giaù trò hieäu duïng. AC: trò soá hieäu duïng haøi baäc 1 laø U1R 22 AvtntdtBvtntdt=⋅⋅=⋅⋅ ( ) sinωω ( ) cos vaø thöôøng ñöôïc tính cho boä bieán ñoåi coù ngoû ra xoay chieàu: nnTT∫∫TT U U1R : trò soá hieäu duïng soùng haøi baäc 1 (cô baûn) aùp ra ⎡⎤A 1 ∞ KF = 1R 22− 1n 2 2 AC UR : trò soá hieäu duïng aùp ra VABnnn=+ ϕ n = tg⎢⎥ VV Ro =+∑ V n U R ⎣⎦Bn 2 n=1 trong ñoù : Ñoä bieán daïng (THD - TOTAL HARMONIC DISTORTION): Ñoä bieán daïng thöôøng bieåu dieãn theo % UU22− V0 : trò soá trung bình ( thaønh phaàn moät chieàu ) cuûa v(t) THD = RR1 U ω : taàn soá goùc cuûa v(t), chu kyø T=ω/2π . 1R vn: soùng haøi baäc n – coù taàn soá nω Ta cuõng coù theå ñònh nghiaõ töông töï vôùi boä bieán ñoåi coù ngoû ra moät chieàu: U U : trò soá trung bình aùp ra An , Bn : caùc thaønh phaàn sin, cos cuûa soùng haøi baäc n o O KFDC = U R UR : trò soá hieäu duïng aùp ra Vn , ϕn : bieân ñoä vaø leäch pha cuûa soùng haøi baäc n . UU22− VR : Trò hieäu duïng cuûa v(t). THD = Ro U o
9. 17 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ÑTCS&ÖD Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi 18 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ÑTCS&ÖD Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi 3. Coâng suaát vaø heä soá coâng suaát: 4. Phöông phaùp nghieân cöùu maïch: - Coâng suaát taùc duïng (trung bình) P hay PO : naêng löôïng söû Maïch ñieän töû coâng suaát = toå hôïp nhieàu maïch tuyeán tính thay duïng trong moät ñôn vò thôøi gian. ñoåi theo traïng thaùi cuûa caùc ngaét ñieän - Coâng suaát bieåu kieán S : tích soá giaù trò hieäu duïng doøng vaø aùp Ví duï 0: Khaûo saùt chænh löu 1 diod taûi RL coù D phoùng ñieän D1 i i i i - Heä soá coâng suaát HSCS hay cos ϕ : cho bieát hieäu quaû söû duïng o o o o naêng löôïng. R v R R R D2 v v v v 1 P o o o o P = v(t) ⋅ i(t) ⋅ dt S = VR ⋅ I R HSCS = cosϕ = L L L L T ∫T S v => chæ coù taûi thuaàn trôû coù HSCS baèng 1. (a) (b) (c) (d) Maïch chænh löu ÔÛ baùn kyø v > 0, Khi D2 daãn Khi doøng iO = baùn soùng coù diod D1 daãn doøng iO ñieän, D1 0 töông öùng phoùng ñieän D2, v laø > 0 khoâng daãn: v khoâng coù diod nguoàn xoay chieàu. 0.
10. 19 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ÑTCS&ÖD Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi 20 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ÑTCS&ÖD Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi b. Giaûi maïch ÑTCS baèng PT vi phaân hay bieán ñoåi Laplace: − ωt = π : doøng iIo= > 0 phoùng qua diod phoùng ñieän D2 : i o o Giaûi maïch ñieän theo t (löu yù traïng thaùi caùc ngaét ñieän) dio 00= Ri.()ooo+= L ñieàu kieän ñaàu i I (laáy laïi goác thôøi gian). Ví duï1: Giaûi ví duï 0 ñeå moâ taû hoaït ñoäng cuûa maïch. i R o dt v o AÙp nguoàn vVwt= 2 sin , ñieàu kieän ñaàu t = 0; iO = 0 v R L v − ωt = 0 : v > 0, D1 daãn ñieän, maïch ñieän hình (b): o L phöông trình vi phaân: (c) dio vRiL=+. oo ñieàu kieän ñaàu i =0 (b) dt −t τ −π ⎡ −t ⎤ wτ V 2 τ => iIeoo= . . ÔÛ ñaàu chu kyø keá iIeoo= . => I1 0 => iteo =−+⋅⎢sin(ωφ ) sin φ ⎥ Z ⎣ ⎦ Chu kyø keá tieáp ñieãn ra töông töï vôùi doøng ban ñaàu iO = I1 > 0 cho 212 wL vôùi τ = L , toång trôû taûi Z=+ R()ωφ L ,goùc pha = tg- R R ñeán khi ñaït cheá ñoä xaùc laäp (TÖÏA XAÙC LAÄP). TÖÏA XAÙC LAÄP: Khi caùc doøng aùp thay ñoåi coù chu kyø, giaù trò ñaàu vaø giaù trò cuoái chu kyø baèng nhau.
11. 21 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ÑTCS&ÖD Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi 22 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ÑTCS&ÖD Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi b. Giaûi chu kyø töïa xaùc laäp maïch ÑTCS baèng PT vi phaân hay bieán ñoåi Laplace: Ví duï 2: Giaûi tieáp tuïc ví duï 1 ôû cheá ñoä töïa xaùc laäp. R1 D1 i i o o 100 ohm v R v R C1 R2 D2 v v 1 microF 100 ohm o o v L L (a) (b) Hình vd2: Maïch RC cung caáp baèng xung vuoâng t = 0 : D1 daãn ñieän, phöông trình vi phaân moâ taû maïch ñieän laø: - Khaûo saùt hoaït ñoäng trong moät chu kyø vôùi giaû söû caùc giaù trò dio vRiL=+. oo ñieàu kieän ñaàu i = I1 ban ñaàu cuûa bieán traïng thaùi cuûa maïch ñöôïc bieát. dt - Nhaän ñöôïc heä phöông trình ñeå tính caùc thoâng soá cuaû daïng ⎡⎤−t VV22τ => itIeo = sin(ωφ−+ )⎢⎥1 − sin φ ⋅ doøng/aùp. ZZ⎣⎦
12. 23 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ÑTCS&ÖD Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi 24 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ÑTCS&ÖD Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi c. Khaûo saùt doøng aùp treân taûi baèng nguyeân lyù xeáp choàng: D1 i i ÔÛ baùn kyø keá, D2 cuõng daãn ñieän: o o Nguyeân lyù xeáp choàng: khai trieån Fourier + tính chaát tuyeán tính dio 00=+Ri.() L ñieàu kieän ñaàu i = I R R oooD2 v v f ()()()x12+ x=+ fx 1 fx 2 dt o o Heä tuyeán tính: ⎡⎤−π v L L VV22wτ => Giaù trò trung bình doøng qua taûi baèng toång: vôùi Io =−+−⋅sin(πφ )⎢⎥Ie1 sin φ ZZ - doøng moät chieàu do thaønh phaàn trung bình aùp treân taûi. ⎣⎦ (a) (c) - caùc doøng ñieän hình sin do soùng haøi baäc cao. −t −π τ wτ => iIeoo= . vaø ôû cuoái chu kyø IIe1 = o. , cho pheùp ta tính I1 vaø Io töø ñoù veõ ñöôïc daïng doøng iO . Nhaän xeùt: vieäc ruùt ra caùc ñaëc tröng doøng, aùp töø KQ khoù khaên. Thöïc teá ta chæ caàn tính taùc duïng cuûa nhöõng thaønh phaàn coù aûnh höôûng lôùn (moät chieàu hay taàn soá cô baûn).
13. 25 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ÑTCS&ÖD Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi 26 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ÑTCS&ÖD Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi Ví duï 3: Tính doøng vaø aùp trung bình qua ñieän trôû R2 cuûa maïch ñieän f. Khaûo saùt moâ hình toaùn maïch ÑTCS baèng maùy tính (duøng chöông hình Vd2, aùp nguoàn v coù daïng treân hình Vd2.a, V = 200 volt. trình moâ phoûng) hay khaûo saùt moâ hình thöïc teá trong phoøng thí nghieäm: 11TT2/6 V Thuaät toaùn toång quaùt ñeå khaûo saùt maïch ÑTCS baèng maùy tính: VvdtVdt== = Giaûi: Trò trung bình aùp ra: o ∫∫ Böôùc môû ñaàu: Xaùc ñònh doøng aùp qua caùc phaàn töû ôû thôøi gian t = 0+ TT003 Böôùc 1: Döïa vaøo tín hieäu ñieàu khieån vaø doøng, aùp qua caùc ngaét ñieän, => trò trung bình doøng ra IO = (200/3)/200 = 1/3 A vaø trò trung bình tìm ra caùc ngaét ñieän ON aùp treân moãi ñieän trôû taûi Vo1 = Vo/ 2 = 33.3 V Böôùc 2: Thaønh laäp phöông trình moâ taû maïch. Io R1 Böôùc 3: Giaûi phöông trình moâ taû maïch ñeå tìm ra doøng aùp qua caùc phaàn V v 100 ohm töû ôû t = t + Δ t Vo Böôùc 4: Khai thaùc soá lieäu tính, taêng thôøi gian hieän taïi t Å t + Δ t Vo1 R2 Böôùc 5: Kieåm tra ñieàu kieän keát thuùc khaûo saùt: t 100 ohm neáu thoûa thì qua böôùc 6, neáu khoâng trôû veà böôùc 1. T Böôùc 6: Döøng chöông trình. Hình Vd2.a: daïng aùp nguoàn tính Hình Vd2.b: Maïch töông ñöông vôùi baèng soá thaønh phaàn moät chieàu Nhaän xeùt: Vieäc khaûo saùt baèng maùy tính öùng duïng phöông phaùp soá ñeå giaûi phöông trình vi phaân cho ta doøng aùp qua caùc phaàn töû theo töøng sai phaân thôøi gian Δ t.
14. 27 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ÑTCS&ÖD Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi 28 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ÑTCS&ÖD Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi I.3 TÍNH CHOÏN NGAÉT ÑIEÄN ÑIEÄN TÖÛ: - Gaàn ñuùng: tính doøng trung bình IO 1. Ñònh möùc aùp: VDRM > katV * Vlvmax hay hieäu duïng IR Vlvmax : AÙp laøm vieäc max. VDRM : AÙp khoùa. vaø kieåm tra nhieät ñoä voû linh kieän. I toån hao coâng suaát ΔP Caâu hoûi: - Caùc yeáu toá aûnh höôûng ñeán khaû naêng taûi doøng cuûa linh kieän coâng suaát? Tính toaùn nhieät => θJ .
15. 29 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ÑTCS&ÖD Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi 30 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ÑTCS&ÖD Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi I.4 BAÛO VEÄ LINH KIEÄN VAØ BBÑ: 2. Baûo veä aùp: (quaù aùp daïng xung) 260v 1.Baûo veä doøng: R4 10k C + Baûo veä doøng cöïc ñaïi ( ngaén maïch – quaù doøng töùc thôøi): 103 FR105 T i2dt thoâng soáø ∫T Caàu chì taùc ñoäng nhanh, Caàu chì thoâng thöôøng IRF450 CB ( ngaét maïch töï ñoäng – Aptomat ) + Baûo veä quaù taûi ( quaù doøng coù thôøi gian ): CB ( ngaét maïch töï ñoäng – Aptomat ), Rô le nhieät, Maïch haïn doøng cuûa boä ñieàu khieån voøng kín