Vài nét về lịch sử phát triển điện tử công suất và các ứng dụng, điện tử công suất và các lãnh vực liên quan ngày nay, Sơ đồ khối một hệ thống điện tử công suất,... là những nội dung chính trong bài giảng chương 1 "Khái niệm cơ bản và các linh kiện bán dẫn công suất". Mời các bạn cùng tham khảo.
AMBIENT/
Chủ đề:
Nội dung Text: Bài giảng Chương 1: Khái niệm cơ bản và các linh kiện bán dẫn công suất
- Chương 1
KHÁI NIỆM CƠ BẢN
&
CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CÔNG SUẤT
1
- Vài nét về lịch sử phát triển ĐTCS và các ứng dụng
1901: Peter Cooper Hewitt giới thiệu chỉnh lưu dùng đèn hơi thủy ngân (mercuryarc
rectifier)
1926: Đèn thyratron ra đời
1930: Chỉnh lưu dùng đèn hơi thủy ngân công suất 3MW được lắp đặt cho hệ thống tàu
điện ngầm New York (dùng đểđi
ều khiển động cơ DC của xe điện)
1931: Hệ thống cycloconverter dùng đèn hơi thủy ngân được ứng dụng trong hệ thống tàu
điện tại Đức
1948: Transistor được phát minh tại Bell Labs
1956: Diode công suất dùng bán dẫn Silic ra đời
1958: GE giới thiệu thyristor (SCR) thương phẩm đầu tiên
1971: Kỹ thuật điều khiển vector động cơ không đồng bộ (lý thuyết) được giới thiệu
2
- Vài nét về lịch sử phát triển ĐTCS và các ứng dụng
1975: Transistor luỡng cực (BJT) công suất lớn được chết
ạo bởi TOSHIBA
1980: GTO công suất lớn ra đời tại Nhật
1981: Cấu hình nghịch lưu đa bậc (diode clamped) ra đời
1983: IGBT ra đời
1983: Kỹ thuật điều rộng xung vector không gian (Space Vector PWM) ra đời
1986: Kỹ thuật điều khiển trực tiếp momen (Direct Torque Control – DTC) động cơ không
đồng bộ ra đời
1996: IGCT được giới thiệu lần đầu bởi ABB
3
- ĐTCS và các lãnh vực liên quan ngày nay
CHỈNH LƯU HƠI THỦY NGÂN
ĐÈN ĐIỆN TỬ
KHUẾCH ĐẠI TỪ
ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
(POWER ELCTRONICS )
LINH KIỆN PHẦN MỀM
BÁN DẪN VÀ PHẦN CỨNG
CÔNG SUẤT
CẤU TRÚC KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN
KỸ THUẬT
BỘ BIẾN ĐỔI
GIẢI TÍCH VÀ MÔ PHỎNG 4
- Sơ đồ khối một hệ thống ĐTCS
Pin Pout
Mạch
động lực Tải
ui Uo
Tín hiệu
điều khiển Tín hiệu hồi tiếp
Mạch
điều khiển Tín hiệu đặt
5
- Sơ đồ khối một hệ thống ĐTCS
Nhiệm vụ của một hệ thống điện tử công suất (ĐTCS) là kiểm soát và điều khiển dòng năng
lượng điện bằng cách cung cấp cho tải điện áp và dòng điện dưới dạng tối ưu nhất.
Ngõ vào của hệ thống ĐTCS thường là điện lưới một pha hoặc 3 pha, tần số 50 hoặc 60Hz. Ngõ
ra (điện áp, tần số, dòng điện, số pha) thường được thiết kế để phù hợp với tải.
Phần mạch động lực sử dụng các linh kiện bán dẫn công suất. Phần mạch điều khiển sử dụng kỹ
thuật mạch tích hợp tuyến tính (linear integrated circuits) và/hoặc mạch xử lý số (digital signal
processor).
Trong những năm gần đây, lãnh vực điện tử công suất đã có những thành tựu lớn nhờ vào sự phát
triển của:
Kỹ thuật vi điều khiển (microcontroller, digital signal processor DSP)
Kỹ thuật bán dẫn công suất lớn (power semiconductor)
6
- Lãnh vực ứng dụng của ĐTCS
1. Bộ nguồn xung và bộ nguồn liên tục (UPS): Sự phát triển của kỹ thuật chế tạo vi mạch
dẫn đến sự phổ biến rộng rãi của các thiết bị điện tử như máy tính, thiết bị thông tin và
thiết bị điện tử dân dụng, tất cả đều cần cung cấp bằng nguồn một chiều (dc) ổn áp hoặc
trong nhiều ứng dụng còn đòi hỏi cấp nguồn liên tục.
2. Bộ biến đổi năng lượng: ứng dụng trong:
Chiếu sáng: cung cấp cho đèn huỳnh quang (ballast điện tử), hoặc đèn LED.
Điều khiển tốc độ động cơ: thay đổi lưu lượng lưu chất bằng cách thay đổi tốc độ
bơm/quạt, điều khiển tốc độ hoặc vị trí cho những ứng dụng công nghiệp nhằm tư động
hoá, nâng cao hiệu suất và sự linh hoạt trong sản xuất.
3. Giao thông vận tải: xe điện, tàu điện
4. Gia nhiệt công nghiệp: hàn điện, mạ điện, điện phân, gia nhiệt cao tần (tôi cao tần, lò cảm
ứng, v.v...)
5. Hệ thống điện (Utility): truyền tải điện DC cao áp (HVDC), các hệ thống bù tĩnh
(STATCOM – Static Compensator), bộ lọc công suất (Active Power Filer) dùng để lọc
sóng hài trên lưới điện, các ứng dụng trong lãnh vực năng lượng tái sinh (Renewable
Energy) như các hệ thống điện gió (windelectric system) hoặc điện mặt trời (photovoltaic
system) 7
- Lãnh vực ứng dụng của ĐTCS
1. Các thiết bị gia dụng 4. Giao thông vận tải
Tủ lạnh, tủ đông Điều khiển động cơ xe hơi điện
Gia nhiệt, sưởi Nạp acquy xe hơi điện
Hệ thống điều hòa không khí Các hệ thống tàu điện, tàu điện ngầm
Lò nấu
Chiếu sáng 5. Hệ thống điện
Các thiết bị điện tử dân dụng (TV, máy Truyền tải điện DC cao áp (HVDC)
tính, các thiết bị nghe nhìn, giải trí…) Bộ bù tĩnh
Hệ thống máy phát dùng nguồn năng
2. Trang thiết bị cho cao ốc lượng tái sinh (renewable energy):
Các hệ thống sưởi, thông gió, điều hòa năng lượng mặt trời, năng lượng
Hệ thống điều hòa trung tâm gió…
Máy tính và các thiết bị văn phòng Các hệ thống tích trữ năng lượng
UPS (Uninterruptible Power Supply) (energy storage systems)
Thang máy
6. Hàng không
3. Công nghiệp Hệ thống điện tàu con thoi
Bơm Hệ thống điện của các vệ tinh
Máy nén Hệ thống điện máy bay
Quạt gió
Máy công cụ 7. Viễn thông
Lò nấu hồ quang, Lò nấu cảm ứng Bộ nạp bình acquy
Gia nhiệt cảm ứng (tôi cao tần…) Bộ nguồn (DC, UPS)
Máy hàn điện 8
- Ví dụ ứng dụng: So sánh ổn áp tuyến tính và ổn áp xung
Bộ ổn áp tuyến tính
Biến áp
nguồn
Mạch
ud điều khiển
Uo Tải
Nguồn lưới
Uo,ref
Chỉnh lưu Tụ lọc
a. Sơ đồ nguyên lý
ud(t) Tầm thay đổi
của ud
u d,min
Uo
b. Dạng sóng điện áp ngõ vào ud và ngõ ra U o
• Transistor công suất được điều khiển hoạt động tương tự như một điện trở
biến đổi
• Mạch có hiệu suất thấp và cồng kềnh 9
- Ví dụ ứng dụng: So sánh ổn áp tuyến tính và ổn áp xung
Bộ ổn áp xung
Mạch động lực
Uo Tải
ud
Nguồn
lưới Chỉnh lưu Mạch lọc
Biến áp thông thấp
tần số cao
Chỉnh lưu Tụ lọc
Mạch Uo
điều khiển U o,ref
a. Sơ đồ nguyên lý bộ ổn áp xung 10
- Ví dụ ứng dụng: So sánh ổn áp tuyến tính và ổn áp xung
Bộ ổn áp xung
Mạch động lực
ud uoi Uo Tải
Uo Tải
ud
uoi
Uo =Uoi
Mạch
điều khiển Uo,ref
c. Điện áp ngõ ra của bộ ổn áp xung
b. Mạch tương đương của bộ ổn áp xung
Transistor hoạt động như một khóa đóng ngắt hiệu suất cao
Biến áp, mạch lọc hoạt động ở tần số cao kích thước nhỏ
Điện áp ngõ ra thay đổi bằng cách điều khiển độ rộng xung (tỉ lệ ton/Ts) 11
- Ví dụ ứng dụng: điều khiển lưu lượng bơm bằng cách
điều khiển tốc độ của bơm
• Với bơm (quạt) ly tâm, lưu lượng bơm tỉ lệ với tốc độ (Q ω), và công suất
bơm tỉ lệ với lập phương tốc độ (P ω3 )
• Hệ thống bơm kiểu truyền thống: tốc độ động cơ không đổi, điều chỉnh lưu
lượng bằng van tiết lưu tổn hao công suất trên van
• Hệ thống bơm có điều chỉnh tốc độ: lưu lượng bơm điều chỉnh bằng cách thay
đội tốc độ động cơ, không dùng van tiết lưu tiết kiệm năng lượng
Van tiết
lưu
Bộ điều
Động khiển
cơ tốc độ
Nguồn Nguồn
+
lưới lưới
Động cơ
Bơm Bơm
a. Hệ thống bơm kiểu truyền thống b. Hệ thống bơm có điều chỉnh tốc độ
Tiết kiệm năng lượng tiêu thụ của hệ thống bơm khi điều chỉnh lưu lượng bằng
bộ điều khiển tốc độ động cơ thay cho van tiết lưu 12
- Ví dụ ứng dụng: Tiết kiệm năng lượng với bộ biến tần
điều khiển bơm nước
Tổn hao trên toàn hệ thống với bơm điều chỉnh lưu lượng dùng van tiết lưu 13
- Ví dụ ứng dụng: Tiết kiệm năng lượng với bộ biến tần
điều khiển bơm nước (t-t)
Tổn hao trên toàn hệ thống với bơm điều chỉnh lưu lượng dùng biến tần 14
- Phân loại bộ biến đổi công suất
Phân loại theo tần số điện áp ngõ vào và ngõ ra: các bộ biến đổi công suất (converter) cơ bản (gọi
tắt là bộ biến đổi – BBĐ) bao gồm:
1. ac dc (chỉnh lưu – rectifier)
2. dc ac (nghịch lưu – inverter)
3. dc dc
4. ac ac
Trong thực tế, một bộ biến đổi công suất có thể bao gồm nhiều bộ biến đổi cơ bản va các thành
phần trữ năng lượng (tụ điện, cuộn cảm).
Chiều truyền công suất của bộ biến đổi có thể là một chiều (nguồn tải hoặc tải nguồn) hoặc
hai chiều
15
- Phân loại bộ biến đổi công suất
Chế độ
chỉnh lưu
Bộ biến đổi
Chế độ
nghịch lưu
Bộ biến đổi 1 Bộ biến đổi 2
Nguồn
lưới
16
- Phân loại bộ biến đổi công suất
Phân loại theo tần số hoạt động:
1. Bộ biến đổi tần số lưới (chuyển mạch tự nhiên – naturally commutated converters): ngõ vào
hoặc ngõ ra của bộ biến đổi loại này được cung cấp từ lưới, và các khoá bán dẫn được tắt nhờ
cực tính của điện áp lưới thay đổi (ví dụ: chỉnh lưu có điều khiển, bộ biến đổi điện áp xoay
chiều...). Tần số đóng ngắt của linh kiện phụ thuộc vào tần số lưới (50 hoặc 60Hz).
2. Bộ biến đổi chuyển mạch cuỡng bức (forcecommutated converters): tần số đóng ngắt của các
khoá bán dẫn không phụ thuộc và cao hơn nhiều so với tần số lưới.
3. Bộ biến đổi cộng hưởng hoặc tựa cộng hưởng (resonant or quasiresonant converters): các
khoá bán dẫn đóng và/hoặc ngắt tại điện áp và/hoặc dòng điện bằng zero.
17
- Các khái niệm cơ bản
Giá trị trung bình của đại lượng i:
Tp
1
I AV i (t )dt
Tp 0
Hoặc:
2
1
I AV i (t )d ( t )
2 0
Giá trị hiệu dụng của đại lượng i:
Tp 2
1 1
I I RMS i 2 (t )dt i 2 (t )d ( t )
Tp 0
2 0
Tp : chu kỳ của đại luợng i
18
- Các khái niệm cơ bản
Công suất tức thời:
p (t ) v(t ).i(t )
Công suất trung bình:
Tp 2
1 1
PAV p (t )dt p (t )d ( t )
Tp 0
2 0
Tuïñieä
n vaøcuoä
n khaù
ng laøcaù
c phaà
n töûkhoâ
ng tieâ
u hao coâ
ng suaá
t.
Taû
i L: PAV=0
Taû
i C: PAV=0
19
- Ví dụ tính toán
Ví dụ 0.1:
Xeùt quaùtrình doø
ng ñieä
n treâ
n hình sau:
Tròtrung bình doø
ng ñieä
n cho bôû
i heäthöù
c:
0.5 0.3
1 1
Id i (t )dt 10dt 6[ A]
0.5 0
0.5 0
20
Thêm vào BST
Báo xấu
Download
Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ
