Giáo trình Điện tử công suất (Nghề: Điện – điện tử - Trình độ: Cao đẳng, Trung cấp) - Trường CĐ Kinh tế - Kỹ thuật Vinatex TP. HCM

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:195

Thêm vào BST

Báo xấu

25
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung giáo trình Điện tử công suất gồm 6 chương cơ bản sau: Chương I: Khái quát về điện tử công suất; Chương II: Các linh kiện bán dẫn công suất cơ bản; Chương III: Bộ chỉnh lưu; Chương IV: Bộ biến đổi điện áp xoay chiều; Chương V: Bộ biến đổi điện áp một chiều; Chương VI: Bộ nghịch lưu và bộ biến tần. Mời các bạn cùng tham khảo để biết thêm nội dung chi tiết.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Điện tử công suất (Nghề: Điện – điện tử - Trình độ: Cao đẳng, Trung cấp) - Trường CĐ Kinh tế - Kỹ thuật Vinatex TP. HCM

BOÄ COÂNG THÖÔNG TAÄP ÑOAØN DEÄT MAY VIEÄT NAM TRÖÔØNG CAO ÑAÚNG KINH TEÁ – KYÕ THUAÄT VINATEX TPHCM KHOA CƠ ĐIỆN  GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT THAØNH PHOÁ HOÀ CHÍ MINH – 2011 LÖU HAØNH NOÄI BOÄ
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG VINATEX TP.HCM GIÁO TRÌNH MÔN HỌC: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT NGHỀ: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG, TRUNG CẤP Ban hành kèm theo Quyết định số: /QĐ-... ngày …tháng.... năm…...........……… của ………………………………….. TP.HCM, năm 2017
TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.
LỜI GIỚI THIỆU Giáo trình Điện tử công suất này được biên soạn nhằm phục vụ cho học tập của sinh viên của trường Cao đẳng, thuộc chuyên ngành điện-điện tử và cơ điện tử. Giáo trình cũng có thể làm tài liệu tham khảo cho các kỹ sư, cán bộ kỹ thuật, công nhân lĩnh vực thiết kế, cũng như thi công các công trình điện dân dụng và công nghiệp. Nội dung cuốn giáo trình gồm 6 chương cơ bản sau: Chương I: Khái quát về điện tử công suất Chương II: Các linh kiện bán dẫn công suất cơ bản Chương III: Bộ chỉnh lưu Chương IV: Bộ biến đổi điện áp xoay chiều Chương V: Bộ biến đổi điện áp một chiều Chương VI: Bộ nghịch lưu và bộ biến tần Nắm được những kiến thức cơ bản về Điện tử công suất, mỗi cán bộ kỹ thuật có thể tìm hiểu và sử dụng với hiệu quả cao hơn các thiết bị điện tử trong các máy móc và thiết bị tân tiến hiện nay. Trong cuốn giáo trình này có sử dụng và tham khảo nhiều nội dung trong một số giáo trình và bài viết của các tác giả. Mặc dù có nhiều cố gắng, nhưng trong quá trình biên soạn tránh khỏi những thiếu sót, chúng tôi xin tiếp thu những ý kiến đóng góp để cuốn giáo trình được hoàn thiện hơn. Biên soạn Ths. Trần Tấn Khang
MỤC LỤC Trang Lời nói đầu Chương I : KHÁI QUÁT VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT I. Lịch sử phát triển 1 II. Cấu trúc chung của bộ biến đổi công suất 2 III. Các linh kiện bán dẫn và bộ biến đổi công suất cơ bản 4 IV. Ứng dụng của điện tử công suất 6 Chương II: CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CÔNG SUẤT CƠ BẢN I. Phân loại linh kiện bán dẫn 7 II. Diode công suất 9 III. Transistor công suất (power transistor) 1. BJT (Bipolar Junction Transistor) 13 2. TRANSISTOR Trường MOSFET 19 3. IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) 24 IV. Thyristor 1. SCR (Silicon Controler Rectifier) 29 2. GTO (Gate Turn Off Thyristor) 36 3. TRIAC (Triod Alternative Current) 42 V. Một số linh kiện công suất khác 1. IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor) 45 2. MCT (Mos Controlled Thyristor) 45 3. MTO (Mos Turn off Thyristor) 47 4. ETO (Emitter Turn-Off thyristor) 48 VI. So sánh khả năng hoạt động của các linh kiện 49 Câu hỏi chương 2 50 Chương III: BỘ CHỈNNH LƯU (RECTIFIEL) I. Khái quát 56 II . Bộ chỉnh lưu tia 3 pha không điều khiển 57 III. Bộ chỉnh lưu tia 3 pha điều khiển 61 IV. Bộ chỉnh lưu tia với diode Do 64 V. Bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển hoàn toàn 68 VI . Bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển bán phần 73 VII. Bộ chỉnh lưu cầu một pha điều khiển hoàn toàn 78 VIII. Bộ chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển bán phần đối xứng 81 IX. BCL cầu 1 pha điều khiển bán phần không đối xứng 85 Câu hỏi và bài tập chương 3 90 Chương IV: BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU I. Khái quát 109 II. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều một pha tải R 109 III. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều một pha tải thuần cảm 112 IV. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều một pha tải RL 115 V. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha 119 VI. Một số mạch ứng dụng 119 Câu hỏi và bài tập chương 4 122
Chương V: BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU (CHOPPER) I. Khái quát 134 II. Bộ giảm áp 134 III. Bộ tăng áp 137 IV. Các phương pháp điều khiển bộ biến đổi điện áp một chiều 139 V. Bộ biến đổi một chiều kép 141 VI. Bộ biến đổi một chiều nhiều pha 146 Bài tập chương 5 152 Chương VI: BỘ NGHỊCH LƯU VÀ BỘ BIẾN TẦN I. Khái quát về bộ nghịch lưu 153 II. Bộ nghịch lưu áp 154 1. Bộ nghịch lưu áp 1 pha 154 2. Bộ nghịch lưu áp 3 pha 155 3. Bộ nghịch lưu đa bậc 155 4. Phân tích bộ nghịch lưu áp 1 pha. 156 III. Bộ nghịch lưu dòng 161 1. Bộ nghịch lưu dòng 1 pha 161 2. Bộ nghịch lưu dòng 3 pha 163 IV. Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu 164 V. Bộ biến tần 165 1. Khái quát. 165 2. Bộ biến tần gián tiếp 165 3. Bộ biến tần trực tiếp. 169 4. So sánh bộ biến tần trực tiếp với bộ biến tần gián tiếp 175 Phụ lục
CHƯƠNG TRÌNH MÔN HỌC Tên môn học: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Mã môn học: MH14 Thời gian thực hiện môn học: 75 giờ; (Lý thuyết: 15 giờ; Thí nghiệm, thảo luận, bài tập: 55 giờ; Kiểm tra: 05 giờ) I. Vị trí, tính chất của môn học: - Vị trí: Môn học này học sau môn Điện tử căn bản, Kỹ thuật số. - Tính chất: Là môn học kỹ thuật cơ sở, thuộc các môn học bắt buộc trong chương trình đào tạo. II. Mục tiêu môn học - Về kiến thức: Trình bày được những kiến thức về cấu tạo, nguyên lý hoạt động, những ứng dụng của các linh kiện, mạch điện tử công suất. - Về kỹ năng: Lắp đặt và tính toán thiết kế được những mạch điện tử công suất dùng trong các thiết bị điện tử công nghiệp. - Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: + Nhận thức được ý nghĩa, giá trị khoa học của môn học. + Rèn được tính cẩn thận, phương pháp học tư duy, phát huy tính tích cực, chủ động và sáng tạo trong học tập. III. Nội dung môn học: 1. Nội dung tổng quát và phân phối thời gian: Thời gian (giờ) Tổng số Lý Thực Kiểm Số thuyết hành, thí tra Tên chương, mục nghiệm, TT thảo luận, bài tập A Lý thuyết 15 14 0 1 1 Chương 1. Khái quát về điện tử 2 2 0 0 công suất 2 Chương 2. Các linh kiện bán dẫn 5 5 0 0 công suất cơ bản 3 Chương 3. Bộ chỉnh lưu 5 4 0 1 4 Chương 4. Bộ biến đổi điện áp 3 3 0 0 xoay chiều B Thực hành 60 0 56 4 1 Bài 1: Mạch kích Thyristor & 10 0 10 0 Triac 2 Bài 2: Chỉnh lưu công suất 1 pha 15 0 13 2 3 Bài 3: Bộ biến đổi áp xoay chiều 10 0 10 0 4 Bài 4: Bộ chỉnh lưu công suất 3 15 0 15 0
pha 5 Bài 5: Bộ biến đổi nguồn DC-DC 10 0 8 2 công suất Tổng cộng 75 14 56 5 2. Nội dung chi tiết: A. Lý thuyết: Chương 1: Khái quát về điện tử công suất Thời gian: 02 giờ 1. Mục tiêu chương: - Trình bày được các khái niệm về điện tử công suất. - Trình bày được nội dung các thông số kỹ thuật của mạch điện tử công suất. - Xác định được các linh kiện điện tử công suất dùng trong các thiết bị điện-điện tử. - Xác định được điện áp, dòng điện vào-ra của bộ biến đổi công suất. - Rèn được tính cẩn thận, phương pháp học tư duy, phát huy tính tích cực, chủ động và sáng tạo trong học tập. 2. Nội dung chương : 2.1. Lịch sử phát triển 2.2. Cấu trúc chung của bộ biến đổi công suất 2.3. Các linh kiện bán dẫn và bộ biến đổi công suất cơ bản 2.4. Ứng dụng của điện tử công suất Chương 2: Các linh kiện bán dẫn công suất cơ bản Thời gian: 05 giờ 1. Mục tiêu chương: - Trình bày được nguyên lý hoạt động và chức năng của các linh kiện công suất thông dụng. - Lựa chọn được linh kiện theo thông số kỹ thuật. - Kiểm tra, sửa chữa được những hư hỏng của linh kiện công suất trong mạch. - Lắp đặt được mốt số mạch ứng dụng cơ bản của linh kiện. - Rèn được tính cẩn thận, phương pháp học tư duy, phát huy tính tích cực, chủ động và sáng tạo trong học tập. 2. Nội dung chương : 2.1. Phân loại linh kiện bán dẫn Thời gian: 0.5 giờ 2.1.1. Linh kiện bán dẫn điều khiển được 2.1.2. Linh kiện bán dẫn không điều khiển được 2.1.3. Lớp tiếp xúc công nghệ P-N 2.2. Diode công suất Thời gian: 01 giờ 2.2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 2.2.2. Đặc tính Volt-Ampe của diode 2.2.3. Đặc tính động của diode 2.2.4. Thông số cơ bản của diode 2.3. Transistor công suất (power transistor) Thời gian: 01 giờ 2.3.1. BJT (Bipolar Junction Transistor) 2.3.2. Transistor trường MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 2.3.3. IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) 2,4. Thyristor Thời gian: 01 giờ 2.4.1. SCR (Silicon Controler Rectifier) 2.4.2. GTO (Gate Turn Off Thyristor) 2.4.3. TRIAC (Triod Alternative Current) 2.5. Một số linh kiện công suất khác Thời gian: 01 giờ
2.5.1. IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor) 2.5.2. MCT (Mos Controlled Thyristor) 2.5.3. MTO (Mos Turn off Thyristor) 2.5.4. ETO (Emitter Turn-Off thyristor) 2.6. So sánh khả năng hoạt động của các linh kiện Thời gian: 0.5 giờ Chương 3: Bộ chỉnh lưu Thời gian: 05 giờ 1. Mục tiêu chương: - Xác định được nhiệm vụ và chức năng của từng khối của bộ chỉnh lưu không điều khiển và có điều khiển. - Trình bày được mục tiêu tính toán các thông số kỹ thuật của mạch chỉnh lưu. - 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. - Thiết kế được biến áp cung cấp mạch chỉnh lưu. - Rèn được tính cẩn thận, phương pháp học tư duy, phát huy tính tích cực, chủ động và sáng tạo trong học tập. 2. Nội dung chương : 2.1. Khái quát 2.1.1. Ứng dụng 2.1.2. Phân loại 2.2. Bộ chỉnh lưu tia 3 pha không điều khiển Thời gian: 0.5 giờ 2.2.1. Sơ đồ 2.2.2. Ký hiệu 2.2.3. Giả thiết 2.2.4. Phân tích 2.2.5. Hệ quả 2.3.. Bộ chỉnh lưu tia 3 pha điều khiển Thời gian: 0.5 giờ 2.3.1. Sơ đồ 2.3.2. Ký hiệu 2.3.3. Giả thiết 2.3.4. Phân tích 2.3.5. Hệ quả 2.4. Bộ chỉnh lưu tia với Diode Thời gian: 0.5 giờ 2.4.1. Sơ đồ 2.4.2. Ký hiệu 2.4.3. Giả thiết 2.4.4. Phân tích 2.4.5. Hệ quả 2.5. Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển hoàn toàn Thời gian: 0.5 giờ 2.5.1. Sơ đồ 2.5.2. Ký hiệu 2.5.3. Giả thiết 2.5.4. Phân tích 2.5.5. Hệ quả 2.6. Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển bán phần Thời gian: 0.5 giờ 2.6.1. Sơ đồ
2.6.2. Ký hiệu 2.6.3. Giả thiết 2.6.4. Phân tích 2.6.5. Hệ quả 2.7. Bộ chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển hoàn toàn Thời gian: 0.5 giờ 2.7.1. Sơ đồ 2.7.2. Ký hiệu 2.7.3. Giả thiết 2.7.4. Phân tích 2.7.5. Hệ quả 2.8. Bộ chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển bán phần đối xứng Thời gian: 0.5 giờ 2.8.1. Sơ đồ 2.8.2. Ký hiệu 2.8.3. Giả thiết 2.8.4. Phân tích 2.8.5. Hệ quả 2.9. Bộ chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển bán phần không đối xứng Thời gian: 0.5 giờ 2.9.1. Sơ đồ 2.9.2. Ký hiệu 2.9.3. Giả thiết 2.9.4. Phân tích 2.9.5. Hệ quả Kiểm tra Thời gian: 01 giờ Chương 4: Bộ biến đổi điện áp xoay chiều Thời gian: 03 giờ 1. Mục tiêu chương: - Xác định được nhiệm vụ và chức năng của từng khối của bộ biến đổi áp xoay chiều. - Trình bày được mục tiêu tính toán các thông số kỹ thuật của mạch. - Lắp đặt được mạch biến đổi điện áp xoay chiều đúng kỹ thuật, đúng thông số. - Đo và vẽ được dạng sóng dòng và áp ngõ vào ra. - Rèn được tính cẩn thận, phương pháp học tư duy, phát huy tính tích cực, chủ động và sáng tạo trong học tập. 2. Nội dung chương : 2.1. Khái quát 2.1.1. Chức năng 2.1.2. Ứng dụng 2.1.3. Phân loại 2.2. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều một pha tải R 2.2.1. Sơ đồ 2.2.2. Ký hiệu 2.2.3. Giả thiết 2.2.4. Phân tích 2.2.5. Hệ quả 2.3. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều một pha tải thuần cảm 2.3.1. Sơ đồ 2.3.2. Ký hiệu
2.3.3. Giả thiết 2.3.4. Phân tích 2.3.5. Hệ quả 2.4. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều một pha tải RL 2.4.1. Sơ đồ 2.4.2. Ký hiệu 2.4.3. Giả thiết 2.4.4. Phân tích 2.4.5. Hệ quả 2.5. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha 2.6. Một số mạch ứng dụng B. Thực hành Bài 1: Mạch kích thyristor & triac Thời gian: 10 giờ 1. Mục tiêu bài: - Phân tích được nguyên lý hoạt động của mạch. - Nhận xét và đánh giá được các kết quả thí nghiệm. - Sử dụng thành thạo thiết bị đo Oscilloscope - Lắp ráp được mạch kích dẫn cho Thyristor và Triac - Đo và vẽ được dạng sóng trên tải. - Rèn được tính cẩn thận, phương pháp học tư duy, phát huy tính tích cực, chủ động và sáng tạo trong học tập. 2. Nội dung bài : 2.1. Sơ đồ điều khiển kích Thyristor và Triac Thời gian: 01 giờ 2.2. Giới thiệu về bộ thí nghiệm ĐTCS Thời gian: 01 giờ 2.3. Trình bày cách sử dụng bộ đo Dao động ký. Thời gian: 01 giờ 2.4. Tập hợp các modul cần cho thực tập Thời gian: 01 giờ 2.5. Lắp mạch điều khiển không đồng bộ SCR và Triac theo sơ đồ Thời gian: 03 giờ 2.6. Sử dụng dao động ký quan sát tín hiệu trên tải (đèn). Thời gian: 02 giờ 2.7. Hướng dẫn ghi kết quả đo và vẽ dạng sóng. Thời gian: 01 giờ Bài 2: Bộ chỉnh lưu công suất 1 pha Thời gian: 15 giờ 1. Mục tiêu bài: - Phân tích được nguyên lý hoạt động của mạch. - Nhận xét và đánh giá được các kết quả thí nghiệm. - Sử dụng thành thạo thiết bị đo Oscilloscope. - Lắp được mạch chỉnh lưu công suất 1 pha. - Kích dẫn điều khiển không đồng bộ - Đo và vẽ được dạng sóng trên tải. - Rèn được tính cẩn thận, phương pháp học tư duy, phát huy tính tích cực, chủ động và sáng tạo trong học tập. 2. Nội dung bài : 2.1. Sơ đồ chỉnh lưu cầu điều khiển bán phần. Thời gian: 01 giờ 2.2. Phân tích sơ đồ Thời gian: 01 giờ 2.3. Lắp sơ đồ chỉnh lưu cầu điều khiển bán phần với tải trở R và RL. Thời gian: 05 giờ 2.4. Vẽ đồ thị dạng sóng sin điều khiển đồng bộ lối vào. Thời gian: 01 giờ
2.5. Vẽ dạng sóng tín hiệu trên tải R Thời gian: 01 giờ 2.6. Vẽ dạng sóng trên R01 Thời gian: 01 giờ 2.7. Vẽ dạng sóng trên SCR1 Thời gian: 01 giờ 2.8. Vẽ dạng sóng trên R02 Thời gian: 01 giờ 2.9. Ghi kết quả đo UDC(α) và tính toán theo công thức lý thuyết. Thời gian: 01 giờ Kiểm tra Thời gian: 02 giờ Bài 3 : Bộ biến đổi điện áp xoay chiều Thời gian: 10 giờ 1. Mục tiêu bài: - Phân tích được nguyên lý hoạt động của mạch. - Nhận xét và đánh giá được các kết quả thí nghiệm. - Sử dụng thành thạo thiết bị đo Oscilloscope - Lắp ráp được mạch biến đổi áp xoay chiều - Kích dẫn điều khiển không đồng bộ - Đo và vẽ được dạng sóng trên tải. - Rèn được tính cẩn thận, phương pháp học tư duy, phát huy tính tích cực, chủ động và sáng tạo trong học tập. 2. Nội dung bài : 2.1. Lắp sơ đồ bộ biến đổi điện áp xoay chiều 1 pha với tải trở R và RL. Thời gian: 02 giờ 2.2. Ghi kết quả thí nghiệm vào mẫu báo cáo. Thời gian: 02 giờ 2.3. Nhận xét, đánh giá và so sánh các kết quả thí nghiệm 2.3.1. So sánh các dạng sóng áp và dòng thu được qua phép đo với lý thuyết, giải thích. Thời gian: 02 giờ 2.3.2. So sánh kết quả đo UZ(α) với lý thuyết, giải thích. Thời gian: 02 giờ 2.3.3. Đánh giá hệ số công suất của các trường hợp tải là R và RL theo α. Thời gian: 02 giờ Bài 4: Bộ chỉnh lưu công suất 3 pha Thời gian: 15 giờ 1. Mục tiêu bài: - Phân tích được nguyên lý hoạt động của mạch. - Nhận xét và đánh giá được các kết quả thí nghiệm. - Sử dụng thành thạo thiết bị đo Oscilloscope - Lắp ráp được mạch bộ chỉnh lưu công suất 3 pha - Đo và vẽ được dạng sóng trên tải. - Rèn được tính cẩn thận, phương pháp học tư duy, phát huy tính tích cực, chủ động và sáng tạo trong học tập. 2. Nội dung bài : 2.1. Nối mạch theo sơ đồ Thời gian: 05 giờ 2.2. Sử dụng dao động ký quan sát tín hiệu tại lối vào và trên tải đèn. Thời gian: 03 giờ 2.3. Vẽ giản đồ cho các tín hiệu của bộ điều khiển và trên tải đèn ứng với góc cắt pha α=π/2. Thời gian: 02 giờ 2.4. Thay tải trở bằng tải cảm lặp lại thí nghiệm Thời gian: 03 giờ 2.5. So sánh và giải thích dạng tín hiệu đo được của 2 loại tải trên Thời gian: 02 giờ Bài 5: Bộ biến đổi nguồn DC-DC công suất Thời gian: 10 giờ 1. Mục tiêu bài: - Phân tích được nguyên lý hoạt động của mạch.
- Nhận xét và đánh giá được các kết quả thí nghiệm. - Sử dụng thành thạo thiết bị đo Oscilloscope - Lắp ráp được mạch bộ biến đổi DC-DC công suất - Đo và vẽ được dạng sóng trên tải. - Rèn được tính cẩn thận, phương pháp học tư duy, phát huy tính tích cực, chủ động và sáng tạo trong học tập. 2. Nội dung bài : 2.1. Nối mạch theo sơ đồ Thời gian: 03 giờ 2.2. Sử dụng dao động ký quan sát tín hiệu giữa G và S của TR1. Thời gian: 01 giờ 2.3. Vẽ lại dạng tín hiệu giữa S và Uo-. Đo thế ngõ ra Uo. Thời gian: 01 giờ 2.4. Vặn biến trở P1 để thay đổi tần số máy phát. Ghi kết quả đo Uo ứng với các tần số phát khác nhau. Thời gian: 01 giờ 2.5. Thay tải trở bằng tải cảm lặp lại thí nghiệm. Thời gian: 01 giờ 2.6. So sánh và giải thích dạng tín hiệu đo được của 2 loại tải trên. Thời gian: 01 giờ Kiểm tra Thời gian: 02 giờ IV. Điều kiện thực hiện môn học: 1. Phòng học chuyên môn hóa/nhà xưởng: Xưởng thực tập điện tử. 2. Trang thiết bị máy móc: Bộ thí nghiệm Điện tử công suất, Phần mềm mô phỏng Điện tử công suất PSIM 9.0 cài trên máy tính, màn hình LCD. 3. Học liệu, dụng cụ, nguyên phụ liệu: Tài liệu hướng dẫn môn học, giáo trình môn học, tài liệu tham khảo. 4. Các điều kiện khác: Linh kiện điện tử công suất mẫu. V. Nội dung và phương pháp đánh giá: 1. Nội dung đánh giá : Đánh giá thông qua bài kiểm tra thường xuyên, định kỳ, kiểm tra kết thúc môn học sinh viên cần đạt các yêu cầu sau: - Cấu tạo, nguyên lý hoạt động, những ứng dụng của các linh kiện, mạch điện tử công suất. - Lắp đặt và tính toán thiết kế được những mạch điện tử công suất dùng trong các thiết bị điện tử công nghiệp. - Chấp hành nội qui, qui chế của nhà trường. - Chuẩn bị đầy đủ tài liệu học tập. - Chuẩn bị đầy đủ nội dung tự học, tự nghiên cứu. - Tham gia đầy đủ thời lượng của môn học, tích cực trong giờ học. 2. Phương pháp đánh giá: Các kiến thức và kỹ năng trên được đánh giá qua các điểm tự nghiên cứu, ý thức học tập môn học, kiểm tra thường xuyên, kiểm tra định kỳ và kiểm tra kết thúc môn học: - Điểm môn học bao gồm điểm trung bình các điểm kiểm tra: tự nghiên cứu, kiểm tra thường xuyên, kiểm tra định kỳ có trọng số 0,4 và điểm thi kết thúc môn học có trọng số 0,6. Hình thức, thời gian kiểm tra kết thúc môn học có thể là: thi trắc nghiệm (60 phút → 90 phút) hoặc thi thực hành (30 phút → 45 phút). Hình thức, thời gian kiểm tra cụ thể sẽ được thông báo vào đầu mỗi học kỳ. - Điểm trung bình các điểm kiểm tra là trung bình cộng của các điểm kiểm tra thường xuyên, điểm kiểm tra định kỳ và tự nghiên cứu theo hệ số của từng loại điểm. Trong đó điểm kiểm tra thường xuyên, điểm tự nghiên cứu được tính hệ số 1, điểm kiểm tra định kỳ được tính hệ số 2.
VI. Hướng dẫn thực hiện môn học: 1. Phạm vi áp dụng môn học: Chương trình môn học được sử dụng để giảng dạy trình độ cao đẳng. 2. Hướng dẫn một số điểm chính về phương pháp giảng dạy môn học: - Đối với giảng viên: + Trước khi giảng dạy, giảng viên cần chuẩn bị đầy đủ điều kiện giảng dạy lý thuyết và thiết bị thực hành, hồ sơ bài giảng, phương tiện hỗ trợ, chú trọng sử dụng các phương pháp dạy học tích cực nhằm đảm bảo chất lượng giảng dạy. + Hướng dẫn sinh viên phương pháp học tập, tự học, tự nghiên cứu, tự rèn luyện tay nghề. - Đối với sinh viên: + Tham dự ít nhất 70% thời gian học lý thuyết và làm đầy đủ các bài tập, các yêu cầu của môn học được quy định trong chương trình môn học. + Chuẩn bị nội dung thảo luận nhóm, nội dung tự học tự nghiên cứu khi tới lớp. + Xây dựng kế hoạch tự học, tự nghiên cứu cho cá nhân. - Đối với sinh viên: + Tham dự ít nhất 70% thời gian học lý thuyết và làm đầy đủ các bài tập, các yêu cầu của môn học được quy định trong chương trình môn học. + Chuẩn bị nội dung thảo luận nhóm, nội dung tự học tự nghiên cứu khi tới lớp. + Xây dựng kế hoạch tự học, tự nghiên cứu cho cá nhân. 3. Những trọng tâm cần chú ý: - Các linh liện điện tử công suất cơ bản. - Mạch chỉnh lưu có điều khiển. - Bộ biến đổi áp xoay chiều. 4. Tài liệu tham khảo: [1]. Giáo trình Điện tử công suất, Trường CĐ KTKT Vinatex TPHCM (LHNB). [2]. Tài liệu Thực hành điện tử công suất, Trường CĐ KTKT Vinatex TPHCM (LHNB). [3]. Nguyễn Bính, Điện tử công suất - NXB Khoa học và Kỹ thuật - 1993. [4]. Đỗ xuân Tùng - Trương Tri Ngộ, Điện tử công suất - Nhà xuất bản xây dựng - Hà Nội 1999. [5]. Nguyễn Văn Nhờ, Điện tử công suất, http://tailieu.vn/xem-tai-lieu/dien-tu-cong- suat.283287.html. [6]. Lê Văn Doanh - Nguyễn Bính - Nguyễn Văn Nhờ, Điện tử công suất, http://www.360- books.com/ebooks/book-store/khoa-hoc-ky-thuat/dien-tu-cong-suat.html.
Chương I : Khái quát về Điện Tử Công Suất 1 Chương I : KHÁI QUÁT VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Hiện nay rất nhiều thiết bị biến đổi công suất được đề xuất để phục vụ những yêu cầu ngày càng cao của cuộc sống, ĐTCS đã giúp cho việc sử dụng điện năng một cách hiệu quả, các linh kiện điện tử công suất được sử dụng trong quá trình biến đổi cũng như điều khiển công suất: hiệu quả cao và tổn hao thấp trong lò cao tần, truyền tải điện DC. Các thiết bị ĐTCS mới hiện nay được cải tiến phát triển để nâng cao hiệu suất hơn nữa việc sử dụng năng lượng. ĐTCS đóng vai trò quan trọng trong các mô hình công nghệ và được thiết kế để điều khiển năng lượng. Dòng điện, điện áp và đặc tính đóng ngắt của các linh kiện bán dẫn liên tục được hoàn thiện, phạm vi ứng dụng ngày càng được mở rộng như trong chiếu sáng, bộ nguồn, điều khiển động cơ, tự động hóa công nghiệp, giao thông, lưu trữ năng lượng, truyền tải điện đi xa. Hiệu suất cao và đặc điểm điều khiển chặt chẽ đã giúp cho ĐTCS có lợi thế hơn nhiều trong điều khiển động cơ so với các hệ thống điều khiển cơ điện và điện tử trước đây. Ngoài ra ĐTCS còn được ứng dụng trong truyền tải điện DC , trạm biến đổi công suất, hệ thống truyền tải AC và bù công suất. Trong truyền tải sử dụng biến đổi DC/AC, bộ lọc tích cực, biến đổi tần số. I. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN Lịch sử phát triển của điện tử công suất được bắt đầu vào những cuối thế kỷ 19. - Năm 1882 nhà bác học Pháp J. Jasmin phát minh ra hiện tượng bán dẫn. - Năm 1892 nhà nghiên cứu người Đức L. Arons tạo được hồ quang thủy ngân chân không đầu tiên. Năm 1901 P.C. Hewitt tại Mỹ đã chế tạo ra bộ chỉnh lưu thủy ngân. Năm 1906 J.A.Fleming chế tạo diode chân không đầu tiên. Sau đó G.W. Pickard (USA) chế tạo đèn Silicon. - Đầu đầu thế kỷ XX phần lớn các linh kiện điện tử là các đèn thiratron và đèn initron, chúng có kích thước và khối lượng rất lớn cùng với hệ thống làm mát và hệ thống điều khiển rất phức tạp, với độ tin cậy lại rất thấp. Mặc dù vậy các bộ biến đổi công suất này được ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp cũng như trong hệ thống giao thông công cộng và đường sắt. - Năm 1873 Frederick Guthrie đưa ra nguyên lý hoạt động của diode, cho đến năm 1919 linh kiện diode công suất thực mới ra đời. - Thyristor được phát minh bởi William Shockley vào năm 1950 và được ứng dụng trong công nghiệp vào năm 1958 bởi Moll từ phòng thí nghiệm Bell Labs và hãng General Motor.
Chương I : Khái quát về Điện Tử Công Suất 2 - Transistor đầu tiên được đưa ra vào năm 1925 từ Canada do nhà vật lý học Austrian-Hungarian physicist Julius Edgar Lilienfeld, đến năm 1934 tại Đức nhà vật lý Oskar Heil đã đưa ra một dạng khác của transistor. Tuy nhiên cho đến năm 1948 transistor mới thực sự được hoàn thiện. - IGBT bắt đầu được đề xuất từ năm 1968 bởi Yamagami - Nhật bản và dần dàn được hoàn thiện vào năm 1990. - Cuộc cách mạng đầu tiên trong ĐTCS bắt đầu vào năm 1948 với việc phát minh ra silicon transistor tại phòng thí nghiệm Bell Telephone Laboratories bởi Bardeen, Bratain, and Schockley. Phần lớn công nghệ điện tử tiên tiến ngày nay dựa trên phát minh này, các mô hình microelectronics cũng được phát triển từ linh kiện bán dẫn này. - Cuộc cách mạng thứ hai bắt đầu với việc phát triển của Thyristor trong công nghiệp bởi hãng General Electric Company vào năm 1958. Đây là khởi đầu của kỷ nguyên mới của ĐTCS. Từ đó đến nay có rất nhiều các linh kiện bán dẫn cũng như công nghệ biến đổi được đề xuất và ứng dụng. - Bước phát triển quan trọng nhất là từ 1975 đến 1990 và có tính cách mạng được đánh dấu bởi sự xuất hiện của các transistors cao áp BJT (Bipolar Junction Transistor ) và thyristor điều khiển hoàn toàn GTO (Gate Turn Off Thyristor), sau đó là IGBT (Insuled Gate Bipolar Transistor) và MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). - Điểm đặc biệt của giai đoạn này là kỹ thuật biến đổi năng lượng trên cơ sở tác động nhanh của các bộ biến đổi công suất và vì thế cho phép giảm khối lượng và kích thước đồng thời tăng đáng kể hiệu suất và độ tin cậy. Trong thời gian này xuất hiện nhiều phương pháp điều khiển trong đó có phương pháp điều chế độ rộng xung và sử dụng vi xử lý trong điều khiển. - Sử dụng các bộ biến đổi công suất trong hệ thống điện, trong giao thông, trong luyện kim cũng như các lĩnh vực công nghiệp khác đã tạo đà phát triển kinh tế rất lớn. Ví dụ ở Mỹ hiện nay có 70% năng lượng điện sử dụng được biến đổi từ các bộ biến đổi công suất. - Kỹ thuật biến đổi là ngành khoa học trẻ và đã đạt được thành công rất lớn, tuy nhiên ngày càng nhiều bài toán được đặt ra ở phía trước, nó đòi hởi sự phát triển hơn nữa cả về lý thuyết lẫn thực tế kỹ thuật biến đổi. II. CẤU TRÚC CHUNG CỦA BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT 1. Định nghĩa: Điện tử công suất là môn học nghiên cứu quá trình biến đổi, điều khiển các đại lượng đặc trưng năng lượng điện cho phù hợp với tải như: Dạng điện áp và
Chương I : Khái quát về Điện Tử Công Suất 3 dòng điện (một chiều DC và xoay chiều AC), hình dạng điện áp dòng điện (sin, không sin tuần hoàn, xung). Giá trị điện áp, dòng điện (trị trung bình, trị hiệu dụng, biên độ), tần số… 2. Cấu trúc bộ biến đổi công suất: Sơ đồ khối chung của các bộ biến đổi công suất được trình bày trên hình 1.1 bộ biến đổi công suất biến đổi điện năng với các tham số nguồn đầu vào U1,I1,F1,P1 thành điện năng với tham số đầu ra U2,I2,F2,P2 dưới tác dụng của tín hiệu điều khiển nhờ mạch hồi tiếp. Hình 1.1. Sơ đồ khối của bộ biến đổi công suất Mạch điện tử công suất bao gồm nguồn điện, tải, mạch điện tử công suất và mạch điều khiển. Mạch điện tử công suất bao gồm các linh kiện bán dẫn, bộ phận tản nhiệt, máy biến áp. Mạch điều khiển thu thập thông tin từ nguồn, tải, và giải thuật điều khiển xác định hoạt động của bộ biến đổi để có được kết quả mong muốn. Linh kiện bán dẫn được lựa chọn trên cơ sở công suất định mức của bộ biến đổi công suất cần thiết kế. 3. Các phần tử trong bộ biến đổi công suất: - Các linh kiện bán dẫn công suất. - Các phần tử như tụ điện, cuộn dây, lõi thép. - Các phần tử biến đổi điện từ: máy biến áp lực, máy biến áp đo lường. - Hệ thống điều khiển: các linh kiện điện tử, hay vi xử lý, DSP (bộ xử lý tín hiệu số) - Hệ thống bảo vệ và tín hiệu báo sự cố
Chương I : Khái quát về Điện Tử Công Suất 4 Hình 1.2. Ký hiệu một số linh kiện bán dẫn cơ bản III. CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN VÀ BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT CƠ BẢN Hình 1.3. Sơ đồ nhánh các linh kiện công suất cơ bản 1. Bộ chỉnh lưu - Rectifiers: biến đổi điện áp, dòng điện xoay chiều thành một chiều AC/DC
Chương I : Khái quát về Điện Tử Công Suất 5 2. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều – AC/AC Convertor: biến đổi điện áp xoay chiều có trị hiệu dụng không đổi thành điện áp xoay chiều có trị hiệu dụng thay đổi được 3. Bộ biến đổi điện áp một chiều - Chopper DC/DC: biến đổi điện áp một chiều có trị trung bình không thay đổi thành điện áp một chiều có trị trung bình thay đổi được. 4. Bộ nghịch lưu - DC/AC converters: biến đổi năng lượng từ nguồn điện một chiều không đổi sang dạng năng lượng xoay chiều. 5. Bộ biến tần trực tiếp - AC/AC Converter (Cycloconverter or Frequency Changer): biến đổi điện áp xoay chiều có trị hiệu dụng và tần số không đổi thành điện áp xoay chiều với trị hiệu dụng và tần số thay đổi được. 6. Bộ biến tần gián tiếp AC/DC/AC: chỉnh lưu điện áp xoay chiều ngõ vào sau đó chuyển đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều có trị hiệu dụng điện áp và tần số thay đổi được.
Chương I : Khái quát về Điện Tử Công Suất 6 IV. ỨNG DỤNG CỦA ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT - Với công suất nhỏ hơn 1 W: dùng làm nguồn cho thiết bị công suất nhỏ như điện thoại. - Với công suất nhỏ hơn 1kW: dùng làm nguồn cho thiết bị công suất như máy tính. - Với công suất từ 1kW-1MW: dùng cho điều khiển máy điện, lò cao tần, hệ thống nạp ác quy, hệ thống chiếu sáng, bù công suất phản kháng. - Với công suất 1000MVA: dùng cho truyền tải điện DC đi xa. Hình 1.4. Ứng dụng của điện tử công suất