Hệ thống phát điện sử dụng năng lượng gió

Lời mở đầu

Thế giới đang ngày càng phát triển. Khả năng khai thác thiển
nhiên của con ngời ngày một nâng cao. Nhng những tác động của con
ngời vào thiên nhiên đã làm biến đổi thiên nhiên và ảnh hởng ngợc trở
lại con ngời. Làm thế nào để thu đợc cái mình muốn với hiệu quả cao
nhất và ít tác hại nhất. Đó đang là mục tiêu của loài ngời hiện nay.
Thực hiện mục tiêu đó ngành năng lợng cũng đang dần tìm cho mình
những bớc phát triển mới. Việc nghiên cứu và phát triển các nguồn
năng lợng sạch đang đợc thực hiện ở hầu hết các quốc gia. Các nguồn
năng lợng sạch điển hình nh: năng lợng mặt trời, thuỷ triều, nguồn
năng lợng tận dụng từ rác thải và năng lợng gió. Trong đó năng lợng
gió đang có những bớc phát triển rất đáng kể.

Chơng 1
Hệ thống phát điện bằng sức gió
1.1: Tình hình năng lợng gió trên thế giới và ở Việt nam:
Năng lợng gió ngày càng đợc sử dụng nhiều hơn trong cuộc
sống. Theo thống kê sản lợng điện sản xuất từ gió trên thế giới trong
những năm gần đây là:
1
Năm 1994: 3527.5 MWh
Năm 1995: 4770 MWh
Năm 1996: 6000 MWh
Năm 1997: 7500 MWh
Hiện nay : Trên 10000 MWh
Ta có thể nhận thấy sự gia tăng không ngừng của việc sử dụng
sức gió trong sản suất điện năng. Theo bộ năng lợng Mỹ năm 2003
năng lợng gió có tốc độ phát triển cao nhất: ở Mỹ trong năm 2002-
2003 sản lợng năng lợng gió tăng 159% và ở châu âu sản lợng năng l-
ợng gió tăng 87%.

Điều này cũng dễ hiểu bởi so với các nguồn năng lợng khác
năng lợng gió có những u thế nhất định:
-Không gây ô nhiễm môi trờng
-Không sợ cạn kiệt tài nguyên
-Dễ lắp đặt
Mặt khác có thể chuyển từ 30% đến 40% động lực của năng l-
ợng gió thành điện năng (trong khi đó có thể chuyển 30% - 35% hoá
chất trong than đá thành điện năng). Một máy điện từ gió có công suất
100% có thể hoạt động suốt ngày và lúc nào cũng đầy năng lợng(tỷ lệ
ở than đá là 75% nếu nh hoạt động cả ngày lẫn đêm và suốt một
năm). Trớc đây một Turbine gió có thể cung cấp từ 1.5 triệu kWh đến 4
triệu kWh mỗi năm đủ cho từ 150 đến 400 hộ gia đình sử dụng, giờ đây
với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật con số này chắc hẳn còn cao hơn
nữa.
Từ những u điểm đó của năng lợng gió nhiều nớc trên thế giới
đã có chiến lợc phát triển nguồn năng lợng này. ở Anh hiện tại có
khoảng 1000 Turbine, ớc tính con số này sẽ tăng lên 3000 trong năm
2020 và chiếm 2/3 tổng lợng điện tái sinh vào năm 2010. Đức đất nớc
đang sản xuất 1/3 năng lợng gió trên toàn thế giới dự kiến vào 2010
năng lợng gió sẽ cung cấp 10% nhu cầu năng lợng của cả nớc. Trung
Quốc sản lợng hiện nay là 570MWh ớc tính vào năm 2020 là 20.000
MWh và năm 2030 là 30000 MWh. Theo bộ năng lợng Mỹ chỉ cần phủ
Turbine trên 6% diện tích nớc Mỹ sẽ đáp ứng đủ nhu cầu năng lợng
2
của toàn nớc Mỹ. Tại tỉnh Galixia của Tây Ba Nha một tỉnh rất mạnh về
năng lợng gió ở châu âu một Turbine sản xuất 60 kWh cung cấp đủ
cho 60000 hộ gia đình. Tiềm năng sản xuất điện năng từ gió ở Xrilanca
là 26 000 MWh cao hơn tổng điện năng tiêu thụ ở nớc này.
Việt nam nằm trong khu vực đông nam á có hình chữ S . Là
một phần của bán đảo Đông Dơng, phía bắc giáp với Trung Quốc, phía

tây giáp với Lào và Campuchia, phía nam giáp với Biển Đông và Thái
Bình Dơng, có chiều dài xấp xỉ 1650 km kéo dài từ bắc đến nam và
cũng là đờng giao thông nối liền ấn Độ Dơng và Thái Bình Dơng.
Việt Nam đợc chia thành 3 vùng với vị trí địa lý và điều kiện khí
hậu khác biệt: bắc bộ, trung bộ và nam bộ. Ba phần t lãnh thổ Việt
Nam đợc bao phủ bởi núi đồi và những cánh rừng nhiệt đới. Hệ thống
núi kéo dài từ biên giới phía bắc đến phía đông của nam Việt Nam và
bao phủ diện tích khoảng 1400 km
2
.
Khí hậu của Việt Nam rất phức tạp, mặc dù nằm hoàn toàn
trong vùng nhiệt đới nhng sự khác biệt về vĩ độ, độ cao so với mặt nớc
biển và thời tiết đã tạo ra những biến đổi khí hậu to lớn. Giống nh
Trung quốc phía bắc có hai mùa cơ bản: lạnh và ẩm ớt vào mùa đông
từ tháng 10 đến tháng 4. Thời gian còn lại trong năm là mùa hè ấm và
ma nhiều. Mùa hè có nhiệt độ trung bình của là 22
0
C, đôi khi có những
cơn bão lớn. Khác với phía bắc, phía nam thờng hay ấm, thời gian có
nhiệt độ cao nhất kéo dài từ tháng 3 đến tháng 5 khi nhiệt độ tăng lên
ngoài 30
0
C. Đây cũng là mùa khô ở phía nam, tiếp sau đó là mùa gió
mùa kéo dài từ tháng 4 đến tháng 10.
Lợng ma trung bình hàng năm của Việt Nam là 2300 mm, ở Hà
Nội là 1763 mm, ở Huế là 2867 mm, ở thành phố Hồ Chí Minh là 1910
mm, độ ẩm trung bình là 80% đôi khi lên tới 90% hoặc cao hơn vào
mùa ma.
Sau đây là bảng số liệu thống kê tần số của bão tác động lên bờ
biển Việt Nam:

Tháng 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Năm
Phía bắc
19
0
vĩ độ bắc
- - - 0.04 0.11 0.3 0.47 0.32 0.18 - - 1.42
3
15
0
-18
0
vĩ độ bắc
- - - 0.02 0.04 0.11 0.2 0.15 0.56 0.31 0.02 - 1.35
11
0
-15
0
vĩ độ bắc
- - - 0.02 0.04 0.02 - - 0.07 0.31 0.31 0.05 0.82
Phía nam
11
0
vĩ độ bắc
- - - 0.02 0.02 - - - - 0.02 0.05 0.04 0.15
Do địa hình và tần số của gió trong vùng khí hậu đặc biệt của
Việt Nam mà hớng gió và tốc độ gió ở các vùng khác nhau :
Vùng Tây bắc (Lai Châu, Điện Biên, Sơn La):tốc độ gió
trong khoảng: 0.5 - 1.9 m/s.
Vùng núi phía bắc(Cao Bằng, Lạng Sơn, Sa pa)tốc độ gió
mạnh hơn nằm trong khoảng 1.5 3.1 m/s, mạnh nhất

là 40m/s.
Vùng châu thổ phía bắc(Tam Đảo, Hà Nội): tốc độ gió
nằm trong khoảng: 2.0 3.5 m/s, mạnh nhất 34m/s.
Vùng ven biển từ Móng Cái tới Hòn Gai, Phú Liên, Thanh
Hoá, Vinh, Đồng Hới, : tốc độ gió nằm trong khoảng: 2.4
4.0 m/s, mạnh nhất 50 m/s.
Vùng ven biển từ Huế tới Tuy Hoà(Huế, Đà Năng, Quảng
Ngãi, Quy Nhơn, Tuy Hoà): tốc độ gió nằm trong khoảng:
3.0 5.0 m/s, mạnh nhất 35 m/s.
Vùng ven biển từ Nha Trang tới Rạch Giá(Nha Trang,
Phan Thiết, Vũng Tàu, Phú Quốc, Rạch Giá): tốc độ gió
nằm trong khoảng: 2.4 6.1 m/s, mạnh nhất 30 m/s.
Vùng đồng bằng sông Cửu Long(thành phố Hồ Chí Minh,
Cần Thơ, Cà Mau): tốc độ gió nằm trong khoảng: 2.2
4.0 m/s, mạnh nhất 26 m/s.
Vùng tây nguyên(Đà Lạt, Pleiku ): tốc độ gió nằm trong
khoảng: 2.4 4.5 m/s, mạnh nhất 24 m/s.
Các số liệu đợc lấy ở độ cao 12 m và 01.00 pm.
Những số liệu trên chứng tỏ Việt Nam có một điều kiện hết sức
4
thuận lợi cho việc khái thác năng lợng gió. Một dự án sản xuất điện từ
sức gió ở Việt Nam có từ năm 1997 với địa điểm đợc chọn là bờ biển
bán đảo Phơng Mai thành phố Quy Nhơn và một phần huyện Phú Cát
tỉnh Bình Định.Là dự án hợp tác với đối tác nớc ngoài là Đan Mạch với
tổng số vốn đầu t dự kiến là 25 triệu USD và tổng công suất là 25
MWh.Theo nghiên cứu gần đây của ĐH Bách Khoa thành phố Hồ Chí
Minh nếu đặt 10 Turbine gió chạy dọc bờ biển xã đảo Thạch Anh
huyện Cần Giờ thành phố Hồ Chí Minh có thể thu đợc 2.3 triệu kWh
mỗi năm. Nhng nhìn chung tốc độ phát triển của năng lợng sạch tại
Việt Nam nói chung và năng lợng gió nói riêng còn rất hạn chế. Mặt

khác thủy điện Hoà Bình, Vĩnh Sơn, Sông Hinh, Đa Nhim, Trị An,
Yaly chỉ hoạt động khoảng 40% công suất thiết kế và cùng với nhiệt
điện thủy điện dang ngày càng không đáp ứng đợc yêu cầu sử dụng.
Vì vậy một yêu cầu cấp thiết đợc đặt ra là cần tìm hiểu để có các biện
pháp thúc đẩy việc phát triển hệ thống phát điện bằng năng lợng gió
tại Việt Nam .
5
1.2:Nguyên lý hoạt động:
Trong điều
kiện có gió
nhờ hệ gồm ba cánh quạt mà chuyển động của gió đợc chuyển thành
chuyển động quay của Roto. Khi Roto chuyển động sẽ làm từ thông
trong máy phát biến thiên và chuyển động quay của Roto đợc biến đổi
thành điện năng qua máy phát. Điện năng này đợc đa khỏi máy phát
nhờ hai vòng tiếp xúc và chổi than. Sau đó đợc chỉnh lu qua mạch
chỉnh lu cầu 3 pha không điều khiển và lọc bằng bộ lọc LC. Dòng điện
một chiều này sẽ đợc chuyển trực tiếp thành dòng điện một pha với trị
số hiệu điện thế hiệu dụng là 220 V và tần số 50 Hz qua bộ nghịch lu 1
pha hoặc đợc tăng thế qua bộ biến đổi dòng 1 chiều và chuyển thành
dòng điện xoay chiều 3 pha 380V/220V/50Hz thông qua bộ ngịch lu 3
pha dùng Tranzitor công suất.
Trong trờng hợp tốc độ gió lớn(>16m/s - do dồng hồ đo tốc độ
gió cung cấp) hệ thống bảo vệ quá tốc độ sẽ làm việc. Hệ thống này
sẽ điều khiển Turbine lệch khỏi hớng có gió mạnh, điều này khiến tốc
độ quay của Roto sẽ giữ ở giá trị định mức. Trong trờng hợp khẩn cấp
bộ phanh đợc lắp trên trục Roto sẽ siết chặt và dừng hẳn Roto lại.
1.3:Cấu tạo turbine:
6
Bộ biến tần
Gió

Turbine






Anemometer: thiết bị đo gió đo tốc độ và truyền tốc độ đo gió tới bộ
điều khiển
Blade-Cánh Turbine: Gió chạy qua làm quay cánh và tạo nên
chuyển động quay
Brake-Bộ phanh: Dừng Roto trong trờng hợp khẩn thiết bằng máy
móc,điện hoặc nớc
Controller: Khởi động hệ thống khi tốc độ gió phù hợp và dừng lại
khi gió có tốc độ vợt quá tốc độ cho phép.
Gear box - Hộp số: Nối giữa trục quay trậm và trục quay nhanh của
Roto làm tốc độ của trục quay nhanh gấp hàng chục lần so với
quay trậm.
Generator - Máy phát: Phát ra công suất điện xoay chiều với tần số
thiết kế.
Hight-speed sharf - trục quay nhanh: làm quay máy phát.
Low speed sharf - trục quay trậm: quay với tốc độ ban đầu khi gió
7
tác dụng vào các cánh quạt.
Nacellce - vỏ: bao bọc và bảo vệ các thành phần của Turbine dới
tác dụng cơ học từ bên ngoài.
Pitch: Điều chỉnh độ nghiêng của cánh quạt để đón gió theo yêu
cầu.
Roto: Bao gồm cánh và trục.
Tower- tháp gió: nâng toàn bộ Turbine để đón gió.

Wind direction: Hớng gió thổi tới.
Wind Vane: Xác định hớng gió và truyền tới bộ phận lái nghiêng đề
điều khiển hớng của Turbine.
Yaw Driver: Điều chỉnh hớng của Turbine thay đổi cho phù hợp với
hớng gió.
Yaw motor: làm xoay Yaw Driver.
1.4:Đề xuất mô hình hệ thống phát điện bằng năng lợng gió
công suất nhỏ(20kW):
1.4.1:S khi:
Sơ đồ khối sẽ cung cấp các thông tin kỹ thuật của từng thành
phần đơn lẻ. Trong đó Turbine máy phát roto và bộ điều khiển trung
tâm là thành phần chính của hệ thống.
Roto của Turbine có hệ thống gồm 3 cánh quạt đặt lệch nhau 120
o
để đón gió. Nhờ những cánh quạt này mà lực tác dụng của gió sẽ đợc
chuyển thành chuyển động quay của roto.
Máy phát có nhiệm vụ chuyển năng lợng quay thành năng lợng
điện. Nó sử dụng nam châm vĩnh cửu và có một bộ biến đổi cấu hình.
Máy phát đợc thiết kế để có thể biến đổi những chuyển động quay nhỏ
thành công suất điện.
Để đa điện từ máy phát ra mạch biến đổi năng lợng ngời ta sử
dụng các vòng tiếp xúc và chổi than. Trong mạch biến đổi năng lợng
8
điện áp ba pha từ máy phát trớc tiên đợc chỉnh lu sau đó sẽ qua bộ
nghịch lu một pha để thu đợc dòng điện xoay chiều một pha mong
muốn là 220V/50Hz hoặc qua bộ tăng thế rồi qua bộ nghịch lu ba pha
và cho ra dòng điện 380V/220V/50Hz. Để tăng độ bằng phẳng của
điện áp sau chỉnh lu ngời ta sử dụng bộ lọc LC. Một bộ nạp ác quy đợc
mắc song song với tụ C
d

và đợc điều khiển bằng bộ điều khiển nạp ác
quy.
Để giúp cho máy phát luôn làm việc ổn định môt bộ bộ điều khiển
khởi động đợc lắp đặt. Bộ điều khiển này sẽ đặt một điện áp lên đầu ra
máy phát và tinh chỉnh hoạt động của máy.
Một mạch điện bao gồm một bộ biến tần xoay chiều và 3 điện trở
sẽ tiêu tán một phần năng lợng trong trờng hợp công suất của máy
tăng quá cao hoặc tải không tiêu thụ hết công suất của máy phát.
Ngoài ra còn có một bộ phanh lắp trực tiếp vào thân roto để giảm tốc
độ quay của roto khi cần thiết.
Các thành phần đều đợc đóng ngắt vào hệ thống qua các
Contactor đợc điều khiển bằng PLC. Bộ điều khiển PLC sẽ tuỳ theo
tốc độ gió do đồng hồ đo tốc độ gió cung cấp và yêu cầu sử dụng mà
truyền các lệnh điều khiển phù hợp điều hành hoạt động của hệ thống.
9
10
1.4.1:Sơ đồ nối dây:
Cùng với sơ đồ khối sơ đồ cấu trúc sẽ cho chúng ta biết rõ
hơn về các thành phần trong hệ thống phát điện bắng sức gió. Cụ thể
là trong sơ đồ cấu trúc mạch chỉnh lu đợc sử dụng là mạch chỉnh lu
cầu không điều khiển bằng Diode và mạch nghịch lu sử dụng
Transistor công suất. Sơ đồ cấu trúc cũng chỉ rõ cách kết nối giữa các
thành phần và phân bố đầu ra tải.
11
12
1.4.3:Các thông số hoạt động của Turbine loại 20kW:
Tốc độ gió bắt đầu làm việc 2.5m/s
Tốc độ gió cắt 3.0m/s
Tốc độ gió định mức 14m/s
Tốc độ gió cụp lại 17m/s

Tốc độ gió lớn nhất 50m/s
Tốc độ quay của Turbine 70-160 vòng/phút
Đờng kính Roto 10.4m
Chiều dài Roto 5m
Khối lợng 750kg, 1 cánh :24.1kg
Nhiệt độ cho phép -10 đến 50
0
C
Công suất định mức 20kW
Điện áp định mức 220V AC điện điện áp dây
3 pha đấu sao
Dòng địên định mức 550A AC
Tần số tần số xoay chiều thay đổi
Điện trở stato 0.4 trên một pha(ở 180
0
C)
0.254 trên một pha(ở 20
0
C)
Roto Nam châm vĩnh cửu
Số cực 36
Điện áp tiêu chuẩn 240V một chiều
13
1.4.4:PLC S7-200:
Là chơng trình điều khiển toàn bộ hệ thống phát điện bằng
sức gió. Chơng trình này điều khiển tất cả các quá trình biến đổi và
sắp xếp các phản ứng lại tơng ứng với chúng, Những căn cứ để chọn
các thành phần là hiệu quả làm việc của các vi sử lý, số lợng tín hiệu
số và tơng tự ra vào, dung lợng bộ nhớ, tốc độ sử lý của con vi sử lý.
Tuy nhiên tốc độ của những bộ vi sử lý đóng vai trò không quan trọng

trong hệ thống này.
Sau đây là 2 cấu trúc điều khiển đợc cung cấp bởi Siemens:
Cấu trúc 1:
+:> CPU 224XP: 14DI/10DO/2AI/1AO, 24V, Dung lợng
bộ nhớ là 10240 Bytes,2 cổng giao tiếp(nr.of order :
6ES7 214 -2AD23 -0XB0)
+:> EM 231 AI, 4 đầu vào( nr.of order: 6ES7 231
-0HC22 -0XA0)
+:> Khi có hơn 4 đầu vào có thể chọn:
EM 222 DO, 8*24V DC( nr.of order: 6ES7 222 -1BF22
-0XA0)
Cấu trúc 2:
+:> CPU 224: 14DI/10DO, 24V, Dung lợng bộ nhớ là
8192 Bytes, 1 cổng giao tiếp(nr.of order: 6ES7 214 -1AD23
-0XB0)
+:> EM 235 AI/AO, 4 đầu vào/1 đầu ra( nr.of order :
6ES7 235 -0KD22 -0XA0)
+:> EM 231 AI, 4 đầu vào( nr.of order: 6ES7 231
14
-0HC22 -0XA0)
+:> Khi có hơn 4 đầu vào có thể chọn:
EM 222 DO, 8*24V DC( nr.of order: 6ES7 222 -1BF22
-0XA0)
1.4.5:Mạch biến đổi năng lợng:
15
Sơ đồ mạch:
M
ạch
biến
đổi

năng lợng bao gồm:
+> Mạch chỉnh lu cầu ba pha dùng Diode có chức năng biến đổi
điện áp xoay chiều từ máy phát thành điện áp một chiều.
+> Bộ lọc LC có chức năng làm giảm độ nhấp nhô của điện áp
một chiều sau chỉnh lu.
16
+> Hai mạch nghịch lu với chức năng biến điện áp một chiều
sau khi đợc bộ lọc LC nâng cao chất lợng thành điện áp xoay chiều với
tần số theo yêu câu: nghịch lu một pha dùng tranzitor công suất biến
đổi trực tiếp điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều một pha
220V/50Hz cung cấp cho lới điện sinh hoạt và nghịch lu ba pha dùng
tranzitor công suất biến đổi điện áp một chiều sau bộ lọc LC sau khi đ-
ợc tăng thế qua bộ tăng thế một chiều thành điện áp xoay chiều 3 pha
380V/220V/50Hz cung cấp cho lới điện công nghiệp.
1.4.6:Hệ thống điện trở tiêu tán:
Sơ đồ :


Hệ thống đợc đóng trực tiếp vào sơ đồ thông qua Contactor S2.
Hệ thống bao gồm 3 điện trở đợc nối hình sao mỗi điện trở đựơc mắc
nối tiếp với một cặp Thyristor. Lợng công suất mà hệ thống tiêu thụ
phụ thuôc vào góc mở của các Thyristor và đợc điều bằng hệ thông
PLC. Việc đóng ngắt hệ thống này không ảnh hởng đến hoạt động của
máy phát nhng công suất cung cấp của máy phát sẽ bị tiêu tán một
phần ở đây.
Tùy theo góc mở ta có bảng sau:
0
0
60
0

Z=R
=




U
U
L
L



2sin
4
3
2
3
1

+


17
60
0
90
0
Z=R

=
90
0
150
0
Z=R
=
Tại = 60
0
công suất tiêu tán của hệ mạch là 20kW
Tại = 0
0
công suất tiêu tán của mạch đạt giá trị lớn nhất là
25kW từ đó ta tính đợc giá trị của điện trở:

Chơng 2
điện tử công suất
2.1:Diode, tranzitor,tiristor công suất:
2.1.1:Diode công suất
2.1.1.1: Cấu tạo:



U
U
L
L

)302sin(
4

3
4
33
2
1
+

+






U
U
L
L

)602sin(
4
3
2
3
4
5
+

+

=R
)(2
3
2
tP
U
=
P
U
Max
N
2
3
)2(
2
=
P
U
Max
N
2
3
18
( b )
Anốt

Katốt
( a )
- +
- +
- 0
q
N
P
d
NP
Hình 2.1
a). Cấu tạo của diode.
b). Ký hiệu của diode.
Diode công suất là linh kiện bán dẫn có hai cực, đợc cấu tạo bởi
một lớp bán dẫn N và một lớp bán dẫn P ghép lại.
Silic là một nguyên tố hóa học thuộc nhóm IV trong bảng hệ thống
tuần hoàn. Silic có 4 điện tử thuộc lớp ngoài cùng trong cấu trúc
nguyên tử. Nếu ta kết hợp thêm vào một nguyên tố thuộc nhóm V mà
lớp ngoài cùng có 5 điện tử thì 4 điện tử của nguyên tố này tham gia
liên kết với 4 điện tử tự do của Silic và xuất hiện một điện tử tự do.
Trong cấu trúc tinh thể, các điện tử tự do làm tăng tính dẫn điện. Do
điện tử có điện tích âm nên chất này đợc gọi là chất bán dẫn loại N
(negative), có nghĩa là âm.
Nếu thêm vào Silic một nguyên tố thuộc nhóm III mà có 3
nguyên tử thuộc nhóm ngoài cùng thì xuất hiện một lổ trống trong cấu
trúc tinh thể. Lỗ trống này có thể nhận 1 điện tử, tạo nên điện tích dơng
và làm tăng tính dẫn điện. Chất này đợc gọi là chất bán dẫn loại P
(positive), có nghĩa là dơng.
Trong chất bán dẫn loại N điện tử là hạt mang điện đa số, lỗ
trống là thiểu số. Với chất bán dẫn loại P thì ngợc lại.

ở giữa hai lớp bán dẫn là mặt ghép PN. Tại đây xảy ra hiện tợng
khuếch tán. Các lỗ trống của bán dẫn loại P tràn sang N là nơi có ít lỗ
trống. Các điện tử của bán dẫn loại N chạy sang P là nơi có ít điện tử.
Kết quả tại mặt tiếp giáp phía P nghèo đi về diện tích dơng và giàu lên
về điện tích âm. Còn phía bán dẫn loại N thì ngợc lại nên gọi là vùng
điện tích không gian dơng.
Trong vùng chuyển tiếp (-,) hình thành một điện trờng nội tại.
Ký hiệu là E
i
và có chiều từ N sang P hay còn gọi là barie điện thế
(khoảng từ 0,6V đến 0,7V đối với vật liệu là Silic). Điện trờng này ngăn
cản sự di chuyển của các điện tích đa số và làm dễ dàng cho sự di
chuyển của các điện tích thiểu số
(điện tử của vùng P và lổ trống của vùng N). Sự di chuyển của các
19
điện tích thiểu số hình thành nên dòng điện ngợc hay dòng điện rò.
2.1.1.2:Nguyên lý hoạt động:
Hình 2. 2
a). Sự phân cực thuận diode.
b). Sự phân cực ngợc diode.
Khi đặt diode công suất dới điện áp nguồn U có cực tính nh hình
vẽ, chiều của điện trờng ngoài ngợc chiều với điện trờng nội E
i
. Thông
thờng U > E
i
thì có dòng điện chạy trong mạch, tạo nên điện áp rơi trên
diode khoảng 0,7V khi dòng điện là định mức. Vậy sự phân cực thuận
hạ thấp barie điện thế. Ta nói mặt ghép PN đợc phân cực thuận.
Khi đổi chiều cực tính điện áp đặt vào diode, điện trờng ngoài sẽ

tác động cùng chiều với điện trờng nội tại E
i
. Điện trờng tổng hợp cản
trở sự di chuyển của các điện tích đa số. Các điện tử của vùng N di
chuyển thẳng về cực dơng nguồn U làm cho điện thế vùng N vốn đã
cao lại càng cao hơn so với vùng P. Vì thế vùng chuyển tiếp lại càng
rộng ra, không có dòng điện chạy qua mặt ghép PN. Ta nói mặt ghép
PN bị phân cực ngợc. Nếu tiếp tục tăng U, các điện tích đợc gia tốc,
gây nên sự va chạm dây chuyền làm barie điện thế bị đánh thủng.
Đặc tính volt-ampe của diode công suất đợc biểu diễn gần đúng
bằng biểu thức sau: I = I
S
[ exp (eU/kT) 1 ] ( 1. 1 )
Trong đó:
20
( a )
+ -
U
E
i
P N
( b )
- +
U
E
i
P N
- I
S
: Dòng điện rò, khoảng vài chục mA

- e = 1,59.10
- 19
Coulomb
- k = 1,38.10
- 23
: Hằng số Bolzmann
- T = 273 + t
0
: Nhiệt độ tuyệt đối (
0
K)
-

t
0
: Nhiệt độ của môi trờng (
0
C)
- U : Điện áp đặt trên diode (V)
Đặc tính volt-ampe của diode gồm có hai nhánh:
1. Nhánh thuận
2. Nhánh ngợc
Khi diode đợc phân cực thuận dới điện áp U thì barie điện thế E
i
giảm xuống gần bằng 0. Tăng U, lúc đầu dòng I tăng từ từ cho đến khi
U lớn hơn khoảng 0,1V thì I tăng một cách nhanh chóng, đờng đặc tính
có dạng hàm mũ.
Tơng tự, khi phân cực ngợc cho diode, tăng U, dòng điện ngợc
cũng tăng từ từ. Khi U lớn hơn khoảng 0,1V dòng điện ngợc dừng lại ở
giá trị vài chục mA và đợc ký hiệu là I

S
. Dòng I
S
là do sự di chuyển của
các điện tích thiểu số tạo nên.
Nếu tiếp tục tăng U thì các điện tích thiểu số di chuyển càng dễ
dàng hơn, tốc độ di chuyển tỉ lệ thuận với điện trờng tổng hợp, động
năng của chúng tăng lên. Khi U = U
Z
thì sự va chạm giữa các điện
tích thiểu số di chuyển với tốc độ cao sẽ bẻ gảy đợc các liên kết
nguyên tử Silic trong vùng chuyển tiếp và xuất hiện những điện tử tự
do mới. Rồi những điện tích tự do mới này chịu sự tăng tốc của điện tr-
ờng tổng hợp lại tiếp tục bắn phá các nguyên tử Silic. Kết quả tạo một
phản ứng dây chuyền làm cho dòng điện ngợc tăng lên ào ạt và sẽ
21
Hình 2. 3
Đặc tính volt-ampe của diode.
I
U
U
Z
U

1
2
phá hỏng diode. Do đó, để bảo vệ diode ngời ta chỉ cho chúng hoạt
động với giá trị điện áp: U = (0,7 0,8)U
Z
.

Khi diode hoạt động, dòng điện chạy qua diode làm cho diode
phát nóng, chủ yếu ở tại vùng chuyển tiếp. Đối với diode loại Silic,
nhiệt độ mặt ghép cho phép là 200
0
C. Vợt quá nhiệt độ này diode có
thể bị phá hỏng. Do đó, để làm mát diode, ta dùng quạt gió để làm
mát, cánh tản nhiệt hay cho nớc hoặc dầu biến thế chảy qua cánh tản
nhiệt với tốc độ lớn hay nhỏ tùy theo dòng điện.
Các thông số kỹ thuật cơ bản để chọn diode là:
- Dòng điện định mức I
đm
(A)
- Điện áp ngợc cực đại U
ngmax
( V )
- Điện áp rơi trên diode U ( V )

2.1.1.3:ứng dụng:
ứng dụng chủ yếu của diode công suất là chỉnh lu dòng điện
xoay chiều thành dòng điện một chiều cung cấp cho tải.
Các bộ chỉnh lu của diode đợc chia thành hai nhóm chính:
- Chỉnh lu bán kỳ hay còn gọi là chỉnh lu nửa sóng.
- Chỉnh lu toàn kỳ hay còn gọi là chỉnh lu toàn sóng.
2.1.2:Tranzitor công suất:
2.1.2.1:Cấu tạo:
Transistor là linh kiện bán dẫn gồm 3 lớp: PNP hay NPN.
22

Hình 2. 4 Transistor PNP:
a). Cấu tạo

b). Ký hiệu
( b )
C
B
E
( a )
E
B
C
N
P
P
Hình2.5:Transistor NPN:
a). Cấu tạo
b). Ký hiệu
( a )
E
C
B
P
N
N
C
B
E
( b )
Về mặt vật lý, transistor gồm 3 phần: phần phát, phần nền và
phần thu. Vùng nền (B) rất mỏng.
Transistor công suất có cấu trúc và ký hiệu nh sau:
Hình 2. 6 Transistor công suất

a). Cấu trúc b). Ký hiệu
2.1.2.2:Nguyên lý hoạt động:
23
( b )
( a )
E
I
C
B
U
BE
I
E
C
I
B
U
CE
E
B
C



Base
p
-
I
E
+

I
C
I
E
Colecto
r
Emiter
C
CE
E
N




N
p



-
+
R
E
U
EE
U
CC

R

C




P
Hình 2. 7
Sơ đồ phân cực transistor.
Điện thế U
EE
phân cực thuận mối nối B - E (PN) là nguyên nhân
làm cho vùng phát (E) phóng điện tử vào vùng P (cực B). Hầu hết các
điện tử (electron) sau khi qua vùng B rồi qua tiếp mối nối thứ hai phía
bên phải hớng tới vùng N (cực thu), khoảng 1% electron đợc giữ lại ở
vùng B. Các lỗ trống vùng nền di chuyển vào vùng phát.
Mối nối B - E ở chế độ phân cực thuận nh một diode, có điện
kháng nhỏ và điện áp rơi trên nó nhỏ thì mối nối B - C đợc phân cực
ngợc bởi điện áp U
CC
. Bản chất mối nối B - C này giống nh một diode
phân cực ngợc và điện kháng mối nối B - C rất lớn.
Dòng điện đo đợc trong vùng phát gọi là dòng phát I
E
. Dòng điện
đo đợc trong mạch cực C (số lợng điện tích qua đờng biên CC trong
một đơn vị thời gian là dòng cực thu I
C
).
Dòng I
C

gồm hai thành phần:
- Thành phần thứ nhất (thành phần chính) là tỉ lệ của hạt electron
ở cực phát tới cực thu. Tỉ lệ này phụ thuộc duy nhất vào cấu trúc của
transistor và là hằng số đợc tính trớc đối với từng transistor riêng biệt.
Hằng số đã đợc định nghĩa là . Vậy thành phần chính của dòng I
C
là
I
E
. Thông thờng = 0,9 0,999.
- Thành phần thứ hai là dòng qua mối nối B - C ở chế độ phân
cực ngợc lại khi I
E
= 0. Dòng này gọi là dòng I
CBO
nó rất nhỏ.
- Vậy dòng qua cực thu: I
C
= I
E
+ I
CBO
.
* Các thông số của transistor công suất:
- I
C
: Dòng colectơ mà transistor chịu đợc.
- U
CEsat
: Điện áp U

CE
khi transistor dẫn bão hòa.
- U
CEO
: Điện áp U
CE
khi mạch badơ để hở, I
B
= 0 .
- U
CEX
: Điện áp U
CE
khi badơ bị khóa bởi điện áp âm, I
B
< 0.
- t
on
: Thời gian cần thiết để U
CE
từ giá trị điện áp nguồn U giảm
xuống
U
CESat
0.
- t
f
: Thời gian cần thiết để i
C
từ giá trị I

C
giảm xuống 0.
24
- t
S
: Thời gian cần thiết để U
CE
từ giá trị U
CESat
tăng đến giá trị điện
áp nguồn U.
- P: Công suất tiêu tán bên trong transistor. Công suất tiêu tán
bên trong transistor đợc tính theo công thức: P = U
BE
.I
B
+ U
CE
.I
C
.
- Khi transistor ở trạng thái mở: I
B
= 0, I
C
= 0 nên P = 0.
- Khi transistor ở trạng thái đóng: U
CE
= U
CESat

.
Trong thực tế transistor công suất thờng đợc cho làm việc ở chế
độ khóa: I
B
= 0, I
C
= 0, transistor đợc coi nh hở mạch. Nhng với dòng
điện gốc ở trạng thái có giá trị bão hòa, thì transistor trở về trạng thái
đóng hoàn toàn. Transistor là một linh kiện phụ thuộc nên cần phối
hợp dòng điện gốc và dòng điện góp. ở trạng thái bão hòa để duy trì
khả năng điều khiển và để tránh điện tích ở cực gốc quá lớn, dòng điện
gốc ban đầu phải cao để chuyển sang trạng thái dẫn nhanh chóng. ở
chế độ khóa dòng điện gốc phải giảm cùng qui luật nh dòng điện góp
để tránh hiện tợng chọc thủng thứ cấp.
Hình 2. 8 Trạng thái dẫn và trạng thái bị khóa
a). Trạng thái đóng mạch hay ngắn mạch I
B
lớn, I
C
do tải giới hạn.
b). Trạng thái hở mạch I
B
= 0.
Các tổn hao chuyển mạch của transistor có thể lớn. Trong lúc
chuyển mạch, điện áp trên các cực và dòng điện của transistor cũng
lớn. Tích của dòng điện và điện áp cùng với thời gian chuyển mạch tạo
nên tổn hao năng lợng trong một lần chuyển mạch. Công suất tổn hao
chính xác do chuyển mạch là hàm số của các thông số của mạch phụ
tải và dạng biến thiên của dòng điện gốc.
25

( b )
( a )
I
C
U
CE
b
a
U
CE
I
C
I
C