Giao trinh bai tap ch2 5786

Slides ĐTCS&ƯD

Được phép mang vào phòng thi

2 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD

Được phép mang vào phòng thi

Điện Tử Công Suất và Bộ Biến Đổi:
- Các tên gọi:

Môn học

ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT và ỨNG DỤNG

( Mạch điện tử công suất, điều khiển và ứng dụng )

Điện tử công suất
(Power Electronics)
Điện tử công suất lớn.
Kỹ thuật biến đổi điện năng.

BBĐ

- ĐTCS: bộ phận của Điện tử ứng dụng hay Điện tử công nghiệp.
- Phân loại các bộ Biến Đổi (BBĐ - Converter) theo mục đích:
AC --> DC: chỉnh lưu
AC --> AC: BBĐ áp AC, Biến tần.
DC --> DC: BBĐ áp DC
DC --> AC: Nghòch lưu
- Bộ Biến Đổi = Mạch ĐTCS + bộ ĐIỀU KHIỂN

- Tải: Các thiết bò, mạch sử dụng năng lượng điện: R, RL, động cơ..


3 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD

Được phép mang vào phòng thi

VAI TRÒ CỦA ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT:

4 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD

Được phép mang vào phòng thi

- Cung cấp, biến đổi năng lượng:
Năng lượng mặt trời, gió, accu (hóa năng)
Đèn LED, huỳnh quang (neon)
Bộ nguồn một chiều (DC)
- Bộ phận chấp hành cho HT điều khiển:
Nhiệt độ
Động cơ: công nghiệp, robot
CÁC BÀI TOÁN:
- Điều khiển ngỏ ra: Áp dòng Ỉ đặc tính tải (tốc độ, vò trí,
nhiệt độ…)
- Hiệu suất biến đổi năng lượng

Tài liệu tham khaœo:
- tiếng Anh: - M.H. Rashid, POWER ELECTRONICS – Circuits,
devices and applications, Pearson Education Inc.,
Pearson Prentice Hall 2004.
- tiếng Việt: - PTS. Nguyễn văn Nhờ, Điện tủ công suất & Bài

tập, ĐHBK TP HCM
- NGUYỄN BÍNH, Điện tủ công suất, Hànội, nhà
xuất bản KHKT
- Điện tử công suất và điều khiển động cơ điện,
(dòch từ tiếng Anh)


5 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD

Nội dung:

Được phép mang vào phòng thi

Chương 1: Mở đầu
Chương 2: Linh kiện điện tử công suất
Chương 3: BBĐ điều khiển pha
Chương 4: BBĐ áp một chiều
Chương 5: Nghòch lưu và biến tần nguồn áp
Chương 6: Bộ nguồn một chiều
Chương 7: Điều khiển động cơ
- tải tài liệu tham khảo, softwares:
/>- chương trình mô phỏng PSIMDEMO (mới nhất):

/>- BKel môn học: Bài giảng – slides môn học, Bài tập

6 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD

Được phép mang vào phòng thi

ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔN HỌC:

Bài thi cuối kỳ

60%

Kiểm tra giữa kỳ

20%

Bài tập :

20%


7 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD

Chương 1:

Mở đầu

Được phép mang vào phòng thi

1.1 Khái niệm chung: Bộ biến đổi và ngắt điện điện tử
1.2 Nội dung và phương pháp khảo sát mạch điện tử
công suất
1.3 Tính chọn linh kiện công suất
1.4 Bảo vệ linh kiện công suất và bộ biến đổi

8 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD

I.1 CÁC KHÁI NIỆM:

Được phép mang vào phòng thi

1. Bộ Biến Đổi:

- Mạch ĐTCS sử dụng Ngắt Điện Bán Dẫn NĐBD (Ngắt
Điện Điện Tử – SEMICONDUCTOR SWITCH)
Ví dụ về Ngắt Điện Điện Tử: Diod, Transistor, SCR ...
- BBĐ còn có thể phân loại theo phương thức hoạt động của
NĐBD.
2. Ngắt điện bán dẫn:
Là các linh kiện điện tử:
- Làm việc trong chế độ đóng ngắt.
- Được lý tưởng hóa để các khảo sát của mạch ĐTCS có giá
trò tổng quát.


9 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD

Được phép mang vào phòng thi

- DIODE ( chỉnh lưu ):

ON : khi phân cực thuận: VAK > 0, sụt áp thuận VF = 0,
dòng phụ thuộc mạch.
OFF : khi phân cực ngược: VAK < 0, hở mạch.

10 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD

Được phép mang vào phòng thi

- SCR ( Chỉnh lưu có điều khiển ):
OFF : Có thể ngắt mạch hai chiều ( VAK > 0 và VAK < 0 ) khi G = 0.
ON : Dẫn điện (đóng mạch) khi G ≠ 0 và phân cực thuận VAK > 0.
SCR có khả năng tự giữ trạng thái dẫn điện:

khi đã ON, SCR chỉ OFF khi IA -> 0.
G

Diode

NDBDMC

G

SCR

Diode

NDBDMC

SCR


11 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD

Được phép mang vào phòng thi

- Ngắt điện bán dẫn một chiều (NĐBDMC) - gọi tắt là ngắt điện hay
TRANSISTOR:

VS luôn luôn > 0 : không phân cực ngược

12 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD

I.2 NỘI DUNG KHẢO SÁT MẠCH ĐTCS:

Được phép mang vào phòng thi

Đầu vào khảo sát : Mạch ĐTCS + tín hiệu điều khiển NĐBD + tải.
Đầu ra: hoạt động của mạch: u(t), i(t) các phần tử

OFF : Ngắt mạch khi G = 0.

Số đo => Các đặc trưng áp, dòng, công suất

ON : Dẫn điện (đóng mạch) khi G ≠ 0

1. Các đặc trưng áp, dòng:

Có hai loại chính :
BJT (G là dòng cực B), MOSFET công suất (G là áp VGS).

- Giá trò cực đại:

Trong thực tế, NGẮT ĐIỆN là linh kiện hay tổ hợp linh kiện điện tử.

- Giá trò trung bình VO, IO
- Giá trò hiệu dụng VR, IR
Các biểu thức cho dòng điện trung bình và hiệu dụng:

G

Diode

IO =
NDBDMC

SCR

2
1
1
⎡⎣i(t) ⎤⎦ dt <1.1>
i(t)dt ; I R =
∫
∫
T T
T T

Biểu thức cho điện áp VO, VR có dạng tương tự.
- Một số nhận xét về qua hệ HD và TB


13 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD

2. Sóng hài bậc cao và hệ số hình dáng:

Được phép mang vào phòng thi

14 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD

Được phép mang vào phòng thi

Phân tích các thành phần Fourier tín hiện răng cưa (o).
Sóng hài bậc 1 (cơ bản) (a), bậc 2 (b), bậc 3 (c) và tổng (d) = (a)+(b)+c).

Tổng hợp các thành phần Fourier xung vuông đến các sóng hài
(harmonics) khác nhau


15 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD

Được phép mang vào phòng thi

Khai triễn FOURIER dạng áp ra (làm việc có chu kỳ):
∞

∞

n=1

n=1

v(t) = VO + ∑ ( An sin nω t +Bn cos nω t) = VO + ∑ vn với
An =

2
v(t) ⋅ sin nω t ⋅ dt
T ∫T

Vn = A + B
2
n

2
n

Bn =

⎡A ⎤
ϕn = tg ⎢ n ⎥
⎣ Bn ⎦
−1

vn = Vn sin(nω t − ϕn )

2
v(t) ⋅ cos nω t ⋅ dt
T ∫T

và

1 ∞
VR = V + ∑ Vn2
2 n=1
2
o

trong đó :
V0 : trò số trung bình ( thành phần một chiều ) của v(t)

ω : tần số góc của v(t), chu kỳ T=ω/2π .
vn: sóng hài bậc n – có tần số nω
An , Bn : các thành phần sin, cos của sóng hài bậc n
Vn , ϕn : biên độ và lệch pha của sóng hài bậc n .
VR : Trò hiệu dụng của v(t).

16 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD

Hệ số hình dạng (form factor):

Được phép mang vào phòng thi

Giá trò hữu dụng:

tỉ số giữa giá trò hữu dụng DC: trò số trung bình UO
và giá trò hiệu dụng.
AC: trò số hiệu dụng hài bậc 1 là U1R
thường được tính cho bộ biến đổi có ngỏ ra xoay chiều:

KFAC =

U1R

UR

U1R : trò số hiệu dụng sóng hài bậc 1 (cơ bản) áp ra
UR : trò số hiệu dụng áp ra

Độ biến dạng (THD - TOTAL HARMONIC DISTORTION):
Độ biến dạng thường biểu diễn theo %

U R2 − U12R
THD =
U1R
Ta cũng có thể đònh nghiã tương tự với bộ biến đổi có ngỏ ra một chiều:
U
UO : trò số trung bình áp ra
KFDC = o
U R UR : trò số hiệu dụng áp ra

THD =

U R2 − U o2
Uo


17 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD

3. Công suất và hệ số công suất:

Được phép mang vào phòng thi

- Công suất tác dụng (trung bình) P hay PO : năng lượng sử
dụng trong một đơn vò thời gian.

18 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD

4. Phương pháp nghiên cứu mạch:

Mạch điện tử công suất = tổ hợp nhiều mạch tuyến tính thay
đổi theo trạng thái của các ngắt điện

- Công suất biểu kiến S : tích số giá trò hiệu dụng dòng và áp

Ví dụ 0: Khảo sát chỉnh lưu 1 diod tải RL có D phóng điện

- Hệ số công suất HSCS hay cos ϕ : cho biết hiệu quả sử dụng
năng lượng.
1
P=
T

∫T v(t ) ⋅ i(t ) ⋅ dt

S = VR ⋅ I R

P
HSCS = cos ϕ =
<1.3>
S

=> chỉ có tải thuần trở có HSCS bằng 1.

Được phép mang vào phòng thi

i
o

D1

D2

v
o

v
(a)

i
o
R
L

v

v
o

i
o
R
L

(b)

Mạch chỉnh lưu Ở bán kỳ v > 0,
bán sóng có diod D1 dẫn dòng iO
phóng điện D2, v là > 0
nguồn xoay chiều.

v

o

i
o
R
L

v
o

R
L

(c)

(d)

Khi D2 dẫn
điện,
D1
không dẫn: v
< 0 và dòng
iO > 0.

Khi dòng iO =
0 tương ứng
không có diod
dẫn điện.

19 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD

Được phép mang vào phòng thi

b. Giải mạch ĐTCS bằng PT vi phân hay biến đổi Laplace:

Giải mạch điện theo t (lưu ý trạng thái các ngắt điện)

Áp nguồn v = 2V sin wt , điều kiện đầu t = 0; iO = 0
− ωt = 0 : v > 0, D1 dẫn điện, mạch điện hình (b):
phương trình vi phân:
di
v = R.io + L o điều kiện đầu io = 0
dt
−t
⎤
V 2⎡
τ
=> io =
⎢sin(ω t − φ ) + sin φ ⋅ e ⎥ <vd 1.1>
Z ⎣
⎦

v

dio
điều kiện đầu io (0) = Io
dt

(lấy lại gốc thời gian).

i
o
v
o

R

R
L

L

(c)
(b)

=> io = Io .e
wL

với τ = L R , tổng trở tải Z = R 2 + (ω L ) ,góc pha φ = tg-1
R
2

v
o

Được phép mang vào phòng thi

− ωt = π : dòng io = Io > 0 phóng qua diod phóng điện D2 :
0 = R.io + L

i
o

Ví dụ1: Giải ví dụ 0 để mô tả hoạt động của mạch.

20 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD

−t

τ

. Ở đầu chu kỳ kế io = Io .e

−π

wτ

= I1 > 0 <vd 1.2>

Chu kỳ kế tiếp điễn ra tương tự với dòng ban đầu iO = I1 > 0 cho
đến khi đạt chế độ xác lập (TỰA XÁC LẬP).
TỰA XÁC LẬP: Khi các dòng áp thay đổi có chu kỳ, giá trò đầu
và giá trò cuối chu kỳ bằng nhau.


21 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD

Được phép mang vào phòng thi

b. Giải chu kỳ tựa xác lập mạch ĐTCS bằng PT vi phân hay
biến đổi Laplace:

22 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD

Được phép mang vào phòng thi

Ví dụ 2: Giải tiếp tục ví dụ 1 ở chế độ tựa xác lập.

R1

i
o

i
o

D1

100 ohm

v
C1
R2
1 microF 100 ohm

Hình vd2: Mạch RC cung cấp bằng xung vuông

- Khảo sát hoạt động trong một chu kỳ với giả sử các giá trò
ban đầu của biến trạng thái của mạch được biết.

- Nhận được hệ phương trình để tính các thông số cuả dạng
dòng/áp.

v
o

D2

v
(a)

R
L

v

v
o

R
L

(b)

t = 0 : D1 dẫn điện, phương trình vi phân mô tả mạch điện là:

v = R.io + L

dio
điều kiện đầu io = I1

dt

⎡
⎤ −τt
V 2
V 2
sin(ω t − φ ) + ⎢ I1 −
sin φ ⎥ ⋅ e <vd 2.1>
=> io =
Z
Z
⎣
⎦


23 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD

Được phép mang vào phòng thi

Ở bán kỳ kế, D2 cũng dẫn điện:
di
0 = R.io + L o điều kiện đầu io (0) = Io
dt

với Io =

v
(a)

<vd2.2>

−t

=> io = Io.e τ và ở cuối chu kỳ I1 = Io .e

v
o

D2

⎡
⎤ −π
V 2
V 2
sin(π − φ ) + ⎢ I1 −
sin φ ⎥ ⋅ e wτ
Z
Z
⎣
⎦
−π

wτ

i
o

i
o

D1

R
L

v
o

24 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD

Được phép mang vào phòng thi

c. Khảo sát dòng áp trên tải bằng nguyên lý xếp chồng:

Nguyên lý xếp chồng: khai triển Fourier + tính chất tuyến tính
R
L

(c)

Hệ tuyến tính: f ( x1 + x2 ) = f ( x1 ) + f ( x2 )
=> Giá trò trung bình dòng qua tải bằng tổng:
- dòng một chiều do thành phần trung bình áp trên tải.
- các dòng điện hình sin do sóng hài bậc cao.

<vd2.3>

<vd2.3>, <vd2.2> cho phép ta tính I1 và Io từ đó vẽ được dạng dòng iO .

Nhận xét: việc rút ra các đặc trưng dòng, áp từ KQ khó khăn.

Thực tế ta chỉ cần tính tác dụng của những thành phần có ảnh
hưởng lớn (một chiều hay tần số cơ bản).


25 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD

Được phép mang vào phòng thi

Ví dụ 3: Tính dòng và áp trung bình qua điện trở R2 của mạch điện
hình Vd2, áp nguồn v có dạng trên hình Vd2.a, V = 200 volt.
Giải: Trò trung bình áp ra: Vo =

T

1
1
v.dt =
∫
T0
T

2T / 6

∫

V .dt =

0

V

3

=> trò trung bình dòng ra IO = (200/3)/200 = 1/3 A và trò trung bình
áp trên mỗi điện trở tải Vo1 = Vo/ 2 = 33.3 V
Io
v

V

Vo
t
T

R1
100 ohm
R2
100 ohm

Vo1

Hình Vd2.a: dạng áp nguồn tính Hình Vd2.b: Mạch tương đương với
bằng số
thành phần một chiều

26 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD

Được phép mang vào phòng thi

f. Khảo sát mô hình toán mạch ĐTCS bằng máy tính (dùng chương
trình mô phỏng) hay khảo sát mô hình thực tế trong phòng thí nghiệm:

Thuật toán tổng quát để khảo sát mạch ĐTCS bằng máy tính:
Bước mở đầu: Xác đònh dòng áp qua các phần tử ở thời gian t = 0+
Bước 1: Dựa vào tín hiệu điều khiển và dòng, áp qua các ngắt điện,
tìm ra các ngắt điện ON
Bước 2: Thành lập phương trình mô tả mạch.
Bước 3: Giải phương trình mô tả mạch để tìm ra dòng áp qua các phần
tử ở t = t + Δ t
Bước 4: Khai thác số liệu tính, tăng thời gian hiện tại t Å t + Δ t
Bước 5: Kiểm tra điều kiện kết thúc khảo sát:
nếu thỏa thì qua bước 6, nếu không trở về bước 1.
Bước 6: Dừng chương trình.
Nhận xét: Việc khảo sát bằng máy tính ứng dụng phương pháp số để
giải phương trình vi phân cho ta dòng áp qua các phần tử theo từng sai
phân thời gian Δ t.


27 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD

I.3 TÍNH CHỌN NGẮT ĐIỆN ĐIỆN TỬ:
1. Đònh mức áp:

Được phép mang vào phòng thi

VDRM > katV * Vlvmax

Vlvmax : Áp làm việc max.

VDRM : Áp khóa.

katV : hệ số an toàn áp ≥ 2.

2. Đònh mức dòng: Cơ sở là tính phát nóng của linh kiện:
Nhiệt độ mối nối θJ < Nhiệt độ cho phép θcp
mối nối θJ Ỉ vỏ SCR θC Ỉ tản nhiệt θH Ỉ môi trường θA.
tương ứng phương trình:

θ J − θ A = ΔP ⋅ (R JC + R CH + R HA )

+ RJC: điện trở nhiệt mối nối (Junction) – vỏ (Case)
+ RCH: điện trở nhiệt vỏ – tản nhiệt (Heatsink)
+ RHA: điện trở nhiệt tản nhiệt – môi trường (Ambience)
Giải mạch ĐTCS => tổn hao công suất ΔP
Tính toán nhiệt => θJ .

28 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD

Được phép mang vào phòng thi

- Gần đúng: tính dòng trung bình IO
hay hiệu dụng IR
và kiểm tra nhiệt độ vỏ linh kiện.
IO < đònh mức trung bình IAVE
Hay IR < đònh mức hiệu dụng IRMS
D hay SCR:

IRMS = 1.57 IAVE

BJT, MosFET:
IRMS , IAVE là hàm số của dạng dòng điện.
Hệ số an toàn dòng 1.3 – 2.

- Sử dụng dòng điện làm việc max

Cách lắp linh kiện công
suất vỏ TO220AB vào tản
nhiệt

Câu hỏi: - Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tải dòng của linh kiện công
suất?


29 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD

Được phép mang vào phòng thi

I.4 BẢO VỆ LINH KIỆN VÀ BBĐ:

1.Bảo vệ dòng:

+ Bảo vệ dòng cực đại ( ngắn mạch – quá dòng tức thời):
thông sốø

∫T i

2

30 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD

2. Bảo vệ áp: (quá áp dạng xung)

Được phép mang vào phòng thi

R4
10k

260v

C
103
FR105

T

dt

Cầu chì tác động nhanh, Cầu chì thông thường
CB ( ngắt mạch tự động – Aptomat )
+ Bảo vệ quá tải ( quá dòng có thời gian ):
CB ( ngắt mạch tự động – Aptomat ), Rơ le nhiệt, Mạch hạn
dòng của bộ điều khiển vòng kín

IRF450