Bài giảng Điện tử công suất

Môn học

ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Giảng viên: TS.Phạm Công Thành
Bô Môn: Điện Công Nghiệp
Khoa Điện – Điện Tử
Email:

January 15 2014

© Phaïm Coâng Thaønh

1


Nội dung môn học






Các hệ thức và khái niệm cơ bản (Relations and basic concepts)
Các phần tử bán dẫn công suất (Power semiconductor devices)
Bộ chỉnh lưu (Rectifier or AC to DC Converters)
Bộ băm (Buck-Boost converters or DC to DC Converters)
Bộ nghịch lưu (Inverters or DC to AC Converters)

January 15 2014

© Phaïm Coâng Thaønh

2


Lãnh vực ứng dụng của ĐTCS
1. Các thiết bị gia dụng
 Tủ lạnh, tủ đông
 Gia nhiệt, sưởi
 Hệ thống điều hòa không khí
 Lò nấu
 Chiếu sáng
 Các thiết bị điện tử dân dụng (TV, máy
tính, các thiết bị nghe nhìn, giải trí…)
2. Trang thiết bị cho cao ốc
 Các hệ thống sưởi, thông gió, điều hòa
 Hệ thống điều hòa trung tâm
 Máy tính và các thiết bị văn phòng
 UPS (Uninterruptible Power Supply)
 Thang máy
3. Công nghiệp
 Bơm
 Máy nén
 Quạt gió
 Máy công cụ
 Lò nấu hồ quang, Lò nấu cảm ứng
 Gia nhiệt cảm ứng (tôi cao tần…)
 Máy hàn điện

January 15 2014

4. Giao thông vận tải
 Điều khiển động cơ xe hơi điện
 Nạp acquy xe hơi điện
 Các hệ thống tàu điện, tàu điện ngầm
5. Hệ thống điện
 Truyền tải điện DC cao áp (HVDC)
 Bộ bù tĩnh
 Hệ thống máy phát dùng nguồn năng
lượng tái sinh (renewable energy):
năng lượng mặt trời, năng lượng
gió…
 Các hệ thống tích trữ năng lượng
(energy storage systems)
6. Hàng không
 Hệ thống điện tàu con thoi
 Hệ thống điện của các vệ tinh
 Hệ thống điện máy bay
7. Viễn thông
 Bộ nạp bình acquy
 Bộ nguồn (DC, UPS)

© Phaïm Coâng Thaønh

3


Ví dụ ứng dụng của bộ biến đổi ĐTCS
• Ứng dụng các bộ biến đổi ĐTCS giúp tiết kiệm năng lượng,
nâng cao chất lượng đáp ứng của thiết bị.

Van tiết
lưu

Nguồn
lưới

Động
cơ

Nguồn
lưới

Bộ điều
khiển
tốc độ
+
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

January 15 2014

© Phaïm Coâng Thaønh

4


Sơ đồ khối Bộ biến đổi

Pin

Mạch
động lực

Pout
Tải

Tín hiệu
điều khiển
Mạch
điều khiển

Tín hiệu hồi tiếp
Tín hiệu đặt

Lưu ý là các mạch ĐTCS hoạt động theo chế độ đóng-ngắt (switch-mode)
 Hiệu suất mạch ĐTCS cao

January 15 2014

© Phaïm Coâng Thaønh

5


Bộ ổn áp tuyến tính
• Transistor công
suất được điều
khiển hoạt động
tương tự như
một điện trở biến
đổi

Biến áp
nguồn
Mạch
điều khiển

Tải

Nguồn lưới

Chỉnh lưu

Tụ lọc

a. Sơ đồ nguyên lý
Tầm thay đổi
của vd

• Mạch có hiệu

suất thấp và cồng
kềnh

b. Dạng sóng điện áp ngõ vào vd và ngõ ra vo

January 15 2014

© Phaïm Coâng Thaønh

6


Bộ ổn áp xung
Mạch động lực

Tải

Nguồn
lưới

Biến áp

Chỉnh lưu

Mạch lọc
thông thấp

tần số cao

Chỉnh lưu

Tụ lọc

Mạch
điều khiển

a. Sơ đồ nguyên lý bộ ổn áp xung

January 15 2014

© Phaïm Coâng Thaønh

7


Bộ ổn áp xung
Mạch động lực

Tải
Tải

voi

Vo = Voi
Mạch
điều khiển

b. Mạch tương đương của bộ ổn áp xung

c. Điện áp ngõ ra 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)
January 15 2014
© Phaïm Coâng Thaønh

8


Chế độ hoạt động của BBĐ
Chế độ
chỉnh lưu
Bộ biến đổi
Chế độ
nghịch lưu

Bộ biến đổi 1

Bộ biến đổi 2

Nguồn
lưới

January 15 2014

© Phaïm Coâng Thaønh

9

CC H THC V KHI NIM C BN
Tr trung bỡnh ca mt i lng:
Gi i(t) l hm bin thiờn tun hon theo thi gian vi chu k T. Tr trung bỡnh
ca i lng i, vit tt l Iav c xỏc nh theo h thc:

1
I av
T

t0 T

i t dt

t0

Vi t0 l thi im u ca chu k c ly tớch phõn.

Vớ d 01:

1
I av
0.5
January 15 2014

0.5

0.3

1
i
t
.
dt

10.dt 6 A


0

0.5 0

â Phaùm Coõng Thaứnh


Ví dụ 2:

Tính trị trung bình điện áp chỉnh lưu của bộ chỉnh lưu cầu 1 pha không điều
khiển. Hàm điện áp chỉnh lưu có dạng u=Um.⎢sin(ω.t) ⎢; với Um=220√2 [V];
ω=314[rad/s].

  314  100
T  10.103  102
T  
T

T

1

1
U av  . U m .sin t.dt 
. U m .sin t .d t  
T 0
T 0
 U m .cos t  0

T



January 15 2014

T



 U m cos T    cos 0 
T

© Phaïm Coâng Thaønh



2.U m 2.220 2

T


Các trường hợp thường gặp:
Tải R:
Quan hệ giữa điện áp và dòng điện tức thời qua điện trở R cho bởi:
uR=R.iR
Lấy trò trung bình hai vế ta có:
URAV=R.IRAV
Tải L:

diL
uL  L
dt

Ở chế độ xác lập iL(t0) = iL(t0+Tp), trị trung bình điện áp trên L được xác định bằng
cách lấy tích phân hai vế của hệ thức trên trong thời gian (t0 tới t0+Tp).
Kết quả thu được: ULAV=0
Tải RL:
Tương tự, ta có:

ut  Rit  L

dit
dt

Trò trung bình áp: UtAV=R.ItAV + ULAV=R.ItAV
Từ đó: ItAV=UtAV/R

January 15 2014

© Phạm Công Thành

Công suất trung bình:
Công suất tức thời của một tải tiêu thụ được xác đònh bằng tích điện áp và dòng điện tức
thời dẫn qua tải đó, tức là:
p(t)=u(t).i(t)
Công suất trung bình được xác đònh bằng cách áp dụng cách tính trung bình vào đại lương
công suất tức thời p(t), tức là:
T

PAV

T

1
1
  p  t dt   u  t  .i  t dt
T 0
T 0

Hoặc theo biến góc X=t:
T

PAV

X

1
1
  p  X dX   u  X  .i  X dX
T 0

X 0

X  T

Trường hợp dòng qua tải không đổi theo thời gian i=const=IAV, công suất trung
bình qua tải bằng tích của điện áp trung bình và dòng điện:
PAV=UAV.I=UAV.IAV

January 15 2014

© Phạm Công Thành


Trò hiệu dụng của một đại lượng (Chỉ số RMS ...Root Mean Square)
Giả thiết đại lượng i biến thiên theo thời gian theo một hàm tuần hồn với chu kỳ T hoặc
với chu kỳ theo góc X= Tpω. Trị hiệu dụng của đại lượng i được tính theo cơng thức:

I RMS

1

T

t0  T



i 2  t  dt 

t0

1
X

X0  X



X0

Ví dụ: Cho một điện áp dạng u=Um.sin(t)=220 2sin(314t).
a. Tính trị hiệu dụng của điện áp trên?

January 15 2014

© Phạm Công Thành

i 2  X  dX


Ví dụ:
Cách 1

1  cos  2t 
1
1
2
2

. U m .sin t.dt  U m .

.
.d  2t  
T 0
2T 0
2
T

U RMS

T

 2t  sin  2t   0 U m
 Um .

2.2.T
2
T

Cách 2
T

U RMS

T

1
1
2
2


. U m .sin t.dt  U m .
. 1  cos  2t  .d t 
T 0
2T 0

t=0  X=0
Đăt : X  t  
t  T  X  T  2
2

 sin  2 X   0
1
1 
2
 Um .
.  1  cos 2 X .dX  U m .
X 0 

2.2 0
2.2 
2

2

U RMS

January 15 2014

© Phaïm Coâng Thaønh

 U
 m

2



Ví dụ:
Cho hàm u1và u2 với tính chất sau:

u
u1  
0

u0
u0

u u  0
u2  
-u u  0

b. Xác định trị trung bình và hiệu dụng của các điện áp u1 và u2 nêu trên.
January 15 2014

© Phaïm Coâng Thaønh


Trị trung bình
T
2

U1av



T
2

1
1
 . U m .sin t .dt 
. U m .sin t .d t 
T 0
T 0

  U m .cos t  

T

T
2
0

2.U m U m


2.


T

2

U 2 av



T
2

1
2
 . U m .sin t .dt 
. U m .sin t .d t  
T 0
T 0
2

2.  U m .cos t  

T

January 15 2014

T
2
0

2.2.U m 2.U m



2.


© Phaïm Coâng Thaønh


Trị hiệu dụng
T
2

U1RMS

1  cos  2t 
1
1
2
2

. U m .sin t .dt  U m .
.
.d  2t 
T 0
2T 0
2
T
 T 
2  sin  2.
 U
 2t  sin  2t  
2

2

  m  220 2 V
 Um .
4T
4T
2
2
T
2
0

 Um

U 2 RMS 

 Um

T
2

T
2

T
2

1  cos  2t 
1
2

2
2
. U m .sin t .dt  U m .
.
.d  2t 
T 0
2T 0
2
2

2.  2t  sin  2t  

January 15 2014

4T

T
2
0

2
 Um .

T
 T 
 sin  2.
 U
2
2


  m  220 2  220V
2T
2
2

© Phaïm Coâng Thaønh


u = |Umsint| = |Umsin|,
vi Um, l hng, t l bin thi gian. Hm ny cú bin l gúc = t v tun hon
vi chu k . th ca hm nh hỡnh 1.1.



Tr trung bỡnh ca hm l:

2U m
1
U d U m sin d
0



Tr hiu dng ca hm l:

January 15 2014

U RMS

1

2

U
sin

m
d

0

â Phaùm Coõng Thaứnh

19


Ví dụ:
Cho hàm tuần hòan biểu diễn điện áp tải u trong một chu kỳ T như sau:

U m 0  t   .T
u
0  .T  t  T

0   1

Vẽ dạng sóng điện áp u và xác định trị hiệu dụng và giá trị trung bình của điện áp tải?
Hướng dẫn:

U RMS

January 15 2014

T
T
T


1
1
2
2
2

. u  t dt 
.   U m dt   0 dt 

T 0
T  0
T


© Phaïm Coâng Thaønh


Hệ số công suất:
Hệ số công suất λ hoặc PF (Power Factor) đối với một tải được định nghĩa bằng tỉ số
giữa công suất tiêu thụ P và công suất biểu kiến S mà nguồn cấp cho tải đó.

  PF 

P

S

Trong trường hợp đặc biệt của nguồn áp dạng sin và tải tuyến tính chứa các phần tử như
R,L,C không đổi và sức điện động dạng sin, dòng điện qua tải sẽ có dạng sin cùng tần số
của nguồn áp với góc lệch pha có độ lớn bằng . Ta có hệ thức tính hệ số công suất như
sau:
P=m.U.I.cos
S=m.U.I



January 15 2014

P
 cos 
S

© Phaïm Coâng Thaønh


Trong đó: U,I là các trị hiệu dụng của điện áp và dòng điện qua tải; m là tổng số pha.
Giả sử nguồn điện áp cung cấp có dạng sin và dòng điện qua nó có dạng tuần hồn khơng sin.
Dựa vào phân tích Fourier áp dụng cho dòng điện i, ta có thể tách dòng điện thành các thành
phần sóng hài cơ bản I(1) cùng tần số với nguồn áp và các sóng hài bậc cao I(2) , I(3)
P=P1=m.U.I(1)cos1

1... góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện sóng hài cơ bản.
Các sóng hài còn lại (bậc cao) tạo nên công suất ảo.
Ta có:
2

S 2   mUI   m 2U 2  I12  I 22  I 32  ...  I n2 

 m 2U 2 I12  sin 2 1  cos 2 1   m 2U 2  I 22  I 32  ...  I n2 
 m 2U 2 I12 sin 2 1  m 2U 2 I12 cos 2 1  m 2U 2  I 22  I 32  ...  I n2 
 P Q m U
2
1

2
1

2

n

2

I
j 2

2
j

 S 2  P12  Q12  D 2

January 15 2014

© Phạm Công Thành

D: Cơng suất biến dạng (cơng suất ảo do các sóng hài bậc cao của dòng điện tạo nên)
P=m.U.I(1) cos1... cơng suất tiêu thụ của tải
Q1=m.U.I(1)sin1... cơng suất phản kháng (cơng suất ảo do sóng hài cơ bản của dòng
điện tạo nên)



P

S

P
P 2  Q12  D

Muốn tăng hệ số cơng suất, ta có thể:
- Giảm Q1 -công suất ảo của sóng hài cơ bản, tức thực hiện bù công suất phản kháng.
- Giảm D -công suất ảo của các sóng hài bậc cao bằng cách:
+ Lọc sóng hài
+ Khử nhiễu
Ngoài ra, có thể biểu diễn hệ số công suất theo hệ thức sau:

  PF 
January 15 2014

I 1
I

cos 1
© Phạm Công Thành

Hệ số méo dạng (Distortion Factor-DF)
Được định nghĩa bằng tỉ số trị hiệu dụng thành phần hài cơ bản và trị hiệu dụng
đại lượng dòng điện:
DF 

I 1
I

Quan hệ giữa hệ số công suất và hệ số méo dạng vì thế liên hệ theo hệ thức:

PF=DF.cos1
Độ méo dạng tổng do sóng hài (Total Harmonic Distortion-THD):
Là đại lượng dùng để đánh giá tác dụng của các sóng hài bậc cao (2,3,...) xuất hiện trong
nguồn điện, cho bởi hệ thức:


THD 

I
j 1

2
j

I 1

Trong trường hợp đại lượng I không chứa thành phần DC, ta có:


THD 

C
j 2

I 1



I 2  I 21
I 1

Các thành phần không phải bậc 1 chia cho thành phần bậc 1
January 15 2014
© Phaïm Coâng Thaønh


Trong ú, I(j) l tr hiu dng súng hi bc j, j>=2 v I(1) l tr hiu dng thnh phn
hi c bn dũng in. Quan h gia DF v THD:

DF

1
1 THD

2

Bi tp:
1. in ỏp t trờn ti in tr 10 cú hm biu din u=170sin100t [V]

Hóy xỏc nh:
a. Hm cụng sut tc thi ca ti
b. Cụng sut tc thi ln nht
c. Cụng sut trung bỡnh ca ti
2. in ỏp v dũng in trờn ti l nhng hm tun hon theo thi gian vi chu
k T=100ms.

January 15 2014

â Phaùm Coõng Thaứnh