thiết kế hệ thống điều khiển điện tử công suất

MÔN HỌC
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Khoa Điện


NỘI DUNG MÔN HỌC

I. Đặc điểm chính của các van bán dẫn
II. Thiết bị điện tử công suất loại điều
khiển tần số phụ thuộc
III. Thiết bị điện tử công suất loại điều
khiển tần số độc lập

2


TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Phạm Quốc Hải: “Hướng dẫn thiết kế Điện tử công suất”. Nhà
xuất bản Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, 2009.
2. Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh: “Điện tử
công suất”. Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, 2004.
3. Trần Văn Thịnh: “Tính toán thiết kế thiết bị Điện tử công
suất”. Nhà xuất bản giáo dục, Hà Nội, 2009.

3


Điện tử công suất là kỹ thuật biến đổi và điều khiển năng

lượng điện víi hiệu quả cao nhất

Cấu trúc thiết bị điện tử công suất
sensors
Đầu vào :nguồn
- AC
- DC
cố định, không điều
khiển được

sensors

Mạch lực

Mạch điều
khiển

Tải
Đầu ra:
- AC
- DC
Được điều khiển

Tín hiệu đặt theo luật
điều khiển của công nghệ
4


Phần lực các chủng loại thiết bị điện tử công suất –
các dạng biến đổi năng lượng điện cơ bản

Các BBĐ xung áp DC

Biến tần,
BBĐ xung áp AC

Chỉnh lưu

Nghịch lưu

5


Phần điều khiển thiết bị điện tử công suất
1. Van sử dụng là bán điều
khiển – Thyristor, TRIAC

2. Van điều khiển hoàn toàn
(cả quá trình mở và khóa): BT,
MOSFET, IGBT , MCT, IGCT…

Ứng dụng trong các thiết bị:
• Chỉnh lưu
• Điều áp xoay chiều.
• Nghịch lưu phụ thuộc
• Biến tần trực tiếp.

Ứng dụng trong các thiết bị:
• Băm xung một chiều.
• Nghịch lưu độc lập điện áp
• Chỉnh lưu tích cực.

Đặc điểm chung:
Chủ yếu làm việc với điện áp lưới
xoay chiều => phát xung mở van
Thyristor dựa vào tần số lưới điện,

Đặc điểm chung:
Làm việc không phụ thuộc vào nguồn
lưới điện, tần số hoạt động là tùy chọn
và do mạch điều khiển quyết định.

=> Hệ điều khiển phụ thuộc lưới điện

6
=> Hệ điều khiển tần số độc lập


I. Đặc điểm các van bán dẫn công suất
Phần lực sử dụng các van bán dẫn đấu thành mạch thực hiện quá
trình biến đổi năng lượng điện.
Van bán dẫn là một phần tử khi hoạt động chỉ có hai
trạng thái chính:
• Van dẫn dòng: cho dòng điện đi qua nó đưa năng
lượng điện ra tải với sụt áp trên van nhỏ nhất có thể
(lý tưởng bằng 0 )
• Van khoá (không dẫn dòng), không cho dòng điện đi
qua, lý tưởng nếu dòng này bằng không.

7

Các van bán dẫn công suất hiện nay
1.

Van không điều
khiển

Chia ba nhóm chính
3. Nhóm Thyristor
•

Thyristor thường
(1958)

•

GTO (1980)

•

MCT (1988)

•

LTT (1988)

•

TRIAC (1958)

•

IGCT (1996)

Điôt (1955)

2. Nhóm Transistor
•

BT hoặc BJT
(1975)

•

MOSFET (1978)

•

IGBT (1985)

8


Bipolar Transistor lùc (1975)

Trạng thái van của bóng BT loại
n-p-n
• chỉ làm việc với Uce>0

• dẫn dòng nếu Ube>0 ; bão
hoà khi ib ≥ ic/β;

• không dẫn dòng khi Ube ≤ 0;

9


BT - BJT

Hiện nay đã chế tạo được BT với tham số
cao nhất: 1000A x 1000V loại dalinhtơn (4
transistor, sụt áp khi dẫn 4V)

10


3. Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor
( MOSFET -1978 )

Trạng thái van

• làm việc với Uds> 0.
• dẫn: Ugs> 0 ; bão hoà tốt nếu Ugs=15V
• khoá Ugs 0
11


Đánh giá về MOSFET
Ưu:

Nhược:

+ điều khiển bằng áp

+ sụt áp khi dẫn lớn (có thể tới
10V)

+ công suất điều khiển nhỏ
+ tham số ít phụ thuộc nhiệt độ
+ có thể không cần điện áp âm ở
trạng thái khóa.

+ Khả năng chịu điện áp ở trạng
thái khóa thấp
+ Van một cực tính

+ tốc độ chuyển mạch nhanh ( có
thể làm việc với tần số hàng trăm
kHz).

Hiện nay đã chế tạo MOSFET:
+ dòng lớn: 1900A x 200V
+ điện áp cao: 900V x 85A
+ loại trung bình: 300A x 300V

12


4. Insulated Gate Bipolar Transistor
(IGBT – 1985 )

Tr¹ng th¸i van:

• lµm viÖc víi Uce>0.
• dÉn : Uge> 0 ; b·o hoµ tèt nÕu Uge=15V
• kho¸ Uge  0 , kho¸ tèt nÕu Uge= -7V
13


Đánh giá về IGBT
Ưu:
• Điều khiển bằng điện áp;
• Công suất điều khiển nhỏ;
• Chịu được điện áp khá cao;
• Sụt áp dẫn nhỏ (2-4V tương đương
một điôt và điện trở nối tiếp);

Nhược:
• Van một cực tính;

• Cấp điện áp vẫn thấp
hơn họ thyristor;

• Tham số ít phụ thuộc vào nhiệt độ;
• Tần số chuyển mạch cao đến 30kHz (
thấp hơn MOSET, nhưng cao hơn các
van họ thyristor và BT-Dalinhtơn)
• Dễ mắc song song;

• Công nghệ cho phép nhanh chóng chế
tạo với cấp điện áp và dòng lớn hơn
nữa;

Hiện nay đã chế tạo IGBT :
+ điện áp cao: 6500V x 600A
+ dòng lớn: 1700V x 3600A
14


5. THYRISTOR ( 1958 )

15


Đặc điểm van Thyristor
Trạng thái van:
• Khoá cả hai chiều điện áp.

• Dẫn dòng nếu đảm bảo hai điều kiện
đồng thời;
- điện áp trên thyristor dương.
- có dòng điều khiển Ig.

• Khoá nếu điện áp âm,
•

trong trường hợp điện áp dương vẫn
có thể khoá van nếu đảm bảo hai điều
kiện nối tiếp :
- giảm dòng qua thyristor dưới giá trị duy
trì.
- trong thời gian van phục hồi tính chất
khoá điện áp trên van không được dương.

16


Tham số chính của thyristor
•
•
•
•
•
•

Itb
Ungmax
Ig
Ug
Uo
Rđ

• tmở
• tkhoá
• du/dt
• di/dt

Sụt áp khi dẫn:

U = Uo + Ithy Rđ

Đánh giá về Thyristor
Ưu

Nhược

• Cấu trúc đơn giản;

• Chịu được điện áp cao;

• Van bán điều khiển
(chỉ đk mở, không đk
khóa);

• Công suất điều khiển
nhỏ;

• Tần số chuyển
mạch thấp

• Sụt áp khi dẫn nhỏ;

• Van hai cực tính.

17


H×nh d¹ng van Thyristor

Hiện đã chế tạo Thyristor:
Cao áp: 12kV x 2360A
Dòng lớn: 8200A x 5kV

Van đĩa 4500V/800A và 4500V/1500A

18


Tham sè øng dông cña c¸c van b¸n dÉn hiÖn ®¹i

19


II. THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT LOẠI ĐIỀU
KHIỂN TẦN SỐ PHỤ THUỘC

Trang 20


Phần lực các chủng loại thiết bị điện tử công suất –
các dạng biến đổi năng lượng điện cơ bản

Các BBĐ xung áp DC

Biến tần,
BBĐ xung áp AC

Chỉnh lưu

Nghịch lưu

21


GIỚI THIỆU CHUNG

Định nghĩa: chỉnh lưu là thiết bị để biến đổi năng
lượng dòng điện xoay chiều thành năng lượng dòng
điện một chiều.
Cấu trúc chỉnh lưu
U1~

BAL

U2~

MV

Ud

LSB

TẢI

Id

MĐK

Phân loại
1. Chỉnh lưu không điều khiển
2. Chỉnh lưu điều khiển
3. Chỉnh lưu bán điều khiển
4. Chỉnh lưu tích cực

KHT

22


CÁC SƠ ĐỒ CHỈNH LƯU KHÔNG ĐiỀU KHIỂN

Qui luËt chung:
23


CÁC SƠ ĐỒ CHỈNH LƯU ĐIỀU KHIỂN VÀ BÁN ĐIỀU KHIỂN

Qui luËt chung:
Ud =Udo f(α)
Udo=ks®U2
24
α - gãc điÒu khiÓn


25