CHƯƠNG7 đề CƯƠNG điện tử CÔNG SUÂT 4 2018

Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất

Chương 7
BẢO VỆ THIẾT BỊ BIẾN ĐỔI
7.1. Ngắn mạch và bảo vệ ngắn mạch
-Trong qua trình làm việc, khơng thể tránh khỏi những sự cố có thể sảy ra đối
với các thiết bị biến đổi. Việc nghiên cứu q trình dịng và áp khi sẩy ra sự
cố là rất cần thiết, nhằm bảo vệ hệ thống một cách hữu hiệu. Để bảo vệ các
thiết bị bán dẫn tránh khỏi sự phá hoại của dòng điện, người ta thường dùng
dây chẩy tác động nhanh (Khoảng vài ms). Loại dây chảy này làm bằng bạc
lá, đặt trong vỏ sứ có chứa cát thạch anh hoặc nước cất. Hoạt động của dây
chảy được chia ra lm hai giai on hỡnh 1.3.2-1.
i

Khi không dùng dây chảy

Khi dùng dây chảy

t
0
I

thq

II

tc

Hỡnh 1.3.2-1

- Giai on I, k t khi dòng điện sự cố tác động đến khi suất hiện hồ quang.
Trong giai đoạn này, dây chảy bị đốt nóng mềm ra.
- Giai đoạn II, kể từ khi suất hiện hồ quang đến khi cắt dòng điện sự cố.
Trong giai đoạn này điện áp hồ quang tăng dần, do đó dịng điện sự cố giảm
dần về khơng.
- Các thơng số đặc trưng của dây chảy là điện áp định mức, và dịng điện định
mức. Khơng nên đặt dây chảy vào mạng điện có điện áp lớn hơn điện áp định
mức của dây chảy. Dòng định mức của dây chảy được chọn phải bằng hoặc
lớn hơn dòng định mức của thiết bị bán dẫn, nhưng khơng được lấy lớn hơn
10% dịng làm việc của van. Thời gian tác động của cầu chì phải nhỏ hơn
hoặc bằng thời gian chịu đựng của thiết bị.
Chương 7 Bảo vệ thiết bị biến đổi

214


Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất

- Đối với thiết bị biến đổi là cầu chỉnh lưu, có thể đặt cầu chảy theo các vị trí
sau đây:
~3
5

TR1
2) I 

2
Id

3

1) I 

Id
3

3

4

-

+

Hình:1.3.2-2: Vị trí đặt cầu chảy cho cầu chỉnh lưu ba pha
- Đặt nối tiếp cho từng thyristor hoặc diode (1)
- Đặt nối tiếp cho từng nhóm thyristor hoặc diode nối song song (3)
- Đặt ở lối ra của cầu chỉnh lưu (4)
- Đặt ở cuộn dây thứ cấp máy biến áp (2)
- Đặt ở cuộn dây sơ cấp máy biến áp (5)
-Trong thực tế tùy theo yêu cầu về mức độ bảo vệ mà chọn vị trí đặt cầu chảy
cho phù hợp. Thông thường người ta không chọn 1 vị trí đặt mà phối hợp giữa
các vị trí theo cấp tác động. Việc đặt cầu chảy ở lối ra chỉnh lưu, kết hợp với
việc đặt ở đầu vào sơ cấp máy biến áp được dùng nhiều hơn cả.
7.2. Quá áp và bảo vệ quá áp
Các thyristor cũng rất nhạy cảm với điện áp lớn hơn so với điện áp định
mức, ta gọi là quá điện áp.
-Nguyên nhân gây ra quá điện áp được chia ra làm hai loại
a> Nguyên nhân nội tại:

Khi khóa thyristor bằng điện áp ngược, các điện tích đổi ngược hành trình
tạo ra dịng điện ngược trong khoảng thời gian rất ngắn ( 10 đến 100 s).
sự biến thiên nhanh chóng của dịng điện ngược gây ra sức điện động cảm
Chương 7 Bảo vệ thiết bị biến đổi

215


Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất

ứng rất lớn trong các điện cảm. Quá điện áp này là tổng điện áp làm việc
và Ldi/dt nói trên.
b> Nguyên nhân bên ngoài:
- Những nguyên nhân này thường sảy ra ngẫu nhiên như khi có xét đánh,
khi cầu chì bảo vệ đứt, hay khi đóng cắt máy biến áp nguồn. Cắt máy biến
áp nguồn tức là cắt dịng điện từ hóa máy biến áp, bấy giờ năng lượng từ
trường tích lũy trong lõi sắt từ chuyển thành năng lượng điện trường chứa
trong các tụ điện ký sinh., rất nhỏ giữa dây quấn sơ cấp và dây quấn thứ
1 2 1
2
 LI  CU 
cấp của máy biến áp  2
2
 . Điện áp này có thể lớn gấp năm lần





điện áp làm việc.
-Để bảo vệ điện áp người ta thường dùng mạch RLC, bảo vệ riêng cho
từng thyristor như hình 6.3.3-1
-Người ta thường chọn điện áp định mức của thyristor
là U  1,2 Uđm. Trị số này còn nhỏ hơn nhiều so với trị
cực đại của các quá trình quá điện áp kể trên. Các q
trình q điện áp có độ tăng trưởng du/dt lớn. Đạo hàm
CC

điện áp sinh ra dòng điện chảy qua tụ điện C, đấu giữa

D

anot – catot của thyristor. Điện cảm L hạn chế biên độ

L

của dòng điện này.
-Kích mở thyristor, tụ điện C sẽ phóng

điện qua

thyristor, điện trở R hạn chế dòng điện này. Các linh

R

D

T

C

kiện bảo vệ có thể tính tốn bằng các cơng thức, nhưng
trong thực tế người ta thường dùng bằng phương pháp Hình 6.3.3-1
kinh nghiệm: chon C = 0,01  0,1F; R= 10 1000;
L = 50  100H.

Chương 7 Bảo vệ thiết bị biến đổi

216


Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất

-Sau đây giới thịêu bộ biến đổi có đầy đủ các phần tử bảo vệ q dịng và
q áp hình 6.3.3-2
R

R

R

C

C

C

R

R

R

C

C

C

+

L

-

hình 6.3.3-2
7.3. Tổn hao và làm mát van công suất
7.3.1. Tổn hao van bán dẫn công suất
-Khi Thyristor, hoặc diode mở cho dịng điện chảy qua, thì cơng suất tổn thất
bên trong sẽ đốt nóng chúng. Trong đó mặt ghép là nơi nóng nhiều nhất, ta
dùng ký hiệu TJ để chỉ nhiệt độ tại mặt ghép. TJm là chỉ nhiệt độ lớn nhất cho
phép tại mặt ghép.
+ Đối với bán dẫn Ge: TJm = 800  1000C
+ Đối với bán dẫn Si: TJm = 1500  2000C
- Công suất tổn thất trong thiết bị bán dẫn ký hiệu là P, được tính bằng (W),
thường chia thành tổn thất chính P1 và tổn thất phụ P2. Tổn thất chính do
dịng điện qua van bán dẫn gây nên, còn tổn thất phụ bao gồm tổn thất chuyển

trạng thái, và tổn thất trong mặt ghép. Thường tổn thất phụ không vượt quá
5% tổn thất P. Vì vậy có thể coi: P = P1.

Chương 7 Bảo vệ thiết bị biến đổi

217


Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất

- Để tính được P ta cần biết được đường đặc tính V - A của thiết bị bán dẫn.
Trong khi tính tốn người ta thường dùng đặc tính V - A gần đúng hình6.1.2a.
+Khi đó: U AC  U 0  i.Rd . (Trong đó Rd = cotg: Là điện trở vi phân hoặc điện
trở động.)
-Dòng điện chảy qua thiết bị bán dẫn thường là dòng điện biến thiên theo chu
kỳ. Như vậy:
T

T

1
1
P   U AC idt   (U 0  iRd )idt
T 0
T 0

Hoặc: P  U 0 I 0  Rd I 2 (Trong đó I0 là dịng điện trung bình, cịn I là dịng
điện hiệu dụng chảy qua thiết bị bán dẫn).

7.3.2. Làm mát bán dẫn công suất
- Thiết bị bị bán dẫn rất nhạy cảm với nhiệt độ. Nếu khi làm việc nhiệt độ mặt
ghép lớn hơn nhiệt độ cho phép TJm, thì có thể gây phá hỏng thiết bị bán dẫn.
Vì vậy việc tính toán tỏa nhiệt cho mặt ghép là rất cần thiết:
+ Khi tính tốn sơ đồ dẳng trị nhiệt được thể hiện như sau:
trong đó:
TJ : Là nhiệt độ mặt ghép.
TV: Lả nhiệt độ vỏ thiết bị bán dẫn
Tr: Là nhiệt độ cánh tản nhiệt
Rjv

Ta: Là nhiệt độ khơng khí của môi
trường làm việc.

Rvr

Rra

P
Tj

Tv

Tr

Ta

Rjv: Nhiệt trở giữa mặt ghép và vỏ hình 6.1.1-1; Sơ đồ đẳng trị nhiệt
thiết bị bán dẫn.
Rvr: Nhiệt trở giữa vỏ và cánh tản

Chương 7 Bảo vệ thiết bị biến đổi

218


Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất

nhiệt.
Rra: Nhiệt trở giữa cánh tản nhiệt và
khơng khí mơi trường.
+Nhiệt độ được truyền từ vùng nóng sang vùng lạnh, cơng suất nhiệt được
truyền đi tỷ lệ thuận với nhiệt sai và tỷ lệ nghich với nhiệt trở R th.
P 

T1  T2
R th

(Trong đó T1 là nhiệt độ vùng nóng, T2 là nhiệt độ vùng lạnh, nhiệt trở
Rth = Rjv + Rvr + R ra được tính bằng 0C/W)
-Trong các bài toán nhiệt thường đưa ra cho chúng ta biết TJm; Ta; Rth; P.
Yêu cầu xác định biện pháp làm mát bằng đối lưu tự nhiên hay phải quạt mát
bằng bao nhiêu m/s, theo hình6.1.1-2b.
0

0

Rth.ra

C/W

Rth.ra

C/W

0,6

1,2

0,5

1,0

0,4

0,8

0,3

0,6

0,2

0,4

I

UO

P

V

UAC

a>

0,2

0,1



0

5

10

15

m/s

b>

0

25

50

75

100

W

c>

Hình:6.1.1 -2:
-Đường cong hình6.1-2c: Rra = f(P, Ta) do nhà chế tạo cánh tản nhiệt cung
cấp ta có thể tra bảng phụ lục 3 dưới đây.

Chương 7 Bảo vệ thiết bị biến đổi

219


Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất

Chương 7 Bảo vệ thiết bị biến đổi

220


Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất

Chương 7 Bảo vệ thiết bị biến đổi

221


Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất

7.4. Tính chọn van công suất trong các bộ biến đổi.
Các van công suất được chọn phải căn cứ vào các thông số dòng điện
và điện áp trong mạch. Cụ thể các van cơng suất khi tính chọn phải thoả mãn
các điều kiện do nhà sản xuất quay định. Trong đó các thơng số thường phải
được ưu tiên hàng đầu khi tính chọn van công suất là điện áp làm việc của
van UV; dòng điện hiệu dụng chảy qua van IVRMS và dịng điện trung bình
chảy qua van IVAV.
Trong đó điện áp van được chọn phải thoả mãn điều kiện
UV = (1,6 2) Ungmax
Cịn dịng điện của van cơng suất được chọn phụ thuộc vào điều kiện làm
mát. Nếu van bán dẫn công chỉ được làm mát bằng tản nhiệt đối lưu tự nhiên
thì khả năng chịu dịng điện chỉ bằng 25  30% dòng định mức ghi trên van.
Nếu van bán dẫn công chỉ được làm mát bằng tản nhiệt và có quạt gió
làm mát thì khả năng chịu dịng điện chỉ bằng 50  70% dòng định mức ghi
trên van.
Nếu van bán dẫn công chỉ được làm mát bằng tản nhiệt và có nước làm
mát thì khả năng chịu dịng điện có thể đạt được 100% dịng định mức ghi
trên van.
Thường biện pháp làm mát thông dụng nhất thường dùng quạt mát

chung quanh cánh tản nhiệt. Đối với công suất lớn hơn người ta có thể cho
nước chảy qua cánh tản nhiệt. hoặc ngâm cả thiết bị bán dẫn vào dầu biến thế.
Các phần tử bán dẫn công suất được sử dụng ngày càng nhiều, do nó có
những ưu điểm như gọn nhẹ, làm việc tin cậy, tác động nhanh hiệu suất cao,
nên dễ thực hiện tự động hóa ..vv. Tuy nhiên các phần tử bán dẫn cơng suất
cũng địi hỏi các điều kiện khắt khe. Trước hết phải quan tâm và tôn trọng các
trị số giới hạn sử dụng do nhà sản suất đã chỉ ra đối với các phần tử như:
+ Điện áp ngược lớn nhất
+ Giá trị trung bình cho phép đối với dịng điện.
+ Tốc độ tăng trưởng của điện áp.
+ Tốc độ tăng trưởng của dòng điện .
Chương 7 Bảo vệ thiết bị biến đổi

222


Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất

+ Thời gian khóa...
- Các phần tử bán dẫn cơng suất cần được bảo vệ, chống những sự cố bất ngờ
sẩy ra, những ảnh hưởng nhiễu loạn, hay những nguy hiểm sẩy ra ngắn mạch,
q điện áp, q dịng điện. Chính vì vậy ta cần phải tính tốn bảo vệ cho các
van bán dấn khi sẩy ra sự cố.
7.4 Bài tập ứng dụng
Bài 7.1
Một thyristor làm việc trong mạch điện có đặc tính V – A như hình vẽ, hãy
tính cơng suất tổn thất trung bình qua van trong các trường hợp:
a> Có dịng một chiều 20A đi qua van. ( 2đ)

b> Khi làm việc trong một mạch chỉnh lưu một
pha nửa chu kỳ có dịng điện xoay chiều

I(A)
50

i = 14.sint đi qua. ( 2đ)
0

a
1

U(V)
2

Bài 7.2
Công suất tổn thất của một thiritstor là P  30 W . Nhiệt độ giới hạn của mặt
ghép là TJ = 1250C. Nhiệt độ môi trường là 400C.
Biết điện trở nhiệt giữa mặt ghép và cánh tản nhiệt là R jr  0,80 C / W .
Hãy tính:
a> Điện trở nhiệt giữa cánh tản nhiệt và môi trường. (2.5đ)
b> Nhiệt độ vỏ của thyritstor. (2đ)

Chương 7 Bảo vệ thiết bị biến đổi

223