đIện tử công suất cơ bản

Điện tử công suấtMã số: EE3147

Ts. Trần Trọng MinhBộ môn Tự đông hóa,

Khoa Điện, ĐHBK Hà nộiHà nội, 9 - 2010

2

Mục tiêu:◦ Nắm được các kiến thức cơ bản về quá trình biển đổi năng lượng điện dùng các bộ biến

đổi bán dẫn công suất cũng như những lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu của biến đổi điện năng.

◦ Có hiểu biết về những đặc tính của các phần tử bán dẫn công suất lớn.◦ Có các khái niệm vững chắc về các quá trình biến đổi xoay chiều – một chiều (AC –

DC), xoay chiều – xoay chiều (AC – AC), một chiều – một chiều (DC – DC), một chiều – xoay chiều (DC – AC) và các bộ biến tần.

◦ Biết sử dụng một số phần mềm mô phỏng như MATLAB, PLEC,… để nghiên cứu các chế độ làm việc của các bộ biến đổi.

◦ Sau môn học này người học có khả năng tính toán, thiết kế những bộ biến đổi bán dẫn trong những ứng dụng đơn giản.

Yêu cầu:◦ Nghe giảng và đọc thêm các tài liệu tham khảo,◦ Sử dụng Matlab-Simulink để mô phỏng, kiểm chứng lại các quá trình xảy ra trong các bộ

biến đổi,◦ Củng cố kiến thức bằng cách tự làm các bài tập trong sách bài tập.

Mục tiêu và yêu cầu

10/22/2010

3

Đánh giá kết quả: ◦ Điểm quá trình: trọng số 0,25◦ Kiểm tra giữa kỳ: 0,25◦ Thi cuối kỳ: 0,75

Tất cả các lần thi và kiểm tra đều được tham khảo tất cả các loại tài liệu (Open book examination).

10/22/2010

Thi và kiểm tra

4

1. Điện tử công suất; Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh; NXB KH&KT Hà nội, 2009.

2. Phân tích và giải mạch điện tử công suất; Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi; NXB KH&KT, 1999.

3. Giáo trình điện tử công suất; Trần Trọng Minh; NXB Giáo dục, 2009.

4. Hướng dẫn thiết kế Điện tử công suất; Phạm Quốc Hải; NXB KH&KT 2009.

Tài liệu tham khảo

10/22/2010

5

ĐTCS: Xu hướng phát triển và phạm vi ứng dụng

Xu hướng Ví dụ

Xu hướng phát triển: dải công suất trải rộng, từ nhỏ, …

… Đến lớn và rất lớn. Ứng dụng: rộng khắp, từ

các thiết bị cầm tay, dân dụng đến các hệ thống thiết bị công nghiệp.

Đặc biệt: tham gia vào điều khiển trong hệ thống năng lượng.

Vài W đến vài trăm W, thành phần chính trong các hệ thống Power management của các thiết bị nhỏ.

Vài trăm kW đến vài chục MW.

FACTS: hệ truyền tải, DG – Distributed

Generation, Custom Grid, Renewable Energy System, …

10/22/2010

6

ĐTCS: Xu hướng phát triển và phạm vi ứng dụng

Nguyên nhân phát triển Các dữ liệu thực tế

Sự phát triển của ĐTCS liên quan đến:◦ Công nghệ chế tạo các

phần tử bán dẫn công suất đạt được những bước tiến lớn.

◦ Các tiến bộ vượt bậc trong công nghệ các phần tử điều khiển và lý thuyết điều khiển.

MOSFET, IGBT: tần số đóng cắt cao, chịu được điện áp cao, dòng điện lớn.

Các chip vi xử lý, vi điều khiển, DSP 16 bit, 32 bit, nhanh, mạnh về điều khiển:◦ Tích hợp ADC, đầu vào

counter, PWM built-in;◦ Truyền thông: I2C, CAN,

UART, …

10/22/2010

7

Phần I: Những vấn đề chung của ĐTCS và điều khiển các bộ biến đổi

Điện tử công suất trong hệ thống năng lượng từ trước đến nay và từ nay về sau.

10/22/2010

8


Các bộ biến đổi Điện tử công suất.

10/22/2010

9


Các lĩnh vực liên quan đến Điện tử công suất.

10/22/2010

10


Sơ đồ khối chức năng của bộ biến đổi.

10/22/2010

11


Sơ đồ các lớp mạch của bộ biến đổi.

10/22/2010

12


Các phần tử trong mạch của bộ biến đổi.

10/22/2010

13


Tỷ lệ khối lượng và thể tích các phần tử trong bộ biến đổi bán dẫn.

10/22/2010

14


Chuyển mạch: vấn đề cực kỳ quan trọng đối với công suất lớn.

Ba loại chuyển mạch: Cứng (Hard switching), Snubbered, Soft-switching.10/22/2010

15


Chuyển mạch mềm: giải pháp giảm tổn thất do chuyển mạch, tăng tần số làm việc, tăng công suất bộ biến đổi.

Zero voltage switch - ZVS

Zero current switch - ZCS

10/22/2010

16

Chương I Những phần tử bán dẫn công suất

10/22/2010

I.1 Những vấn đề chung I.2 Điôt I.3 Thyristor I.4 Triac I.5 GTO (Gate-Turn-off Thyristor) I.6 BJT (Bipolar Junction Transistor) I.7 MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field Effect

Transistor) I.8 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

Cần nắm được:◦ Nguyên lý hoạt động◦ Các thông số cơ bản (Đặc tính kỹ thuật), cần thiết để lựa chọn phần

tử cho một ứng dụng cụ thể.

17

Các van bán dẫn chỉ làm việc trong chế độ khóa◦ Mở dẫn dòng: iV > 0, uV = 0;

◦ Khóa: iV = 0, uV > 0;

◦ Tổn hao pV = iV*uV ~ 0;

Lưu ý rằng phần tử bán dẫn nói chung chỉ dẫn dòng theo một chiều.◦ Muốn tạo ra các van bán dẫn hai chiều

hai chiều phải kết hợp các phần tử lại. Về khả năng điều khiển, các van

bán dẫn được phân loại:◦ Van không điều khiển, như ĐIÔT,◦ Van có điều khiển, trong đó lại phân

ra: Điều khiển không hoàn toàn, như

TIRISTOR, TRIAC, Điều khiển hoàn toàn, như BIPOLAR

TRANSISTOR, MOSFET, IGBT, GTO.

10/22/2010


I.1 Những vấn đề chung

Đặc tính vôn-ampe của van lý tưởng: dẫn dòng theo cả hai chiều; chịu được điện áp thep cả hai chiều.

18

Cấu tạo từ một lớp tiếp giáp p-n◦ Chỉ dẫn dòng theo một chiều từ

anot đến catot

◦ uAK >0 iD >0; Phân cực thuận.

◦ uAK < 0 iD = 0; Phân cực ngược

10/22/2010


I.2 Điôt

Ký hiệu điôt

Đặc tính vôn-ampe lý tưởng của điôt

19

Đặc tính vôn-ampe của điôt◦ Giúp giải thích chế độ làm việc thực tế của điôt◦ Tính toán chế độ phát nhiệt (tổn hao trên điôt) trong quá trình làm việc.

10/22/2010


I.2 Điôt

Đặc tính Vôn-ampe thực tế của điôt Đặc tính tuyến tính hóa:uD = UD,0 + rD*iD; rD = ΔUD/ΔID

20

Đặc điểm cấu tạo của điôt công suất (Power diode)◦ Phải cho dòng điện lớn

chạy qua (cỡ vài nghìn ampe), phải chịu được điện áp ngược lớn (cỡ vài nghìn vôn);

◦ Vì vậy cấu tạo đặc biệt hơn là một tiếp giáp bán dẫn p-n thông thường. Trong lớp bán dẫn n có thêm lớp nghèo điện tích n-

10/22/2010


I.2 Điôt

Vùng nghèo n-, làm tăng khả năng chịu điện áp ngược, nhưng cũng làm tăng sụt áp khi dẫn dòng theo chiều thuận

21

Đặc tính đóng cắt của điôt

◦ Đặc tính động uD(t), iD(t),

10/22/2010

Chương I Những phần tử bán dẫn công suấtI.2 Điôt

Khi mở: điện áp uFr lớn lên đến vài V trước khi trở về giá trị điện áp thuận cỡ 1 – 1,5V do vùng n- còn thiếu điện tích

Khi khóa: dòng về đến 0, sau đó tiếp tục tăng theo chiều ngược với tốc độ dir/dt đến giá trị Irr rồi về bằng 0.

Điện tích phục hồi Qrr

Thời gian phục hồi trr

22

Các thông số cơ bản của điôt◦ Giá trị dòng trung bình cho

phép chạy qua điôt theo chiều thuận: ID (A)

◦ Giá trị điện áp ngược lớn nhất mà điôt có thể chịu đựng được, Ung,max (V)

◦ Tần số, f (Hz)

◦ Thời gian phục hồi, trr (μs) và điện tích phục hồi, Qrr (C)

Trang WEB của Proton-Electrotex,

Nga ◦ http://www.proton-electrotex.com/

Trang WEB của PowerRex ◦ http://www.pwrx.com/

Tại sao lại là dòng trung bình?◦ Liên quan đến quá trình phát nhiệt.◦ Cho ví dụ:

Khả năng chịu điện áp: 3 giá trị,◦ Repetitive peak reverse voltages, URRM

◦ Non repetitive peak reverse voltages , URSM

◦ Direct reverse voltages, UR

Khi tần số tăng lên tổn thất do quá trình đóng cắt sẽ đóng vai trò chính chứ không phải là tổn thất khi dẫn.

Ba loại điôt công suất chính:◦ 1. Loại thường, dùng ở tần số 50, 60 Hz. Không cần quan tâm

đến trr.

◦ 2. Loại nhanh: fast diode, ultrafast diode.◦ 3. Schottky Diode: không phải là loại có tiếp giáp p-n. Sụt áp

khi dẫn rất nhỏ, cỡ 0,4 – 0,5 V, có thể đến 0,1 V. Dùng cho các ứng dụng tần số cao, cần dòng lớn, điện áp nhỏ, tổn thất rất nhỏ. Chỉ chịu được điện áp thấp, dưới 100 V.

10/22/2010

Chương I Những phần tử bán dẫn công suấtI.2 Điôt

0

0

1t T

D D

t

I i t dtT

http://www.proton-electrotex.com/

http://www.pwrx.com/

23

Cấu tạo: cấu trúc bán dẫn gồm 4 lớp, p-n-p-n, tạo nên 3 tiếp giáp p-n, J1, J2, J3.

Có 3 cực:◦ Anode: nối với lớp p ngoài cùng,◦ Cathode: nới với lớp n ngoài cùng,◦ Gate: cực điều khiển, nối với lớp p ở giữa.

Là phần tử có điều khiển. Có thể khóa cả điện áp ngược lẫn điện áp thuận.

Chỉ dẫn dòng theo một chiều từ anot đến catot

◦ uAK >0 ; Phân cực thuận.

◦ uAK < 0 ; Phân cực ngược

10/22/2010


I.3 Thyristor

Ký hiệu thyristor

Đặc tính vôn-ampe lý tưởng của thyristor.

2410/22/2010


I.3 Thyristor

Thyristor: Cấu trúc bán dẫn và mạch điện tương đương.

Lớp n- làm tăng khả năng chịu điện áp

25

Đặc tính vôn-ampe của thyristor 1. Đặc tính ngược: UAK < 0.◦ Rất giống đặc tính ngược của điôt.

2. Đặc tính thuận: UAK > 0.

2.1. Khi UGK = 0,◦ Cho đến khi UAK < Uf,max thyristor cản trở

dòng điện.

◦ Cho đến khi UAK = Uf,max trở kháng giảm đột ngột. Đặc tính chuyển lên đoạn điện trở nhỏ như điôt khi dẫn dòng theo chiều thuận.

2.2 Khi UGK > 0,◦ Đặc tính chuyển lên đoạn điện trở nhỏ tại

UAK << Uf,max.

◦ Điện áp chuyển càng nhỏ nếu UGK càng lớn.

Trong mọi trường hợp thyristor chỉ dẫn dòng được nếu IV > Ih, gọi là dòng duy trì (Holding current).

10/22/2010


I.3 Thyristor

Ur: reverse voltageUf: forward voltage

26

1. Giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua tiristor, IV

◦ Làm mát tự nhiên: một phần ba dòng IV.

◦ Làm mát cưỡng bức bằng quạt gió: hai phần ba dòng IV.

◦ Làm cưỡng bức bằng nước: có thể sử dụng 100% dòng IV.

2. Điện áp ngược cho phép lớn nhất, Ung,max

3. Thời gian phục hồi tính chất khóa của thyristor, trr (μs)◦ Thời gian tối thiểu phải đặt điện áp âm lên anôt-catôt của tiristor sau khi dòng iV đã

về bằng 0 trước khi có thể có điện áp UAK dương mà tiristor vẫn khóa.

◦ Trong nghịch lưu phụ thuộc hoặc nghịch lưu độc lập, phải luôn đảm bảo thời gian khóa của van cỡ 1,5 - 2 lần tr.

◦ trr phân biệt thyristor về tần số: Tần số thấp: trr > 50 μs;

Loại nhanh: trr = 5 – 20 μs

10/22/2010

Chương I Những phần tử bán dẫn công suấtI.3 Thyristor. Các thông số cơ bản.

trr càng nhỏ, càng đắt

27

4. Tốc độ tăng dòng cho phép, dI/dt (A/μs)◦ Thyristor tần số thấp: dI/dt cỡ 50 – 100

A/μs.◦ Thyristor tần số cao: dI/dt cỡ 200 – 500

A/μs.

5. Tốc độ tăng điện áp cho phép, dU/dt (V/μs)◦ Thyristor tần số thấp: dU/dt cỡ 50 –

100 V/μs.◦ Thyristor tần số cao: dU/dt cỡ 200 –

500 V/μs. 6. Thông số yêu cầu đối với tín

hiệu điều khiển, (UGK, IG)◦ Ngoài biên độ điện áp, dòng điện, độ rộng

xung là một yêu cầu quan trọng.◦ Độ rộng xung tối thiểu phải đảm bảo dòng

IV vượt qua giá trị dòng duy trì Ih

Minh họa hiệu ứng dU/dt tác dụng như dòng mở van

10/22/2010

Chương I Những phần tử bán dẫn công suấtI.3 Thyristor. Các thông số cơ bản.

2810/22/2010


I.3 Thyristor. Sơ đồ ứng dụng tiêu biểu.

2910/22/2010

So sánh tương đối các phần tử bán dẫn công suất cơ bản.

30

Sẽ tìm hiểu những vấn đề khi muốn tăng công suất của các bộ biến đổi theo hướng dòng điện lớn và điện áp cao. Phải làm thế nào?◦ Lĩnh vực ứng dụng công suất nhỏ: rất quan trọng nhưng phải có

một chương trình khác.

Sẽ tìm hiểu lĩnh vực ứng dụng quan trọng của ĐTCS trong điều khiển hệ thống năng lượng, bù và đảm bảo chất lượng điện áp. Đặc biệt liên quan đến lưới điện phân tán.◦ Những ứng dụng rộng rãi của ĐTCS trong điều khiển máy điện đã

được đề cập đến trong các môn học về Truyền động điện. Không đề cập ở đây.

◦ Các bộ biến đổi dùng thyristor trong các bộ chỉnh lưu hay những bộ nguồn cho các quá trình công nghệ đã đề cập đầy đủ trong chương trình ĐTCS cơ bản.

Nội dung trình bày chính

10/22/2010

31

Multilevel Converter dùng để tăng công suất bộ biến đổi

10/22/2010

32

Nguyên lý tạo điện áp ra trong nghịch lưu đa cấp

10/22/2010

33

Các sơ đồ NL ĐC cơ bản

10/22/2010

34

So sánh số lượng van bán dẫn trong các sơ đồ NL ĐC

10/22/2010

35

Vector không gian của NL 4 cấp

10/22/2010

36

Sơ đồ NL 4 cấp và chỉnh lưu 12 xung đầu vào

10/22/2010

37

Dạng điện áp pha và dòng tải

10/22/2010

38

1. Xác định trạng thái van state switch:◦ Không làm ngắn mạch nguồn áp (tụ C);◦ Không hở mạch nguồn dòng (cuộn cảm

L).

2. Với mỗi trạng thái van xác định vector trạng thái state vector

3. Xây dựng đồ thị vector không gian: các vector biên và các sector.

4. Cho vector mong muốn dưới dạng hệ tọa độ cực , , hoặc dạng tọa độ, .

5. Tính toán hệ số biến điệu tùy

theo vị trí của vector mong muốn nằm trong sector nào.

6. Lựa chọn tổ hợp van đóng cắt phù hợp.

Sơ đồ nghịch lưu 3 mức

Trạng thái van được phép:

Bộ biến đổi ba mức: SVM

jrU e

( , )u u Ký

hiệuTrạng thái van Điện áp

raS1x S2x S3x S4x

P 1 1 0 0 E / 2

0 0 1 1 0 0

N 0 0 1 1 – E / 2

10/22/2010

39

Trạng thái van ua ub uc u/E Vectơ

NNN – 000 – PPP 0 0 0 0 V0

P00 – 0NN 1/3E -1/6E -1/6E V1

PP0 – 00N 1/6E 1/6E -1/3E V2

0P0 – N0N -1/6E 1/3E -1/6E V3

0PP – N00 -1/3E 1/6E 1/6E V4

00P – NN0 -1/6E -1/6E 1/3E V5

P0P – 0N0 1/6E -1/3E 1/6E V6

PNN 2/3E -1/3E -1/3E V7

P0N 1/2E 0 -1/2E V8

PPN 1/3E 1/3E -2/3E V9

0PN 0 1/2E -1/2E V10

NPN -1/3E 2/3E -1/3E V11

NP0 -1/2E 1/2E 0 V12

NPP -2/3E 1/3E 1/3E V13

N0P -1/2E 0 1/2E V14

NNP -1/3E -1/3E 2/3E V15

0NP 0 -1/2E 1/2E V16

PNP 1/3E -2/3E 1/3E V17

PN0 1/2E -1/2E 0 V18

1/ 3 1 0j

1/ 3 1/ 2 3 / 2j

1/ 3 1/ 2 3 / 2j

1/ 3 1/ 2 0j

1/ 3 1/ 2 3 / 2j

1/ 3 1/ 2 3 / 2j

2 / 3 1 0j

1/ 3 3/ 2 3 / 2j

2 / 3 1/ 2 3 / 2j

2 / 3 0 3 / 2j

2 / 3 1/ 2 3 / 2j

1/ 3 3/ 2 3 / 2j

2 / 3 1 0j

1/ 3 3/ 2 3 / 2j

2 / 3 1/ 2 3 / 2j

2 / 3 0 3 / 2j

2 / 3 1/ 2 3 / 2j

1/ 3 3/ 2 3 / 2j

Bảng trạng thái đóng cắt van và vector trạng thái

.

10/22/2010

40

Quy luật tổng hợp vector đầu ra mong muốn khi vector nằm trong một tam giác bất kỳ:◦ u = p3 + d1 + d2,

◦ d1 = d1(p1 – p3); d2 = d2(p2 – p3); d1, d2 là tỷ lệ độ dài so với cạnh tương ứng của tam giác.

◦ u = p3 + d1(p1 – p3) + d2(p2 – p3)

◦ u = p3(1 – d1 – d2) + d1p1 + d2p2.

Vector không gian:◦ Có 3 loại vector: vector lớn LV,

trung bình MV, nhỏ SV (và vector không)

◦ 18 vector chia mặt phẳng ra 6 sector , mỗi sector chứa 4 tam giác đều.

Vector không gian của NL 3 mức

V1

V2V3

V4

V5 V6

V15 V16 V17

V18

V7

V8

V9V10V11

V12

V13

V14

I

II

III

IV

V

VI

ud2

d1p3

p2

p1

10/22/2010

41

Mạch vòng dòng điện đảm bảo đáp ứng của dòng điện như mong muốn:◦ Không sai lệch;◦ Thời gian đáp ứng trong phạm vi cho phép;◦ Tần số cắt ωCL < 1/10 ωs

Mạch vòng dòng điện

10/22/2010

42

Các loại mạch vòng dòng điện

10/22/2010

43

Mạch vòng dòng điện: có và không có PWM

10/22/2010

44

Dùng bộ điều chỉnh PI xoay chiều.


10/22/2010

45

Bộ điều chỉnh PI trong hệ tọa độ tĩnh 0αβ.

Có sai số tĩnh do độ dịch pha của tín hiệu xoay chiều.


10/22/2010

46

Bộ điều chỉnh PI trong hệ tọa độ tĩnh 0αβ.

Không sai số tĩnh.

Có liên hệ chéo, phức tạp.

Mạch vòng dòng điện:

10/22/2010

47

Bộ điều chỉnh PI với các thành phần một chiều.

Không sai số tĩnh.

Phức tạp vì cần nhiều phép biến đổi tọa độ.

Mạch vòng dòng điện: trong hệ tọa độ quay 0dq.

10/22/2010

48

Cách thực hiện.

Lưu ý cấu trúc liên hệ chéo.

Mạch vòng dòng điện: trong hệ tọa độ quay 0dq.

10/22/2010

49

Cấu trúc tương tự Cấu trúc gián đoạn số

Bộ điều chỉnh PI trong hệ tọa độ quay 0dq

10/22/2010

50

Phần tỷ lệ P không thay đổi qua các phép quay tọa độ

Chỉ có khâu tích phân I chịu tác động của phép quay.

Biến đổi Laplace cho thấy phần tích phân tương đương với khâu cộng hưởng trong hệ tọa độ tĩnh.

Bộ điều chỉnh cộng hưởng

10/22/2010

51

Tính chất quan trọng:◦ Không cần nhiều phép biến đổi;◦ Tác động có tính chọn lọc về tần số;◦ Thích hợp cho ứng dụng trong lọc tích cực.◦ Có thể thiết kế nhiều khâu tích phân song song để đảm

bảo tính lọc cho các sóng hài bậc cao hơn như bậc 5, 7, 11, …

Bộ điều chỉnh cộng hưởng

10/22/2010

52

Đáp ứng của bộ điều chỉnh PI thông thường: ◦ Có sai số tĩnh do lệch pha

Đáp ứng của bộ điều chỉnh PI cộng hưởng: ◦ Không sai số tĩnh◦ Đáp ứng còn chậm do các sóng

hài bậc cao. Có thể cải thiện đặc tính nếu thêm vào các mắt lọc bậc cao hơn.

Bộ điều chỉnh PI cộng hưởng

10/22/2010

53

Vai trò của các bộ biến đổi bán dẫn trong hệ thống năng lượng Điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng Lý thuyết tính toán dòng công suất

Các bộ biến đổi bán dẫn công suất trong hệ thống năng lượng

10/22/2010

54

PE in Electrical Smart Grid

10/22/2010

55

PE in Electrical Systems

10/22/2010

đIện tử công suất cơ bản

Education

Transcript of đIện tử công suất cơ bản