Giáo trình Mạch điện tử công suất và ứng dụng - Chương 1: Mở đầu

phép mang vào phòng thi 
Môn học ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT và ỨNG DỤNG 
 ( Mạch điện tử công suất, điều khiển và ứng dụng ) 
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: 
Điện tử công suất 
 (Power Electronics) 
Điện tử công suất lớn. 
Kỹ thuật biến đổi điện năng. 
- 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: Nghịch lưu 
 - Bộ Biến Đổi = Mạch ĐTCS + bộ ĐIỀU KHIỂN 
 - Tải: Các thiết bị, mạch sử dụng năng lượng điện: R, RL, động cơ.. 
BBĐ
3 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
VAI TRÒ CỦA ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT: 
 - 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, vị trí, 
 nhiệt độ) 
 - Hiệu suất biến đổi năng lượng 
4 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
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, 
 (dịch từ tiếng Anh) 
5 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
 Nội dung: 
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: Nghịch 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 Được phép mang vào phòng thi 
 Chương 1: Mở đầu 
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 Được phép mang vào phòng thi 
I.1 CÁC KHÁI NIỆM: 
 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 
trị 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. 
 Diode NDBDMC SCR 
G
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. 
 Diode NDBDMC SCR 
G
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 
 OFF : Ngắt mạch khi G = 0. 
 ON : Dẫn điện (đóng mạch) khi G ≠ 0 
Có hai loại chính : 
BJT (G là dòng cực B), MOSFET công suất (G là áp VGS). 
Trong thực tế, NGẮT ĐIỆN là linh kiện hay tổ hợp linh kiện điện tử. 
 Diode NDBDMC SCR 
G
12 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
I.2 NỘI DUNG KHẢO SÁT MẠCH ĐTCS: 
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 
 Số đo => Các đặc trưng áp, dòng, công suất 
 1. Các đặc trưng áp, dòng: 
 - Giá trị cực đại: 
 - Giá trị trung bình VO, IO 
 - Giá trị hiệu dụng VR, IR 
Các biểu thức cho dòng điện trung bình và hiệu dụng: 
21 1 ; O RT TI i(t)dt I i(t) dtT 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 Được phép mang vào phòng thi 
2. Sóng hài bậc cao và hệ số hình dáng: 
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). 
14 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
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): 
1 1
2 2 1 2 2
2 2
1
2
( ) ( sin cos ) với sin( )
 ( ) sin ( ) cos và
ω ω ω ϕ
ω ω
ϕ
∞ ∞
= =
−
= + + = + = −
= ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅
⎡ ⎤= + = = +⎢ ⎥⎣ ⎦
∑ ∑
∫ ∫
O n n O n n n n
n n
n nT T
n
n n n n R o n
n
v t V A n t B n t V v v V n t
A v t n t dt B v t n t dt
T T
AV A B tg V V V
B 1
∞
=
∑
n
 trong đó : 
 V0 : trị 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 : Trị hiệu dụng của v(t). 
16 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
Hệ số hình dạng (form factor): 
tỉ số giữa giá trị hữu dụng 
và giá trị hiệu dụng. 
Giá trị hữu dụng: 
DC: trị số trung bình UO 
AC: trị số hiệu dụng hài bậc 1 là U1R 
thường được tính cho bộ biến đổi có ngỏ ra xoay chiều: 
1= RAC
R
UKF U 
U1R : trị số hiệu dụng sóng hài bậc 1 (cơ bản) áp ra 
UR : trị số hiệu dụng áp ra 
Độ biến dạng (THD - TOTAL HARMONIC DISTORTION): 
2 2
1
1
−= R R
R
U UTHD U
Độ biến dạng thường biểu diễn theo % 
 Ta cũng có thể định nghiã tương tự với bộ biến đổi có ngỏ ra một chiều: 
 oDC
R
UKF U= 
UO : trị số trung bình áp ra 
UR : trị số hiệu dụng áp ra 
2 2−= R o
o
U UTHD U
17 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
 3. Công suất và hệ số công suất: 
 - Công suất tác dụng (trung bình) P hay PO : năng lượng sử 
dụng trong một đơn vị thời gian. 
 - Công suất biểu kiến S : tích số giá trị hiệu dụng dòng và áp 
 - Hệ số công suất HSCS hay cos ϕ : cho biết hiệu quả sử dụng 
năng lượng. 
 S
PHSCSIVSdttitv
T
P RRT =ϕ=⋅=⋅⋅= ∫ cos)()(1 
=> chỉ có tải thuần trở có HSCS bằng 1. 
18 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
 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 
 Ví dụ 0: Khảo sát chỉnh lưu 1 diod tải RL có D phóng điện 
v
o
o
i
v
(a)
R
D1
D2
L
 Mạch chỉnh lưu 
bán sóng có diod 
phóng điện D2, v là 
nguồn xoay chiều. 
o
i
v
o
v
(b)
L
R
Ở bán kỳ v > 0, 
D1 dẫn dòng iO
> 0 
i
ov
o
(c)
L
R
Khi D2 dẫn 
điện, D1 
không dẫn: v 
< 0 và dòng 
iO > 0. 
o
oi
v
(d)
R
L
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) 
Ví dụ1: Giải ví dụ 0 để mô tả hoạt động của mạch. 
 Áp nguồn sin= 2v V wt , điều kiện đầu t = 0; iO = 0 
− ωt = 0 : v > 0, D1 dẫn điện, mạch điện hình (b): 
phương trình vi phân: 
 . điều kiện đầu = + =oo odiv R i L idt 0 
o
i
v
o
v
(b)
L
R
 => sin( ) sin τω φ φ
−⎡ ⎤= − + ⋅⎢ ⎥⎣ ⎦
t
o
Vi t e
Z
2 
 với τ = L R , ( )22 1 - wLtổng trở tải Z R L ,góc pha tg Rω φ= + = 
20 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
 − ωt = π : dòng = >oi Io 0 phóng qua diod phóng điện D2 : 
. ( ) điều kiện đầu = + =oo o odiR i L i Idt0 0 (lấy lại gốc thời gian). 
i
ov
o
(c)
L
R
 => . τ
−= to oi I e . Ở đầu chu kỳ kế . π τ−= = >wo oi I e I1 0 
 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 trị đầu 
và giá trị 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: 
v
R1
100 ohm
R2
100 ohm
C1
1 microF
 Hình vd2: Mạch RC cung cấp bằng xung vuông 
 - Khảo sát hoạt động trong một chu kỳ với giả sử các giá trị 
ban đầu của biến trạng thái của mạch được biết. 
- Nhận được hệ phương trình để tính các thông số cuả dạng 
dòng/áp. 
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. 
v
o
o
i
v
(a)
R
D1
D2
L
o
i
v
o
v
(b)
L
R
t = 0 : D1 dẫn điện, phương trình vi phân mô tả mạch điện là: 
. điều kiện đầu = + =oo odiv R i L i Idt 1 
=> sin( ) sin τω φ φ
−⎡ ⎤= − + − ⋅⎢ ⎥⎣ ⎦
t
o
V Vi t I e
Z Z1
2 2
23 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
Ở bán kỳ kế, D2 cũng dẫn điện: 
. ( ) điều kiện đầu = + =oo o odiR i L i Idt0 0 
sin( ) sinvới 
π
τπ φ φ
−⎡ ⎤= − + − ⋅⎢ ⎥⎣ ⎦
w
o
V VI I e
Z Z1
2 2 
v
o
o
i
v
(a)
R
D1
D2
L
i
ov
o
(c)
L
R
 => . τ−= to oi I e và ở cuối chu kỳ .
π τ−= woI I e1 
 , 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. 
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 
 Hệ tuyến tính: 1 2 1 2( ) ( ) ( )f x x f x f x+ = + 
=> Giá trị 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. 
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: Trị trung bình áp ra: 
2 / 6
0 0
1 1. .
3
= = =∫ ∫T To VV vdt V dtT T 
 => trị trung bình dòng ra IO = (200/3)/200 = 1/3 A và trị trung bình 
áp trên mỗi điện trở tải Vo1 = Vo/ 2 = 33.3 V 
T
t
V
v
Hình Vd2.a: dạng áp nguồn tính 
bằng số 
Vo
Vo1
Io
R2
100 ohm
R1
100 ohm
Hình Vd2.b: Mạch tương đương với 
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 định 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 Được phép mang vào phòng thi 
I.3 TÍNH CHỌN NGẮT ĐIỆN ĐIỆN TỬ: 
1. Định mức áp: VDRM > katV * Vlvmax 
 Vlvmax : Áp làm việc max. VDRM : Áp khóa. 
 katV : hệ số an toàn áp ≥ 2. 
 2. Định 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: )RRR(P HACHJCAJ ++⋅Δ=θ−θ 
+ 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 < định mức trung bình IAVE 
Hay IR < định 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 2dti 
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 
30 / 30 ch1 mo dau ppt.doc ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
2. Bảo vệ áp: (quá áp dạng xung) 
260v
IRF450
TFR105
C
103
10k
R4