Transcript *i*n t* công su*t nâng cao

Ts. Trần Trọng Minh
Bộ môn Tự đông hóa,
Khoa Điện, ĐHBK Hà nội
Hà nội, 9 - 2010

Mục tiêu:

Yêu cầu:
◦ 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.
◦ 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.
10/22/2010
2


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
3




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.
10/22/2010
4




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.
Xu hướng




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, …
Ví dụ
10/22/2010
5

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.
Nguyên nhân phát triển


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, …
Các dữ liệu thực tế
10/22/2010
6
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
7
Phần I: Những vấn đề chung của ĐTCS và điều khiển các bộ biến đổi
Các bộ biến đổi Điện tử công suất.
10/22/2010
8
Phần I: Những vấn đề chung của ĐTCS và điều khiển các bộ biến đổi
Các lĩnh vực liên quan đến Điện tử công suất.
10/22/2010
9
Phần I: Những vấn đề chung của ĐTCS và điều khiển các bộ biến đổi
Sơ đồ khối chức năng của bộ biến đổi.
10/22/2010
10
Phần I: Những vấn đề chung của ĐTCS và điều khiển các bộ biến đổi
Sơ đồ các lớp mạch của bộ biến đổi.
10/22/2010
11
Phần I: Những vấn đề chung của ĐTCS và điều khiển các bộ biến đổi
Các phần tử trong mạch của bộ biến đổi.
10/22/2010
12
Phần I: Những vấn đề chung của ĐTCS và điều khiển các bộ biến đổi
Tỷ lệ khối lượng và thể tích các phần tử
trong bộ biến đổi bán dẫn.
10/22/2010
13
Phần I: Những vấn đề chung của ĐTCS và điều khiển các bộ biến đổi
Chuyển mạch: vấn đề cực kỳ quan trọng đối với công suất lớn.
Ba loại chuyển mạch: Cứng (Hard switching), Snubbered, Softswitching.
10/22/2010
14
Zero voltage switch ZVS
Zero current switch ZCS
10/22/2010
15

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.
10/22/2010
16

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.
Đặc tính vôn-ampe của van lý
tưởng: dẫn dòng theo cả hai chiều;
chịu được điện áp thep cả hai chiều.
10/22/2010
17

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
Ký hiệu điôt
Đặc tính vôn-ampe lý tưởng của điôt
10/22/2010
18

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.
Đặc tính Vôn-ampe thực tế của điôt
Đặc tính tuyến tính hóa:
uD = UD,0 + rD*iD; rD = ΔUD/ΔID
10/22/2010
19

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 pn thông thường. Trong lớp
bán dẫn n có thêm lớp
nghèo điện tích nVùng nghèo n-, làm tăng khả năng chịu
điện áp ngược, nhưng cũng làm tăng sụt
áp khi dẫn dòng theo chiều thuận
10/22/2010
20

Đặc tính đóng cắt của điôt
◦ Đặc tính động uD(t), iD(t),
Điện tích
phục hồi Qrr
Thời gian
phục hồi trr
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.
10/22/2010
21


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:
t T
1 0
I D   iD  t  dt
T t0

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
22


Cấu tạo: cấu trúc bán dẫn gồm 4 lớp,
p-n-p-n, tạo nên 3 tiếp giáp p-n, J1,
J 2 , J3 .
Có 3 cực:
Ký hiệu
thyristor
◦ 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
Đặc tính vôn-ampe lý tưởng của
thyristor.
10/22/2010
23
Lớp n- làm
tăng khả năng
chịu điện áp
Thyristor: Cấu trúc bán dẫn và mạch điện tương đương.
10/22/2010
24

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.

Ur: reverse voltage
Uf: forward voltage
Trong mọi trường hợp thyristor
chỉ dẫn dòng được nếu IV > Ih, gọi
là dòng duy trì (Holding current).
10/22/2010
25

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
trr càng nhỏ, càng đắt
10/22/2010
26

4. Tốc độ tăng dòng cho phép,
dI/dt (A/μs)

Minh họa hiệu ứng dU/dt tác
dụng như dòng mở van
◦ 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
10/22/2010
27
10/22/2010
28
10/22/2010
29

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.
10/22/2010
30
10/22/2010
31
10/22/2010
32
10/22/2010
33
10/22/2010
34
10/22/2010
35
10/22/2010
36
10/22/2010
37
1. Xác định trạng thái van state
switch:
◦
◦

Sơ đồ nghịch lưu 3 mức

Trạng thái van được phép:
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
j
dạng hệ tọa độ cực , U r e
,
hoặc dạng tọa độ, (u , u ) .


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.
Ký
hiệu
Trạng thái van
S1x S2x
S3x
S4x
Điện áp
ra
P
1
1
0
0
E/2
0
0
1
1
0
0
N
0
0
1
1
–E/2
10/22/2010
38
.
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
1/ 31  j 0 
V1
PP0 – 00N
1/6E
1/6E
-1/3E
0P0 – N0N
-1/6E
1/3E
-1/6E
0PP – N00
-1/3E
1/6E
1/6E
1/ 3 1/ 2  j0
V4
00P – NN0
-1/6E
-1/6E
1/3E
1/ 3 1/ 2  j 3 / 2
V5
P0P – 0N0
1/6E
-1/3E
1/6E
PNN
2/3E
-1/3E
-1/3E
P0N
1/2E
0
-1/2E
PPN
1/3E
1/3E
-2/3E
0PN
0
1/2E
-1/2E
NPN
-1/3E
2/3E
-1/3E
NP0
-1/2E
1/2E
0
NPP
-2/3E
1/3E
1/3E
N0P
-1/2E
0
1/2E
NNP
-1/3E
-1/3E
2/3E
0NP
0
-1/2E
1/2E
PNP
1/3E
-2/3E
1/3E
PN0
1/2E
-1/2E
0


1/ 3  1/ 2  j 3 / 2 
1/ 3 1/ 2  j 3 / 2


1/ 3 1/ 2  j

3 / 2
2/ 31  j0
V2
V3
V6
V7


2 / 3 1/ 2  j 3 / 2 
2 / 3 0  j 3 / 2
2 / 3  1/ 2  j 3 / 2 
1/ 3  3/ 2  j 3 / 2 
V10
2/ 3 1  j 0 
V13
1/ 3 3/ 2  j 3 / 2
V14
1/ 3 3/ 2  j 3 / 2


2 / 3  1/ 2  j 3 / 2 
2 / 3 0  j 3 / 2
2 / 3 1/ 2  j 3 / 2 
1/ 3  3/ 2  j 3 / 2 
10/22/2010
V8
V9
V11
V12
V15
V16
V17
V18
39

Quy luật tổng hợp vector đầu ra
mong muốn khi vector nằm
trong một tam giác bất kỳ:

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.
◦ u = p 3 + d 1 + d 2,
◦ 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.
II
V11
V10

V9
I
III
V12
p2
d2
V3
V8
V2
u
V13

V4
V1
p 3 d1
V7
p1
V5
V14
V6
V18
IV
VI
V15
V16
V
V17
10/22/2010
40

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
10/22/2010
41
10/22/2010
42
10/22/2010
43

Dùng bộ điều
chỉnh PI xoay
chiều.
10/22/2010
44


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
45



Bộ điều chỉnh PI
trong hệ tọa độ
tĩnh 0αβ.
Không sai số
tĩnh.
Có liên hệ chéo,
phức tạp.
10/22/2010
46



Bộ điều chỉnh
PI với các
thành phần
một chiều.
Không sai số
tĩnh.
Phức tạp vì
cần nhiều
phép biến đổi
tọa độ.
10/22/2010
47


Cách thực
hiện.
Lưu ý cấu
trúc liên hệ
chéo.
10/22/2010
48

Cấu trúc tương tự

Cấu trúc gián đoạn số
10/22/2010
49



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.
10/22/2010
50

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, …
10/22/2010
51

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.
10/22/2010
52



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
10/22/2010
53
10/22/2010
54
10/22/2010
55