CHƯƠNG I : CÔNG SUẤT ĐIỆN TỬ Đề cương học tập 1.1 Giới thiệu 1.2 Công suất điện tử ? 1.3 Tại có công suất điện tử ? 1.3.1 Một biến trở dụng cụ điều khiển 1.3.2 Một chuyển mạch dụng cụ điều khiển 1.4 Các chuyển mạch nửa dẫn công suất 1.5 Tổn thất công suất chuyển mạch thực tế 1.5.1 Tổn thất dẫn điện 1.5.2 Tổn thất chuyển mạch 1.6 Các kiểu mạch điện công suất điện tử 1.7 Các ứng dụng công suất điện tử 1.8 Thảo luận 1.9 Các công thức Trọng tâm học tập Sau hoàn thành chương sinh viên cần có khả Định rõ giới hạn công suất điện tử Kể ứng dụng việc dùng chuyển mạch để điều khiển công suất điện Liệt kê kiểu khác dụng cụ nửa dẫn công suất Xác định tổn hao công suất chuyển mạch thực Liệt kê kiểu khác mạch công suất điện tử Liệt kê kiểu ứng dụng công suất điện tử 1.1 Giới thiệu Các ứng dụng điện tử trạng thái rắn lónh vực công suất điện tăng trưởng vững chắc, chiều hướng công suất điện tử đặc trưng phổ biến nhiều chương trình kỹ thuật điện Các điện tử công suất dùng từ năm 1960, sau việc giới thiệu mạch chỉnh lưu có điều khiển silíc (SCR) điện khí đại cương Công suất điện tử tăng trưởng nhanh chóng năm gần với phát triển dụng cụ nửa dẫn công suất chuyển mạch dòng điện lớn có hiệu qủa điện áp cao Từ dụng cụ với độ tin cậy cao, kích cỡ nhỏ, công suất điện tử mở rộng chủng loại phạm vi đến ứng dụng điều khiển nhiệt ánh sáng, điều chỉnh công suất cung cấp, thay đổi tốc độ động AC DC, bù tónh VAR, hệ thống biến DC cao áp 1.2 Công suất điện tử ? Lónh vực rộng lớn công việc kỹ sư điện chia thành ba chủ đề : công suất điện ; điện tử ; điều khiển Công suất điện tử với ứng dụng dụng cụ nửa dẫn công suất, thyristor bán dẫn , cho biến đổi điều khiển lượng điện mức công suất cao Sự biến đổi thường từ AC thành DC, thông số điều khiển điện áp, dòng điện hay tần số Ví dụ như, chỉnh lưu đơn giản từ AC thành DC biến đổi công suất, điều chỉnh mức điện áp cung cấp đến chỉnh lưu, hai biến đổi điều khiển công suất điện gắn với nhau.Vì vậy, công suất điện tử xem xét mộ công nghệ liên quan nhiều lónh vực gồm ba lónh vực co : công suất , điện tử, điều khiển, trình bày hình 1.1 Hình 1.1 : Công suất điện tử : tổ hợp công suất, điện tử điều khiển Cuốn sách bao gồm việc sữ dụng dụng cụ nửa dẫn công suất ứng dụng chỉnh lưu, đảo chiều , biến đổi tần số, dụng cu AC DC, công suất cung cấp Trong công suất điện tử, dụng cu diot, bán dẫn, thyristor, triac dùng chủ yếu chuyển mạch để thực công việc đóng mở mạch công suất điện tử 1.3 Tại có công suất điện tử ? Truyền tải công suất điện từ nguồn đến tải điều khiển thay đổi điện áp cung cấp (dùng biến thế) hay cách thêm máy điều chỉnh ( biến trở, lò phản ứng hay chuyển mạch ) Các dụng cụ bán dẫn dùng làm chuyển mạch có điểm kích cỡ nhỏ, không đắt, hiệu qủa, chúng dùng điều khiển công suất tự động Một điểm dùng chuyển mạch yếu tố điều khiển ( so với dùng biến trở hay phân để điều chỉnh điện trở) trình bày phần sau 1.3.1 Dụng cụ điều khiển biến trở Hình 1.2 trình bày biến trở điều khiển tải Khi R1 đặt điện trở 0, toàn công suất phân phối đến tải Khi R1 đặt điện trở cực đại, công suất phân phối đóng xuống Để truyền tải công suất cực đại đến tải, R1 phải RL Với điều kiện này, biến trở tiêu thụ nhiều công suất đến ảti – hiệu qủa biến đổi 50% Hơn nữa, biến trở lớn tải tiêu hao thêm nhiệt Hình 1.2 : Một biến trở điều khiển tải Trong ứng dụng này, công suất điều khiển lớn, hiệu qủa biến đổi quan trọng Hiệu qủa thấp có nghóa tổn hao lớn, xem xét tính kinh tế phát nhiệt phải có lớp chuyển tiếp hệ thống để ngăn ngừa qúa nhiệt Ví dụ 1.1 Một nguồn DC 100 V cungcấp cho tải điện trở 10 Ω Tìm công suất phân phối đến tải PL , công suất tổn hao biến trở PR , tổng công suất cung cấp nguồn PT , hiệu suất η , biến trở đặt : a) Ω b) 10 Ω c) 100 Ω Giaûi đáp : a) Điện áp qua tải VL = 100 V Công suất cung cấp đến tải PL = 1002 / 10 = kW Công suất tiêu thụ biến trở PR = kW Công suất cungcấp nguoàn PR = PL + PR = kW P Hiệu suất η = L *100 = 100% PT b) Điện áp qua tải Công suất cung cấp đến tải Công suất tiêu thụ biến tải Công suất cungcấp nguồn Hiệu suất c) Điện áp qua tải Công suất cung cấp đến tải Công suất tiêu thụ biến tải Công suất cungcấp nguồn Hiệu suất VL PL PR PT = 10 * 100 / 20 = 50 V = 502 / 10 = 250 W = 250 W = PL + PR = 500 W P η = L *100 = 50% PT VL PL PR PT = 10 * 100 / 110 = V = 92 / 10 = 8,1 W = 91 * 19 / 100 = 82,8 W = PL + PR = 90,9 W P η = L *100 = 8,9% PT Từ ví dụ rõ ràng hiệu suất công suất truyền tải từ nguồn đến tải thấp –nên nhớ 50% trường hợp (b) 1.32 Dụng cụ điều khiển chuyển mạch Trong hình 1.3 , chuyển mạch dùng để điều khiển tải Khi chuyển mạch mở, công suất cực đại phân phối đến tải Công suất tổn hao chuyển mạch điện áp qua Khi chuyển mạch đóng, công suất phân phối đến tải Một lần nữa, chuyển mạch tổn hao công suất dòng điện qua Hiệu suất 100% chuyển mạch tổn hao công suất hai vị trí Vấn đề với phương pháp không giống biến trở, chuyển mạch đặt điểm để biến đổi công suất Tuy nhiên, tạo hiệu qủa giống cách vặn đổi chiều định kỳ chuyển mạch đóng mở Bóng bán dẫn SCRs dùng chuyển mạch tự động vặn đổi chiều đóng mở hàng trăm lần giây Chuyển mạch điện tử đặt mở cho thời gian dài đặt đóng cho thời gian ngắn Khi cần công suất thấp, đặt thời gian đóng dài Hình 1.3 : Một chuyển mạch điều khiển tải Ví dụ 1.2 Một nguồn DC 100 V cung cấp tải điện trở 10 Ω qua chuyển mạch Tìm công suất cung cấp đến tải PL , công suất tổn hao chuyển mạch Ps , tổng công suất cung cấp nguồn PT , chuyển mạch : a) đóng b) Mở c) Đóng 50% thời gian d) Đóng 20% thời gian Giải đáp : a) Với chuyển mạch đóng Điện áp qua tải VL = 100 V Công suất phân phối đến tải PL = 1002 / 10 = kW Công suất tổn hao chuyển mạch Ps = Công suất cung cấp nguồn PT = kW b) Với chuyển mạch mở Điện áp qua tải VL = V Công suất phân phối đến tải PL = kW Công suất tổn hao chuyển mạch Ps = Công suất cung cấp nguồn PT = kW c) Đóng 50% thời gian ( xem hình 1.4 ) Điện áp qua tải VL = 50 V Công suất phân phối đến tải PL = 502 / 10 = 250 W Công suất tổn hao chuyển mạch Ps = Công suất cung cấp nguồn PT = 250 W d) Đóng 20% thời gian Điện áp qua tải VL = 20 V Công suất phân phối đến tải PL = 202 / 10 = 40 W Công suất tổn hao chuyển mạch Ps = Công suất cung cấp nguồn PT = 40 W Hình 1.4 : xem ví dụ 1.2 Như ví dụ trình bày, tất công suất cung cấp nguồn phấn phối đến tải Hiệu suất truyền tải công suất 100% Dó nhiên, ví dụ chuyển mạch giả sử lý tưởng, dùng bóng bán dẫn làm chuyển mạch, kết qủa gần với làm việc mạch lý tưởng 1.4 Công suất chuyển mạch bán dẫn Công suất chuyển mạch bán dẫn yếu tố quan trong mạch điện công suất điện tử Các loại chủ yếu dụng cụ bán dẫn dùng làm chuyển mạch mạch công suất điện tử : Các diot Các bóng bán dẫn nối hai cực ( BJT ) Lónh vực chất bán dẫn oxit kim loại – bóng bán dẫn hiệu qủa ( MOSFET) Các chỉnh lưu có điều khiển silic ( SCR ) Các triac Các thyristor cổng rẽ ( GTO ) Các thyristor có điều khiển – MOS ( MCT ) Trong điện tử công suất, dụng cụ làm việc theo kiểu chuyển mạch Các chuyển mạch làm để hoạt động tần số cao để biến đổi điều khiển công suất điện với hiệu suất cao vàcách thức tốt Công suất tổn hao chuyển mạch tự nhỏ điện áp gần chuyển mạch mở dòng điện gần chuyển mạch đóng Chúng ta xem chuyển mạch lý tưởng ( hạn chế chuyển mạch thực tế trình bày phần ) Một chuyển mạch lý tưởng thoả mãn điều kiện sau : Nó vặn mở vặn đóng thời gian Khi chuyển mạch mở, điện áp qua Khi chuyển mạch đóng, dòng điện qua Nó không tiêu thụ công suất Thêm vào muốn điều kiện sau : Khi mở, mang dòng điện lớn Khi đóng , chịu điện áp cao Nó dùng công suất để điều khiển hoạt động Nó có độ tin cậy cao Nó có kích cỡ lương nhỏ 10 Nó có chi phí thấp 11 Nó khôngcần bảo dưỡng 1.5 Tổn hao công suất chuyển mạch thực: Một chuyển mạch lý tưởng trình bày hình 1.5 Công suất tổn hao phát sinh chuyển mạch sản phẩm dòng điện qua chuyển mạch điện áp qua chuyển mạch Khi chuyển mạch đóng, dòng điện qua ( cho có điện áp Vs qua ), Và công suất tiêu thụ Khi chuyển mạch mở, Có dòng ( Vs / RL ) qua , điện áp qua , công suất tổn hao Chúng ta giả sử với chuyển mạch lý tưởng thời gian tăng vượt rơi xuống dòng điện 0, chuyển mạch lý tưởng thay đổi từ trạng thái đóng sang trạng thái mở tức thời Công suất tổn hao chuyển mạch Hình 1.5 :Tổn hao công suất chuyển mạch lý tưởng Không giống chuyển mạch lý tưởng, chuyển mạch thực tế, bóng bán dẫn nối lưỡng cực, có hai nguồn chủ yếu tổn thất công suất : tổn hao dẫn điện tổn hao chuyển mạch 1.5.1 Tổn hao dẫn điện Khi bóng bán dẫn hình 1.6a đóng, mang dòng dò rỉ ( Ileak ) Công suất tổn hao liên đới với dòng dò rỉ Poff = Vs * Ileak Tuy nhiên dòng dò rỉ hoàn toàn nhỏ không thay đổi đáng kể với điện áp, tổn hao công suất bóng bán dẫn Khi bóng bán dẫn mở, hình 1.6b, có điện áp nhỏ qua Điện áp gọi điện áp bão hòa ( VCE(SAT) ) Công suất tiêu thụ bóng bán dẫn hay tổn hao dẫn điện hưởng từ điện áp bão hòa : 1.1 Pon = VCE(SAT) * Ic Ở : Vs − VCE ( SAT ) Vs Ic = ≈ 1.2 RL RL Công thức 1.1 cho tổn hao công suất dẫn điện chuyển mạch mở không xác định Tuy nhiên , để điều khiển công suất với ứng dụng cho, chuyển mạch vặn mở đóng cách tuần hoàn Vì vậy, để tìm tổn hao công suất trung bình chung ta phải xét đến hệ số chu kyø : t Pon ( avg ) = VCB ( SAT ) * I c * on = VCB ( SAT ) * I c * d 1.3 T Tương tự toff Poff ( avg ) = Vs * I leak * 1.4 T Ở đây, hệ số chu kỳ d xác định tỷ lệ chu kỳ chuyển mạch mở: ton t d= = on 1.5 ton + toff T Hình 1.6 : Các tổn hao công suất chuyển mạch bán dẫn 1.5.2 Tổn hao chuyển mạch Thêm vào tổn hao dẫn điện, chuyển mạch thực có tổn hao chuyển mạch thay đổi từ trạng thái mở sang trạng thái đóng Một chuyển mạch thực lấy thời gian có hạn Tsw(on) để vặn mở thời gian có hạn Tsw(off) để vặn đóng Những thời gian không đưa vào công suất tiêu thụ mà giới hạn tần số chuyển mạch cao Các thời gian qúa độ Tsw(on) Tsw(off) với chuyển mạch thực thường không nhau, Tsw(on) nói chung lớn Tuy nhiên giả sử Tsw(on) Tsw(off) Hình 1.7 trình bày dạng sóng chuyền mạch cho a) điện áp qua chuyển mạch b) dòng điện qua Khi chuyển mạch đóng, điện áp qua điện áp nguồn Khi vặn đóng, thời gian có hạn để điện áp qua chuyển mạch giảm xuống Trong thời gian vậy, dòng điện qua chuyển mạch tăng dần từ đến IC Bóng bán dẫn dòng điện qua điện áp qua lúc thời gian chuyển mạch; có tổn hao công suất Hình 1.7 : Dạng sóng lúc chuyển mạch hoạt động (a) điện áp qua chuyển mạch (b) dòng điện qua chuyển mạch (c) Công suất tiêu thụ chuyển mạch Để tìm công suất tiêu thụ bóng bán dẫn khoảng thời gian chuyển mạch, nhân giá trị tức thời Ic giá trị tương ứng VCE Đương cong công suất tức thời trình bày hình 1.7c Năng lượng tiêu thụ chuyển mạch với diện tích phần dạng sóng công suất Nên nhớ công suất cực đại tiêu thụ hai dòng điện điện áp qua giá trị trung điểm chúng Vì vậy, tổn hao công suất cực đại chuyển mạch từ trạng thái đóng chuyển sang trạng thái mở : PswOn(max) = 0,5 VCE(max) * 0,5 IC(max) 1.6 Có điều nên nhớ đường công công suất nhìn giống chỉnh lưu sóng sin Giá trị trung bình dạng sóng naøy laø : Pswon(avg) = 0,637 * Pswon(max) = 0,637 * 0,5 VCE(max) * 0,5 Ic (max) = 0,167 VCE(max) * IC (max) Hay : Pswon(avg) = VCE(max) * IC (max) 1.7 Tổn thất lượng ( công suất * thời gian ) lúc mở Psw on(avg) * tsw(on) Wsw on = VCE(max) * IC(max) * tsw(on) ( jun) 1.8 Phân tích tương tự cho tổn hao lượng lúc đóng VCE(max) * IC(max) * tsw(off) ( jun) 1.9 Wsw off = Tổng tổn thất lượng chu kỳ chuyển mạch cho : Wsw = Wsw on + Wsw off = VCE(max) * IC(max) * [ tsw(on) + tsw(off) ] Công suất trung bình tiêu thụ chuyển mạch W Psw = sw = Wsw * f T Psw = VCE(max) * IC(max) * [ tsw(on) + tsw(off) ] * f Ở T định kỳ chuyển mạch f tỷ lệ tái diễn xung (tần số chuyển mạch ) Nên nhớ : T = ton + tsw(on) + toff + tsw(off) Nếu cho phép : tsw(on) = tsw(off) = tsw Thì : Psw = VCE(max) * IC(max) * tsw * f 1.10 Tổng tổn hao công suất chuyển mạch PT = Pon(avg) + Poff(avg) + Psw 1.11 ≈ Pon(avg) + Psw PT = d * VCE(sat) * IC + * VCE(max) * IC(max) * tsw * f 1.12 10 Ví dụ 1.3 Trong hình 1.5 , Vs laø 50 V , RL = Ω , chuyển mạch lý tưởng tổn hao chuyển mạch Nếu điện áp trạng thái mở 1,5 V dòng điện dò rỉ 1,5 mA, tính công suất tổn hao chuyển mạch : a) Mở b) Đóng Giải đáp: 50 − 1, a) Dòng điện dẫn = = 9,7 A Tổn hao công suất trạng thái mở Pon = 1,5 * 9,7 = 14,55 W b) Toån hao công suất trạng thái đóng Poff = 50 * 0,0015 = 75 mW Đối với điều kiện tải thông thường, công suất tiêu thụ trạng thái đóng không đáng kể so với tổn thất công suất trạng thái mở Ví dụ 1.4 Tính tổn hao công suất trung bình cực đại cho chuyển mạch ví dụ 1.3 tần số chuyển mạch 500 Hz với hệ số chu kỳ 50% Giải đáp : Định kỳ chuyển mạch T = / 500 = ms Hệ số chu kỳ d = 50% Thời gian mở ton = ms Thời gian đóng toff = ms t Tổn hao công suất trung bình trạng thái mở = Pon * on = 14,55 * 0,5 = 7,27 W T t Tổn hao công suất trung bình trạng thái đóng = Poff * off = 0,075 * 0,5 = 0,037W T Tổn hao công suất trung bình cho chu kyø = P0(avg) + Poff(avg) = 7,27 + 0,037 = 7,3W Công suất tiêu thụ cực đại ( từ ví dụ 1.3) = 14,55 W Ví dụ 1.5 Trong hình 1.6, Vs laø 120 V , RL laø Ω bóng bán dẫn lý tưởng tổn hao dẫn điện Nếu tsw(on) = tsw(off) = 1,5 µ s, tính tổn hao công suất chuyển mạch trung bình với tần số chuyển mạch kHz Giải đáp : IC(max) = 120 / = 20 A Psw on(avg) = VCB(max) * IC(max) = ( 120 * 20 ) / = 400 W Toån hao lượng : Wsw on = Psw on(avg) * tsw(on) = 400 * 1,5 (10-6) = 0,6 (10-3) Jun Tổn hao lượng lúc đóng : Wsw off = 0,6 (10-3) Jun Tổng tổn hao lượng chu kỳ chuyển mạch cho Wsw = Wsw on + Wsw off = * 0,6 (10-3) = 1,2 (10-3) Jun Công suất trung bình tiêu thụ lúc chuyển mạch Psw = Wsw * f = 1,2 (10-3) * 1000 = 1,2 W 11 Ví dụ 1.6 Một chuyển mạch bán dẫn với đặc tính sau điều khiển công suất 25 kW, tải hình 1.6 IRATED = 50 A VRATED = 500 V Ileakage = mA VCE(sat) = 1,5 V Thời gian mở tsw(on) = 1,5 µ s Thờigian đóng tsw(off) = 3,0 µ s Điện áp nguồn Vs laø 500 V , vaø RL laø 10 Ω , tần số chuyển mạch 100 Hz , hệ số chu kỳ 50% , tìm : a) Tổn hao công suất lúc mở b) Tổn hao công suất 1úc đóng c) Tổn hao côngsuất cực đại lúc mở d) Tổn hao lượng lúc mở e) Tổn hao lượng lúc đóng f) Tổn hao lượng trạng thái mở g) Tổn hao lượng trạng thái đóng h) Tổng tổn hao lượng i) Tổn hao công suất trung bình Giải đáp : IC(max) = 500/10 = 50 A T = / 100 = 10 ms Với d = 50% Ton = toff = 5ms a) Tổn hao công suất lúc mở = 1,5 * 50 = 50 A b) Tổn hao công suất 1úc ñoùng = 500 * (10-3) = 0,5 W  500  50  c) Tổn hao côngsuất cực đại lúc mở    = 6250W    d) Tổn hao lượng lúc mở = 500 * 50 * 1,5 (10-6) = 6,25 mJ e) Tổn hao lượng lúc đóng = 500 * 50 * 3,0 (10-6) = 12,5 mJ f) Tổn hao lượng trạng thái mở = 75 * (10-3 ) = 375 mj g) Toån hao lượng trạng thái đóng = 0,5 * (10-3 ) = 2,5 mj h) Tổng tổn hao lượng = 6,25 + 12,5 + 375 + 2,5 Mj = 396,5 mj  396* 25(10 −3 )  i) Toån hao công suất trung bình   = 39, 6W −3  10(10 )  12 Ví dụ 1.7 Trong ví dụ 1.6, lặp lại phần d) đến i) tần số chuyển mạch tăng dần đến 100 kHz hệ số chu kỳ 50% Giải đáp T = / (100 * 103 ) = 10 µ s Vì định kỳ nhỏ, không bỏ qua tsw(on) vaø tsw(off T – tsw(on) – tsw(off) = ( 10 – 1,5 -3 ) = 5,5 µ s Với d = 50% Ton = toff = 2,75 µ s d)Tổn hao lượng lúc mở = 500 * 50 * 1,5 (10-6) = 6,25 mJ e) Toån hao lượng lúc đóng = 500 * 50 * 3,0 (10-6) = 12,5 mJ f) Tổn hao lượng trạng thái mở = 75 * 2,75 (10-6 ) = 0,206 mj g) Tổn hao lượng trạng thái ñoùng = 0,5 * 2,75 (10-6 ) = 1,375 mj h) Tổng tổn hao lượng = 0,206 + 1,375 + 6,25 + 12,5 = 20,33 mj  20*33(10−3 )  i) Tổn hao công suất trung bình   = 2033W −6  10(10 )  Từ ví dụ này, rõ ràng tần số chuyển mạch thấp, tổn hao công suất trạng thái mở chiếm phần lớn tổng tổn hao Chúng ta tăng tần số chuyển mạch, tổn thất công suất chuyển mạch trở mên nhiều Công suất trung bình tiêu thụ trở nên cao ( 2033 W) tần số cao Có thể thấy bán dẫn 50 A tiêu hao nhiệt phát sinh qúa nhiệt Tần số cực đại mà chuyển mạch làm việc tùy thuộc không công suất tiêu thụ chuyển mạch mà tốc độ chuyển mạch Dòng điện chuyển mạch tăng tần số cao 1.6 Các loại mạch điện công suất điện tử : Các mạch côngsuất điện tử ( hay đổi điện, thường gọi ) chia thành loại sau : Chỉnh lưu không điều khiển ( AC đến DC ) : Một chỉnh lưu không điều khiển biến đổi điện áp AC pha hay ba pha thành điện áp DC ổn định Các diot dùng yếu tố chỉnh lưu để cung cấp công suất biến đổi Chỉnh lưu có điều khiển ( AC thành DC ) : chỉnh lưu có điều khiển biến đổi điện áp AC ổn định pha hay ba pha thành điện áp DC thay đổi SCRs dùng yếu tố chỉnh lưu, cung cấp hai biến đổi điều khiển công suất Các mạch băm DC ( DC thành DC ) : Một mạch băm DC biến đổi từ điện áp DC ổn định thành đện áp DC thay đổi 13 Các mạch điều khiển điện áp AC ( AC thành AC ) : Một mạch điều khiển điện áp AC biến đổi điện áp AC ổn định thành điện áp AC thay đổi tần số số giống Có hai phương pháp dùng điều khiển điện áp AC điều khiển đóng – mở điều khiển pha Mạch đổi điện ( inverter DC thành AC) : Một mạch inverter biến đổi điện áp DC ổn định thành điện áp AC tần số ba pha hay pha thay đổi hay ổn định Mạch đổi điện chu kỳ ( AC thành AC ) : Một mạch đổi điện chu kỳ biến đổi điện áp tần số AC ổn định thành điện áp tần số AC thay đổi Sự biến đổi đại cách gián tiếp chỉnh lưu AC thành DC, sau đảo ngược AC tần số mong muốn Các chuyển mạch tónh học ( AC hay DC ) : Một dụng cụ công suất ( SCR TRIAC ) làm việc chuyển mạch AC hay DC, cách thay cho chuyển mạch khí truyền thống chuyển mạch điện từ Bảng 1.1 : Một vài ứng dụng điện tử công suất Chuyển đổi công suất Chỉnh lưu không điều khiển Chỉnh lưu có điều khiển Mạch băm DC Điều khiển điện áp AC Mạch đổi điện (inverter) Mạch đổi điện chu kỳ Chuyển mạch tónh học Các ứng dụng Nguồn DC cho mạch điện tử Điều khiển tốc độ động DC từ nguồn AC Điều khiển tốc độ dụng cụ công suất xách tay Truyền tải dòng DC cao áp Điều khiển tốc động DC từ nguồn DC Chuyển mạch công suất cung cấp Chuyển mạch dụng cụ điều chỉnh ánh sáng Điều khiển nhiệt độ Điều khiển tốc độ dụng cụ gia dụng Phản ứng công suất điều khiển Làm êm khởi động động cảm ứng Cung cấp công suất liên tục (UPS) Điều khiển tốc độ động AC ba pha Cảm ứng nhiệt Điều khiển tốc độ động AC Nguồn tần số không đổi cho máy bay Thay chuyển mạch khí điện tư( 14 1.7 ứng dụng điện tử công suất Công suất điện tử tìm áp dụng lónh vực yêu cầu biến đổi điều khiển công suất điện Hệ thống công suất điện tử dùng rộng rãi thiết bị công nghiệp tiêu dùng : từ động nhỏ dười mã lực dùng dụng cu gia dụng đến động công nghiệp công suất vài trăm mã lực; Từ điều chỉnh công suất thấp công suất DC cung cấp đến hệ thống truyền tải DC cao áp nhiều ngàn megawatt ; Từ dụng cụ điều chỉnh ánh sáng công suất thấp đến cấu bù tónh VAR công suất hàng trăm megawatt hệ thống công suất Bảng 1.1 cung cấp vài ý tưởng tầm rộng lớn mức quan trọng công suất điện tử 1.8 Bài tập thảo luận 1.1 Công suất điện tử ? 1.2 Phương pháp hiệu điều khiển công suất điện ? 1.3 Dùng biến trở điều khiển côngsuất điện đến tải có nhược điểm ? 1.4 Giải thích chuyển mạch tốt biến trở việc điều khiển công suất điện đến tải 1.5 Một biến trở 20 Ω nối đến tải điện trờ 30 Ω Nếu điện áp nguồn 120 V, tìm công suất tiêu thụ biến trở 1.6 Một chuyển mạch điều khiển bếp lò 20 Ω nối đến nguồn AC 208 V Nếu chuyển mạch mở, tìm công suất tiêu hao bời bếp lò chuyển mạch 1.7 Lặp lại câu 1.6 chuyển mạch đóng 1.8 Một chuyển mạch lý tưởng điều khiển tải điện trở 20 Ω nối đến nguồn AC 120 V Nếu chuyển mạch mở 20% thời gian, tìm công suất tiêu thụ tải 1.9 Hình 1.8 trình bày chuyển mạch lý tưởng tổn thất chuyển mạch Nếu điện áp trạng thái mở 2,0 V dòng điện dò rỉ mA, tính tổn hao công suất chuyển mạch a) mở b) đóng hình 1.8 : xem câu 1.9 15 1.10 Liện kê đặc tính chuyển mạch lý tưởng 1.11 Liệt kê vài ứng dụng thôngthường công suất điện tử lónh vực sau a) Nhà b) Công nghiệp c) Thương nghiệp d) Hệ thống điện công cộng e) Chương trình truyền hình f) Không gian vũ trụ g) Vận tải 1.12 Nếu nguồn điện áp hình 1.8 150V tải điện trở Ω , tính tổn hao dây dẫn, tổn hao chuyển mạch, tổng tổn hao cho hệ số chu kỳ tần số cho bảng 1.2 Dùng VCE(SAT) = 1,1 V ; tsw(on) = 1,0 µ s , tsw(off) = 1,5 µ s Bảng 1.2 Tần số Hệ số chu kỳ kHz kHz kHz kHz kHz kHz Tổn hao dẫn Tổn hao chuyển mạch Tổng tổn hao 20% 50% 75% 20% 50% 75% 1.13 Nếu điện áp nguồn hình 1.6 120V tải điện trở 10 Ω tính tổn hao công suất chuyển mạch tsw = µ s bóng bán dẫn vặn mở đóng tần số kHz 1.14 Một biến trở điều khiển công suất cung cấp nguồn 100 VDC đến tải điện trở 10 Ω điện trở biến trở thay đổi bước từ đến 100 Ω Viết chương trình vi tính để tính công suất cung cấp từ nguồn, công suất tiêu thụ biến trở, công suất tiêu thụ tải, hiệu suất Lập bảng kê vẽ kết qủa 16 1.9 Các công thức Pon = VCE(SAT) * Ic Vs − VCE ( SAT ) Vs Ic = ≈ RL RL Pon ( avg ) = VCB ( SAT ) * I c * Poff ( avg ) = Vs * I leak * d= 1.1 1.2 ton = VCB ( SAT ) * I c * d T toff T ton t = on ton + toff T PswOn(max) = 0,5 VCE(max) * 0,5 IC(max) Pswon(avg) = VCE(max) * IC (max) Wsw on = VCE(max) * IC(max) * tsw(on) ( jun) Wsw off = VCE(max) * IC(max) * tsw(off) ( jun) Wsw = Wsw on + Wsw off = VCE(max) * IC(max) * [ tsw(on) + tsw(off) ] Psw = VCE(max) * IC(max) * tsw * f PT = Pon(avg) + Poff(avg) + Psw PT = d * VCE(sat) * IC + * VCE(max) * IC(max) * tsw * f 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 17 ... cực đ? ?i đến t? ?i, R1 ph? ?i RL V? ?i ? ?i? ??u kiện này, biến trở tiêu thụ nhiều công suất đến ảti – hiệu qủa biến đ? ?i 50% Hơn nữa, biến trở lớn t? ?i tiêu hao thêm nhiệt Hình 1.2 : Một biến trở ? ?i? ??u khiển... lo? ?i mạch ? ?i? ??n công suất ? ?i? ??n tử : Các mạch côngsuất ? ?i? ??n tử ( hay đ? ?i ? ?i? ??n, thường g? ?i ) chia thành lo? ?i sau : Chỉnh lưu không ? ?i? ??u khiển ( AC đến DC ) : Một chỉnh lưu không ? ?i? ??u khiển biến đ? ?i. .. ? ?i? ??u khiển biến trở Hình 1.2 trình bày biến trở ? ?i? ??u khiển t? ?i Khi R1 đặt ? ?i? ??n trở 0, toàn công suất phân ph? ?i đến t? ?i Khi R1 đặt ? ?i? ??n trở cực đ? ?i, công suất phân ph? ?i đóng xuống Để truyền tải