Trang 1/ chuong 1.doc Dàn bài Điện tử công suất II A Môn học ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT II A THIẾT KẾ - ĐIỀU KHIỂN - ỨNG DỤNG) TÀI LIỆU THAM KHAŒO - Power Electronics : Converters , Applications , and Design , NED MOHAN , New York, John Wiley, 3 rd edition 2003 . - Electric drives, Ion Boldea, CRC, 2 nd edition 2005 - Modern Power Electronics and AC Drives, B.K.Bose, Prentice Hall, Englewood Cliffs, N. J., 2003 - Điều chỉnh Tự động Truyền động điện, Bùi Quốc Khánh và một số tác giả khác, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà nội, in lần 2, 2001 - Điều khiển số động cơ điện, Vũ văn Doanh, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà nội, 1999 CHƯƠNG TRÌNH Chương một : Các ngắt điện bán dẫn Tính chọn và bảo vệ – Mạch lái ngắt điện. Chương hai : Bộ nguồn một chiều bán dẫn Các bộ nguồn một chiều điều khiển pha : Sơ đồ khối - phạm vi ứng dụng – Các bước thiết kế – Tính toán mạch lọc Mạch phát xung điều khiển pha Hệ thống điều khiển nhiều vòng. Cấp điện đóng ngắt: Sơ đồ khối – Khảo sát cấp điện dùng bộ biến đổi loại Flyback. – Mạch điều khiển. Chương ba: Hệ thống điều khiển động cơ một chiều dùng bộ biến đổi Các vấn đề của truyền động điện tự động dùng bộ biến đổi Sơ đồ hệ thống chỉnh lưu động cơ và các chế độ làm việc – Giới thiệu bộ biến đổi đảo chiều và truyền động điện đảo chiều quay. Hệ thống dùng bộ biến đổi áp một chiều (Chopper) – Hệ thống điều khiển động cơ chấp hành một chiều. HT điều khiển động cơ bước. Chương bốn : Hệ thống điều khiển động cơ xoay chiều dùng bộ biến đổi Đặc tính động cơ xoay chiều : Phương trình đặc tính cơ - sự làm việc ở nguồn không hình sin. Điều chỉnh áp động cơ xoay chiều : sơ đồ khởi động động cơ KĐB. Điều chỉnh tần số động cơ xoay chiều : các nguyên tắc thay đổi điện áp , hạn chế sóng hài - sơ đồ điều khiển nghòch lưu nguồn áp - sơ đồ điều khiển biến tần V/F . Điều khiển vecto. Điều khiển động cơ đồng bộ. Trang 2/ chuong 1.doc Dàn bài Điện tử công suất II A Chương năm: Bộ nguồn xoay chiều bán dẫn Nguồn tần số công nghiệp : Nguyên lý Ổn áp AC và UPS. Nguồn tần số cao và gia nhiệt cảm ứng : nguyên tắc gia nhiệt cảm ứng - nghòch lưu nối tiêp - nghòch lưu song song . Các bộ nguồn tần số cao dùng thyristor *********************************************************************************** CHƯƠNG MỘT : NGẮT ĐIỆN BÁN DẪN I. TÍNH CHỌN NĐBD : 1. Loại linh kiện công suất: a. Diod: - Chỉnh lưu (+ tần số thấp), phục hồi nhanh (fast recovery) làm việc ở tần số cao. - công nghệ thường – sụt áp mối nối pn ≈ 0.7 V, Schotty – sụt áp mối nối pn ≈ 0.3 V, chỉnh lưu tần số cao nhưng áp khóa thấp. b. SCR: - Chỉnh lưu, Nghòch lưu. - Đặc tính cực cổng: amplified: dòng kích bé, LASCR: kích bằng quang c. GTO và Thyristor-có-cấu-trúc-phức-tạp: Sử dụng cho bộ biến đổi dùng NĐBD một chiều (tắt cưỡng bức) ở công suất lớn, áp rất cao. - BJT: - SW: đóng ngắt, AF: âm tần, IF hay HF: cao tần, low noise: ít nhiễu. - Chọn theo hệ số khuếch đại, Darlington - MosFET: AF (ít gặp), SW (thông dụng), dòng < 60A (dòng đònh mức giảm nhanh khi áp khóa tăng). - IGBT: có thể xem là nối tầng MosFET + BJT, chỉ có công dụng đóng ngắt, chế tạo ở dòng lớn (> vài chục A). 2.Đònh mức áp: V DRM > k atV * V lvmax V lvmax : Áp làm việc max. V DRM : Áp khóa. k atV : hệ số an toàn áp ≥ 2. 3. Đònh mức dòng: Cơ sở cho việc tính chọn đònh mức dòng làsự phát nóng của linh kiện khi làm việc. Điều kiện: Nhiệt độ mối nối θ J < Nhiệt độ cho phép θ cp - Sự truyền nhiệt từ tinh thể bán dẫn ra môi trưòng xung quanh: mối nối θ J Ỉ vỏ SCR θ C Ỉ tản nhiệt θ H Ỉ môi trường θ A . Trang 3/ chuong 1.doc Dàn bài Điện tử công suất II A tương ứng phương trình: )RRR(P HACHJCAJ + + ⋅ Δ=θ−θ + R JC : điện trở nhiệt mối nối (Junction) – vỏ (Case) + R CH : điện trở nhiệt vỏ – tản nhiệt (Heatsink) + R HA : điện trở nhiệt tản nhiệt – môi trường (Ambience) Giải mạch ĐTCS => tổn hao công suất ΔP Tính toán nhiệt => θ J . Nếu θ J < θ cp thì nâng đònh mức linh kiện (giảm R JC ) hay cải thiện điều kiện tản nhiệt (giảm R HA , R CH ). - Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tải: Lực ép và bề mặt tiếp xúc linh kiện – tản nhiệt. Nhiệt độ môi trường. Chế độ tản nhiệt: trong buồng kín, đối lưu tự nhiên, cưỡng bức. Cách lắp linh kiện công suất vỏ TO220AB vào tản nhiệt - Phương pháp tính gần đúng: Chọn theo dòng trung bình hay hiệu dụng + kiểm tra nhiệt độ vỏ linh kiện. Dòng làm việc trung bình I O < Giá trò trung bình đònh mức I AVE hay Dòng làm việc hiệu dụng I R < Giá trò hiệu dụng đònh mức I RMS Quan hệ giữa hai giá trò này của chỉnh lưu (D hay SCR): I RMS = 1.57 I AVE Đối với transistor (BJT, MosFET): xem các đồ thò của nhà sản xuất, I RMS , I AVE là hàm số của dạng dòng điện. Hệ số an toàn dòng 1.3 – 2. - Sử dụng dòng điện max cho các linh kiện gắn mạch in hay đònh mức bé (< 20A). 4. Cách lắp đặt (vỏ – case), chế độ tản nhiệt (SCR), chế độ cách điện với vỏ. TO220AB TO48 TO118 TO200AB ADD A-PAK (TO208AA) (TO209AE) 5. Phân loại theo chất lượng: Hàng không, quân sự – công nghiệp – thương mại. Trang 4/ chuong 1.doc Dàn bài Điện tử công suất II A II. BẢO VỆ LINH KIỆN VÀ BBĐ: 1.Bảo vệ dòng: + Bảo vệ dòng cực đại ( ngắn mạch – quá dòng tức thời): Cầu chì tác động nhanh: thông sốø ∫ T 2 dti (tích phân dòng bình phương): bảo vệ linh kiện công suất. Cầu chì thông thường: Tách rời phần hư hỏng, hạn chế lan truyền. CB ( ngắt mạch tự động – Aptomat ): như cầu chì thông thường + 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. 2. Bảo vệ áp: (quá áp dạng xung) (4) 260v IRF450 T FR105 C 103 10k R4 RC nối tiếp mắc song song (1), Varistor là loại điện trở giảm nhanh khi áp lớn hơn trò số ngưỡng (2), và các bộ lọc nhiễu nguồn(3) gồm các mắc lọc LC hình π. Có thể chống các xung áp ở mạch DC bằng mạch D + R + C như hình (4). RC (Snubber) song song ngắt điện. II. MẠCH LÁI NĐBD: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển BBĐ: Điều khiển vòng kín Mạch phát xung Khuếch đại xung Ghép nối Điều khiển Mạch lái (driver) NĐBD 1. Mạch lái Thyristor: Phân loại theo cách ghép. a. Ghép trực tiếp: Mạch lái = mạch khuếch đại dòng, thường tải cực E, cung cấp I G > I GT Số liệu thường gặp: V GT = 2 volt ; I G = I đm /K I với K I = 100 300 6V XUNG DK SCR R? R C1 0.1 uF R5 2.2 ohm R2 220 R3 100 R1 100 R4 2.2 ohm Q1 C1061 b. Ghép quang: Mục đích: cách ly Điều khiển - Động lực Trang 5/ chuong 1.doc Dàn bài Điện tử công suất II A Dùng OPTRON (Optocoupler) transistor (thông dụng) và OPTRON Triac họ MOC để điều khiển ở áp AC bé hơn hay bằng 220 V. OPTRON = LED + linh kiện quang điện; dùng để truyền xung qua môi trường quang. OPTRON thông thường có thời gian trễ lớn hơn vài micro giây => tần số tối đa đến vài chục KHz. 6V OPTO1 1 2 4 3 Q1 Q2 1K 2.2 ohm 2.2 ohm R1 4K7 4k7 R2 100 4K7 SCR Sơ đồ kích SCR dùng OPTRON thông thường. OPTRON họ MOC của Motorola có linh kiện quang điện là phototriac có áp khoá đến 400 volt, dòng vài chục mA cho phép kích TRIAC < 10 A trực tiếp ở điện 220 VAC Hướng dẫn sử dụng OPTRON họ MOC (của Motorola) để lái TRIAC. c. Ghép biến áp: Nguyên tắc biến áp xung (BAX): Khi đặt hàm nấc vào sơ cấp BAX, dòng từ hóa sơ cấp và từ thông lõi thép tăng theo hàm mũ và ở thứ cấp sẽ có áp cảm ứng tỉ lệ với đạo hàm từ thông lõi thép này. Khi áp sơ cấp bằng 0 (hết xung), dòng từ hoá của BAX cần có đường phóng điện (thường qua D phóng điện song song ngược sơ cấp). Trang 6/ chuong 1.doc Dàn bài Điện tử công suất II A Mạch lái xung hẹp: Dạng xung dòng, áp VCC D2 D1 3k3 3k3 3k3 Q1 BAX 3.3 ohm D2 47n 100 SCR Mạch lái xung hẹp dùng BAX Yêu cầu của dạng xung để BAX làm việc: + Thời gian có xung đủ nhỏ để mạch từ không bảo hòa. + Thời gian nghó đủ lớn để dòng từ hoá biến áp (khép mạch qua diod phóng điện D2) về 0. = > BAX truyền được xung hẹp: thời gian nghó >> thời gian có xung. Mạch lái SCR xung rộng dùng BA: Áp pha 220/9 VAC 47n SCR 100 SCR P 22 BAX BAX Mạch sử dụng SCR phụ ĐK Dao động T1 TRANSCT D23 D25 R36 3.3 C22 2u2 R37 100 SCR Q1 3k3 3k3 D19 24VX Mạch sử dụng chuỗi xung 2. Mạch lái Transistor: a. Dạng xung điều khiển tối ưu: - Thí nghiệm đóng ngắt tải R và RL: VCC VCC C i C i C E v CE v Q R1 R2 VBB Rt L Q Rt R1 R2 VBB (a) Dòng áp tải R (b) Dạng dòng áp không và có Snubber (1) tải RL Trang 7/ chuong 1.doc Dàn bài Điện tử công suất II A Nhận xét dòng áp trên transistor không thay đồi tức thời khi đóng ngắt chứng tỏ là công suất tức thời tiêu tán trên linh kiện rất lớn lúc này. Sự phát nhiệt này không đáng kể khi tần số đóng ngắt bé nhưng trở lên là tiêu hao chính của transistor khi làm việc trong các bộ biến đổi hiện đại có tần số đóng ngắt lớn . I I I cb dt n g t Dạng dòng cực B tối ưu cho đóng ngắt B i Q R2 VBB C D R R1 mạch Snubber Đểø giảm tối thiểu tổn hao công suất nhằm nâng tần số làm việc lên cao: + Dùng mạch hỗ trợ chuyển mạch (ví dụ như mạch Snubber cho quá trình ngắt) + Dùng mạch lái tạo dòng cực B tối ưu để transistor có thể chuyển mạch nhanh. Tụ mối nối BE có ảnh hưởng lớn đến quá trình đóng ngắt của BJT. Dòng I B tối ưu phải có khảnăng nạp và xảnhanh tụ điện này. I cb là trò số dòng điện cưỡng bức nạp tụ để BJT đóng nhanh, I dt là dòng điện vừa đủ duy trì sự bảo hòa của transistor (không bảo hòa sâu) và I ng là dòng xả tụ, giúp tắt nhanh. b. Sơ đồ ghép trực tiếp: - Tác dụng RB, tụ gia tốc.(a) - Transistor Darlington và nguyên lý mạch kẹp Baker (b) - Mạch lái tích cực (d) - VCC VCC (a) (b) (c) (d) Q R2 VBB C R3 Q1 Q2 R1 R2 D Q Q2 Q1 1uF 2.2k Q T R1 c. Ghép biến áp và mạch lái tỉ lệ (c) d. Ghép bằng quang (OPTRON): Dùng nguồn độc lập cho mạch lái. OPTRON (Cách ly tín hiệu ĐK) + sửa dạng + khuếch đại công suất (Ghép trực tiếp). Mạch điện tương tự như lái SCR. Trang 8/ chuong 1.doc Dàn bài Điện tử công suất II A 3. Mạch lái MosFET và IGBT: - Điều khiển bằng áp. - Các thông số: Ngưỡng điện áp điều khiển 3 – 5 V Tiêu biểu 0 – 10 V (hay 15 V) +/- 10 V (hay 15 V) Giới hạn hư hỏng cực cổng (thông thường) +/- 20 V - Mạch lái: Tần số thấp: lái trực tiếp từ vi mạch 12V G S D 0 15volt C4 330p Dz7v2 R11 510/3W22K D4 47 Mạch lái MOSFET 5 – 7 A làm việc ở BBĐ Flyback 50 kHz. Tần số cao: Mạch lái tương tự BJT nhưng cấp điện 15 – 20V. 4. Mạch lái MOSFET công suất có bảo vệ dòng: Hình 4.19 được trích từ một tạp chí điện tử công nghiệp để tham khảo một mạch lái MosFET công suất có bảo vệ dòng. Động cơ một chiều M là tải của BBĐ xung điện áp với ngắt điện là MosFET 12A / 60V, mã hiệu IRF131. Tác động bảo vệ dòng được thực hiện qua R - S Flip Flop. Nguyên lý này còn gặp trong các vi mạch điều khiển bộ nguồn xung. +V OPTRON VI PHÂN RS FF CỔNG SO SÁNH R -Q S Q M D SHUNT Q Imax ĐK Hình 4.19 (a) +V 15v 15v 1 2 3 4 5 6 7 ferrite i o C OPTRON 1 2 4 3 330 10K 1k 1nF 0.33 ohm 100 IRF131 2N2222 220 1K M D (b) R - S flip flop, được set ở mỗi đầu chu kỳ đóng ngắt và reset khi dòng vượt quá giá trò cho phép. Như vậy khi có quá dòng, MosFET sẽ bò khóa ngay, nhưng lại được cho phép ở chu kỳ đóng ngắt kế tiếp. Kết quả là khi có quá dòng, độ rộng xung tương đối sẽ giảm để hạn chế dòng cực đại. Các dạng sóng cho ở hình 4.19.c: 4: ngỏ ra cổng NAND 4, là tín hiệu điều rộng xung từ mạch điều khiển, qua optron. t t t t 4 3 C i 7 o Hình 4.19.c 3: ngỏ ra cổng NAND 3, tín hiệu set của RS flip flop. C: cực C của BJT 2N2222, xuống thấp khi dòng vượt quá giá trò đặt xác đònh bằng biến trở 100 ohm, nối song song với shunt 0.33 ohm để lấy tín hiệu dòng i O . 7: tín hiệu cực cổng MosFET. Các cổng NAND 6, 1, 2, 7 sử dụng CD4011 là CMOS cấp điện 15V, lái trực tiếp MosFET bằng dây dẫn đi qua ống ferrite để chống dao động và nhiễu tần số cao, ở vò trí của 7 có thể dùng cổng NAND song song để tăng khả năng tải dòng. Các cổng 4, 3, 5 là các Trang 9/ chuong 1.doc Dàn bài Điện tử công suất II A cổng NAND Smit-tri-gơ CD4093 cho phép sửa dạng xung. 5. Mạch lái GTO: • Nguyên lýđiều khiển: kích dẫn I A /I G = vài chục kích ngắt I A /-I G < 10 nhờ –Vbias. • Snubber có C lớn khắc phục nhược điểm du/dt thấp • Xung – I G có biên độ lớn do C phóng điện, - I A /I G < 10 . - Mạch ví dụ. +V - Vbias R1 R2 D1 D2 SW2 C1 D3 E SW1 T GTO 6. Cách tạo nguồn âm cho BJT, IGBT và GTO: tải < 1A 5v Q3 1N4007 1N4007 10u ĐK 1k R2 3k3 R4 tải 10A 24v MosFET DZ1 12v 1k R4 OPTO 1 2 4 3 3k3 R4 SO SÁNH 2 MẠCH LÁI SAU: 10 mA 15v Q3 330 R3 C 103 220 R5 3k3 R4 OPTO 1 2 4 3 IGBT ha y MosFET 1k R2 10 mA 15v MosFET Q1 1k R4 OPTO 1 2 4 3 330 R5 100 R3 DZ1 12v Trang 19/ chuong 2 Điện tử công suất II A II.4 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÒNG KÍN: 1. Bài toán điều khiển BBĐ: Ngoài tính cách là một hệ thống tự động (HTTĐ) - yêu cầu đảm bảo chất lượng ngỏ ra trong chế độ tónh (xác lập) và động (quá độ), BBĐ còn có hai bài toán quan trọng sau: - Dòng điện qua BBĐ hay các đại lượng của tải phụ thuộc dòng điện (như momen của động cơ một chiều) phải được hạn chế không vượt quá giá trò cho phép. - Điều khiển quá trình khởi động và dừng BBĐ. Một cách tổng quát, lý thuyết ĐKTĐ có thể được sử dụng để giải các bài toán trên. Tuy nhiên, ta thường gặp ở các BBĐ công nghiệp một sơ đồ điều khiển vòng kín giống nhau, đó là hệ thống điều khiển (HTĐK) nhiều vòng. HTĐK này còn gọi là điều khiển trạng thái hay tọa độ vì các biến cần ĐK cũng là các biến trạng thái của HT – cũng là các tọa độ của mặt phẳng pha mô tả HT. Các vấn đề của HTĐK được khảo sát trong mục này có thể được dùng cho các bộ nguồn DC với các tải khác nhau, từ cấp điện cho mạch điện tử hay điện phân đến điều khiển động cơ trong chương sau. 2. HTĐK tọa độ: ĐKx2 ĐKx1 P1 P2 x1 x2 đặt2 đặt1 + _ + _ Đối tượng p hản hồi Điều khiển Hình II.4.1 Hệ thống điều khiển tọa độ có sơ đồ khối như hình II.4.1, bao gồm: - đối tượng điều khiển là nhiều khối quán tính nối tiếp (trên hình là hai khối nối tiếp P1 và P2), thường là BBĐ (ngỏ vào là tín hiệu điều khiển), tải của nó và các máy sản xuất. Ngỏ ra của các khối này sẽ là những thông số cần điều khiển, thường là các biến trạng thái của đối tượng điều khiển, ở hình trên là x1, x2. - Bộ điều khiển hay hiệu chỉnh (HC) nối tiếp có số lượng bằng số khối của đối tượng, có phản hồi âm là các biến trạng thái của đối tượng, thường được gọi là bộ điều khiển các biến tương ứng. Ngỏ ra của bộ HC vòng ngoài là tín hiệu đặt cho vòng trong. Vậy ta đã có HTĐK hai vòng trên hình II.4.1 và nếu đối tượng có n khối nối tiếp tương ứng n biến trạng thái cần điều khiển, HT sẽ có n vòng với n bộ hiệu chỉnh nối tiếp. HTĐK tọa độ cho phép điều khiển được cùng lúc các biến trạng thái x1, x2 trong quá độ cũng như xác lập. Chất lượng quá độ (động học) của HT được đảm bảo bằng quá trình hiêïu chỉnh các vòng và chất lượng tónh (xác lập) của các biến trạng thái có được khi các tín hiệu đặt của chúng không đổi (điều này xảy ra khi bộ HC vòng ngoài bảo hòa). HTĐK tọa độ còn là cơ sở cho việc ứng dụng các BBĐ (có bộ hiệu chỉnh bên trong) vào cơng nghiệp, người sử dụng sẽ thay đổi các thơng số bộ hiệu chỉnh để ứng dụng có chất lượng mong muốn. . Trang 1/ chuong 1.doc Dàn bài Điện tử công suất II A Môn học ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT II A THIẾT KẾ - ĐIỀU KHIỂN - ỨNG DỤNG) TÀI LIỆU THAM KHAŒO -. ly tín hiệu ĐK) + sửa dạng + khuếch đại công suất (Ghép trực tiếp). Mạch điện tương tự như lái SCR. Trang 8/ chuong 1.doc Dàn bài Điện tử công suất II A 3. Mạch lái MosFET và IGBT:. tự BJT nhưng cấp điện 15 – 20V. 4. Mạch lái MOSFET công suất có bảo vệ dòng: Hình 4.19 được trích từ một tạp chí điện tử công nghiệp để tham khảo một mạch lái MosFET công suất có bảo vệ dòng.