Bài giảng Điện tử công suất ứng dụng - Chương 1: Mở đầu
Chöông 1:
MÔÛ ÑAÀU
I.1 KHAÙI NIEÄM CHUNG:
1. Boä bieán ñoåi:
BOÄ BIEÁN ÑOÅI
Ñieän töû coâng suaát (ÑTCS), teân tieáng
TAÛI
NGUOÀN
MAÏCH
ÑIEÄN TÖÛ
COÂNG SUAÁT
anh laø Power Electronics (Ñieän töû coâng suaát
lôùn), coøn ñöôïc goïi “Kyõ thuaät bieán ñoåi ñieän
naêng“, laø moät boä phaän cuûa ñieän töû coâng
nghieäp, coù ñoái töôïng laø caùc maïch bieán ñoåi
caùc daïng cuûa naêng löôïng ñieän ñeå cung caáp
cho caùc taûi coâng nghieäp nhö sô ñoà khoái hình
I.1.1, trong ñoù:
ÑIEÀU KHIEÅN
- Nguoàn ôû ñaây coù caùc daïng quen thuoäc
nhö xoay chieàu (löôùi ñieän moät pha, ba pha)
hay moät chieàu (aéc qui), coù thoâng soá khoâng
ñoåi.
Hình I.1.1 : Sô ñoà khoái thieát bò ÑTCS
- Maïch ÑTCS, coøn goïi laø maïch ñoäng löïc, seõ bieán ñoåi ñieän nguoàn thaønh daïng coù thoâng soá
(ñieän aùp, taàn soá) sao cho thích hôïp vôùi taûi coâng nghieäp hay ñeå kieåm soaùt doøng naêng löôïng cung
caáp cho chuùng. Nhôø ñoù ta coù theå naâng cao chaát löôïng hay ñieàu khieån hoaït ñoäng cuûa taûi coâng
nghieäp naøy. Maïch ÑTCS vaø khoái ñieàu khieån noù taïo neân Boä Bieán Ñoåi (BBÑ - converter). Trong
thöïc teá, ñeå khaûo saùt maïch ñieän töû coâng suaát, ta chæ caàn bieát quy luaät ñieàu khieån caùc linh kieän ñieän
töû taùc ñoäng taïo neân maïch naøy. Vôùi moät maïch ñoäng löïc coù theå coù nhieàu sô ñoà ñieàu khieån ñeå taïo ra
nhöõng ñaëc tính ngoû ra khaùc nhau.
Taûi cuûa caùc BBÑ coù nhieàu loaïi, coù theå laø ñoäng cô ñieän (moät chieàu hay xoay chieàu); caùc
thieát bò ñieän nhieät nhö ñeøn coù tim, loø ñieän trôû, hay caùc cuoän daây cuûa loø caûm öùng; thieát bò ñieän hoùa
nhö thieát bò ñieän phaân, xi maï … Taát caû ñeàu coù theå quy ñoåi veà caùc phaàn töû cô baûn cuûa maïch ñieän
nhö R, RL, RLE, RC…
Coù caùc loaïi BBÑ sau:
- BBÑ AC – DC ( xoay chieàu – moät chieàu ) : laø caùc boä chænh löu, cung caáp aùp moät chieàu
töø nguoàn xoay chieàu.
- BBÑ AC – AC ( xoay chieàu – xoay chieàu ) : bao goàm caùc boä bieán ñoåi ñieän aùp xoay
chieàu vaø bieán ñoåi taàn soá ( bieán taàn ).
- BBÑ DC – DC ( moät chieàu – moät chieàu ) : maïch bieán ñoåi ñieän aùp moät chieàu.
- BBÑ DC – AC ( moät chieàu – xoay chieàu ) : maïch nghòch löu.
2. Ngaét Ñieän Ñieän Töû (NÑÑT) hay Baùn Daãn (NÑBD):
Vì laø BBÑ naêng löôïng ñieän, ngoaøi yeâu caàu veà ñaëc tính cuûa ngoû ra, hieäu suaát laø yeáu toá
quan troïng. Vì vaäy maïch ÑTCS giôùi haïn ôû caùc sô ñoà söû duïng linh kieän ñieän töû taùc ñoäng laøm vieäc
ôû cheá ñoä ñoùng ngaét, töông öùng hai traïng thaùi:
ON : ñoùng maïch (ví duï transistor ôû cheá ñoä baûo hoøa), doøng qua maïch cöïc ñaïi, suït aùp treân
linh kieän coâng suaát beù nhaát.
OFF : ngaét maïch (ví duï transistor ôû cheá ñoä khoùa), doøng qua maïch baèng khoâng khi aùp treân
linh kieän coâng suaát lôùn.
Keát quaû cuûa cheá ñoä hoaït ñoäng naøy laø toån hao naêng löôïng treân linh kieän ñieän töû coâng suaát
laø raát beù daãn ñeán hieäu suaát cuûa maïch ÑTCS luoân raát cao : lôùn hôn 90 %, khaùc haún ôû caùc maïch
ñieän töû duøng trong xöû lyù tín hieäu hay thoâng tin.
Ñeå vieäc khaûo saùt caùc maïch ÑTCS coù giaù trò toång quaùt, ngöôøi ta quy caùc linh kieän ñieän töû
ñöôïc söû duïng trong ÑTCS veà ba daïng linh kieän lyù töôûng goïi laø Ngaét Ñieän Ñieän Töû hay Ngaét
Ñieän Baùn Daãn (NÑBD - vì caùc linh kieän naøy chuû yeáu laøm baèng baùn daãn). Ñoù laø : diod, SCR vaø
ngaét ñieän baùn daãn moät chieàu (NÑBD1C), coù caùc ñaëc tính nhö hình I.1.2. Caùc ñaëc tính naøy raát lyù
töôûng: suït aùp khi daãn ñieän baèng khoâng, hôû maïch khi khoùa. Ngaét dieän baùn daãn khoâng tieâu thuï
naêng löôïng ñieän laøm cho hieäu suaát cuûa BBÑ baèng 1 neáu ta khoâng coù theâm phaàn töû thuï ñoäng trong
maïch. Söï lyù töôûng hoùa naøy giuùp cho vieäc khaûo saùt maïch ÑTCS trôû neân ñôn giaûn, deå daøng. Trong
ña soá tröôøng hôïp noù khoâng aûnh höôûng ñeán keát quaû tính toaùn.
NÑBD coøn ñöôïc goïi laø ngaét ñieän coâng suaát (power SWitch), caùc khoùa hay van.
G
Diode
NDBD1C
SCR
Hình I.1.2: Caùc loaïi ngaét ñieän baùn daãn.
- DIODE (chænh löu): Phaàn töû daãn ñieän moät chieàu coù hai traïng thaùi:
ON : khi phaân cöïc thuaän: VAK > 0, coù theå xem suït aùp thuaän VF = 0, doøng qua maïch
phuï thuoäc nguoàn vaø caùc phaàn töû thuï ñoäng khaùc.
OFF : khi phaân cöïc ngöôïc: VAK < 0, coù theå xem nhö hôû maïch.
- Ngaét ñieän baùn daãn moät chieàu (NÑBD1C), goïi taét laø ngaét ñieän hay TRANSISTOR coù
hoaït ñoäng nhö sau:
OFF : Ngaét maïch khi khoâng coù tín hieäu ñieàu khieån : G = 0. Cuõng nhö caùc
transistor, NÑBD1C khoâng cho pheùp phaân cöïc ngöôïc (VS luoân luoân > 0) .
ON : NÑBD1C trôû neân daãn ñieän (ñoùng maïch) khi coù tín hieäu ñieàu khieån: G ≠ 0 vaø
trôû veà traïng thaùi ngaét maïch khi maát tín hieäu G.
NÑBD1C coù hai loaïi chính : BJT töông öùng tín hieäu G laø doøng cöïc B, vaø MOSFET coâng
suaát vôùi G laø aùp VGS .
- SCR (Silicon Controlled Rectifier – Chænh löu coù ñieàu khieån): Ñaây laø linh kieän thöôøng
gaëp trong maïch ÑTCS, cuõng coù hai traïng thaùi:
OFF : Coù theå ngaét maïch caû hai chieàu (VAK > 0 vaø VAK < 0) khi khoâng coù tín hieäu
ñieàu khieån : G = 0.
ON : SCR trôû neân daãn ñieän (ñoùng maïch) khi coù tín hieäu ñieàu khieån: G ≠ 0 vaø phaân
cöïc thuaän VAK > 0. Ñieåm ñaët bieät laø SCR coù khaû naêng töï giöõ traïng thaùi daãn ñieän: noù khoâng caàn
tín hieäu ñieàu khieån G khi ñaõ ON, SCR chæ trôû veà traïng thaùi ngaét khi doøng qua noù giaûm veà 0.
Ñeå yù caùc NÑBD treân chæ laøm vieäc vôùi moät chieàu cuûa doøng ñieän, trong khi caùc linh kieän
ñieän töû coâng suaát thöïc teá coù theå daãn ñieän caû hai chieàu, luùc ñoù noù seõ ñöôïc bieåu dieãn baèng toå hôïp
caùc NÑBD treân.
Vì caùc ngaét ñieän chæ coù hai traïng thaùi, luaät ñieàu khieån chuùng coù theå bieåu dieãn baèng moät
haøm logic, chæ coù hai traïng thaùi ON – OFF hay Low – High.
- NÑBD: chæ coù hai traïng thaùi: ON (ñoùng) vaø OFF (ngaét) phuï thuoäc vaøo tín
hieäu ñieàu khieån vaø tình traïng maïch ñieän luùc ñoù.
GHi NHÔÙ
- NÑBD: laø caùc linh kieän ñieän töû coâng suaát lyù töôûng, caàn löu yù hieäu chænh soá
lieäu tính toaùn khi aùp duïng vaøo thöïc teá.
3. Sô löôïc veà söï phaùt trieån cuûa ÑTCS:
Caùc boä chænh löu tónh (khoâng phaûi laø maùy ñieän) ñaõ xuaát hieän töø khi coù löôùi ñieän xoay
chieàu ñeå laøm nguoàn cho taûi moät chieàu. Khi ñoù, ngöôøi ta söû duïng caùc chænh löu duøng oxit kim loaïi
hay selen ôû aùp thaáp vaø caùc ñeøn chaân khoâng hay hôi kim loaïi ôû aùp cao. Sau ñoù, vôùi söï xuaát hieän
cuûa ñeøn chöùa khí (thyratron), caùc khaûo saùt veà chænh löu vaø chænh löu ñieàu khieån pha ñaõ hoaøn
chænh. Tuy nhieân vôùi söï xuaát hieän cuûa diod baùn daãn duøng silic vaø SCR thì öùng duïng ñieän töû coâng
suaát môùi buøng noå cuøng vôùi söï phaùt trieån cuûa coâng nghieäp ñieän töû. Vieäc söû duïng caùc boä chænh löu
SCR ñeå ñieàu khieån toác ñoä ñoäng cô moät chieàu cuøng vôùi caùc boä ñieàu khieån ño löôøng duøng transistor
hay vi maïch ñaõ laøm cô sôû cho vieäc töï ñoäng hoùa caùc maùy moùc coâng nghieäp trong nhöõng naêm 60 –
70. Sau ñoù söï phaùt trieån cuûa transistor (BJT vaø MosFET, IGBT) cuøng vôùi vi maïch coù ñoä tích hôïp
cao cho ta khuoân maët cuûa ñieän töû coâng suaát ngaøy nay vôùi vieäc söû duïng roäng raõi boä bieán taàn ñieàu
khieån ñoäng cô xoay chieàu trong coâng nghieäp vaø caùc boä caáp ñieän moät chieàu theo nguyeân lyù ñoùng
ngaét trong haàu heát caùc thieát bò ñieän töû.
I.3 KHAÛO SAÙT MAÏCH ÑTCS:
Ñaàu vaøo khaûo saùt : Maïch ÑTCS + tín hieäu ñieàu khieån caùc NÑBD + ñaëc tính phuï taûi. Cuøng
sô ñoà maïch ñoäng löïc, hoaït ñoäng cuûa maïch seõ thay ñoåi với tín hieäu ñieàu khieån hay tải khaùc nhau.
Ñaàu ra: Hoaït ñoäng cuûa maïch theo thôøi gian: bao goàm traïng thaùi cuûa caùc NÑBD, daïng aùp,
doøng treân caùc phaàn töû trong maïch (NÑBD, caùc phaàn töû thuï ñoäng, taûi). Töø caùc haøm soá theo thôøi
gian naøy, ta coù theå suy ra caùc ñaëc tröng aùp, doøng, naêng löôïng qua caùc phaàn töû vaø ñaùnh giaù ñöôïc
chaát löôïng hoaït ñoäng cuûa maïch.
1. Caùc ñaëc tröng aùp, doøng: Bao goàm:
Vì caùc linh kieän taùc ñoäng cuûa maïch ÑTCS chæ laøm vieäc trong cheá ñoä ñoùng ngaét, ñieän aùp,
doøng ñieän qua caùc phaàn töû khoâng coù daïng chuaån (moät chieàu phaúng hay hình sin) maø laø nhöõng
daïng xung coù chu kyø, caàn coù nhöõng ñaëc tröng thích hôïp. Goàm coù:
- Giaù trò cöïc ñaïi: UMAX, IMAX : Laø giaù trò töùc thôøi lôùn nhaát, duøng ñeå tính choïn ñònh möùc
moät soá phaàn töû thuï ñoäng ( ví duï aùp treân tuï ñieän ), hay phaàn töû taùc ñoäng ( aùp phaân cöïc ngöôïc chænh
löu ) hay baûo veä ( doøng cöïc ñaïi ).
- Giaù trò trung bình UO, IO: Laø soá ño caên baûn cuûa ñieän aùp (doøng ñieän) moät chieàu. Noù cho
bieát taùc duïng trung bình cuûa ñieän aùp (doøng ñieän) treân taûi khi quan heä naøy laø baäc 1, ví duï ñieän
löôïng laø haøm baäc 1 cuûa doøng ñieän: q = i.t, seõ tæ leä vôùi doøng trung bình qua maïch IO, momen
ñoäng cô moät chieàu MO seõ tæ leä vôùi doøng trung bình qua phaàn öùng IO…
- Giaù trò hieäu duïng UR, IR: Laø soá ño lieân quan ñeán taùc duïng trung bình cuûa ñieän aùp (doøng
ñieän) treân taûi khi quan heä laø baäc 2. Taùc duïng Joule (phaùt nhieät) cuûa doøng ñieän treân ñieän trôû laø ví
duï cô baûn cuûa quan heä baäc 2. Giaù trò hieäu duïng cuõng ñöôïc nhaéc ñeán khi ñaëc tröng toång theå moät
tín hieäu xoay chieàu.
Caùc bieåu thöùc cho doøng ñieän trung bình vaø hieäu duïng:
1
1
I0 = T i(t)dt
IR =
[
i(t)
2 dt <I.3.1>
]
∫
∫
T
T
T
Caùc bieåu thöùc cho ñieän aùp UO, UR cuõng coù daïng töông töï.
i ( A )
Caùc bieåu thöùc cho ñieän aùp VO, VR cuõng coù daïng töông töï.
1
Ví duï I.3.1: Tính thôøi gian t ñeå naïp ñöôïc ñieän löôïng
Q = 6 Ah (ampe giôø) cho moät accu töø doøng ñieän daïng xung hình
vd.I.2.1.
t ( sec )
6
10
Giaûi: 6 Ah = 6 * 3600 = 21600 coulomb ( ampe.giaây ). V ì
doøng ñieän i = 1 A trong thôøi gian coù doøng t = 6 sec vaø baèng 0
hình vd.I.3.1: daïng doøng naïp
accu trong ví duï I.3.1
on
trong thôøi gian coøn laïi cuûa chu kyø T = 10 sec, bieåu thöùc cho ñieän
löôïng Q T naïp trong moät chu kyø T laø :
QT = 10 i ⋅ dt = 6 1⋅ dt = 6 coulomb.
∫
0
∫
0
Nhö vaäy ta caàn 21600 / 6 = 3600 chu kyø T hay 3600 * 10 = 36000 sec = 10 giôø thì accu seõ
naïp ñaày.
Moät caùch toång quaùt, ñeå tính theo doøng trung bình I , ta ñeå yù:
o
QT = T i⋅ dt =
T i⋅ dt = T ⋅ IO ,vôùi IO = T i ⋅ dt .
T
T
1
T
∫
0
∫
0
∫
0
T ⋅ IO
T
Vaäy ñieän löôïng Q trong thôøi gian t: Q =
⋅t = IO ⋅t . Ñieän löôïng Q baèng tích doøng
trung bình I vaø thôøi gian naïp t . Tính baèng soá:
o
IO = T i⋅dt = 10 61⋅dt = 0.6A. vaø
t = Q / I = 36000 sec hay 10 giôø.
1
T
1
o
∫
∫
0
1
Theo ví duï treân, vì ñieän löôïng coù quan heä baäc nhaát vôùi doøng ñieän neân taùc duïng cuûa doøng
ñieän moät chieàu i(t) coù daïng xung hình vd.I.2.1 coù theå ñöôïc tính toaùn nhanh hôn khi söû duïng giaù trò
trung bình I cuûa noù.
o
Ví duï I.3.2: Tính coâng suaát trung bình treân taûi ñieän trôû R coù doøng ñieän coù daïng hình
vd.I.2.1 chaûy qua.
Giaûi: Bieåu thöùc tính coâng suaát trung bình cho moät chu kyø :
2
P = R⋅ IR khi ñeå yù ñeán coâng thöùc <I.3.1> ñeå tính doøng hieäu duïng IR .
o
Vaäy khi doøng thay ñoåi coù chu kyø, coâng suaát trung bình treân taûi R tæ leä vôùi giaù trò ñieän trôû R
vaø bình phöông giaù trò hieäu duïng doøng ñieän , khoâng phuï thuoäc daïng doøng. Ta cuõng coù theå chöùng
minh deã daøng laø coâng suaát trung bình treân taûi R baèng bình phöông hieäu duïng ñieän aùp chia cho giaù
trò ñieän trôû, gioáng nhö caùc quan heä quen thuoäc cuûa ñieän moät chieàu hay xoay chieàu hình sin.
- Trò trung bình laø soá ño ñaëc tröng cuûa ñieän moät chieàu trong khi trò hieäu duïng
laø soá ño ñaëc tröng cuûa ñieän xoay chieàu.
GHi NHÔÙ
- Tuy nhieân, coâng suaát tieâu thuï cuûa ñieän trôû laïi tæ leä vôùi bình phöông trò hieäu
duïng doøng, aùp qua noù, khoâng phuï thuoäc daïng.
- Ñoái vôùi tín hieäu moät chieàu phaúng, trò trung bình baèng trò hieäu duïng.
2. Soùng haøi baäc cao vaø heä soá hình daùng:
Daïng doøng, aùp ra cuõng laø thoâng soá raát quan troïng. Caùc taûi coâng nghieäp ñöôïc thieát keá vôùi
nguoàn laø moät chieàu phaúng hay hình sin trong khi caùc daïng aùp, doøng cung caáp töø maïch ñieän töû
coâng suaát laø nhöõng daïng xung coù chu kyø. Caùc daïng aùp doøng naøy ñaëc tröng moät caùch ñaày ñuû baèng
caùc thaønh phaàn Fourier.
a. Ñònh nghiaõ caùc phaønh phaàn Fourier:
Moät caùch toång quaùt, doøng aùp cuûa maïch ÑTCS laø moät daïng soùng coù chu kyø, coù theå ñöôïc
bieån dieãn chính xaùc baèng khai trieån Fourier.
Hình I.3.1 Phaân tích caùc thaønh phaàn Fourier (soùng haøi) cuûa tín hieän raêng cöa (o). Caùc soùng haøi baäc
1 (cô baûn) (a), baäc 2 (b), baäc 3 (c) vaø toång cuûa chuùng (d) = (a)+(b)+c). Nhaän xeùt: neáu chæ söû duïng 3 thaønh
phaàn ñaàu tieân cuûa khai trieån Fourier, sai soá giöõa (d) vaø (o) coøn khaù lôùn trong tröôøng hôïp naøy.
Caùc thaønh phaàn Fourier cuûa moät tín hieäu u(t) coù chu kyø T bao goàm thaønh phaàn moät chieàu
U laø giaù trò trung bình vaø caùc soùng haøi u (t) – laø nhöõng hình sin coù taàn soá laø boäi soá cuûa tín hieäu
o
n
goác nhö phaân tích sau:
∞
∞
u(t) = U + (A sin nωt+B cosnωt) =U +
u
vôùi un =Un sin(nωt−ϕn)
∑
∑
0
n
n
0
n
n=1
n=1
<I.3.2>
2
2
An =
u(t)⋅sin nωt⋅dt
Bn =
u(t)⋅cosnωt⋅dt vaø
T
∫
T
∫
T
T
An
Bn
∞
⎡
⎤
1
ϕn = tg−1
UR = Uo +
U
2
2
2
2
n
Vn = An + Bn
∑
⎢
⎥
2 n=1
⎣
⎦
trong ñoù :
U0 : trò soá trung bình ( thaønh phaàn moät chieàu ) cuûa u(t)
ω : taàn soá goùc cuûa u(t) goïi laø taàn soá cô baûn, coù chu kyø T=ω/2π .
un: soùng haøi baäc n – coù taàn soá nω
An , Bn : caùc thaønh phaàn sin, cos cuûa soùng haøi baäc n
Un , ϕn : bieân ñoä vaø leäch pha cuûa soùng haøi baäc n .
UR : Trò hieäu duïng cuûa u(t).
b. Thaønh phaàn höõu duïng vaø ñaëc tröng doøng, aùp:
Taûi coâng nghieäp thöôøng chæ söû duïng moät trong caùc thaønh phaàn Fourier cuûa aùp, doøng qua
noù, goïi laø thaønh phaàn höõu duïng:
- Thaønh phaàn höõu duïng ñoái vôùi taûi moät chieàu laø thaønh phaàn moät chieàu hay trung bình, kyù
hieäu laø UO hay IO. Ñoâi khi ta duøng chæ soá tb hay ave ôû caùc kyù hieäu.
- Thaønh phaàn höõu duïng ñoái vôùi taûi xoay chieàu laø soùng haøi baäc 1 cuûa phaân tích Fourier hay
thaønh phaàn cô baûn. Ñoù chính laø thaønh phaàn hình sin coù taàn soá laø taàn soá hoaït ñoäng cuûa BBÑ.
Caùc thaønh phaàn coøn laïi laø khoâng mong muoán.
Ñoä sai leäch daïng soùng ngoû ra so vôùi daïng soùng mong muoán coù theå ñöôïc ñaùnh giaù qua heä
soá hình daïng (form factor) KF, laø tæ soá giöõa giaù trò höõu duïng vaø giaù trò hieäu duïng.
Ngöôøi ta thöôøng tính heä soá hình daùng cho ngoû ra BBÑ coù ngoû ra xoay chieàu:
U1R : trò soá hieäu duïng soùng haøi baäc 1 (cô baûn) aùp ra
UR : trò soá hieäu duïng aùp ra
U1R
KFAC =
UR
Heä soá meùo daïng (bieán daïng) toaøn phaàn (THD - Total harmonic distortion): laø tæ soá giöõa
thaønh phaàn khoâng mong muoán vaø mong muoán, ñoái vôùi BBÑ coù ngoû ra xoay chieàu:
UR2 −U12R
THD =
<I.3.3a>
U1R
100. UR2 −U12R
THD thöôøng cho ôû ñôn vò phaàn traêm, goïi laø THD% =
<I.3.3b>
U1R
Coù theå phaùt bieåu töông töï cho aùp ngoû ra boä bieán ñoåi coù ngoû ra moät chieàu. Heä soá hình daùng:
UO : trò soá trung bình aùp ra
UR : trò soá hieäu duïng aùp ra
U
o UR
KFDC
=
UR2 −Uo2
Vaø heä soá meùo daïng toaøn phaàn THD =
<I.3.3c>
Uo
3. Coâng suaát vaø heä soá coâng suaát: Bao goàm:
1
P
S
P =
u(t)⋅i(t)⋅dt
S = UR ⋅ IR
HSCS= cosϕ =
<I.3.4>
o
∫
T
T
- Coâng suaát taùc duïng Po: bieåu thò naêng löôïng söû duïng trong moät ñôn vò thôøi gian.
- Coâng suaát bieåu kieán S: tính baèng tích soá giaù trò hieäu duïng doøng vaø aùp, bieåu thò coâng suaát
taùc duïng cuûa taûi thuaàn trôû coù cuøng doøng hieäu duïng.
- Heä soá coâng suaát HSCS hay cos ϕ : cho bieát hieäu quaû söû duïng naêng löôïng cuûa nguoàn. Khi
taûi laø thuaàn trôû seõ coù HSCS baèng 1.
Coù nhieàu bieåu thöùc tính coâng suaát trong maïch ÑTCS, phuï thuoäc vaøo muïc ñích söû duïïng:
p: Coâng suaát töùc thôøi
1
p = u(t)⋅i(t)
P =
u(t)⋅i(t)⋅dt
T
o
∫
P1 :Khi quan taâm ñeán thaønh phaàn cô baûn cuûa
ngoû ra (hình sin taàn soá ω), coù ñieän aùp vaø doøng
ñieän bieân ñoä U1, I1 , goùc leäch ϕ1 .
T
1
P = Uo ⋅Io
P = U1 ⋅I1 cosϕ1 <I.3.5>
DC
1
2
∞
1
P = P + 2 Un ⋅In cosϕn
∑
o
DC
PDC: coâng suaát moät chieàu (taûi ñieäân moät chieàu)
vôùi U0, I0 laø caùc trò soá aùp, doøng trung bình.
n=1
Ñoâi khi Po coøn ñöôïc goïi laø coâng suaát (trung bình) toaøn phaàn vì noù bao goàm thaønh phaàn
∞
1
moät chieàu PDC vaø soùng haøi baäc cao
2 Un ⋅In cosϕn .
∑
n=1
Trong thöïc teá tính toaùn ta hay söû duïng caùc keát quaû sau:
Heä luaän 1: khi doøng ñieän chæ coù thaømh phaàn moät chieàu Io thì Po = PDC = Uo.Io do caùc
soùng haøi doøng ñieän In baèng 0. Vì theá trong khaûo saùt maïch ñieän töû coâng suaát giaû thieát “doøng taûi
phaúng – lieân tuïc”thöôøng ñöôïc söû duïng ñeå caùc tính toaùn trôû neân ñôn giaûn.
ÔÛ caùc BBÑ ngoû ra aùp moät chieàu, Uo, Io , PDC laø caùc thaønh phaàn mong muoán, soùng haøi baäc
cao (caùc thaønh phaàn hình sin) laø khoâng mong muoán, chæ taïo ra caùc taùc duïng phuï.
Heä luaän 2: Khi aùp nguoàn hình sin hieäu duïng U, doøng khoâng sin thaønh phaàn cô baûn i1 coù giaù
trò hieäu duïng laø I1R thì heä soá coâng suaát cuûa maïch:
P
UI1R cosϕ1 I1R cosϕ1
o
HSCS =
=
=
S
UIR
IR
(xem baøi taäp soá 6 cuoái chöông)
Töø keát quaû naøy, ta suy ra chæ coù tröôøng hôïp
doøng hình sin ñoàng pha vôùi aùp nguoàn hình sin laø
coù HSCS baèng 1.
4. Phöông phaùp nghieân cöùu maïch:
Hình I.3.2: Tröôøng hôïp nguoàn hình sin, doøng laø xung
vuoâng HSCS khoâng theå baèng 1.
D1
i
i
i
i = 0
o
o
o
o
R
L
R
R
L
R
L
u
D2
u
u
u
u
o
o
o
o
L
u
Maïch chænh löu baùn soùng
coù diod phoùng ñieän D2, u laø
nguoàn xoay chieàu.
Khi D2 daãn ñieän,
ÔÛ baùn kyø u > 0, D1
daãn doøng iO > 0
Khi doøng iO = 0
D1 khoâng daãn: u<0 töông öùng khoâng coù
diod naøo daãn ñieän.
vaø doøng iO > 0.
Hình vdI.3.3: Caùc sô ñoà maïch tuyeán tính töông öùng sô ñoà chænh löu moät diod coù diod phoùng ñieän.
Maïch ñieän töû coâng suaát khaùc vôùi caùc maïch ñieän töû khaùc laø noù coù raát nhieàu ngaét ñieän. Khi
traïng thaùi caùc ngaét ñieän thay ñoåi, maïch ñieän cuõng thay ñoåi theo. Vì vaäy ñeå giaûi maïch ÑTCSù, caàn
phaûi tìm ra traïng thaùi cuûa caùc ngaét ñieän, suy ra sô ñoà maïch.
Ví duï I.3.3: Maïch chænh löu moät diod (baùn soùng) coù diod phoùng ñieän hình (a) coù theå laø caùc
maïch hình (b), (c), (c) tuøy thuoäc vaøo diod naøo daãn doøng ñieän taûi iO.
Coù theå noùi laø maïch ñieän töû coâng suaát = toå hôïp nhieàu maïch tuyeán tính thay ñoåi theo traïng
thaùi cuûa caùc ngaét ñieän.
a. Giaûi tröïc tieáp QTQÑ maïch ÑTCS baèng PT vi phaân hay bieán ñoåi Laplace:
Vôùi ñieàu kieän ñaàu ñöôïc bieát ôû thôøi gian t = 0, ta giaûi maïch ñieän theo t khi löu yù traïng thaùi
cuûa caùc ngaét ñieän. Keát quaû thu ñöôïc caùc phöông trình moâ taû doøng , aùp caùc phaàn töû maïch theo t.
Ví du I.3.4: Khaûo saùt maïch chænh löu 1 diod taûi RL coù D phoùng ñieän cuûa ví duï 1. AÙp nguoàn
u = 2Usin wt, ñieàu kieän ñaàu t = 0, iO = 0.
Giaû söû ta ñoùng nguoàn ôû t = 0 : u > 0, D1 daãn ñieän, maïch ñieän töông ñöông hình (b):
phöông trình vi phaân moâ taû maïch ñieän laø:
−t
τ
⎡
⎢
⎣
⎤
⎥
⎦
dio
dt
U 2
Z
u = R.io + L
ñieàu kieän ñaàu io = 0 => io =
sin(ωt−φ) + sinφ ⋅e
<vdI.3.4.1>
wL
R
2
2
, toång trôû taûi Z = R + ωL vaø goùc pha φ = tg-1
L
vôùi τ =
(
)
R
Hình vdI.3.4: Quaù trình quaù ñoä cuûa sô ñoà chænh löu moät diod coù diod phoùng ñieän.
Khi ωt = π, doøng io = Io> 0 phoùng qua diod phoùng ñieän D2. Thöïc vaäy, neáu D1 tieáp töïc daãn ñieän seõ
laøm D2 cuõng daãn ñieän: voâ lyù. D2 daãn ñieän laøm D1 phaân cöïc ngöôïc vaø maïch ñieän trôû thaønh (c):
dio
dt
0= R.io + L
ñieàu kieän ñaàu io(0) = Io khi laáy laïi goác thôøi gian. Giaûi ptvp naøy:
io = Io.e−t . ÔÛ ñaàu chu kyø keá io = Io.e−π = I1 > 0 <vdI.3.4.2>
τ
wτ
Chu kyø keá tieáp ñieãn ra töông töï vôùi doøng ban ñaàu qua taûi I1 > 0. Sau moät thôøi gian quaù ñoä
heä thoáng ñaït traïng thaùi töïa xaùc laäp: daïng doøng aùp trong maïch laäp laïi theo chu kyø.
Nhaän xeùt: Phöông phaùp naøy cho ta caùi nhìn chính xaùc hoaït ñoäng cuûa maïch nhöng khoâng
theå cho ta phöông trình doøng aùp qua caùc phaàn töû ôû cheá ñoä töïa xaùc laäp.
b. Giaûi chu kyø töïa xaùc laäp maïch ÑTCS baèng PT vi phaân hay bieán ñoåi Laplace:
Ñaëc tính maïch ñieän ôû cheá ñoä töïa xaùc laäp coù theå ñöôïc tính khi ta khaûo saùt hoaït ñoäng trong
moät chu kyø vôùi giaû söû caùc giaù trò ban ñaàu cuûa bieán traïng thaùi cuûa maïch ñöôïc bieát. Keát quaû cho ta
moät heä phöông trình ñeå tính caùc giaù trò ban ñaàu naøy khi cho giaù trò ñaàu baèng giaù trò cuoái.
Ví duï I.3.5: Giaûi tieáp tuïc ví duïI. 2 ôû cheá ñoä töïa xaùc laäp.
Giaû söû ta ñoùng nguoàn ôû t = 0 : D1 daãn ñieän, phöông trình vi phaân moâ taû maïch ñieän laø:
dio
dt
u = R.io + L
ñieàu kieän ñaàu io = I1
−t
τ
⎡
⎤
U 2
Z
U 2
Z
=> io =
sin(ωt−φ) + I −
sinφ ⋅e <vdI.3.5.1>
⎢
⎥
1
⎣
⎦
ÔÛ baùn kyø keá, D2 cuõng daãn ñieän, phöông trình vi phaân moâ taû maïch ñieän laø:
dio
dt
0= R.io + L
ñieàu kieän ñaàu io(0) = Io vôùi
−π
⎡
⎤
U 2
Z
U 2
Z
Io = io(π ) =
sin(π −φ) + I −
sinφ ⋅ewτ <vdI.3.5.2>
⎢
⎥
1
⎣
⎦
=> io = Io.e−t vaø ôû cuoái chu kyø I1 = Io.e−π
<vdI.3.5.3>
τ
wτ
Phöông trình <vdI.3.5.2>, <vdI.3.5.3> cho pheùp ta tính I1 vaø Io, töø ñoù veõ ñöôïc daïng doøng
iO .
Nhaän xeùt: Phöông phaùp naøy cho pheùp ta tính ñaëc tính maïch trong cheá ñoä xaùc laäp, nhöng
vieäc ruùt ra caùc ñaëc tröng doøng, aùp cuûa maïch raát khoù khaên, ñoøi hoûi tích phaân nhöõng haøm coù haøm
löôïng giaùc vaø haøm muõ.
c. Khaûo saùt doøng aùp treân taûi baèng nguyeân lyù xeáp choàng:
Nguyeân lyù xeáp choàng döïa treân ñaëc tính cuûa heä tuyeán tính, ñöôïc phaùt bieåu nhö sau: Taùc
duïng cuûa moät tín hieäu coù chu kyø treân heä thoáng tuyeán tính coù theå ñöôïc xaùc ñònh baèng toång caùc taùc
duïng treân heä naøy cuûa caùc thaønh phaàn Fourier hôïp thaønh tín hieäu ñoù.
Vaäy nguyeân lyù xeáp choàng cho thaáy yù nghiaõ cuûa caùc thaønh phaàn Fourier vaø cho ta moät
phöông phaùp khaûo saùt caùc maïch ñieän töû coâng suaát ôû cheá ñoä xaùc laäp, ví duï doøng taûi coù theå tính
nhö sau:
- Giaù trò trung bình doøng qua taûi coù theå xaùc ñònh baèng caùch ñaët leân taûi moät ñieän aùp moät
chieàu baèng giaù trò trung bình aùp treân taûi.
- Moãi moät soùng haøi baäc cao cuûa ñieän aùp nguoàn seõ taïo ra thaønh phaàn doøng ñieän hình sin
töông öùng.
Vaø doøng ñieän thöïc söï chaïy qua maïch seõ laø toång cuûa caùc thaønh phaàn naøy. Trong thöïc teá, ta
khoâng theå tính heát taùc duïng cuûa taát caû thaønh phaàn Fourier vaø ñoä chính xaùc cuûa phöông phaùp naøy
phuï thuoäc vaøo khoái löôïng tính toaùn. Thoâng thöôøng ngöôøi ta chæ xeùt taùc duïng cuûa nhöõng thaønh
phaàn coù aûnh höôûng lôùn maø thoâi.
R1
R2
C
u
Hình vdI.3.6: Maïch RC cung caáp baèng xung vuoâng
Ví duï I.3.6: Tính doøng vaø aùp trung bình qua ñieän trôû R2 cuûa maïch ñieän hình Vd2. aùp nguoàn
u coù daïng treân hình VdI.3.6.a, U = 200 Volt, R1 =R2 =100 ohm.
T
2T/6
1
1
U
3
Giaûi: Trò trung bình aùp ra: Uo =
u.dt =
U.dt =
∫
∫
T 0
T
0
Tuø maïch töông ñöông hình VdI.3.6.b, tính ñöôïc trò trung bình doøng ra
IO = (200/3)/200 = 1/3 A vaø trò trung bình aùp treân moãi ñieän trôû taûi UCo = Uo/ 2 = 33.3 V
R1
R2
U
Co
U
o
Hình VdI.3.6.b: Maïch töông ñöông vôùi
thaønh phaàn moät chieàu
Hình VdI.3.6.a: daïng aùp nguoàn tính baèng soá.
e. Khaûo saùt moâ hình toaùn maïch ÑTCS baèng maùy tính (duøng chöông trình moâ phoûng) hay
khaûo saùt moâ hình thöïc teá trong phoøng thí nghieäm:
Thuaät toaùn toång quaùt ñeå khaûo saùt maïch ÑTCS baèng maùy tính:
Böôùc môû ñaàu: Xaùc ñònh doøng aùp qua caùc phaàn töû ôû thôøi gian t = 0+
Böôùc 1: Döïa vaøo tín hieäu ñieàu khieån vaø doøng, aùp qua caùc ngaét ñieän,
tìm ra caùc ngaét ñieän ON (noái maïch)
Böôùc 2: Thaønh laäp phöông trình moâ taû maïch.
Böôùc 3: Giaûi phöông trình moâ taû maïch ñeå tìm ra doøng aùp qua caùc
phaàn töû ôû t = t + Δt
Böôùc 4: Khai thaùc caùc soá lieäu tìm ñöôïc, taêng thôøi gian hieän taïi t Å t + Δt
Böôùc 5: Kieåm tra ñieàu kieän keát thuùc khaûo saùt:
neáu thoûa thì qua böôùc 6, neáu khoâng trôû veà böôùc 1.
Böôùc 5: Döøng chöông trình.
Nhaän xeùt: Vieäc khaûo saùt baèng maùy tính öùng duïng phöông phaùp soá ñeå giaûi phöông trình vi
phaân cho ta doøng aùp qua caùc phaàn töû theo töøng sai phaân thôøi gian Δ t, chính laø thöïc hieän giaûi
maïch theo doøng thôøi gian (muïc a.) moät caùch töï ñoäng.
I.4 TÍNH CHOÏN NGAÉT ÑIEÄN ÑIEÄN TÖÛ:
Trong BBÑ, caùc ngaét ñieän coù vai troø quan troïng vaø chieám tyû troïng lôùn trong giaù thaønh. Vì
vaäy vieäc choïn ñuùng linh kieän raát caàn thieát ñeå traùnh hö hoûng nhöng khoâng laøm taêng cao giaù thaønh.
Caùc thoâng soáá cuûa ngaét ñieän: chuûng loaïi, ñònh möùc aùp, ñònh möùc doøng (coâng suaát) vaø caùch
laép ñaët.
1. Chuûng loaïi linh kieän baùn daãn coâng suaát: gaén lieàn vôùi 2 yeáu toá: coâng duïng linh kieän vaø
taàn soá ñoùng ngaét. Loaïi linh kieän phaûi thích hôïp vôùi muïc ñích söû duïng vaø taàn soá laøm vieäc cuûa sô
ñoà.
Ví duï MosFET vaø BJT coâng suaát ñeàu laø ngaét ñieän baùn daãn moät chieàu, MosFET coâng suaát
laøm vieäc ôû taàn soá cao hôn nhöng ngöôì ta chæ cheá taïo ñeán khoûang 100 A, ôû doøng ñieän cao hôn
phaûi duøng BJT hay IGBT.
Toùm taét moät soá loaïi linh kieän baùn daãn thoâng duïng
STT Linh kieän
Loaïi
Ñaëc tính
1
Diod
1N4007
FR207
1N4148
C1061
Chænh löu (Rectifier) Doøng lôùn, taàn soá coâng nghieäp
Phuïc hoài nhanh
Doøng lôùn, taàn soá cao
Tín hieäu (maùy tính)
AÂm taàn, thoâng duïng
Doøng beù (mA), taàn coá cao
Maùy taêng aâm, ñoùng ngaét (taàn soá thaáp)
Ñoùng ngaét
2
BJT
MJE13007 Ñoùng ngaét
IRF540 Ñoùng ngaét
3
4
5
MosFET
IGBT
Ñoùng ngaét doøng ñeán 100A
Ñoùng ngaét doøng lôùn
GT60N321 Ñoùng ngaét
Chænh löu
SCR
taàn soá coâng nghieäp
Taàn soá cao
taàn soá cao (thôøi gian taét beù)
2. Tính choïn ñònh möùc aùp linh kieän:
Taát caû linh kieän ñieän töû ñeàu chæ coù theå chòu ñöôïc moät ñieän aùp khoaù giôùi haïn (phaân cöïc
ngöôïc hay thuaän), khi vöôït qua seõ xaûy ra hieän töôïng gaõy caùc moái noái laøm hö hoûng töùc thì.
=> Uñm = kat . Ulvmax
AÙp ñònh möùc Uñm caàn lôùn hôn aùp laøm vieäc (khoùa) cöïc ñaò Ulvmax vôùi heä soá an toaøn kat
ñöôïc choïn ≥ 2.
Ví duï 1.4.1: ñoái vôùi caùc caàu chænh löu, ñònh möùc aùp khi laøm vieäc 1 pha löôùi 220 VAC baèng
600V vaø ≥ 1000V khi laøm vieäc vôùi löôùi 380VAC.
3. Tính choïn ñònh möùc doøng vaø coâng suaát linh kieän:
a. Söï phaùt noùng vaø tính choïn coâng suaát: Nhö caùc linh kieän coâng suaát khaùc, khi laøm vieäc
linh kieän coâng suaát tieâu taùn naêng löôïng vaø phaùt noùng, seõ hö hoûng khi nhieät ñoä lôùn hôn giaù trò cho
pheùp. Muïc ñích cuûa tính toaùn nhieät laø kieåm tra nhieät ñoä moái noái θJ cuûa mieáng tinh theå baùn daãn
phaûi beù hôn giaù trò cho pheùp θJmax , coù trò soá töø 125 . . 200 O C.
Vieäc giaûi baøi toaùn nhieât naøy bao goàm :
- Tính coâng suaát tieâu taùn trung bình treân linh kieän trong chu kyø T: ΔP = u(t).i(t)dt;
∫
T
trong ñoÙ u(t), i(t) laø giaù trò töùc thôøi doøng, aùp qua keânh daãn ñieän. Coù theå tra cöùu ΔP trong taøi lieäu
cuûa nhaø saûn xuaát, theo hai thoâng soá: trò soá trung bình vaø daïng cuûa doøng ñieän hay coù theå tích phaân
tröïc tieáp töø quan heä doøng aùp.
- Tính toaùn truyeàn nhieät töø tinh theå baùn daãn(moái noái) ra moâi tröoøng xung quanh:
moái noái Æ voû Æ taûn nhieät Æ moâi tröôøng.
Baøi toaùn naøy coù theå ñöôïc ñôn giaûn hoùa khi cho raèng trong cheâù ñoä xaùc laäp, cheânh leäch nhieät
ñoä treân ñöôøng truyeàn θ1 , θ2 tæ leä vôùi coâng suaát tieâu taùn ΔP vaø thoâng soá ñaëc tröng cuûa moâi tröôøng
truyeàn – goïi laø ñieän trôû nhieät R12:
θ1 − θ2 = ΔP⋅R12 <I.4.1>
AÙp duïng vaøo tính toaùn taûn nhieät cho baùn daãn coâng suaát:
θJ − θA = ΔP ⋅(RJC + RCH + RHA ) <I.4.2>
vôùi caùc ñieän trôû nhieät:
+ RJC: theå hieän khaû naêng taûn nhieät cuûa linh kieän,
cung caáp bôûi nhaø saûn xuaát, ñöôïc cung caáp tröïc tieáp hay
thoâng qua coâng suaát ñònh möùcΔP (kyù hieäu Pdiss trong caùc
taøi lieäu tieáng Anh), xaùc ñònh baèng nhieät ñoä moái noái cho
pheùp θJmax vaø nhieät ñoä voû baèng giaù trò moâi tröôøng qui ñònh
θA = 25 OC.
P
= RJC (θJmax − 25oC) <I.4.3>
diss
Ñieàu naøy cuõng coù nghiaõ laø raát khoù söû duïng ñöôïc
Pdiss naøy.
+ RCH: ñieän trôû nhieät khi truyeàn töø voû cuûa linh kieän
qua taûn nhieät, giaûm khi aùp löïc tieáp xuùc, ñoä nhaün beà maët
taêng. Ngöôøi ta coøn coù lôùp ñeäm baèng cao su ñaëc bieät vöøa
laøm caùch ñieän vaø taêng tieáp xuùc, hay duøng keo (paste)
silicon laøm kín caùc khe hôû giöõa hai beà maët khi söû duïng
mica laøm taám ñeäm .
Hình I.4.1 Caùch laép linh kieän coâng suaát
vaøo taûn nhieät
+ RHA: ñieän trôû nhieät khi truyeàn töø taûn nhieät ra moâi tröôøng xung quanh, laø boä phaän chuû yeáu
cho taûn nhieät heä thoáng, tæ leä nghòch vôùi dieän tích taûn nhieät. Coù theå giaûm RHA khi laøm ñen beà maët
(taêng khaû naêng böùc xaï nhieät), hay duøng quaït ñeå taûn nhieät cöôõng böùc. ÔÛ caùc heä thoáng coâng suaát raát
lôùn, coù theå laøm maùt baèng caùch boâm nöôùc qua taûn nhieät ñeå giaûm kích thöôùc boä taûn nhieät, traùnh
choaùn choã.
Ñeå yù laø khi khoâng söû duïng taûn nhieät, ñieän trôû nhieät töø voû linh kieän coâng suaát ra moâi tröôøng
raát lôùn (vì dieän tích tieáp xuùc vôùi khoâng khí cuûa linh kieän raát beù) daãn ñeán khaû naêng tieâu taùn coâng
suaát luùc naøy raát beù so vôùi giaù trò ñònh möùc.
b. Tính choïn ñònh möùc doøng vaø quan heä coâng suaát tieâu taùn: Cuõng nhö ñieän aùp, ñoøng qua
linh kieän trong traïng thaùi daãn cuõng bò giôùi haïn. Linh kieän baùn daãn coù hai giaù trò giôùi haïn doøng
khoâng theå vöôït qua: Doøng cöïc ñaïi( coù theå daøi haïn hay ngaén haïn vôùi thôøi gian vaø chu kyø quy ñònh)
vaø doøng ñònh möùc.
- Doøng ñònh möùc lieân quan chaëc cheû ñeán ñieàu kieän taûn nhieät, thöôøng ñöôïc söû duïng thay
cho tính toaùn nhieät vì noù ñôn giaûn vaø sau ñoù baøi toaùn nhieät ñoä linh kieän ñöôïc kieåm tra thöïc teá hay
qua tính toaùn. Coù theå coù hai giaù trò:
Doøng laøm vieäc trung bình IO nhoû hôn giaù trò trung bình ñònh möùc IAVE hay
Doøng laøm vieäc hieäu duïng IR nhoû hôn giaù trò hieäu duïng ñònh möùc IRMS
Cuõng gioáng nhö ñònh möùc aùp, ñònh möùc doøng cuõng ñöôïc choïn vôùi heä soá an toaøn doøng,
thöôøng choïn töø 1.2 ñeán 2 laàn. Vieäc tính choïn theo hieäu duïng thöôøng cho keát quaû phuø hôïp hôn vì
daïng doøng maïch ñieän töû coâng suaát thöôøng laø daïng xung. Vôùi caùc chænh löu (Diod hay SCR), quan
heä giöõa hai giaù trò naøy cho caùc linh kieän chænh löu baèng:
IRMS = 1.57 IAVE
<I.3.4>,
do daïng doøng qui ñònh khi tính toaùn ñònh möùc cho caùc linh kieän chænh löu laø chænh löu baùn
soùng.
Sau ñoù, ta caàn kieåm tra heä thoáng taûn nhieät qua vieäc ño nhieät ñoä voû cuûa linh kieän coâng
suaát, noù khoâng ñöôïc vöôït quaù 65 . . 70 OC.
- Doøng cöïc ñaïi (ngaén haïn) laø doøng ñieän gaây hö hoûng linh kieän maø ta khoâng theå vi phaïm:
Cöïc ñaïi doøng taûi IOMAX caàn phaûi nhoû hôn giaù trò cho pheùp IMAX naøy.
Thoâng thöôøng, caùc linh kieän coâng suaát gaén treân maïch in (doøng toái ña vaøi chuïc A) ñöôïc
choïn theo ñieàu kieän naøy thay vì caùc giaù trò trung bình hay hieäu duïng.
Hình I.4.2: Doøng trung bình cho pheùp theo nhieät ñoä voû linh kieän
Quan saùt: Hai ñoà thò treân cho thaáy:
- nhieät ñoä voû linh kieän < 75o C seõ khoâng laøm giaûm khaû naêng taûi cuûa linh kieän.
- Cuøng nhieät ñoä voû, doøng trung bình cho pheùp qua maïch bò giaûm theo ñoä roäng xung. Ñieàu
naøy cho thaáy choïn theo doøng trung bình khoâng chính xaùc.
Baøi taäp: Töø ñoà thò taûi xung vuoâng, tính xem doøng hieäu duïng qua maïch cho pheùp cuûa taûi seõ
taêng hay giaûm theo ñoä roäng xung, khi giöõ nhieät ñoä voû trong khoaûng 60 - 70 oC.
- Taûn nhieät luoân caàn thieát khi söû duïng linh kieän coâng suaát.
- Neân taûn nhieät ñeå coù nhieät ñoä voû linh kieän ôû 60 – 70OC. Khi ñieàu kieän naøy bò
vi phaïm, neân thay ñoåi ñieàu kieän taûn nhieät hôn laø taêng ñònh möùc linh kieän.
CHUÙ YÙ
4. Caùch laép ñaët (voû – case), cheá ñoä taûn nhieät (SCR), cheá ñoä caùch ñieän vôùi voû.
TO220AB
TO48
TO118
TO200AB
ADD A-PAK
(TO208AA)
(TO209AE)
ADD A-PAK (power module) thöôøng ñöôïc cheá taïo vôùi voû taûn nhieät caùch ñieän. Voû
TO220AB coù nhoùm phuï voû boïc caùch ñieän.
5. Phaân loaïi theo chaát löôïng:
Loaïi haøng khoâng, quaân söï (Millitary) laø coù chaát löôïng cao nhaát do ñöôïc kieåm tra, thöû
nghieäm chaëc cheû. Keá ñoù laø loaïi coâng nghieäp (Industrial) vaø cuoái cuøng laø loaïi thöông maïi
(Commercial) ñöôïc baùn leû treân thò tröôøng. Nhieät ñoä moâi tröôøng laøm vieäc cho pheùp cuõng thu heïp
daàn theo thöù töï.
I.5 BAÛO VEÄ BOÄ BIEÁN ÑOÅI VAØ NGAÉT ÑIEÄN BAÙN DAÃN:
1.Baûo veä doøng:
+ Baûo veä doøng cöïc ñaïi ( ngaén maïch ): Baûo veä doøng cöïc ñaïi laøm vieäc ngay khi coù hieän
töôïng doøng ñieän vöôït quaù giaù trò qui ñònh, thöôøng laø raát lôùn so vôùi giaù trò ñònh möùc. Baûo veä doøng
cöïc ñaïi coøn goïi laø baûo veä ngaén maïch, xuaát hieän ôû ngoû ra hay beân trong boä bieán ñoåi, laø nguyeân
nhaân gaây ra quaù doøng ñieän raát lôùn caàn loaïi boû ngay, traùnh hö hoûng ngaét ñieän baùn daãn vaø ñaûm baûo
hoaït ñoäng bình thöôøng cuûa nguoàn ñieän.
- Caàu chì taùc ñoäng nhanh ñöôïc söû duïng ñeå baûo veä quaù doøng cho linh kieän baùn daãn, coù theå
ñaët ôû ñaàu vaøo boä bieán ñoåi hay noái tieáp linh kieän ñöôïc baûo veä. Thoâng soá ñaëc tröng cuûa caàu chì laø
doøng, aùp ñònh möùc vaø tích phaân doøng ngaén maïch ñeå caàu chì chaûy T i2dt . Tích phaân naøy caàn
∫
phaûi beù hôn tích phaân töông töï ñeå ngaét ñieän baùn daãn bò hö hoûng khi quaù doøng (ngaén maïch), laáy ôû
soå tra cöùu töø nhaø saûn xuaát. Ñoái vôùi chænh löu, thôøi gian tích phaân T thöôøng laø nöûa chu kyø löôùi.
Loaïi caàu chì thoâng thöôøng khoâng theå baûo veä linh kieän ñieän töû coâng suaát, noù chæ coù khaû naêng ngaét
maïch khi coù söï coá doøng taêng cao vì taùc ñoäng chaäm.
- CB ( ngaét maïch töï ñoäng – aùptomat ) thöôøng gaëp ôû ngoû vaøo caùc boä bieán ñoåi laøm caùc
nhieäm vuï: ñoùng ngaét, baûo veä quaù taûi vaø ngaét maïch bò söï coá ra khoûi löôùi ñieän. CB khoâng coù khaû
naêng baûo veä caùc phaàn töû baùn daãn coâng suaát khi coù ngaén maïch.
+ Baûo veä quaù taûi ( quaù doøng coù thôøi gian ):
Quaù taûi laø tröôøng hôïp doøng ñieän qua maïch lôùn hôn giaù trò tính toaùn moät löôïng khoâng lôùn,
neáu keùo daøi seõ gaây hö hoûng do quaù nhieät ôû caùc phaàn daãn ñieän. Nhö vaäy ñaëc tính quaù taûi coù daïng
hyperbol, doøng quaù taûi caøng lôùn , thôøi gian cho pheùp caøng ngaén.
Baûo veä quaù taûi ñöôïc thöïc hieän baèng rô le chuyeân duøng (goïi laø rô le nhieät), taùc ñoäng vaøo
thieát bò ñoùng ngaét töï ñoäng (contactor) ôû ñaàu vaøo. CB luoân coù tích hôïp saün rô le nhieät. ÔÛ caùc boä
bieán ñoåi, boä ñieàu khieån thöôøng tích hôïp caû boä phaän haïn doøng, taùc ñoäng töùc thôøi ôû 120 % ñeán 200
% giaù trò ñònh möùc thieát bò, laøm caû nhieäm vuï baûo veä quaù taûi cho ngaét ñieän baùn daãn.
- CB hay caàu chì thoâng thöôøng khoâng baûo veä ñöôïc linh kieän coâng suaát khi coù
doøng ngaén maïch ñi qua.
CHUÙ YÙ
2. Baûo veä aùp:
Vôùi vieäc choïn ñònh möùc aùp cuûa linh kieän baùn daãn coâng suaát toái thieåu baèng hai laàn aùp khoùa
cöïc ñaïi, ngaét ñieän baùn daãn thöôøng khoâng phaûi baûo veä quaù aùp khi laøm vieäc. Baûo veä aùp ñöôïc ñaët ra
ñeå choáng laïi caùc xung aùp caûm öùng treân daây daãn nguoàn do seùt xaûy ra ôû vuøng laân caän hay do caûm
öùng treân heä thoáng khi coù ñoùng ngaét.
260v
R4
10k
C
103
T
FR105
IRF450
(4)
Hình I.5.1: caùc phaàn töû coù theå baûo veä xung aùp cho BBÑ vaø linh kieän coâng suaát
Ngöôøi ta thöôøng duøng ôû ñaàu nguoàn: RC noái tieáp maéc song song (1), Varistor laø loaïi ñieän
trôû giaûm nhanh khi aùp lôùn hôn trò soá ngöôõng (2) vaø caùc boä loïc nguoàn(3) goàm maéc loïc LC hình π.
Maïch RC song song vôùi caùc ngaét ñieän (maïch snubber) coù theå baûo veä linh kieän khoûi caùc
xung aùp trong maïch. Trong nhieàu tröôøng hôïp, ngöôøi ta theâm diod taùc ñoäng nhanh vaøo maïch ñeå
taêng tính choïn loïc, taêng hieäu quaû cuûa maïch (4).
- Ngöôøi ta chæ baûo veä NÑÑT khoûi quaù aùp xung vì döï tröõ aùp (heä soá an toøan) ñaõ
choïn laø khaù lôùn ñeå linh kieän khoâng bò hoûng do söû duïng quaù aùp.
GHi NHÔÙ
I.6 TOÙM TAÉT CAÙC YÙ CHÍNH:
Sau khi hoïc chöông I, caàn naém vöõng caùc noäi dung sau:
- Coâng thöùc tính toaùn trò trung bình, hieäu duïng cuûa doøng ñieän (ñieän aùp) vaø yù nghiaõ cuûa noù.
- Nguyeân lyù tính choïn caùc linh kieän coâng suaát cuõng nhö taûn nhieät.
- Nguyeân lyù baûo veä quaù aùp, quaù doøng vaø quaù taûi caùc BBÑ cuõng nhö linh kieän coâng suaát.
Baøi taäp:
1. Tính trò trung bình vaø hieäu duïng cuûa caùc doøng ñieän coù bieân ñoä I nhö sau:
i
T
I
i
T
t1
t
I
0
t1
t1
t
0
- I
a.
c.
d.
b.
Haõy so saùnh vaø ñöa ra nhaän xeùt veà giaù trò trung bình vaø hieäu duïng cuûa hai daïng soùng (a)
vaø (b), (c) vaø (d)
1a. Xaây döïïng coâng thöùc tính hieäu duïng cuûa
daïng soùng tam giaùc i(t) coù chu kyø T, trò trung
bình Io, bieân ñoä nhaáp nhoâ ΔI vaø thôøi gian caïnh
leân baèng αT.
i(t)
Io
Δ
I
T
α
T
t
2. Chöùng minh IRMS = 1.57 IAVE vôùi daïng soùng sau:
Giaûi: Ta tính toaùn giaù trò trung bình vaø hieäu
duïng cuûa daïng doøng hình sin chænh löu baùn
soùng nhö hình beân vôùi thoâng soá laø bieân ñoä I.
Ñaët i = I sin wt laø phöông trình phaàn
doøng ñieän hình sin. Tính trò trung bình:
2
0
π I sin wt.d
(wt
)
=
[
− coswt
]
=
π
1
2π
I
2π
I
π
Iav =
0
∫
0
Tính trò hieäu duïng:
π
π
0
π
0
2
1−cos2wt
2wt+sin 2wt
1
2π
I 2
2π
I 2
2π
I
2
I
=
(
I sin wt
)
dwt =
]
dwt =
[
]
=
RMS
∫
∫
2
4
0
Suy ra : IRMS / IAVE = π / 2 = 1.57
I
3. Tính tæ soá giöõa trò hieäu duïng vaø trò trung bình
cuûa daïng soùng hình beân.
i
Höôùng daãn:
Iav = T / 6 I.dt = T
[
t
]
=
T / 6
t
1
T
I
I
6
0
∫
0
T
2
2
T / 6
IRMS
(
I
)
T / 6 1
]
dt =
[
t
]
=
T / 6
2 dt =
[
1
I
I
I
6
=
0
∫
0
∫
T
T
T
0
IRMS / IAVE = 6
v
4. Tính trò trung bình doøng qua cuoän
daây R = 10 ohm; L = 0.1 henry coù aùp
qua noù coù daïng hình beân.
V = 30 volt
Ñaùp soá: 1A; töï caûm L vaø taàn soá xung
chæ aûnh höôûng daïng doøng.
t (ms)
3
4
5
0
1
2
6
5. Doøng ngoû vaøo i vaø
aùp nguoàn u cuûa boä
bieán ñoåi (BBÑ) coù
daïng hình beân. u coù
daïng hình sin taàn soá
goùc w bieân ñoä U vaø i
coù daïng xung vuoâng
ñoái xöùng bieân ñoä I coù
cuøng taàn soá vaø pha.
a. Haõy tích phaân tröïc tieáp ñeå tính coâng suaát taùc duïng cuûa BBÑ tieâu thuï.
b. Tính trò hieäu duïng doøng nguoàn vaø suy ra heä soá coâng suaát cuûa BBÑ.
c. Laøm laïi caâu a vaø b khi doøng i leäch pha goùc α vôùi aùp nguoàn u.
i
6. Veõ daïng doøng, aùp ra vaø tính trò trung bình
o
doøng qua maïch naïp accu hình beân, cho bieát
D
R
1 ohm
E
12 v
e(t) =12 2 sin(100πt) vaø giaû söû diod khoâng
coù suït aùp thuaän.
v
o
e
,
7. Tính vaø veõ daïng doøng iO qua taûi. Cho bieát quaù trình
laøm vieäc cuûa maïch nhö sau:
i
o
K
v
R
L
- t = 0: khoùa K ñoùng vôùi doøng ban ñaàu qua taûi iO = 0.
R
+
_
v
D
o
- Sau khi K ñoùng ñuû laâu ñeå doøng qua taûi iO xem nhö ñaït
giaù trò xaùc laäp, ta môû khoùa K.
e
v
L
AÙp nguoàn moät chieàu e = E.
v
C
i
o
8. Tính vaø veõ daïng doøng qua taûi iO, aùp treân tuï vC theo
thôøi gian trong caùc ñieàu kieän ñaàu (khi K ñoùng):
K
C
v = v
o
R
R
L
a. L vaø C khoâng tích tröõ naêng löôïng.
+
_
e = E
b. vC (0) = - E; iO (0) = 0.
v
L
v
C
i
o
K
C
D
9. Giaûi laïi baøi 8 khi coù diod D noái tieáp vôùi
nguoàn, R ñuû nhoû ñeå doøng aùp coù tính dao
ñoäng.
v = v
o
R
R
L
+
_
e = E
v
L
v
C
i
10. Giaûi laïi baøi 8 khi coù diod D song song ngöôïc vôùi
RLC. Khaûo saùt theâm tröôøng hôïp c:
o
K
C
v = v
o
R
R
L
c. vC (0) = - E; iO (0) = I1 khi khoùa K ñoùng.
+
e = E
_
D
R ñuû nhoû ñeå doøng aùp coù tính dao ñoäng.
v
L
12. Cho maïch ñieän hình beân vôùi e laø daïng aùp
xoay chieàu coù bieân ñoä V = 230 (V), R = 15 ohm,
L1 = 100mH, L2 = 50 mH, taàn soá goùc w = 100π.
u
V
5π
7π
4
wt
4
π
4
3π
4
π
2π
1. Tính giaù trò hieäu duïng cuûa soùng haøi baäc 1 vaø 3
cuûa aùp nguoàn e vaø doøng taûi io khi khoùa K môû.
- V
L2
L1
2. Vôùi khoùa K ñoùng, tính ñieän dung C ñeå soùng haøi
baäc 3 cuûa doøng doøng taûi io coøn baèng ¼ tröôøng hôïp
caâu 1.
i
o
e
K
u
C
R
C
3. Duøng moät chöông trình moâ phoûng ñeå quan saùt
doøng taûi io trong hai tröôøng hôïp.
12. Maïch töông ñöông cuûa boä oån aùp xung duøng vi maïch LM257x (hình 1) ñöôïc cho treân hình 2 laø
moät nguoàn e(t) coù daïng hình 3 vôùi maïch loïc ngoû ra L = 330 uH, C = 1000 uF, taûi R = 5 ohm.
Nguoàn e(t) coù taàn soá f = 52 kHz, bieân ñoä U = 16 V vaø ñoä roäng xung töông ñoái α = 0.4.
e(t)
U
L
+
C
R
T
α
uo(t)
e(t)
_
t
T
hình 1
hình 2
hình 3
Tính bieân ñoä soùng haøi baäc 1 cuûa nguoàn e(t) vaø ngoû ra uo(t). (Coù theå tính gaàn ñuùng)
13. Caâu hoûi ngaén:
a. Trong maïch ñieàu khieån, khi ta loïc thoâng thaáp ñieän aùp ngoû ra ñeå phaûn hoài veà boä hieäu
chænh, ta ñöôïc ñaëc tröng naøo cuûa ngoû ra? Giaù trò trung bình hay hieäu duïng?
b. Theo baïn, ñaëc tính cuûa rô le baûo veä quaù taûi seõ tính baèng giaù trò hieäu duïng hay trung
bình?
c. Haõy lieät keâ nhöõng tröôøng hôïp söû duïng giaù trò trung bình vaø hieäu duïng cuûa doøng ñieän.
PHUÏ LUÏC 0
A. QUAÙ TRÌNH QUAÙ ÑOÄ MAÏCH RL LAØM VIEÄC VÔÙI NGUOÀN 1 CHIEÀU: (hình PL0.1.a)
X
xl
τ
x(t)
X
bñ
t
(a)
(b)
Hình PL0.1: Sô ñoà maïch ñieän (a) vaø ñoà thò daïng doøng i (t) theo thôøi gian (b)
o
Trong phuï luïc naøy, ta khaûo saùt quaù trình quaù ñoä doøng ñieän maïch RL khi ñoùng vaøo nguoàn moät chieàu, coù sô
ñoà hình PL0.1.a (Veõ cho tröôøng hôïp toång quaùt RLE , taûi RL töông ñöông E = 0).
Taïi t = 0, khoùa K ñoùng. Phöông trình maïch ñieän laø:
di
dt
dio
dt
o
R⋅io + L
= U <PL0.1> trong ñoù L
laø suït aùp qua töï caûm. Ñaây laø phöông trình vi phaân tuyeán
tính baäc 1 coù caùc heä soá döông vaø veá hai khaùc khoâng, coù ñieàu kieän ban ñaàu laø doøng ñieän qua maïch ôû t = 0:
i (0) = 0. Phöông trình doøng ñieän theo thôøi gian i
toång quaùt laø haøm muõ:
t
( )
chính laø nghieäm cuûa phöông trình vi phaân treân, coù daïng
o
o
−t/τ
i
(
t
)
= A + B⋅ e
vôùi τ = L/R <PL0.2>. A vaø B laø hai haèng soá.
o
A xaùc ñònh theo veá hai, B laø giaù trò xaùc ñònh theo ñieàu kieän ban ñaàu.
di
dt
−t/τ
o
B
ta coù
= − ⋅ e
<PL0.3>
τ
di
dt
−t/τ
o
Khi t → ∞ , e
→ 0 i → A,
→ 0 . Theá vaøo <PL0.1>:
o
R.A = U hay A = U / R . Vaäy A laø doøng ñieän xaùc laäp i
∞ .
)
o
di
dt
B
τ
U
R
o
Khi t = 0, i
(
0
)
= A + B,
(
0
)
= − . Theá vaøo <PL0.1>, suy ra B = i 0 − A = −
o ( )
o
Toùm laïi : i
(
t
)
coù daïng haøm muõ i t = U 1− e−t/ τ <PL0.4>. Daïng doøng ñieän ñöôïc veõ treân hình
o ( )
)
o
R
PL0.1.b.
Toång quaùt keát quaû treân, phöông trình vi phaân
tuyeán tính baäc 1 coù caùc heä soá döông vaø veá hai haèng soá:
X
τ
xl
t
dx
x(t)
x + τ ⋅
= X <PL0.5>
xl
dt
vôùi
ñieàu
kieän
ban
ñaàu
khaùc
khoâng:
X
x(0) = X , phöông trình coù lôøi giaûi:
bñ
bñ
−t/τ
x
(
t
)
= X
−
(
X
− X ⋅ e
)
bñ
<PL0.6>.
xl
xl
Daïng x(t) ñöôïc veõ treân hình PL0.2
Ñeå yù X laø giaù trò xaùc laäp cuûa bieán x , khi
xl
t → ∞ .
Hình PL0.2
CHUÙ YÙ:− Trong maïch ÑTCS, ta coù theå gaëp tröôøng hôïp veá hai cuûa phöông trình vi phaân treân laø haøm sin, lôøi giaûi coù
daïng töông töï nhöng phöùc taïp hôn.
− Neáu maïch coù söùc phaûn ñieän (E ≠ 0) trong hình PL0.1, phöông trình <PL0.1> trôû thaønh
dio
dt
R⋅io + L
= U − E <PL0.1*>
caùc keát quaû ñaõ khaûo saùt vaãn aùp duïng ñöôïc khi thay U baèng U – E, ví duï nhö khi doøng ñieän ban ñaàu qua
maïch baèng khoâng i (0) = 0:
o
i t = U−E 1− e−t/ τ <PL0.4*>
o ( )
(
)
R
- Nhaän xeùt laø doøng qua taûi khoâng thay ñoåi ñoät ngoät, coù theå giaûi thích theo hai caùch:
1. uL = L.diL/dt, suït aùp qua L tæ leä vôùi ñaïo haøm doøng qua noù => söï thay ñoåi doøng qua L bò haïn cheá boå aùp
nguoàn caáp ñieän.
1
2. Naêng löôïng tích tröõ trong cuoän daây tæ leä vôùi doøng qua noù; E = L.i2 suy ra doøng khoâng theå thay doåi töùc
2
thôøi vì naêng löôïng heä thoáng phaûi coù thôøi gian tích tröõ hay tieâu hao.
Lyù luaän naøy raát thöôøng ñöôïc duøng trong lyù giaûi maïch ñieän töû coâng suaát.
- Doøng qua cuoän daây vaø ñieän aùp tuï ñieän treân khoâng theå thay ñoåi töùc thôøi
=> L : phaàn töû laøm phaúng (loïc thoâng thaáp) doøng ñieänø
C: phaàn töû laøm phaúng (loïc thoâng thaáp) ñieän aùp
GHi NHÔÙ
I.6 CAÙC TAÏP CHÍ VAØ WEBSITE CUÛA CAÙC TOÅ CHÖÙC KHKT QUOÁC TEÁ:
20 trang
21700
Free
Bạn đang xem tài liệu "Bài giảng Điện tử công suất ứng dụng - Chương 1: Mở đầu", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- bai_giang_dien_tu_cong_suat_ung_dung_chuong_1_mo_dau.pdf
