Hệ thống phát điện sử dụng năng lượng gió

ạch đang được thực hiện ở hầu hết các quốc gia. Các nguồn năng lượng sạch điển hình như: năng lượng mặt trời, thuỷ triều, nguồn năng lượng tận dụng từ rác thải và năng lượng gió. Trong đó năng lượng gió đang có những bước phát triển rất đáng kể. Chương 1 Hệ thống phát điện bằng sức gió 1.1: Tình hình năng lượng gió trên thế giới và ở Việt nam: Năng lượng gió ngày càng được sử dụng nhiều hơn trong cuộc sống. Theo thống kê sản lượng điện sản xuất từ gió trên thế giới trong những năm gần đây là: Năm 1994: 3527.5 MWh Năm 1995: 4770 MWh Năm 1996: 6000 MWh Năm 1997: 7500 MWh Hiện nay : Trên 10000 MWh Ta có thể nhận thấy sự gia tăng không ngừng của việc sử dụng sức gió trong sản suất điện năng. Theo bộ năng lượng Mỹ năm 2003 năng lượng gió có tốc độ phát triển cao nhất: ở Mỹ trong năm 2002-2003 sản lượng năng lượng gió tăng 159% và ở châu âu sản lượng năng lượng gió tăng 87%. Điều này cũng dễ hiểu bởi so với các nguồn năng lượng khác năng lượng gió có những ưu thế nhất định: -Không gây ô nhiễm môi trường -Không sợ cạn kiệt tài nguyên -Dễ lắp đặt Mặt khác có thể chuyển từ 30% đến 40% động lực của năng lượng gió thành điện năng (trong khi đó có thể chuyển 30% - 35% hoá chất trong than đá thành điện năng). Một máy điện từ gió có công suất 100% có thể hoạt động suốt ngày và lúc nào cũng đầy năng lượng(tỷ lệ ở than đá là 75% nếu như hoạt động cả ngày lẫn đêm và suốt một năm). Trước đây một Turbine gió có thể cung cấp từ 1.5 triệu kWh đến 4 triệu kWh mỗi năm đủ cho từ 150 đến 400 hộ gia đình sử dụng, giờ đây với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật con số này chắc hẳn còn cao hơn nữa. Từ những ưu điểm đó của năng lượng gió nhiều nước trên thế giới đã có chiến lược phát triển nguồn năng lượng này. ở Anh hiện tại có khoảng 1000 Turbine, ước tính con số này sẽ tăng lên 3000 trong năm 2020 và chiếm 2/3 tổng lượng điện tái sinh vào năm 2010. Đức đất nước đang sản xuất 1/3 năng lượng gió trên toàn thế giới dự kiến vào 2010 năng lượng gió sẽ cung cấp 10% nhu cầu năng lượng của cả nước. Trung Quốc sản lượng hiện nay là 570MWh ước tính vào năm 2020 là 20.000 MWh và năm 2030 là 30000 MWh. Theo bộ năng lượng Mỹ chỉ cần phủ Turbine trên 6% diện tích nước Mỹ sẽ đáp ứng đủ nhu cầu năng lượng của toàn nước Mỹ. Tại tỉnh Galixia của Tây Ba Nha một tỉnh rất mạnh về năng lượng gió ở châu âu một Turbine sản xuất 60 kWh cung cấp đủ cho 60000 hộ gia đình. Tiềm năng sản xuất điện năng từ gió ở Xrilanca là 26 000 MWh cao hơn tổng điện năng tiêu thụ ở nước này. Việt nam nằm trong khu vực đông nam á có hình chữ “S”. Là một phần của bán đảo Đông Dương, phía bắc giáp với Trung Quốc, phía tây giáp với Lào và Campuchia, phía nam giáp với Biển Đông và Thái Bình Dương, có chiều dài xấp xỉ 1650 km kéo dài từ bắc đến nam và cũng là đường giao thông nối liền ấn Độ Dương và Thái Bình Dương. Việt Nam được chia thành 3 vùng với vị trí địa lý và điều kiện khí hậu khác biệt: bắc bộ, trung bộ và nam bộ. Ba phần tư lãnh thổ Việt Nam được bao phủ bởi núi đồi và những cánh rừng nhiệt đới. Hệ thống núi kéo dài từ biên giới phía bắc đến phía đông của nam Việt Nam và bao phủ diện tích khoảng 1400 km2. Khí hậu của Việt Nam rất phức tạp, mặc dù nằm hoàn toàn trong vùng nhiệt đới nhưng sự khác biệt về vĩ độ, độ cao so với mặt nước biển và thời tiết đã tạo ra những biến đổi khí hậu to lớn. Giống như Trung quốc phía bắc có hai mùa cơ bản: lạnh và ẩm ướt vào mùa đông từ tháng 10 đến tháng 4. Thời gian còn lại trong năm là mùa hè ấm và mưa nhiều. Mùa hè có nhiệt độ trung bình của là 220C, đôi khi có những cơn bão lớn. Khác với phía bắc, phía nam thường hay ấm, thời gian có nhiệt độ cao nhất kéo dài từ tháng 3 đến tháng 5 khi nhiệt độ tăng lên ngoài 300C. Đây cũng là mùa khô ở phía nam, tiếp sau đó là mùa gió mùa kéo dài từ tháng 4 đến tháng 10. Lượng mưa trung bình hàng năm của Việt Nam là 2300 mm, ở Hà Nội là 1763 mm, ở Huế là 2867 mm, ở thành phố Hồ Chí Minh là 1910 mm, độ ẩm trung bình là 80% đôi khi lên tới 90% hoặc cao hơn vào mùa mưa. Sau đây là bảng số liệu thống kê tần số của bão tác động lên bờ biển Việt Nam: Tháng 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Năm Phía bắc 190 vĩ độ bắc - - - 0.04 0.11 0.3 0.47 0.32 0.18 - - 1.42 150-180 vĩ độ bắc - - - 0.02 0.04 0.11 0.2 0.15 0.56 0.31 0.02 - 1.35 110-150 vĩ độ bắc - - - 0.02 0.04 0.02 - - 0.07 0.31 0.31 0.05 0.82 Phía nam 110 vĩ độ bắc - - - 0.02 0.02 - - - - 0.02 0.05 0.04 0.15 Do địa hình và tần số của gió trong vùng khí hậu đặc biệt của Việt Nam mà hướng gió và tốc độ gió ở các vùng khác nhau : Vùng Tây bắc (Lai Châu, Điện Biên, Sơn La):tốc độ gió trong khoảng: 0.5 - 1.9 m/s. Vùng núi phía bắc(Cao Bằng, Lạng Sơn, Sa pa)tốc độ gió mạnh hơn nằm trong khoảng 1.5 – 3.1 m/s, mạnh nhất là 40m/s. Vùng châu thổ phía bắc(Tam Đảo, Hà Nội): tốc độ gió nằm trong khoảng: 2.0 – 3.5 m/s, mạnh nhất 34m/s. Vùng ven biển từ Móng Cái tới Hòn Gai, Phú Liên, Thanh Hoá, Vinh, Đồng Hới, : tốc độ gió nằm trong khoảng: 2.4 – 4.0 m/s, mạnh nhất 50 m/s. Vùng ven biển từ Huế tới Tuy Hoà(Huế, Đà Năng, Quảng Ngãi, Quy Nhơn, Tuy Hoà): tốc độ gió nằm trong khoảng: 3.0 – 5.0 m/s, mạnh nhất 35 m/s. Vùng ven biển từ Nha Trang tới Rạch Giá(Nha Trang, Phan Thiết, Vũng Tàu, Phú Quốc, Rạch Giá): tốc độ gió nằm trong khoảng: 2.4 – 6.1 m/s, mạnh nhất 30 m/s. Vùng đồng bằng sông Cửu Long(thành phố Hồ Chí Minh, Cần Thơ, Cà Mau): tốc độ gió nằm trong khoảng: 2.2 – 4.0 m/s, mạnh nhất 26 m/s. Vùng tây nguyên(Đà Lạt, Pleiku ): tốc độ gió nằm trong khoảng: 2.4 – 4.5 m/s, mạnh nhất 24 m/s. Các số liệu được lấy ở độ cao 12 m và 01.00 pm. Những số liệu trên chứng tỏ Việt Nam có một điều kiện hết sức thuận lợi cho việc khái thác năng lượng gió. Một dự án sản xuất điện từ sức gió ở Việt Nam có từ năm 1997 với địa điểm được chọn là bờ biển bán đảo Phương Mai thành phố Quy Nhơn và một phần huyện Phú Cát tỉnh Bình Định.Là dự án hợp tác với đối tác nước ngoài là Đan Mạch với tổng số vốn đầu tư dự kiến là 25 triệu USD và tổng công suất là 25 MWh.Theo nghiên cứu gần đây của ĐH Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh nếu đặt 10 Turbine gió chạy dọc bờ biển xã đảo Thạch Anh huyện Cần Giờ thành phố Hồ Chí Minh có thể thu được 2.3 triệu kWh mỗi năm. Nhưng nhìn chung tốc độ phát triển của năng lượng sạch tại Việt Nam nói chung và năng lượng gió nói riêng còn rất hạn chế. Mặt khác thủy điện Hoà Bình, Vĩnh Sơn, Sông Hinh, Đa Nhim, Trị An, Yaly ... chỉ hoạt động khoảng 40% công suất thiết kế và cùng với nhiệt điện thủy điện dang ngày càng không đáp ứng được yêu cầu sử dụng. Vì vậy một yêu cầu cấp thiết được đặt ra là cần tìm hiểu để có các biện pháp thúc đẩy việc phát triển hệ thống phát điện bằng năng lượng gió tại Việt Nam . 1.2:Nguyên lý hoạt động: Trong điều kiện có gió nhờ hệ gồm ba cánh quạt mà chuyển động của gió được chuyển thành chuyển động quay của Roto. Khi Roto chuyển động sẽ làm từ thông trong máy phát biến thiên và chuyển động quay của Roto được biến đổi thành điện năng qua máy phát. Điện năng này được đưa khỏi máy phát nhờ hai vòng tiếp xúc và chổi than. Sau đó được chỉnh lưu qua mạch chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển và lọc bằng bộ lọc LC. Dòng điện một chiều này sẽ được chuyển trực tiếp thành dòng điện một pha với trị số hiệu điện thế hiệu dụng là 220 V và tần số 50 Hz qua bộ nghịch lưu 1 pha hoặc được tăng thế qua bộ biến đổi dòng 1 chiều và chuyển thành dòng điện xoay chiều 3 pha 380V/220V/50Hz thông qua bộ ngịch lưu 3 pha dùng Tranzitor công suất. Trong trường hợp tốc độ gió lớn(>16m/s - do dồng hồ đo tốc độ gió cung cấp) hệ thống bảo vệ quá tốc độ sẽ làm việc. Hệ thống này sẽ điều khiển Turbine lệch khỏi hướng có gió mạnh, điều này khiến tốc độ quay của Roto sẽ giữ ở giá trị định mức. Trong trường hợp khẩn cấp bộ phanh được lắp trên trục Roto sẽ siết chặt và dừng hẳn Roto lại. 1.3:Cấu tạo turbine: Anemometer: thiết bị đo gió đo tốc độ và truyền tốc độ đo gió tới bộ điều khiển Blade-Cánh Turbine: Gió chạy qua làm quay cánh và tạo nên chuyển động quay Brake-Bộ phanh: Dừng Roto trong trường hợp khẩn thiết bằng máy móc,điện hoặc nước Controller: Khởi động hệ thống khi tốc độ gió phù hợp và dừng lại khi gió có tốc độ vượt quá tốc độ cho phép. Gear box - Hộp số: Nối giữa trục quay trậm và trục quay nhanh của Roto làm tốc độ của trục quay nhanh gấp hàng chục lần so với quay trậm. Generator - Máy phát: Phát ra công suất điện xoay chiều với tần số thiết kế. Hight-speed sharf - trục quay nhanh: làm quay máy phát. Low speed sharf - trục quay trậm: quay với tốc độ ban đầu khi gió tác dụng vào các cánh quạt. Nacellce - vỏ: bao bọc và bảo vệ các thành phần của Turbine dưới tác dụng cơ học từ bên ngoài. Pitch: Điều chỉnh độ nghiêng của cánh quạt để đón gió theo yêu cầu. Roto: Bao gồm cánh và trục. Tower- tháp gió: nâng toàn bộ Turbine để đón gió. Wind direction: Hướng gió thổi tới. Wind Vane: Xác định hướng gió và truyền tới bộ phận lái nghiêng đề điều khiển hướng của Turbine. Yaw Driver: Điều chỉnh hướng của Turbine thay đổi cho phù hợp với hướng gió. Yaw motor: làm xoay Yaw Driver. 1.4:Đề xuất mô hình hệ thống phát điện bằng năng lượng gió công suất nhỏ(20kW): 1.4.1:Sơ đồ khối: Sơ đồ khối sẽ cung cấp các thông tin kỹ thuật của từng thành phần đơn lẻ. Trong đó Turbine máy phát roto và bộ điều khiển trung tâm là thành phần chính của hệ thống. Roto của Turbine có hệ thống gồm 3 cánh quạt đặt lệch nhau 120o để đón gió. Nhờ những cánh quạt này mà lực tác dụng của gió sẽ được chuyển thành chuyển động quay của roto. Máy phát có nhiệm vụ chuyển năng lượng quay thành năng lượng điện. Nó sử dụng nam châm vĩnh cửu và có một bộ biến đổi cấu hình. Máy phát được thiết kế để có thể biến đổi những chuyển động quay nhỏ thành công suất điện. Để đưa điện từ máy phát ra mạch biến đổi năng lượng người ta sử dụng các vòng tiếp xúc và chổi than. Trong mạch biến đổi năng lượng điện áp ba pha từ máy phát trước tiên được chỉnh lưu sau đó sẽ qua bộ nghịch lưu một pha để thu được dòng điện xoay chiều một pha mong muốn là 220V/50Hz hoặc qua bộ tăng thế rồi qua bộ nghịch lưu ba pha và cho ra dòng điện 380V/220V/50Hz. Để tăng độ bằng phẳng của điện áp sau chỉnh lưu người ta sử dụng bộ lọc LC. Một bộ nạp ác quy được mắc song song với tụ Cd và được điều khiển bằng bộ điều khiển nạp ác quy. Để giúp cho máy phát luôn làm việc ổn định môt bộ bộ điều khiển khởi động được lắp đặt. Bộ điều khiển này sẽ đặt một điện áp lên đầu ra máy phát và tinh chỉnh hoạt động của máy. Một mạch điện bao gồm một bộ biến tần xoay chiều và 3 điện trở sẽ tiêu tán một phần năng lượng trong trường hợp công suất của máy tăng quá cao hoặc tải không tiêu thụ hết công suất của máy phát. Ngoài ra còn có một bộ phanh lắp trực tiếp vào thân roto để giảm tốc độ quay của roto khi cần thiết. Các thành phần đều được đóng ngắt vào hệ thống qua các Contactor được điều khiển bằng PLC. Bộ điều khiển PLC sẽ tuỳ theo tốc độ gió do đồng hồ đo tốc độ gió cung cấp và yêu cầu sử dụng mà truyền các lệnh điều khiển phù hợp điều hành hoạt động của hệ thống. 1.4.1:Sơ đồ nối dây: Cùng với sơ đồ khối sơ đồ cấu trúc sẽ cho chúng ta biết rõ hơn về các thành phần trong hệ thống phát điện bắng sức gió. Cụ thể là trong sơ đồ cấu trúc mạch chỉnh lưu được sử dụng là mạch chỉnh lưu cầu không điều khiển bằng Diode và mạch nghịch lưu sử dụng Transistor công suất. Sơ đồ cấu trúc cũng chỉ rõ cách kết nối giữa các thành phần và phân bố đầu ra tải. 1.4.3:Các thông số hoạt động của Turbine loại 20kW: Tốc độ gió bắt đầu làm việc 2.5m/s Tốc độ gió cắt 3.0m/s Tốc độ gió định mức 14m/s Tốc độ gió cụp lại 17m/s Tốc độ gió lớn nhất 50m/s Tốc độ quay của Turbine 70-160 vòng/phút Đường kính Roto 10.4m Chiều dài Roto 5m Khối lượng 750kg, 1 cánh :24.1kg Nhiệt độ cho phép -10 đến 500C Công suất định mức 20kW Điện áp định mức 220V AC điện điện áp dây 3 pha đấu sao Dòng địên định mức 550A AC Tần số tần số xoay chiều thay đổi Điện trở stato 0.4Ω trên một pha(ở 1800C) 0.254Ω trên một pha(ở 200C) Roto Nam châm vĩnh cửu Số cực 36 Điện áp tiêu chuẩn 240V một chiều 1.4.4:PLC S7-200: Là chương trình điều khiển toàn bộ hệ thống phát điện bằng sức gió. Chương trình này điều khiển tất cả các quá trình biến đổi và sắp xếp các phản ứng lại tương ứng với chúng, Những căn cứ để chọn các thành phần là hiệu quả làm việc của các vi sử lý, số lượng tín hiệu số và tương tự ra vào, dung lượng bộ nhớ, tốc độ sử lý của con vi sử lý. Tuy nhiên tốc độ của những bộ vi sử lý đóng vai trò không quan trọng trong hệ thống này. Sau đây là 2 cấu trúc điều khiển được cung cấp bởi Siemens: Cấu trúc 1: +:> CPU 224XP: 14DI/10DO/2AI/1AO, 24V, Dung lượng bộ nhớ là 10240 Bytes,2 cổng giao tiếp(nr.of order : 6ES7 214 -2AD23 -0XB0) +:> EM 231 AI, 4 đầu vào( nr.of order: 6ES7 231 -0HC22 -0XA0) +:> Khi có hơn 4 đầu vào có thể chọn: EM 222 DO, 8*24V DC( nr.of order: 6ES7 222 -1BF22 -0XA0) Cấu trúc 2: +:> CPU 224: 14DI/10DO, 24V, Dung lượng bộ nhớ là 8192 Bytes, 1 cổng giao tiếp(nr.of order: 6ES7 214 -1AD23 -0XB0) +:> EM 235 AI/AO, 4 đầu vào/1 đầu ra( nr.of order : 6ES7 235 -0KD22 -0XA0) +:> EM 231 AI, 4 đầu vào( nr.of order: 6ES7 231 -0HC22 -0XA0) +:> Khi có hơn 4 đầu vào có thể chọn: EM 222 DO, 8*24V DC( nr.of order: 6ES7 222 -1BF22 -0XA0) 1.4.5:Mạch biến đổi năng lượng: Sơ đồ mạch: Mạch biến đổi năng lượng bao gồm: +> Mạch chỉnh lưu cầu ba pha dùng Diode có chức năng biến đổi điện áp xoay chiều từ máy phát thành điện áp một chiều. +> Bộ lọc LC có chức năng làm giảm độ nhấp nhô của điện áp một chiều sau chỉnh lưu. +> Hai mạch nghịch lưu với chức năng biến điện áp một chiều sau khi được bộ lọc LC nâng cao chất lượng thành điện áp xoay chiều với tần số theo yêu câu: nghịch lưu một pha dùng tranzitor công suất biến đổi trực tiếp điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều một pha 220V/50Hz cung cấp cho lưới điện sinh hoạt và nghịch lưu ba pha dùng tranzitor công suất biến đổi điện áp một chiều sau bộ lọc LC sau khi được tăng thế qua bộ tăng thế một chiều thành điện áp xoay chiều 3 pha 380V/220V/50Hz cung cấp cho lưới điện công nghiệp. 1.4.6:Hệ thống điện trở tiêu tán: Sơ đồ : Hệ thống được đóng trực tiếp vào sơ đồ thông qua Contactor S2. Hệ thống bao gồm 3 điện trở được nối hình sao mỗi điện trở đựơc mắc nối tiếp với một cặp Thyristor. Lượng công suất mà hệ thống tiêu thụ phụ thuôc vào góc mở α của các Thyristor và được điều bằng hệ thông PLC. Việc đóng ngắt hệ thống này không ảnh hưởng đến hoạt động của máy phát nhưng công suất cung cấp của máy phát sẽ bị tiêu tán một phần ở đây. Tùy theo góc mở ta có bảng sau: 00 600 Z=R = 600 900 Z=R = 900 1500 Z=R = Tại = 600 công suất tiêu tán của hệ mạch là 20kW Tại = 00 công suất tiêu tán của mạch đạt giá trị lớn nhất là 25kW từ đó ta tính được giá trị của điện trở: Chương 2 điện tử công suất 2.1:Diode, tranzitor,tiristor công suất: 2.1.1:Diode công suất 2.1.1.1: Cấu tạo: ( b ) Anốt Katốt ( a ) - + - + -a 0 a q N P d N P Hình 2.1 a). Cấu tạo của diode. b). Ký hiệu của diode. Diode công suất là linh kiện bán dẫn có hai cực, được cấu tạo bởi một lớp bán dẫn N và một lớp bán dẫn P ghép lại. Silic là một nguyên tố hóa học thuộc nhóm IV trong bảng hệ thống tuần hoàn. Silic có 4 điện tử thuộc lớp ngoài cùng trong cấu trúc nguyên tử. Nếu ta kết hợp thêm vào một nguyên tố thuộc nhóm V mà lớp ngoài cùng có 5 điện tử thì 4 điện tử của nguyên tố này tham gia liên kết với 4 điện tử tự do của Silic và xuất hiện một điện tử tự do. Trong cấu trúc tinh thể, các điện tử tự do làm tăng tính dẫn điện. Do điện tử có điện tích âm nên chất này được gọi là chất bán dẫn loại N (negative), có nghĩa là âm. Nếu thêm vào Silic một nguyên tố thuộc nhóm III mà có 3 nguyên tử thuộc nhóm ngoài cùng thì xuất hiện một lổ trống trong cấu trúc tinh thể. Lỗ trống này có thể nhận 1 điện tử, tạo nên điện tích dương và làm tăng tính dẫn điện. Chất này được gọi là chất bán dẫn loại P (positive), có nghĩa là dương. Trong chất bán dẫn loại N điện tử là hạt mang điện đa số, lỗ trống là thiểu số. Với chất bán dẫn loại P thì ngược lại. ở giữa hai lớp bán dẫn là mặt ghép PN. Tại đây xảy ra hiện tượng khuếch tán. Các lỗ trống của bán dẫn loại P tràn sang N là nơi có ít lỗ trống. Các điện tử của bán dẫn loại N chạy sang P là nơi có ít điện tử. Kết quả tại mặt tiếp giáp phía P nghèo đi về diện tích dương và giàu lên về điện tích âm. Còn phía bán dẫn loại N thì ngược lại nên gọi là vùng điện tích không gian dương. Trong vùng chuyển tiếp (-a,a) hình thành một điện trường nội tại. Ký hiệu là Ei và có chiều từ N sang P hay còn gọi là barie điện thế (khoảng từ 0,6V đến 0,7V đối với vật liệu là Silic). Điện trường này ngăn cản sự di chuyển của các điện tích đa số và làm dễ dàng cho sự di chuyển của các điện tích thiểu số (điện tử của vùng P và lổ trống của vùng N). Sự di chuyển của các điện tích thiểu số hình thành nên dòng điện ngược hay dòng điện rò. 2.1.1.2:Nguyên lý hoạt động: ( a ) + - U Ei P N ( b ) - + U Ei P N Hình 2. 2 a). Sự phân cực thuận diode. b). Sự phân cực ngược diode. Khi đặt diode công suất dưới điện áp nguồn U có cực tính như hình vẽ, chiều của điện trường ngoài ngược chiều với điện trường nội Ei. Thông thường U > Ei thì có dòng điện chạy trong mạch, tạo nên điện áp rơi trên diode khoảng 0,7V khi dòng điện là định mức. Vậy sự phân cực thuận hạ thấp barie điện thế. Ta nói mặt ghép PN được phân cực thuận. Khi đổi chiều cực tính điện áp đặt vào diode, điện trường ngoài sẽ tác động cùng chiều với điện trường nội tại Ei. Điện trường tổng hợp cản trở sự di chuyển của các điện tích đa số. Các điện tử của vùng N di chuyển thẳng về cực dương nguồn U làm cho điện thế vùng N vốn đã cao lại càng cao hơn so với vùng P. Vì thế vùng chuyển tiếp lại càng rộng ra, không có dòng điện chạy qua mặt ghép PN. Ta nói mặt ghép PN bị phân cực ngược. Nếu tiếp tục tăng U, các điện tích được gia tốc, gây nên sự va chạm dây chuyền làm barie điện thế bị đánh thủng. Đặc tính volt-ampe của diode công suất được biểu diễn gần đúng bằng biểu thức sau: I = IS [ exp (eU/kT) – 1 ] ( 1. 1 ) Trong đó: - IS : Dòng điện rò, khoảng vài chục mA - e = 1,59.10- 19 Coulomb - k = 1,38.10- 23 : Hằng số Bolzmann - T = 273 + t0 : Nhiệt độ tuyệt đối (0 K) - t0 : Nhiệt độ của môi trường (0 C) - U : Điện áp đặt trên diode (V) I U UZ Ug 1 2 Hình 2. 3 Đặc tính volt-ampe của diode. Đặc tính volt-ampe của diode gồm có hai nhánh: Nhánh thuận Nhánh ngược Khi diode được phân cực thuận dưới điện áp U thì barie điện thế Ei giảm xuống gần bằng 0. Tăng U, lúc đầu dòng I tăng từ từ cho đến khi U lớn hơn khoảng 0,1V thì I tăng một cách nhanh chóng, đường đặc tính có dạng hàm mũ. Tương tự, khi phân cực ngược cho diode, tăng U, dòng điện ngược cũng tăng từ từ. Khi U lớn hơn khoảng 0,1V dòng điện ngược dừng lại ở giá trị vài chục mA và được ký hiệu là IS. Dòng IS là do sự di chuyển của các điện tích thiểu số tạo nên. Nếu tiếp tục tăng U thì các điện tích thiểu số di chuyển càng dễ dàng hơn, tốc độ di chuyển tỉ lệ thuận với điện trường tổng hợp, động năng của chúng tăng lên. Khi ờU ờ = ờUZ ờthì sự va chạm giữa các điện tích thiểu số di chuyển với tốc độ cao sẽ bẻ gảy được các liên kết nguyên tử Silic trong vùng chuyển tiếp và xuất hiện những điện tử tự do mới. Rồi những điện tích tự do mới này chịu sự tăng tốc của điện trường tổng hợp lại tiếp tục bắn phá các nguyên tử Silic. Kết quả tạo một phản ứng dây chuyền làm cho dòng điện ngược tăng lên ào ạt và sẽ phá hỏng diode. Do đó, để bảo vệ diode người ta chỉ cho chúng hoạt động với giá trị điện áp: U = (0,7 đ 0,8)UZ. Khi diode hoạt động, dòng điện chạy qua diode làm cho diode phát nóng, chủ yếu ở tại vùng chuyển tiếp. Đối với diode loại Silic, nhiệt độ mặt ghép cho phép là 2000C. Vượt quá nhiệt độ này diode có thể bị phá hỏng. Do đó, để làm mát diode, ta dùng quạt gió để làm mát, cánh tản nhiệt hay cho nước hoặc dầu biến thế chảy qua cánh tản nhiệt với tốc độ lớn hay nhỏ tùy theo dòng điện. Các thông số kỹ thuật cơ bản để chọn diode là: - Dòng điện định mức Iđm (A) - Điện áp ngược cực đại Ungmax ( V ) - Điện áp rơi trên diode DU ( V ) 2.1.1.3:ứng dụng: ứng dụng chủ yếu của diode công suất là chỉnh lưu dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều cung cấp cho tải. Các bộ chỉnh lưu của diode được chia thành hai nhóm chính: - Chỉnh lưu bán kỳ hay còn gọi là chỉnh lưu nửa sóng. - Chỉnh lưu toàn kỳ hay còn gọi là chỉnh lưu toàn sóng. 2.1.2:Tranzitor công suất: 2.1.2.1:Cấu tạo: Transistor là linh kiện bán dẫn gồm 3 lớp: PNP hay NPN. Hình 2. 4 Transistor PNP: a). Cấu tạo b). Ký hiệu ( b ) C B E ( a ) E B C N P P Hình2.5:Transistor NPN: a). Cấu tạo b). Ký hiệu ( a ) E C B P N N C B E ( b ) Về mặt vật lý, transistor gồm 3 phần: phần phát, phần nền và phần thu. Vùng nền (B) rất mỏng. Transistor công suất có cấu trúc và ký hiệu như sau: ( b ) ( a ) E IC B UBE IE C IB UCE E ã ã B C Hình 2. 6 Transistor công suất a). Cấu trúc b). Ký hiệu 2.1.2.2:Nguyên lý hoạt động: ã ã ã Base p - IE + IC IE Colector Emiter C C E E N ã ã ã ã N p ã ã ã - + RE UEE UCC RC ãã ã P Hình 2. 7 Sơ đồ phân cực transistor. Điện thế UEE phân cực thuận mối nối B - E (PN) là nguyên nhân làm cho vùng phát (E) phóng điện tử vào vùng P (cực B). Hầu hết các điện tử (electron) sau khi qua vùng B rồi qua tiếp mối nối thứ hai phía bên phải hướng tới vùng N (cực thu), khoảng 1% electron được giữ lại ở vùng B. Các lỗ trống vùng nền di chuyển vào vùng phát. Mối nối B - E ở chế độ phân cực thuận như một diode, có điện kháng nhỏ và điện áp rơi trên nó nhỏ thì mối nối B - C được phân cực ngược bởi điện áp UCC. Bản chất mối nối B - C này giống như một diode phân cực ngược và điện kháng mối nối B - C rất lớn. Dòng điện đo được trong vùng phát gọi là dòng phát IE. Dòng điện đo được trong mạch cực C (số lượng điện tích qua đường biên CC trong một đơn vị thời gian là dòng cực thu IC). Dòng IC gồm hai thành phần: - Thành phần thứ nhất (thành phần chính) là tỉ lệ của hạt electron ở cực phát tới cực thu. Tỉ lệ này phụ thuộc duy nhất vào cấu trúc của transistor và là hằng số được tính trước đối với từng transistor riêng biệt. Hằng số đã được định nghĩa là a. Vậy thành phần chính của dòng IC là aIE. Thông thường a = 0,9 đ 0,999. - Thành phần thứ hai là dòng qua mối nối B - C ở chế độ phân cực ngược lại khi IE = 0. Dòng này gọi là dòng ICBO – nó rất nhỏ. - Vậy dòng qua cực thu: IC = aIE + ICBO. * Các thông số của transistor công suất: - IC: Dòng colectơ mà transistor chịu được. - UCEsat: Điện áp UCE khi transistor dẫn bão hòa. - UCEO: Điện áp UCE khi mạch badơ để hở, IB = 0 . - UCEX: Điện áp UCE khi badơ bị khóa bởi điện áp âm, IB < 0. - ton: Thời gian cần thiết để UCE từ giá trị điện áp nguồn U giảm xuống UCESat ằ 0. - tf: Thời gian cần thiết để iC từ giá trị IC giảm xuống 0. - tS: Thời gian cần thiết để UCE từ giá trị UCESat tăng đến giá trị điện áp nguồn U. - P: Công suất tiêu tán bên trong transistor. Công suất tiêu tán bên trong transistor được tính theo công thức: P = UBE.IB + UCE.IC. - Khi transistor ở trạng thái mở: IB = 0, IC = 0 nên P = 0. - Khi transistor ở trạng thái đóng: UCE = UCESat. Trong thực tế transistor công suất thường được cho làm việc ở chế độ khóa: IB = 0, IC = 0, transistor được coi như hở mạch. Nhưng với dòng điện gốc ở trạng thái có giá trị bão hòa, thì transistor trở về trạng thái đóng hoàn toàn. Transistor là một linh kiện phụ thuộc nên cần phối hợp dòng điện gốc và dòng điện góp. ở trạng thái bão hòa để duy trì khả năng điều khiển và để tránh điện tích ở cực gốc quá lớn, dòng điện gốc ban đầu phải cao để chuyển sang trạng thái dẫn nhanh chóng. ở chế độ khóa dòng điện gốc phải giảm cùng qui luật như dòng điện góp để tránh hiện tượng chọc thủng thứ cấp. ( b ) ( a ) IC UCE b a UCE IC IC ã Hình 2. 8 Trạng thái dẫn và trạng thái bị khóa a). Trạng thái đóng mạch hay ngắn mạch IB lớn, IC do tải giới hạn. b). Trạng thái hở mạch IB = 0. Các tổn hao chuyển mạch của transistor có thể lớn. Trong lúc chuyển mạch, điện áp trên các cực và dòng điện của transistor cũng lớn. Tích của dòng điện và điện áp cùng với thời gian chuyển mạch tạo nên tổn hao năng lượng trong một lần chuyển mạch. Công suất tổn hao chính xác do chuyển mạch là hàm số của các thông số của mạch phụ tải và dạng biến thiên của dòng điện gốc. * Đặc tính tĩnh của transistor: UCE = f (IC). Để cho khi transistor đóng, điện áp sụt bên trong có giá trị nhỏ, người ta phải cho nó làm việc ở chế độ bão hòa, tức là IB phải đủ lớn để IC cho điện áp sụt UCE nhỏ nhất. ở chế độ bão hòa, điện áp sụt trong transistor công suất bằng 0,5 đến 1V trong khi đó tiristor là khoảng 1,5V. Hình 2. 9 Đặc tính tĩnh của transistor: UCE = f ( IC ). Vùng tuyến tính Vùng gần bão hòa Vùng bão hòa UCE IC 2.1.2.3:ứng dụng của transistor công suất: Transistor công suất dùng để đóng cắt dòng điện một chiều có cường độ lớn. Tuy nhiên trong thực tế transistor công suất thường cho làm việc ở chế độ khóa. IB = 0, IC = 0: transistor coi như hở mạch. 2.1.2.4:Transistor Mos công suất: Transistor trường FET (Field – Effect Transistor) được chế tạo theo công nghệ Mos (Metal – Oxid – Semiconductor), thường sử dụng như những chuyển mạch điện tử có công suất lớn. Khác với transistor lưỡng cực được điều khiển bằng dòng điện, transistor Mos được điều khiển bằng điện áp. Transistor Mos gồm các cực chính: cực máng (drain), nguồn (source) và cửa (gate). Dòng điện máng - nguồn được điều khiển bằng điện áp cửa – nguồn. ã Cửa ã ã Nguồn ã Máng ( b ) ( a ) = 3V = 4,5V = 6V = 9V = 7,5V Dòng điện máng Điện trở hằng số Điện áp máng – nguồn Hình 2. 10 Transistor Mos công suất: a). Họ đặc tính ra. b). Ký hiệu thông thường kênh N. Transistor Mos là loại dụng cụ chuyển mạch nhanh. Với điện áp 100V tổn hao dẫn ở chúng lớn hơn ở transistor lưỡng cực và tiristor, nhưng tổn hao chuyển mạch nhỏ hơn nhiều. Hệ số nhiệt điện trở của transistor Mos là dương. Dòng điện và điện áp cho phép của transistor Mos nhỏ hơn của transistor lưỡng cực và tiristor. 2.1.3:Tiristor: 2.1.3.1:Cấu tạo: Tiristor là linh kiện gồm 4 lớp bán dẫn PNPN liên tiếp tạo nên anốt, katốt và cực điều khiển. P1 N1 P2 N2 ( a ) ( b ) A J1 J2 J3 A K G G K Hình 2. 11 a). Cấu tạo của tiristor. b). Ký hiệu của tiristor. Trong đó: - A: anốt. - K: katốt. - G: cực điều khiển. - J1, J2, J3: các mặt ghép. Tiristor gồm 1 đĩa Silic từ đơn thể loại N, trên lớp đệm loại bán dẫn P có cực điều khiển bằng dây nhôm, các lớp chuyển tiếp được tạo nên bằng kỹ thuật bay hơi của Gali. Lớp tiếp xúc giữa anốt và katốt là bằng đĩa môlipđen hay tungsen có hệ số nóng chảy gần bằng với Gali. Cấu tạo dạng đĩa kim loại để dễ dàng tản nhiệt. 2.1.3.2:Nguyên lý hoạt động: Đặt tiristor dưới điện áp một chiều, anốt nối vào cực dương, katốt nối vào cực âm của nguồn điện áp, J1, J3 phân cực thuận, J2 phân cực ngược. Gần như toàn bộ điện áp nguồn đặt trên mặt ghép J2. Điện trường nội tại Ei của J2 có chiều từ N1 hướng về P2. Điện trường ngoài tác động cùng chiều với Ei vùng chuyển tiếp cũng là vùng cách điện càng mở rộng ra không có dòng điện chạy qua tiristor mặc dù nó bị đặt dưới điện áp. IH U I UZ 0 Uch Hình 2. 12 Đặc tính volt-ampe của tiristor. * Mở tiristor: Cho một xung điện áp dương Ug tác động vào cực G ( dương so với K ), các điện tử từ N2 sang P2. Đến đây, một số ít điện tử chảy vào cực G và hình thành dòng điều khiển Ig chạy theo mạch G - J3 - K - G còn phần lớn điện tử chịu sức hút của điện trường tổng hợp của mặt ghép J2 lao vào vùng chuyển tiếp này, tăng tốc, động năng lớn bẻ gảy các liên kết nguyên tử Silic, tạo nên điện tử tự do mới. Số điện tử mới được giải phóng tham gia bắn phá các nguyên tử Silic trong vùng kế tiếp. Kết quả của phản ứng dây chuyền làm xuất hiện nhiều điện tử chạy vào N1 qua P1 và đến cực dương của nguồn điện ngoài, gây nên hiện tượng dẫn điện ào ạt, J2 trở thành mặt ghép dẫn điện, bắt đầu từ một điểm ở xung quanh cực G rồi phát triển ra toàn bộ mặt ghép. Điện trở thuận của tiristor khoảng 100KW khi còn ở trạng thái khóa, trở thành 0,01W khi tiristor mở cho dòng chạy qua. Tiristor khóa + UAK > 1V hoặc Ig > Igst thì tiristor sẽ mở. Trong đó Igst là dòng điều khiển được tra ở sổ tay tra cứu tiristor. ton: Thời gian mở là thời gian cần thiết để thiết lập dòng điện chạy trong tiristor, tính từ thời điểm phóng dòng Ig vào cực điều khiển. Thời gian mở tiristor kéo dài khoảng 10ms. * Khóa tiristor: Có 2 cách: - Làm giảm dòng điện làm việc I xuống dưới giá trị dòng duy trì IH ( Holding Current ). - Đặt một điện áp ngược lên tiristor. Khi đặt điện áp ngược lên tiristor: UAK < 0, J1 và J3 bị phân cực ngược, J2 phân cực thuận, điện tử đảo chiều hành trình tạo nên dòng điện ngược chảy từ katốt về anốt, về cực âm của nguồn điện ngoài. Tiristor mở + UAK < 0 đ tiristor khóa. Thời gian khóa toff: Thời gian từ khi bắt đầu xuất hiện dòng điện ngược ( t0 ) đến dòng điện ngược bằng 0 ( t2 ), toff kéo dài khoảng vài chục ms. * Xét sự biến thiên của dòng điện i( t ) trong quá trình tiristor khóa: Hình 2. 13 Sự biến thiên của dòng điện i( t ) trong quá trình tiristor khóa. t1 t2 t0 t Ii Từ t0 đến t1 dòng điện ngược lớn, sau đó J1, J3 trở nên cách điện. Do hiện tượng khuếch tán một ít điện tử giữa hai mặt J1 và J3 ít dần đi đến hết. J2 khôi phục tính chất của mặt ghép điều khiển. 2.1.3.3:ứng dụng: Tiristor được sử dụng trong các bộ nguồn đặc biệt: trong mạch chỉnh lưu, bộ băm và trong bộ biến tần trực tiếp hoặc các bộ biến tần có khâu trung gian một chiều. - ứng dụng tiristor trong mạch điều khiển tốc độ động cơ. - Chuyển mạch tĩnh. - Khống chế pha. - Nạp ắcqui. - Khống chế nhiệt độ. 2.2:Mạch chỉnh lưu: 2.2.1:Mạch chỉnh lưu cầu ba pha dùng Diode: a:) UL ` Hình 2.14 Chỉnh lưu cầu 3 pha dùng Diode a: Sơ đồ b:Dạng sóng b:) IL I1 I2 I3 I4 I5 I6 VD1 1 Udmax Các diode được đánh số theo thứ tự dẫn và góc dẫn mỗi Diode đều là . Thứ tự dẫn của các diode lần lượt là:D1D2,D2D3,D4D5,D5D6,và D6D1. Hình 2.14 là hình dáng v._.