Nghiên cứu độ tin cậy của hệ thống điện tử công suất sử dụng trong công nghiệp

DIODE CÔNG SUẤT

Nguyên lý cấu tạo và làm việcvới công suất của nguồn và tải
Đặc tính Volt – Ampere (V – A)
Trạng thái đóng ngắt
Các tính chất động
Mạch bảo vệ diode
Các đại lượng định mức của diode

Khi cấp điện áp vào diode, cực dương được gắn vào lớp P và cực âm vào lớp N. UR: điện áp ngược của diode (điện áp đánh thủng) - IF: dòng thuận chạy qua diode.

Hình H1.2.1a : Sơ đồ nguyên lý phân cực cho diode

BJT CÔNG SUẤT (BIPOLAR JUNTION TRANSISTOR)

Nguyên lý cấu tạo và làm việc
Đặc tính V-A trong mạch có Emitter chung
Trạng thái đóng ngắt
Các tính chất động
Các đại lượng định mức của transistor
Mạch kích và bảo vệ cho transistor

Có một điện áp điều khiển uBE ở cả hai cực B và E. Điện cực C và E được dùng làm công tắc cho mạch điện. Tổn thất điện năng làm hạn chế tần số hoạt động của bóng bán dẫn, khi bật tắt dòng điện qua bóng bán dẫn lớn và điện áp cao nên giá trị dòng điện tổn thất lớn.

Hình H1.3.1: Nguyên lý cấu tạo của transistor

MOSFET (Metal – Oxide – Semiconductor Field Effect Transistor)

MOSFET được bật và tắt bằng xung điện áp đặt vào cực cổng (G). Khi có điện áp dương giữa cổng G và S, dòng điện chạy từ cực D đến cực S. MOSFET ở trạng thái tắt khi dòng điện tắt. Điện áp cổng thấp hơn giá trị UGS. Điện áp kích thích cho MOSFET phải liên tục. Giá trị tối đa của điện áp kích thích là ±20 V.

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

IGBT có thể hoạt động với dòng điện lớn và có thể chịu được điện áp ngược cao. IGBT có thể hoạt động bình thường mà không cần mạch bảo vệ. Trong trường hợp đặc biệt, mạch bảo vệ MOSFET có thể được sử dụng cho IGBT. Module IGBT thông minh (Intelligent Power Module): Được sản xuất bằng công nghệ tích hợp cao.

Mô-đun này chứa các phần tử IGBT, mạch điều khiển, mạch bảo vệ và cảm biến dòng điện, đạt được độ tin cậy rất cao. Do giá thành IGBT cao và đặc biệt là do có công suất lớn nên mạch điều khiển IGBT được sản xuất dưới dạng IC công nghiệp. Các IC này có thể tự bảo vệ khỏi tình trạng quá tải, sửa mạch và được tích hợp thành các module điều khiển riêng biệt hoặc tích hợp vào các module bán dẫn (bao gồm mạch điều khiển, IGBT và mạch bảo vệ).

Hình 1.5: Cấu tạo(a), ký hiệu(b) và mạch tương đương(c) của IGBT

SCR (Silicon Controlled Rectifier)

Mô tả và chức năng
Các tính chất và trạng thái cơ bản
Đặc tính V-A
Khả năng mang tải
Mạch kích SCR
Mạch bảo vệ SCR

Khi một xung dòng IG được đưa vào hai cổng G và K, SCR sẽ dẫn điện. SCR vẫn duy trì trạng thái dẫn điện mặc dù xung dòng IG bị gián đoạn. Điều kiện khóa: khi cực dương có thể chịu được điện áp dương đối với cực âm. Hiện tượng tách SCR: sự chuyển từ trạng thái dẫn sang trạng thái không dẫn điện, như hình 1.6.2.

Mạch kích thích ở hình 1.6.5a: bằng cách cấp điện áp vào mạch cổng B của Q1, Q1 làm bão hòa, làm xuất hiện điện áp Vcc trên cuộn sơ cấp của máy biến áp xung và làm xuất hiện xung điện áp trên phía thứ cấp. Một xung điện áp đặt vào cổng G của SCR làm cho nó dẫn điện, khi xung bị khóa thì Q1 tắt, dòng điện qua biến áp xung được duy trì qua mạch cuộn sơ cấp và diode Dm. Để giảm tốc độ thay đổi của dòng điện, chúng ta có thể sử dụng một cuộn cảm nối tiếp với SCR (Hình 1.6.6a).

Hình 1.6.1: Nguyên lý cấu tạo(a), ký hiệu(b) và mạch tương đương(c) của SCR

TRIAC

Đặc điểm cấu tạo
Đặc tính V-A

Trong thực tế, kích thích TRIAC được tiến hành khi dòng kích thích dương trong trường hợp dòng TRIAC dương và dòng kích thích âm khi dòng TRIAC âm (chiều dương quy ước là từ M1 đến M2 như trên hình 1.7.1a).

Hình 1.7.1: Cấu tạo TRIAC(a) ký hiệu (b) và đặc tính V-A (c)

GTO

Sự khác biệt giữa GTO và SCR là dòng điện kích hoạt xung IG cấp vào cổng G của GTO phải được duy trì liên tục trong suốt thời gian GTO dẫn điện. Các thành phần GTO phải có mạch bảo vệ. Quá trình ngắt GTO yêu cầu sử dụng xung dòng kích thích đủ rộng nên thời gian ngắt sẽ kéo dài.

Hình 1.8: Cấu trúc GTO(a), sơ đồ tương đương(b) và ký hiệu (c)

31

TỔNG QUAN VỀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

CHỈNH LƯU MỘT PHA CÓ ĐIỀU KHIỂN

Chỉnh lưu nửa chu kỳ có điều khiển

Điện áp chỉnh lưu có xung, chu kỳ của điện áp chỉnh lưu bằng chu kỳ của nguồn điện áp xoay chiều. Trên hình H2.2.2a, do tải sạch nên khi điện áp nguồn U bằng 0 thì điện áp chỉnh lưu Ud bằng 0 và dòng điện qua tải Id cũng bằng 0. Ngược lại, trên hình H2.2b, do tải có khả năng tích trữ năng lượng (tải R-L-E) nên khi điện áp nguồn bằng 0, thiết bị không tắt mà tiếp tục dẫn do dòng tải Id >0 .

Trong hai trường hợp trên, dòng tải luôn có đoạn 0 nên gọi là dòng tải gián đoạn. Kiểu điện áp đầu ra tương tự như trường hợp bộ chỉnh lưu hướng tâm nhưng biên độ tăng gấp đôi. Ngoài sơ đồ chỉnh lưu cầu ở trên, còn có cái gọi là mạch chỉnh lưu bất đối xứng thay thế hai SCR bằng hai điốt.

Hình 2.2.2: Sơ đồ chỉnh lưu cầu dùng SCR

CHỈNH LƯU BA PHA CÓ ĐIỀU KHIỂN

Chỉnh lưu ba pha hình tia có điều khiển
Chỉnh lưu ba pha hình cầu có điều khiển

Phạm vi góc điều khiển: vì điện áp khóa trong phạm vi góc điều khiển là (0,). Khi điện áp trên tải có giá trị trung bình dương nghĩa là tải đang nhận điện từ nguồn và bộ chỉnh lưu đang làm việc ở chế độ chỉnh lưu. Khi điện áp trên tải có giá trị trung bình âm, do dòng điện tải chỉ dương nên tải sẽ giải phóng năng lượng và ta gọi bộ chỉnh lưu làm việc ở chế độ nghịch lưu.

Tính giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu và dòng điện chỉnh lưu ở góc điều khiển. Một nguồn xoay chiều ba pha lý tưởng được nối với bộ chỉnh lưu cầu gồm 6 SCR như trên Hình 2.3.2. Điện áp UdA và UdK là điện áp từ nút chung của các nhóm thành phần (nhóm Anodic và nhóm Cathodic) đến điểm trung tính của nguồn điện áp ba pha.

Hình 2.3.1a: Giản đồ xung kích và dạng sóng ngõ ra của bộ chỉnh lưu Các hệ quả khi dòng tải liên tục:

MỘT TƯƠNG LAI CÔNG NGHIỆP

Cho đến nay, chỉ có một số nghiên cứu dựa trên nghiên cứu quy mô lớn liên quan đến khía cạnh độ tin cậy của hệ thống điện tử công suất được các nhà thực hành nhìn nhận. Hầu hết chúng được thực hiện trong ngành năng lượng gió và đề cập đến sự sẵn có của các trang trại gió, so sánh các tuabin khác nhau và độ tin cậy của các cụm lắp ráp phụ. hệ thống điện tử công suất. Khi nhu cầu về hệ thống điện tử công suất tăng lên về mặt chức năng và hiệu suất, độ phức tạp của chúng cũng tăng lên.

Được nhóm thành các danh mục như trong Hình 3.2.3 theo màu sắc, sơ đồ cấp hệ thống cho hệ thống năng lượng gió, thiết lập quang điện (PV) và xe điện được trình bày trong Hình 3.2.2. Trong sơ đồ khối của một hệ thống năng lượng gió điển hình được trình bày trên Hình 3.3, các bộ phận cơ khí bao gồm rôto, hệ thống bước và độ lệch, hộp số và các phép đo gió. Hệ thống PV Hình 3.3 cung cấp cái nhìn chi tiết hơn về hệ thống điện tử công suất vì nó cũng bao gồm các rơle ngắt kết nối nguồn điện và bộ chuyển đổi bypass để tăng hiệu quả.

ỨNG DỤNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀO CÔNG NGHIỆP

Nhu cầu về các hệ thống đáng tin cậy buộc giới học thuật và ngành công nghiệp phải tuân theo những tiến bộ trong nghiên cứu độ tin cậy. Đối với hầu hết các ứng dụng, chức năng và điều kiện hoạt động cần thiết là cố định. Các mục tiêu cần thiết về việc áp dụng, quy mô và năng lực thị trường.

Hình 3.2.3 - Các thành phần của một hệ thống năng lượng gió. ADC: bộ chuyển đổi tương tự sang số; DAC: chuyển đổi công nghệ kỹ thuật số; PWM:

ĐỘ TIN CẬY ỨNG DỤNG CỤ THỂ CỦA CÁC THÀNH PHẦN

YÊU CẦU TUỔI THỌ

Các thành phần trong hệ thống điện tử công suất phải chịu các tác nhân gây ứng suất phụ thuộc vào điều kiện sử dụng và vận hành. Vì vậy, việc biết cách ứng dụng ứng suất phù hợp là vô cùng quan trọng. Các yếu tố gây căng thẳng liên quan đến nhiệt độ ảnh hưởng đến độ tin cậy của một số thành phần hệ thống điện tử công suất, chẳng hạn như bảng mạch in (PCB), chất bán dẫn và tụ điện.

Các yếu tố gây căng thẳng liên quan đến nhiệt độ có mặt khắp nơi, khiến chúng trở nên phù hợp hơn. Đối với nhiều yếu tố gây căng thẳng khác, có rất ít sự khác biệt giữa các ứng dụng. Các kết quả được chia thành các lĩnh vực ứng dụng khác nhau để xác định các yếu tố ứng suất đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng khác nhau.

Hình 3.4.3 Các thành phần quan trọng của hệ thống điện tử công suất - Các thành phần quan trọng của hệ thống điện tử công suất của ứng dụng, từ câu trả lời chuyên gia trong ngành để tuyên bố, ‘Xin cho biết như thế nào dễ bị thất bại các hệ

CƠ CHẾ KHÔNG THÀNH PHẦN

Có những điều kiện môi trường chính có thể gây căng thẳng cho các bộ phận này, đặc biệt là đối với xe điện. Tổng hợp các thông số của bảng dữ liệu, có thể hy vọng rằng các vấn đề như thay đổi thông số và các hư hỏng khác sẽ không phát sinh. Một cơ chế hư hỏng cụ thể không thể tránh khỏi hoàn toàn là cạn kiệt bức xạ vũ trụ.

Trong trường hợp này, độ bền của thiết bị và điện áp được sử dụng trong ứng dụng có thể được phân tích để đánh giá xem liệu tỷ lệ lỗi dự kiến có chấp nhận được đối với ứng dụng nhất định hay không. Cảm biến trong mô-đun điện tử công suất có thể làm giảm sự xuất hiện của các yếu tố ký sinh do dòng điện thấp hơn . những con đường. Tuy nhiên, mạch khuếch đại rất nhạy cảm với EMI, hiện tượng này có thể xảy ra ở gần các phần tử chuyển mạch. Tụ điện là linh kiện trong hệ thống điện tử công suất dễ bị hỏng.

TIỀM NĂNG ĐỂ CẢI THIỆN ĐỘ TIN CẬY

Nhìn chung, có hai hướng nghiên cứu nhằm nâng cao độ tin cậy của hệ thống điện điện tử. Các biện pháp chủ động nhằm đảm bảo độ tin cậy hiếm khi được sử dụng trong hệ thống điện điện tử. Đánh giá hiện trạng nghiên cứu độ tin cậy trong các bộ biến đổi điện tử, từ câu trả lời của các chuyên gia trong ngành cho câu hỏi,.

Theo ý kiến của bạn, những xu hướng/cách tiếp cận nào sẽ cải thiện độ tin cậy của hệ thống. Một số cách đầy hứa hẹn để nâng cao độ tin cậy trong hệ thống điện tử công suất, từ câu trả lời cho câu hỏi của các chuyên gia trong ngành,. Liserre, “Các phương pháp tiếp cận chủ động để cải thiện độ tin cậy trong điện tử điện tử”, trong Proc.