BỘ NGUỒN AC TẦN SỐ CAO potx

CHƯƠNG 5 : Bộ NGUồN AC TầN Số CAO V.1 KHáI NIệM Về NUNG NóNG BNG TầN Số: 1. Nguyên lý nung nóng bằng tần số: Khi vật chất đợc đặt vào trong trờng điện từ tạo ra bởi dòng điện xoay chiều có cờng độ đủ lớn, các hạt vật chất sẽ có chuyển động, tơng ứng với sự gia tăng nhiệt độ: ta có nguyên lý nung nóng bằng tần số hay gia nhiệt cao tần. Với các tần số khác nhau, ta nung nóng đợc những vật liệu khác nhau: - Nung nóng bng dòng điện cảm ứng: Khi đặt vật dẫn điện (thờng là kim loại) vào từ trờng xoay chiều, bên trong vật liệu sẽ xuất hiện sđđ tạo ra dòng điện gọi là dòng cảm ứng (dòng điện Foucault hay dòng xoáy - eddy current). Sự nung nóng do dòng điện này đợc gọi là nung nóng bng dòng cảm ứng hay gia nhiệt cảm ứng. Đây chính là lý do mà lõi thép biến áp phải ghép lại bng những lá tn có bề mặt sơn cách điện và biến áp tần số cao sử dụng lõi bng ferrite. Tổn hao do dòng cảm ứng tăng theo bình phơng tần số dòng điện do đó dòng điện sử dụng cho nung nóng cảm ứng thờng có tần số cao. Nung nóng cảm ứng có thể dùng để nung nóng hay nấu luyện kim loại. Để ý là khi khối lợng vật liệu lớn, ta có thể sử dụng tần số cng nghiệp chứ khng nhất thiết phải dùng tần số cao. Do sự tơng tác giữa các lớp dòng điện cảm ứng, mật độ dòng điện cảm ứng phân bố khng đều: tăng dần từ trong ra ngoài. Khi tần số dòng điện đủ lớn, sự phân bố này rất khng đều: dòng cảm ứng chủ yếu tập trung ở bề mặt và ta có hiệu ứng da (skin effect), đợc ứng dụng để ti kim loại. Đây làmột phơng pháp tăng cơ tính các chi tiết bng sắt thép. Chi tiết cần ti sau khi đợc nung nóng bề mặt đợc làm nguội thật nhanh. Kết quả là bề mặt chi tiết đợc biến cứng trong khi bên trong vẫn khng thay đổi cơ tính, tính năng hoạt động đợc nâng cao. - Nung nóng điện mi: ứng dụng hiện tợng tổn hao điện mi của vật liệu cách điện hay dẫn điện kém khi đợc đặt trong điện trờng tần số rất cao từ vài trăm đến hàng MHz. Đối tợng cho nung nóng điện mi có thể là vật liệu nhựa hay thực phẩm. Ưu điểm của nung nóng tần số: - Hiệu suất rất cao do nhiệt phát ra từ bên trong vật đợc nung. - Mật độ năng lợng rất cao nên thời gian nung nhanh, vật liệu khng đổi tính chất, cho phép thực hiện các cng nghệ đặc biệt. - Khng có mi chất cho trao đổi nhiệt nên có thể gia cng với độ tinh khiết cao Nhợc điểm duy nhất là cần bộ nguồn tần số lun đắt tiền. Trong chơng này, ta chỉ tìm hiểu các bộ nguồn sử dụng ngắt điện bán dẫn, có thể làm việc đến MHz và thờng đợc ứng dụng cho nung nóng cảm ứng. 2. Các quan hệ của nung nóng cảm ứng: [tài liệu http://www.thermonics.co.jp/e-side.htm] - Chiều sâu thấm P đợc định nghĩa là độ sâu tính từ bề mặt để mật độ dòng điện giảm 36.8% so với giá trị trên bề mặt, : điện trở suất , : hệ số từ thẩm tơng đối. 3 ⋅ 10 P  2   ⋅ f   5.03     ⋅  f <V.1.1> Trang 1/ Chuong 5.doc §iÖn tö c”ng suÊt II A Từ P, ta chọn đợc tần số của bộ nguồn cao tần tùyù thuộc vào vật liệu và cng nghệ gia cng là nung nóng, nấu chảy hay ti bề mặt. Bảng sau cho ta các thng số cho cng nghệ ti bề mặt dùng dòng điện cảm ứng. Ti cao tần Đờng kính vật Tần số Cng suất Chiều sâu (mm) (mm) (kHz) (kw) 0.5~1.0 6~25 400,200 15,30 1.2~2.5 11~16 400,200,30 80 16~25 400,200,30,10 80,50 25~50 200,30,10 50,80 > 50 30,10 80 2.5~5.0 19~25 30,10 80,150 25~100 3,10 80,150 > 100 3,10 150,300 Bảng V.1 Các quan hệ khi ti bề mặt thép. Với thép, vật liệu mất từ tính ởỷ 800 O tơng ứng = 1, ta có khi đó: (P mm) 503 <V.1.2> f và nếu chọn đờng kính vật bng 3.5 lần chiều sâu thấm ti, ta có bảng tra tần số tối thiểu cho thiết bị nấu cảm ứng: Tần số f Đờng kính kHz D mm 300 3.2 100 5.5 20 12.4 10 17.5 5 24.7 3 32 1 55 Bảng V.2 Tần số tối thiểu khi nung nóng cảm ứng thép Hình V.1.1 cho ta chiều sâu thấm với các vật liệu khác nhau, ở các nhiệt độ làm việc. 3. Các bộ nguồn cho nung nóng cảm ứng: Phụ thuộc và tần số làm việc, có thể phân ra làm các nhóm sau: 1. Nguồn tần số lới: Sử dụng cho nấu kim loại khi khối lợng tơng ứng với cng suất đủ lớn. Ta có thể hình dung đây là một biến áp (thờng có lõi thép) trong đó sơ cấp nối lới điện, thứ cấp là khối kim loại cần nung chảy, tạo thành một vòng ngắn mạch. Trang 2/ Chuong 5.doc §iÖn tö c”ng suÊt II A Hình V.1.1: Quan hệ chiều sâu thấựm theo tần số với các kim loại khác nhau 2 Bộ nguồn dùng SCR: sử dụng khi tần số < 25 KHz. Có thể sử dụng bộ nghịch lu nối tiếp hay song song, có hay khng qua trung gian một chiều. 3. Bộ nguồn dùng transistor: Phát triển trong thời gian gần đây, khi cac transistor dòng lớn, áp cao đợc chế tạo. Làm việc ở tần số đến MHz (thng thờng là vài trăm KHz). 4.Bộ nguồn dùng đèn điện tử: Làm việc ở tần số từ 50 KHz đến hàng MHz hay GHz, dùng cho nung nóng cảm ứng và điện mi. Mạch điện có dạng mạch dao động ba điểm LC (Harley hay Colpitt) phân cực lớp C ở tần số đến MHz hay dùng các đèn đặc biệt ở tần số siêu cao. Đặc trng quan trọng của thiết bị nung nóng cảm ứng là là hệ số cng suất của tải rất thấp khoảng 0.1 vì là cuộn dây khng lõi thép. Để giảm dòng qua các ngắt điện, cần mắc tụ điện song song để tăng hệ số cng suất nên tải lun là mạch cộng hởng LCR. Nh vậy, ta có thể thấy là các bộ nguồn dùng SCR có thể đợc dùng để nung nóng hay nấu chảy kim loại ở cng suất lớn vì hoạt động chủ yếu ở tần số thấp. Để ti cao tần hay nấu luyện kim loại ở số lợng nhỏ, ta có thể sử dụng mạch dao động dùng đèn điện tử để họat động ở tần số cao hơn. Các bộ nguồn dùng transistor có thể thay thế đèn điện tử về nguyên tắc, đã và đang đợc phát triển. Trong chơng này ta chỉ nghiên cứu các bộ nguồn dùng cho nung nóng cảm ứng. V.2 Bộ NGUồN TầN Số CAO DùNG SCR: 1. Nghịch lu song song và nối tiếp: Là các dạng nghịch lu sử dụng SCR làm phần tử đóng ngắt, có tụ điện ở mạch tải để đảm bảo chuyển mạch. Trong mạch điện gồm R tải, tự cảm L và điện dung C tạo thành mạch cộng hởng LCR, làm cho dòng qua SCR có thể về zero và tắt. Hình V.2.1 bao gồm hai mạch nghịch lu song song: (a) là sơ đồ cầu, (b) là sơ đồ ghép biến áp; và (c) là nghịch lu nối tiếp. Trang 3/ Chuong 5.doc Điện tử cng suất II A + + L I SCR3 T L1 L2 V SCR1 + C - R + L C + V SCR1 C SCR2 _ SCR2 SCR4 _ V _ V o SCR1 SCR2 R (a) (b) ( c) Hình V.2.1: Nghịch lu song song (a) và (b), nối tiếp (c). a. Nghịch lu song song: Khảo sát sơ đồ cầu V.2.1.a. Dạng sóng các phần tử trên sơ đồ V.2.1.a đợc vẽ trên hình V.2.2.b. Các SCR 1 và SCR 4 có cùng dạng xung kích, SCR 2 và SCR3 đợc kích cùng lúc. Khi SCR 1 và SCR 4 dẫn điện, tụ điện C đợc nạp đến điện áp có cực tính nh trên hình vẽ. Điện áp này sẽ đặt điện áp âm và làm tắt SCR 1 và SCR 4 khi SCR2 và SCR3 đợc kích. Tự cảm L ở đầu vào cách ly nguồn và cầu chỉnh lu, làm cho dòng điện cung cấp vào cầu chỉnh lu khng thay đổi tức thời, tránh khả năng chập mạch tạm thời qua SCR 1 và SCR 2 (hay SCR 3 và SCR 4) khi các SCR chuyển mạch. b. Nghịch lu nối (a) (b) tiếp: Hình V.2.2: Dạng áp, dòng của NL nối tiếp (a) và song song (b) Mạch điện hình V.2.1.c là dạng đơn giản nhấựt trong nhóm mạch nghịch lu nối tiếp, có mạch tơng đơng là LCR nối tiếp khi SCR dẫn điện. Ví dụ nh khi SCR 1 đợc kích, dòng qua mạch sẽ về khng khi áp trên tụ điện đạt giá trị cực đại (có dấu nh trên mạch điện) và SCR sẽ tự tắt. Vì thế mạch còn gọi là nghịch lu chuyển mạch tải. Khi SCR 2 đợc kích, tụ điện sẽ phóng qua nó và dòng về khng khi áp trên tụ điện đảo cực tính, chuẩn bị cho chu kỳ kế tiếp - dạng sóng hình V.2.2.a. Hai mạch nghịch lu này đợc dùng làm bộ nguồn trung hay cao tần (nhóm thứ 3 trong phần giới thiệu ở đầu chơng). Và nh vậy, ngoài nhiệm vụ tắt (chuyển mạch) SCR, các tụ điện trong hai nghịch lu này còn có nhiệm vụ cải thiện hệ số cng suất của tải, giảm dòng qua các ngắt điện. Trong thời gian gần đây, các transistor đợc dùng thay cho SCR và nhu cầu chuyển mạch trở nên khng cần thiết, tuy nhiên việc khảo sát nghịch lu cộng hởng vẫn có giá trị, và ta có khả năng chuyển mạch transistor khi áp đặt vào nó bng khng: tăng độ tin cậy và hiệu suất của hệ thống. 2. Khµo s¸t nghÞch lu nguån dßng t¶i céng hëng (nghÞch lu song song t¶i RL): Trang 4/ Chuong 5.doc §iÖn tö c”ng suÊt II A Nghịch lu song song hình V.2.1 còn có thể gọi là i + N L = N R i C nghịch lu nguồn dòng, khi tự cảm nguồn L có giá trị đủ lớn. Nghịch lu nguồn dòng có nhiều u điểm khi sử dụng SCR: mạch tắt SCR hiệu quả, điều khiển đơn giản và ngày S1 S3 i v i o Tải RL C L V i o L v _ S2 C S4 Mạch tơng đơng (C là tụ chuyển mạch) C nay vẫn còn đợc sử Hình V.2.3: mạch tơng đơng NL nguồn dòng tải RL dụng ở cấp cng suất lớn và rất lớn (và trăm kW đến nhiều MW). Hình V.2.3 trình bày sơ đồ nguyên lý và mạch tơng đơng của NL nguồn dòng một pha tải RL. Tự cảm LN có giá trị lớn làm cho dòng iN phẳng, khng đổi ở một giá trị tải. Dòng điện này đợc đóng ngắt thành xoay chiều để cung cấp cho tải. Vậy trong điều kiện lý tởng, tải nhận đợc dòng điện là những xung vung có biên độ I phụ thuộc tải. áp trên tải biến thiên liên tục (vì có C song song), ngăn cách với nguồn qua tự cảm lọc nguồn LN . Thng thờng, ngời ta chỉ điều khiển cng suất tải thng qua thay đổi áp nguồn một chiều vì khó thay đổi luật đóng ngắt. Nh các bộ nghịch lu nguồn dòng khác, do năng lợng chỉ truyền một chiều,với cùng áp vào, áp ra phụ thuộc đặc tính tải. - Khảo sát gần đúng nghịch lu nguồn dòng: Trong thực tế, điện kháng nguồn khng lớn v cùng. Tuy nhiên khi tính toán gần đúng, ta vẫn có các giả thiết sau (hình V.2.3): * Xung dòng cung cấp cho tải là xung hình vung, biên độ I. * Tụ C và tải RL làm thành mạch cộng hởng, làm cho áp trên tải vC có dạng hình sin và nh vậy chỉ có sóng hài bậc 1 của dòng cung cấp là i1 tạo ra cng suất. Hình V.2.4.a cho ta các vector: VC là áp ra, I1 là hài cơ bản của dòng ra iO; IC , IL lần lợt là dòng qua C và tải RL, ta có: VC là áp ra, lệch dòng ra IL góc của tải RL. I1 sớm pha VC góc để có áp âm cần thiết tắt đợc các SCR (phần gạch đứng tronghình V.2.4.b). Vậy C có nhiệm vụ làm cho tải có tính dung, khng chỉ bù cos cho tải cuộn dây, giảm dòng cung cấp mà còn cung cấp khả năng chuyển mạch cho SCR. Ta có - góc lệch pha = .tq . - Hiệu dụng hài bậc nhất dòng iO là 2 2 I 1 I Từ đồ thị vec tơ, ta có: IL tan I C I L .sin I .cos L 1 .sin I C I L .cos I C 1 B .sin B .cos với B I L I C Y L 1 Y C Z C , Trang 5/ Chuong 5.doc §iÖn tö c”ng suÊt II A [...]... và dòng nguồn I 3 Bộ nguồn tần số cao dùng nghịch lu nguồn dòng: Hình V.2.5 trình bày mạch động lực một bộ nguồn A dùng cho nấu thép, B cng suất từ vài chục C kW đến MW Đầu vào là chỉnh lu 3 pha cầu 6 SCR để điều khiển Ln Tp Rp + T12 T1 T2 T3 T11 T13 T14 L C Lp R Cp _ T4 T5 T6 Chỉnh lu đầu vào Nghịch lu Mạch mồi Hình V.2.5: Mạch mồi (Start up) cho nghịch lu song song tải cộng hởng cng suất bộ nghịch... thích hợp cho các bộ nguồn cng suất lớn, vì chỉ biến đổi năng Phát 2D Q5 lợng một lần, hiệu suất cao và giảm xung 3 CLK cng suất SCR lắp đặt 2 fo Q6 T1 T4 T2 T5 T3 T6 Một bất lợi lớn của sơ đồ là dòng điện lới có thành phần tần số cao, yêu cầu phải có bộ lọc đầu vào để làm tăng Hình V.2.8: Mạch phát xung kích khởi các SCR hệ số cng suất của BBĐ và chống nhiễu truyền về lới V.3 Bộ NGUồN DùNG TRANSISTOR:... nguồn dòng: các ngắt điện thay phiên hoạt động, góc dẫn 180O: T1, T4 > T2, T3 > T1, T4 L + D1 Q1 V D3 Q3 C R D2 _ D4 Q4 Q2 Sự khác biệt ở đây là ta khng sợ chuyển mạch thất bại nên giá trị L nguồn có Hình V.3.1: Bộ nghịch lu nguồn dòng dùng thể chọn nhỏ hơn khi dùng SCR, tần số hoạt transistor động có thể lớn hay bé hơn tần số cộng hởng và khng cần mạch mồi để khởi động hệ thống 2 Bộ nghịch lu nguồn. .. Trang 6/ Chuong 5.doc Điện tử cng suất II A Nguyên lý điều khiển bộ nghịch lu là lun đảm bảo tần số hoạt động hơi lớn hơn tần số cộng hởng để tải lun có tính dung, hay kiểm soát cos của tải và hiệu chỉnh dung lợng tụ điện bù khi giữ tần số làm việc khng đổi Trong thực tế, ngời ta sử dụng cả hai nguyên lý này: Mạch điều khiển lun duy trì tần số phù hợp với mạch dao động tải, trong khi đó ngời ta lun giám... này là nâng cao hệ số cng suất của vòng cảm ứng, giảm dòng qua ngắt điện và nguồn Khi đó, hoạt động của bộ nghịch lu bao gồm 2 quá trình: dao động của mạch cộng hởng tải RLOC và sự đóng ngắt nguồn để nạp năng lợng vào mạch cộng hởng này Do tính chọn lọc của mạch cộng hởng, áp trên tải sẽ là dao động hình sin cùng tần số điều khiển và ta phải nối tiếp thêm cuộn dây L để gánh chênh lệch áp nguồn với tải... thống và thay đổi giá trị L (đổi nối) và điện dung C theo trạng thái của tải Một thng số khác cần quan tâm là giá trị áp trên tụ cần phải bé hơn trị số cho phép để tránh h hỏng Nguyên lý này cũng đúng với bộ nguồn dùng nghịch lu nối tiếp nh khảo sát trong mục sau 4 Bộ nghịch lu nối tiếp làm việc với nguồn 3 pha (bộ nghịch lu - đổi pha): Hình V.2.6a cho ta cái nhìn trung gian giữa sơ đồ giới thiệu nghịch... MHz do giảm thng số động của của ngắt điện khi dùng transistor thay cho thyristor: ton xuống dới micro giây, toff chỉ còn vài micro giây hay bé hơn khi dùng MosFET Tuy nhiên, tổn hao trên ngắt điện có thể tăng do sụt áp thuận trên transistor thờng cao hơn SCR ở dòng điện lớn 1 Bộ nghịch lu nguồn dòng dùng transistor: Trang 8/ Chuong 5.doc Điện tử cng suất II A Các SCR trong bộ NL nguồn dòng đợc thay... tính cng suất P bng hai cách từ nguồn một chiều (cung cấp) và tải (tiêu thụ) khi xem hiệu suất hệ thống bng 1: 2 2 1 VC V P V I V I C1 I 2 cos .cos C co a 2 V a s Z là tổng trở tải RL, 2 2 ( Z R wL và ta có ) Từ áp ngỏ ra VC có thể suy ra cng suất P của mạch và dòng nguồn I Bài tập: Tính mạch nghịch lu nguồn dòng sơ đồ một pha áp nguồn một chiều 500 V, tần số làm việc 1 KHz, R = 15 ohm và... dụng transistor trong bộ nghịch lu tải cộng hởng có các ý nghĩa sau: - Vì transistor đóng ngắt theo sự điều khiển, các ngắt điện khng cần điều kiện chuyển mạch cho nên vùng thng số hoạt động của hệ thống đợc nới rộng Ví dụ tải nghịch lu nguồn dòng khng nhất thiết phải có tính dung kháng Một kết quả khác là độ tin cậy của hệ thống đợc nâng cao do ngắt điện lun chuyển mạch đợc - Tần số làm việc tối đa tăng,... RLOC có tần số dao động cao hơn tần số kích Transistor làm cho dòng qua Trang 10/ Chuong 5.doc Điện tử cng suất II A nó về zero nhanh và đảo chiều Xung dòng ngợc làm giảm năng lợng cung cấp cho mạch cộng hởng (hình V.3.5) Một nhận xét quan trọng là các transistor lúc này đợc tắt khi dòng và áp đều bng khng, tổn hao đóng ngắt có thể xem nh bng khng Đây cũng là một u điểm khi dùng transistor cho NL nguồn . CHƯƠNG 5 : Bộ NGUồN AC TầN Số CAO V.1 KHáI NIệM Về NUNG NóNG BNG TầN Số: 1. Nguyên lý nung nóng bằng tần số: Khi vật chất đợc đặt vào trong trờng điện từ. theo tần số với các kim loại khác nhau 2 Bộ nguồn dùng SCR: sử dụng khi tần số < 25 KHz. Có thể sử dụng bộ nghịch lu nối tiếp hay song song, có hay khng qua trung gian một chiều. 3. Bộ nguồn. ra VC, suy ra cng suất trên tải P và dòng nguồn I. 3. Bộ nguồn tần số cao dùng nghịch lu nguồn dòng: Hình V.2.5 L n trình bày mạch động lực một bộ nguồn A T1 T2 T3 dùng cho nấu thép, B T12