CHÖÔNG 5 : BOÄ NGUOÀN AC TAÀN SOÁ CAO
V.1 KHAÙI NIEÄM VEÀ NUNG NOÙNG BAÈNG TAÀN SOÁ:
1. Nguyeân lyù nung noùng baèng taàn soá:
Khi vaät chaát ñöôïc ñaët vaøo trong tröôøng ñieän töø taïo ra bôûi doøng ñieän xoay chieàu coù cöôøng ñoä
ñuû lôùn, caùc haït vaät chaát seõ coù chuyeån ñoäng, töông öùng vôùi söï gia taêng nhieät ñoä: ta coù nguyeân lyù
nung noùng baèng taàn soá hay gia nhieät cao taàn. Vôùi caùc taàn soá khaùc nhau, ta nung noùng ñöôïc nhöõng
vaät lieäu khaùc nhau:
- Nung noùng baèng doøng ñieän caûm öùng: Khi ñaët vaät daãn ñieän (thöôøng laø kim loaïi) vaøo töø
tröôøng xoay chieàu, beân trong vaät lieäu seõ xuaát hieän sññ taïo ra doøng ñieän goïi laø doøng caûm öùng
(doøng ñieän Foucault hay doøng xoaùy – eddy current). Söï nung noùng do doøng ñieän naøy ñöôïc goïi laø
nung noùng baèng doøng caûm öùng hay gia nhieät caûm öùng. Ñaây chính laø lyù do maø loõi theùp bieán aùp phaûi
gheùp laïi baèng nhöõng laù toân coù beà maët sôn caùch ñieän vaø bieán aùp taàn soá cao söû duïng loõi baèng ferrite.
Toån hao do doøng caûm öùng taêng theo bình phöông taàn soá doøng ñieän do ñoù doøng ñieän söû duïng cho
nung noùng caûm öùng thöôøng coù taàn soá cao. Nung noùng caûm öùng coù theå duøng ñeå nung noùng hay naáu
luyeän kim loaïi. Ñeå yù laø khi khoái löôïng vaät lieäu lôùn, ta coù theå söû duïng taàn soá coâng nghieäp chöù
khoâng nhaát thieát phaûi duøng taàn soá cao.
Do söï töông taùc giöõa caùc lôùp doøng ñieän caûm öùng, maät ñoä doøng ñieän caûm öùng phaân boá
khoâng ñeàu: taêng daàn töø trong ra ngoaøi. Khi taàn soá doøng ñieän ñuû lôùn, söï phaân boá naøy raát khoâng ñeàu:
doøng caûm öùng chuû yeáu taäp trung ôû beà maët vaø ta coù hieäu öùng da (skin effect), ñöôïc öùng duïng ñeå toâi
kim loaïi. Ñaây laømoät phöông phaùp taêng cô tính caùc chi tieát baèng saét theùp. Chi tieát caàn toâi sau khi
ñöôïc nung noùng beà maët ñöôïc laøm nguoäi thaät nhanh. Keát quaû laø beà maët chi tieát ñöôïc bieán cöùng
trong khi beân trong vaãn khoâng thay ñoåi cô tính, tính naêng hoaït ñoäng ñöôïc naâng cao.
- Nung noùng ñieän moâi: ÖÙng duïng hieän töôïng toån hao ñieän moâi cuûa vaät lieäu caùch ñieän hay
daãn ñieän keùm khi ñöôïc ñaët trong ñieän tröôøng taàn soá raát cao töø vaøi traêm ñeán haøng MHz. Ñoái töôïng
cho nung noùng ñieän moâi coù theå laø vaät lieäu nhöïa hay thöïc phaåm.
Öu ñieåm cuûa nung noùng taàn soá:
- Hieäu suaát raát cao do nhieät phaùt ra töø beân trong vaät ñöôïc nung.
- Maät ñoä naêng löôïng raát cao neân thôøi gian nung nhanh, vaät lieäu khoâng ñoåi tính chaát, cho
pheùp thöïc hieän caùc coâng ngheä ñaëc bieät.
- Khoâng coù moâi chaát cho trao ñoåi nhieät neân coù theå gia coâng vôùi ñoä tinh khieát cao...
Nhöôïc ñieåm duy nhaát laø caàn boä nguoàn taàn soá luoân ñaét tieàn.
Trong chöông naøy, ta chæ tìm hieåu caùc boä nguoàn söû duïng ngaét ñieän baùn daãn, coù theå laøm vieäc
ñeán MHz vaø thöôøng ñöôïc öùng duïng cho nung noùng caûm öùng.
2. Caùc quan heä cuûa nung noùng caûm öùng:
[taøi lieäu http://www.thermonics.co.jp/e-side.htm]
- Chieàu saâu thaám P ñöôïc ñònh nghóa laø ñoä saâu tính töø beà maët ñeå maät ñoä doøng ñieän giaûm
36.8% so vôùi giaù trò treân beà maët, ρ: ñieän trôû suaát , μ: heä soá töø thaåm töông ñoái.
ρ ⋅103 ρ
P= = 5.03 .
2π μ ⋅ f μ ⋅f
Trang 1/ Chuong 5.doc Ñieän töû coâng suaát II A
Töø P, ta choïn ñöôïc taàn soá cuûa boä nguoàn cao taàn tuøyï thuoäc vaøo vaät lieäu vaø coâng ngheä gia
coâng laø nung noùng, naáu chaûy hay toâi beà maët. Baûng sau cho ta caùc thoâng soá cho coâng ngheä toâi beà
maët duøng doøng ñieän caûm öùng.
Toâi cao taàn Ñöôøng kính vaät Taàn soá Coâng suaát
Chieàu saâu (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
Baûng V.1 Caùc quan heä khi toâi beà maët theùp.
Vôùi theùp, vaät lieäu maát töø tính ôûû 800 O töông öùng μ = 1, ta coù khi ñoù:
P (mm) = 503
f
vaø neáu choïn ñöôøng kính vaät baèng 3.5 laàn chieàu saâu thaám toâi, ta coù baûng tra taàn soá toái thieåu
cho thieát bò naáu caûm öùng:
Taàn soá f Ñöôøng kính
kHz D mm
300 3.2
100 5.5
20 12.4
10 17.5
5 24.7
3 32
1 55
Baûng V.2 Taàn soá toái thieåu khi nung noùng caûm öùng theùp
Hình V.1.1 cho ta chieàu saâu thaám vôùi caùc vaät lieäu khaùc nhau, ôû caùc nhieät ñoä laøm vieäc.
3. Caùc boä nguoàn cho nung noùng caûm öùng:
Phuï thuoäc vaø taàn soá laøm vieäc, coù theå phaân ra laøm caùc nhoùm sau:
1. Nguoàn taàn soá löôùi: Söû duïng cho naáu kim loaïi khi khoái löôïng töông öùng vôùi coâng suaát ñuû
lôùn. Ta coù theå hình dung ñaây laø moät bieán aùp (thöôøng coù loõi theùp) trong ñoù sô caáp noái löôùi ñieän, thöù
caáp laø khoái kim loaïi caàn nung chaûy, taïo thaønh moät voøng ngaén maïch.
Trang 2/ Chuong 5.doc Ñieän töû coâng suaát II A
.
Hình V.1.1: Quan heä chieàu saâu thaáùm theo taàn soá vôùi caùc kim loaïi khaùc nhau
2 Boä nguoàn duøng SCR: söû duïng khi taàn soá < 25 KHz. Coù theå söû duïng boä nghòch löu noái tieáp
hay song song, coù hay khoâng qua trung gian moät chieàu.
3. Boä nguoàn duøng transistor: Phaùt trieån trong thôøi gian gaàn ñaây, khi cac transistor doøng lôùn,
aùp cao ñöôïc cheá taïo. Laøm vieäc ôû taàn soá ñeán MHz (thoâng thöôøng laø vaøi traêm KHz).
4.Boä nguoàn duøng ñeøn ñieän töû: Laøm vieäc ôû taàn soá töø 50 KHz ñeán haøng MHz hay GHz, duøng
cho nung noùng caûm öùng vaø ñieän moâi. Maïch ñieän coù daïng maïch dao ñoäng ba ñieåm LC (Harley hay
Colpitt) phaân cöïc lôùp C ôû taàn soá ñeán MHz hay duøng caùc ñeøn ñaëc bieät ôû taàn soá sieâu cao.
Ñaëc tröng quan troïng cuûa thieát bò nung noùng caûm öùng laø laø heä soá coâng suaát cuûa taûi raát thaáp
khoaûng 0.1 vì laø cuoän daây khoâng loõi theùp. Ñeå giaûm doøng qua caùc ngaét ñieän, caàn maéc tuï ñieän song
song ñeå taêng heä soá coâng suaát neân taûi luoân laø maïch coäng höôûng LCR.
Nhö vaäy, ta coù theå thaáy laø caùc boä nguoàn duøng SCR coù theå ñöôïc duøng ñeå nung noùng hay naáu
chaûy kim loaïi ôû coâng suaát lôùn vì hoaït ñoäng chuû yeáu ôû taàn soá thaáp. Ñeå toâi cao taàn hay naáu luyeän
kim loaïi ôû soá löôïng nhoû, ta coù theå söû duïng maïch dao ñoäng duøng ñeøn ñieän töû ñeå hoïat ñoäng ôû taàn soá
cao hôn. Caùc boä nguoàn duøng transistor coù theå thay theá ñeøn ñieän töû veà nguyeân taéc, ñaõ vaø ñang ñöôïc
phaùt trieån. Trong chöông naøy ta chæ nghieân cöùu caùc boä nguoàn duøng cho nung noùng caûm öùng.
V.2 BOÄ NGUOÀN TAÀN SOÁ CAO DUØNG SCR:
1. Nghòch löu song song vaø noái tieáp:
Laø caùc daïng nghòch löu söû duïng SCR laøm phaàn töû ñoùng ngaét, coù tuï ñieän ôû maïch taûi ñeå ñaûm
baûo chuyeån maïch. Trong maïch ñieän goàm R taûi, töï caûm L vaø ñieän dung C taïo thaønh maïch coäng
höôûng LCR, laøm cho doøng qua SCR coù theå veà zero vaø taét. Hình V.2.1 bao goàm hai maïch nghòch
löu song song: (a) laø sô ñoà caàu, (b) laø sô ñoà gheùp bieán aùp; vaø (c) laø nghòch löu noái tieáp.
Trang 3/ Chuong 5.doc Ñieän töû coâng suaát II A
+
L1 L2
T
L
+ I SCR3
SCR1 L
C C
+ SCR1
V
+ R
- +
C V SCR2
SCR2 V Vo
_ SCR4 _ _
SCR1 SCR2 R
(a) (b) ( c)
Hình V.2.1: Nghòch löu song song (a) vaø (b), noái tieáp (c).
a. Nghòch löu song song: Khaûo saùt sô ñoà caàu V.2.1.a.
Daïng soùng caùc phaàn töû treân sô ñoà V.2.1.a ñöôïc veõ treân hình V.2.2.b. Caùc SCR 1 vaø SCR 4
coù cuøng daïng xung kích, SCR 2 vaø SCR3 ñöôïc kích cuøng luùc. Khi SCR 1 vaø SCR 4 daãn ñieän, tuï
ñieän C ñöôïc naïp ñeán ñieän aùp coù cöïc tính nhö treân hình veõ. Ñieän aùp naøy seõ ñaët ñieän aùp aâm vaø laøm
taét SCR 1 vaø
SCR 4 khi SCR2 vaø SCR3
ñöôïc kích. Töï caûm L ôû ñaàu
vaøo caùch ly nguoàn vaø caàu
chænh löu, laøm cho doøng
ñieän cung caáp vaøo caàu chænh
löu khoâng thay ñoåi töùc thôøi,
traùnh khaû naêng chaäp maïch
taïm thôøi qua SCR 1 vaø SCR
2 (hay SCR 3 vaø SCR 4) khi
caùc SCR chuyeån maïch.
b. Nghòch löu noái (a) (b)
tieáp: Hình V.2.2: Daïng aùp, doøng cuûa NL noái tieáp (a) vaø song song (b)
Maïch ñieän hình V.2.1.c laø daïng ñôn giaûn nhaáùt trong nhoùm maïch nghòch löu noái tieáp, coù
maïch töông ñöông laø LCR noái tieáp khi SCR daãn ñieän. Ví duï nhö khi SCR 1 ñöôïc kích, doøng qua
maïch seõ veà khoâng khi aùp treân tuï ñieän ñaït giaù trò cöïc ñaïi (coù daáu nhö treân maïch ñieän) vaø SCR seõ töï
taét. Vì theá maïch coøn goïi laø nghòch löu chuyeån maïch taûi. Khi SCR 2 ñöôïc kích, tuï ñieän seõ phoùng
qua noù vaø doøng veà khoâng khi aùp treân tuï ñieän ñaûo cöïc tính, chuaån bò cho chu kyø keá tieáp – daïng soùng
hình V.2.2.a.
Hai maïch nghòch löu naøy ñöôïc duøng laøm boä nguoàn trung hay cao taàn (nhoùm thöù 3 trong
phaàn giôùi thieäu ôû ñaàu chöông). Vaø nhö vaäy, ngoaøi nhieäm vuï taét (chuyeån maïch) SCR, caùc tuï ñieän
trong hai nghòch löu naøy coøn coù nhieäm vuï caûi thieän heä soá coâng suaát cuûa taûi, giaûm doøng qua caùc
ngaét ñieän.
Trong thôøi gian gaàn ñaây, caùc transistor ñöôïc duøng thay cho SCR vaø nhu caàu chuyeån maïch
trôû neân khoâng caàn thieát, tuy nhieân vieäc khaûo saùt nghòch löu coäng höôûng vaãn coù giaù trò, vaø ta coù khaû
naêng chuyeån maïch transistor khi aùp ñaët vaøo noù baèng khoâng: taêng ñoä tin caäy vaø hieäu suaát cuûa heä
thoáng.
2. Khaøo saùt nghòch löu nguoàn doøng taûi coäng höôûng (nghòch löu song song taûi RL):
Trang 4/ Chuong 5.doc Ñieän töû coâng suaát II A
Nghòch löu song song i L=∞
hình V.2.1 coøn coù theå goïi laø + N N R i
C
nghòch löu nguoàn doøng, khi töï S1
i
S3
v i
o Taûi RL C L
caûm nguoàn L coù giaù trò ñuû lôùn. V i
C
o L
Nghòch löu nguoàn doøng coù v
nhieàu öu ñieåm khi söû duïng _ C
S2 S4 Maïch töông ñöông
SCR: maïch taét SCR hieäu quaû, (C laø tuï chuyeån
maïch)
ñieàu khieån ñôn giaûn … vaø ngaøy
nay vaãn coøn ñöôïc söû Hình V.2.3: maïch töông ñöông NL nguoàn doøng taûi RL
duïng ôû caáp coâng suaát lôùn vaø raát lôùn (vaø traêm kW ñeán nhieàu MW). Hình V.2.3 trình baøy sô ñoà
nguyeân lyù vaø maïch töông ñöông cuûa NL nguoàn doøng moät pha taûi RL. Töï caûm LN coù giaù trò lôùn laøm
cho doøng iN phaúng, khoâng ñoåi ôû moät giaù trò taûi. Doøng ñieän naøy ñöôïc ñoùng ngaét thaønh xoay chieàu ñeå
cung caáp cho taûi. Vaäy trong ñieàu kieän lyù töôûng, taûi nhaän ñöôïc doøng ñieän laø nhöõng xung vuoâng coù
bieân ñoä I phuï thuoäc taûi. AÙp treân taûi bieán thieân lieân tuïc (vì coù C song song), ngaên caùch vôùi nguoàn
qua töï caûm loïc nguoàn LN . Thoâng thöôøng, ngöôøi ta chæ ñieàu khieån coâng suaát taûi thoâng qua thay ñoåi
aùp nguoàn moät chieàu vì khoù thay ñoåi luaät ñoùng ngaét. Nhö caùc boä nghòch löu nguoàn doøng khaùc, do
naêng löôïng chæ truyeàn moät chieàu,vôùi cuøng aùp vaøo, aùp ra phuï thuoäc ñaëc tính taûi.
- Khaûo saùt gaàn ñuùng nghòch löu nguoàn doøng: Trong thöïc teá, ñieän khaùng nguoàn khoâng lôùn voâ
cuøng. Tuy nhieân khi tính toaùn gaàn ñuùng, ta vaãn coù caùc giaû thieát sau (hình V.2.3):
* Xung doøng cung caáp cho taûi laø xung hình vuoâng, bieân ñoä I.
* Tuï C vaø taûi RL laøm thaønh maïch coäng höôûng, laøm cho aùp treân taûi vC coù daïng hình sin vaø
nhö vaäy chæ coù soùng haøi baäc 1 cuûa doøng cung caáp laø i1 taïo ra coâng suaát.
Hình V.2.4.a cho ta caùc vector: VC laø aùp ra, I1 laø haøi cô baûn cuûa doøng ra iO; IC , IL laàn löôït
laø doøng qua C vaø taûi RL, ta coù:
VC laø aùp ra, leäch doøng ra IL goùc φ cuûa taûi RL. I1 sôùm pha VC goùc β ñeå coù aùp aâm caàn thieát
taét ñöôïc caùc SCR (phaàn gaïch ñöùng tronghình V.2.4.b). Vaäy C coù nhieäm vuï laøm cho taûi coù tính
dung, khoâng chæ buø cos φ cho taûi cuoän daây, giaûm doøng cung caáp maø coøn cung caáp khaû naêng chuyeån
maïch cho SCR.
Ta coù - goùc leäch pha β = ω .tq .
2 2
- Hieäu duïng haøi baäc nhaát doøng iO laø I1 = I
π
Töø ñoà thò vec tô, ta coù:
IL
1− .sin φ
IC − I L .sin φ IC 1 − B.sin φ I Y 1
tan β = = = vôùi B = L = L = ,
I L .cos φ I B.cos φ IC YC ω C.Z
L
.cos φ
IC
Trang 5/ Chuong 5.doc Ñieän töû coâng suaát II A
V
io
I
VC i
1 wt
2π
IC β π β
vo
I IL -I
1 β φ
SCR 1 vaø 4 daãn | kích SCR 2 vaø 3
Hình V.2.4.a vaø (b).
⎛ 1 − B sin φ ⎞
Z laø toång trôû taûi RL, Z = R2 + (wL) 2 vaø ta coù β = tan −1 ⎜ ⎟ . Ñeå tính caùc doøng,
⎝ B cos φ ⎠
aùp ta tính coâng suaát P baèng hai caùch töø nguoàn moät chieàu (cung caáp) vaø taûi (tieâu thuï) khi xem hieäu
suaát heä thoáng baèng 1:
2 2 π 1
P = V .I = VC .I1.cos β = VC .a. I.cos β ⇒ VC = . .V
π a.2 2 cos β
Töø aùp ngoû ra VC coù theå suy ra coâng suaát P cuûa maïch vaø doøng nguoàn I.
Baøi taäp: Tính maïch nghòch löu nguoàn doøng sô ñoà moät pha. AÙp nguoàn moät chieàu 500 V, taàn soá
laøm vieäc 1 KHz, R = 15 ohm vaø L = 0.001 H
- Tính giaù trò ñieän dung C ñeå ñaûm baûo thôøi gian taét SCR laø 30 μsec.
- Tính giaù trò hieäu duïng aùp ra VC, suy ra coâng suaát treân taûi P vaø doøng nguoàn I.
3. Boä nguoàn taàn soá cao duøng nghòch löu nguoàn doøng:
Hình V.2.5 Ln Tp
trình baøy maïch ñoäng T12 Rp +
löïc moät boä nguoàn A T1 T2 T3 L Lp
T11
duøng cho naáu theùp, B
coâng suaát töø vaøi chuïc C C
kW ñeán MW. T13 T14
R Cp
T4 T5 T6
_
Ñaàu vaøo laø
Maïch moài
chænh löu 3 pha caàu 6 Chænh löu ñaàu vaøo Nghòch löu
SCR ñeå ñieàu khieån Hình V.2.5: Maïch moài (Start up) cho nghòch löu song song taûi coäng höôûng.
coâng suaát boä nghòch löu baèng caùch thay ñoåi aùp cung caáp. Ln laø cuoän khaùng coù trò soá lôùn ñaûm baûo
tính chaát nghòch löu nguoàn doøng.
Taûi cuûa boä NL laø voøng caûm öùng phía trong laø kim loaïi caàn naáu vaø coù goâng theùp phía ngoaøi
ñeå daãn töø, coù maïch töông ñöông laø RL song song hay noái tieáp (hình V.2.5). Bieán aùp coù theå ñöôïc
duøng ñeå ñieàu hôïp toång trôû giöõa voøng caûm öùng vaø boä nghòch löu (khoâng ñöôïc veõ treân hình).
Vì caùc SCR chæ taét ñöôïc khi coù aùp treân maïch dao ñoäng taûi neân tuï C caàn phaûi ñöôïc naïp giaù
trò ñaàu khi khôûi ñoäng thieát bò. Ñaây laø moät söï boå sung khi ñöa sô ñoà NL nguoàn doøng taûi coäng höôûng
vaøo thöïc teá. Maïch khôûi ñoäng goàm Rp coù trò soá raát lôùn caùch ly tuï Cp vaø nguoàn moät chieàu, Lp coù trò
soá beù haïn doøng phoùng töø Cp vaøo maïch taûi RLC khi Tp ñöôïc kích. Tp töï taét khi doøng qua noù baèng 0
(vì Rp ñuû lôùn). Moät ñaëc ñieåm khaùc cuûa nghòch löu song song laø chæ coù theå döøng hoaït ñoäng khi ngaét
nguoàn moät chieàu, khaùc vôùi nghòch löu noái tieáp laø chæ caàn ngaét xung SCR nghòch löu laø ñuû.
Trang 6/ Chuong 5.doc Ñieän töû coâng suaát II A
Nguyeân lyù ñieàu khieån boä nghòch löu laø luoân ñaûm baûo taàn soá hoaït ñoäng hôi lôùn hôn taàn soá
coäng höôûng ñeå taûi luoân coù tính dung, hay kieåm soaùt cos φ cuûa taûi vaø hieäu chænh dung löôïng tuï
ñieän buø khi giöõ taàn soá laøm vieäc khoâng ñoåi. Trong thöïc teá, ngöôøi ta söû duïng caû hai nguyeân lyù naøy:
Maïch ñieàu khieån luoân duy trì taàn soá phuø hôïp vôùi maïch dao ñoäng taûi, trong khi ñoù ngöôøi ta luoân
giaùm saùt hoïat ñoäng cuûa heä thoáng vaø thay ñoåi giaù trò L (ñoåi noái) vaø ñieän dung C theo traïng thaùi cuûa
taûi. Moät thoâng soá khaùc caàn quan taâm laø giaù trò aùp treân tuï caàn phaûi beù hôn trò soá cho pheùp ñeå traùnh
hö hoûng. Nguyeân lyù naøy cuõng ñuùng vôùi boä nguoàn duøng nghòch löu noái tieáp nhö khaûo saùt trong muïc
sau.
4. Boä nghòch löu noái tieáp laøm vieäc vôùi nguoàn 3 pha (boä nghòch löu – ñoåi pha):
Hình V.2.6a cho ta caùi nhìn trung gian giöõa sô ñoà giôùi thieäu nghòch löu noái tieáp (hình
V.2.1c) vaø maïch thöïc teá V.2.6b.
Cuõng nhö maïch cô baûn hình V.2.1c, SCR1 vaø SCR2 ñöôïc kích ôû hai baùn kyø taïo thaønh hai
xong doøng nguoàn cung caáp cho taûi R ôû hai baùn kyø. Khaùc vôùi sô ñoà ½ caàu duøng cho caáp ñieän ñoùng
ngaét (chöông II), tuï ñieän C1, C2 khoâng taïo ra ñieåm giöõa cuûa nguoàn, chuùng coù ñieän dung beù hôn
nhieàu vaø laø thaønh phaàn cuûa maïch coäng höôûng, laøm taét SCR khi doøng qua zero. Ta coù theå xem C1,
C2 vaø SCR1, SCR2 taïo thaønh sô ñoà caàu cuûa boä nghòch löu.
Ñeå yù khi vieát phöông trình ñaëc tröng cuûa heä thoáng, ta noái taét nguoàn aùp V, hai tuï C1, C2 trôû
thaønh song song vôùi nhau tham gia vaøo maïch coäng höôûng RLC.
+
C1 SCR1
A T1 T2 T3
L
i
R B o
L
V C TR L
L
Vo
T4 T5 T6 v
o
C2
C
_ SCR2
C1 C2 C3 R
Hình V.2.6: (a) Nghòch löu noái tieáp coù tuï chia ñoâi. (b) Sô ñoà bieán taàn – ñoåi pha.
Nguyeân lyù hoaït ñoäng cuûa sô ñoà nghòch löu – ñoåi pha hình V.2.6b hoaøn toaøn töông töï. ta coù
theå hình dung noù bao goàm nhoùm tuï C1, C2, C3 noái vaøo ba pha, hai nhoùm SCR T1, T2, T3 vaø T4,
T5, T6 cung caáp cho taûi RLC (qua bieán aùp TR). Nhoùm SCR thöù nhaát cung caáp xung doøng döông vaø
nhoùm thöù hai cung caáp xung doøng aâm cho taûi. Ví duï nhö trong hìnhV.2.7, taïi wt = θ1, ta kích luaân
phieân T1 vaø T6 ñeå taïo ra doøng xoay chieàu qua taûi. Vieäc söû duïng 3 linh kieän cho moät nhoùm cho
pheùp noái tröïc tieáp boä nghòch löu vaøo löôùi xoay chieàu ba pha.
Trình töï hoaït ñoäng caû caùc SCR trong hai nhoùm ôû moät chu kyø:
v
o 1 2 3 1
T1 T1 wt wt
π 3π
5 6 4 5
T6 2π
T6
wt
θ1
Trang 7/ Chuong 5.doc Ñieän töû coâng suaát II A
Hình V.2.7: Xung kích khôûi caùc SCR
Hình V.2.8 Daïng aùp, doøng qua taûi
T1 --> T2 --> T3 --> T1 vaø T6 --> T4 --> T5 --> T6 nhö ôû caùc sô ñoà chænh löu vì caùc
SCR naøy ñöôïc maéc vaøo caùc pha ñieän löôùi 1
T1
3
neân thöù töï hoaït ñoäng cuõng chính laø thöù töï A+
2
pha cuûa löôùi ñieän. Hôn theá nöõa, khi thay A Phaùt 1
T4
3
ñoåi (laøm chaäm) khoaûng hoaït ñoäng cuûa Ñoàng xung A_ 2
B ñieà u
caùc SCR, ta coù theåõ giaûm aùp cung caáp cho boä khieån 1
C pha 3 T2
3
maïch nghòch löu noái tieáp gioáng nhö chænh pha, moãiB+
2
löu ñieàu khieån pha. SCR 1
daãn goùc T5
3
B_
2
Toùm laïi, coù theå hình dung BBÑ 2π/3
1
chính laø söï keát hôïp chænh löu ñieàu khieån Ñieàu
3
T3
C+
2
pha, bieán ñoåi ñieän löôùi thaønh moät chieàu khieån
aùp 1
vaø nghòch löu noái tieáp bieán ñoåi aùp moät C_ 2
3
T6
chieàu thaønh xoay chieàu taàn soá cao. Moät
sô ñoà nhö vaäy raát thích hôïp cho caùc boä
nguoàn coâng suaát lôùn, vì chæ bieán ñoåi naêng
4
löôïng moät laàn, hieäu suaát cao vaø giaûm Phaùt
2 5
PR
D Q
xung
coâng suaát SCR laép ñaët.
3
CLK
2 fo 6
CL
Q
Moät baát lôïi lôùn cuûa sô ñoà laø doøng
1
ñieän löôùi coù thaønh phaàn taàn soá cao, yeâu
caàu phaûi coù boä loïc ñaàu vaøo ñeå laøm taêng Hình V.2.8: Maïch phaùt xung kích khôûi caùc SCR
heä soá coâng suaát cuûa BBÑ vaø choáng nhieãu truyeàn veà löôùi.
V.3 BOÄ NGUOÀN DUØNG TRANSISTOR:
Theo noäi dung phaàn V.2 treân, caùc boä nguoàn cho nung noùng caûm öùng treân khoâng caàn phaàn töû
phuï cho chuyeån maïch caùc SCR vì caùc SCR seõ töï taét khi doøng qua giaù trò khoâng ôû nghòch löu noái
tieáp hay bò ñaët aùp aâm khi kích SCR nhaùnh ñoái dieän ôû nghòch löu song song. Söï chuyeån maïch coù
ñöôïc nhôø taûi laø maïch coäng höôûng nhö vaäy ñöôïc goïi laø chuyeån maïch taûi (load commutation). Trong
nhöõng sô ñoà hieän ñaïi, ngöôøi ta duøng transistor (mosFET, IGBT) thay theá SCR trong sô ñoà töông töï.
Vieäc söû duïng transistor trong boä nghòch löu taûi coäng höôûng coù caùc yù nghóa sau:
- Vì transistor ñoùng ngaét theo söï ñieàu khieån, caùc ngaét ñieän khoâng caàn ñieàu kieän chuyeån
maïch cho neân vuøng thoâng soá hoaït ñoäng cuûa heä thoáng ñöôïc nôùi roäng. Ví duï taûi nghòch löu nguoàn
doøng khoâng nhaát thieát phaûi coù tính dung khaùng. Moät keát quaû khaùc laø ñoä tin caäy cuûa heä thoáng ñöôïc
naâng cao do ngaét ñieän luoân chuyeån maïch ñöôïc.
- Taàn soá laøm vieäc toái ña taêng, ñeán haøng MHz do giaûm thoâng soá ñoäng cuûa cuûa ngaét ñieän khi
duøng transistor thay cho thyristor: ton xuoáng döôùi micro giaây, toff chæ coøn vaøi micro giaây hay beù
hôn khi duøng MosFET.
Tuy nhieân, toån hao treân ngaét ñieän coù theå taêng do suït aùp thuaän treân transistor thöôøng cao hôn
SCR ôû doøng ñieän lôùn.
1. Boä nghòch löu nguoàn doøng duøng transistor:
Trang 8/ Chuong 5.doc Ñieän töû coâng suaát II A
Caùc SCR trong boä NL nguoàn doøng L
ñöôïc thay theá baèng caùc transistor + diod noái + D1 D3
tieáp. Caùc diod naøy baûo veä cho transistor khoûi Q3
Q1
aùp ngöôïc khi chuyeån maïch. Diod song song C
ngöôïc laø coù saün (khi cheá taïo) hay ñöôïc maéc
theâm ñeå baûo veä. Hoaït ñoäng cuûa maïch gioáng V R
nhö nghòch löu nguoàn doøng: caùc ngaét ñieän D2 D4
thay phieân hoaït ñoäng, goùc daãn 180O:
Q4
T1, T4 --> T2, T3 --> T1, T4 ... _ Q2
Söï khaùc bieät ôû ñaây laø ta khoâng sôï
chuyeån maïch thaát baïi neân giaù trò L nguoàn coù Hình V.3.1: Boä nghòch löu nguoàn doøng duøng
theå choïn nhoû hôn khi duøng SCR, taàn soá hoaït transistor
ñoäng coù theå lôùn hay beù hôn taàn soá coäng höôûng vaø khoâng caàn maïch moài ñeå khôûi ñoäng heä thoáng.
2. Boä nghòch löu nguoàn aùp laøm vieäc vôùi taûi coäng höôûng:
Khi söû duïng nghòch löu nguoàn aùp (coù diod song song ngöôïc), maïch taûi seõ laø maïch coäng
höôûng noái tieáp hay hoãn hôïp nhö hình V.3.2. Nhö ta ñaõ bieát, vì ngaét ñieän chæ daãn ñieän moät chieàu,
caùc boä nghòch löu nguoàn doøng laø moät baãy naêng löôïng: naêng löôïng cung caáp phaûi ñöôïc tieâu thuï heát,
neáu khoâng seõ laøm bieân ñoä dao ñoäng taêng leân, coù theå gaây quaù aùp treân tuï ñieän. Vieäc söû duïng diod
song song laøm cho naêng löôïng ñöôïc truyeàn hai chieàu. Khaû naêng traû ñöôïc naêng löôïng phaûn khaùng
veà nguoàn laøm cho boä nghòch löu coù theå laøm vieäc khoâng taûi (hay taûi beù) maø khoâng laøm quaù aùp caùc
phaàn töû.
Q1 Q3
+ D1 + Q1 +
C1 C1
Q1 L
R L R L C
V V V
D2 L L R
Vo Vo
C2 C2 L
Q2 o Q4
_ _ Q2 _ Q2
(a) (b) (c)
Hình V.3.2: Nghòch löu noái tieáp taûi coäng höôûng khi khoâng (a) vaø coù (b),(c) traû naêng löôïng veà löôùi. (a),
(b) laø sô ñoà nhaän ñöôïc khi thay theá SCR trong hìnhV.2.6a baèng IGBT, (c) laø sô ñoà caàu IGBT, taûi laø voøng caûm
öùng RLo coù tuï C buø cos ϕ . Töï caûm L noái tieáp nhaèm caùch ly nguoàn moät chieàu vaø taûi coäng höôûng.
Moät vaán ñeà phaùt sinh khi laøm vieäc döôùi taàn soá coäng höôûng laø quaù trình traû naêng löôïng veà
nguoàn seõ taùc ñoäng trôû laïi quaù trình naïp naêng löôïng vaøo maïch dao ñoäng, ñöôïc so saùnh trong hình
sau khi moâ phoûng caùc maïch ñieän hình V.3.2 duøng PowerSIM:
* Sô ñoà hình V.3.2a:
Doøng qua L, cuõng laø doøng qua taûi R, laø nhöõng xung hình sin, veà khoâng khi aùp treân C ñaït cöïc
ñaïi, sau ñoù doøng qua ngaét ñieän baèng khoâng vaø C giöõ nguyeân ñieän aùp cho ñeán khi ngaét ñieän keá
hoaït ñoäng.
Trang 9/ Chuong 5.doc Ñieän töû coâng suaát II A
Hình V.3.3: Caùc daïng aùp cuûa sô ñoà hình V.3.2a
* Sô ñoà hình V.3.2b:
Maïch hình V.3.2b gioáng nhö hình V.3.2a nhöng khoâng coù diod chaën xung doøng traû naêng
löôïng veà nguoàn moät chieàu. Töø caùc daïng soùng treân hình V.3.4, ta nhaän xeùt bieân doä doøng ñieän qua
L, aùp treân C ñeàu giaûm do quaù trình traû naêng löôïng dao ñoäng veà nguoàn ñieän qua caùc diod song song
ngöôïc.
Hình V.3.4: Caùc daïng aùp cuûa sô ñoà hình V.3.2b
* Sô ñoà hình V.3.2c:
Hai maïch V.3.2 (a) vaø(b) ít ñöôïc gaëp trong thöïc teá. Khi taûi laø voøng caûm öùng ngöôøi ta luoân
maéc song song vôùi noù moät tuï ñieän taïo thaønh maïch coäng höôûng RLOC. Nhieäm vuï tuï ñieän naøy laø
naâng cao heä soá coâng suaát cuûa voøng caûm öùng, giaûm doøng qua ngaét ñieän vaø nguoàn. Khi ñoù, hoaït
ñoäng cuûa boä nghòch löu bao goàm 2 quaù trình: dao ñoäng cuûa maïch coäng höôûng taûi RLOC vaø söï ñoùng
ngaét nguoàn ñeå naïp naêng löôïng vaøo maïch coäng höôûng naøy. Do tính choïn loïc cuûa maïch coäng höôûng,
aùp treân taûi seõ laø dao ñoäng hình sin cuøng taàn soá ñieàu khieån vaø ta phaûi noái tieáp theâm cuoän daây L ñeå
gaùnh cheânh leäch aùp nguoàn vôùi taûi. Phuï thuoâc vaøo giaù trò L, ta coù hai tröôøng hôïp sau:
* Khi L beù, L + RLOC coù taàn soá dao ñoäng cao hôn taàn soá kích Transistor laøm cho doøng qua
Trang 10/ Chuong 5.doc Ñieän töû coâng suaát II A
noù veà zero nhanh vaø ñaûo chieàu. Xung doøng ngöôïc laøm giaûm naêng löôïng cung caáp cho maïch coäng
höôûng (hình V.3.5).
Moät nhaän xeùt quan troïng laø caùc transistor luùc naøy ñöôïc taét khi doøng vaø aùp ñeàu baèng khoâng,
toån hao ñoùng ngaét coù theå xem nhö baèng khoâng. Ñaây cuõng laø moät öu ñieåm khi duøng transistor cho
NL nguoàn aùp.
Hình V.3.5: Caùc daïng aùp cuûa sô ñoà hình V.3.2c khi L beù
* Khi L coù trò soá quaù lôùn, phaàn xung doøng ngöôïc giaûm nhöng do coù leäch pha giöõa iL vaø vC,
coâng suaát khoâng taêng nhö döï ñònh (hình V.3.6).
Hình V.3.6: Caùc daïng aùp cuûa sô ñoà hình V.3.2c khi L lôùn
3. Maïch dao ñoäng hình sin coâng suaát :
Caùc sô ñoà dao ñoäng duøng ñeøn ñieän töû cho nung noùng caûm öùng ñöôïc phaùt trieån töø laâu, khi
xuaát hieän caùc ñeøn ba cöïc coâng suaát. Ñoù laø caùc maïch dao ñoäng LC ba ñieåm nhö Colpitts (hai tuï
ñieän), Harley(hai töï caûm) nhö hình V.3.7 sau.
Phaàn töû taùc ñoäng (Triode) ñöôïc phaân cöïc ôû lôùp C ñeå naâng cao hieäu suaát cuûa maïch. Khi khôûi
ñoäng, ñieän theá cöïc coång baèng khoâng neân ñeøn seõ daãn ñieän. Tuï noái taàng C2 phoùng ñieän seõ laøm cho
Trang 11/ Chuong 5.doc Ñieän töû coâng suaát II A
+ −
maïch coäng höôûng dao ñoäng vaø maïch phaân cöïc töï ñoäng L2,R1 seõ laø cho triode tieán daàn qua vuøng
khoùa. Töø ñoù, triode chæ chuyeån sang traïng thaùi daãn ñieän khi aùp anode laø beù nhaát. Nhôø
Hình V.3.7: Dao ñoäng coâng suaát duøng ñeøn ba cöïc (triode)
ñoù, toån hao seõ laø beù nhaát. Moät bieán aùp ngoû ra duøng ñeå ñieàu hôïp toång trôû giöõa voøng caûm öùng vaø
maïch dao ñoäng. Ngöôøi ta chænh phaân cöïc cho ñeøn baèng toå hôïp C4, L2, R1 (tinh chænh baèng R1).
Taàn soá dao ñoäng ñöôïc ñieàu khieån baèng caùch thay ñoåi tuï dao ñoäng C3, cuoän daây phaûn hoài L5 vaø
maïch phaân cöïc.
Coâng suaát dao ñoäng ñöôïc ñieàu khieån baèng caùch thay ñoåi aùp nguoàn moät chieàu. Vì triode laøm
vieäc ôû ñieän aùp treân döôùi 10 KV, ngaøy nay ngöôøi ta thöôøng duøng boä bieán ñoåi aùp AC ñeà ñieàn khieån
aùp sô caáp bieán aùp taêng aùp + chænh döu diode baùn daãn ôû thöù caáp thay cho chænh löu duøng thyratron
coàng keành, hieäu suaát keùm.
Töø laâu, ngöôøi ta ñaõ chuyeån caùc sô ñoà dao ñoäng duøng ñeøn qua baùn daãn. Maïch dao ñoäng
cuõng coù daïng töông töï vôùi khi duøng ñeøn, vôùi öu ñieåm laø maïch ñieän raát ñôn giaûn, hieäu quaû nhöng
nhöôïc ñieåm laø hieäu suaát keùm hôn caùc maïch duøng ngaét ñieän (coøn goïi laø khueách ñaïi lôùp D). Do ñoù
caùc sô ñoà duøng maïch dao ñoäng thöôøng duøng khi coâng suaát beù hay taàn soá raát cao, luùc caùc maïch phaùt
xung khoâng kieåm soaùt toát hoïat ñoäng cuûa BBÑ.
BAØI ÑOÏC THEÂM VEÀ CAÙC PHÖÔNG PHAÙP NUNG NOÙNG KHAÙC:
Other electric heating method
• Resistance heating
This is the method which heats by joule calorie which is generated by currency within resistance.
And direct one is the method which heats work with electric conductivity by inputting curenncy.On
the other side, indirect one is the method which uses resistance and heats work through it in
directly by radiation, convection and conduction.
• Dielectric heating and microwave heating
It is the method which heats non-electric conductivity works in alternative electrical fields. And
especially, dielectric heating method which uses quite high frequency is called microwave heating.
• Infrared heating
This is the method which uses radiation of infrared. Infrared valve and other resistance heat is
applied as heat source, so this method is a kind of resistance heating. Infrared heating use heat
radiation radiation.
• Arc heating and plasma heating
This is the method which uses heat generated by arc. Direct one uses work material as electrode.
And indirect one heat with arc heat by radiation, convection and conduction.
Trang 12/ Chuong 5.doc Ñieän töû coâng suaát II A
• Electron beam heating and ion beam heating
This is the method which uses electrum beam. The work is in vacuum and gets quite high power
density through electron lens.
• Laser heating
This is the method which use laser. The heating work is in air, and gets quite high power density
through optical lens.
The comparison between induction heating and other method
• The comparison with resistance heating
1. The resistance heating must have much loss and low efficiency because it has much heat
capacity.
2. The resistance heating cannot heat up to temperature more than limit of material of resistance.
3. The power density of resistance heating is much lower than induction heating(maximam
20W/cm2 for resistance heating). Therefore heating speed of resistance heating is slow and
failure on heat conduction on resistance (ex in vacuum) induce over-heat.
4. The price of resistance heater is very cheap.
• The comparison with dielectric heating and microwave heating
The work applied for dielectric heating cannot be suit for induction heating. So generally both seeds
cannot be compared each other.
• The comparison with infrared heating
1. The infrared heating must have much loss and low efficiency because it has much heat
capacity.
2. The infrared heating cannot heat up to temperature more than limit of infrared heater.
3. The power density of infrared heating is much lower than induction heating. Therefore heating
speed of infrared heating is slow and depends on emissivity of the surface of work.
4. The price of infrared heater is very cheap.
• The comparison with arc heating
1. The arc heating is mainly used for melting of iron, and induction heating is used for melting of
other metal.
2. The initial cost of arc furnace is relatively cheap because it uses line frequency, and it is used
for large plants. On the other hand the cost of induction heating furnace is expensive if it use
high frequency invertors.
• The comparison with electron , ion and laser beam heating
1. The electron beam heating is used for very special field of melting and bonding. The electron
beam has quite high power density and the quality of bonding is very good because it doesn't
have few heat affected zone.
2. The production rate of electrum beam is not good for industrial usage.
Trang 13/ Chuong 5.doc Ñieän töû coâng suaát II A
Copyright by webtailieu.net