Tài liệu Điện tử công xuất II P6 ppt

Trang 1/ Chuong 5.doc Điện tử công suất II A
CHƯƠNG 5 : BỘ NGUỒN AC TẦN SỐ CAO
V.1 KHÁI NIỆM VỀ NUNG NÓNG BẰNG TẦN SỐ:
1. Nguyên lý nung nóng bằng tần số:
Khi vật chất được đặt vào trong trường điện từ tạo ra bởi dòng điện xoay chiều có cường độ
đủ lớn, các hạt vật chất sẽ có chuyển động, tương 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 được những
vật liệu khác nhau:
- Nung nóng bằng dòng điện cảm ứng: Khi đặt vật dẫn điện (thường là kim loại) vào từ
trường 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 được gọi là
nung nóng bằng dòng cảm ứng hay gia nhiệt cảm ứng. Đây chính là lý do mà lõi thép biến áp phải
ghép lại bằng những lá tôn có bề mặt sơn cách điện và biến áp tần số cao sử dụng lõi bằng ferrite.
Tổn hao do dòng cảm ứng tăng theo bình phương tần số dòng điện do đó dòng điện sử dụng cho
nung nóng cảm ứng thường có tần số cao. Nung nóng cảm ứng có thể dùng để nung nóng hay nấu
luyện kim loại. Để ý là khi khối lượng vật liệu lớn, ta có thể sử dụng tần số công nghiệp chứ
không nhất thiết phải dùng tần số cao.
Do sự tương tác giữa các lớp dòng điện cảm ứng, mật độ dòng điện cảm ứng phân bố
không đều: tăng dần từ trong ra ngoài. Khi tần số dòng điện đủ lớn, sự phân bố này rất không đều:
dòng cảm ứng chủ yếu tập trung ở bề mặt và ta có hiệu ứng da (skin effect), được ứng dụng để tôi
kim loại. Đây làmột phương pháp tăng cơ tính các chi tiết bằng sắt thép. Chi tiết cần tôi sau khi
được nung nóng bề mặt được làm nguội thật nhanh. Kết quả là bề mặt chi tiết được biến cứng
trong khi bên trong vẫn không thay đổi cơ tính, tính năng hoạt động được nâng cao.
- Nung nóng điện môi: Ứng dụng hiện tượng tổn hao điện môi của vật liệu cách điện hay
dẫn điện kém khi được đặt trong điện trường tần số rất cao từ vài trăm đến hàng MHz. Đối tượng
cho nung nóng điện môi 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 được nung.
- Mật độ năng lượng rất cao nên thời gian nung nhanh, vật liệu không đổi tính chất, cho
phép thực hiện các công nghệ đặc biệt.
- Không có môi chất cho trao đổi nhiệt nên có thể gia công với độ tinh khiết cao...

Nhược điểm duy nhất là cần bộ nguồn tần số luôn đắt tiền.
Trong chương này, ta chỉ tìm hiểu các bộ nguồn sử dụng ngắt điện bán dẫn, có thể làm việc
đến MHz và thường được ứng dụng cho nung nóng cảm ứng.
2. Các quan hệ của nung nóng cảm ứng:
[tài liệu
- Chiều sâu thấm P được đònh nghóa là độ sâu tính từ bề mặt để mật độ dòng điện giảm
36.8% so với giá trò trên bề mặt, ρ: điện trở suất , μ: hệ số từ thẩm tương đối.

3
10
5.03
2
P
f
f
ρ
ρ
μ
πμ
⋅
==
⋅
⋅
. <V.1.1>
Trang 2/ Chuong 5.doc Điện tử công suất II A
Từ P, ta chọn được tần số của bộ nguồn cao tần tù thuộc vào vật liệu và công nghệ gia
công là nung nóng, nấu chảy hay tôi bề mặt. Bảng sau cho ta các thông số cho công nghệ tôi bề
mặt dùng dòng điện cảm ứng.
Tôi cao tần
Chiều sâu (mm)

Đường kính vật
(mm)
Tần số
(kHz)
Công suất
(kw)
0.5~1.0 6~25 400,200 15,30
11~16 400,200,30 80
16~25 400,200,30,10 80,50
25~50 200,30,10 50,80
1.2~2.5
> 50 30,10 80
19~25 30,10 80,150
25~100 3,10 80,150
2.5~5.0
> 100 3,10 150,300
Bảng V.1 Các quan hệ khi tôi bề mặt thép.
Với thép, vật liệu mất từ tính ởû 800
O
tương ứng μ = 1, ta có khi đó:

503
()Pmm
f
= <V.1.2>
và nếu chọn đường kính vật bằng 3.5 lần chiều sâu thấm tôi, ta có bảng tra tần số tối thiểu
cho thiết bò nấu cảm ứng:
Tần số f
kHz
Đường kính

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 lưới: Sử dụng cho nấu kim loại khi khối lượng tương ứng với công suất đủ
lớn. Ta có thể hình dung đây là một biến áp (thường có lõi thép) trong đó sơ cấp nối lưới điện, thứ
cấp là khối kim loại cần nung chảy, tạo thành một vòng ngắn mạch.
Trang 3/ Chuong 5.doc Điện tử công suất II A
.
Hình V.1.1: Quan hệ chiều sâu thấùm 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 nghòch lưu nối tiếp
hay song song, có hay không qua trung gian một chiều.
3. Bộ nguồn dùng transistor: Phát triển trong thời gian gần đây, khi cac transistor dòng lớn,
áp cao được chế tạo. Làm việc ở tần số đến MHz (thông thường 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 môi. 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 trưng quan trọng của thiết bò nung nóng cảm ứng là là hệ số công suất của tải rất thấp
khoảng 0.1 vì là cuộn dây không lõi thép. Để giảm dòng qua các ngắt điện, cần mắc tụ điện song
song để tăng hệ số công suất nên tải luôn là mạch cộng hưởng LCR.
Như vậy, ta có thể thấy là các bộ nguồn dùng SCR có thể được dùng để nung nóng hay nấu
chảy kim loại ở công suất lớn vì hoạt động chủ yếu ở tần số thấp. Để tôi cao tần hay nấu luyện

kim loại ở số lượng 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 được
phát triển. Trong chương này ta chỉ nghiên cứu các bộ nguồn dùng cho nung nóng cảm ứng.
V.2 BỘ NGUỒN TẦN SỐ CAO DÙNG SCR:
1. Nghòch lưu song song và nối tiếp:
Là các dạng nghòch lưu 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
hưởng LCR, làm cho dòng qua SCR có thể về zero và tắt. Hình V.2.1 bao gồm hai mạch nghòch
lưu song song: (a) là sơ đồ cầu, (b) là sơ đồ ghép biến áp; và (c) là nghòch lưu nối tiếp.
+
Trang 4/ Chuong 5.doc Điện tử công suất II A
V
V
o
V
V
C
L
R
SCR1
SCR2
L1 L2
+
_
+
_
SCR1
SCR2
R
SCR3

SCR4
C
T
SCR1 SCR2
C
L
+
_

(a) (b) ( c)
Hình V.2.1: Nghòch lưu song song (a) và (b), nối tiếp (c).
a. Nghòch lưu song song: Khảo sát sơ đồ cầu V.2.1.a.
Dạng sóng các phần tử trên sơ đồ V.2.1.a được vẽ trên hình V.2.2.b. Các SCR 1 và SCR 4
có cùng dạng xung kích, SCR 2 và SCR3 được kích cùng lúc. Khi SCR 1 và SCR 4 dẫn điện, tụ
điện C được nạp đến điện áp có cực tính như trên hình vẽ. Điện áp này sẽ đặt điện áp âm và làm
tắt SCR 1 và
SCR 4 khi SCR2 và SCR3
được kích. Tự cảm L ở đầu
vào cách ly nguồn và cầu
chỉnh lưu, làm cho dòng
điện cung cấp vào cầu chỉnh
lưu không 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. Nghòch lưu nối
tiếp:

(a) (b)

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 nhấùt trong nhóm mạch nghòch lưu nối tiếp, có
mạch tương đương là LCR nối tiếp khi SCR dẫn điện. Ví dụ như khi SCR 1 được kích, dòng qua
mạch sẽ về không khi áp trên tụ điện đạt giá trò cực đại (có dấu như trên mạch điện) và SCR sẽ tự
tắt. Vì thế mạch còn gọi là nghòch lưu chuyển mạch tải. Khi SCR 2 được kích, tụ điện sẽ phóng
qua nó và dòng về không khi áp trên tụ điện đảo cực tính, chuẩn bò cho chu kỳ kế tiếp – dạng sóng
hình V.2.2.a.
Hai mạch nghòch lưu này được dùng làm bộ nguồn trung hay cao tần (nhóm thứ 3 trong
phần giới thiệu ở đầu chương). Và như vậy, ngoài nhiệm vụ tắt (chuyển mạch) SCR, các tụ điện
trong hai nghòch lưu này còn có nhiệm vụ cải thiện hệ số công suất của tải, giảm dòng qua các
ngắt điện.
Trong thời gian gần đây, các transistor được dùng thay cho SCR và nhu cầu chuyển mạch
trở nên không cần thiết, tuy nhiên việc khảo sát nghòch lưu cộng hưởng vẫn có giá trò, và ta có khả
năng chuyển mạch transistor khi áp đặt vào nó bằng không: tăng độ tin cậy và hiệu suất của hệ
thống.
2. Khào sát nghòch lưu nguồn dòng tải cộng hưởng (nghòch lưu song song tải RL):
+ -
I
Trang 5/ Chuong 5.doc Điện tử công suất II A
Nghòch lưu song song
hình V.2.1 còn có thể gọi là
nghòch lưu nguồn dòng, khi tự
cảm nguồn L có giá trò đủ lớn.
Nghòch lưu nguồn dòng có
nhiều ưu điểm khi sử dụng
SCR: mạch tắt SCR hiệu quả,
điều khiển đơn giản … và ngày
nay vẫn còn được sử
i
N

i
o
V
∞
v
C
o
i
v
C
Mạch tương đương
(C là tụ chuyển
mạch)
Tải RL
N
L
i
C
i
+
L =
S3
S2
S1
_
S4
R
L
C

Hình V.2.3: mạch tương đương NL nguồn dòng tải RL
dụng ở cấp công suất lớn và rất lớn (và trăm kW đến nhiều MW). Hình V.2.3 trình bày sơ đồ
nguyên lý và mạch tương đương của NL nguồn dòng một pha tải RL. Tự cảm L
N
có giá trò lớn làm
cho dòng i
N
phẳng, không đổi ở một giá trò tải. Dòng điện này được đóng ngắt thành xoay chiều để
cung cấp cho tải. Vậy trong điều kiện lý tưởng, tải nhận được dòng điện là những xung vuông 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 L
N
. Thông thường, người ta chỉ điều khiển công suất tải thông qua thay đổi
áp nguồn một chiều vì khó thay đổi luật đóng ngắt. Như các bộ nghòch lưu nguồn dòng khác, do
năng lượng chỉ truyền một chiều,với cùng áp vào, áp ra phụ thuộc đặc tính tải.
- Khảo sát gần đúng nghòch lưu nguồn dòng: Trong thực tế, điện kháng nguồn không lớn vô
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 vuông, biên độ I.
* Tụ C và tải RL làm thành mạch cộng hưởng, làm cho áp trên tải v
C
có dạng hình sin và
như vậy chỉ có sóng hài bậc 1 của dòng cung cấp là i
1
tạo ra công suất.
Hình V.2.4.a cho ta các vector: V
C
là áp ra, I
1
là hài cơ bản của dòng ra i
O

; I
C
, I
L
lần lượt
là dòng qua C và tải RL, ta có:
V
C
là áp ra, lệch dòng ra I
L
góc φ của tải RL. I
1
sớm pha V
C
góc β để có áp âm cần thiết
tắt được các SCR (phần gạch đứng tronghình V.2.4.b). Vậy C có nhiệm vụ làm cho tải có tính
dung, không chỉ bù cos
φ cho tải cuộn dây, giảm dòng cung cấp mà còn cung cấp khả năng chuyển
mạch cho SCR.
Ta có - góc lệch pha
β
=
ω
.t
q
.
- Hiệu dụng hài bậc nhất dòng i
O
là
1

22
I I
π
=
Từ đồ thò vec tơ, ta có:
1.sin
.sin
1.sin
tan
.cos .cos
.cos
φ
φ
φ
β
φ φ
φ
−
−
−
===
L
CL C
L
L
C
I
II I
B
I

IB
I
với
1
.
ω
===
LL
CC
I Y
B
I YCZ
,