Bài giảng Điện công suất - Chương 6: Nghịch lưu công hưởng - Trần Trọng Minh

Ts. Trần Trọng Minh
Bộ môn Tự đông hóa,
Khoa Điện, ĐHBK Hà nội
Hà nội, 9 - 2010
Khái niệm về nghịch lưu CỘNG HƯỞNG
Các bộ nghịch lưu cộng hưởng nguồn dòng, nguồn áp
NLCH thyristor nguồn dòng
NLCH nguồn áp thyristor 
NLCH nguồn áp tranzitor 


 
Chương 6 
Nghịch lưu cộng hưởng

 VI.1 Những vấn đề chung

 VI.1.1 Khái niệm về NLCH

 VI.1.2 Ứng dụng của nghịch lưu cộng hưởng

 VI.1.3 Phân loại NLCH

 VI.2 Nghịch lưu cộng hưởng song song thyristor

 VI.2.1 Sơ đồ

 VI.2.2 Tính toán NLCH song song

 VI.2.3 Hệ thống điều khiển

 VI.3 Nghịch lưu cộng hưởng nối tiếp thyristor

 VI.3.1 Sơ đồ

 VI.3.2 Phân tích sơ đồ

 VI.4 Nghịch lưu cộng hưởng nối tiếp tranzitor

 VI.4.1 Sơ đồ

 VI.4.2 Các đặc điểm

 VI.5 Nhận xét chung về NLCH


 
VI.1 Những vấn đề chung
VI.1.1 Khái niệm về nghịch lưu cộng hưởng

 NLCH: bộ biến đổi DC/AC, tải có tính chất là mạch vòng dao động RLC. 


 
	
	


VI.1 Những vấn đề chung
VI.1.1 Khái niệm về nghịch lưu cộng hưởng

 Nguồn điện tần số cao được xây dựng từ các bộ nghịch lưu cộng hưởng 
(NLCH). Đặc điểm cơ bản của NLCH là có phụ tải là một mạch vòng dao 
động với dòng điện hoặc điện áp có dạng hình sin, van có thể chuyển mạch 
tự nhiên khi dòng qua nó về bằng không hoặc khi điện áp giữa anôt-catôt 
trở nên âm, tổn thất trong quá trình chuyển mạch nhỏ, van có thể đóng cắt 
với tần số cao. NLCH thường được dùng để tạo dòng điện, điệp áp gần sin 
với tần số tương đối cao (từ vài trăm Hz đến vài trăm kHz).

 Van khóa lại khi dòng qua nó về bằng không gọi là chuyển mạch dòng về 
không: Zero Current Switching – ZCS;

 Van mở ra khi điện áp trên nó bằng không gọi là chuyển mạch áp bằng 
không: Zero Voltage Switching – ZVS.

 Chuyển mạch trong các điều kiện ZCS hoặc ZVS có tổn thất do chuyển 
mạch nhỏ. Đây là điều kiện rất quan trọng để van có thể đóng cắt ở tần số 
cao hoặc rất cao, khi tổn thất trong bộ biến đổi sẽ chủ yếu là tổn thất do 
chuyển mạch.


 
VI.1 Những vấn đề chung
VI.1.2 Ứng dụng của nghịch lưu cộng hưởng

 Các thiết bị nung nóng cảm ứng (Induction Heating) yêu cầu nguồn điện tần 
số cao, tạo nên dòng điện cảm ứng trong các vật liệu sắt từ, cung cấp năng 
lượng làm tăng nhiệt độ của vật, không cần đến sự tiếp xúc giữa nguồn 
nhiệt với vật bị nung nóng. 

 NLCH có ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực gia nhiệt, nấu luyện thép cảm 
ứng. NLCH chính là nguồn cấp năng lượng với hiệu suất cao trong các thiết 
bị tôi cao tần, lò nấu thép cảm ứng, các nguồn hàn tần số cao NLCH cũng 
được dùng trong các thiết bị quấy thép đang nóng chảy, các thiết bị gia nhiệt 
không tiếp xúc trong lắp ráp, gia công cơ khí.

 NLCH có ứng dụng ngày càng quan trọng trong các bộ biến đổi nguồn DC 
– DC có khâu trung gian tần số cao DC – AC – DC. Khâu biến đổi tần số 
cao với dòng hình sin hoặc áp hình sin làm giảm kích thước các phần tử 
phản kháng L, C, và các máy biến áp, thường được dùng khi hệ số biến đổi 
nguồn lớn.


 
VI.1 Những vấn đề chung
V.1.3 Phân loại nghịch lưu cộng hưởng

 Quá trình điện từ trong NLCH khá phức tạp vì thông số của phụ tải thay đổi 
trong một phạm vi rộng. NLCH được phân chia làm hai loại chính: 

 NLCH nguồn dòng song song, 

 NLCH nguồn áp nối tiếp.

 Theo van bán dẫn phân loại thành:

 NLCH tiristo, nguồn áp hay nguồn dòng,

 NLCH tranzito, nguồn áp hay nguồn dòng.

 Các sơ đồ dùng tiristo khi tần số yêu cầu tương đối thấp, từ vài trăm Hz đến 
2 kHz, nhưng công suất lớn và rất lớn, từ vài trăm kW đến vài MW.

 IGBT được sử dụng khi tần số yêu cầu cao, từ 10 kHz đến 50 kHz, công 
suất cỡ vài kW đến 300 kW.

 MOSFET được sử dụng ở dải tần số cao hơn, đến 300 kHz, và công suất 
nhỏ hơn, vài trăm woat đến 3 kW.


 
VI.2 Nghịch lưu cộng hưởng song song thyristor
VI.2.1 Sơ đồ

 Sơ đồ

 Nguyên lý hoạt động thể hiện 

 Đồ thị dạng dòng, áp
qua đồ thị dạng dòng điện, điện 
áp.

 Phân tích chế độ xác lập qua 
biểu đồ vector.

 β: Góc khóa của van.


 
ββ
tϕ
VI.2 Nghịch lưu cộng hưởng song song thyristor
VI.2.2 Tính toán sơ đồ

 Tính toán chế độ xác lập:

 Từ đồ thị vector

 Điện áp trung bình trên cuộn 
cảm L phải bằng 0.

 E = Uab.

 Ưu điểm của sơ đồ:

 Tụ C nối song song với phụ tải, 
có tác dụng bù công suất phản 
kháng của tải.

 Hiệu quả cao khi làm việc với 
tải hệ số công suất thấp như 
các thiết bị nung nóng cảm 
C t
t
Q Q
tg
P
β −=
2
cos
m
C
ab
UU β
pi
=

 Bỏ qua tốn thất trên sơ đồ: Pd = 
E.Id = Pt

 Dòng một chiều bằng:

 Chế độ tối ưu về truyền công 
suất β=βmin=ωtr.
ứng.

 Nguồn dòng đầu vào nên dễ 
dàng điều chỉnh công suất, an 
toàn khi hoạt động.

 Nhược điểm:

 Khởi động khá phức tạp,

 Chế độ làm việc tối ưu khá 
phức tạp.


 
t t
d
ab
P PI
E U
= =
VI.2 Nghịch lưu cộng hưởng song song thyristor
VI.2.3. Hệ thống điều khiển

 Hệ thống điều khiển: 
xem trong tài liệu 
Giáo trình ĐTCS.

 Giải quyết hai vấn 
đề:

 Khởi động,

 Sơ đồ nguyên lý.

 Sơ đồ nâng cao hiệu quả NLCH

 Điều chỉnh công suất.


 

VI.3 Nghịch lưu cộng hưởng nối tiếp thyristor
VI.3.1 Sơ đồ 

 Sơ đồ và đồ thị dạng dòng, áp.
.

 Mạch tải dao động với tần số:

 Mạch hoạt động hiệu quả nhất nếu:

 Trong đó:


 


0 2ω ω ω< < 0 2
TT T> >
0 2
11
4k Qω ω= −
1
;k k
LQ
LC R
ω ω= =
VI.3 Nghịch lưu cộng hưởng nối tiếp thyristor
VI.3.2 Phân tích sơ đồ 

 Trong dải tần số làm việc hiệu quả 
có thể dùng phương pháp sóng hài 
bậc nhất, với công cụ là biểu đồ 
vector để tính toán. (Sửa lại biểu 
đồ vector trong GT ĐTCS).

 Đặc điểm:

 Dòng phải vượt trước điện áp 
nghịch lưu, nghĩa là tải phải mang 
tính dung.

 Van tự khóa lại khi dòng bằng 0, 
gọi là Zero Current Switching –
ZCS.
.

 Khởi động dễ dàng bằng cách tăng 
dần tần số lên.


 

VI.4 Nghịch lưu cộng hưởng nối tiếp tranzitor
VI.4.1 Sơ đồ 

 Chế độ làm việc, theo đồ thị hình 

 Đồ thị dòng, áp NLCH tranzitor
.
bên, tương ứng với tính chất của 
mạch tải là trở cảm, nghĩa là dòng 
tải chậm pha so với điện áp ra 
nghịch lưu, ngược với tính chất 
của sơ đồ dùng tiristo.

 Chỉ làm việc tốt khi:

 Đặc trưng bởi Zero Voltage 
Switching – ZVS. Trước khi van 
dẫn dòng thì điện áp trên nó bằng 
không, tổn thất giảm.

 ZVS đặc biệt tốt cho MOSFET.


 

0 0,T Tω ω≥ ≤
VI.5 Nhận xét chung về NLCH

 Ở đây giới thiệu chủ yếu các dạng NLCH ứng dụng trong các 
thiết bị nung nóng cảm ứng như: lò nấu thép trung tần, lò tôi 
cao tần, máy hàn tần số cao, 

 NLCH còn có mảng ứng dụng rất quan trọng trong các bộ biến 
đổi DC-AC-DC làm các bộ nguồn một chiều chất lượng cao, 
kích thước nhỏ, hiệu suất cao. Trong khuôn khổ chương trình 
chưa có điều kiện giới thiệu, đề nghị tự nghiên cứu.

 Khái niệm về ZCS, ZVS có ý nghĩa quan trọng cung cấp giải 
pháp chuyển mạch mềm (Soft Switching) trong các BBĐ công 
suất lớn, điện áp cao, dòng điện lớn. Trong đó chuyển mạch 
nặng (Hard Switching) sẽ gây những tổn thất không thể chấp 
nhận được.