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

Ts. Tr ần Tr ọng Minh Bộ môn Tự đông hóa, Khoa Điện, ĐHBK Hà nội Hà nội, 9 - 2010 Khái ni ệm v ề ngh ịch l ưu C ỘNG H ƯỞ NG Các b ộ ngh ịch l ưu c ộng h ưở ng ngu ồn dòng, ngu ồn áp NLCH thyristor ngu ồn dòng NLCH ngu ồn áp thyristor NLCH ngu ồn áp tranzitor 10/22/2010 2 Ch ươ ng 6 Ngh ịch l ưu c ộng h ưở ng
VI.1 Nh ững v ấn đề chung
VI.1.1 Khái ni ệm v ề NLCH
VI.1.2 Ứng d ụng c ủa ngh ịch l ưu c ộng h ưở ng
VI.1.3 Phân lo ại NLCH
VI.2 Ngh ịch l ưu cộng h ưở ng song song thyristor
VI.2.1 S ơ đồ
VI.2.2 Tính toán NLCH song song
VI.2.3 H ệ th ống điều khi ển
VI.3 Ngh ịch lưu c ộng h ưở ng n ối ti ếp thyristor
VI.3.1 S ơ đồ
VI.3.2 Phân tích s ơ đồ
VI.4 Ngh ịch l ưu c ộng h ưở ng n ối ti ếp tranzitor
VI.4.1 S ơ đồ
VI.4.2 Các đặ c điểm
VI.5 Nh ận xét chung v ề NLCH 10/22/2010 3 VI.1 Nh ững v ấn đề chung VI.1.1 Khái ni ệm v ề ngh ịch lưu c ộng h ưở ng
NLCH: b ộ bi ến đổ i DC/AC, t ải có tính ch ất là m ạch vòng dao độ ng RLC. Nghịch lưu, bộ biến đổi DC/AC 10/22/2010 4 VI.1 Nh ững v ấn đề chung VI.1.1 Khái ni ệm v ề ngh ịch l ưu c ộng h ưở ng
Ngu ồn điện t ần s ố cao đượ c xây d ựng t ừ các b ộ ngh ịch l ưu c ộng h ưở ng (NLCH). Đặ c điểm c ơ b ản c ủa NLCH là có ph ụ t ải là m ột m ạch vòng dao độ ng v ới dòng điện ho ặc điện áp có d ạng hình sin, van có th ể chuy ển m ạch tự nhiên khi dòng qua nó v ề b ằng không ho ặc khi điện áp gi ữa anôt-catôt tr ở nên âm, t ổn th ất trong quá trình chuy ển m ạch nh ỏ, van có th ể đóng c ắt với t ần s ố cao. NLCH th ườ ng đượ c dùng để t ạo dòng điện, điệp áp g ần sin với t ần s ố t ươ ng đố i cao (t ừ vài tr ăm Hz đế n vài tr ăm kHz).
Van khóa l ại khi dòng qua nó v ề b ằng không g ọi là chuy ển m ạch dòng v ề không: Zero Current Switching – ZCS;
Van m ở ra khi điện áp trên nó b ằng không g ọi là chuy ển m ạch áp b ằng không: Zero Voltage Switching – ZVS.
Chuy ển m ạch trong các điều ki ện ZCS ho ặc ZVS có t ổn th ất do chuy ển mạch nh ỏ. Đây là điều ki ện r ất quan tr ọng để van có th ể đóng c ắt ở t ần s ố cao ho ặc r ất cao, khi t ổn th ất trong b ộ bi ến đổ i s ẽ ch ủ y ếu là t ổn th ất do chuy ển m ạch. 10/22/2010 5 VI.1 Nh ững v ấn đề chung VI.1.2 Ứng d ụng c ủa ngh ịch l ưu c ộng h ưở ng
Các thi ết b ị nung nóng c ảm ứng (Induction Heating) yêu c ầu ngu ồn điện t ần số cao, t ạo nên dòng điện c ảm ứng trong các v ật li ệu s ắt t ừ, cung c ấp n ăng lượ ng làm t ăng nhi ệt độ c ủa v ật, không c ần đế n s ự ti ếp xúc gi ữa ngu ồn nhi ệt v ới v ật b ị nung nóng.
NLCH có ứng d ụng r ộng rãi trong l ĩnh v ực gia nhi ệt, n ấu luy ện thép c ảm ứng. NLCH chính là ngu ồn c ấp n ăng l ượ ng v ới hi ệu su ất cao trong các thi ết bị tôi cao t ần, lò n ấu thép c ảm ứng, các ngu ồn hàn t ần s ố cao NLCH c ũng đượ c dùng trong các thi ết b ị qu ấy thép đang nóng ch ảy, các thi ết b ị gia nhi ệt không ti ếp xúc trong l ắp ráp, gia công c ơ khí.
NLCH có ứng d ụng ngày càng quan tr ọng trong các b ộ bi ến đổ i ngu ồn DC – DC có khâu trung gian t ần s ố cao DC – AC – DC. Khâu bi ến đổ i t ần s ố cao v ới dòng hình sin ho ặc áp hình sin làm gi ảm kích th ướ c các ph ần t ử ph ản kháng L, C, và các máy bi ến áp, th ườ ng đượ c dùng khi h ệ s ố bi ến đổ i ngu ồn l ớn. 10/22/2010 6 VI.1 Nh ững v ấn đề chung V.1.3 Phân lo ại ngh ịch l ưu c ộng h ưở ng
Quá trình điện t ừ trong NLCH khá ph ức t ạp vì thông s ố c ủa ph ụ t ải thay đổ i trong m ột ph ạm vi r ộng. NLCH đượ c phân chia làm hai lo ại chính:
NLCH ngu ồn dòng song song,
NLCH ngu ồn áp n ối ti ếp.
Theo van bán d ẫn phân lo ại thành:
NLCH tiristo, ngu ồn áp hay ngu ồn dòng,
NLCH tranzito, ngu ồn áp hay ngu ồn dòng.
Các s ơ đồ dùng tiristo khi t ần s ố yêu c ầu t ươ ng đố i th ấp, t ừ vài tr ăm Hz đế n 2 kHz, nh ưng công su ất l ớn và r ất l ớn, t ừ vài tr ăm kW đế n vài MW.
IGBT đượ c s ử d ụng khi t ần s ố yêu c ầu cao, t ừ 10 kHz đế n 50 kHz, công su ất c ỡ vài kW đế n 300 kW.
MOSFET đượ c s ử d ụng ở d ải t ần s ố cao h ơn, đế n 300 kHz, và công su ất nh ỏ h ơn, vài tr ăm woat đế n 3 kW. 10/22/2010 7 VI.2 Ngh ịch l ưu c ộng h ưở ng song song thyristor VI.2.1 S ơ đồ
Sơ đồ
Đồ th ị d ạng dòng, áp
Nguyên lý ho ạt độ ng th ể hi ện qua đồ th ị d ạng dòng điện, điện áp.
Phân tích ch ế độ xác l ập qua bi ểu đồ vector. β β ϕt
β: Góc khóa c ủa van. 10/22/2010 8 VI.2 Ngh ịch l ưu c ộng h ưở ng song song thyristor VI.2.2 Tính toán s ơ đồ
Tính toán ch ế độ xác l ập:
Ưu điểm c ủa s ơ đồ : Q− Q
Từ đồ th ị vector tg β = C t
Tụ C n ối song song v ới ph ụ t ải, Pt
Điện áp trung bình trên cu ộn có tác d ụng bù công su ất ph ản cảm L ph ải b ằng 0. kháng c ủa t ải. 2U m
Hi ệu qu ả cao khi làm vi ệc v ới U = C cos β ab π tải h ệ s ố công su ất th ấp nh ư các thi ết b ị nung nóng c ảm
E = U ab . ứng.
Bỏ qua t ốn th ất trên s ơ đồ : Pd =
ồ đầ ễ E.I d = P t Ngu n dòng u vào nên d
Dòng m ột chi ều b ằng: dàng điều ch ỉnh công su ất, an toàn khi ho ạt độ ng. Pt P t Id = =
Nh ượ c điểm: E U ab
Ch ế độ t ối ưu v ề truy ền công
Kh ởi độ ng khá ph ức t ạp, su ất β=βmin =ωtr.
Ch ế độ làm vi ệc t ối ưu khá ph ức t ạp. 10/22/2010 9 VI.2 Ngh ịch l ưu c ộng h ưở ng song song thyristor VI.2.3. Hệ th ống điều khi ển
Hệ th ống điều khi ển:
Sơ đồ nguyên lý. xem trong tài li ệu Giáo trình ĐTCS.
Gi ải quy ết hai v ấn đề :
Kh ởi độ ng,
Điều ch ỉnh công su ất.
Sơ đồ nâng cao hi ệu qu ả NLCH 10/22/2010 10 VI.3 Ngh ịch l ưu c ộng h ưở ng n ối ti ếp thyristor VI.3.1 S ơ đồ .
Sơ đồ và đồ th ị d ạng dòng, áp.
Mạch t ải dao độ ng v ới t ần s ố: 1 ω0 = ω k 1 − 2
4Q Mạch ho ạt độ ng hi ệu qu ả nh ất n ếu:
Trong đó: 1 L T ωk=;Q = ω k ω T > LC R 0 0 2 10/22/2010 11 VI.3 Ngh ịch l ưu c ộng h ưở ng n ối ti ếp thyristor VI.3.2 Phân tích s ơ đồ .
Trong d ải t ần s ố làm vi ệc hi ệu qu ả
Đặ c điểm: có th ể dùng ph ươ ng pháp sóng hài
Dòng ph ải v ượ t tr ướ c điện áp bậc nh ất, v ới công c ụ là bi ểu đồ ngh ịch l ưu, ngh ĩa là t ải ph ải mang vector để tính toán. (S ửa l ại bi ểu tính dung. đồ Đ vector trong GT TCS).
Van t ự khóa l ại khi dòng b ằng 0, gọi là Zero Current Switching – ZCS.
Kh ởi độ ng d ễ dàng b ằng cách t ăng dần t ần s ố lên. 10/22/2010 12 VI.4 Ngh ịch l ưu c ộng h ưở ng n ối ti ếp tranzitor VI.4.1 S ơ đồ .
Đồ th ị dòng, áp NLCH tranzitor
Ch ế độ làm vi ệc, theo đồ th ị hình bên, t ươ ng ứng v ới tính ch ất c ủa mạch t ải là tr ở c ảm, ngh ĩa là dòng tải ch ậm pha so v ới điện áp ra Đặ ư ở ngh ịch l ưu, ng ượ c v ới tính ch ất
c tr ng b i Zero Voltage ướ của s ơ đồ dùng tiristo. Switching – ZVS. Tr c khi van dẫn dòng thì điện áp trên nó b ằng ỉ ệ ố
Ch làm vi c t t khi: không, t ổn th ất gi ảm. ω≥ ω ,T ≤ T 0 0
ZVS đặ c bi ệt t ốt cho MOSFET. 10/22/2010 13 VI.5 Nh ận xét chung v ề NLCH
Ở đây gi ới thi ệu ch ủ y ếu các d ạng NLCH ứng d ụng trong các thi ết b ị nung nóng c ảm ứng nh ư: lò n ấu thép trung t ần, lò tôi cao t ần, máy hàn t ần s ố cao,
NLCH còn có mảng ứng d ụng r ất quan tr ọng trong các b ộ bi ến đổ i DC-AC-DC làm các b ộ ngu ồn một chi ều ch ất l ượ ng cao, kích th ướ c nh ỏ, hi ệu su ất cao. Trong khuôn kh ổ ch ươ ng trình ch ưa có điều ki ện gi ới thi ệu, đề ngh ị t ự nghiên c ứu.
Khái ni ệm v ề ZCS, ZVS có ý ngh ĩa quan tr ọng cung c ấp gi ải pháp chuy ển mạch mềm (Soft Switching) trong các BB Đ công su ất l ớn, điện áp cao, dòng điện l ớn. Trong đó chuy ển mạch nặng (Hard Switching) s ẽ gây nh ững t ổn th ất không th ể ch ấp nh ận đượ c. 10/22/2010 14