Đề tài Mô phỏng bộ lọc tích cực

i được phát sinh bởi máy điện liên quan chủ yếu tới các biến thiên của từ trở gây ra bởi các khe hở giữa rôto và stato của máy. Các máy điện đồng bộ có thể sản sinh ra các sóng hài bởi vì dạng của từ trường, sự bão hoà trong các mạch chính và các đường rò và do các dây quấn dùng để giảm dao động đặt không đối xứng. Nếu như không sử dụng máy biến thế đấu Delta, một động cơ đồng bộ 3 pha sẽ sinh ra dong điện hài bậc 3 có giá trị khoảng 10% và một động cơ đồng bộ 3 pha sẽ sinh ra dòng điện hài bậc 3 có giá trị khoảng 30%. Ví dụ dạng sóng dòng điện bị méo dạng của máy lạnh được cho theo hình 1.8, THD = 6.3% Hình 1.6 Dòng điện máy lạnh Ví dụ: Dạng sóng dòng điện của máy điều hòa không khí được cho theo hình1.9 ,THD = 10,5% Hình 1.7 Dòng điện máy điều hòa không khí 1.4.3. Thiết bị hồ quang [8] Các thiết bị hồ quang thường gặp nhất trong hệ thống điện lực công nghiệp là các lò điện hồ quang và các máy hàn, nhưng các thiết bị hồ quang nhiều hơn. Đèn hồ quang cho các bãi đậu xe và đèn huỳnh quang lớn.Việc đo lường được thực hiện đối với điện áp lò hồ quang cho thấy sóng hài đầu ra biến thiên rất lớn, ví dụ như sóng hài bậc 5 là 8% ở giai đoạn nóng chảy, 6% ở cuối mỗi giai đoạn nóng chảy và 2,5% của giai đoạn cơ bản trong suất thời gian tinh luyện. Với điều kiện không cân bằng của cực hồ quang điện, điều hoà bậc 3 và các bội số của nó có thể xảy ra với số lượng thấy rõ. Thêm vào đó các sóng hài bậc 5 và bậc 7 xảy ra trong điều kiện cân bằng có thể ra tăng đáng kể ở điều kiện không cân bằng. 1.4.4. Thiết bị điện tử công suất 1.4.4.1. Bộ chỉnh lưu một pha Bộ chỉnh lưu một pha điển hình được sử dụng trong việc cung cấp nguồn cho các động cơ DC, ắc quy, hay công nghệ chế biến hóa học, công suất của thiết bị nhỏ, tử vài W đến vài kW. Ví dụ bộ chỉnh lưu cầu 1 pha Diode, hệ số méo dạng THD của dòng điện thường lớn hơn 100% AC supply V(t) i(t) DC output Hình 1.8 Bộ chỉnh lưu cầu 1 pha Diode Các thiết bị điên gia dụng và công nghiệp sử dụng bộ chỉnh lưu cầu 1 pha Diode thông dụng là : Các thiết bị của tivi, Đầu ghi video Máy vi tính, máy in Lò vi sóng Bộ điều chỉnh tốc độ Đèn huỳnh quang Bộ UPS nhỏ Ví dụ: Dòng điện của bộ thu tivi -tivi receiver có độ méo dạng rất lớn THD = 120% như hình 1.9 Hình 1.9 Điện áp và dòng điện của bộ thu tivi – tivi receiver 1.4.4.2. Bộ biến đổi công suất Bộ AC/DC/AC, DC/AC thông thường biến đổi DC trở lại thành AC sao cho các động cơ cảm ứng hay đồng bộ có thể cung cấp công suất ở tần số khác với tần số 50Hz. Điều này thực hiện sao cho các động cơ có thể vận hành hiệu quả hơn. Các bộ chỉnh lưu cung cấp nguồn cho các tải thông thường được mô tả bằng số xung của chúng, chẳng hạn như 3, 6 , 12, 18, 24 xung và có thể hơn nữa. Số xung phản ánh số thiết bị đóng ngắt, trạng thái ngắt được sử dụng. Loại 6 và12 xung rất thông dụng, chỉnh lưu 3 xung đôi khi được sử dụng trong công suất nhỏ và 18 xung trở lên được sử dụng ở công suất lớn hơn, việc lựa chọn số xung được dựa trên tính kinh tế, loại 3 xung là dễ nhất nhưng chỉ được sử dụng ở công suất cho trước. Sau đây là bảng tổng hợp sóng hài của một số thiết bị điện tử như sau: Bảng 1.5 Sóng hài của bộ chỉnh lưu cầu 6 pha (h: là bậc của sóng hài) h Độ lớn(%) Góc pha 1 100 -75 5 33,6 -156 7 1,6 -151 11 8,7 -131 13 1,2 54 17 4,5 -57 18 1,3 -226 23 2,7 17 25 1,2 149 Bảng 1.6 Sóng hài của bộ SVC. h Độ lớn% h Độ lớn % 1 100 3 13,78 5 5,05 7 2,59 9 1,57 11 1,05 13 0,75 15 0,57 17 0,44 19 0,35 21 0,29 23 0,24 25 0,20 Tùy theo mục đích sử dụng, các van bán dẫn có thể là linh kiện được điều khiển ( GTO, MOSFET, Thritor,..) hay các linh kiện không điều khiển được (Diode ). Ví dụ bộ chỉnh lưu tia ba pha có điều khiển được mô tả như hình 1.11 sau đây : Ud Ia Va Vb Vc Ib Ic T1 T2 T3 Hình 1.10 Chỉnh lưu tia ba pha thritor Khi đó ta thấy dòng điện trên các pha có độ méo dạng rất lớn Hình 1.11 Dạng sóng dòng điện bộ chỉnh lưu tia ba pha 1.4.5. Tác động của tụ bù với sóng hài Bên cạnh các thiết bị trực tiếp gây ra sóng hài còn các thiết bị gián tiếp tạo ra sóng hài, tụ bù là một trường hợp như vậy. Tụ không phát ra sóng hài nhưng lại xảy ra hiện tượng cộng hưởng giữa tụ và trở kháng của hệ thống sẽ làm khuyếch đại sóng hài. Bảng 1.7 Một số tiêu chuẩn của tụ bù. Đại lượng Tỉ số Giới hạn % Giá trị thực Giá trị % Điện áp đỉnh 120 119 Điện áp RMS 110 106 Dòng RMS 180 129 kvar 135 136 (Trong đó rate: giá trị danh định) 1.4.5.1. Hiện tượng cộng hưởng song song. Hiện tượng cộng hưởng song song xảy tại tần số khi XL=XC do đó Trong đó: C là điện dung của tụ. L là điện cảm của nguồn. Zch là trở kháng của hệ thống tại tần số cộng hưởng. Tại tần số này tổng trở của hệ thống rất lớn Trong đó Q = XL/R (hệ số chất lượng của hệ thống) Rõ ràng với một lượng sóng hài dòng điện rất nhỏ Ih có thể gây nên điện áp sai lệch rất lớn V = QXLIh (Ih là dòng điện sóng hài) Dòng điện khi xảy ra hiện tượng cộng hưởng song song như sau: (Ich là dòng điện tại tần số cộng hưởng) Dòng qua tụ điện và trong hệ thống sẽ tăng gấp Q lần. Q đối với hệ thống phân phối thường có giấ trị từ 3 đến 7 vì vậy dòng này có đủ khả năng làm hỏng tụ, quá nhiệt máy biến áp...Bậc của sóng hài mà có thể được khuyếch đại khi xảy ra cộng hưởng song song giữa tụ và điện cảm của hệ thống. Nếu h là tỉ số tần số giữa sóng hài và tần số cơ bản thì cảm kháng cảm dung kháng của hệ thống khi xảy ra cộng hưởng tại tần số của sóng hài như sau: , Và do đó Nên ta có: MVASC Công suất ngắn bộ (MVA) MVARcap Dung lượng cuả bộ tụ (MVAR) 1.4.5.2. Cộng hưởng nối tiếp. Khi lắp tụ bù có thể xảy ra hiện tượng cộng hưởng giữa tụ và điện cảm của máy biến áp hoặc của đường dây phân phối. Điện áp trên tụ bù được khuyếch đại đáng kể theo công thức sau : Trong đó: - Vh là điện áp tương ứng với dòng sóng hài Ih, - Vs là điện áp của tụ 1.5. ảnh hưởng của sóng hài ảnh hưởng quan trọng nhất của sóng hài đó là việc làm tăng giá trị hiệu dụng cũng như giá trị đỉnh của dòng điện và điện áp, có thể thấy rõ qua công thức sau [2]: (1.2) (1.3) Đồng thời ta có thể quan sát một cách trực quan như sau : Hình 1.13 Giá trị đỉnh RMS theo các thành phần sóng hài Khi giá trị hiệu dụng và giá trị biên độ của tín hiệu điện áp hay dòng điện tăng do sóng hài, sẽ dẫn đến hàng loạt các vấn đề sau : Làm tăng phát nóng các thiết bị điện, dây dẫn điện. ảnh hưởng đến độ bền cách điện của vật liệu điện, khả năng mang tải của dây dẫn điện. ảnh hưởng đến hoạt động của các thiết bị bảo vệ ( tác động sai) : cầu chì, CB, relayđồng thời các thiết bị đo đếm như KWh ghi nhận sai dữ liệu. Tổn hao trên dây dẫn và lõi thép của động cơ tăng, ảnh hưởng đến Momen trên trục của động cơ. Làm các mạch PLL trong điều khiển hoạt động sai. ảnh hưởng đến các thiết bị viễn thông. 1.5.1. Máy biến áp. Máy biến áp được thiết kế để truyền tải công suất theo yêu cầu đến tải sao cho tại tần số cơ bản thì tổn thất ít nhất. Sự sai lệch do sóng hài dòng điện và điện áp sẽ làm tăng đáng kể nhiệt độ của máy biến áp. Dòng của máy biến áp dao động trong khoảng 5% dòng định mức và quá điện áp là 5% khi tải định mức và 10% khi không tải. Có 3 yếu tố ảnh hưởng đến việc tăng nhiệt độ của máy biến áp khi dòng tải có thành phần sóng hài. a. Dòng RMS: Nếu máy biến áp được thiết kế chỉ tính đến nhu cầu công suất kVA của tải thì dòng sóng hài có thể khiến dòng hiệu dụng cao hơn khả năng của chúng. Việc tăng dòng rms sẽ làm tăng tổn thất trong các bộ phận dẫn điện. b.Dòng Foucault: Dòng này do từ thông của máy biến áp gây nên. Đó là các dòng trong cuộn dây, trong lõi thép...làm nóng máy biến áp. Tổn thất này tỉ lệ bình phương tần số dòng Foucault. Do đó đây là thành phần quan trọng khi xét đến tổn thất máy biến áp do nhiệt độ. c. Tổn thất do lõi thép: Tổn thất này không phụ thuộc vào tải mà chủ yếu phụ thuộc cấu tạo và vật liệu của máy biến áp. Theo tiêu chuẩn ANSI/IEEEC57.110-1998: Thì tổn thất PLL có thể coi như gồm hai thành phần:I2R và tổn thất do dòng Foucault PEC PLL=P + PEC Trong đó PEC_R là hệ số tổn thất do dòng Foucault trong điều kiện hoạt động định mức. Tổng dòng điện khi có cả sóng hài: Dòng điện tăng dẫn đến I2R tăng Bảng 1.7 Tra PEC-R(pu) của một số loại máy biến áp. Loại MVA Điện áp PEC-R% Khô 1 1,5 1,5 _ 5 kV 15 kV 3-8 12-20 9-15 Dầu 25 2,5-5 >5 480 V 480 V 480 V 1 1-5 9-15 1.5.2. Tụ điện Việc tăng điện áp gây nên hiện tượng quá ứng suất và giảm tuổi thọ của tụ. Quá nhiệt độ, điện áp và dòng điện đều làm hỏng lớp điện môi của tụ. Khi nhẹ tải hay khi cầu chì tác động ngắt tụ hỏng sẽ khiến bộ tụ khác có nguy cơ bị quá áp. Ngoài ra các thành phần sóng hài góp phần gây quá điện áp trên tụ. Điều này rất nguy hiểm đối với các thiết bị công nghiệp khi dùng các bộ chỉnh lưu công suất lớn nhưng lại không có bộ lọc. Theo tiêu chuẩn IEEE18 -1980 thì giới hạn về công suất phản kháng, về điện áp, dòng điện của tụ như sau: 110% điện áp hiệu dụng định mức. 120% điện áp đỉnh định mức. 180% dòng điện hiệu dụng định mức - 135% công suất phản kháng định mức. Tiêu chuẩn này rất quan trọng để có thể sử dụng quá định mức của tụ trong các điều kiện không bình thường, như trong điều kiện có sóng hài và trong thiết kế các bộ lọc điều hưởng đơn. 1.5.3. Các thiết bị chiếu sáng. Đèn huỳnh quang là một trong những nguồn phát sóng hài. Nhưng tác động đến độ chiếu sáng của đèn lại là thành phần sóng hài khác. Các điều hoà này có tần số không bằng số nguyên lần tần số cơ bản và có xu hướng tạo nên dao động điện áp dẫn đến sự nhấp nháy của ánh sáng. Các loại sóng hài này thường do các nhà máy thép, xi măng, hầm mỏ phát ra. Chú ý là đèn huỳnh quang nhạy cảm với sự dao động của điện áp hơn đèn sợi đốt. 1.5.4. Các cầu chì và thiết bị đóng ngắt. Một mức đáng kể sóng hài của dòng điện có thể dẫn đến các trạng thái vận hành không mong muốn của cầu chì và làm thay đổi đặc tính thời gian- dòng điện của cầu chì. Trong trường hợp các sự cố có biên độ thấp, các sóng hài có thể thấp hơn mức chảy tối thiểu nhiều lần. Cũng như hầu hết các thiết bị khác, các dòng điện điều hòa có thể làm gia tăng nhiệt và các tổn thất trong các thiết bị đóng ngắt. Ngoài ảnh hưởng của việc tăng nhiệt, các thành phần điều hòa trong sóng dòng có thể ảnh hưởng tới khả năng cắt dòng của thiết bị đóng ngắt. Vấn đề là các thành phần điều hòa có thể đưa đến việc biên độ di/dt cao tại các điểm không của dòng điện làm cho việc cắt khó khăn hơn. Các máy cắt không cắt được dòng điện do việc các cuộn cắt không có khả năng vận hành thích hợp trong điều kiện hiện diện các sóng hài khắc nghiệt. Khi có cuộn cắt hỗ trợ trong việc chuyển động của hồ quang đến điểm dốc xuống của nó, nơi mà việc cắt thực hiện, việc vận hành không hiệu quả làm kéo dài hồ quang và hậu quả cuối cùng là hỏng máy cắt. Các vấn đề tương tự có thể có trong các thiết bị đóng cắt dòng điện khác. Không có tiêu chuẩn xác định được công bố trong công nghiệp về mức của các dòng điện mà các thiết bị đóng cắt được yêu cầu để cắt. Tất cả các thí nghiệm về sự cắt được thực hiện tại tần số định mức của nguồn cung cấp. 1.5.5. Nhiễu điện thoại Thông thường các đường dây điện thoại được đặt dưới các đường dây điện trong mạng phân phối và điều này có thể dẫn đến hiện tượng nhiễu của đường dây điện thoại. Điều này được đặc trưng bởi hệ số TIF và IT theo tiêu chuẩn IEEE-519. Trong đó TIF được coi như hệ số để đo nhiễu đường dây điện thoại do sóng hài trong hệ thống điện tạo nên. Nó sử dụng một hệ số đặc biệt đó là để đặc trưng cho độ nhậy cảm của tai người đối với các âm thanh ở các tần số khác nhau. Trong đó Ih là sóng hài dòng điện. Và nếu IT lớn hơn 25000 thì có thể tạo ra các nhiễu điện thoại. Ta có bảng tra TIF tại một số tần số tại bảng 1.8. Bảng 1.8 Bảng tra TIF tại một số tần số. Tần số (Hz) TIF Tần số (Hz) TIF Tần số (Hz) TIF Tần số (Hz) TIF 60 0,5 1020 5100 1860 7820 3000 9670 180 30 1080 5400 1980 8330 3180 8740 300 225 1140 5630 2100 8830 3300 8090 360 400 1260 6050 2160 9080 3540 6730 420 650 1380 6370 2220 9330 3660 6130 540 1320 1440 6560 2340 9840 3900 4400 660 2260 1500 6680 2460 10,340 4020 3700 720 2760 1620 6970 2580 10,600 4260 2750 780 3360 1740 7320 2820 10,210 4380 2190 900 4350 1800 7570 2940 9820 5000 840 1000 5000 1.5.6. Các máy điện quay Tương tự như máy biến áp, các máy điện quay có sự tăng nhiệt độ do tổn thất sắt và tổn thất đồng tại các tần số điều hoà. Các thành phần điều hoà cũng có thể ảnh hưởng đến hiệu suất máy, mômen tạo nên sự rung lắc, và tiếng ồn. Theo tiêu chuẩn của IEEE 519-1992 đối với động cơ giới hạn 5% THD và 3 % cho từng loại sóng hài. Hiện tượng quá nhiệt sẽ bắt đầu khi sự sai lệch điện áp từ 8 đến 10% hoặc cao hơn. Sự sai lệch này phải có biện pháp khắc phục mới kéo dài được tuổi thọ của động cơ. Các động cơ mắc song song với trở kháng của hệ thống thì phải lưu ý đến các thành phần sóng hài cũng như hiện tượng dịch chuyển điểm cộng hưởng song song do giảm cảm kháng của mạng. Điều này gây bất lợi cho hệ thống hay không còn phụ thuộc vào điểm cộng hưởng trước khi đóng điện cho động cơ. Các động cơ này có khả năng làm giảm bớt sự tác động của các thành phần sóng hài và điều này phụ thuộc vào tỉ số X/R của roto. Nếu hệ thống có nhiều động cơ loại nhỏ có tỉ số X/R nhỏ thì có thể giúp giảm hiện tượng cộng hưởng sóng hài. 1.5.7. Các thiết bị đo Đo lường và trang bị các dụng cụ đo bị ảnh hưởng bởi các phần tử điều hòa, đặc biệt nếu các điều kiện cộng hưởng tồn tại dẫn đến các điện áp điều hòa cao trong bộ. Các thiết bị có đĩa cảm ứng như các điện kế và các rơle quá dòng thông thường chỉ làm việc với dòng cơ bản, nhưng pha không cân bằng gây nên sự méo của các điều hòa tạo lên sự sai số cho các thiết bị này. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, cả sai số dương điều có thể xảy ra với sự hiện diện của sự méo điều hòa tùy theo loại của đồng hồ được xem xét các sóng hài. Nói chung độ làm méo phải lớn (>20%) thì các sai số đáng kể mới được phát hiện. 1.5.8 Các role bảo vệ Các sóng hài hệ thống ảnh hưởng đến các role bằng nhiều cách làm cho role có thể tác động sai. Các role làm việc phụ thuộc vào đỉnh của điện áp và dòng điện, hay các điểm không của điện áp trong vận hành. Do vậy chúng bị ảnh hưởng trực tiếp bởi sự méo của các điều hòa. Sự hiện diện quá mức của dòng điện điều hòa bậc ba có thể làm cho các role bảo vệ chạm đất tác động sai. Các role được chế tạo có khuynh hướng vận hành ở các giá trị chậm hơn hoặc các giá trị tác động cao hơn. Các role tĩnh tần số thấp nhạy cảm đối với những thay đổi lớn của các đặc tính vận hành. Tùy theo nhà sản xuất, các role quá dòng và qua điện áp được bố trí nhiều loại khác nhau về đặc tính vận hành. Tùy theo hàm lượng sóng hài, các momem quay của các role có thể bị đảo ngược. Số lần vận hành có thể thay đổi lớn như là một hàm số của tần số. Các sóng hài có thể làm suy yếu sự vận hành tốc độ cao của các role so lệch. Nói chung các mức điều hòa làm cho các role vận hành sai lớn hơn các mức được xem xét để hạn chế cho các thiết bị khác. Các mức điều hòa khoảng 10 đến 40% thông thường được yêu cầu đối với việc vận hành role, trừ các tình huống không bình thường. 1.5.9. Thiết bị điện tử công suất Thiết bị điện tử trong nhiều trường hợp ngoài là nguồn đáng kể của các dòng điều hoà thì nó cũng rất dễ bị vận hành sai do sự làm méo các sóng hài. Thiết bị này thường phụ thuộc vào sự xác định chính xác điện áp qua điểm không hay điểm mà tại đó một điện áp dây trở nên lớn hơn điện áp dây khác. Cả hai điểm này là điểm tới hạn của nhiều loại điều khiển mạch điện tử và vận hành sai. Chương II giải pháp hạn chế sóng hài đi sâu tìm hiểu bộ lọc tích cực song song 2.1. Giảm lượng sóng hài do tải phát ra Rất khó có thể loại bỏ các tải phát ra sóng hài mà thay vào đó ta có thể sử dụng chúng như sau: máy biến áp quá kích từ có thể đặt lại chế độ hoạt động bình thường bằng cách hạ điện áp đặt vào đến điện áp định mức, các thiết bị hồ quang và hầu hết các bộ nghịch lưu nên được thiết lập hoạt động theo như đặc tính thiết kế của chúng. 2.1.1. Cách ly phụ tải Cách ly phụ tải hoặc nhóm phụ tải gây sóng hài bằng cách nhóm các phụ tải phi tuyến với nhau như hình 2.1 Source AC Sensitive Line impedances Non-linear Load 2 Non-linear Load 1 No Yes Hình 2.1 Cách ly phụ tải gây ô nhiễm sóng hài 2.1.2. Dùng biến áp riêng Dùng biến áp riêng cho phụ tải có đặc tính phi tuyến và phụ tải có đặc tính tuyến tính. Linear Load 2 Non-linear Load 1 MV network Hình 2.2 Dùng biến áp riêng Dùng các máy biến áp có đấu dây đặc biệt Dùng các máy biến áp có đấu dây đặc biệt đấu Y/D, đấu Zig- zag... Hình 2.3 Dùng cách đấu dây đặc biệt 2.2. Thực hiện lắp các bộ lọc sóng hài Các bộ lọc thụ động song song tạo ra hiện tượng ngắn mạch đối với các dòng sóng hài. Đây là một phương pháp phổ biến vì tính kinh tế cũng nhu khả năng nâng cao hệ số công suất cho mạng. Các bộ lọc mắc nối tiếp với hệ thống có trở kháng rất lớn với các thành phần sóng hài nên chúng bị giữ lại. Tuy nhiên bộ này ít được sử dụng vì điện áp trên tải bị sai lệch nhiều. 2.2.1. Bộ lọc thụ động 2.2.1.1 Bộ lọc sóng hài điều hưởng đơn Hình 2.4 Bộ lọc sóng hài điều hưởng đơn Bộ lọc sóng hài điều hưởng đơn để lọc những tần số đặc biệt. Mạch cộng hưởng nối tiếp tạo ra trở kháng thấp cho các sóng hài dòng điện và giữ lại bất kì sóng hài dòng điện nào tại tần số điều khiển đó. Đây là một bộ lọc sóng hài đơn giản nhất. Khi xảy ra sự tác động giữa bộ lọc và trở kháng của nguồn nguồn (LS) thì sẽ xảy ra sự cộng hưởng song song tại giá trị trở kháng đỉnh. Cộng hưởng song song xảy ra tại tần số sau: (2.1) Chú ý rằng tần số này có thể thay đổi khi bất kì thành phần nào của bộ lọc L hoặc C hay của nguồn LS thay đổi. Chẳng hạn việc ngắt hay đóng máy biến áp ở trạm làm thay đổi trạng thái của nguồn. Việc thêm vào tụ bù trên đường dây tại nơi lắp đặt bộ lọc cũng gây nên tác động này. Một vấn đề có thể phát sinh nữa là: Nếu bộ lọc được điều chỉnh tại một tần số nào đó nhưng sau đó điểm cộng hưởng nối tiếp lại dịch chuyển đến điểm có tần số lớn. Chẳng hạn do sự già hoá của tụ mà điện dung của tụ bị giảm thì điểm cộng hưởng song song sẽ thẳng hàng với tần số sóng hài của tải làm sự khuyếch đại điện áp trở nên rất xấu vì nó tạo sự ứng suất trên cáp hoặc trên các cuộn dây của động cơ. Nếu coi trở kháng của nguồn là cố định thì dễ dàng điều chỉnh tần số bộ lọc thấp hơn giá trị tần số mong muốn một chút khoảng từ 3 đến 5%. Điều này sẽ giúp bộ lọc vẫn tạo ra trở kháng thấp nếu tần số điều hưởng dịch chuyển lên giá trị cao hơn một chút. Ngoài ra ta có thể sử dụng mạch phát hiện không cân bằng để bảo vệ bộ tụ cũng như đảm bảo bộ lọc hoạt động đúng yêu cầu. 2.2.1.2. Bộ lọc cao tần Bộ lọc này giảm trở kháng của hệ thống tại các sóng hài bậc cao. Nó có hiệu quả hơn khi dùng nó để giảm các loại sóng hài trên toàn bộ phổ tần số. Tuy bộ lọc này không lọc được tần số điều hưởng nhưng nó có thể điều chỉnh được tần số sóng hài trên một khoảng rộng. Như chúng ta quan sát thì bộ lọc này làm giảm trở kháng ở những sóng hài bậc cao. ở tần số cơ bản điện trở tiêu hao một lượng năng lượng đáng kể. Hình 2.5 Sơ đồ bộ lọc cao tần 2.2.1.3. Bộ lọc phối hợp Đôi khi trong hệ thống cũng có một vài tần số sóng hài nổi bật. Nếu để điều chỉnh các tần số như bậc 5, bậc 7 thì sẽ sử dụng bộ lọc điều hưởng tần số đơn. Nhưng với những tần số sóng hài bậc 11 và cao hơn nữa thì chúng ta sẽ sử dụng bộ lọc cao tần. Hình 2.6 sau là một ví dụ về việc phối hợp các bộ lọc. Trong đó, L1 và C1 để kiểm soát sóng hài ở một tần số đặc biệt nào đó. Còn L2 và C2 có tác dụng với sóng hài ở tần số khác. L3, R và C3 tạo thành một bộ lọc cao tần để lọc sóng hài trên một dải tần số. Hình 2.6 Sơ đồ bộ lọc phối hợp Sau đây là hình ảnh về đặc tính tần số-điện áp của một hệ thống điện khi có tụ bù nhưng không lắp bộ lọc và khi có cả tụ bù lẫn bộ lọc Hình 2.7 Khi chưa có bộ lọc Hình 2.8 Khi có bộ lọc tách đông Trong đó: - Đường thẳng là đặc tính của hệ thống khi không có tụ bù. - Đường cong là đặc tính của hệ thống khi có tụ bù nhưng không lắp bộ lọc xảy ra hiện tượng khuyếch đại điện áp tại tần số 13f. 2.2.2. Bộ lọc tích cực Có nhiều phương pháp khử và hạn chế các sóng hài như dùng bộ lọc thụ động ( Pasive filter ), sử dụng máy biến thế đấu Y/r,Nhưng phương pháp sử dụng bộ lọc tích cực là phương pháp hiện đại và đang được áp dụng nhiều nhất trong lĩnh vực khử sóng hài. Nguyên lí hoạt động của các bộ lọc tích cực là khả năng chủ động phát ra các thành phần bù cùng độ lớn nhưng nguợc pha với sóng hài. 2.2.2.1. Phân loại theo bộ biến đổi công suất Căn cứ vào cấu hình của bộ biến đổi công suất được sử dụng trong bộ lọc, ta có 2 loại bộ lọc tích cực : VSI - bộ biến đổi nguồn áp và CSI- bộ biến đổi nguồn dòng điện. a. Cấu trúc bộ lọc tích cực VSI Hình 2.10 Cấu hình VSI Đặc điển của cấu trúc của cấu hình VSI là có thể mở rộng ra cấu trúc đa bậc b. Cấu trúc bộ lọc tích cực CSI Hình 2.11 Cấu hình CSI Đặc điển của cấu trúc của cấu hình VSI là tổn hao do đóng cắt linh kiện cao, không thể mở rộng ra cấu trúc đa bậc. 2.2.2.2. Phân loại theo sơ đồ Phân loại theo sơ đồ ta có bộ lọc tích cực nối tiếp và bộ lọc tích cực song song. a. Bộ lọc tích cực nối tiếp Điện áp Vf được bơm nối tiếp vào mạng và nó bù sự sai lệch điện áp do tải phi tuyến. Đặc tính của bộ bù nối tiếp bị tác động của trở kháng hệ thống và tải. Điều này giống với bộ lọc thụ động, tuy nhiên bộ lọc tích cực nối tiếp có đặc tính bù tốt hơn chống lại sự biến đổi của trở kháng và tần số của sóng hài dòng điện. Tuy nhiên giá thành ban đầu của nó khá cao. Bộ lọc tích cực nối tiếp được thể hiện như hình 2.12 Nguồn AC Tải phi tuyến Bộ lọc tích cực nối tiếp Hình 2.12 Bộ lọc tích cực nối tiếp b. bộ lọc tích cực song song Bộ lọc này bù các sóng hài dòng điện bằng cách bơm vào mạch dòng điện bù bằng nhau nhưng ngược dấu. Trong trường hợp này bộ lọc hoạt động như một nguồn dòng. Kết quả là dòng cấp bởi nguồn là hình sin. Nếu dòng sóng hài cao hơn giá trị định mức của bộ lọc thì bộ lọc sẽ tự động giới hạn điện áp ở đầu ra của nó đến giá trị định mức lớn nhất, bộ lọc sẽ không bị quá tải và sẽ tiếp tục bù đến giá trị dòng lớn nhất có thể. Hơn nữa nó có thể làm việc lâu dài trong điều kiện này mà không bị hư hỏng. Nguồn AC Tải phi tuyến Bộ lọc tích cực song song Hình 2.13 Bộ lọc tích cực song song 2.2.2.3 Bộ lọc kết hợp Là bộ lọc kết hợp giữa bộ lọc tích cực và bộ lọc thụ động, bộ lọc tích cực song song kết hợp với bộ lọc tích cực nối tiếp vvsau đây là một số sơ đồ về bộ lọc kết hợp:Bộ lọc tích cực song song kết hợp với bộ lọc thụ động để tăng khả năng lọc những thành phần hài. Hình 2.14 Bộ lọc tích cực song song kết hợp với bộ lọc thụ động Bộ lọc tích cực song song và bộ lọc tích cực nối tiếp được kết hợp để hạn chế sóng hài. Hình 2.15 Kết hợp giữ bộ lọc tích cực song song và bộ lọc tích cực nối tiếp Ngoài ra các bộ lọc thụ động kết hợp với nhau để lọc bỏ những thành phần hài đặc biệt và lọc theo dải tần. 2.3. Nghiên cưu bộ lọc tích cực song song 2.3.1 Nhiêm vụ bộ lọc tích cực [2] a. Bù công suất : Việc thực hiện bù công suất đồng thời với chức năng lọc thì các cấu hình thiết kế, có thể chỉ giới hạn ở mức độ công suất nhỏ. Do nhiều thiết bị bù tuy có đáp ứng chậm hơn nhưng giá thành rẻ, ví dụ bằng SVC - đóng ngắt bằng thyritor. b. Bù sóng hài điện áp : Bù điện áp không được chú ý nhiều trong hệ thống điện vì nguồn thường có trở kháng thấp và điện áp tiêu thụ tại điển đầu dây chung thường duy trì trong phạm vi giới hạn cơ bản đối với các sự cố trôi hoặc giảm áp. Vấn đề bù điện áp chỉ được xem xét đến khi tải nhạy cảm với sự xuất hiện sóng hài điện áp trong lưới nguồn như các thiết bị bảo vệ hệ thống điện, Superconducting magnetic energy storge. c. Bù sóng hài dòng điện : Bù các thành phần sóng hài dòng điện có ý nghĩa quan trọng đối các tải công suất nhỏ và vừa. Việc giảm thành phần sóng hài dòng điện trong lưới còn có tác dụng giảm độ méo dạng điện áp lưới tại điển đấu dây chung 2.3.2 Phạm vi công suất của bộ lọc tích cực a. Các ứng dụng phạm vi công suất thấp : Các ứng dụng có công suất nhỏ hơn 100kVA, chủ yếu phục vụ các khu dân cư, các tòa nhà kinh doanh, bệnh viện, các hệ truyền động công suất nhỏ và vừa. Tính chất của các hệ thống tải này đòi hỏi hệ thống bộ lọc tích cực tương đối phức tạp có đáp ứng động học cao, thời gian đáp ứng nhanh hơn nhiều bộ lọc tích cực ở dãy công suất cao hơn thay đổi trong khoảng chục us đến vài ms. b. Các phạm vi ứng dụng công suất vừa : Phạm vi công suất hoạt động của các thiết bị này nằm trong khoảng từ 100kVA đến 10MVA. Ví dụ các mạng cung cấp điện trung và cao áp và các hệ thồng truyền động điện công suất lớn mắc vào nguồn áp lớn. Mục đích chính của các bộ lọc tích cực là khử bỏ hoặc hạn chế các sóng hài dòng điện. Tốc độ đáp ứng bù lọc trong hệ thống ở khoảng hàng chục ms. c. Các phạm vi ứng dụng công suất rất lớn Dãy công suất rất lớn thường gặp trong hệ thống truyền tải hoặc truyền động động cơ DC công suất rất lớn hoặc hệ thống truyền tải điện DC. Bộ bù lọc tích cực cho phạm vi công suất rất lớn là rất tốn kém vì đòi hỏi đến việc sử dụng các linh kiện công suất có khả năng đòng ngắt dòng điện với công suất rất lớn. Điều thuận lợi là đối với dãy công suất lớn hơn 10MVA, lượng sóng hài bậc cao xuất hiện nhỏ nên các yêu cầu đối với nó không còn nghiêm ngặt như dãy công suất nhỏ. Thời gian đáp ứng đòi hỏi trong các trường hợp trên ở mức hàng chục giây, đủ để các hệ thống điều khiển relay lựa chọn và tác động một cách phu hợp. 2.3.3 .Nguyên lý họat động lọc tích cực song song Hình 2.17 Nguyên lý làm việc của bộ lọc Chức năng của nghịch lưu làm nhiệm vụ của bộ lọc tích cực là tạo ra ở phía xoay chiều của nghịch lưu một thành phần dòng điện để bù sóng hài của dòng điện tải itải của tải phi tuyến. Để thực hiện điều này thì thành phần hài itải,h của dòng itải được tách ra bởi một bộ tách sóng thích hợp và khi sử dụng itải,h thì dạng chuẩn i*h cho thành phần bù của dòng xoay chiều i là: (2.2) Để tạo được dòng này thì nghịch lưu phải tạo ra một thành phần điện áp cho bởi phương trình: (2.3) Điện áp U*ih là dạng chuẩn cho thành phần bù của điện áp phía xoay chiều của chỉnh lưu. Để xác định các sóng hài dòng điện người ta chuyển các đại lượng điên áp , dòng điện ba pha sang hệ tọa độ a-b. Điện áp các pha a , pha b, pha c khi chuyển sang toa độ đứng a-b như sau: (2.4) Dòng điện tải ở các pha chuyển sang tạo độ a-b như sau : (2.5) Khi đó công suất tải được tính toán như sau: (2.6) Mặt khác ta lại có: (2.7) Trong đó : - ,là thành phần công suất DC của tải. - ,là công suất xoay chiều của tải. Công suất pL, qL này được cung cấp bởi mạch lọc tích cực - APF như sau: (2.8) Dòng điện yêu cầu của mạch lọc được tính toán: ( 2.9 ) Chuyển sang tọa độ thực ta được các thành phần của dòng điện yêu cầu như sau: (2.10) 2.3.4. Phương pháp đo dòng sóng hài Đo dòng điện tải iAF = iLh : đây là phương pháp thích hợp cho bộ lọc tích cực song song khi nó được mắc gần tải phi tuyến. Đo dòng điện hài tại nguồn cung cấp iAF= KS.iSh: đây phương pháp cơ bản nhất để phát hiện sóng hài cho bộ lọc tích cực nối tiếp. Phương pháp đo điện áp tại điểm nắp bộ lọc tích cực nó được sử dụng cho bộ lọc tích cực song song khi bộ lọc kết hợp với bộ xử lý chất lượng điện năng iAF = Kv.vh 2.3.5. Mô hình toán học bộ lọc Từ phân tích ở phần 2.3.3 và 2.3.4 ta xây dung mô hình toán bộ lọc như sau: Hình 2.18 Mô hình toán của bộ lọc tích cực song song Điện áp ba va, vb, vc và dòng tải ba pha iLa, iLb, iLc được chuyển đổi qua hệ tọa độ ab được đưa tới khâu tính toán công suất pq. Hai thành phần công suất này qua mạch lọc tần số cao HPF để phân tích thành những thành phần xoay chiều là và . Thành phần xoay chiều này được đưa tới khâu tính toán dòng điện yêu cầu của mạch lọc ,. Sau đó thành phần dòng điện yêu cầu của mạch lọc này được chuyển về hệ tọa độ thực tạo thành các giá trị ia*, ib*, ic* . Các tín hiệu dòng điện yêu cầu so sanh với tín hiệu hồi tiêp của mạch lọc từ đó tạo ra đóng ngắt các xung cho bộ điều khiển. 2.3.6. Phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu nguồn áp Điều khiển bộ lọc tích cực song song thực chất là cầu nghịch lưu có khả năng phát ra bất kì dạng sóng điện áp theo phương pháp điều chế độ rộng xung hoặc điều chế vector không gian ( spase vector modulation). Cầu này sử dụng nguồn một chiều để phát ra tín hiệu xoay chiều theo một tần số điều khiển cho trước. Điện áp một chiều được phóng ra từ tụ một chiều, vì vậy không cần nguồn phát bên ngoài. Tất nhiên mức điện áp một chiều này phải lớn hơn điện áp đỉnh của mạng điện thì mới có thể bơm được dòng vào mạng điện. 2.3.6.1. Phương pháp điều chế độ rộng xung [1] Luật điều khiển PWM được sử dụng nhiều nhất là luật so sánh hai điện áp: + Điện áp chuẩn tần số là fr thể hiện điện áp mong muốn. + Điện áp mang, ký hiệu là up có dạng tam giác đối xứng, tần số là fp (fp>fr) Khi xếp chồng ur lên up, chúng cắt nhau tại các hoành độ và . Các giao điểm của chúng quyết định giá trị chung bình của điện áp ra. (2.11) Mặt khác ta có: , Do đó ta có: . ur up E a1 a2 0’ q q Ur0 Hình 2.19 Nguyên lý điều khiển theo phương pháp PWM Hình 2.20 Giản đồ điều khiển theo phương pháp PWM 2.3.6.2. Phương pháp điều chế vector không gian [5] Nghịch lưu băm xung nguồn áp là dạng thiết bị điện tử công suất rất quan trọng, được sử dụng để điều khiển các máy điện xoay chiều ba pha, các bộ lọc tích cực và điều khiển các thiết bị công suất trên hệ thống truyền tải điện. nghịch lưu có nhiệm vụ tạo ra một hệ thống xoay chiều ba pha có biên độ, tần số và góc pha theo như ý muốn. nghịch lưu nguồn áp bao giờ cũng được nuôi bởi một nguồn điện áp một chiều UMC như hình 2.21 Hình 2.21 Sơ đồ mạch nghịch lưu nguồn áp Mỗi pha của tải có thể nhận một trong hai trạng thái: 1 (nối với cực “+” của UMC) hoặc 0 (nối với cực âm “-” của UMC). Do có 3 pha (3 cặp van bán dẫn) nên sẽ tồn tại 23 = 8 khả năng nối các pha của tải với UMC như trong bảng 2.1. Bảng 2.1 Số thứ tự Cuộn dây pha 0 1 2 3 4 5 6 7 Pha A 0 1 1 0 0 0 1 1 Pha B 0 0 1 1 1 0 0 1 Oha c 0 0 0 0 1 1 1 1 Ta thử xét kỹ một trong tám khả năng đó, ví dụ khả năng thứ 4 của bảng 2.1 với sơ đồ nối trong hình 2.22. Ta dễ dàng tính được điện áp rơi trên từng phụ tải pha A, B hoặc C. Trên hình 2.22a là sơ đồ hình học của ba cuộn dây pha trên mặt phẳng, ta thấy rằng tổ hợp thứ 4 đó tương đương với trường hợp ta áp đặt lên ba pha tải vector điện áp us với modul 2UMC/3 như trong hình 2.22b. Để tìm điện áp thực sự rơi trên từng pha, ta chỉ việc tìm hình chiếu của của vector us lên trục của cuộn dây. Hình 2.22 Sơ đồ 3 cuộn dây ứng với khả năng thứ 4 của bảng 2.1 (a) và vector không gian ứng với khả năng thứ 4 (b) + - UMC Ua Ub Uc a) Cuộn dây pha b Cuộn dây pha a Cuộn dây pha c us Từ hình 2.22 ta có: ua=-UMC ; ub=uc=UMC. Mô đun của vector |us| =UMC Tương tự như đối với khả năng thứ 4, ta dễ dàng xây dựng được vector điện áp tương ứng cho tất cả các trường hợp còn lại (hình 2.23). Các vector chuẩn đó được đánh số u0, u1, ..., u7 như số thứ tự của bảng. ở đây cần lưu ý đến hai trường hợp đặc biệt: u0 cả ba cuộn dây pha nối với cực “-” của nguồn một chiều u7 cả ba cuộn dây pha nối với cực “+” của nguồn một chiều. Q1 Q2 Q3 Q4 S1 S2 S3 S4 S5 S6 u1 u2 u3 u4 u5 u6 u7 u0 a Tải pha a Tải pha b Tải pha c Hình 2.23 Tám vector chuẩn do 3 cặp van bán dẫn của biến tần tạo nên. Hai vector này có modul bằng không và giữ một ý nghĩa rất quan trọng sau này. Hình 2.23 cho thấy rõ ràng vị trí của từng vector chuẩn trong hệ tọa độ ab. Ngoài quy ước thông thường về các góc phần tư Q1... Q4 (Q: quadrant) phân chia bởi hai trục của hệ tọa độ, các vector chuẩn chia toàn bộ không gian thành các góc phần sáu S1... S6 (S: sector). Chỉ bằng tám vector chuẩn của hình 2.23, ta phải tạo nên điện áp 3 pha với biên độ, góc pha bất kỳ mà khâu thực hiện truyền động điện sau này yêu cầu. Vector điện áp us quay với tốc độ w xác định bằng tần số nào đó. Để thực hiện điều chế vector điện áp chúng ta xét như sau: Giải sử ta phải thực hiện vector us bất kỳ như trong hình 2.24. Vector đó có thể nằm ở góc phần sáu bất kỳ nào đó, ví dụ us nằm ở S1. Ta có thể tách vector us thành hai vector con up, ut tựa theo hướng của hai vector chuẩn u1, u2. Chỉ số p chỉ vector bên phải, còn t-vector bên trái. u1 u2 up ut a b us Hình 2.24 Thực hiện vector us bằng 2 vector điện áp up và ut Ta đã biết rằng điện áp sẽ phải được tính đổi thành thời gian đóng ngắt van trong phạm vi một chu kỳ cắt xung nào đó. Giả thiết, toàn bộ chu kỳ đó là chu kỳ có ích, được phép dùng để thực hiện vector, mà modul tối đa của chúng cũng không thể vượt qua UMC. Do vậy ta có công thức sau: | us max |=|u1|....=....| u6 | = UMC (2.12) Nếu thời gian tối đa (ví dụ: chu kỳ trích mẫu) là T, ta có thể rút ra được các nhận xét sau đây: 1. us là tổng vetor của hai vector biên up, ut: us = up + ut 2. Hai vector biên có thể được thực hiện bằng cách thực hiện u1 (cho up) và u2 (cho ut) trong hai khoảng thời gian sau. ; (2.13) Trong bảng 2.1 ta đã cho các mẫu xung u1, u2 vấn đề còn lại ở đây là phải tính được các khoảng thời gian Tp, Tt. Từ (2.10) ta thấy: để tính được Tp, Tt ta phải biết modul của các vector biên phải up và biên trái ut. Xuất phát điểm để tính là modul và góc pha của vector us do tải đòi hỏi. Sau khi nêu nguyên lý tính toán các vector điện áp chúng ta thực hiện xét việc đóng ngắt các van của biến tần. Như đề cập ở trên việc tính vector điện áp thực tế là tính thời gian Tp và Tt vậy trong một chu kỳ cắt mẫu T thời gian t = (T-Tp+Tt) bộ biến tần làm gì, mặt khác giữa 2 vector tạo thành us thì vector nào thực hiện trước, vector nào thực hiện sau. Ta thấy ngay rằng trong khoảng thời gian T – (Tp + Tt) còn lại, biến tần thực hiện một trong hai vector có modul bằng không tức là vector u0 hoặc vector u7. Bằng cách đó, trên thực tế để tạo us ta đã thực hiện phép cộng vector sau đây. us = up + ut +u0 (u7) = (u7) (2.14) ở đây lại xuất hiện câu hỏi: trình tự thực hiện ba vector u1, u2 và u0 (hoặc u7) thế nào? Để trả lời câu hỏi đó, ta hãy tách riêng mẫu xung của bốn vector kể trên ra khỏi bảng 2.1 và viết lại trong bảng 2.2 Bảng 2.2. u0 u1 u2 u7 a 0 1 1 1 b 0 0 1 1 c 0 0 0 1 Từ bảng 2.2 ta có nhận xét: trình tự sẽ là có lợi nhất, nếu trong phạm vi một chu kỳ các cặp van phải chuyển mạch ít nhất. Cụ thể ở đây, mỗi cặp sẽ chỉ phải chuyển mạch một lần. Nếu như trạng thái cuối cùng là u0, thì trình tự chuyển mạch sẽ là: u1 ứ u2 ứ u7 Ngược lại, nếu trạng thái cuối cùng là u7, thì trình tự chuyển mạch sẽ là: u2 ứ u1 ứ u0 Bằng phương thức thực hiện điện áp (có thể gọi là: tạo xung kích thích) như vậy, ta sẽ gây tổn hao đóng ngắt các van của biến tần ở mức ít nhất. Nếu ta vẽ ghép tượng trưng hai chu kỳ nối tiếp nhau thuộc góc phần sáu thứ nhất S1 trong hình 2.25, ta thu được hình ảnh quen thuộc của phương pháp điều chế bề rộng xung thực hiện bằng kỹ thuật tương tự (analog). 000 100 110 111 110 100 000 100 Pha a Pha b Pha c u1 u2 u7 u2 u1 u0 Tp T7 Tt Tt Tp T0 Tx/2 Tx/2 Hình 2.25 Biểu đồ xung của vector điện áp thuộc góc phần sáu thứ 1 (S1) Như vậy ta đã làm quen với quá trình thực hiện vector điện áp ở vị trí bất kỳ trong phạm vi S1. Trong tất cả các góc phần sáu còn lại S2 ... S6, cách thực hiện là giống hoàn toàn S1. Hình 2.26 và 2.27 giới thiệu khái quát biểu đồ xung của các vector đó.Việc tách vector điện áp us thành 2 vector biên có hướng như hai vector chuẩn kế bên với us, dường như cho phép thực hiện us ở mọi góc độ của không gian. Điều này thực ra không đúng, còn nhiều hạn chế không cho phép tận dụng 100% khả năng tối đa. us u2 u3 up ut Tt Tp T7 Tp Tt T0 u3 u3 u7 u2 u3 u0 Tx Hình 2.26 Biểu đồ xung kích cho s2 a) u3 up us u4 Tp Tt T7 Tt Tp T0 u3 u4 u7 u4 u23 u0 ut Tx Tt Tp T7 Tp Tt T0 u3 u4 u7 u4 u3 u0 Tx u4 us u5 ut Hình 2.27a Biểu đồ xung kích thuộc s3 Hình 2.27b Biểu đồ xung kích thuộc s4 Tp Tt T7 Tt Tp T0 u5 u6 u7 u6 u5 u0 Tx u5 us u6 up ut u1 us Tt Tp T7 Tp Tt T0 u1 u6 u7 u6 u1 u0 Tx u6 up ut Hình 2.27c Biểu đồ xung kích thuộc s5 Hình 2.27d Biểu đồ xung kích thuộc s6 Ngoài ra, ta chỉ có thể tính toán góc với một độ chính xác hữu hạn (độ phân giải là 16 Bit hoặc 32 Bit), hoặc nếu đo tốc độ quay bằng máy đo góc tuyệt đối (resolver) thì cũng sẽ vấp phải hạn chế về độ phân giải. Tuy nhiên, nhiệm vụ của người kỹ sư thiết kế là phải nhận biết đầy đủ các khả năng hạn chế để đưa ra giải pháp kỹ thuật tốt nhất trong phạm vi kinh tế cho phép. Cách tính và thực hiện thời gian đóng ngắt van bán dẫn của nghịch lưu. Như phần trên ta đã trình bày để xác định vector điện áp us , nhiệm vụ của ta là phải tính thời gian cho các vector up và ut khi modul và góc pha của vector điện áp cho trước. ở phần trên ta cũng đã trình bày sự chuyển mạch của các van khi biết các thông tin về góc pha cũng như về vị trí (góc phần tư, góc phần sáu) của vector điện áp. Các công thức (2.10), (2.11) đã cho ta thấy: việc tính toán thời gian hoàn toàn phụ thuộc vào thông tin về modul của các vector up, ut. Vector điện áp stator us thường được cho biết trước dưới một trong hai dạng sau: 1. Hai thành phần một chiều usd, usq trên hệ tọa độ từ thông rotor. Góc pha gồm có góc của hệ tọa độ (hình 2.28) cộng với góc riêng của us (so với trục d) theo công thức sau. (2.15) 2. Hai thành phần hình sin usa, usb. ở dạng này, thông tin về góc pha tồn tại không tường minh mà ẩn trong usa, usb. Vì lý do đó cũng tồn tại hai phương pháp tính modul của up, ut như sau, thử xét vector us bất kỳ thuộc góc phần sáu thứ nhất như trong hình 2.29 Trục ro to Js J ws w yr isd isq is isb isa a Jb Cuộn dây pha a Cuộn dây pha b Cuộn dây Pha c Trục tử thông roto Hình 2.28 Biểu diễn vector không gian trên hệ tọa độ từ thông rô to-hệ dq q d b a usa usb usd usq up ut u u1 u2 g Hình 2.29 Các khả năng cho biết trước về vector điện áp stasto Phương pháp 1: Trên cơ sở công thức (2.15) ta tính được và do đó tính được g (hình 2.28). Modul của các vector biên phải, biên trái sẽ có giá trị như nhau. ; (2.16a, b) Modul của us trong (2.16a, b) được tính như sau. (2.17) Phương pháp 2: Các vector biên phải, biên trái được tính trực tiếp từ usa, usb theo công thức sau. ; (2.18a, b) Điều cần phải lưu ý đối với hai phương pháp kể trên: Phương pháp 1 với các công thức (2.16a, b) và (2.14) có hiệu lực trong toàn bộ không gian vector. Ngược lại, công thức (2.17a, b) chỉ có giá trị đối với S1. Theo phương pháp 2, ta sẽ phải tùy theo từng góc phần tư và góc phần sáu cụ thể mà áp dụng các công thức thuộc bảng 2.3. Cả hai phương pháp đều có thể được sử dụng thuận lợi như nhau, việc lựa chọn phương pháp nào chủ yếu phụ thuộc vào phần cứng và hệ tọa độ (dq hay ab) của cấu trúc điều khiển hoặc điều chỉnh. Một vài lưu ý khi lựa chọn phương pháp tính. Phương pháp 1 chỉ cần ba công thức (2.12), (2.15a, b) cho toàn bộ không gian. Tuy nhiên trong đó có ẩn hai phép chia (usq/usd cũng như g = phần dư của phép chia /60o) và ba phép tính lượng giác (arctg, sin, cos). Trong điều kiện điều khiển hay điều chỉnh thời gian thực (real time) với chu kỳ tính toán T ở phạm vi vài trăm ms, cần phải cân nhắc kỹ khi xuất hiện thêm các phép chia. Các phép tính lượng giác có thể được gia tốc bằng cách tính sẵn các bảng giá trị cất trong RAM, thời gian tính trên thực tế chỉ còn là thời gian xâm nhập đọc bảng. Bảng 2.3 Mô đun của các vector biên trái, phải tính bằng thành phần điện áp usa, usb /up/ /ut/ S1 Q1 /usá/ - S2 Q1 - Q2 - S3 Q2 /usá/ - S4 Q3 /usá/ - S5 Q3 - Q4 - S6 Q4 /usá/ - Việc áp dụng phương pháp 2 tưởng chừng phức tạp hơn do phải dùng nhiều công thức khác nhau trong bảng 2.3. Tuy vậy, quan sát kỹ ta sẽ thấy tất cả qui tụ về chỉ còn 3 công thức sau: a=|usa|+; b=|usa|-; c=; (2.16abc) Trong cả 3 công thức đều không chứa phép chia cũng như phép tính lượng giác vì vậy áp dụng sẽ có lợi nhiều hơn. Vấn đề là phải biết được vector us hiện nằm ở góc phần tư và phần sáu nào của không gian vector để chọn đúng công thức. Để làm điều đó ta thấy như sau: 1.Bằng việc xét dấu của usa và usb ta biết vector us đang nằm ở góc phần tư thứ mấy. 2. Biểu thức b trong (2.16b) sẽ đổi dấu mỗi khi vector us đi qua ranh giới giữa 2 góc phần sáu bất kỳ. Sau khi đã biết được góc phần tư, bằng xét dấu b ta biết hiện vector us nằm ở góc phần 6 cụ thể nằm trong góc một phần tư đó. Chương III mô phỏng bộ lọc tích cực song song 3.1. Sơ đồ khối mạch lọc tích cực song song Sơ đồ khối mạch lọc tích cực song song gồm các khâu chính như sau : Nguồn : Hệ thống nguồn cung cấp cho tải phi tuyến Tải phi tuyến : Tải gồm bộ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển hoàn toàn và một bộ chỉnh lưu cầu một pha Diode được nối vào pha b. Bộ nghich lưu 3 pha được điều khiển theo quy tắc kích đóng đối nghịch, được nối với hệ thống thông qua cuộn cảm L. Bộ điều khiển bộ nghịch lưu : điều khiển thời điểm bộ nghịch lưu tác động vào lưới thông qua CB 3 pha. Đồng thời cũng điều khiển thời điểm tác động của xung điều khiển đóng cắt các van bán dẫn cho bộ nghịch lưu. Các khâu lấy tín hiệu V- điện áp 3 pha, il-dòng điện tải 3 pha,..dùng để phục vụ cho mục đích tính toán dòng điện yêu cầu của bộ nghịch lưu. Hình 3.1 Mô hình sơ đồ khối bộ lọc tích cực song song 3.1.1. Nguồn xoay chiều 3 pha Nguồn xoay chiều 3 pha có giá trị hiệu dụng pha Vrms = 220V, tần số 50Hz, giá trị góc pha của các pha a, b, c lệnh nhau 1200. Mô hình nguồn 3 pha và các thành phần của nó được thể hiện trên hình 3.2 Hình 3.2 Mô hình nguồn 3 xoay chiều pha Thông số cài đặt cho pha a được cho theo hình 3.3, các pha b, pha c được đặt tương tự như pha a, chỉ có tham số góc pha -phase(deg) tương ứng pha b là -1200, pha c là 1200. Hình 3.3 Cài đặt thông số pha a 3.1.2. Tải phi tuyến Hình 3.4 Mô hình tải phi tuyến Tải phì tuyến là bộ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển hoàn toàn và bộ chỉnh lưu cầu một pha Diode đựa mắc vào pha b. Bộ chỉnh lưu cầu ba pha có góc mở được điều khiển bằng bộ tạo xung đồng bộ, trước bộ chỉnh lưu cầu 3 pha là các cuộn cảm cản, có tác dụng làm giảm độ dốc dòng điện của bộ chỉnh lưu cầu. Bộ tạo xung đồng bộ có chức năng tạo xung kích cho bộ chỉnh lưu cầu 3 pha theo giá trị góc yêu cầu. Ngõ vào của bộ tạo xung là các tín hiệu sau: - Các tín hiệu điện áp đồng bộ Vab, Vbc, Vca - Tín hiệu alpha_deg: điều khiển góc mở của bộ nghịch lưu, đơn vị là độ - Tín hiệu block : cho phép tạo xung hoạt động khi tín hiệu block = 0 hay < 0. Ngõ ra của bộ tạo xung là 6 tín hiệu tạo xung đóng cắt cho bộ nghịch lưu cầu theo thứ tự sau : Hình 3.5 Ngõ ra của bộ tạo xung đồng bộ Cài đặt thông số cho bộ điều khiển xung đồng bộ như hình sau: Hình 3.6 Cài đặt thông số cho bộ điều khiển xung đồng bộ 3.1.2.1. Tải 1 pha - bộ chỉnh lưu cầu 1 pha diode Tải DC của bộ chỉnh lưu cầu 1 pha là tải RL, với R=30, L=20e-3H, được cài đặt thông số theo hình 3.7 : Hình 3.7 Thông số cài đặt tải DC của chỉnh lưu cầu 1 pha Dòng điện, điện áp phái DC của bộ chỉnh lưu 1 pha có giá trị như hình 3.8 Hình 3.8 dòng điện và điện áp DC của tải một pha 3.1.2.2. Tải 3 pha Tải 3 pha DC của chỉnh lưu cầu 3 pha được trình bày như hình 3.7 Hình 3.9 Tải DC của chỉnh lưu cầu 3 pha Tải DC của bộ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển hoàn toàn là tải RL với R=10, L= 20e-3, được cài đặt thống số theo hình 3.10 Hình 3.10 Thống số DC của chỉnh lưu cầu 3 pha Khi cầu chỉnh lưu 3 pha Thyritor hoạt động thì dòng tải DC như sau: Hình 3.11 Dòng điện DC của bộ chỉnh lưu cầu 3 pha Điện áp DC của chỉnh lưu cầu ba pha như sau: Hình 3.12 Điện áp DC của chỉnh lưu cầu ba pha Dòng điện ở pha a và pha b đo ở trước chỉnh lưu cầu như sau: Hình 3.13 Dòng điện của pha a và pha b đo ở trước chỉnh lưu Ta thấy rằng khi chỉnh lưu cầu pha hoạt động thì nó gây ra sự méo dạng sòng điện cho nguồn. Phân tích THD ta thấy được phổ của thành phần hài như hình 3.14 Hình 3.14 Phổ của thành phần hài 3.1.3. Bộ nghịch lưu Bộ nghịch lưu sử dụng cấu trúc bộ nghịch lưu có sẵn của Matlab- Universal Bridge, với cấu hình mắc đôi song Mosfet/ Diode như sau: Hình 3.15 Cấu trúc bộ nghịch lưu Các tham số của bộ nghịch lưu đươc cài đặt theo các giá trị sau: Số pha: Number of bridge arms = 3: do là bộ nghịch lưu 3 pha Điện trở và điện dung mắc song song Snubber resistance Rs = 1e5W Snubber capacitance Cs = inf – vô cùng Điện trở trong của thiết bị bán dẫn Ron = 0.2e-3 Hình 3.16 Cài đặt thông số bộ nghịch lưu. 3.1.4. Các khâu lấy tín hiệu Để tính toán, cần thiết phải sử dụng các giá trị điện áp, dòng điện tải, dòng điện bộ nghịch lưu,Cụ thể gồm các khâu lấy tín hiệu sau: - [i_s] : Dòng điện nguồn các pha a, b, c. - [v_s] : Điện áp các nguồn các pha a, b, c. - [i_l] : Dòng điện tải pha a, b, c. - [i_f] : Dòng điện mạch lọc tích cực các pha a, b, c. - [v_dc] : Điện áp DC của nghich lưu nguồn áp Dùng để phục vụ cho mục đích tính toán dòng điện yêu cầu của bộ nghịch lưu. 3.1.5. Khâu chuyển đổi tọa độ Khâu chuyển đổi tạo độ để chuyển đổi các tín hiệu điện áp và dòng điện tải từ tọa độ abc sang tọa độ ab theo công thưc (2.4),(2.5) trong mục 2.3.3. Sau đó tính toán công suất pq theo công thức (2.7). Để tách các thành phần xoay chiều và tạo ra tín hiệu dòng điện yêu cầu ia*, ib*, ic* theo công thức (2.10) tạo thành các tín hiệu dòng điện yêu cầu tương ứng iref a, iref b, irefc . Khâu chuyển tọa độ như hình 3.17 Hình 3.17 Khâu chuyển đổi tọa độ 3.1.6 Khâu so sánh tín hiệu Các tín hiệu sau khi được chuyển đổi để lọc thành phần hài xoay chiều được đưa tới bộ so sánh để so sánh dòng điện yêu cầu và dòng điện hồi tiếp. Để điều khiển thời điểm bộ nghịch lưu tác động vào lưới đồng thời cũng điều khiển đóng cắt các van bán dẫn cho bộ nghịch lưu. Hình 3.18 khâu so sánh tín hiệu Trong hình 3.18, các đại lượng [iref a, iref b, iref c] tương ứng là dòng điện yêu cầu các pha của bộ nghịch lưu ( xác định theo 3.1.5). Trong khi các đại lượng [iFa,iFb,iFc] tương ứng là dòng điện hồi tiếp của bộ nghịch lưu. Sáu tín hiệu đóng cắt cho 6 van bán dẫn của bộ nghịch lưu qua khâu nén tín hiệu trở thành một tín hiệu duy nhất ( vecto 6 chiều) tạo xung cho bộ nghịch lưu. Tín hiệu xung này sẽ được giả nén theo đúng thứ tự để cấp xung cho từng van bán dẫn của bộ nghịch lưu. 3.1.7 Khối lựa chọn vector đóng cắt các van cho bộ nghịch lưu Mục đích của khối này có chức năng lựa chọn vector đóng cắt tối ưu và phát xung mở van bán dẫn cho nghịch lưu bộ. Cấu trúc chi tiết của khối như hình 3.19 Hình 3.19 Khâu điều khiển bộ nghich lưu 3.2. Khảo sát đáp ứng của mạch lọc khi mạch lọc tác động Khảo sát hoạt động của mạch lọc tích cực, kiểm tra kết quả lọc sóng hài dòng điện nguồn của mạch lọc tích cực tác động. 3.2.1. Thiết lập mô hình mô phỏng Cho tải phi tuyến hoạt động trước, tại thời điểm 0.05s cho mạch lọc tích cực tác động, và cho mạch lọc hoạt động từ thời điểm 0.05s kéo dài đến 01s. Cài đặt tham số mô phỏng như sau: Thời gian mô phỏng : Simulation time/ Stop = 0.1 Khâu control – điều khiển thời điểm mạch lọc nối với hệ thống được đặt với thời điểm tác động là 0.05s. Khâu tạo góc kích cho tải là bộ chỉnh lưu cầu được đặt góc kích = 0, các giá trị R, L của tải được đặt theo giá trị của phần 3.1.2 Giá trị điện áp nguồn xoay chiều 3 pha Upha-RMS = 220V. Giá trị điện áp nguồn DC của bộ nghịch lưu được đặt giá trị UDC = 400V 3.2.2. Kết quả mô phỏng Ngay khi mạch lọc tác động: Dạng sóng dòng điện nguồn sin hơn khi có sự tham gia của bộ lọc. Giá trị hiệu dụng giảm do có bù dòng tại chỗ.[7] Kết quả được thể hiện trên hình 3.20 Hình 3.20 Dòng điện nguồn đã được khử sóng hài Phân tich FFT ta thấy chỉ số THD giảm đi đáng kể Hình 3.21 Hệ số méo tổng giảm đáng kể Công suất phản kháng được bù, nguồn gần như không phải truyền tải công suất phản kháng. Hệ số cos(j) ằ 1, tổn thất điện áp giảm. Hình 3.22 Công suất phản kháng được bù Kết luận Sau thời gian ba tháng làm đồ án tốt nghiệp, nhờ sự giúp đỡ hướng dẫn tận tình của thầy giáo Th.S Đặng Hồng Hải cùng các thầy cô trong bộ môn và sự cố gắng tích cực của bản thân. Đến nay bản đồ án của em đã được hoàn thành với ba chương: Chương I : Sóng hài và chất lượng điện năng. Nội dung của chương là đưa ra các khái niệm về sóng hài, ảnh hưởng của sóng hài với hệ thống điện, các nguồn phát ra sóng hài và các tiêu chuẩn để hạn chế sóng hài. Chương II : Giải pháp hạn chế sóng hài đi sâu tìm hiểu bộ lọc tích cực song song. Trong chương này tìm hiểu về các giải pháp hạn chế sóng hài trong đó đi sâu tìm hiểu bộ lọc tích cực song song vì đây là phương pháp hiện đại đang được áp dụng hiệu quả. Chương III : Mô phỏng bộ lọc tích cực. Nội dung trong chương ba là xây dung mô hình mô phỏng bộ lọc tích cực trong phần mềm Matlab/Simulink. Tuy đã có nhiều cố gắng nhưng đây là vấn đề mới tiếp cận, thời gian nghiên cứu không có nhiều và trình độ chuyên môn còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những sai sót cần bổ xung và hoàn thiện. Vì vậy em kính mong nhận được sự góp ý của thầy cô giáo và các bạn để đồ án này được hoàn thiện hơn. Hải Phòng, ngày 6 tháng 7 năm 2009 Sinh viên thực hiện Nguyễn Đình Chiến Tài liệu tham khảo PGS TSKH Thân Ngọc Hoàn (2006), Mô phỏng hệ thống điện tử công suất và truyền động điện, Nhà xuất bản xây dựng. Trần Thị Thanh, luận văn cao học nghiên cứu mạch lọc tích cựu song song 3 pha 4 dây. TS Nguyễn Hữu Phúc, đề tài nghiên cứu khoa học “ nghiên cứu, đánh giá chất lượng điện năng lưới điện phân phối - các giải pháp cải thiện chất lượng điện năng” TS Nguyễn Phùng Quang (2004), Matlab&simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật. TS Nguyễn Phùng Quang (1996), Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha, Nhà xuất bản giáo dục. Nguyễn Bính (2004), Điện tử công suất, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật. Lê Duy Hưng, Trịnh mạch Hân, nghiên cứu chế tạo thử nghiệm bộ lọc tích cực. TS Phan Đăng Khải (2001), Bù công suất phản kháng lưới cung cấp điện và phân phối điện, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật. Ngoài ra tài liệu còn được tham khảo trong các trang web sau : www.google.com; www.thietbidien.com; www.dientuvietnam.net; www.hethongdien.com