Luận văn Nghiên cứu bộ lọc và bù công suất phản kháng dùng thiết bị điện tử công suất

phần dòng một chiều và thành phần sóng điều hòa nhƣ thành phần dòng xoay chiều. Sau đó sử dụng bộ lọc thông cao tách ra thành phần xoay chiều, thành phần này chính là thành phần của các sóng điều hòa bậc cao. Sau khi tính đƣợc dòng bù cần thiết trong hệ dq ta cần chuyển sang hệ tọa độ chuẩn abc. Biến đổi từ dq sang abc nhƣ sau: a d b q c 2π 2π icosθ cos θ- cos θ+ i 3 32 = i i 3 2π 2π -sinθ -sin θ- -sin θ+ i 3 3                                         (3-1) + Phƣơng pháp xác định từng thành phần sóng điều hòa cần bù: phƣơng pháp này dựa trên cơ sở phép quay khung tọa độ. Điểm khác biệt so với phƣơng pháp trên là từ dòng cần tách ra sóng điều hòa sẽ chuyển sang khung tọa độ dq với góc quay Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 55 bằng bội số lần của góc quay thành phần cơ bản, khi đó trong khung tọa độ mới dq thành phần một chiều tƣơng ứng với thành phần sóng điều hòa cần tách và bằng cách sử dụng bộ lọc thông thấp ta có thể tách ra đƣợc thành phần một chiều này. Sau đó chuyển sang khung tọa độ abc theo công thức (3-1) sẽ xác định đƣợc thành phần sóng điều hòa tƣơng ứng. Nhƣ vậy bằng phép quay khung tọa độ với góc quay ứng với mỗi thành phần sóng điều hòa. Ƣu điểm của phƣơng pháp này là có thể tác động tới từng thành phần sóng điều hòa bậc cao muốn lọc. Hình dƣới thể hiện thuật toán của phƣơng pháp này. Hình 3.9. Thuật toán lựa chọn sóng điều hòa cần bù trong hệ dq - Phƣơng pháp xác định dòng bù dựa trên lý thuyết p-q. Thuyết p-q hay thuyết công suất tức thời đƣợc đƣa ra bởi Akagi vào năm 1983 với mục đích là để điều khiển mạch lọc tích cực. Mô hình bộ lọc tích cực theo lý thuyết p-q: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 56 Hình 3.10. Mô hình bộ lọc tích cực theo lý thuyết p-q. Các bƣớc để xác định dòng bù cần thiết theo phƣơng pháp này đƣợc tiến hành nhƣ sau: Tính toán dòng điện và điện áp trong hệ tọa độ 0αβ từ hệ tọa độ abc. + Với hệ thống 3 pha có dây trung tính: Công thức quy đổi điện áp: (3-2) Công thức quy đổi dòng điện: (3-3) + Với hệ thống 3 pha không có dây trung tính: Công thức quy đổi điện áp: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 57 (3-4) Công thức quy đổi dòng điện: (3-5) Công suất tải đƣợc tính theo công thức: (3-6) Công suất p,q có thể tách đƣợc ra thành 2 thành phần: . Thành phần một chiều , tƣơng ứng với thành phần cơ bản của dòng tải. . Thành phần điều hòa bậc cao , (3-7) Khi đó, tổng công suất tức thời xác định bởi tải: + (3-8) Trong đó: P: thành phần công suất tác dụng của Q: thành phần công suất phản kháng của Nguồn chỉ cung cấp thành phần công suất một chiều của tải và công suất tổn hao của bộ nghịch lƣu. Mạch lọc tích cực có nhiệm vụ cung cấp thành phần công suất xoay chiều của p và công suất phản kháng q. Khi đó ta có công suất cung cấp bởi mạch lọc: (3-9) và dòng cần bù: (3-10) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 58 Tuy nhiên do điện áp trên tụ là không ổn định, do đó để đảm bảo điện áp trên tụ không đổi thì nguồn cần cung cấp một công suất p0 để duy trì điện áp trên tụ không đổi. Bởi vậy, công thức tính dòng bù cần thiết trong hệ αβ khi kết hợp cả chức năng lọc sóng điều hòa và bù công suất phản kháng: (3-11) Từ công thức này, ta tính đƣợc dòng bù trong hệ tọa độ abc. (3-12) Từ đó ta có thuật toán điều khiển theo thuyết p-q: ua ub uc ia ib ic Calculation u, u Calculation i, i Calculation P q Calculation ic* ic* Calculation ica* icb* icc* Udc - + Udc Udc-ref po filter p q ~ p PI Hình 3.11. Thuật toán điều khiển dựa trên thuyết p-q. Nhƣ vậy bằng cách sử dụng thuyết p-q ta đã xác định đƣợc dòng bù cần thiết từ đó xây dựng cấu trúc điều khiển cho bộ lọc song song. Theo phƣơng pháp sử dụng thuyết p-q để tính toán dòng bù cần thiết cho chức năng lọc sóng điều hòa bậc cao và bù CSPK có hạn chế là điện áp trong tính toán yêu cầu phải sin và cân bằng. Nếu điều này không đƣợc thỏa mãn thì bản thân thuyết p-q không còn đúng nữa. Giải pháp để khắc phục hiện tƣợng điện áp lƣới không sin hoặc mất cân bằng có hai cách là: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 59 * Cách thứ nhất là lọc bỏ thành phần sóng điều hòa trong điện áp lƣới trƣớc khi đƣa vào tính toán. Giải pháp này thƣờng đƣợc sử dụng khi sóng điều hòa điện áp có tần số cao và khi lọc thành phần điều hòa không làm thay đổi góc pha của điện áp. Hơn nữa giải pháp này chỉ đáp ứng tốt khi không có thành phần thứ tự nghịch. Đây là hạn chế của giải pháp này. * Cách thứ hai ngƣời ta thƣờng sử dụng đó là dùng mạch PLL (Phase-locked- loop) để xác định thành phần cơ bản của điện áp tại điểm kết nối. Ngoài ra khi sử dụng thuyết p-q để thực hiện thuật toán điều khiển thiết bị lọc sóng điều hòa bậc cao và bù CSPK còn xuất hiện thành phần dòng điện ảo. Tất nhiên thành phần dòng ảo có thể bị triệt tiêu nếu nhƣ lọc với đặc tính giống nhau tức là thành phần này chỉ xuất hiện khi trong quá trình tính toán dòng bù chuẩn ta chỉ bù p hoặc q hoặc chỉ bù q. Khi tính toán dòng bù cho cả p và q thì sẽ triệt tiêu đƣợc thành phần dòng ảo này. 3.3. Cấu trúc mạch lọc sóng điều hòa và bù CSPK dùng chỉnh lưu PWM 3.3.1. Nguyên lý điều khiển. Trong cấu trúc này chỉnh lƣu PWM thực hiện cả chức năng lọc sóng điều hòa bậc cao và bù CSPK. Sơ đồ cấu trúc điều khiển nhƣ hình 3.11 Nguồn một chiều cấp cho nghịch lƣu có thể cấp trực tiếp từ nguồn một chiều hoặc từ tụ điện. Trong thực tế ngƣời ta thƣờng sử dụng tụ điện để tạo điện áp một chiều cấp cho bộ nghịch lƣu. Để đảm bảo nguồn một chiều cấp cho nghịch lƣu có giá trị ổn định một bộ điều chỉnh điện áp đƣợc sử dụng. Điện áp trên tụ đƣợc đo và so sánh với giá trị điện áp chuẩn . Sai lệch của hai tín hiệu này đƣợc đƣa vào bộ điều khiển, tín hiệu ra của bộ điều khiển đƣợc sử dụng để tính toán dòng bù cần thiết để loại bỏ sóng điều hòa bậc cao và bù CSPK. Dòng bù này đƣợc coi nhƣ là tín hiệu chuẩn và dòng điện phát ra bởi bộ nghịch lƣu phải đảm bảo bám theo dòng này. Để thực hiện việc này có thể có nhiều cách nhƣng phƣơng pháp điều khiển bang-bang (hysteresis current control) là phƣơng pháp điều khiển đƣợc sử dụng phổ biến bởi những ƣu điểm của nó nhƣ đáp ứng dòng điện nhanh, chính xác, đơn giản và dễ thực hiện. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 60 BÓ m¹ C Calculation p, q abc  iL iC abc  ~ Calculation ic*, ic* Udc Udc_ref + -PI Us iL U U i i + - abc ic* ic* q p ~ p p0 ih ih* HPF PWM Hysteresis Current control L iS AT Hình 3.12. Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM làm bộ lọc tích cực Đầu vào của bộ điều khiển này đƣợc lấy từ sai lệch khi so sánh dòng thực và dòng chuẩn từ đó tạo ra xung đóng cắt bộ nghịch lƣu để đảm bảo dòng bù cấp từ bộ nghịch lƣu bám theo dòng bù chuẩn đƣợc tính từ thuyết p-q tức thời. Tiếp theo ta xem xét nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển bang-bang. 3.3.2. Nguyên lý điều khiển dòng theo phương pháp bang-bang. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 61 Cơ sở của phƣơng pháp điều khiển thích nghi hay điều khiển bang-bang (hysteresis current control) là phƣơng pháp điều khiển dựa trên việc điều khiển dòng điện thực bám theo dòng điện chuẩn. Hình 3.13. Sơ đồ mô tả phƣơng pháp điều khiển kiểu bang-bang Theo đó một băng sai lệch sẽ đƣợc thiết lập với việc đặt sai lệch giới hạn trên và sai lệch giới hạn dƣới và mục đích của phƣơng pháp điều khiển này là làm sao cho dòng thực bám theo dòng chuẩn và nằm trong cùng dung sai này. Độ rộng băng sẽ bằng hai lần sai lệch, sai lệch là hiệu giữa dòng giới hạn trên với dòng chuẩn hoặc của dòng chuẩn với dòng giới hạn dƣới. Sự chuyển mạch của các van theo nguyên tắc này nhƣ sau: - Khi sai lệch nằm trong băng sai lệch thì sẽ không có sự chuyển mạch nào. - Khi dòng vƣợt qua giới hạn trên thì bộ nghịch lƣu sẽ chuyển mạch sao cho dòng giảm xuống để sai lệch nằm trong vùng cho phép và ngƣợc lại khi dòng giảm xuống nhỏ hơn giới hạn dƣới thì bộ nghịch lƣu chuyển mạch để dòng tăng lên. Để rõ hơn ta phân tích sự chuyển mạch của bộ nghịch lƣu với dòng pha A: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 62 Hình 3.14. Điều khiển phát xung cho pha A bộ lọc tích cực Trong đó : ia là dòng thực pha A * ai là dòng đặt pha A * ai là sai lệch giữa dòng thực và dòng đặt Hình 3.15. Sơ đồ mô tả điều khiển dòng điện pha A Khi dòng thực ia tăng dần tới dòng giới hạn trên thì vg1=”1” do đó T1 dẫn trong khoảng thời gian t1 khi đó dòng ia tăng. Ở thời điểm T1 thì ia tiến tới giới hạn trên  vg1=0, vg4=1 do đo T4 dẫn trong khoảng thời gian t2. Tại thời điểm t2 thì ia tiến tới giới hạn dƣới  vg1=0, vg4=1 do đó T1 dẫn dòng ia lại tăng lên và quá trình lại lặp lại nhƣ ban đầu, T1 và T4 liên tục đóng cắt để dòng thực ia nằm trong băng giới hạn trên và dƣới. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 63 Theo phƣơng pháp điều khiển này thì: - Điều chỉnh tần số dòng đặt sẽ điều chỉnh đƣợc tần số dòng thực - Biên độ của dòng thực đƣợc điều chỉnh thông qua biên độ của dòng đặt - Khi độ rộng của băng giảm thì dòng đƣợc điều chỉnh sẽ bám theo dòng đặt mịn hơn tuy nhiên khi đó thì tần số đóng cắt tăng lên. - Khi dòng đặt là sin thì dòng thực cũng sin nhƣng xuất hiện một số sóng hài bậc cao tuy nhiên có thể dễ dàng loại bỏ bằng việc sử dụng các bộ lọc LC ở đầu ra bộ nghịch lƣu. Phƣơng pháp này có ƣu điểm là đơn giản, dễ thực hiện, đáp ứng nhanh tuy nhiên bất lợi lớn nhất của phƣơng pháp này là tần số chuyển mạch của van bán dẫn không xác định và thay đổi theo tải. Ngoài ra do phƣơng pháp điều khiển dòng điện này không có sự phối hợp điều khiển giữa quá trình điều khiển dòng giữa các pha. Do đó không có khả năng điều khiển vectơ không và tổn hao do đóng ngắt lớn khi chỉ số điều chế thấp. 3.4. Kết luận. Trong phần trên ta đã tìm hiểu chung về chỉnh lƣu PWM và ứng dụng để làm mạch lọc tích cực và bù CSPK. Đƣa ra cấu trúc điều khiển cho chỉnh lƣu PWM sử dụng thuyết p-q để thực hiện chức năng mạch lọc song song. Chƣơng tiếp theo ta sẽ xây dựng cấu trúc mạch lọc tích cực dùng chỉnh lƣu PWM và ứng dụng vào khảo sát với phụ tải bể mạ từ đó đánh giá chất lƣợng dòng điện trƣớc và sau khi sử dụng bộ lọc và các đại lƣợng quan trọng khác. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 64 Chương 4 THIẾT KẾ BỘ LỌC TÍCH CỰC VÀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG CHO TẢI BỂ MẠ NHÔM 5.000A, 24V 4.1. Đặt vấn đề. Kỹ thuật mạ điện đƣợc sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau nhƣ làm đồ trang sức, chống ăn mòn, tăng tính thẩm mỹ trên các dụng cụ…Mạ điện thực chất là quá trình kết tủa kim loại lên bề mặt một lớp phủ có những tính chất cơ, lý, hóa…đáp ứng đƣợc yêu cầu kỹ thuật đề ra. Để có một lớp mạ đạt chất lƣợng tốt thì ngoài các yếu tố nhƣ quá trình gia công bề mặt kim loại trƣớc khi mạ, dung dịch chất điện phân… thì nguồn cấp cho bể mạ cũng là một yếu tố quan trọng để nâng cao chất lƣợng lớp mạ. Nguồn cấp cho bể mạ phải là nguồn một chiều với yêu cầu điện áp nhỏ và dòng điện lớn. Nguồn một chiều có thể là acquy, máy phát điện một chiều, bộ biến đổi…Ngày nay, do sự phát triển của công nghiệp bán dẫn đã chế tạo đƣợc các van bán dẫn chịu đƣợc dòng và áp cao, do đó nguồn một chiều sử dụng bộ biến đổi ngày càng đƣợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Bộ biến đổi cho quá trình mạ có điện áp ra thấp 6(V), 12(V), 24(V), 36(V)…Tùy theo yêu cầu kỹ thuật mà chọn điện áp ra phù hợp. Ví dụ mạ Niken thƣờng dùng điện áp ra 6(V) hay 12(V), để mạ Crom thƣờng dùng nguồn 12(V), để đánh bóng điện hóa nhôm thƣờng dùng nguồn 12- 24(V). Trong phần này ta sẽ khảo sát đối với hệ thống bể mạ giả thiết gồm 5 bể với yêu cầu cho mỗi bể mạ là điện áp cấp cho bể mạ là 24(V), dòng mạ là 5.000(A) và trong quá trình mạ dòng điện đƣợc giữ không đổi. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 65 BÓ m¹ 1 BÓ m¹ 2 BÓ m¹ 5 AT AT ATAT TBA ……… Hình 4.1. Sơ đồ hệ thống bể mạ. Để thực hiện bù cho hệ thống 5 bể mạ có hai giải pháp có thể áp dụng: * Giải pháp thứ nhất là sử dụng bộ bù tổng cho 5 bể mạ (bù tập trung). BÓ m¹ 1 BÓ m¹ 2 BÓ m¹ 5 AT AT ATAT TBA …………AF1 Bé ®o vµ ®iÒu khiÓn tæng AF2 AF5 C¸p truyÒn th«ng ………… Hình 4.2. Giải pháp lọc sử dụng bộ bù tổng Theo phƣơng pháp này các bộ AF sẽ đƣợc nối tới cáp truyền thông tới bộ đo và điều khiển trung tâm. Bộ này tính toán lƣợng bù tổng từ đó phân phối tới từng bộ lọc của bể mạ tƣơng ứng tùy theo chế độ hoạt động của bể mạ. Khi một bể mạ không làm việc thì bộ điều khiển sẽ ra lệnh cho bộ lọc của bể mạ đó không làm việc. Phƣơng pháp này có ƣu điểm là tiết kiệm chi phí tuy nhiên vấn đề điều khiển lƣợng bù thích hợp tới từng bể mạ rất phức tạp. * Giải pháp thứ hai là bù sát nút phụ tải tức là với mỗi bê mạ sẽ có một bộ lọc tƣơng ứng riêng rẽ không liên quan tới bộ lọc của bể mạ khác (bù phân tán). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 66 Theo phƣơng án này thì đối với bể mạ sẽ sử dụng một mạch lọc và các mạch lọc này hoạt động riêng rẽ mà không liên quan tới nhau. Phƣơng án này có ƣu điểm là có thể mở rộng ra cho nhiều bể mạ, điều khiển đơn giản hơn so với giải pháp bù tổng tuy nhiên chi phí sẽ tăng. Ở đây ta nghiên cứu theo giải pháp bù sát nút phụ tải. Do các bể mạ là giống nhau nên theo giải pháp này ta chỉ cần xét đối với một bể mạ từ đó có thể mở rộng ra cho các bể mạ còn lại hoặc có thể thêm ứng dụng khi mở rộng số bể mạ thì khi đó chỉ cần đƣa thêm mạch lọc khác. BÓ m¹ 1 BÓ m¹ 2 BÓ m¹ 5 AT AT ATAT TBA …………AF1 AF2 AF5 Hình 4.3. Giải pháp bù sát nút phụ tải 4.2. Phân tích ảnh hưởng của tải bể mạ lên lưới điện. 4.2.1. Xây dựng mô hình để phân tích ảnh hưởng của phụ tải bể mạ đến lưới. Các thông số của mô hình : - Điện áp nguồn 380(V), tần số 50(Hz) - Điện áp một chiều cấp cho bể mạ 24(V), dòng điện mạ 5.000(A) - Thông số bộ điều chỉnh dòng điện: Kp=0,011, Ki=110 Cấu trúc hệ thống cấp nguồn cho bể mạ. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 67 Điện áp xoay chiều ba pha đƣợc lấy từ lƣới qua máy biến áp cấp cho bộ chỉnh lƣu thyristo để tạo nguồn một chiều cấp cho bể mạ. Việc thay đổi dòng mạ đƣợc thƣc hiện thông qua bộ chỉnh lƣu cầu ba pha thyristo. Bằng việc thay đổi góc mở của bộ CL ba pha sẽ thay đổi đƣợc điện áp ra, từ đó thay đổi đƣợc dòng mạ. Trong hệ thống này dòng mạ đƣợc giữ ổn định ở 5.000(A) bằng bộ điều chỉnh dòng điện RI. Trong hệ thống này bao gồm nguồn cấp, máy biến áp, bộ chỉnh lƣu cầu ba pha thyristo, bộ điều chỉnh để ổn định dòng mạ. Trong trƣờng hợp này ta giả sử nguồn cấp cho hệ thống bể mạ là nguồn lý tƣởng (sin và cân bằng). Trong phần này ta sẽ sử dụng phần mền Matlab/Simulink để đánh giá thành phần dòng điều hòa bậc cao trong dòng điện nguồn gây ra do tính phi tuyến của phụ tải bể mạ nhôm. Sơ đồ mô hình của hệ thống: Hình 4.5. Mô hình hệ thống điêu khiển. Hình 4.4. Hệ thống cấp nguồn cho bể mạ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 68 Các khâu chính trong hệ thống điều khiển bể mạ bao gồm: 1. Nguồn. Hệ thống nguồn 3 pha 3 dây cung cấp cho tải phi tuyến. Nguồn xoay chiều 3 pha có trị hiệu dụng U=220(V), tần số 50(Hz), giá trị góc pha của các pha A, B, C lệch pha nhau 1200. Mô hình nguồn 3 pha: Hình 4.6. Nguồn xoay chiều 3 pha 2. Mô hình tải. Đây là đối tƣợng ta sẽ khảo sát từ đó thiết kế bộ lọc để lọc thành phần sóng điều hòa gây ra do tải phi tuyến từ đó cải thiện đƣợc chất lƣợng điện năng. Mô hình tải phi tuyến: - Khối mạch lực: Cấu trúc hệ thống khi lắp thêm mạch lọc tích cực: Hình 4.7. Mô hình mạch lực của tải phi tuyến Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 69 Mô hình gồm các khâu: điều áp xoay chiều 3 pha, máy biến áp, chỉnh lƣu cầu ba pha không điều khiển. + Máy biến áp: trong sơ đồ này sử dụng máy biến áp 3 pha loại Δ/Y do đó sẽ loại bỏ đƣợc thành phần dòng điều hòa bậc 3 do tải phi tuyến gây nên. + Bộ chỉnh lƣu: sử dụng chỉnh lƣu cầu ba pha thyristo. Khâu này chuyển từ nguồn xoay chiều thành nguồn một chiều có điều khiển để cung cấp cho bể mạ. Hình 4.8. Mô hình bộ chỉnh lƣu cầu 3 pha có điều khiển. + Tải bể mạ: do đặc tính bể mạ, trong quá trình mạ có sức điện động ngƣợc tăng dần do sự tăng lên của các cation và anion trong dung dịch điện phân làm tăng sức điện động đến một giá trị không đổi cho đến khi kết thúc quá trình mạ. Chính sự biến thiên sức điện động này gây biến thiên các thành phần dòng điều hòa bậc cao. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 70 Để tạo đặc tích cho sự biến động của sức điện động trong quá trình mạ ta sử dụng một khối tạo đặc tính theo sự biến động của sức điện động. Mô hình tải có thể biểu diễn nhƣ sau: Hình 4.9. Mô hình tải bể mạ. Trong đó R= 4.10 -4 (  ) Sức điện động E biến thiên theo đặc tính sau: E(V) t(s) 22 2 0 Hình 4.10. Đặc tính biến thiên của sức điện động bể mạ Trong thực tế thì quá trình tăng sức điện động E thƣờng kéo dài khoảng 5 đến 10 phút tuy nhiên khi đó khối lƣợng tính toán của máy tính sẽ lớn. Do ta chỉ cần định hình sự biến thiên sức điện động trên tải để đánh giá sự biến thiên của dòng điều hòa bậc cao khi sức điện động thay đổi và để giảm bớt khối lƣợng tính toán trong mô phỏng ta giả sử quá trình này chỉ kéo dài trong 2(s) sau đó sức điện động ổn định. - Khối điều khiển: có nhiệm vụ giữ dòng ở tải ổn định Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 71 Hình 4.11. Sơ đồ khâu điều khiển dòng điện tải. Khối này ổn định dòng điện ở tải bằng cách dùng một bộ điều chỉnh. Bộ điều chỉnh sử dụng ở đây là bộ PI. Tín hiệu vào của khâu PI là sai lệch của hai tín hiệu: tín hiệu dòng đặt (dòng mong muốn ở tải) và tín hiệu dòng thực đo trên tải. Để cho tín hiệu đặt dòng điện không biến thiên đột biến ở đầu vào dòng đặt ta cho thêm một khâu Ramp để dòng tăng từ từ. Tham số này đƣợc lấy từ thông số thực tế của bộ điều khiển dòng điện mạ. Đầu ra của bộ điều chỉnh dòng điện là tín hiệu đƣợc đƣa vào khâu phát xung của bộ CL cầu ba pha thyristo để thay đổi điện áp từ đó ổn định dòng phía tải. 3. Khối tính toán công suất. Khối này tính toán công suất tiêu thụ của tải và công suất nguồn, đánh giá hiệu suất sử dụng điện năng thông qua việc đánh giá hệ số công suất. Tín hiệu từ khối này đƣợc đƣa đến khối hiển thị để xử lý kết quả và đánh giá. Hình 4.12. Khối tính toán công suất 4. Khâu đo lường. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 72 Gồm các khối đo dòng và áp trên đƣờng dây và trên tải. Tín hiệu từ khối này đƣợc sử dụng để làm tín hiệu cho các khối điều khiển, cho mục đích hiển thị và xử lý dữ liệu. - Khâu đo dòng: Hình 4.13. Mô hình khâu đo dòng điện xoay chiều 3 pha - Khâu đo áp: Hình 4.14. Mô hình khâu đo điện áp xoay chiều 3 pha 5. Khối hiển thị. Để hiển thị thông tin về quá trình để thuận tiện cho khảo sát và phân tích. Hình 4.15. Mô hình khối hiển thi tham số Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 73 4.2.2. Kết quả mô phỏng. - Điện áp nguồn cấp cho phụ tải bể mạ: 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 -500 0 500 Time (s) Us ( V) Hình 4.16. Đồ thị điện áp nguồn cấp cho tải - Dòng điện trên đƣờng dây cấp cho bể mạ: ta khảo sát dòng điện trên lƣới để đánh giá sự biến dạng dòng trên lƣới do tính phi tuyến của tải gây ra. 2 2.01 2.02 2.03 2.04 2.05 2.06 2.07 2.08 2.09 2.1 -2000 -1000 0 1000 2000 Time (s) iS (A ) Hình 4.17. Dòng điện phía nguồn cấp cho tải Ta nhận thấy dòng trên lƣới đã bị méo không còn dạng hình sin nữa mà bị méo dạng đi so với dạng sin chuẩn do chứa nhiều thành phần sóng điều hòa bậc cao sinh ra do tính phi tuyến của tải. Tiếp theo ta phân tích dòng trên pha A, từ đó đánh giá các thành phần sóng điều hòa bậc cao. Việc phân tích này sẽ đƣợc tiến hành tại một số thời điểm khác nhau theo sự biến thiên của sức điện động E. Sở dĩ ta phân tích tại các thời điểm khác nhau vì nhƣ vậy sẽ quan sát đƣợc sự biến thiên của các thành phần sóng điều hòa bậc cao do sự thay đổi của sức điện động E. - Dòng điện trên pha A của nguồn cấp cho tải bể mạ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 74 2 2.01 2.02 2.03 2.04 2.05 2.06 2.07 2.08 2.09 2.1 -2000 -1000 0 1000 2000 Time (s) iS a ( A) Hình 4.18. Dòng điện nguồn pha A Phân tích phổ dòng điện pha A tại các giá trị khác nhau của E cho kết quả: Hình 4.19. Phân tích sóng điều hòa dòng điện nguồn pha A tại E=8 (V) Hình 4.20. Phân tích sóng điều hòa dòng điện nguồn pha A tại E=16 (V) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 75 Hình 4.21. Phân tích sóng điều hòa dòng điện nguồn pha A tại E=22 (V) Bảng 4.1. Tỷ lệ các thành phần dòng điều hòa trong dòng điện nguồn Bậc sóng điều hòa Tỷ lệ các thành phần sóng điều hòa (%) E=8(V) E=16(V) E=22(V) DC 0,10 0,06 0,01 Fund 100 100 100 2 0,05 0,15 0,02 3 0,02 0,10 0,01 4 0,17 0,20 0,02 5 47,68 40,43 24,08 6 0,45 0,48 0,03 7 22,70 16,88 14,48 8 0,22 0,12 0,02 9 0,18 0,08 0,01 10 0,25 0,17 0,01 11 17,02 14,42 5,97 12 0,32 0,42 0,02 13 11,80 8,68 7,86 14 0,19 0,13 0,02 15 0,13 0,09 0,01 16 0,18 0,16 0,01 17 9,16 7,98 4,44 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 76 18 0,33 0,35 0,02 19 7,32 5,24 3,96 Ta thấy rằng do có sự biến thiên các thành phần sóng điều hòa bậc cao nên hệ số méo dạng dòng điện THD cũng thay đổi. Đối chiếu với tiêu chuẩn IEEE std 519 ta thấy hệ số méo dạng dòng điện THD=30,37% vƣợt xa trị số số quy định trong tiêu chuẩn là hệ số THD phải nhỏ hơn 5%. Từ bảng 4.1 ở trên ta thấy các thành phần sóng điều hòa bậc chẵn và bậc 3, 9,15 gần nhƣ không có trong khi đó các thành phần điều hòa bậc 5, 7, 11, 13, 17, 19 chiếm tỷ lệ khá lớn. Các thành phần này gây ra bởi bộ chỉnh lƣu cầu ba pha. Trong đó thì thành phần sóng điều hòa bậc 5 và bậc 7 là chiếm tỷ lệ lớn hơn cả. Căn cứ theo tiêu chuẩn IEC 1000-3-4 ta nhận thấy các thành phần sóng điều hòa trong dòng điện lƣới đều vƣợt quá tiêu chuẩn cho phép đƣợc quy định theo tiêu chuẩn. Do đó cần có biện pháp để đảm bảo hạn chế đƣợc các thành phần dòng điều hòa bậc cao trên lƣới. Biện pháp đƣợc sử dụng là sử dụng mạch lọc tích cực. Quan sát sự biến thiên thành phần sóng điều hòa bậc 5 và bậc 7: 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 0 200 400 600 Time (s) h5 Hình 4.22. Thành phần điều hòa bậc 5 của dòng điện nguồn pha A. 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 0 100 200 300 Time (s) h7 Hình 4.23. Thành phần điều hòa bậc 7 của dòng điện nguồn pha A. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 77 Lúc đầu do sức điện động E còn nhỏ, dòng đƣợc điều khiển giữ ở 5000(A) nên vùng điều chỉnh điện áp nhỏ, có điều chỉnh điện áp một chiều ra sinh ra các thành phần điều hòa bậc cao lớn, biên độ các thành phần điều hòa bậc cao thay đổi. Ta nhận thấy trong khoảng thời gian từ 0 đến 2(s) các thành phần sóng điều hòa bậc 5, bậc 7 biến thiên do sự biến thiên của sức điện động E. Sau thời gian 2(s) khi sức điện động E đã ổn định thì thành phần sóng điều hòa bậc 5 và 7 không đổi. - Đánh giá hệ số công suất: hệ số công suất nguồn thấp, chỉ vào khoảng 0,66 do trong dòng điện chứa nhiều thành phần dòng điều hòa bậc cao. Thực tế chỉ có thành phần dòng cơ bản là tạo nên công suất tác dụng mạch điện, các thành phần dòng điều hòa khác chỉ tạo nên tải cho dòng điện mà không đóng góp gì vào công suất tác dụng. Do đó với việc hạn chế sóng điều hòa bậc cao góp phần cải thiện hệ số công suất. 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Time (s) PF Hình 4.24. Hệ số công suất khi chƣa có mạch lọc - Từ đồ thị hình 4.24 ta nhận thấy dòng và áp trên pha A không trùng nhau. 2.1 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15 2.16 2.17 2.18 2.19 2.2 -2000 -1000 0 1000 2000 Time (s) Ua (V ), iS a (A) Dßng ®iÖn §iÖn ¸p Hình 4.25. Dòng điện và điện áp nguồn pha A 4.3. Thiết kế bộ lọc cho nguồn bể mạ. Từ phân tích ở trên ta thấy các thành phần sóng điều hòa bậc cao chiếm tỷ lệ khá lớn là nguyên nhân dẫn đến các hiện tƣợng nhƣ nổ tụ, cháy van bán dẫn của các Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 78 bộ biến đổi. Đồng thời do sự xuất hiện của các thành phần điều hòa bậc cao cũng làm méo điện áp lƣới, giảm hệ số công suất nhƣng không thể dùng bù tụ tĩnh đƣợc. Do đó để khắc phục hiện tƣợng trên thì cần phải làm giảm hay triệt tiêu các thành phần xoay chiều bậc cao. Việc này đƣợc thực hiện bằng các thiết bị lọc sóng điều hòa. Mặt khác, do đặc tính của bể mạ có thể coi nhƣ gồm một điện trở R và một sức điện động E. Thời kỳ đầu quá trình mạ có sự biến thiên E làm cho các thành phần sóng điều hòa bậc cao cũng thay đổi. Do đó giải pháp tốt nhất trong trƣờng hợp này là sử dụng mạch lọc tích cực (Active Filter). Hình 4.26. Sơ đồ nguyên lý mạch lực có sử dụng bù. Việc chọn điểm nối mạch lọc sát phụ tải với giả thuyết điện áp nguồn cấp đối xứng ta chọn mạch lực AF là cầu 3 pha đối xứng. Bộ lọc tích cực đƣợc điều khiển theo phƣơng pháp dòng điện. Tiếp theo ta xác định một số thông số của bộ lọc. 4.3.1. Xác định giá trị điện áp một chiều cấp cho nghịch lưu. Giá trị cực tiểu của điện áp một chiều: dcmin d0 faU >U =2,45U (4-1) Thông thƣờng chọn điện áp một chiều ở giá trị:  dc d0U = 1,2÷1,3 U (4-2) Cấu trúc hệ thống khi lắp thêm mạch lọc tích cực: ; Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 79 Từ (4-1) và (4-2) ta tính đƣợc điện áp một chiều cấp cho mạch nghịch lƣu là Udc=700(V). 4.3.2. Xác định giá trị tụ điện C. Giá trị tụ điện C đƣợc tính toán sao cho đảm bảo tạo đƣợc điện áp cấp cho mạch nghịch lƣu là 700(V). Công thức tính toán C đƣợc đƣa ra theo công thức sau: n dc dc 1 S 1 C= . U .ΔU 2ω (4-3) Trong đó : nS là công suất biểu kiến của bộ lọc. Udc là giá trị điện áp một chiều cấp cho mạch nghịch lƣu. dcΔU biến thiên điện áp trên tụ ( lấy khoảng 5% nên dcΔU =35V). Trƣớc hết ta tính toán công suất biểu kiến của bộ lọc. Công suất của bộ lọc sẽ bằng tổng công suất gây ra do các thành phần sóng điều hòa bậc cao 2, 3, 4… tuy nhiên chỉ có các thành phần bậc 5, 7, 11, 13, 17, 19 là chiếm tỷ lệ lớn do đó sẽ tính toán công suất bộ lọc dựa trên các thành phần điều hòa bậc cao này. Công suất bộ lọc: Sn = S5 + S7 + S11 + S13 + S17 + S19 =3.( Uf.I5f + Uf.I7f + Uf.I11f + Uf.I13f + Uf.I17f + Uf.I19f) =3.(220.117,18 + 220.70,45 + 220.29,08 + 220.38,2 + 220.21,62 +220.19,22) =195255 (VA) Thay số vào (4-3) ta có : C= )(0127.0 .50.2.2 1 . 35.700 195255 F Chọn C= 6000(µF) 4.3.3. Xác định giá trị điện cảm L. Bộ lọc tích cực đƣợc thiết kế để loại bỏ các thành phần sóng điều hòa bậc cao khỏi thành phần cơ bản của dòng điện. Bộ lọc tích cực nên tính toán sao cho lọc đƣợc ít nhất 20 thành phần điều hòa bậc cao. Khi lọc bỏ các thành phần sóng điều Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 80 hòa bậc cao thì khi đó giá trị tần số cao của các sóng điều hòa sẽ hạn chế kích thƣớc của cuộn cảm. Cuộn cảm có tác dụng nhƣ một kho, khi có dòng điện chạy qua nó sẽ tích trữ một năng lƣợng từ trƣờng. Khi trị số điện cảm lớn, năng lƣợng từ trƣờng này càng lớn và nó sẽ làm cho sự thay đổi dòng điện chậm lại và không bám theo đƣợc sự thay đổi của dòng bù chuẩn ở tần số cao. Ngƣợc lại, khi trị số điện cảm của cuộn dây quá nhỏ sẽ làm cho sự thay đổi của dòng biến thiên nhanh, kết quả làm cho tần số chuyển mạch của bộ nghịch lƣu tăng và gây ra tổn thất trong các van bán dẫn tăng. Do đó giá trị điện cảm của cuộn dây cần đƣợc chọn thích hợp sao cho tần số đóng cắt của các van bán dẫn không quá cao để giảm đƣợc tổn thất do chuyển mạch giữa các van bán dẫn của bộ nghịch lƣu. Xét một thành phần điều hòa có tần số f có dạng: i(t)=A.sin(2πf.t+ )j Khi đó biến thiên dòng điện là: di max( )=A.2.π.f dt (4-4) Với bộ lọc tích cực cần bù các thành phần sóng điều hòa bậc cao do đó để xác định trị số di dt từ (4-4). Ta cần xét với từng thành phần sóng điều hòa từ đó chọn đƣợc giá trị lớn nhất của di dt . Bảng sau đƣa ra kết quả tính giá trị di dt ứng với các thành phần điều hòa xoay chiều bậc cao: Bảng 4.2. Biến thiên dòng điện với các thành phần sóng điều hòa Bậc sóng điều hòa Giá trị (A) di dt 2 0,005 3,14 3 0,01 9,43 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 81 4 0,025 39,27 5 117,18 184058,06 6 0,03 65.05 7 70,45 154916,65 8 0,015 37,7 9 0,005 14,14 10 0,01 31,42 11 29,08 100493,27 12 0,03 59,25 13 38,2 155991,07 14 0,015 65,97 15 0,005 23,56 16 0,01 50,27 17 21,62 115439,39 18 0,02 113,1 19 19,22 114724,68 Từ bảng trên ta có di max( ) dt =184058,06 ứng với thành phần sóng điều hòa bậc 5. Công thức tính giá trị điện cảm là: dc source max U -U 2L = di max( ) dt (4-5) Thay số vào (4-5) ta có: maxL = 410.16,2 06,184058 2.220 2 700   (H) Chọn L=0,04(H). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 82 4.3.4. Xác định và lựa chọn thông số van điều khiển. Do van có tần số đóng cắt cao nên ta chọn van loại IGBT. Việc lựa chọn van là sự kết hợp của nhiều yếu tố nhƣ dòng cực đại qua van, điện áp ngƣợc cực đại đặt lên van, tần số đóng ngắt, tổn thất do đóng ngắt, điều kiện làm mát…Việc tính toán lựa chọn van rất phúc tạp đòi hỏi nhiều yếu tố. Ở đây chọn sơ bộ van theo dòng điện cực đại qua van. Dòng điện cực đại qua van bằng tổng các thành phần sóng điều hòa. Do chỉ có các thành phần sóng điều hòa bậc 5, 7, 11, 17, 19 chiếm tỷ lệ chủ yếu do đó ta sẽ tính dòng qua van theo các thành phần điều hòa bậc cao này: Imax=I5+I7+I11+I13+I17+I19=117,18+70,45+29,08+38,2+21,62+19,22 =295,5 (A) Trong điều kiện bỏ qua tổn thất và điều kiện làm mát lý tƣởng ta có thể chọn van với dòng qua van là: I=2Imax=2.295,5=591 (A) Nhƣ vậy sơ bộ ta có thể chọn van với dòng 800 (A), điện áp 1600(V). 4.3.5. Khâu tạo xung cho bộ nghịch lưu. 1. Khối tính toán dòng bù chuẩn. Hình 4.27. Mô hình khối tính toán dòng bù chuẩn. Các khâu trong khối gồm: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 83 - Khâu chuyển hệ trục tọa độ abc αβ : chuyển dòng và áp trong khung tọa độ abc sang khung tọa độ αβ để phục vụ cho tính toán CSTD và CSPK theo thuyết p-q tức thời. Hình 4.28. Khối chuyển điện áp trong hệ abc sang  . Hình 4.29. Khối chuyển dòng trong hệ abc sang  - Khối tính toán công suất pq : khối này cho phép ta tính toán công suất p, q của tải trong hệ tọa độ αβ . Hình 4.30. Khối tính toán công suất p, q Ngoài ra để ổn định điện áp trên tụ nguồn cần cung cấp một công suất p0 đƣợc tính toán thông qua dòng và áp trên tụ theo công thức sau: dc 0 dc dc dc dc du p =C u =u i dt Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 84 Hình 4.31. Khối tính toán công suất ổn định điện áp trên tụ - Khối tính toán công suất bù : từ CSTD và CSPK của tải đã tính đƣợc ở trên kết hợp với yêu cầu lọc sóng điều hòa và bù CSPK mạch lọc cần cung cấp công suất để bù. Hình 4.32. Khối tính toán công suất bù cung cấp bởi mạch lọc Trong khối này sử dụng mạch lọc thông thấp. Chức năng của nó là lọc bỏ thành phần xoay chiều, chỉ giữ lại thành phần một chiều. - Khối tính toán dòng đặt trong hệ αβ : dòng bù cần thiết tạo ra từ mạch lọc đƣợc tính toán theo (3-8). Hình 4.33. Khối tính toán dòng bù trong hệ  - Khối tính toán dòng đặt trong hệ abc: dòng yêu cầu trong hệ abc đƣợc chuyển từ dòng đặt đã đƣợc tính toán trong hệ αβ . Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 85 Hình 4.34. Khối tính toán dòng bù trong hệ abc 2. Cấu trúc của khâu phát xung. Hình 4.35. Khối phát xung cho bộ nghịch lƣu Dòng bù chuẩn đã đƣợc tính toán ở trên đƣợc so sánh với tín hiệu thực đƣợc đo từ đầu ra bộ lọc. Sai lệch của hai tín hiệu này đƣợc đƣa vào bộ điều chỉnh dòng. Trong sơ đồ này sử dụng bộ điều chỉnh theo sai lệch dòng nghĩa là khi dòng tăng vƣợt quá ngƣỡng trên của bộ điều chỉnh thì nó phát xung đóng cắt các van bán dẫn để dòng giảm xuống và ngƣợc lại khi dòng giảm xuống dƣới ngƣỡng đặt thì bộ điều chỉnh phát xung để tăng dòng. 4.4. Khảo sát mạch lọc với nguồn bể mạ. Các thông số mô phỏng: - Nguồn cấp 380(V), tần số 50(Hz) - Thông số bộ điều chỉnh dòng Kp=0,011, Ki=110 - Cuộn kháng L=0,004(H) - Tụ điện C= 6000( μF ) - Thông số bộ điều chỉnh điện áp trên tụ Kp=2,64, Ki=114,8 - Sai số của khâu điều chỉnh dòng ta đặt khoảng 50(A) tƣơng ứng với sai số khoảng 10%. - Quá trình mô phỏng đƣợc thực hiện với chế độ dòng mạ là 5000 (A). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 86 Ta sẽ xem xét trong hai trƣờng hợp với trƣờng hợp nguồn lý tƣởng và trƣờng hợp nguồn không lý tƣởng. 4.4.1. Khảo sát trong trường hợp nguồn lý tưởng. Cấu trúc của hệ thống khi lắp thêm khối lọc nhƣ hình vẽ: Hình 4.36. Sơ đồ hệ thống điều khiển bể mạ có bù trong trƣờng hợp điện áp nguồn lý tƣởng Trong trƣờng hợp này ta sẽ khảo sát với điện áp nguồn lý tƣởng (sin và cân bằng). - Nguồn lý tƣởng cấp cho tải bể mạ 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 -500 0 500 Time (s) Us ( V) Hình 4.37. Nguồn lý tƣởng cấp cho tải Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 87 - Quan sát dòng điện nguồn phía trƣớc mạch lọc ta thấy dòng điện đã có hình sin, các thành phần dòng điều hòa bậc cao đã đƣợc giảm. 2.4 2.41 2.42 2.43 2.44 2.45 2.46 2.47 2.48 2.49 2.5 -2000 -1000 0 1000 2000 Time (s) iS (A ) Hình 4.38. Dòng điện nguồn sau khi mạch lọc tác động Tuy nhiên để đánh giá đƣợc chất lƣợng của bộ lọc đối với việc triệt tiêu các thành phần điều hòa xoay chiều bậc cao ta cần đánh giá qua hệ số biến dạng dòng điện THD, hệ số này phải nằm trong tiêu chuẩn cho phép. Việc này đƣợc thực hiện thông qua phân tích điều hòa dòng điện bậc cao. Ta phân tích với dòng pha A. - Dòng điện nguồn pha A: 2.4 2.41 2.42 2.43 2.44 2.45 2.46 2.47 2.48 2.49 2.5 -2000 -1000 0 1000 2000 Time (s) iS a (A ) Hình 4.39. Dòng điện nguồn pha A sau khi mạch lọc tác động. Tiếp theo ta phân tích phổ dòng điện pha A tại các thời điểm khác nhau sau khi mạch lọc tác động qua đó sẽ thấy đƣợc tác động của mạch lọc tích cực đối với sự biến thiên của các thành phần sóng điều hòa bậc cao khi sức điện động E thay đổi trong quá trình mạ. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 88 Hình 4.40. Phân tích sóng điều hòa dòng điện pha A tại E=8(V) khi mạch lọc tác động Hình 4.41.Phân tích sóng điều hòa dòng điện pha A tại E=16(V) khi mạch lọc tác động Hình 4.42.Phân tích sóng điều hòa dòng điện pha A tại E=22(V) khi mạch lọc tác động Từ phân tích trên ta nhận thấy khi sức điện động E đã ổn định, hệ số méo dạng dòng điện THD là 4,74%. Đối chiếu với tiêu chuẩn IEEE std 519 ta thấy hệ số THD thỏa mãn tiêu chuẩn (<5%) nhƣ vậy trong trƣờng hợp này bộ lọc làm việc đáp ứng đƣợc yêu cầu. Chất lƣợng dòng điện trên lƣới đƣợc bảo đảm. Một tiêu chuẩn khác để đánh giá là tiêu chuẩn IEC 1000-3-4 quy định tỷ lệ sóng điều hòa bậc cao đƣợc phép trong dòng điện lƣới. Bảng sau đƣa ra tỷ lệ các thành phần sóng điều hòa bậc cao trong dòng điện nguồn sau khi mạch lọc tác động. Bảng 4.3. Giá trị các thành phần sóng điều hòa trong dòng điện nguồn Bậc sóng điều hòa Tỷ lệ các thành phần sóng điều hòa (%) E=8(V) E=16(V) E=22(V) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 89 DC 0,07 0,15 0,14 Fund 100 100 100 2 0,64 0,78 0,53 3 0,57 0,62 0,28 4 0,61 0,76 0,61 5 13,18 11,44 2,08 6 0,43 0,59 0,34 7 13,17 10,19 1,47 8 0,54 0,85 0,43 9 0,61 0,81 0,22 10 0,51 0,37 0,48 11 14,27 10,36 1,56 12 0,46 0,30 0,36 13 13,31 9,68 1,99 14 0,44 0,77 0,35 15 0,45 0,39 0,33 16 0,55 0,21 0,49 17 11,83 7,86 1,88 18 0,42 0,34 0,28 19 11,04 7,63 2,01 Khi sức điện động E đã ổn định. Đối chiếu với bẳng 4.1 ta nhận thấy mặc dù xuất hiện thêm một số thành phần sóng điều hòa mới nhƣng tỷ lệ của chúng rất nhỏ so với thành phần cơ bản, các thành phần sóng điều hòa bậc 5, 7, 11… đã giảm đi rõ rệt so với khi chƣa có mạch lọc tác động. Theo tiêu chuẩn IEC 1000-3-4 thì các thành phần sóng điều hòa bậc cao trong dòng điện lƣới phải nhỏ hơn một giá trị cho phép. Căn cứ vào kết quả phân tích các thành phần điều hòa bậc cao trong dòng điện lƣới theo bảng 4.3 và đối chiếu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 90 với tiêu chuẩn IEC 1000-3-4 ta thấy tỷ lệ các thành phần điều hòa bậc cao đều nằm trong tiêu chuẩn. Nhƣ vậy bộ lọc đáp ứng đƣợc yêu cầu. Quan sát sự biến thiên thành phần sóng điều hòa bậc 5, 7 qua đồ thị hình 4.43, 4.44 ta nhận thấy rõ tác động của mạch lọc đối với sự biến thiên của các thành phần sóng điều hòa bậc cao. Trong khoảng thời gian từ 0,6 đến 2(s) các thành phần sóng điều hòa bậc cao biến thiên do sự biến thiên của sức điện động E mạch lọc vẫn tác động tốt, làm giảm bớt các thành phần sóng điều hòa bậc cao. Có thể thấy rõ đƣợc sự biến thiên của các thành phần sóng điều hòa bậc cao trong khoảng thời gian từ 0,6 đến 2(s) sau khi mạch lọc tác động nhƣ hình dƣới. 0 0.6 1 1.5 2 2.5 3 0 200 400 600 Time (s) h5 Tr•íc khi t¸c ®éng Sau khi t¸c ®éng Hình 4.43. Thành phần sóng điều hòa bậc 5 trƣớc và sau khi mạch lọc tác động. 0 0.6 1 1.5 2 2.5 3 0 100 200 300 Time (s) h7 Tr•íc khi t¸c ®éng Sau khi t¸c ®éng Hình 4.44. Thành phần sóng điều hòa bậc 7 trƣớc và sau khi mạch lọc tác động - Công suất nguồn và công suất mạch lọc: mạch lọc thực hiện chức năng bù CSPK do đó sau khi mạch lọc tác động thì lƣợng CSPK mà nguồn cần cấp cho tải đƣợc cấp từ mạch lọc do đó lƣợng CSPK từ nguồn giảm xuống. Sau khi mạch lọc tác động tại thời điểm 0,6(s) CSPK đƣợc cấp từ nguồn giảm xuống, lúc này nguồn chỉ truyền tải một lƣợng CSPK rất nhỏ. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 91 0 0.6 1 1.5 2 2.5 3 -1 0 1 2 3 4 5 6 x 10 5 Time (s) Powe r (W, VAR ) P Q Ch•a t¸c ®éng Sau khi t¸c ®éng Hình 4.45. Công suất nguồn trƣớc và sau khi mạch lọc tác động 0 0.6 1 1.5 2 2.5 3 0 1 2 3 4 5 x 10 5 Time (s) Pow er ( W, VA R) Q P Ch•a t¸c ®éng Sau khi t¸c ®éng Hình 4.46. Công suất mạch lọc trƣớc và sau khi tác động. - Hệ số công suất: ta thấy khi mạch lọc tác động thì dòng và áp phía lƣới trùng pha, hệ số cosj =1 nhƣng hệ số công suất của nguồn chỉ xấp xỉ 1 do vẫn còn tồn tại các thành phần dòng điều hòa bậc cao. 2.2 2.21 2.22 2.23 2.24 2.25 2.26 2.27 2.28 2.29 2.3 0 0.2 0.4 0.6 0.9 1 1.2 Time (s) PF Hình 4.47. Hệ số công suất sau khi mạch lọc tác động. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 92 2 2.01 2.02 2.03 2.04 2.05 2.06 2.07 2.08 2.09 2.1 -2000 -1000 0 1000 2000 Time (s) ua(V ),ia( A) Dßng ®iÖn §iÖn ¸p Hình 4.48. Dòng điện, điện áp nguồn pha A sau khi mạch lọc tác động Qua những phân tích ở trên ta thấy mạch lọc làm việc khá tốt đảm bảo chức năng là lọc sóng điều hòa bậc cao và bù CSPK. Tuy nhiên việc phân tích ở trên mới chỉ xét với điều kiện nguồn cấp là lý tƣởng. Tiếp theo ta sẽ phân tích trong trƣờng hợp điện áp nguồn không lý tƣởng (không sin hoặc không cân bằng). 4.4.2. Ảnh hưởng của điện áp tại điểm nối giữa mạch lọc và lưới. Khảo sát trong trƣờng hợp nguồn không cân bằng: 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 -500 0 500 Time (s) Us(V ) Hình 4.49. Điện áp nguồn không cân bằng. Khi đó ta có kết quả mô phỏng: - Dòng điện nguồn phía trƣớc mạch lọc: 2.4 2.41 2.42 2.43 2.44 2.45 2.46 2.47 2.48 2.49 2.5 -2000 -1000 0 1000 2000 Time (s) iS (A ) Hình 4.50. Dòng điện nguồn trong trƣờng hợp điện áp nguồn không cân bằng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 93 - Phân tích phổ dòng điện nguồn pha A cho ta kết quả: Hình 4.51. Sóng điều hòa dòng điện nguồn pha A Từ kết quả trên ta nhận thấy dòng điện phía trƣớc mạch lọc không còn có dạng hình sin nữa mà bị méo đi, hệ số méo dạng dòng điện lớn vƣợt quá tiêu chuẩn cho phép Kết quả này là do thuyết p-q chỉ đúng trong trƣờng hợp điện áp nguồn sin và cân bằng. Trong trƣờng hợp này ta khảo sát với điện áp nguồn không cân bằng do đó kết quả ra không còn đúng nữa bởi bản thân thuyết p-q mà ta sử dụng trong thuật toán điều khiển sai. Để khắc phục nhƣợc điểm này một mạch PLL (phase-locked loop) đƣợc sử dụng. Mục đích của việc áp dụng mạch PLL là để xác định thành phần sơ bản của điện áp tại điểm kết nối giữa mạch lọc và lƣới từ đó sẽ đƣợc dùng để tính toán dòng bù cần thiết theo thuyết p-q. Cấu trúc của mạch PLL: Hình 4.52. Cấu trúc mạch PLL Sơ đồ hệ thống bể mạ khi sử dụng mạch lọc trong trƣờng hợp có sử dụng mạch PLL để khắc phục nhƣợc điểm của thuyết p-q: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 94 Hình 4.53. Sơ đồ hệ thống điều khiển bể mạ có bù Kết quả mô phỏng trong trƣờng hợp này nhƣ sau: - Dòng điện nguồn phía trƣớc mạch lọc: 2.4 2.41 2.42 2.43 2.44 2.45 2.46 2.47 2.48 2.49 2.5 -2000 -1000 0 1000 2000 Time (s) iS (A ) Hình 4.54. Dòng điện nguồn sau khi lọc dùng PLL trong trƣờng hợp điện áp nguồn không cân bằng. - Phân tích phổ dòng điện nguồn pha A đƣợc kết quả nhƣ sau: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 95 Hình 4.55. Sóng điều hòa dòng điện nguồn pha A Có thể thấy rằng chất lƣợng dòng điện đã đƣợc cải thiện đáng kể trong trƣờng hợp điện áp nguồn không cân bằng, dòng không còn bị méo nữa mà có dạng hình sin, hệ số méo dạng dòng điện đã giảm so với trƣớc khi sử dụng mạch PLL. Trƣớc khi sử dụng mạch PLL thì hệ số méo dòng THD=13,95%, sau khi sử dụng mạch PLL trong trƣờng hợp điện áp nguồn không cân bằng thì hệ số THD=6,42%. Nhƣ vậy hạn chế của thuyết p-q có thể khắc phục bằng cách sử dụng một mạch PLL. Tuy nhiên theo phƣơng pháp này chỉ lấy thành phần điện áp nguồn cơ bản để tính toán theo thuyết p-q mà bỏ qua các thành phần điều hòa bậc cao của điện áp nguồn do đó chất lƣợng mạch lọc kém hơn so với trƣờng hợp điện áp nguồn lý tƣởng. Việc sử dụng phƣơng pháp điều khiển bang-bang có ƣu điểm là dễ dàng thực hiện, đáp ứng quá độ nhanh tuy nhiên có nhƣợc điểm là sai số trong quá trình quá độ có thể đạt giá trị lớn và tần số đóng ngắt thay đổi nhiều. Tần số chuyển mạch phụ thuộc vào giá trị điện cảm L và độ rộng băng trễ do đó để thay đổi tần số chuyển mạch có thể tác động vào hai thông số này tuy nhiên khi độ rộng băng trễ quá nhỏ dòng điện sin hơn, các thành phần sóng điều hòa bậc cao còn rất nhỏ nhƣng khi đó tần số chuyển mạch lớn. Giá trị điện cảm L cũng không đƣợc quá lớn vì khi đó sẽ làm tăng dòng peak còn nếu quá nhỏ thì chất lƣợng lọc sẽ tốt hơn, làm giảm đƣợc dòng peak nhƣng khi đó làm tăng tần số chuyển mạch. Do đó điện cảm L cần phải đƣợc tính toán để đảm bảo hài hòa cả hai yếu tố trên. Tần số chuyển mạch của các van bán dẫn có thể tính toán qua công thức sau: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 96 dc SW U f = 9hL Với h là giới hạn sai lệch Giả sử sai lệch là 50(A) thì tần số chuyển mạch là: )(10 .5.50.9 700 10 5 kHzfSW   Khi sai số khoảng 5% thì tần số đóng cắt của các van là rất lớn. Nên dùng độ rộng băng trễ với sai số của khâu điều chỉnh dòng là 810% so với giá trị dòng chuẩn. 4.5. Kết luận chung. Cấu trúc của luận văn gồm 4 chƣơng: Chƣơng 1: Tổng quan về sóng điều hòa và bù công suất phản kháng. Chƣơng 2: Các bộ lọc sóng điều hòa và bù công suất phản kháng. Chƣơng 3: Thiết kế bộ lọc tích cực và bù công suất phản kháng dùng chỉnh lƣu PWM. Chƣơng 4: Thiết kế bộ lọc tích cực và bù công suất phản kháng cho tải bể mạ nhôm 5000A, 24V. 4.5.1. Đánh giá nhiệm vụ. Nhiệm vụ chính của luận văn là nghiên cứu bộ lọc và bù công suất phản kháng dùng thiết bị điện tử công suất. Với những kết quả đã trình bày, có thể đánh giá một cách chủ quan rằng nhiệm vụ đã luận văn đã đƣợc hoàn thành, thể hiện ở những đặc điểm sau : - Đã xây dựng thành công bộ lọc tích cực và bù công suất phản kháng dùng thiết bị điện tử công suất (sử dụng chỉnh lƣu PWM), và xây dựng thành công mô hình mô phỏng của hệ thống mạch lọc trong Matlab/simulink cho tải bể mạ nhôm 5000A, 24V. - Dựa trên mô hình mô phỏng đƣợc thiết lập, đã mô phỏng thành công đáp ứng của mạch lọc, cụ thể đã khảo sát đáp ứng của các đại lƣợng quan trọng: dòng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 97 điện nguồn khi mạch lọc tác dụng; công suất phản kháng Q của mạch lọc phát lên lƣới và công suất phản kháng Q của nguồn dƣới tác động bù công suất của mạch lọc; hệ số công suất của nguồn dƣới tác động của mạch lọc, các thành phần sóng bậc cao sau khi mạch lọc tác động - Đã khắc phục đƣợc hiện tƣợng dòng điện nguồn có dạng không sin do ảnh hƣởng của điện áp tại điểm nối giữa mạch lọc và lƣới trong trƣờng hợp điện áp nguồn không cân bằng. Bằng cách sử dụng mạch PLL (Phase Locked Loop). Tóm lại, có thể thấy mạch lọc làm việc khá tốt, chất lƣợng dòng điện đƣợc cải thiện đáng kể. Đặc biệt mạch lọc tác động khá tốt trong trƣờng hợp các thành phần sóng điều hòa bậc cao thay đổi. 4.5.2. Tính khả thi của đề tài. - Với việc xây dựng thành công mô hình mô phỏng bộ lọc tích cực song song 3 pha trong môi trƣờng Simulink của Matlab, chúng ta thấy hoàn toàn có thể triển khai xây dựng mô hình trong thực tế. 4.5.3. Những vấn đề tồn tại và hướng phát triển . Do một số nguyên nhân chủ quan và khách quan, ở đây còn một số tồn tại cần giải quyết nhƣ sau: - Với cấu trúc điều trên điều khiển dòng điện theo kiểu bang-bang nên chƣa giải quyết đƣợc hai vấn đề khi điều khiển van bán dẫn là: các van đó phải thực hiện chuyển mạch nhƣ thế nào và trạng thái đó tồn tại bao lâu? - Tổn hao của bộ nghịch lƣu cũng chƣa đƣợc xem xét, đây là một tồn tại cần giải quyết nhằm nâng cao hiệu suất cũng nhƣ chất lƣợng mạch lọc. Các vấn đề nêu trên cần phải có sự đầu tƣ nghiên cứu một cách chuyên sâu để hoàn thiện và triển khai mô hình trong thực tế. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 98 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt. 1. Bùi Quốc Khánh, Phạm Quốc Hải, Nguyễn Thị Hiền (1996), Truyền động điện, Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật, Hà Nội. 2. Bùi Quốc Khánh, Phạm Quốc Hải, Nguyễn Thị Hiền (1996), Điều chỉnh tự động truyền động điện, Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật, Hà Nội. 3. Nguyễn Doãn Phƣớc, Phan Xuân Minh(2000), Hệ phi tuyến, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. 4. Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn (1997), Cơ sở Truyền động điện, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. 5. Nguyễn Doãn Phƣớc, Phan Xuân Minh, Hán Thành Trung(2003), Lý thuyết điều khiển phi tuyến, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. 6. Nguyễn Phùng Quang(2005), Matlab & Simulink, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. 7. Lê Văn Doanh, Nguyễn Thế Công, Trần Văn Thịnh, Điện tử công suất, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. Tiếng Anh. 8. Park KI-WON, A Review of ACTIVE POWER FILTERS, R&D Center – POSCON. 9. H. Abaali, M. T. Lamchich, M. Raoufi, Shunt Power Active Filter Control under Non Ideal Voltages Conditions, International Journal of Information Technology Volume 2 Number 3 10. Edson H.Watanabe*, Maurício Aredes* - Hirofumi Akagi+, THE P-Q THEORY FOR ACTIVE FILTER CONTROL: SOME PROBLEMS AND SOLUTIONS, Federal University of Rio de Janeiro – Brasil*, Tokyo Institute of Technology – Japan+. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 99 11. H. AKAGI, Modern active filters and traditional passive filters, Tokyo, Japan. 12. M.V. Aware, A.G. Kothari and S.S. Bhat, Power factor improvement using active filter for unbalanced three-phase non-linear loads, Visvesvaraya National Institute of Technology – India. 13. Mark McGranaghan, ACTIVE FILTER DESIGN AND SPECIFICATION FOR CONTROL OF HARMONICS IN INDUSTRIAL AND COMMERCIAL FACILITIES, Electrotek Concepts, Inc. Knoxville TN, USA. 14. Emílio F. Couto, Júlio S. Martins, João L. Afonsosimilation, Results of a shunt active with control base on p-q theory, University of Minho- Portugal. 15. David M.E. Ingram and Simon D. Round, A Fully Digital Hysteresis Current Controller for an Active Power Filter, University of Canterbury - New Zealand. 16. TAN PERNG CHENG, A SINGLE-PHASE HYBRID ACTIVE POWER FILTER WITH PHOTOVOLTAIC APPLICATION, UNIVERSITI TEKNOLOGI- MALAYSIA Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 100 TÓM TẮT LUẬN VĂN Từ khóa: 1. Lọc tích cực. 2. PLL. 3. Tải phi tuyến. 4. PWM 5. Mạ nhôm Trong thực tế, tải phi tuyến là những trƣờng hợp điển hình và phổ biến. Chúng gây ra các sóng điều hòa bậc cao làm ảnh hƣởng không tốt đến sự hoạt động của hệ thống: quá áp, tổn thất điện năng, quá nhiệt cho các phụ tải, giảm chất lƣợng điện năng và gián đoạn cung cấp điện. Vì vậy yêu cầu đặt ra là cần nghiên cứu bộ lọc tích cực để khắc phục những hạn chế nhƣ trên để ứng dụng và phổ biến trong thực tế sản xuất. Bộ lọc tích cực đƣợc nghiên cứu để áp dụng cho các hệ thống có tải phi tuyến. Nguyên lý của chúng là lọc sóng điều hòa bậc cao và bù công suất phản kháng. Luận văn thạc sỹ này đƣợc viết với mục đích nghiên cứu và thử nghiệm trong phòng thí nghiệm bộ lọc tích cực song song. Bộ lọc tích cực song song có các đặc điểm kỹ thuật sau: 1. Đảm bảo chất lƣợng điện áp phía trƣớc tải phi tuyến có dạng hình sin và loại bỏ sóng điều hòa bậc cao trên lƣới điện. 2. Bù công suất phản kháng Kết luận: Trong phạm vi đồ án tác giả đã xây dựng đƣợc phƣơng pháp bù công suất phản kháng theo lý thuyết pq. Bằng kết quả mô phỏng và thực nghiệm đã chứng minh đƣợc là các đặc điểm kỹ thuật trên hoàn toàn đạt đƣợc trong phòng thí nghiệm và phù hợp với lý thuyết.