TỔNG QUAN VỀ LƯỚI Đ Ệ I N TRUNG ÁP
Giới thiệu chung
Hiện nay, lưới i n Vi t Nam có rất nhiều cấ đ ệđ ệ ệ p i n áp từ 0.4 kV đến 500 kV
Và được chia ra thành các lưới đ ệi n áp khác nhau với những chức năng riêng biệt
Lưới điện cao áp và siêu cao áp có điện áp từ 110 kV đến 500 kV, chủ yếu được sử dụng để truyền tải điện năng đi xa và cung cấp điện cho các khu vực phụ tải lớn.
Lưới trung áp là hệ thống điện có điện áp từ 6 kV đến 35 kV, chịu trách nhiệm truyền tải điện từ các trạm biến áp đến các khu vực tiêu thụ Tại Việt Nam, lưới trung áp rất đa dạng và phức tạp, bao gồm nhiều cấp điện áp như 35 kV, 22 kV và 15 kV, phục vụ nhu cầu sử dụng điện của người dân.
10 kV, 6 kV được phân chia theo ba miền v i nhi u đặc i m khác nhau Trong ó, ớ ề đ ể đ lưới 22 kV mới xuất hiện sau n m 1995 theo yêu c u chuẩn hóa lưới đ ệă ầ i n trung áp
Lưới đ ệi n h áp: có cấ đ ệạ p i n áp nh hơỏ n 1000V Lưới i n h áp ch yếu đ ệ ạ ủ cung cấ đ ệp i n trực tiếp cho các hộ tiêu thụ đ ệ i n
1.2.Cấu trúc lưới đ ệi n trung áp
Hiện nay, nước ta lưới i n trung áp bao g m các c p i n áp sau: ở đ ệ ồ ấ đ ệ
• 6 kV, 10 kV, 22 kV, 35 kV ở mi n B c ề ắ
• 6 kV, 10 kV, 15 kV, 35 kV ở mi n Nam ề
Lưới điện 22 kV mới được xây dựng tại một số tỉnh với quy mô nhỏ Mạng lưới điện 35 kV, 10 kV, và 6 kV đều thuộc loại trung tính không nối đất trực tiếp, sử dụng cho cả đường cáp ngầm và đường cáp trên không Trong khi đó, lưới điện 15 kV có trung tính nối đất trực tiếp và được sử dụng phổ biến ở miền Nam Hầu hết các mạng lưới được thiết kế theo hình tia, kết nối các đường dây còn yếu, dẫn đến độ linh hoạt kém.
Cấu trúc lưới điện trung áp
L i iướ đ ện 35 kV được thiết kế, sử dụng các thi t b theo tiêu chuẩế ị n c a Liên ủ
Lưới điện 35 kV đóng vai trò quan trọng trong việc truyền tải điện năng và phân phối điện cho các phụ tải Trước đây, lưới điện này được xem là lưới truyền tải với các đường dây dài, kết nối qua các trạm biến áp trung gian lớn, cung cấp điện cho các địa phương Hiện nay, lưới điện 35 kV đã trải rộng khắp cả nước, với mật độ cao từ vùng thành thị đến nông thôn, bao gồm cả đồng bằng và vùng trung du, miền núi Toàn bộ hệ thống hoạt động theo chế độ ba pha với dây trung tính cách điện.
Theo quy hoạch, lưới điện áp 35 kV sẽ tiếp tục được duy trì trong hệ thống truyền tải và phân phối điện ở Việt Nam Đặc biệt, lưới điện này được sử dụng ở những khu vực có địa hình khó khăn và dân cư thưa thớt, như vùng miền núi, vùng sâu và vùng xa.
Tại các khu vực đồng bằng Bắc Bộc, phụ tải nông nghiệp và công nghiệp địa phương chiếm tỷ trọng lớn, với dân cư sinh hoạt theo mô hình cộng đồng làng xã và giao thông không thuận lợi Do đó, việc đưa các đường dây 35 kV vào sâu trong khu dân cư gặp nhiều khó khăn, khiến các đường dây này chủ yếu phục vụ cho việc truyền tải cung cấp điện cho các trạm biến áp trung gian Hiện nay, hệ thống đường dây 35 kV đã được kết nối theo dạng mạch vòng kín và vận hành hở, nhằm tăng độ an toàn trong cung cấp điện cho dân cư và kết nối giữa các trạm 110 kV với nhau.
Khu vực miền núi và trung du có đặc điểm phụ tải phân tán và bán kính cung cấp điện xa, dẫn đến việc cần thiết phải đưa đường dây 35 kV vào sâu trong khu vực dân cư Hầu hết các khu vực này được cấp điện bằng đường dây 35 kV, hoạt động như một hệ thống phân phối Tuy nhiên, do chiều dài đường dây và phụ tải nhỏ, hệ thống 35 kV ở miền núi và trung du thường chỉ có một mạch, làm giảm độ an toàn trong cung cấp điện.
Lưới điện 22 kV mới được đưa vào vận hành gần đây nhằm mục đích chuyển đổi lưới điện 6 kV và 10 kV tại khu vực thành phố, phục vụ cho thị xã và khu vực đồng bằng Hệ thống lưới điện 22 kV có trung tính trực tiếp nối đất và chủ yếu cung cấp điện cho các khu vực phụ tải quan trọng, do đó hầu hết các đường dây 22 kV được xây dựng theo dạng vòng kín, đảm bảo độ an toàn cao trong cung cấp điện.
Mạng lướ đ ện 15 kV được thiết kế, sử dụi i ng các thi t b theo tiêu chuẩn của ế ị
Mỹ trướ đây vàđãđược phát triển mạnh mẽởc miềnNam ây vẫnđược coi là Đ cấp iđ ệnáp phân phối chủ yế ở miền Nam với chiều dài 35671 km u
Hệ thống điện 10 kV và 6 kV cung cấp điện cho hầu hết các phụ tải sinh hoạt, công nghiệp và dịch vụ tại các thành phố và xã ở Bắc Việt Nam từ những năm 1950 Lưới điện này được thiết kế ba pha ba dây, hoạt động theo chế độ trung tính Thường được xây dựng sau các trạm biến áp trung gian 35/6 kV và 35/10 kV, hệ thống này giúp cung cấp điện đến sâu trong các khu vực dân cư và khu vực chật hẹp, giảm bán kính cung cấp điện hạ áp Tuy nhiên, với sự phát triển nhanh chóng của phụ tải, lưới điện này đang bộc lộ nhiều nhược điểm, đặc biệt ở các khu vực thành thị và kinh tế phát triển Độ an toàn trong cung cấp điện của lưới điện hình tia một mạch cũng không cao Hiện nay, xu hướng thay thế dần lưới điện này bằng lưới điện 22 kV trung tính trực tiếp nối đất đang được thực hiện.
1.3 Vấn đề c i thiện chấả t lượng i n n ng cho lưới i n đ ệ ă đ ệ
Duy trì điện áp bình thường là yếu tố quan trọng để đảm bảo chất lượng điện năng của hệ thống điện Những thay đổi đột ngột về điện áp hoặc các sự cố bất thường có thể gây ra thiệt hại nghiêm trọng.
- Đ ệi n áp gi m th p quá m c có th gây nên độả ấ ứ ể trượt quá l n các ớ ở động c ơ không đồng bộ ẫ, d n đến qúa t i về công suấả t ph n kháng các b ngu n i n ả ở ộ ồ đ ệ
Đề n áp giảm thấp có thể làm giảm hiệu quả phát sáng của các đèn chiếu sáng, đồng thời làm giảm khả năng truyền tải của đường dây và ảnh hưởng đến độ ổn định của các máy phát làm việc song song.
Điện áp tăng cao có thể gây ra hư hỏng thiết bị và đe dọa an toàn hệ thống điện Để duy trì điện áp ổn định tại các điểm nút, cần áp dụng các phương thức vận hành hợp lý như sử dụng công suất phản kháng của máy phát và máy bù đồng bộ, ngăn ngừa quá tải, và điều chỉnh tải hợp lý trên các đường dây truyền tải Các thiết bị tự động điều chỉnh kích thích của máy phát và máy bù, cùng với các thiết bị thay đổi tỷ số biến đổi của máy biến áp, đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì điện áp Kỹ thuật truyền tải điện hiện đại sử dụng thiết bị bù và dịch pha được điều khiển bằng linh kiện điện tử công suất, cung cấp năng lượng khi cần thiết để đảm bảo ổn định hệ thống Việc thiết kế và tính toán chính xác hệ thống điều khiển sẽ nâng cao độ tin cậy và ổn định của hệ thống điện.
Trong bối cảnh xã hội và kinh tế đang phát triển, chất lượng nguồn điện ngày càng trở thành mối quan tâm hàng đầu Điều này xuất phát từ nhiều lý do quan trọng, bao gồm nhu cầu sử dụng điện ngày càng tăng, yêu cầu về độ tin cậy và ổn định của hệ thống điện, cũng như tác động của chất lượng điện đến hiệu suất hoạt động của các thiết bị và máy móc.
- Xuất hiện các ph tảụ i công nghi p m i v i các yêu c u cao h n các ph tải ệ ớ ớ ầ ơ ụ truyền th ng v ch t lượng i n n ng ố ề ấ đ ệ ă
- Giá trị thiệt hại do mấ đ ệ ăt i n t ng h n trước òi h i độơ đ ỏ tin c y cung c p i n ậ ấ đ ệ cao hơn
Công nghệ điện tử công suất thế hệ mới đã thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của bộ biến đổi nguồn điện áp (Voltage Source Converter - VSC), dẫn đến việc ứng dụng ngày càng rộng rãi của nó trong thực tiễn.
Các yêu cầu nghiêm ngặt từ các cơ quan quản lý năng lượng, cùng với những thách thức trong việc điều tiết phí, đã tạo điều kiện cho sự phát triển của các dịch vụ hỗ trợ trong ngành điện Điều này bao gồm việc điều chỉnh giá điện, quản lý công suất phản kháng, và nhiều dịch vụ khác nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động và đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.
Các dây chuyền sản xuất tự động, bao gồm robot và hệ thống thông tin, đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao chất lượng sản phẩm Những phụ tải này khác biệt rõ rệt so với các phụ tải cơ điện truyền thống, mang lại hiệu suất và độ chính xác cao hơn trong quy trình sản xuất.
Tại Việt Nam và trên toàn thế giới, đã có nhiều biện pháp được triển khai nhằm cải thiện chất lượng điện năng Các giải pháp này thường được áp dụng tùy theo từng cấp điện áp khác nhau để đảm bảo hiệu quả tối ưu trong việc nâng cao chất lượng điện năng.
1.4 Các biện pháp cải thiện chất lượng đ ệi n năng
1.4.1 Đối với lưới điện cao áp
Trong lưới đ ệi n cao áp, người ta sử dụng các thi t b truy n t i i n xoay ế ị ề ả đ ệ chiều linh hoạt (Flexible AC Transmission System - FACTS)
Các loại thiết bị FACTS chủ ế y u:
Máy bù tĩnh (SVC – Static VAR Compensator) là thiết bị quan trọng trong hệ thống FACTS, được sử dụng rộng rãi để cải thiện tính kinh tế của các hệ thống truyền tải điện Với độ chính xác cao, tính khả dụng và khả năng đáp ứng nhanh, SVC cung cấp trạng thái ổn định và điều khiển điện áp quá độ chất lượng tốt hơn so với các phương pháp bù thông thường Thiết bị SVC cũng giúp giảm dao động công suất, cải thiện độ ổn định quá độ và giảm tổn hao trong hệ thống nhờ vào khả năng điều chỉnh công suất phản kháng hiệu quả.
Các biện pháp cải thiện chất lượng đ ệ i n năng
1.4.1 Đối với lưới điện cao áp
Trong lưới đ ệi n cao áp, người ta sử dụng các thi t b truy n t i i n xoay ế ị ề ả đ ệ chiều linh hoạt (Flexible AC Transmission System - FACTS)
Các loại thiết bị FACTS chủ ế y u:
Máy bù tĩnh (SVC – Static VAR Compensator) là thiết bị quan trọng trong hệ thống FACTS, được sử dụng để cải thiện tính kinh tế của các hệ thống truyền tải điện bằng cách giải quyết các vấn đề liên quan đến điện áp Với độ chính xác cao, tính khả dụng và khả năng đáp ứng nhanh, SVC cung cấp trạng thái ổn định và điều khiển điện áp quá độ chất lượng cao, vượt trội so với bù rẽ nhánh thông thường Ngoài ra, thiết bị SVC còn giúp giảm dao động công suất, cải thiện độ ổn định quá độ và giảm tổn hao trong hệ thống nhờ vào khả năng điều chỉnh công suất phản kháng hiệu quả.
Bộ bù n i ti p ố ế điều khiển bằng thyristor (TCSC) là một giải pháp mở rộng cho các t nốụ i ti p truy n th ng ếề ố, thông qua việc bổ sung bộ phản ứng điều khiển bằng thyristor Việc đặt bộ phản ứng song song với tụ nố ếi ti p cho phép tạo ra mạng lưới bù ạ ộ ệ ố nối tiếp có khả năng thay đổi liên tục và nhanh chóng Mục tiêu chính của TCSC là tăng cường công suất truyền tải, giảm dao động công suất, hạn chế cộng hưởng đồng bộ và điều khiển dòng công suất trong đường dây.
Máy bù đồng bộ tĩnh (STATCOM) là thiết bị SVC dựa trên GTO, không yêu cầu các thành phần cảm kháng và dung kháng lớn như SVC thông thường, giúp giảm diện tích lắp đặt Một lợi thế khác của STATCOM là khả năng cung cấp công suất phản kháng cao ở điện áp hệ thống thấp, hoạt động như một nguồn dòng độc lập với điện áp hệ thống.
Bộ điều khiển dòng công suất hợp nhất (UPFC) là một thiết bị kết nối STATCOM, hoạt động qua mạch rẽ và có nhánh nối tiếp trong đường dây truyền tải thông qua mạch DC Thiết bị này cho phép điều chỉnh điện áp và chuyển đổi chế độ pha, đồng thời có khả năng gắn một điện áp ngẫu nhiên theo yêu cầu, thay vì chỉ dựa vào điện áp cố định UPFC kết hợp những lợi ích của cả STATCOM và TCSC, mang lại hiệu quả cao trong việc điều khiển dòng công suất.
1.4.2 Đối với lưới điện trung áp
Một gi i pháp ả được đưa ra là s dụử ng h th ng l u tr i n n ng BESS ệ ố ư ữ đ ệ ă (Battery Energy Storage System)
Dòng điện xoay chiều cung cấp cho hộ tiêu thụ lý tưởng nên là hình sin, nhưng sự tồ ạn tại các phần tử phi tuyến trên lưới điện dẫn đến việc xuất hiện sóng hài, ảnh hưởng đến tính năng vận hành của lưới điện và thiết bị Các phần tử phi tuyến như lõi thép của máy biến áp và các linh kiện bán dẫn công suất như thyristor trong bộ biến đổi có thể tạo ra sóng hài Sóng hài bội 3 thường được triệt tiêu nhờ cuộn dây đấu tam giác trong máy biến áp, nhưng các sóng hài bậc lẻ, đặc biệt là bậc 5 và bậc 7, vẫn lan truyền qua đường dây, gây tổn thất điện năng và tác động tiêu cực đến hiệu suất của thiết bị, đặc biệt là động cơ ba pha Ngoài ra, các sóng hài bậc cao hơn còn có thể gây ra sóng điện từ lan truyền trong không gian, ảnh hưởng đến các thiết bị thu phát sóng rađiô.
Về lý thuyết, hệ thống điện áp được thiết kế để tạo ra điện áp hình sin với biên độ và tần số phù hợp, nhằm cung cấp cho lưới điện, chẳng hạn như 22kV-50Hz.
Trong hệ thống cung cấp điện, sóng hình sin điện áp và dòng điện cùng tần số bị ảnh hưởng khác nhau bởi các sự cố có thể xảy ra Những sự cố này có thể dẫn đến gián đoạn trong việc cung cấp điện Hơn nữa, các thiết bị sử dụng điện cũng có thể tác động đến hiệu suất của hệ thống cung cấp.
Hệ ố th ng l u tr i n n ng c c b ư ữ đ ệ ă ụ ộ được s dụử ng t i các tr m bi n áp trung ạ ạ ế áp để:
- Cung cấp năng lượng đ ệi n cho những tải nhạy c m, t i yêu cầu chất lượng ả ả đ ệi n cao
- Cung cấ đ ệp i n cho t i khi sự cốả ngu n n ng lượng i n ( óng vai trò nh ồ ă đ ệ đ ư mộtUPS):
Sự cố trong các nguồn năng lượng đệ quy có thể xảy ra trong quá trình lắp đặt và trang thiết bị bảo hộ, thường liên quan đến đầu vào hệ thống như quá tải, nhiễu, và mất cân bằng pha Những sự cố này có thể gây ra những hậu quả khác nhau, ảnh hưởng đến việc cung cấp năng lượng đệ quy cho thiết bị Các sự cố này có thể được phân thành nhiều loại khác nhau, tùy thuộc vào nguyên nhân và tác động của chúng.
Tăng đột ngột đ ệi n áp
Sự cố có thể gây ra những hậu quả nghiêm trọng, đặc biệt là làm ảnh hưởng đến chất lượng, th m chí làm gián o n vi c cung c p i n ậ đ ạ ệ ấ đ ệ
Những lợi ích khi sử dụng h th ng l u tr i n năệ ố ư ữ đ ệ ng trong các h th ng ệ ố truyề ả đ ện t i i n có th tóm t t nh sau: ể ắ ư
- Sử ụ d ng tốt hơn các hệ thống truyền tải hiện có:
Tại nhiều quốc gia, việc tăng cường khả năng chuyển giao năng lượng và điều khiển luồng tải trên các đường dây truyền tải là rất quan trọng, đặc biệt ở những nước có thị trường điện cạnh tranh Trong bối cảnh nhu cầu điện gia tăng, việc xây dựng thêm đường dây truyền tải mới thường gặp phải rào cản về kinh tế và môi trường Do đó, các thiết bị hệ thống lưu trữ điện năng trở thành giải pháp hiệu quả, giúp đáp ứng nhu cầu này mà không cần phải mở rộng hệ thống truyền tải hiện có.
Để tăng cường độ tin cậy và tính khả dụng của hệ thống truyền tải, cần chú ý đến nhiều yếu tố tác động lẫn nhau Mặc dù các thiết bị trong hệ thống có thể gặp sự cố, nhưng việc giảm thiểu ảnh hưởng của những sự cố này là rất quan trọng Điều này có thể đạt được bằng cách giảm số lần đóng cắt đường dây, từ đó đảm bảo an toàn và ổn định cho hệ thống truyền tải.
- Tăng độ n địổ nh ng và quá c a lưới: độ độ ủ
Những đường dây dài kết nối các hệ thống có thể gây ra sự bất ổn định trong hệ thống truyền tải do tác động của các sự cố Các vấn đề này có thể dẫn đến việc giảm dòng công suất trên các đường dây, tạo ra dòng công suất vòng hoặc thậm chí là cắt đường dây Việc sử dụng các thiết bị hệ thống như lưu trữ điện năng giúp ổn định các hệ thống truyền tải, nâng cao công suất truyền tải và giảm nguy cơ sự cố trên đường dây.
- Tăng chất lượng cung cấp cho các ngành công nghiệ đp òi hỏi chất lượng đ ệi n n ng cao: ă
Các ngành công nghiệp hiện đại phụ thuộc vào chất lượng điện cung cấp, bao gồm yêu cầu khắt khe về dao động điện áp và tần số, cũng như việc không bị cắt điện Những thay đổi về điện áp, tần số hay mất nguồn cung có thể dẫn đến ngừng trệ trong sản xuất, gây ra tổn thất kinh tế lớn Hệ thống dự trữ điện năng có thể giúp cung cấp điện chất lượng cao theo yêu cầu, đảm bảo hoạt động sản xuất liên tục.
Việc tích hợp hệ thống dự trữ điện năng vào mạng lưới truyền tải điện đã mang lại nhiều lợi ích lớn, bao gồm việc nâng cao hiệu quả truyền tải điện, tăng cường độ tin cậy trong cung cấp điện và giảm thiểu dao động trong hệ thống.
Hệ thống lưu trữ điện năng đã được thiết kế và lắp đặt trên toàn thế giới với nhiều loại thiết bị khác nhau, phù hợp với các thông số điều khiển trong hệ thống điện Việc lựa chọn thiết bị phụ thuộc vào mục đích sử dụng, tình trạng liên kết với lưới điện và tính toán chi phí đầu tư cũng như lợi ích kinh tế mà hệ thống lưu trữ điện năng mang lại.
1.4.3 Đối với lưới điện h áp ạ
Hệ thống mạng hạ áp thường sử dụng UPS (Uninterruptible Power System), hay còn gọi là hệ thống cung cấp điện liên tục UPS đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo độ tin cậy và cung cấp nguồn điện dự phòng cho các thiết bị trong hệ thống.
Sự ầ c n thiết của các bộ nghịch lưu
Bộ nghịch lưu chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện một chiều thành điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều Đầu ra của bộ nghịch lưu được điều khiển bởi điện áp và dòng điện Dựa vào quá trình làm việc, bộ nghịch lưu được chia thành các loại như nghịch lưu dòng, nghịch lưu áp, và nghịch lưu công suất Trong bài viết này, chúng ta sẽ tập trung vào nghịch lưu dòng và nghịch lưu áp.
Nguồn một chiều cung cấp cho b nghịch lưu áp với tính chất nguồn điện áp, trong khi nguồn cho b nghịch lưu dòng có tính chất nguồn dòng Các bộ nghịch lưu tương ứng bao gồm bộ nghịch lưu áp và bộ nghịch lưu dòng.
Trong trường hợp nguồn điện đầu vào và đại lượng đầu ra không giống nhau, ví dụ như bộ nghịch lưu cung cấp dòng điện xoay chiều từ nguồn điện áp một chiều, chúng được gọi là bộ nghịch lưu điều khiển dòng điện từ nguồn điện áp hoặc bộ nghịch lưu dòng nguồn áp.
Các bộ nghịch lưu là phần quan trọng trong cấu trúc của bộ biến tần, đóng vai trò thiết yếu trong việc truyền động điện cơ độ xoay chiều với độ chính xác cao Chúng được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như thiết bị lò cảm ứng trung tần và thiết bị hàn trung tần, thể hiện sự cần thiết của chúng trong công nghệ hiện đại.
Bộ nghịch lưu được sử dụng để tạo ra nguồn điện xoay chiều cho nhu cầu gia đình và làm nguồn cấp điện liên tục cho UPS Nó còn được ứng dụng trong điều khiển chiếu sáng và bù công suất phản kháng Các tải xoay chiều thường có tính cảm kháng, như động cơ không đồng bộ và lò cảm ứng, do đó dòng điện qua các linh kiện không thể ngắt bằng quá trình chuyển mạch tự nhiên Vì vậy, mạch bộ nghịch lưu thường chứa linh kiện kích ngắt để kiểm soát quá trình ngắt dòng điện.
Trong các trường hợp đặc biệt như mạch tích năng lượng, việc sử dụng linh kiện có khả năng kháng (như thyristor) là cần thiết Dòng điện qua các linh kiện này có thể bị ngắt do quá trình chuyển mạch tự nhiên, phụ thuộc vào điện áp nguồn hoặc điện áp mạch tải.
Bộ nghịch lưu dòng
Nghịch lưu dòng là thiết bị chuyển đổi nguồn dòng một chiều thành dòng xoay chiều với tần số tùy ý Đặc điểm cơ bản của nghịch lưu dòng là nguồn một chiều cấp vào cho bộ biến đổi phải là nguồn dòng, do đó, điện cảm đầu vào (L d) thường có giá trị rất lớn để đảm bảo dòng điện liên tục.
Hình 2.1 Sơ đồ ngh ch lưu dòng một pha ị
Hình 2.2 Sơ đồ ngh ch lưu dòng ba pha ị
Nghịch lưu dòng một pha và ba pha sử dụng thyristor, vì vậy cần có tụ chuyển mạch để khóa các thyristor này.
Nghịch lưu dòng ba pha được sử dụng phổ biến trong công nghiệp nhờ công suất lớn và khả năng đáp ứng tốt cho các ứng dụng Trong các hệ thống truyền động, nghịch lưu dòng thường được áp dụng cho các hệ thống có công suất lớn và sơ đồ cấu trúc ba pha, trong đó các van bán dẫn như thyristor hoặc GTO đóng vai trò quan trọng.
Trong thực tế, kỹ thuật thường sử dụng các van điều khiển không hoàn toàn Do đó, cần thiết phải có các mạch khóa cưỡng bức để đảm bảo các van hoạt động ổn định, giúp duy trì dòng điện giữa các pha một cách chắc chắn trong phạm vi điều chỉnh tần số và dòng điện đủ rộng.
Hình 2.3 Sơ đồ ngh ch lưu dòng đ ệị i n ba pha cách ly bằng i t đ ố
Hình 2.3 minh họa việc sử dụng các thyristor T1 ÷ T6 cùng với các i t cách ly Đ1 ÷ Đ6 nhằm ngăn chặn sự cộng hưởng giữa các tín hiệu chuyển mạch và dây quấn pha của động cơ không đồng bộ ĐK, từ đó bảo đảm quá trình chuyển mạch diễn ra ổn định và hiệu quả.
Biến tần nguồn dòng cho phép truyền năng lượng theo hai chiều, điều này có nghĩa là khi nghịch lưu nguồn dòng hoạt động với tải là động cơ xoay chiều, động cơ sẽ thực hiện quá trình hãm tái sinh.
• Một số ưu đ ểm của nghịch lưu dòng: i
- Có khả năng vượt qua được các s cốự chuy n m ch và tự phụể ạ c h i v tr ng ồ ề ạ thái làm việc bình thường
Có khả năng hãm tái sinh năng lượng về lưới bằng cách điều chỉnh điện áp một chiều trong khi dòng điện không bị thay đổi Vì vậy, không cần phải thêm bộ chỉnh lưu để điều chỉnh điện áp.
• Nhược đ ểi m c a ngh ch l u dòng: ủ ị ư
- Nhược đ ểi m chính của bộ nghịch lưu nguồn dòng là không thể làm việc ở chế độ không tải
Kích thước của tụ điện và điện cảm lọc nguồn một chiều thường khá lớn Các tụ chuyển mạch cần có trị số lớn để thu nhận năng lượng từ cuộn dây stator trong quá trình chuyển mạch.
Để đảm bảo năng lượng phản kháng tối thiểu, động cơ phải được thiết kế với kích thước nhỏ nhất có thể Điều này sẽ giúp tăng hiệu suất hoạt động của động cơ và ảnh hưởng tích cực đến giá trị kinh tế.
Bộ nghịch lưu áp
Nghịch l u áp là thi t b bi n đổi ngu n áp m t chi u thành ngu n áp xoay ư ế ị ế ồ ộ ề ồ chiều ba pha với tần số tuỳ ý
Nghịch lưu nguồn áp được sử dụng phổ biến trong nhiều ứng dụng, với khả năng điều chế điện áp ra ổn định thông qua nhiều phương pháp khác nhau, nhằm giảm thiểu sóng hài ở tần số cao Trước đây, nghịch lưu áp gặp khó khăn trong việc ứng dụng do công suất của các van động lực điều khiển còn hạn chế Hơn nữa, việc sử dụng thyristor trong nghịch lưu áp đã làm giảm hiệu suất của bộ chuyển đổi, đồng thời tạo ra sự phức tạp trong sơ đồ điều khiển.
Ngày nay, công suất của các van động lực như IGBT và GTO ngày càng lớn và có kích thước gọn hơn Điều này giúp cho việc chuyển đổi năng lượng trở nên phổ biến và hiệu quả hơn trong các ứng dụng công nghiệp Do đó, việc sử dụng van điều khiển hoàn toàn trong hệ thống điều khiển áp suất đã trở thành tiêu chuẩn trong ngành công nghiệp.
Hình 2.4 Sơ đồ ngh ch lưu áp một pha ị
Hình 2.5 Sơ đồ ngh ch lưu áp ba pha ị
Nghịch lưu điện áp có đặc điểm là dạng điện áp ra tải được định hình sẵn, trong khi dạng dòng điện tải phụ thuộc vào tính chất của tải Nguồn cấp điện cho nghịch lưu điện áp thường là nguồn điện một chiều với nội trở thấp Khi sử dụng nguồn điện một chiều cho nghịch lưu điện áp, cần lắp thêm một tụ điện C0 ở đầu vào để đảm bảo điện áp nguồn ít thay đổi Điều này giúp trao đổi công suất phản kháng với điện cảm tải, đặc biệt là với tải RL hoặc động cơ.
U A i A i B i C lưu đ ện áp không có dạng hình sin nhưi mong muốn, mà đa số là dạng xung chữ nhật
Các van bán dẫn trong nghịch lưu nguồn áp có thể là thyristor hoặc các loại transistor như bipolar, MOSFET, và IGBT Bộ nghịch lưu nguồn áp một pha thường được sử dụng trong các ứng dụng công suất thấp, trong khi bộ nghịch lưu ba pha được áp dụng trong các ứng dụng công suất trung bình và cao Mục đích chính của các bộ nghịch lưu ba pha là cung cấp nguồn áp ba pha với biên độ, pha và tần số ổn định Mặc dù hầu hết các ứng dụng đều yêu cầu điện áp hình sin, nhưng cũng có những ứng dụng yêu cầu điện áp bất kỳ, chẳng hạn như trong các bộ lọc, bộ bù điện áp.
Các sơ đồ nghịch lưu điện áp chủ yếu có dạng tương tự như mạch chỉnh lưu, với sơ đồ cầu là phổ biến nhất Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét cách thức hoạt động của sơ đồ cầu sử dụng van điều khiển hoàn toàn Khi nghiên cứu nghịch lưu điện áp, chúng ta coi các van là lý tưởng để đơn giản hóa phân tích.
• Ư đ ểu i m c a b ngh ch l u ngu ồn áp: ủ ộ ị ư
Bộ ngh ch l u ngu n áp nh chúng ta được bi t là khá thông d ng là do b ị ư ồ ư ế ụ ộ nghịch lưu loại này có một số ư đ ể u i m sau:
- Đ ệi n áp và dòng ra được i u khi n g n d ng sin h n đ ề ể ầ ạ ơ
Điều chỉnh áp ra dường như là một yếu tố quan trọng trong việc điều chỉnh góc mũi, đặc biệt ở những người có cấu trúc mũi đặc biệt Việc áp dụng các phương pháp điều chỉnh thích hợp có thể giúp cải thiện hình dáng và chức năng của mũi mà không cần can thiệp phẫu thuật.
- Có kh nả ăng làm việc ở chế độ không tải
Bộ lọc nguồn nghịch lưu có kích thước nhỏ gọn, giúp tiết kiệm không gian lắp đặt Sản phẩm này không gây tổn hao năng lượng trong quá trình hoạt động, đảm bảo hiệu suất cao và ổn định cho nguồn điện.
• Tuy nhiên, ngoài những ưu đ ểi m trên thì nghịch lưu áp cũng có nhược đ ểi m sau:
- Dòng đ ệi n và i n áp v n ch a nhi u thành ph n sóng hài t n s cao đ ệ ẫ ứ ề ầ ầ ố
- Dễ ị b ngắn mạch pha nếu không khoá van bán dẫn hợp lý
-Với những hệ yêu cầu cao về đ ề i u chỉnh tốc độ thì bộ nghịch lưu này khó đáp ứng được do kh n ng chuy n m ch c a van bán dẫn ả ă ể ạ ủ
2.4 Bộ nghịch lư đu a bậc
Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, con người đã có khả năng chế tạo ra các bộ nghịch lưu đa bậc Bộ nghịch lưu đa bậc là một giải pháp hiệu quả, có khả năng thích ứng với những điều kiện làm việc khác nhau, đặc biệt trong khi công suất tiêu thụ điện năng vẫn được đảm bảo ở mức cao.
Các ư đ ểu i m c a b ngh ch l u a b ậc: ủ ộ ị ư đ
- Công suất của bộ nghịch lưu áp tăng lên Đối vớ ải công suất lớ đ ệi t n, i n áp cung cấp cho tải có thể đạt giá trị tương đối lớn
- Với cùng tần số đ óng ngắt, các thành phần sóng hài b c cao c a i n áp ra ậ ủ đ ệ giảm nhỏ hơn so với trường hợp bộ nghịch lưu áp hai bậc
- Đ ệi n áp đặt lên linh ki n b gi m xuốệ ị ả ng nên công su t t n hao do quá trình ấ ổ đóng ng t c a linh ki n c ng gi m theo ắ ủ ệ ũ ả
Nghịch lư đu a bậc thường được phân loại theo c u trúc s đồ c a nó, thường ấ ơ ủ thì ba dạng phổ biến là:
+ Dạng nghịch lư đ ốu i t kẹp (diode_clamped inverter)
+ Dạng nghịch lưu tụ kẹp (capacitor_clamped inverter) hay t bay (flying ụ capacitor)
+ Dạng nghịch lưu cầu H nối cấp (cascaded H-bridge inverter)
2.4.1 Dạng nghịch lưu kiể đu i ố ẹt k p (diode_clamped inverter)
Nghịch lưu 3 bậc dạng đ ối t kẹp (NPC-Neutral Point Clamped Multilevel Inverter) được giới thiệu vào n m 1981 ă
Bộ nghịch lưu này có điện áp “không” một chiều và khả năng chuyển mạch cho các pha đầu ra, yêu cầu mỗi pha đầu ra phải được kết nối với một trong ba mức điện áp Lợi ích chính của cấu trúc này là mỗi khóa chỉ phải chịu một nửa điện áp một chiều Tuy nhiên, một vấn đề mới phát sinh là cần đảm bảo cân bằng điện áp trên các tụ điện trong hệ thống nguồn một chiều.
Hình 2.6 Nghịch lưu 3 bậc dạng i t kẹp đ ố
Một giải pháp đơn giản để cân bằng điện áp trên các tụ điện là sử dụng mạch nối tiếp Một phương pháp khác là điều khiển phân hồi, giúp duy trì sự ổn định của hệ thống Sau đó, phương pháp này đã được phát triển thành các bộ nghịch lưu bậc cao hơn, mang lại hiệu suất tốt hơn cho các ứng dụng điện tử.
Hình 2.7 Nghịch lưu 4 bậc dạng i t kẹp đ ố
Hình 2.8 Nghịch lưu 6 bậc dạng i t kẹp đ ố
Sử dụng nguồn DC trong hệ thống điện xoay chiều (AC) là rất quan trọng Bố đệ nghịch lưu đa bậc cho phép chia một mạch nguồn DC thành nhiều điện áp nhỏ hơn nhờ vào chuỗi các tụ điện mắc nối tiếp Điều này giúp cải thiện hiệu suất và ổn định cho hệ thống điện.
Giả sử có n nguồn DC có độ lớn bằng nhau, từ đó có thể tạo ra (n+1) giá trị điện áp khác nhau, dẫn đến việc hình thành bộ nghịch lưu áp (n+1) bậc Ví dụ, nếu chọn mức điện thế 0 ở cuối dãy nguồn, các mức điện áp đạt được sẽ là (0, U, 2U, , nU) Điện áp từ một pha tải, chẳng hạn pha a, được truyền đến một vị trí bất kỳ trên mạch DC thông qua các kẹp tại điểm đó Để đạt được mức điện áp U, tất cả các linh kiện "bị kẹp" giữa hai đối t (D1, D1’) sẽ được kích hoạt, trong khi các linh kiện khác sẽ bị khóa theo quy tắc kích hoạt đối nghịch Tương tự, trong trường hợp kích đóng linh kiện "bị kẹp" giữa hai kẹp, ta thu được 6 mức điện áp pha - nguồn DC là 0, U, 2U, , 5U Với khả năng tạo ra 6 mức điện áp pha nguồn DC, mạch nghịch lưu này còn được gọi là bộ nghịch lưu 6 bậc.
Dạng mạch nghịch lưu ba bậc được sử dụng để kiểm soát điện áp trên linh kiện, giúp giảm shock điện áp và tải trọng Với số bậc n lớn hơn 3, mức độ chịu áp điện áp trên các linh kiện trở nên khác nhau Việc cân bằng điện áp giữa các nguồn DC (áp trên tụ) cũng trở nên khó khăn, đặc biệt khi số bậc lớn.
• Ư đ ểu i m c a ngh ch l u b c d ng diode_clamped: ủ ị ư ậ ạ
- Số ụ đ ệ t i n là ít, nhưng phải thêm đ ối t kẹp trong sơ đồ
- Có thể ử ụ s d ng một nguồn áp DC
- Dạng mạch nghịch l u áp a b c dùng c p i t k p c i ti n d ng sóng i n áp t i ư đ ậ ặ đ ố ẹ ả ế ạ đ ệ ả và giảm shock đ ệi n áp trên linh kiện n lần
Tuy nhiên bên cạnh các ư đ ểu i m thì nghịch lư đu a bậc dạng diode_clamped cũng tồn tại nhược đ ểm : i
- Khi bộ nghịch lưu có bậc lớn hơn 3 thì đ ệi n áp mà đ ối t kẹp ph i ch u ả ị đựng là
V DC (n-2)/(n-1) cao Do đó sẽ phức tạp trong thiết kế như phải kết n i nố ối tiếp các đ ối t
Vấn đề không cân bằng điện áp các tụ điện trong bộ nghịch lưu có thể gây ra quá áp trên các linh kiện đóng cắt, đặc biệt khi số lượng tụ điện lớn Nghịch lưu kiểu tụ điện kẹp (Capacitor Clamped Inverter) là một giải pháp hiệu quả để giảm thiểu rủi ro này.
Hình 2.9.Sơ đồ c u trúc nghịch lưu dạng tụ ẹấ k p
Nghịch lưu áp có cấu trúc cho phép tạo ra điện áp nhiều mức mà không cần sử dụng đối tắc kép, thay vào đó, các tụ điện được xếp chồng lên nhau Cấu trúc này tạo ra các tế bào dùng để chuyển mạch ghép nối tiếp, có những đặc điểm nổi bật so với cấu trúc nghịch lưu tắc kép Đặc biệt, cấu trúc này không chỉ không dùng đối tắc kép mà còn có khả năng cân bằng điện áp cho các tụ điện để nghịch lưu hoạt động hiệu quả với một nguồn một chiều duy nhất Mỗi pha trong cấu trúc này có 2.(N-1) khoá tích cực và (N-2) tụ, với N là số mức của điện áp UxM, và điện áp ngõ ra là sự kết hợp của các tụ điện mắc nối tiếp theo sơ đồ.
Hình 2.10 Nghịch lưu 3 bậc dạng tụ ẹ k p
