Ứng dụng bộ lọ sóng hài kiểu lai ghép để bù công suất phản kháng và lọc sóng hài

Khi biên độ điện áp và từ thông đủ lớn để rơi vào vùng không tuyến tính trong đường cong B H sẽ dẫn đến dòng điện từ - hóa bị méo và có chứa các sóng hài bậc cao.. 1.2.2 Động cơCác sóng

Chuyên ngành: K thu ỹ ật điện – ệ thống điệ H n

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THU T Ậ

TS NGUY N XUÂN TÙNG Ễ

HÀ N Ộ I – 20 18

Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17057204815721000000

i

L 

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu c a riêng tôi Các s li u, k t ủ ố ệ ế

qu nêu trong luả ận văn là trung thực và chưa từng được công b trong b t k ố ấ ỳ công trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng m i s ọ ự giúp đỡ cho vi c th c hi n luệ ự ệ ận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích d n trong luẫ ận văn đã được ch rõ ngu n g c.ỉ ồ ố

ii



người đã luôn động viên, khích l và t n tình ệ ậ hướng d n tôi trong su t quá trình ẫ ốnghiên c u và hoàn thành lu n ứ ậ văn

Tôi xin trân ng ctrọ ảm ơn ban Giá hi u, m ệ Việ đào tạn o Sau đạ ọi h c và quý

th y, cô giáo cầ ủa trường Đạ ọi h c Bách khoa Hà Nội đã tạo điều ki n thu n l i, giúp ệ ậ ợ

đỡ và trang b cho tôi nh ng ki n th c quý báu giúp tôi nghiên c u và hoàn ị ữ ế ứ để ứthành công trình này

iii



L i

 ii

 iii

 v

 vi

DANH MC CÁC HÌNH V TH vii

 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích và nhiệm vụ của đề tài 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

6 Cấu trúc luận văn 2

 3

1.1 Giới thiệu chung 3

1.2 Các nguồn phát sinh sóng hài trong lưới điện 6

1.2.1 Máy biến áp 7

1.2.2 Động cơ 7

1.2.3 Thiết bị điện tử công suất 7

1.2.4 Các đèn huỳnh quang: 12

1.2.5 Các thiết bị hồ quang: 12

1.3 Ảnh hưởng của sóng hài bậc cao 12

 15

2.1 Giới thiệu tổng quát về bộ lọc sóng hài 15

2.1.1 Khái niệm lọc sóng hài 15

2.1.2 Các bộ lọc sóng hài 15

2 2 Bộ lọc thụ động 15

2.2.1 Giới thiệu chung 15

2.2.2 Các loại bộ lọc thụ động phổ biến 17

2.2.3 Thiết kế bộ lọc sóng hài thụ động 21

2.2.3 Hướng lựa chọn loại bộ lọc thụ động của luận văn 30

iv

2.3 Bộ lọc chủ động 30

2.3 1 Giới thiệu chung 30

2.3.2 AF song song 31

2.3.3 AF nối tiếp (AFs) 32

2.3 4 Thiết kế bộ lọc sóng hài kiểu tích cực 33

2.4 Bộ lọc kiểu lai (Hybrid Filter) 47

  48

3.1 Mô hình hệ thống tải phi tuyến 48

3.2 Mô hình tải lò cảm ứng trung tần 48

3.2.1 Giới thiệu về lò cảm ứng trung tần 48

3.2.2 Nguyên lý hoạt động của lò cảm ứng trung tần 49

3.2.3 Các bộ phận chính của lò cảm ứng trung tần 50

3.3 Thiết kế, tính toán thông số mô hình lò nấu thép cảm ứng trung tần 53

3.3.1 Mô hình lò nấu thép cảm ứng trung tần 53

3.3.2 Tính toán các thông số của lò 58

3.4 Kết quả mô phỏng 60

  62

4.1 Mô hình hệ thống lọc lai ghép 62

4.1.1 Tổng quan 62

4.1.2 Bộ lọc thụ động 62

4.1.3 Bộ lọc tích cực 63

4.2 Thiết lập thông số các bộ lọc 66

4.2.1 Bộ lọc thụ động 66

4.2.2 Tính toán các thông số của bộ lọc 68

4.3 Các kết quả mô phỏng 70

4.3.1 Khi lắp bộ lọc thụ động lọc sóng hài bậc 5 70

4.3.2 Khi lắp bộ lọc tích cực 71

4.3.3 Khi lắp bộ lọc lai ghép 72

4.4 Phân tích, đánh giá kết quả mô phỏng 79

KT LU N  81

 82

v



TCSC Thyristor Controlled Series Capacitor

MOSFET Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor

vi



B ng 1.1 Giả ới hạn méo điện áp 13

B ng 1.2 Giả ới hạn méo dòng điện (120V t i 69kV) 14ớ

B ng 1.3 Tiêu chu n IEC 1000-3-4 14ả ẩ

B ng 3.1 T l các thành ph n dòng ả ỷ ệ ầ hài trong dòng điện nguồn trước khi l c 61ọBảng 4.1 Tỷ lệ các thành phần dòng hài trong dòng điện nguồn trước và sau khi lọc 74

vii

DANH M C CÁC HÌNH V  TH 

Hình 1.1 Dạng sóng sin chu n và sin b méo d ng .3ẩ ị ạ Hình 1.2 Sóng cơ bản và các sóng hài b c 1, 2, 3 3ậ

Hình 1.3 Các sóng hài bậc 1, 7, 10 4

Hình 1.4 Các sóng hài bậc 2, 8, 11 4

Hình 1.5 Các sóng hài bậc 3, 9 và 12 4

Hình 1.6 Phân tích phổ ủa sóng hài dòng điệ c n sau chỉnh lưu cầu 3 pha 5

Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu 1 pha 7

Hình 1.8 Dòng điện lưới gây b i b chở ộ ỉnh lưu cầu một pha không điều khi n 8ể Hình 1.9 Phổ dòng điện chỉnh lưu cầu một pha 8

Hình 1.10 Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu ba pha không điều khi n 8ể Hình 1.11 Dòng điện lưới gây b i b chở ộ ỉnh lưu ầu ba pha không điề c u khi n 8ể Hình 1.12 Phổ dòng điện chỉnh lưu cầu ba pha không điều khi n 9ể Hình 1.13 Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu ba pha có điều khi n 9ể Hình 1.14 Dòng điện phía lưới và phân tích ph ổ khi α=300 10

Hình 1.15 Dòng điện phía lưới và phân tích ph ổ khi α = 500 10

Hình 1.16 Dòng điện phía lưới và phân tích ph ổ khi α= 700 11

Hình 1.17 Dòng điện phía lưới và phân tích ph ổ khi α= 900 11

Hình 2.1: B l c th ng nộ ọ ụ độ ối tiếp 16

Hình 2.2: Bộ ọ l c th ng song song 16ụ độ Hình 2.3: Cấu hình c a các lo i bộ ọủ ạ l c thụ độ ng ph bi n .17ổ ế Hình 2.4: Đặc tính t ng tr theo t n s c a b l c cổ ở ầ ố ủ ộ ọ ộng hưởng đơn 18

Hình 2.4: Đặc tính t ng tr c a các lo i b l c th ng ph bi n 21ổ ở ủ ạ ộ ọ ụ độ ổ ế Hình 2.5: Cấu hình h th ng có thi t bị ọệ ố ế l c sóng hài th ng 22ụ độ Hình 2.6: Lược đồ thi t k b l c sóng hài th ng 23ế ế ộ ọ ụ độ Hình 2.7: Bộ ọ l c cộng hưởng đơn và đặc tính t ng tr theo t n s .24ổ ở ầ ố Hình 2.8: Sơ đồ ố ộ ọ n i b l c trong h thệ ống điện có t i phi tuy n 25ả ế Hình 2.9: Các tầ ố ộn s c ng hưởng có th xu t hi n khi có b l c trong h th ng 26ể ấ ệ ộ ọ ệ ố Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý AF kiểu kết nối song song 31

viii

Hình 2.11 Mô tả nguyên lý ho t đ ng c a AF song song 31ạ ộ ủ Hình 2.12 Sơ đồ nguyên lý AFs k t n i lư i ki u n i ti p 32ế ố ớ ể ố ế Hình 2.13 Nguyên lý hoạ ột đ ng c a AFs 33ủ Hình 2.14 Cấu trúc các kh i chính c a lọố ủ c tích c c 33ự

Hình 2.15 Sơ đồ ạ m ch l c chự ỉnh lưu PWM 34

Hình 2.16 Sơ đồ thay th m t pha chế ộ ỉnh lưu PWM 34

Hình 2.17 Giản đồ vectơ chỉnh lưu PWM 35

Hình 2.18 Giản đồ vectơ chỉnh lưu PWM 35

Hình 2.19 Cấu trúc điều khi n vòng h ể ở chỉnh lưu PWM với chức năng mạch lọc tích cực 36

Hình 2.20 Cấu trúc điều khi n vòng kín chể ỉnh lưu PWM với chức năng mạch lọc tích cực 37

Hình 2.21 Phương pháp FFT 38

Hình 2.22 Thuật toán điều khi n dể ựa trên thuyết p-q tức thời 42

Hình 2.23 Cấu trúc điều khi n chể ỉnh lưu PWM làm bộ ọ l c tích cực 43

Hình 2.24 Sơ đồ mô t ả phương pháp điều khi n ki u bang-bang 44ể ể Hình 2.25 Điều khi n phát xung cho pha A b l c tích c c 45ể ộ ọ ự Hình 2.26 Sơ đồ mô t ả điều khiển dòng điện pha A 46

Hình 2.27 Bộ ọ l c ki u lai 47ể Hình 3.1 Sơ đồ thay th mế ạng điện xí nghi p có t i phi tuy n 48ệ ả ế Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý lò n u thép c m ng trung t n 49ấ ả ứ ầ Hình 3.3 Máy cắt 50

Hình 3.4 Cuộn kháng xoay chi u 50ề Hình 3.5 Thyristor chỉnh lưu 51

Hình 3.6 Cuộn kháng l c m t chiều LD 51ọ ộ Hình 3.7 Thyristor nghịch lưu 52 Hình 3.8 Vòng cảm ứng c a lò trung tần 52ủ Hình 3.9 T n 53ụ điệ Hình 3.10 Mô hình hệ ố th ng cấp điện cho ph t i nhà máy luy n thép 53ụ ả ệ

ix

Hình 3.11 Khối ngu n xoay chi u ba pha 54ồ ềHình 3.12 Khối máy c t và trở kháng đườắ ng dây 54Hình 3.13 Khối đo lường dòng và áp 54Hình 3.14 Mô hình khối hiển th kị ết quả đo lường 55Hình 3.15 Mô hình lò nấu thép c m ứả ng trung t n 55ầHình 3.16 Cuộn kháng xoay chi u lõi không khí 56ềHình 3.17 Cuộn kháng l c m t chi u 56ọ ộ ềHình 3.18 Cầu chỉnh lưu ba pha điều khi n toàn ph n 56ể ầHình 3.19 Cầu nghịch lưu cộng hưởng ngu n dòng song song m t pha 57ồ ộHình 3.20 Mạch điều khi n c u NLCH ngu n dòng và m ch khở ộể ầ ồ ạ i đ ng lò 57Hình 3.21 Tải lò n u thép c m ứấ ả ng trung t n 58ầHình 3.22 Dạng sóng dòng điện pha A c a ngu n (mô hình) 60ủ ồHình 3.23 Phổ dòng điện pha A c a nguồn (mô hình) 60ủHình 4.1 Mô hình hệ ố th ng l c lai ghép 62ọHình 4.2 Sơ đồ ộ ọ b l c th ng 63ụ độHình 4.3 Mô hình khối tính toán dòng bù chu n 63ẩHình 4.4 Khối chuyển điện áp trong h ệ abc  64Hình 4.5 Khối chuy n dòng trong h ể ệ abc  64Hình 4.6 Khối tính toán công su t ổn định điệấ n áp trên t .64ụHình 4.7 Khối tính toán công su t bù cung cáp b i m ch l c 65ấ ở ạ ọHình 4.8 Khối tính toán dòng bù trong h αβ 65ệHình 4.9 Khối tính toán dòng bù trong h ệabc 65Hình 4.10 Khối phát xung cho b nghộ ịch lưu 66Hình 4.11 Mô hình hệ ố th ng lò n u thép c m ứấ ả ng khi l p thêm b l c th ng 70ắ ộ ọ ụ độHình 4.12 Kết quả sóng hài sau khi l c thụ độọ ng 70Hình 4.13 Mô hình h ng lò n u thép cệthố ấ ảm ứng khi l p thêm b lắ ộ ọc tích cực 71Hình 4.14 Kết quả sóng hài sau khi l c tích c c 71ọ ựHình 4.15 Mô hình hệ ố th ng lò n u thép c m ứấ ả ng khi l p thêm b l c lai ghép 72ắ ộ ọHình 4.16 Dạng sóng dòng điện và ph ổ dòng điện pha A c a nguồủ n sau khi l c 73ọ

x

Hình 4.17 Dạng sóng dòng điện pha A c a ngu n và t i sau khi l c 73ủ ồ ả ọHình 4.18 Mô hình hệ thống lò nấu thép cảm ứng sau khi lắp thêm cu n kháng Lộ p 75Hình 4.19 D ạng sóng dòng điện và ph ổ dòng điện pha A c a ngu n sau khi l c và ủ ồ ọ

l p thêm cu n kháng Lắ ộ p 76Hình 4.20 D ạng sóng dòng điện pha A của nguồn và tải sau khi lọc và lắp thêm Lp 76Hình 4.21 Phổ điện áp pha A c a ngu n 77ủ ồHình 4.22 Dạng sóng dòng điện bù của bộ ọc cho pha A l .77Hình 4.23 Dạng sóng điện áp DC 78Hình 4.24 Dạng sóng dòng điện ba pha c a nguủ ồn trước khi l c 78ọHình 4.25 Dạng sóng dòng điện ba pha c a ngu n sau khi l c 79ủ ồ ọ

và điện áp gây ra tác động sai l ch c a thi t b b o v , ệ ủ ế ị ả ệ ảnh hưởng đến sai s c a ố ủthi t bế ị đo làm cho kết qu ả đo không được chính xác

Giải pháp lo i tr sóng hài trong h thạ ừ ệ ống điện có th chia ra ba nhánh chính: ể

S d ng b l c th ng, s d ng b l c tích c c và b l c lai ghép gi a hai d ng ử ụ ộ ọ ụ độ ử ụ ộ ọ ự ộ ọ ữ ạnày Tuy giá thành đắt và chi phí bảo dưỡng cao nhưng bộ ọ l c tích c c và b l c lai ự ộ ọghép có kh ả năng loại tr h u h t các sóng hài phát sinh và r t hi u qu ừ ầ ế ấ ệ ả trong việc

bù công suất phản kháng và tiết kiệm điện năng

V i mong mu n ng d ng b lớ ố ứ ụ ộ ọc lai ghép để ọ l c sóng hài và bù công suất

ph n kháng, nh m h n ch tả ằ ạ ế ối đa ảnh hưởng c a sóng hài và ti t kiủ ế ệm điện năng đặc

biệt ứng dụng đố ới v i các t i phi tuy n l n trong s n xu t công nghiả ế ớ ả ấ ệp Tôi đã quyết

định chọn đề tài “Ứ ng d ng b l ụ ộ ọc lai ghép để bù công su t ph n kháng ấ ả và c l ọ

sóng hài ”

2. 

- Tìm hi u cể ác nguồn phát sinh sóng hài và ảnh hưởng của sóng hài

- Phân tích cấu hình, chức năng của các bộ lọc sóng hài kiểu thụ động, chủ động và bộ lọc lai ghép

- Tính toán lựa chọn thông số của các phần tử trong bộ lọc sóng hài lai ghép

- Mô phỏng kiểm chứng hiệu quả của bộ lọc sóng hài kiểu lai ghép

2

3. 

- Đối tượng nghiên c u là b l c sóng hài ki u lai ghép ứ ộ ọ ể

- Phạm vi nghiên c u cứ ủa đề tài là nghiên cứu phương pháp bù th ng kụ độ ết

h p bù tích cợ ực để ọ l c sóng hài và bù công su t ph n kháng cho lò n u thép c a nhà ấ ả ấ ủmáy

độ méo d ng so vạ ới ban đầu

Trong h ệ thống ba pha đố ứng, dòng điện hay điệi x n áp các pha b méo d ng ị ạ

và các sóng hài b c l có th phân bi t thành các thành thành ph n th t ậ ẻ ể ệ ầ ứ ự thuận, ngh ch, không: ị

Thành phần th t thu n g m: các sóng hài b c h1, h7, hứ ự ậ ồ ậ 10…

5

Fn: biên độ ủ c a sóng hài b c n trong chu i Fourier ậ ỗ

: thành phần sóng cơ bản : thành phần sóng hài b c n ậ

ψn: góc pha của sóng hài bậc n

T ừ(1.1) có thể ết vi thành:

= Fn (sinnωt.cosψn +sinψn cosnωt)

Nếu quy ước:

X TDH

Xnlà biên độ thành phần điều hòa bậc n

Từ (1.4) được triển khai áp dụng để đánh giá độ méo dòng điện và điện áp:

Hệ số méo dạng dòng điện:

2

1

n n

I TDH

n n

U TDH

U



(1.6) Trong đó:

U1là biên độ thành phần điện áp cơ bản

Un là biên độ thành phần áp hài bậc n

1.t sinh sóng hài trong  

Các sóng hài trong công nghiệp chủ yếu được tạo ra bởi tất cả các tải phi tuyến Các phần tử phi tuyến điển hình là cuộn dây của máy biến áp, động cơ làm việc ở chế độ bão hòa mạch từ, các dụng cụ bán dẫn công suất như thyristor, diode của các bộ biến đổi (chỉnh lưu, nghịch lưu, điều áp xoay chiều…), các đèn điện tử, máy hàn, các hệ truyền động điện…

7

1.2.1 Máy biến áp.

Hiện tượng bão hòa mạch từ của máy biến áp lực có thể sinh ra sóng hài bậc cao Khi biên độ điện áp và từ thông đủ lớn để rơi vào vùng không tuyến tính trong đường cong B H sẽ dẫn đến dòng điện từ - hóa bị méo và có chứa các sóng hài bậc cao

1.2.2 Động cơ

Các sóng hài bậc cao được phát sinh bởi máy điện quay liên quan chủ yếu tới các biến thiên của từ trở gây ra bởi các khe hở giữa roto và stato Các máy điện đồng bộ có thể sản sinh ra sóng hài bậc cao bởi biến dạng từ trường, sự bão hòa trong các mạch chính và do các cuộn cản dùng giảm dao động đặt không đối xứng

1.2.3 Thiết bị điện tử công suất.

Bản thân các bộ biến đổi điện tử công suất (chỉnh lưu, nghịch lưu, điều áp xoay chiều…) đều được cấu thành từ các thiết bị bán dẫn như diode, thyristor, MOSFET, IGBT, GTO… là những phần tử phi tuyến gây sóng hài bậc cao

Tùy thuộc vào cấu trúc của các bộ biến đổi mà sóng hài sinh ra khác nhau Các mạch chỉnh lưu trong biến tần thường là chỉnh lưu cầu ba pha có ưu điểm là đơn giản, rẻ, chắc chắn nhưng sản sinh nhiều sóng hài Để giảm bớt sóng hài có thể dùng hai mạch chỉnh lưu cầu ba pha ghép lai với nhau tạo thành chỉnh lưu 12 xung hoặc ghép 4 bộ chỉnh lưu cầu ba pha vào tạo thành bộ chỉnh lưu 24 xung

Ví dụ sóng hài gây ra bởi một số bộ biến đổi công suất:

- Chỉnh lưu cầu một pha: Giả sử xét với tải có tính cảm

Hình 1.7

9

Hình 1.12

Ta thấy dòng điện đầu vào bộ chỉnh lưu cầu ba pha có độ méo rất lớn THD=28,52% Các thành phần sóng hài này là do tính phi tuyến của bộ chỉnh

lưu cầu gây ra Trong đó các thành phần sóng hài bậc 5, 7, 11 là chủ yếu

Đối với bộ chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển ư hình 1.11 Các kết quả mô nh phỏng cho ảnh hưởng đến dòng phía nguồn (đầu vào chỉnh lưu) nh ưsau:

Hình 1.13

Ứng với góc điều khiển là α=300 dòng điện phía lưới được mô phỏngkèm theo phân tích FFT bằng Matlab nh hình 1.14 ư

Sự tồn tại sóng hài bậc cao gây ảnh hưởng tới tất cả các thiết bị và đường dây truyền tải điện Chúng gây ra quá áp, méo điện áp lưới làm giảm chất lượng điện năng Nói chung chúng gây ra tăng nhiệt độ trong các thiết bị và ảnh hưởng tới cách điện, làm tăng tổn hao điện năng, làm giảm tuổi thọ của thiết bị, trong nhiều trường hợp thậm chí còn gây hỏng thiết bị

Ảnh hưởng quan trọng nhất của sóng hài bậc cao 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:

Khi giá trị hiệu dụng và giá trị biên độ của tín hiệu dòng điện hay điện áp tăng

do sóng hài bậc cao sẽ gây ra một số vấn đề:

- Tăng phát nóng của dây dẫn điện, thiết bị điện ảnh hưởng đến độ bền cách ; điện của vật liệu

- Giảm khả năng mang tải của dây dẫn điện

- Các sóng hài bậc cao gây ra tổn thất đồng, tổn thất từ thông tản và tổn thất sắt làm tăng nhiệt độ máy biến áp và tăng tổn thất điện năng

13

- Tổn hao trên cuộn dây và lõi thép động cơ tăng, làm méo momen, giảm hiệu suất máy, gây tiếng ồn, các sóng hài bậc cao còn có thể sinh ra momen xoắn trục động cơ hoặc gây ra dao động cộng hưởng cơ khí làm hỏng các bộ phận

cơ khí trong động cơ

- Gây ảnh hưởng đến hoạt động của các thiết bị bảo vệ (tác động sai): các sóng hài bậc cao có thể làm momen tác động của rơle bị thay đổi dẫn đến thời điểm tác động của rơle sai lệch

- Với các thiết bị đo: ảnh hưởng đến sai số của các thiết bị đo, làm cho kết quả

Với những tác hại như vậy việc quy định một tiêu chuẩn thống nhất về các thành phần sóng hài bậc cao trên lưới cần được đưa ra để hạn chế ảnh hưởng của chúng tới các thiết bị tiêu dùng điện khác và đảm bảo chất lượng điện năng Vì vậy, Việt Nam đã áp dụng tiêu chuẩn 519 của IEEE và 1000-4-3 của IEC về giới hạn thành phần sóng hài bậc cao trên lưới Cụ thể như sau:

Bảng 1.1 Giới hạn méo điện áp

  (%) = THD (%)

14

Bảng 1.2 Giới hạn méo dòng điện (120V tới 69k V)

Độ méo dòng điện tối đa (% của Itải)

(n)

Dòng hài có thể chấp nhận được (%) Bậc sóng hài (n)

Dòng hài có thể chấp nhận được (%)

15

 



2.1 

2.1.1 Khái niệm lọc sóng hài

Nguyên t c làm vi c c a m t b l c sóng hài lý tắ ệ ủ ộ ộ ọ ưởng đó là ạ t o ra được một

t ng tr có giá tr vô cùng nh i v i t n s c n lổ ở ị ỏ đố ớ ầ ố ầ ọc, đồng th i l i có giá tr vô ờ ạ ịcùng l n v i t n s công nghi p Tuy nhiên trong th c t b l c có th ớ ớ ầ ố ệ ự ế ộ ọ ể được thi t k ế ế

có d i thông h p hay r ng khác nhau tùy theo yêu c u c ả ẹ ộ ầ ụ thể Có nhi u c u trúc và ề ấnguyên lý làm việc hay điều khiển để đạ ượt đ c mục tiêu này

2.2.1 Giới thiệu chung

Các ph n t chính tham gia c u t o nên b l c th ng bao g m các ph n t ầ ử ấ ạ ộ ọ ụ độ ồ ầ ửtĩnh R, L, C Tùy theo s ph n t ố ầ ử và cách đấu n i s ố ẽ có được các c u trúc b lấ ộ ọc khác nhau, d i thông theo yêu c u ả ầ

Trong sơ đồ ọ l c ba pha có hai lo i b l c là b l c RC và b l c LC Trong c hai ạ ộ ọ ộ ọ ộ ọ ảloạ ộ ọc này đềi b l u có t ụ điện, t ụ điện có th m c hình tam giác ho c hình sao Khi ể ắ ặ

t ụ điện hình đấu sao có ưu điểm là ti t ki m dung l ng t , nh ng không lế ệ ượ ụ ư ọc được

hết sóng hài điện áp dây

Khi t ụ điện đấu hình tam giác có dung lượng tăng lên 3 lần, lọc được sóng hài c ảđiện áp dây và điện áp pha và đặc bi t trong m ng có trung tính thì có th lệ ạ ể ọc được

c ảthành phần th t không do chuy n m ch van bán d n sinh ra ứ ự ể ạ ẫ

ph n sóng hài khác s b ầ ẽ ịchặ ạ ởi tổn l i b ng tr l n cở ớ ủa bộ ọc l

Ứng d ng l n nh t c a b l c này làm b l c sóng cao t n trong kênh thông ụ ớ ấ ủ ộ ọ ộ ọ ầtin t i ba, sả ử ụng dây điệ d n truy n tin ề

2.2.1.2 B l c th ng ki u song song

C u hình b lấ ộ ọc thụ độ ng bù ngang như hình 2.2

Hình 2.2

B l c th ộ ọ ụ động LC bù ngang được thi t k d a trên nguyên lý cế ế ự ộng hưởng

B lộ ọc được điều ch nh cỉ ộng hưởng v i mớ ột tầ ố nào đó khi đó bộ ọc sẽ trởn s l thành đường d n tr kháng th p cho nh ng sóng hài nhẫ ở ấ ữ ất định.Thông thường trong h ệthống hay s d ng các lo i b l c sóng hài b c 5 và b c 7 Các b l c sóng hài b c ử ụ ạ ộ ọ ậ ậ ộ ọ ậ

3 là không c n thi t vì thành ph n này có tính chầ ế ầ ất tương tự thành ph n th t ầ ứ ựkhông do đó sẽ ị b ch n l i b i các cuặ ạ ở ộn đấu tam giác trong máy bi n áp, các hài b c ế ậ

Nguồn HT

Tải phi tuyến C

L

Bộ lọc

Nguồn HT

Thanh cái tổng

Tải phi tuyến Tải

Bộ lọc

Ih L

C

B l c cộ ọ ộng hưởng đơn gồm có m t t ộ ụ điện và kháng điện đấu n i ti p Thông ố ế

s c a t ố ủ ụ và kháng đượ ực l a chọn để ộ ọ b l c s có t ng tr ẽ ổ ở thấp (t ng tr ổ ở lý tưởng

b ng 0) tằ ại tầ ốn s mong mu n (chính là t n s cố ầ ố ủa sóng hài cần loại trừ)

Giá tr c a b t ị ủ ộ ụ C đượ ực l a chọn để ph n nào bù m t ph n công su t phầ ộ ầ ấ ản kháng c a ph tủ ụ ả ểi đ nâng cao h s công suệ ố ất

Công suất ph n kháng mà b t có th ả ộ ụ ể phát ra được tính theo:

C

V Q

X



18

Đặc tính t ng tr theo t n s c a b l c có dổ ở ầ ố ủ ộ ọ ạng như trong hình 2.4

Hình 2.4

T ng tr c a b l c s có giá tr ổ ở ủ ộ ọ ẽ ị thấp nh t khi t ng tr c a thành phấ ổ ở ủ ần điện

cảm bằng với tổng tr cở ủa thành phần điện dung (nhưng ngượ ấc d u) XL=XC

T quan h ừ ệ đó tính ra điện kháng c n thiầ ết củ ộ ọc:a b l

(2.2) Giá tr ị điện tr c a b lở ủ ộ ọc đượ ực l a ch n tùy theo h s ọ ệ ố chất lượng Q c a b ủ ộ

l c H s ọ ệ ố chất lượng Q quyết định mức độ ẹ h p hay m r ng cở ộ ủa đặc tính t ng tr -ổ ở

t n s cầ ố ủa bộ ọc và băng thông của bộ ọc Về ặ l l m t toán học Q được tính theo:

(2.3)Trong chương tiếp theo s phân tích chi tiẽ ết phương thứ ực l a ch n giá tr Q ọ ịnày

Các b l c thông cao có kh ộ ọ ả năng hút được m t d i các các sóng hài t n s ộ ả ầ ốcao, giá tr c a thành phị ủ ần điện tr quyở ết định độ ắ s c của đặc tính lọc và đáp ứng

c a b l c V i các b l c thông cao (tr b l c thông cao b c 1), giá tr ủ ộ ọ ớ ộ ọ ừ ộ ọ ậ ị Q xác định theo:

2

1 2 ( )

R



19

(2.4) 2.2.2.2 B l c thông cao bộ ọ ậc 1:

Các b l c thông cao b c 1 có kh ộ ọ ậ ả năng tạo ra t ng tr ổ ở thấp đố ới v i các sóng hài bậc cao do đặc tính c a b t ng tr c a b t t l ngh ch v i b c c a sóng ủ ộ ụ (tổ ở ủ ộ ụ ỷ ệ ị ớ ậ ủhài) B l c loộ ọ ại này không có điện kháng do đó cần có một điện tr m c n i tiở ắ ố ếp để

h n ch dòng ch y qua b tạ ế ạ ộ ụ Để có t ng tr bé t i t n s cao c n b t ổ ở ạ ầ ố ầ ộ ụ dung lượng

lớn, điều này có th d n t i hiể ẫ ớ ện tượng quá bù công su t ph n kháng kèm theo chi ấ ảphí c a b t ủ ộ ụ cũng cao hơn Bộ ọ l c loại này thường không làm vi c t t t i các t n s ệ ố ạ ầ ốthấp

2.2.2.3 B l c thông cao b c 2:

B l c thông cao b c 1 v m t c u hình g m m t b t n i ti p v i kháng vộ ọ ậ ề ặ ấ ồ ộ ộ ụ ố ế ớ à điện tr song song B l c này hoở ộ ọ ạt động tương tự như bộ ọ l c cộng hưởng đơn với các sóng hài có t n s ầ ốthấp vì t i t n s ạ ầ ốthấp thì tr s b kháng r t nh , gị ố ộ ấ ỏ ần như nối

tắt thành phần điện tr , b lở ộ ọc trở thành tương tự như bộ ọc cộng hưởng đơn l

Tại tầ ốn s cao, giá tr ị điện kháng tr ở tăng lên đáng kể, coi như hở ạch và như m

v y b l c tr lậ ộ ọ ở ại tương tự như bộ ọ l c thông bậc 1

R Q L C



20

2.2.2.4 B l c thông cao b c 3

B l c thông cao b c 3 th hi n tính dung t i d i t n th p và t i t n s ộ ọ ậ ể ệ ạ ả ầ ấ ạ ầ ố cơ bản

Tại tầ ố cao bộ ọc thể ện s l hi n tính kháng V mề ặt đáp ứng b l c hoộ ọ ạ ộng tương tựt đnhư:

- B lộ ọc cộng hưởng đơn với sóng hài có t n s ầ ố dưới tầ ố ộng hưởn s c ng

- Tương tự ớ ộ ọ v i b l c thông cao b c 1v i sóng hài có t n s trên t n s cậ ớ ầ ố ầ ố ộng hưởng

Điều này được gi i thích do t i t n s thả ạ ầ ố ấp thì điện kháng có giá tr nh , n i t t ị ỏ ố ắnhánh RC, t i t n s ạ ầ ố cao điện kháng có giá tr l n s gị ớ ẽ ần như hở ạ m ch nhánh kháng

và dòng điện hầu như chỉ ch y qua nhánh C2R Các b t ạ ộ ụ C1 và C2 được tính toán

để ộng hưở c ng v i kháng t i t n s mong mu n B l c thông cao b c 3 có t n th t ớ ạ ầ ố ố ộ ọ ậ ổ ấcông suất tạ ần số cơ bản ít hơn so vớ ộ ọi t i b l c thông cao b c 2 do có b t ậ ộ ụ C2 được chèn vào nối tiếp v i đi n tr ớ ệ ởR

21

Nhánh C3L được tính toán cộng hưởng t i t n s ạ ầ ố cơ bản, do v y t i t n s ậ ạ ầ ố cơ

b n nhánh này có t ng tr r t thả ổ ở ấ ấp, coi như ố ắn i t t thành ph n R, gi m t n hao tầ ả ổ ại

t n s ầ ố cơ bản V nguyên t t b lề ắ ộ ọc như vậy th hi n tính dung t i t n s ể ệ ạ ầ ố cơ bản (do thành phần C1)

Khi t n s ầ ố tăng hơn, lúc này điện kháng L có th ể trở thành cộng hưởng với (C1+C2)  b l c hoộ ọ ạt động tương tự như bộ ọ l c cộng hưởng đơn với điện tr ở ổn định R

T i t n s ạ ầ ố cao hơn nữa, điện kháng tr lên lở ớn và dòng điện ch y u ch y qua ủ ế ạnhánh R và lúc này b lộ ọc thể ện như bộ ọ hi l c thông cao bậc 1

Với f và s là các đại lượng ph c th ứ ểhiệ ựn s phân b ố dòng điện hài gi a b ữ ộ

l c và h ọ ệthống V i h ớ ệ thống được thi t k tế ế ốt thì độ ớ l n của f x p x 0,995 và ấ ỉ s

x p x 0,005 ấ ỉ

Có th ể thấ ằy r ng hi u qu l c sóng hài ph thu c vào t ng tr ngu n: v i h ệ ả ọ ụ ộ ổ ở ồ ớ ệthống có t ng tr ngu n l n (ngu n y u) sóng hài s h u hổ ở ồ ớ ồ ế ẽ ầ ết được h p th b i b ấ ụ ở ộ

lọc và ngược lại nếu h ệthống là vô cùng l n thì hi u qu l c sóng hài s rớ ệ ả ọ ẽ ất thấp

Do hi u qu l c sóng hài ph ệ ả ọ ụ thuộc nhi u vào t ng tr ngu n nên quá trình ề ổ ở ồthiế ế ộ ọt k b l c g m nhiồ ều bước, sau khi tính toán xong b l c s mô ph ng trên ộ ọ ẽ ỏ

ph n mầ ềm để ể ki m tra các thông s và n u c n s ố ế ầ ẽphải tính toán l i thông s b lạ ố ộ ọc cho phù hợp hơn Lược đồ thi t kế ế ộ m t bộ ọ l c th ng th hi n trên Hình 2.6 ụ độ ể ệ

23

Dữ liệu đầu vào

Trở kháng Tải phổ tần sóng hài ,

Điện dung, Công

suất phản kháng

cần dùng?

Thiết kế bộ lọc nhỏ nhất

Thêm bộ lọc song song

Thay đổi kiểu lọc

Hình 2.6

24

2.2.3.2 Các tham s c n l a ch i v i b l c c ng a) L a ch n h s ch ng Q cho b l c.

Xét bộ ọc như trong hình l 2.7

Hình 2.7

T ng tr cổ ở ủa bộ ọ l c tính theo:

(2.7)

Tại tầ ố ộng hưởn s c ng: khi đó

H s ệ ố chất lượng liên quan t i kh ớ ả năng của b lộ ọc để ấ h p th ụ năng lượng tại

t n s cầ ố ộng hưởng Giá tr h s ị ệ ố chất lượng Q đố ới v i m ch RLC c a b l c c ng ạ ủ ộ ọ ộhưởng đơn được tính theo:

8) (2

V m t hình th c, giá tr Q quyề ặ ứ ị ết định mức độ ẹ h p hay m r ng cở ộ ủa đặc tính

t ng tr ổ ở (băng thông lớn hay nh ) B l c có giá tr Q l n (50÷100) s có t ng tr ỏ ộ ọ ị ớ ẽ ổ ở

biến đổi nhanh khi t n s l ch kh i t n s cầ ố ệ ỏ ầ ố ộng hưởng, và ngượ ạ ộ ọc l i b l c có h s ệ ố

Q th p (0.5÷5.5) s có t ng tr biấ ẽ ổ ở ến đổi ít trong m t d i t n s lân c n t n s c ng ộ ả ầ ố ậ ầ ố ộhưởng

Căn cứ theo đặc tính c a b l c có th th y r ng, thành ph n R (hay h s ch t ủ ộ ọ ể ấ ằ ầ ệ ố ấlượng) có ảnh hưởng m nh t i kh ạ ớ ả năng hấp th sóng hài c a b l c, và t n th t ụ ủ ộ ọ ổ ấcông su t trong b l c B l c có h s Q l n s d h p th ấ ộ ọ ộ ọ ệ ố ớ ẽ ễ ấ ụ lượng l n sóng hài cớ ủa

h ệthống và như ậ v y hi u qu l c sóng hài s là t t nhệ ả ọ ẽ ố ất, tuy nhiên điều này có th ểgây quá t i b l c B l c v i h s Q nh có th xem xét s d ng t i nhả ộ ọ ộ ọ ớ ệ ố ỏ ể ử ụ ạ ững địa

25

điểm mà hàm lượng sóng hài nh , ch ỏ ỉ vượt m t ph n mộ ầ ức qui định Đối v i ng ớ ứ

50÷100

b) L a ch n t n s c ng cho b l c

B l c sóng hài th ộ ọ ụ động được điều chỉnh để hút sóng hài t i t n s ạ ầ ố đã được

tính toán, t n s cầ ố ủa các sóng hài thường là b i s nguyên c a t n s ộ ố ủ ầ ố cơ bản (50Hz)

như 150Hz, 250Hz, 350Hz Tuy nhiên tần s cố ộng hưởng c a b lủ ộ ọc thường không

được ch n bọ ằng đúng tần s ố sóng hài do các lý do sau đây:

T ng tr quá th p tổ ở ấ ại tầ ốn s sóng hài có th làm cho tể ất cả dòng điện hài tại tần

s ố đó chạy vào b lộ ọc công suấ ộ ọc cầt b l n ch n lọ ớn hơn nhiều so với trường hợp

chỉ ầ c n lo i tr vạ ừ ừa đủ ợ lư ng sóng hài theo yêu c u Ch n công su t l n d n t i giá ầ ọ ấ ớ ẫ ớ

thành của bộ ọ l c sẽ cao

Tương tác giữ ổa t ng tr b l c và t ng tr h th ng t o thành m t h th ng có ở ộ ọ ổ ở ệ ố ạ ộ ệ ố

t n s cầ ố ộng hưởng thấp hơn một chút so v i t n s ớ ầ ố sóng hài đang đượ ọc l c N u b ế ộ

lọc được thi t k cế ế ộng hưởng chính xác t i tạ ần số sóng hài thì do sai s c a thông s ố ủ ố

c a các b t , kháng có th ủ ộ ụ ể làm cho thay đổ ầi t n s cố ộng hưởng đã được thi t k ế ế

Thay vì t o ra m t b l c v i t ng tr ạ ộ ộ ọ ớ ổ ở thấp thì t h p c a b l c và h ổ ợ ủ ộ ọ ệthống l i tạ ạo

ra m t t n s cộ ầ ố ộng hưởng chung (t n s cầ ố ộng hưởng song song) đúng tại tầ ốn s sóng

hài Nếu điều này x y ra s d n tả ẽ ẫ ới tăng mức độ méo sóng, có kh ả năng khuyếch đại

biên độ dao động điện áp Thêm vào đó các thay đổi c a h thủ ệ ống cũng là một

nguyên nhân gây ra t n s cầ ố ộng hưởng chung b ng t n s sóng hài ằ ầ ố

Hình 2.8

26

Xét b lộ ọc sóng hài đượ ắp đặc l t trong m t h ộ ệthống có điện cảm (điện kháng)

trong là Ls Tương tác giữa các ph n t , c a b l c và ầ ửL C ủ ộ ọ L s c a ngu n sinh ra hi n ủ ồ ệ

tượng cộng hưởng song song, s t n t i t n s tẽ ồ ạ ầ ố ại đó tổng tr chung c a toàn h ở ủ ệ

thống và b l c có giá tr rộ ọ ị ất lớn [5 ]

T n s cầ ố ộng hưởng song song này được tính theo:

Hình 2.9

Như vậy ch n t n s cọ ầ ố ộng hưởng thấp hơn tần s sóng hài có tác d ng d ch ố ụ ị

chuy n t n s cể ầ ố ộng hưởng song song ra xa ngoài t n s sóng hài, tránh cầ ố ộng hưởng

gây quá điện áp

Sai s ch t o: Quá trình s n xu t thi t b b t bu c ph i có sai s i v i c ả ấ ế ị ắ ộ ả ố đố ớ ả

các b t ộ ụ và kháng điện, ngoài ra điện dung c a t ủ ụ thay đổi theo nhiệt độ, các phần

t u già hóa theo th i gian Khi b t b già hóa, giử đề ờ ộ ụ ị ảm điện dung s làm d ch tẽ ị ần

s cố ộng hưởng sát t i t n s cớ ầ ố ủa sóng hài (điều này thự ế làm tăng hiệc t u qu hút ả

27

sóng hài c a b l c) T t c các y u t này d n t i t n s củ ộ ọ ấ ả ế ố ẫ ớ ầ ố ộng hưởng không th ể là

một giá trị ố định như đã tính toán c

Biến đổ ủi c a h th ng: C u hình, thông s c a h ệ ố ấ ố ủ ệ thống thay đổi theo thời

gian, không th là y u t c nh ể ế ố ố đị

Ví d khi m t máy bi n áp song song b c t ra s d n t i ngu n tr thành yụ ộ ế ị ắ ẽ ẫ ớ ồ ở ếu

hơn, dẫ ớ ần t i t n s cố ộng hưởng song song có xu th gi m xu ng ế ả ố

Trong quá trình bảo dưỡng, thay th thi t b ế ế ị cũng làm yếu ngu n ồ

Các đường dây có th ể thay đổ ấi c u hình v n hành tùy theo mùa ậ

Thông thường t n s cầ ố ộng hưởng c a b lủ ộ ọc được ch n thọ ấp hơn so vớ ầi t n s ố

sóng hài t x p x ừ ấ ỉ 3% đến 15% Vi c l a ch n này vệ ự ọ ẫn đảm b o b lả ộ ọc có đủ kh ả

năng loại tr ừ sóng hài trong khi tránh được hiện tượng d ch chuy n t n s c ng ị ể ầ ố ộ

hưởng như đã trình bày

2.2 d ng trong tính toán thi t k b l c c

Việc tính toán tham s b l c th ng ki u cố ộ ọ ụ độ ể ộng hưởng đơn bao gồm nhi u ề

bước Các s li u c n thu th p bao gố ệ ầ ậ ồm điện áp định m c c a mứ ủ ạng điện, t n s hài ầ ố

c n lo i tr , b lầ ạ ừ ộ ọc đặt trong nhà hay ngoài tr i, s u t ng tr c a h ờ ốliệ ổ ở ủ ệthống và các

ph n t lân c n Công suầ ử ậ ất của tải, hệ ố s công suất, số liệu đo đạ ề sóng hài tạ ịc v i đ a

Giá tr ị bù đến bao nhiêu tùy thu c yêu c u cộ ầ ủa điệ ựn l c Giá công su t phtrị ấ ản

kháng bù được này luôn nh ỏ hơn giá trị công su t ghi trên b l c do hi u ng bù ấ ộ ọ ệ ứ

tri t tiêu giệ ữa bộ ụ t và kháng

T ừ lượng CSPK yêu c u này s ầ ẽ tính toán ra được trị ố ủa bộ ụ s c t

C yeucau

V X

Q

c 3: L a ch n t n s cự ọ ầ ố ộng hưởng c a b l c và tính toán giá tr ủ ộ ọ ị điện kháng cũng như điện tr c a b l c ở ủ ộ ọ

D a theo s ự ốliệu đo đạc v ề sóng hài, sơ bộ ự l a ch n t n s cọ ầ ố ộng hưởng c a b ủ ộ

l c Mọ ục đích của b lộ ọc là để giảm độ méo sóng của dòng điện và điện áp đến ngưỡng cho phép theo qui định Để đạt được yêu cầu này thường b lộ ọc được ch n ọ

để ộng hưở c ng v i t n s hài th p nh t cớ ầ ố ấ ấ ủa dòng điện hài l n nh t Ví d ớ ấ ụ biên độdòng điện hài thường là l n nhớ ất đố ới v i sóng hài b c 5 và b c 7 ậ ậ

Trong nhiều trường h p m t b l c cợ ộ ộ ọ ộng hưởng b c 5 là có th ậ ể đã đủ để ảm gi

mức độ méo sóng tới ngưỡng qui định

Giả thi t c n lo i tr sóng hài b c ế ầ ạ ừ ậ h  t i t n s hài bạ ầ ố ậc h thì điện kháng của kháng b ng v i dung kháng cằ ớ ủa tụ XLh =X Ch, trong đó:

X

L

X h X

   tính ra được giá trị ầ c n thiết của điện tr ởR.

L C R

Q

c 4: L a ch n tham s các b t và kháng theo chu n ch t o trên th ự ọ ố ộ ụ ẩ ế ạ ịtrường Sau đó kiểm tra lại để đả m b o r ng các ph n t t v n hành trong gi i h n ả ằ ầ ử ụ ậ ớ ạcho phép theo tiêu chuẩn Std IEEE 18

c 5: Kiểm tra các thông s c a b t có n m trong gi i h n cho phép c a ố ủ ộ ụ ằ ớ ạ ủtiêu chuẩn IEEE-18 (2002)

B t là ph n t nh y c m vộ ụ ầ ử ạ ả ới điện áp, thường điện áp đặt lên b t trong b ộ ụ ộ

l c cọ ộng hưởng đơn sẽ cao hơn so với khi hoạt động trong môi trường không có sóng hài Sóng hài điện áp có th ể làm tăng điện áp đỉnh hoặc tăng giá trị ệ hi u d ng ụ

của điện áp, do v y b t ph i chậ ộ ụ ả ịu được điện áp này và người thi t k t phế ế ải đảm

bảo điện này không vượt quá ngưỡng qui định

Điều ki n ki m tra bao g m: ệ ể ồ

Dòng điện hi u d ng bao g m c thành ph n sóng hài ch y qua b t không ệ ụ ồ ả ầ ạ ộ ụvượt quá 180% dòng điện định m c: ứ