Nghiên cứu mạch lọc tích cực song song 3 pha 4 dây

Bộ biến đổi công suất Six-pulse bridges.Bộ biến đổi công suất 3 pha Six-pulse bridges chỉnh lưu, nghịch lưu được áp dụng rất rộng rãi và trở thành thành phần quan trọng không thể thiếu

CHƯƠNG 1

KHÁI NIỆM VỀ SÓNG HÀI

Chương 1 nhắc lại một số kiến thức cơ bản về sóng hài, tác dụng của

sóng hài đối với lưới điện cũng như đưa ra một số phương pháp để hạn chế sóng

hài

Nội dung chương 1 gồm 4 phần chính :

1.1 Khái niệm về sóng hài 1.2 Ảnh hưởng của sóng hài 1.3 Nguồn tạo sóng hài 1.4 Mạch lọc tích cực

1.1 Khái niệm về sóng hài

Chúng ta biết rằng, các dạng sóng điện áp sin được tạo ra tại các nhà

máy điện, trạm điện lớn thì rất tốt Tuy nhiên, càng di chuyển về phía phụ

tải, đặc biệt là các phụ tải phi tuyến thì các dạng sóng càng bị méo dạng

Khi đó dạng sóng không còn sin

H1.1 A- Dạng sóng sin, B- Dạng sóng hài

Sóng hài có thể coi như là tổng của các dạng sóng sin mà tần số của

nó là bội số nguyên của tần số cơ bản

H1.2 Thành phần cơ bản và các hài

-1.5 -1 -0.5

0 0.5

1 1.5

Time Secs

Seventh

Fifth Fundamental f(t)

C t

Với :

C0 là giá trị DC của hàm sóng hài f(t)

Cn là giá trị đỉnh của thành phần hài bậc n và θn là giá trị góc pha

- Phổ của sóng hài được thể hiện theo hình H1.3

∞

Với C1: Biên độ thành phần cơ bản

Cn là giá trị đỉnh của thành phần hài bậc n

1.2 Ảnh hưởng của sóng hài

Ảnh hưởng quan trọng nhất của sóng hài đó là việc làm tăng giá trị

hiệu dụng cũng như giá trị đỉnh của dòng điện và điện áp, có thể thấy rõ

qua công thức sau :

2 )

1 ( 0

) (

1 ( 0

) (

Đồng thời có thể quan sát 1 cách trực quan qua kết quả sau :

H1.4 Giá trị đỉnh và RMS theo các thành phần sóng hài

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

điện tăng do sóng hài, sẽ dẫn đến hàng loạt những vấn đề sau :

ƒ Làm tăng phát nóng của các thiết bị điện, dây dẫn điện

ƒ Ảnh hưởng đến độ bền cách điện của vật liệu, khả năng mang tải của

dây dẫn điện

ƒ Ảnh hưởng đến hoạt động của các thiết bị bảo vệ ( tác động sai ):

cầu chì, CB, relay, Đồng thời các thiết bị đo đếm như kWh ghi

nhận sai dữ liệu

ƒ Tổn hao trên cuộn dây và lõi thép của động cơ tăng, ảnh hưởng đến

mô men trên trục của động cơ

ƒ Làm các mạch PLL trong điều khiển hoạt động sai

ƒ Ảnh hưởng đến các thiết bị viễn thông

1.3 Nguồn tạo sóng hài

1.3.1 Tải không tuyến tính

a Máy biến thế

Hiện tượng bảo hòa mạch từ của máy biến áp lực có thể sinh ra sóng hài

Hình H1.5 mô tả nguyên lý tạo sóng hài từ hiện tượng bảo hoà mạch từ

Để duy trì điện áp sin, từ thông sin phải được tạo ra từ dòng từ

-magnetizing current Khi biên độ của điện áp ( và từ thông ) đủ lớn để rơi vào

trường hợp không tuyến tính trong đường cong B-H, sẽ dẫn đến dòng điện từ lớn

bị méo dạng và chứa sóng hài

H1.5 Hiện tượng bão hòa mạch từ máy biến thế

Dạng sóng và phổ của của dòng pha a khi máy biến thế hoạt động với

điều kiện qúa điện áp 110%

H1.6 Dòng pha a và phổ của nó khi máy biến thế hoạt động ở 110% điện áp điện mức

0 100 200 300 400 500 600

0 0.2 0.4 0.6 0.8

b Động cơ :

Tương tự như vơi máy biến áp, động cơ xoay chiều khi hoạt động tạo ra

dòng điện hài Nếu như không sử dụng máy biến thế đấu Delta, một động cơ

đồng bộ 1 pha sẽ sinh ra dòng điện hài bậc 3 có gía trị khoảng 10%, và một động

cơ đồng bộ 3 pha sẽ sinh ra dòng điện hài bậc 3 có gía trị khoảng 30%

Ví dụ dạng sóng dòng điện bị méo dạng của máy lạnh được cho theo hình

H1.7, THD = 6.3%

H1.7 Dòng điện của máy lạnh

Ví dụ dạng sóng dòng điện của máy điều hòa không khí được cho theo

hình H1.8 , THD =10.5%

H1.8 Dòng điện của máy điều hoà không khí

1.3.2 Thiết bị điện tử công suất

a Bộ chỉnh lưu cầu 1 pha

Các thiết bị điện tử thường được cung cấp nguồn DC qua bộ chỉnh lưu

cầu 1 pha Diode, điện áp DC ngõ ra bộ chỉnh lưu được san bằng với tụ điện C

Công suất của các thiết bị nhỏ, từ vài W đến vài kW Hệ số méo dạng THD của

dòng điện thường lớn hơn 100%

H1.9 Bộ chỉnh lưu cầu 1 pha Diode

b Bộ biến đổi công suất Six-pulse bridges.

Bộ biến đổi công suất 3 pha Six-pulse bridges ( chỉnh lưu, nghịch lưu)

được áp dụng rất rộng rãi và trở thành thành phần quan trọng không thể thiếu

trong hệ thống điện Một số ứng dụng quan trọng của chúng có thể liệt kê là :

ƒ Các bộ điều khiển tốc độ động cơ DC- AC

ƒ Các bộ lưu điện UPS

ƒ Các bộ điều khiển SVC, STACOM, HVDC,

Tuỳ theo mục đích sử dụng, các van bán dẫn có thể là linh kiện được điều

khiển ( GTO, MOSFET, Thyristor, ) hay là các linh kiện không điều khiển

được (diode) Ví dụ bộ chỉnh lưu cầu diode 3 pha không điều khiển được có mô

hình như hình H1.11 dưới đây :

H1.11 Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển

Hình H1.12 biểu diễn dòng điện pha a của bộ chỉnh lưu cầu 3 pha, dễ

dàng nhận thấy dòng điện có độ méo dạng rất lớn

H1.12 Dạng sóng dòng điện bộ chỉnh lưu cầu 3 pha

1.4 Mạch lọc tích cực

Có nhiểu phương pháp khử và hạn chế các sóng hài như dùng mạch lọc

thụ động (passive filter), sử dụng máy biến thế đấu Y/∆, Nhưng phương pháp

sử dụng mạch lọc tích cực là phương pháp hiện đại và đang được áp dụng nhiều

nhất trong lãnh vực khử sóng hài

1.4.1 Nhiệm vụ mạch lọc tích cực

a Bù công suất:

Việc thực hiện bù công suất đồng thời với chức năng lọc thì các cấu hình

thiết kế, có thể chỉ giới hạn ở mức độ công suất nhỏ Do nhiều thiết bị bù tuy có

đáp ứng chậm hơn nhưng giá thành rẻ, ví dụ bù bằng SVC –đóng ngắt bằng

thyristor

b Bù sóng hài điện áp:

Bù điện áp không được chú ý nhiều trong hệ thống điện vì nguồn thường

có trở kháng thấp và điện áp tiêu thụ tại điểm đấu dây chung thường duy trì

trong phạm vi giới hạn cơ bản đối với các sự cố trồi hặc giảm áp

Vấn đề bù điện áp chỉ được xem xét đến khi tải nhạy cảm với sự xuất hiện

sóng hài điện áp trong lưới nguồn như các thiết bị bảo vệ hệ thống điện,

superconducting magnetic energy storage

c Bù sóng hài dòng điện:

Bù các thành phần sóng hài dòng điện có ý nghĩa quan trọng đối các tải

công suất nhỏ và vừa Việc giảm thành phần sóng hài dòng điện trong lưới còn

có tác dụng giảm độ méo dạng điện áp lưới tại điểm đấu dây chung

1.4.2 Phạm vi công suất của mạch lọc tích cực

a Các ứng dụng phạm vi công suất thấp:

Các ứng dụng có công suất nhỏ hơn 100kVA, chủ yếu phục vụ các khu

dân cư, các tòa nhà kinh doanh, bệnh viện, các hệ truyền động công suất nhỏ và

vừa

Tính chất của các hệ thống tải này đòi hỏi hệ thống mạch lọc tích cực

tương đối phức tạp có đáp ứng động học cao, thời gian đáp ứng nhanh hơn nhiều

mạch lọc tích cực ở dãy công suất cao hơn thay đổi trong khoảng chục us đến vài

ms

b Các phạm vi ứng dụng công suất vừa:

Phạm vi công suất hoạt động của các thiết bị này nằm trong khoảng từ

100kVA đến 10MVA Ví dụ các mạng cung cấp điện trung và cao áp và các hệ

thống truyền động điện công suất lớn mắc vào nguồn áp lớn

Mục đích chính của các mạch lọc tích cực là khử bỏ hoặc hạn chế các

sóng hài dòng điện

Tốc độ đáp ứng bù lọc trong hệ thống ở khoảng hàng chục ms

c Các phạm vi ứng dụng công suất rất lớn

Dãy công suất rất lớn thường gặp trong hệ thống truyền tải hoặc truyền

động động cơ DC công suất rất lớn hoặc hệ thống truyền tải điện DC

Mạch bù lọc tích cực cho phạm vi công suất rất lớn là rất tốn kém vì đòi

hỏi đến việc sử dụng các linh kiện công suất có khả năng đóng ngắt dòng điện

Điều thuận lợi là đối với dãy công suất lớn trên 10MVA, lượng sóng hài

bậc cao xuất hiện nhỏ nên các yêu cầu đối với nó không còn nghiêm nhặt như

dãy công suất nhỏ

Thời gian đáp ứng đòi hỏi trong các trường hợp trên ở mức hàng chục

giây, đủ để các hệ thống điều khiển relay lựa chọn và tác động một cách phù

hợp

1.4.3 Phân loại mạch lọc tích cực

Có nhiều cách phân loại mạch lọc tích cực

a Phân loại theo bộ biến đổi công suất

Căn cứ vào cấu hình của bộ biến đổi công suất được sử dụng trong mạch

lọc, ta có 2 loại mạch lọc tích cực : VSI - bộ biến đổi nguồn áp và CSI - bộ biến

b Phân loại theo sơ đồ

Phân loại theo sơ đồ, ta có mạch lọc tích cực song song và mạch lọc tích

CHƯƠNG 2

MẠCH LỌC TÍCH CỰC SONG SONG

3 PHA – 4 DÂY

Chương 2 trình bày nguyên lý hoạt động của mạch lọc song song 3 pha 4

dây, từ đó đưa ra cở sở để xây dựng sơ đồ khối điều khiển mạch lọc

Chương 2 gồm các nội dung chính :

1 Nguyên lý hoạt động

2 Mô hình toán học mạch lọc

1 Nguyên lý hoạt động

Xét mô hình mạch lọc tích cực 3 pha – 4 dây theo hình H2-1

Hình 2-1 Nguyên lý hoạt động mạch lọc song song 3 pha 4 dây

Ta có 2 giả thiết sau :

ƒ Nguồn áp lý tưởng : v0=va+vb+vc = 0

Do đó : p0=v0.i0 = 0 , thành phần thứ tự không công suất tải bằng 0

(Thành phần này chỉ khác không khi có thêm điều kiện nguồn không

đối xứng hay không sin.)

ƒ Bỏ qua công suất tổn hao do đóng cắt của bộ nghịch lưu : ploss=0

Công suất cung cấp cho tải 3 pha – 4 dây không tuyến tính p, q được phân

L L L

L

q q

p p q

Trong đó p L là công suất DC, p~ Llà công suất xoay chiều của tải

Công suất pL , qL này được cung cấp bởi mạch lọc tích cực -APF như sau

L AF

AF

q q

p q

p

~

~

Thành phần công suất DC của tải p L và công suất tổn hao của bộ nghịch

lưu ploss được cung cấp bởi nguồn

Kết luận :

ƒ Mạch lọc tích cực có nhiệm vụ cung cấp thành phần công suất AC và

thành phần công suất phản kháng q

2 Mô hình toán học mạch lọc

Dựa trên cơ sở lý luận phần 1 ở trên, ta xây dựng mô hình điều khiển

mạch lọc tích cực như sau :

Hình 2-2 Nguyên lý điều khiển mạch lọc

Các tín hiệu ia, ib, ic là các tín hiệu dòng điện của tải, va, vb, vc là tín hiệu

v v v v

v

v

.

2

3 2 3 0

2

1 2 1 1

2

1 2

1 2 1 3 2

i i i i

i

i

.

2

3 2 3 0

2

1 2 1 1

2

1 2

1 2 1 3 2

β α

i i i v v

v v v q p

0 0

0 0

*

*

2 / 3

2 / 3 0

2 / 1

2 / 1 1

2 1

2 1

2 1 3 2

β

α

c

c cc

cb ca

i i i i

i

i

Các dòng yêu cầu được so sánh với dòng hồi tiếp của mạch lọc, từ đó xác

định xung đóng cắt cho các van bán dẫn bộ nghịch lưu

CHƯƠNG 3

XÂY DỰNG MÔ HÌNH MẠCH LỌC

TÍCH CỰC SONG SONG 3 PHA 4 DÂY

TRONG SIMULINK /MATLAB

Trong chương này, ta sẽ thiết lập mô hình mô phỏng hệ thống mạch lọc

tích cực song song sử dùng phần mềm Matlab, chức năng simulink Cụ thể gồm

các phần chính sau :

3.1 SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG MẠCH LỌC TÍCH CỰC SONG SONG 3 PHA

4 DÂY

3.1.1 Nguồn xoay chiều 3 pha

3.1.2 Tải không cân bằng

3.1.3 Bộ nghịch lưu

3.1.4 Các khâu lấy tín hiệu

3.2 KHÂU TẠO XUNG CHO BỘ NGHỊCH LƯU – PULSE

3.1 SƠ ĐỒ KHỐI

Sơ đồ khối gồm hệ thống mạch lọc tích cực song song 3 pha 4 dây gồm

các khâu chính như sau :

- Nguồn : Hệ thống nguồn 3 pha 4 dây cung cấp cho tải không cân

bằng

- Tải không cân bằng : Tải gồm bộ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển hoàn

toàn đối xứng, kết hợp với bộ chỉnh lưu cầu 1 pha Diode được nối vào pha a

- Bộ nghịch lưu 3 pha được điều khiển theo quy tắc kích đóng đối

nghịch, được nối với hệ thống thông qua cuộn cảm L

- Nguồn DC cấp áp cho bộ nghịch lưu

- Khâu tạo xung bộ nghịch lưu – Pulse, tạo xung dóng cắt cho bộ nghịch

lưu

- Bộ điều khiển bộ nghịch lưu : Điều khiển thời điểm bộ nghịch lưu tác

động vào lưới thông qua CB 3 pha Đồng thời cũng điều khiển thời điểm tác

động của xung điều khiển đóng cắt các van ban dẫn cho bộ nghịch lưu

- Các khâu lấy tín hiệu V- điện áp 3 pha, iL – dòng điện tải 3 pha, …

dùng để phục vụ cho mục đích tính toán dòng điện yêu cầu của bộ nghịch lưu

Hình 3-1 Mô hình hệ thống nguồn, tải không cân bằng và mạch lọc tích cực

v + -

v + -

v + -

Vdc Vdc

a b c N Unbalanced Load

iFn

iLn iSn

iS

V

iF

iL i

i + -

i + -

i +-

i + -

i + -

i +-

i + -

i +-

+

-BO NGHICH LUU

4 N 3 c 2 b 1 a

Vc Vb Va

3.1.1 Nguồn xoay chiều 3 pha

Nguồn xoay chiều 3 pha có giá trị hiệu dụng pha Vrms =220V, tần số

50Hz, giá trị góc pha của các pha a,b,c lệch nhau 1200 Ngoài ra, nguồn có dây

trung tính để cấp cho tải không cân bằng

Mô hình nguồn 3 pha và các thành phần của nó được thể hiện trên hình

H3-2

Hình H3-2 Nguồn xoay chiều 3 pha và các thành phần của nó

Thông số cài đặt cho pha a được cho theo hình H3-3 Các pha b, c được

cài đặt tương tự như pha a, chỉ có tham số góc pha – Phase(deg) tương ứng của

pha b là -1200 và pha c là 1200

Hình H3-3 Thông số cài đặt pha a

+

-i + -

iA

v + -

v + -

Vd

v + -

Vca

v + -

Vbc

v + -

Vab

Step

i + -

g A B C

+

-BO CHINH LUU

3 PHA

3.1.2 Tải không cân bằng :

Mô hình tải không cân bằng được thể hiện theo hình H3-4

Hình H3-4 Mô hình tải không cân bằng

Tải không cân bằng gồm bộ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển hoàn toàn và

bộ chỉnh lưu cầu 1 pha Diode

Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha có góc kích được điều khiển bằng bộ tạo xung

động bộ, trước bộ chỉnh lưu cầu 3 pha là các cuộn cảm cản, có tác dụng làm

giảm độ dốc dòng điện của bộ chỉnh lưu cầu

Bộ tạo xung đồng bộ có chức năng tạo xung kích cho bộ chỉnh lưu cầu 3

pha theo giá trị góc kích yêu cầu Ngõ vào của bộ tạo xung là các tín hiệu sau :

- Các tín hiệu điện áp đồng bộ Vab, Vbc, Vca

- Tín hiệu alpha_deg : điều khiển góc kích của bộ nghịch lưu, đơn vị

là độ

- Tín hiệu block : Cho phép bộ tạo xung hoạt động khi giá trị của tín

hiệu block =0 hay < 0

Ngõ ra của bộ tạo xung là 6 tín hiệu tạo xung đóng cắt cho bộ chỉnh lưu

Hình H3-5 Ngõ ra của bộ tạo xung đồng bộ

Cài đặt thông số cho bộ điều khiển xung đồng bộ như sau :

Hình H3-6 Cài đặt thông số cho bộ tạo xung đồng bộ

a Tải 1 pha - bộ chỉnh lưu cầu 1 pha diode

Tải DC của bộ chỉnh lưu cầu 1 pha là tải RL, với R=30Ω, L=5e-3H, được

cài đặt thông số theo hình H3-7 :

Hình H3-7 Thông số tải DC của bộ chỉnh lưu 1 pha

Dòng điện, điện áp phía DC của bộ chỉnh lưu cầu 1 pha có giá trị như

hình H3-8

-

Hình H3-8 Dòng điện, điện áp DC của tải 1 pha

Dòng điện phía AC của tải chỉnh lưu cầu Diode cũng chính là dòng điện

trung tính của tải không cân bằng

Hình H3-9 Dòng AC của tải 1 pha (Dòng trung tính của tải không cân bằng)

b Tải 3 pha

Tải DC của bộ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển hoàn toàn là tải RL với

R=10Ω, L=1.5e-3H, được cài đặt thông số theo hình H3-10

Hình H3-10 Thông số tải DC của bộ chỉnh lưu cầu 3 pha

Tuỳ theo giá trị của góc kích, các giá trị dòng điện và điện áp DC của bộ

chỉnh lưu cầu 3 pha sẽ thay đổi như theo H3-11

Hình H3-11 Dòng điện, điện áp DC của chỉnh lưu cầu 3 pha khi góc kích thay đổi

Dòng điện AC của tải 3 pha khi góc kích thay đổi

Hình H3-12 Dòng điện của chỉnh lưu cầu 3 pha khi góc kích thay đổi

c Dòng tải không cân bằng

Dựa trên kết quả H3-12 ( dòng điện của chỉnh lưu cầu 3 pha ) và kết quả

H3-9 (dòng điện chỉnh lưu cầu 1 pha), ta có dòng điện của tải 3 pha không cân

bằng sẽ có giới hạn hoạt động như hình H 3-13 (khi góc kích của bộ chỉnh lưu

cầu thay đổi từ 0 đến 180):

Pha b, c : đỉnh biên độ dao động từ 0 -> 50A

Pha a : đỉnh biên độ dao động từ 10-> 60A

Hình H3-13 Giới hạn dòng điện 3 pha của 3 pha không cân bằng

3.1.3 Bộ nghịch lưu

Bộ nghịch lưu sử dụng cấu trúc bộ nghịch lưu có sẵn của matlab-

Universal Bridge, với cấu hình mắc đối song Mosfet/ Diode như sau

Hình H3-14 Cấu trúc bộ nghịch lưu

Các tham số của bộ nghịch lưu được cài đặt theo các giá trị sau :

Số pha :

- Number of bridge arms =3 : do là bộ nghịch lưu 3 pha

Điện trở và điện dung mắc song song

- Snubber resistance Rs =1e8 Ω

- Snubber capacitance Cs=inf – vô cùng

Điện trở trong của thiết bị bán dẫn

- Ron = 1e-4 Ω

Hình H3-15 Cài đặt thông số bộ nghịch lưu

3.1.4 Các khâu lấy tín hiệu :

Để tính toán, cần thiết phải sử dụng các giá trị điện áp, dòng điện tải,

dòng điện bộ nghịch lưu, … Cụ thể gồm các khâu lấy tín hiệu sau :

- [iS] : Dòng điện nguồn các pha a,b,c

- [iSn] : Dòng trung tính của nguồn

- [V] : Điện áp các pha a, b, c

- [iL] : Dòng điện tải pha a,b,c

- [iLn] : Dòng điện trung tính tải

- [iF] : Dòng điện mạch lọc tích cực các pha a, b, c

- [iFn] : Dòng điện trung tính của mạch lọc

Sử dụng công cụ “Goto”, ta sẽ có các biến trung gian phục vụ cho công

việc tính toán dòng điện yêu cầu của bộ nghịch lưu Ví dụ, với dòng điện các pha

nguồn [ia,ib,ic], trước hết ta định nghĩa biến iS= [ia, ib, ic ] bằng cách sử dụng

khâu Mux :

Hình H3-16 Khâu nén 3 tín hiệu

Tiếp theo, sử dụng công cụ Block Parameter sẽ lưu giá trị iS vào bộ nhớ

Thông số cài đặt như sau :

Hình H3-17 Lưu dữ liệu vào bộ nhớ

3.2 Khâu tạo xung cho bộ nghịch lưu – Pulse

1 Pulse

V0 Valpha Vbeta I0 Ialpha Ibeta

-1

-1

-1 [vc]

double double double

Hình H3-18 Mô hình bộ tạo xung

Nguyên lý hoạt động bộ tạo xung

- Tín hiệu điện áp các pha a,b,c được biến đổi sang hệ tọa độ alpha-bêta ta

nhận được các giá trị valpha, vbêta, v0 ( v0 = 0 do điện áp đối xứng )

- Tín hiệu dòng điện các pha a,b,c của tải được biến đổi sang hệ tọa độ

alpha-bêta ta nhận được các giá trị ialpha, ibêta, i0

- Từ các giá trị valpha, vbêta, v0 , ialpha, ibêta, i0 , xác định được công suất P,Q,

p0 của tải không cân bằng, p0=v0.i0 = 0

- Sử dụng mạch lọc thông thấp LPF, sẽ tách được thành phần công suất

xoay chiều của tải pAC

- Các dòng điện yêu cầu trong hệ toạ độ [αβ] được tính toán dựa trên công

suất pAC , q của tải Sau đó chuyển các dòng điện yêu cầu sang hệ tọa độ

[abc]

- Dòng điện yêu cầu so sánh với dòng hồi tiếp của mạch lọc, từ đó tạo

xung đóng cắt cho bộ nghịch lưu

a khâu chuyên tọa độ abc-> αβ

Khâu chuyển toạ độ từ abc->αβ được dựa trên các công thức (2.4) và

(2.5) ở chương 2 Hai công thức (2.4) dùng cho điện áp và (2.5) dùng cho dòng

điện đồng nhất với nhau

Ngõ vào của khâu chuyển toạ độ là các tín hiệu trong hệ toạ độ [abc]:

- U[1]= ia hay ua

- U[2]= ib hay ub

- U[3]= ic hay ucNgõ ra của khâu chuyển toạ độ là các tín hiệu trong hệ toạ độ [αβ]:

- Y[1]=X0 = i0 hay u0

- Y[1]=Xalpha = iα hay uα

- Y[1]=Xbeta = iβ hay uβ

Hình H3-19 Chuyển hệ toạ độ từ abc->αβ

Các chỉ số (alpha-beta) tương ứng với các chỉ số (α-β) do chương trình

Matlab không cho phép dùng các ký tự αβ

Sử dụng công cụ tạo hàm tính toán là FCN trong

Simulink/User-definited function để tạo ra các tín hiệu ngõ ra theo các công thức chuyển đổi

(2.4)và (2.5) Ví dụ, với ngõ ra là thành phần thứ tự không i0 hay v0 Ta định

nghĩa hàm FCN như sau :

Hình H3-20 Cài tham số cho hàm FCN

3 q

2 p

1 p0

5 Ialpha

4 I0

3 Vbeta

2 Valpha

1 V0

b khâu tính toán công suất pq

Khâu tính tóan công suất p,q cho phép xác định công suất p, q, p0 của tải

trong hệ tọa độ [αβ] dựa trên công thức (2.6)

Ngõ vào của khâu tính toán công suất là các tín hiệu dòng điện và điện áp

đã được xác định trong hệ toạ độ [α,β] ở phần 3.2a trên

Hình H3-21 Tính toán công suất p, q, p0

Các công suất p, q, p0 được xác định dựa vào công thức (2-6) bằng cách

sử dụng FCN trong Simulink/User-definited function , ví dụ đối với công suất

p ta định nghĩa hàm FCN như sau :

Hình H3-22 Cài đặt hàm FCN cho p0

p pDC

Fo=30HzLPF

c Mạch lọc thông thấp

Chức năng của mạch lọc thông thấp là lọc bỏ các thành phần xoay chiều

với các tần số khác nhau, chỉ giữ lại thành phần một chiều Đặc trưng của mạch

lọc thông thấp đó là tham số tần số cắt và hệ số phẩm chất Q Ở đây, ta sẽ sử

dụng mạch lọc thông thấp với tần số cắt là 30Hz

Thông số cài đặt của mạch lọc thông thấp được thể hiện theo hình H3-23

Hình H3-23 Thông số của mạch lọc thông thấp

Trong phần cài đặt tham số cho mạch lọc thông thấp theo hình H3-23 trên,

tham số thứ 3 – Sample time =50e-6 là tham số mặc định của phần mềm Matlab

(Mạch lọc thông thấp dạng số )

Do sử dụng mạch lọc thông thấp, trong khi đại lượng cần thiết là thành

phần công suất xoay chiều Nên ta sẽ lấy công suất p trừ cho thành phần DC để

xác định được thành phần xoay chiều

Công thức (3.1) được thể hiện trong Matlb theo hình H3-24 dưới đây

Hình H3-24 Xác định công suất P AC từ mạch lọc thông thấp

3 -pAC

2 Vbeta

1 Valpha

d Khâu tính toàn dòng yêu cầu trong hệ toạ độ αβ

Các dòng điện yêu cầu icα , icβ đước xác định từ công thức (2-7) với các

ngõ vào là các đại lượng điện áp trong hệ toạ độ αβ được xác định ở phần 3.2a

và các đại lượng công suất xác định theo phần 3.2c

Ngõ vào của khâu tính toán dòng yêu cầu là các đại lượng sau:

- U[1]= Valpha = vα

- U[2]= Vbeta = vβ

- U[3]= -pAC

- U[4]= -q Ngõ ra của khâu tính toán dòng yêu cầu là các đại lượng :

- Y[1]= Ic alpha * ( tương ứng icα theo 2.7)

- Y[2]= Ic beta* ( tương ứng icβ theo 2.7)

Hình H3-25 Tính toán dòng điện yêu cầu trong αβ

Bằng cách sử dụng công cụ FCN trong Simulink/User-definited

function , ta thiết lập được hàm tính toán theo công thức (2.7) Ví dụ đối với

dòng yêu cầu icα ta định nghĩa hàm FCN như hình H3-26 dưới đây:

Hình H3-26 Sử dụng hàm FCN tính dòng iα*

e Khâu tính toán dòng yêu cầu trong hệ toạ độ a,b,c

Dòng điện yêu cầu trong hệ toạ độ [abc] được xác định từ dòng điện thứ

tự 0 – i0 ( xác định theo 3.2a) và các dòng điện yêu cầu icα , icβ trong hệ toạ độ

[αβ] ( xác định theo 3.2d) theo công thức (2.8)

Ngõ vào của khâu tính toán dòng yêu cầu trong [abc] là các đại lượng sau:

- U[1]= -i 0

- U[2]= Ic alpha * ( tương ứng icα theo 2.8)

- U[3]= Ic beta* ( tương ứng icβ theo 2.8) Ngõ ra của khâu tính toán dòng yêu cầu là các đại lượng :

- Y[1]= Ic a * ( tương ứng ica theo 2.8)

- Y[2]= Ic b * ( tương ứng icb theo 2.8)

- Y[1]= Ic c * ( tương ứng icc theo 2.8)

Hình H3-27 Tính toán dòng điện yêu cầu trong abc

Ví dụ đối với dòng điện pha a, ta có công cụ FCN trong

Simulink/User-definited function được cài đặt như sau :

Hình H3-28 Cài đặt tính toán cho i ca *

3 Icc*

2 Icb*

1 Ica*

2

Ic * beta 1

Ic * alpha

1 Pulse

NOT NOT

oolea

Iref

Ic g

Iref

Ib g

Iref

Ia g

f Mạch so sánh trễ và tạo xung đóng cắt cho bộ nghịch lưu

Mạch tạo trễ so sánh dòng điện hồi tiếp và dòng điện yêu cầu, từ đó tạo

xung đóng cắt cho bộ nghịch lưu

Hình H3-29 Tạo xung cho bộ nghịch lưu từ mạch trễ

Trong hình H3-29, các đại lượng [iref a, iref b, iref c ] tương ứng là dòng điện

yêu cầu các pha của bộ nghịch lưu ( xác định theo 3.2e) Trong khi các đại lượng

[iFa, iFb, iFc] tương ứng là dòng điện hồi tiếp của bộ nghịch lưu.

Do bộ nghịch lưu được sử dụng theo quy tắc kích đóng đối nghịch ( Xem

cấu hình bộ nghịch lưu hình H3-14), các cặp công tắc bán dẫn (1-2), (3-4), (5-6)

có xung kích đóng ngược nhau Vì vậy ta dùng cổng NOT để tạo xung kích đóng

cho các công tắc chẵn (2-4-6) từ các công tắc lẽ (1-3-5)

6 tín hiệu đóng cắt cho 6 van ban dẫn của bộ nghịch lưu qua khâu nén tín

hiệu trở thành một tín hiệu duy nhất ( vectơ 6 chiều ) tạo xung cho bộ nghịch lưu

Tín hiệu xung này sẽ được giải nén theo đúng thứ tự để cấp xung cho từng van

bán dẫn của bộ nghịch lưu

Biên độ sai số – hysteresis band của mạch tạo trễ sẽ được đặt theo giá trị

yêu cầu, ví dụ khi hysteresis band =1 như hình H 3-30

Hình H3-30 Cài đặt biên độ sai số khâu tạo trễ

Khâu nén tín hiệu -Mux Chuyển tín hiệu qua boolean

Iabc PQ

Vabc

Iabc PQ

PQ

g Khâu hồi tiếp

Khâu hồi tiếp ( xem mô hình bộ tạo xung hình H3-18) có nhiệm vụ giải

nén các tín hiệu hồi tiếp như điện áp, dòng điện tải, dòng điện mạch lọc phục vụ

cho việc đưa các tham số hồi tiếp vào khâu tính toán một cách đơn giản và tiện

lợi

Hình H3-30 Mô hình khâu hồi tiếp tín hiệu

h Khâu tính toán công suất P,Q

Khâu tính toán công suất P,Q ( xem mô hình bộ tạo xung hình H3-18) có

nhiệm vụ tính toán các công suất của tải, mạch lọc tích cực và nguồn

Hình H3-30 Mô hình khâu tính toán P-Q

CHƯƠNG 4

KHẢO SÁT ĐÁP ỨNG MẠCH LỌC

Trong chương 3, ta đã xây dựng mô hình mạch lọc tích cực song song 3

pha 4 dây trong môi trường Matlab/Simulink Trong chương này, ta sẽ khảo sát

hoạt động của mô hình trên

Trước tiên, ta sẽ khảo sát hoạt động của mạch lọc tích cực, kiểm tra

kết quả lọc sóng hài dòng điện nguồn và bù công suất phản kháng của mạch lọc

khi mạch lọc tác động

Tiếp theo, vấn đề khảo sát đáp ứng của mạch lọc khi thay đổi công

suất P,Q của tải cũng sẽ được quan tâm giải quyết

Một vấn đề khác cũng được đề cập, là ảnh hưởng của biên độ sai số

mạch tạo trễ đối với hoạt động của mạch lọc Biên độ sai số lớn sẽ làm giảm tần

số đóng cắt, nhưng sẽ ảnh hưởng đến chất lượng của dòng điện khử sóng hài và

bù công suất phản kháng của mạch lọc

Vấn đề cuối cùng, đó là vai trò của điện áp phía DC của bộ nghịch lưu

đối với chất lượng của mạch lọc Điện áp DC không đủ lớn sẽ làm cho dòng điện

mạch lọc không bám theo được dòng điện yêu cầu, ảnh hưởng đến dòng điện

cũng như công suất trong mạch

4.1 Khảo sát đáp ứng của mạch lọc khi mạch lọc tác động :

Khảo sát hoạt động của mạch lọc tích cực, kiểm tra kết quả lọc sóng

hài dòng điện nguồn và bù công suất phản kháng của mạch lọc khi mạch lọc tác

động

Thiết lập mô hình mô phỏng :

Cho tải 3 pha 4 dây hoạt động trước, tại thời điểm 0.05s cho mạch lọc

tích cực tác động, và cho mạch lọc hoạt động từ thời điểm 0.05s kéo dài đến

01.s Cài đặt tham số mô phỏng như sau :

- Thời gian mô phỏng : Simulation time/Stop time = 0.1

- Khâu control- điều khiển thời điểm mạch lọc nối với hệ thống được

đặt với thời điểm tác động là 0.05

- Khâu tạo góc kích cho tải là bộ chỉnh lưu cầu được đặt góc kích =0,

các giá trị R, L của tải được đặt theo giá trị của phần 2.2 chương 2

- Giá trị điện áp nguồn xoay chiều 3 pha Upha-RMS = 220V

- Giá trị điện áp DC của bộ nghịch lưu được đặt giá trị UDC =400V

- Khâu tạo trễ tạo xung đóng cắt cho bộ nghịch lưu được đặt biên độ

sai số hysteresis band =1 A

Kết quả mô phỏng

(Chi tiết kết quả mô phỏng được trình bày trong phần phụ lục chương

6 từ hình H6.1-1 đến H6.1-9)

Dựa trên các kết quả mô phỏng, mạch lọc tích cực song song đã thực

hiện tốt các chức năng sau :

ƒ Khử sóng hài dòng điện, với dạng sóng dòng điện nguồn hòan tòan

sin

ƒ Khử thành phần mất cân bằng – dòng trung tính của nguồn 3 pha,

dòng điện 3 pha của nguồn hòan tòan cân bằng

ƒ Bù công suất phản kháng cho tải, công suât phản kháng của nguồn

bằng không Thành phần công suất tác dụng P của nguồn ổn định không dao động so với thành phần công tác dụng P của tải dao động rất lớn

ƒ Hệ số cos ϕ của nguồn bằng 1

Ta sẽ xem xét các kết quả chính được trình bày dưới đây:

- Ngay khi mạch lọc tác động, dòng điện nguồn đã được khử sóng hài,

với dòng điện dạng sin ( Hình H4.1-1)

Hình H4.1-1 : Dòng tải và dòng nguồn pha a

- Dưới tác động mạch lọc, dòng điện 3 pha của nguồn cân bằng, đối

xứng 3 pha ( H4.1-2)

- Dưới tác động mạch lọc, dòng trung tính của nguồn gần bằng không

( Hình H4.1-3)

Hình H4.1-3 : Dòng điện trung tính nguồn

- Khi mạch lọc tác động, công suất tác dụng của nguồn hầu như

không dao động, công suất phản kháng của nguồn gần bằng không (H4.1-4)

Hình H4.1-4 : Công suất p, q của nguồn

- Dòng điện nguồn và điện áp nguồn hoàn toàn trùng pha nhau, hệ số

công suất của nguồn bằng 1 (H4.1-5)

Hình H4.1-5 : Dòng điện, điện áp nguồn và hệ số công suất nguồn

4.2 Khảo sát đáp ứng của mạch lọc khi thay đổi công suất P,Q của tải:

Tải 3 pha 4 dây, như đã được trình bày ở phần 3.1.2 gồm 2 phần : Tải

1 pha là bộ chỉnh lưu cầu Diode và tải 3 pha là bộ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển

được Và cũng như kết quả đã đưa ra trong phần 3.1.2, bằng cách thay đổi góc

kích của bộ chỉnh lưu cầu 3 pha từ 00 đến 1800 sẽ làm dòng điện tải của tải 3 pha

4 dây thay đổi trong giới han:

Pha b, c có đỉnh biên độ dao động từ 0 ->50A

Pha a có đỉnh biên độ dao động từ 10A- > 60A

Như vậy, bằng cách thay đổi góc kích cho bộ chỉnh lưu cầu 3 pha sẽ

làm thay đổi giá trị dòng điện tải và tương ứng sẽ thay đổi công suất P, Q của tải

không cân bằng

Thiết lập mô hình mô phỏng:

Cài đặt tham số mô phỏng như sau :

- Thời gian mô phỏng : Simulation time/Stop time = 0.3s

- Khâu control- điều khiển thời điểm mạch lọc nối với hệ thống được

đặt với thời điểm tác động là 0s

- Khâu tạo góc kích cho tải được cài đặt thời điểm thay đổi góc kích

như sau :

ƒ Từ 0.0s -> 0.1s góc kích là 00

ƒ Từ 0.1s -> 0.2s góc kích là 500

ƒ Từ 0.2s -> 0.3s góc kích là 1600 ( góc kích tương ứng khóa dòng điện qua bộ chỉnh lưu cầu 3 pha)

- Các giá trị R, L của tải được đặt theo giá trị của phần 2.2 chương 2

- Giá trị điện áp nguồn xoay chiều 3 pha Upha-RMS = 220V

- Giá trị điện áp DC của bộ nghịch lưu được đặt giá trị UDC =400V

- Khâu tạo trễ tạo xung đóng cắt cho bộ nghịch lưu được đặt biên độ

sai số hysteresis band =1 A

Kết quả mô phỏng

(Chi tiết kết quả mô phỏng được trình bày trong phần phụ lục chương

6 từ hình H6.2-1 đến H6.2-9)

Các kết quả chính thu được như sau :

ƒ Ứng với mô hình được thiết lập ở trên, mạch lọc tích cực song song

hoạt động tốt trong phạm vi điều chỉnh của tải, với các đáp ứng quá

độ của dòng điện nguồn, công suất P, Q của nguồn tại các thời điểm thay đổi không có độ vọt lố, thời gian xác lập nhỏ

ƒ Mạch lọc hoạt động tốt trong trường hợp khi tải 3 pha 4 dây trở

thành tải 1 pha ( góc kích 1600),và khi đó dòng điện nguồn vẫn cân bằng 3 pha

Cụ thể các kết quả khảo sát chính được trình bày dưới đây:

- Dòng điện nguồn thay đổi giảm dần theo dòng tải nhưng dòng điện

nguồn hoàn toàn sin Tại các thời điểm thay đổi góc kích, dòng điện nguồn hoàn

toàn không dao động ( Hình H4.2-1)

Hình H4.2-1 : Dòng điện tải và dòng điện nguồn pha a

- Dòng điện nguồn 3 pha cân bằng, đối xứng hoàn toàn sin và thay

đổi giảm dần theo góc kích, không có dao động tại các thời điểm thay đổi góc

kích ( Hình H4.2-2)