Nghiên cứu ứng dụng bộ lọc tích cực cho cơ sở sản xuất công nghiệp cụ thể ở khu công nghiệp Trà Đa – Gia Lai

1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Hiện nay, trong các cơ sở sản xuất công nghiệp sử dụng rất nhiều phụ tải có tính phi tuyến như: lò hồ quang, máy hàn hồ quang, lò cảm ứng trung tần, lò cảm ứng cao tần, đèn huỳnh quang, các bộ biến đổi điện áp xoay chiều, các bộ chỉnh lưu, các bộ biến tần, các thiết bị điện tử công suất… Đây là những nguồn phát sinh ra sóng điều hòa bậc cao (sóng hài bậc cao), các sóng hài này làm tăng giá trị hiệu dụng và giá trị biên độ của dòng điện và điện áp, làm méo dạng dòng điện và điện áp nguồn. Khi đó sẽ gây ra những vấn đề nghiêm trọng như sau: - Đối với đường dây truyền tải: làm tăng sự phát nhiệt của dây dẫn, gây ra quá áp trên đường dây, làm lão hóa cách điện của dây dẫn… - Đối với máy biến áp, động cơ điện: làm tăng tổn thất đồng, tổn thất sắt, tổn thất từ thông tản, gây méo mô men, gây ra dao động cộng hưởng làm tổn hại đến các bộ phận cơ khí của động cơ… - Đối với các thiết bị bảo vệ, thiết bị đo lường: làm nhiễu tín hiệu và méo tín hiệu dòng điện và điện áp gây ra tác động sai lệch của thiết bị bảo vệ, ảnh hưởng đến sai số của thiết bị đo làm cho kết quả đo không được chính xác… Sóng hài bậc cao còn gây ra tổn hao, giảm hệ số công suất, ảnh hưởng đến các thiết bị tiêu thụ điện trong gia đình, các thiết bị thu phát sóng vô tuyến… Ngoài ra, các tải này còn tiêu thụ một lượng công suất phản kháng rất lớn, làm cho lượng công suất phản kháng trên đường dây truyền tải giảm đi đáng kể, điều này khiến cho hệ số công suất giảm làm tăng tổn hao, giảm chất lượng điện năng, kết quả là các thiết bị làm việc không đạt được năng suất tối ưu… Qua những vấn đề được phân tích ở trên, chúng ta thấy rằng việc sử dụng các tải có tính phi tuyến làm cho lượng công suất phản kháng bị hao hụt đi rất nhiều, gây ra méo dạng dòng điện nguồn, làm giảm hệ số công suất, giảm năng suất của thiết bị… Do đó, làm tổn thất một lượng lớn điện năng trong sản xuất công nghiệp 2 dẫn đến chi phí cho sản phẩm sẽ cao hơn, sản xuất không có lợi nhuận, nhiều chi phí phát sinh và còn ảnh hưởng nghiêm trọng đến lưới điện truyền tải quốc gia. Điều cấp thiết là phải tìm ra giải pháp để hạn chế sóng hài và bù một lượng công suất phản kháng thích hợp sẽ tiết kiệm được điện năng trong sản xuất công nghiệp. Những giải pháp thông dụng hiện nay là dùng các thiết bị công nghệ hiện đại để tiết kiệm điện năng; các bộ lọc thụ động như RC, LC; các thiết bị bù công suất phản kháng, tủ bù điều khiển tự động, máy bù đồng bộ kết hợp với các thiết bị lọc sóng hài… Tuy nhiên những giải pháp trên còn gặp những khó khăn nhất định như giá thành cao, tốn nhiều không gian để lắp đặt, khó điều khiển và giám sát, không linh hoạt và chưa đạt được hiệu quả như mong muốn. Giải pháp hiệu quả và linh hoạt nhất hiện nay là dùng bộ lọc tích cực APF (Active Power Filter) loại mắc song song với tải, với bộ lọc này chúng ta có thể điều khiển và giám sát bằng máy tính rất thuận tiện, kích cỡ bộ lọc nhỏ, chiếm ít không gian lắp đặt, rất hiệu quả trong việc lọc sóng hài, bù công suất phản kháng và tiết kiệm điện năng. Với mong muốn ứng dụng bộ lọc tích cực cho các cơ sở sản xuất công nghiệp để lọc sóng hài và bù công suất phản kháng, nhằm hạn chế tối đa ảnh hưởng của sóng hài và tiết kiệm điện năng trong sản xuất công nghiệp. Tôi đã quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu ứng dụng bộ lọc tích cực cho cơ sở sản xuất công nghiệp cụ thể ở khu công nghiệp Trà Đa – Gia Lai”. 2. Mục đích và nhiệm vụ của đề tài - Tìm hiểu cấu trúc và nguyên lý hoạt động của bộ lọc tích cực. - Nghiên cứu phương pháp điều khiển tối ưu cho bộ lọc tích cực. - Thiết kế và mô phỏng bộ lọc tích cực cho lò nấu thép cảm ứng trung tần bằng phần mềm Matlab/Simulink. 3 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu là lò nấu thép cảm ứng trung tần của nhà máy luyện cán thép Năm Hoa. - Phạm vi nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu phương pháp điều khiển vector không gian để điều khiển bộ lọc tích cực lọc sóng hài và bù công suất phản kháng cho lò nấu thép của nhà máy. 4. Phương pháp nghiên cứu Kết hợp cả hai phương pháp: - Nghiên cứu lý thuyết về phương pháp điều khiển vector không gian. - Thiết kế mô hình mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Kết quả nghiên cứu của đề tài là tìm ra phương pháp tối ưu để điều khiển bộ lọc tích cực lọc sóng hài do lò thải ra nhằm hạn chế tối đa tác hại do sóng hài gây ra, nâng cao chất lượng điện năng cho lưới điện, bù công suất phản kháng và tiết kiệm điện năng cho nhà máy. Đề tài hoàn toàn có thể ứng dụng vào thực tế. 6. Cấu trúc luận văn Mở đầu Chương 1: Giới thiệu chung về cơ sở sản xuất ở khu công nghiệp Tr à Đa – Gia Lai Chương 2: Các nguồn phát sinh sóng hài Giải pháp hạn chế sóng hài và bù công suất phản kháng Chương 3: Tổng quan về các bộ lọc Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của bộ lọc tích cực Chương 4: Thiết kế và mô phỏng bộ lọc tích cực cho lò nấu thép cảm ứng trung tần bằng phần mềm Matlab/Simulink Chương 5: Kết luận 4 Chương 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CƠ SỞ SẢN XUẤT Ở KHU CÔNG NGHIỆP TRÀ ĐA – GIA LAI 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KHU CÔNG NGHIỆP Khu công nghiệp Trà Đa là khu công nghiệp trọng điểm của tỉnh Gia Lai , nằm trên địa bàn thành phố Pleiku, có tổng diện tích 109,3 ha. Hiện khu công nghiệp có hơn 30 doanh nghiệp đang hoạt động, thu hút trên 2.000 lao động đến làm việc. Các lĩnh vực được ưu tiên khuyến khích đầu tư vào khu công nghiệp gồm: công nghiệp chế biến lâm sản, nông sản thực phẩm; công nghiệp vật liệu xây dựng; chế tạo, lắp ráp cơ khí điện tử; sản xuất, gia công hàng tiêu dùng Hình 1.1. Khu công nghiệp Trà Đa – Gia Lai Năm 2011, khu công nghiệp Trà Đa đã có 37 nhà đầu tư với trên 40 dự án, lấp đầy 100% diện tích, tổng số vốn đăng ký 1.118,113 tỷ đồng (tăng 241,523 tỷ đồng so với năm 2010). Trong đó, 25 dự án đang hoạt động, 7 dự án trong giai đoạn xây dựng, 6 dự án được Ban quản lý chấp thuận chủ trương đầu tư, có hai dự án nhà đầu tư 100% vốn nước ngoài. Tổng doanh thu năm 2011 của toàn khu công nghiệp đạt 1.241,669 tỷ đồng (cao gấp 230,9% so với năm trước), giá trị sản xuất công nghiệp đạt 521,869 tỷ đồng (tăng 160%), chiếm tỷ trọng hơn 12% giá trị sản xuất 5 công nghiệp của tỉnh. Doanh thu công nghiệp đạt 879,563 tỷ đồng, nộp ngân sách nhà nước hơn 40 tỷ đồng (tăng 298%), tạo việc làm cho hơn 1.700 lao động địa phương. Những mặt hàng sản xuất tại khu công nghiệp Trà Đa không chỉ đã có chỗ đứng trong nước mà còn vươn ra thị trường thế giới. Năm 2011, tổng kim ngạch xuất khẩu của khu công nghiệp Trà Đa ước đạt 104.090.243 USD (tăng 97%). Điển hình trong tăng kim ngạch xuất khẩu như: Công ty Louis Dreyfus Commoditis Việt Nam, Công ty TNHH Thương mại AQ, Công ty đá Granite Quốc Duy, Công ty cổ phần chế biến gỗ Đức Long… ước đạt từ 286.000 USD đến hơn 100 triệu USD. Sau một thời gian đo đạc thông số điện tại các nhà máy của khu công nghiệp Trà Đa, số liệu thống kê cho thấy dòng điện của nhà máy luyện cán thép Năm Hoa có độ méo dạng THD = 24.7%, vượt quá mức cho phép của tiêu chuẩn IEEE std 519-1992 là phải nhỏ hơn 5%. Vì vậy, tôi đã chọn nhà máy này để nghiên cứu ứng dụng bộ lọc tích cực để lọc sóng hài, nhằm hạn chế những ảnh hưởng xấu do sóng hài gây ra, góp phần nâng cao chất lượng điện năng cho lưới điện và tiết kiệm điện năng cho nhà máy. 1.2. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÒ CẢM ỨNG TRUNG TẦN Hiện nay, nhà máy luyện cán thép Năm Hoa đang sản xuất thép với ba lò nấu thép cảm ứng trung tần và một xưởng cán thép. Các lò nấu thép này thường sử dụng hai bộ biến đổi điện tử công suất đó là: một bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển hoàn toàn và một bộ nghịch lưu cộng hưởng nguồn dòng song song một pha sử dụng Thyristor. Những thiết bị này là nguyên nhân phát sinh ra rất nhiều sóng hài bậc cao, làm ảnh hưởng xấu đến lưới điện và gây ra tổn hao công suất trên đường dây truyền tải điện. Do đó, để đưa ra được giải pháp khắc phục vấn đề này cần phải tìm hiểu về cấu trúc và nguyên lý hoạt động của lò cảm ứng trung tần. 6 Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý lò nấu thép cảm ứng trung tần 1.2.1. Nguyên lý hoạt động của lò cảm ứng trung tần Nguyên lý làm việc của lò cảm ứng là dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ, khi đưa một khối kim loại vào trong một từ trường biến thiên, trong khối kim loại xuất hiện dòng điện xoáy, nhiệt năng do dòng điện xoáy sẽ đốt nóng khối kim loại. Việc tạo ra nguồn DC (Direct Current) ở mạch lò cộng hưởng nguồn dòng song song có phần phức tạp hơn so với mạch lò cộng hưởng nguồn dòng nối tiếp vì phải cần đến bộ chỉnh lưu có điều khiển, thông qua đó người ta mới có thể thay đổi được công suất cấp cho lò. Phần DC, có cuộn kháng làm nhiệm của kho năng lượng và lọc. Bộ biến đổi DC sang AC (Alternating Current) là bộ nghịch lưu cộng hưởng nguồn dòng, là bộ biến đổi đặc biệt, thường sử dụng Thyristor. Đặc điểm cơ bản của bộ nghịch lưu cộng hưởng nguồn dòng đó là có phụ tải là một mạch vòng dao động với dòng hoặc áp dạng hình sin, do đó các Thyristor trên sơ đồ sẽ chuyển mạch tự nhiên. Các bộ nghịch lưu cộng hưởng nguồn dòng được thiết kế với công suất ngày càng lớn đến vài MW, tần số từ 500Hz đến 2000Hz. Ngoài ra, để hỗ trợ cho việc khởi động lò, hệ thống cung cấp điện phải có thêm mạch khởi động để tạo ra ít nhất một chu kỳ dao động trên tải, sau đó là việc điều khiển đóng cắt các van ở phần nghịch lưu để dao động trên tải được duy trì. Mạch đòn bẩy có tác dụng xả năng lượng trong cuộn dây sau khi quá trình nấu chảy đã hoàn tất. 7 1.2.2. Các bộ phận chính của lò cảm ứng trung tần  Máy cắt – được điều khiển đóng ngắt tự động nhờ một động cơ công suất nhỏ, cũng có thể đóng ngắt trực tiếp bằng tay. Máy cắt được nối với nguồn điện áp xoay chiều ba pha điện áp 380v, cung cấp điện cho mạch chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển hoàn toàn. Hình 1.3. Máy cắt  Cuộn kháng xoay chiều lõi không khí – có chức năng hạn chế dòng ngắn mạch và hạn chế tốc độ tăng trưởng dòng điện để bảo vệ các Thyristor chỉnh lưu. Hình 1.4. Cuộn kháng xoay chiều 8  Bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển hoàn toàn – dùng để biến đổi nguồn điện xoay chiều ba pha thành nguồn điện một chiều cấp cho bộ nghịch lưu. Hình 1.5. Thyristor chỉnh lưu  Cuộn kháng LD – cuộn kháng lọc một chiều có tác dụng san phẳng dòng điện một chiều, có giá trị điện cảm rất lớn. Mạch từ là mạch từ hở để tránh hiện tượng bão hòa. Cuộn kháng một chiều có hai phần lớn , mỗi phần lớn gồm có năm vòng lớn và trong mỗi vòng lớn lại gồm năm vòng nhỏ. Hình 1.6. Cuộn kháng lọc một chiều LD 9  Bộ nghịch lưu cộng hưởng nguồn dòng song song – được nối theo sơ đồ cầu một pha có chức năng biến nguồn điện một chiều thành nguồn điện xoay chiều cấp cho tải lò cảm ứng, điện áp ra trên tải có dạng gần hình sin. Hình 1.7. Thyristor nghịch lưu  Vòng cảm ứng – là phụ tải của của bộ nghịch lưu cộng hưởng. Vì dòng qua vòng cảm ứng cỡ hàng ngàn Ampe nên tổn hao điện chiếm tới 25 ÷ 30% công suất hữu ích của thiết bị, do đó cần phải làm mát vòng cảm ứng. Làm mát bằng không khí cho phép mật độ dòng điện 2 ÷ 5 A/mm 2 , còn làm mát bằng nước chảy trong ống tiết diện tròn thì cho phép mật độ dòng điện lên tới 10 ÷ 30 A/mm 2 . 10 Hình 1.8. Vòng cảm ứng của lò trung tần  Tụ điện – được nối song song với vòng cảm ứng để tạo thành mạch vòng dao động và bù hệ số công suất (cosφ) của lò. Các tụ điện này chịu được điện áp cao (tới 1000 V) và chịu được tần số cao (tới 10kHz). Hình 1.9. Tụ điện Ngoài ra còn có những bộ phận khác như: dây dẫn cao tần, bảng điều khiển, các máy biến dòng điện, khởi động từ, mạch RC (điện trở nối tiếp với tụ điện) bảo vệ quá điện áp cho Thyristor , điện trở shunt để đo dòng điện chỉnh lưu, biến áp [...]... trong các ứng dụng có công suất lớn trong công nghiệp cơ điện tử Việc các bộ biến đổi ngày càng được sử dụng rộng rãi đã đẩy mạnh việc ứng dụng phương pháp đa xung trong các ứng dụng công suất tới 75KW hoặc hơn Phương pháp đa xung có hai ưu điểm quan trọng là:  Giảm dòng hài ở phía đầu vào xoay chiều của bộ biến đổi  Giảm được độ nhấp nhô của điện áp phía một chiều của bộ biến đổi Phương pháp đa xung... nhờ có các dòng điện cảm ứng sinh ra ở phần ứng Các tổn hao này xuất hiện ở tần số cao và do đó các dòng hài góp phần làm tăng tổn hao lõi sắt Đối với động cơ đồng bộ, các ảnh hưởng tương tự như động cơ không đồng bộ đã xét ở trên, nhưng các tổn hao sắt và đồng là rất nhỏ có thể bỏ qua Ảnh hưởng của sóng hài chủ yếu tác động lên rotor, trong đó một vài dòng điện hài được sự cảm ứng của cuộn dây triệt... hình trên, ta thấy tác dụng của cuộn kháng giảm dần đi khi độ lớn của cuộn k háng vượt quá 3% Độ lớn của cuộn kháng ở đây tính theo công suất của bộ ASD (Adjustable Speed Drive) Hình 2.18 Độ giảm méo hài của một ASD loại PWM theo kháng lọc đầu vào 35 Hình (2.19) là ảnh chụp cuộn kháng dùng cho bộ biến tần 480V sản xuất bởi tập đoàn MTE Hình 2.19 Kháng lọc ba pha dành cho ASD (sản phẩm của MTE corp)... quan chủ yếu tới các biến thiên của từ trở gây ra bởi các khe hở giữa rotor và stator Các máy điện đồng bộ có thể sản sinh ra sóng hài bậc cao bởi vì dạng từ trường, sự bão hòa trong các mạch chính và các đường dò và do các dây quấn dùng để giảm dao động đặt không đối xứng 2.3.3 Lò hồ quang Sóng hài sinh ra từ các lò hồ quang sử dụng trong sản xuất thép là không thể dự đoán được vì tia lửa điện thay đổi... Phương pháp đa xung Đây là phương pháp sử dụng nhiều bộ biến đổi theo một cách thích hợp sao cho sóng hài sinh ra bởi bộ biến đổi này sẽ bị triệt tiêu bởi bộ biến đổi khác Bằng cách này những sóng hài nhất định, phụ thuộc số bộ biến đổi được lắp, được loại bỏ khỏi hệ thống Phương pháp này rất đơn giản và hiệu quả trong việc hạn chế sóng hài của các bộ biến đổi điện tử công suất Phương pháp đa xung được... cầu này người ta dùng các bộ điều khiển điện áp cộng hưởng Ferro Nhưng các bộ điều khiển này thường nhạy cảm với sự dao động tần số  Bộ thu radio Các bộ thu radio cho phép sự tồn tại của các sóng hài, thực tế nó có thể có ba sóng hài So sánh với các thiết bị như máy tính hay bộ vi xử lý thì chỉ cho phép hai sóng hài cùng tồn tại đồng thời, bộ chỉnh lưu và bộ biến đổi dòng điện cho phép hai hoặc ba sóng... công suất phản kháng rất lớn, làm cho lượng công suất phản kháng trên đường dây truyề n tải giảm đi đáng kể, điều này khiến cho hệ số công suất giảm làm tăng tổn hao, giảm chất lượng điện năng Do đó, cần phải bù công suất phản kháng Trong chương 2, chúng ta sẽ tìm hiểu về các nguồn phát sinh sóng hài, các giải pháp hạn chế sóng hài và bù công suất phản kháng 2.2 PHÂN TÍCH SÓNG HÀI Công cụ để phân tích. .. điện năng 2.4.3 Ảnh hưởng của sóng hài đối với tụ điện Thông thường các tụ bù được nhà sản xuất thiết kế để bù công suất phản kháng nhằm tăng hệ số công suất cho lưới điện, nhưng tần số hoạt động là ở tần số lưới điện 50-60Hz mà không tính đến ảnh hưởng của các nhiễu với các tần số khác và các sóng hài là nguyên nhân gây hư hại cho tụ bởi vì: 29 - Các sóng hài làm tăng giá trị công suất phản kháng -... luôn ở mức 1,41 Ảnh hưởng của sóng hài đến các mặt sau là được chú ý: - Mật độ thông tin trong băng từ hoặc đĩa compact là rất cao vì thế nó đòi hỏi độ chính xác và ổn định của động cơ điều khiển đầu đọc Các động cơ này có quán tính thấp để có thể dừng và khởi động trong khoảng thời gian ngắn nhất có thể chấp nhận được Mặt khác, việc có thêm tác động của sóng hài làm cho việc điều khiển động cơ gặp... điện Sóng hài có thể làm cho cáp bị quá nhiệt, phá hỏng cách điện Động cơ cũng có thể bị quá nhiệt hoặc gây tiếng ồn và sự dao động của mô men xoắn trên rotor dẫn tới sự cộng hưởng cơ khí và gây rung Tụ điện quá nhiệt và trong phần lớn các trường hợp có thể dẫn tới phá huỷ chất điện môi Các thiết bị hiển thị sử dụng điện và đèn chiếu sáng có thể bị chập chờn, các thiết bị bảo vệ có thể ngắt điện, máy . năng trong sản xuất công nghiệp. Tôi đã quyết định chọn đề tài Nghiên cứu ứng dụng bộ lọc tích cực cho cơ sở sản xuất công nghiệp cụ thể ở khu công nghiệp Trà Đa – Gia Lai . 2. Mục đích và nhiệm. THIỆU CHUNG VỀ CƠ SỞ SẢN XUẤT Ở KHU CÔNG NGHIỆP TRÀ ĐA – GIA LAI 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KHU CÔNG NGHIỆP Khu công nghiệp Trà Đa là khu công nghiệp trọng điểm của tỉnh Gia Lai , nằm trên. muốn ứng dụng bộ lọc tích cực cho các cơ sở sản xuất công nghiệp để lọc sóng hài và bù công suất phản kháng, nhằm hạn chế tối đa ảnh hưởng của sóng hài và tiết kiệm điện năng trong sản xuất công