Nghiên cứu mạch lọc tích cực 3 pha 3 dây bằng hệ biến tần đa bậc điều khiển một trạng thái

Ch C ng SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Sóng hài 2.1.1 Các khái ni m v sóng hài Hệ thống phân phối cấp từ nguồn điện áp pha hình sin Một đặc tính quan trọng c a mơt hệ thống cung cấp nguồn dạng sóng c a phải gần với sóng sin Tuy nhiên ảnh hưởng nhiễu sóng hài dịng, áp thiết bị tạo nguồn hài hồ quang điện từ lò luyện kim, biến đổi công suất, hệ thống đèn chiếu sáng dẫn đến dạng sóng khơng cịn sin mong muốn - Thành phần hài: Có dạng hình sin với tần số bội số c a tần số Biên độ sóng hài thường nhỏ biên độ thành phần Hình 2.1: Thành phần hài - Bậc hài: Được xác định tỉ số: n  fn f1 (2.1) Trong đó: n số bậc, f n tần số hài bậc n, f1 tần số hài bậc (hài bản) - Phổ: Là dãy biên độ bậc hài khác -5- Hình 2.2: Phổ c a sóng hài - Biểu diễn dạng sóng nhiễu: hàm số có dạng không sin biểu diễn chuỗi Fourier sau: n  f (t )  H   H n 2cos(nt   n ) (2.2) n 1 Trong đó: + H biên độ c a thành phần DC + H n giá trị hiệu dụng c a thành phần hài bậc n +  n góc pha c a thành phần hài bậc n Khi tần số tăng biện độ c a hài giảm Vì ta xem với hài có bậc 40 trở lên biên độ không đáng kể - Giá trị hiệu dụng c a sóng nhiễu: Giá trị hiệu dụng Hn c a hài dạng sóng sin giá trị cực đại chia cho trạng thái xác lập, lượng phát sinh theo định luật Joule: RI 2t  RI12t  RI 22t   RI n2t Trong đó: I  I12  I 22   I n2 Đặt I  n  I n 1 (2.3) (2.4) n (2.5) -6- Nếu điện trở xem số giá trị hiệu dụng c a sóng nhiễu đo trực tiếp dụng cụ đo lường chuyên dụng phân tích qua máy phân tích phổ - Tỉ số hài thành phần độ méo dạng toàn phần THD: + Tỉ số hài thành phần tỉ số biên độ sóng hài bậc n sóng hài bản: In I1 + Độ méo dạng toàn phần THD tỉ số giá trị hiêu dụng c a tất cá sóng hài so với trị số xác định dựa vào tiêu chuẩn sau:  Tiêu chuẩn IEC 61000-2-2: n  THD  H n2 n (2.6) H1  Dựa số lượng dạng sóng hài đo (0 < THD < 1): n  THD  H n2 n  H n 1 n (2.7) n Việc tính tốn THD áp dụng theo tiêu chuẩn IEC 61000-2-2 Tiêu chuẩn áp dụng có yêu cầu 2.1.2 nh h 2.1.2.1 nh h ng nhi u sóng hƠi dịng n vƠ sóng hƠi n áp ng t c th i - Hài điện áp gây nhiễu thiết bị điều khiển điện tử (ảnh hưởng đóng cắt Thyristor), gây sai số dụng cụ đo lường cảm ng - Các thu tín hiệu c a thiết bị “Ripple control” relay sử dụng để điều khiển đóng cắt thiết bị c a hộ tiêu thụ từ trung tâm điều khiển bị nhiễu sóng hài điện áp có tần số gần với tần số điều khiển - Lực điện động phát sinh dịng t c thời có liên quan đến sóng hài gây dao động phát sinh tiếng ồn thiết bị điện tử, đặc biệt thiết bị điện từ MBA, cuộn kháng -7- - Đối với thiết bị điện tử viễn thông mạch điều khiển bị nhiễu mạch điều khiển chạy song hành với mạch phối có mang dịng hài Cấp độ nhiễu tín hiệu phụ thuộc vào khoảng cách, chiều dài song hành c a mạch tần số sóng hài 2.1.2.2 nh h ng lâu dài Sự tồn c a sóng hài làm giảm chất lượng điện gây số vấn đề sau: Sự phát nóng c a tụ điện tượng từ trễ chất điện môi Các tụ dễ bị hư hỏng tải, tần số vượt tần số hài điện áp Sự phát nóng nhiệt dẫn đến già hóa đánh th ng chất điện môi Tổn thất máy điện quay: máy phát cung cấp cho tải phi tuyến, dòng hài bậc cao tạo tổn thất phát sinh stator (tổn thất đồng sắt) rotor (cuộn cảm, mạch từ) c a máy phát gây sai lệch vận tốc từ trường quay cảm ng rotor Sóng hài dịng điện gây nên tượng rung động từ trường đập mạch phát sinh dịng th tự khơng Khi tần số c a sóng hài trùng với tần số dao động học c a máy điện dẫn đến máy điện bị phá h y Tổn thất MBA tượng từ trễ dịng điện xốy (tổn hao sắt từ), gây bão hòa mạch từ làm cho MBA bị tải Tổn thất dây dẫn điện hiệu ng bề mặt (gia tăng điện trở cuộn dây theo tần số) gây phát nóng m c cho phép giá trị hiệu dụng dòng điện tăng 2.2 Các gi i h n tiêu chuẩn v sóng hài 2.2.1 Gi i h n chung v sóng hài - Động đồng bộ: dịng nhiễu Stator cho phép từ 1,3% đến 1,4% - Động khơng đồng bộ: dịng nhiễu Stator cho phép từ 1,5% đến 3,5% - Cáp dẫn điện: nhiễu điện áp lõi cách điện cho phép từ 10% -8- 2.2.2 Các tiêu chuẩn v sóng hài - Tiêu chuẩn IEC 61000-3-2 xác định giới hạn c a sóng hài thiết bị tiêu thụ điện có dòng điện pha  16 A Các thiết bị tiêu thụ dòng > 16 A  75 A xác định theo tiêu chuẩn IEC/TS 61000-3-12 - Tiêu chuẩn IEC 61000-2-2 đưa m c hài điện áp tương thích nhiễu dẫn tần số thấp tạo tín hiệu hệ thống cung cấp điện hạ áp công cộng - Tiêu chuẩn IEC 61000-2-4 đưa m c hài điện áp tương thích khu công nghiệp nhiễu dẫn tần số thấp - Tiêu chuẩn IEEE 519-1992 trình bày bên đưa giới hạn hài dòng điện hài điện áp hệ thống điện Đ méo d ng hƠi dòng n l n nh t (% hƠi c b n) T s dòng ng n m ch (ISC/IL) Các hài b c lẻ h < 11 11  h < 17 17  h < 23 23  h < 35 35  h TDD 1000 15,0 7,0 6,0 2,5 1,4 20,0 Bảng 2.1: Các giới hạn độ méo dạng hài dòng điện hệ thống phân phối (120 V – 69 kV) C p n áp Đ l n hài thành ph n (%) THDV (%)  69 kV 3,0 5,0 69 – 161 kV 1,5 2,5  161 kV 1,0 1,5 Bảng 2.2: Các giới hạn độ méo dạng hài điện áp 2.3 M ch l c tích c c Có nhiểu phương pháp khử hạn chế sóng hài dùng mạch lọc thụ động (passive filter), sử dụng máy biến đấu Y/∆ phương pháp sử dụng -9- mạch lọc tích cực phương pháp đại áp dụng nhiều lĩnh vực khử sóng hài 2.3.1 Nhi m v m ch l c tích c c 2.3.1.1 Bù cơng su t: Việc thực bù công suất đồng thời với ch c lọc cấu hình thiết kế, giới hạn m c độ cơng suất nhỏ Do nhiều thiết bị bù có đáp ng chậm giá thành rẻ, ví dụ bù SVC – đóng ngắt thyristor 2.3.1.2 Bù sóng hƠi n áp: Bù điện áp không ý nhiều hệ thống điện nguồn thường có trở kháng thấp điện áp tiêu thụ điểm đấu dây chung thường trì phạm vi giới hạn cố trồi giảm áp Vấn đề bù điện áp xem xét đến tải nhạy cảm với xuất sóng hài điện áp lưới nguồn thiết bị bảo vệ hệ thống điện, superconducting magnetic energy storage 2.3.1.3 Bù sóng hài dịng n: Bù thành phần sóng hài dịng điện có ý nghĩa quan trọng đối tải công suất nhỏ vừa 2.3.2 Ph m vi công su t c a m ch l c tích c c 2.3.2.1 Các ng d ng ph m vi công su t th p: Các ng dụng có cơng suất nhỏ 100kVA, ch yếu phục vụ khu dân cư, tòa nhà kinh doanh, bệnh viện, hệ truyền động công suất nhỏ vừa Tính chất c a hệ thống tải địi hỏi hệ thống mạch lọc tích cực tương đối ph c tạp có đáp ng động học cao, thời gian đáp ng nhanh mạch lọc tích cực dãy công suất cao khoảng vài chục us đến vài ms 2.3.2.2 Các ph m vi ng d ng công su t v a: Phạm vi công suất hoạt động c a thiết bị nằm khoảng từ 100 kVA đến 10 MVA Ví dụ mạng cung cấp điện trung cao áp hệ thống truyền động điện công suất lớn mắc vào nguồn áp lớn Mục đích c a mạch lọc tích cực khử bỏ hạn chế sóng hài dòng điện Tốc độ đáp ng - 10 - bù lọc hệ thống khoảng hàng chục ms 2.3.2.3 Các ph m vi ng d ng công su t r t l n Dãy công suất lớn thường gặp hệ thống truyền tải truyền động động DC công suất lớn hệ thống truyền tải điện DC Mạch bù lọc tích cực cho phạm vi cơng suất lớn tốn địi hỏi đến việc sử dụng linh kiện cơng suất có khả đóng ngắt dịng điện với cơng suất lớn Điều thuận lợi dãy cơng suất lớn 10MVA, lượng sóng hài bậc cao xuất nhỏ nên yêu cầu khơng cịn nghiêm ngặt dãy cơng suất nhỏ Thời gian đáp ng đòi hỏi trường hợp m c hàng chục giây, đ để hệ thống điều khiển relay lựa chọn tác động cách phù hợp 2.4 Phân lo i m ch l c tích c c 2.4.1 Phân lo i theo b bi n đ i công su t Căn c vào cấu hình c a biến đổi cơng suất sử dụng mạch lọc, ta có loại mạch lọc tích cực: VSI - biến đổi nguồn áp CSI - biến đổi nguồn dịng Hình 2.3: Cấu hình VSI Đặc điểm c a cấu trúc c a cấu hình VSI là: o Có thể mở rộng cấu trúc đa bậc o Tự cung cấp điện áp DC - 11 - Hình 2.4: Cấu hình CSI Đặc điểm c a cấu trúc c a cấu hình CSI o Hạn chế tần số đóng cắt o Tổn hao công suất lớn o Không thể mở rộng cấu trúc đa bậc 2.4.2 Phân lo i theo s đ Căn c vào sơ đồ có hai loại: mạch lọc tích cực song song mạch lọc tích cực nối tiếp Hình 2.5: Mạch lọc tích cực song song Đặc điểm c a mạch lọc tích cực song song: o Bù sóng hài dịng điện o Bù cơng suất phản kháng Hình 2.6: Mạch lọc tích cực nối tiếp Đặc điểm c a mạch lọc tích cực nối tiếp: o Lọc sóng hài điện áp o Điều chỉnh cân điện áp nút o Lọc lan truyền sóng hài - 12 - 2.5 B ngh ch l u áp đa b c Bộ nghịch lưu áp cung cấp điều khiển điện áp xoay chiều ngõ từ nguồn điện áp chiều là: ắc quy, pin điện từ nguồn điện áp xoay chiều chỉnh lưu lọc phẳng… Các linh kiện bán dẫn nghịch lưu áp có khả kích đóng, ngắt dịng qua Trong MOSFET, IGBT ng dụng nhỏ vừa sử dụng transistor BJT, phạm vi cơng suất lớn dùng GTO, IGCT SCR kết hợp với chuyển mạch Mỗi công tắc có diode mắc đối song với Các diode mắc đối song tạo thành mạch chỉnh lưu cầu khơng điều khiển có chiều dẫn ngược lại với chiều dẫn điện c a công tắc Nhiệm vụ c a chỉnh lưu cầu diode tạo điều kiện thuận lợi cho q trình trao đổi cơng suất ảo nguồn chiều tải xoay chiều, qua hạn chế q điện áp phát sinh kích ngắt công tắc Bộ nghịch lưu áp bậc ch a hai khóa bán dẫn nhánh pha tải gọi chung nghịch lưu áp hai bậc (two-level VSI) Chúng ng dụng rộng rãi phạm vi công suất vừa nhỏ Khái niệm hai bậc xuất phát từ trình điện áp đầu pha tải đến điểm điện chuẩn mạch thay đổi bậc giá trị khác Bộ nghịch lưu áp hai bậc có nhược điểm tạo điện áp có độ dốc (dv/dt) lớn gây số vấn đề khó khăn tồn trạng thái điện từ pha đến tâm nguồn DC khác không (hiện tượng Common Mode Voltage) Bộ nghịch lưu áp đa bậc phát triển để giải vấn đề gây nghịch lưu áp hai bậc thường sử dụng cho ng dụng điện áp cao công suất lớn Các ưu điểm c a nghịch lưu áp đa bậc: - Công suất c a nghịch lưu áp tăng lên Đối với tải công suất lớn, điện áp cung cấp cho tải đạt giá trị tương đối lớn - Điện áp đặt lên linh kiện giảm xuống nên cơng suất tổn hao q trình đóng ngắt c a linh kiện giảm theo - 13 - - Với tần số đóng ngắt, thành phần sóng hài bậc cao c a điện áp giảm so với nghịch lưu áp hai bậc 2.6 C u trúc c b n c a b ngh ch l u áp đa b c 2.6.1 C u trúc Diode kẹp (NPC: Neutral Point Clamped Multilevel Inverter) Cấu trúc sử dụng thích hợp nguồn DC tạo nên từ hệ thống điện AC Bộ nghịch lưu đa bậc ch a cặp diode kẹp có mạch nguồn DC phân chia thành số cấp điện áp nhỏ nhờ chuỗi tụ điện mắc nối tiếp Giả sử nhánh mạch DC gồm n nguồn có độ lớn mắc nối tiếp Điện áp pha-nguồn DC đạt (n+1) giá trị khác từ nghịch lưu gọi nghịch lưu áp (n+1) bậc Ví dụ chọn m c điện cuối dãy nguồn, m c điện áp đạt gồm (0, U, 2U, 3U,… nU) Điện áp từ pha tải (ví dụ pha a) thơng đến vị trí (ví dụ M) nhờ cặp diode kẹp điểm (ví dụ D1, D1’) Để điện áp pha nguồn DC đạt m c điện áp nêu (Ua0 = U), tất linh kiện bị kẹp hai diode (Da3, D’a3) – gồm n linh kiện mắc nối tiếp liên tục kề nhau, phải kích đóng (sa’1, sa’2, sa’3, sa’4), linh kiện cịn lại phải khóa theo ngun tắc kích đối nghịch Như hình vẽ bên dưới, tạo năm m c điện áp nên gọi nghịch lưu năm bậc Bộ nghịch lưu áp đa bậc dùng diode kẹp cải tiến dạng sóng điện áp tải giảm shock điện áp linh kiện n lần Với nghịch lưu ba bậc, dv/dt linh kiện tần số đóng cắt giảm nửa Tuy nhiên với n > 3, m c độ chịu gai áp diode khác Ngoài ra, cân điện áp nguồn DC (áp tụ) trở nên khó khăn, đặc biệt số bậc lớn - 14 - ... 2.5: Mạch lọc tích cực song song Đặc điểm c a mạch lọc tích cực song song: o Bù sóng hài dịng điện o Bù cơng suất phản kháng Hình 2.6: Mạch lọc tích cực nối tiếp Đặc điểm c a mạch lọc tích cực. .. với tần số góc  Số vector điện áp trạng thái điều khiển nghịch lưu n bậc n3 Ví dụ nghịch lưu bậc có 33 = 27 vector Các trạng thái kích dẫn tạo thành chung vector không gian điện áp gọi trạng thái. .. bệnh viện, hệ truyền động cơng suất nhỏ vừa Tính chất c a hệ thống tải đòi hỏi hệ thống mạch lọc tích cực tương đối ph c tạp có đáp ng động học cao, thời gian đáp ng nhanh mạch lọc tích cực dãy