Điều khiển Mờ-PI cải tiến cho mạch nghịch lưu áp đa bậc

Chương 2: Tổng quan về mạch lọc ,phương pháp xác định dòng hài Chương 3: Nghịch lưu hai , ba bậc và các phương pháp điều khiển Chương 4: Điều khiển cho APF song song Chương 5: Mô phỏng v

Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

1.1 Lý do chọn đề tài :

Vấn đề chất lượng điện năng đã trở thành một trong những tiêu chíquan trọng trong ngành công nghiệp, hệ thống điện và đời sống của conngười Nguyên nhân dẫn đến chất lượng điện năng kém (méo dạng hài, độméo dạng hài tổng lớn và hệ số công suất nhỏ…) là do ngày càng nhiều cáctải phi tuyến được kết nối vào lưới điện

Hiện nay, ở nước ta chỉ dùng tụ bù để nâng cao hệ số công suất Mặc

dù vậy phương pháp dùng tụ bù thì không mang lại hiệu quả cao, không cókhả năng cải thiện độ méo dạng hài, không linh hoạt trong bù công suất phảnkháng, dễ gây mất ổn định trong hệ thống điện…

Theo đó, để giải quyết các vấn đề trên, thì các mạch lọc thụ độngthường được sử dụng để khử hài và bù công suất phản kháng Mặc dù cácmạch lọc thụ động có cấu trúc đơn giản, rẻ tiền và dễ sử dụng nhưng cũngtồn tại nhiều khuyết điểm như là: dễ xảy ra cộng hưởng với lưới điện, mất ổnđịnh, khó để cải thiện độ méo dạng hài tổng và khả năng bù không linhhoạt…

Từ đó, mạch lọc tích cực (APF) ra đời để giải quyết các khuyết điểmcủa mạch lọc thụ động [5-37] APF có các ưu điểm như là bù online theo tảiphi tuyến, có khả năng đáp ứng được cho tất cả các dạng tải và đặc biệt làkhắc phục được hiện tượng cộng hưởng ở mạch lọc thụ động

Hiện nay hầu hết các nghiên cứu về APF chỉ dùng bộ nghịch lưunguồn áp hai bậc [10-34] Với bộ nghịch lưu nguốn áp thì khó ứng dụng chotải công suất lớn, quá trình đóng mở của các khóa bán dẩn tạo ra nhiều thànhphần hài bậc cao xuất hiện bù lên lưới Do đó ảnh hưởng đến hiệu quả củamạch lọc tích cực

Tuy nhiên hiệu quả làm việc của APF tùy thuộc vào nhiều yếu tố như:phương pháp điều khiển, chiến lược điều khiển, lựa chọn các thông số, ổnđịnh điện áp bus DC….Trong đó phương pháp điều khiển đóng vai trò rấtquan trọng quyết định hiệu quả của mạch lọc

Hiện nay, các phương pháp điều khiển đã được sử dụng cho APF cóthể liệt kê như sau: Phương pháp điều khiển PI truyền thống [9][37], Fuzzy[12-14], Neural [15-17], Hysteresis[33][35],… Với bộ điều khiển PI truyềnthống có ưu điểm là dể sử dụng và thực nghiệm, tuy nhiên nó không có khảnăng bù online, sai số ở xác lập lớn Bộ điều khiển Hysteresis có ưu điểm làthời gian đáp ứng nhanh, nhưng sai số ở xác lập lớn Còn bộ điều khiển Mờ

có ưu điểm là dễ sử dụng, dể định nghĩa, không cần mô hình toán, mặc dùvậy nó cũng có khuyết điểm là phụ thuộc vào kinh nghiệm và kết quả tạmchấp nhận được chưa hoàn toàn tốt

Bộ điều khiển Neural có ưu điểm là có khả năng tự học, tự thích nghi

và khả năng điều khiển online rất tốt Mặc dù vậy nó cũng tồn tại khuyếtđiểm như: thời gian quá độ lớn, đáp ứng chậm, phụ thuộc tập mẩu, kinhnghiệm

Căn cứ vào những phân tích ở trên, luận văn này ứng dụng bộ nghịchlưu đa bậc (ba bậc)vào APF, đồng thời sử dụng bộ điều khiển Mờ kết hợpvới bộ điều khiển PI cải tiến nhầm mục đích cải thiện các mục tiêu: cựctiểu sai số ở xác lập, giảm THD và nâng cao hệ số công suất

Các kết quả mô phỏng đã chứng minh được rằng: phương pháp sửdụng bộ điều khiển Mờ_PI cải tiến có sai số ở xác lập nhỏ hơn, THD củadòng nguồn nhỏ hơn so với phương pháp dùng bộ điều khiển PI truyền thống

và bộ điều khiền PI cải tiến

Kết quả mô phỏng cũng so sánh hiệu quả của APF sử dụng bộ nghịchlưu áp ba bậc với APF sử dụng bộ nghịch lưu áp hai bậc

Cấu trúc luận văn chia làm 6 chương:

Chương 1: Tổng quan đề tài nghiên cứu

Chương 2: Tổng quan về mạch lọc ,phương pháp xác định dòng hài

Chương 3: Nghịch lưu hai , ba bậc và các phương pháp điều khiển

Chương 4: Điều khiển cho APF song song

Chương 5: Mô phỏng và thảo luận kết quả

Chương 6: Đánh giá kết quả đạt được và hướng phát triển của đề tài

1.2 Cơ sở khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Cơ sở khoa học của đề tài là đề xuất bộ điều khiển Mờ_PI cải tiến mớinhằm các mục đích:

• Cực tiểu sai số ở xác lập

• Giảm THD cho dòng nguồn

• Nâng cao hệ số công suất

Đề tài nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển Mờ_PI cải tiến cho mạchlọc tích cực (APF) nhằm nâng cao chất lượng điện năng cho lưới điện

1.3 Một số kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước

 Trong nước

Những năm gần đây ở một số trường đại học như: Bách KhoaTPHCM, Bách Khoa Đà Nẳng, Sư Phạm Kỉ Thuật TPHCM, Bách Khoa HàNội,… đã có những nghiên cứu lý thuyết và có những công trình thựcnghiệm với công suất vừa và nhỏ như:

• Nguyễn Văn Phục “Kỹ thuật PWM sóng mang cho nghịch lưu đa bậclai” năm 2006

• Nguyễn Quốc Thái, PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ “Ứng dụng bộ nghịchlưu áp đa bậc dùng kỹ thuật PWM 1 trạng tháivào mạch lọc tích cực 3pha 4 dây” năm 2011

• Nguyễn Ngọc Dũng “Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển Mờ lai điềukhiển bộ lọc tích cực cho tải là biến tần” năm 2011

• Võ Tuấn “Ứng dụng hệ Mờ_Nơron điều khiển bộ lọc tích cực cho lònấu thép cảm ứng” năm 2011

• Nguyễn Lê Bảo Lân “Nghiên cứu mạch lọc tích cực ba pha ba dâybằng hệ biến tầng đa bậc điều khiển một trạng thái” năm 2013

 Ngoài nước

• Chen Wei., LI Qin., Lu Tingjin., Rong Penghui., Zhao Yanqing.:

‘Method of Event Detection Based on Dynamic Hybrid Fuzzy LogicSystem’ International Conference on Intelligent ComputationTechnology and Automation, 2010, pp 661-663

• F Ruixiang., L.An., and L.Xinran.: ‘Parameter design andapplicationresearch of shunt hybrid active power filter’, Proc CSEE.,

2006, 26, (2), pp 106-111

• K Çağatay Bayındır., M Uğraş Cuma., Mehmet Tümay.:

‘Hierarchical neuro-fuzzy current control for a shunt active powerfilter’, Neural Computing and Applications., 2006, 15, (3), pp 223-238

• J H Marks and T C Green, “Predictive transient-following control of

shunt and series active power filters,” IEEE Trans Power Electron.,

vol 17, no 4, pp 574–584, Jul 2002

• Hideaki Fujita, Takahiro Yamasaki and Hirofumi Akagi “A HybridActive Filter for Damping of Harmonic Resonance in Industrial PowerSystems” IEEE Trans on Power Electronics 2000,15(2):215-222

• W Guo, F Lin, and T Zheng, “Nonlinear PI control for three-phasePWM AC–DC converter,” in Proc IEEE 31st Annu Conf Ind.Electron Soc., 2005, pp 1093–1097

• An Luo, Zhikang Shuai, Wenji Zhu, Ruixiang Fan, and Chunming Tu

“Development of Hybrid Active Power Filter, Based on the AdaptiveFuzzy Dividing, Frequency-Control Method” IEEE Transactions OnPower Delivery, Vol 24, No.1, January 2009

 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm của An Luo, Zhikang Shuai, WenjiZhu, Ruixiang Fan, and Chunming Tu “Development of Hybrid ActivePower Filter, Based on the Adaptive Fuzzy Dividing, Frequency-ControlMethod”

Hình 1.1 Topology of the Shunt Novel HAPF

Hình 1.2 Topology of the novel HAPF

Hình 1.3 Configuration of the adaptive fuzzy dividing frequency controller

Kết quả mô phỏng:

Hình 1.4 Kết quả mô phỏng HAPF

 Mô hình thực nghiệm và các kết quả thu được

Hình 1.5 Mô hình thực nghiệm HAPF

Chương 2: TỔNG QUAN VỀ MẠCH LỌC, PHƯƠNG

PHÁP XÁC ĐỊNH DÒNG HÀI

2.1 Ảnh hưởng của sóng hài và bù công suất phản kháng

2.1.1 Ảnh hưởng của sóng hài

Sự tồn tại sóng hài bậc cao gây ảnh hưởng tới tất cả các thiết bị vàđường dây truyền tải điện Chúng gây ra quá áp, méo điện áp lưới làm giảmchất 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 thọcủa thiết bị, trong nhiều trường hợp thậm chí còn gây hư hỏng thiết bị

Ảnh hưởng quan trọng nhất của sóng hài bậc cao đó là việc làm tănggiá trị hiệu dụng cũng như giá trị đỉnh của dòng điện và điện áp, cụ 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:

• Làm tăng phát nóng của dây dẫn điện, thiết bị điện

• Gây ảnh hưởng đến độ bền cách điện của vật liệu, làm giảm khả năngmang tải của dây dẫn điện

• Với máy biến áp: Các sóng điều hòa bậc cao gây ra tổn thất đồng, tổnthất từ thông và tổn thất sắt từ làm tăng nhiệt độ máy biến áp do đólàm tăng tổn thất điện năng

• Động cơ điện: Tổn hao trên cuộn dây và lõi thép động cơ tăng, làmméo dạng moment, giảm hiệu suất máy, gây tiếng ồn, các sóng hài bậccao còn có thể sinh ra moment xoắn trục động cơ hoặc gây ra daođộng cộng hưởng cơ khí làm hư hỏng các bộ phận cơ khí trong độngcơ

• Gây ảnh hưởng đến hoạt động của các thiết bị bảo vệ (tác động sai):các sóng hài bậc cao cao thể làm moment tác động của relay biến dạnggây ra hiện tượng nháy, tác động ngược, có thể làm méo dạng điện áp,dòng điện dẫn đến thời điểm tác động của relay sai lệch, gây cảnh báonhầm của các UPS.

• Với các thiết bị đo: ảnh hưởng đến sai số của các thiết bị đo, làm chokết quả đo bị sai lệch

• Với tụ điện: làm cho tụ bị quá nhiệt và trong nhiều trường hợp có thểdẫn tới phá hủy chất điện môi

Các sóng điều hòa bậc cao còn làm các thiết bị sử dụng điện và đènchiếu sáng bị chập chờn ảnh hưởng đến con người

Gây ảnh hưởng tới các thiết bị viễn thông: các sóng điều hòa bậc cao

có thể gây sóng điện từ lan truyền trong không gian làm ảnh hưởng đến thiết

bị thu phát sóng

2.1.2 Phân tích sóng hài trên tải

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 được biểu dạng dưới dạng sóng ở hình 2.1

0 1

= + +

=

n

n n

n n

n

F F

t

(1)Trong đó:

) sin( )

cos(

) sin(

) sin(

) cos(

) cos(

F0 : là giá trị DC của hàm sóng hài f(t)

Fn: biên độ đỉnh của sóng điều hòa bậc n trong chuỗi Fourier

θn : là giá trị góc pha của sóng điều hòa bậc n

Phổ của sóng hài được thể hiện theo hình (2.2)

Hình 2.2: Phổ của sóng hài

 Hệ số méo dạng tổng do sóng hài (total harmonic distortion - THD):

THD là tham số quan trọng nhất dùng để đánh giá mức độ ảnh hưởng củasóng hài lên lưới điện

Để đáng giá độ méo dòng điện và điện áp ta dựa hệ số méo dạng dòngđiện và hệ số méo dạng điện áp:

• Hệ số méo dạng dòng điện

( ) ( ) 1 2 2

I(1) là biên độ dòng điện thành phần hài cơ bản

I(n) là biên độ dòng điện thành phần hài bậc n

• Hệ số méo dạng điện áp

( ) ( ) 1 2 2

U(1) là biên độ điện áp thành phần hài cơ bản

U(n) là biên độ điện áp thành phần hài bậc n

 Các nguồn tạo sóng hài

Sóng hài được tạo ra bởi tất cả các tải phi tuyến, một số nguồn tạosóng hài phổ biến trong công nghiệp:

2.1.3 Các tiêu chuẩn hài

Với những tác hại to lớn đã được đề cập ở phần trên, việc quy địnhmột tiêu chuẩn thống nhất về các thành phần sóng hài bậc cao trên lưới cầnđược đưa ra để hạn chế ảnh hưởng của chúng tới các thiết bị tiêu dùng điệnkhác và đảm bảo chất lượng điện năng cho lưới điện

Ở nước ta hiện chưa có tiêu chuẩn nào về việc hạn chế thành phầnsóng hài trên lưới Với sự phát triển mạnh mẽ về công nghiệp ở nước ta hiệnnay, việc xây dựng và áp dụng các tiêu chuẩn giới hạn sóng hài trên lướiđiện là vấn đề tất yếu trong thời gian tới đây

Trên thế giới đã xây dựng và áp dụng một số tiêu chuẩn như tiêuchuẩn IEEE std 519, IEC 1000-4-3 để giới hạn các thành phần sóng hài trênlưới điện

Sau đây sẽ giới thiệu một số tiêu chuẩn trên thế giới về giới hạn cácthành phần sóng hài trên lưới điện mà Việt Nam được phép áp dụng

 Tiêu chuẩn IEEE std 519

• Tiêu chuẩn IEEE std 519 giới hạn nhiễu điện áp trên lưới điện (IEEE std

519, Recommend Practices for Ultilities) được trình bài ở bảng 2.1

Điện áp tại điểm nối

chung(Point Common

Couping)

Nhiễu điện áp từng

loạiSóng điều hòa(%)=/

Nhiễu điện áp tổng

cộngCác loại sóng hàiTHD (%)69kv và thấp hơn 3.0 5.0

Trên 69kv tới 161kv 1.5 2.5

Bảng 2.1 Giới hạn nhiễu điện áp theo tiêu chuẩn IEEE std 519

• Tiêu chuẩn IEEE std 519 giới hạn nhiễu dòng điện trên lưới điện (IEEEstd 519, Recommend Practices for Individual Comsumer) được trình bài ởbảng 2.2 Tiêu chuẩn này giới hạn nhiễu dòng điện cho hệ thống phânphối chung quy định cho cấp điện áp từ 120V tới 69KV

Nhiễu dòng điện tối đa (% của Itải) (maximum Harmonic current

Distortion)

h: bậc của sóng điều hòaBảng 2.2 Giới hạn nhiễu điện áp theo tiêu chuẩn IEEE std 519

 Tiêu chuẩn IEC 1000-3-4

Bảng 2.3 trình bày tiêu chuẩn IEC 1000-3-4, quy phạm tiêu chuẩn có tính bắt buộc cho thiết bị trên 75A dòng đầu vào mỗi pha:

Bậc sóng

điều hòa

(n)

Dòng điều hòa có thểchấp nhận được /(%)

Bậc sóngđiều hòa (n)

Dòng điều hòa cóthể chấp nhận được/

2.1.4 Bù công suất phản kháng

Công suất truyền từ nguồn đến tải luôn tồn tại 2 thành phần: Công suấttác dụng và công suất phản kháng

Công suất tác dụng P đặc trưng cho khả năng sinh ra công hữu ích củathiết bị, đơn vị W hoặc kW

Công suất phản kháng Q không sinh ra công hữu ích nhưng nó lại cầnthiết cho quá trình biến đổi năng lượng, đơn vị VAR hoặc kVAR

Công suất tổng hợp cho 2 loại công suất trên được gọi là công suấtbiểu kiến S, đơn vị VA hoặc KVA:

Q

P

S = +

(6)Trong đó: P = Scosφ ; Q = Ssinφ

Ta có hệ số công suất:

(7)Xét trên phương diện nguồn cung cấp, ta thấy cùng một dung lượngmáy biến áp hoặc công suất của máy phát điện Hệ số công suất càng cao thìthành phần công suất tác dụng càng cao và máy sẽ sinh ra được nhiều cônghữu ích Để nâng cao hệ số công suất, ta cần giảm tối đa công suất phảnkháng nguồn cung cấp

Nếu xét ở phương diện đường dây truyền tải ta lại quan tâm đến sự sụt

áp trên đường dây ở những nơi xa nguồn cung cấp, ta có công thức:

U

QX U

PR U

Để tải hoạt động tốt thì công suất tác dụng và công suất phản kháng

cần phải đáp ứng đủ Để tránh truyền tải một lượng công suất phản khánglớn mà tải vẩn hoạt động tốt, người ta đặt gần các tải tiêu thụ các thiết bị sinh

công suất phản kháng để cung cấp trực tiếp cho tải, việc thực hiện như vậygọi là bù công suất phản kháng(CSPK)

2.1.5 Nguyên lý hoạt động của mạch lọc tích cực (Active Power Filter –

APF)

Mạch lọc tích cực được giới thiệu lần đầu tiên năm 1976 bởi L Gyugyi

và E.C Strycula và có dang như hình 2.3

Hình 2.3: Nguyên lý mạch lọc tích cựcNgày nay, mạch lọc tích cực không còn là một ước muốn mà đã trởthành hiện thực, rất nhiều dạng mạch lọc tích cực đã được nghiên cứu vàthương mại hóa trên toàn thế giới

Như đã trình bày ở phân trên, khi một tải phi tuyến được nối với nguồn(một pha hoặc ba pha), sẽ tạo ra một dòng điện phi tuyến không sin, dòngnày kết hợp với trở kháng nguồn sẽ làm méo dạng áp nguồn, giảm chấtlượng điện áp

Hình 2.4: Các đại lượng dòng nguồn, dòng tải và dòng cần bù của

mạch lọc

Tác dụng của mạch lọc tích cực là cung cấp một dòng điện vào hệthống, mục tiêu là duy trì dòng nguồn hình sin, triệt tiêu các thành phần sónghài không mong muốn, bên cạnh đó, mạch lọc tích cực còn có tác dụng nâng

hệ số công suất của mạch ba pha

2.2 Phân loại mạch lọc tích cực

Có nhiều cấu hình khác nhau cho mạch lọc tích cực, có thể phân loạitheo dạng mạch nghịch lưu, cấu trúc kết nối, đặc điểm của nguồn hoặc giảithuật điều khiển

 Phân loại theo cấu trúc mạch nghịch lưu ta có hai loại mạch lọc tích cực:cấu trúc VSI (bộ nghịch lưu nguồn áp) và CSI (bộ nghịch lưu nguồndòng)

• Cấu trúc mạch lọc tích cực VSI: Đặc điểm của cấu trúc VSI là có thể mởrộng ra cấu trúc đa bậc.

Hình 2.5: Cấu trúc mạch lọc tích cực VSI

• Cấu trúc mạch lọc tích cực CSI:

Hình 2.6: Cấu trúc mạch lọc tích cực CSI

Đặc điểm cấu trúc mạch lọc CSI là có tần số đóng cắt hạn chế, tổn haođóng cắt lớn, không thể mở rộng ra cấu trúc đa bậc.

 Phân loại theo cấu trúc kết nối: mạch lọc tích cực song song (Shunt APFhoặc Parallel APF) hoặc kết hợp (unified APF or universal APF), mạchlọc tích cực nối tiếp (Series APF), ngoài ra còn có cấu hình lai (Hybrid)giữa mạch lọc tích cực và mạch lọc thụ động

• Mạch lọc tích cực song song (Shunt APF):

Hình 2.7: Cấu hình mạch lọc tích cực song song (shunt APF)Các phần tử trên sơ đồ hình 2.7 gồm: Tải phi tuyến có thể là cầu chỉnh

lưu diode hoặc thyristor Dòng đầu vào tải phi tuyến iL bao gồm nhiều thành

phần bậc cao Nếu dòng ra iapf của bộ APF cũng sinh ra các bậc cao như vậynhưng ngược pha thì dòng ở phía lưới is sẽ chỉ còn chứa thành phần sóng sin

bậc nhất

Đặc điểm của mạch lọc tích cực song song: bù sóng điều hòa dòngđiện, bù công suất phản kháng

• Bộ lọc tích cực nối tiếp (Series APF):

Hình 2.8: Cấu hình mạch lọc tích cực nối tiếp (Series APF)

Cấu hình mạch lọc tích cực nối tiếp như hình (2.8) Trên một đườngdây nối giữa 2 bus hệ thống có điện áp Us và Uhài Phía bus Uhài có thể có một

hay nhiều phụ tải phi tuyến làm cho Uhài chứa nhiều thành phần sóng bậc

cao Bộ lọc nối tiếp bao gồm một chỉnh lưu tích cực, cung cấp thành phầnmột chiều cho một bộ nghịch lưu, đầu ra nghịch lưu thông qua một máy biến

áp đưa ra điện áp Uapf , mắc nối tiếp giữa hai bus hệ thống

Có thể hiệu chỉnh giá trị, góc pha cũng như thành phần sóng hài củađiện áp Uapf sao cho ngược pha với các tác động gây nhiễu của điện áp Uhài

mà các sóng bậc cao sẽ không ảnh hưởng được sang bus hệ thống Us

• Mạch lọc kết hợp (UPQC): Khi kết hợp mạch lọc tích cực song song (Shunt APF) và mạch lọc tích cực nối tiếp (Series APF) ta được mạch lọc kếthợp UPQC (Unified Power Quality Conditioner) kết hợp được cả tính năngcủa 2 mạch lọc trên

Trong bộ lọc kết hợp (UPQC) [4] trong hình 2.9, bộ lọc tích cực nốitiếp có chức năng cách ly sóng hài giữa tải và nguồn, điều chỉnh điện áp,

giảm dao động giữ điện áp cân bằng Bộ lọc tích cực song song có chứcnăng lọc sóng điều hòa Mặc dù vậy, giá thành đắt và điều khiển phức tạp.

Hình 2.9: Cấu hình bộ lọc kết hợp (UPQC)

• Mạch lọc hỗn hợp (Hybrid): Thực chất là sự kết hợp của mạch lọc chủđộng và mạch lọc thụ động được trình bài như hình 2.10

Hình 2.10: Cấu hình mạch lọc hổn hợp (hybrid) Mục đích là giảm chi phí đầu tư ban đầu và cải thiện hiệu quả của bộlọc thụ động Bộ lọc thụ động sẽ lọc những sóng hài bậc cao còn lại các hàibậc thấp sẽ do mạch lọc tích cực phụ trách

Do đó, công suất của mạch lọc tích cực công suất của mạch lọc tíchcực sẽ được giảm đáng kể, qua đó giảm được chi phí

2.3 Phương pháp xác định dòng bù cho mạch lọc tích cực

2.3.1. Xây dựng mô hình toán của hệ thống APF

Hình 2.11: Mô hình APF dùng bộ nghịch lưu áp ba bậc

Thì dòng bù thêm vào bởi APF song song phải là i apf = i Lh , và kết quả dòng

nguồn i s là:

is = iL-iapf = iLf (11)

Từ đó, chúng ta có thể thấy rằng, nó chỉ chứa thành phần cơ bản củadòng tải phi tuyến và do đó loại trừ được các phần hài APF song song cókhả năng loại trừ một cách hoàn toàn các hài dòng điện từ tải phi tuyến, kếtquả là dòng nguồn không có các thành phần hài

2.3.1 Xác định dòng hài của tải

Các phương pháp xác định dòng hài [8-16] của tải chỉ cho kết quả tốttrong trường hợp nguồn 3 pha đối xứng và không bị méo dạng, chỉ dùng chomạng ba pha Thông thường là sử dụng lý thuyết p-q hoặc ip-iq như sau:

Sự biến đổi từ hệ trục a-b-c sang hệ trục α-β được biểu diễn như ởhình 2.1.2

e e

e C e

e

32 β

i i

i C i

i

32 β

α

trong đó

3 0

2

1 2

1 1

Dòng tác dụng tức thời i p và dòng phản kháng tức thời i q có thể được tính

toán dựa vào các véc tơ e và i như sau

ϕ

sin

cos

i i

i i

ei p

(14)Trong đó ϕ = ϕe− ϕi

2sin

2

3

2sin

2

sin2

n

n n

b

n

n n

b

n

n n

a

t n I

i

t n I

i

t n I

i

ϕ

πω

ϕ

πω

ϕω

2

3

2 sin

2

) sin(

2

1 1 1

πω

πωω

t E

e

t E

e

t E

e

c b a

(16)Trong đó ω là tần số góc của nguồn

In, φn là RMS và góc pha ban đầu n= 3k± 1 (k≥ 0)

e e

e C e

e

c b

a

ω

ωβ

cos

sin 3

n

n n

n

n n

c b a

t n I

t n I

i i

i C i

i

ϕω

ϕω

1 1 1

1 sin

1 cos 3

sin cos

cos sin

3

n

n n

n

n n

t n I

t n I

E i

i t t

t t

E

q

p

ϕ ω

ϕ ω ω

ω

ω ω

β α





(19)Dùng mạch lọc thông thấp để lọc lấy thành phần DC p và qvới tần sốcắt là bằng 50Hz

)cos(

3

1 1

1

1 1

1

ϕ

ϕ

I E

I E q

p

(20)Trong đó 12

2sin(

2

)3

2sin(

2

)sin(

2)

cos(

3

)sin(

33

1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

23

1 23 2

1

ϕ

πω

ϕ

πω

ϕωϕ

ω

ϕω

t I

t I

t I

t I

t I

C q

p C C

t t

C

1 1

1 1

sincos

cossin

ω ω

ω ω

β α

e e

e e

C pq

Từ đây các thành phần hài được xác định và được phân tích phổ tần số nhưhình 2.14

Hình 2.14 Dạng sóng dòng tải và dòng hài trên tải

Chương 3: BỘ NGHỊCH LƯU 2, 3 BẬC VÀ CÁC

3.1 Giới thiệu chung về bộ nghịch lưu hai, ba bậc.

3.1.1 Bộ nghịch lưu

Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện mộtchiều không đổi sang dạng năng lượng điện xoay chiều để cung cấp cho tảixoay chiều

Đại lượng được điều khiển ở ngõ ra là điện áp hoặc dòng điện, do đóngười ta thường chia bộ nghịch lưu ra làm hai loại: bộ nghịch lưu áp và bộnghịch lưu dòng

• Bộ nghịch lưu áp: nguồn một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu là nguồnđiện áp

• Bộ nghịch lưu dòng: nguồn điện áp cung cấp cho bộ nghịch lưu là nguồndòng điện

Các bộ nghịch lưu tạo thành bộ phận chủ yếu trong cấu tạo của bộbiến tần Ứng dụng quan trọng và tương đối rộng rãi của chúng nhằm vàolĩnh vực truyền động điện động cơ xoay chiều với độ chính xác cao

Trong lĩnh vực tần số cao, bộ nghịch lưu được dùng trong các thiết bị

lò cảm ứng trung tần, thiết bị hàn trung tần Bộ nghịch lưu còn được dùnglàm nguồn điện xoay chiều cho nhu cầu gia đình, làm nguồn điện liên tụcUPS, điều khiển chiếu sáng, bộ nghịch lưu còn được ứng dụng vào lĩnh vực

bù nhuyễn công suất phản kháng

Các tải xoay chiều thường mang tính cảm kháng (ví dụ động cơ khôngđồng bộ, lò cảm ứng), dòng điện qua các linh kiện không thể ngắt bằng quátrình chuyển mạch tự nhiên Do đó, mạch bộ nghịch lưu thường chứa linhkiện tự kích ngắt để có thể điều khiển quá trình ngắt dòng điện

 Bộ nghịch lưu áp

Bộ nghịch lưu áp có rất nhiều loại cũng như nhiều phương pháp điềukhiển khác nhau

• Theo số pha điện áp đầu ra: nghịch lưu áp 1 pha, 3 pha, …

• Theo số cấp giá trị điện áp giữa đầu pha tải đến một điểm điện thế chuẩntrên mạch có: hai bậc (two-level), đa bậc (Multi_level – từ 3 bậc trở lên)

• Theo cấu hình của bộ nghịch lưu: dạng cascade (cascade inverter), dạngnghịch lưu chứa diode kẹp NPC (Neutral Point Clamped Multilevel

Inverter),

• Theo phương pháp điều khiển:

+ Phương pháp điều rộng

+ Phương pháp điều biên

+ Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM)

+ Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến (ModifiedPWM)

+ Phương pháp điều chế vector không gian (SVPWM –Carrier Based PWM)

Trong bài báo cáo này, ta chỉ xét phương pháp điều chế độ rộng xung

(PWM) cho bộ nghịch lưu ba pha hai bậc và ba bậc.

3.1.2 Cấu trúc điều khiển bộ nghịch ba pha hai bậc

Hình 3.1 Bộ nghịch lưu ba pha hai bậc

Bộ nghịch lưu hai bậc ở hình 3.1 chứa hai khoá bán dẫn trên mỗinhánh pha tải được gọi chung là nghịch lưu áp hai bậc (two-level VSI).Chúng được ứng dụng rộng rãi trong phạm vi công suất vừa và nhỏ Kháiniệm hai bậc xuất phát từ quá trình điện áp giữa đầu một pha tải đến mộtđiểm điện thế chuẩn trên mạch thay đổi giữa hai bậc giá trị khác nhau Bộnghịch lưu áp hai bậc có nhược điểm là tạo điện áp cung cấp cho cuộn dâyđộng cơ với độ dốc (dv/dt) khá lớn và gây ra một số vấn đề khó khăn bởi tồn

tại trạng thái khác zero của tổng điện thế từ các pha đến tâm nguồn DC (hiệntượng common-mode voltage).

Bộ nghịch lưu áp đa bậc được phát triển để giải quyết các vấn đề gây

ra nêu trên của bộ nghịch lưu áp hai bậc và thường được sử dụng cho cácứng dụng điện áp cao và công suất lớn

3.1.3 Cấu trúc điều khiển bộ nghịch lưu ba pha ba bậc

 Các ưu điểm của bộ nghịch lưu áp đa bậc:

Công suất của bộ nghịch lưu áp tăng lên Đối với tải công suất lớn, điện ápcung cấp cho tải có thể đạt giá trị tương đối lớn Điện áp đặt lên linh kiện bịgiảm xuống nên công suất tổn hao do quá trình đóng ngắt của linh kiện cũnggiảm theo.Với cùng tần số đóng ngắt, các thành phần sóng hài bậc cao củađiện áp ra giảm nhỏ hơn so với trường hợp bộ nghịch lưu áp hai bậc

 Cấu hình bộ nghịch lưu áp đa bậc

Theo cấu hình của bộ nghịch lưu áp đa bậc ta có 2 dạng: dạng nghịch lưuchứa diode kẹp NPC (Neutral Point Clamped Multilevel Inverter) hình 3.2,dạng cascade (cascade inverter) hình3.3, dạng dùng tụ điện thay đổi (FlyingCapacitor Multilevel Inverter) hình 3.4.…

Hình 3.2 Bộ nghịch lưu ba bậc NPC.

Hinh 3.3 Bộ nghịch lưu ba bậc Cascade

Hình 3.4 Dạng dùng tụ điện thay đổi

3.2 Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu đa bậc

Dựa vào các kỹ thuật điều khiển đóng ngắt linh kiện trong bộ nghịchlưu người ta thường chia thành các phương pháp như điều biên, điều chế độrộng xung (PWM), điều chế vectơ không gian (SVM), …

 Phương pháp điều khiển theo biên độ

Phương pháp này được gọi tắt là phương pháp điều biên Trongphương pháp điều biên đòi hỏi điện áp nguồn dc phải điều khiển được Độlớn điện áp ra được điều khiển bằng cách điều khiển nguồn điện áp DC.Chẳng hạn sử dụng bộ chỉnh lưu có điều khiển hoặc kết hợp bộ chỉnh lưukhông điều khiển và bộ biến đổi điện áp DC

Bộ nghịch lưu áp thực hiện chức năng điều khiển tần số điện áp ra Cáccông tắc trong cặp công tắc cùng pha tải được kích đóng với thời gian bằngnhau và bằng một nửa chu kỳ áp ra Mạch điều khiển kích đóng các công tắctrong bộ nghịch lưu áp vì thế đơn giản

Bộ nghịch lưu áp ba pha điều khiển theo biên độ còn được gọi là bộnghịch lưu áp 6 bước (six-step voltage inverter) Tần số áp cơ bản bằng tần

số đóng ngắt linh kiện Các thành phần sóng hài bội ba và bậc chẵn khôngxuất hiện trên áp dây cung cấp cho tải Còn lại các sóng hài bậc (6k± 1),k=1,2,3… cần khử bỏ bằng các biện pháp lọc sóng hài

 Phương pháp điều chế độ rộng xung sin

Hình 3.5 Sơ đồ điều khiển bộ nghịch lưu áp dùng phương pháp SPWM

Giản đồ kích đóng các công tắc dựa trên việc so sánh hai tín hiệu cơbản:

Sóng mang up (carrier signal) tần số cao

Sóng điều khiển ur (reference signal) hoặc sóng điều chế (modulatingsignal) dạng sin

Ví dụ ur>up thì công tắc lẻ được kích đóng, khi ur< up thì công tắcchẵn được kích đóng

Hình 3.6 Giản đồ xung kích của bộ nghịch lưu phương pháp SPWM Sóng mang up có dạng tam giác, tần số up càng cao thì lượng sóng hàibậc cao bị khử càng nhiều

Sóng điều khiển ur mang thông tin về độ lớn trị hiệu dụng và tần sốsóng hài cơ bản của điện áp ngõ ra

Gọi mf là chỉ số điều chế tần số:

Gọi ma là tỉ số điều chế biên độ: