Thiết kế bộ lọc sóng hài thông thấp băng rộng

1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP -o0o - Đề tài: THIẾT KẾ BỘ LỌC SÓNG HÀI THÔNG THẤP BĂNG RỘNG LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Ngƣời hƣớng dẫn: TS Nguyễn Duy Cƣơng Học viên thực hiện: Trần Mạnh Hiếu Thái Nguyên 2010 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn CHƢƠNG GIỚI THIỆU 1.1 Nền tảng Các chuyển đổi công suất theo nâng cao hiệu suất, hiệu độ bền trình sản xuất áp dụng rộng rãi công nghiệp Ứng dụng biến đổi điện AC/DC DC/AC phát triển không ngừng từ đời chỉnh lưu điều khiển Silic (Silicon Controlled Rectifiers - SCR) năm 1957 Tuy nhiên, sử dụng rộng rãi chỉnh lưu Diot/ Thyristor pha pha cho nguồn điện DC, truyền động tốc độ điều chỉnh (Adjustable Speed Drives - ASD), lưu điện (Uninterruptible Power Supplies - UPS), ứng dụng cho hộ tiêu thụ thiết bị công nghiệp, diễn hai thập kỷ gần đây, ước tính 65% lượng điện công nghiệp sử dụng động điện Hộ sử dụng công nghiệp ngày tăng lên, coi giảm lượng chìa khóa để nâng cao lợi nhuận khả cạnh tranh họ Vì dẫn động điều tốc giảm mức lượng tiêu hao ( tiết kiệm từ 20 – 30% ) giảm mức chất thải gây ô nhiễm tới môi trường suất tăng lên khiến phát triển chúng tất yếu Với ứng dụng điều tốc, truyền động tốc độ điều khiển (ASD) sử dụng rộng rãi cho động điện Hiệu suất chất lượng chuyển động cao, mômen khởi động thấp ưu điểm ASD Các ASD bao gồm chuyển đổi AC/DC nối với nghịch lưu DC/AC Trong tất chuyển đổi điện tử đại nghịch lưu nguồn điện áp (Voltage Source Inverter - VSI) sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation – PWM) phổ biến PWM – VSI bao gồm khóa bán dẫn công suất với Diot hồi tiếp mắc song song Nó chuyển điện áp chiều cố định thành xoay chiều pha với tần số biên độ điều khiển Trong ứng dụng điều khiển động xoay chiều, thiết bị chỉnh lưu biến đổi điện áp xoay chiều pha thành điện áp chiều sử dụng rộng rãi Bộ chỉnh lưu điện áp kết hợp lọc thụ động, VSI ghép nối nguồn chiều với động xoay chiều để điều khiển tốc độ, vị trí, momen trục động Cấu trúc liên kết phía trước cho ASD chỉnh lưu Diot hay Thyristor với ưu điểm hiệu suất cao, giá thành thấp, chắn tin cậy Cấu trúc thiết bị PWM – VSI với chỉnh lưu Diot phía trước Hình 1.1 Các chỉnh lưu Diot Thyristor kết nối lưới điện với tải tạo dòng điện không sin từ nguồn cung cấp lưới nguồn điện áp hình sin Các dòng điện sóng hài đưa vào hệ thống cung cấp gây ô nhiễm lưới điện, gây vấn đề chất lượng nguồn điện Sóng hài dòng điện đưa vào gây biến dạng điện áp đường dây Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 1.1: Cấu trúc chỉnh lưu cầu Diot phía trước truyền động xoay chiều Các sóng hài dòng điện đưa vào lưới tương tác với phạm vi rộng thiết bị hệ thống điện, đáng ý tụ điện, máy biến áp động gây ra, tổn hao phụ, nhiệt tải Chúng gây giao thoa với đường dây truyền thông sai lệch việc đo công suất Các sóng hài dòng điện sinh công suất thực tới tải mà gây cộng hưởng hay khuếch đại không mong muốn hệ thống phân phối Méo sóng hài tổng (Total Harmonic Distortion – THD) số sử dụng phổ biến để đo thành phần sóng hài từ sóng áp dụng điện áp hay dòng điện Méo sóng hài tổng dòng điện đưa bởi: n I THDI = n2 n (1.1) I1 In dòng sóng hài hiệu dụng thành phần, I1 thành phần dòng Điện áp bị biến dạng thường gây cố đóng cắt tải tuyến tính/ phi tuyến khác nối tới điểm đầu nối chung (PCC) Hình 1.2 Điểm nối chung điểm mà hộ tiêu thụ nối định nghĩa cách nói chung điểm mà gồm giới hạn sóng hài đánh giá Từ phía khách hàng, điểm mà hệ sử dụng cuối lượng tiêu thụ nơi hộ tiêu thụ khác cung cấp với dịch vụ điện Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 1.2: Định nghĩa điểm nối chung ( PCC) 1.2 Các kỹ thuật giảm nhẹ sóng hài Các kỹ thuật phân loại thành loại Bộ lọc thụ động Các hệ thống nhiều pha Các hệ thống bù sóng hài tích cực Các hệ thống lai Bộ chỉnh lưu PWM Mục đích kỹ thuật làm cho dòng điện đầu vào có dạng sóng hình sin sạch, giảm méo sóng hài tổng dòng điện THD Trong lọc thụ động, dòng chảy dòng điện sóng hài không mong muốn tới hệ thống điện ngăn chặn cách sử dụng trở kháng cao mắc để chặn chung cách chuyển hướng chúng tới đường dẫn điện trở thấp Hai phương pháp trình bày khái niệm lọc thụ động nối tiếp lọc thụ động song song, cách tương ứng Các lọc thụ động nối tiếp dạng cảm dạng LC Bộ lọc điện cảm phần xoay chiều AC lọc phần chiều DC hai lọc dạng cảm Các điện cảm phần xoay chiều tạo cảm kháng lớn làm thay đổi đường dòng điện tạo sóng hài Với mục đích thực cực đại điện kháng đầu vào làm cực tiểu điện áp rơi xoay chiều, giảm điện cảm phần xoay chiều điện kháng phần chiều, giải pháp kết hợp Hình 1.3 Điện Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn kháng chiều đặt sau chỉnh lưu Diot trước tụ điện ký hiệu giống với điện cảm phần xoay chiều Hình 1.3: Lọc thụ động dựa điện cảm đường dây AC điện kháng đường dây DC Hình 1.4: Cấu hình lọc thụ động nối tiếp ( SERISE) Bộ lọc thụ động nối tiếp cộng hưởng, Hình 1.4, nối nối tiếp với tải Bộ lọc bao gồm cuộn kháng tụ điện mắc song song mà cộng hưởng để cung cấp điện kháng cao tần số sóng hài chọn Điện kháng cao chặn dòng chảy dòng điện sóng hài tần số cộng hưởng Tại tần số bản, lọc thiết kế để có điện kháng thấp, cho phép tần số qua Với nhiều sóng hài bị chặn, nhiều lọc nối tiếp cần thiết Tuy nhiên, lọc cộng hưởng nối tiếp gây tổn hao đáng kể tần số Ngược lại, lọc thụ động song song (Shunt) mang phần dòng điện mà lọc nối tiếp phải mang Bộ lọc nối tiếp có giá cao hơn, thực tế lọc (Shunt) cung cấp công suất phản kháng tần số bản, hầu hết phương pháp thực tế thường sử dụng lọc Shunt Hình 1.5: Cấu hình lọc Shunt thông thường Bộ lọc Shunt có điện kháng thấp tần số mà bị cộng hưởng chuyển hướng hầu hết dòng điện sóng hài tần số Hầu hết dạng lọc Sun Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn thông thường lọc cộng hưởng lọc thông cao đơn giản Shunt thông thường Hình 1.5 Không giống lọc Shunt lọc nối tiếp có dải tần hẹp khử sóng hài, lọc dải tần rộng có dải rộng đặc tính khử sóng hài Các lọc dải rộng sử dụng kết hợp hai kỹ thuật thụ động, với điện kháng nối tiếp cao để chặn sóng hài dòng điện không mong muốn (từ dòng chảy thông qua lưới) đường điện trở Shunt thấp để làm lệch hướng dòng chảy chúng thông qua lọc Shunt Chúng có cấu trúc khác nhau, Hình 1.6 dạng Lc LLCL Chúng hiệu chỉnh tới tần số cắt thấp cho thành phần qua từ đầu vào đến đầu Do đó, chúng gọi lọc dải rộng thông thấp Cả hai lọc dải rộng thông thấp sử dụng lọc Shunt để khử tất sóng hài dải rộng Hình 1.6; Cấu hình lọc dải rộng thông thấp (a): Kiểu Lc, (b): Kiểu LLCL Kỹ thuật nhân pha dựa việc tăng số xung biến đổi Điều làm tăng bậc sóng hài thấp cho biến đổi giảm kích cỡ lọc thụ động cần để lọc sóng hài thụ động Một biến đổi lý tưởng 12 xung có bậc sóng hài thấp 11 (Các sóng hài dòng điện bậc bậc lý thuyết không tồn tại) Một cách tương tự, biến đổi 18 xung có bậc sóng hài nhỏ 17 Tuy nhiên, biến đổi 12 xung Hình 1.7 cần hai cầu xung hai tín hiệu vào AC dịch pha 300 biến đổi 18 xung cần cầu xung tín hiệu vào dịch pha 200 Rất nhiều cấu trúc liên kết khác tồn cho việc dịch pha Nói chung, kỹ thuật phân pha có tác dụng để giảm thấp bậc sóng hài dòng điện Tuy nhiên, kích cỡ rộng, hiệu suất thấp, giá thành cao nhược điểm Hình 1.7: Cấu hình hệ thống máy chỉnh lưu 12 mạch Phương pháp bù điều hòa tích cực phương pháp liên quan đến trình khử hàm điều hòa mạch Các máy lọc tích cực cung cấp hệ thống thực tốt làm giảm cường độ dòng điện hàm điều hòa Tuy nhiên, phụ thuộc vào thành phần điện phức tạp thường đắt so với máy lọc thụ động Cơ cấu hoạt động máy lọc tích cực đưa vào Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn lưới sóng hài dòng/áp biên độ ngược pha với sóng hài sinh tải phi tuyến, chúng loại trừ lẫn Máy lọc tích cực phân loại theo kiểu biến đổi, cấu trúc liên kết số lượng pha Loại biến đổi Bộ biến đổi nguồn cường độ dòng điện (CSI) CSI.VSI dựa vào cảm biến mà sử dụng để làm thiết bị lưu trữ điện Máy lọc tích cực loại VSI sử dụng tụ điện làm thiết bị lưu trữ điện Cấu trúc liên kết phân chia thành mạch mắc rẽ, mạch mắc nối tiếp mạch kết hợp hai cách mắc Tiêu chí phân loại thứ ba vào số lượng pha, ví dụ loại dây (một pha) loại ba bốn dây (ba pha) Máy lọc tích cực ba pha sử dụng lượng tải phi tuyến với mức lượng cao biến đổi ASD biến đổi AC/DC Nhiều loại cấu hình khác máy lọc tích cực liên tục giới thiệu cải tiến Hình 1.8 loại cấu hình Tất cấu hình máy lọc tích cực song song sử dụng cấu trúc liên kết biến đổi nguồn điện áp có kèm theo phương pháp điều chỉnh cường độ dòng điện thực mức độ cao loại sử dụng nhiều Đối với trình bù hàm điều hòa, máy lọc tích cực có cấu trúc song song sử dụng lý thuyết lượng phản kháng tức thời truyền tải cấu trúc đồng dựa phương pháp kỹ thuật mạch bù Hình 1.8: Cấu hình hệ thống chủ yếu máy lọc tích cực a : Máy lọc tích cực cấu trúc mạch mắc rẽ b : Máy lọc tích cực cấu trúc mạch mắc nối tiếp Hình 1.9: Cấu hình chung máy lọc tích cực thể lai (a) Máy lọc tích cực có mạch mắc rẽ máy lọc thụ động có mạch mắc rẽ (b) Máy lọc tích cực có mạch mắc nối tiếp máy lọc thụ động có mạch mắc nối tiếp Máy lọc tích cực thể lai Hình 1.9 kết hợp máy lọc tích cực máy lọc thụ động theo nhiều dạng cấu hình khác Mục đích loại máy lọc giảm chi phí ban đầu nâng cao hiệu sử dụng Hiệu thực giảm thiểu chi phí cấu trúc liên kết máy lọc lai phát triển Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn máy lọc tích cực khác Thông thường, kết hợp với máy lọc tích cực có cấu trúc mạch mắc rẽ, máy lọc thụ động kích hoạt theo tần suất đặc trưng nhằm khử hàm điều hòa tương ứng làm giảm mức công suất máy lọc tích cực Một kiểu kết hợp khác kết hợp máy lọc tích cực có mạch mắc nối tiếp với máy lọc thụ động có mạch mắc nối tiếp Tóm lại, phần lớn kỹ thuật lọc đề cập có chung điểm hạn chế chi phí cao so sánh với kỹ thuật lọc thụ động Vì vậy, kỹ thuật lọc hàm điều hòa thụ động có kích thước lớn song loại giải pháp kỹ thuật sử dụng nhiều việc làm giảm thiểu thành phần điều hòa Kỹ thuật lọc hàm điều hòa thụ động, cấu trúc máy lọc thành phần điều hòa băng thông rộng tần thấp vấn đề đề cập luận văn 1.3 Đối tƣợng nghiên cứu cấu trúc luận văn Mục đích luận văn đưa phương pháp giải tích cho việc thiết kế máy lọc điều hòa thụ động, băng thông rộng, tần thấp cải tiến (Improved lowpass Broadband passive harmonic Filter – IBF) có khả hấp thụ sóng điều hòa dòng điện tạo từ chỉnh lưu cầu ba pha sử dụng điều khiển động Các tham số IBF nhận nhờ phương pháp thiết kế giải tích đánh giá qua phép mô máy tính, đồng thời hiệu so sánh với máy lọc thụ động thường hay sử dụng Luận văn đề cập đến ba vấn đề sau Thứ nhất, phương pháp thiết kế giải tích IBF máy chỉnh lưu điốt ba pha dựa miền tần số phát triển Phương pháp dựa sở mô miền tần số máy chỉnh lưu máy lọc Thứ hai, phương pháp giải tích đánh giá qua mô máy tính Kết cho thấy, độ xác phương pháp cao Thứ ba, việc so sánh chi tiết với loại máy lọc thụ động khác thực thông qua thiết kế, phép mô Nói tóm lại, luận văn hướng đến việc phân tích thiết kế IBF chi tiết Lĩnh vực nghiên cứu liên quan đến việc thiết kế máy lọc sở nguyên tắc lọc hàm điều hòa thực thi mức độ cao Luận văn gồm chương Chương giới thiệu khái niệm máy lọc hàm điều hòa định nghĩa đề tài luận văn Chương bao quát tổng thể nội dung liên quan đến kỹ thuật lọc thụ động dành cho hệ thống ASD Chương phân tích máy lọc thụ động băng thông rộng tần thấp định nghĩa chi tiết phương pháp thiết kế cải tiến IBF Trong Chương 4, để lựa chọn tham số thiết kế, cần phải tiến hành lựa chọn kiểm tra hệ thống thông qua mô hình cụ thể mô máy tính Chương chương cuối nêu lên đánh giá kết luận tóm tắt đồng thời đưa khuyến nghị tương lai đề tài nghiên cứu luận văn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn CHƢƠNG CÁC PHƢƠNG PHÁP LỌC SÓNG HÀI THỤ ĐỘNG 2.1 Giới thiệu Mặc dù công nghệ lọc tích cực hoàn thiện đặc điểm trình thực hấp dẫn trình bày tóm tắt Chương 1, kỹ thuật lọc thụ động cách tiếp cận phổ biến để làm giảm sóng hài bậc cao mạch chỉnh lưu pha nhiều điốt/thyristor Bởi tấ t cả các thành phần của bộ lọc đều thụ động bền , nữa phương pháp thiết kế và thực hiện bộ lọc cũng khá đơn giản quan trọng hết giá thành thấp , phương pháp lọc thụ động là phương pháp ưa dùng hầu hết các ứng dụng Khác với nhân pha, lọc tích cực, lọc hỗn tạp chỉnh lưu PWM, kỹ thuật lọc sóng hài thụ động , không sử dụng mạch điện tử phần cứng phương điều khiển phức tạp cần sử dụng Do lọc thụ động cách kinh tế để lọc sóng hài dòng điện cải thiện chất lượng hệ thống Do lọc thụ động có ưu điểm vượt trội so với loại lọc khác Trong phương pháp lọc sóng hài thụ động , cuộn kháng nguồn , cuộn cảm trung gian, lọc song song , lọc thông thấp LC bàn tới chương Phương pháp thiết kế tổng quát, đặc điểm chất lượng ưu nhược điểm bản nhất sẽ được giới thiệu 2.2 Sự méo dòng vào hài hệ thống ASD Hình 2.1 Hệ ASD có mạch chỉnh lưu cầu điốt đầu vào, lọc sóng hài Hệ thống ASD với cầu chỉnh lưu điốt van, thể Hình 2.1 có dạng sóng dòng điện vào phổ hài cho Hình 2.2 Sóng hài tạo có bậc 2p±1, với p số đập mạch của điện áp một chiều chỉ nh lưu Trong số sóng hài, sóng hài nổi trội (bậc 5, bậc 7, bậc 11 bậc 13) Trong trường hợp được minh họa (trở kháng hệ thống thấp, 70% dạng sóng dòng điện bị bóp méo nhiều Hình dạng hài dòng điện mạch chỉnh lưu ốt van phụ thuộc nhiều vào lưới nơi mà mạch chỉnh lưu sử dụng Nói chung, độ biến dạng dòng có thể tới cao tới 135% nguồn vào chỉ nh lưu “khỏe” và có thể thấp tới dưới 30% nguồn vào chỉ nh lưu “yếu” Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 10 Hình 2.2: Hệ ASD 5.5 kW có chỉ nh lưu cầu điot đầu vào (a): Dạng sóng dòng vào (b): Phổ sóng hài dòng vào 2.3 Kỹ thuật lọc sóng hài thụ động cho hệ ASD Về bản , các bộ lọc thụ động , ngăn dòng hài bơm vào lưới cách sử dụng trở kháng lớn để chặn dòng hài định hướng chúng vào đường mắc song song với trở khán g thấp Hai phương pháp này giải thí ch nguyên lý lọc nối tiếp lọc song song Trong số đó , bộ lọc cảm kháng nối tiếp chặn lượng dòng hài hạn chế , đó lại giảm đáng kể điện áp Các lọc đơn tần có hiệu lân cận nhỏ tần số ứng với lọc Ngược lại, bộ lọc dải thụ động có dải lọc lớn và làm suy giảm hầu hết các sóng hài dải tần đó Bộ lọc dải thụ động sử dụng kết hợp cả hai phương pháp, với một trở kháng cao nối tiếp để chặn dòng hài không mong muốn tới lưới và một đường trở kháng nhỏ song song để hướng dòng hài không mong muốn qua Trong các bộ lọc thụ động, loại với cuộn kháng lưới (hay cuộn kháng ), với điện cảm trung gian , lọc đơn tần song song , lọc thông thấp LC được trì nh bày phần này Ba loại bộ lọc đầu được chọn vì chúng khá phổ biến liên quan tới việc so sánh chi tiết sau nghiên cứu loại Bộ lọc dải thông thấp LC là loại bản và là cấu trúc lọc dải thông thấp thương mại đầu tiên, đã được sử dụng ở Bộ lọc này đã được cải tiến thành bộ lọc thông dải cải tiến gần để khắc phục vần đề hiệu quả của cấu trúc Vì vậy, bộ lọc dải thông thấp LC sẽ là nền tảng cấu trúc Chương sau, cấu trúc IBF (Improved lowpass Broadband passive harmonic Filter – IBF) nghiên cứu dựa tảng 2.3.1 Điện cảm đƣờng dây xoay chiều pha điện kháng một chiều Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read ... cắt thấp cho thành phần qua từ đầu vào đến đầu Do đó, chúng gọi lọc dải rộng thông thấp Cả hai lọc dải rộng thông thấp sử dụng lọc Shunt để khử tất sóng hài dải rộng Hình 1.6; Cấu hình lọc dải rộng. .. thông thường Hình 1.5 Không giống lọc Shunt lọc nối tiếp có dải tần hẹp khử sóng hài, lọc dải tần rộng có dải rộng đặc tính khử sóng hài Các lọc dải rộng sử dụng kết hợp hai kỹ thuật thụ động, với... số sóng hài chọn Điện kháng cao chặn dòng chảy dòng điện sóng hài tần số cộng hưởng Tại tần số bản, lọc thiết kế để có điện kháng thấp, cho phép tần số qua Với nhiều sóng hài bị chặn, nhiều lọc