Nghiên cứu bộ biến đổi ba pha có khả năng hiệu chỉnh hệ số công suất

Bộ giáo dục đào tạo Trường đại học bách khoa hà nội Ngô quảng Nghiên cứu bô biến đổi ba pha có khả hiệu chỉnh hệ số công suất Luận văn Thạc sĩ khoa häc Hµ Néi - 2009 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA KHẢO SÁT VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG 100MVAR CHO LƯỚI ĐIỆN 220KV NGUYỄN NGỌC THĂNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN TRỌNG THUẦN Hà Nội – 2009 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan viết nghiên cứu, tìm hiểu riêng tơi Các số liệu, kết kết luận nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận văn Ngô Quảng Hằng LỜI CẢM ƠN Tôi xin trân trọng cảm ơn Viện đào tạo Sau đại học, Bộ môn Tự động hóa XNCN thuộc trường Đại học Bách khoa Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình tơi thực luận văn Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Võ Minh Chính, người định hướng tận tình bảo, hướng dẫn để tơi hồn thành luận văn tốt nghiệp Cuối xin cảm ơn Thủ trưởng đồng chí, đồng đội thuộc Bộ Tư lệnh Bảo vệ Lăng Chủ tịch Hồ Chí Minh gia đình, bạn bè, đồng nghiệp động viên, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho tơi suốt q trình học tập nghiên cứu Hà Nội, ngày 15/11/2009 Ngơ Quảng Hằng DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Sơ đồ hiệu chỉnh hệ số cơng suất pha dựa nguyên lý biến đổi dòng hàm chuyển mạch sơ đồ………………… ….…19 Hình 1.2 Sơ đồ hiệu chỉnh hệ số công suất pha dựa biến đổi áp …… 20 Hình 1.3 Sơ đồ tương đương theo thành phần trung bình hiệu chỉnh hệ số công suất loạiIV,b………………………… … …….…22 Hình 1.4 Đồ thị véc tơ sơ đồ tương đương hình 1.3 …………………… 23 Hình 1.5 Đường cong tức thời điện áp trung bình hiệu chỉnh hệ số công suất uп* chế độ chỉnh lưu …………………………… …25 Hình 1.6 Bộ hiệu chỉnh hệ số cơng suất hai góc phần tư sơ đồ nửa cầu dựa nghịch lưu điện áp.…… ………………………… …….…29 H ình 1.7 Bộ hiệu chỉnh hệ số cơng suất hai góc phần tư sơ đồ cầu dựa sở nghịch lưu điện á……………………………… …30 Hình 1.8 Bộ hiệu chỉnh hệ số cơng suất góc phần tư dựa hiệu chỉnh nâng cao điện áp………………………… …… 31 Hình 1.9 Sơ đồ thay hình 1.8…………………….…………………31 Hình 1.10 Điện áp dịng điện biểu thức (1.11)……………………… … 33 Hình 1.11 BBĐ ba pha nối với lưới sơ đồ dây…………………….…… 35 Hình 1.12 BBĐ nối với lưới theo sơ đồ dây dẫn………………….… 37 Hình 1.13 Giản đồ thời gian sơ đồ hình 1.12,b…………………….… 38 Hình 1.14 Bộ chỉnh lưu VIENNA……………… …………………… …39 Hình 1.15 Giản đồ thời gian điện áp dịng điện chỉnh lưu VIENNA…………………………….…… …….41 Hình 2.1 Biểu đồ thời gian công suất tức thời pha tổng cơng suất tức thời phía xoay chiều cung cấp từ lưới không đối xứng……… …51 Hình 2.2 Bộ lọc tụ điện thực với điểm trung bình………………… … 53 Hình 2.3 Các thành phần ng suất tức tời chỉnh lưu VI ENNA… 55 Hình 2.4 Độ lệch pha dịng điện lưới điện áp BBĐ với điện áp lưới……58 Hình 2.5 Các hệ số, đặc trưng cho công suất phản kháng công suất không đối xứng điều chỉnh hệ số cơng suất …… … …………………65 Hình 2.6 Các hệ số đập mạch phía chiều ………………………….….… 65 Hình 2.7 Dạng điện áp pha BBĐ pha A, hình dạng điện áp điểm trung tính lọc điểm trung tính lưới điện u0 phổ điện áp uп*…….…………72 Hình 2.8 Dạng điện áp dịng điện pha lưới……… …………….…… 73 Hình 3.1 Sự phụ thuộc hệ số công suất BBĐ vào hệ số điều chỉnh kр …………… 80 Hình 3.2 Sơ đồ chức điều chỉnh hệ số công suất pha ………… … 81 Hình 3.3 Đồ thị véc tơ đại lượng điều chỉnh hệ số công suất pha … 82 Hình 3.4 Dạng dịng điện điện áp điều chỉnh hệ số công suất dựa điều chỉnh nâng cao điện áp hình 1.9,a …………………… 83 Hình 3.5 Bộ chỉnh lưu VIENNA làm việc với lưới đối xứng, điều kiện đầu sơ đồ đối xứng…………………… …………………… …….86 Hình 3.6 Những dòng điện lưới chỉnh lưu VIENNA…………… … 87 Hình 3.7 Kết mơ điều chỉnh hệ số cơng suất có thành phần khơng điện áp lưới……………………………………………………… Error! Bookmark not defined Hình 3.8 Giản đồ thời gian dòng điện cuộn cảm hàm chuyển đổi pha…………… … …… ……….………….…………….93 Hình 3.9 Sơ đồ chức ………………… ……………………… 95 Hình 3.10 Kết mơ hoạt động chỉnh lưu VIENNA với hệ thống điều khiển biến tính………………….………………………….…….96 Hình 3.11 Dạng điện áp pha biến đổi đặt vào cuộn cảm ………………… 100 Hình3.12 Sóng điều hồ dịng điện pha………… ………………………… 101 Hình 3.13 Dạng dịng điện i01 …………………………………………… …103 Hình 3.14 Giản đồ dịng cuộn cảm hàm chỉnh lưu pha… 109 Hình 4.15 Sự thay đổi dịng điện cuộn cảm so với giá trị chuẩn………… 109 Hình 3.16 Giản đồ dòng điện cuộn cảm điều kiện đặt ban đầu khơng đối xứng…………………… ……… ….110 Hình 3.17 Điện áp pha mạch đoạn lựa chọn…………… ….…111 Hình 3.18-3.20 Điện áp cuộn cảm pha điều chỉnh lưới đối xứng với giá trị khác hệ số kU ………… …… ….……113 Hình 3.21 Sơ đồ cấu trúc điều chỉnh hệ số cơng suất ba pha ………… …….118 Hình 3.24 Sơ đồ mơ hình chỉnh lưu VIENNA……………… …… 122 Hình 3.23 Cấu trúc mơ hình hệ thống Matlab-Simulink ……… 123 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Sơ đồ hiệu chỉnh hệ số công suất pha dựa nguyên lý biến đổi dịng hàm chuyển mạch sơ đồ………………… ….…19 Hình 1.2 Sơ đồ hiệu chỉnh hệ số công suất pha dựa biến đổi áp …… 20 Hình 1.3 Sơ đồ tương đương theo thành phần trung bình hiệu chỉnh hệ số cơng suất loạiIV,b………………………… … …….…22 Hình 1.4 Đồ thị véc tơ sơ đồ tương đương hình 1.3 …………………… 23 Hình 1.5 Đường cong tức thời điện áp trung bình hiệu chỉnh hệ số công suất uп* chế độ chỉnh lưu …………………………… …25 Hình 1.6 Bộ hiệu chỉnh hệ số cơng suất hai góc phần tư sơ đồ nửa cầu dựa nghịch lưu điện áp.…… ………………………… …….…29 H ình 1.7 Bộ hiệu chỉnh hệ số cơng suất hai góc phần tư sơ đồ cầu dựa sở nghịch lưu điện á……………………………… …30 Hình 1.8 Bộ hiệu chỉnh hệ số cơng suất góc phần tư dựa hiệu chỉnh nâng cao điện áp………………………… …… 31 Hình 1.9 Sơ đồ thay hình 1.8…………………….…………………31 Hình 1.10 Điện áp dòng điện biểu thức (1.11)……………………… … 33 Hình 1.11 BBĐ ba pha nối với lưới sơ đồ dây…………………….…… 35 Hình 1.12 BBĐ nối với lưới theo sơ đồ dây dẫn………………….… 37 Hình 1.13 Giản đồ thời gian sơ đồ hình 1.12,b…………………….… 38 Hình 1.14 Bộ chỉnh lưu VIENNA……………… …………………… …39 Hình 1.15 Giản đồ thời gian điện áp dịng điện chỉnh lưu VIENNA…………………………….…… …….41 Hình 2.1 Biểu đồ thời gian công suất tức thời pha tổng cơng suất tức thời phía xoay chiều cung cấp từ lưới không đối xứng……… …51 Hình 2.2 Bộ lọc tụ điện thực với điểm trung bình………………… … 53 Hình 2.3 Các thành phần cô ng suất tức tời chỉnh lưu VI ENNA… 55 Hình 2.4 Độ lệch pha dịng điện lưới điện áp BBĐ với điện áp lưới……58 Hình 2.5 Các hệ số, đặc trưng cho cơng suất phản kháng công suất không đối xứng điều chỉnh hệ số cơng suất …… … …………………65 Hình 2.6 Các hệ số đập mạch phía chiều ………………………….….… 65 Hình 2.7 Dạng điện áp pha BBĐ pha A, hình dạng điện áp điểm trung tính lọc điểm trung tính lưới điện u0 phổ điện áp uп*…….…………72 Hình 2.8 Dạng điện áp dòng điện pha lưới……… …………….…… 73 Hình 3.1 Sự phụ thuộc hệ số cơng suất BBĐ vào hệ số điều chỉnh kр …………… 80 Hình 3.2 Sơ đồ chức điều chỉnh hệ số công suất pha ………… … 81 Hình 3.3 Đồ thị véc tơ đại lượng điều chỉnh hệ số cơng suất pha … 82 Hình 3.4 Dạng dịng điện điện áp điều chỉnh hệ số công suất dựa điều chỉnh nâng cao điện áp hình 1.9,a …………………… 83 Hình 3.5 Bộ chỉnh lưu VIENNA làm việc với lưới đối xứng, điều kiện đầu sơ đồ đối xứng…………………… …………………… …….86 Hình 3.6 Những dòng điện lưới chỉnh lưu VIENNA…………… … 87 Hình 3.7 Kết mơ điều chỉnh hệ số cơng suất có thành phần khơng điện áp lưới……………………………………………………… Error! Bookmark not defined Hình 3.8 Giản đồ thời gian dòng điện cuộn cảm hàm chuyển đổi pha…………… … …… ……….………….…………….93 Hình 3.9 Sơ đồ chức ………………… ……………………… 95 Hình 3.10 Kết mơ hoạt động chỉnh lưu VIENNA với hệ thống điều khiển biến tính………………….………………………….…….96 Hình 3.11 Dạng điện áp pha biến đổi đặt vào cuộn cảm ………………… 100 Hình3.12 Sóng điều hồ dịng điện pha………… ………………………… 101 Hình 3.13 Dạng dịng điện i01 …………………………………………… …103 Hình 3.14 Giản đồ dịng cuộn cảm hàm chỉnh lưu pha… 109 Hình 4.15 Sự thay đổi dịng điện cuộn cảm so với giá trị chuẩn………… 109 Hình 3.16 Giản đồ dòng điện cuộn cảm điều kiện đặt ban đầu khơng đối xứng…………………… ……… ….110 Hình 3.17 Điện áp pha mạch đoạn lựa chọn…………… ….…111 Hình 3.18-3.20 Điện áp cuộn cảm pha điều chỉnh lưới đối xứng với giá trị khác hệ số kU ………… …… ….……113 Hình 3.21 Sơ đồ cấu trúc điều chỉnh hệ số cơng suất ba pha ………… …….118 Hình 3.24 Sơ đồ mơ hình chỉnh lưu VIENNA……………… …… 122 Hình 3.23 Cấu trúc mơ hình hệ thống Matlab-Simulink ……… 123 140 FFT window: of 10 cycles of selected signal 410 400 390 380 0.16 0.165 0.17 0.175 0.18 0.185 Time (s) 0.19 0.195 DC component = 401 , THD= 0.28% 1.2 Mag 0.8 0.6 0.4 0.2 0 1000 3000 2000 Frequency (Hz) 4000 Chế độ FFT window: of 15 cycles of selected signal -1 -2 0.26 0.265 0.27 0.275 0.28 0.285 Time (s) 0.29 0.295 Fundamental (50Hz) = 1.403 , THD= 10.19% 0.1 0.08 Mag 0.06 0.04 0.02 0 Frequency (Hz) x 10 141 FFT window: of 15 cycles of selected signal 810 800 790 780 0.26 0.27 Time (s) 0.265 0.275 DC component = 797.5 , THD= 0.06% 0.4 Mag 0.3 0.2 0.1 1000 4000 3000 2000 Frequency (Hz) FFT window: of 15 cycles of selected signal 410 400 390 380 0.26 0.265 0.27 0.275 0.28 0.285 Time (s) 0.29 0.295 DC component = 398.7 , THD= 0.56% Mag 1.5 0.5 0 1000 2000 3000 Frequency (Hz) 4000 142 Chế độ FFT window: of 15 cycles of selected signal -1 -2 0.26 0.265 0.27 0.275 0.28 0.285 Time (s) 0.29 0.295 Fundamental (50Hz) = 1.38 , THD= 11.42% 0.1 0.08 Mag 0.06 0.04 0.02 0 Frequency (Hz) x 10 FFT window: of 15 cycles of selected signal 810 800 790 780 0.26 0.265 0.27 0.275 0.28 0.285 Time (s) 0.29 0.295 DC component = 792 , THD= 0.14% 1.2 Mag 0.8 0.6 0.4 0.2 0 1000 2000 3000 Frequency (Hz) 4000 143 FFT window: of 15 cycles of selected signal 410 400 390 380 0.26 0.265 0.27 0.275 0.28 0.285 Time (s) 0.29 0.295 DC component = 396.1 , THD= 1.38% Mag 0 1000 2000 3000 Frequency (Hz) 4000 Chế độ FFT window: of 10 cycles of selected signal 10 -5 -10 0.16 0.165 0.17 0.175 0.19 0.18 0.185 Time (s) 0.195 Fundamental (50Hz) = 7.13 , THD= 2.01% 0.1 0.08 Mag 0.06 0.04 0.02 0 Frequency (Hz) x 10 144 FFT window: of 10 cycles of selected signal 810 800 790 780 0.16 0.165 0.17 0.175 0.18 0.185 Time (s) 0.19 0.195 DC component = 802.7 , THD= 0.12% 0.8 Mag 0.6 0.4 0.2 1000 4000 3000 2000 Frequency (Hz) FFT window: of 10 cycles of selected signal 410 400 390 380 0.16 0.165 0.17 0.175 0.18 0.185 Time (s) 0.19 0.195 DC component = 401.8 , THD= 2.06% Mag 0 1000 2000 3000 Frequency (Hz) 4000 145 Chế độ FFT window: of 15 cycles of selected signal -1 -2 0.26 0.265 0.27 0.275 0.29 0.28 0.285 Time (s) 0.295 Fundamental (50Hz) = 1.389 , THD= 10.78% 0.1 0.08 Mag 0.06 0.04 0.02 Frequency (Hz) x 10 FFT window: of 15 cycles of selected signal 810 800 790 780 0.26 0.265 0.27 0.275 0.28 0.285 Time (s) 0.29 0.295 DC component = 797.2 , THD= 0.06% 0.4 Mag 0.3 0.2 0.1 0 1000 2000 3000 Frequency (Hz) 4000 146 FFT window: of 15 cycles of selected signal 410 400 390 380 0.26 0.265 0.27 0.275 0.28 0.285 Time (s) 0.29 0.295 DC component = 399 , THD= 0.57% Mag 1.5 0.5 0 1000 2000 3000 Frequency (Hz) 4000 Chế độ FFT window: of 10 cycles of selected signal 10 -5 -10 0.16 0.165 0.17 0.175 0.18 0.185 Time (s) 0.19 0.195 Fundamental (50Hz) = 7.181 , THD= 2.03% 0.2 Mag 0.15 0.1 0.05 0 Frequency (Hz) x 10 147 FFT window: of 10 cycles of selected signal 810 800 790 780 0.16 0.165 0.17 0.175 0.18 0.185 Time (s) 0.19 0.195 DC component = 802.2 , THD= 0.11% 0.6 0.5 Mag 0.4 0.3 0.2 0.1 1000 4000 3000 2000 Frequency (Hz) FFT window: of 10 cycles of selected signal 410 400 390 380 0.16 0.165 0.17 0.175 0.18 0.185 Time (s) 0.19 0.195 DC component = 401.4 , THD= 2.06% Mag 0 1000 2000 3000 Frequency (Hz) 4000 148 Chế độ 10 FFT window: of 15 cycles of selected signal -1 -2 0.26 0.265 0.27 0.275 0.28 0.285 Time (s) 0.29 0.295 Fundamental (50Hz) = 1.367 , THD= 10.96% 0.1 0.08 Mag 0.06 0.04 0.02 0 Frequency (Hz) x 10 FFT window: of 15 cycles of selected signal 810 800 790 780 0.26 0.265 0.27 0.275 0.28 0.285 Time (s) 0.29 0.295 DC component = 797.8 , THD= 0.08% 0.5 Mag 0.4 0.3 0.2 0.1 0 1000 3000 2000 Frequency (Hz) 4000 149 FFT window: of 15 cycles of selected signal 410 400 390 380 0.26 0.265 0.27 0.275 0.28 0.285 Time (s) 0.29 0.295 DC component = 398.6 , THD= 0.55% Mag 1.5 0.5 0 1000 3000 2000 Frequency (Hz) 4000 134 Khối Pass_phase Khối Comparatore Khối Trigger SMIT 135 Khối ALU Khối Voltage feedback Khối Voltage source 131 TÀI LIỆU THAM KHẢO Võ Minh Chính - Phạm Quốc Hải - Trần Trọng Minh Điện tử công suất, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2008 Bùi Quốc Khánh - Nguyễn Văn Liễn - Nguyễn Thị Miền Truyền động điện , NXB Khoa học Kỹ Thuật, Hà Nội,1994 Võ Minh Chính Разработка цифровых и микропроцессорных устройств управления вентильными преобразователями при питании от сети ограниченной мощности Luận án Tiến sỹ, Matxcơva, 1990 Белов Г.А Динамика импульсных преобразователей – Чебоксары: изво Чувашского университета, 2001 Бизиков В.А., Обухов С.Г., Чаплыгин Е.Е Управление непосредственными преобразователями частоты М Энергоатомиздат, 1985 Жежеленко И.В Высшие гармоники в cистемах электроснабжения промпредприятий - М.:Энергоатомиздат, 1974 Каюков Д.С., Недолужко И.Г Анализ и проектирование корректора коэффициента мощности//Практическая силовая электроника, № 11, 2003 Климов В.П., Москалев А.Д Проблемы высших гармоник в современных системах электропитания//Практическая силовая электроника, №5, 2002 Климов В.П., Федосеев В.И Схемотехника однофазных корректоров коэффициента мощности//Практическая силовая электроника, №8, 2002 TÓM TẮT LUẬN VĂN Ngày nay, với phát triển không ngừng khoa học kĩ thuật, biến đổi điện tử công suất chất lượng cao nghiên cứu ứng dụng rộng rãi đáp ứng yêu cầu sản xuất tự động hóa Với mục đích tìm luật điều khiển biến đổi để đạt hệ số công suất cao, luận văn nghiên cứu tìm hiểu phương pháp xây dựng biến đổi có khả hiệu chỉnh hệ số công suất, nghiên cứu chế độ làm việc không đối xứng hiệu chỉnh hệ số công suất ba pha nguyên tắc xây dựng hệ thống điều khiển biến đổi Bộ biến đổi có khả hiệu chỉnh hệ số cơng suất đưa số chất lượng cao dòng điện áp đầu Lưới không đối xứng phạm vi cho phép không ảnh hưởng lớn đến thành phần cơng suất tồn phần hệ số cơng suất biến đổi Các cuộn cảm pha không đối xứng hiệu chỉnh hệ số công suất thực tế không ảnh hưởng đến thành phần cơng suất tồn phần đập mạch phía dòng điện chiều hiệu chỉnh hệ số cơng suất Thuật tốn lựa chọn lọc tụ điện mạch dòng chiều chỉnh lưu VIENNA đưa ra, cho phép tính tốn ảnh hưởng lưới điện không đối xứng đến điện áp đập mạch phụ tải thay đổi điện áp điểm trung bình lọc tụ điện Tiến hành mô môi trường Matlab-Simulink khẳng định khả làm việc hoàn toàn hệ thống điều khiển theo dõi (quan sát) chỉnh lưu VIENNA số chất lượng cao dòng điện lưới điện áp đầu điều chỉnh hệ số cơng suất Từ khóa: biến đổi, chỉnh lưu, hệ số công suất, hiệu chỉnh hệ số công suất, chế độ không đối xứng, công suất tác dụng, công suất toàn phần SUMMARY OF THESIS Nowadays, with the fast development of the technology Electrical power converters are researched and applied and they meet the requirement of the automatic industry For the sake of finding the principle of control of converter to obtain the power factor, the thesis studies the methods for building converter which can adapt the power factor, inspect the asymmetric mode and principles for designing variable controller The converter can adapt the power factor in order to give the electrical current with high quality Asymmetric network in certain rage have no effect on total capacity and power factor of converter In fact, asymmetric induction coil of factor power adaptor has no effect on total power Algorithm opt out the filter for capacitors in the DC of VIENNA rectifier to allow to calculate the impact of asymmetric electrical network on repetitive voltage on the load and on the change average point voltage of filter capacitor The simulation in Matlab - Simulink determine the working ability of observer control system of VIENNA rectifier and the high quality index of load current and output voltage of power factor adaptor Keywords: converter, rectifier, power factor, adaptor power factor, total power, apparent capacitor, asymmetric mode ... khiển biến đổi để đạt hệ số công suất cao, luận văn nghiên cứu tìm hiểu phương pháp xây dựng biến đổi có khả hiệu chỉnh hệ số cơng suất, nghiên cứu chế độ làm việc hiệu chỉnh hệ số công suất ba pha. .. chỉnh hệ số cơng suất ba pha 1.5.1 Bộ hiệu chỉnh hệ số công suất hai góc phần tư dựa mạch nghịch lưu điện áp ba pha Bộ hiệu chỉnh hệ số công suất hai góc phần tư dựa mạch nghịch lưu điện áp ba. .. dung có cơng suất 50W, chấp nhận hai cách thiết kế theo hai hướng nêu Các BBĐ có hệ số cơng suất cao gọi chỉnh lưu có khả điều chỉnh hệ số công suất hay đơn giản gọi Bộ điều chỉnh hệ số công suất