Nghiên cứu về bộ lọc tích cực

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THÀNH KHANG NGHIÊN CỨU VỀ BỘ LỌC TÍCH CỰC Chuyên ngành : Đo lường hệ thống điều khiển LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC : KĨ THUẬT ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS PHÙNG ANH TUẤN Hà Nội, 2010 Mở đầu   MỞ ĐẦU Ngày nay, công nghệ vật liệu mà cụ thể công nghệ bán dẫn ngày phát triển tạo nên cách mạng lĩnh vực điện tử công suất thập kỷ qua Tuy nhiên phát triển nhanh thiết bị điện tử công suất lại gây ảnh hưởng lớn tới chất lượng điện Chúng đóng vai trò tải phi tuyến tiêu thụ dòng điện không sin điện áp nguồn cấp sin Các thiết bị điện tử công suất nguồn phát thải sóng hài lên lưới Các sóng hài gây tác hại không mong muốn lên thiết bị máy biến áp, tụ bù công suất, động làm tăng tổn hao, gây phát nóng phụ trội, gây q tải… Chính việc triệt tiêu sóng hài tải phi tuyến gây nhu cầu cấp thiết đặt Ở nước ta, vấn đề sóng hài quan tâm, luật hạn chế sóng hài cho tải phi tuyến thông qua Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn luận văn thực nghiên cứu cụ thể hệ thống lọc tích cực nhằm loại bỏ sóng hài bù công suất phản kháng Luận văn viết hai mục đích : • Thứ nhất, nghiên cứu lọc tích cực ba pha bốn dây để lọc sóng hài bù cơng suất phản kháng • Thứ hai, chế tạo thử nghiệm lọc tích cực pha làm tiền đề cho việc chế tạo lọc ba pha bốn dây Các nghiên cứu tiến hành bước, việc xây dựng mơ hình lọc tích cực theo modul chức năng, sau khối chức mơ kiểm nghiệm lại tính đắn chất lượng phần mềm Matlab/Simulink Sau việc mô cho kết tốt, công việc chế tạo thử nghiệm tiến hành Luận văn gồm bốn chương : 1    Mở đầu   • Chương đề cập đến vấn đề sóng hài, nguồn gốc tác hại chúng Phương pháp lọc sóng hài sử dụng lọc thụ động với nhiều nhược điểm nguyên nhân cho đời lọc tích cực Các phương pháp ước lượng dòng điện bù cho lọc tích cực đề cập • Chương giới thiệu lọc tích cực ba pha bốn dây với hai khối chức : khối ước lượng dòng bù khối điều khiển dòng điện với kết mô nguyên lý hoạt động chất lượng hai khối • Chương trình bầy kết mơ đạt việc lọc sóng hài bù cơng suất phản kháng với cấu hình lọc tích cực ba pha bốn dây đề cập chương • Chương giới thiệu việc chế tạo thử nghiệm lọc tích cực pha kết khả quan đạt 2    Chương : Tổng quan lọc tích cực    Chương TỔNG QUAN VỀ LỌC TÍCH CỰC   Trong chương đề cập đến vấn đề chung lọc tích cực Sóng hài ảnh hưởng chúng đến chất lượng điện đề cập đến nguyên nhân đời lọc sóng hài Các lọc thụ động nhược điểm chúng khắc phục dùng lọc tích cực Lý thuyết công suất tức thời ( lý thuyết p – q ) vài kỹ thuật khác áp dụng để ước lượng dòng điện bù xem xét 1.1 Chất lượng điện Các thiết bị điện nói chung hoạt động tần số 50 Hz 60 Hz ( gọi tần số bản) Tuy nhiên có số loại tải mà hoạt động chúng tạo dịng điện điện áp có tần số bội số tần số gọi sóng hài bậc cao Những thành phần sóng hài bậc cao dạng ô nhiễm điện gọi méo hài dòng điện ( điện áp ) Các sóng hài ảnh hưởng lớn tới chất lượng điện Vậy sóng hài đến từ đâu? 1.1.1 Nguồn gốc sóng hài Như ta biết, với sóng tuần hồn với tần số f phân tích thành tổng sóng điều hồ có tần số f (gọi thành phần bản), 2f, 3f…(gọi sóng hài bậc cao) ( phân tích Fourier ) Các tải phi tuyến tải tiêu thụ dịng điện khơng sin, chứa nhiều sóng hài bậc cao, nguồn phát thải sóng hài a) Các nguồn phát sóng hài tải thương mại(commercial loads): - Các nguồn chuyển mạch (SMPS) : 3    Chương : Tổng quan lọc tích cực    Bộ băm   Hình 1.1 Bộ nguồn chuyển mạch   Do phóng nạp tụ C1, mà dịng điện có dạng sau: Hình 1.2 Dòng chảy SMPS biên độ thành phần sóng hài (a) Dạng sóng dịng điện SMPS (b) Phân tích phổ dịng điện  - Đèn huỳnh quang: Các loại đèn huỳnh quang chiếm từ 40 đến 60% loại tải thương mại, nhiên, loại đèn phóng điện chất khí nên cần có chấn lưu cung cấp điện áp đủ lớn nhằm tạo dòng hồ quang khởi động, sóng hài phát sinh lớn 4    Chương : Tổng quan lọc tích cực    Hình 1.3 Dạng dịng điện đèn huỳnh quang (a) Dạng sóng dịng điện chấn lưu điện tử (b) Phân tích phổ dịng điện - Các điều chỉnh tốc độ: Ứng dụng phổ biến điều chỉnh tốc độ (adjustable-speed drives – ASDs) tải thương mại hệ thống điều khiển động thang máy, hệ thống bơm, quạt gió… Một ASD bao gồm biến đổi công suất biến đổi điện áp xoay chiều với biên độ tần số cố định thành điện áp với biên độ tần số thay đổi Sự thay đổi điện áp tần số cho phép thay đổi tốc độ động phù hợp với yêu cầu công nghệ Hệ thống ASD tìm thấy nhiều tải cơng nghiệp (industrial loads) b) Nguồn phát sóng hài tải công nghiệp (industrial loads): - Các biến đổi ba pha: Gồm có chỉnh lưu ba pha cầu đối xứng, không đối xứng, nghịch lưu (sử dụng chỉnh lưu ba pha để biến điện áp xoay chiều thành chiều) 5    Chương : Tổng quan lọc tích cực    Một ưu điểm biến đổi ba pha so với biến đổi pha chúng khơng sinh thành phần dòng điện bậc ba (chiếm chủ yếu thành phần hài dòng điện) Tuy nhiên, chúng nguồn phát thải sóng hài lớn Dưới dạng sóng dịng điện phân tích thành phần sóng hài chỉnh lưu cầu ba pha : (a) (b) Hình 1.4 Dạng sóng dịng điện chỉnh lưu cầu ba pha trị số thành phần sóng hài 6    Chương : Tổng quan lọc tích cực    (a) Dạng sóng dịng điện (b) Biên độ thành phần hài - Các thiết bị có khả bão hịa: Bao gồm biến áp thiết bị điện từ có lõi sắt, kể loại động Sóng hài sinh thiết bị rơi vào vùng bão hịa lõi sắt Hình 1.5 Đặc tính từ hóa máy biến áp Mặc dù dịng kích thích máy biến áp lực chứa nhiều thành phần sóng hài, thực tế nhỏ phần trăm giá trị dòng điện đầy tải Tuy nhiên, ảnh hưởng chúng thấy rõ hệ thống truyền tải có nhiều máy biến áp Ta thấy độ lớn sóng hài bậc ba thường tăng lên đáng kể mà máy biến áp làm việc non tải điện áp tăng Khi đó, dịng điện kích thích tăng lên, trị số sóng hài tăng lên Hiện tượng điện áp méo kích thích biến áp xuất trạng thái làm việc non tải Các động sinh hài dòng điện bị kích thích - Các thiết bị hồ quang: Bao gồm thiết bị lò hồ quang, máy hàn hồ quang, thiết bị chiếu sáng với chấn lưu điện từ Đặc tính Volt – Ampere dòng hồ quang phi tuyến, sau hồ quang sinh ra, điện áp giảm, dòng điện hồ quang lại tăng lên bị giới hạn trở kháng nguồn 7    Chương : Tổng quan lọc tích cực    Thành phần sóng hài thiết bị hồ quang tương tự trường hợp chấn lưu điện tử ( hình 1.3 ) Tuy nhiên, trường hợp thiết bị hồ quang ba pha, ta thay đổi tổ nối dây biến áp để khử thành phần bậc ba Độ méo hài tổng THD ( Total harmonic distortion ) đại lượng thường dùng để đánh giá độ nhiễm sóng hài, tính theo cơng thức : THD = 100% (1.1) Trong đó: M1, , Mh giá trị hiệu dụng thành phần sóng hài bậc h THD dùng cho dòng điện điện áp, THD dịng điện từ vài phần trăm đến lớn 100% THD điện áp thường phải nhỏ 5% 1.1.2 Ảnh hưởng sóng hài tới chất lượng điện • Phát nóng thiết bị Do ảnh hưởng hiệu ứng mặt ngoài, điện trở vật dẫn tăng tần số tăng, đó, tác dụng nhiệt I2R tăng làm cho vật dẫn bị làm nóng nhanh chóng Nếu điều kiện tồn sóng hài với trị số lớn, thiết bị bị nhiệt mang dịng định mức Vì tác dụng nhiệt mà thiết kế chế tạo, ta cần phải tính dự trữ nhiệt lớn hơn, làm tăng giá thành kích thước Ngoài ra, phát xạ nhiệt lớn so với định mức mà làm cho tổn hao công suất tăng lên • Phát nóng dây trung tính hệ thống ba pha Thành phần sóng hài bậc ba gây vấn đề lớn hệ thống ba pha bốn dây hình 1.6 Khi tải pha tải tuyến tính cân bằng, tổng dịng điện pha điểm trung tính “n” khơng, khơng có dịng chảy dây trung tính Khi tải tuyến tính khơng cân bằng, dây 8    Chương : Tổng quan lọc tích cực    trung tính xuất dòng điện, nhiên trị số dòng điện khơng thể vượt q giá trị dịng điện pha   Hình 1.6 Hệ thống ba pha tải phi tuyến pha, cân Khi tải phi tuyến, pha xuất thành phần điều hòa bậc cao Đối với tải cân bằng, thành phần sóng bậc thành phần bậc cao ba triệt tiêu điểm trung tính “n” Tuy nhiên, tồn thành phần bội ba, chúng cộng lại dây trung tính Khi đó, dịng điện chảy dây trung tính lớn thành phần sóng pha Điều nguy hiểm dây trung tính bị phá hủy q nhiệt khơng bảo vệ thiết bị đóng cắt • Tác hại máy biến áp Dòng điện chảy cuộn dây từ thông chảy lõi sắt gây nên tổn thất công suất máy biến áp Dòng điều hòa chảy cuộn dây sinh từ thơng lõi thép, từ gây tổn hao từ trễ tổn hao dịng Phu lõi thép Tổn hao từ trễ tỷ lệ với tần số từ thơng, cịn tổn hao dịng Phu tỷ lệ với bình phương tần số Do vậy, dịng điều hịa bậc cao gây tổn hao đáng kể lõi biến áp Tổn hao cộng thêm gây nhiệt làm hỏng cách điện biến áp Muốn khắc phục, người ta phải tính dự trữ biến áp lớn hơn, làm tăng chi phí chế tạo 9    Phụ lục   w11[0] = x; /* Current input sample */ for (i=1; i