[Khóa luận]nghiên cứu, mô phỏng bộ lọc tích cực

Lời nói đầu Điện năng là một dạng năng lợng đặc biệt, đặc biệt ở chỗ nó có thể chuyển hoá dễ dàng thành các dạng năng lợng khác nh: nhiệt năng, cơ năng, hoá năng. Mặt khác điện năng lại có thể dễ dàng chuyền tải, phân phối đi xa. Kể từ khi suất hiện ra điện cho đến nay cùng với sự phát triển của nó đã làm cho cuộc sống con ngời hoàn toàn thay đổi và phụ thuộc vào nguồn năng lợng này. Điện có mặt trong tất cả các lĩnh vực kinh tế cũng nh trong sinh hoạt đời thờng. Nền kinh tế quốc dân ngày càng phát triển, do đó đòi hỏi ngày càng nhiều năng lợng điện đồng thời phải đảm bảo và nâng cao chất lợng điện năng. Chất lợng điện năng phụ thuộc vào nhiều yếu tố nh điện năng phải đợc cung cấp liên tục, đảm bảo đợc các chỉ tiêu về điện áp và tần số, đảm bảo dạng sóng hình sin của điện áp và dòng điện nguồn. Độ không sin của điện áp, dòng điện nguồn do sóng hài sinh ra từ các tải phi tuyến ( thiết bị biến đổi điện tử công suất, thiết bị có đặc tính phi tuyến ) trên lới điện làm cho méo hệ thống điện làm xấu hệ số công suất, nhiễu điện từ, phát nóng các thiết bị điệnDo vậy cần phải hạn chế và khử hiện tợng sóng hài trong hệ thống điện, có nhiều phơng pháp giải quyết ảnh hởng xấu do sóng hài gây ra tới hệ thống điện trong đó giải pháp sử dụng mạch lọc tích cực để khử sóng hài đang đợc áp dụng nhiều nhất. Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn đó, với những kiến thức đợc học tại bộ môn Điện tự động công nhiệp -Trờng đại học Dân lập Hải Phòng và đợc sự tin tởng động viên của các thầy cô trong khoa bộ môn em đã tiến hành thực hiện đồ án tốt nghiệp mô phỏng bộ lọc tích cực . Trong thời gian làm đồ án vừa qua, với sự cố gắng của bản thân, đồng thời với sự giúp đỡ của các thầy, cô giáo trong bộ môn và đặc biệt đợc sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo hớng dẫn Th.S Đặng Hồng Hải. Đến nay, em đã hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp của mình. Song do thời gian làm đồ án có hạn, kiến - 1 - thức còn hạn chế, nên đồ án của em không tránh khỏi những thiếu sót. Do vậy em kính mong nhận đợc sự góp ý, chỉ bảo của các thầy cô giáo để đồ án đợc hoàn thiện hơn. Sinh viên thực hiện Nguyễn Đình Chiến - 2 - Chơng I sóng hài và chất lợng điện năng 1.1. khái niện sóng hài Chúng ta biết rằng, các dạng sóng điện áp sin đợc tạo ra tại các nhà máy điện, trạm điện lớn thì rất tốt. Tuy nhiên, càng di chuyển về phía phụ tải, đặc biệt là các phụ tải phi tuyến thì các dạng sóng càng bị méo dạng. Khi đó dạng sóng không còn sin. Hình 1.1 a- Dạng sóng hình sin Hình 1.1 b- Dạng sóng hài Sóng hài đợc đặc trng của dao động hoàn toàn trên phổ tần số công nghiệp cơ bản. Thành phần sóng hài trong nguồn AC đợc định nghĩa là thành phần sin của một chu kì sóng có tần số bằng số nguyên lần tần số cơ bản của hệ thống. ( ) h cb f h f = ì Trong đó h là một số nguyên dơng. f h : Tần số sóng hài. f cb : Tần số cơ bản h : Bậc của sóng hài. - 3 - Ví dụ dòng 250Hz trên lơí 50Hz là sóng hài bậc 5. Dòng điện 250Hz là dòng năng lợng không sử dụng đợc với các thiết bị trên lới. Vì vậy, nó sẽ bị chuyển hóa sang dạng nhiệt năng và gây tổn hao. Sau đây là hình ảnh một sóng dòng điện có tần số 60Hz với biên độ là 100A và các sóng với tần số bằng 7 lần, 5 lần, 3 lần tần số cơ bản . Hình 1.2 Sóng hình sin bị sai lệch do sóng hài. Hình 1.3 Hình ảnh một số loại sóng hài Những loại sóng này có thể biểu diễn nh sau: = Im sin( ) 1 1 i t - 4 - Im sin(3 ) 3 3 3 i t = Im sin(5 ) 5 5 5 i t = Im sin(7 ) 7 7 7 i t = Trong đó Im h là biên độ của sóng hài dòng điện bậc h. Kết quả là: I total = Im sin 1 t + Im sin(3 ) 3 3 t + Im sin(5 ) 5 5 t + Im sin(7 ) 7 7 t Điều này chứng tỏ tổng của các sóng hình sin này tạo ra một sóng méo. Hay có thể coi sóng méo này là sự xếp chồng của thành phần sóng cơ bản với các sóng ở tần số và biên độ khác. Dựa trên phân tích chuỗi Fourier ta nhận đợc tín hiệu tuần hoàn dòng điện và điện áp [3] : ( ) ( 2 sin( ) 0 1 v t V V p t h h h = + + = 2 0 1 ( ) T rms V v t dt T = 1 (%) 100 h h V V V = ( ) ( 2 sin( ) 0 1 i t I I h t h h h = + + = 2 0 1 ( ) T rms I i t dt T = 1 (%) 100 h h I I I = Trong đó: V 0 , I 0 : Thành phần DC của hàm v(t), i(t). V 1 , I 1 : Thành phần điện áp và dòng điện cơ bản. V h , I h : Thành phần sóng hài h, h 2. V rms , I ms : Giá trị hiệu dụng của điện áp và dòng điện. V h %, I h % : Tỉ lệ sóng hài riêng phần bậc h. - 5 - Phổ của sóng hài đợc thể hiện nh hình 1.4 Hình 1.4 Phổ của sóng hài 1.2. Độ méo của sóng hài Ta đã biết rằng bất kì một hàm điều hòa nào cũng có thể khai triển Fourier thành các thành phần có các bậc tử thấp đến cao, khi phân tích Fourier ta thu đợc thành phần sóng cơ bản bậc một là hình sin, các thành phần bậc hai trở lên gọi là các sóng hài, thành phần sóng bậc cao càng nhiều thì hình sin càng méo và biên độ dao động càng mạnh, để đo độ méo sóng hài ngời ta sử dụng hệ số méo toàn phần dạng THD ( Total Harmonic Distortion ) theo tiêu chuẩn IEC 1000-2-2 Hệ số méo dạng điện áp : [3] Hệ số méo dạng dòng điện: Trong đó: I 1 Thành phần dòng điện cơ bản. I h Thành phần điều hòa của dòng điện. - 6 - 2 2 1 THD (%) 100 h h V V V = = 2 2 1 THD (%) 100 h h I I I = = V 1 Thành phần điện áp cơ bản. V h Thành phần điều hòa của điện áp. 1.3. Các tiêu chuẩn kỹ thuật về sóng hài 1.3.1. Giới hạn sóng hài theo tiêu chuẩn IEEE 519 - 1992 Để giải quyết ảnh hởng xấu do sóng hài tới hệ thống điện các nớc đã đề ra tiêu chuẩn quốc gia để đảm bảo chất lợng cho mạng điện lới, năm 1992, Mỹ đa ra tiêu chuẩn IEEE 519, đã chỉ ra rằng nơi cấp nguồn phải có trách nhiệm duy trì chất lợng điện áp và mỗi cấp điện áp khác nhau có tiêu chuẩn khác nhau. Bảng 1.1 Tiêu chuẩn về sai lệch điện áp của IEEE 519-1992 Các cấp điện áp <69kV 69-161kV >161kV Từng loại sóng hài 3,0 1,5 1 Tổng các loại sóng hài 5,0 2,5 1,5 (Theo tiêu chuẩn của Việt Nam thì độ biến dạng đối với cấp điện 110, 220, 500kV thì tổng biến dạng là 3 còn với cấp trung áp là 6,5 ). Theo IEEE 519-1992 thì khách hàng phải có trách nhiệm duy trì thành phần sóng hài dòng điện nằm trong phạm vi cho phép. Sau đây là tiêu chuẩn IEEE 519-1992 đối với mạng điện nhỏ hơn hoặc bằng 69kV. Bảng 1.2 Tiêu chuẩn về sai lệch yêu cầu của IEEE 519-1992 I sc /I L <11 11<h<17 17<h<23 23<h<35 35<h TDD <20* 4.0 2.0 1.5 0.6 0.3 5.0 20<50 7.0 3.5 2.5 1.0 0.5 8.0 50<100 10.0 4.5 4.0 1.5 0.7 12.0 100<1,000 12.0 5.5 5.0 2.0 1.0 15.0 >1,000 15.0 7.0 6.0 2.5 1.4 20.0 Trong đó : I SC : Dòng ngắn mạch lớn nhất tại điểm nối. - 7 - I LOAD : Dòng tải lớn nhất tại tần só cơ bản. TDD : Toàn bộ sai lệch yêu cầu. Các hộ sử dụng điện hạn chế thành phần sóng hài nhỏ hơn 5%. Trong đó sóng hài thứ 11 nhỏ hơn 4%, sóng hài 11-17 nhỏ hơn 2%, sóng hài 17-23 nhỏ hơn 1.5%. 1.3.2. Giới hạn sóng hài theo tiêu chuẩn IEC Hội điện lực quốc tế IEC đề ra tiêu chuẩn IEC 1000-3-2 hạn chế sóng hài đối với thiết bị nối vào mạng hạ áp tiêu chuẩn dòng điện nhỏ hơn 16A. Các chỉ tiêu hạn chế dòng điện sóng hài nh bảng 1.3. Bảng 1.3 IEC 100-3-2 Bảng 1.3 a Sóng hài bậc lẻ h 3 5 7 9 11 13 15 h 39 Imax(A) 2,3 1,14 0,77 0,4 0,3 0,21 0,15x15h Bảng 1.3 b Sóng hài bậc chẵn h 2 4 6 8 h 40 Imax(A) 1,08 0,43 0,3 0,23x8/h IEC 1000-3-2 chú ý tới hạn chế các thiết bị có sóng hài dòng điện lớn hơn tiêu chuẩn trên. Năm 1995 IEC lại công bố tiêu chuẩn IEC 1000-3-4 hạn chế thành phần sóng hài dòng điện đối với các thiết bị dùng dòng điện lớn hơn 16A. Tiêu chuẩn này quy định trị số hạn chế sóng hài chia theo tình huống và đẳng cấp. - 8 - Đối với nhiều thiết bị cùng đặt trong một hệ thống thì nên xét chúng vào một chỉnh thể. Hệ số sóng hai dòng điên nh bảng 1.4 IEC 1000-3-4. Bảng 1.4 IEC 1000-3-4 h(lẻ) 3 5 7 9 11 13 15 17 31 33 (I h /I 1 )% 21,6 10,7 7,2 3,8 3,1 2 0,7 1,2 0,7 0,6 Khi đó h (chẵn) thì (I h /I 1 )% bằng 0,8n hoặc 0,6n 1.4. Các nguồn tạo sóng hài Cùng với sự phát triển của các hệ thống điện lực công nghiệp ở các xí nghiệp, các nhà máy thì các thiết bị điện, điện tử dùng trong đời sồng nhạy với sự méo dạng điện áp ngày càng ra tăng dẫn đến gia tăng lợng sóng hài. Ví dụ nh các thiết bị đổi điện (chỉnh lu và đảo mạch), các lò hồ quang điện, các bộ điều khiển công suất xoay chiều dùng thyristor, máy vi tính (PCs, CPUs ), máy in laze. Có nhiều nguồn phát ra sóng hài trên một hệ thống điện. Nói chung các thiết bị có đặc tính vận hành phi tuyến phát ra sóng hài, đó là: - Các máy biến áp. - Bộ nguồn cung cấp điện DC các thiết bị điện tử. - Tải chiếu sáng ( đèn huỳnh quang, đèn phóng điện ). - UPS (Uninterruptible Power System ). - Các máy điện quay. - Các thiết bị hàn hồ quang và các lò hồ quang. - Các thiết bị có công suất đợc điều khiển bằng bán dẫn, chẳng hạn nh các bộ điều khiển điện áp, chỉnh lu, nghịch lu, hệ thống bù tĩnh (SVC). Trong điều kiện vận hành cân bằng, các sóng hài có thể phân chia thành các thành phần thứ tự thuận, nghịch và thứ tự không: - Thành phần thứ tự thuận : Các sóng hài 1, 4, 7 . - 9 - - Thành phần thứ tự nghịch : Các sóng hài 2., 5, 8 . - Thành phần thứ tự không : Các sóng hài 3, 6, 9 . Đối với các điều kiện không cân bằng trong các pha chẳng hạn điện áp không cân bằng trong các pha, tổng trở của hệ thống, hay tải không cân bằng, mỗi sóng hài có thể gây ra một trong ba thành phần. 1.4.1. Máy biến áp Sự bão hoà của máy biến áp gây ra sự không sin của dòng điện từ hoá máy biến áp. Khi đặt một điện áp lớn hơn điện áp định mức của máy biến áp, các thành phần điều hoà của dòng điện từ hoá có thể ra tăng đáng kể. Máy biến áp phát ra đáng kể lợng sóng hài khi nó vận hành cao hơn điện áp định mức của nó. Để duy trì điện áp sin, từ thông sin phải đợc tạo ra từ dòng từ-magnetizing current. Khi biên độ của điện áp ( và từ thông ) đủ lớn để rơi vào trờng hợp không tuyến tính trong đờng cong B-H, sẽ dẫn đến dòng điện từ lớn bị méo dạng và chứa sóng hài. Dạng sóng và phổ của dòng pha a khi máy biến thế hoạt động với điều kiện quá điên áp 110% Hình 1.5 Dòng pha a và phổ của nó khi hoạt động ở 110% điện áp định mức 1.4.2. Máy điện C ác sóng hài đợc phát sinh bởi máy điện liên quan chủ yếu tới các biến thiên của từ trở gây ra bởi các khe hở giữa rôto và stato của máy. Các máy điện - 10 - . tởng động viên của các thầy cô trong khoa bộ môn em đã tiến hành thực hiện đồ án tốt nghiệp mô phỏng bộ lọc tích cực . Trong thời gian làm đồ án vừa qua,. sử dụng mạch lọc tích cực để khử sóng hài đang đợc áp dụng nhiều nhất. Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn đó, với những kiến thức đợc học tại bộ môn Điện tự