Ứng dụng bộ lọc tích cực PWM để cải thiện chất lượng điện năng cho phụ tải công nghiệp

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG MAI THỊ ĐOAN THANH ỨNG DỤNG BỘ LỌC TÍCH CỰC PWM ĐỂ CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG CHO PHỤ TẢI CÔNG NGHIỆP Chuyên ngành: Tự ñộng hoá Mã số: 60.52.60 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: TS. Võ Như Tiến Đà Nẵng – Năm 2011 2 Công trình ñược hoàn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: TS. Võ Như Tiến Phản biện 1: ………………………………… Phản biện 2: ………………………………… Luận văn sẽ ñược bảo vệ tại Hội ñồng chấm Luận văn nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày … tháng … năm 2011. Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng. 3 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của ñề tài: Trong những năm gần ñây, tình trạng thiếu hụt ñiện năng ngày càng nghiêm trọng vì lý do là các trung tâm Thủy ñiện, Nhiệt ñiện, Điện khí lớn ñã ñược khai thác triệt ñể. Chính Phủ ñã và ñang vận ñộng từng người, từng nhà tiết kiệm ñiện nhưng Nhà nước chưa có giải pháp tốt cho vấn ñề tiết kiệm ñiện năng ở các Nhà máy Xí nghiệp Công nghiệp, vì ñây mới chính là những hộ tiêu thụ ñiện với sản lượng gấp nhiều lần so với các hộ sinh hoạt. Có một biện pháp cực kỳ hiệu quả mà ít các Doanh nghiệp và nhà Quản lý nghĩ tới, ñó là lọc sóng ñiều hòa bậc cao, trả lại tín hiệu dòng ñiện và ñiện áp hình sin cho lưới. Chúng ta biết rằng, chỉ có thành phần cơ bản mới có tác dụng tích cực, còn hầu như các thành phần sóng ñiều hòa còn lại chỉ có tác dụng ngược lại. Nó không những gây thất thoát mà còn gây ra những vấn ñề như: nổ tụ lọc, tụ bù, cháy van bán dẫn của các bộ biến ñổi, tác ñộng sai của máy cắt gây thăng giáng ñiện áp lưới, gây quá tải cho hệ thống nguồn cung cấp, ñưa nhiễu vào MBA, làm cho ñiện áp không ổn ñịnh, gây tổn thất cho hệ thống truyền dẫn, giảm tuổi thọ của các thiết bị lân cận, gây nhiễu thiết bị ñiều khiển, truyền thông và cảnh báo nhầm của UPS. 2. Mục ñích nghiên cứu: Nhận thấy ñược tầm quan trọng của bộ lọc tích cực ñối với các tải phi tuyến, do ñó Luận văn ñã ñi sâu nghiên cứu ứng dụng bộ lọc tích cực PWM ñể cải thiện chất lượng ñiện năng cho phụ tải công nghiệp. 4 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Đề tài tiến hành xây dựng cấu trúc, thuật toán ñiều khiển cho bộ lọc tích cực nhằm loại bỏ sóng ñiều hòa ñể cho dòng ñiện sin hơn. 4. Phương pháp nghiên cứu: - Nghiên cứu hiện trạng thực tiễn của tải bể mạ, ñánh giá các thành phần dòng ñiện bậc cao sinh ra bởi tải bể mạ lên lưới ñiện. - Xây dựng cấu trúc và thuật toán ñiều khiển cho bộ lọc ñể làm chức năng lọc sóng ñiều hòa bậc cao. - Đánh giá chất lượng dòng ñiện trên lưới sau khi sử dụng bộ lọc. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ñề tài: Công trình có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao. Mục ñích chính là nâng cao chất lượng ñiện năng, bộ lọc tích cực hoàn toàn có thể triển khai và ứng dụng với giá thành hợp lý. 6. Cấu trúc của luận văn: Luận văn này ñược trình bày trong bốn chương sau: Chương 1 - Tổng quan về sóng ñiều hòa tại phụ tải. Chương 2 - Các phương pháp lọc sóng ñiều hòa . Chương 3 - Thiết kế bộ lọc PWM Chương 4 - Mô phỏng và ñánh giá kết quả. 5 Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ SÓNG ĐIỀU HÒA TẠI PHỤ TẢI 1.1. Giới thiệu chung Trong quá trình truyền tải ñiện từ nơi sản xuất tới nơi tiêu thụ chất lượng ñiện năng bị giảm ñi rõ rệt. Do ñó cần phải có các biện pháp ñể cải thiện chất lượng ñiện năng sao cho ñiện năng tới nơi tiêu thụ phải có chất lượng tốt nhất. Như vậy ñảm bảo chất lượng ñiện năng thì cần phải lọc bỏ sóng ñiều hòa bậc cao. Tiếp theo ta sẽ ñi tìm hiểu chung về sóng ñiều hòa bậc cao. 1.2. Tổng quan về sóng ñiều hòa 1.2.1. Giới thiệu chung Sóng ñiều hòa là một dạng nhiễu không mong muốn, có thể coi là tổng của các dạng sóng sin mà tần số của nó là bội số của tần số cơ bản (nếu là bội số nguyên lần thì gọi là hài (harmonic), bội số khác số nguyên gọi là hiện tượng âm hài (inter-harmonic)). Sóng ñiều hòa dòng ñiện bậc cao là dòng ñiện có tần số bằng bội số nguyên lần tần số cơ bản, là dòng không sử dụng ñược với các thiết bị trên lưới. Vì vậy nó sẽ chuyển sang dạng nhiệt năng và gây tổn hao. 1.2.2. Các nguồn tạo sóng ñiều hòa Các nguồn sinh sóng ñiều hòa trong công nghiệp ñược tạo ra bởi tất cả các tải phi tuyến. Các phần tử phi tuyến ñiển hình là lõi thép của MBA, ñộng cơ (ñặc tính bão hòa của vật liệu sắt từ), các dụng cụ bán dẫn công suất như thyristor, diode của các bộ biến ñổi (chỉnh lưu, nghịch lưu, ñiều áp xoay chiều…), các ñèn ñiện tử, nguồn hàn, các hệ truyền ñộng ñiện, lò hồ quang ñiện, lò nấu thép cảm ứng, lò tôi cao tần … 6 1.2.3. Ảnh hưởng của sóng ñiều hòa bậc cao Sự tồn tại sóng ñiều hòa bậc cao gây ảnh hưởng tới tất cả các thiết bị và ñường dây truyền tải ñiện. Chúng gây ra quá áp, méo ñiện áp lưới làm giảm chất lượng ñiện năng. Nói chung chúng gây ra tăng nhiệt ñộ trong các thiết bị và ảnh hưởng tới cách ñiện, làm tăng tổn hao ñiện năng, làm giảm tuổi thọ của thiết bị, trong nhiều trường hợp thậm chí còn gây hỏng thiết bị. Ảnh hưởng quan trọng nhất của sóng ñiều hòa bậc cao ñó là việc làm tăng giá trị hiệu dụng cũng như giá trị ñỉnh của dòng ñiện và ñiện áp. Khi giá trị hiệu dụng và giá trị biên ñộ của tín hiệu dòng ñiện hay ñiện áp tăng do sóng ñiều hòa bậc cao sẽ gây ra một số vấn ñề: - Làm tăng phát nóng của dây dẫn ñiện, thiết bị ñiện. - Gây ảnh hưởng ñến ñộ bền cách ñiện của vật liệu, làm giảm khả năng mang tải của dây dẫn ñiện. - Với MBA: gây ra tổn thất ñồng, tổn thất từ thông tản và tổn thất sắt làm tăng nhiệt ñộ MBA , làm tăng tổn thất ñiện năng. - Động cơ ñiện: Tổn hao trên cuộn dây và lõi thép ñộng cơ tăng, làm méo dạng momen, giảm hiệu suất máy, gây tiếng ồn. 1.3. Xuất phát ñiểm của ñề tài Trong ngành công nghiệp thép, luyện kim rất nhiều ñối tượng như: lò hồ quang ñiện một chiều, bể mạ, lò nấu thép cảm ứng,… là những ñối tượng sử dụng ñiện có công suất lớn, ñặc tính làm việc rất phức tạp, ñây là nguyên nhân làm cho chất lượng ñiện năng kém chất lượng. Để khắc phục hiện tượng trên cần làm giảm hay triệt tiêu thành phần dòng bậc cao. Việc này ñược thực hiện bằng các 7 thiết bị lọc sóng ñiều hòa bậc cao, mạch gọi là bộ lọc tích cực song song (AF: Shunt Active Filter). 1.4. Kết luận chương 1: Như vậy ñể cải thiện chất lượng ñiện năng thì cần phải lọc các thành phần dòng ñiều hòa bậc cao. Có nhiều thiết bị khác nhau có thể thực hiện lọc dòng ñiều hòa bậc cao. Tùy thuộc vào yêu cầu kinh tế, kỹ thuật và tính chất của tải mà lựa chọn thiết bị và phương pháp phù hợp. Chương 2 - CÁC PHƯƠNG PHÁP LỌC SÓNG ĐIỀU HÒA Thực hiện chức năng lọc sóng ñiều hòa bậc cao có nhiều phương pháp khác nhau cả về cấu trúc phần cứng và phần mềm ñiều khiển. Sóng ñiều hòa bậc cao ñược lọc bằng cách sử dụng các bộ lọc. Bộ lọc là thiết bị tạo ra ñặc tuyến tần số ñịnh trước mà chức năng của nó là cho một số tần số ñi qua ñồng thời loại bỏ những tần số khác. 2.1 Bộ lọc thụ ñộng Nguyên lý làm việc của bộ lọc loại này là ngắn mạch ñối với sóng ñiều hòa cần lọc ñể sóng ñiều hòa ñó chảy ra khỏi hệ thống. 2.1.1 Bộ lọc RC • Ưu ñiểm: - Bộ lọc RC là loại bộ lọc ñơn giản nhất, giá thành rẻ. - Vận hành ổn ñịnh. • Nhược ñiểm: - Có tổn hao trên ñiện trở, tổn hao này càng lớn khi công suất lớn. - Khả năng chọn lọc tần số kém. 8 2.1.2. Bộ lọc LC • Ưu ñiểm: Bộ lọc LC có khả năng lọc tốt nhất, có khả năng lọc ñược nhiều tần số theo ý muốn. • Nhược ñiểm: - Giá thành ñắt và sự vận hành của mạch kém tin cậy hơn bộ lọc RC do trong mạch có cuộn cảm. - Gây nhiễu cho các thiết bị thông tin do có sự phát sinh sóng ñiện từ từ cuộn cảm. - Có thể xuất hiện hiện tượng cộng hưởng làm tăng dòng và áp dẫn ñến hỏng thiết bị. 2.2. Bộ lọc chủ ñộng 2.2.1. Vai trò của bộ lọc tích cực • Bù công suất: • Bù sóng ñiều hòa ñiện áp: • Bù sóng ñiều hòa dòng ñiện: 2.2.2. Phân loại bộ lọc tích cực • Phân loại theo bộ biến ñổi công suất: - Bộ lọc tích cực VSI: Đặc ñiểm là có thể mở rộng ra cấu trúc ña bậc - Bộ lọc tích cực CSI: Đặc ñiểm là có tần số ñóng cắt hạn chế, tổn hao ñóng cắt lớn, không thể mở rộng ra cấu trúc ña bậc. • Phân loại theo sơ ñồ: - Bộ lọc tích cực song song AF(Shunt Active Filter): bù sóng ñiều hòa dòng ñiện, bù CSPK, bù thành phần dòng ñiện không cân bằng. 9 - Bộ lọc tích cực nối tiếp AFs(Series Active Filter): bù sóng ñiều hòa ñiện áp bậc cao, ñiều chỉnh và cân bằng ñiện áp tại ñiểm kết nối. • Phân loại theo nguồn cấp: - Bộ lọc tích cực hai dây - Bộ lọc tích cực ba dây - Bộ lọc tích cực bốn dây 2.3. Bộ lọc hỗn hợp Thực chất là sự kết hợp của bộ lọc chủ ñộng và bộ lọc thụ ñộng. Mục ñích là giảm chi phí ñầu tư ban ñầu và cải thiện hiệu quả của bộ lọc ñộng. Bộ lọc thụ ñộng sẽ lọc những sóng ñiều hòa mà bộ lọc chủ ñộng không lọc ñược hoặc lọc một cách khó khăn. Ngoài ra khi kết hợp AF và AFs ta ñược bộ UPQC (Unified Power Quality Conditioner) kết hợp ñược cả tính năng của AF và AFs như Hình 2.11. 2.4. Nguyên lý làm việc của bộ lọc tích cực 2.4.1. Bộ lọc tích cực song song AF: • Chức năng của AF là triệt tiêu các sóng ñiều hòa dòng ñiện bậc cao sinh bởi tải phi tuyến ảnh hưởng lên ñường dây, trả lại cho dòng ñiện trên ñường dây hình sin chuẩn. Ta có thể phân tích thành phần dòng tải thành hai thành phần: thành phần cơ bản i F và thành phần sóng ñiều hòa i h : L F h i =i +i Dòng do AF bơm lên ñường dây: i C =i h Khi ñó dòng trên ñường dây sẽ là: S L h F h h F i =i -i =i +i -i =i Như vậy dòng trên ñường dây chỉ chứa thành phần cơ bản, các thành phần ñiều hòa bậc cao ñã ñược bộ lọc loại bỏ. 10 2.4.2. Bộ lọc tích cực nối tiếp AFs: Chức năng của AFs là triệt tiêu thành phần sóng ñiều hòa ñiện áp bậc cao sinh bởi tải phi tuyến ñể ñiện áp có dạng sin chuẩn. Ngoài ra nó còn có chức năng ñiều chỉnh và cân bằng ñiện áp. Ta có thể phân tích ñiện áp nguồn thành hai thành phần là: thành phần cơ bản U F và thành phần sóng ñiều hòa U h : U S =U h +U F Điện áp dọc ñường dây do AFs tạo ra ngược pha với tổng sóng ñiều hòa ñiện áp bậc cao và triệt tiêu thành phần ñiều hòa bậc cao này ñảm bảo ñiện áp có dạng sin. Nhìn từ phía tải AFs tạo ra một tổng trở ñường dây. Tổng trở này bằng 0 ñối với sóng cơ bản và bằng vô cùng lớn với các sóng ñiều hòa bậc cao do ñó giữa nguồn và tải có sự cách ly sóng ñiều hòa. 2.5. Kết luận chương 2: Trong chương này ñi tìm hiểu vấn ñề chính ñó là tìm hiểu về các phương pháp lọc sóng ñiều hòa bằng các bộ lọc tĩnh và lọc tích cực, phân tích ưu nhược ñiểm của hai loại trên. Qua ñó ñề tài cũng ñi phân tích nguyên lý làm việc của các loại lọc tích cực. Có nhiều phương pháp lọc sóng ñiều hòa bậc cao, với sự phát triển của ñiện tử công suất thì ngày nay người ta ñã chế tạo ñược các van bán dẫn chịu ñược dòng và áp cao do ñó những hạn chế ở dải công suất của các bộ lọc và bù sử dụng các thiết bị ñiện tử công suất ñược cải thiện ñáng kể và chúng ngày càng ñược sử dụng rộng rãi ñể cải thiện chất lượng ñiện năng. 11 Chương 3 - THIẾT KẾ BỘ LỌC TÍCH CỰC PWM Bộ lọc tích cực AF và nghịch lưu PWM có cấu trúc phần cứng giống hệt nhau gồm bộ biến ñổi nguồn áp và tụ ñiện một chiều, do ñó về nguyên lý ta có thể sử dụng nghịch lưu PWM ñể thực hiện chức năng của bộ lọc tích cực bằng việc sử dụng thuật toán ñiều khiển thích hợp. Trong chương này ta sẽ ứng dụng nghịch lưu PWM ñể thực hiện chức năng bộ lọc tích cực. 3.1. Tìm hiểu chung về nghịch lưu PWM 3.1.1. Nguyên lý làm việc Hình 3.1. Sơ ñồ mạch lực của nghịch lưu PWM Nhận thấy rằng nghịch lưu PWM có cấu trúc phần cứng giống như bộ biến ñổi nguồn áp VSC do ñó u S phụ thuộc vào hệ số ñiều chế của VSC và ñiện áp trên tụ. Điện cảm L nối giữa lưới và nghịch lưu PWM là một phần không thể thiếu của mạch nghịch lưu ñóng vai trò như thành phần tích phân của hệ và một nguồn dòng ñể tạo ñặc tính nâng của nghịch lưu PWM. Điện áp rơi trên cuộn cảm L là u 1 chính là hiệu giữa ñiện áp nguồn u L và ñiện áp của bộ biến ñổi u S : SL1 uuu −= Với u L không ñổi do là ñiện áp nguồn do ñó sẽ ñiều khiển ñược u 1 thông qua ñiều khiển u S . Từ việc ñiều khiển ñược u 1 ta sẽ ñiều khiển ñược dòng ñiện i L chạy trên ñường dây. 3.1.2. Cấu trúc ñiều khiển • Phương pháp vòng hở: Phương pháp này dựa trên việc ño thành phần dòng ñiện phía tải từ ñó tách ra thành phần sóng ñiều hòa chứa trong dòng tải. 12 Theo phương pháp này thì không có thông tin phản hồi về dòng ñiên trên lưới. Tất cả sai lệch trong hệ thống cả trong quá trình ño và ñiều khiển sẽ gây ra các sóng ñiều hòa trên dòng ñiện lưới, các thành phần này là không xác ñịnh. Cấu trúc ñiều khiển này có ưu ñiểm là ổn ñịnh nhưng yêu cầu số cảm biến ño dòng nhiều (4 cảm biến). • Phương pháp vòng kín: Phuơng pháp này dựa trên việc ño dòng ñiện trên lưới từ ñó xác ñịnh ñược dòng bù cần thiết. Theo phương pháp ñiều khiển vòng kín sẽ có thêm một mạch vòng ñiều chỉnh dòng ñiện lưới bên ngoài mạch vòng ñiều chỉnh dòng tải. Phương pháp này có ưu ñiểm là thuật toán ñiều khiển ñơn giản hơn so với cấu trúc vòng hở và yêu cầu số cảm biến ño dòng ít hơn (2 cảm biến). 3.2. Ứng dụng nghịch lưu PWM ñể làm bộ lọc tích cực 3.2.1. Cơ sở của phương pháp ñiều khiển Nguyên lý chung ñể lọc sóng ñiều hòa là thiết bị lọc sẽ tạo ra dòng bù bằng với tổng sóng ñiều hòa dòng ñiện bậc cao nhưng ngược pha theo ñó sẽ triệt tiêu sóng ñiều hòa bậc cao trên dòng phía nguồn. Như vậy vấn ñề cơ bản của cấu trúc ñiều khiển là ta phải xác ñịnh ñược dòng cần bù ñược tạo ra bởi bộ lọc ñể loại bỏ các dòng ñiều hòa bậc cao. Việc xác ñịnh dòng bù cần thiết có nhiều phương pháp khác nhau 3.2.1. 1. Phương pháp dựa trên miền tần số * Phương pháp DFT (Discrete Fourier Transform): là thuật toán biến ñổi cho các tín hiệu rời rạc, kết quả của phép phân tích ñưa ra cả biên ñộ và pha của thành phần sóng ñiều hòa mong 13 0 a α b β c 1 1 1 2 2 2 u u 2 1 1 u = 1 - - u 3 2 2 u u 3 3 0 - 2 2                                       0 a α b β c 1 1 1 2 2 2 i i 2 1 1 i = 1 - - i 3 2 2 i i 3 3 0 - 2 2                                       a α b β c 1 1 u 1 - - u 2 2 2 = u u 3 3 3 u0 - 2 2                             a α b β c 1 1 i 1 - - i 2 2 2 = i i 3 3 3 i0 - 2 2                             Mỗi thành phần ñiều hòa ñược xác ñịnh từ ñó tổng hợp lại trong miền thời gian ñể tạo tín hiệu bù cho bộ ñiều khiển. • Phương pháp Fast Fourier Transform (FFT): Ưu ñiểm của phương pháp FFT là có thể tác ñộng tới từng thành phần sóng ñiều hòa theo ý muốn nhưng có khối lượng tính toán rất lớn. 3.2.1. 2. Phương pháp dựa trên miền thời gian Phương pháp này có ưu ñiểm hơn phương pháp trên miền tần số là khối lượng tính toán ít hơn so với trên miền tần số. Phương pháp này có một số phương pháp như phương pháp dựa trên thuyết p - q, phương pháp trên khung tọa ñộ dq . • Phương pháp thuyết qp − : Các bước ñể xác ñịnh dòng bù cần thiết theo phương pháp này ñược tiến hành như sau: - Trước hết tính toán dòng ñiện và ñiện áp trong hệ tọa ñộ αβ từ hệ tọa ñộ abc theo các công thức (3.1) và (3.2): (3.1) Tương tự ta có: (3.2) Với hệ thống 3 pha không có dây trung tính thì thành phần i 0 không tồn tại (i a +i b +i c =0) do ñó (3.1), (3.2) có thể viết như sau: (3.3) (3.4) 14 α β α β α β u u i p = -u u i q                         − −       − + =         q p uu uu uu i i c c ~ 1 22 * * αβ βα βα β α       − − =       q p q p AF AF ~ Từ (3.3) và (3.4) ta tính ñược công suất tải: (3.5) - Công suất p, q có thể tách thành hai thành phần: Thành phần DC p , q tương ứng với thành phần cơ bản của dòng tải. Thành phần dao ñộng p % , q % tương ứng với thành phần ñiều hòa bậc cao. p ~ pp += q ~ qq += q ~ qp ~ pqpP phase3 +++=+= − Trong ñó : 3-phase P : tổng công suất tức thời xác ñịnh bởi tải p: thành phần CSTD của 3-phase P q: thành phần CSPK của 3-phase P Nguồn chỉ cung cấp thành phần công suất DC của tải và công suất tổn hao của bộ biến ñổi. Bộ lọc tích cực có nhiệm vụ cung cấp thành phần công suất AC p ~ của p và CSPK q. Tùy theo yêu cầu của bộ lọc có yêu cầu kết hợp bù CSPK hay không mà thành phần q 0 ≠ hay q=0. Khi ñó ta có công suất cung cấp bởi bộ lọc: (3.6) Từ (3-5) và (3-6) ta có dòng cần bù: (3.7) 15       − +−       − + =         q pp uu uu uu i i c c 0 22 * * ~ 1 αβ βα βα β α * ca * cα * cb * cβ * cc 1 0 i i 2 1 3 i = - i 3 2 2 i 1 3 - - 2 2                                                         − =           β α θθ θθ i i i i i i q d 00 cossin0 sincos0 001 Tuy nhiên do ñiện áp trên tụ là không ổn ñịnh do ñó ñể ñảm bảo ñiện áp trên tụ là không ñổi thì nguồn cần cung cấp một công suất p 0 ñể duy trì ñiện áp trên tụ không ñổi. Khi ñó từ (3.7) ta có: (3.8) Đây là công thức tính dòng bù cần thiết trong hệ αβ khi kết hợp cả chức năng lọc sóng ñiều hòa và bù CSPK. Từ dòng bù tính ñược trong hệ tọa ñộ αβ ta tính ñược dòng cần bù trong hệ abc. Từ (3.4) và (3.8) ta thu ñược: (3.9) Như vậy bằng cách sử dụng thuyết qp − ta ñã xác ñịnh ñược dòng bù cần thiết từ ñó xây dựng cấu trúc ñiều khiển cho AF. • Phương pháp xác ñịnh dòng bù trong hệ dq: theo phương pháp này có thể xác ñịnh toàn bộ dòng bù hoặc có thể lựa chọn từng thành phần sóng ñiều hòa cần bù. Công thức ñổi dòng ñiện từ khung toạ ñộ αβ (ñược sử dụng trong phương pháp thuyết p – q) sang khung toạ ñộ dq: (3.10) Với hệ thống 3 pha không có dây trung tính thì thành phần i 0 không tồn tại (i a +i b +i c =0) do ñó (3.10) có thể viết như sau: 16       =       β α i i S i i q d       − + = α β β α βα u u u u uu S 22 1 Ld LLL Ld i uu p uu iuiu i = + = + + = 2222 βα αβ βα ββαα dc L uu p         + 22 βα αβ           +         + =           + = − β α βαβα αβ β α βα u u uuuu p u u uu ii dc L LdC 0 1 0 1 222222 * (3.11) với (3.12) Mỗi thành phần dòng ñiện (i d , i q ) có thể tách thành hai thành phần: - Thành phần DC d i , q i tương ứng với thành phần cơ bản của dòng tải. - Thành phần dao ñộng , tương ứng với thành phần ñiều hòa bậc cao. (3.13) Ld ii = * Cd ; 0 * 0 * == CCq ii (3.14) Từ (3.12) thành phần dòng tải trên trục d là: + (3.15) Với Ld i = (3.16) (3.17) Sau khi tính ñược dòng cần bù ở khung toạ ñộ αβ ta cần chuyển qua khung toạ ñộ abc theo công thức (3.9) Ta có công thức tính dòng ñiện của bộ lọc là: * CLF iii −= 17 3.3. Cấu trúc ñiều khiển nghịch lưu PWM làm chức năng bộ lọc sóng ñiều hòa: 3.3.1. Nguyên lý ñiều khiển Trong cấu trúc này chỉnh lưu PWM thực hiện cả chức năng lọc sóng ñiều hòa bậc cao và bù CSPK. Nguồn một chiều cấp cho biến ñổi có thể cấp trực tiếp từ nguồn một chiều hoặc từ tụ ñiện. Dòng bù ñược coi như là tín hiệu chuẩn và dòng ñiện phát ra bởi bộ biến ñổi phải ñảm bảo bám theo dòng này. Để thực hiện việc này có thể có nhiều cách nhưng ở ñây tác giả chọn bộ ñiều khiển logic mờ ñể ñiều khiển. 3.3.2. Thiết kế bộ ñiều khiển mờ: Mục tiêu ñiều khiển là tín hiệu dòng i f do bộ lọc phát ra bám theo tín hiệu ñặt * C i + Tín hiệu vào: Sai lệch e= * C i -i f và ñạo hàm sai lệch de/dt (kí hiệu de) + Tín hiệu ra: u 3.4. Kết luận chương 3: Do mục tiêu của Luận văn là ñi triệt tiêu sóng ñiều hòa dòng ñiện bậc cao, do ñó bộ lọc tích cực ñược lựa chọn là AF. Nguyên lý làm việc của AF có nhiều ñiểm tương ñồng với bộ nghịch lưu PWM nên trong chương này ñi nghiên cứu về nguyên lý làm việc của nghịch lưu PWM. Trong chương này cũng ñã nêu ra các cơ sở lý thuyết và ứng dụng nó ñể xây dựng thuật toán ñiều khiển ñể ñiều khiển bộ nghịch lưu PWM làm chức năng của bộ lọc tích cực. Từ những cơ sở trên và dựa vào tính chất của phụ tải, ñề tài ñã ñi lựa chọn cấu trúc phần cứng và sử dụng phương pháp dq vào việc ñiều khiển AF (bộ lọc tích cực song song). 18 1 2 1 . . ϖ dcdc n dc UU S C ∆ = )(1654.0 50**2*2*20*400 831399.15 FC dc ≈= π )max( 2 )( max dt di U U L peaksource dc − = )(10*609.2 150781580.468 2127 2 400 5 max HL − ≈ − = Chương 4 – MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 4.1. Tính toán các tham số của bộ lọc AF 4.1.1. Xác ñịnh giá trị ñiện áp một chiều cấp cho nghịch lưu Thông thường chọn ñiện áp một chiều ở giá trị: 0ddc U)3.12.1(U ÷= (4.2) Từ (4.1) và (4.2) ta tính ñược ñiện áp một chiều cấp cho mạch nghịch lưu là: U dc = 1.3*2.45*127 ≈ 400 (V) 4.1.2. Xác ñịnh giá trị tụ ñiện C dc Giá trị tụ ñiện C ñược tính toán sao cho ñảm bảo tạo ñược ñiện áp cấp ổn ñịnh cho mạch nghịch lưu là 400(V) và C dc phải ñủ lớn ñể loại bỏ ñược những thành phần ñiện áp lăn tăn trên tụ. (4.3) Thay số vào (4.3) ta có : 4.1.3. Xác ñịnh giá trị ñiện cảm L f Theo tài liệu [8], giá trị ñiện cảm f L ñược xác ñịnh: (4.5) Thay số vào (4.5) ta có: Chọn: )(10*6.2 5 HL f − = 19 4.1.4. Xác ñịnh và lựa chọn thông số van ñiều khiển Dòng ñiện cực ñại qua van bằng tổng các thành phần sóng ñiều hòa. I max = I 5 + I 7 + I 11 + I 13 + I 17 = 1186.67 (A) Với tản nhiệt có tiết diện ñủ lớn và ñiều kiện làm mát bằng quạt ta có thể chọn van với dòng ñịnh mức qua van là: I ñm = 2I max =2* 1186.67 = 2373.34 (A) 4.2. Mô hình hóa hệ thống trên phần mềm matlab/simulink ơ Hình 4.1. Sơ ñồ cấu trúc ñiều khiển chung của hệ thống bao gồm tải bể mạ và bộ lọc AF 4.2.1. Khâu cấp nguồn 4.2.2. Khâu ño lường 4.2.3. Khâu hiển thị Tính toán iS ref αβ αβαβ αβ Tải bể mạ abc abc αβ αβαβ αβ αβ αβαβ αβ αβ αβαβ αβ dq ~ ~ iS iL iF uS iL α iL β iL d iL q LP iL αβ αβαβ αβ abc u α u β - + iFa_iFb_iFc PWM L F C iS ref α iS ref β 20 4.2.4. Khâu ño dòng ñầu ra của bộ lọc 4.2.5. Cuộn kháng ñầu vào L f của bộ lọc và tụ ñiện một chiều C dc 4.2.6. Mạch ổn ñịnh ñiện áp trên tụ C dc 4.2.7. Khâu tính toán dòng bù chuẩn cho bộ chỉnh lưu PWM Hình 4.9. Mô hình của khâu tính toán dòng bù chuẩn 4.2.8. Khâu phát xung ñiều khiển bộ chỉnh lưu PWM: 4.2.9.Khâu tải: 4.2.9.1. Tải R-L-C: Hình 4.18. Mô hình tải R-L-C . 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG MAI THỊ ĐOAN THANH ỨNG DỤNG BỘ LỌC TÍCH CỰC PWM ĐỂ CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG CHO PHỤ TẢI CÔNG NGHIỆP. bộ lọc tích cực ñối với các tải phi tuyến, do ñó Luận văn ñã ñi sâu nghiên cứu ứng dụng bộ lọc tích cực PWM ñể cải thiện chất lượng ñiện năng cho phụ tải