Với một tải phi tuyến luụn cú một mức cụng suất lớn nhất mà tại đú mức độ mộo của dũng và ỏp sinh ra vẫn nằm trong giới hạn cho phộp của tiờu chuẩn IEEE 519-1992. Lượng cụng suất này là bao nhiờu cũn phụ thuộc vào loại tải phi tuyến và vào nguồn điện.
2.1.2. Tăng điện khỏng phớa nguồn xoay chiều đầu vào tải phi tuyến
Với bộ biến đổi 3 pha 6 xung thỡ biện phỏp đầu tiờn để cải thiện là thờm vào phớa đầu vào xoay chiều một điện khỏng. Tỏc dụng của việc thờm điện khỏng này cú thể được đỏnh giỏ một cỏch định lượng theo hỡnh 2.1 và 2.2 dưới đõy:
Hỡnh 2.1 Dũng điều hũa sinh ra từ cầu chỉnh lưu ba pha cú tụ lọc phớa một chiều và nguồn cấp là SP1 [9]
40
Hỡnh 2.2 Dũng điều hũa sinh ra từ cầu chỉnh lưu ba pha cú khỏng lọc phớa một chiều và nguồn cấp là SP2 [9]
Ta cú thể giải thớch một cỏch định tớnh như sau, cuộn khỏng cú tỏc dụng làm chậm tốc độ tăng của dũng khi dũng điện chuyển từ van này sang van khỏc (chuyển mạch). Với phương phỏp này thỡ việc cải thiện được độ mộo súng hài bao nhiờu lại phụ thuộc vào lượng sụt ỏp cho phộp với tải là bao nhiờu [9].
Một cuộn khỏng cú điện khỏng phần trăm là 3% cú thể giảm độ mộo dũng điện sinh ra bởi bộ điều chỉnh tốc độ kiểu PWM từ khoảng 80% xuống cũn khoảng 40%. Tỏc dụng giảm mộo hài của cuộn khỏng được mụ tả qua hỡnh 2.3, ta thấy tỏc dụng của cuộn khỏng giảm dần đi khi độ lớn của cuộn khỏng vượt quỏ 3%. Độ lớn của cuộn khỏng ở đõy tớnh theo cụng suất (kVA) [14].
41
2.1.3. Phương phỏp đa xung
Nội dung của phương phỏp đa xung là sử dụng nhiều bộ biến đổi theo một cỏch thớch hợp sao cho súng hài sinh ra bởi bộ biến đổi này sẽ bị triệt tiờu bởi bộ biến đổi khỏc. Bằng cỏch này những súng hài nhất định, phụ thuộc số bộ biến đổi được lắp, được loại bỏ khỏi hệ thống. Phương phỏp này rất đơn giản và hiệu quả trong việc hạn chế súng hài của cỏc bộ biến đổi điện tử cụng suất. Phương phỏp đa xung được dựng rộng rói trong cỏc ứng dụng cú cụng suất lớn trong cụng nghiệp cơ điện tử. Việc cỏc bộ biến đổi ngày càng được sử dụng rộng rói đó đẩy mạnh việc ứng dụng phương phỏp đa xung trong cỏc ứng dụng cụng suất nhỏ tới 100kN hoặc hơn [9]. Phương phỏp đa xung cú hai ưu điểm quan trọng và hai ưu điểm này đạt được đồng thời, đú là:
(1) Giảm dũng hài ở phớa đầu vào xoay chiều của bộ biến đổi
(2) Giảm được độ nhấp nhụ của ỏp phớa một chiều của bộ biến đổi [9]
Phương phỏp đa xung được đặc trưng bởi việc sử dụng nhiều bộ biến đổi (hoặc là nhiều van bỏn dẫn) và một tải chung phớa một chiều. Mỏy biến ỏp dịch pha cũng là một thành phần quan trọng để tạo ra cơ chế triệt tiờu cỏc bậc súng hài theo cặp, vớ dụ bậc 5 và bậc 7, bậc 11 và bậc 13 ...
Sự dịch pha sinh ra bởi mỏy biến ỏp dẫn đến cỏc dũng hài sinh ra bởi bộ biến đổi này ngược pha với cỏc dũng hài sinh ra từ bộ biến đổi khỏc. Nếu tải của cỏc bộ biến đổi là giống nhau thỡ sẽ cú cỏc bậc hài nhất định bị triệt tiờu hoàn toàn.
Mặc dự tải trong thực tế khụng thể giống nhau hoàn toàn, đõy vẫn là một phương phỏp giỳp giảm thiểu súng hài tới một mức độ khi trong hệ thống cú nhiều bộ biến đổi điện tử cụng suất.
Để cỏc bộ biến đổi điện tử cụng suất cú thể hoạt động một cỏch độc lập và duy trỡ được trạng thỏi dẫn của cỏc van tại gúc 120o trong sơ đồ nối sẽ sử dụng cỏc mỏy biến ỏp liờn pha. Một vớ dụ được đưa ra trong hỡnh 2.4 dưới đõy:
Hỡnh 2.4 Kết hợp hai bộ biến đổi 6 xung cấp cựng cho một tải tạo hệ thống 12 xung [9] Biến áp liên pha
Y
i1 i2
43
Vớ dụ mụ phỏng trờn Pesim (hỡnh 2.5) bộ chỉnh lưu cú biến ỏp hai cuộn dõy thứ cấp Y và (D) cho thấy rằng dũng điện xoay chiều trong mỗi cuộn dõy thứ cấp biến ỏp đều bị giỏn đoạn rất lớn nghĩa là cỏc thành phần hài lớn trong thành phần dũng điện này (hỡnh 2.5b). Phõn tớch phổ hài này (hỡnh 2.5c hai đường trờn) cho thấy nú cú cỏc thành phần hài bậc 5, 7, 11, 13 ... Nhưng dũng điện sơ cấp biến ỏp độ nhấp nhụ ớt hơn, khụng giỏn đoạn (hỡnh 2.5b đường dưới cựng), nghĩa là hài bậc cao sẽ ớt hơn. Phõn tớch phổ hài dũng điện này (hỡnh 2.5c đường dưới cựng) thấy rằng khụng tồn tại cỏc hài bậc 5 và 7.
Biờn độ cỏc dũng hài luụn tỉ lệ nghịch với bậc hài, hay là tần số hài của nú. Do vậy, khi sử dụng phương phỏp đa xung làm triệt tiờu cỏc hài bậc thấp thỡ chỉ cũn lại cỏc hài với biờn độ nhỏ.
Để triệt tiờu được súng hài thỡ cỏc bộ biến đổi điện tử cụng suất phải được cấp nguồn từ cỏc mỏy biến ỏp dịch pha. Gúc dịch pha phải phự hợp với số lượng bộ biến đổi. Tổng quỏt, ta cú gúc dịch pha nhỏ nhất cần để triệt tiờu súng hài khi sử dụng cỏc bộ biến đổi 6 xung trong phương phỏp đa xung là:
o 60 Góc dịch pha nhỏ nhất = Số bộ biến đổi [9] 2.1.4. Dựng cỏc bộ lọc
Một phương phỏp khỏc để lọc hài là sử dụng cỏc bộ lọc cho hệ thống điện. Hệ thống điện được tớnh toỏn đỏnh giỏ và sau đú một thiết bị bự thớch hợp vớ dụ như một bộ lọc điều chỉnh được lắp thờm vào. Phương phỏp dựng bộ lọc cho hệ thống, dự là lọc thụ động hay lọc tớch cực, đều cú ưu điểm là cú thể thỏo lắp thờm vào hệ thống khỏ dễ dàng nhưng lại chỉ là những giải phỏp cú tớnh chất tạm thời. Khi hệ thống điện thay đổi, vớ dụ như cú thờm cỏc tải phi tuyến trong hệ, cỏc giả thiết để thiết kế bộ lọc cũng thay đổi. Trong trường hợp này cỏc thiết bị bự cú thể trở nờn quỏ tải và khụng cũn hiệu quả nữa.
44
2.1.4.1. Bộ lọc thụ động
Bộ lọc thụ động cú thể được thiết kế để giảm được cỏc điều hũa bậc cao. Vị trớ lắp đặt cũng như kiểu bộ lọc và thụng số kết cấu của nú đều phải thay đổi tựy vào từng trường hợp cụ thể của hệ thống điện.
Thụng thường cỏc bộ lọc thụ động cú kết cấu gồm nhiều loại đường dẫn song song cú trở khỏng thấp đối với nhiều bậc hài khỏc nhau. Dũng hài sẽ chảy qua cỏc đường dẫn cú trở khỏng thấp này và làm ỏp hài tại điểm xột giảm đi. Xột một hệ thống điện như trờn hỡnh 2.6:
Hỡnh 2.6 Hệ thống điện với cỏc nguồn hài phõn tỏn [9]
Nguồn sinh dũng hài được phõn bố rải khắp hệ thống. Ta thấy nguồn sinh súng hài là từ nhiều loại thiết bị khỏc nhau của cỏc hóng sản xuất khỏc nhau và để xỏc định ai là người phải chịu trỏch nhiệm cho bộ lọc nào là điều khụng thể. Một bộ lọc cho một thiết bị cụ thể nào đú sẽ được đặt gần ngay thiết bị đú để cú thể lợi dụng được điện khỏng nguồn tớnh đến điểm đặt đú.
Trở khỏng của nguồn cú thể được thể hiện bằng một điện cảm và cỏch thức lọc đơn giản nhất là nối song song thờm một tụ vào. Tuy vậy cỏch này thường là khụng đạt yờu cầu do cần những tụ rất lớn để cú thể tạo ra trở khỏng nhỏ với một bậc hài, vớ dụ bậc 5. Tụ lọc và điện khỏng nguồn sẽ cú điểm cộng hưởng song song (tạo trở khỏng cao) tại một tần số dưới tần số lọc của bộ lọc. Cộng hưởng song song tạo trở khỏng cao này khụng được xuất hiện tại cỏc giỏ trị tần số là bội của tần số nguồn cấp đề phũng cú những bậc hài tại cỏc tần số bội đú.
Nếu một bộ lọc được chỉnh chớnh xỏc tới một tần số hài nào đú, vớ dụ bậc 5,
IH1' IH2' IH3' IH4'
IH1 IH2 IH3 IH4
IH Nguồn
45
thỡ bộ lọc sẽ tạo ra một trở khỏng rất thấp tại tần số hài đú. Điều này cú lợi cho quỏ trỡnh lọc nhưng khi đú bộ lọc điều chỉnh này sẽ nhận dũng hài bậc 5 từ mọi nơi trong hệ thống điện và sẽ bị quỏ tải. Trong nhiều trường hợp, bộ lọc hài bậc 5 phải được chỉnh để cộng hưởng tại bậc hài 4.7 hoặc 4.8. Như vậy bộ lọc cú thể bị giảm khả năng lọc hài nhưng lại trỏnh được khả năng bị quỏ tải.
Cấu trỳc lắp cỏc bộ lọc tạo đường dẫn song song được vẽ trờn hỡnh 2.7. Đường dẫn trở khỏng thấp với những hài xỏc định tạo bởi cỏc phần tử tụ điện và cuộn khỏng được điều chỉnh cộng hưởng nối tiếp mắc dọc trờn lộ dõy cấp điện. Cỏc bộ lọc này cú thể cú thờm thành phần điện trở mắc song song với cuộn khỏng để tăng khả năng làm suy giảm cỏc hài bậc cao. Thiết kế cỏc bộ lọc tạo ra trở khỏng thấp tại một tần số nhất định mà khụng gõy ra trở khỏng cao khụng mong muốn tại một tần số khỏc đũi hỏi cần cú những thiết kế chi tiết. Hỡnh 2.7 thể hiện cỏch lắp cỏc bộ lọc để lọc cỏc bậc hài đặc tớnh sinh ra bởi bộ biến đổi điện tử cụng suất 6 xung. Cỏc hài khỏc cũng được lọc theo cỏch tương tự. Trong nhiều trường hợp thực tế một bộ lọc chỉnh cho hạn chế hài bậc 5 cú thể đó là đủ.
Hỡnh 2.7 Nhiều bộ lọc điều chỉnh nối tiếp mắc song song để bẫy cỏc bậc hài [9] Tỏc dụng của cỏc bộ lọc nối song song này là tạo những đường dẫn trở khỏng thấp cho những súng hài nhất định. Một bộ lọc hài 3 pha trong thực tế cú thể kết hợp bản tụ 3 pha nối tam giỏc với cỏc cuộn khỏng một pha.
Thiết kế cuối cựng của một bộ lọc vẫn phải đảm bảo độ dự trữ khi tớnh đến dung sai của cỏc thành phần trong mạch và sự thay đổi của hệ thống điện. Vớ dụ giỏ trị của tụ điện và cuộn khỏng cú thể thay đổi trong khoảng ±5% giỏ trị định mức, cũng như vậy phải tớnh đến cả thay đổi do nhiệt độ và cỏc điều kiện làm việc khỏc [9]. Bộ lọc thụ động cú thể được phõn chia thành một số loại như sau:
Tải Nguồn
46
a. Bộ lọc thụ động rẽ nhỏnh
Sử dụng bộ lọc kiểu này mang lại tớnh kinh tế cao và thường khỏ hiệu quả trong phần lớn cỏc trường hợp. Bộ lọc được điều chỉnh để cộng hưởng nối tiếp tại một tần số hài nhất định qua đú tạo ra một đường dẫn trở khỏng thấp cho dũng hài đú. Bộ lọc này được nối theo kiểu rẽ nhỏnh với hệ thống điện. Ngoài tỏc dụng hạn chế súng hài thiết bị này cũn cú thể cải thiện hệ số cụng suất. Thực tế người ta thường tận dụng luụn cỏc tụ bự hệ số cụng suất để tạo thành bộ lọc này.
Hỡnh 2.8 Cỏc bộ lọc thụ động thường gặp [14]
Một điểm cần chỳ ý với bộ lọc này đú là nú tạo ra một điểm cộng hưởng song song tại tần số dưới tần số chỉnh. Ta phải trỏnh để tần số cộng hưởng này trựng với một tần số điều hũa nào đú. Bộ lọc thường được chỉnh để cú tần số lọc nhỏ hơn một chỳt so với bậc hài cần lọc qua đú sẽ tạo ra một biờn độ an toàn trong trường hợp một vài thụng số thay đổi.
Hỡnh 2.9 Bộ lọc điều hũa bậc 5 và ảnh hưởng của nú với hệ thống [14]
Để trỏnh sự cố xảy ra với hiện tượng cộng hưởng này cỏc bộ lọc phải được thiết kế để lọc ngay từ bậc hài nhỏ nhất.
Cỏc tụ điện hạ ỏp thường được nối tam giỏc, do vậy ta cú cấu trỳc điển hỡnh của một bộ lọc rẽ nhỏnh ở hạ ỏp như hỡnh 2.10:
47
Hỡnh 2.10 Cấu trỳc bộ lọc và mạch thay thế tương đương [14]
Cấu trỳc của bộ lọc như vậy sẽ khụng thu hỳt được dũng điện thứ tự khụng do tụ được nối tam giỏc. Điều này làm bộ lọc khụng hiệu quả trong việc lọc cỏc hài bậc ba thứ tự khụng. Do đú ở hạ ỏp để hạn chế cỏc hài này ta phải sử dụng cỏc biện phỏp khỏc.
Ngược lại, cỏc tụ điện trong mạng phõn phối thường được nối sao. Điều này tạo thuận lợi cho việc hạn chế hài bậc ba. Lắp một cuộn khỏng ở trung tớnh của bộ tụ là cỏch thụng thường để bộ tụ lọc đi hài thứ tự khụng.
Bộ lọc thụ động chỉ nờn được lắp đặt khi trở khỏng ngắn mạch tại điểm lắp đặt cú giỏ trị khụng đổi. Lý do là vỡ với bộ lọc này tần số điều chỉnh để lọc điều hũa là khụng đổi nhưng điểm cộng hưởng song song lại thay đổi tựy vào trở khỏng của hệ thống. Đõy cũng là lý do để khụng sử dụng bộ lọc kiểu này với hệ cú mỏy phỏt điện dự phũng. Mỏy phỏt điện dự phũng cú trở khỏng cao hơn rất nhiều so với trở khỏng lưới điện dẫn đến điểm cộng hưởng song song lỳc này cú giỏ trị thấp hơn nhiều và như vậy sẽ dẫn đến việc khuyếch đại cỏc súng hài.
b. Bộ lọc thụ động kiểu nối tiếp
Bộ lọc này nối nối tiếp với tải. Bộ lọc gồm điện dung và điện khỏng nối song song (hỡnh 2.11) được điều chỉnh để cú trở khỏng cao với một tần số hài nhất định. Trở khỏng cao này ngăn dũng điều hũa cú tần số bằng tần số chỉnh của bộ lọc. Tại tần số cơ bản bộ lọc cú trở khỏng thấp và như vậy cho phộp dũng cơ bản đi qua.
Hỡnh 2.11 Bộ lọc thụ động kiểu nối tiếp
Bộ lọc nối tiếp được sử dụng để ngăn một hài nhất định (vớ dụ hài bậc 3) và thường dựng trong mạch một pha vỡ khi đú khụng thể lợi dụng được đặc tớnh thứ tự khụng.
Khi lọc nhiều bậc hài khỏc nhau thỡ bộ lọc kiểu này tỏ ra hạn chế. Lý do là vỡ cấu trỳc mạch lọc khi đú gồm nhiều bộ lọc nối tiếp, mỗi bộ lọc được điều chỉnh để lọc một hài nhất định, dẫn đến tổn hao quỏ lớn.
48
Ngoài ra bộ lọc nối tiếp cũn phải mang dũng đầy tải khi làm việc và phải lắp thờm cỏc thiết bị bảo vệ quỏ dũng.
c. Bộ lọc thụng thấp
Khi phải lọc một dải nhiều tần số điều hũa, bộ lọc thụng thấp là một giải phỏp lý tưởng. Với bộ lọc này, dũng hài cú tần số nhỏ hơn tần số cắt cú thể đi qua cũn dũng hài cú tần số cao hơn tần số cắt sẽ bị lọc đi. Cấu trỳc điển hỡnh của một bộ lọc kiểu này như trờn hỡnh 2.12
Hỡnh 2.12 Cấu trỳc của bộ lọc thụng thấp
Bộ lọc thụng thấp ứng dụng trong cụng nghiệp cú cấu trỳc như hỡnh 2.13:
Hỡnh 2.13 Bộ lọc thụng thấp dựng trong cụng nghiệp
Trong cấu trỳc trờn, sự cú mặt của tụ điện làm tăng điện ỏp tại tại đầu vào của tải, do vậy cần lắp thờm một mỏy biến ỏp giảm ỏp [14].
d. Bộ lọc tụ C
Bộ lọc tụ C là một giải phỏp cú thể thay thế được cho bộ lọc thụng thấp. Bộ lọc này cú thể làm suy giảm một dải cỏc bậc điều hũa sinh ra từ cỏc bộ biến đổi điện tử cụng suất, cỏc lũ hồ quang...
Cấu trỳc của bộ lọc tụ C như hỡnh 2.14:
49 Nguyờn lý của bộ lọc như sau:
Tại tần số cơ bản tụ Ca và Lm tạo ra cộng hưởng dẫn đến ngắn mạch điện trở R. Do vậy cỏc tổn hao sinh ra do trở R được loại trừ.
Tại tần số hài bậc cao, dung khỏng Ca rất nhỏ trong khi cảm khỏng Lm lớn, và điện khỏng của nhỏnh Lm Ca gần bằng khỏng của Lm . Lỳc này bộ lọc tụ C lại cú dạng giống như bộ lọc thụng cao bậc hai. Núi cỏch khỏc, đỏp ứng tần của bộ lọc kiểu tụ C và bộ lọc thụng cao bậc hai là gần giống nhau ở đoạn tần số cao.
Hỡnh 2.15 Bộ lọc tụ C và đỏp ứng tần của trở khỏng (đường nột liền) [14]
2.1.4.2. Bộ lọc tớch cực
Nguyờn lý của bộ lọc tớch cực là bơm vào trong hệ thống cỏc súng hài ngược