TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ LỌC – CẤU TRÚC VÀ NGUYấN Lí HOẠT ĐỘNG CỦA BỘ LỌC TÍCH CỰC
3.2.1. Bộ lọc thụ động
Bộ lọc thụ động cú thể được thiết kế để giảm được cỏc súng hài 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 điện ỏp hài tại điểm xột giảm đi. Xột một hệ thống điện như trờn hỡnh (3.1), 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.
Vỡ vậy, 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. Trong nhiều trường hợp, khi cú đủ điện khỏng nguồn tớnh tại điểm ta xột để giảm súng hài thỡ một bộ lọc đặt tại điểm này cú thể sẽ hỳt súng hài từ nhiều nguồn hài khỏc nhau chảy đến. Điểm đặt này gọi là điểm đấu nối chung PCC (Point of Common Coupling). Tuy nhiờn, trong mọi trường hợp bộ lọc phải được thiết kế để trỏnh quỏ tải khi phải hứng dũng hài chảy đến từ những phần khỏc của hệ thống điện, điều này khiến việc tớnh toỏn trở nờn phức tạp.
Hỡnh 3.1. Hệ thống điện với cỏc nguồn hài phõn tỏn
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 chẳng hạn. 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, 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 trong hỡnh (3.2). 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 đường dõy cấp điện. Cỏc bộ lọc này cú thể cú thờm thành phần điện trở mắc song song với cuộn khỏng
IH1' IH2' IH3' IH4'
IH1 IH2 IH3 IH4
IHNguồn Nguồn
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 3.2. Nhiều bộ lọc điều chỉnh nối tiếp mắc song song để bẫy cỏc bậc hài Hỡnh (3.2) 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 điều chỉnh để hạn chế hài bậc 5 cú thể đó là đủ.
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 ba pha trong thực tế cú thể kết hợp bản tụ ba 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.
Bộ lọc thụ động cú thể được phõn chia thành một số loại như sau:
Bộ lọc thụ động kiểu 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
X5 X7 X11 X13 X17
X1
Thêm trở với các tần số cao
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 3.3. Cỏc bộ lọc thụ động kiểu rẽ nhỏnh thường gặp
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 điều chỉnh. Ta phải trỏnh để tần số cộng hưởng này trựng với một tần số hài nào đú. Bộ lọc thường được điều 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 3.4. Bộ lọc súng hài bậc 5 và ảnh hưởng của nú với hệ thống
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. Thường cỏc tụ điện hạ ỏp được nối tam giỏc, do vậy ta cú cấu trỳc điển hỡnh của một bộ lọc rẽ nhỏnh ở hạ ỏp như hỡnh dưới đõy:
Hỡnh 3.5. Cấu trỳc bộ lọc hạ ỏp và mạch thay thế tương đương
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 bội ba (tripler) 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 bội 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 t ại điểm lắp đặt cú giỏ trị khụng đổi. Lý do là vỡ với bộ lọc này thỡ tần số điều chỉnh để lọc súng hài 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 thống 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 khuếch đại cỏc súng hài.
Bộ lọc thụ động kiểu nối tiếp
Bộ lọc này nối nối tiếp với tải. Bộ lọc gồm tụ điện và cuộn khỏng nối song song được điều chỉnh để cú trở khỏng cao với một tần số hài nhất định. Trở khỏng cao này ngăn dũng hài 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 3.6. Bộ lọc thụ động kiểu nối tiếp
Bộ lọc nối tiếp được sử dụng để lọc 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 bộ 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.
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.
Bộ lọc thụng thấp
Khi phải lọc một dải nhiều tần số hài, 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 sau:
Hỡnh 3.7. Cấu trỳc của bộ lọc thụng thấp
Bộ lọc thụng thấp ứng dụng trong cụng nghiệp cú cấu trỳc như hỡnh (3.8). Trong cấu trỳc này, sự cú mặt của tụ điện làm tăng điện ỏp tại đầu vào của tải, do vậy cần lắp thờm một mỏy biến ỏp giảm ỏp.
Hỡnh 3.8. Bộ lọc thụng thấp dựng trong cụng nghiệp
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 hài sinh ra từ cỏc bộ biến đổi điện tử cụng suất, cỏc lũ hồ quang ...Cấu trỳc của bộ lọc tụ C như hỡnh (3.9).
Hỡnh 3.9. Mạch thay thế tương đương khi lắp bộ lọc tụ C
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 điện 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 LmCa gần bằng điện 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 3.10. Bộ lọc tụ C và đỏp ứng tần của trở khỏng (đường nột liền)