+ Với hệ thống 3 pha khụng cú dõy trung tớnh:
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
(3-4) Cụng thức quy đổi dũng điện: Cụng thức quy đổi dũng điện:
(3-5) Cụng suất tải đƣợc tớnh theo cụng thức:
(3-6) Cụng suất p,q cú thể tỏch đƣợc ra thành 2 thành phần:
. Thành phần một chiều , tƣơng ứng với thành phần cơ bản của dũng tải.
. Thành phần điều hũa bậc cao ,
(3-7) Khi đú, tổng cụng suất tức thời xỏc định bởi tải:
+ (3-8) Trong đú:
P: thành phần cụng suất tỏc dụng của Q: thành phần cụng suất phản khỏng của
Nguồn chỉ cung cấp thành phần cụng suất một chiều của tải và cụng suất tổn hao của bộ nghịch lƣu.
Mạch lọc tớch cực cú nhiệm vụ cung cấp thành phần cụng suất xoay chiều của p và cụng suất phản khỏng q.
Khi đú ta cú cụng suất cung cấp bởi mạch lọc:
(3-9) và dũng cần bự:
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
Tuy nhiờn do điện ỏp trờn tụ là khụng ổn định, do đú để đảm bảo điện ỏp trờn tụ khụng đổi thỡ nguồn cần cung cấp một cụng suất p0 để duy trỡ điện ỏp trờn tụ khụng đổi. Bởi vậy, cụng thức tớnh dũng bự cần thiết trong hệ αβ khi kết hợp cả chức năng lọc súng điều hũa và bự cụng suất phản khỏng:
(3-11)
Từ cụng thức này, ta tớnh đƣợc dũng bự trong hệ tọa độ abc.
(3-12) Từ đú ta cú thuật toỏn điều khiển theo thuyết p-q:
ua ub uc ia ib ic Calculation u, u Calculation i, i Calculation P q Calculation ic* ic* Calculation ica* icb* icc* Udc - + Udc Udc-ref po filter p q ~ p PI
Hỡnh 3.11. Thuật toỏn điều khiển dựa trờn thuyết p-q.
Nhƣ vậy bằng cỏch sử dụng thuyết p-q ta đó xỏc định đƣợc dũng bự cần thiết từ đú xõy dựng cấu trỳc điều khiển cho bộ lọc song song.
Theo phƣơng phỏp sử dụng thuyết p-q để tớnh toỏn dũng bự cần thiết cho chức năng lọc súng điều hũa bậc cao và bự CSPK cú hạn chế là điện ỏp trong tớnh toỏn yờu cầu phải sin và cõn bằng. Nếu điều này khụng đƣợc thỏa món thỡ bản thõn thuyết p-q khụng cũn đỳng nữa. Giải phỏp để khắc phục hiện tƣợng điện ỏp lƣới khụng sin hoặc mất cõn bằng cú hai cỏch là:
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
* Cỏch thứ nhất là lọc bỏ thành phần súng điều hũa trong điện ỏp lƣới trƣớc khi đƣa vào tớnh toỏn. Giải phỏp này thƣờng đƣợc sử dụng khi súng điều hũa điện ỏp cú tần số cao và khi lọc thành phần điều hũa khụng làm thay đổi gúc pha của điện ỏp. Hơn nữa giải phỏp này chỉ đỏp ứng tốt khi khụng cú thành phần thứ tự nghịch. Đõy là hạn chế của giải phỏp này.
* Cỏch thứ hai ngƣời ta thƣờng sử dụng đú là dựng mạch PLL (Phase-locked- loop) để xỏc định thành phần cơ bản của điện ỏp tại điểm kết nối.
Ngoài ra khi sử dụng thuyết p-q để thực hiện thuật toỏn điều khiển thiết bị lọc súng điều hũa bậc cao và bự CSPK cũn xuất hiện thành phần dũng điện ảo. Tất nhiờn thành phần dũng ảo cú thể bị triệt tiờu nếu nhƣ lọc với đặc tớnh giống nhau tức là thành phần này chỉ xuất hiện khi trong quỏ trỡnh tớnh toỏn dũng bự chuẩn ta chỉ bự p hoặc q hoặc chỉ bự q. Khi tớnh toỏn dũng bự cho cả p và q thỡ sẽ triệt tiờu đƣợc thành phần dũng ảo này.
3.3. Cấu trỳc mạch lọc súng điều hũa và bự CSPK dựng chỉnh lưu PWM
3.3.1. Nguyờn lý điều khiển.
Trong cấu trỳc này chỉnh lƣu PWM thực hiện cả chức năng lọc súng điều hũa bậc cao và bự CSPK. Sơ đồ cấu trỳc điều khiển nhƣ hỡnh 3.11
Nguồn một chiều cấp cho nghịch lƣu cú thể cấp trực tiếp từ nguồn một chiều hoặc từ tụ điện. Trong thực tế ngƣời ta thƣờng sử dụng tụ điện để tạo điện ỏp một chiều cấp cho bộ nghịch lƣu.
Để đảm bảo nguồn một chiều cấp cho nghịch lƣu cú giỏ trị ổn định một bộ điều chỉnh điện ỏp đƣợc sử dụng. Điện ỏp trờn tụ đƣợc đo và so sỏnh với giỏ trị điện ỏp chuẩn . Sai lệch của hai tớn hiệu này đƣợc đƣa vào bộ điều khiển, tớn hiệu ra của bộ điều khiển đƣợc sử dụng để tớnh toỏn dũng bự cần thiết để loại bỏ súng điều hũa bậc cao và bự CSPK. Dũng bự này đƣợc coi nhƣ là tớn hiệu chuẩn và dũng điện phỏt ra bởi bộ nghịch lƣu phải đảm bảo bỏm theo dũng này. Để thực hiện việc này cú thể cú nhiều cỏch nhƣng phƣơng phỏp điều khiển bang-bang (hysteresis current control) là phƣơng phỏp điều khiển đƣợc sử dụng phổ biến bởi những ƣu điểm của nú nhƣ đỏp ứng dũng điện nhanh, chớnh xỏc, đơn giản và dễ thực hiện.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn Bể mạ C Calculation p, q abc iL iC abc ~ Calculation ic*, ic* Udc Udc_ref + - PI Us iL U U i i + - abc ic* ic* q p~ p p0 ih ih* HPF PWM Hysteresis Current control L iS AT
Hỡnh 3.12. Cấu trỳc điều khiển chỉnh lƣu PWM làm bộ lọc tớch cực
Đầu vào của bộ điều khiển này đƣợc lấy từ sai lệch khi so sỏnh dũng thực và dũng chuẩn từ đú tạo ra xung đúng cắt bộ nghịch lƣu để đảm bảo dũng bự cấp từ bộ nghịch lƣu bỏm theo dũng bự chuẩn đƣợc tớnh từ thuyết p-q tức thời.
Tiếp theo ta xem xột nguyờn lý hoạt động của bộ điều khiển bang-bang.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
Cơ sở của phƣơng phỏp điều khiển thớch nghi hay điều khiển bang-bang (hysteresis current control) là phƣơng phỏp điều khiển dựa trờn việc điều khiển dũng điện thực bỏm theo dũng điện chuẩn.
Hỡnh 3.13. Sơ đồ mụ tả phƣơng phỏp điều khiển kiểu bang-bang
Theo đú một băng sai lệch sẽ đƣợc thiết lập với việc đặt sai lệch giới hạn trờn và sai lệch giới hạn dƣới và mục đớch của phƣơng phỏp điều khiển này là làm sao cho dũng thực bỏm theo dũng chuẩn và nằm trong cựng dung sai này.
Độ rộng băng sẽ bằng hai lần sai lệch, sai lệch là hiệu giữa dũng giới hạn trờn với dũng chuẩn hoặc của dũng chuẩn với dũng giới hạn dƣới. Sự chuyển mạch của cỏc van theo nguyờn tắc này nhƣ sau:
- Khi sai lệch nằm trong băng sai lệch thỡ sẽ khụng cú sự chuyển mạch nào. - Khi dũng vƣợt qua giới hạn trờn thỡ bộ nghịch lƣu sẽ chuyển mạch sao cho dũng giảm xuống để sai lệch nằm trong vựng cho phộp và ngƣợc lại khi dũng giảm xuống nhỏ hơn giới hạn dƣới thỡ bộ nghịch lƣu chuyển mạch để dũng tăng lờn. Để rừ hơn ta phõn tớch sự chuyển mạch của bộ nghịch lƣu với dũng pha A:
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hỡnh 3.14. Điều khiển phỏt xung cho pha A bộ lọc tớch cực
Trong đú : ia là dũng thực pha A * a i là dũng đặt pha A * a i là sai lệch giữa dũng thực và dũng đặt
Hỡnh 3.15. Sơ đồ mụ tả điều khiển dũng điện pha A
Khi dũng thực ia tăng dần tới dũng giới hạn trờn thỡ vg1=”1” do đú T1 dẫn trong khoảng thời gian t1 khi đú dũng ia tăng. Ở thời điểm T1 thỡ ia tiến tới giới hạn trờn vg1=0, vg4=1 do đo T4 dẫn trong khoảng thời gian t2. Tại thời điểm t2 thỡ ia tiến tới giới hạn dƣới vg1=0, vg4=1 do đú T1 dẫn dũng ia lại tăng lờn và quỏ trỡnh lại lặp lại nhƣ ban đầu, T1 và T4 liờn tục đúng cắt để dũng thực ia nằm trong băng
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
Theo phƣơng phỏp điều khiển này thỡ:
- Điều chỉnh tần số dũng đặt sẽ điều chỉnh đƣợc tần số dũng thực
- Biờn độ của dũng thực đƣợc điều chỉnh thụng qua biờn độ của dũng đặt - Khi độ rộng của băng giảm thỡ dũng đƣợc điều chỉnh sẽ bỏm theo dũng đặt mịn hơn tuy nhiờn khi đú thỡ tần số đúng cắt tăng lờn.
- Khi dũng đặt là sin thỡ dũng thực cũng sin nhƣng xuất hiện một số súng hài bậc cao tuy nhiờn cú thể dễ dàng loại bỏ bằng việc sử dụng cỏc bộ lọc LC ở đầu ra bộ nghịch lƣu.
Phƣơng phỏp này cú ƣu điểm là đơn giản, dễ thực hiện, đỏp ứng nhanh tuy nhiờn bất lợi lớn nhất của phƣơng phỏp này là tần số chuyển mạch của van bỏn dẫn khụng xỏc định và thay đổi theo tải. Ngoài ra do phƣơng phỏp điều khiển dũng điện này khụng cú sự phối hợp điều khiển giữa quỏ trỡnh điều khiển dũng giữa cỏc pha. Do đú khụng cú khả năng điều khiển vectơ khụng và tổn hao do đúng ngắt lớn khi chỉ số điều chế thấp.
3.4. Kết luận.
Trong phần trờn ta đó tỡm hiểu chung về chỉnh lƣu PWM và ứng dụng để làm mạch lọc tớch cực và bự CSPK. Đƣa ra cấu trỳc điều khiển cho chỉnh lƣu PWM sử dụng thuyết p-q để thực hiện chức năng mạch lọc song song.
Chƣơng tiếp theo ta sẽ xõy dựng cấu trỳc mạch lọc tớch cực dựng chỉnh lƣu PWM và ứng dụng vào khảo sỏt với phụ tải bể mạ từ đú đỏnh giỏ chất lƣợng dũng điện trƣớc và sau khi sử dụng bộ lọc và cỏc đại lƣợng quan trọng khỏc.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
Chương 4
THIẾT KẾ BỘ LỌC TÍCH CỰC VÀ BÙ CễNG SUẤT PHẢN KHÁNG CHO TẢI BỂ MẠ NHễM 5.000A, 24V
4.1. Đặt vấn đề.
Kỹ thuật mạ điện đƣợc sử dụng rộng rói trong nhiều lĩnh vực khỏc nhau nhƣ làm đồ trang sức, chống ăn mũn, tăng tớnh thẩm mỹ trờn cỏc dụng cụ…Mạ điện thực chất là quỏ trỡnh kết tủa kim loại lờn bề mặt một lớp phủ cú những tớnh chất cơ, lý, húa…đỏp ứng đƣợc yờu cầu kỹ thuật đề ra. Để cú một lớp mạ đạt chất lƣợng tốt thỡ ngoài cỏc yếu tố nhƣ quỏ trỡnh gia cụng bề mặt kim loại trƣớc khi mạ, dung dịch chất điện phõn… thỡ nguồn cấp cho bể mạ cũng là một yếu tố quan trọng để nõng cao chất lƣợng lớp mạ.
Nguồn cấp cho bể mạ phải là nguồn một chiều với yờu cầu điện ỏp nhỏ và dũng điện lớn. Nguồn một chiều cú thể là acquy, mỏy phỏt điện một chiều, bộ biến đổi…Ngày nay, do sự phỏt triển của cụng nghiệp bỏn dẫn đó chế tạo đƣợc cỏc van bỏn dẫn chịu đƣợc dũng và ỏp cao, do đú nguồn một chiều sử dụng bộ biến đổi ngày càng đƣợc sử dụng rộng rói trong cụng nghiệp. Bộ biến đổi cho quỏ trỡnh mạ cú điện ỏp ra thấp 6(V), 12(V), 24(V), 36(V)…Tựy theo yờu cầu kỹ thuật mà chọn điện ỏp ra phự hợp. Vớ dụ mạ Niken thƣờng dựng điện ỏp ra 6(V) hay 12(V), để mạ Crom thƣờng dựng nguồn 12(V), để đỏnh búng điện húa nhụm thƣờng dựng nguồn 12- 24(V).
Trong phần này ta sẽ khảo sỏt đối với hệ thống bể mạ giả thiết gồm 5 bể với yờu cầu cho mỗi bể mạ là điện ỏp cấp cho bể mạ là 24(V), dũng mạ là 5.000(A) và trong quỏ trỡnh mạ dũng điện đƣợc giữ khụng đổi.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn Bể mạ 1 Bể mạ 2 Bể mạ 5 AT AT AT AT TBA ……… Hỡnh 4.1. Sơ đồ hệ thống bể mạ.
Để thực hiện bự cho hệ thống 5 bể mạ cú hai giải phỏp cú thể ỏp dụng: * Giải phỏp thứ nhất là sử dụng bộ bự tổng cho 5 bể mạ (bự tập trung).
Bể mạ 1 Bể mạ 2 Bể mạ 5 AT AT AT AT TBA ………… AF1 Bộ đo và điều khiển tổng AF2 AF5 Cáp truyền thông ………… Hỡnh 4.2. Giải phỏp lọc sử dụng bộ bự tổng
Theo phƣơng phỏp này cỏc bộ AF sẽ đƣợc nối tới cỏp truyền thụng tới bộ đo và điều khiển trung tõm. Bộ này tớnh toỏn lƣợng bự tổng từ đú phõn phối tới từng bộ lọc của bể mạ tƣơng ứng tựy theo chế độ hoạt động của bể mạ. Khi một bể mạ khụng làm việc thỡ bộ điều khiển sẽ ra lệnh cho bộ lọc của bể mạ đú khụng làm việc. Phƣơng phỏp này cú ƣu điểm là tiết kiệm chi phớ tuy nhiờn vấn đề điều khiển lƣợng bự thớch hợp tới từng bể mạ rất phức tạp.
* Giải phỏp thứ hai là bự sỏt nỳt phụ tải tức là với mỗi bờ mạ sẽ cú một bộ lọc tƣơng ứng riờng rẽ khụng liờn quan tới bộ lọc của bể mạ khỏc (bự phõn tỏn).
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
Theo phƣơng ỏn này thỡ đối với bể mạ sẽ sử dụng một mạch lọc và cỏc mạch lọc này hoạt động riờng rẽ mà khụng liờn quan tới nhau. Phƣơng ỏn này cú ƣu điểm là cú thể mở rộng ra cho nhiều bể mạ, điều khiển đơn giản hơn so với giải phỏp bự tổng tuy nhiờn chi phớ sẽ tăng.
Ở đõy ta nghiờn cứu theo giải phỏp bự sỏt nỳt phụ tải. Do cỏc bể mạ là giống nhau nờn theo giải phỏp này ta chỉ cần xột đối với một bể mạ từ đú cú thể mở rộng ra cho cỏc bể mạ cũn lại hoặc cú thể thờm ứng dụng khi mở rộng số bể mạ thỡ khi đú chỉ cần đƣa thờm mạch lọc khỏc. Bể mạ 1 Bể mạ 2 Bể mạ 5 AT AT AT AT TBA …………
AF1 AF2 AF5
Hỡnh 4.3. Giải phỏp bự sỏt nỳt phụ tải 4.2. Phõn tớch ảnh hưởng của tải bể mạ lờn lưới điện.
4.2.1. Xõy dựng mụ hỡnh để phõn tớch ảnh hưởng của phụ tải bể mạ đến lưới. Cỏc thụng số của mụ hỡnh :
- Điện ỏp nguồn 380(V), tần số 50(Hz)
- Điện ỏp một chiều cấp cho bể mạ 24(V), dũng điện mạ 5.000(A) - Thụng số bộ điều chỉnh dũng điện: Kp=0,011, Ki=110
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
Điện ỏp xoay chiều ba pha đƣợc lấy từ lƣới qua mỏy biến ỏp cấp cho bộ chỉnh lƣu thyristo để tạo nguồn một chiều cấp cho bể mạ. Việc thay đổi dũng mạ đƣợc thƣc hiện thụng qua bộ chỉnh lƣu cầu ba pha thyristo. Bằng việc thay đổi gúc mở của bộ CL ba pha sẽ thay đổi đƣợc điện ỏp ra, từ đú thay đổi đƣợc dũng mạ. Trong hệ thống này dũng mạ đƣợc giữ ổn định ở 5.000(A) bằng bộ điều chỉnh dũng điện RI.
Trong hệ thống này bao gồm nguồn cấp, mỏy biến ỏp, bộ chỉnh lƣu cầu ba pha thyristo, bộ điều chỉnh để ổn định dũng mạ.
Trong trƣờng hợp này ta giả sử nguồn cấp cho hệ thống bể mạ là nguồn lý tƣởng (sin và cõn bằng). Trong phần này ta sẽ sử dụng phần mền Matlab/Simulink để đỏnh giỏ thành phần dũng điều hũa bậc cao trong dũng điện nguồn gõy ra do tớnh phi tuyến của phụ tải bể mạ nhụm.
Sơ đồ mụ hỡnh của hệ thống:
Hỡnh 4.5. Mụ hỡnh hệ thống điờu khiển. Hỡnh 4.4. Hệ thống cấp nguồn cho bể mạ
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
Cỏc khõu chớnh trong hệ thống điều khiển bể mạ bao gồm:
1. Nguồn.
Hệ thống nguồn 3 pha 3 dõy cung cấp cho tải phi tuyến. Nguồn xoay chiều 3 pha cú trị hiệu dụng U=220(V), tần số 50(Hz), giỏ trị gúc pha của cỏc pha A, B, C lệch pha nhau 1200. Mụ hỡnh nguồn 3 pha:
Hỡnh 4.6. Nguồn xoay chiều 3 pha
2. Mụ hỡnh tải.
Đõy là đối tƣợng ta sẽ khảo sỏt từ đú thiết kế bộ lọc để lọc thành phần súng điều hũa gõy ra do tải phi tuyến từ đú cải thiện đƣợc chất lƣợng điện năng.
Mụ hỡnh tải phi tuyến: - Khối mạch lực:
Cấu trỳc hệ thống khi lắp thờm mạch lọc tớch cực: