7. Cấu trúc của luận văn
2.6 Kết luận chương 2
Chương 2 trình bày về công suất, hệ số công suất, ý nghĩa của hệ số công suất, bên cạnh việc đưa ra các khái niệm nêu trên, thì các yếu tố ảnh hưởng tới hệ số công suất, lợi ích của việc bù công suất phản kháng cũng được làm rõ. Ý nghĩa của việc bù công suất phản kháng có thể kể đến như là: Giảm tổn thất công suất, điện áp trong mạng điện; Tăng khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp, đồng thời đưa ra cơ sở lý thuyết thực hiện việc “bù công suất phản kháng kiểu tĩnh”. Chương này cũng trình bày chi tiết về bù công suất phản kháng với cấu trúc SVC, nguyên lý hoạt động của hệ thống, và cách tính toán các tham số của hệ thống.
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG BÙ CSPK 3.1Hệ thống bù công suất phản kháng FC-TCR
3.1.1 Sơ đồ tổng quan
Hình 3.1. Hệ thống bù CSPK FC-TCR
Hệ thống bù công suất phản kháng FC-TCR là một trong các phương pháp bù CSPK kiểu tĩnh SVC, trong đó bao gồm hai thành phần chính là nhánh tụ bù cố định và nhánh cảm thay đổi thông qua việc thay đổi góc kích mở Thyristors. Đối với bù trung thế, hệ thống bù được đặt trước cuộn sơ cấp của máy biến áp hạ áp (MBA), như trong hình 3.1.
TCR (Thyristor Controlled Reactor): Là thiết bị dùng điều khiển một cách liên tục dòng điện qua cuộn cảm mắc song song với lưới bằng cách điều khiển góc kích của thyristor và được nối vào thanh cái điện áp thấp.
Sơ đồ mạch một pha của bộ TCR, bao gồm cặp thyristor mắc song song, ngược chiều nhau và nối vào cuộn điện kháng tuyến tính.
XL Nút điện áp cao SVC G T Hình 3.2. Sơ đồ mạch FC-TCR Trong đó: XL: Điện kháng chính.
T: Thyristor có chức năng điều chỉnh dòng điện đi qua TCR. G : Cực kích của thyristor.
Đóng ngắt có điều khiển các thyristor kết hợp với đáp ứng của cuộn kháng tuyến tính cho phép điện kháng hiệu dụng tần số cơ bản của TCR, mà nó là hàm số của góc kích, thay đổi một cách liên tục từ giá trị điện kháng xác định của cuộn kháng (ứng với trạng thái dẫn hoàn toàn của Thyristor) đến một giá trị vô hạn (ứng với trạng thái ngắt của thyristor).
FC (fixed capacitor):là thành phần tụ có giá trị lớn đủ để tạo ra lượng công suất phản kháng đủ để bù cho lượng công suất phản kháng lớn nhất mà phụ tải gây ra.
Khi non tải, lưới và tải có tính chất dung. Khi đó, cảm kháng bù cần được thêm vào để bù lại dung kháng trong hệ thống và cả dung kháng của tụ bù cố định. Sơ đồ tương đương của bộ SVC là một cuộn cảm với cảm kháng có thể điều khiển được, như chỉ ra trong hình 3.3.
Ngược lại, khi lưới và tải mang tính chất cảm. Lúc này, bộ SVC có tác dụng thêm dung kháng bù vào hệ thống. Lượng cảm kháng bù nhỏ hơn lượng dung kháng
bù cố định, được hiệu chỉnh sao cho bằng với lượng bù quá dung do tụ bù cố định gây ra. Lúc này, sơ đồ tương đương của bộ SVC giống như khi ta hiệu chỉnh lượng dung kháng bù, như chỉ ra trong hình 3.4.
Hình 3.3. Sơ đồ tương đương khi lưới và tải mang tính chất dung
3.1.2 Tính toán giá trị tụ bù cố định FC
Tụ điện tĩnh là thành phần chính cung cấp lượng dung kháng để tạo ra công suất phản kháng bù trái dấu với CSPK của phụ tải. Bởi vì thông thường, hầu hết các phụ tải mang tính cảm, do đó điện áp sớm pha hơn so với dòng điện, điều này dẫn tới việc tồn tại hệ số công suất trễ. Để hệ số công suất tiến tới giá trị mong muốn thì ta cần bù lượng CSPK bằng đúng giá trị CSPK phụ tải gây ra, và bất kỳ việc bù thừa hoặc bù thiếu đều dẫn tới hệ số công suất nhỏ hơn 1. Do đó, ta có công thức tính giá trị tụ bù cho hệ thống bù công suất phản kháng sau.
C = Qc
2πf. |Vrms|2 =PLoad(tan ϕ1− tan ϕ2) 2πf. |Vrms|2
(3.1) Trong đó:
𝑉𝑟𝑚𝑠: Giá trị điện áp hiệu dụng đặt trên tụ (đơn vị là V)
𝑄𝑐: Công suất phản kháng (đơn vị là Var)
𝑃𝐿𝑜𝑎𝑑: Công suất tác dụng của phụ tải (đơn vị là W)
𝜙1: Góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện trước khi thực hiện bù CSPK
𝜙2: Góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện mong muốn sau khi thực hiện việc
bù CSPK
𝑓: Tần số của lưới điện (đơn vị là Hz)
Trong thực tế sản xuất, thì tải có thể thay đổi phụ thuộc vào yêu cầu của các nhà máy. Để thích ứng với việc thay đổi đó, thì giá trị tụ bù cố định nên được chọn lớn hơn sao cho đủ để cung cấp cho lượng CSPK lớn nhất có thể gây ra bởi phụ tải.
CFixed > Cright compensated
or QC Fixed > QC right compensated
Trong đó CSPK gây ra bởi phụ tải tại thời điểm hoạt động sản xuất bình thường sẽ bằng lượng công suất phản kháng mà tụ bù cần cung cấp QLoad = QC right compensated.
3.1.3 Tính toán giá trị điện cảm (L) tại nhánh TCR
Bộ SVC không trao đổi lượng công suất phản kháng với lưới điện khi mà hệ số công suất bằng 1, và dưới điều kiện hoạt động đó lượng công suất phản kháng mà nhánh tụ cố định bù thừa sẽ được hấp thụ bởi điện cảm trên nhánh TCR. Giá trị điện cảm (L) ở nhánh TCR được tính bởi công thức sau.
L = XL 2πf =
|XCFixed − XC|
2πf
(3.2)
Trong đó: XL, XCFixed, XC tương ứng sẽ là trở kháng của điện cảm (L) ở nhánh TCR, dung kháng của tụ bù cố định, và giá trị dung kháng bù đủ trong điều kiện phụ tải không tăng CSPK.
3.1.4 Mối liên hệ giữa điện cảm (L) ở nhánh TCR, góc kích mở thyristor (α), và việc bù CSPK việc bù CSPK
a) Sự phụ thuộc của điện cảm (L) vào góc kích mở thyristors (α)
Bản chất việc điều chỉnh cảm kháng của nhánh TCR là điều khiển góc kích mở Thyristor để điều chỉnh dòng điện đi qua điện cảm, từ đó điều khiển lượng công suất phản kháng hấp thụ bởi nhánh TCR. Dòng điện qua điện cảm có thể được điều khiển bằng cách thay đổi góc kích mở Thyristor (α) và được tính theo công thức sau.
IL = V 2πfL∙
2π− 2α+ 2 sinα π
(3.3) Cảm kháng biến đổi và điện cảm (L) được biểu diễn bởi hàm số của góc kích mở thyristor như phương trình sau.
XL(α) = 2πfL ∙ π 2π− 2α+ 2 sinα (3.4) L(α) = L ∙ π 2π− 2α+ 2 sinα (3.5) Trong đó:
IL: là dòng điện chạy qua nhánh TCR (đơn vị A)
α: là góc kích mở Thyristor, có giới hạn nằm trong khoảng (0, π) ( đơn vị rad)
L(α)là hàm số biểu thị giá trị điện cảm theo góc kích mở thyristor (đơn vị H)
XL(α)là hàm số biểu diễn hàm cảm kháng thay đổi của nhánh TCR ứng với
góc kích mở thyristor ( đơn vị Ω).
Ta có thể thấy rằng cảm kháng của nhánh TCR là một hàm phụ thuộc và nó tỷ lệ với góc kích mở thyristor (α).
b) Cơ sở của việc bù công suất phản kháng
Công suất phản kháng gây ra bởi phụ tải được bù bởi nhánh bù FC-TCR được mắc song song với phụ tải. Tổng công suất phản kháng của bộ FC-TCR được tính bởi công thức sau.
Q(α) = Vrms2(BCFixed − BL(α)) (3.6) Trong đó:
BCFixed là điện dẫn của tụ bù cố định và được tính bởi công thức sau.
BCFixed = 1
XCFixed
(3.7)
BL(α)là điện dẫn của nhánh TCR được xác định như là một hàm phụ thuộc
vào góc kích mở Thyristor và được mô tả bởi phương trình sau.
BL(α) = 1 2πfL∙ 2π− 2α+ 2 sinα π (3.8) 3.2Hệ thống điều khiển
Hệ thống điều khiển được sử dụng để điều khiển hệ số cos 𝜑 nâng cao chất
lượng của hệ thống cung cấp điện. Bằng cách điều khiển góc mở α của cầu Thyristor, dòng điện qua cuộn kháng bù L có thể điều khiển, qua đó điều chỉnh được lượng kháng bù. Hệ thống điều khiển gồm có bộ tạo xung điều khiển Thyristor và bộ điều khiển phản hồi cos 𝜑.
3.2.1 Bộ tạo xung điều khiển Thyristor a. Sơ đồ khối mạch tạo xung a. Sơ đồ khối mạch tạo xung
Để cho các van của bộ biến đổi mở tại những thời điểm mong muốn thì ngoài điều kiện tại thời điểm đó trên van phải có điện áp thuận thì trên cực điều khiển phải có một điện áp điều khiển (còn gọi là tín hiệu điều khiển hay xung điều khiển). Để có hệ thống các xung điều khiển xuất hiện đúng theo yêu cầu mở van thì ta cần phải có một mạch điện để tạo ra xung điều khiển đó. Mạch điện tạo ra hệ thống xung điều khiển đó gọi là mạch điều khiển.
Hệ thống tạo xung điều khiển có nhiệm vụ tạo ra 2 kênh điều khiển thỏa mãn: + Góc điều khiển thay đổi rộng.
+ Thông số xung các kênh phải như nhau.
+ Xung điều khiển phải thoả mản các yêu cầu cơ bản như công suất, biên độ cũng như thời gian tồn tại xung để mở chắc chắn các van đối với mọi loại phụ tải.
Thông thường độ dài xung nằm trong khoảng (200600) s là đảm bảo mở chắc chắn
Hiện nay, thường sử dụng 3 hệ thống tạo xung cơ bản: hệ thống điều khiển pha đứng, hệ thống điều khiển pha ngang và hệ thống điều khiển dùng điôt 2 cực gốc. Trong luận văn này, tác giả sử dụng phương pháp điều khiển pha đứng. Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển pha đứng được chỉ ra như trong hình 3.5, trong đó:
Hình 3.5. Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển pha đứng
+ Khối đồng bộ hoá và phát phát sóng răng cưa (ĐBH-FSRC) có nhiệm vụ tạo ra một hệ thống xung hình răng cưa lặp đi lặp lại với chu kỳ bằng chu kỳ điện áp nguồn xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu và điều khiển được thời điểm xuất của chúng trong mỗi chu kỳ.
+ Khối so sánh (SS) có nhiệm vụ so sánh điện áp răng cưa và điện áp điều khiển để tạo ra một hệ thống các xung xuất hiện một cách chu kỳ bằng chu kỳ điện áp răng cưa và điều khiển được thời điểm xuất hiện xung.
+ Khối tạo xung (TX) để đảm bảo các yêu cầu về độ chính xác của thời điểm xuất hiện xung, sự đối xứng của các xung ở các kênh khác nhau, mà người ta thường thiết kế cho khâu so sánh làm việc với công suất ra nhỏ, do đó xung ra của khâu so sánh thường chưa đủ các thông số yêu cầu của điện cực điều khiển Thyristor. Để có xung có đủ các thông số yêu cầu cần thiết ta phải thay đổi lại độ dài xung, phân chia xung, khuyếch đại xung và cuối cùng là truyền xung. Mạch tạo xung bao gồm: mạch sửa xung, mạch phân chia xung, và mạch khuyếch đại và truyền xung.
+ Khối tổng hợp và khuyếch đại trung gian (TH-KĐTG) có nhiệm vụ tổng hợp các tín hiệu phản hồi với tín hiệu chủ đạo sau đó khuyếch đại chúng lên thành điện áp điều khiển.
+ U1: Điện áp lưới (nguồn) xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu
+ Uđk: Điện áp điều khiển. Đây là điện áp một chiều lấy từ đầu ra của khối
(TH-KĐTG) dùng để điều khiển giá trị góc .
+ UđkT: Điện áp điều khiển Tiristor,là chuổi các xung điều khiển lấy từ đầu ra hệ thống điều khiển và được truyền đến cực điều khiển (G) và Katôt (K) của Thyristor.
b.Nguyên lý làm việc mạch tạo xung
Nguyên lý cơ bản của hệ thống điều khiển theo nguyên tắc pha đứng như sau: + Tín hiệu điện áp cung cấp cho mạch động lực chỉnh lưu được đưa đến mạch đồng bộ hoá của khối 1 và trên đầu ra của mạch đồng bộ hoá ta có các điện áp thường có dạng hình sin với tần số bằng tần số điện áp nguồn cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu và trùng pha hoặc lệnh pha một góc pha xác định nào đó so với điện áp nguồn. Điện áp này gọi là điện áp đồng bộ và ký hiệu là Uđb.
+ Điện áp đồng bộ được đưa vào mạch phát điện áp răng cưa, kết quả là trên đầu ra của mạch phát điện áp răng cưa có một hệ thống các điện áp dạng hình răng cưa đồng bộ về tần số và góc pha với các điện áp đồng bộ. Các điện áp này gọi là điện áp răng cưa Urc.
+ Các điện áp răng cưa được đưa vào khối so sánh (SS) và ở đó còn có một tín hiệu khác nữa gọi là điện áp điều khiển Uđk. Hai tín hiệu này được mắc với cực tính sao cho tác động của chúng lên mạch SS là ngược chiều nhau.
+ Khối SS làm nhiệm vụ so sánh hai tín hiệu này và tại những thời điểm 2 tín hiệu này có giá trị tuyệt đối bằng nhau thì đầu ra khối SS sẽ thay đổi trạng thái. Như vậy khối SS là một mạch điện hoạt động theo nguyên tắc biến đổi tương tự-số (Analog-Digital). Do tín hiệu ra của mạch SS là dạng tín hiệu số nên chỉ có hai giá trị có ‘1’ hoặc không ‘0’. Tín hiệu ra của khối SS là các xung xuất hiện với chu kỳ bằng chu kỳ điện áp răng cưa,nếu thời điểm bắt đầu xuất hiện của một xung nằm trong vùng sườn xung nào của Urc tài sườn xung ấy của Urc được gọi là sườn sử dụng. Điều này có nghĩa là: Tại thời điểm Urc=Uđkở phần sườn sử dụng trong một chu kỳ của điện áp răng cưa thì trên đầu ra của khối SS sẽ bắt đầu xuất hiện một xung điện áp. Từ đó ta thấy có thể thay đổi được thời điểm xuất hiện xung đầu ra của khối so sánh
bằng cách thay đổi giá trị của Uđk khi giữ nguyên dạng của Urc.
+ Trong một số trường hợp thì xung ra của khối SS được đưa đến cực điều khiển của Thyristor nhưng đa số các trường hợp thì xung ra của khối SS chưa đủ các yêu cầu cần thiết đối với tín hiệu điều khiển Thyristor. Để có tín hiệu đủ yêu cầu thì người ta phải thực hiện việc sửa xung, khuyếch đại xung. Các nhiệm vụ này được thực hiện ở mạch tạo xung (TX).
+ Cuối cùng trên đầu ra khối TX là một chuỗi xung điều khiển UđkT có đủ
thông số yêu cầu về công suất, biên độ, độ dài xung… mà thời điểm bắt đầu xuất hiện của các xung thì hoàn toàn trùng với thời điểm xuất hiện xung trên đầu ra khối SS. Vậy thời điểm xuất hiện của tín hiệu điều khiển trên điện cực điều khiển và Katôt của Thyristor cũng chính là thời điểm xuất hiện xung đầu ra khối SS, tức là khối SS đóng vai trò xác định giá trị góc điều khiển . Như đã nêu ở trên, ta có thể thay đổi thời
điểm xuất hiện xung ra khối so sánh bằng cách thay đổi giá trị Uđk.Vậy điều khiển
giá trị điện áp điều khiển Uđk ta điều khiển được giá trị góc mở .
Hệ thống điều khiển pha đứng tuy có mạch phát xung khá phức tạp nhưng các xung được tạo ra đáp ứng được yêu cầu như:
+ Phạm vi điều chỉnh góc mở rộng = (0 1800) + Tổng hợp tín hiệu dễ dàng
+ Công suất, biên độ ,độ rộng xung đảm bảo yêu cầu mở Tiristo + Dễ tự động hoá và tự động hoá ở trình độ cao.
3.2.2 Bộ điều khiển phản hồi 𝐜𝐨𝐬 𝝋 (Khối TH-KĐTG)
Cấu trúc của bộ điều khiển phản hồi cos 𝜑 được chỉ ra trong hình 4.6, sử dụng bộ điều khiển PID. Trong sơ đồ, R(s) là tín hiệu đặt cos phi mong muốn, C(s) là cos 𝜑
đo được từ hệ thống.
Hình 3.6. Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển phản hồi 𝒄𝒐𝒔 𝝋
dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển, gồm 3 thành phần: tỷ lệ (P), tích phân (I) và đạo hàm (D). Bộ điều khiển PID sẽ tính toán giá trị sai lệch giữa giá trị đo được
(MV) với giá trị đặt mong muốn (SP), ở đây là hệ số cos 𝜑 của hệ thống. Bộ điều
khiển có tác dụng giảm tối đa sai lệch bằng cách điều chỉnh giá trị (điện áp) điều khiển. Một bộ điều khiển PID sẽ được gọi là bộ điều khiển PI, PD, P hoặc I nếu vắng mặt các tác động bị khuyết.
Khâu tỉ lệ: làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ với giá trị sai số hiện tại. Đáp ứng tỉ lệ có thể được điều chỉnh bằng cách nhân sai số đó với một hằng số 𝐾𝑝, được gọi