Hình 4.1. Cấu hình mạch thay thế của MERS khi mắc nối tiếp với tải
Nguyên tắc điều khiển chính đó là: để điều khiển biên độ điện áp trên tải bằng việc thay đổi điện áp trên tụ của MERS, từ đó hệ số công suất cũng thay đổi theo.
a. Khi không có MERS b. Chế độ chậm sau c. Chế độ cân bằng d. Chế độ vượt trước
Hình 4.2. Đồ thị véc tơ biểu diễn quan hệ điện áp và dòng điện tùy theo pha của điện áp MERS
- : Là góc lệch pha giữa điện áp nguồn (Vin) và điện áp trên MERS (Vmers); - : Là góc lệch pha giữa điện áp tải và dòng điện (góc hệ số công suất của tải).
Như ta đã phân tích ở trên: Điều khiển góc mở các cặp van () tức là điều khiển pha của Vmers.Một cách tổng quát biểu đồ véc tơ trên hình 4.2 biểu diễn là góc giữa điện áp đầu vào (𝑉̇𝑖𝑛) và điện áp trên bộ MERS (𝑉̇𝑚𝑒𝑟𝑠). Ta thấy: Bằng việc thay đổi góc thì điện áp đầu ra (𝑉̇𝑡𝑒𝑟𝑚) cũng thay đổi theo. Vì thế nên tùy thuộc vào góc mà giá trị điện áp trên tải có thể nhỏ hơn, lớn hơn hoặc bằng điện áp đầu vào. Mặt khác, do điện áp trên MERS (𝑉̇𝑚𝑒𝑟𝑠) luôn lệch pha 900 so với dòng điện
Nguyễn Văn Hoạt – CB120353
39
nên bằng việc thay đổi góc pha của dòng điện ta có thể thay đổi được điện áp ra trên tải đồng thời thay đổi được cả hệ số công suất. Vì MERS không sinh ra cũng như tiêu thụ nguồn tích cực nên từ các đồ thị véc tơ được biểu diễn trên hình 4.2 ta có quan hệ giữa các đại lượng điện áp đầu vào (𝑉̇𝑖𝑛) và điện áp ra trên tải (Vterm) bằng biểu thức (4.1) như sau:
cos sin . . . in term V V (4.1) Gọi là hệ số công suất đầu vào, được tính bởi công thức:
) 90 cos( 0 (4.2) Ta có một số nhận xét sau:
Hình 4.2.a thể hiện khi = 900 - : khi đó |𝑉̇𝑡𝑒𝑟𝑚| =|𝑉̇𝑖𝑛| và = cos. Nghĩa là MERS không tăng áp đầu vào, điện áp trên tụ bằng 0 hoặc là khi không có MERS;
Hình 4.2.b thể hiện điện áp đầu ra được tăng lên và hệ số công suất được cải thiện |𝑉̇𝑡𝑒𝑟𝑚| >|𝑉̇𝑖𝑛| nhưng lúc này hệ số công suất là chậm sau (lag power factor);
Hình 4.2.c thể hiện khi = 900, hệ số công suất = 1 và điện áp đầu ra đạt giá trị lớn nhất; cos . max . in term V V (4.3) Hình 4.2.d thể hiện khi = 900 + : Điện áp đầu ra bằng với điện áp đầu vào|𝑉̇𝑡𝑒𝑟𝑚| =|𝑉̇𝑖𝑛|nhưng lúc này hệ số công suất vượt trước (lead power factor).
Có một điểm chú ý đó là: trong chế độ liên tục thì góc mở van chính bằng góc . Khi α = 900 + , điện áp đầu ra thay đổi tùy thuộc vào giá trị góc α mà 𝑉̇𝑡𝑒𝑟𝑚
có thể lớn hơn, nhỏ hơn hoặc bằng 𝑉̇𝑖𝑛, lúc này hệ số công suất là vượt trước. Nhưng trong chế độ không liên tục thì α không bằng δ nữa mà phụ thuộc vào các thành phần của mạch điện.
Nguyễn Văn Hoạt – CB120353
40
số công suất (cos) với góc α được biểu diễn trên hình 4.3 như sau:
Hình 4.3. Quan hệ điện áp tải, hệ số công suất với góc α
Theo tài liệu [7], để giảm các thành phần sóng hài bậc thấp trong điện áp và dòng điện tải, MERS cần được tối ưu để hoạt động ở chế độ cân bằng. Điện áp trên cuộn cảm được cho bởi biểu thức (4.4):
|𝑉̇𝐿| = |𝑉̇𝑡𝑒𝑟𝑚|𝑠𝑖𝑛 (4.4) Do dòng điện chảy qua MERS cũng là dòng chảy qua cuộn cảm, nên điện kháng trên MERS được biểu diễn bởi biểu thức (4.5):
𝑋𝑀𝐸𝑅𝑆 = 2 cos(𝛼 +)
cos(𝛼 +) − cos(𝛼 −). 𝑋𝐿 (4.5)
Hình 4.4. Điện kháng của MERS theo góc pha 𝛼
Nguyễn Văn Hoạt – CB120353
41
đó: L là điện cảm của tải và XL = ωL. Điều kiện để đạt được chế độ cân bằng là khi XMERS = XC, với điện kháng trên tụ điện của MERS là XC. Từ đường đặc tính trên hình 4.4 cho thấy giá trị XMERS biến thiên khi MERS hoạt động trong các chế độ liên tục và không liên tục. Điều này có nghĩa là MERS có thể hoạt động như một tụ điện có khả năng thay đổi dung kháng.
Như vậy bằng cách điều khiển thời điểm đóng cắt tụ vào mạch sẽ làm thay đổi hệ số công suất và điện áp ra trên tải. MERS hoàn toàn có thể điều khiển được điện áp ra trên tải và ứng dụng như một bộ bù công suất phản kháng. Tuy nhiên đối với việc bù công suất phản kháng, khi điều chỉnh hệ số công suất bằng một thì điện áp tải tăng vượt giá trị điện áp nguồn, hệ số vượt phụ thuộc vào hệ số công suất của tải.
Để đảm bảo bù hoàn toàn công suất phản kháng các góc phát xung trong từng chế độ khác nhau. Ở chế độ liên tục góc 𝛿 được cố định bằng 1
2 f hay chính bằng π/2, nhưng chế độ không liên tục, góc phát xung được tính bởi biểu thức (4.6):
𝛿 = 𝜋
2√𝐿𝐶 (4.6)