Cấu hỡnh hệ thống cú thiết bị lọc súng hài thụ động

Hỡnh 3.1: Cấu hỡnh hệ thống cú thiết bị lọc súng hài thụ động

Tải phi tuyến đƣợc thay thế bởi nguồn phỏt súng hài, dũng điện hài (Ih) sẽ chạy vào phớa hệ thống (Is) và vào bộ lọc súng hài (If).

Ta cú: Ih= If + IS

Nhƣ vậy nhỏnh bộ lọc đƣợc đấu song song với nguồn, quan hệ giữa dũng điện hài chạy vào bộ lọc và vào phớa nguồn nhƣ sau:

S f h f h f S Z I I I Z Z ; f S h S h S f Z I I I Z Z

Với ρf và ρs là cỏc đại lƣợng phức thể hiện sự phõn bố dũng điện hài giữa bộ lọc và hệ thống. Với hệ thống đƣợc thiết kế tốt thỡ độ lớn của ρf xấp xỉ 0,995 và ρs

Cú thể thấy rằng hiệu quả lọc súng hài phụ thuộc vào tổng trở nguồn: với hệ thống cú tổng trở nguồn lớn (nguồn yếu) súng hài sẽ hầu hết đƣợc hấp thụ bởi bộ lọc và ngƣợc lại nếu hệ thống là vụ cựng lớn thỡ hiệu quả lọc súng hài sẽ rất thấp.

Do hiệu quả lọc súng hài phụ thuộc nhiều vào tổng trở nguồn nờn quỏ trỡnh thiết kế bộ lọc gồm nhiều bƣớc, sau khi tớnh toỏn xong bộ lọc sẽ mụ phỏng trờn phần mềm để kiểm tra cỏc thụng số và nếu cần sẽ phải tớnh toỏn lại thụng số bộ lọc cho phự hợp hơn. Lƣợc đồ thiết kế một bộ lọc thụ động thể hiện trờn Hỡnh 3.2

Dữ liệu đầu vào Trở khỏng Tải phổ tần súng hài, Điện dung, Cụng suất phản khỏng cần dựng? Thiết kế bộ lọc nhỏ nhất Khụng Cú Xử lý dũng tải và quyết định kớch thƣớc vị trớ bộ tụ và cỏc , bƣớc đúng cắt Thiết kế bộ lọc thụ động Dũng cụng suất súng hài tớnh toỏn Tổng độ mộo súng hài Chấp nhận đƣợc Thiết kế lại bộ lọc Tăng kvar Thờm bộ lọc song song

Thay đổi kiểu lọc

Khụng Cú Thành phần súng hài của dũng tải trờn bộ lọc cú đƣợc chấp nhận ? Cú Khụng Trị số điện ỏp Cú đƣợc chấp nhận? Dừng Tăng trị số điện ỏp

3.2. Cỏc tham số cần lựa chọn trƣớc đối với bộ lọc cộng hƣởng

3.2.1. Lựa chọn hệ số chất lượng Q cho bộ lọc.

Xột bộ lọc nhƣ trong hỡnh 3.3.

Hỡnh 3.3: Bộ lọc cộng hưởng đơn và đặc tớnh tổng trở theo tần số

Tổng trở của bộ lọc tớnh theo:

Tại tần số cộng hƣởng: khi đú

Hệ số chất lƣợng liờn quan tới khả năng của bộ lọc để hấp thụ năng lƣợng tại tần số cộng hƣởng. Giỏ trị hệ số chất lƣợng Q đối với mạch RLC của bộ lọc cộng hƣởng đơn đƣợc tớnh theo:

Về mặt hỡnh thức, giỏ trị Q quyết định mức độ hẹp hay mở rộng của đặc tớnh tổng trở (băng thụng lớn hay nhỏ). Bộ lọc cú giỏ trị Q lớn (50ữ100) sẽ cú tổng trở biến đổi nhanh khi tần số lệch khỏi tần số cộng hƣởng, và ngƣợc lại bộ lọc cú hệ số Q thấp (0.5ữ5.5) sẽ cú tổng trở biến đổi ớt trong một dải tần số lõn cận tần số cộng hƣởng [2, 5 ].

Căn cứ theo đặc tớnh của bộ lọc cú thể thấy rằng, thành phần R (hay hệ số chất lƣợng) cú ảnh hƣởng mạnh tới khả năng hấp thụ súng hài của bộ lọc, và tổn thất cụng suất trong bộ lọc. Bộ lọc cú hệ số Q lớn sẽ dễ hấp thụ lƣợng lớn súng hài của hệ thống và nhƣ vậy hiệu quả lọc súng hài sẽ là tốt nhất, tuy nhiờn điều này cú thể

1 ( ) boloc Z R j L C 1 L C Zboloc R Lh Ch L X X C Q R R R

gõy quỏ tải bộ lọc. Bộ lọc với hệ số Q nhỏ cú thể xem xột sử dụng tại những địa điểm mà hàm lƣợng súng hài nhỏ, chỉ vƣợt một phần mức qui định.Đối với ứng

dụng cụng nghiệp, thụng thƣờng hệ số chất lượng Q được lựa chọn trong khoảng

50ữ100. [2].

3.2.2. Lựa chọn tần số cộng hưởng cho bộ lọc

a) Lý do cần lựa chọn tần số cộng hưởng khỏc với tần số súng hài:

Bộ lọc súng hài thụ động đƣợc điều chỉnh để hỳt súng hài tại tần số đó đƣợc tớnh toỏn, tần số của cỏc súng hài thƣờng là bội số nguyờn của tần số cơ bản (50Hz) nhƣ 150Hz, 250Hz, 350Hz...Tuy nhiờn tần số cộng hƣởng của bộ lọc thƣờng khụng đƣợc chọn bằng đỳng tần số súng hài do cỏc lý do sau đõy:

Tổng trở quỏ thấp tại tần số súng hài cú thể làm cho tất cả dũng điện hài tại

tần số đú chạy vào bộ lọc cụng suất bộ lọc cần chọn lớn hơn nhiều so với

trƣờng hợp chỉ cần loại trừ vừa đủ lƣợng súng hài theo yờu cầu. Chọn cụng suất lớn dẫn tới giỏ thành của bộ lọc sẽ cao.

Tƣơng tỏc giữa tổng trở bộ lọc và tổng trở hệ thống tạo thành một hệ thống cú tần số cộng hƣởng thấp hơn một chỳt so với tần số súng hài đang đƣợc lọc. Nếu bộ lọc đƣợc thiết kế cộng hƣởng chớnh xỏc tại tần số súng hài thỡ do sai số của thụng số của cỏc bộ tụ, khỏng cú thể làm cho thay đổi tần số cộng hƣởng đó đƣợc thiết kế. Thay vỡ tạo ra một bộ lọc với tổng trở thấp thỡ tổ hợp của bộ lọc và hệ thống lại tạo ra một tần số cộng hƣởng chung (tần số cộng hƣởng song song) đỳng tại tần số súng hài. Nếu điều này xảy ra sẽ dẫn tới tăng mức độ mộo súng, cú khả năng khuyếch đại biờn độ dao động điện ỏp. Thờm vào đú cỏc thay đổi của hệ thống cũng là một nguyờn nhõn gõy ra tần số cộng hƣởng chung bằng tần số súng hài.

Hỡnh 3.4: Sơ đồ nối bộ lọc trong hệ thống điện cú tải phi tuyến

Xột bộ lọc súng hài đƣợc lắp đặt trong một hệ thống cú điện cảm (điện khỏng)

trong là Ls. Tƣơng tỏc giữa cỏc phần tử L C, của bộ lọc và Ls của nguồn sinh ra hiện tƣợng cộng hƣởng song song, sẽ tồn tại tần số tại đú tổng trở chung của toàn hệ thống và bộ lọc cú giỏ trị rất lớn [5 ].

Tần số cộng hƣởng song song này đƣợc tớnh theo:

Hỡnh 3.5: Cỏc tần số cộng hưởng cú thể xuất hiện khi cú bộ lọc trong hệ thống

Nhƣ vậy chọn tần số cộng hƣởng thấp hơn tần số súng hài cú tỏc dụng dịch chuyển tần số cộng hƣởng song song ra xa ngoài tần số súng hài, trỏnh cộng hƣởng gõy quỏ điện ỏp.

b) Cỏc yếu tố gõy ra hiện tượng dịch chuyển tần số cộng hưởng:

1

2 ( )

cong huong song song

S

f

- Xột tới hư hỏng của cỏc phần tử tụ trong bộ lọc: Cỏc bộ tụ bự thƣờng đƣợc trang bị cầu chỡ để bảo vệ trong trƣờng hợp phần tử tụ bị đỏnh thủng. Khi cầu chỡ hoạt động, phần tử tụ sẽ bị loại ra và làm giảm điện dung của bộ tụ, do vậy làm tăng tần số cộng hƣởng.

- Sai số chế tạo: Quỏ trỡnh sản xuất thiết bị bắt buộc phải cú sai số đối với

cả cỏc bộ tụ và khỏng điện, ngoài ra điện dung của tụ thay đổi theo nhiệt độ, cỏc phần tử đều già húa theo thời gian. Khi bộ tụ bị già húa, giảm điện dung sẽ làm dịch tần số cộng hƣởng sỏt tới tần số của súng hài (điều

này thực tế làm tăng hiệu quả hỳt súng hài của bộ lọc). Tất cả cỏc yếu tố này dẫn tới tần số cộng hƣởng khụng thể là một giỏ trị cố định nhƣ đó

tớnh toỏn.

- Biến đổi của hệ thống: Cấu hỡnh, thụng số của hệ thống thay đổi theo thời

gian, khụng thể là yếu tố cố định.

+ Vớ dụ khi một mỏy biến ỏp song song bị cắt ra sẽ dẫn tới nguồn trở thành yếu hơn, dẫn tới tần số cộng hưởng song song cú xu thế giảm xuống.

+ Trong quỏ trỡnh bảo dưỡng, thay thế thiết bị cũng làm yếu nguồn.

+ Cỏc đường dõy cú thể thay đổi cấu hỡnh vận hành tựy theo mựa.

Thụng thƣờng tần số cộng hƣởng của bộ lọc đƣợc chọn thấp hơn so với tần số súng hài từ xấp xỉ 3% đến 15%. Việc lựa chọn này vẫn đảm bảo bộ lọc cú đủ khả năng loại trừ súng hài trong khi trỏnh đƣợc hiện tƣợng dịch chuyển tần số cộng hƣởng nhƣ đó trỡnh bày.

3.3. Cỏc phƣơng trỡnh sử dụng trong tớnh toỏn thiết kế bộ lọc thụ động kiểu

cộng hƣởng đơn

Việc tớnh toỏn tham số bộ lọc thụ động kiểu cộng hƣởng đơn bao gồm nhiều bƣớc [3]. Cỏc số liệu cần thu thập bao gồm điện ỏp định mức của mạng điện, tần số hài cần loại trừ, bộ lọc đặt trong nhà hay ngoài trời, số liệu tổng trở của hệ thống và cỏc phần tử lõn cận. Cụng suất của tải, hệ số cụng suất, số liệu đo đạc về súng hài tại địa điểm cần lắp đặt bộ lọc.

Về cơ bản, cỏc bƣớc chớnh khi thiết kế bộ lọc thụ động kiểu cộng hƣởng đơn nhƣ sau:

1. Bước 1: Lựa chọn loại súng hài cần loại trừ.

2. Bước 2: Tớnh toỏn lƣợng cụng suất phản khỏng bộ lọc cần phỏt ra để cải thiện hệ số cụng suất đến mức yờu cầu.

Giỏ trị bự đến bao nhiờu tựy thuộc yờu cầu của điện lực. Giỏ trị cụng suất phản khỏng bự đƣợc này luụn nhỏ hơn giỏ trị cụng suất ghi trờn bộ lọc do hiệu ứng bự triệt tiờu giữa bộ tụ và khỏng.

Từ lƣợng CSPK yờu cầu này sẽ tớnh toỏn ra đƣợc trị số của bộ tụ.

1 1

1 2

tan cos tan cos

C yeucau

Q P PF PF PT3.3.1

Trong đú: QC yeu cau là lƣợng CSPK yờu cầu tại tần số cơ bản P: cụng suất tỏc dụng của phụ tải

PF1& PF2: hệ số cụng suất yờu cầu và hệ số cụng suất thực của phụ tải

Giỏ trị dung khỏng của bộ lọc (bao gồm cả khỏng và tụ) tớnh theo:

2 dayhethong boloc C yeucau V X Q PT3.3.2

3. Bước 3: Lựa chọn tần số cộng hƣởng của bộ lọc và tớnh toỏn giỏ trị điện khỏng cũng nhƣ điện trở của bộ lọc.

Dựa theo số liệu đo đạc về súng hài, sơ bộ lựa chọn tần số cộng hƣởng của bộ lọc. Mục đớch của bộ lọc là để giảm độ mộo súng của dũng điện và điện ỏp đến ngƣỡng cho phộp theo qui định. Để đạt đƣợc yờu cầu này thƣờng bộ lọc đƣợc chọn để cộng hƣởng với tần số hài thấp nhất của dũng điện hài lớn nhất. Vớ dụ biờn độ dũng điện hài thƣờng là lớn nhất đối với súng hài bậc 5 và bậc 7.

Trong nhiều trƣờng hợp một bộ lọc cộng hƣởng bậc 5 là cú thể đó đủ để giảm mức độ mộo súng tới ngƣỡng qui định.

Giả thiết cần loại trừ súng hài bậc h tại tần số hài bậc thỡ điện khỏng của h

Ch 1 C Lh L X X h X h X * * Suy ra 2 C L X h X hay C L X h X Tại tần số cơ bản: 2C boloc C L C X X X X X h Suy ra: 2 2 1 C boloc h X X h PT3.3.3

Giỏ trị XCđó biết tớnh ra giỏ trị điện khỏng tại tần số cơ bản tớnh theo

2C

L

X X

h PT3.3.4

Hệ số chất lƣợng Q của bộ lọc cú thể chọn tới 100  là thụng số đó biết.Từ

định nghĩa của Lh Ch

L

X X

C Q

R R R tớnh ra đƣợc giỏ trị cần thiết của điện trở R.

L C R

Q PT3.3.5

4. Bước 4: Lựa chọn tham số cỏc bộ tụ và khỏng theo chuẩn chế tạo trờn thị trƣờng. Sau đú kiểm tra lại để đảm bảo rằng cỏc phần tử tụ vận hành trong giới hạn cho phộp theo tiờu chuẩn Std IEEE 18.

5. Bước 5: Kiểm tra cỏc thụng số của bộ tụ cú nằm trong giới hạn cho phộp của

tiờu chuẩn IEEE-18 (2002).

Bộ tụ là phần tử nhạy cảm với điện ỏp, thƣờng điện ỏp đặt lờn bộ tụ trong bộ lọc cộng hƣởng đơn sẽ cao hơn so với khi hoạt động trong mụi trƣờng khụng cú súng hài. Súng hài điện ỏp cú thể làm tăng điện ỏp đỉnh hoặc tăng giỏ trị hiệu dụng của điện ỏp, do vậy bộ tụ phải chịu đƣợc điện ỏp này và ngƣời thiết kết phải đảm bảo điện này khụng vƣợt quỏ ngƣỡng qui định.

 Dũng điện hiệu dụng bao gồm cả thành phần súng hài chạy qua bộ tụ khụng vƣợt quỏ 180% dũng điện định mức: 2 2 2 2 1 3 5 ... rms n I I I I I PT3.3.6

 Điện ỏp hiệu dụng bao gồm cả thành phần súng hài đặt lờn bộ tụ khụng vƣợt

quỏ 110% điện ỏp định mức: 2 2 2 1 1 3 3 ( ) ( ) ... ( ) rms C C n Cn V I X I X I X PT3.3.7 Trong đú:

I1, I3, I5..In: là giỏ trị hiệu dụng của cỏc thành phần dũng điện bậc cơ bản và súng hài chạy qua bộ tụ;

XC1; XC3...XCn: là dung khỏng của bộ tụ tại tần số hài tƣơng ứng.

 Mức độ mang tải (kVAR) của bộ tụ khụng vƣợt quỏ 135% giỏ trị định mức

ghi trờn nhón bộ tụ:

2 2 2

1 3 3 ...

CkVAR n

Q V C V C V n C PT3.3.8

 Điện ỏp đỉnh đặt (Vpeak) lờn bộ tụ khụng vƣợt quỏ 120% điện ỏp đỉnh định mức:

1 1 3 3

2( ... )

peak n n

V I X I X I X PT3.3.9

Với cỏc bộ khỏng điện cần kiểm tra khả năng chịu đựng dũng ngắn mạch với thời gian cho phộp. Thời gian tồn tại ngắn mạch tựy thuộc vào hệ thống bảo vệ rơle đƣợc sử dụng.

6. Bước 6: Quỏ trỡnh lựa chọn bộ tụ, bộ khỏng, tớnh toỏn kiểm nghiệm lại cú thể

phải lặp lại nhiều lần tới khi đạt mức độ giảm súng hài mong muốn và thụng số cỏc phần tử thoả món yờu cầu kỹ thuật.

CHƢƠNG KIỂM NGHIỆM SỰ LÀM VIỆC CỦA BỘ LỌC 4

CỘNG HƢỞNG ĐƠN

4.1 Mụ tả hệ thống

Cỏc qui trỡnh tớnh toỏn thiết kế bộ lọc đƣợc nờu ở cỏc chƣơng trƣớc hoàn toàn cú thể ỏp dụng cho một lƣới điện hoặc phụ tải bất kỳ trờn lƣới. Để làm rừ qui trỡnh

tớnh toỏn đó đề xuất ở trờn, luận văn sử dụng cỏc số liệu đo đạc đƣợc từ lƣới điện đƣợc thiết lập trờn bộ mụ phỏng hệ thống điện (đặt tại Bộ mụn Hệ thống điện, Đại học Bỏch khoa Hà Nội).

Thụng tin túm lƣợc về bộ mụ phỏng hệ thống điện nhƣ sau:

- ; - ; - ; - ; - Hỡnh 4.1: Ảnh chụp toàn cảnh bộ mụ phỏng hệ thống điện.

Trong bộ mụ phỏng hệ thống điện cú cỏc tải phi tuyến và cú thể tạo thành cỏc nguồn phỏt súng hài để phục vụ nghiờn cứu cỏc bài toỏn về chất lƣợng điện năng.

Cỏc tải phi tuyến là cỏc tải R, L đƣợc điều chỉnh cụng suất tiờu thụ bằng cỏc thyristor cú điều khiển. Cỏc bộ tụ C điều khiển thụng qua khúa đúng/cắt nhảy cấp.

Hỡnh 4.2: Tải phi tuyến trờn bộ mụ phỏng hệ thống điện.

Sơ đồ lƣới điện đƣợc thiết lập để nghiờn cứu về súng hài và bộ lọc súng hài đƣợc cho trong hỡnh:

Hỡnh 4.4: Sơ đồ một sợi của lưới điện.

*) Thụng số của cỏc phần tử trờn sơ đồ:

- Nguồn cấp 220V;

- Mỏy biến ỏp phõn phối 2 cuộn dõy (220V/110V), cụng suất 2kVA;

- Cỏc tải phi tuyến R, L cú thể điều chỉnh vụ cấp;

- Đồng hồ đo đa chức năng;

- Cỏc điểm đo về độ mộo súng hài dũng điện và điện ỏp: ại cỏc điểm TP17 t

(phớa cao ỏp mỏy biến ỏp) và TP19 (phớa hạ ỏp của mỏy biến ỏp).

Máy biến áp Nguồn R L C Đồng hồ đo TP17 TP19 C C

Hỡnh 4.5: Vị trớ điểm đo độ mộo dũng điện (vị trớ TP19)

*) Mụ tả cỏch thức tiến hành đo đạc:

- Cỏc thụng số cần đo: I;U;P;Q; độ mộo súng hài, phõn tớch phổ súng hài

- Tải vận hành ở chế độ 100% tải và 80% tải khi khụng cú bộ lọc;

*) Giới thiệu thiết bị đo chất lƣợng điện năng Fluke 435:

Giới thiệu một số chức năng của Fluke 435:

- Thu thập dữ hiện dao động điện;

- Tớnh toỏn tổn thất điện năng;

- Đo cả 3 pha và trung tớnh;

- Hiển thị mƣời thụng số chất lƣợng điện năng trờn một màn hỡnh theo nhƣ tiờu chuẩn EN50160;

- Chức năng ghi: Cấu hỡnh cho bất kỳ điều kiện thử nghiệm với bộ nhớ lờn đến