Trong đú:
a. Bộ lọc cộng hưởng đơn b. Bộ lọc thụng cao bậc 1
c. Bộ lọc thụng cao bậc 2 d. Bộ lọc thụng cao bậc 3 e. Bộ lọc thụng cao kiểu C
Bộ lọc cộng hưởng đơn:
Bộ lọc cộng hƣởng đơn gồm cú một tụ điện và khỏng điện đấu nối tiếp. Thụng số của tụ và khỏng đƣợc lựa chọn để bộ lọc sẽ cú tổng trở thấp (tổng trở lý tƣởng bằng 0) tại tần số mong muốn (chớnh là tần số của súng hài cần loại trừ). . (2)
Giỏ trị của bộ tụ C đƣợc lựa chọn để phần nào bự một phần cụng suất phản khỏng của phụ tải để nõng cao hệ số cụng suất.
Cụng suất phản khỏng mà bộ tụ cú thể phỏt ra đƣợc tớnh theo: ;
Trong đú: Vtu là điện ỏp pha đặt lờn bộ tụ (kV); Q là cụng suất phản khỏng
phỏt ra (kVAR); XC là dung khỏng của bộ tụ (Ω).
Khi đó biết lƣợng CSPK yờu cầu hồn cú thể tớnh ra giỏ trị XC tƣơng ứng và từ đú tớnh ra giỏ trị bộ tụ (Fara).
Đặc tớnh tổng trở theo tần số của bộ lọc cú dạng nhƣ trong hỡnh 2.8.
Hỡnh 2.8: Đặc tớnh tổng trở theo tần số của bộ lọc cộng hưởng đơn
Tổng trở của bộ lọc sẽ cú giỏ trị thấp nhất khi tổng trở của thành phần điện cảm bằng với tổng trở của thành phần điện dung (nhƣng ngƣợc dấu) XL=XC.
2 tu boloc C V Q X 220 230 240 250 260 270 280 290 300 0 5 10 15 20 25 Frequency Im pe da nc e
Từ quan hệ đú tớnh ra điện khỏng cần thiết của bộ lọc:
Giỏ trị điện trở của bộ lọc đƣợc lựa chọn tựy theo hệ số chất lƣợng Q của bộ lọc. Hệ số chất lƣợng Q quyết định mức độ hẹp hay mở rộng của đặc tớnh tổng trở- tần số của bộ lọc và băng thụng của bộ lọc. Về mặt toỏn học Q đƣợc tớnh theo:
.
Trong chƣơng tiếp theo sẽ phõn tớch chi tiết phƣơng thức lựa chọn giỏ trị Q
này.
Cỏc bộ lọc thụng cao cú khả năng hỳt đƣợc một dải cỏc cỏc súng hài tần số cao, giỏ trị của thành phần điện trở quyết định độ sắc của đặc tớnh lọc và đỏp ứng của bộ lọc. Với cỏc bộ lọc thụng cao (trừ bộ lọc thụng cao bậc 1), giỏ trị Q xỏc định
theo:
Bộ lọc thụng cao bậc 1:
Cỏc bộ lọc thụng cao bậc 1 cú khả năng tạo ra tổng trở thấp đối với cỏc súng hài bậc cao do đặc tớnh của bộ tụ (tổng trở của bộ tụ tỷ lệ nghịch với bậc của súng hài). Bộ lọc loại này khụng cú điện khỏng do đú cần cú một điện trở mắc nối tiếp để hạn chế dũng chạy qua bộ tụ. Để cú tổng trở bộ tại tần số cao cần bộ tụ dung lƣợng lớn, điều này cú thể dẫn tới hiện tƣợng quỏ bự cụng suất phản khỏng kốm theo chi phớ của bộ tụ cũng cao hơn. Bộ lọc loại này thƣờng khụng làm việc tốt tại cỏc tần số thấp. Bộ lọc thụng cao bậc 2: 2 1 2 ( ) L f C L C Q R R Q L C
Bộ lọc thụng cao bậc 1 về mặt cấu hỡnh gồm một bộ tụ nối tiếp với khỏng và điện trở song song. Bộ lọc này hoạt động tƣơng tự nhƣ bộ lọc cộng hƣởng đơn với cỏc súng hài cú tần số thấp vỡ tại tần số thấp thỡ trị số bộ khỏng rất nhỏ, gần nhƣ nối tắt thành phần điện trở, bộ lọc trở thành tƣơng tự nhƣ bộ lọc cộng hƣởng đơn.
Tại tần số cao, giỏ trị điện khỏng trở tăng lờn đỏng kể, coi nhƣ hở mạch và nhƣ vậy bộ lọc trở lại tƣơng tự nhƣ bộ lọc thụng bậc 1.
Bộ lọc thụng cao bậc 3:
Bộ lọc thụng cao bậc 3 thể hiện tớnh dung tại dải tần thấp và tại tần số cơ bản. Tại tần số cao bộ lọc thể hiện tớnh khỏng. Về mặt đỏp ứng bộ lọc hoạt động tƣơng tự nhƣ:
- Bộ lọc cộng hƣởng đơn với súng hài cú tần số dƣới tần số cộng hƣởng.
- Tƣơng tự với bộ lọc thụng cao bậc 1với súng hài cú tần số trờn tần số cộng hƣởng.
Điều này đƣợc giải thớch do tại tần số thấp thỡ điện khỏng cú giỏ trị nhỏ, nối tắt nhỏnh RC, tại tần số cao điện khỏng cú giỏ trị lớn sẽ gần nhƣ hở mạch nhỏnh khỏng và dũng điện hầu nhƣ chỉ chạy qua nhỏnh C2R. Cỏc bộ tụ C1 và C2 đƣợc tớnh toỏn để
cộng hƣởng với khỏng tại tần số mong muốn. Bộ lọc thụng cao bậc 3 cú tổn thất cụng suất tại tần số cơ bản ớt hơn so với bộ lọc thụng cao bậc 2 do cú bộ tụ C2 đƣợc chốn vào nối tiếp với điện trở R.
Bộ lọc thụng cao kiểu C cú cấu trỳc khỏc một chỳt so với bộ lọc thụng cao bậc 2: đổi vị trớ của thành phần R và L.
Đặc tớnh làm việc của bộ lọc này nằm giữa hai loại bộ lọc thụng cao bậc 2 và bậc 3.
Nhỏnh C3L đƣợc tớnh toỏn cộng hƣởng tại tần số cơ bản, do vậy tại tần số cơ
bản nhỏnh này cú tổng trở rất thấp, coi nhƣ nối tắt thành phần R, giảm tổn hao tại tần số cơ bản. Về nguyờn tắt bộ lọc nhƣ vậy thể hiện tớnh dung tại tần số cơ bản (do thành phần C1).
Khi tần số tăng hơn, lỳc này điện khỏng L cú thể trở thành cộng hƣởng với (C1+C2) bộ lọc hoạt động tƣơng tự nhƣ bộ lọc cộng hƣởng đơn với điện trở ổn
định R.
Tại tần số cao hơn nữa, điện khỏng trở lờn lớn và dũng điện chủ yếu chạy qua nhỏnh R và lỳc này bộ lọc thể hiện nhƣ bộ lọc thụng cao bậc 1.
So sỏnh đặc tớnh tổng trở tần số của cỏc loại bộ lọc thụ động phổ biến:-
Hỡnh 2.9: Đặc tớnh tổng trở của cỏc loại bộ lọc thụ động phổ biến
2.7. Hƣớng nghiờn cứu của luận văn
Cỏc bộ lọc thụ động đƣợc sử dụng phổ biến trong cụng nghiệp do chi phớ thấp và dễ dàng bảo dƣỡng, đồng thời cũng tăng cƣờng thờm khả năng bự cụng suất phản khỏng cho cỏc phụ tải.
Bộ lọc cộng hƣởng đơn là loại đƣợc sử dụng nhiều nhất do cấu trỳc đơn giản, do đú luận văn sẽ đi sõu nghiờn cứu về phƣơng thức tớnh toỏn lựa chọn bộ lọc này. Luận văn sẽ sử dụng cỏc số liệu đo lƣờng thực tế để làm cơ sở thiết kế bộ lọc, điều này làm tăng tớnh ứng dụng của cỏc nghiờn cứu trong luận văn.
CHƢƠNG TÍNH TỐN THIẾT KẾ BỘ LỌC CỘNG HƢỞNG 3
ĐƠN DỰA THEO SỐ LIỆU ĐO LƢỜNG THỰC TẾ
3.1. Qui trỡnh chung để thiết kế bộ lọc súng hài thụ động [7]
Xột một hệ thống cú bao gồm bộ lọc súng hài với cỏc tải phi tuyến (nguồn phỏt súng hài) và tải tuyến tớnh cựng sơ đồ thay thế tƣơng đƣơng nhƣ thể hiện trờn
hỡnh 3.1.
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.