thiết kế bộ lọc sóng hài thông thấp băng rộng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

1

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
o0o








Đề tài:

THIẾT KẾ BỘ LỌC SÓNG HÀI
THÔNG THẤP BĂNG RỘNG



LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ






Ngƣời hƣớng dẫn: TS. Nguyễn Duy Cƣơng

Học viên thực hiện: Trần Mạnh Hiếu






Thái Nguyên 2010

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

2


CHƢƠNG 1
GIỚI THIỆU
1.1 Nền tảng
Các bộ chuyển đổi công suất theo đó nâng cao hiệu suất, hiệu quả và độ bền của
các quá trình sản xuất được áp dụng rộng rãi trong công nghiệp. Ứng dụng của các bộ
biến đổi điện AC/DC và DC/AC được phát triển không ngừng từ sự ra đời của bộ
chỉnh lưu điều khiển Silic (Silicon Controlled Rectifiers - SCR) năm 1957. Tuy
nhiên, sự sử dụng rộng rãi của các bộ chỉnh lưu Diot/ Thyristor 1 pha và 3 pha cho
các nguồn điện DC, các bộ truyền động tốc độ điều chỉnh được (Adjustable Speed
Drives - ASD), các bộ lưu điện (Uninterruptible Power Supplies - UPS), và ứng dụng
cho hộ tiêu thụ và các thiết bị công nghiệp, mới diễn ra trong hai thập kỷ gần đây, và
ước tính 65% năng lượng điện công nghiệp đã sử dụng bởi các động cơ điện. Hộ sử
dụng chính trong công nghiệp ngày càng tăng lên, coi sự giảm năng lượng như một
chìa khóa để nâng cao lợi nhuận và khả năng cạnh tranh của họ. Vì các bộ dẫn động
điều tốc giảm mức năng lượng tiêu hao ( tiết kiệm từ 20 – 30% ) và giảm các mức
chất thải gây ô nhiễm tới môi trường trong khi năng suất tăng lên khiến sự phát triển

của chúng là tất yếu. Với các ứng dụng điều tốc, các bộ truyền động tốc độ điều khiển
được (ASD) được sử dụng rộng rãi cho các động cơ điện. Hiệu suất và chất lượng
chuyển động cao, mômen khởi động thấp là ưu điểm của các ASD.
Các ASD bao gồm bộ chuyển đổi AC/DC nối với bộ nghịch lưu DC/AC. Trong
tất cả các bộ chuyển đổi điện tử hiện đại nghịch lưu nguồn điện áp (Voltage Source
Inverter - VSI) sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung (Pulse Width
Modulation – PWM) là rất phổ biến. PWM – VSI bao gồm 6 khóa bán dẫn công suất
cùng với các Diot hồi tiếp mắc song song. Nó chuyển điện áp một chiều cố định
thành xoay chiều 3 pha với tần số và biên độ có thể điều khiển được. Trong các ứng
dụng bộ điều khiển động cơ xoay chiều, thiết bị chỉnh lưu biến đổi điện áp xoay chiều
3 pha thành điện áp một chiều được sử dụng rộng rãi. Bộ chỉnh lưu điện áp kết hợp
bộ lọc thụ động, VSI ghép nối nguồn một chiều với động cơ xoay chiều để điều khiển
tốc độ, vị trí, momen trục động cơ. Cấu trúc liên kết phía trước cho các ASD là bộ
chỉnh lưu 6 Diot hay Thyristor với các ưu điểm như hiệu suất cao, giá thành thấp,
chắc chắn và tin cậy. Cấu trúc chính của thiết bị PWM – VSI với một bộ chỉnh lưu
Diot phía trước được chỉ ra trong Hình 1.1.
Các bộ chỉnh lưu Diot và Thyristor kết nối lưới điện với tải và tạo ra các dòng
điện không sin từ nguồn cung cấp ngay cả khi lưới là nguồn điện áp hình sin. Các
dòng điện sóng hài này được đưa ra vào các hệ thống cung cấp và gây ô nhiễm lưới
điện, gây ra các vấn đề về chất lượng của nguồn điện. Sóng hài dòng điện đã đưa vào
gây ra sự biến dạng điện áp đường dây.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

3



Hình 1.1: Cấu trúc chính của bộ chỉnh lưu cầu Diot
phía trước bộ truyền động xoay chiều.

Các sóng hài dòng điện được đưa vào lưới có thể tương tác với phạm vi rộng
của các thiết bị hệ thống điện, đáng chú ý nhất là các tụ điện, máy biến áp và các
động cơ gây ra, tổn hao phụ, quá nhiệt và quá tải. Chúng cũng có thể gây ra sự giao
thoa với các đường dây truyền thông và sai lệch trong việc đo công suất. Các sóng hài
dòng điện không những không thể sinh ra công suất thực tới tải mà còn gây ra sự
cộng hưởng hay khuếch đại không mong muốn trong hệ thống phân phối. Méo sóng
hài tổng (Total Harmonic Distortion – THD) là chỉ số được sử dụng phổ biến để đo
thành phần sóng hài từ sóng và có thể áp dụng đối với điện áp hay dòng điện. Méo
sóng hài tổng dòng điện được đưa ra bởi:
THD
I
=
1
2
I
I
n
n
n


(1.1)
I
n
là dòng sóng hài hiệu dụng thành phần, I
1
là thành phần dòng cơ bản.
Điện áp bị biến dạng thường gây ra trong sự cố hoặc sự đóng cắt của các tải tuyến
tính/ phi tuyến khác được nối tới cùng điểm của đầu nối chung (PCC) chỉ ra trong
Hình 1.2. Điểm nối chung là điểm mà ở đó các hộ tiêu thụ được nối cùng nhau và nó

được định nghĩa một cách nói chung như một điểm mà tại đó gồm các giới hạn sóng
hài sẽ được đánh giá. Từ phía khách hàng, nó là điểm mà ở đó hệ sử dụng cuối cùng
là năng lượng tiêu thụ và là nơi các hộ tiêu thụ khác được cung cấp với các dịch vụ
điện.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

4



Hình 1.2: Định nghĩa điểm nối chung ( PCC).
1.2 Các kỹ thuật giảm nhẹ sóng hài
Các kỹ thuật này có thể được phân loại thành 5 loại.
1. Bộ lọc thụ động
2. Các hệ thống nhiều pha
3. Các hệ thống bù sóng hài tích cực
4. Các hệ thống lai
5. Bộ chỉnh lưu PWM
Mục đích của các kỹ thuật này là làm cho dòng điện đầu vào có dạng sóng hình
sin sạch, giảm méo sóng hài tổng dòng điện THD. Trong các bộ lọc thụ động, dòng
chảy của các dòng điện sóng hài không mong muốn tới hệ thống điện có thể được
ngăn chặn bởi cách sử dụng của các trở kháng cao mắc để chặn chung hoặc bằng
cách chuyển hướng chúng tới đường dẫn điện trở thấp. Hai phương pháp này trình
bày khái niệm của các bộ lọc thụ động nối tiếp và bộ lọc thụ động song song, một
cách tương ứng.
Các bộ lọc thụ động nối tiếp có thể là dạng thuần cảm hoặc dạng LC. Bộ lọc
điện cảm phần xoay chiều AC và bộ lọc phần một chiều DC là hai bộ lọc dạng thuần
cảm. Các điện cảm phần xoay chiều tạo ra một cảm kháng lớn làm thay đổi đường đi
dòng điện được tạo bởi các sóng hài. Với mục đích thực hiện cực đại điện kháng đầu

vào trong khi làm cực tiểu điện áp rơi xoay chiều, giảm cả điện cảm phần xoay chiều
và điện kháng phần một chiều, giải pháp kết hợp được chỉ ra trong Hình 1.3. Điện

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

5

kháng một chiều được đặt sau bộ chỉnh lưu Diot và trước tụ điện và nó được ký hiệu
giống với các điện cảm phần xoay chiều.

Hình 1.3: Lọc thụ động dựa trên điện cảm đường dây AC và
điện kháng đường dây DC.

Hình 1.4: Cấu hình bộ lọc thụ động nối tiếp ( SERISE)
Bộ lọc thụ động nối tiếp cộng hưởng, chỉ ra trong Hình 1.4, được nối nối tiếp
với tải. Bộ lọc bao gồm cuộn kháng và tụ điện mắc song song mà được cộng hưởng
để cung cấp điện kháng cao tại tần số sóng hài được chọn. Điện kháng cao do đó chặn
dòng chảy của dòng điện sóng hài chỉ tại tần số cộng hưởng. Tại tần số cơ bản, bộ lọc
được thiết kế để có điện kháng thấp, do đó cho phép tần số cơ bản đi qua. Với nhiều
sóng hài bị chặn, nhiều bộ lọc nối tiếp là cần thiết. Tuy nhiên, bộ lọc cộng hưởng nối
tiếp có thể gây tổn hao đáng kể tại tần số cơ bản. Ngược lại, bộ lọc thụ động song
song (Shunt) chỉ mang một phần của dòng điện mà bộ lọc nối tiếp phải mang. Bộ lọc
nối tiếp có giá cao hơn, và thực tế rằng các bộ lọc (Shunt) có thể cung cấp công suất
phản kháng tại tần số cơ bản, hầu hết phương pháp thực tế thường sử dụng bộ lọc
Shunt.


Hình 1.5: Cấu hình bộ lọc Shunt thông thường.
Bộ lọc Shunt có điện kháng rất thấp tại tần số mà ở đó nó bị cộng hưởng và nó
chuyển hướng hầu hết dòng điện sóng hài tại tần số đó. Hầu hết các dạng bộ lọc Sun

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

6

thông thường là các bộ lọc cộng hưởng và bộ lọc thông cao đơn giản. Shunt thông
thường được chỉ ra trong Hình 1.5.
Không giống bộ lọc Shunt và bộ lọc nối tiếp có dải tần hẹp của sự khử sóng hài,
các bộ lọc dải tần rộng có một dải rộng hơn của đặc tính khử sóng hài. Các bộ lọc dải
rộng sử dụng sự kết hợp của hai kỹ thuật thụ động, với một điện kháng nối tiếp cao
để chặn các sóng hài dòng điện không mong muốn (từ dòng chảy thông qua lưới) và
một đường điện trở Shunt thấp để làm lệch hướng dòng chảy của chúng thông qua bộ
lọc Shunt. Chúng có thể có cấu trúc khác nhau, chỉ ra trong Hình 1.6. dạng Lc và
LLCL. Chúng được hiệu chỉnh tới tần số cắt thấp sao cho chỉ thành phần cơ bản sẽ
đi qua từ đầu vào đến đầu ra. Do đó, chúng được gọi là các bộ lọc dải rộng thông
thấp. Cả hai bộ lọc dải rộng thông thấp đã chỉ ra chỉ sử dụng một bộ lọc Shunt để khử
tất cả sóng hài dải rộng.

Hình 1.6; Cấu hình bộ lọc dải rộng thông thấp.
(a): Kiểu Lc, (b): Kiểu LLCL
Kỹ thuật nhân pha được dựa trên việc tăng số xung của sự biến đổi. Điều này
làm tăng bậc sóng hài thấp nhất cho bộ biến đổi và giảm kích cỡ của bộ lọc thụ động
cần để lọc các sóng hài thụ động. Một bộ biến đổi lý tưởng 12 xung có bậc sóng hài
thấp nhất là 11 (Các sóng hài dòng điện bậc 5 và bậc 7 về lý thuyết không tồn tại).
Một cách tương tự, bộ biến đổi 18 xung có bậc sóng hài nhỏ nhất là 17. Tuy nhiên,
một bộ biến đổi 12 xung chỉ ra trong Hình 1.7 cần hai cầu 6 xung và hai bộ tín hiệu
vào AC dịch pha 30
0

và một bộ biến đổi 18 xung cần 3 cầu 6 xung và 3 bộ tín hiệu

vào dịch pha 20
0
.
Rất nhiều cấu trúc liên kết khác nhau tồn tại cho việc dịch pha. Nói
chung, kỹ thuật phân pha là có tác dụng để giảm thấp bậc các sóng hài dòng điện.
Tuy nhiên, kích cỡ rộng, hiệu suất thấp, giá thành cao của nó là nhược điểm.

Hình 1.7: Cấu hình hệ thống máy chỉnh lưu 12 mạch .
Phương pháp bù điều hòa tích cực là một phương pháp mới liên quan đến quá
trình khử những hàm điều hòa trong mạch. Các máy lọc tích cực cung cấp một hệ
thống thực hiện khá tốt và làm giảm cường độ dòng điện của những hàm điều hòa.
Tuy nhiên, do phụ thuộc vào các thành phần điện năng phức tạp thường đắt hơn so
với các máy lọc thụ động. Cơ cấu hoạt động cơ bản của máy lọc tích cực là đưa vào

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

7

lưới các sóng hài dòng/áp bằng nhau về biên độ nhưng ngược pha với các sóng hài
được sinh ra do tải phi tuyến, vì vậy chúng sẽ loại trừ lẫn nhau.
Máy lọc tích cực được phân loại căn cứ theo kiểu bộ biến đổi, cấu trúc liên kết
và số lượng các pha. Loại bộ biến đổi có thể là Bộ biến đổi nguồn cường độ dòng
điện (CSI) hoặc CSI.VSI dựa vào bộ cảm biến mà nó sử dụng để làm thiết bị lưu trữ
điện năng. Máy lọc tích cực loại VSI sử dụng một tụ điện làm thiết bị lưu trữ điện
năng. Cấu trúc liên kết có thể được phân chia thành mạch mắc rẽ, mạch mắc nối tiếp
hoặc mạch kết hợp cả hai cách mắc. Tiêu chí phân loại thứ ba là căn cứ vào số lượng
các pha, ví dụ loại 2 dây (một pha) và loại ba hoặc bốn dây (ba pha). Máy lọc tích cực
ba pha sử dụng các lượng tải phi tuyến với một mức năng lượng cao như bộ biến đổi
ASD và bộ biến đổi AC/DC. Nhiều loại cấu hình khác nhau của các máy lọc tích cực
liên tục được giới thiệu và cải tiến. Hình 1.8 là những loại cấu hình cơ bản. Tất cả các

cấu hình của các máy lọc tích cực song song đều sử dụng cấu trúc liên kết bộ biến đổi
nguồn điện áp có kèm theo những phương pháp điều chỉnh cường độ dòng điện được
thực hiện ở một mức độ cao là những loại được sử dụng nhiều nhất. Đối với quá trình
bù hàm điều hòa, máy lọc tích cực có cấu trúc song song sử dụng lý thuyết năng
lượng phản kháng tức thời hoặc truyền tải cấu trúc đồng bộ dựa trên phương pháp kỹ
thuật mạch bù.

Hình 1.8: Cấu hình hệ thống chủ yếu của máy lọc tích cực
a : Máy lọc tích cực cấu trúc mạch mắc rẽ
b : Máy lọc tích cực cấu trúc mạch mắc nối tiếp

Hình 1.9: Cấu hình chung của máy lọc tích cực thể lai.
(a) Máy lọc tích cực có mạch mắc rẽ và máy lọc thụ động có mạch
mắc rẽ
(b) Máy lọc tích cực có mạch mắc nối tiếp và máy lọc thụ động có
mạch mắc nối tiếp
Máy lọc tích cực thể lai như trong Hình 1.9 là sự kết hợp giữa máy lọc tích cực
và máy lọc thụ động theo nhiều dạng cấu hình khác nhau. Mục đích chính của loại
máy lọc là giảm chi phí ban đầu và nâng cao hiệu quả sử dụng. Hiệu quả thực hiện và
giảm thiểu chi phí trong các cấu trúc liên kết của máy lọc lai đã được phát triển hơn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

8

bất kỳ một máy lọc tích cực nào khác. Thông thường, khi kết hợp với máy lọc tích
cực có cấu trúc mạch mắc rẽ, máy lọc thụ động sẽ được kích hoạt theo một tần suất
đặc trưng nhằm khử các hàm điều hòa tương ứng và làm giảm mức công suất của
máy lọc tích cực. Một kiểu kết hợp khác là kết hợp giữa máy lọc tích cực có mạch
mắc nối tiếp với máy lọc thụ động có mạch mắc nối tiếp.

Tóm lại, phần lớn các kỹ thuật lọc được đề cập ở trên đều có chung điểm hạn
chế là chi phí cao khi so sánh với các kỹ thuật lọc thụ động. Vì vậy, kỹ thuật lọc hàm
điều hòa thụ động tuy có kích thước lớn song vẫn là loại giải pháp kỹ thuật được sử
dụng nhiều nhất trong việc làm giảm thiểu các thành phần điều hòa. Kỹ thuật lọc hàm
điều hòa thụ động, cấu trúc máy lọc thành phần điều hòa băng thông rộng tần thấp là
những vấn đề được đề cập trong bản luận văn này.
1.3 Đối tƣợng nghiên cứu và cấu trúc của luận văn
Mục đích của luận văn là đưa ra phương pháp giải tích cho việc thiết kế máy lọc
điều hòa thụ động, băng thông rộng, tần thấp cải tiến (Improved lowpass Broadband
passive harmonic Filter – IBF) có khả năng hấp thụ các sóng điều hòa dòng điện tạo
ra từ bộ chỉnh lưu cầu ba pha được sử dụng điều khiển động cơ.
Các tham số IBF nhận được nhờ phương pháp thiết kế giải tích sẽ được đánh giá
qua các phép mô phỏng trên máy tính, đồng thời hiệu quả sẽ được so sánh với các
máy lọc thụ động thường hay sử dụng.
Luận văn này đề cập đến ba vấn đề chính như sau. Thứ nhất, phương pháp thiết
kế giải tích của IBF đối với máy chỉnh lưu điốt ba pha dựa trên miền tần số được phát
triển. Phương pháp này dựa trên cơ sở sự mô phỏng miền tần số của máy chỉnh lưu
và máy lọc. Thứ hai, phương pháp giải tích được đánh giá qua các mô phỏng trên
máy tính. Kết quả cho thấy, độ chính xác của phương pháp là rất cao. Thứ ba, việc so
sánh chi tiết với các loại máy lọc thụ động khác được thực hiện thông qua các thiết
kế, các phép mô phỏng.
Nói tóm lại, bản luận văn này hướng đến việc phân tích và thiết kế IBF chi tiết.
Lĩnh vực nghiên cứu liên quan đến việc thiết kế máy lọc trên cơ sở các nguyên tắc về
lọc hàm điều hòa thực thi ở mức độ cao.
Luận văn gồm 5 chương. Chương 1 giới thiệu khái niệm máy lọc hàm điều hòa
và định nghĩa đề tài của luận văn. Chương 2 bao quát tổng thể những nội dung liên
quan đến các kỹ thuật lọc thụ động dành cho các hệ thống ASD. Chương 3 phân tích
các máy lọc thụ động băng thông rộng tần thấp và định nghĩa chi tiết phương pháp
thiết kế đã cải tiến đối với IBF. Trong Chương 4, để lựa chọn các tham số thiết kế,
cần phải tiến hành lựa chọn và kiểm tra hệ thống thông qua các mô hình cụ thể và các

mô phỏng trên máy tính. Chương 5 cũng là chương cuối cùng nêu lên những đánh giá
kết luận tóm tắt đồng thời đưa ra khuyến nghị trong tương lai đối với đề tài nghiên
cứu của luận văn.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

9

CHƢƠNG 2
CÁC PHƢƠNG PHÁP LỌC SÓNG HÀI THỤ ĐỘNG
2.1 Giới thiệu
Mặc dù công nghệ lọc tích cực đã khá hoàn thiện và những đặc điểm trong quá
trình thực hiện là khá hấp dẫn như đã được trình bày tóm tắt trong Chương 1, kỹ thuật
lọc thụ động vẫn là cách tiếp cận phổ biến nhất để làm giảm sóng hài bậc cao trong
mạch chỉnh lưu 3 pha nhiều điốt/thyristor. Bở i tấ t cả cá c thà nh phầ n củ a bộ lọ c đề u
thụ động và bền , hơn nữ a phương phá p thiế t kế và thự c hiệ n bộ lọ c cũ ng khá đơn
giản và quan trọng hơn hết là giá thành thấp , phương phá p lọ c thụ độ ng là phương
pháp được ưa dùng trong hầ u hế t cá c ứ ng dụ ng.
Khác với bộ nhân pha, bộ lọc tích cực, bộ lọc hỗn tạp và chỉnh lưu PWM, trong
kỹ thuật lọc sóng hài thụ động , không sử dụng mạch điện tử và phần cứng và cũng
không có phương điều khiển phức tạp nào cầ n sử dụ ng . Do vậy lọc thụ động là cá ch
khá kinh tế để lọc sóng hài của dòng điện và cải thiện chất lượng hệ thống . Do đó bộ
lọc thụ động có những ưu điểm vượt trội so với các loạ i bộ lọc khá c.
Trong phương pháp lọc sóng hài thụ động , cuộn kháng nguồ n , cuộn cảm trung
gian, bộ lọc song song , bộ lọc thông thấp LC sẽ được bàn tới trong chương này .
Phương phá p thiết kế tổng quát, đặ c điể m chấ t lượ ng và những ưu nhượ c điể m cơ bả n
nhấ t sẽ đượ c giớ i thiệ u.
2.2 Sự méo dòng vào do hà i của hệ thống ASD

Hình 2.1 Hệ ASD có mạch chỉnh lưu cầ u điốt đầ u và o, không có bộ lọc sóng hài

Hệ thống ASD với cầu chỉnh lưu điốt 6 van, thể hiện trong Hình 2.1 có dạ ng
sóng dòng điện vào và phổ của hài được cho trên Hình 2.2. Sóng hài tạo ra có bậc
2p±1, với p là số đậ p mạ ch củ a điệ n á p mộ t chiề u chỉnh lưu . Trong số các sóng hài, 4
sóng hài đầu tiên là nổ i trộ i (bậ c 5, bậc 7, bậc 11 và bậc 13). Trong trường hợp đượ c
minh họ a (trở kháng của hệ thống thấp, <2%) tổng số độ biến dạng của dòng đo hài
(THD) là rất cao, > 70% và dạng sóng của dòng điện bị bóp méo rất nhiều. Hình dạng
của hài dòng điện trong mạch chỉnh lưu đi ốt 6 van phụ thuộc rất nhiều vào lưới nơi
mà mạch chỉnh lưu sử dụ ng . Nói chung, độ biế n dạ ng dò ng có thể tớ i cao tớ i 135%
khi nguồ n và o chỉnh lưu “khỏ e” và có thể thấ p tớ i dướ i 30% khi nguồ n và o chỉnh lưu
“yế u”.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

10



Hình 2.2: Hệ ASD 5.5 kW có chỉ nh lưu cầ u điot đầ u và o (a): Dạng sóng dòng
vào (b): Phổ só ng hà i dò ng và o.
2.3 Kỹ thuật lọc sóng hài thụ đng cho hệ ASD
Về cơ bả n, trong cá c bộ lọ c thụ độ ng , có thể ngăn dòng hài bơm vào lưới bằng
cách sử dụng một trở kháng lớn để chặn các dòng hài này và định hướng chúng đi
vào một đường mắc song song với trở khán g thấ p. Hai phương phá p nà y giả i thí ch
các nguyên lý của các bộ lọc nối tiếp và bộ lọc song song . Trong số đó , bộ lọ c cả m
kháng nối tiếp chỉ chặn được một lượng dòng hài hạn chế , trong khi đó lạ i giả m đá ng
kể điệ n á p ra. Các bộ lọc đơn tần chỉ có hiệu quả trong một lân cận nhỏ của tần số
ứng với bộ lọc đó. Ngượ c lạ i, bộ lọ c dả i thụ độ ng có dả i lọ c lớ n hơn và là m suy giả m
hầ u hế t cá c só ng hà i trong dả i tầ n đó . Bộ lọ c dả i thụ độ ng sử dụ ng kế t hợ p cả hai
phương phá p, vớ i mộ t trở khá ng cao nố i tiế p để chặ n dò ng hà i không mong muố n tớ i
lướ i và mộ t đườ ng trở khá ng nhỏ song song để hướ ng dò ng hà i không mong muố n

này qua đó . Trong cá c bộ lọ c thụ độ ng, loại với cuộn kháng lưới (hay cuộ n khá ng ),
vớ i điệ n cả m trung gian , các bộ lọc đơn tần song song , và bộ lọc thông thấp LC sẽ
đượ c trì nh bà y trong phầ n nà y . Ba loạ i bộ lọ c đầ u đượ c chọ n vì chú ng khá phổ biế n
và sẽ liên quan tới việc so sánh chi tiết sau khi nghiên cứu các loại . Bộ lọ c dả i thông
thấ p LC là loạ i cơ bả n và là cấ u trú c lọ c dả i thông thấ p thương mạ i đầ u tiên, đã đượ c
sử dụ ng ở . Bộ lọ c nà y đã đượ c cả i tiế n thà nh bộ lọc thông dải cải tiến gần đây để
khắ c phụ c vầ n đề hiệ u quả củ a cấ u trú c . Vì vậy, bộ lọ c dả i thông thấ p LC sẽ là nề n
tảng của cấu trúc . Chương sau, cấ u trú c IBF (Improved lowpass Broadband passive
harmonic Filter – IBF) sẽ được nghiên cứu dựa trên nền tảng này.
2.3.1 Điện cảm đƣờng dây xoay chiều 3 pha và điện kháng mt
chiều

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

11

Kỹ thuật lọc sóng hài thụ động đơn giản nhất và kinh tế nhất là sử dụng một
cuộ n khá ng L mắ c ở đầ u và o củ a ASD như ở H ình 2.3. Bộ lọ c trở khá ng nố i tiế p
(thườ ng đượ c gọ i là khá ng trên dây ) là một phương pháp được thực hiện khá r ràng
và chặt chẽ . Trở kháng lọc ωL dượ c xá c đị nh bằ ng phầ n trăm củ a trở khá ng củ a hệ
Z
hệ
. Z
hệ
đượ c tí nh bằ ng:
Z
hệ
=
R
R

V
I
(2.1)
Trong đó V
R
là điện áp pha rms định mức và I
R
là dòng rms định mức.
Cảm kháng phầ n trăm đượ c tí nh bằ ng:

100% 
hê
ace
ace
Z
L
L


(2.2)
Vớ i Z
hệ
, trở khá ng củ a hệ , đã cho ở (2.1) và là tốc độ góc của điện lướ i.
Điệ n khá ng củ a điệ n cả m tăng tỉ lệ vớ i tầ n số củ a hệ . Vì vậy, cuộ n cả m là m
dòng điện của bộ biến đổi mềm hơn . Vớ i cá ch lọ c nà y , độ mé o dò ng do só ng hà i
THD có thể đạ t đượ c mộ t giá trị khá thấ p tớ i 35%, so với THD của một ASD đơn
giản. THD nà y có thể giả m đượ c hơn nữ a khi kế t hợ p cuộ n khá ng vớ i điệ n cả m trung
gian. Không giố ng như cuộ n khá ng lướ i , điệ n cả m trung gian không gây ra rơi á p khi
đó ng gó p và o tạ o ra dạ ng só ng củ a dò n g điệ n. Chúng ta biết rằng trở kháng hiệu dụng
của điện cảm trung gian , khi tí nh về phía lướ i , có giá trị cỡ một nửa giá trị trở kháng

của nó . Điệ n cả m trung gian thườ ng đượ c chọ n cỡ 3% đến 5% trong cá c hệ ASD
thương mạ i.

Hình 2.3 Phương phá p lọ c thụ độ ng cho hệ ASD sử dụ ng
cuộ n khá ng nguồ n 3 pha.
Khi cho cuộ n khá ng ba pha và o giữ a nguồ n và đầ u v ào của bộ chỉnh lưu cũng
có thể là m mề m dạ ng só ng củ a dò ng điệ n đi bở i vì cuộ n khá ng ngăn cản sự thay đổi
độ t củ a dò ng điệ n. Dòng qua tụ sẽ nhỏ hơn và cũng liên tục hơn, do vậ y là m tăng tuổ i
thọ của tụ ở phía tải . Tuy vậ y, có một hạn chế của cuộn kháng ba pha là làm giảm
điệ n á p mộ t chiề u trung gian bở i n ó làm tăng thời gian đáp ứng khi dòng điện truyền
từ đầ u ra củ a mộ t điot nà y tớ i đầ u và o củ a điot kia trong mạ ch chỉnh lưu cầ u ba pha .
Trong mộ t số trườ ng hợ p , khi sử dụ ng cuộ n khá ng lớ n , điệ n á p chỉ nh lưu có thể
không đủ để cấp cho tải. Có thể tính xấp xỉ độ giảm của điện áp một chiều trung gian
như sau:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

12

 điều kiện làm việc định mức đầu ra của điện áp một chiều cho trường hợp lý
tưở ng (L = 0%) đượ c cho bở i:

3
2
dcra day
VV


(2.3)
Trong đó V

dây
là điện áp dây rms định mức của nguồn.
Độ giảm điện áp ở trung gian cho ứng với một giá trị của L được cho bởi

3
dc
V L I


  
(2.4)
Vớ i L là cả m khá ng củ a cuộ n khá ng sử dụ ng và I
dc
là dòng tải một chiều định
mứ c. Điệ n á p mộ t chiề u t rung gian rơi phầ n trăm đượ c tí nh bằ ng tỉ lệ củ a (2.4) và
(2.3) và cho bởi:

%
dcra
V
V
V


(2.5)
Giả thiết rằng dòng điện một chiều tru ng gian không đổ i , khi dò ng và o đị nh
mứ c củ a bộ chỉ nh lưu I
CL
cho bở i:

2
3
CL dc
II
(2.6)
Sử dụ ng phương trì nh (2.6), sau khi thay (2.3) và (2.4) vào (2.5), vớ i điệ n cả m
phầ n trăm ở (2.2), phầ n trăm giả m điệ n á p mộ t chiề u trung gian có thể đượ c tí nh theo
phầ n trăm cả m khá ng lướ i

0.5( )vx
(2.7)
Vớ i x là cả m khá ng phầ n trăm (ωL %), là độ giảm áp phần trăm của điện áp
mộ t chiề u trung gian. Ví dụ một cuộn kháng 3% sẽ làm giảm điện áp một chiều trung
gian đi xấ p xỉ 1.5%.
Nhượ c điể m lớ n nhấ t củ a cấ u trú c nà y là dả i THD củ a dò ng cao (>30%) mặ c dù
sử dụ ng điệ n cả m trung gian kế t hợ p vớ i cuộ n khá ng . Dải THD này không đáp ứng
đượ c cá c tiêu chuẩ n về THD trong hầ u hế t cá c trườ ng hợ p . Dạng sóng đặc trưng của
dòng qua cuộn kháng và phổ sóng hài của một hệ ASD 5.5 kW sử dụ ng cuộ n k háng
ba pha 4% đượ c cho trên Hình 2.4. Dạng sóng dòng điện nguồn và điện áp pha nguồ n
đượ c trên Hình 2.5 ứng với THD của dòng ở 36%. Thườ ng thì phương phá p lọ c nà y
sẽ cho hệ số công suất chậm sau ở đầy tải cỡ từ 0.80 tớ i 0.90 vớ i bộ chỉnh lưu điot
cầ u ba pha.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

13


Hình 2.4: Hệ ASD 5.5 kW vớ i cuộ n khá ng lọ c ba pha 4%.
(a): Dạng sóng dòng lưới (b): Phổ dò ng hà i lướ i.

Hình 2.5: Hệ ASD 5.5kW vớ i cuộ n khá ng lọ c 3 pha 4%. Dạng sóng dòng điện nguồn
và điện áp nguồn (đườ ng chấ m) ở tải đầ y (dòng được khuếch đại 10 lầ n.
2.3.2 B lọc sóng hài hiệu chỉnh thụ đng
Bộ lọ c só ng hà i chỉ nh tầ n thụ độ ng có thể là loạ i nố i tiế p hoặ c song song . Trong
các hệ ASD và các ứng dụng chỉnh lưu khác, đặ c biệ t khi công suất định mứ c tăng
(trên bà i chụ c kW), bộ lọ c song song thườ ng đượ c sử dụ ng . Bộ lọ c song song có th ể
có nhiều cấu hình như ở H ình 1.5. Tuy vậ y, trong tấ t cả cá c cấ u hình đó , loại chỉnh
đơn tầ n và loạ i thông cao (bậ c 2) hay đượ c sử dụ ng hơn. Bộ lọ c chỉ nh đơn tầ n có lẽ là
loại bộ lọc song song phổ biến nhất . Nó có trở kháng rất thấp so với trở kháng của
nguồ n ở tầ n số mà nó đượ c chỉ nh để lọ c . Vì vậy, dòng hài chỉnh lưu sẽ chạy qua bộ
lọc này. Việ c là m giả m só ng hà i thự c hiệ n đượ c miễ n là độ lớ n trở khá ng củ a nguồ n
lớ n hơn khá nhiều trở kháng của bộ lọc song song ở cùng tần số hài.
Bộ lọ c chỉ nh đơn tầ n cũ ng là m tăng hệ số công suấ t ở tầ n số só ng cơ bả n bằ ng việ c
bơm thà nh ph ần cả m tớ i tả i . Tuy vậ y, mộ t bộ lọ c chỉ nh đơn tầ n chỉ có thể lọ c mộ t
thành phần sóng hài của dòng điện . Do đó , mộ t bộ lọ c chỉnh đơn tầ n không đủ để lọ c
đượ c tấ t cả cá c só ng hà i có tá c hạ i đá ng kể củ a dò ng điệ n . Vì thế, vớ i mộ t dả i rộ ng
của các sóng hài sinh ra , mỗ i bộ lọ c chỉnh đơn tần sẽ được thiết kế để lọc một tần số
sóng hài trong đó.
Trong việ c thiế t kế bộ lọ c chỉnh đơn tầ n , thườ ng thườ ng tụ lọ c đượ c tí nh toá n cho
mộ t giá trị bù điệ n cả m khá ng cầ n thiế t để nâng cao hệ số công suấ t củ a nguồ n. Kế t
quả là cuộn kháng được thiết kế để cung cấp trở kháng cộng hưởng nối tiếp (trở
kháng thấp) ở tần số sóng hài cần lọc . Tại tần số này , tụ điện và cuộn cảm có giá trị

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

14

xấ p xỉ nhau về độ lớ n , nhưng ngượ c dấ u, và do đó triệt tiêu nhau . Trở khá ng nà y
đượ c cho bở i:

0
1
Z j L
C






(2.8)
Vớ i Z
0
là trở kháng cộng hưởng , L là điệ n cả m và C là điệ n dung củ a bộ lọ c . Và tần
số cộ ng hưở ng tương ứ ng mà bộ lọ c chỉnh tớ i là :

LC
f
S

2
1

(2.9)
Vớ i f
S
là tần số cộng hưởng nố i tiế p, L là điện cảm và C là điện dung của bộ lọc . Tầ n
số cộ ng hưở ng song song (f
P

) xảy ra giữa bộ lọc và điện kháng của toàn nguồn được
cho bở i:

CLL
f
s
P
)(2
1



(2.10)
Vớ i f
P
là tần số cộng hưởng song song , L
S
là điện cảm của nguồn , L và C lầ n lượ t là
điệ n cả m và điệ n dung củ a bộ lọ c.
Trong thự c tế , tầ n số cộ ng hưở ng nố i tiế p củ a bộ lọc được chọn với một hệ số lệch .
Hệ số lệ ch nà y, kí hiệu là df, cho ở (2.11) xác định phần trăm của độ dịch tần số cần
thiế t cho giá trị củ a bộ lọ c . Tầ n số cộ ng hưở ng nố i tiế p đượ c dị ch đi thườ ng đượ c
chọn cỡ 3-8% dướ i tầ n số só ng hà i có tá c dụ ng lớ n nhấ t cầ n lọ c cho.

% 100
h nt
h
ff
df
f



(2.11)
Vớ i f
h
là tần số sóng hài cần lọc, f
nt
là tần số cộng hưởng nố i tiế p củ a bộ lọ c.
Việ c chọ n vớ i hệ số lệ ch nà y có và i lý do thự c tế . Thứ nhấ t là việ c chỉnh tầ n số cộ ng
hưở ng chí nh xá c bằ ng tầ n số só ng hà i sẽ “hú t” cá c só ng hà i nổ i trộ i củ a cá c tả i phi
tuyế n ở xung quan h và tạ o ra quá dò ng bộ lọ c và có thể phá hỏ ng bộ lọ c . Mộ t lý do
khác là các thành phần của bộ lọc , đặ c biệ t là thông số C củ a tụ giả m theo thờ i gian
sử dụ ng và tầ n số chỉ nh sẽ tăng , do đó thiế t kế điể m chỉ nh bằ n h hoặ c trên tầ n số hà i
cầ n chỉnh sẽ là m giả m chấ t lượ ng củ a bộ lọ c khi thờ i gian sử dụ ng tăng . Vớ i tầ n số
chỉnh nhỏ hơn một chút , tầ n số cộ ng hưở ng nố i tiế p tăng và sẽ dị ch điể m trở khá ng
nhỏ nhất gần hơn tần số củ a hà i. Việ c nà y sẽ là m tăng hiệ u quả củ a bộ lọ c . Thứ ba là
tầ n số chỉ nh nhỏ hơn mộ t chú t là cầ n thiế t để dị chuyể n tầ n số cộ ng hưở ng song song
ra xa tầ n số củ a só ng hà i nổ i trộ i cầ n lọ c . Tùy thuộc vào trở kháng củ a nguồ n, việ c
này là cần thiết để tránh quá áp trên đầu của bộ chỉnh lưu vì cộng hưởng song song.
Do đó , trở khá ng nhỏ nhấ t cung cấ p bở i bộ lọ c đượ c thiế t kế cho bậ c 5 và 7, cho
trên Hình 2.6 sẽ ở tần số ngay dưới tần số củ a só ng hà i tương ứ ng . Ví dụ, áp dụng hệ
số lệ ch 4% sẽ cho trở kháng nhỏ nhất cho bộ lọc sóng hài bậc 5 và 7 lầ n lượ t là
240Hz và 336Hz.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

15

Mộ t thông số thiế t kế khá c là “độ né t” củ a bộ lọ c . Độ nét này phụ thuộc vào hệ
số chấ t lượ ng (Q) cho bở i:

0
L
X
C
Q
RR

(2.12)
Vớ i X
0
là trở kháng của tụ hoặc của của cuộn cảm của bộ lọc ở tần chỉnh , R là
điệ n trở suy giả m (kế t hợ p giữ a điệ n trở tương đương củ a bộ lọ c và điệ n trở thêm và o
bộ lọ c). Hệ số Q cà ng lớ n, độ né t củ a bộ lọ c cà ng lớ n. Hệ số nà y í t khi đượ c xem xé t
theo việ c lọ c. Lý do là giá trị của R thườ ng gây ra tăng đá ng kể tổ n thấ t trong bộ lọ c .
Do đó , thự c tế thì giá trị củ a R chỉ bao gồ m điệ n trở trong củ a cuộ n cả m . Trong
trườ ng hợ p nà y điệ n trở tương đương củ a bộ lọ c thườ ng cho giá trị củ a Q lớ n và lọ c
do đó sẽ nét.

Hình 2.6: Đặc tính trở kháng đầu ra của một hệ ASD với
bộ lọ c chỉ nh đơn tầ n bậ c 5 và 7.
Trong thự c tế cá c bộ lọ c chỉnh đượ c sử dụ ng cho mộ t số só ng hà i nổ i trộ i . Việ c lọ c sẽ
bắ t đầ u vớ i tầ n số hà i cao nhấ t c ần lọc và sử dụng bộ lọc cho các tần số hài thấp hơn
là cần thiết để tránh quá áp do cộng hưởng song song ở tần số sóng hài thấp hơn . Do
đó , lọc sóng hài bậc 7 sẽ cần bộ lọc hài bậc 7 cùng với bộ lọc hài bậc 5. Trong hệ
ASD dướ i cỡ megawoat , lọc hài bậc 5 và 7 là đủ (lọc các tần số cao hơn sẽ rất tốn
kém). Trong khi đó vớ i cá c hệ có công suấ t lớ n hơn , lọc bậc 11 và 13 có thể cần xem
xét. Hình 2.7 trình bày một hệ lọc thực tế vớ i cá c bộ lọ c song song bậ c 5 và 7(nổ i trộ i
nhấ t) đượ c thêm cuộ n khá ng đầ u và o và cuộn kháng đầu ra, tạo ra cấu trúc hình T.

Hình 2.7: Cấ u trú c mộ t hệ lọ c cho ASD vớ i cá c bộ lọ c thụ độ ng song song chỉ nh
đơn tầ n bậ c 5 và 7 đượ c thêm và o cá c cuộ n khá ng và o và ra.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

16


Hình 2.8: Dòng điện vào của một hệ ASD với các bộ lọc thụ động song song
chỉnh đơn tần bậc 5 và 7 (a): Dạng sóng dòng điện vào
(b): Phổ só ng hà i dò ng điệ n và o.
Điệ n cả m L
0
phía chỉnh lưu sẽ làm tăng độ mềm của dòng chỉnh lưu và giảm áp lực
lên cá c phầ n củ a bộ lọ c song song . Trong khi L
i
sẽ cho tỉ lệ trở kháng xác định bao
nhiêu phầ n củ a dò ng hà i sẽ chạ y qua bộ lọ c song song . THD % sẽ giảm tỉ lệ thuậ n
vớ i phầ n trăm cả m khá ng (nguồ n) thêm và o. Hình 2.8 biể u thị dạ ng só ng củ a dò ng
điệ n và phổ hà i củ a nó cho mộ t hệ ASD đặ c trưng . Hệ số công suấ t đầ u và o gầ n bằ ng
1 (>0.97) vớ i dò ng chậ m sau ở đầ y tả i do tí nh dung củ a tụ ở tầ n số cơ bả n.

Hình 2.9: Dạng sóng dòng vào và điện áp nguồn (đườ ng chấ m) ở tải đầy (đườ ng
dòng điện được khuếch đại 10 lầ n).
Chấ t lượ ng củ a bộ lọ c phụ thuộ c và o giá trị trở khá ng nguồ n , giá trị này thường
không biế t chính xá c và có thể thay đổ i khi hệ thố ng điệ n thay đổ i . Cộ ng hưở ng song
song vớ i trở khá ng nguồ n có thể gây bấ t ổ n đị nh cho hệ . Hiệ u quả củ a bộ lọ c cũ ng bị
ảnh hưởng lớn bởi trở kháng nguồn . Trở kháng nguồn càng lớn , việ c lọ c só ng hà i
càng tốt. Mộ t khi đã lắ p đặ t , chúng sẽ rất khó thay đổi , cả tần số chỉnh cũng như độ
lớ n củ a bộ lọ c . Đầu ra của nhánh song song có thể thay đổi tần số cộng hưởng , gây

quá áp, quá dòng lên cá c bộ phậ n củ a bộ lọ c.
2.3.3 Bộ lọ c dả i só ng hà i thông thấ p thụ độ ng
Như đã nó i ở phầ n trướ c , trong cá c ứ ng dụ ng thự c tế củ a ASD , để lọc hiệu quả
dòng chỉnh lưu , thườ ng yêu cầ u sử dụ ng cá c bộ lọ c son g song chỉ nh đơn tầ n , nhiề u
tầ ng. Trong bộ chỉ nh lưu 6 van, các sóng hài được sinh là các sóng hài bậc 5, 7, 11,
13, v.v. Việ c thiế t kế cá c bộ lọ c chỉ nh đơn tầ n cho só ng hà i củ a mỗ i bậ c để từ đó lọ c
đượ c cả dả i só ng hà i sẽ không thực tế bởi như thế bộ lọc sẽ rất phức tạp và giá thành
cao. Vì vậy, cầ n đưa ra mộ t giả i phá p để lọ c só ng hà i.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

17

Phương phá p lọ c thông thấ p đượ c nó i qua ở C hương 1 là một phương pháp lý tưởng
để chặn các dòng hài ở nhiều bậc (dải). Thành phần dòng chỉnh lưu có tần số dưới tần
số cắ t củ a bộ lọ c thông thấ p nà y sẽ chạ y đượ c qua bộ lọ c . Thành phần dòng có tần số
trên tầ n số cắ t sẽ bị lọ c . Trong thự c tế , bộ lọ c thông thấ p thườ ng đượ c thiế t kế sao
cho tầ n số cắ t nhỏ hơn tầ n số củ a só ng hà i nổ i trộ i đầ u tiên.
Bộ lọ c thông thấ p sử dụ ng mộ t cuộ n khá ng mắ c nố i tiế p để ngăn cá c só ng hà i không
mong muố n chạ y lên lướ i . Mộ t băng tụ điệ n đượ c mắ c song song vớ i bộ chỉ nh lưu
(có hoặc không có thêm cuộn kháng ) để chuyển hướng dòng hài không mong muốn
khỏi chạy lên lưới và định hướng các sóng hài này với trở kháng đối với các sóng hài
này thấp hơn (so vớ i trở khá n g củ a lướ i đố i vớ i cù ng só ng hà i ). Bộ lọ c song song
chỉnh đơn tần không thể lọc được tất cả các sóng hài và tránh hiện tượng dòng hài
tăng bằ ng việ c giả m tầ n số cộ ng hưở ng khỏ i tầ n số củ a cá c só ng hà i đá ng kể loạ i đi.
Đây là mộ t ưu điể m chí nh củ a việ c sử dụ ng bộ lọ c thông thấ p.
Mộ t bộ lọ c thông thấ p k iể u LC đơn giả n đượ c cho ở H ình 2.10, bao gồ m mộ t cuộ n
kháng L
i
và tụ điện mắc song song C

f
. Các tụ thường được nối theo hình tam giá c
(C
f
= C
fΎ
= 3C
fΔ
). Mộ t đầ u tụ đượ c nố i vớ i tả i củ a bộ chỉ nh lưu . Bộ lọ c đơn giả n nà y
có thể được thiết kế để đạt được tới một mức mong muốn độ THD (tổ ng độ mé o do
hài) của dòng lưới và có thể , nhưng í t hơn , là hệ số công suấ t đầ u và o . Tuy vậ y, do
hiệ n tượ ng quá á p ở tụ và do đó cả ở đầ u bộ chỉnh lưu (bở i mộ t dả i rộ ng củ a tả i từ
không tả i tớ i đầ y tả i ), các phần này có thể không chịu đựng được và bị hỏng . Dạng
sóng đối với bộ lọc LC đơn giản và vấ n đề quá á p đượ c cho ở H ình 2.11 và 2.12, vớ i
2 chế độ đầ y tả i và không tả i . Điệ n á p ở đầ u chỉ nh lưu lớ n hơn nhiề u điệ n á p lướ i và
do đó điệ n á p mộ t chiề u trung gian có thể khá lớ n so vớ i giá tr ị định mức và dẫn tới
hỏng các thiết bị. Để trá nh cá c vấ n đề liên quan tớ i quá á p , cuộ n khá ng đượ c thiế t kế
đi kè m vớ i mộ t bộ giả m á p (bộ điề u á p buck). Cấ u trú c củ a bộ lọ c vớ i bộ giả m á p nà y
đượ c cho trên Hì nh 2.13. Bộ giả m á p có thể đượ c thiế t kế theo cá ch ba bộ biế n á p
mộ t pha hoặ c mộ t bộ biế n á p ba pha quấ n trên mộ t lõ i thé p ba pha . Bộ biế n á p ba pha
có ưu điểm hơn , xét về giá cả và mức độ cồng kềnh . Mộ t cá ch khá c , không phải sử
dụng sơ đồ có bộ giảm áp là dùng một biến áp tự ngẫu với các vòng dây phù hợp với
việ c giả m điệ n á p đầ u ra theo mong muố n , hoặ c cá c phương phá p giả m điệ n á p lướ i
thụ động khác . Vớ i việ c sử dụ ng bộ giả m á p , vấ n đề quá á p đượ c giả i quyế t , xong
theo đó là việ c giá thà nh và độ phứ c tạ p củ a thiế t bị tăng , hiệ u suấ t là m việ c giả m .
Tuy vậ y, hệ số công suấ t đầ u và o và độ THD tương đương vớ i cấ u trú c LC đơn giả n.

Hình 2.10 Mộ t bộ lọ c thông thấ p LC đơn giả n.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

18


Hình 2.11: Điệ n á p dây đầ u và o củ a hệ có bộ lọ c thông thấ p LC (đườ ng né t đứ t)
và các dạng sóng điện áp chỉnh lưu với tải đầy (hệ ASD 5.5 kW).

Hình 2.12: Điệ n á p dây đầ u và o củ a hệ có bộ lọ c thông thấ p LC (đườ ng chấ m)
và các dạng sóng điện áp chỉnh lưu ở không tải (hệ ASD 5.5 kW).

Hình 2.13: Mộ t bộ lọ c thông thấ p LC vớ i bộ giả m á p (bộ buck).
Cách thiết kế một bộ lọc thông thấp LC, đầ u tiên là mắ c cuộ n khá ng ba pha 25%
nố i tiế p vớ i nguồ n AC cung cấ p. Các cuộn kháng này tạo ra trở kháng đủ lớn để ngăn
cản bất kì dòng hài nào từ lưới . Do đó , các tụ lọc sẽ không bị quá tải . Ngoài ra, các
sóng hài chỉnh lưu cũng bị c hặ n và không chạ y lên lướ i . Các cuộn kháng còn có tác
dụng như bộ đệm giữa hệ thống điện và thiết bị . Các cuộn kháng này tránh hiện
tượ ng cộ ng hưở ng song song tạ i cá c tầ n số cộ ng hà i và do đó trá nh hiệ n tượ ng
khuế ch đạ i só ng hà i . Tụ lọc được thiết kế sao cho cộng hưởng song song với cuộn
kháng ở tần số thấp, cỡ 80 tớ i 170 Hz để không cho dò ng hà i ở dả i tầ n nà y bơm đượ c
vào hệ ASD ba pha. Vớ i cá c tầ n số cộ ng hưở ng song song thấ p như thế , bộ lọ c nà y sẽ
không dễ tạ o cộ ng hưở ng không mong muố n vớ i cá c phầ n khá c củ a hệ . Vớ i lự a chọ n
này, các tụ lọc sẽ có trở kháng nhỏ đối với các tần số hài bơm vào , so vớ i trở khá ng
lớ n củ a các cuộn kháng (như ở trên Hình 2.14). Các dòng hài chỉnh lưu sẽ chủ yếu đi
vào cá c tụ điệ n.  Hình 2.14, trở khá ng củ a lướ i Z
lướ i
đượ c xá c đị nh như sau:
Z
lưới
=
   

i s i s
R R jn L L


  
(2.13)
Vớ i R
i
và R
S
là điện trở tương đương nối tiếp của các cuộn cảm và điện trở
tương đương củ a lướ i, L
i
và L
S
là điện cảm nối tiếp đầu vào và điện cảm tương đương
của nguồn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

19

Z
tụ
=
1
f
nC



(2.14)
Vớ i C
f
là điện dung của tụ lọc song song . Mộ t tỉ lệ cao giữ a trở khá ng củ a lướ i
và trở kháng của của tụ ở tất cả các sóng hà i đá ng kể tạ o ra trong mạ ch chỉnh lưu cầ u
6 van sẽ đủ lớ n để đị nh hướ ng dò ng hà i đi qua mạ ch tụ song song . Trong khi đó , r
ràng là thành phần sóng cơ bản sẽ đi từ lưới tới bộ chỉnh lưu bởi tỉ lệ trở kháng này
đố i vớ i tầ n số 50 Hz củ a só ng cơ bả n khá thấ p.

Hình 2.14: Đường trở kháng của nhánh tụ song song và đường trở kháng của
nhánh cuộn cảm nối tiếp của bộ lọc thông thấp LC, hệ ASD 5.5 kW.

Hình 2.15: Bộ lọ c thông thấ p LC ở tả i đầ y (hệ ASD 5.5 kW)
(a): Dạng sóng dòng điện lưới (b): Phổ só ng hà i dò ng điệ n lướ i.
Đặc tính THD của dòng lưới với bộ lọc thông thấp LC tốt hơn đáng kể so với trường
hợ p dù ng cuộ n khá ng đơn giả n. Dạng sóng của dòng điện lướ i và phổ só ng hà i củ a nó
vớ i mộ t hệ ASD có bộ lọc LC được cho trên H ình 2.15. Nói chung, bộ lọ c có thể
giảm tổng độ méo dòng điện lưới do sóng hài từ 50% xuố ng cỡ 9- 12% ở tải định
mứ c. Hệ số công suấ t củ a lướ i khá cao (≥ 0.9) vớ i mọ i điề u kiệ n củ a tả i.
Vớ i mộ t hệ ASD 5.5 kW, mộ t cuộ n khá ng 25% đượ c sử dụ ng và tụ điệ n 170 Hz đượ c
dùng để tạo tần số cộng hưởng song song 170Hz.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

20


Hình 2.16: Dạng sóng của dòng điện lưới và dòng chỉnh lưu.
(đườ ng chấ m) của hệ ASD 5.5 kW.

Hình 2.17: Dạng sóng của dòng điện và điện áp nguồn (đườ ng chấ m)
của hệ ASD 5.5 kW.
Dạng sóng dòng điện lưới và dòng chỉn h lưu đượ c cho trên H ình 2.16. Dòng
điệ n lướ i có giá trị THD 10.3%. Điệ n á p pha và dò ng đi ện của nguồn được cho trên
Hình 2.17 vớ i hệ số công suấ t 0.91 lúc đầy tải.
Bộ lọ c nà y không gặ p hiệ n tượ ng cộ ng hưở ng só ng hà i vớ i cá c nguồ n só ng hà i khá c
như hiệ n tượ ng gặ p ở bộ lọ c đơn tầ n truyề n thố ng. Tuy vậ y, hiệ n tượ ng quá á p vớ i tả i
nhẹ và đầy tải là một vấn đề đối với cấu trúc bộ lọc thông thấp LC đơn giản như thế
này. Hệ số công suấ t cầ n đượ c nâng cao hơn và việ c sử dụ ng bộ biế n đổ i giả m á p là m
tăng giá thà nh và độ cồ ng kề nh củ a thiế t bị .
 bộ lọc thông thấp LC , việ c nâng cao hệ số công suấ t đò i hỏ i phả i sử dụ ng tụ
lọc nhỏ đi. Việ c nà y cũ ng giả m đượ c hiệ n tượ ng quá á p . Tuy vậ y, độ THD củ a dò ng
lướ i sẽ tăng và sẽ không đạ t đượ c yêu củ a tiêu chuẩ n về mứ c độ só ng hà i . Do đó phả i
thỏa hiệp giữa hệ số công suất và THD củ a dò ng điệ n, như trong Bảng 2.1.

L
i
(mH)
C
fΔ

(µF)
THD
lướ i
(%)
Hs CS
lướ i
(vượ t)
V
dc

Tb
Đầy
tải
V
cf

đỉnh
Đầy tải
V
dc
Tb
Không
tải
V
cf

đỉ nh
Không
tải
19.6
14.9
10.2
0.914
556
560
689
693
18.6
14.9
10.8

0.991
553
556
691
680
20.58
14.9
9.5
0.918
560
563
687
690
19.6
14.1
10.7
0.920
552
556
683
683
19.6
15.6
9.75
0.909
559
563
694
698

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

21

Bảng 2.1: Đặc tính của bộ lọc LC với các giá trị LC khác nhau. Hệ ASD 5.5 kW.
Đây cũ ng là mộ t nhượ c điể m củ a bộ lọ c LC . Xem L và C là cá c giá trị gố c , tăng và
giảm một biến 5% mỗ i lầ n, đặ c tí nh đượ c đá nh giá và cho trong bả ng . Do đó , việ c
giảm THD cũng đồng nghĩa với việc hệ số công suất sẽ thấp . Ngượ c lạ i, nâng cao hệ
số công suấ t sẽ là m tăng THD . Để khắ c phụ c sự ké m hiệ u quả nà y , bộ lọ c cả i tiế n đã
đượ c phá t triể n.
2.4 Kế t luậ n
Chương nà y đã giớ i thiệ u cá c kiế n thứ c tổ ng quan về phương phá p lọ c só ng hà i
thụ động phổ biến và các sơ đồ mạch liên quan được sử dụng cho lọc sóng hài của
ASD. Các phần trình bày gồm cuộn kháng nguồn ba pha , cuộ n khá ng trung gia n, bộ
lọc song song chỉnh đơn tần và bộ lọc thông thấp LC đơn giản . Ưu nhượ c điể m và
phương phá p thiế t kế cũ ng như đặ c tí nh củ a cá c phương phá p lọ c só ng hà i đã đượ c
trình bày. Như đã trì nh bà y ở chương trướ c và ở cá c ví dụ của chương này , hệ ASD
vớ i chỉ nh lưu điot đầ u và o , nế u không có phương phá p lọ c thí ch hợ p , sẽ bơm một
lượ ng dò ng hà i lên lướ i và là m xấ u điệ n lướ i , dẫ n tớ i chấ t lượ ng điệ n giả m .Vì vậy
việ c lọ c só ng hà i rõ rà ng là bắ t buộ c đố i vớ i mộ t hệ ASD. Trong số cá c phương phá p
lọc sóng hài thụ động đã trình bày , phương phá p lọ c thông thấ p đượ c chú ý bở i đặ c
tính hơn hn của nó. Tuy vậ y, bộ lọ c thông thấ p LC đơn giả n đã trì nh bà y vẫ n có mộ t
nhượ c điể m lớ n về hiệ u quả và đang tiế p tụ c đượ c cả i tiế n.
CHƢƠNG 3
BỘ LỌC DẢI RỘNG THÔNG THẤP CẢI TIẾN
3.1 Giới thiệu
Trong chương trước, những phương pháp lọc phổ biến cho ASD làm giảm sóng
hài đã được nghiên cứu, nguyên tắc chung để thiết kế và biểu diễn chúng ta được thảo
luận. Trong những phương pháp lọc sóng hài đã được đề cập đến, bộ lọc băng tần
rộng băng tần thông thấp LC đã được tìm ra. Giống như một cách tiếp cận thực tiễn

hơn cho việc lọc sóng hài. Bộ lọc này thể hiện nhiều ưu điểm hơn so với các bộ lọc
đã được đề cập đến. Nó có hiệu quả trong việc khử nhiễu của dòng chỉnh lưu đầu vào.
Nó đơn giản và độc lập với những vấn đề cộng hưởng sóng hài.
3.2 Cấu trúc liên kết b lọc dải rng thông thấp cải tiến và
nguyên lý hoạt đng của nó
Sơ đồ mạch điện của IBF được chỉ ra ở Hình 3.1.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

22



Hình 3.1: Sơ đồ mạch bộ lọc dải rộng cải tiến.
Nguồn điện xoay chiều 3 pha được nối với cuộn kháng 3 pha xoay chiều đầu
vào và một điện trở hạn dòng. Nhánh giữa bao gồm một cuộn kháng lọc nối tiếp và
một nhóm tụ mà có dạng bộ lọc song song. Nhóm tụ thường được mắc hình tam giác.
Cuối cùng là một cuộn kháng 3 pha xoay chiều đầu ra ( L
0
) được đặt giữa các đầu bộ
của chỉnh lưu và các đầu nối L
i
- L
f
của bộ lọc. Với một cách thiết kế phù hợp tại
những tần số cơ bản. Cuộn kháng đầu vào rộng (L
i
) vùng trở kháng cao đối với trở
kháng mắc song song như đã chỉ ra ở Hình 3.2.

Hình 3.2: Trở kháng nhánh song song và đường dây của IBF (Hệ thống 5.5 kW).
Đường thng trở kháng Z
line
được vẽ từ biểu thức (2.13) và trở kháng lọc song song
được đưa ra bởi:

)
1
(
fe
feLfshunt
Cn
LnjRZ



(3.1)
Trong đó: R
LF
là nội trở của điện cảm lọc, L
f
và C
f
là các điện cảm và điện dung lọc
được mắc song song.
L
i
không những cung cấp đủ trở kháng mà sóng hài nhỏ nhất từ sau chỉnh lưu tới
dòng xoay chiều mà nó còn có những tác động nhỏ nhất lên nguồn điện áp ở trên
mạch chỉnh lưu, do đó kết quả là trở kháng Z

LR
cao được tạo ra các sóng hài chủ yếu.
Vì tần số cộng hưởng song song thấp hơn những tấn số sóng hài của dòng chỉnh lưu,
nguy cơ sóng hài cộng hưởng là không thể tránh khỏi. Dung kháng lọc C
f
cải thiện hệ
số điện năng đầu vào do cung cấp đầy đủ tấn số cơ bản cho sự bù công suất P. Công
suất tác dụng P là dòng từ nguồn đến tải. L
f
được phân chia với L
e
sao cho không quá
điện áp tại đầu của chỉnh lưu (không giống như lọc LC) và không có tải để điện áp ra
quá tải thay đổi giới hạn đã được thiết lập.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

23

L
f
và C
f
là thành phần của bộ lọc được kết nối nối tiếp để cung cấp trở kháng nối tiếp
thấp cho các sóng hài dòng chỉnh lưu và dòng ngắn qua các phần của chúng. Hệ số ra
L
0
là 1 hệ số san phng mà tạo ra từ dạng sóng chỉnh lưu ít gián đoạn. Kết quả là thấp
hơn các dòng sóng hài. Dùng L
0

giảm THD
I
của chỉnh lưu đáng kể (khoảng 50%). Sự
giảm sóng hài dòng chỉnh lưu cung cấp ít dòng hài và quá điện áp trên các thành phần
nhánh song song L
f
và C
f
. Từ đó cấu trúc nhỏ hơn, giá thành thấp hơn và cấu trúc của
bộ lọc hiệu suất hơn. Điện trở R
d
được sử dụng để cản trở điện áp hay dòng điện đỉnh
trong suốt quá trình quá độ do chuyển mạch.
3.3 Thiết kế b lọc băng tần rng cải tiến
Trong quá trình thiết kế bộ lọc, một vài hạn chế thực tế được chú ý cho điều
kiện hoạt động có tải và không tải, đó là đầu vào xoay chiều dong THD
I
, hệ số nguồn
vào (PF), độ điều chỉnh điện áp ra của bộ lọc (

V
0
%), tần só cộng hưởng song song
(f
p
),và dòng không tải (I
NL
), giá thành, kích cỡ và hiệu quả phụ thuộc vào các thông
số trên hoặc chúng ta có thể được xem giống như một số ràng buộc thêm trong thiết
kế.

* Sự biến dạng toàn phần dòng vào, THD
I
được đưa ra bởi:
THD
I
=
2
N
n
n
I
I
I


(3.2)
Trong đó I
n
và I
i
là dòng điện hiệu dụng của dòng sóng hài và TP dòng cơ bản.
* Hệ số công suất cơ bản được đưa ra:
PF =
S
P
(3.3)
Trong đó P là công suất tác dụng và S là công suất biểu diễn
Giả định điện áp không có sóng hài, dòng không hình phải dạng hình sin, sử
dụng P và S thì hệ số công suất được tính bằng công thức:
PF = HF x DPF (3.4)

Trong đó HF là hệ số sóng hài đưa ra bởi:
HF =
I
I
1
(3.5)
Với I là giá trị dòng
* Hệ số công suất cos

DPF được tính :
DPF = cos

(3.6)
Trong đó

là góc .

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

24

Độ điều chỉnh điện áp ra của bộ lọc tính theo % tại nút của bộ lọc (P) được chỉ
ra trong Hình 3.1, từ lúc tải đầy đến không tải được đưa ra là:

0
( ) ( )
% 100
()
PP
P

V NL V FL
V
V NL

  
(3.7)
Với V
P
(NL) và V
P
(FL) là điện áp chỉnh lưu tại nút P khi đầy tải và non tải. Công thức
(3.7) có thể được xác định trong các điện áp đường dây.
Do đó không có sóng hài thêm vào đường dây lúc không tải, giá trị hiệu dụng
tổng I
NL
và gí trị hiệu dụng cơ bản. được tính giả định là bằng nhau ở tần số cơ bản,
cấu trúc của trở được kháng bởi L
i
và L
f
thấp hơn nhiều so với điện trở R
d
, do đó R
d

có thể được chú ý với mạch mở cho mục đích tính dòng không tải. thì dòng đường
dây không tải cơ bản được tính bằng:
I
NL
=

1
i
f
V
ZZ
(3.8)
Trong đó V
1
là thành phần điện áp pha định mức cơ bản Z
f
là trở kháng lọc
song song (L
f,
C
f
) và Z
i
là trở kháng vào, cả hai ở tần số cơ bản. Tần số cộng hưởng
song song (f
P
) được tính bởi:

ffi
p
CLL
f
)(2
1




(3.9)
Trong đó L
f
là hệ số lọc, L
i
là hệ số vào và C
f
là điện dung lọc.
Cho 1 tập hợp những hạn chế khi thiết kế, vấn đề thiết kế là cải thiện hai bước:
Thứ nhất: Phân tích đầy đủ cấu trúc các giá trị biến số của bộ lọc đã tìm được
Thứ hai: Những đại lượng được sử dụng trong vùng tần số cơ bản của chỉnh lưu
và hệ thống lọc như các thông số lọc chính xác như một chương trình máy tính. Với
tần số cơ bản hệ phương trình được tính trong phần mềm Matlab mà các thông số
tăng cho đến khi đạt được kết quả tối ưu. Ta quan sát thấy rằng bước đầu tiên mà các
giá trị thông số của bộ lọc được đưa ra chủ yếu trong việc giảm tổng thời gian tính
toán để đưa ra kết quả chính xác. Tiếp theo phương pháp thiết kế xấp xỉ sẽ được đề
cập và phương pháp thiết kế chính xác sẽ được nói đến .
Tuy nhiên trước khi sự cản trở giả thiết rằng sự lựa chọn cuộn cảm xoay chiều
Lo là bước đầu tiên .
3.3.1 Phƣơng pháp lựa chọn cun cảm Lo đầu ra
Trong các trường hợp, do mục đích của việc giảm THD
I
và L
i
, L
f
, C
f
, 4% L

0

được lựa chọn và sử dụng. Nếu không, THD
I
có thể tăng và các thành phần của bộ
lọc trở nên cồng kềnh do dòng điện định mức tăng. Nếu Lo được chọn lớn hơn, THD
I

có thể bị tăng hơn nữa, nhưng bộ lọc sẽ tốt hơn. Một giá trị thực nằm giữa từ 3%-4%,
do đó 4% sẽ được giả thiết .

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

25

3.3.2 Phƣơng pháp thiết kế gần đúng của IBF
Trong phương pháp xấp xỉ, các thông số của bộ lọc L
i
, L
f
và C
f
được tính bởi
sự lựa chọn dải xấp xỉ cho tần số cộng hưởng song song, tần số cộng hưởng nối tiếp
và hệ số dòng đường dây lúc từ không tải đến đầy tải. Trong phương pháp xấp xỉ sự
ảnh hưởng của điện trở cản Rd được xem như không đáng kể và Rd không làm tăng
dòng điện chuẩn. Trong khi đó tần số cộng hưởng song song được tính ở (3.9).
Tần số cộng hưởng nối tiếp của nhánh song song được đưa ra bởi công thức (3.10)
Fs =
1

1
2
f
LC

(3.10)
Trong đó L
f
và C
f
là điện cản lọc và điện dung lọc giá trị dòng không tải đầu
vào đến hệ số đầy tải,

được đưa ra:


=
NL
FL
I
I
(3.11)
Trong đó I
NL
là dòng vào không tải có giá trị hiệu dụng được tính bởi công thức (3.8)
Và I
FL
là giá trị dòng điện hiệu dụng lúc đầy tải.
Giá trị hiệu dụng dòng điện đầu vào bộ chỉnh lưu và giá trị thành phần cơ bản của nó
có thể được tìm thấy từ hệ số đầu vào ASD và các thông số bộ lọc chỉnh lưu. Dựa vào

các giá trị của độ tự cảm đường dây 1 chiều và hệ số tự cảm đường dây xoay chiều
được dùng trong quá trình vận hành, có thể có 2 dạng song song khác nhau của dòng
chỉnh lưu. Nếu điện cảm đường dây một chiều rất lớn và cuộn cảm đường dây xoay
chiều không lớn được dùng, thì dòng điện đầu vào chỉnh lưu trở thành gần như có
dạng sóng hình chữ nhật (Hình vẽ 3.3).
Dựa vào phương trình giá trị hiệu dụng và phân tích chuỗi Fourier, giá trị hiệu dụng
dòng điện đầu vào chỉnh lưu định mức và giá trị cơ bản có thể được tính .
Giá trị dòng điện hiệu dụng cho dạng song hình chữ nhật được tính bởi:


u
AI
R
 1
(3.12)
Trong đó A là biên độ và u là độ dịch pha giữa (+) và (-) chia đôi của dạng sóng dòng
điện. Giả thiết rằng độ lớn dòng điện dây một chiều I
dc
(A trong Hình 3.3) là hằng số
và u gần bằng 60
0
, giá trị dòng điện hiệu dụng định mức chỉnh lưu I
R
được tính :
I
R
= 0,816 x I
dc
(3.13)

(Hình 3.3): Xung hình chữ nhật.
Từ sự phân tích Fourier giá trị đỉnh thành phần cơ bản của dòng điện chỉnh lưu được
tính: