nghiên cứu và thiết kế bộ lọc tích cực cho việc giảm hài dòng điện nâng cao chất lượng lưới điện

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




LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA



NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ BỘ LỌC TÍCH CỰC CHO VIỆC GIẢM HÀI
DÕNG ĐIỆN NÂNG CAO CHÂT LƢỢNG LƢỚI ĐIỆN





NGUYỂN NHƢ NGHĨA

THÁI NGUYÊN 2011

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP





LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA


NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ BỘ LỌC TÍCH CỰC CHO VIỆC GIẢM
HÀI DÒNG ĐIỆN NÂNG CAO CHÂT LƢỢNG LƢỚI ĐIỆN

Học viên : Nguyễn Nhƣ Nghĩa
Ngƣời HD Khoa Học: TS Nguyễn Duy Cƣơng









THÁI NGUYÊN 2011

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
***
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập - Tƣ Do - Hạnh Phúc
o0o

THUYẾT MINH
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ BỘ LỌC TÍCH CỰC CHO VIỆC GIẢM HÀI
DONG ĐIỆN NÂNG CAO CHÂT LƢỢNG LƢỚI ĐIỆN

Học viên

: Nguyễn Nhƣ Nghĩa
Lớp
: CH-K12
Chuyên ngành
: Tự động hoá
Ngƣời hƣớng dẫn
: TS Nguyễn Duy Cƣơng
Ngày giao đề tài
: 2/2011
Ngày hoàn thành đề tài
: 8/2011

KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC
NGƢỜI HƢỚNG DẪN


TS Nguyễn Duy Cƣơng
BAN GIÁM HIỆU
HỌC VIÊN


Nguyễn Nhƣ Nghĩa
Nghiªn cøu vµ thiÕt kÕ bé läc tÝch cùc cho viÖc gi¶m hµi dßng ®iÖn
®Ó n©ng cao chÊt l-îng l-íi ®iÖn


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
Mục Lục
Mục lục
1

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
3
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT…………
6
DANH MỤC CÁC BẢNG
7
LỜI NÓI ĐẦU ………………………… ………………………………………………….
8
CHƢƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ SÓNG HÀI
11
1.1. Đặt vấn đề……………………………………………
11
1.2. Tổng quan về sóng hài……………………………
11
1.2.1. Khái niệm và phân tích sóng hài……………………
11
1.2.2. Tổng méo điều hòa THĐ………………………………
16
1.3. Các nguồn sinh ra sóng hài ……………………………
17
1.3.1 Máy biến áp………………………………
17
1.3.2 Động cơ điện………………………………
18
1.3.3 Thiết bị điện tử công suất………………………………
18
1.3.4 Đèn huỳnh quang ………………………………
20
1.3.5. Bộ điều chỉnh tốc độ truyền động……………………………
22

1.3.6. Lò điện ………………………………………………
23
1.4. Ảnh hƣởng của sóng hài………………………………
24
1.5. Kết luận………………………………………………
28
CHƢƠNG II: CÁC BIỆN PHÁP HẠN CHẾ SÓNG HÀI
29
2.1. Biện pháp ngăn ngừa tạo ra sóng hài…………………
29
2.2. Tăng điện kháng phía nguồn xoay chiều đầu vào tải phi
tuyến…………………………………………………

30
2.3 . Bộ lọc thụ động………………………………………
32
2.3.1. Bộ lọc thụ động mắc song song…………………………………
33
2.3.2. Bộ lọc thụ động mắc song song………………………………
34
2.4. Bộ lọc tích cực………………………………………
41
2.4.1. Phân loại theo bộ biến đổi công suất………………………
42
Nghiên cứu và thiết kế bộ lọc tích cực cho việc giảm hài dòng điện
để nâng cao chất l-ợng l-ới điện


S húa bi Trung tõm Hc liu HTN

2.4.2. Phõn loi theo s mc

44
2.5. Kt lun
50
CHNG III: CU TRC V THUT TON IU KHIN B LC
TCH CC
51
3.1. t vn
51
3.2. B bin i in ỏp xoay chiu ba pha
51
3.3. Lý thuyt cụng sut tc thi p q
52
3.4. Xõy dng thut toỏn iu khin cho b lc tớch cc
56
3.5. Xõy dng cu trỳc iu khin cho b lc tớch cc
57
3.5.1. xut cu trỳc iu khin b lc tớch cc ba pha ba
dõy

58
3.5.2. iu khin in ỏp mt chiu
59
3.6. Kt lun
60
CHNG IV: Mễ PHNG H THNG
61
4.1. S mụ phng
61

4.2. Kt qu mụ phng
68
4.3. Kt lun
72
CHNG V: KT LUN V KIN NGH
73
5.1. Kt lun
73
5.2. Kin ngh
73
TI LIU THAM KHO
74
TểM TT
76

Nghiªn cøu vµ thiÕt kÕ bé läc tÝch cùc cho viÖc gi¶m hµi dßng ®iÖn
®Ó n©ng cao chÊt l-îng l-íi ®iÖn


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Mẫu dạng sóng bao gồm các sóng điều hòa
11
Hình 1.2: Ví dụ méo sóng AC điển hình
14
Hình1.3: Sơ đồ chỉnh lƣu cầu một pha không điều khiển
18
Hình 1.4: Dòng điện lƣới của chỉnh lƣu cầu một pha không điều khiển
19

Hình 1.5: Sơ đồ chinh lƣu điốt ba pha
19
Hình1.6: Dòng pha A của chỉnh lƣu điốt ba pha
20
Hình 1.7: Phổ dòng điện chỉnh lƣu điôt ba pha
20
Hình 1.8. Sơ đồ chỉnh lƣu cầu ba pha có điều khiển
21
Hình 1.9. Dạng dòng điện một pha của chỉnh lƣu cầu ba pha có điều khiển
21
Hình1.10. Dạng phổ dòng điện của chỉnh lƣu cầu ba pha có điều khiển
21
Hình 1.11: Dòng đầu vào của bóng đèn huynh quang điển hình bóng đèn huỳnh
quang

22
Hình 1.12. Dòng đầu vào và phổ dòng điều hòa của ASD điển hình
23
Hình 1.13. Dòng đầu vào và phổ sóng hài của lò điện điển hình
23
Hình 2.1. Dòng đầu vào và phổ sóng điều hòa bộ biến đổi của (a)buck, (b) boots và
(c) BIFRED

30
Hình 2.2. Dòng điều hòa sinh ra từ cầu chỉnh lƣu ba pha có tụ lọc phía một chiều
31
Hình 2.3. Dòng điều hòa sinh ra từ cầu chỉnh lƣu ba pha có kháng lọc
31
Hình 2.4. Độ giảm méo điều hòa của một ASD loại PWM có kháng lọc đầu vào
32

Hình 2.5 Biểu diễn một số sơ đồ bộ lọc thông thƣờng
33
Hình 2.6. Bộ lọc sóng hài ―notch‖ bậc 5 và tác động của nó lên hệ thống
34
Hình 2.7. Biểu diễn sơ đồ bộ lọc thụ động mắc nối tiếp điển hình
34
Hình 2.8. Sơ đồ mặch chỉnh lƣu không có bộ lọc
38
Hình 2.9. Kết quả mô phỏng thu đƣợc dòng và áp
38
Hình 2.10. Phổ của nguồn áp
39
Hình 2.11. Sơ đồ mạch chỉnh có bộ lọc thụ động
39
Hình 2.12. Kết quả mô phỏng thu đƣợc dòng và áp
40
Hình 2.13. Phổ của nguồn áp
40
Hình 2.14. Nguyên lý bù cơ bản của bộ lọc tích cực
41
Hình 2.15. Tải, APF và dạng sóng dòng nguồn
41
Hình 2.16. Bộ lọc tích cực ba pha ba dây nguồn dòng
42
Hình 2.17. Bộ lọc tích cực mắc song song nguồn áp
43
Hình 2.18. Mạch tƣơng đƣơng của bộ lọc tích cực song song, nguồn và tải, (a) bù
45
Nghiên cứu và thiết kế bộ lọc tích cực cho việc giảm hài dòng điện
để nâng cao chất l-ợng l-ới điện

S húa bi Trung tõm Hc liu HTN
dũng iu ho ca ti, (b) bự ỏp iu hũa ca ti, (c) bự ỏp ca ngun
Hỡnh 2.19. S b lc tớch cc mt pha mc song song
45
Hỡnh 2.20. Dũng ca ti, b lc v ngun ca h thng
46
Hỡnh. 2.21. B lc cụng sut tớch cc mc ni tip tng ng vi mt pha
47
Hỡnh 2.22. B lc hn hp ca b lc th ng mc song song
49
Hỡnh 2.23 Dũng ca b lc th ng, b lc tớch cc, ti, v ngun
49
Hỡnh 2.24. B lc hn hp ca b lc tớch cc v b lc th ng mc ni tip
49
Hỡnh 2.25. S cu trỳc UPQC
50
Hỡnh 3.1. Mch in phớa li (a) v mụ hỡnh phớa li (b)
51
Hỡnh 3.2: Cụng sut tỏc dng trờn ti
54
Hỡnh 3.3. Thut toỏn iu khin da trờn lý thuyt p- q
56
Hỡnh 3.4: B lc tớch cc song song
58
Hỡnh 3.5: Cu trỳc iu khin b lc tớch cc
59
Hỡnh 3.6. B iu khin in ỏp mt chiu s dng b iu chnh PI
60

Hỡnh 4.1. Mch lc ca mch lc tớch cc ba pha ba dõy
61
Hỡnh 4.2. Mụ hỡnh mch lc tớch c ba pha ba dõy trờn Simulink
62
Hỡnh 4.3. Mụ hỡnh ti phi tuyn
63
Hỡnh 4.4. B iu khin in ỏp v tớnh toỏn cụng sut n nh trờn t
63
Hỡnh 4.5. Mụ hỡnh khi tớnh toỏn dũng bự chun
64
Hỡnh 4.6. Khi chuyn in ỏp trong h abc
64
Hỡnh 4.7. Khi chuyn dũng in abc
65
Hỡnh 4.8. Khi tớnh toỏn cụng sut tc thi p,q
65
Hỡnh 4.9. Khi tớnh cụng sut bự
65
Hỡnh 4.10. Khi tớnh dũng bự
66
Hỡnh 4.11. Khi tỡnh dũng in chun
66
Hỡnh 4.12. Khi iu khin dũng v phỏt xỳng
67
Hỡnh 4.13. Biu din ỏp ca ngun khi b lc cha tỏc ng
68
Hỡnh 4.14. Biu din dũng in cp cho ti
68
Hỡnh 4.15. TH ca bc súng hi dũng in pha A
69

Hỡnh 4.16. Dũng ngun sau khi b lc tỏc ng
70
Hỡnh 4.17. Dũng ca ti
70
Hỡnh 4.18. Dũng ca mch lc trc v sau khi tỏc ng
70
Hỡnh 4.19. TH ca bc súng hi dũng in mt pha
71
Hỡnh 4.20. Cụng sut tỏc dng ca ngun trc v sau khi b lc tỏc ng
71
Hỡnh 4.21. Cụng sut phn khỏng ca ngun trc v sau khi b lc tỏc ng
72
Nghiªn cøu vµ thiÕt kÕ bé läc tÝch cùc cho viÖc gi¶m hµi dßng ®iÖn
®Ó n©ng cao chÊt l-îng l-íi ®iÖn


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
Hình 4.22. Công suất phản kháng của nguồn trƣớc và sau khi bộ lọc tác động
72
Hình 4.23. Công suất tác dụng của tải
72

Nghiªn cøu vµ thiÕt kÕ bé läc tÝch cùc cho viÖc gi¶m hµi dßng ®iÖn
®Ó n©ng cao chÊt l-îng l-íi ®iÖn


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

APF
Active Power Filters- Bộ lọc công suất tích cực
AF
Bộ lọc tích cực
CSAFs
Current Source Active Filter- Bộ lọc tích cực nguồn dòng
CSPK
Công suất phản kháng
LPF
Low Pass Filter - Bộ lọc thông thấp
PWM
Pulse Width Modulation - Điều chế độ rộng xung
PI
Proportional – integral - Bộ điều khiển PI
THD
Total Harmonic Distortion - Độ méo hài tổng
PCC
Point of Common Coupling - Điểm nối chung
VSI
Voltage Source Inverter – Bộ biến đổi nguồn áp
VSAF
Voltage Source Active Filter – Bộ lọc tích cực nguồng áp
UPS
Uninterruptible Power Supply – Nguồn cấp điện liên tục
UPQC
Unified Power Quality Conditioners

Nghiªn cøu vµ thiÕt kÕ bé läc tÝch cùc cho viÖc gi¶m hµi dßng ®iÖn
®Ó n©ng cao chÊt l-îng l-íi ®iÖn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1:
Thành phần sóng điều hòa lớn nhất và nhỏ nhất của dòng điện bóng đèn
huỳnh quang
Bảng 1.2:
Dòng điều hòa và dòng trung tính của một nguồn cung cấp năng lƣợng
máy tính điển hình
Bảng1.3:
Giới hạn biến dạng dòng sóng hài (Ih) trong phần trăm của ( IL)

Bảng 1.4
Giới hạn méo điện áp













Nghiên cứu và thiết kế bộ lọc tích cực cho việc giảm hài dòng điện

để nâng cao chất l-ợng l-ới điện


S húa bi Trung tõm Hc liu HTN
LI NểI U

Ngy nay, cỏc h thng truyn ng in hin i trong cụng nghip v
dõn dng thng s dng cỏc b bin i in t cụng sut, chng hn nh
cỏc b bin i xoay chiu - mt chiu, cỏc loi lũ in hay cỏc b bin tn
Cỏc b bin i ny cú th cho phộp ỏp dng cỏc thut toỏn iu khin t n
gin n phc tp to ra mt h thng iu khin linh hot, ỏp ng c
cỏc yờu cu khỏc nhau v thớch ng cho nhiu loi ph ti.
Tuy nhiờn, vic s dng rng rói cỏc thit b in t cụng sut ln
cng to ra nhng thỏch thc khụng nh i vi cht lng ngun in. Cỏc
thit b cụng nghip v sinh hot s dng cỏc linh kin in t cụng sut cú
th to nờn nhng nhng ph ti phi tuyn v gõy ra cỏc thnh phn súng hi
trờn li. Nhng súng hi ny lm cho in ỏp li b mộo dng v gõy nh
hng khụng tt cho nhng ph ti c ni vi nú.
Vit nam hin nay, cỏc hot ng sn xut cụng nghip ang phỏt
trin mt cỏch nhanh chúng v lng in nng tiờu th phc v cho sn
xut cụng nghip cng ngy mt ln. Trong quỏ trỡnh phỏt trin nh vy thỡ
cỏc ph ti phi tuyn cng tng lờn mt cỏch ỏng k. Tuy nhiờn nhng tỏc
hi ca súng hi gõy ra cho h thng in thỡ li cha c quan tõm mt
cỏch ỳng mc.
Trờn thc t ó cú mt s gii phỏp nhm khc phc nh hng ca
súng hi, trong ú ngi ta chỳ ý n cỏc b lc. Mt gii phỏp mang tớnh
kinh in l s dng cỏc b lc th ng LC loi tr súng hi hoc ngn
dũng hi tỏc ng tr li ngun. Mc dự khỏ n gin v nguyờn lý nhng
cỏc b lc th ng thng rt cng knh v thiu linh hot trong vic b trớ
cỏc dn lc v khú ỏp ng vi cỏc dng súng hi khỏc nhau. thit k b

lc th ng nhm trit tiờu mt s súng hi bc cao ta phi xỏc nh c
tr khỏng ca ti. Thc t iu ny l khú thc hin c do ti luụn luụn
bin ng. Trong trng hp xỏc nh tr khỏng ca ti khụng ỳng thỡ b lc
th ng cú th cũn lm kớch thớch h thng dao ng.
Nghiên cứu và thiết kế bộ lọc tích cực cho việc giảm hài dòng điện
để nâng cao chất l-ợng l-ới điện


S húa bi Trung tõm Hc liu HTN
Gii phỏp lc tớch cc ra i ó gii quyt c nhng khú khn nờu
trờn. B lc tớch cc cú th lc cỏc thnh phn súng hi bc cao cú trong dũng
in v in ỏp, bự cụng sut phn khỏng, iu chnh in ỏp u cui, khc
phc dao ng in ỏp v ci thin cõn bng in ỏp trong mch ba pha. u
im c bn ca b lc tớch cc l chỳng thớch ng vi s thay i ca li v
ti. Hn na chỳng cú th bự mt s súng hi quan trng m khụng lm nh
hng n c tớnh ca li.
Lun vn ny ch yu tp trung vo nghiờn cu v so sỏnh cỏc k thut
khỏc nhau ỏp dng cho vic thit k cỏc b lc tớch cc cho h thng ba
pha ba dõy. Ni dung chớnh ca lun vn th hin vic ỏp dng lý thuyt
cụng sut tc thi ca Akagi xõy dng cu trỳc thut toỏn v cu trỳc iu
khin cho b lc tớch cc ba pha ba dõy lc súng hi v nõng cao cht
lng in ỏp.
Phng phỏp nghiờn cu ca ti c th hin nh sau:
- Nghiờn cu lý thuyt v tham kho cỏc ti liu k thut, cỏc bi bỏo
trong v ngoi nc mụ hỡnh húa v xõy dng thut toỏn iu khin.
- S dng phn mm Matlab/ Simulink thit k, mụ phng v kim
nghim cỏc kt qu nghiờn cu lý thuyt.
- Phng phỏp thc tin: tham quan, iu tra, kho sỏt cng c
thờm tin cy v kim chng mc chớnh xỏc ca kt qu nghiờn cu lý
thuyt.

Ni dung nghiờn cu ca lun vn v Nghiờn cu v thit k b lc
tớch cc cho vic gim hi dũng in nõng cao cht lng li in gm
nm chng vi ni dung túm tt nh sau:
Chng I : Gii thiu tng quan v súng hi
Chng II : Cỏc bin phỏp hn ch súng hi
Chng III : Cu trỳc v thut toỏn iu khin b lc tớch cc.
Chng IV : Mụ phng h thng
Chng V : Kết luận và khuyến nghị
Nghiên cứu và thiết kế bộ lọc tích cực cho việc giảm hài dòng điện
để nâng cao chất l-ợng l-ới điện


S húa bi Trung tõm Hc liu HTN
Trong quỏ trỡnh thc hin lun vn, c s hng dn tn tỡnh ca
thy giỏo TS. Nguyn Duy Cng cựng vi s c gng ca bn thõn, nay ó
hon thnh. Tuy nhiờn do trỡnh bn thõn cú hn nờn lun vn khụng trỏnh
khi nhng thiu sút, tụi kớnh mong nhn c s gúp ý v nhn xột ca cỏc
thy cụ giỏo v cỏc bn bn lun vn ny c hon thin hn. Tụi xin by
t s bit n chõn thnh ca mỡnh ti thy giỏo TS. Nguyn Duy Cng ó
tn tỡnh hng dn v to iu kin tụi hon thnh bn lun vn ny.
Tụi xin chõn thnh cỏm n cỏc thy cụ Khoa in, Khoa sau i hc,
xin chõn thnh cỏm n Ban Giỏm Hiu Trng i Hc K Thut Cụng
Nghip ó to nhng iu kin thun li nht v mi mt tụi hon thnh
khúa hc.
Tụi xin chõn thnh cỏm n !
Thỏi nguyờn, ngy thỏng nm 2011
Ngi thc hin


Nguyn Nh Ngha

Nghiªn cøu vµ thiÕt kÕ bé läc tÝch cùc cho viÖc gi¶m hµi dßng ®iÖn
®Ó n©ng cao chÊt l-îng l-íi ®iÖn


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
CHƢƠNG 1
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ SÓNG HÀI

1.1. Đặt vấn đề
Trong những năm gần đây, do sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế,
tốc độ công nghiệp hóa tăng một cách nhanh chóng và lƣợng điện năng tiêu
thụ để phục vụ cho sản xuất công nghiệp cũng ngày một lớn. Trong quá trình
phát triển nhƣ vậy thì các phụ tải phi tuyến cũng tăng lên một cách đáng kể,
dẫn tới xuất hiện các thành phần sóng điều hòa bậc cao. Các thành phần sóng
điều hòa bậc cao này gây ra những tác hại đáng kể nhƣ làm tăng tổn hao, làm
giảm hệ số công suất, ảnh hƣởng tới các thiết bị tiêu dùng điện, làm giảm chất
lƣợng điện năng
1.2 Tổng quan về sóng hài.
1.2.1 Khái niệm và phân tích sóng hài
Sóng hài là một dạng nhiễu không mong muốn, ảnh hƣởng trực tiếp tới
chấp lƣợng lƣới điện và cần đƣợc chú ý tới khi tổng dòng điện hài cao hơn
mức độ giới hạn cho phép. Sóng hài có thể coi là tổng của các dạng sóng sin
mà tần số của nó là bội số nguyên của tần số cơ bản. Ví dụ, Hình 1.1 biểu
diễn sóng hài với tần số cơ bản 50Hz và sóng hài bậc 5 (250 Hz), sóng hài bậc
7 (350 Hz), và bậc 11 (550 Hz)

Hình 1.1: Mẫu dạng sóng bao gồm các sóng hài
Công cụ để phân tích mức độ méo của dạng sóng dòng điện có chu kỳ
Nghiên cứu và thiết kế bộ lọc tích cực cho việc giảm hài dòng điện
để nâng cao chất l-ợng l-ới điện

S húa bi Trung tõm Hc liu HTN
l phõn tớch Furier. Phng phỏp ny da trờn nguyờn lý l mt dng súng
khụng sin v cú th c thay th bi tng ca cỏc dng súng iu hũa hỡnh
sin bao gm:[1]
- Thnh phn mt chiu
- Mt súng hỡnh sin vi tn s c bn ( 50 Hz )
- Cỏc súng iu hũa bc cao cú tn s bng bi s tn s c bn.
Mt súng khụng hỡnh sin thng c gi l súng phc tp. Biu thc
toỏn hc ca nú cú dng: [1]

)sin( )sin(
)2sin()sin(
33
22110
ii
tiNtN
tNtNNn




(1.1)
Trong ú: n l tr s tc thi

0
N
l tr s trung bỡnh (hay thnh phn mt chiu)

1
N
l biờn ca thnh phn c bn

2
N
l biờn ca thnh phn súng iu hũa bc 2

3
N
l biờn ca thnh phn súng iu hũa bc 3

1, ii
N
l biờn ca thnh phn súng iu hũa bc i


l gúc lch pha tng i

f

2
l tn s gúc, f l tn s ca súng c bn
1/f l thi gian ( chu k) trong ú súng phc tp lp li.
V mt toỏn hc, thun tin nờn biu din theo bin x hn l theo t v
hm y thun tin hn l in ỏp hay dũng in.


Nh vy:
Nghiên cứu và thiết kế bộ lọc tích cực cho việc giảm hài dòng điện

để nâng cao chất l-ợng l-ới điện


S húa bi Trung tõm Hc liu HTN

)sin( )3sin(.
)2sin(.)sin(.)(
33
22110
nn
nxRxR
xRxRRxfy




(1.2)
Hoc

nxbxbxb
nxaxaxaAxfy
n
n
cos 2coscos
sin 2sin.sin.)(
21
21


(1.3)

Khai trin (1.3) gi l chui Fourier, khi ta cú th biu din f(x) mt cỏch
toỏn hc, ta c cỏc biu thc tớnh cỏc h s sau õy :

)()(
2
1
2
0
xdxfA



(1.4)

dxnxxfa
n
.sin)(
1
2
0



(1.5)

dxnxxfb
n
.cos)(
1
2

0



(1.6)
Cỏc phng trỡnh (1.2) v (1.3) l tng ng. Khi t
)sin(cossin
nnnn
nxRnxbnxa



ng thc ny cho biờn ca iu hũa bc n.

2
1
22
)( baR
n

(1.7)
v gúc lch pha
n
n
n
a
b
gaatan

. (1.8)

Thnh phn hng s xỏc nh theo (1.4) l tr s trung bỡnh ca hm s,
vớ d ú l in ỏp mt chiu (in ỏp trung bỡnh) u ra ca b chnh lu.
Quan sỏt mt dng súng cú th i n mt s kt lun v n gin húa
biu thc gii tớch ca mt súng phc tp:
Nu din tớch ca cỏc na chu k dng v õm bng nhau thỡ A=0.
Nu f(x+) = -f(x) thỡ khụng cú iu hũa bc chn, ngha l khụng cú
bc 2,4Tt c na chu k õm l i xng vi na chu k dng.
Nghiªn cøu vµ thiÕt kÕ bé läc tÝch cùc cho viÖc gi¶m hµi dßng ®iÖn
®Ó n©ng cao chÊt l-îng l-íi ®iÖn


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
 Nếu f(-x) = - f(x),
0
n
b
, không có thành phần cosin hàm số lẻ. Nếu
f(-x) = f(x),
0
n
a
, không có các thành phần sin khi hàm số chẵn.
Biến dạng sóng hài của dạng sóng dòng tƣơng đối dễ nhận ra nhƣ là
dạng sóng không sin, chúng đƣợc lặp đi lặp lại tại tần số cơ bản 50 Hz. Nhiễu
ngẫu nhiên không có sự lặp lại. Dấu hiệu để xác định một dạng sóng không
sin có thành phần hài bậc chẵn hay bậc lẻ nhƣ sau: [5]
- Sóng hài bậc lẻ xuất hiện khi nửa chu kỳ âm của dạng sóng không sin
lặp lại y hệt nửa chu kỳ dƣơng, nhƣng với chiều âm. Nói cách khác, hài bậc lẻ
xuất hiện khi phần tƣ chu kỳ thứ nhất và phần tƣ chu kỳ thứ ba là giống nhau,
phần tƣ chu kỳ thứ hai và phần tƣ chu kỳ thứ tƣ là giống nhau. Sóng hài bậc

lẻ xuất hiện với chỉnh lƣu cầu vì nửa chu kỳ dƣơng và nửa chu kỳ âm là đối
xứng nhau (do đó các hài bậc chẵn bị triệt tiêu)
- Sóng hài bậc chẵn xuất hiện khi nửa chu kỳ âm không lặp lại nửa chu kỳ
dƣơng. Một đặc điểm khác của hài bậc chẵn đó là phần tƣ thứ nhất và thứ tƣ
là giống nhau, phần tƣ thứ hai và thứ ba là giống nhau. Thƣờng ít khi thấy hài
bậc chẵn trong các hệ thống điện công nghiệp.

Hình 1.2: Ví dụ méo sóng AC điển hình
(a) dạng sóng không sin chứa các sóng hài bậc lẻ
(b) dạng sóng không sin chứa các sóng hài bậc chẵn
Mức độ méo sóng hài sinh ra do bộ điều chỉnh tốc độ phụ thuộc vào rất
nhiều biến số và nhiều biến số rất khó để định lƣợng, ví dụ:
 Biên độ của dòng điện chạy qua bộ biến đổi
 Cấu trúc của mạch điện tử công suất (6 xung, 12 xung)
Nghiªn cøu vµ thiÕt kÕ bé läc tÝch cùc cho viÖc gi¶m hµi dßng ®iÖn
®Ó n©ng cao chÊt l-îng l-íi ®iÖn


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
 Đặc tính và trở kháng của hệ thống cung cấp điện nối đến tải
Nguyên nhân chính tại sao bộ biến đổi điện tử công suất sinh ra dòng
điện hài là vì dòng điện không liên tục trong mỗi pha. Xét về khía cạnh sinh
ra sóng hài thì việc cầu chỉnh lƣu dùng diode hay thyristor đều không quan
trọng vì chúng đều hoạt động tƣơng tự nhau. Trong một cầu chỉnh lƣu, chỉ có
hai thyristor ( hoặc diode ) đƣợc dẫn tại một thời điểm bất kỳ, và khoảng thời
gian đƣợc dẫn này sẽ lần lƣợt đến phiên các thyristor ( diode ) kế tiếp. Trong
một chu kỳ của điện áp nguồn cấp, mỗi một pha trong ba pha đều dẫn một
xung dƣơng trong 120
o
và một xung âm trong 120

o
.
Các dòng điện pha gián đoạn này kết hợp lại ở phía một chiều để tạo ra
dòng điện một chiều DC nhấp nháy, dòng điện này đƣợc làm bằng phẳng
bằng một cuộn kháng ở phía một chiều. Nhƣ vậy, bộ chỉnh lƣu có thể đƣợc
xem nhƣ một nguồn phát sóng hài về phía lƣới.
Các bộ biến đổi điện tử công suất không sinh ra tất cả các bậc hài mà
chỉ một số bậc hài nhất định. Bậc và biên độ của một sóng hài dòng điện sinh
ra bởi bộ biến đổi điện tử công suất phụ thuộc vào 3 yếu tố chính sau:
* Số xung của một bộ biến đổi (p). Số xung của bộ biến đổi là số xung
một chiều ở đầu ra của bộ chỉnh lƣu trong một chu kỳ của điện áp nguồn cấp.
Bậc của sóng hài sinh ra đƣợc xác định theo công thức
n = kp ± 1 (1.9)
Với n: bậc của sóng hài
k: số nguyên 1, 2, 3,
p: số xung của bộ biến đổi
* Biên độ của dòng tải, dòng điện
D
I
phía một chiều của bộ chỉnh lƣu
ảnh hƣởng tới biên độ của dòng điện hài
* Biên độ của điện áp tải, điện áp một chiều
D
V
của bộ chỉnh lƣu ảnh
hƣởng tới dòng tải


1.2.2. Tổng méo điều hòa THD
Nghiªn cøu vµ thiÕt kÕ bé läc tÝch cùc cho viÖc gi¶m hµi dßng ®iÖn

®Ó n©ng cao chÊt l-îng l-íi ®iÖn


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
THD là chỉ số đánh giá độ méo của các thành phần điều hòa của một sóng bị
méo so với thành phần cơ bản, đƣợc tính bởi công thức sau.

1
2
2
Y
Y
THD
n
n




(1.10)
Trong đó:

1
Y
: là giá trị hiệu dụng của tín hiệu tần số cơ bản

n
Y
: là giá trị hiệu dụng của tín hiệu thành phần điều hòa bậc n
Từ công thức (1.10) ta có thể đánh giá độ méo cho cả dòng điện và điện áp

qua hệ số méo dòng và hệ số méo điện áp
* Hệ số méo dòng điện:

1
2
2
I
I
THD
n
n




(1.11)
Trong đó:
1
I
: Là giá trị hiệu dụng của thành phần dòng cơ bản.
n
I
: Là giá trị hiệu dụng của thành phần dòng sóng hài bậc n
* Hệ số méo điện áp:
THD =
1
2
2
U
U

n
n



(1.12)



Trong đó:
1
U
là giá trị hiệu dụng của thành phần điện áp cơ bản
n
U
là giá trị hiệu dụng của thành phần điện áp sóng hài bậc n.
Nghiên cứu và thiết kế bộ lọc tích cực cho việc giảm hài dòng điện
để nâng cao chất l-ợng l-ới điện


S húa bi Trung tõm Hc liu HTN
Cht lng ca ngun in cung cp trờn li cng kộm nu h s
THD cng cao
1.3 Cỏc ngun sinh ra súng hi
Ngun sinh ra súng hi ch yu l cỏc ti phi tuyn kt ni trờn li.
Trong ú cỏc thit b cha cỏc mch in t cụng sut l cỏc ti phi tuyn tiờu
biu. Mt ti c gi l phi tuyn khi dũng in chy qua nú s cú dng súng
khỏc vi dng súng ca in ỏp ngun cung cp. Sau ú, cỏc dũng súng hi
c sinh ra t ti ny li chy khộp vũng qua tng tr h thng ( ng dõy,
mỏy bin ỏp) v sinh ra cỏc in ỏp súng iu hũa lm mộo dng in ỏp

ngun cung cp. Mt khỏc cỏc ph ti phi tuyn ngy cng c s dng ph
bin trong mi lnh vc cụng nghip v i sng, cng nh in nng tiờu
th cho chỳng cng gia tng mt cỏch nhanh chúng. Cỏc ph ti tiờu biu nh
sau:
1.3.1 Mỏy bin ỏp
Khi t húa lừi thộp mỏy bin ỏp, do mch t bóo hũa s lm xut hin
nhng hin tng m trong mt s trng hp nh hng n trng thỏi lm
vic ca mỏy bin ỏp
õy xột nhng nh hng ỏng k ú khi mỏy bin ỏp lm vic khụng ti.
Ta bit rng khi t vo dõy qun s cp in ỏp hỡnh sin thỡ s sinh ra dũng
in khụng ti
0
i
chy trong nú, dũng in khụng ti
0
i
ny sinh ra t thụng
chy trong lừi thộp. õy nu khụng k n tn hao trong lừi thộp thỡ dũng
in khụng ti
0
i
thun tỳy l dũng in phn khỏng dựng t húa lừi thộp.
Khi ú quan h =f(
0
i
) cng chớnh l quan h t húa B=F(H). Trờn c s lý
thuyt mch, do hin tng bóo hũa ca lừi thộp, nu l hỡnh sin thỡ
0
i
khụng

hỡnh sin v cú dng nhn u, ngha l dũng in
0
i
ngoi thnh phn súng c
bn cũn cú cỏc thnh phn súng hi bc cao 3, 5, 7 , trong ú ỏng chỳ ý l
thnh phn hi bc 3 ln nht v ỏng k hn c, cũn cỏc thnh phn khỏc khỏ
nh.
1.3.2 ng c in
Nghiªn cøu vµ thiÕt kÕ bé läc tÝch cùc cho viÖc gi¶m hµi dßng ®iÖn
®Ó n©ng cao chÊt l-îng l-íi ®iÖn


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
Động cơ điện xoay chiều khi hoạt động cũng sinh ra sóng điều hòa
dòng điện bậc cao. Các sóng điều hòa dòng điện bậc cao đƣợc phát sinh bởi
máy điện quay liên quan chủ yếu tới các biến thiên của từ trƣờng gây ra bởi
các khe hở giữa roto và stato. Các máy điện đồng bộ có thể sinh ra sóng điều
hòa bậc cao bởi vì dạng từ trƣờng, sự bão hòa trong các mạch chính và các
đƣờng dò và do các dây quấn dùng để giảm dao động đặt không đối xứng.
1.3.3 Thiết bị điện tử công suất
Các bộ biến đổi điện tử công suất (chỉnh lửu, nghịch lƣu …) đều đƣợc
cấu tạo từ các linh kiện bán dẫn nhƣ điốt, thyristor, tranzitor, mosfet, IGBT…,
đây đều là những phần tử phi tuyến là nguồn gốc gây ra sóng điều hòa bậc
cao. Ta đi xét một số bộ biến đổi công suất gây ra sóng điều hòa bậc cao.
* Các bộ biến đổi xoay chiều – một chiều
Ngày nay có rất nhiều thiết bị điện đòi hỏi phải có nguồn cấp một chiều
để hoạt động. Cầu bộ biến đổi xoay chiều - một chiều đƣợc dùng phổ biến để
tạo nên những nguồn một chiều này bởi sơ đồ đơn giản, giá thành hạ và điện
áp cung cấp khá ổn định trong những điều kiện làm việc bình thƣờng
- Chỉnh lƣu cầu một pha không điều khiển

Hình1.3: Sơ đồ chỉnh lƣu cầu một pha không điều khiển
Nghiªn cøu vµ thiÕt kÕ bé läc tÝch cùc cho viÖc gi¶m hµi dßng ®iÖn
®Ó n©ng cao chÊt l-îng l-íi ®iÖn


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

Hình 1.4: Dòng điện lƣới của chỉnh lƣu cầu một pha không điều khiển
- Xét sơ đồ chỉnh lƣu điốt cầu ba pha không có bộ lọc một chiều
Ta có:
AS
V
= 220
2
sin(t) (V)
BS
V
= 220
2
sin(t -

3
2
) (V)
CS
V
= 220
2
sin(t +


3
2
) (V)

Hình 1.5: Sơ đồ chinh lƣu điốt ba pha


Nghiªn cøu vµ thiÕt kÕ bé läc tÝch cùc cho viÖc gi¶m hµi dßng ®iÖn
®Ó n©ng cao chÊt l-îng l-íi ®iÖn


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

Hình1.6: Dòng pha A của chỉnh lƣu điốt ba pha
Dạng phổ dòng điện

Hình 1.7: Phổ dòng điện chỉnh lƣu điôt ba pha
Từ hình trên ta thấy dòng điện pha A bị méo rất lớn với hai đƣờng lõm ở
đỉnh. Có THĐ là 30,12% và thành phần sóng điều hòa bậc 5 và bậc 7 là chủ
yếu




- Xét bộ chỉnh lƣu cầu ba pha có điều khiển
Nghiªn cøu vµ thiÕt kÕ bé läc tÝch cùc cho viÖc gi¶m hµi dßng ®iÖn
®Ó n©ng cao chÊt l-îng l-íi ®iÖn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

Hình 1.8. Sơ đồ chỉnh lƣu cầu ba pha có điều khiển

Hình 1.9. Dạng dòng điện một pha của chỉnh lƣu cầu ba pha có điều khiển

Hình1.10. Dạng phổ dòng điện của chỉnh lƣu cầu ba pha có điều khiển
Xét tải phi tuyến là bộ chỉnh lƣu cầu ba pha có điều khiển. Trƣờng hợp
này,THĐ là 29,29% và thành phần sóng điều hòa bậc 5 và bậc 7 là chủ yếu.
1.3.4. Đèn huỳnh quang
Nghiªn cøu vµ thiÕt kÕ bé läc tÝch cùc cho viÖc gi¶m hµi dßng ®iÖn
®Ó n©ng cao chÊt l-îng l-íi ®iÖn


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
Đây là loại tải có tính phi tuyến cao. Hình 1.11 biểu diễn dòng đầu vào của
đèn huỳnh quang điển hình. Số lƣợng các sóng hài bậc 3, 5, 7,9 và 11 cao.Kết
quả thử nghiệm của Liew [6] chỉ ra tối đa và tối thiểu thành phần sóng hài của
đèn huỳnh quang, nhƣ đƣợc trình bày trong Bảng 1.1

Hình 1.11: Dòng đầu vào của bóng đèn huynh quang điển hình

Bảng 1.1: Thành phần sóng hài lớn nhất và nhỏ nhất của dòng điện bóng đèn
huỳnh quang

1.3.5. Bộ điều chỉnh tốc độ truyền động
Với sự gia tăng của các bộ điều chỉnh tốc độ truyền động trong các hệ thống
năng lƣợng điện, chúng đã trở thành một vấn đề chính về chất lƣợng điện.
Hình 1.12 cho thấy: