Bù hệ số công suất bằng phương pháp điều khiển trượt

Lời nói đầu
Hiện nay, trong sự nghiệp công nghiệp hóa - hiện đại hóa nước nhà,
công nghiệp điện lực đang giữ một vai trò đặc biệt quan trọng. Bởi vì, điện
lực là nguồn năng lượng được sử dụng rộng rãi nhất trong các ngành kinh tế
quốc dân.
Do vậy, từ việc sản xuất đến việc tiêu thụ điện năng phục vụ cho công
nghiệp và đời sống đều phải đòi hỏi sự hợp lí và tiết kiệm. Để tiết kiệm điện
năng, giảm tổn thất tới mức nhỏ nhất trong quá trình truyền tải cần phải thực
hiện việc nâng cao hệ số công suất cosϕ cho lưới điện. Từ trước tới nay đã có
một số biện pháp để nâng cao hệ số công suất cos ϕ, còn trong luận văn này
tác giả nghiên cứu đề xuất 1 phương pháp khác nhằm cải thiện hệ số công
suất cosϕ , đó là phương pháp : bù hệ số công suất cos ϕ dựa trên điều khiển
trượt dòng điện.
Với phương pháp này, chất lượng điện sẽ được nâng cao một cách
đáng kể nhờ áp dụng các kiến thức về tự động hóa, vì tự động hóa vốn là một
ngành khoa học công nghệ mũi nhọn, đã hội tụ các kiến thức từ một số ngành
: công nghệ thông tin, điện - điện tử, cơ khí, đo lường...
Sau 5 năm học tập dưới mái trường Đại học Hàng Hải tại lớp
ĐTĐ40ĐH, tới cuối khóa học em đã được giao đề tài tốt nghiệp : “Bù hệ số
công suất bằng phương pháp điều khiển trượt ”.
Luận văn có nội dung như sau :
Chương 1 : ý nghĩa và các phương pháp nâng cao hệ số công
suất cosϕ
Chương 2 : Lọc điện bằng các bộ lọc
Chương 3 : Bù công suất phản kháng và khử sóng bậc cao dùng
bộ IPFC
Chương 4 : Mô phỏng hệ thống

1

Để tiến hành nghiên cứu và hoàn thành luận văn này, em đã được sự
chỉ bảo và giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo trong khoa
Điện - Điện tử tàu biển, đặc biệt là thầy giáo PGS - TSKH Thân Ngọc Hoàn.
Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các thầy cô.

2


Chương 1
ý nghĩa và các phương pháp nâng cao hệ số công suất cosϕ
1.1 ý nghĩa của việc nâng cao hệ số công suất cosϕ :
Trong các xí nghiệp công nghiệp cũng như trong đời sống, điện năng
vốn là nguồn năng lượng chủ yếu. Do đó, vấn đề sử dụng hợp lí và tiết kiệm
điện năng có ý nghĩa rất lớn. Về mặt sản xuất điện năng, cần phải tận dụng
hết các khả năng của các nhà máy phát điện để sản xuất ra nhiều điện nhất,
đồng thời về mặt tiêu thụ, phải tiết kiệm, giảm tới mức thấp nhất tổn thất điện
năng. Mà tính chung trong toàn hệ thống điện, thì thường có khoảng : (10 ÷
15)% năng lượng được phát ra bị mất mát trên đường truyền tải và phân phối,
đặc biệt là ở mạng điện xí nghiệp (mạng có điện áp U = 0,1 ÷ 10 KV), chiếm
tới 64,4% tổng số điện năng bị tổn thất, như ở bảng phân tích dưới đây :
Bảng B-1.1 Phân tích tổn thất điện năng trong hệ thống điện

Tổn thất điện năng của (%)
Mạng có điện áp
Đường dây

Máy biến áp

Tổng

U >= 110KV

13,3

12,4

25,7

U = 35 KV

6,9

3,0

9,9

U = (0,1 - 10) KV

47,8

16,5

64,4

Tổng cộng

68,0

32,0

100

Để đánh giá mức sử dụng điện hợp lí và tiết kiệm, hệ số công suất cosϕ
được đưa ra như một chỉ tiêu, nên các quốc gia trên thế giới và nước ta hiện
nay đã ban hành các chính sách để khuyến khích các xí nghiệp nâng dần hệ số
công suất cosϕ từ 0,6 ÷ 0,7 lên tới 0,9.

3


Nâng cao hệ số công suất cosϕ là một trong những biện pháp quan
trọng để tiết kiệm điện năng. Sau đây, ta sẽ phân tích hiệu quả do việc nâng
cao hệ số công suất cosϕ đem lại :
Phần lớn các thiết bị dùng điện đều tiêu thụ công suất tác dụng P và
công suất phản kháng Q. Những thiết bị tiêu thụ nhiều công suất phản kháng
là :
- Động cơ không đồng bộ tiêu thụ khoảng (60 ÷ 65)% tổng công suất
phản kháng của mạng
- Máy biến áp tiêu thụ khoảng (20 ÷ 25)%
- Đường dây trên không, điện kháng và các thiết bị điện kháng tiêu thụ
khoảng 10%
Như vậy, động cơ không đồng bộ và máy biến áp là 2 loại máy điện
tiêu thụ nhiều công suất phản kháng nhất. Công suất tác dụng P là công suất
được biến thành cơ năng hoặc nhiệt năng trong các nhà máy dùng điện; còn
công suất phản kháng Q là công suất từ hóa trong các máy điện xoay chiều,
nó không sinh ra công. Quá trình trao đổi công suất phản kháng giữa máy
phát điện và hộ dùng điện là một quá trình dao động. Mỗi chu kỳ của dòng
điện, Q đổi chiều 4 lần, giá trị trung bình của Q trong 1/2 chu kỳ của dòng
điện bằng 0. Cho nên việc tạo ra công suất phản kháng không đòi hỏi tiêu tốn
năng lượng của động cơ sơ cấp quay máy phát điện. Mặt khác, công suất phản

kháng cung cấp cho hộ dùng điện không nhất thiết phải lấy từ nguồn (tức máy
phát điện). Vì vậy, để tránh phải truyền tải một lượng công suất phản kháng Q
quá lớn trên đường dây, người ta đặt gần các hộ dùng điện các máy sinh ra Q
(tụ điện, máy bù đồng bộ) để cung cấp trực tiếp cho phụ tải, làm như vậy gọi
là bù công suất phản kháng. Khi có bù công suất phản kháng thì góc lệch pha
giữa dòng điện và điện áp mạch : ϕ sẽ nhỏ đi, do đó hệ số công suất cosϕ của
mạng được nâng cao.
Việc nâng cao hệ số công suất cosϕ đem lại rất nhiều hiệu quả cho lưới
điện :
-

Giảm được tổn thất công suất trong mạng điện
4


-

Giảm được tổn thất điện áp trong mạng điện

-

Tăng khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp
Ngoài ra còn giảm được chi phí kim loại màu, góp phần ổn định điện

áp, tăng khả năng phát điện của máy phát ...
Do ϕ = arctg

Q
P

Trong đó:
Q: Là công suất phản kháng
P: Là công suất tác dụng
ϕ: Góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp
Với lượng P không đổi, nhờ bù công suất phản kháng Q mà lượng Q
phải truyền tải trên đường dây được giảm đi, nên góc ϕ giảm làm cho cosϕ
được tăng lên.
Do vậy, ý nghĩa của việc tiết kiệm điện năng bằng nâng cao hệ số công
suất cosϕ không chỉ làm giảm giá thành sản phẩm có lợi cho bản thân xí
nghiệp mà còn có thêm điện để sản xuất có lợi chung cho toàn nền kinh tế
quốc dân. Nhưng cũng cần đặc biệt lưu ý trong lúc thực hiện các biện pháp
tiết kiệm điện năng và nâng cao hệ số công suất cosϕ không được gây ảnh
hưởng xấu đến chất lượng và số lượng sản phẩm hoặc làm xấu điều kiện làm
việc của công nhân.

1.2 Các phương pháp nâng cao hệ số công suất cosϕ:
Từ trước tới nay đã có một số biện pháp nâng cao hệ số công suất cosϕ
từ truyền thống cho tới hiện đại:
1.2.1 Nâng cao hệ số công suất cosϕ tự nhiên:
Đây là tìm các biện pháp để các hộ dùng điện giảm bớt đại lượng công
suất phản kháng Q tiêu thụ như áp dụng các quá trình công nghệ tiên tiến, sử
dụng hợp lí các thiết bị điện... Cụ thể như sau:

5


-

Thay đổi và cải tiến qui trình công nghệ để các thiết bị điện làm việc ở

chế độ hợp lý nhất: giảm bớt những động tác, những nguyên công thừa và áp
dụng các phương pháp gia công tiên tiến.
-

Thay thế động cơ không đồng bộ làm việc non tải bằng động cơ có

công suất nhỏ hơn. Nếu động cơ làm việc non tải (tức k pt nhỏ) thì cosϕ sẽ
thấp, do đó khi thay động cơ làm việc non tải bằng động cơ có công suất nhỏ
hơn ta sẽ tăng được hệ số phụ tải kpt nên sẽ nâng cao được cosϕ của động cơ.
-

Hạn chế động cơ chạy không tải: có thể đặt bộ hạn chế chạy không tải

trong sơ đồ khống chế động cơ. Thông thường, nếu động cơ chạy không tải
quá thời gian chỉnh định t0 nào đó thì động cơ sẽ bị cắt ra khỏi mạng.
-

Dùng động cơ đồng bộ thay thế động cơ không đồng bộ, vì động cơ

đồng bộ có ưu điểm: hệ số công suất cao; mômen quay tỉ lệ bậc nhất với điện
áp của mạng nên năng suất làm việc của máy cao.
-

Nâng cao chất lượng sửa chữa động cơ.

-

Thay thế những máy biến áp làm việc non tải bằng những máy biến áp

có dung lượng nhỏ hơn.

1.2.2 Nâng cao hệ số công suất cosϕ bằng phương pháp bù:
Đây là phương pháp đặt các thiết bị bù ở gần các hộ dùng điện để cung
cấp công suất phản kháng nên sẽ giảm được Q phải truyền tải trên đường dây.
Ngoài ra, phương pháp này còn góp phần điều chỉnh và ổn định điện áp của
mạng cung cấp.
-

Bù bằng tụ điện: Tụ điện là loại thiết bị điện tĩnh làm việc với dòng

điện vượt trước điện áp, do đó nó có thể sinh ra công suất phản kháng Q cung
cấp cho mạng. Tụ điện có các ưu điểm: Suất tổn thất công suất tác dụng nhỏ,
không có phần quay nên dễ lắp ráp, bảo quản. Tụ điện được chế tạo thành
từng đơn vị nhỏ, tùy từng phụ tải mà ghép dần tụ vào mạng khiến hiệu suất sử
dụng cao. Nhưng tụ điện lại nhạy cảm với sự biến động điện áp đặt lên cực tụ
điện. Khi đóng tụ vào mạng sẽ xuất hiện dòng điện xung, còn khi cắt tụ khỏi
mạng thì trên cực của tụ vẫn còn điện áp dư, gây nguy hiểm. Tụ điện được sử

6


dụng ở các xí nghiệp trung bình và nhỏ với dung lượng bù nhỏ hơn
5000(kVAr).
-

Dùng máy bù đồng bộ: máy bù đồng bộ là một loại động cơ đồng bộ

làm việc ở chế độ không tải. ở chế độ quá kích thích, máy bù sản xuất ra công
suất phản kháng Q cung cấp cho mạng, còn ở chế độ thiếu kích thích, máy bù
tiêu thụ công suất phản kháng Q cung cấp cho mạng. Nhưng máy bù đồng bộ
lại có phần quay nên nó được dùng ở những nơi cần bù tập trung với dung

lượng lớn.
-

Dùng động cơ không đồng bộ roto dây quấn được đồng bộ hóa: khi cho

dòng một chiều DC vào roto của động cơ không đồng bộ dây quấn, nó sẽ làm
việc như động cơ đồng bộ với dòng điện vượt trước điện áp. Do đó, nó có khả
năng sinh ra công suất phản kháng Q cung cấp cho mạng. Nhưng thiết bị này
lại có tổn thất công suất khá lớn, khả năng chịu quá tải kém. Nên nó thường
chỉ được dùng khi không có sẵn các thiết bị bù khác.
Và hiện nay đã xuất hiện một phương pháp mới để nâng cao hệ số
công suất cosϕ bằng điều khiển trượt dòng điện. Phương pháp này sử dụng bộ
bù tích phân hệ số công suất IPFC (IPFC : Integrated Power Factor
Compensator) có sự tham gia của bộ chỉnh lưu có khả năng làm việc đồng
thời như bộ lọc tích cực với các tiện ích của chúng.
Ngoài ra, các sóng hài bậc cao cũng là nguyên nhân làm ảnh hưởng tới
chất lượng lưới điện. Bởi vì: khi tải phi tuyến sinh ra các sóng bậc cao sẽ làm
cho dòng điện bị biến dạng hình sin, nên công suất của lưới bị suy giảm, kéo
theo hệ số công suất cosϕ giảm đi.
Do vậy, để cải thiện chất lượng lưới điện bằng nâng cao hệ số công
suất cosϕ cần bù công suất phản kháng cho mạng và lọc bỏ các sóng hài bậc
cao.

7


Chương 2
Lọc điện bằng các bộ lọc
2.1 Mở đầu:
Mạng điện có các bộ biến đổi làm việc thường làm cho lưới bị biến

dạng, đó là do ảnh hưởng của nhiễu từ các sóng bậc cao mang đến. Mà có các
thiết bị rất nhạy cảm với sự biến dạng ấy. Đó là: các thiết bị thông tin, khi có
sự biến dạng dòng điện có thể bị mất dữ liệu. Hay ở máy phát, động cơ có thể
bị tăng tổn hao nhưng hệ số công suất cosϕ lại giảm, mômen điện từ bị dao
động ở động cơ.
Vì vậy, ta cần phải sử dụng một thiết bị điện có chức năng san phẳng,
loại bỏ các nhiễu loạn cho dòng điện, đó là: bộ lọc. Sau đây, ta sẽ nghiên cứu
các loại bộ lọc đã và đang được sử dụng từ trước tới nay.
Trước hết, ta xét sơ đồ sau:
U~

Cầu chỉnh lưu
3 pha

Ut

Bộ lọc

ổn áp

UDC

Hình H-2.1 Sơ đồ nguồn điện một chiều
- U~ là giá trị điện áp thích hợp (có thể lấy trực tiếp từ nguồn hoặc phải
chuyển đổi qua biến áp). Nó được đưa tới bộ chỉnh lưu để có điện áp một
chiều Ut nhưng vẫn còn nhấp nhô, chưa ổn định.
- Điện áp một chiều Ut này được đưa qua bộ lọc để loại bỏ các sóng hài
bậc cao. Sau đó, điện áp sẽ được san phẳng, bớt nhấp nhô.
- Tùy thuộc vào yêu cầu từng mạch điện mà bộ ổn áp (ổn dòng) có
được sử dụng hay không.

Như vậy, trong quá trình điều khiển, điện áp một chiều sau bộ chỉnh
lưu thường phải được làm phẳng, nếu không nó sẽ ảnh hưởng tới độ ổn định
của hệ thống. Ngoài ra, trong hệ thống điều chỉnh pha thường xuất hiện
tượng dao động với tần số thấp làm cho hằng số thời gian của bộ lọc tương
8


đối lớn nên sẽ ảnh hưởng tới đặc tính động của hệ thống, mà chủ yếu là ảnh
hưởng của tốc độ phản ứng lên sự thay đổi tải.
Thành phần dòng điện và điện áp ở trên tuy có cực tính không đổi
nhưng giá trị của nó lại thay đổi theo chu kỳ, gọi là sự đập mạch của dòng
điện và điện áp sau chỉnh lưu.
Với tải thuần trở, dòng điện qua tải được biểu diễn:
∞

∞

n =1

n =1

i t = I 0 + ∑ A n sin ( nωt ) + ∑ B n cos( nωt )

I0: là thành phần dòng một chiều ổn định
∞

∞

n =1

n =1

∑ A n sin( nωt ) + ∑ B n cos( nωt ) : là thành phần các sóng hài. Vấn đề đặt ra
là phải loại bỏ các sóng hài này (đặc biệt là các sóng hài bậc cao), vì nó gây
nhiễu lên tải nên làm giảm công suất của hệ thống.
Người ta đưa ra hệ số đập mạch như sau :
Biên độ sóng hài lớn nhất của it (Ut)
Kp =
Giá trị trung bình của it (Ut)
Kp càng nhỏ thì chất lượng của bộ lọc càng cao. Người ta tính toán
được rằng:
-Mạch chỉnh lưu 1 nửa chu kỳ có Kp = 1,58
-Mạch chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ có Kp = 0,667[6]
Do vậy, việc lựa chọn bộ lọc sau chỉnh lưu phải được thực hiện kĩ càng
và chính xác.
Để nghiên cứu về việc loại trừ sóng bậc cao, nâng cao hệ số công suất
cosϕ trong mạng điện, chúng ta điểm qua các bộ lọc thụ động đã được sử
dụng trước đây:

9


2.2 Bộ lọc thụ động L_C:
Bộ lọc là thiết bị nối ở giữa phía sau bộ chỉnh lưu và phụ tải một chiều.
Chức năng của bộ lọc là cho dòng điện có tần số nào đó đi qua mà không làm
giảm biên độ của nó, đồng thời làm suy giảm mạnh dòng điện có tần số khác.
a)Trước đây đã có phương pháp lọc bằng tụ điện như trên hình vẽ
H-2.2 sau:

Hình H-2.2. Mạch lọc bằng tụ điện

Phụ tải là điện trở R
Điện áp nguồn: u = 2 Usin(ωSt)
Khi Diode mở sẽ cho dòng điện i đi qua:
i = iC + iR
iR =
iC = C

2U
sinωSt
R
dU C
=
dt

2 UC ωS cosωSt

ở nửa chu kỳ dương của nguồn điện áp, ta có :
1
C u C2
2

-

Khi U > UC thì tụ điện C được nạp và tích lũy năng lượng =

-

Khi điện áp U giảm dần đến U < U C , diod bị khoá lại thì tụ điện C

phóng điện một phần hoặc toàn bộ qua điện trở R.

10


Như vậy đã có sự phóng nạp của tụ điện và các sóng hài bậc cao được
rẽ nhánh qua tụ C xuống điểm chung. Kết quả là dòng điện qua tải chỉ còn
thành phần một chiều DC và một lượng nhỏ sóng hài bậc thấp.
Lúc này : K P =

2
ωCR

Nếu giá trị của tụ điện C và điện trở R càng lớn thì hệ số K p càng nhỏ,
nên chất lượng của bộ lọc bằng tụ được nâng cao.
b)Lọc bằng cuộn cảm L (cuộn cản) :

Hình H-2.3 Mạch lọc bằng cuộn cảm
Khi dòng điện trên tải có sự biến thiên đập mạch thì trong cuộn cảm L
sẽ sinh ra một sức điện động để chống lại. Mà cuộn cảm L đặc biệt có tác
dụng lọc bỏ các sóng hài bậc cao nên dòng điện tải chỉ còn thành phần dòng
một chiều.
Khi đó: K P =

R
3ωL

Với giá trị điện trở tải nhỏ và giá trị cuộn cảm lớn thì K p sẽ nhỏ nên cải
thiện được chất lượng của bộ lọc.
Để thực hiện lọc với các thiết bị công suất lớn, người ta dùng mạch lọc
L_C như trên hình H-2.4 dưới đây:

11


Hình H-2.4 Mạch lọc thụ động L_C
Bộ lọc L_C là bộ lọc thụ động, nó chỉ cho thành phần một chiều đi qua
mà ngăn chặn lại thành phần xoay chiều. Đặc tính cơ bản của bộ lọc L_C là
khử sóng bậc cao bằng cách hấp thụ nó. Do vậy, bộ lọc L_C có ưu điểm là
thực hiện tốt việc dập sóng bậc cao. Nhưng bên cạnh đó, bộ lọc L_C còn có
hạn chế là cồng kềnh về kích thước, khó lựa chọn phương pháp tính toán và
phải lựa chọn bằng thực nghiệm. Nên hiện nay, nếu sử dụng bộ lọc thụ động
thì phải dùng phần mềm tính toán và lựa chọn L, C để khử hoàn toàn sóng bậc
cao, tạo dòng điện hình sin.

2.3 Bộ lọc tích cực dùng trong mạng điện:
Cũng với chức năng là loại bỏ các sóng bậc cao như bộ lọc thụ động ở
trên, nhưng bộ lọc tích cực là một thiết bị sinh ra các sóng bậc cao có chiều
ngược lại để khử các sóng bậc cao của dòng điện.
Gần đây, bộ lọc tích cực được sử dụng như là một phương pháp hiệu
quả để nâng cao chất lượng lưới điện do sự tham gia ngày càng nhiều của tải
phi tuyến và các bộ biến đổi trong lưới điện. Bộ lọc tích cực (APF : Active
Power Filter) ra đời đã khắc phục được các nhược điểm của bộ lọc thụ động
L_C trước đây với nhiều tiện ích khác.
ở đây thực hiện một kỹ thuật đóng ngắt bộ chỉnh lưu để đồng thời hiệu
chỉnh được hệ số công suất cosϕ và bộ lọc tích cực APF làm giảm ảnh hưởng
của dòng bậc cao do tải phi tuyến sinh ra. Và từ khi có sự tham gia của bộ lọc
12


tích cực APF, chi phí cho cấu hình mạch điện đã giảm đi so với cấu hình của

bộ lọc thụ động L_C thông thường. Nhiều mạch điện và sơ đồ điều khiển của
bộ lọc tích cực APF đã được nghiên cứu nhằm loại bỏ dòng bậc cao và năng
lượng phản kháng. Trong đó, bộ lọc tích cực APF hoạt động như nguồn dòng,
nó không hấp thụ sóng bậc cao như bộ lọc thụ động L_C mà nó khử sóng bậc
cao của tải phi tuyến bằng cách sinh ra dòng bậc cao có chiều ngược lại. Đồng
thời bộ lọc tích cực APF còn góp phần điều chỉnh điện áp một chiều DC của
bộ biến đổi nguồn áp. Do đó, việc khử nhanh các thành phần cần khử là một
yêu cầu quan trọng trong việc bù công suất phản kháng Q và khử sóng bậc
cao cho lưới điện.
Thông thường việc bù công suất phản kháng Q trong lưới điện với sự
tham gia của bộ lọc được thực hiện như trên hình H-2.5 dưới đây:

13


ở đây, bộ chỉnh lưu tích cực của mạng chuyển đổi AC/DC/AC được sử
dụng để điều chỉnh điện áp một chiều DC nạp cho động cơ truyền động. Tải
phi tuyến sinh ra dòng điều hòa với các sóng bậc cao. Còn bộ lọc tích cực
APF được dùng để bù công suất phản kháng và loại trừ sóng bậc cao sinh ra
từ tải phi tuyến và bộ chuyển đổi AC/DC/AC. Nhưng việc làm này yêu cầu
phải có một bộ biến đổi phụ và các thiết bị đo cả dòng tải phi tuyến và dòng
điện cần bù. Mà chi phí cho sự cải tiến này là rất lớn.
Để khắc phục điều này, có thể nghiên cứu làm cho bộ chỉnh lưu tích
cực trong mạng chuyển đổi AC/DC/AC có khả năng vừa điều chỉnh điện áp
một chiều DC, hiệu chỉnh hệ số công suất cosϕ vừa loại trừ được sóng bậc
cao. Khi đó thì bộ lọc tích cực trên hình H-2.5 sẽ được thay thế bằng một
phần tử khác hữu dụng hơn. Đồng thời, chi phí cho cấu hình mạch điện lúc
này cũng giảm xuống tới mức có thể chấp nhận được do tiết kiệm được các
thiết bị công suất đặc biệt để giảm sóng bậc cao. ở đây, bộ chỉnh lưu có khả
năng làm việc đồng thời như một bộ lọc tích cực trong sơ đồ điều khiển nhằm

khử sóng bậc cao. Do vậy, đã dẫn tới sự ra đời của một phần tử mới : bộ bù
tích phân hệ số công suất IPFC.

14


Chương 3
Bù công suất phản kháng và khử sóng bậc cao dùng IPFC
Nhằm giảm bớt sự cồng kềnh cũng như chi phí cao của cấu hình mạch
điện mà vẫn đáp ứng được các chức năng điều khiển, bộ bù tích phân hệ số
công suất IPFC đã xuất hiện với rất nhiều tiện ích. Nó là sự phối hợp của
nhiều tính năng đặc biệt.

3.1 Cấu tạo mạch điện :
Cấu hình mạch điện bù công suất phản kháng có sự tham gia của IPFC
được biểu diễn trên hình H-3.1 dưới đây:

15


Trong sơ đồ mạch trên hình H-3.1 vẫn dùng tải phi tuyến như trên hình
H-2.5. Tải phi tuyến (Nonlinear Load) được tạo thành bởi : cầu chỉnh lưu
Diod, tụ điện và điện trở. Nó chính là nơi sinh ra dòng điều hòa với các sóng
bậc cao. Có một sự khác biệt rõ rệt giữa hai sơ đồ : ở hình H-3.1 có sự xuất
hiện của phần tử mới IPFC. Bộ bù tích phân hệ số công suất IPFC là sự kết
hợp của hai thiết bị : bộ chỉnh lưu (Rectifier) và bộ lọc tích cực (APF) mắc
song song nhằm thực hiện đồng thời cả 2 chức năng : chỉnh lưu điện áp một
chiều DC cấp cho động cơ truyền động và lọc bỏ sóng bậc cao do tải phi
tuyến sinh ra. Lúc này, dòng điện từ 2 pha a và b : iS a , iS b đã được lọc bỏ
sóng bậc cao và điện áp một chiều DC sau chỉnh lưu V dc được đưa tới bộ điều

khiển Controller PWM.

3.2 Sơ đồ khối điều khiển của bộ bù tích phân hệ số công suất
IPFC :
Từ khi có sự tham gia của bộ IPFC, hiệu suất của mạng điện được
nâng cao đáng kể. Nó được thể hiện như sau :

Hình H-3.2 ảnh hưởng của bộ IPFC tới hiệu suất thực tế của mạng

16


ở hình H-3.2A dùng riêng rẽ cả bộ chỉnh lưu và bộ lọc để chuyển đổi
điện áp từ xoay chiều AC sang một chiều DC, đó chính là nguyên nhân làm
cho hệ số công suất cosϕ thấp.
Hiệu suất thực tế của mạng = 0,9 x 0,6 = 54%
Còn ở hình H-3.2B thì bộ chỉnh tích phân hệ số công suất IPFC được
sử dụng với cả 2 nhiệm vụ : chỉnh lưu điện áp AC thành DC và lọc bỏ các
sóng bậc cao, nên hệ số công suất cosϕ đã được nâng lên. Khi đó :
Hiệu suất thực tế của mạng = 0,95 x 1,0 x 0,9 = 85,5%
Qua đây, ta đã thấy hiệu suất thực tế của mạng điện đã được nâng cao
rõ rệt khi có mặt bộ IPFC. Và bộ chỉnh tích phân hệ số công suất có cấu tạo
mạch cơ bản như hình dưới đây :

Hình H-3.3 Sơ đồ mạch cơ bản của bộ bù hệ số công suất
IC điều khiển để hiệu chỉnh hệ số công suất là bộ điều khiển kiểu
PWM. Nguồn điện định mức có thể đạt là 120 V hoặc 240 V và điện được
cấp ra là 380 V.
Sau khi đã tìm hiểu về cấu hình mạch điện có sự tham gia của bộ IPFC,
ta sẽ nghiên cứu về sơ đồ điều khiển của nó trong mạch điện.

Dưới đây là sơ đồ điều khiển của IPFC với chức năng nhằm lọc bỏ
sóng bậc cao :
17


Trong đó, bộ chỉnh lưu 3 pha được sử dụng như một bộ chỉnh hệ số
công suất cosϕ và một filt lọc song song. Trên một nhánh cầu chỉnh lưu có 2
van điều khiển mắc song song với 2 diod ngược. Còn một bộ chỉnh lưu diod
với tụ điện và điện trở tải được sử dụng làm tải phi tuyến. ở đó, chỉ có mạch
dòng điện được đo để tạo dòng điện có dạng hình sin và trùng pha với điện áp
chính. Trong sơ đồ này có sử dụng 2 mạch vòng điều khiển : mạch vòng dòng
điện và mạch vòng điện áp. Mạch vòng điện áp ở ngoài với sự tham gia của
bộ điều chỉnh PI để giữ cho điện áp một chiều DC không đổi. Còn mạch vòng
dòng điện ở trong với bộ điều chỉnh trượt dòng điện để tạo dòng trượt. Tín
hiệu sau khi tiến hành điều khiển trượt dòng điện là các vector trạng thái của
điện áp : Ua , Ub , Uc . Các tín hiệu điện áp này sẽ được đưa tới đóng ngắt các
van công suất trong bộ IPFC.

18


Như vậy, sơ đồ điều khiển này không chỉ là một bộ chỉnh lưu làm việc
như một filt lọc song song để loại trừ sóng bậc cao mà nó cũng làm việc như
một bộ chỉnh hệ số công suất để có được hệ số cosϕ cao đạt yêu cầu. Khi đó,
công suất phản kháng và dòng bậc cao chảy ra từ tải phi tuyến được đẩy qua
filt lọc tích cực.

3.3 Nhiệm vụ cơ bản của IPFC trong lưới điện :
Khi đã xem xét và hiểu rõ về sự hoạt động và sơ đồ điều khiển của bộ
bù tích phân hệ số công suất IPFC trong lưới điện thì ta sẽ thấy được vai trò

và nhiệm vụ chủ đạo của nó. Từ đó, ta tiến hành điều khiển và sử dụng phần
tử mới này một cách hiệu quả nhất.
Như ta đã biết được tính ưu việt của IPFC với 3 nhiệm vụ chính :
-

Chỉnh định hệ số công suất cosϕ : tiến tới cosϕ ≈ 1

-

Điều chỉnh giữ cho điện áp một chiều DC không đổi

-

Lọc bỏ sóng bậc cao từ tải phi tuyến
Trong sơ đồ của IPFC, có mạch bù công suất phản kháng Q để nâng

dần hệ số công suất cosϕ , có bộ điều chỉnh PI để giữ cho điện áp một chiều
DC không đổi và chức năng bộ lọc tích cực để lọc bỏ sóng bậc cao. Tóm lại,
IPFC đã đạt được hiệu quả : nâng cao hệ số công suất cosϕ và độ dập sóng
bậc cao của dòng điện được cải thiện khá.

3.4 Phân tích bộ bù hệ số công suất IPFC:
Để nghiên cứu tìm hiểu rõ về bộ IPFC, trước hết ta phân tích mô hình
mạch điện của nó.
3.4.1. Mô hình mạch điện:
Khi tiến hành phân tích hệ thống, ta cần mô tả hệ thống mạch điện dưới
dạng các phương trình toán học, gắn chúng vào các hệ thống tọa độ. Từ đó, ta
thực hiện việc phân tích hệ thống như sau:
19

3.4.1.1 Hệ tọa độ:
Để cho việc phân tích hệ thống được đơn giản, ta coi các van công suất
là lí tưởng.
a)Điện áp phía xoay chiều cầu chỉnh lưu:
Trên hình H-3.4, điện áp phía xoay chiều 3 pha của bộ chỉnh lưu có thể
được biểu diễn:
Van = fa Vdc , Vbn = fb Vdc , Vcn = fc Vdc (1)
Với: fa =

Uc + 1
Ua + 1
U +1
, fb = b , fc =
(2)
2
2
2

Trong đó:
Ua =

1 nếu S1 dẫn và S4 tắc
-1 nếu S1 tắc và S4 dẫn

Ub =

1 nếu S2 dẫn và S5 tắc

(3)

-1 nếu S2 tắc và S5 dẫn
Uc =

1 nếu S3 dẫn và S6 tắc
-1 nếu S3 tắc và S6 dẫn

fa , fb , fc : là hàm PWM đóng mở các van có giá trị “1” khi van dẫn và
có giá trị “0” khi van tắc. Nên ta thấy:
Khi van S1 dẫn thì Ua = 1 thì fa = 1
Khi van S2 dẫn thì Ub = 1 thì fb = 1
Khi van S3 dẫn thì Uc = 1 thì fc = 1
Van , Vbn , Vcn : điện áp nguồn 3 pha a, b, c
Vdc : điện áp một chiều DC sau chỉnh lưu
Nếu ta giả thiết rằng mạch 3 pha ở đây không có dây trung tính thì tổng
giá trị tức thời của dòng điện và điện áp bằng 0. Do đó :
i sa + i sb + i sc = 0
Van + Vbn + Vcn = 0

(4)

VaN + VbN + VcN = 0
Trong đó:
i sa , i sb , i sc : là dòng điện nguồn 3 pha a, b, c
20


VaN = Vm sin ωS t
VbN = Vm (sin ωS t -

2π
)
3

VcN = Vm (sin ωS t +

2π
)
3

Với Vm : là biên độ nguồn điện áp
ωS : là tần số góc của nguồn điện áp

ở hệ (4) : lấy phương trình thứ 3 trừ đi phương trình thứ 2, ta được :
(VaN + VbN + VcN) – (Van + Vbn + Vcn) = 0
⇔ (VaN -Van) + (VbN -Vbn) + (VcN -Vcn) = 0
Mà: VaN - Van = VNn
VbN - Vbn = VNn
VcN - Vcn = VNn
Nên ta có :
(VaN -Van) + (VbN -Vbn) + (VcN -Vcn) = 3VNn = 0
Mặt khác, ta cộng 3 phương trình của (1) :
Van + Vbn + Vcn = faVdc + fbVdc + fcVdc = 0
⇔ Van + Vbn + Vcn = (fa + fb + fc )Vdc = 0
⇔ Van + Vbn + Vcn = (
nên ta rút ra được :

Ua + 1
U +1
U +1

+ b
+ C
)Vdc = 0
2
2
2

Ua + 1
U +1
U +1
+ b
+ C
=0
2
2
2

Vậy ta có :
Ua + 1
U +1
U +1
+ b
+ C
= 3VNn
2
2
2

⇔

Ua + 1 + Ub + 1 + UC + 1
= 3VNn
2

⇔

Ua + Ub + UC + 3
= 3VNn
2

⇔Ua + Ub + Uc +3 = 6VNn
Suy ra : VNn =

Ua + Ub + UC + 3
6

21


Hay:

VnN = -

Ua + Ub + UC + 3
(6)
6

Từ cấu hình mạch điện ở hình H-3.4 điện áp phía xoay chiều chỉnh lưu
còn được biểu diễn như sau:
VaN = rica + L

di Ca
+Van
dt

⇔ VaN = rica + L

di Ca
+ fa Vdc
dt

⇔ VaN = rica + L

di Ca
U +1
+ ( a ) Vdc
dt
2

⇔ VaN = rica + L

di Ca
U
1
+ ( a + ) Vdc
dt
2 2

⇔ VaN = rica + L

1
di Ca
- [ (-3Ua) - 3] Vdc
6
dt

Mà

Ua + Ub +Uc + 3 = 0

Suy ra: Ua + Ub +Uc = -3
Nên:
VaN = rica + L

1
di Ca
- (-3Ua + Ua + Ub + Uc) Vdc
6
dt

⇔ VaN = rica + L

1
di Ca
- (-2Ua + Ub + Uc) Vdc
6
dt

VbN = ricb + L

di Cb
+Vbn
dt

⇔ VbN = ricb + L

di Cb
+ fb Vdc
dt

⇔ VbN = ricb + L

di Cb
U +1
+ ( b ) Vdc
dt
2

⇔ VbN = ricb + L

di Cb
U
1
+ ( b + ) Vdc
dt
2 2

⇔ VbN = ricb + L

1

di Cb
- [ (-3Ub) - 3] Vdc
6
dt

Mà Ua + Ub +Uc + 3 = 0
⇒ Ua + Ub +Uc = -3
Nên:
22


VbN = ricb + L

1
di Cb
- (-3Ub + Ua + Ub + Uc) Vdc
6
dt

⇔ VbN = ricb + L

1
di Cb
- (-2Ub + Ua + Uc) Vdc
6
dt

VcN = ricc + L

di CC

+Vcn
dt

⇔ VcN = ricc + L

di CC
+ fc Vdc
dt

⇔ VcN = ricc + L

di CC
U +1
+( C
) Vdc
dt
2

⇔ VcN = ricc + L

di CC
U
1
+ ( C + ) Vdc
dt
2
2

⇔ VcN = ricc + L

1
di CC
- [ (-3Uc) - 3] Vdc
6
dt

Mà Ua + Ub +Uc + 3 = 0
⇒ Ua + Ub +Uc = -3
Nên:
VaN = rica + L

1
di Ca
- (-3Uc + Ua + Ub + Uc) Vdc
6
dt

⇔ VcN = ricc + L

1
di CC
- (-2Uc + Ub + Ua) Vdc
6
dt

Vậy, phương trình mạch phía xoay chiều chỉnh lưu được biểu diễn như
dưới đây:
VaN = rica + L

1

di Ca
- (-2Ua + Ub + Uc) Vdc
6
dt

VbN = ricb + L

1
di Cb
- (-2Ub + Ua + Uc) Vdc
6
dt

VcN = ricc + L

1
di CC
- (-2Uc + Ub + Ua) Vdc
6
dt

(7)

b) Dòng phía 1 chiều bộ chỉnh lưu:

23


Cũng từ cấu hình mạch điện ở hình H-3.4, ta thực hiện tính toán dòng
một chiều idc sau bộ chỉnh lưu:

Dòng 1 chiều sau bộ chỉnh lưu được tính:
idc = C

dVdC
+i0
dt

i0 : dòng điện đi qua điện trở tải
Theo luật cân bằng năng lượng phía dòng xoay chiều và dòng 1 chiều
của bộ chỉnh lưu, ta có:
idc = C

Uc
dVdC
U
U
+i0 = a iCa + b iCb +
iCc (8)
2
dt
2
2

Từ các phương trình (7) và (8) ta xây dựng được hệ phương trình của
bộ chỉnh lưu ở dạng ma trận như sau:
 r
− L
i Ca 




d i Cb 
 0
=

dt i CC 
 0



VdC 
 0
1
L

0
+
0


0


0
−

r
L

0

0

0
0
r
L
0

−

0

0

1
L

0

0

1
L

0

0


0


0

0
0

0

0

0 
1

C

 VDC
− 3L
i Ca 
 V


 DC
i
Cb


 6L
i CC  +  VDC



 6L
VdC 
 i
 Ca
 2C

VaN 


VbN 
VCN 


i 0 

VDC
6L
V
− DC
L
VDC
6L
i Cb
2C

VDC 
6L 
VDC 

6L 

V 
− DC 
3L
i CC 

2C 

U a 
 
U b  +
U C 

(9)

Ở đây, nếu cho trước hàm đóng ngắt van công suất U a , Ub , Uc thì biến
trạng thái sẽ nhận được theo hệ phương trình dạng ma trận (9). Nhưng (9) có
mặt hạn chế là phương trình bị phi tuyến, rất khó nhận được trạng thái ổn
định và tính chất động của phương trình.
3.4.1.2 Chuyển đổi Park:
Như ta đã xây dựng được phương trình trạng thái bộ chỉnh lưu (9) ở
trên trong hệ trục 3 pha nhưng lại gặp phải đặc tính phi tuyến của nó. Để khắc
24


phục nhược điểm này, ta thực hiện phép chuyển đổi Park. Chuyển đổi Park là
phép chuyển đổi từ hệ trục 3 pha (a-b-c) sang hệ trục vuông góc (α-β) và
(d-q). Sau đó, ta đưa hệ phương trình hệ thống vào hệ trục mới này.
Mối quan hệ giữa các hệ trục tọa độ (a-b-c), (α-β), (d-q) được biểu diễn
trên hình H-3.5 dưới đây:
β

b

d

q
α

a

c
H-3.5 Hình biểu diễn mối quan hệ giữa 3 hệ trục tọa độ
(a-b-c), (α-β), (d-q)
a) Chuyển đổi từ hệ trục (a-b-c) sang hệ trục (α-β) :
β
b

-α

a

α

c
-β
25