Ứng dụng bộ lọc tích cực PWM để cải thiện chất lượng điện năng cho phụ tải công nghiệp

Header Page 1 of 126.

1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

2

Công trình ñược hoàn thành tại
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: TS. Võ Như Tiến
MAI THỊ ĐOAN THANH

Phản biện 1: …………………………………
ỨNG DỤNG BỘ LỌC TÍCH CỰC PWM ĐỂ CẢI THIỆN
CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG

Phản biện 2: …………………………………

CHO PHỤ TẢI CÔNG NGHIỆP

Chuyên ngành: Tự ñộng hoá
Mã số: 60.52.60

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: TS. Võ Như Tiến

Đà Nẵng – Năm 2011

Footer Page 1 of 126.

Luận văn sẽ ñược bảo vệ tại Hội ñồng chấm Luận
văn nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng
vào ngày … tháng … năm 2011.

Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng
- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng.


Header Page 2 of 126.

3
MỞ ĐẦU

4
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
Đề tài tiến hành xây dựng cấu trúc, thuật toán ñiều khiển cho

1. Tính cấp thiết của ñề tài:
Trong những năm gần ñây, tình trạng thiếu hụt ñiện năng
ngày càng nghiêm trọng vì lý do là các trung tâm Thủy ñiện, Nhiệt

bộ lọc tích cực nhằm loại bỏ sóng ñiều hòa ñể cho dòng ñiện sin hơn.
4. Phương pháp nghiên cứu:
-

Nghiên cứu hiện trạng thực tiễn của tải bể mạ, ñánh giá các

ñiện, Điện khí lớn ñã ñược khai thác triệt ñể. Chính Phủ ñã và ñang

thành phần dòng ñiện bậc cao sinh ra bởi tải bể mạ lên lưới

vận ñộng từng người, từng nhà tiết kiệm ñiện nhưng Nhà nước chưa

ñiện.

có giải pháp tốt cho vấn ñề tiết kiệm ñiện năng ở các Nhà máy Xí

-

nghiệp Công nghiệp, vì ñây mới chính là những hộ tiêu thụ ñiện với
sản lượng gấp nhiều lần so với các hộ sinh hoạt. Có một biện pháp
cực kỳ hiệu quả mà ít các Doanh nghiệp và nhà Quản lý nghĩ tới, ñó
là lọc sóng ñiều hòa bậc cao, trả lại tín hiệu dòng ñiện và ñiện áp
hình sin cho lưới.
Chúng ta biết rằng, chỉ có thành phần cơ bản mới có tác dụng

Xây dựng cấu trúc và thuật toán ñiều khiển cho bộ lọc ñể làm
chức năng lọc sóng ñiều hòa bậc cao.

-

Đánh giá chất lượng dòng ñiện trên lưới sau khi sử dụng bộ
lọc.

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ñề tài:
Công trình có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao. Mục ñích

chính là nâng cao chất lượng ñiện năng, bộ lọc tích cực hoàn toàn có

tích cực, còn hầu như các thành phần sóng ñiều hòa còn lại chỉ có tác

thể triển khai và ứng dụng với giá thành hợp lý.

dụng ngược lại. Nó không những gây thất thoát mà còn gây ra những

6. Cấu trúc của luận văn:

vấn ñề như: nổ tụ lọc, tụ bù, cháy van bán dẫn của các bộ biến ñổi,

Luận văn này ñược trình bày trong bốn chương sau:

tác ñộng sai của máy cắt gây thăng giáng ñiện áp lưới, gây quá tải

Chương 1 - Tổng quan về sóng ñiều hòa tại phụ tải.

cho hệ thống nguồn cung cấp, ñưa nhiễu vào MBA, làm cho ñiện áp

Chương 2 - Các phương pháp lọc sóng ñiều hòa .

không ổn ñịnh, gây tổn thất cho hệ thống truyền dẫn, giảm tuổi thọ

Chương 3 - Thiết kế bộ lọc PWM

của các thiết bị lân cận, gây nhiễu thiết bị ñiều khiển, truyền thông và

Chương 4 - Mô phỏng và ñánh giá kết quả.

cảnh báo nhầm của UPS.
2. Mục ñích nghiên cứu:
Nhận thấy ñược tầm quan trọng của bộ lọc tích cực ñối với
các tải phi tuyến, do ñó Luận văn ñã ñi sâu nghiên cứu ứng dụng bộ
lọc tích cực PWM ñể cải thiện chất lượng ñiện năng cho phụ tải
công nghiệp.

Footer Page 2 of 126.


Header Page 3 of 126.

5

6

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ SÓNG ĐIỀU HÒA TẠI PHỤ TẢI

1.2.3. Ảnh hưởng của sóng ñiều hòa bậc cao

1.1. Giới thiệu chung

Sự tồn tại sóng ñiều hòa bậc cao gây ảnh hưởng tới tất cả các

Trong quá trình truyền tải ñiện từ nơi sản xuất tới nơi tiêu thụ

thiết bị và ñường dây truyền tải ñiện. Chúng gây ra quá áp, méo ñiện

chất lượng ñiện năng bị giảm ñi rõ rệt. Do ñó cần phải có các biện

áp lưới làm giảm chất lượng ñiện năng. Nói chung chúng gây ra tăng

pháp ñể cải thiện chất lượng ñiện năng sao cho ñiện năng tới nơi tiêu

nhiệt ñộ trong các thiết bị và ảnh hưởng tới cách ñiện, làm tăng tổn

thụ phải có chất lượng tốt nhất.

hao ñiện năng, làm giảm tuổi thọ của thiết bị, trong nhiều trường hợp

Như vậy ñảm bảo chất lượng ñiện năng thì cần phải lọc bỏ

thậm chí còn gây hỏng thiết bị.

sóng ñiều hòa bậc cao. Tiếp theo ta sẽ ñi tìm hiểu chung về sóng ñiều

Ảnh hưởng quan trọng nhất của sóng ñiều hòa bậc cao ñó là

hòa bậc cao.

việc làm tăng giá trị hiệu dụng cũng như giá trị ñỉnh của dòng ñiện và

1.2. Tổng quan về sóng ñiều hòa

ñiện áp.

1.2.1. Giới thiệu chung
Sóng ñiều hòa là một dạng nhiễu không mong muốn, có thể

Khi giá trị hiệu dụng và giá trị biên ñộ của tín hiệu dòng ñiện hay

ñiện áp tăng do sóng ñiều hòa bậc cao sẽ gây ra một số vấn ñề:

coi là tổng của các dạng sóng sin mà tần số của nó là bội số của tần số

-

Làm tăng phát nóng của dây dẫn ñiện, thiết bị ñiện.

cơ bản (nếu là bội số nguyên lần thì gọi là hài (harmonic), bội số khác

-

Gây ảnh hưởng ñến ñộ bền cách ñiện của vật liệu, làm giảm
khả năng mang tải của dây dẫn ñiện.

số nguyên gọi là hiện tượng âm hài (inter-harmonic)).
Sóng ñiều hòa dòng ñiện bậc cao là dòng ñiện có tần số bằng

-

bội số nguyên lần tần số cơ bản, là dòng không sử dụng ñược với các
thiết bị trên lưới. Vì vậy nó sẽ chuyển sang dạng nhiệt năng và gây
tổn hao.

Với MBA: gây ra tổn thất ñồng, tổn thất từ thông tản và tổn
thất sắt làm tăng nhiệt ñộ MBA , làm tăng tổn thất ñiện năng.

-

Động cơ ñiện: Tổn hao trên cuộn dây và lõi thép ñộng cơ

tăng, làm méo dạng momen, giảm hiệu suất máy, gây tiếng

1.2.2. Các nguồn tạo sóng ñiều hòa
Các nguồn sinh sóng ñiều hòa trong công nghiệp ñược tạo ra

ồn.
1.3. Xuất phát ñiểm của ñề tài

bởi tất cả các tải phi tuyến. Các phần tử phi tuyến ñiển hình là lõi thép

Trong ngành công nghiệp thép, luyện kim rất nhiều ñối

của MBA, ñộng cơ (ñặc tính bão hòa của vật liệu sắt từ), các dụng cụ

tượng như: lò hồ quang ñiện một chiều, bể mạ, lò nấu thép cảm

bán dẫn công suất như thyristor, diode của các bộ biến ñổi (chỉnh lưu,

ứng,… là những ñối tượng sử dụng ñiện có công suất lớn, ñặc tính

nghịch lưu, ñiều áp xoay chiều…), các ñèn ñiện tử, nguồn hàn, các hệ

làm việc rất phức tạp, ñây là nguyên nhân làm cho chất lượng ñiện

truyền ñộng ñiện, lò hồ quang ñiện, lò nấu thép cảm ứng, lò tôi cao

năng kém chất lượng. Để khắc phục hiện tượng trên cần làm giảm hay

tần …

triệt tiêu thành phần dòng bậc cao. Việc này ñược thực hiện bằng các

Footer Page 3 of 126.


Header Page 4 of 126.

7

8

thiết bị lọc sóng ñiều hòa bậc cao, mạch gọi là bộ lọc tích cực song
song (AF: Shunt Active Filter).

2.1.2. Bộ lọc LC
•

Ưu ñiểm:
Bộ lọc LC có khả năng lọc tốt nhất, có khả năng lọc ñược

1.4. Kết luận chương 1:
Như vậy ñể cải thiện chất lượng ñiện năng thì cần phải lọc
các thành phần dòng ñiều hòa bậc cao. Có nhiều thiết bị khác nhau có

nhiều tần số theo ý muốn.
•

thể thực hiện lọc dòng ñiều hòa bậc cao. Tùy thuộc vào yêu cầu kinh

Nhược ñiểm:

-

tế, kỹ thuật và tính chất của tải mà lựa chọn thiết bị và phương pháp

Giá thành ñắt và sự vận hành của mạch kém tin cậy hơn bộ
lọc RC do trong mạch có cuộn cảm.

phù hợp.

-

Gây nhiễu cho các thiết bị thông tin do có sự phát sinh sóng
ñiện từ từ cuộn cảm.

Chương 2 - CÁC PHƯƠNG PHÁP LỌC SÓNG ĐIỀU HÒA

-

Thực hiện chức năng lọc sóng ñiều hòa bậc cao có nhiều
phương pháp khác nhau cả về cấu trúc phần cứng và phần mềm ñiều

Có thể xuất hiện hiện tượng cộng hưởng làm tăng dòng và
áp dẫn ñến hỏng thiết bị.

2.2. Bộ lọc chủ ñộng

khiển. Sóng ñiều hòa bậc cao ñược lọc bằng cách sử dụng các bộ lọc.

2.2.1. Vai trò của bộ lọc tích cực

Bộ lọc là thiết bị tạo ra ñặc tuyến tần số ñịnh trước mà chức năng của

•

Bù công suất:

nó là cho một số tần số ñi qua ñồng thời loại bỏ những tần số khác.

•

Bù sóng ñiều hòa ñiện áp:

2.1 Bộ lọc thụ ñộng

•

Bù sóng ñiều hòa dòng ñiện:

Nguyên lý làm việc của bộ lọc loại này là ngắn mạch ñối với
sóng ñiều hòa cần lọc ñể sóng ñiều hòa ñó chảy ra khỏi hệ thống.
•

•

Phân loại theo bộ biến ñổi công suất:
-

Ưu ñiểm:

trúc ña bậc

Bộ lọc RC là loại bộ lọc ñơn giản nhất, giá thành rẻ.

-

Vận hành ổn ñịnh.

-

-

Có tổn hao trên ñiện trở, tổn hao này càng lớn khi công suất

lớn.

bậc.
•

Phân loại theo sơ ñồ:
-

Khả năng chọn lọc tần số kém.

Bộ lọc tích cực CSI: Đặc ñiểm là có tần số ñóng cắt hạn
chế, tổn hao ñóng cắt lớn, không thể mở rộng ra cấu trúc ña

Nhược ñiểm:

-

Bộ lọc tích cực VSI: Đặc ñiểm là có thể mở rộng ra cấu

2.1.1 Bộ lọc RC
•

2.2.2. Phân loại bộ lọc tích cực

Bộ lọc tích cực song song AF(Shunt Active Filter): bù sóng
ñiều hòa dòng ñiện, bù CSPK, bù thành phần dòng ñiện
không cân bằng.

Footer Page 4 of 126.


Header Page 5 of 126.
-

Bộ lọc tích cực nối tiếp AFs(Series Active Filter): bù sóng

2.4.2. Bộ lọc tích cực nối tiếp AFs:

ñiều hòa ñiện áp bậc cao, ñiều chỉnh và cân bằng ñiện áp tại

Chức năng của AFs là triệt tiêu thành phần sóng ñiều hòa

ñiểm kết nối.
•

10

9

ñiện áp bậc cao sinh bởi tải phi tuyến ñể ñiện áp có dạng sin chuẩn.

Phân loại theo nguồn cấp:
-

Bộ lọc tích cực hai dây

-

Bộ lọc tích cực ba dây

-

Bộ lọc tích cực bốn dây

Ngoài ra nó còn có chức năng ñiều chỉnh và cân bằng ñiện áp.
Ta có thể phân tích ñiện áp nguồn thành hai thành phần là:
thành phần cơ bản UF và thành phần sóng ñiều hòa Uh:
US=Uh+UF
Điện áp dọc ñường dây do AFs tạo ra ngược pha với tổng

2.3. Bộ lọc hỗn hợp
Thực chất là sự kết hợp của bộ lọc chủ ñộng và bộ lọc thụ

sóng ñiều hòa ñiện áp bậc cao và triệt tiêu thành phần ñiều hòa bậc

ñộng. Mục ñích là giảm chi phí ñầu tư ban ñầu và cải thiện hiệu quả

cao này ñảm bảo ñiện áp có dạng sin. Nhìn từ phía tải AFs tạo ra một

của bộ lọc ñộng. Bộ lọc thụ ñộng sẽ lọc những sóng ñiều hòa mà bộ

tổng trở ñường dây. Tổng trở này bằng 0 ñối với sóng cơ bản và bằng

lọc chủ ñộng không lọc ñược hoặc lọc một cách khó khăn.

vô cùng lớn với các sóng ñiều hòa bậc cao do ñó giữa nguồn và tải có

Ngoài ra khi kết hợp AF và AFs ta ñược bộ UPQC (Unified

sự cách ly sóng ñiều hòa.

Power Quality Conditioner) kết hợp ñược cả tính năng của AF và AFs

2.5. Kết luận chương 2:
Trong chương này ñi tìm hiểu vấn ñề chính ñó là tìm hiểu về

như Hình 2.11.
2.4. Nguyên lý làm việc của bộ lọc tích cực
•

các phương pháp lọc sóng ñiều hòa bằng các bộ lọc tĩnh và lọc tích

2.4.1. Bộ lọc tích cực song song AF:

cực, phân tích ưu nhược ñiểm của hai loại trên. Qua ñó ñề tài cũng ñi

Chức năng của AF là triệt tiêu các sóng ñiều hòa dòng ñiện

phân tích nguyên lý làm việc của các loại lọc tích cực.

bậc cao sinh bởi tải phi tuyến ảnh hưởng lên ñường dây, trả lại
cho dòng ñiện trên ñường dây hình sin chuẩn.

Có nhiều phương pháp lọc sóng ñiều hòa bậc cao, với sự phát
triển của ñiện tử công suất thì ngày nay người ta ñã chế tạo ñược các

Ta có thể phân tích thành phần dòng tải thành hai thành phần:

van bán dẫn chịu ñược dòng và áp cao do ñó những hạn chế ở dải

thành phần cơ bản iF và thành phần sóng ñiều hòa ih:

công suất của các bộ lọc và bù sử dụng các thiết bị ñiện tử công suất

i L =i F +i h
Dòng do AF bơm lên ñường dây: iC=ih
Khi ñó dòng trên ñường dây sẽ là:

iS =i L -i h =i F +i h -i h =i F
Như vậy dòng trên ñường dây chỉ chứa thành phần cơ bản,
các thành phần ñiều hòa bậc cao ñã ñược bộ lọc loại bỏ.

Footer Page 5 of 126.

ñược cải thiện ñáng kể và chúng ngày càng ñược sử dụng rộng rãi ñể
cải thiện chất lượng ñiện năng.

Header Page 6 of 126.

12

11

Chương 3 - THIẾT KẾ BỘ LỌC TÍCH CỰC PWM
Bộ lọc tích cực AF và nghịch lưu PWM có cấu trúc phần

Theo phương pháp này thì không có thông tin phản hồi về
dòng ñiên trên lưới. Tất cả sai lệch trong hệ thống cả trong quá trình

cứng giống hệt nhau gồm bộ biến ñổi nguồn áp và tụ ñiện một chiều,

ño và ñiều khiển sẽ gây ra các sóng ñiều hòa trên dòng ñiện lưới, các

do ñó về nguyên lý ta có thể sử dụng nghịch lưu PWM ñể thực hiện

thành phần này là không xác ñịnh. Cấu trúc ñiều khiển này có ưu

chức năng của bộ lọc tích cực bằng việc sử dụng thuật toán ñiều khiển

ñiểm là ổn ñịnh nhưng yêu cầu số cảm biến ño dòng nhiều (4 cảm

thích hợp. Trong chương này ta sẽ ứng dụng nghịch lưu PWM ñể

biến).

thực hiện chức năng bộ lọc tích cực.

•

3.1. Tìm hiểu chung về nghịch lưu PWM

Phuơng pháp này dựa trên việc ño dòng ñiện trên lưới từ ñó

3.1.1. Nguyên lý làm việc

Phương pháp vòng kín:

xác ñịnh ñược dòng bù cần thiết.
Theo phương pháp ñiều khiển vòng kín sẽ có thêm một mạch
vòng ñiều chỉnh dòng ñiện lưới bên ngoài mạch vòng ñiều chỉnh dòng
tải. Phương pháp này có ưu ñiểm là thuật toán ñiều khiển ñơn giản

Hình 3.1. Sơ ñồ mạch lực của nghịch lưu PWM
Nhận thấy rằng nghịch lưu PWM có cấu trúc phần cứng giống

hơn so với cấu trúc vòng hở và yêu cầu số cảm biến ño dòng ít hơn (2
cảm biến).

như bộ biến ñổi nguồn áp VSC do ñó uS phụ thuộc vào hệ số ñiều chế

3.2. Ứng dụng nghịch lưu PWM ñể làm bộ lọc tích cực

của VSC và ñiện áp trên tụ. Điện cảm L nối giữa lưới và nghịch lưu

3.2.1. Cơ sở của phương pháp ñiều khiển

PWM là một phần không thể thiếu của mạch nghịch lưu ñóng vai trò

Nguyên lý chung ñể lọc sóng ñiều hòa là thiết bị lọc sẽ tạo ra

như thành phần tích phân của hệ và một nguồn dòng ñể tạo ñặc tính

dòng bù bằng với tổng sóng ñiều hòa dòng ñiện bậc cao nhưng ngược

nâng của nghịch lưu PWM. Điện áp rơi trên cuộn cảm L là u1 chính là

pha theo ñó sẽ triệt tiêu sóng ñiều hòa bậc cao trên dòng phía nguồn.

hiệu giữa ñiện áp nguồn uL và ñiện áp của bộ biến ñổi uS:

u1 = u L − u S
Với uL không ñổi do là ñiện áp nguồn do ñó sẽ ñiều khiển
ñược u1 thông qua ñiều khiển uS. Từ việc ñiều khiển ñược u1 ta sẽ ñiều
khiển ñược dòng ñiện iL chạy trên ñường dây.

Như vậy vấn ñề cơ bản của cấu trúc ñiều khiển là ta phải xác
ñịnh ñược dòng cần bù ñược tạo ra bởi bộ lọc ñể loại bỏ các dòng
ñiều hòa bậc cao. Việc xác ñịnh dòng bù cần thiết có nhiều phương
pháp khác nhau..
3.2.1. 1. Phương pháp dựa trên miền tần số

3.1.2. Cấu trúc ñiều khiển

* Phương pháp DFT (Discrete Fourier Transform): là thuật toán

•

biến ñổi cho các tín hiệu rời rạc, kết quả của phép phân tích ñưa ra cả

Phương pháp vòng hở:

Phương pháp này dựa trên việc ño thành phần dòng ñiện phía
tải từ ñó tách ra thành phần sóng ñiều hòa chứa trong dòng tải.

Footer Page 6 of 126.

biên ñộ và pha của thành phần sóng ñiều hòa mong


Header Page 7 of 126.

14

13

Mỗi thành phần ñiều hòa ñược xác ñịnh từ ñó tổng hợp lại
trong miền thời gian ñể tạo tín hiệu bù cho bộ ñiều khiển.
•

Phương pháp Fast Fourier Transform (FFT):
Ưu ñiểm của phương pháp FFT là có thể tác ñộng tới từng

thành phần sóng ñiều hòa theo ý muốn nhưng có khối lượng tính toán
rất lớn.

Từ (3.3) và (3.4) ta tính ñược công suất tải:

 p   u α u β  i α 
q  = -u u  i 
α β
   β

(3.5)

- Công suất p, q có thể tách thành hai thành phần:
Thành phần DC p , q tương ứng với thành phần cơ bản của
dòng tải.

% , q% tương ứng với thành phần ñiều
Thành phần dao ñộng p

3.2.1. 2. Phương pháp dựa trên miền thời gian
Phương pháp này có ưu ñiểm hơn phương pháp trên miền tần

hòa bậc cao.

p=p+~
p
~
q=q+q

số là khối lượng tính toán ít hơn so với trên miền tần số. Phương pháp
này có một số phương pháp như phương pháp dựa trên thuyết p - q,

P3− phase = p + q = p + ~
p+q+~
q

phương pháp trên khung tọa ñộ dq .
Phương pháp thuyết p − q :

•

Trong ñó :

Các bước ñể xác ñịnh dòng bù cần thiết theo phương pháp này
ñược tiến hành như sau:
-

Trước hết tính toán dòng ñiện và ñiện áp trong hệ tọa ñộ

αβ từ hệ tọa ñộ abc theo các công thức (3.1) và (3.2):


u0 

2
 
u α  = 3 
 uβ 

 



Tương tự ta có:



i0 

2
 

i α  = 3 
 iβ 

 



1
2
1
0

1
2
1
0

1
2
1
2
3
2

1 
2 u
 a
1  
-  u b 
2
 u 
3  c
- 
2 

1
2
1
2
3
2

1 
2 i
 a
1  
-  i b 
2
 ic 
3 
2 

(3.1)


1
u α 
2

u  =
3
 β
0


Footer Page 7 of 126.

(3.3)


1
i α 
2

=
i 
3
 β
 0

Bộ lọc tích cực có nhiệm vụ cung cấp thành phần công suất
AC ~
p của p và CSPK q. Tùy theo yêu cầu của bộ lọc có yêu cầu kết

hợp bù CSPK hay không mà thành phần q ≠ 0 hay q=0.
Khi ñó ta có công suất cung cấp bởi bộ lọc:

(3.2)

không tồn tại (ia+ib+ic=0) do ñó (3.1), (3.2) có thể viết như sau:
1 
-  ua 
2  
 ub
3 
 u c 
2 

Nguồn chỉ cung cấp thành phần công suất DC của tải và công
suất tổn hao của bộ biến ñổi.

Với hệ thống 3 pha không có dây trung tính thì thành phần i0
1
2
3
2

P3-phase : tổng công suất tức thời xác ñịnh bởi tải
p: thành phần CSTD của P3-phase
q: thành phần CSPK của P3-phase

1
2
3

2

1 
-  i a 
2   (3.4)
 ib
3 
-   i c 
2 

p
pAF − ~
q  = −q
 AF   

(3.6)

Từ (3-5) và (3-6) ta có dòng cần bù:

ic*α 
 uα
1
* = 2
2 
icβ  uα + u β u β

− u β  − ~
p



uα   − q 

(3.7)


Header Page 8 of 126.

15

16

iα 
id 
i  = S i 
 β
 q

Tuy nhiên do ñiện áp trên tụ là không ổn ñịnh do ñó ñể ñảm
bảo ñiện áp trên tụ là không ñổi thì nguồn cần cung cấp một công suất
p0 ñể duy trì ñiện áp trên tụ không ñổi. Khi ñó từ (3.7) ta có:

i

i

*
cα
*
cβ


1 uα
= 2
2 
 uα + u β u β

− u β  − ~
p + p0 


uα   − q 

(3.8)

hợp cả chức năng lọc sóng ñiều hòa và bù CSPK.
cần bù trong hệ abc. Từ (3.4) và (3.8) ta thu ñược:
 i *ca 
 * 
 i cb  =
 i *cc 
 

phần:
tải.
- Thành phần dao ñộng

tương ứng với thành phần ñiều hòa bậc

,

cao.
(3.13)
*
iCq
= iC* 0 = 0

*
iCd
= iLd ;

(3.9)

(3.14)

Từ (3.12) thành phần dòng tải trên trục d là:

Như vậy bằng cách sử dụng thuyết p − q ta ñã xác ñịnh
ñược dòng bù cần thiết từ ñó xây dựng cấu trúc ñiều khiển cho AF.

iLd =

uα .iLα + u β .iLβ
uα + u β
2

• Phương pháp xác ñịnh dòng bù trong hệ dq: theo phương
pháp này có thể xác ñịnh toàn bộ dòng bù hoặc có thể lựa chọn từng
Công thức ñổi dòng ñiện từ khung toạ ñộ αβ (ñược sử dụng
trong phương pháp thuyết p – q) sang khung toạ ñộ dq:
(3.10)

*
C

i

2

=

p Lαβ
uα + u β

 p
Lαβ
iLd = 
 u2 + u2
β
 α

Với

thành phần sóng ñiều hòa cần bù.

i0  1 0 0
 i0 
  
 
id  = 0 cos θ sin θ  iα 
iq  0 − sin θ cos θ  iβ 

 
 

−

= iLd

2

2

= iLd +




 dc

0  
   p Lαβ
uα  =
uα2 + u β2    uα2 + u β2
u β 
1

Footer Page 8 of 126.

(3.15)

(3.16)


1


2
2
 dc uα + u β

0 
 
uα  (3.17)
u β 
 

Sau khi tính ñược dòng cần bù ở khung toạ ñộ αβ ta cần chuyển
qua khung toạ ñộ abc theo công thức (3.9)

Với hệ thống 3 pha không có dây trung tính thì thành phần i0
không tồn tại (ia+ib+ic=0) do ñó (3.10) có thể viết như sau:

(3.12)

- Thành phần DC id , iq tương ứng với thành phần cơ bản của dòng

Từ dòng bù tính ñược trong hệ tọa ñộ αβ ta tính ñược dòng

0 
 *
3   i cα 

 
2   i *cβ 

3
2 

uβ 

uα 

Mỗi thành phần dòng ñiện (id, iq) có thể tách thành hai thành

Đây là công thức tính dòng bù cần thiết trong hệ αβ khi kết


 1

2  1
3  2

- 1
 2

uα

uα2 + u β2  − u β
1

S=

với

(3.11)

Ta có công thức tính dòng ñiện của bộ lọc là:

iF = iL − iC*


Header Page 9 of 126.

18

17

3.3. Cấu trúc ñiều khiển nghịch lưu PWM làm chức năng bộ lọc

Chương 4 – MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

sóng ñiều hòa:

4.1. Tính toán các tham số của bộ lọc AF

3.3.1. Nguyên lý ñiều khiển
Trong cấu trúc này chỉnh lưu PWM thực hiện cả chức năng

4.1.1. Xác ñịnh giá trị ñiện áp một chiều cấp cho nghịch lưu
Thông thường chọn ñiện áp một chiều ở giá trị:

U dc = (1.2 ÷ 1.3) U d 0

lọc sóng ñiều hòa bậc cao và bù CSPK. Nguồn một chiều cấp cho

(4.2)

biến ñổi có thể cấp trực tiếp từ nguồn một chiều hoặc từ tụ ñiện. Dòng

Từ (4.1) và (4.2) ta tính ñược ñiện áp một chiều cấp cho mạch nghịch

bù ñược coi như là tín hiệu chuẩn và dòng ñiện phát ra bởi bộ biến ñổi

lưu là:

phải ñảm bảo bám theo dòng này. Để thực hiện việc này có thể có

Udc= 1.3*2.45*127 ≈ 400 (V)

4.1.2. Xác ñịnh giá trị tụ ñiện Cdc

nhiều cách nhưng ở ñây tác giả chọn bộ ñiều khiển logic mờ ñể ñiều

Giá trị tụ ñiện C ñược tính toán sao cho ñảm bảo tạo ñược
ñiện áp cấp ổn ñịnh cho mạch nghịch lưu là 400(V) và Cdc phải ñủ lớn

khiển.
3.3.2. Thiết kế bộ ñiều khiển mờ:

ñể loại bỏ ñược những thành phần ñiện áp lăn tăn trên tụ.

theo tín hiệu ñặt iC*

+ Tín hiệu vào: Sai lệch e= iC* -if và ñạo hàm sai lệch de/dt (kí

C dc =

+ Tín hiệu ra: u
Do mục tiêu của Luận văn là ñi triệt tiêu sóng ñiều hòa dòng

831399.15
≈ 0.1654 ( F )
400 * 20 * 2 * 2 * π * 50

4.1.3. Xác ñịnh giá trị ñiện cảm Lf
Theo tài liệu [8], giá trị ñiện cảm L f ñược xác ñịnh:

ñiện bậc cao, do ñó bộ lọc tích cực ñược lựa chọn là AF. Nguyên lý

Lmax

làm việc của AF có nhiều ñiểm tương ñồng với bộ nghịch lưu PWM
nên trong chương này ñi nghiên cứu về nguyên lý làm việc của

U dc
− U source ( peak )
2
=
di
max( )
dt

nghịch lưu PWM. Trong chương này cũng ñã nêu ra các cơ sở lý

thuyết và ứng dụng nó ñể xây dựng thuật toán ñiều khiển ñể ñiều

Thay số vào (4.5) ta có:

khiển bộ nghịch lưu PWM làm chức năng của bộ lọc tích cực. Từ

Lmax

những cơ sở trên và dựa vào tính chất của phụ tải, ñề tài ñã ñi lựa
chọn cấu trúc phần cứng và sử dụng phương pháp dq vào việc ñiều
khiển AF (bộ lọc tích cực song song).

Footer Page 9 of 126.

(4.3)

Thay số vào (4.3) ta có :

hiệu de)

3.4. Kết luận chương 3:

Sn
1
.
U dc .∆ U dc 2ϖ 1

C dc =

Mục tiêu ñiều khiển là tín hiệu dòng if do bộ lọc phát ra bám

Chọn:

400
− 127 2
2
=
≈ 2.609 *10 −5 ( H )
781580.468 150

L f = 2.6 *10−5 ( H )

(4.5)


Header Page 10 of 126.

19

20

4.1.4. Xác ñịnh và lựa chọn thông số van ñiều khiển

4.2.4. Khâu ño dòng ñầu ra của bộ lọc

Dòng ñiện cực ñại qua van bằng tổng các thành phần sóng
ñiều hòa.

4.2.5. Cuộn kháng ñầu vào Lf của bộ lọc và tụ ñiện một chiều
Cdc

Imax = I5 + I7 + I11 + I13 + I17 = 1186.67 (A)

4.2.6. Mạch ổn ñịnh ñiện áp trên tụ Cdc

Với tản nhiệt có tiết diện ñủ lớn và ñiều kiện làm mát bằng

4.2.7. Khâu tính toán dòng bù chuẩn cho bộ chỉnh lưu PWM

quạt ta có thể chọn van với dòng ñịnh mức qua van là:
Iñm = 2Imax=2* 1186.67 = 2373.34 (A)
4.2. Mô hình hóa hệ thống trên phần mềm matlab/simulink
iS
uS

iL

Tải bể
mạ

iF

PWM

LF

Hình 4.9. Mô hình của khâu tính toán dòng bù chuẩn

abc

abc
αβ

uα

C

αβ

uβ

4.2.8. Khâu phát xung ñiều khiển bộ chỉnh lưu PWM:
iLβ

iLα

4.2.9.Khâu tải:

αβ
dq

iLd

4.2.9.1. Tải R-L-C:
iLq

~
iL

~

iFa_iFb_iFc

-

LP

+

iSref α
αβ

Tính toán iSref αβ

abc

iSref β

Hình 4.1. Sơ ñồ cấu trúc ñiều khiển chung của hệ thống bao gồm tải

ơ

bể mạ và bộ lọc AF
4.2.1. Khâu cấp nguồn
4.2.2. Khâu ño lường
4.2.3. Khâu hiển thị

Footer Page 10 of 126.

Hình 4.18. Mô hình tải R-L-C

Header Page 11 of 126.

22

21

Dòng ñiện nguồn ba pha sau khi AF tác ñộng, ta thấy ñã có

4.2.9.2. Tải bể mạ kẽm:

dạng hình sin.
4.3.2. Đối với tải bể mạ:
Các thông số mô phỏng:

Hình 4.19 Mô hình tải bể mạ
4.3. Đánh giá tác dụng của bộ lọc với tải bể mạ trong trường hợp

-

Điện áp cấp vào phía chỉnh lưu: 220(V), 50(Hz)

-

Điện áp ñịnh mức trên tải:

-

Cuộn kháng:

L = 2.5 *10-6 (H)

-

Tụ ñiện:

C = 0.1654(F)

•

nguồn lý tưởng:

24(V)

Dòng ñiện nguồn cấp cho phụ tải bể mạ:

Hình 4.28. Đồ thị dòng ñiện nguồn cung cấp cho tải bể mạ trước
và sau khi AF tác ñộng
Hình 4.20. Sơ ñồ mô phỏng hệ thống với chức năng lọc trong trường
hợp nguồn lý tưởng

Dòng ñiện nguồn sau khi AF tác ñộng, ta thấy ñã có dạng
hình sin, nghĩa là các thành phần dòng ñiều hòa bậc cao ñã giảm ñi.

4.3.1. Đối với tải R-L-C:
Các thông số tải: RDC = 0,5 Ω; LDC = 0,3.10-3; CDC = 470µF;

Hình 4.35. Dạng sóng tín hiệu và phổ của sóng ñiều hòa dòng ñiện
Hình 4.22. Đồ thị dòng ñiện nguồn ba pha cấp cho tải RLC

trước và sau khi AF tác ñộng

Footer Page 11 of 126.

nguồn pha A iSa


Header Page 12 of 126.

23

24

Từ phân tích trên ta nhận thấy khi tải bể mạ ñã ñi vào làm

Do tần số chuyển mạch của các van bán dẫn cao, do ñó sử dụng

việc ổn ñịnh, hệ số méo dạng dòng ñiện THD là 0.74%. Đối chiếu với

IGBT có thể ñáp ứng ñược do IGBT có tần số ñóng cắt cao có thể ñạt

tiêu chuẩn IEEE std 519 (ở Bảng 1.2) ta thấy hệ số THD thỏa mãn

ñến gần 100(kHz).

tiêu chuẩn (<5%) như vậy trong trường hợp này bộ lọc làm việc ñáp

• Chọn tụ ñiện:

ứng ñược yêu cầu. Chất lượng dòng ñiện trên lưới ñược bảo ñảm.

Để ñược giá trị là 165400( µF ) ta chọn tụ ñiện có ñiện dung là

Như vậy ta có thể kết luận rằng phương án lựa chọn bộ

15000( µF ) và ñiện áp mà tụ chịu ñược là 450(V). Khi ñó ñể thỏa

lọc tích cực song song 3 pha 3 nhánh và thuật toán ñược áp dụng

mãn tụ ñiện theo tính toán ở trên với C=165400( µF ), ñiện áp trên tụ

là phù hợp và AF ñã ñáp ứng ñược yêu cầu.

là 400(V) ta có thể ghép 11 tụ song song với nhau, do ñó ñiện dung

4.4. Tính khả thi của ñề tài

tổng là 15000*11=165000( µF ).

• Lựa chọn van bán dẫn:

• Chọn thiết bị ñiều khiển:

Việc lựa chọn van bán dẫn ñã ñược ñề cập ở Mục 4.1.4, ngoài

Do thuật toán ñiều khiển ñòi hỏi khả năng tính toán lớn do ñó

dòng ñiện, ñiện áp mà van có thể làm việc trong chế ñộ liên tục thì

việc lựa chọn thiết bị ñiều khiển ñòi hỏi phải có khả năng tính toán

một tham số rất quan trọng ñể xem xét van IGBT ñó là tần số chuyển

mạnh ñể ñảm bảo tính thời gian thực nên có thể sử dụng DSP.
• Kết luận:

mạch của van.
Tần số chuyển mạch của các van bán dẫn có thể tính toán
theo tài liệu [23] qua công thức sau:

f sw =

U dc
9 hL

Qua quá trình phân tích tính khả thi của từng thành phần
trong hệ thống, ta có thể kết luận là ñề tài hoàn toàn có thể triển
khai trên mô hình thực nghiệm.

(4.6)

4.5. Kết luận

Với h là giới hạn sai lệch và L là giá trị của ñiện cảm ở phía

Qua quá trình tính toán và mô hình hóa bộ lọc trên phần mềm

trước bộ lọc.
Với dòng tải ñịnh mức của bể mạ khoảng 1000A, trong

matlab/simulink, chúng ta nhận thấy với cấu trúc, phương pháp, thuật
toán ñiều khiển ñã lựa chọn cho thấy bộ lọc làm việc rất tốt (về chỉ

trường hợp trên ta chọn băng sai lệch là 100(A) tương ứng với 10%

tiêu chất lượng ổn ñịnh tĩnh, tốc ñộ và chất lượng ñáp ứng quá ñộ

thì tần số chuyển mạch là:

[22]), dòng ñiện sau khi lọc có ñộ méo dạng ñạt ñược tiêu chuẩn cho

f sw =

Footer Page 12 of 126.

400
≈ 300(kHz )
9 * 100 * 1.5 * 10− 6

phép của IEEE std 519 và IEC 1000-3-4.


Header Page 13 of 126.

25

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

26
Đề xuất hướng phát triển:

Một hướng giải quyết khác ñể không bị ảnh hưởng bởi ñiện

Luận văn ñã thực hiện ñược:
-

Phân tích về sóng ñiều hòa, các nguồn tạo ra sóng ñiều hòa và

này có ưu ñiểm là chỉ tiêu chất lượng tĩnh và ñáp ứng quá ñộ rất tốt

ảnh hưởng của nó ñến thiết bị ñiện.

[22]. Tuy nhiên khối lượng tính toán sẽ rất lớn so với phương pháp

Tìm hiểu về các phương pháp lọc sóng ñiều hòa bằng các bộ lọc

khung toạ ñộ dq.

tĩnh và lọc tích cực, phân tích ưu nhược ñiểm của hai loại trên.
Qua ñó ñề tài cũng ñi phân tích nguyên lý làm việc của các loại
lọc tích cực.
-

Nghiên cứu về nguyên lý làm việc của chỉnh lưu PWM. Nêu ra
các cơ sở lý thuyết và ứng dụng nó ñể xây dựng thuật toán ñiều
khiển ñể ñiều khiển bộ chỉnh lưu PWM làm chức năng của bộ lọc
tích cực. Từ những cơ sở lý thuyết trên và dựa vào tính chất của
phụ tải, ñề tài ñã ñi lựa chọn cấu trúc phần cứng và sử dụng
phương pháp dq vào việc ñiều khiển bộ lọc tích cực AF.

-

áp nguồn là sử dụng phương pháp phương pháp FFT. Phương pháp

Luận văn ñã thực hiện mô phỏng tải bể mạ và hệ thống cung cấp
ñiện cho nó bằng phần mềm matlab/simulink, từ ñó phân tích,
ñánh giá các thành phần sóng ñiều hòa phát ra từ tải dựa vào việc
phân tích phổ của tín hiệu, ñánh giá ñộ méo dạng THD. Từ ñó
ñưa ra phương án ñể lọc dòng ñiều hòa bậc cao bằng bộ lọc tích
cực 3 pha 3 nhánh nhằm trả lại dòng ñiện sin cho lưới, ñánh giá
sự khả thi của ñề tài trong vấn ñề triển khai ứng dụng.
Qua quá trình tính toán và mô hình hóa bộ lọc trên phần mềm

matlab/simulink, chúng ta nhận thấy với cấu trúc, phương pháp, thuật
toán ñiều khiển ñã lựa chọn cho thấy bộ lọc làm việc tốt (về chỉ tiêu
chất lượng ổn ñịnh tĩnh, tốc ñộ và chất lượng ñáp ứng quá ñộ), dòng
ñiện sau khi lọc có ñộ méo dạng ñạt ñược tiêu chuẩn cho phép của
IEEE std 519 và IEC 1000-3-4, ñó là sự thành công của ñề tài.

Footer Page 13 of 126.