Nghiên cứu thiết kế bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------NGUYỄN VĂN HỢP

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG HỆ SỐ
CÔNG SUẤT TRONG CÔNG NGHIỆP

Chuyên ngành: Đo lường và các hệ thống điều khiển

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
ĐO LƯỜNG VÀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
1. TS. NGUYỄN VIỆT SƠN

Hà Nội – 2013


Báo cáo luận văn cao học:
“Nghiên cứu thiết kế bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn này, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, động
viên của nhiều cá nhân và tập thể.
Đầu tiên tác giả xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Việt Sơn đã hướng dẫn,
giúp đỡ tạo mọi điều kiện để tác giả nghiên cứu và hoàn thành luận văn thạc sĩ.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô bộ môn Kĩ thuật đo và Tin học công
nghiệp, những người đã dạy cho tôi những kiến thức, giúp tôi nâng cao chuyên
môn.
Tôi xin chân thành cám ơn ban lãnh đạo Viện Nghiên cứu Điện tử Tin Học
và Tự động hóa, các anh chị trong trung tâm Công nghệ cao, đã tạo mọi điều kiện

và giúp đỡ để tôi làm việc, nghiên cứu và hoàn thành luận văn.
Tôi xin cảm ơn tập thể lớp cao học Đo lường và các hệ thống điều khiển hệ
khoa học khóa 2011B, những người thường xuyên động viên, đóng góp trao đổi ý
kiến và kiến thức trong suốt thời gian học tập và hoàn thành luận văn.
Hà nội, ngày … tháng … năm …
Học viên thực hiện

Nguyễn Văn Hợp

Chuyên ngành đo lường và các hệ thống điều khiển

2


Báo cáo luận văn cao học:
“Nghiên cứu thiết kế bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

LỜI CAM ĐOAN
Tôi là Nguyễn Văn Hợp, học viên cao học lớp 11B-ĐLĐK.KH, chuyên
ngành Đo lường và các hệ thống điều khiển khóa 2011B. Giảng viên hướng dẫn là
TS. Nguyễn Việt Sơn.
Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung được trình bày trong bản luận văn
“Nghiên cứu thiết kế bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”
là công trình nghiên cứu của tôi kết hợp với Viện Nghiên cứu Điện tử Tin học và
Tự động hóa, dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Việt Sơn – trường Đại học Bách
Khoa Hà Nội. Các thiết kế, kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực và được
lấy từ thực nghiệm. Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm với những nội dung được
viết trong luận văn này.
Hà nội, ngày … tháng … năm …
Học viên thực hiện

Nguyễn Văn Hợp

Chuyên ngành đo lường và các hệ thống điều khiển

3


Báo cáo luận văn cao học:
“Nghiên cứu thiết kế bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

Mục lục
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ 2
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................. 3
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ............................................................................... 6
DANH MỤC CÁC BẢNG ..................................................................................... 8
CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ............................................................................ 9
PHẦN MỞ ĐẦU .................................................................................................. 10
Chương 1: ĐẶT VẤN ĐỀ ................................................................................... 11
1.1

Sự hình thành đề bài luận văn ............................................................... 11

1.2

Mục đích nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu...................... 12

1.3

Phương pháp nghiên cứu ....................................................................... 13

1.4

Nội dung nghiên cứu .............................................................................. 13

Chương 2: NỘI DUNG THỰC HIỆN ................................................................ 14
2.1

Tổng quan về hệ số công suất................................................................. 14

2.1.1

Các khái niệm về hệ số công suất....................................................... 14

2.1.2

Tầm quan trọng của việc nâng cao hệ số công suất ............................ 16

2.1.3

Các phương pháp nâng cao hệ số công suất ....................................... 17

2.1.3.1

Phương pháp dùng bộ lọc thụ động (Passive Power Filter) .......... 19

2.1.3.2

Phương pháp dùng các bộ lọc tích cực (Active Power Filter)....... 19

2.1.3.3

Phương pháp dùng thiết bị bù đồng bộ STATCOM ..................... 20

2.1.3.4

Phương pháp dùng thiết bị bù tĩnh SVC (Static Var Compensator)
21

2.1.4
2.2

Lựa chọn phương pháp cho bài toán của luận văn ........................ 22

Thiết kế phần cứng ................................................................................. 24

2.2.1

Thiết kế tổng thể ................................................................................ 24

2.2.2

Thiết kế chi tiết .................................................................................. 26



Module đo lường và điều khiển .......................................................... 26
2.2.2.1

Thiết kế bộ biến đổi điện áp ........................................................ 26

2.2.2.2

Thiết kế bộ biến đổi dòng điện .................................................... 28

2.2.2.3

Thiết kế bộ lọc chống chồng phổ ................................................. 30

2.2.2.4

Lựa chọn bộ biến đổi tương tự số ................................................ 32

2.2.2.5

Lựa chọn bộ xử lý trung tâm ....................................................... 33

Chuyên ngành đo lường và các hệ thống điều khiển

4


Báo cáo luận văn cao học:
“Nghiên cứu thiết kế bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

2.2.2.6


Module giao tiếp người dùng ............................................................. 35
2.2.2.7

Bàn phím và hiển thị ................................................................... 35

2.2.2.8

Led thông báo trạng thái .............................................................. 37

2.2.2.9

Khối truyền thông ....................................................................... 37


2.3

Lựa chọn Rơ le đầu ra ................................................................. 35

Thiết kế nguồn cung cấp .................................................................... 37
Thiết kế phần mềm nhúng ..................................................................... 39

2.3.1

Thiết kế tổng thể ................................................................................ 39

2.3.2

Phần mềm nhúng cho khối xử lý tính toán và điều khiển ................... 41

2.3.3

Chương trình điều khiển tụ bù............................................................ 43

2.3.4

Phần mềm nhúng cho khối giao tiếp người dùng HMI ....................... 46

2.3.5

Lập trình truyền thông Modbus RTU ................................................. 52

2.4

Thiết kế phần mềm trên máy tính ......................................................... 53

Chương 3: Thử nghiệm đánh giá thiết bị ........................................................... 57
3.1

Thử nghiệm đánh giá module hài bậc cao ............................................. 57

3.1.1

Chuẩn bị thí nghiệm........................................................................... 57

3.1.2

Thực hiện và kết quả thí nghiệm ........................................................ 57

3.1.3

Nhận xét kết quả thử nghiệm ............................................................. 62

3.2

Thử nghiệm trong môi trường công nghiệp .......................................... 62

3.2.1

Đặc điểm cơ sở thử nghiệm thực tế .................................................... 62

3.2.2

Qui trình thử nghiệm.......................................................................... 63

3.2.3

Kết quả thử nghiệm và nhận xét ......................................................... 64

Chương 4: KẾT LUẬN ....................................................................................... 68
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 70
PHỤ LỤC............................................................................................................. 72

Chuyên ngành đo lường và các hệ thống điều khiển

5


Báo cáo luận văn cao học:
“Nghiên cứu thiết kế bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 2.1: Các loại công suất tải tiêu thụ ................................................................ 14

Hình 2.2: Giản đồ vector công suất........................................................................ 15
Hình 2.3: Mối quan hệ giữa PF và tổng dòng tiêu thụ ............................................ 17
Hình 2.4: Nguyên lý của bộ lọc tích cực ................................................................ 19
Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý của STATCOM ........................................................... 20
Hình 2.6: Nguyên lý thu phát công suất phản kháng của STATCOM .................... 21
Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý của SVC ...................................................................... 22
Hình 2.8: Mắc thêm tụ bù nâng cao PF .................................................................. 23
Hình 2.9: Sơ đồ khối bộ PFC ................................................................................. 25
Hình 2.10: Sơ đồ khối chức năng của LV 20-P ...................................................... 26
Hình 2.11: Sơ đồ đấu nối LV 20-P......................................................................... 27
Hình 2.12: Sơ đồ khối chức năng của ACS714 ...................................................... 28
Hình 2.13: Đặc tính vào ra của ACS714 ................................................................ 29
Hình 2.14: Mạch khuếch đại tín hiệu dòng ............................................................ 29
Hình 2.15: So sánh đáp ứng tần số của các bộ lọc.................................................. 31
Hình 2.16: Biểu đồ Bode của bộ lọc Butterworth với các bậc khác nhau ............... 31
Hình 2.17: Bộ lọc thông thấp chống chồng phổ ..................................................... 32
Hình 2.18: Sơ đồ chân LTC1865 ........................................................................... 33
Hình 2.19: Mạch tạo nguồn chuẩn cho ADC ......................................................... 33
Hình 2.20: Sơ đồ chân của DSPIC30F6014A ........................................................ 34
Hình 2.21: GLCD 128x64 được điều khiển bởi chip KS0108. ............................... 35
Hình 2.22: Khối truyền thông của PFC .................................................................. 37
Hình 2.23: Sơ đồ nguyên lý nguồn cung cấp .......................................................... 38
Hình 2.24: Lưu đồ trạng thái chương trình của bộ PFC.......................................... 40
Hình 2.25: Thuật toán điều khiển đóng cắt tụ bù .................................................... 44
Hình 2.26: Minh họa việc chọn lựa tổ hợp tụ ......................................................... 45
Hình 2.27: Giao diện người dùng........................................................................... 46
Hình 2.28: Giao diện màn hình hiển thị ................................................................. 47
Hình 2.29: Minh họa các menu cơ bản của bộ PFC................................................ 48
Hình 2.30: Định dạng bản tin khung truyền bên Master yêu cầu ............................ 49
Chuyên ngành đo lường và các hệ thống điều khiển

6


Báo cáo luận văn cao học:
“Nghiên cứu thiết kế bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

Hình 2.31: Định dạng bản tin khung truyền bên Slave phản hồi............................. 49
Hình 2.32 : Tab “hài dòng áp” trong cửa sổ giao diện chính ................................. 55
Hình 2.33: Tab “thông số tổng hợp” trong cửa sổ giao diện chính ........................ 55
Hình 2.34: Cửa sổ truy vấn số liệu đo .................................................................... 56
Hình 3.1: Sơ đồ đấu nối thử nghiệm với máy phát nguồn xoay chiều .................... 58
Hình 3.2: Trạm Asphalt 120 tấn/h.......................................................................... 63
Hình 3.3: Sơ đồ đấu nối thử nghiệm thực tế........................................................... 63
Hình 3.4: Hình ảnh thử nghiệm thực tế .................................................................. 64

Chuyên ngành đo lường và các hệ thống điều khiển

7


Báo cáo luận văn cao học:
“Nghiên cứu thiết kế bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1: Mô tả chức năng từng chân của GLCD .................................................. 36
Bảng 2.2: Các tổ hợp tụ ......................................................................................... 44
Bảng 2.3: Mô tả các tham số trong truyền thông nội bộ PFC ................................. 49
Bảng 3.1: Phát riêng rẽ các hài điện áp (đơn vị: V) ................................................ 58
Bảng 3.2: Phát riêng rẽ các hài dòng điện (đơn vị: A) ............................................ 59

Bảng 3.3: Phát đồng thời các hài điện áp từ bậc 1 đến bậc 5 (đơn vị: V) ................ 60
Bảng 3.4: Phát đồng thời các hài dòng điện từ bậc 1 đến bậc 5 (đơn vị: A) ............ 60
Bảng 3.5: Chỉ phát hài cơ bản, dòng trễ 30o so với điện áp .................................... 61
Bảng 3.6: Phát đồng thời các hài điện áp và dòng điện từ bậc 1 đến bậc 5, dòng trễ
30o so với điện áp cho tất cả các hài....................................................................... 61
Bảng 3.7: Phát đồng thời các hài điện áp và dòng điện từ bậc 1 đến bậc 10, dòng trễ
30o so với điện áp cho tất cả các hài....................................................................... 61
Bảng 3.8: Kết quả tính toán các tham số điện tại thời điểm ban đầu....................... 65
Bảng 3.9: Kết quả tính toán các tham số điện tại thời điểm ổn định ....................... 65
Bảng 3.10: Kết quả phân tích hài điện áp ............................................................... 66
Bảng 3.11: Kết quả phân tích hài dòng điện ........................................................... 66

Chuyên ngành đo lường và các hệ thống điều khiển

8


Báo cáo luận văn cao học:
“Nghiên cứu thiết kế bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
PF: Power factor
PFC: Power factor controller
DSP: Digital Signal Processing
DFT: Discrete Fourier Transform
FFT: Fast Fourier Transform
HMI: Human Machine Interface
ADC: Analog - Digital Converter
GLCD: Graphic Liquid Crystal Display
STATCOM: Static Synchronous Compensator

IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor
SVC: Static Var Compatation
VSI: Voltage Source Inverter
SPI: Serial Peripheral Interface
PC: Personal Computer

Chuyên ngành đo lường và các hệ thống điều khiển

9


Báo cáo luận văn cao học:
“Nghiên cứu thiết kế bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

PHẦN MỞ ĐẦU
Trong những năm qua, mặc dù được chú trọng đầu tư và phát triển nguồn và
lưới điện nhưng nước ta vẫn còn gặp nhiều khó khăn trong việc đảm bảo cung cấp
điện. Đặc biệt trong các tháng mùa khô, nhất là khi hạn hán kéo dài không đủ nước
cho các nhà máy thủy điện phát điện thì vấn đề đảm bảo cung cấp điện còn khó
khăn hơn.
Chỉ thị số 171/CT-TTg của thủ tướng chính phủ ban hành ngày 26 - 01- 2011
về việc tăng cường thực hiện tiết kiệm điện đã chỉ rõ: đối với các doanh nghiệp phải
thực hiện ngay các giải pháp tiết kiệm điện như xây dựng các giải pháp tiết kiệm
điện hiệu quả, sử dụng đúng công suất và biểu đồ phụ tải như trong đăng kí mua
bán điện,…
Ngày nay khi mà các thiết bị điện ngày càng được sử dụng nhiều trong công
nghiệp thì vấn đề tiết kiệm điện càng trở nên cấp thiết. Việc tiết kiệm điện không
chỉ mang lại hiệu quả kinh tế mà còn tối ưu hóa về mặt kĩ thuật. Một trong những
phương pháp đơn giản để tiết kiệm điện năng là nâng cao hệ số công suất.

Chuyên ngành đo lường và các hệ thống điều khiển

10


Báo cáo luận văn cao học:
“Nghiên cứu thiết kế bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

Chương 1: ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1 Sự hình thành đề bài luận văn
Hiện nay, điện đã trở thành một sản phẩm kinh doanh thương mại có giá trị
lớn. Do đó các nhà cung cấp điện cũng như hộ tiêu thụ điện ngày càng quan tâm
đến việc nâng cao chất lượng điện năng và tiết kiệm điện. Chương trình mục tiêu
quốc gia về sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả, đã được Thủ tướng chính
phủ ký Quyết định số 79/2006/QĐ-TTg. Mục tiêu của chương trình cụ thể là nhằm
từng bước đạt được mục tiêu tiết kiệm 5 – 8% tổng mức tiêu thụ năng lượng vào
năm 2015, giảm một phần mức đầu tư phát triển hệ thống cung ứng năng lượng,
mang lại lợi ích về kinh tế - xã hội, đồng thời góp phần bảo vệ môi trường, khai
thác hợp lý các nguồn tài nguyên năng lượng, thực hiện phát triển kinh tế - xã hội
bền vững.
Trong lĩnh vực công nghiệp, chi phí cho tiền điện chiếm một phần không nhỏ
trong hoạt động sản xuất kinh doanh. Các xí nghiệp sản xuất công nghiệp, ngoài
việc phải chịu mức giá điện sản xuất cao hơn mức giá sinh hoạt, thì việc tiêu thụ
công suất phản kháng lớn hơn mức qui định cũng sẽ phải trả thêm chi phí. Một
trong những biện pháp đơn giản và hiệu quả để tiết kiệm điện cũng như tiết kiệm
chi phí sản xuất cho các doanh nghiệp, xí nghiệp sản xuất đó là nâng cao hệ số công
suất phụ tải. Biện pháp này mang lại các hiệu quả như:
-

Cải thiện hệ số công suất cho phép người sử dụng máy biến áp, thiết bị

đóng cắt và cáp truyền dẫn nhỏ hơn, … đồng thời giảm tổn thất điện năng
và sụt áp trong mạng điện.

-

Hệ số công suất cao cho phép tối ưu hoá các phần tử cung cấp điện. Khi
đó các thiết bị điện không cần định mức dư thừa.

-

Đem lại những ưu điểm về kỹ thuật và kinh tế khác, giảm chi phí tiêu thụ
điện.

Theo quan niệm truyền thống, công suất điện năng luôn được quan niệm như
một đại lượng đo để đánh giá khả năng phát ra năng lượng của nguồn điện hay mức

Chuyên ngành đo lường và các hệ thống điều khiển

11


Báo cáo luận văn cao học:
“Nghiên cứu thiết kế bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

độ tiêu thụ năng lượng điện của tải và được tính toán với điều kiện giả thiết điện áp
và dòng điện có dạng hình sine. Tuy nhiên, ngày nay các tải phi tuyến (dạng dòng
hoặc áp không sine) tham gia ngày càng nhiều trong lưới điện, chúng chiếm một vị
trí đáng kể trong dân dụng và trong công nghiệp. Các thiết bị như các bộ biến tần,
các bộ chỉnh lưu công suất lớn,... là các nguồn phát các nhiễu hài bậc cao vào trong
hệ thống điện. Với sự phát triển không ngừng của các ứng dụng điện tử công suất

với tần suất đóng ngắt rất cao và gần tức thời, đã ảnh hưởng xấu tới chất lượng
nguồn điện cung cấp. Kết quả là dạng điện áp nguồn cung cấp và dòng tiêu thụ
không còn duy trì được dạng hài cơ bản hình sine và có chứa hài bậc cao. Quan
niệm truyền thống về hệ số công suất áp dụng cho dạng dòng và áp hình sine lúc
này không còn phù hợp, đặc biệt trong tính toán, thiết kế, xây dựng các hệ thống bù
công suất, thiết bị lọc nhiễu hài. Vì vậy việc chế tạo bộ tự động điều chỉnh hệ số
công suất trên cơ sở phân tích các hài dòng điện và hài điện áp (để từ đó có thể tính
toán được hệ số công suất chính xác hơn cho quá trình điều chỉnh hệ số công suất)
là rất cần thiết. Trước thực tế đó, tác giả đã chọn đề tài luận văn “Nghiên cứu thiết
kế bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”.
1.2 Mục đích nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
-

Nghiên cứu để làm chủ các vấn đề về hệ số công suất khi có tính đến ảnh
hưởng của sóng hài bậc cao.

-

Tạo ra được sản phẩm với các tính năng:
Đo và hiển thị:

o


Công suất tác dụng, công suất phản kháng, công suất biểu kiến.



Điện áp: từ hài cơ bản đến hài 20.



Dòng điện: từ hài cơ bản đến hài 20.



Tổng méo hài điện áp: THDV(%).



Tổng méo hài dòng điện: THDI(%).



Tần số (Hz).



Hệ số công suất PF, cosφ.
Điều khiển:

o


Số bước bù từ 0 12 bước.

Chuyên ngành đo lường và các hệ thống điều khiển

12

Báo cáo luận văn cao học:
“Nghiên cứu thiết kế bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”


o

Hệ số công suất đặt có thể thay đổi theo cài đặt của người sử dụng.
Cho phép truyền số liệu về máy tính.

1.3 Phương pháp nghiên cứu
-

Nghiên cứu, tìm hiểu các vấn đề liên quan đến sóng hài bậc cao, hệ số
công suất khi có tính ảnh hưởng của các sóng hài thông qua các tạp chí và
công trình nghiên cứu đã công bố.

-

Tìm hiểu, tham khảo một số sản phẩm của các hãng lớn trên thế giới như
dòng sản phẩm RVT của ABB, Ducati của Ý, Mikro của Malaysia, Shizuki
của Nhật, … trên cơ sở đó xây dựng các tính năng cần có cho bài toán của
luận văn.

-

Về giải pháp kĩ thuật: Việc lựa chọn các linh kiện cho bài toán là những
loại có phẩm chất tốt, bộ điều khiển trung tâm được lựa chọn trên cơ sở hệ
vi điều khiển mạnh với các tài nguyên phù hợp với yêu cầu của bài toán.

1.4 Nội dung nghiên cứu
- Khảo sát các thiết bị điều chỉnh hệ số công suất hiện nay.
- Tìm hiểu các vấn đề lý thuyết về hệ số công suất.
- Nghiên cứu và xây dựng thuật toán tính toán hệ số công suất trên cơ sở
phân tích hài dòng điện, điện áp, xây dựng thuật toán điều chỉnh tự động hệ
số công suất.
- Thiết kế sơ đồ nguyên lý làm việc của thiết bị, chế tạo các module phần
cứng.
- Xây dựng phần mềm cho thiết bị.
- Thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, đánh giá, hoàn thiện sản phẩm.

Chuyên ngành đo lường và các hệ thống điều khiển

13


Báo cáo luận văn cao học:
“Nghiên cứu thiết kế bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

Chương 2: NỘI DUNG THỰC HIỆN
2.1

Tổng quan về hệ số công suất

2.1.1 Các khái niệm về hệ số công suất
Trong các hệ thống phân phối và tiêu thụ điện có thể chia thành 3 loại tải cơ
bản bao gồm: Tải thuần trở, tải cảm và tải dung. Trong các hệ thống hiện đại, phần
đa là các tải dạng cảm như máy biến áp, các động cơ cảm ứng,... Một đặc điểm
chung của các loại tải này là chúng sử dụng các cuộn dây để hoạt động. Các cuộn
dây này tạo ra điện từ trường để các tải này làm việc và nó đòi hỏi năng lượng nhất

định để duy trì điện từ trường. Như vậy các tải cảm này sử dụng hai loại công suất
để làm việc:
- Công suất tác dụng (kW) – Công suất tiêu thụ thật (để sinh công).
- Công suất phản kháng (kVAR) – Dùng để duy trì điện từ trường.
Tổng của hai loại công suất trên là công suất biểu kiến (kVA).

Hình 2.1: Các loại công suất tải tiêu thụ
Trong trường hợp là sóng sine thuần túy, tỉ lệ giữa công suất tác dụng và
công suất biểu kiến được gọi là hệ số công suất (Power Factor – PF) và nó chính là
cosine của góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp sóng sine. Chính vì thế mà một
số tài liệu người ta gọi luôn hệ số công suất là cos  . Hệ số công suất không có đơn
vị riêng, giá trị của nó được thể hiện từ 0 đến 1 và có thể được diễn tả như một tỉ lệ
phần trăm như PF  50% . Công thức tính hệ số công suất được mô tả theo (2 – 1).

Chuyên ngành đo lường và các hệ thống điều khiển

14


Báo cáo luận văn cao học:
“Nghiên cứu thiết kế bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

=
Trong đó:

=

=

(

).

(

(2 − 1)

)

P là công suất tác dụng.
S là công suất biểu kiến.

Hình 2.2: Giản đồ vector công suất
Tuy nhiên, khi điện áp nguồn cung cấp và dòng tiêu thụ không duy trì dạng
hài cơ bản hình sine và có chứa các hài bậc cao, quan niệm truyền thống về hệ số
công suất áp dụng cho dạng dòng và áp hình sine không còn phù hợp, đặc biệt trong
tính toán, thiết kế, xây dựng các hệ thống bù công suất, thiết bị lọc nhiễu hài. Do đó
theo [3], [4] người ta đưa ra công thức mở rộng để tính hệ số công suất:
=

√1 +

(2 − 2)

. √1 +

Trong đó: THDV và THDI là tổng độ méo hài áp và dòng được tính theo
công thức (2 – 3) và (2 – 4).
∑∞
(2 − 3)

=
∑∞
=

(2 − 4)

Với: V1 và I1 là hài cơ bản của điện áp và dòng điện.
Vn và In là hài bậc n của của điện áp và dòng điện.
Chuyên ngành đo lường và các hệ thống điều khiển

15


Báo cáo luận văn cao học:
“Nghiên cứu thiết kế bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

Trong trường hợp dòng điện là sóng sine thuần túy, dòng điện không chứa các hài
bậc cao tức Un = I n  0 và do đó PF  cos  .
2.1.2 Tầm quan trọng của việc nâng cao hệ số công suất
Hệ số công suất thấp đồng nghĩa với hiệu suất sử dụng điện năng thấp. Việc
nâng cao hệ số công suất mang lại những hiệu quả về kinh tế và tối ưu hóa về kĩ
thuật:
-

Tiết kiệm điện: Trong hoạt động sản xuất kinh doanh, theo qui định
việc tiêu thụ công suất phản kháng lớn hơn định mức sẽ phải đóng
tiền phạt. Việc nâng cao hệ số công suất nhằm giảm công suất phản
kháng tiêu thụ từ lưới.

-

Tối ưu hóa về kỹ thuật:
o Hệ số công suất lớn sẽ giảm tổn thất nhiệt trên máy biến áp,
các thiết bị phân phối và truyền tải điện, nâng cao tuổi thọ các
thiết bị.
o Cải thiện hệ số công suất cho phép người sử dụng máy biến áp,
thiết bị đóng cắt và đường cáp truyền tải nhỏ hơn.
o Hệ số công suất cao giúp ổn định mức điện áp.
o Hạn chế nhiễu lên các thiết bị truyền tin và viễn thông.

Hình 2.3 chỉ ra mối quan hệ giữa dòng điện và hệ số công suất. Xét trên hai
hệ thống truyền tải có cùng công suất thật thì hệ thống nào có hệ số công suất thấp
hơn thì sẽ có dòng điện lớn hơn vì phần năng lượng phản kháng bị trả lại nguồn lớn
hơn, tạo ra nhiều thất thoát năng lượng và làm giảm hiệu năng truyền tải, làm tăng
kích thước dây điện truyền dẫn. Hệ quả là nó còn có một công suất biểu kiến cao
hơn với cùng một công suất thực được truyền tải.
Có thể hiểu một cách đơn giản như sau: để có được 1kW công suất tiêu thụ
thực trong điều kiện hệ số công suất là tối ưu nhất với giá trị bằng 1, thì cần phải có
1kVA công suất biểu kiến được truyền đi. Nhưng trong điều kiện hệ số công suất
thấp, chẳng hạn 0.5, thì cần phải có 2kVA công suất biểu kiến được truyền đi.

Chuyên ngành đo lường và các hệ thống điều khiển

16


Báo cáo luận văn cao học:
“Nghiên cứu thiết kế bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

Hình 2.3: Mối quan hệ giữa PF và tổng dòng tiêu thụ
Tại sao phải quan tâm tới việc này? Mặc dù công suất phản kháng thật sự
không sinh ra công nhưng khi nó tồn tại sẽ làm cho các dây dẫn nóng hơn. Vì phải
cung cấp cả công suất tổng bao gồm dòng có ích và dòng “vô công” nên nguồn điện
(máy phát điện, máy biến thế,…) cũng như hệ thống dây truyền tải tới phụ tải phải
được thiết kế với kích thước dây lớn hơn để có thể chịu được.
Cũng chính vì lý do đó với giá trị đầu tư cho thiết bị và đường truyền cao nên
giá điện dành cho các khu vực công nghiệp và thương mại có giá cao hơn so với
khách hàng cá nhân (khách hàng cá nhân là nơi có nhiều thiết bị sử dụng điện có hệ
số công suất cao hơn các khu vực công nghiệp). Nhà phân phối điện ngoài việc tăng
giá điện với các khách hàng lớn, họ còn kiểm soát công suất phản kháng bằng các
thiết bị đo chuyên dụng nhằm hỗ trợ khách hàng tìm các biện pháp làm gia tăng hệ
số công suất, đồng thời phạt những khách hàng nào để hệ số công suất thấp hơn tiêu
chuẩn.
2.1.3 Các phương pháp nâng cao hệ số công suất
Việc nâng cao hệ số công suất có thể thực hiện một cách đơn giản là sử dụng
các thiết bị bù công suất phản kháng. Đây là thiết bị cung cấp công suất phản kháng
tương ứng và đối nghịch lại với công suất phản kháng tiêu thụ của tải. Xét trong
lưới điện hạ áp, việc bù công suất phản kháng có thể thực hiện theo hai phương
pháp:

Chuyên ngành đo lường và các hệ thống điều khiển

17


Báo cáo luận văn cao học:
“Nghiên cứu thiết kế bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

-

Dùng thiết bị bù có dung lượng cố định (bù nền): Thiết bị bù có thể mắc
trực tiếp vào tải và cấp điện cho thiết bị bù được thực hiện đồng thời khi
cấp điện cho tải. Phương pháp này đơn giản nhưng chỉ sử dụng trong
trường hợp tải không đổi.

-

Dùng các thiết bị điều chỉnh tự động: Cho phép điều chỉnh liên tục công
suất phản kháng theo yêu cầu khi tải thay đổi, giữ cho hệ số công suất trong
giới hạn cho phép. Phương pháp này linh hoạt hơn so với bù nền và thường
sử dụng trong trường hợp công suất phản kháng thay đổi trong phạm vi
rộng.

Xét trên phương diện tải sử dụng có thể phân thành hai phương pháp cơ bản:
-

Phương pháp điều chỉnh hệ số công suất tuyến tính: Phương pháp này áp
dụng cho các loại tải tiêu thụ trực tiếp lưới điện. Việc điều chỉnh có thể đạt
được bằng việc thêm vào hoặc bớt ra các cuộn dây hoặc tụ điện có dung
lượng cố định (phương pháp bù SVC) hoặc sử dụng các linh kiện điện tử
công suất điều khiển việc thu/phát công suất phản kháng vào lưới (phương
pháp bù STATCOM).

-

Phương pháp điều chỉnh hệ số công suất phi tuyến: Phương pháp này
thường sử dụng cho các tải phi tuyến – dạng tải không sử dụng trực tiếp
lưới điện xoay chiều (như chỉnh lưu, nghịch lưu, …) hoặc tải sử dụng năng
lượng gián đoạn (như máy hàn). Các thiết bị này trong quá trình tiêu thụ

năng lượng còn tạo ra các dạng sóng hài chèn vào tần số điện lưới. Các
thành phần linh kiện tuyến tính như cuộn dây và tụ điện không thể loại bỏ
được các dải tần số mới được tạo ra này, vì vậy nó phải dùng các bộ lọc hay
bộ điều chỉnh hệ số công suất có thể làm phẳng dòng điện ra trên mỗi chu
kỳ nhằm giảm sóng hài (các bộ lọc tích cực hoặc thụ động).
Các mục 2.1.3.1 – 2.1.3.4 trình bày các phương pháp cơ bản để nâng cao hệ số

công suất.

Chuyên ngành đo lường và các hệ thống điều khiển

18


Báo cáo luận văn cao học:
“Nghiên cứu thiết kế bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

2.1.3.1

Phương pháp dùng bộ lọc thụ động (Passive Power Filter)
Phương pháp này sử dụng bộ lọc chỉ cho dòng điện có tần số bằng với tần số

điện lưới (50Hz hoặc 60Hz) đi qua và chặn đối với các tần số sóng hài. Đây là
phương pháp đơn giản, có giá thành rẻ, tuy nhiên kém linh động. Đối với bộ lọc RC
khả năng chọn lọc tần số kém, tổn hao trên điện trở càng lớn khi công suất càng lớn.
Bộ lọc LC cho khả năng lọc tốt hơn nhưng giá thành đắt, phát sinh nhiễu điện từ
trong quá trình vận hành.
2.1.3.2

Phương pháp dùng các bộ lọc tích cực (Active Power Filter)

Trong vài năm gần đây, với sự phát triển vượt bậc của công nghệ bán dẫn và

vi mạch số, trên thế giới có xu hướng nghiên cứu và phát triển phương pháp lọc mới
với tên gọi là lọc tích cực. Nguyên lý cơ bản của phương pháp này là bơm dòng bù
bằng tổng sóng điều hòa bậc cao nhưng ngược pha nhằm triệt tiêu sóng điều hòa
bậc cao trên phía nguồn. Phương pháp này đáp ứng hai mục tiêu cơ bản là bù sóng
điều hòa bậc cao và bù công suất phản kháng. Việc bơm dòng bù vào lưới được
thực hiện hiện thông qua việc đóng cắt các linh kiện bán dẫn công suất (IGBT). Đây
là một phương pháp mới, hiện đại, rất mềm dẻo trong cấu hình phần cứng lẫn phần
mềm phù hợp với từng loại tải và điện áp nguồn cấp khác nhau, không những đáp
ứng được yêu cầu nâng cao được hệ số công suất mà còn nâng cao được chất lượng
điện năng sử dụng. Tuy nhiên đây là phương pháp mới, có độ phức tạp cao và giá
thành đắt đỏ nên chưa được ứng dụng phổ biến.
Dòng cung cấp

Dòng tải

Dòng lọc

Hình 2.4: Nguyên lý của bộ lọc tích cực
Chuyên ngành đo lường và các hệ thống điều khiển

19


Báo cáo luận văn cao học:
“Nghiên cứu thiết kế bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

Hình 2.4 mô tả nguyên lý cơ bản của bộ lọc tích cực dạng song song. Dòng
tải tiêu thụ iL có thể phân tích thành hai thành phần bao gồm thành phần cơ bản iF

và thành phần sóng hài iH theo công thức (2 – 5).
=

+

(2 − 5)

Bộ lọc tích cực có nhiệm vụ tính toán và điều khiển sao cho dòng do nó bơm lên
đường dây iC phải thỏa mãn:
=−

(2 − 6)

Khi đó dòng trên đường dây sẽ là:
=

+

=

+

−

=

(2 − 7)

Như vậy dòng trên đường dây chỉ chứa thành phần cơ bản, các thành phần
sóng hài bậc cao được bộ lọc loại bỏ. Nếu nhìn từ phía tải bộ lọc AF tương đương

với một trở kháng song song có thể thay đổi với trở kháng bằng không, hoặc rất nhỏ
so với các sóng điều hòa và bằng vô cùng lớn với thành phần cơ bản.
2.1.3.3

Phương pháp dùng thiết bị bù đồng bộ STATCOM
STATCOM là một thiết bị bù ngang, bù tức thời công suất phản kháng vào

lưới (còn gọi là bù đồng bộ), nó bao gồm một bộ nghịch lưu nguồn áp được kết nối
với lưới điện thông qua máy biến áp. Hình 2.5 mô tả sơ đồ nguyên lý cơ bản của
STATCOM.

Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý của STATCOM

Chuyên ngành đo lường và các hệ thống điều khiển

20


Báo cáo luận văn cao học:
“Nghiên cứu thiết kế bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

Nguyên lý hoạt động của STATCOM có thể mô tả như sau: Bằng cách
khống chế điện áp của STATCOM cùng pha với điện áp lưới nhưng có biên độ lớn
hơn hoặc nhỏ hơn mà phát hoặc thu công suất phản kháng. Hình 2.6 mô tả nguyên
lý hoạt động cơ bản của STATCOM. Khi điện áp trên STATCOM nhỏ hơn điện áp
lưới, sẽ xuất hiện dòng điện đi từ lưới vào thiết bị STATCOM. Do đó STATCOM
đóng vai trò như tải tiêu thụ công suất phản kháng. Ngược lại khi điện áp trên
STATCOM nhỏ hơn điện áp lưới, sẽ xuất hiện dòng điện đi từ thiết bị STATCOM
vào lưới. Lúc này STATCOM đóng vai trò như nguồn phát công suất phản kháng
vào lưới [8].

Hình 2.6: Nguyên lý thu phát công suất phản kháng của STATCOM
Cũng như phương pháp lọc tích cực, STATCOM cũng là phương pháp mới, độ
phức tạp cao, có giá thành đắt đỏ.
2.1.3.4

Phương pháp dùng thiết bị bù tĩnh SVC (Static Var Compensator)
So với STATCOM, SVC cũng là một thiết bị bù ngang, điểm khác biệt cơ

bản là trong khi STATCOM là thiết bị bù tức thời thì SVC là thiết bị bù tĩnh, nó bao
gồm hệ thống các tụ điện có dung lượng cố định và các cuộn cảm được điều khiển
đóng cắt bởi các contactor đối với mạng lưới hạ áp hoặc đóng cắt bởi các Thyristor
(mạng cao áp hoặc công suất lớn). Sơ đồ nguyên lý cơ bản của SVC được mô tả
trên hình 2.7.

Chuyên ngành đo lường và các hệ thống điều khiển

21


Báo cáo luận văn cao học:
“Nghiên cứu thiết kế bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý của SVC
Căn cứ vào công suất phản kháng tính được, bộ điều khiển sẽ đóng hoặc cắt
tụ hoặc cuộn cảm vào lưới điện. Cụ thể: khi phát hiện có sự thiếu hụt công suất
phản kháng, SVC sẽ đóng các tụ bù vào lưới điện để phát công suất phản kháng vào
lưới, còn khi phát hiện có sự dư thừa công suất phản kháng trên lưới, SVC sẽ đóng
các cuộn cảm để tiêu thụ công suất phản kháng. Có thể thấy SVC là một thiết bị bù
tĩnh, trong đó các tụ đóng vai trò là các nguồn phát công suất phản kháng, còn các

cuộn dây đóng vai trò là nguồn tiêu thụ công suất phản kháng.
2.1.4 Lựa chọn phương pháp cho bài toán của luận văn
Nếu so sánh với STATCOM thì SVC không ưu việt bằng. Rõ ràng
STATCOM là sự hoàn thiện của SVC, ngoài sự nhỏ gọn thì STATCOM bù linh
hoạt hơn. Tuy nhiên như đã được đề cập, phương pháp bù STATCOM là phương
pháp mới, độ phức tạp cao, có giá thành đắt đỏ, và thường ứng dụng trong các hệ
thống đòi hỏi khả năng đáp ứng bù công suất phản kháng nhanh (các hệ thống
truyền tải điện, hệ thống máy phát hỗn hợp như điện gió – Diezel, …). SVC tuy đáp
ứng chậm nhưng lại có giá thành rẻ hơn rất nhiều. Chính vì thế phương pháp này
được sử dụng rộng rãi trong các cơ sở sản xuất công nghiệp. Hiện nay trong các hệ
thống sản xuất, phần đa các tải mang tính cảm kháng như máy biến áp, các động cơ
cảm ứng, … do đó người ta chỉ cần sử dụng các tụ bù để nâng cao hệ số công suất.
Do đó, đối với bài toán của luận văn, để nâng cao hệ số công suất, tác giả chọn
phương pháp dùng các thiết bị bù tĩnh SVC, cụ thể là sử dụng các tụ bù được
điều khiển đóng cắt thông qua bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất. Như chỉ ra
Chuyên ngành đo lường và các hệ thống điều khiển

22


Báo cáo luận văn cao học:
“Nghiên cứu thiết kế bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

ở hình 2.8, các tụ bù làm việc như một nguồn phát công suất phản kháng. Thay vì
phải sử dụng công suất phản kháng từ lưới, các thiết bị công nghiệp sẽ sử dụng
công suất phản kháng lấy từ tụ và do đó tổng công suất cung cấp cho các thiết bị sẽ
giảm.

Hình 2.8: Mắc thêm tụ bù nâng cao PF

Chuyên ngành đo lường và các hệ thống điều khiển

23


Báo cáo luận văn cao học:
“Nghiên cứu thiết kế bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

2.2

Thiết kế phần cứng

2.2.1 Thiết kế tổng thể
Như đã trình bày trong chương 1, nhiệm vụ cơ bản của bộ điều chỉnh tự động
hệ số công suất (PFC) có thể chia thành hai phần cơ bản là phân tích chất lượng
điện năng và phần điều khiển đóng/ cắt tụ để đạt được hệ số công suất theo yêu cầu.
Phân tích chất lượng điện là quá trình thu thập, phân tích, xử lý tín hiệu thô thành
các thông tin có ích. Quá trình thu thập dữ liệu được thực hiện bằng cách đo lường
liên tục điện áp và dòng điện. Nhờ những tiến bộ trong lĩnh vực xử lý tín hiệu số,
quá trình phân tích và xử lí tín hiệu được thực hiện nhờ các chip chuyên dụng với
khả năng tính toán nhanh. Tín hiệu sau khi được xử lý sẽ là cơ sở cho việc điều
khiển và hiển thị.
Trên cơ sở đó, tác giả thiết kế sơ đồ khối thiết bị như trên hình 2.9, bao gồm
ba Module cơ bản:
-

Module đo lường và điều khiển bao gồm:
o

Khối xử lý đầu vào làm nhiệm vụ cách ly phần điện áp cao với

mạch điện tử, định mức điện áp phù hợp với các khối xử lý phía
sau, tạo bộ lọc anti aliasing.

o

Bộ biến đổi tương tự sang số tạo ra các tín hiệu dạng số từ tín hiệu
tương tự để đưa vào bộ xử lý trung tâm.

o

Bộ xử lý trung tâm được xây dựng trên chip có cấu hình mạnh để
thực hiện được các thuật toán phân tích và xử lý số.

o
-

Khối Relay đóng cắt các tụ bù.

Module giao tiếp người dùng thực hiện các chức năng
o

Hiển thị các thông số lên màn hình LCD: dòng điện, điện áp, các
hài dòng điện, hài điện áp, độ méo hài tổng, tần số, công suất, hệ số
công suất,…

-

o

Cài đặt các thông số.

o

Cảnh báo lỗi, thông báo trạng thái làm việc,…

o

Thực hiện chức năng truyền thông.

Module quản lý giám sát trên máy tính

Chuyên ngành đo lường và các hệ thống điều khiển

24


Báo cáo luận văn cao học:
“Nghiên cứu thiết kế bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

o

Giám sát và cảnh báo.

o

Giao tiếp với cơ sở dữ liệu.

o

Truyền thông với bộ PFC.

Hình 2.9: Sơ đồ khối bộ PFC

Chuyên ngành đo lường và các hệ thống điều khiển

25