Nghiên cứu bộ điều khiển, bộ lọc tích cực xoay chiều ba pha bốn dây

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI


NGUYỄN NGỌC HẢI

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN BỘ LỌC TÍCH
CỰC XOAY CHIỀU BA PHA BỐN DÂY

Chuyên Ngành : ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
TS. LƯU HỒNG VIỆT

Hà Nội - 2009


Mục lục
---------------------------------------------------------------------------------------------

Mục Lục
Danh mục các bảng.................................................................................................................i
Danh mục các hình vẽ............................................................................................................ii
Lời mở đầu.............................................................................................................................1
Chương 1: Mạch lọc tích cực.................................................................................................4
1.1. Đặt vấn đề ............................................................................................................................... 4
1.2. Phân loại bộ lọc tích cực. ........................................................................................................ 4
1.3. Bộ lọc tích cực song song ....................................................................................................... 6
1.4. Tải phi tuyến ........................................................................................................................... 8

1.4.1. Khái niệm tải phi tuyến .................................................................................................... 8
1.4.2. Ảnh hưởng của tải phi tuyến ............................................................................................ 9
1.5. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều bốn dây ................................................................................15
1.5.1. Sơ đồ nguyên lý ..............................................................................................................15
1.5.2. Nguyên lý hoạt động .......................................................................................................17
1.6. Kết luận ..................................................................................................................................19

Chương 2: Điều chế vectơ không gian ................................................................................20
2.1. Điều chế vectơ không gian ba chiều ......................................................................................20
2.1.1. Vectơ không gian ba chiều..............................................................................................20
2.1.2. Tổng hợp vectơ chuẩn trong hệ tọa độ αβγ .....................................................................23
2.2. Thuật toán điều chế vectơ không gian cho bộ biến đổi bốn dây ............................................29
2.2.1. Đặt vấn đề .......................................................................................................................29
2.2.2. Tổng quan về phương pháp điều chế vectơ điện áp cho bộ biến đổi bốn dây ................31
2.2.3. Thuật toán điều chế vectơ không gian cho bộ biến đổi bốn dây .....................................34
2.3. Kết luận ..................................................................................................................................38

Chương 3: Cấu trúc điều khiển mạch lọc tích cực ba pha bốn dây .....................................40
3.1. Đặt vấn đề. .............................................................................................................................40
3.2. Cơ sở lý thuyết p-q.................................................................................................................40
3.2.1. Phép biến đổi Clarke. ..........................................................................................................40


Mục lục
--------------------------------------------------------------------------------------------3.2.2. Công suất tức thời trong hệ tọa độ p-q................................................................................41
3.3. Tính toán dòng bù trong hệ thống ba pha bốn dây.................................................................42
3.3.1. Lý thuyết p-q trong hệ thống ba pha bốn dây. ....................................................................42
3.3.2. xác định dòng bù cho hệ thống bốn dây..............................................................................44
3.3.3. Sơ đồ khối của khối bù dòng điện......................................................................................45
3.4. Điều khiển tựa theo điện áp (VOC) .......................................................................................46

3.5. Kết luận ..................................................................................................................................50

Chương 4: Mô phỏng hệ thống............................................................................................51
4.1. Xây dựng mô hình chỉnh lưu bốn dây trong Matlab\Simulink\PLECS .................................51
4.1.1. Mô hình mạch lực ...........................................................................................................51
4.1.2. Mô hình khối điều chế vectơ không gian ba chiều..........................................................53
4.1.3. Các bộ điều chỉnh điện áp và dòng điện..........................................................................53
4.1.4. Bộ bù công suất...............................................................................................................54
4.1.5. Khâu tính góc lệch pha....................................................................................................54
4.1.6. Mô hình khối điều chế vectơ không gian ba chiều..........................................................55
4.2. Kết quả mô phỏng với mô hình là chỉnh lưu ba pha bốn dây ................................................56
4.2.1. Trường hợp nguồn điện lưới cân bằng............................................................................56
4.2.2. Trường hợp nguồn điện lưới không cân bằng .................................................................61
4.3. Kết quả mô phỏng với mô hình là mạch lọc tích cực ba pha bốn dây. ..................................66
4.3.1. Trường hợp nguồn điện lưới cân bằng............................................................................66
4.3.2. Trường hợp nguồn điện lưới không cân bằng. ................................................................73

Tài liệu tham khảo ...............................................................................................................83


Danh mục các bảng
i
----------------------------------------------------------------------------------------------

Danh mục các bảng
Bảng

Nội dung

Trang

1.1

So sánh của tỷ lệ giữa độ lớn thành phần cơ bản

13

và những sóng hài bậc cao
2.1

Bảng chuyển mạch và điện áp tương ứng

22

2.2

Bảng chuyển mạch và điện áp tương ứng trong hệ tọa

23

độ αβγ
2.3

Vectơ chuyển mạch khác không tương ứng là V1, V2

27

và V3
2.4

Ma trận cần cho việc tính toán những tỉ số điều biến

28

2.5

Bảng vectơ chuẩn và điện áp tương ứng trong hệ tọa

32

độ cố định αβγ
2.6

Sự bố trí của các tứ diện trong lăng trụ

33

2.7

Bảng liệt kê ma trận A(3x3) phục vụ việc tính toán các

36

tỷ số điều biến d1, d2, d3


Danh mục các hình vẽ
ii
----------------------------------------------------------------------------------------------

Danh mục các hình vẽ
Hình vẽ

Nội dung

Trang

1.1

Các sơ đồ bộ lọc tích cực với PWM-VSL

5

1.2

Sơ đồ mạch lọc tích cực ba pha ba dây

6

1.3

Sơ đồ mạch lọc tích cực ba pha ba dây

7

1.4

Sơ đồ và dòng pha A của Chỉnh lưu điôt ba pha không

10

có bộ lọc một chiều
1.5

Sơ đồ và dòng pha A của chỉnh lưu điôt ba pha có tụ

11

lọc một chiều
1.6

Sơ đồ và dòng pha A của chỉnh lưu điôt ba pha với bộ

12

lọc L/C một chiều
1.7

Ba chỉnh lưu điôt một pha có tụ lọc

13

1.8

Dạng sóng của ba chỉnh lưu điôt một pha có tụ lọc

14

1.9

Sơ đồ nghịch lưu áp bốn dây

16

1.10

Sơ đồ lọc tích cực bốn dây

16

1.11

Sơ đồ chuyển mạch của bộ biến đổi bốn dây

17

1.12

Đặc tính chuyển mạch van

17

1.13

Sơ đồ chuyển mạch bốn dây

18

2.1

Mười sáu khả năng chuyển mạch

22

2.2

Chọn lọc vectơ chuyển mạch kế tiếp,bước một: xác

25

định lăng kính
2.3

Chọn lọc của vectơ chuyển mạch kế tiếp, bước hai:

26

xác định tứ diện – ví dụ cho trường hợp vectơ chuẩn
trong lăng kính I
2.4

Sơ đồ biến tần bốn dây

30

2.5

Sơ đồ chỉnh lưu bốn dây

31

2.6

Vị trí 16 vectơ chuẩn trong không gian

32


Danh mục các hình vẽ
iii
---------------------------------------------------------------------------------------------2.7
Lưu đồ thuật toán xác định lăng trụ chứa vectơ V
35
2.8

Biểu đồ xung mở van thuộc tứ diện 14

38

2.9

Sơ đồ khâu điều chế vectơ không gian ba chiều

38

3.1

Ý nghĩa vật lý của công suất tức thời trên hệ tọa độ

43

αβ 0

3.2

Miêu tả khối điều khiển chức năng cho bộ lọc tích cực

45

ba pha
3.3

sơ đồ cấu trúc VOC điều khiển cho mạch lọc tích cực

47

ba pha bốn dây
3.4

Mô hình mạch tín hiệu trung bình lớn của một chỉnh

48

lưu bốn dây trong hệ tọa độ dq0
3.5

Điều khiển ba kênh trong mạch lọc tích cực bap ha

49

bốn dây.
4.1

Mạch lực của mạch lọc tích cực ba pha bốn dây

51

4.2

Mô hình chỉnh mạch lọc tích cực ba pha bốn dây trên

52

Simulink\Plecs
4.3

Khối điều chế vectơ không gian ba chiều

53

4.4

Bộ điều khiển điện áp

53

4.5

Bộ điều khiển dòng điện

54

4.6

Bộ bù công suất

54

4.7

Sơ đồ tính góc lệch pha

55

4.8

Mô hình toàn bộ hệ thống trên Simulink\Plecs

55

4.9

Dòng điện is_d, is_q, is_0

56

4.10

Dòng điện isa, isb, isc

57

4.11

Điện áp đầu ra Vdc

57

4.12

Dòng điện tải đặt iload_ref

58

4.13

Dòng điện is_d, is_q, is_0

59

4.14

Dòng điện isa, isb, isc

59


Danh mục các hình vẽ
iv
---------------------------------------------------------------------------------------------60

4.15
Đáp ứng của bộ điều khiển điện áp Vdc
4.16

Điện áp lưới Va, Vb và Vc khi nguồn không cân bằng

61

4.17

Dòng điện is_d, is_q, is_0

62

4.18

Dòng điện isa, isb, isc

62

4.19

Điện áp đầu ra Vdc

63

4.20

Dòng điện tải đặt iload_ref

64

4.21

Dòng điện is_d, is_q, is_0

64

4.22

Dòng điện isa, isb, isc

65

4.23

Điện áp đầu ra Vdc

65

4.24

dòng điện is, iL, ic

66

4.25

Điện áp đầu ra Vdc

67

4.26

dòng điện is, iL, ic

68

4.27

Điện áp đầu ra Vdc

68

4.28

dòng điện is, iL, ic

69

4.29

Điện áp đầu ra Vdc

70

4.30

dòng điện tải đặt

71

4.31

dòng điện is, iL, ic

71

4.32

Điện áp đầu ra Vdc

72

4.33

dòng điện isa, ica, iLa

73

4.34

dòng điện isb, icb, iLb

73

4.35

dòng điện isc, icc, iLc

74

4.36

Điện áp đầu ra Vdc

74

4.37

dòng điện isa, ica, iLa

75

4.38

dòng điện isb, icb, iLb

76

4.39

dòng điện isc, icc, iLc

76

4.40

Điện áp đầu ra Vdc

77

4.41

dòng điện isa, ica, iLa

78

4.42

dòng điện isb, icb, iLb

78


Danh mục các hình vẽ
v
---------------------------------------------------------------------------------------------79
4.43
dòng điện isc, icc, iLc
4.44

Điện áp đầu ra Vdc

79

Hình vẽ

Nội dung

Trang

1.1

Các sơ đồ bộ lọc tích cực với PWM-VSL

5

1.2

Bốn khả năng có thể nối giữa nguồn và tải

7

1.3

Sơ đồ và dòng pha A của Chỉnh lưu điôt ba pha không

10

có bộ lọc một chiều
1.4

Sơ đồ và dòng pha A của chỉnh lưu điôt ba pha có tụ

11

lọc một chiều
1.5

Sơ đồ và dòng pha A của chỉnh lưu điôt ba pha với bộ

12

lọc L/C một chiều
1.6

Ba chỉnh lưu điôt một pha có tụ lọc

14

1.7

Dạng sóng của ba chỉnh lưu điôt một pha có tụ lọc

14

1.8

Dòng trong trường hợp tải phi tuyến có mô hình giống

16

nguồn dòng điều hòa
1.9

Điện áp trong trường hợp tải phi tuyến có mô hình

17

giống nguồn áp điều hòa
2.1

Sơ đồ nghịch lưu áp bốn dây

19

2.2

Sơ đồ lọc tích cực bốn dây

19

2.3

Sơ đồ chuyển mạch của bộ biến đổi bốn dây

20

2.4

Đặc tính chuyển mạch van

20

2.5

Sơ đồ chuyển mạch bốn dây

22

2.6

Sơ đồ nghịch lưu bốn dây

23

2.7

Sơ đồ chỉnh lưu bốn dây

24

2.8

Mô hình mạch tín hiệu trung bình lớn của một nghịch

28

lưu bốn dây trong hệ tọa độ quay dq0
2.9

Mô hình mạch tín hiệu trung bình nhỏ của một nghịch
lưu bốn dây trong hệ tọa độ quay dq0

29


Danh mục các hình vẽ
vi

---------------------------------------------------------------------------------------------2.10
Mô hình mạch tín hiệu trung bình lớn của một chỉnh
30
lưu bốn dây trong hệ tọa độ dq0
2.11

Mô hình mạch tín hiệu trung bình nhỏ của một chỉnh

30

lưu bốn dây trong hệ tọa độ quay dq0
3.1

Mười sáu khả năng chuyển mạch

34

3.2

Chọn lọc vectơ chuyển mạch kế tiếp,bước một: xác

37

định lăng kính
3.3

Chọn lọc của vectơ chuyển mạch kế tiếp, bước hai: xác

38

định tứ diện – ví dụ cho trường hợp vectơ chuẩn trong
lăng kính I
3.4

Sơ đồ biến tần bốn dây

42

3.5

Sơ đồ chỉnh lưu bốn dây

43

3.6

Vị trí 16 vectơ chuẩn trong không gian

44

3.7

Lưu đồ thuật toán xác định lăng trụ chứa vectơ V

47

3.8

Vectơ V nằm trong tứ diện có 3 vectơ chuẩn V1, V2 và

48

V3
3.9

Biểu đồ xung mở van thuộc tứ diện 14

53

3.10

Sơ đồ khâu điều chế vectơ không gian ba chiều

53

4.1

Ý nghĩa vật lý của công suất tức thời trên hệ tọa độ

56

4.2

Mối quan hệ dòng chảy công suất trong hệ tọa độ

58

4.3

miêu tả khối điều khiển chức năng cho bộ lọc tích cực

60

ba pha
4.4

Khối tính toán dòng bù của mạch lọc tích cực ba pha

62

bốn dây
4.5

Bộ lọc tích cực song song sử dụng bộ biến đổi bốn dây

63

4.6

sơ đồ cấu trúc VOC điều khiển cho mạch lọc tích cực

64

ba pha bốn dây


Danh mục các hình vẽ
vii
---------------------------------------------------------------------------------------------4.7
Mô hình mạch tín hiệu trung bình lớn của một chỉnh

65
lưu bốn dây trong hệ tọa độ dq0
4.8

Điều khiển ba kênh trong mạch lọc tích cực bap ha bốn

66

dây.
5.1

Mạch lực của mạch lọc tích cực ba pha bốn dây

68

5.2

Mô hình chỉnh mạch lọc tích cực ba pha bốn dây trên

70

Simulink\Plecs
5.3

Khối điều chế vectơ không gian ba chiều

70

5.4

Bộ điều khiển điện áp

71

5.5

Bộ điều khiển dòng điện

71

5.6

Bộ bù công suất

72

5.7

Sơ đồ tính góc lệch pha

72

5.8

Mô hình toàn bộ hệ thống trên Simulink\Plecs

73

5.9

Dòng điện is_d, is_q, is_0

74

5.10

Dòng điện isa, isb, isc

74

5.11

Điện áp đầu ra Vdc

75

5.12

Dòng điện tải đặt iload_ref

76

5.13

Dòng điện is_d, is_q, is_0

76

5.14

Dòng điện isa, isb, isc

77

5.15

Đáp ứng của bộ điều khiển điện áp Vdc

77

5.16

Điện áp lưới Va, Vb và Vc khi nguồn không cân bằng

79

5.17

Dòng điện is_d, is_q, is_0

79

5.18

Dòng điện isa, isb, isc

80

5.19

Điện áp đầu ra Vdc

80

5.20

Dòng điện tải đặt iload_ref

81

5.21

Dòng điện is_d, is_q, is_0

82

5.22

Dòng điện isa, isb, isc

82

5.23

Điện áp đầu ra Vdc

83


Danh mục các hình vẽ

viii
---------------------------------------------------------------------------------------------84
5.24
dòng điện is, iL, ic
5.25

Điện áp đầu ra Vdc

84

5.26

dòng điện is, iL, ic

85

5.27

Điện áp đầu ra Vdc

86

5.28

dòng điện is, iL, ic

87

5.29

Điện áp đầu ra Vdc

87

5.30

dòng điện tải đặt

88

5.31

dòng điện is, iL, ic

89

5.32

Điện áp đầu ra Vdc

89

5.33

dòng điện isa, ica, iLa

90

5.34

dòng điện isb, icb, iLb

91

5.35

dòng điện isc, icc, iLc

91

5.36

Điện áp đầu ra Vdc

92

5.37

dòng điện isa, ica, iLa

93

5.38

dòng điện isb, icb, iLb

93

5.39

dòng điện isc, icc, iLc

94

5.40

Điện áp đầu ra Vdc

95

5.41

dòng điện isa, ica, iLa

95

5.42

dòng điện isb, icb, iLb

96

5.43

dòng điện isc, icc, iLc

96

5.44

Điện áp đầu ra Vdc

97


Lời mở đầu
1
----------------------------------------------------------------------------------------------

Lời mở đầu
Truyền động điện có nhiệm vụ thực hiện các công đoạn cuối của một
công nghệ sản xuất. Từ trước đến nay, các hệ truyền động luôn luôn được
quan tâm nghiên cứu, nâng cao chất lượng, đáp ứng yêu cầu ngày một cao của
công nghệ mới. Sự ra đời của các thiết bị điện tử công suất mới hoàn thiện
hơn đã góp phần cải thiện chất lượng các bộ biến đổi điện tử công suất trong
hệ truyền động điện rất nhiều, không những đáp ứng được độ tác động nhanh,
độ chính xác cao mà còn giảm kích thước giá thành hệ thống.
Hiện nay, bộ biến đổi xoay chiều ba pha đã và đang được sử dụng trong
các hệ thống công suất từ nhỏ đến lớn, từ vài trăm W đến vài MW với ưu
điểm là điều chỉnh động cơ dễ dàng, tiết kiệm năng lượng. Tuy nhiên với
truyền động nghịch lưu và chỉnh lưu dung chỉnh lưu điôt, thyristor còn tồn tại
nhiều nhược điểm như: song điều hòa bậc cao gây méo điện áp lưới, hệ số
công suất thấp, không có sự trao đổi giữa lưới và tải .
Trong các hệ thống, tải/nguồn không cân bằng và tải phi tuyến là
những trường hợp điển hình và phổ biến. Chúng có những ảnh hưởng không
tốt đến hoạt động bình thường của hệ thống. Vì vậy, việc điều khiển hệ thống
làm việc tốt trong điều kiện tải/nguồn không cân bằng hoặc tải phi tuyến trở
thành một vấn đề có ý nghĩa thực tế lớn cần được nghiên cứu.
Để nâng cao chất lượng hệ thống do tác động của tải phi tuyến, đã có
rât nhiều công trình nghiên cứu mạch lọc tích cực xoay chiều ba pha ba dây.

Chúng đều có đặc điểm chung là giả sử dòng điện trung tính bằng không.
Nguyên lý của chúng là điều chế độ rộng xung dựa trên việc tổng hợp các
vector chuẩn trong hệ tọa độ không gian hai chiều. Các phương pháp điều
khiển ngày càng hoàn thiện, mang lại hiệu quả cao đặc biệt là trong điều kiện
tải/nguồn cân bằng. Do đó, cùng với những bước tiến nhảy vọt của công nghệ
sản xuất van bán dẫn điện tử công suất, mạch lọc tích cực bap ha sử dụng bộ
biến đổi ba pha ba dây ngày càng được sử dụng phổ biến. Tuy nhiên trong


Lời mở đầu
2
---------------------------------------------------------------------------------------------trường hợp tải/nguồn không cân bằng hoặc tải phi tuyến do giả sử ban đầu sai
so với thực tế nên chất lượng điều khiển của phương pháp này không tốt. Vì
vậy, yêu cầu thực tế đặt ra là ta cần nghiên cứu phương pháp điều khiển mới
khắc phục những hạn chế như trên để phổ biến trong thực tế và sản xuất.
Xuất phát từ vấn đề thực tiễn đặt ra như trên, được sự đồng ý của
trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, Bộ Môn Điều Khiển Tự Động và giáo
viên hướng dẫn TS. Lưu Hồng Việt, tác giả đã chọn đề tài: “Nghiên cứu điều
khiển bộ lọc tích cực xoay chiều ba pha bốn dây”
Mục đích của đề tài: luận văn sẽ áp dụng lý thuyết điêu khiển hiện
đạivào hệ thống ba pha không cân bằng hoặc hệ thống có tải phi tuyến để
nâng cao chất lượng điều khiển của mạch lọc tích cực ba pha bốn dây.
Nguyên lý của chúng là điều khiển độ rộng xung dựa trên việc tổng hợp
vector chuẩn trong không gian ba chiều. Ngoài điều khiển dòng điện ba pha
như trong mạch lọc tích cực ba pha ba dây, nó còn có thêm khả năng điều
khiển dòng trung tính. Đây là một đề tài có ý nghĩa thực tế, nhằm nâng cao
chất lượng, hiệu quả của bộ lọc tích cực ba pha bốn dây .
Phương pháp nghiên cứu :
- Nghiên cứu lý thuyết để mô hình hóa và xây dựng thuật toán điều
khiển.

- Sử dụng phần mềm Matlab/Simulink/Plecs để mô phỏng và kiểm
nghiệm các kết quả nghiên cứu lý thuyết.
Nội dung của luận văn gồm năm chương với nội dung tóm tắt như sau :
Chương thứ nhất trình bày khái niệm tải/nguồn không cân bằng và tải phi
tuyến và phân tích những tác động của chúng tới hệ thống có chứa chúng.
Chương hai trình bày nguyên lý và mô hình của bộ biến đổi ba pha bốn dây,
làm cơ sở cho việc điều khiển được trình bày ở các chương sau.
Chương ba phân tích các vấn đề lien quan đến điều chế vector không gian ba
chiều. Đồng thời trình bày thuật toán điều chế vector không gian ba chiều, từ


Lời mở đầu
3
---------------------------------------------------------------------------------------------đó ta có thể thiết kế được khâu này trong mô phỏng cũng như trong thực
nghiệm.
Chương thứ tư trình bày phương pháp điều khiển bộ lọc tích cực xoay chiều
ba pha bốn dây. Chương này trình bày về việc tính toán dòng bù cho mạch lọc
tích cực, cấu trúc điều khiển tựa theo điện áp lưới được sử dụng. Các cấu trúc
điều hiển đã được trình bày ở chương này là cơ sở cho việc thiết kế hệ thống
trong mô phỏng và thực nghiệm.
Chương thứ năm mô phỏng cấu trúc của bộ lọc tích cực cho các trường hợp
tải cân bằng và không cân bằng với các dạng tải khác nhau.
Phần kết luận sẽ khái quát lại các kết quả đã đạt được trong quá trình nghiên
cứu, những tồn tại và hướng phát triển của đề tài.
Để đạt được kết quả này, tác giả đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của các
thầy cô và đông nghiệp. Tác giả vô cùng biết ơn sự hướng dẫn, chỉ bảo tận
tình và quý báu của Tiến sĩ Lưu Hồng Việt để tác giả hoàn thành luận văn
này. Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Điều Khiển Tự
Động Và Trung tâm Sau đại học trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã giúp
đỡ va tạo điều kiện cho tác giả trong suốt quá trình học tập tại trường.

Do trình độ bản than có hạn nên luận văn không thể tránh khỏi thiếu
sót. Tác giả cũng biết ơn trân trọng mọi ý kiến đánh giá và góp ý quý báu của
thầy cô và các đồng nghiệp để bản luận văn này được hoàn thiện hơn!
Hà Nội, ngày 10 tháng 11 năm 2009
Học Viên: Nguyễn Ngọc Hải


Chương 1: Mạch lọc tích cực
4
----------------------------------------------------------------------------------------------

Chương 1: Mạch lọc tích cực
1.1. Đặt vấn đề
Việc sử dụng rộng rãi các thiết bị điện tử công suất lớn tạo ra những
thách thức to lớn đối với chất lượng điện. Các phụ tải công nghiệp và sinh
hoạt sử dụng điện tử công suất tạo nên các sóng hài làm cho điện áp nguồn bị
méo gây ảnh hưởng xấu tới các thiết bị nhạy cảm với chất lượng điện. Để
khắc phục vấn đề này người ta chú ý đến các bộ lọc. Giải pháp sử dụng bộ lọc
thụ động LC tạo nên mạch cộng hưởng song song với tổng trở mạch lọc các
song hài, bù công suất phản kháng ở tần số cơ bản. Tuy nhiên giải pháp này
thiếu linh hoạt trong việc bù động các song hài tần số khác nhau. Cần có giải
pháp bù động và có điều chỉnh để giải quyết vấn đề này. Bộ lọc tích cực có
thể bù điều hòa dòng điện và điện áp, công suất phản kháng, điều chỉnh điện
áp đầu cuối, khắc phục dao động điện áp, cải thiện cân bằng điện áp trong
mạch ba pha. Ưu điểm cơ bản của bộ lọc tích cực là chúng thích ứng với sự
thay đổi của lưới và của tải. Chúng có thể bù một số điều hòa mà không làm
ảnh hưởng đến đặc tính của lưới.
1.2. Phân loại bộ lọc tích cực.
Công nghệ bộ lọc tích cực đã được phát triển trong khoảng hai mươi
năm gần đây và đã chín mùi. Các bộ lọc tích cực đều được phát triển cùng với

bộ nghịch lưu PWM nguồn dòng hoặc nguồn áp.
• Bộ nghịch lưu cầu PWM nguồn dòng có dòng điện không hình sin, có
điện kháng đảm bảo dẫn điện liên tục. Chúng hoạt động tin cậy nhưng
tổn hao lớn và đòi hỏi tụ lọc song song có giá trị lớn. Ngoài ra không
được sử dụng ở chế độ nhiều mức để cho phép bù với công suất định
mức lớn hơn.


Chương 1: Mạch lọc tích cực
5
---------------------------------------------------------------------------------------------• Bộ nghịch lưu nguồn áp thích hợp hơn với mục đích lọc bởi chúng nhỏ
và rẻ tiền hơn, mở rộng tới phương án nhiều mức, cải thiện tính năng
đối với việc bù công suất lớn và tần số chuyển mạch thấp.
Các bộ lọc tích cực được phân loại dựa trên kiểu bộ biến đổi, sơ đồ bố
trí, sơ đồ điều khiển và đặc tính bù. Phổ biến hơn cả là việc phân loại dựa trên
sơ đồ bố trí : nối tiếp, song song hoặc hỗn hợp. Sơ đồ hỗn hợp là sự phối hợp
giữa cả bù thụ động và tích cực. Hình 1.1.
is

is

iL

iL

ic

b

is

VAF

ic

a

VAF

iL

ic

c

Hình 1.1: Các sơ đồ bộ lọc tích cực với PWM-VSL
a) Song song

b) Nối tiếp c) Hỗn hợp

Bộ lọc tích cực song song (Hình 1.1a) được sử dụng rộng rãi trong bù
các điều hòa dòng điện, công suất phản kháng và các tải không đối xứng.


Chương 1: Mạch lọc tích cực
6
---------------------------------------------------------------------------------------------Bộ lọc tích cực nối tiếp (Hình 1.1b) được mắc nối tiếp trước tải vào
nguồn điện qua ghép máy biến áp để loại bỏ các song hài điện áp, để cân bằng
và điều chỉnh điện áp đầu cực tải hay đường dây. Sơ đồ hỗn hợp cả bù nối
tiếp và song song thích hợp với việc bù hệ thống lớn.

1.3. Bộ lọc tích cực song song
Bộ lọc tích cực song song bù các sóng hài dòng điện bằng cách bơm
vào mạch dòng điện bù bằng nhau nhưng ngược dấu. Trong trường hợp này
bộ lọc hoạt động như một nguồn dòng bơm vào các điều hòa do tự phát ra
nhưng ngược pha 180 độ. Kết quả là thành phần sóng hài dòng điện trong
dòng điện tải sẽ bị triệt tiêu và chỉ còn dòng điện hình sin cùng pha với điện
áp pha. Nguyên lý này được ứng dụng cho tải bất kỳ được coi là nguồn song
hài. Bộ lọc tích cực song song thường được bố trí với nghịch lưu nguồn áp
PWM. Trong ứng dụng này PWM-VSI hoạt động như nguồn áp có dòng điện
được điều khiển.

Hình 1.2. Sơ đồ mạch lọc tích cực ba pha ba dây


Chương 1: Mạch lọc tích cực
7
---------------------------------------------------------------------------------------------T¶i phi tuyÕn
ZA

ZC

ZB

S¬ ®å chuyÓn m¹ch bèn d©y

p
SWfp
VA ia

L

ib

L

ic

L

if

Ln

VB
VC
VG

SWap

SWbp

ip
+

SWcp

Va
Vb

Vdc

C
Vf

SWfn

SWan

SWbn

SWcn

-

n

Hình 1.3. Sơ đồ mạch lọc tích cực ba pha bốn dây
Mạch lọc tích cực song song ứng dụng cho hai trường hợp ba pha ba
dây và ba pha bốn dây.
• Mạch lọc tích cực song song ba pha ba dây (Hình 1.2) cũng có
tác dụng để bù sóng hài dòng điện và công suất, nhưng bộ lọc
tích cực song song ba pha ba dây do coi dòng trung tính bằng
không. nên nó không bù được cho tải mất cân bằng.
• Mạch lọc tích cực song song ba pha bốn dây (Hình 1.3) có ưu
điểm hơn là có khả năng điều khiển dòng trung tính nên có khả
năng ứng dụng cho trường hợp tải mất cân bằng. Ở luận văn này
ta sẽ tập trung nghiên cứu điều khiển mạch lọc tích cực song
song ba pha bốn dây nhờ khả năng ứng dụng khi tải mất cân
bằng.
Bộ lọc tích cực song song dùng để bù song hài dòng điện do tải phi
tuyến và mất cân bằng gây ra. Ngoài ra cũng nhờ ưu điểm của của bộ nghịch

lưu nguồn áp nhờ ưu điểm nhỏ gọn rẻ tiền và cho phép mở rộng tới phương


Chương 1: Mạch lọc tích cực
8
---------------------------------------------------------------------------------------------án nhiêu mức cải thiện tính năng với việc bù công suất lớn với tần số chuyển
mạch thấp. Tiếp theo ta sẽ nghiên cứu ảnh hưởng của tải phi tuyến tới hệ
thống và nguyên lý hoạt động của bộ nghịch lưu nguồn áp.
1.4. Tải phi tuyến
1.4.1. Khái niệm tải phi tuyến
Trong hệ thống điện tử công suất, những tải tuyến tính ví dụ như điện
trở, cuộn cảm và tụ điện... và những tải phi tuyến ví dụ như điôt chỉnh lưu,
thyristor, lò hồ quang,... Một tải tuyến tính có thể được định nghĩa như mối
quan hệ tuyến tính giữa điện áp trên tải và dòng qua tải hoặc đạo hàm của
chúng. Mặc dù không có toán học rõ ràng mô tả tải phi tuyến, nhưng chúng có
thể được mô tả như “một tải mà đặc tính dòng không sin khi nó được cung
cấp một nguồn điện áp hình sin”. Do đó, cho một nguồn điện áp ba pha như
sau :
⎤
⎡
⎢ sin (ωt ) ⎥
⎡VAG ⎤
⎥
⎢
2 ⎞⎥
⎛
⎢V ⎥ =V
⎢
. sin
⎢ BG ⎥ ln_ pk ⎢ ⎜⎝ ωt − 3 π ⎟⎠ ⎥

⎢⎣VCG ⎥⎦
⎢ ⎛
2 ⎥
⎢sin ⎜ ωt + π ⎞⎟⎥
3 ⎠⎥⎦
⎢⎣ ⎝

(1.1)

Trong đó : Vln_pk là biên độ điện áp.
Ba dòng của ba pha chạy qua tải phi tuyến có thể được biểu diễn gần
đúng như sau [TL16] :
∞
⎡
⎢ I1 . sin (ωt + ϕ1 ) + ∑ I 2 k ±1 sin (2k ± 1)ωt + ϕ 2 k ±1 _ A
⎢
k =2
⎡ I LA ⎤ ⎢
∞
⎢ I ⎥ = ⎢ I . sin ⎛ ωt + ϕ − 2 π ⎞ + I
⎜
⎟ ∑ 2 k ±1 sin (2k ± 1)ωt + ϕ 2 k ±1 _ B
1
⎢ LB ⎥ ⎢ 1
3 ⎠ k =2
⎝
⎢⎣ I LC ⎥⎦ ⎢
∞
⎢ I1 . sin ⎛⎜ ωt + ϕ1 + 2 π ⎞⎟ + ∑ I 2 k ±1 sin (2k ± 1)ωt + ϕ 2 k ±1 _ C
3 ⎠ k =2

⎢⎣
⎝

(

)

⎤
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥⎦

(

)

(

)

(1.2)


Chương 1: Mạch lọc tích cực
9

---------------------------------------------------------------------------------------------Trong trường hợp lý tưởng, biểu thức (1.2) sẽ không chứa thành phần
sóng điều hòa bậc cao, như thế tải phi tuyến có thể được so sánh theo những
biên độ sóng điều hòa bậc cao riêng lẻ và tổng độ méo điều hòa [TL16] :
∞

∑ I 22k ±1

THD =

k =2

I1

(1.3)

Một cách khác để mô tả đặc tính của tải phi tuyến là sử dụng hệ số đỉnh
Kc. Trong đó: Kc là tỉ lệ về độ lớn giữa giá trị cực đại và hiệu dụng. Ro ràng
tải tuyến tính có Kc = √2 . Nếu Kc # √2 thì là tải phi tuyến. Ví dụ chỉnh lưu
điôt có hệ số Kc nằm trong khoảng (1,5÷3), phục thuộc vào bộ lọc một chiều.
1.4.2. Ảnh hưởng của tải phi tuyến
Để xét ảnh hưởng của những tải phi tuyến phổ biến, ta sẽ phân tích một
số sơ đồ chỉnh lưu điôt như sau : sơ đồ chỉnh lưu điôt ba pha không có lọc
một chiều, chỉnh lưu điôt ba pha có tụ lọc một chiều, chỉnh lưu ba pha có bộ
lọc L/C một chiều và sơ đồ ba chỉnh lưu điôt một pha. Đây la những sơ đồ
đơn giản, tin cậy, rẻ tiền và là những ví dụ điển hình cho bộ biến đổi xoay
chiều/một chiều phổ biến hiện nay.
Những tải phi tuyến khác, ví dụ như bộ chỉnh lưu thyristor có thể gây ra
những dòng cao tần lớn, như thế tải phi tuyến gây ra ảnh hưởng thậm chí còn
xấu hơn. Mặt khác, ta thấy chỉnh lưu thyristor là bán điều khiển, dạng sóng
của nó sẽ phụ thuộc vào những yêu cầu điều chỉnh, việc phân tích đòi hỏi sẽ

phức tạp hơn. Do đó, đồ án này không đề cập sâu đến vấn đề này. Một lý do
quan trọng nữa để ta không phân tích bộ chỉnh lưu thyristor (tải phi tuyến
phức tạp) là vì những phân tích các sơ đồ chỉnh lưu điôt (tải phi tuyến đơn
giản) liệt kê ở trên cũng đủ để chỉ ra những ảnh hưởng điển hình và phổ biến
của tải phi tuyến tác động lên hệ thống.


Chương 1: Mạch lọc tích cực
10
---------------------------------------------------------------------------------------------Trường hợp 1 : Chỉnh lưu điôt ba pha không có bộ lọc một chiều
Xét tải phi tuyến là sơ đồ chỉnh lưu điôt cầu ba pha không có bộ lọc một chiều
(hình 1.4). Ta có :
vAG = 277 2 sin(ωt) (V)
vBG = 277 2 sin(ωt –

2
π) (V)
3

vCG = 277 2 sin(ωt +

2
π) (V)
3

Hình 1.4. Sơ đồ và dòng pha A của Chỉnh lưu điôt ba pha không có bộ lọc
một chiều
Từ hình 1.4, ta thấy dòng điện pha A bị méo với hai đường lõm ở đỉnh.
Trong trường hợp này, hệ số biên độ Kc xấp xỉ bằng 1,28 (ít hơn trong trường
hợp tải tuyến tính) và THD là 30%.

Chương 1: Mạch lọc tích cực
11
---------------------------------------------------------------------------------------------Trường hợp 2 : Chỉnh lưu điôt ba pha có tụ lọc một chiều C
Xét tải phi tuyến là bộ chỉnh lưu điôt cầu ba pha có tụ lọc một chiều C
(hình 1.5). Trong trường hợp này, THD dòng là 69% và hệ số biên độ Kc =
1,86 (lớn hơn trong trường hợp tải tuyến tính).

Hình 1.5. Sơ đồ và dòng pha A của chỉnh lưu điôt ba pha có tụ lọc một chiều
Trường hợp 3 : Chỉnh lưu điôt ba pha với bộ lọc L/C một chiều
Xét tải phi tuyến là sơ đồ chỉnh lưu điôt cầu ba pha có bộ lọc L/C một
chiều (hình 1.6). Vì cuộn cảm là tương đối lớn, dòng có dạng sóng vuông có
thể được quan sát như trong hình 1.6. Dòng điện có thể được san cho phẳng
bằng tụ lọc. Kết quả là khi THD < 29% và Kc <1,22 thì dạng sóng tường hợp
3 tương tự như trong trường hợp 1.


Chương 1: Mạch lọc tích cực
12
----------------------------------------------------------------------------------------------

Hình 1.6. Sơ đồ và dòng pha A của chỉnh lưu điôt ba pha với bộ lọc L/C một
chiều
Trường hợp 4 : Ba chỉnh lưu điôt một pha có tụ lọc một chiều C
Xét tải phi tuyến là sơ đồ ba chỉnh lưu điôt một pha (hình 1.7). Dạng
dòng điện của chỉnh lưu điôt một pha như trong hình 1.7. Dải tần số được thể
hiện trong hình 1.8, nó có thể cho thấy hệ số biên độ Kc là 2,23, lớn hơn nhiều
so với trường hợp một tải tuyến tính (Kc=. THD dòng pha là 65%. Mặc dù ba
pha có tải như nhau và dòng qua mỗi pha có dạng sóng như nhau, nhưng thực

tế có rất nhiều sóng hài bậc cao của ba dòng qua dây trung tính. Trong trường
hợp này, dòng trung tính bằng 1,7 lần dòng pha.
Giả sử rằng tải phi tuyến trên ba pha giống hệt nhau thì :
– Sóng hài bậc 3k là thành phần sóng thứ tự không, trong đó k ={1,3,5,…}, ví
dụ bậc 3, bậc 9, bậc 15,…


Chương 1: Mạch lọc tích cực
13
---------------------------------------------------------------------------------------------– Sóng hài bậc 3k+1 là thành phần sóng thứ tự thuận, trong đó k ={2,4,6,…},
ví dụ bậc 7, bậc 13, 19,…
– Sóng hài bậc 3k+2 là thành phần sóng thứ tự ngược, trong đó k ={1,3,5,…},
ví dụ bậc 5, bậc 11, 17,…
Sự so sánh của ảnh hưởng của những sóng hài chính đối với thành phần sóng
cơ bản trong bốn trường hợp như bảng 1.3.
Bảng 1.1. So sánh của tỷ lệ giữa độ lớn thành phần cơ bản và những sóng hài
bậc cao
Trường Bậc 3

Bậc 5

Bậc 7

Bậc 9

Bậc 11

Bậc 13

(%)

(%)

(%)

(%)

(%)

1

22

11,7

8,7

2

60

32

3

20

15

40

8.4

hợp

4

(%)

76%

7,1

THD(%)

Kc

6,9

30

1,28

6,6

9,3

69

1,86

8,6

8,2

30

1,22

65

2,23

7,4

Hình 1.7. Ba chỉnh lưu điôt một pha có tụ lọc


Chương 1: Mạch lọc tích cực
14
----------------------------------------------------------------------------------------------

a) Dòng điện pha A

b) Dòng trung tính

Hình 1.8. Dạng sóng của ba chỉnh lưu điôt một pha có tụ lọc
Trong những hệ thống có tải phi tuyến, tải phi tuyến sinh ra những sóng
hài bậc cao. Những sóng hài bậc cao này gây ra những ảnh hưởng không tốt
cho nguồn và những tải khác được nối cùng nguồn với nó, bao gồm :

– Méo điện áp nguồn : Sóng hài dòng của tải qua trở kháng đầu ra của
nguồn sinh ra sóng hài điện áp. Hiệu ứng này có thể được thấy như làm lõm
điện áp hoặc làm méo dạng hình sin của điện áp đầu vào. Méo điện áp nguồn
sẽ gây ra méo dòng điện tải.
– Làm nóng quá mức cho phép ở máy biến thế. Do hiệu ứng bề mặt,
những tổn hao gây ra do dòng điều hòa có thể lớn quá mức cho phép. Máy
biến thế trước đó được thiết kế cho tuyến tính tải có thể bị đốt nóng quá quá
mức cho phép và bị cháy. Để hoạt động an toàn, hệ số dự trữ của máy biến
thế phải lớn.
– Dao động hệ thống. Những dòng điều hòa lan truyền trong một dải
tần số rộng, điều này có thể kích thích hệ thống dao động ở tần số tự nhiên hệ
thống.
– Những rung động và tiếng ồn trong động cơ và máy phát. Những
dòng điều hòa sinh từ thông hài trong những máy điện. Mômen hài sinh bởi
dòng điều hòa gây ra những rung động và tiếng ồn lớn.