Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển lọc lựa chọn sóng hài cho bộ lọc tích cực LCL

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

MAI TRƯỜNG VIỆT

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀUKHIỂN LỌC LỰA CHỌN
SÓNG HÀI CHO BỘ LỌC TÍCH CỰC LCL

Chuyên ngành: Điều khiển và tự động hóa

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN
PGS.TS. Bùi Quốc Khánh

Hà Nội - 2015


LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan bản luận văn tốt nghiệp có đề tài: “Nghiên cứu thiết kế hệ
thống điều khiển lọc lựa chọn song hài cho bộ lọc tích cực LCL” do em thực hiện
dưới sự hướng dẫn củaPGS.TS. Bùi Quốc Khánh.Các số liệu và kết quả hoàn toàn
trung thực.
Ngoài các TLTK đã dẫn ra ở cuối sách em đảm bảo rằng không sao chép các
công trình hoặc TKTN của người khác.Nếu phát hiện có sự sai phạm với điều cam
đoan trên, em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Học viên

Mai Trường Việt

Mục Lục

Mục Lục
DANH MỤC HÌNH VẼ .............................................................................................. 5
DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU................................................................................... 7
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................ 8
Chương 1

TỔNG QUAN LỌC TÍCH CỰC BA PHA ............................................ 9

1.1.

Đặt vấn đề. ..................................................................................................... 9

1.2.

Các nguồn phát sinh và ảnh hưởng của sóng hài bậc cao. ............................ 9

1.2.1.

Các nguồn phát sinh sóng hài bậc cao. ................................................... 9

1.2.2.

Ảnh hưởng của sóng hài bậc cao. ......................................................... 11

1.3.

Các tiêu chuẩn về chất lượng điện năng. ..................................................... 12

1.4.

Cấu trúc mạch lực của mạch lọc tích cực ba pha. ....................................... 13

1.5.

Các phương pháp tính toán lượng đặt cho thành phần sóng hài. ................ 15

Chương 2

TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ CHO MẠCH LỌC VỚI

DÒNG HIỆU DỤNG 100A ...................................................................................... 17
2.1.

Thiết kế trang bị điện tủ lọc tích cực có dòng hiệu dụng 100A. ................. 17

2.1.1.

Các phần tử đóng cắt. ........................................................................... 17

2.1.2.

Tính chọn module công suất. ................................................................ 18

2.2.

Tính toán tụ điện một chiều và lựa chọn điện trở nạp tụ. ............................ 20

2.3.

Thiết kế mạch đo. ........................................................................................ 22

2.4.

Tính toán lựa chọn mạch lọc LCL. .............................................................. 23

2.4.1.

Sơ đồ nguyên lý. ................................................................................... 23

2.4.2.

Tính chọn mạch lọc LCL. ..................................................................... 23

3


Mục Lục

Chương 3

XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN VÒNG KÍN LỌC TÍCH CỰC

BA PHA….. .............................................................................................................. 26
3.1.

Cấu trúc điều khiển lọc tích cực ba pha....................................................... 26

3.2.

Mạch vòng khóa pha PLL. .......................................................................... 27

3.2.1.

Cấu trúc và nguyên lý hoạt động. ......................................................... 28

3.2.2.

Thiết kế bộ điều khiển cho vòng khóa pha PLL. .................................. 29

3.3.

Mạch vòng điều chỉnh nghịch lưu nguồn áp ở chế độ chỉnh lưu tích cực... 32

3.3.1.

Vòng điều khiển dòng điện. .................................................................. 32

3.3.2.

Thiết kế bộ điều khiển điện áp một chiều. ............................................ 36

3.4.

Tính toán lượng đặt cho thành phần sóng hài. ............................................ 37

3.4.1.

Khâu phát hiện sóng hài........................................................................ 37

3.4.2.

Kiểm chứng khối phát hiện sóng hài ( Harmonic Dectection ). ........... 38

3.4.3.

Bộ điều khiển cho thành phần sóng hài bậc cao. .................................. 41

Chương 4

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN LỌC TÍCH CỰC

BA PHA….. .............................................................................................................. 46
4.1.

Tham số mô phỏng. ..................................................................................... 46

4.2.

Kiểm chứng mạch vòng điều khiển cho thành phần sóng hài bậc cao . ...... 47

4.3.

Kiểm chứng vòng điều khiển cho chỉnh lưu tích cực. ................................. 49

4.4.

Mô phỏng kiểm chứng toàn bộ hệ thống lọc tích cực ba pha ..................... 52

Kết luận…… ........................................................................................................... 558
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 560
PHỤ LỤC…. ............................................................................................................ 60
Các ph p chu ển đổi hệ trục tọa độ ................................................................... 60

4


Danh mục hình vẽ

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1-1. Cấu trúc của một hệ thống lọc tích cực. ....................................................... 14
Hình 2-1. Nguyên lý mạch driver sử dụng HCPL 316J. ............................................... 19
Hình 2-2. Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn. ....................................................................... 19
Hình 2-3. Sơ đồ lắp đặt tụ. ............................................................................................ 21
Hình 2-4. Mạch đo sử dụng INA129/128. ..................................................................... 22
Hình 2-5. Cấu trúc bộ lọc LCL. .................................................................................... 23
Hình 3-1. Cấu trúc điều khiển lọc tích cực cấu hình đo dòng nguồn. .......................... 26
Hình 3-2. Cấu trúc vòng khóa pha. ............................................................................... 28
Hình 3-3. Mô hình khối vòng khóa pha. ....................................................................... 29
Hình 3-4. Đồ thị bode hệ hở.......................................................................................... 31
Hình 3-7. Mạch vòng điều khiển dòng điện trên trục d – q. ........................................ 35
Hình 3-8. Đồ thị Bode của Hk với Kp thay đổi. ............................................................ 36
Hình 3-9. Mô hình khối phát hiện sóng hài. ................................................................. 38
Hình 3-10. Đồ thị bode bộ lọc. ...................................................................................... 38
Hình 3-11. Cấu trúc kiểm chứng khối phát hiện sóng hài. ........................................... 39
Hình 3-12. Tín hiệu xếp chồng 3 thành phần – thể hiện ở Scope 1. ............................. 40
Hình 3-13. Tín hiệu sau khi lọc – tín hiệu trên Scope 2. ............................................... 40

Hình 3-14. Tín hiệu xếp chổng 2 thành phần điều hòa bậc cao – tín hiệu trên Scope 3
....................................................................................................................................... 41
Hình 3-15. Đồ thị bode của bộ điều khiển. ................................................................... 43
Hình 3-16. Đáp ứng tần số mạch kín với Kp thay đổi. ................................................. 44
Hình 4-1. Cấu trúc mô phỏng kiểm chứng cho bộ điều khiển sóng hài bậc cao. ......... 47
Hình 4-2. Dòng điện lưới sau khi lọc kiểm định. .......................................................... 48
Hình 4-3. Phổ sóng hài sau khi lọc . ............................................................................. 49
Hình 4-4. Cấu trúc kiểm tra thuật toán điều khiển cho vòng chỉnh lưu tích cực. ........ 50
Hình 4-5. Dòng điện nạp tụ........................................................................................... 50
Hình 4-6. Đáp ứng điện áp trên tụ. ............................................................................... 51
5


Danh mục hình vẽ

Hình 4-7. Dòng Id - Iq................................................................................................... 51
Hình 4-8. Cấu trúc mô phỏng toàn bộ hệ thống APF. .................................................. 52
Hình 4-9. Khối các bộ điều khiển.................................................................................. 53
Hình 4-10. Dòng điện phía tải. ..................................................................................... 53
Hình 4-11. Phân tích phổ dòng điện nguồn khi chưa lọc. ............................................ 54
Hình 4-12. Dòng điện cần bù. ....................................................................................... 54
Hình 4-13. Dòng đầu nguồn sau khi bù trong thời gian quá độ. .................................. 55
Hình 4-14. Dòng điện phía nguồn khi xác lập. ............................................................. 55
Hình 4-15. Phổ dòng điện nguồn sau khi bù................................................................. 56
Hình 4-16. Đáp ứng điện áp trên tụ. ............................................................................. 56
Hình 4-17. Điện áp dây đầu ra nghịch lưu. .................................................................. 57

6

Danh mục hình vẽ

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU
Bảng 1-1. ác ậc s ng h i v hệ số m o

D

của đ n hu nh quang .................. 10

Bảng 1-2. Giới thiệu về nhiễu điện theo tiêu chuẩn IEEE std 519. .............................. 12
Bảng 1-3. Giới hạn nhiễu dòng điện theo tiêu chuẩn IEEE std 519. ............................ 13
Bảng 2-1. Thống số kỹ thuật của van CM400HA-34H. ................................................ 18
Bảng 2-2. Tham số tính toán và thực tế lựa chọn cho bộc lọc LCL ............................. 25
Bảng 4-1. Bảng tham số mô phỏng. .............................................................................. 46

7


Lời nói đầu

LỜI NÓI ĐẦU
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, sự phát triển của đất
nước và yêu cầu mở rộng, nâng cao chất lượng sản xuất đã thúc đẩy sự phát triển của
lĩnh vực điện tử công suất - lĩnh vực đảm nhiệm giải quyết các vấn đề về năng
lượng, chất lượng nguồn cung cấp với kỹ thuật cao.
Hòa nhịp với sự phát triển đó, trong học kỳ này em được phân công thực hiện
đồ án tốt nghiệp với đề tài: “Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển lọc lựa chọn
song hài cho bộ lọc tích cực LCL” với mục tiêu bù một số thành phần sóng hài cho
bộ chỉnh lưu cầu ba pha với tải điện trở và cuộn cảm – cụ thể là các bậc 5, 7, 11, 13,
17, 19, 23, 25.

Nội dung đồ án gồm các phần cơ bản như sau:
- Tổng quan lọc tích cực a pha.
- Tính toán mạch lực.
- Xây dựng hệ thống điều khiển.
- Mô phỏng kiểm chứng.
i đặt thực nghiệm.
Được sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo PGS.TS Bùi Quốc Khánh.Luận văn của
em đã hoàn thiện được những hạng mục nhất định. Do thời gian làm đồ án ngắn và
khả năng còn hạn chế, chắc chắn còn nhiều thiếu sót. Em rất mong nhận được sự
đóng góp của thầy cô và các bạn.
nội, ng y 25 tháng 3 năm 2015
ọc viên thực hiện

Mai Trường Việt

8


Chương 1. Tổng quan lọc tích cực ba pha

Chương 1 TỔNG QUAN LỌC TÍCH CỰC BA PHA
1.1. Đặt vấn đề.
Xã hội ngày càng phát triển, đời sống con người cũng như hoạt động sản xuất
ngày càng yêu cầu các thiết bị khoa học kỹ thuật tiên tiến. Đồng nghĩa với việc đó
không những nhu cầu sử dụng năng lượng điện ngày một tăng cao mà yêu cầu về chất
lượng điện năng cũng ngày một tốt hơn. Tuy nhiên trong thực tế trên hệ thống điện có
rất nhiều các thiết bị điện phát sinh dòng điện phi tuyến – cái tổng hợp của rất nhiều
bậc sóng hài bậc cao gây ảnh hưởng cục bộ đến chất lượng điện năng, trực tiếp gây
ảnh hưởng đến các thiết bị sử dụng điện khác trong lưới điện làm giảm tuổi thọ cũng
như chất lượng làm việc của các thiết bị điện đó.

Đã có nhiều phương pháp được đưa ra để giảm bớt các ảnh hưởng tiêu cực của
sóng hài được áp dụng vào thực tế ví dụ như lọc thụ động, lọc tích cực.Tuy nhiên với
các đặc điểm nổi trội, khả năng làm việc cũng như hiệu quả lọc của lọc tích cực
(Active Filter ) và khả nănggiải quyết được các nhược điểm của các loại lọc truyền
thống khác đã làm cho nó ngày càng được quan tâm và bắt đầu có những thành tựu
mới. Trên giới hiện naycó nhiều hãng đã và đang nghiên cứu, phát triển các bộ lọc tích
cực có khả năng làm cho dòng điện đạt được các tiêu chuẩn đặt ra hiện nay.Trên thế
giới đã có nhiều tiêu chuẩn nhằm quy định lượng sóng hài được phép tồn tại trên lưới
như tiêu chuẩn IEEE std 519, IEC 100-3-4.

1.2. Các nguồn phát sinhvà ảnh hưởng của sóng hài bậc cao.
1.2.1. Các nguồn phát sinh sóng hài bậc cao.
-

Máy biến áp : hiện tượng bão hòa mạch từ của máy biến áp có thể sinh ra sóng
hài bậc cao. Khi biên độ điện áp và từ thông đủ lớn để rơi vào vùng không
tuyến tính trong đường cong B-H sẽ dẫn đến dòng điện từ bị méo và sản sinh ra
các sóng điều hoa bậc cao. Ngoài ra cái máy biến áp cũng gây ra sóng điều hòa
bậc cao nếu vận hành ở điện áp cao hơn điện áp định mức.
9


Chương 1. Tổng quan lọc tích cực ba pha

-

Các nguồn sóng hài được tạo ra bởi tất cả các tải phi tuyến. Các phần tử phi
tuyến điển hình có trong hệ thống lưới điện là l i thép của M A, các thiết bị
điện tử công suất sử dụng các van bán dẫn như diode, thyristor các bộ chỉnh
lưu, nghịch lưu, UPS… , các lò hồ quang điện, lò nấu thép, lò tôi cao tần, các

đ n điện tử…

-

Động cơ: tương tự M A, động cơ xoay chiều khi hoạt động sinh ra sóng điều
hòa bậc cao. Các sóng điều hòa bậc cao được phát sinh bởi máy điện quay liên
quan chủ yếu tới các biến thiên của từ trở gây ra bởi các khe hở giữa roto và
stato. Các máy điện đồng bộ có thể sản sinh ra sóng điều hòa bậc cao bởi vì
dạng từ trường, sự bão hòa trong các mạch chính, các đường rò và do các dây
quấn dùng để giảm dao động đặt không đối xứng.

-

Đ n huỳnh quang: các đ n huỳnh quang đang được sử dụng rộng rãi do có ưu
điểm là tiết kiệm được chi phí. Thực tế thì loại đ n này không hơn gì về hiệu
quả tạo ánh sáng với đ n dây đốt, điểm nổi trội hơn của nó là độ sáng được duy
trì trong thời gian dài, tuổi thọ lớn hơn. Tuy nhiên sóng điều hòa bậc cao sinh ra
bởi đ n huỳnh quang cũng rất lớn.
Bảng 1-1.Các bậc sóng hài và hệ số méo IHD

của đ n huỳnh quang

Các bậc sóng hài h k và hệ số méo thành phần IHD

của đ n huỳnh quang

h(k)

IHD (%)

h(k)

IHD (%)

h(k)

IHD (%)

0

-

8

0

16

0,3

1

100

9

3,2

17

0,8

2

0,3

10

0,1

18

0,5

3

13,9

11

2,2

19

1,4

4

0,3

12

0,3

20

0,4

10


Chương 1. Tổng quan lọc tích cực ba pha

-

5

9

13

1,7

21

1,2

6

0,2

14

0,3

22

0,6

7

3,3

15

1,9

23

0,6

Lò hồ quang: theo thống kê thì điện áp lò hồ quang cho thấy sóng điều hòa bậc
cao đầu ra biến thiên rất lớn ví dụ như sóng điều hòa bậc 5 là 8% khi bắt đầu
nóng chảy, 6% ở cuối gian đoạn nóng chảy và 2% của giai đoạn cơ bản trong
suốt thời gian tinh luyện.

-

Các bộ biến đổi điện tử công suất: bản thân các bộ biến đổi điện tử công suất
(chỉnh lưu, nghịch lưu, điều áp xoay chiều… đều được cấu thành từ các thiết bị

bán dẫn như diode, thyristor, MOSFET, IG T, GTO… là những phần tử phi
tuyến là nguồn gốc gây sóng điều hòa bậc cao. Tùy thuộc vào cấu trúc của các
bộ biến đổi mà sóng điều hòa sinh ra khác nhau. Các mạch chỉnh lưu trong biến
tần thường là chỉnh lưu cầu ba pha có ưu điểm là đơn giản, rẻ, chắc chắn nhưng
thành phần đầu vào chứa nhiều sóng điều hòa. Do đó để giảm bớt sóng điều hòa
có thể dùng hai mạch chỉnh lưu cầu ba pha ghép lại với nhau tạo thành chỉnh
lưu 12 xung hoặc ghép 4 bộ chỉnh lưu cầu ba pha vào tạo thành bộ chỉnh lưu 24
xung sẽ cho ra dòng điện trơn hơn, giảm được các thành phần điều hòa. Từ đó
có thể thấy là khi muốn giảm sóng điều hòa dòng điện ta có thể tăng số van
trong mạch chỉnh lưu lên. Tuy nhiên khi đó gây ra một số bất lợi như cồng
kềnh, nặng, điều khiển phức tạp, tổn thất công suất và sinh ra sóng điều hòa
dòng điện bậc cao khi tải không đối xứng hoặc điện áp không đối xứng.

1.2.2. Ảnh hưởng của sóng hài bậc cao.
Ảnh hưởng quan trọng nhất của sóng hài đó là nó làm tăng giá trị hiệu dụng cũng
như giá trị đỉnh của dòng điện và điện áp,có thể thấy rõ vấn đề đó qua công thức sau:

11


Chương 1. Tổng quan lọc tích cực ba pha

T

U

1
2
u  t  dt  U 1 1  THDU2


T 0

Khi giá trị hiệu dụng và giá trị biên độ của điện áp hay dòng điện tăng do sóng hài dây
nên thì có các vấn đề nảy sinh sau đây:
-

Làm tăng phát nóng của các thiết bị điện, dây dẫn điện.

-

Ảnh hưởng đến độ bền cách điện của vật liệu.

-

Làm các thiết bị bảo vệ tác động sai.

-

Tổn hao trên cuộn dây và lõi thép của động cơ tăng, ảnh hưởng đến momen trên
trục động cơ.

-

Gây ảnh hưởng điến các thiết bị viễn thông.

-

Làm tăng phát nóng và giảm tuổi thọ của các hệ thống tụ bù. Ngoài ra còn có
trường hợp cộng hưởng sóng hài gây điện áp trên tụ tăng cao làm hỏng tụ bù.

1.3. Các tiêu chuẩn về chất lượng điện năng.
Để hạn chế những ảnh hưởng xấu của sóng hài bậc cao cũng như đưa ra một tiêu
chuẩncụ thể trên thế giới đã đặt ra các tiêu chuẩn nhằm hướng dẫn và giới hạn về
nhiễu dòng điện và điện áp . Ví dụ tiêu chuẩn IEEE std 519.
Bảng 1-2. Giới thiệu về nhiễu điện theo tiêu chuẩn IEEE std 519.

Điện áp tại điểm nối chung
PCC (Point of Common

Nhiễu điệp áp của từng bậc
sóng hài IVD

Hệ số méo tổng TDH
của điện áp Total

(Individual Voltage

Harmonic Voltage

Distortion)

Distortion)

Từ 69kV trở xuống

3,0

5,0

Trên 69kV đến161kV

1,5

2,5

Trên 161kV

1,0

1,0

Coupling)

12


Chương 1. Tổng quan lọc tích cực ba pha

Bảng 1-3. Giới hạn nhiễu dòng điện theo tiêu chuẩn IEEE std 519.

Nhiễu dòng điện tối đa

của dòng tải Maximum Harmonic Current Distortion

ISC/IL

h<11

11≤ h<17

17≤h<23

23≤h<35

35≤h<23

TDD(%)

Dưới 2

4,0

2,0

1,5

0,6

0,3

5,0

2 tới 5

7,0

3,5

2,5

1,0

0,5

8,0

5 tới 1

10,0

4,5

4,0

1,5

0,7

12,0

tới 1

12,0

5,5

5,0

2,0

1,0

15,0

Trên 1000

15,0

7,0

6,0

2,5

1,4

20,0

1

Hài bậc ch n được giới hạn tới 25

của các giới hạn hài bậc lẽ ở trên.

ISC là dòng ngắn mạch lớn nhất tại điểm nối chung.
IL là giá trị lớn nhất của thành phần bậc 1 mà tải yêu cầu.
TDD là hệ số méo yêu cầu Total Demand Distortion được tính bằng THD IL

1.4. Cấu trúc mạch lực của mạch lọc tích cực ba pha.
Như chúng ta đã biết, các bộ lọc tích cực sẽ phân tích để tìm ra các thành phần

sóng hài bậc cao có trong dòng phía lưới, sau đó sử dụng các bộ nguồn chuyển mạch
để tạo ra dòng điện có cùng biên độ, tần số và ngược pha với các sóng hài để triệt tiêu
các sóng hài đó. Các bộ lọc tích cực có thể bù được rất nhiều bậc sóng hài và có thể
đưa hệ số méo hài tổng THD của dòng lưới về dưới mức 5

. Ưu điểm lớn của các bộ

lọc tích cực đó là có thể bù được cùng lúc nhiều bậc sóng hài khác nhau, có thể đáp
ứng được sự thay đổi tải và thay đổi về các điều kiện của sóng hài. Ngoài ra, các bộ
lọc tích cực còn có khả năng bù lại công suất phản kháng, làm tăng hệ số công suất của
hệ thống. Gần như các bộ lọc tích cực không có ảnh hưởng xấu tới toàn bộ hệ thống
lưới điện. Nhược điểm lớn của các bộ lọc tích cực nằm ở giá thành khá cao và với các
ứng dụng nhỏ, thì việc sử dụng một bộ lọc tích cực là không nên. Chi tiết hơn về các
bộ lọc tích cực sẽ được đề cập ở phần sau.

13


Chương 1. Tổng quan lọc tích cực ba pha

Những thời điểm ban đầu ý tưởng về lọc tích cực được cấu tạo bởi các van transistor
công suất nhưng do thời điểm đó còn hạn chế điều kiện kỹ thuật về công nghệ bán dẫn
nên lúc nó lọc tích cực chỉ được thử nghiệm trong phạm vi phòng thí nghiệm, cho đến
những năm gần đây, khi công nghệ bán dẫn ngày càng có những bước tiến nhảy vọt thì
lọc tích cực đã có cơ hội được đưa ra thử nghiệm trên thực tế. Với cấu tạo dựa trên các
van bán dẫn đóng cắt tần số cao IGBT lọc tích cực hoạt động dựa trên nguyên lý
nghịch lưu. Trong nội dung đồ án này em tập trung làm việc với cấu trúc dạng Shunt
và nghịch lưu nguồn áp.

Nguồn

Dòng nguồn
Cảm biến
Tải phi tuyến

Dòng bù

Lọc tích cực

Hình 1-1.Cấu trúc của một hệ thống lọc tích cực.

Như chúng ta đã biết, so với lọc tích cực ba pha cấu hình đo dòng tải thì ở cấu hình đo
dòng phía lưới thay vì chúng ta phải đo dòng điện với tần số cao ở dòng tải thì ta chỉ
cần đo dòng cơ bản phía nguồn do đó có thể dùng biến dòng để thay thế cho LEM,
việc đó có ảnh hưởng rất lớn tới giá thành của hệ thống khi sản xuất và đưa ra thương
mại.
Việc đo dòng nguồn làm đại lượng phản hồi cũng đồng nghĩa là sử dụng cấu trúc điều
khiển vòng kín việc đó giúp chúng ta kiểm soát trực tiếp đến chất lượng của đại lượng
14


Chương 1. Tổng quan lọc tích cực ba pha

cần điều khiển tuy nhiên điều đó cũng gây ra một số nhược điểm so với trường hợp đo
dòng tải.

1.5. Các phương pháp tính toán lượng đặt cho thành phần sóng hài.
Lọc tích cực là hệ thống dùng các bộ biến đổi công suất tạo ra các dòng điện như
mong muốn, để làm được điều đó bản thân lọc tích cực chứa trong nó một hệ thống
điều khiển rất phức tạp mà cái được quan tâm nhiều đó là khâu tính toán lượng đặt cho

thành phần sóng hài. Chủ yếu có ba phương pháp tính toán lượng đặt cho thành phần
sóng hài được quan tâm nhiều nhất :
-

Tính toán lượng đặt dựa vào lý thuyết công suất tức thời.

-

Tính toán lượng đặt theo phương pháp bù tất cả thành phần sóng hài.

-

Tính toán lượng đặt theo phương pháp lựa chọn thành phần sóng hài.

Tính toán lượng đặt dựa vào lý thuyết công suất tức thời là phương pháp tính toán
lượng đặt cho thành phần sóng hài dựa vào thành phần công suất dao động, chi tiết có
thể xem thêm tại [2], các thành phần công suất dao động thể hiện là thành phần công
suất của sóng hài bậc cao, nó gây nên tổn hao trên dây dẫn, trên dây cuốn máy biến áp
hay động cơ, quá trình bù thực hiện bằng cách phát vào điểm kết nối thành phần công
suất không mong muốn với dấu ngược lại. Hạn chế của phương pháp này là điện áp
trong tính toán yêu cầu phải sin và cân bằng, nếu hai điều kiện này không thỏa mãn thì
lý thuyết công suất tức thời không còn đúng nữa.
Bù tất cả thành phần sóng hài là phương pháp tính toán dựa trên ý tưởng tách thành
phần sóng cơ bản ra khỏi đại lượng xếp chồng của các thành phần sóng hài, phần còn
lại trở thành đại lượng cần bù.Để làm được việc đó, phương pháp bù tất cả sóng hài sử
dụng một hệ tọa độ quay với tần số cơ bản khi đó thành phần dòng cơ bản sẽ trở thành
đại lượng một chiều trên hệ tọa độ quay đồng bộ với chính nó.Khi đó sử dụng các bộ
lọc thông cao ta tách ra được các thành phần xoay chiều, chính các thành phần xoay
chiều này là đại lượng cần bù. Phương pháp này có ưu điểm là tính toán đơn giản và

15


Chương 1. Tổng quan lọc tích cực ba pha

có thể bù tất cả các thành phần sóng hài, tuy nhiên đối với trường hợp lượng sóng hài
lớn thì nó dễ gây ra trường hợp quá tải cho bộ lọc.
Lựa chọn thành phần sóng hài là phương pháp tính toán lượng đặt dòng điện dựa
trên cơ sở phép quay hệ tọa độ đồng bộ.Mỗi sóng hài có bậc khác nhau sẽ được xem
xét trên một hệ tọa độ quay khác nhau. Do các thành phần sóng hài sẽ được xem xét
trên hệ quy chiếuquay đồng bộ với chính nó nên nó sẽ trở thành đại lượng một chiều
trên hệ tọa độ đó, quá trình thiết k7ế bộ điều khiển cho thành phần điều hòa bậc cao
trở thành việc thiết kế bộ điều khiển cho các đại lượng một chiều. Ưu điểm của
phương pháp là nó tạo cho chúng ta tính linh hoạt về số lượng các thành phần sóng hài
cần bùnó giúp lọc tích cực tránh được khả năng quá tải, trong trường hợp lượng sóng
hài cần bù quá lớn chúng ta có thể lựa chọn bù các thành phần sóng hài có ảnh hưởng
xấu nhất trong hệ thống, tuy nhiên đồng nghĩa với sự linh hoạt đó là khối lượng tính
toán khá lớn.
Từ những phân tích về ưu, nhược điểm của từng phương pháp; căn cứ vào thực tế các
điều kiện về lưới điện, điều kiện thí nghiệm thực tế em lựa chọn phương pháp lựa chọn
thành phần sóng hài cho việc tính toán lượng đặt cho thành phần sóng hài bậc cao.
Kết luận:
-

Xác định mục tiêu đưa dòng điện phía lưới thỏa mãn các tiêu chuẩn đặt ra, cụ
thể đưa hệ số THD xuống giới 5%.

-

Cấu trúc bộ lọc tích cực là bộ nghịch lưu nguồn áp sử dụng van bán dẫn IGBT.

-

Sử dụng phương pháp lựa chọn thành phần sóng hài cho quá trình tính toán
lượng đặt dòng điện.

16


Chương 2. Tính toán và lựa chọn thiết bị cho mạch lọc với dòng hiệu dụng 100A

Chương 2 TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ CHO
MẠCH LỌC VỚI DÒNG HIỆU DỤNG 100A
2.1. Thiết kế trang bị điện tủ lọc tích cực có dòng hiệu dụng 100A.
Nội dung trong phần này nêu ra quá trình tính chọn các thiết bị cho tủ lọc tích
cực ba pha và sơ đồ kết nối lọc tích cực ba pha với lưới điện và tải. Sơ đồ một sợi của
lọc tích cực ba pha kết nối với lưới điện và tải như sau:

AT
Contactor
LCL

APF

Hình 2-1. Sơ đồ một dây lọc tích cực ba pha.

2.1.1. Các phần tử đóng cắt.
-

Lựa chọn aptomat cho mạch động lực tại điểm kết nối giữa lọc tích cực và lưới

điện: Dòng hiệu dụng của lọc tích cực I=1

A, aptomat có dòng tác động

I td  K I  I , lựa chọn K I  1.5  I td  150 A . Lựa chọn Atomat

VL160/160A/480V của Siemens.
-

Lựa chọn cầu chì Siemens Sirus dòng tác động 14 A và điện áp 600V AC.

-

Lựa chọn contactor Siemens 160A/24V.

17


Chương 2. Tính toán và lựa chọn thiết bị cho mạch lọc với dòng hiệu dụng 100A

2.1.2. Tính chọn module công suất.
2.1.2.1. Tính chọn van IGBT.
Dòng điện trung bình và điện áp ngược của van IGBT cần được lựa chọn theo công
thức sau, với dòng điện đầu ra của bộ lọc có giá trị hiệu dụng I :

 I tb  K I I


U nguoc  KV U dc

(2-1)

Lựa chọn hệ số dự trữ K I  2.5 và KV  2 , giá trị hiệu dụng I =100A ta được:

 I tb  250 A


U nguoc  1400V

(2-2)

Từ tham số đó lựa chọn van IGBT CM400HA-28H với các tham số sau đây:
Bảng 2-1. Thống số kỹ thuật của van CM400HA-34H.

Thông số kỹ thuật
Điều kiện

Đại lượng
VCES
VGES
IC
ICM
ICRM
Tj

Tj = 25° C
Tj = 25° C
Tj = 25° C
Tj = 25° C
ICRM = 3xICnom

Giá trị

Đơn vị

1700
−2 … 2
400
800
1800
− 4 … 150

V
V
A
A
A
°C

400
800
4100
3240

A
A
W
A

Diode ngược

IF
IFM
Pd
IFSM

Tj = 25 ° C
Tj = 25 ° C
tp = 10 ms, sin 180°, Tj = 25 °C

2.1.2.2. Thiết kế mạch driver.
Driver là khối giao tiếp giữa mạch điều khiển và các van công suất IGBT, nó
thực hiện chức năng đóng cắt các van IGBT. Mỗi van có một khối driver riêng.Sử
18


Chương 2. Tính toán và lựa chọn thiết bị cho mạch lọc với dòng hiệu dụng 100A

dụng driver cho IGBT là HCPL316J.Khối driver được cấp nguồn dạng phân cực
+15VDC, 0VDC, -5VDC. Sơ đồ nguyên lý mạch driver được thể hiện ở hình sau:

Hình 2-2.Nguyên lý mạch driver sử dụng HCPL 316J cho một van IGBT.

Nguồn phân cực cấp cho driver được lấy từ đầu ra của biến áp xung. Mạch cấp nguồn
cấu hình halfbrigde sử dụng driver IR21531 băm xung 5

băm điện áp +24V thành

12 .Mạch nguyên lý được mô tả ở hình dưới đây:

Hình 2-3.Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn cấp cho cuộn sơ cấp biến áp xung.

19


Chương 2. Tính toán và lựa chọn thiết bị cho mạch lọc với dòng hiệu dụng 100A

2.2. Tính toán tụ điện một chiềuvà lựa chọn điện trở nạp tụ.
Tụ C được tính toán theo công thức sau đây, tham khảo ở [2] :
C

P
1
.
U DC .U DC f h

(2-3)

Độ dao động điện áp tụ lớn nhất có độ lớn bằng :
U DC 

1
.I DC .t
C

(2-4)

Trong đó :

I DC 

P

: là dòng một chiều lớn nhất ;
U DC

t : là khoảng thời gian điện áp trên tụ thay đổi
Có thể coi t  1

fh

Với

f h là tần số đập mạch của chỉnh lưu.

f h = 2 f nếu là chỉnh lưu cầu một pha .
f h = 6 f nếu là chỉnh lưu cầu ba pha.
Trong đó f là tần số của lưới. Chọn U DC = 5-10% U DC ta có thể tính giá trị tụ như
sau:
Với các tham số của bộ lọc tích cực như sau:
-

Công suất biểu kiến bộ lọc:S = 65 kVA. Với giả thiết bộ lọc không tiêu thụ
công suất phản kháng nên P = 65 kW.

-

Điện áp trên tụ : 700 V.

-

Tần số đập mạch : f h  2 f 0  100 Hz .
20

Chương 2. Tính toán và lựa chọn thiết bị cho mạch lọc với dòng hiệu dụng 100A

-

Độ dao động của điện áp trên tụ : U dc  10%U dc

Tính được giá trị của điện : C  6632uF .
Lựa chọn C  6600uF .
Tụ điện thực tế có giá trị 33

uF 45 V do đó tụ được lắp đặt như sau:

C  3300uF  4

R  50k  /10W

C  3300uF  4

R  50k  /10W

Hình 2-4.Sơ đồ lắp đặt tụ.

Mạch nạp tụ gồm có contactor và điện trở hạn chế dòng nạp. Mạch nạp tụ sử
dụng điện áp dây của lưới 380V và mạch cầu chỉnh lưu một pha.
Điện áp ra cầu chỉnh lưu khi điện cấp vào là điện áp dây có giá trị như sau:
Ud 

2 2



.380  342V

(2-5)

Dòng nạp tụ được tính theo công thức:
I nap 

Ud
Rnap

(2-6)

Dòng nạp tụ được hạn chế : I nap  7 A nên điện trở nạp tụ có giá trị :
Rnap 

U d 342

 50
I nap
7

(2-7)

Công suất tổn thất trên điện trở hạn chế dòng nạp:
P  Ich2 arg e  Rch arg e  2450W

21

(2-8)


Chương 2. Tính toán và lựa chọn thiết bị cho mạch lọc với dòng hiệu dụng 100A

2.3. Thiết kế mạch đo.
Với cấu hình đo dòng điện phía lưới chúng ta cần thiết đo 9 điểm đo gồm có: 2
điểm đo lấy giá trị tức thời của điện áp lưới, 1 điểm đo lấy giá trị của điện áp một
chiều trên tụ, 3 điểm đo lấy giá trị của dòng điện phía lưới , 3 điểm đo lấy giá trị của
dòng điện đầu ra bộ lọc :
-

Đo điện áp dây: dải đo đầu vào 600VAC  600VAC , đầu ra phía mạch đo được
chuẩn hóa thành giải 0V  3V sử dụng cho ADC nội.

-

Đo điện áp một chiều: dải đo đầu vào 0 1000VDC , đầu ra chuẩn hóa thành
0V  3V sử dụng cho ADC nội.

-

Đo dòng phía lưới sử dụng biến dòng 100A/5A.

-

Đo dòng mạch lọc tích cực sử dụng LEM loại LAS305 có dải đo 500A .

Mạch đo thiết kế dựa vào ứng dụng khuyếch đại vi sai của ic INA129/128 của

Texas Instrument với thiết kế mạch đo như hình giới đây:

Hình 2-5.Ví dụ mạch đo điện áp một chiều sử dụng INA129/128.

Mạch sử dụng ADC nội của vi điều khiển do đó trong quá trình thiết kế tính
toán mạch đo đã chuẩn hóa tín hiệu điện áp phía đầu ra của INA129/128 nằm trong
giải từ 0-3V DC.

22


Chương 2. Tính toán và lựa chọn thiết bị cho mạch lọc với dòng hiệu dụng 100A

2.4. Tính toán lựa chọn mạch lọc LCL.
2.4.1. Sơ đồ nguyên lý.
Các bộ nghịch lưu thường được sử dụng để biến đổi điện áp một chiều thành
xoay chiều phía đầu ra, có khả năng làm việc độc lập không nối lưới cũng như nối
lưới.Các bộ biến đổi nối lưới thực tế ngày càng nhiều, trong một vài ứng dụng thì nó
đóng vai trò trao đổi năng lượng với nguồn. Và hiển nhiên chúng ta cần xét đến một
vài vấn đề nảy sinh liên quan đến các thành phần sóng điều hòa bậc cao gây nên từ quá
trình đóng cắt của van bán dẫn. Vấn đề đó được giải quyết một cách dễ dàng đối với
một vài bộ nghịch lưu mà công suất của nó trong khoảng hai đến ba kilowatts. Thường
thì người ta sẽ cho một điện cảm vào để giải quyết được phần nào vấn đề, tuy nhiên
khi so sánh về lợi ích kinh tế thì chưa chắc việc đưa điện cảm vào nó sẽ sinh lợi nhuận
hoặc rằng nó sẽ đắt hơn, thậm chí việc đưa điện cảm nối tiếp vào đã làm giảm đi tốc
độ đáp ứng của hệ thống. Một lời giải cho vấn đề trên là ứng dụng bộ lọc LCL.

Hình 2-6.Cấu trúc bộ lọc LCL.

2.4.2. Tính chọn mạch lọc LCL.

Thiết kế mạch lọc LCL cần một số giá trị cần xác định r như điện áp lưới,
công suất danh định, tần số của điện áp lưới hay tần số đóng cắt PWM.Có thể thiết kế
bộ lọc LCL theo một số bước theo trình tự sau đây:

23


Chương 2. Tính toán và lựa chọn thiết bị cho mạch lọc với dòng hiệu dụng 100A

Bước 1: Lựa chọn giá trị điện cảm LI . Điện cảm LI ảnh hưởng đến tốc độ đáp ứng của
hệ thống, điện cảm càng lớn thì tốc độ đáp ứng càng chậm, điện cảm càng nhỏ thì tốc
độ đáp ứng càng nhanh, tuy nhiên điện cảm càng bé thì công dụng lọc của LCL lại
giảm đi hay nói cách khác để hiệu quả lọc tốt thì điện cảm LI phải càng lớn. Do đó khi
lựa chọn giá trị cho nó cần cân bằng hai chỉ tiêu trên. Điện cảm nên được tính chọn
theo công thức sau đây:
LI 

(2-9)

En
2 6iripm f sw

Trong đó:
-

iripm là giá trị lớn nhất của dòng điều hòa có độ lớn khoảng 10% giá trị lớn của

dòng cơ bản.
-

En là giá trị hiệu dụng điện áp dây đầu vào bộ lọc.

Bước 2: Lựa chọn điện cảm LG . Bộ lọc LCL có hiệu quả lọc tốt nhất khi
LI  (2  3) LG

(2-10)

Bước 3: Lựa chọn giá trị tụ điện C f và điện trở Rd : để phòng tránh trường hợp hệ số
công suất thấp thường thì lựa chọn tụ điện C f sao cho công suất phản kháng do nó
tiêu thụ bé hơn 5

công suất tác dụng, do đó lựa chọn C f theo công thức sau đây :

LI  Lg
1 LI  Lg
 Cf 
 f res 
2
2 LI Lg C f
LI Lg  2 f res 


10 f n  f res  0.5 f sw

1 1
 Rd 
3 ref C f



(2-11)

Lưu ý :để tránh cộng hưởng, tốt nhất lên lựa chọn các giá trị thỏa mãn tính chất sau:
10 f n  f res  0.5 f sw trong đó f res 
24

1
2

LI  Lg
LI Lg C f


Chương 2. Tính toán và lựa chọn thiết bị cho mạch lọc với dòng hiệu dụng 100A

Mạch có các tham số như sau:
-

Giá trị hiệu dụng điện áp dây:

En  380V

-

Tần số đóng cắt của mạch :

fsw  5kHz

-

Độ đập mạch dòng điện :

iripm  10% I rms  10 A

Điện cảm đầu vào tính được:
LI 

En
2 6iripm f sw

(2-12)

 1.55mH

Điện cảm đầu ra tính được :
LG 

(2-13)

LI
 LG  0.51mH
3

Tần số cộng hưởng chọn :

f res  2.5kHz

Khi đó tụ điện tính được như sau:
Cf 

LI  Lg
LI Lg  2 f res 

2

(2-14)

 10.56uF

Từ các giá trị của L và C tính được như trên ta tính toán giá trị điện trở như sau:
Rd 

(2-15)

1 1
 2.01
3 ref C f

Tổng hợp ta được bảng tham số sau:
Bảng 2-2. Tham số tính toán và thực tế lựa chọn cho bộc lọc LCL

LI  mH 

LG  mH 

C f uF 

RD  

Tham số tính toán

1.55

0.51

10.56

2.01

Tham số lựa chọn thực tế

1.4

0.3

12

1.25

Kết luận: Từ các tính toán và thiết kế như trên, ta xây dựng được cấu trúc mạch lực
như sau :
25