Đồ án ngành Mạch lọc tích cực: Nghiên cứu tổng quan lọc tích cực, xây dựng bộ điều khiển cho bộ lọc tích cực song song

MỤC LỤC
MỤC LỤC.............................................................................................................1
MỞ ĐẦU...............................................................................................................3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ SÓNG ĐIỀU HÒA...........................................4
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ............................................................................................4
1.2. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ SÓNG ĐIỀU HÒA.........................................4
1.3. CÁC NGUỒN SINH SÓNG ĐIỀU HÒA..................................................7
1.3.1. Máy điện..............................................................................................7
1.3.2. Các đèn huỳnh quang..........................................................................9
1.3.3. Các thiết bị hồ quang...........................................................................9
1.3.4. Thiết bị điện tử công suất..................................................................10
1.4. ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG ĐIỀU HÒA BẬC CAO..............................15
1.4.1. Với máy biến áp................................................................................16
1.4.2. Động cơ điện.....................................................................................18
1.4.3. Với tụ điện.........................................................................................18
1.4.4. Dây trung tính....................................................................................20
1.4.5. Dây dẫn điện......................................................................................20
1.4.6. Nhiễu điện từ.....................................................................................21
1.4.7. Ảnh hưởng đến các thiết bị khác.......................................................21
1.5. MỘT SỐ TIÊU CHUẨN GIỚI HẠN THÀNH PHẦN SÓNG HÀI TRÊN
LƯỚI...............................................................................................................22
1.5.1. Tiêu chuẩn IEEE std 519...................................................................22
1.5.2. Tiêu chuẩn IEC 1000-3-4..................................................................24
CHƯƠNG 2. CÁC BỘ LỌC SÓNG ĐIỀU HÒA...............................................25
2.1. BỘ LỌC THỤ ĐỘNG..............................................................................25
2.1.1. Dùng cuộn kháng triệt sóng hài.........................................................25
2.1.2. Bộ lọc RC..........................................................................................28
2.1.3. Bộ lọc LC..........................................................................................29
2.1.4. Mạch lọc cản.....................................................................................29
2.1.5. Mạch lọc kép.....................................................................................30

1


2.1.4. Mô phỏng bộ lọc thụ động cho tải phi tuyến.....................................30
2.2. BỘ LỌC TÍCH CỰC................................................................................34
2.2.1. Gới thiệu về bộ lọc tích cực..............................................................34
2.2.2. Các phạm vi công suất của mạch lọc tích cực...................................34
2.2.3. Phân loại mạch lọc tích cực...............................................................35
2.3. DÙNG BỘ CHUYỂN ĐỔI XUNG TRONG THIẾT BỊ ĐỔI ĐIỆN,
ĐIỀU KHIỂN..................................................................................................41
2.3. BỘ LỌC HỖN HỢP.................................................................................41
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ BỘ LỌC TÍCH CỰC SONG SONG..........................43
3.1. KHÁI QUÁT CHUNG VỀ CHỈNH LƯU PWM.....................................43
3.1.1. Sơ đồ nguyên lý mạch lực.................................................................43
3.1.2. Một số cấu trúc điều khiển................................................................45
3.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ LỌC TÍCH CỰC..................46
3.2.1. Phương pháp dựa trên miền tần số....................................................46
3.2.2. Các phương pháp dựa trên miền thời gian........................................48
3.3. CẤU TRÚC MẠCH LỌC TÍCH CỰC SONG SONG SỬ DỤNG CHỈNH
LƯU PWM......................................................................................................53
3.3.1. Nguyên lý điều khiển........................................................................53
3.3.2. Phương pháp điều khiển PWM dòng điện........................................54
3.3. THIẾT KẾ MẠCH LỌC TÍCH CỰC SỬ DỤNG CHỈNH LƯU PWM. .59
3.3.1. Xây dựng mô hình mô phỏng............................................................59
3.3.2. Khảo sát với nguồn điện lý tưởng.....................................................65
3.3.3. Thiết kế thi công mô hình mạch lọc tích cực....................................71
3.3.4. So sánh kết quả thực nghiệm với kết quả mô phỏng.........................80
KẾT LUẬN.........................................................................................................86
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................87

2


MỞ ĐẦU
Tổn thất điện năng ở nước ta thuộc loại cao trong khu vực. Nhiều vùng
của nước ta tổn thất điện năng lên tới hàng chục phần trăm. Điều này gây sức ép
cho ngành điện buộc ngành điện phải vào cuộc nhằm giảm tổn thất điện năng tới
mức thấp nhất. Trên thực tế đó, em đã lựa chọn tền đề tài tốt nghiệp là: “Nghiên
cứu tổng quan lọc tích cực, xây dựng bộ điều khiển cho bộ lọc tích cực song
song”. Đây là một trong những công nghệ hiện đại đã được ứng dụng rộng rãi ở
các nước tiên tiến trên thế giới nhưng vẫn còn khá mới mẻ với nước ta.
Nội dung đồ án đi sâu vào xây dựng cấu trúc và thuật toán điều khiển để
lọc sóng điều hòa bậc cao. Để thực hiện điều đó nội dung đồ án cần phải giải
quyết vấn đề sau:
- Nghiên về các thành phần sinh sóng điều hòa và những ảnh hưởng của
sóng điều hòa.
- Tìm hiểu về những bộ lọc sóng điều hòa thông dụng và ưu nhược điểm
của từng loại.
- Nghiên cứu lý thuyết bộ lọc từ đó xây dựng cấu trúc và thuật điều khiển
cho bộ lọc tích cực.
- Đánh giá chất lượng điện lưới sau khi xử dụng bộ lọc.
Các yêu cầu đó sẽ được làm rõ và giải quyết trong đồ án. Các vấn đề được
trình bày trong ba chương:
Chương 1. Tổng quan về sóng điều hòa.
Chương 2. Các bộ lọc sóng điều hòa.
Chương 3. Thiết kế bộ lọc tích cực song song.
Trong quá trình nghiên cứu, với sự nỗ lực của bản thân và sự giúp đỡ của
các thầy giáo, cô giáo trong Bộ môn Điện tự động Công nghiệp đặc biệt là hai
thầy Đoàn Văn Tuân và thầy Vũ Ngọc Minh, cùng với sự giúp đỡ của các bạn
em đã hoàn thành đồ án này. Tuy nhiên do thời gian còn tương đối ngắn và trình

độ chuyên môn vẫn còn hạn chế nên bản đổ án này không tránh khỏi những
thiếu sót. Em mong nhận được sự góp ý của các thầy cô giáo để bản đồ án này
được hoàn thiện hơn.

3


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ SÓNG ĐIỀU HÒA
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Chất lượng điện năng bao gồm tần số, điện áp. Tần số là thông số mang
tính hệ thống hầu như được giữ ổn định. Một chỉ tiêu chất lượng quan trọng của
điện áp là thành phần sóng hài. Trước đây thành phần sóng hài không được chú
ý đến vì yêu cầu chất lượng điện chưa cao, mặt khác các thiết bị gây ra sóng hài
còn ít. Hiện nay chất lượng điện yêu cầu cao hơn, các thiết bị điện tử công suất
lớn sử dụng nhiều, dẫn tới tăng tỷ lệ sóng điều hòa so với sóng cơ bản. Các thiết
bị sử dụng điện chỉ hoạt động tốt nhất nếu chất lượng điện đảm bảo.
Sóng điều hòa sinh ra do trên lưới điện tồn tại các phần tử phi tuyến, gây
ra các bất lợi như; gây méo tín hiệu sin của lưới điện, làm giảm hệ số công suất,
tăng tổn thất, giảm độ tin cậy cung cấp điện, làm giảm chất lượng điện năng....
Nên việc lọc bỏ các thành phần sóng hài cần được giải quyết.
Tiếp theo ta sẽ đi tìm hiểu chung về sóng điều hòa bậc cao.
1.2. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ SÓNG ĐIỀU HÒA
Sóng điều hòa hay sóng hài có thể coi là tổng của các dạng sóng sin mà
tần số của nó là bội số nguyên của tần số cơ bản.
40

30

20

I (A)

10

0

­10

­20

­30

­40

0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01
Time (s)

0.012

0.014

0.016

0.018

0.02

Hình 1.1. Dạng sóng sin và dạng sóng điều hòa
Ở chế độ vận hành đối xứng các sóng điều hòa bậc cao có thể chia thành
các thành phần thứ tự thuận, nghịch, không:
- Thành phần thứ tự thuận: Các sóng điều hòa bậc 4, 7, 11, …

4


- Thành phần thứ tự nghịch: Các sóng điều hòa bậc 2, 5 8, …
- Thành phần thứ tự không: Các sóng điều hòa bậc 3, 6, 9, …
Khi vận hành không đối xứng thì mỗi sóng điều hòa có thể bao gồm một
trong ba thành phần thứ tự nói trên.
Sóng điều hòa bậc cao ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng lưới điện và
phải chú ý khi tổng sóng điều hòa dòng điện bậc cao hơn mức độ cho phép.
Sóng điều hòa dòng điện bậc cao là dòng điện có tần số bằng bội số nguyên lần
tần số cơ bản. Ví dụ 150(Hz) trên lưới 50 (Hz) là dòng điều hòa bậc 3, dòng
150(Hz) là dòng không sử dụng được với các thiết bị trên lưới. Vì vậy nó sẽ
chuyển sang dạng nhiệt năng và gây tổn hao.
Sử dụng chuỗi Furier với chu kỳ T(s), tần số cơ bản f=1/T(s) (Hz) hay
=2f (rad) có thể biểu diễn một sóng điều hòa với biểu thức sau:
f(t) = + Fsin(nt+n)

(1.1)

Trong đó:
: Giá trị trung bình.
F: Biên độ sóng điều hòa bậc n trong chuỗi Furier.
F1sin(t+) : Thành phần sóng cơ bản.
Fnsin(nt+n): Thành phần sóng điều hòa bậc n
n: Góc pha của sóng điều hòa bậc n
Ta có thể viết lại như sau:
Fsin(nt+) = F(sinnt.cos+sin.cosnt)
Quy ước như sau:
Fsin = b, Fcos = a

Hình 1.2. Phân tích F thành a và b.
Khi đó ta có thể viết như sau:

5


f(t) = +acosnt+bsinnt

(1.2)

Hay có thể viết (1.2) dưới dạng như sau:
f(t) = +

(1.3)

Ví dụ về phổ của sóng điều hòa:

Hình 1.3. Phổ của sóng điều hòa.

THD là một tham số quan trọng để đánh giá sóng điều hòa và được gọi là
hệ số méo dạng (Total Harmonic Distortion).
THD =

(1.4)

Trong đó:
X: Là biên độ thành phần cơ bản
X: Là biên độ thành phần điều hòa bậc n.
Theo đó từ (1.4) ta có thể đánh giá độ méo dòng điện và điện áp qua hệ số
méo dạng dòng điện và hệ số méo dạng điện áp.
Hệ số méo dạng điện áp:
THD =

(1.5)

Trong đó:
U: Là biên độ thành phần điện áp cơ bản.
U: Là biên độ thành phần áp điều hòa bậc n.

6


1.3. CÁC NGUỒN SINH SÓNG ĐIỀU HÒA
Trong những năm gần đây, các thiết bị điện tử (như bộ điều chỉnh tốc độ
động cơ, các bộ chỉnh lưu điều khiển, máy vi tính,…) đã gây ra nhiều vấn đề
liên quan đến sóng họa tần trong lưới điện. Đối với hệ thống truyền tải điện thì
ảnh chủ yếu do cảm kháng từ hóa phi tuyến của máy biến áp, thiết bị hồ quang
như: các lò điện hồ quang, các máy hàn, các cuộn kháng điện trong các thiết bị
hoạt động trên cơ sở cảm ứng điện từ.

Đối với điều kiện vận hành không cân bằng giữa các pha như điện áp hệ
thống không cân bằng, tổng trở hệ thống hay tải không cân bằng mỗi thành phần
sóng hài có thể xảy ra trong ba thành phần (thuận, nghịch, không). Ngoài ra các
tụ bù trong lưới điện thường kết hợp với cảm kháng lưới tạo ra mạch cộng
hưởng làm khuếch đại các dòng hài có tần số lân cận tần số cộng hưởng tồn tại
trong lưới. Sau đây đi xem xét chi tiết các nguồn họa tần.
1.3.1. Máy điện
a.Máy biến áp
Trong vận hành máy biến áp nếu xuất hiện hiện tượng bão hòa của lõi
thép do quá tải hoặc máy biến áp phải làm việc với điện áp cao hơn điện áp định
mức thì có thể sinh ra sóng điều hòa bậc cao. [3]
Khi từ hóa lõi thép máy biến áp, do mạch từ bão hòa sẽ làm xuất hiện
những hiện tượng mà trong một số trường hợp ảnh hưởng đến trạng thái làm
việc của máy biến áp. Ở đây xét những ảnh hưởng đáng kể đó khi máy biến áp
làm việc không tải.
Ta biết rằng khi đặt vào dây quấn sơ cấp điện áp hình sin thì sẽ sinh ra
dòng điện không tải I chạy trong nó, dòng điện không tải I này sinh ra từ thông 
chạy trong lõi thép. Ở đây nếu không kể đến tổn hao trong lõi thép thì dòng điện
không tải I thuần túy là dòng điện phản kháng dùng để từ hóa lõi thép. Khi đó
quan hệ  =f(I) cũng chính là quan hệ từ hóa B=F(H). Trên cơ sở lý thuyết
mạch, do hiện tượng bão hòa của lõi thép, nếu  là hình sin thì I không hình sin
và có dạng nhọn đầu và trùng pha với , nghĩa là dòng điện I ngoài thành phần

7


sóng cơ bản còn có các thành phần sóng hài bậc cao 3, 5, 7…, trong đó đáng chú
ý là thành phần hài bậc 3 lớn nhất và đáng kể hơn cả, còn các thành phần khác
khá nhỏ.

Hình 1.4. Hiện tượng từ trễ và bão hòa mạch từ làm méo dạng sóng dòng điện
b. Động cơ điện
Tương tự máy biến áp động cơ xoay chiều khi hoạt động sinh ra các sóng
điều hòa bậc cao. Các sóng điều hòa bậc cao được phát sinh bởi máy điện quay
liên quan chủ yếu đến 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 và các đường dò và do các dây
quấn dùng để giảm dao động đặt không đối xứng.
Máy phát cấp cho tải không đối xứng:
Trong quá trình cung cấp điện có thể xảy ra các trường hợp tải các pha
không bằng nhau. Như vậy máy phát điện đồng bộ làm việc ở tải không đối
xứng, trong máy điện đồng bộ sẽ sinh ra một số hiện tượng bất lợi như điện áp
không đối xứng, các sóng hài sức điện động và dòng điện bậc cao. Và đặc biệt
khi có dòng họa tần phát sinh mạch ngoài tác động lên đầu cực máy phát từ đó
có sự biến thiên từ trở phản ứng giữa các khe hở của stator và rotor của máy làm
chuyển đổi bậc dòng họa tần này lan truyền vào trong hệ thống.

8


1.3.2. Các đèn huỳnh quang
Ngày nay các đèn huỳnh quang được sử dụng rộng rãi do có ưu điểm là
tiết kiệm được chi phí. Tuy nhiên sóng điều hòa bậc cao sinh ra bởi đèn huỳnh
quang cũng rất lớn.
1.3.3. Các thiết bị hồ quang
Các thiết bị thường gặp trong hệ thống điện là các lò hồ quang công
nghiệp, các máy hàn… 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.[3]

Trong thực tế các lò quang thường dùng trong ngành công nghiệp thép có
sơ đồ nguyên lý như hình 1.5.
Với lò hồ quang xoay chiều, sóng hài tạo ra là phi tuyến, bất đối xứng và
không ổn định. Nó sinh ra dòng hài bậc chẵn, lẻ và phổ liên tục. Với lò hồ quang
một chiều, được cấp điện qua bộ chỉnh lưu tĩnh dùng thyristor thì sinh các dòng
hài bậc cao như bộ chỉnh lưu và tính liên tục của phổ dòng điện ở mức nhỏ hơn
lò hồ quang dùng điện AC.

Hình 1.5. Lò hồ quang cấp nguồn xoay chiều và một chiều
1.3.4. Thiết bị 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,

9


MOSFET, IGBT, 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
Discrete,
Ts = 1e- 005 s.

được các thành phần điều hòa. Từ đó có thể thấy là khi muốn giảm sóng điều
powergui

Scope

hòa dòng điện ta có thể tăng số van trong mạch chỉnh lưu lên. Tuy nhiên khi đó
+ i
-

A

gây ra một số bất lợi như cồng kềnh, nặng, điều khiển phức tạp, tổn thất công
+

B

suất và sinh ra sóng điều hòa dòng điện bậc cao khi tải không đối xứng hoặc
C

Universal Bridge

C

A

B

điện áp không đối xứng.

-

N

Ta xét dạng sóng điều hòa gây ra bởi một số bộ biến đổi công suất:
Xét cầu chỉnh lưu một pha không điều khiển có mô hình như sau:

i
+ -

Hình 1.6. Mô hình chỉnh lưu cầu một pha không điều khiển
Dòng điện trên đường dây cấp nguồn cho bộ chỉnh lưu:
Selected signal: 5 cycles. FFT window (in red): 1 cycles
1
0
­1
0

0.02

0.04
0.06
Time (s)

0.08

0.1

`

Hình 1.7. Dòng điện lưới gây ra do bộ chỉnh lưu một pha không điều khiển
Fundamental (50Hz) = 1.535 , THD= 15.21%

damental)

14
12
10

10


1
0
­1

Dạng phổ của dòng điện:0

0.02

0.04
0.06
Time (s)

0.08

0.1

Fundamental (50Hz) = 1.535 , THD= 15.21%

Mag (% of Fundamental)

14
12

10
8
6
4
2
0

0

5

10
Harmonic order

15

20

Hình 1.8. Phổ dòng điện chỉnh lưu cầu một pha
Xét chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển:
Sơ dồ chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển:

Hình 1.9. Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển.
Mô hình chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển:
Discrete,
Ts = 1e- 005 s.
po wergui
Scope

+ i

-

A

+

B

Universal Bridge

C

B

-

N

A

C

Hình 1.10. Mô hình chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển.
Dạng sóng dòng điện trên pha A của nguồn cấp cho bộ chỉnh lưu
+ -i

11


Selected signal: 5 cycles. FFT window (in red): 1 cycles

4
2
0
­2
­4

0

Selected signal: 5 cycles. FFT window (in red): 1 cycles
0.02
0.04
0.06
0.08

4

0.1

Time (s)

2

Hình 1.11. Dòng điện
trên lưới gây ra bởi chỉnh lưu cầu ba pha không điều
0
 

­2
­4

20

0

0.02

0.04
0.06
Time (s)

0.08

0.1

15
Fundamental (50Hz) = 4.373 , THD= 29.10%
25

10
5
0

Mag (% of Fundamental)

Mag (% of Fundamental)

Dạng phổ dòng điện:

khiển.

20
15

010

200

400
600
Frequency (Hz)

800

1000

5
0

0

5

10
Harmonic order

15

20

Hình 1.12. Phổ dòng điện chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển.

Ta thấy dòng điện đầu vào bộ chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển có
độ méo rất lớn THD=29.10 %. Các thành phần sóng điều hòa này là do tính phi
tuyến của bộ chỉnh lưu cầu gây ra. Trong đó các thành phần sóng điều hòa bậc 5,
7, 11, 13, 17, 19 là chủ yếu.
Xét chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển.
Sơ đồ nguyên lý của chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển.

12


Hinh1.13. Sơ đồ nguyên lý của chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển.
Mô hình chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển trên Simulink - Matlab:
Continuous
pow ergui

Pul ses2
g

+ i
-

i
+ -

+

A
B

Pulses1

­

C
+
v
­

Thyristor Converter
30

alpha_deg

+
v
­

AB

Vab

BC

+
v
­

CA

0

Vbc

Vab1

pulses

Block

Synchronized
6­Pulse Generator

+
v
­

Vca
Va

Vb

Vc

Hình 1.14. Mô hình mạch chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển.
Trong trường hợp góc điều khiển là 30 ta có dòng điện trên pha A:
Selected signal: 5 cycles. FFT window (in red): 1 cycles
20
0

Selected signal: 5 cycles. FFT window (in red): 1 cycles

­20

20
0

0

0.02

0.04
0.06
Time (s)

­20
0

0.02

0.04

0.06

0.08
0.08

0.1
0.1

Hình 1.15. Dòng điện bộ chỉnh lưuTime (s)

cầu ba pha với góc điều khiển 30
Fundamental (50Hz) = 32.82 , THD= 34.31%
Fundamental (50Hz) = 32.82 , THD= 34.31%

10
10

8

Mag

Mag

8

6

6

4

4

2

2

0

0

0

0

5

5

10
Harmonic order
10

15

15

20

20

Harmonic order

13


Hình 1.16. Phổ dòng điện chỉnh lưu cầu ba pha với góc điều khiển 30.
Trong trường hợp góc điều khiển là 90 thì dòng điện trên pha A có dạng như
sau:

Selected signal: 5 cycles. FFT window (in red): 1 cycles
4
2
0
­2
4
­4
2
0

Selected signal: 5 cycles. FFT window (in red): 1 cycles

0

0.02

0.04
0.06
Time (s)

0.08

0.1

­2

Hình 1.17. Dòng
điện bộ chỉnh lưu cầu ba pha với góc điều khiển 90
­4
Fundamental (50Hz) = 0.7976 , THD= 213.49%

0.02
0.04
0.06
0.08
Time (s)

0

0.1

0.8
Fundamental (50Hz) = 0.7976 , THD= 213.49%

Mag

Mag

0.6
0.8
0.4
0.6
0.2
0.4
0
0.2
0

0

0

5

5

10
Harmonic order

10
Harmonic order

15

15

20

20

Hình 1.18. Phổ dòng điện chỉnh lưu cầu ba pha với góc điều khiển 90.
Từ kết quả ở trên với chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển ta thấy khi thay
đổi góc điều khiển thì độ méo dòng điện cũng tăng lên rất lớn THD=213.49%
trong trường hợp góc điều khiển là 90 0 so với khi góc điều khiển 30 0 có
THD=34,31%
Như vậy khi càng tăng góc điều khiển thì các thành phần sóng điều hòa
bậc cao sinh ra càng lớn làm độ méo dòng điện càng tăng.
1.4. ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG ĐIỀU HÒA BẬC CAO
Sự tồn tại sóng điều hòa bậc cao gây ảnh hưởng tới tất cả các thiết bị và
đường dây truyền tải điện. Chúng gây ra quá áp, méo điện áp lưới làm giảm chất

14


lượng điện năng. Nói chung chúng gây ra tăng nhiệt độ trong các thiết bị và ảnh
hưởng tới cách điện, làm tăng tổn hao điện năng, làm giảm tuổi thọ của thiết bị,
trong nhiều trường hợp thậm chí còn gây hỏng thiết bị.
Ảnh hưởng quan trọng nhất của sóng điều hòa bậc cao đó là việc làm tăng
giá trị hiệu dụng cũng như giá trị đỉnh của dòng điện và điện áp, có thể thấy rõ
qua công thức sau:
U= = =

(1.6)

I= = =

(1.7)

Khi giá trị hiệu dụng và giá trị biên độ của tín hiệu dòng điện hay điện áp
tăng do sóng điều hòa bậc cao sẽ gây ra một số vấn đề:
Làm tăng phát nóng của dây dẫn điện, thiết bị điện.
Gây ảnh hưởng đến độ bền cách điện của vật liệu, làm giảm khả năng
mang tải của dây dẫn điện.
1.4.1. Với máy biến áp
Các sóng điều hòa bậc cao gây ra tổn thất đồng, tổn thất từ thông tản và
tổn thất sắt làm tăng nhiệt độ MBA do đó làm tăng tổn thất điện năng.[3]
Sóng hài bậc cao gây ra tổn hao và gây nhiễu lên mạch từ của nó.
Tổn hao Joule:
Ta có: PCu = R.I
Mà: I = I + I

(1.8)
(1.9)

 Dòng họa tần bậc cao càng lớn thì tổn hao Joule càng tăng.
Tổn hao sắt từ gồm tổn hao do dòng điện xoáy và tổn hao do từ hóa:
Tổn hao do dòng điện xoáy: Pxoáy = ke.B2.f2
Tổn hao do từ hóa: Erms=4,44.kdq.wph..f
Với

k: hệ số dây quấn
w: số vòng dây quấn trên một cực
: từ thông cực từ.
f: tần số dòng điện.
=> Khi tần số hài càng cao gây nên tổn hao sắt từ càng cao.

15


Khi có dòng hài bậc cao, tổn thất sắt và tổn thất từ thông tản sẽ tăng lên.
Tổn thất đồng do tỉ lệ với bình phương dòng điện nên cũng tăng và hiện tượng
từ trễ các sóng hài gây bão hòa mạch từ và tất cả chúng làm gia tăng nhiệt độ,
làm cho MBA làm việc bị quá tải gây ra cháy máy.
Tổn hao cách điện: Khi làm việc với tần số cao dẫn đến các quá trình hoá
lý xảy ra liên tục tổn thất điện môi mau chóng già cỗi hơn so với làm việc ở điện
áp hình sin. Độ phân cực tg tăng gấp đôi sau hai năm làm việc với nguồn có độ
méo dạng THD=5%.
Pe=U2..C.tg
Với

U: Điện áp đặt lên 2 đầu cách điện

C: ..S/d
: Tần số góc.
tg: Hệ số tổn hao điện môi.

Do ảnh hưởng của các yếu tố trên MBA hoạt động dưới công suất định
mức. Thường người ta sử dụng hệ số suy giảm công suất:
k= <1
Với

(1.10)

i: bậc hài.
I: Dòng điện cơ bản

Qua đó ta thấy MBA có công suất định mức Sn thì chỉ được phép cung
cấp cho tải có công suất là k.Sn
Ví dụ: tải dạng Switchmode Power Supply được cung cấp bởi MBA công
suất 250KVA.
Bảng 1.1: Giá trị dòng hài của bộ Computer Switch Power Supply.[3]
I1
100%

I3
130%

I5
70%

I7
50%

I9
30%

I11
10%

Khi đó hệ số MBA được xác định:
=> k = 0,532 và công suất MBA tối thiểu là 470KVA
Theo tiêu chuẩn IEE57 1200-1980 đưa ra giới hạn đối với các sóng hài
dòng điện tải trong máy biến áp 0,05pu giá trị hệ số điều hòa dòng điện. Tiêu

16


chuẩn của giá trị điện áp hiệu dụng cực đại mà MBA phải chịu đựng ở trạng thái
xác lập là 5% ở tải định mức và 10% ở chế độ không tải. Các trị số hiệu dụng
của các thành phần điều hòa trong điện áp sử dụng không vượt quá giá trị định
mức này.
1.4.2. Động cơ điện
Tổn hao trên cuộn dây và lõi thép động cơ tăng, làm méo dạng momen,
giảm hiệu suất máy, gây tiếng ồn, các sóng điều hòa bậc cao còn có thể sinh ra
momen xoắn trục động cơ hoặc gây ra dao động cộng hưởng cơ khí làm hỏng
các bộ phận cơ khí trong động cơ.
Gây ảnh hưởng đến hoạt động của các thiết bị bảo vệ (tác động sai): các
sóng điều hòa bậc cao có thể làm momen tác động của rơle biến dạng gây ra
hiện tượng nháy, tác động ngược, có thể làm méo dạng điện áp, dòng điện dẫn
đến thời điểm tác động của rơle sai lệch, gây cảnh báo nhầm của các UPS.
1.4.3. Với tụ điện
Đối với các bộ tụ điện, dung kháng của các tụ giảm khi tần số tăng lên.

Do đó các tụ thường rất nhạy với tần số của nguồn cung cấp. Trong thực tế, điều
này có nghĩa là chỉ một giá trị nhỏ của sóng hài điện áp có thể tạo nên dòng điện
lớn đi qua mạch chứa tụ. Ảnh hưởng của các thành phần điều hòa trên bộ tụ điện
đó là sự gia tăng nhiệt của điện môi cao hơn.
Tiêu chuẩn của ANSI/IEEE 18-1980 qui định các giới hạn về điện áp,
dòng điện và công suất phản kháng của các bộ tụ điện. Nó được dùng để xác
định các mức điều hòa tối đa cho phép.[3]
Tiêu chuẩn này tối đa cho phép các tụ điện có thể sử dụng trong các giới
hạn sau đây, bao gồm các thành phần điều hòa:
- 110% điện áp hiệu dụng định mức.
- 120% điện áp đỉnh định mức.
- 180% dòng điện hiệu dụng định mức.
- 135% công suất phản kháng định mức.

17


Để nâng cao hệ số công suất thường được sử dụng tụ bù công suất phản
kháng. Các tụ điện và điện kháng của mạng điện khi kết hợp với nhau tạo ra
mạch cộng hưởng khuếch đại các dòng hài có tần số gần tần số cộng hưởng.
Các dạng cộng hưởng thường gặp:
Cộng hưởng nối tiếp: Ở các trường hợp bù dọc cộng hưởng nối tiếp có thể
làm tăng dòng hài của hệ thống.

Hình 1.19. Mạch cộng hưởng nối tiếp.
Cộng hưởng song song:

Hình 1.20. Mạch cộng hưởng song song.
Khi đó ta có:
+ Tần số cộng hưởng:

f=
+ Hệ số khuếch đại:
K= =R=

(1.11)

Hài áp bậc h cộng hưởng làm tăng biên độ dòng hài qua tụ lên K lần.
Nhận thấy trong lưới điện công nghiệp K có thể rất lớn, khi xảy ra cộng
hưởng thì sẽ gây quá áp trên tụ điện gây hư hỏng tụ điện.
Cộng hưởng phân bố: Dạng cộng hưởng này thường gặp trong mạng điện
có đường dây dài.

18


Hình 1.21. Mạch cộng hưởng phân bố.
Nỗ lực này nhằm sử dụng quá định mức các tụ điện trong các điều kiện
không bình thường, chẳng hạn trong các điều kiện có sóng hài. Liên quan đến
việc tụ bù cho phụ tải, các giàn tụ bù công suất phản kháng thường được ghép
song song lưới điện tại thanh góp các trạm bù. Tụ bù không trực tiếp sinh ra
sóng họa tần, nhưng nó kết hợp cảm kháng của lưới để tạo nên mạch cộng
hưởng, mạch này có thể khuếch đại các sóng họa tần bậc cao có sẵn trong lưới
điện.
Các hệ thống tụ bù này khi mà tần số dao động riêng của hệ thống này đạt
giá trị gần bằng với một sóng hài riêng biệt nào đó, hiện tượng cộng hưởng riêng
sẽ xảy ra. Lúc này, điện áp và dòng điện của sóng hài liên quan sẽ được khuếch
đại lên. Trong trường hợp đặc biệt này, dòng điện đạt giá trị cao làm nóng quá
mức tụ điện, làm giảm chất lượng điện môi và hậu quả kéo theo là gây hỏng tụ
điện.
1.4.4. Dây trung tính

Dòng chạy trong dây trung tính có thể coi bằng không. Tuy nhiên, lưới 3
pha cung cấp cho các tải không đối xứng luôn có dòng chạy trong dây trung
tính. Do đó nếu hệ thống cân bằng khi xuất hiện sóng hài trong lưới điện nhất là
hài bội ba chạy trong dây trung tính sẽ được khuếch đại lên 3 lần theo biểu thức
dưới có thể vượt quá giá trị phát nóng cho phép của dây dẫn theo biểu thức:
I = 3I+ 3Icos(kt-)

(1.12)

Trong hệ thống nối đất TN-C, khi dòng hài bậc 3 và bội 3 tồn tại thì độ an
toàn của hệ thống giảm và ta phải tránh xa chỗ nối đất để không bị điện giật.
1.4.5. Dây dẫn điện
Cùng một công suất tiêu thụ nhưng khi dây dẫn dòng hài tổn hao nhiệt
trên dây dẫn cao hơn do:

19


- Gây phát nóng quá mức cho phép của dây dẫn do giá trị hiệu dụng sẽ
tăng lên.
- Do ảnh hưởng của hiệu ứng bề mặt, điện trở của dây dẫn càng tăng khi
tần số càng lớn.
1.4.6. Nhiễu điện từ
Dòng hài bội ba chạy trong dây trung tính của các sơ đồ TN-C sẽ tạo sự
chênh lệch thế trên dây. Điều này có thể dẫn đến tăng dòng trên các liên kết
thông tin giữa vỏ của hai thiết bị, có thể bức xạ nhiễu điện từ lên màn hình của
máy tính.
1.4.7. Ảnh hưởng đến các thiết bị khác
Gây chỉ thị sai đối với thiết bị đo lường ví dụ như thiết bị kiểm tra cách
điện thường trực (PIM) thì khi có hài bội bậc cao có thể có dòng trên dây trung

tính, PIM có thể nhận thấy và báo tín hiệu sai hoặc đối với các CB điện tử khi có
sóng hài có thể làm CB tác động không mong muốn.
Làm tăng nhiệt máy cắt, ảnh hường khả năng cắt dòng của máy cắt do
dòng hài tồn tại làm tăng dòng hiệu dụng qua máy cắt dẫn đến máy cắt tác động
sai lệch.
Các máy cắt hoạt động cắt không được do các cuộn cắt không có khả
năng vận hành thích hợp trong điều kiện hiện diện các sóng hài phức tạp.
Sóng hài gây nên trạng thái vận hành không mong muốn của cầu chì (do
là đặc tính thời gian và dòng điện của các dây chì).
Sự xuất hiện các dòng điện trong dây trung tính gây tác động chức năng
của các relay (như relay phát hiện dòng rò, dòng chạm đất...).
Sóng hài trong hệ thống làm relay có thể tác động sai. Do relay hoạt động
phụ thuộc vào trị đỉnh của điện áp và dòng điện. Do đó chúng chịu ảnh hưởng
trực tiếp bởi sự méo dạng của sóng hài. Các loại relay bảo vệ có thể tác động sai
do hiện tượng méo dạng dòng hay áp.
Đối với các đèn chiếu sáng trong các chấn lưu có tụ và cuộn cảm sóng hài
gây cộng hưởng tạo nên sự gia tăng nhiệt gây hư hỏng.

20


Gây kích dẫn không đúng thời điểm cho các thiết bị công suất, hư hỏng
các phần tử trong bộ lọc của đường dây sử dụng trong hệ thống thông tin.
Các thiết bị truyền dẫn để điều khiển từ xa sẽ vận hành sai nếu tần số sóng
hài gần với tần số truyền dẫn.
1.5. MỘT SỐ TIÊU CHUẨN GIỚI HẠN THÀNH PHẦN SÓNG HÀI
TRÊN LƯỚI
Với những tác hại to lớn đã được đề cập ở phần trên, việc quy định một
tiêu chuẩn thống nhất về các thành phần sóng hài bậc cao trên lưới cần được đưa
ra để hạn chế ảnh hưởng của chúng tới các thiết bị tiêu dùng điện khác và đảm

bảo chất lượng điện năng cho lưới điện.
Ở nước ta hiện chưa có tiêu chuẩn nào về việc hạn chế thành phần sóng
hài trên lưới. Tuy nhiên với sự phát triển mạnh mẽ về công nghiệp ở nước ta
hiện nay, việc xây dựng và áp dụng các tiêu chuẩn giới hạn sóng hài trên lưới
điện là vấn đề tất yếu trong thời gian tới đây.
Trên thế giới đã xây dựng và áp dụng một số tiêu chuẩn như tiêu chuẩn
IEEE std 519, IEC 1000-4-3 để giới hạn các thành phần sóng hài trên lưới điện.
Sau đây sẽ giới thiệu một số tiêu chuẩn trên thế giới về giới hạn các thành
phần sóng hài trên lưới điện mà Việt Nam được phép áp dụng.
1.5.1. Tiêu chuẩn IEEE std 519
Giới hạn nhiễu điện áp trên lưới điện (IEEE std 519, Recommend
Practices for Ultilities). [7]
Tiêu chuẩn được trình bày ở bảng sau:
Bảng 1.2 . Giới hạn nhiễu điện áp theo tiêu chuẩn IEEE std 519
Điện áp tại điểm nối
chung
(Point Common
Couping)
69kV và thấp hơn
Trên 69kV tới 161kV
Trên 161kV

Nhiễu điện áp từng

Nhiễu điện áp tổng cộng

loại sóng điều hòa

các loại sóng hài THD

(%)=Uh/Ul

(%)

3,0
1,5
1,0

5,0
2,5
1,5

21


Tiêu chuẩn IEEE std 519 giới hạn nhiễu dòng điện trên lưới điện (IEEE std 519,
Recommend Practices for Individual Comsumer)
Tiêu chuẩn này giới hạn nhiễu dòng điện cho hệ thống phân phối chung
quy định cho cấp điện áp từ 120V tới 69KV. Tiêu chuẩn được trình bày trong
bảng sau.
Bảng 1.3 . Giới hạn nhiễu dòng điện theo tiêu chuẩn IEEE std 519
Nhiễu dòng điện tối đa (% của Itải) (Maximum Harmonic Current
Distortion)
Tỷ số ngắn
mạch
(SCR=ISC/

h < 11 11≤h<17 17≤h<23 23≤h<35 h ≤ 35

THD

Itải )
Dưới 20
4,0
2,0
1,5
6,0
0,3
5,0
20 tới 50
7,0
3,5
2,5
1,0
0,5
8,0
50 tới 100
10,0
4,5
4,0
1,5
0,7
12,0
100 tới 1000 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
Hài bậc chẵn được giới hạn tới 25% của giới hạn bậc lẻ ở trên
h: bậc của sóng điều hòa

22


1.5.2. Tiêu chuẩn IEC 1000-3-4
Bảng sau trình bày tiêu chuẩn IEC 1000-3-4, quy phạm tiêu chuẩn có tính
bắt buộc cho thiết bị trên 75A dòng đầu vào mỗi pha
Bảng 1.4. . Tiêu chuẩn IEC 1000-3-4
Bậc sóng

Dòng điều hòa có thể

Bậc sóng

điều hòa

chấp nhận được

điều hòa

(n)
3

5
7
9
11
13
15
17

Dòng điều hòa có thể

chấp nhận đượcIn/Il (%)
In/Il (%)
(n)
19
19
1,1
9,5
21
≤0,6
6,5
23
0,9
3,8
25
0,8
3,1
27
≤0,6
2,0
29

0,7
0,7
31
0,7
1,2
≥33
≤0,6
Sóng hài bậc chẵn: ≤ 4/n hoặc ≤ 0,6

23


CHƯƠNG 2. CÁC BỘ LỌC SÓNG ĐIỀU HÒA
Sóng điều hòa bậc cao được lọc bằng cách sử dụng bộ lọc. Bộ lọc là thiết
bị tao ra đặc tuyến tần số định trước mà chức năng của nó là cho một tần số đi
qua đồng thời loại bỏ những tần số không mong muốn.
Bộ lọc sóng điều hòa có thể là:
- Bộ lọc tích cực (Active Filters)
- Bộ lọc thụ động (Passive Filters)
- Bộ lọc hỗn hợp
2.1. BỘ LỌC THỤ ĐỘNG
Bao gồm các phần tử R, L, C được ghép với nhau và được lụa chọn để lọc
một dải tần số xác định. Nguyên lý làm việc của bộ lọc loại này là tạo ra một
môi trường dẫn có tổng trở xấp xỉ bằng không đối với các sóng điều hòa cần lọc
để sóng điều hòa đó chạy ra khỏi hệ thống.
Trong sơ đồ lọc ba pha chủ yếu là hai loại bộ lọc là bộ lọc RC và bộ lọc
LC. Trong cả hai bộ lọc này đều có tụ điện, tụ điện có thể mắc hình sao hoặc
hình tam giác.
Khi mắc tụ điện tam giác thì tiết kiệm dung lượng tụ xong không loại trừ
hết được sóng điều hòa điện áp dây.

Bộ tụ đấu hình sao có dung lượng tụ tăng nên ba lần nhưng loại được
sóng điều hòa cả điện áp dây và điện áp pha và đặc biệt khi tụ đấu sao có trung
tính thì có thể loại luôn điện áp thứ tự không, sinh ra khi chuyển mạch van bán
dẫn.
2.1.1. Dùng cuộn kháng triệt sóng hài
Nguyên lý lắp đặt:
Bằng cách đặt cuộn cảm mắc nối tiếp với tụ C và đặt tại thanh cái trạm
giảm áp chính. Khi đó điều kiện cộng hưởng song song dịch chuyển khỏi tần số
khảo sát về tần số thấp hơn. [3]

24


Hình 2.1. Sơ đồ đơn tuyến và sơ đồ tương đương LC.
Trong đó:
R: Điện trở đặc trưng cho công suất tác dụng của tải tuyến tính
Lsc: Điện cảm ngắn mạch từ hệ thống
L: Điện cảm của cuộn kháng triệt hài
C: Điện dung của tụ bù
Ih: Nguồn hài thay thế cho tải phi tuyến
Cuộn cảm mắc nối tiếp với tụ tạo mạch cộng hưởng nối tiếp LC ở tần số
fr. Tần số của mạch bao gồm LSC mắc song song với nhánh LC được gọi là tần số
chống cộng hưởng far, tại tần số này trở kháng tương đương của mạng điện là R.
Trở kháng tương đương của mạch điện:
= -j+

(2.1)

Cộng hưởng nối tiếp nhánh LC:
f=

(2.2)

Tần số chống cộng hưởng:
f=

(2.3)

25