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
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.02 MB, 91 trang )
MỤC LỤC
MỤC LỤC
.............................................................................................................
1
MỞ ĐẦU
..............................................................................................................
3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ SÓNG ĐIỀU HÒA
.........................................
5
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
............................................................................................
5
1.2. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ SÓNG ĐIỀU HÒA
........................................
5
1.3. CÁC NGUỒN SINH SÓNG ĐIỀU HÒA
..................................................
8
1.3.1. Máy điện
.............................................................................................
8
1.3.2. Các đèn huỳnh quang
........................................................................
10
1.3.3. Các thiết bị hồ quang
........................................................................
10
1.3.4. Thiết bị điện tử công suất
................................................................
11
1.4. ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG ĐIỀU HÒA BẬC CAO
.............................
16
1.4.1. Với máy biến áp
...............................................................................
17
1.4.2. Động cơ điện
....................................................................................
18
1.4.3. Với tụ điện
.......................................................................................
19
1.4.4. Dây trung tính
....................................................................................
21
1.4.5. Dây dẫn điện
....................................................................................
21
1.4.6. Nhiễu điện từ
...................................................................................
22
1.4.7. Ảnh hưởng đến các thiết bị khác
.....................................................
22
1.5. MỘT SỐ TIÊU CHUẨN GIỚI HẠN THÀNH PHẦN SÓNG HÀI TRÊN
LƯỚI
..............................................................................................................
23
1.5.2. Tiêu chuẩn IEC 100034
.................................................................
25
CHƯƠNG 2. CÁC BỘ LỌC SÓNG ĐIỀU HÒA
.............................................
26
2.1. BỘ LỌC THỤ ĐỘNG
.............................................................................
26
2.1.1. Dùng cuộn kháng triệt sóng hài
........................................................
26
2.1.2. Bộ lọc RC
.........................................................................................
29
2.1.3. Bộ lọc LC
..........................................................................................
30
2.1.4. Mạch lọc cản
....................................................................................
30
1
2.1.5. Mạch lọc kép
....................................................................................
31
2.1.4. Mô phỏng bộ lọc thụ động cho tải phi tuyến
.................................
31
2.2. BỘ LỌC TÍCH CỰC
...............................................................................
35
2.2.1. Gới thiệu về bộ lọc tích cực
............................................................
35
2.2.2. Các phạm vi công suất của mạch lọc tích cực
...............................
35
2.2.3. Phân loại mạch lọc tích cực
.............................................................
36
2.3. DÙNG BỘ CHUYỂN ĐỔI XUNG TRONG THIẾT BỊ ĐỔI ĐIỆN,
ĐIỀU KHIỂN
..................................................................................................
42
2.3. BỘ LỌC HỖN HỢP
...............................................................................
43
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ BỘ LỌC TÍCH CỰC SONG SONG
........................
45
3.1. KHÁI QUÁT CHUNG VỀ CHỈNH LƯU PWM
.....................................
45
3.1.1. Sơ đồ nguyên lý mạch lực
...............................................................
45
3.1.2. Một số cấu trúc điều khiển
.............................................................
47
3.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ LỌC TÍCH CỰC
...............
48
3.2.1. Phương pháp dựa trên miền tần số
.................................................
48
3.2.2. Các phương pháp dựa trên miền thời gian
......................................
50
3.3. CẤU TRÚC MẠCH LỌC TÍCH CỰC SONG SONG SỬ DỤNG
CHỈNH LƯU PWM
........................................................................................
56
3.3.1. Nguyên lý điều khiển
.......................................................................
56
3.3.2. Phương pháp điều khiển PWM dòng điện
......................................
57
3.3. THIẾT KẾ MẠCH LỌC TÍCH CỰC SỬ DỤNG CHỈNH LƯU PWM . 62
3.3.1. Xây dựng mô hình mô phỏng
...........................................................
62
3.3.2. Khảo sát với nguồn điện lý tưởng
...................................................
68
3.3.3. Thiết kế thi công mô hình mạch lọc tích cực
..................................
74
3.3.4. So sánh kết quả thực nghiệm với kết quả mô phỏng.
...................
84
KẾT LUẬN
.........................................................................................................
90
TÀI LIỆU THAM KHẢO
...................................................................................
91
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
3
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.
4
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
5
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, …
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
6
Hình 1.2. Phân tích F thành a và b.
Khi đó ta có thể viết như sau:
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.
7
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
8
không hình sin và có dạng nhọn đầu và trùng pha với , nghĩa là dòng điện I
ngoài thành phần 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
9
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.
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.
10
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, 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 được các thành phần điều hòa. Từ đó có thể thấy là khi muốn
Discre t e ,
Ts = 1 e 0 0 5 s.
p o we rg u i
giảm sóng điều hòa dòng điện ta có thể tăng số van trong mạch chỉnh lưu lên.
Scope
Tuy nhiên khi đó gây ra một số bất lợi như cồng kềnh, nặng, điều khiển phức
i
+
A
+
tạp, tổn thất công suất và sinh ra sóng điều hòa dòng điện bậc cao khi tải
B
C
B
Univ er sal Br idge
C
A
không đối xứng hoặc 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:
11
Selected signal: 5 cycles. FFT window (in red): 1 cycles
1
0
-1
Selected signal: 5 cycles. FFT window (in red): 1 cycles
0
0.02
0.04
0.06
Time (s)
1
0.08
0.1
`
0
Hình 1.7. Dòng điện l-1ưới gây ra do bộ chỉnh lưu một pha không điều khiển
Fundamental (50Hz) = 1.535 , THD= 15.21%
14
Dạng phổ của dòng đi
ện:
0.02
0.04
0.06
Time (s)
0.08
0.1
12
Fundamental (50Hz) = 1.535 , THD= 15.21%
10
14
8
6
4
2
0
Mag (% of Fundamental)
Mag (% of Fundamental)
0
0
12
10
8
6
4
2
0
5
0
5
10
10 order
Harmonic
15
15
20
20
Harmonic order
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:
12
Discre t e ,
T s = 1 e 0 0 5 s.
p o we rg u i
Scope
+ i
A
+
B
C
B
Univ er sal Br idge
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
Selected signal: 5 cycles.
FFT window (in red): 1 cycles
4
2
0
-2
-4
0
0.02 signal: 0.04
0.06 (in red): 0.08
Selected
5 cycles. FFT window
1 cycles
0.1
Time (s)
4
2
Hình 1.11. Dòng điệ0n trên lưới gây ra bởi chỉnh lưu cầu ba pha không điều
khiển.
-2
-4
20
0
0.02
0.04
0.06
Time (s)
0.08
0.1
15
Fundamental (50Hz) = 4.373 , THD= 29.10%
10
5
0
25
Mag (% of Fundamental)
Mag (% of Fundamental)
Dạng phổ dòng điện:
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.
13
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.
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
Pulses2
g
i
+
+
A
+
i
B
Pulses1
C
Thyristor Converter
30
alpha_deg
+
v
-
AB
Vab
BC
+
v
-
CA
Vbc
+
v
-
+
v
-
Vab1
0
pulses
Block
Synchronized
6-Pulse Generator
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:
14
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
Time (s)
0.08
0.1
0.08
0.1
Hình 1.15. Dòng điện bộ chỉnh lưu 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
10 order
Harmonic
15
20
15
20
Harmonic order
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
0
0.02
0.04
0.06
Time (s)
0.08
0.1
Hình 1.17. Dòng điện bộ chỉnh lưu cầu ba pha với góc điều khiển 90
Fundamental (50Hz) = 0.7976 , THD= 213.49%
0.8
Mag
0.6
0.4
0.2
0
0
5
10
Harmonic order
15
20
15
-2
-4
0
0.02
0.04
0.06
Time (s)
0.08
0.1
Fundamental (50Hz) = 0.7976 , THD= 213.49%
0.8
Mag
0.6
0.4
0.2
0
0
5
10
Harmonic order
15
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 900 so với khi góc điều
khiển 300 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 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 = = =
I = = =
(1.6)
(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:
16
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.
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
17
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
(1.10)
Với 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 12001980 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
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
18
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 th ực 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 181980 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.
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:
19
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.
Hình 1.21. Mạch cộng hưởng phân bố.
20
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 TNC, 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:
21
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 TNC 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.
22
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.
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 100043 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
Nhiễu điện áp từng
Nhiễu điện áp tổng
chung
loại sóng điều hòa
cộng các loại sóng hài
23
(Point Common
Couping)
69kV và thấp hơn
Trên 69kV tới 161kV
Trên 161kV
(%)=Uh/Ul
THD (%)
3,0
1,5
1,0
5,0
2,5
1,5
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
24
1.5.2. Tiêu chuẩn IEC 100034
Bảng sau trình bày tiêu chuẩn IEC 100034, quy phạm tiêu chuẩn có
tính bắt buộc cho thiết bị trên 75A dòng đầu vào mỗi pha
Bảng 1.4. . Tiêu chuẩn IEC 100034
Bậc sóng Dòng điều hòa có thể Bậc sóng
điều hòa
(n)
3
5
7
9
11
13
15
17
chấp nhận được
điều hòa
Dòng điều hòa có thể
chấp nhận đượcIn/Il (%)
In/Il (%)
(n)
19
19
9,5
21
6,5
23
3,8
25
3,1
27
2,0
29
0,7
31
1,2
≥33
Sóng hài bậc chẵn: ≤ 4/n hoặc ≤ 0,6
1,1
≤0,6
0,9
0,8
≤0,6
0,7
0,7
≤0,6
25
