Nghiên cứu ứng dụng bộ lọc tích cực cho cơ sở sản xuất công nghiệp cụ thể ở khu công nghiệp trà đa gia lai​

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM

---------------------------

VŨ HOÀNG HẢI

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ LỌC TÍCH CỰC
CHO CƠ SỞ SẢN XUẤT CÔNG NGHIỆP CỤ
THỂ Ở KHU CÔNG NGHIỆP TRÀ ĐA - GIA LAI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Thiết Bị, Mạng và Nhà Máy Điện
Mã số ngành: 60 52 50

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 09 năm 2012


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM

---------------------------

VŨ HOÀNG HẢI

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ LỌC TÍCH CỰC
CHO CƠ SỞ SẢN XUẤT CÔNG NGHIỆP CỤ
THỂ Ở KHU CÔNG NGHIỆP TRÀ ĐA - GIA LAI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Thiết Bị, Mạng và Nhà Máy Điện

Mã số ngành: 60 52 50

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN MẠNH HÙNG

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 09 năm 2012


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : Tiến sĩ Nguyễn Mạnh Hùng

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ
TP. HCM ngày 06 tháng 10 năm 2012
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)
1. ……………………………………………………………
2. ……………………………………………………………
3. ……………………………………………………………
4. ……………………………………………………………
5. ……………………………………………………………
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được
sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV


TRƯỜNG ĐH KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM
PHÒNG QLKH - ĐTSĐH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

TP. HCM, ngày 30 tháng 08 năm 2012

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Vũ Hoàng Hải

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 20/06/1984

Nơi sinh: Đồng Nai

Chuyên ngành: Thiết bị, Mạng và Nhà máy điện

MSHV: 1081031041

I- TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ LỌC TÍCH CỰC CHO CƠ SỞ SẢN XUẤT
CÔNG NGHIỆP CỤ THỂ Ở KHU CÔNG NGHIỆP TRÀ ĐA – GIA LAI.
II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
-

Tìm hiểu cấu trúc và nguyên lý hoạt động của bộ lọc tích cực.

-

Nghiên cứu phương pháp điều khiển tối ưu cho bộ lọc tích cực.

-

Thiết kế mô hình mô phỏng bộ lọc tích cực cho lò nấu thép cảm ứng trung tần
bằng phần mềm Matlab/Simulink.

III- NG ÀY GIAO NHIỆM VỤ: 15/09/2011
IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30/08/2012
V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Tiến sĩ Nguyễn Mạnh Hùng

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TS. Nguyễn Mạnh Hùng

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NG ÀNH


i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã
được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc.
Học viên thực hiện Luận văn

Vũ Hoàng Hải


ii

LỜI CÁM ƠN

Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến TS. Nguyễn Mạnh Hùng,
người đã luôn động viên, khích lệ và tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình
nghiên cứu và hoàn thành luận văn.
Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám Hiệu, Phòng QLKH – ĐTSĐH, quý
Thầy Cô giáo của trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ Tp.HCM và Đại học Bách
khoa Tp.HCM đã tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ và trang bị cho tôi những kiến
thức quý báu để giúp tôi nghiên cứu và hoàn thành công trình này.
Tôi xin chân thành cảm ơn Phòng Quản lý Công nghiệp – Sở Công Thương
Tỉnh Gia Lai đã tạo điều kiện thuận lợi và nhiệt tình giúp đỡ tôi trong quá trình thu
thập số liệu tại Khu công nghiệp Trà Đa – Gia Lai.
Tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đồng nghiệp đã động viên chia
sẻ, giúp đỡ nhiệt tình và đóng góp nhiều ý kiến quý báu để tôi hoàn thành luận văn
này.
Các nội dung được đề cập đến trong quyển luận văn này chắc chắn không
tránh khỏi thiếu sót, tôi mong nhận được lời đóng góp từ quý Thầy Cô giáo và các
bạn bè đồng nghiệp.

Vũ Hoàng Hải


iii

TÓM TẮT

Hiện nay, trong các cơ sở sản xuất công nghiệp sử dụng rất nhiều phụ tải có
tính phi tuyến như: lò hồ quang, máy hàn hồ quang, lò cảm ứng trung tần, lò cảm
ứng cao tần, đèn huỳnh quang, các bộ biến đổi điện áp xoay chiều, các bộ chỉnh lưu,

các bộ biến tần, các thiết bị điện tử công suất…
Đây là những nguồn phát sinh ra sóng điều hòa bậc cao (sóng hài bậc cao),
các sóng hài này làm tăng giá trị hiệu dụng và giá trị biên độ của dòng điện và điện
áp, làm méo dạng dòng điện và điện áp nguồn. Sóng hài bậc cao còn gây ra tổn hao,
giảm hệ số công suất, giảm chất lượng điện năng, ảnh hưởng đến các thiết bị tiêu
thụ điện trong gia đình, các thiết bị thu phát sóng vô tuyến… Kết quả là các thiết bị
làm việc không đạt được năng suất tối ưu.
Vì vậy yêu cầu đặt ra là cần nghiên cứu bộ lọc tích cực để khắc phục những
hạn chế như trên để ứng dụng và phổ biến trong thực tế sản xuất. Bộ lọc tích cực
được nghiên cứu để áp dụng cho các hệ thống có tải phi tuyến. Nguyên lý của
chúng là lọc sóng hài bậc cao và bù công suất phản kháng.
Bộ lọc tích cực kiểu song song có các đặc điểm kỹ thuật sau:
-

Đảm bảo chất lượng dòng điện nguồn có dạng hình sin và loại bỏ sóng hài
bậc cao trên lưới điện.

-

Bù công suất phản kháng.


iv

ABSTRACT

Nowadays, in the industrial production factories have used many nonlinear
loads such as: arc furnace, arc welding machine, medium frequency induction
furnace, high frequency induction furnace, fluorescent lamp, AC voltage converters,
rectifiers, inverters, power electronic devices and so on.

These are sources which produce high-order harmonizing wave (high-order
harmonic). These harmonics increase the root mean square and amplitude value of
current and voltage, cause distortion of source curent and voltage. High order
harmonics also cause loss, reduce power factor and power quality, influencing
power consumption equipments in family, radio transceiver devices and so on.
Therefore, electrical equipments can't operate with optimal productivity.
Therefore, requirement is needed to research active power filter to overcome
the above-mentioned limitations to apply and publicize in practical production. The
active power filter is researched to apply for power system with nonlinear load.
Their principle is to filter high-oder harmonic and compensate reactive power.
Shunt active power filter with technical characteristics the following:
-

Ensuring source current quality with sinusoidal waveform and eliminating
high-order harmonic on the grid.

-

Compensating reactive power.


v

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ...............................................................................................................i
LỜI CÁM ƠN.................................................................................................................... ii
TÓM TẮT ......................................................................................................................... iii
ABSTRACT .......................................................................................................................iv
MỤC LỤC ...........................................................................................................................v

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................. viii
DANH MỤC CÁC B ẢNG ..............................................................................................ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .......................................................................x
MỞ ĐẦU..............................................................................................................................1
1.

Lý do chọn đề tài ...................................................................................................1

2.

Mục đích và nhiệm vụ của đề tài.........................................................................2

3.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .......................................................................3

4.

Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................3

5.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ...........................................................3

6.

Cấu trúc luận văn...................................................................................................3

Chương 1
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CƠ SỞ SẢN XUẤT Ở KHU CÔNG NGHIỆP TRÀ

ĐA – G IA LAI ....................................................................................................................4
1.1.

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KHU CÔNG NGHIỆP ..........................................4

1.2.

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÒ CẢM ỨNG TRUNG TẦN ............................5

1.2.1.

Nguyên lý hoạt động của lò cảm ứng trung tần.................................................6

1.2.2.

Các bộ phận chính của lò cảm ứng trung tần.....................................................7

Chương 2
CÁC NGUỒN PHÁT SINH SÓNG HÀI – GIẢI PHÁP HẠN CHẾ SÓNG HÀI
VÀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG .......................................................................12
2.1.

ĐẶT VẤN ĐỀ .....................................................................................................12

2.2.

PHÂN TÍCH SÓNG HÀI ...................................................................................12


vi

2.3.

CÁC NGUỒN PHÁT SINH SÓNG HÀI ........................................................20

2.3.1.

Máy biến áp..........................................................................................................20

2.3.2.

Động cơ điện ........................................................................................................20

2.3.3.

Lò hồ quang .........................................................................................................20

2.3.4.

Các loại đèn phóng điện .....................................................................................21

2.3.5.

Các thiết bị điện tử công suất.............................................................................22

2.4.

ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG HÀI .....................................................................27

2.4.1.

Ảnh hưởng của sóng hài đối với động cơ điện ................................................27

2.4.2.

Ảnh hưởng của sóng hài đối với máy biến áp .................................................28

2.4.3.

Ảnh hưởng của sóng hài đối với tụ điện...........................................................28

2.4.4.

Ảnh hưởng của sóng hài đối với cáp điện ........................................................29

2.4.5.

Ảnh hưởng của sóng hài đối với rơle bảo vệ và thiết bị tự động ..................29

2.4.6.

Ảnh hưởng của sóng hài đối với các thiết bị điện tử ......................................29

2.4.7.

Ảnh hưởng của sóng hài đối với các thiết bị đo lường điện ..........................30

2.5.

CÁC GIẢI PHÁP HẠN CHẾ SÓNG HÀI ......................................................31

2.5.1.

Hạn chế công suất các tải phi tuyến ..................................................................33

2.5.2.

Tăng điện kháng phía nguồn xoay chiều đầu vào tải phi tuyến ....................33

2.5.3.

Phương pháp đa xung .........................................................................................36

2.5.4.

Sử dụng các bộ lọc ..............................................................................................38

2.5.5.

Sử dụng máy biến áp nối kiểu zigzag ...............................................................39

2.6.

BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG ..................................................................41

2.6.1.

Một số biện pháp nâng cao hệ số công suất .....................................................43

2.6.2.

Một số thiết bị bù công suất phản kháng thông dụng hiện nay .....................44

2.6.3.

Hiệu quả của việc bù công suất phản kháng ....................................................48

Chương 3
TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ LỌC – CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT
ĐỘNG CỦA BỘ LỌC TÍCH CỰC .............................................................................49
3.1.

ĐẶT VẤN ĐỀ .....................................................................................................49

3.2.

TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ LỌC ....................................................................49

3.2.1.

Bộ lọc thụ động....................................................................................................50


vii

3.2.2.

Bộ lọc tích cực .....................................................................................................57

3.2.2.1. Tác dụng của bộ lọc tích cực .............................................................................57

3.2.2.2. Phạm vi công suất của bộ lọc tích cực..............................................................58
3.2.2.3. Phân loại bộ lọc tích cực ....................................................................................58
3.3.

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA BỘ LỌC TÍCH CỰC NGUỒN ÁP
KIỂU SONG SONG ...........................................................................................66

3.3.1.

Nguyên lý hoạt động của bộ lọc tích cực nguồn áp kiểu song song .............66

3.3.2.

Điều khiển dòng điện ngõ ra của bộ lọc ...........................................................66

3.3.2.1. Chuyển đổi hệ tọa độ ..........................................................................................67
3.3.2.2. Khâu lọc thông cao..............................................................................................72
3.3.3.

Điều khiển điện áp DC (Direct Current) ..........................................................75

3.3.4.

Đáp ứng ngõ ra của bộ lọc tích cực...................................................................75

Chương 4
THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỘ LỌC TÍCH CỰC CHO LÒ NẤU THÉP
CẢM ỨNG TRUNG TẦN B ẰNG PHẦN MỀM MATLAB/SIMULINK ..........76
4.1.

ĐẶT VẤN ĐỀ .....................................................................................................76

4.2.

MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA BỘ LỌC TÍCH CỰC.....................................76

4.2.1.

Mô hình toán học của bộ lọc tích cực trong hệ tọa độ ba pha abc ................76

4.2.2.

Mô hình toán học của bộ lọc tích cực trong hệ tọa độ quay dq0...................78

4.2.3.

Thiết kế các vòng điều khiển .............................................................................81

4.2.3.1. Vòng điều khiển dòng điện lọc ..........................................................................82
4.2.3.2. Vòng điều khiển điện áp DC..............................................................................84
4.3.

THIẾT KẾ MÔ HÌNH LÒ NẤU THÉP CẢM ỨNG TRUNG TẦN ...........87

4.3.1.

Khối nguồn ...........................................................................................................87

4.3.2.

Khối máy cắt (MC1) và trở kháng đường dây.................................................87

4.3.3.

Khối đo lường (B1, B2) ......................................................................................88

4.3.4.

Khối hiển thị ........................................................................................................88

4.3.5.

Khối phụ tải nhà máy luyện thép.......................................................................88

4.3.6.

Tính toán các thông số của lò ............................................................................92

4.3.7.

Kết quả mô phỏng ...............................................................................................94


viii

4.4.

THIẾT KẾ MÔ HÌNH BỘ LỌC TÍCH CỰC CHO LÒ NẤU THÉP CẢM
ỨNG TRUNG TẦN ............................................................................................97

4.4.1.

Cuộn kháng xoay chiều (LF) ..............................................................................97

4.4.2.

Khối nghịch lưu PWM và tụ điện C dc ...............................................................98

4.4.3.

Khối điều khiển bộ lọc tích cực .........................................................................98

4.4.4.

Tính toán các thông số của bộ lọc .................................................................. 103

4.4.5.

Kết quả mô phỏng ............................................................................................ 105

4.5.

PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG .................................. 110

Chương 5
KẾT LUẬN .................................................................................................................... 112
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 113


ix

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

APF

Active Power Filter

ASD

Adjustable Speed Drive

CSI

Current Source Inverter

FACT

Flexible AC Transmission

PCC

Point of Common Couping

PI

Proportional Integral

PID

Proportional Integral Derivative

SSSC

Static Synchronous Series Compensator

STATCOM

Static Synchronous Compensator

SVC

Static Var Compensator

TCSC

Thyristor Controlled Series Capacitor

THD

Total Harmonic Distortion

UPQC

Unified Power Quality Controller

VSC

Voltage Sourced Converter

VSI

Voltage Source Inverter

PWM

Pulse Width Modulation


x

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1. Giới hạn nhiễu điện áp theo tiêu chuẩn IEEE std 519-1992 ...................... 31
Bảng 2.2. Giới hạn nhiễu dòng điện theo tiêu chuẩn IEEE std 519-1992 ................. 32
Bảng 2.3. Tiêu chuẩn IEC 1000-3-4 cho thiết bị trên 75A ở dòng đầu vào mỗi pha
............................................................................................................................... 32

Bảng 4.1. Tỷ lệ các thành phần dòng hài trong dòng điện nguồn trước khi lọc ....... 96
Bảng 4.2. Tỷ lệ các thành phần dòng hài trong dòng điện nguồn trước và sau khi lọc
............................................................................................................................. 106


xi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Khu công nghiệp Trà Đa – Gia Lai ................................................................. 4
Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý lò nấu thép cảm ứng trung tần ............................................ 6
Hình 1.3. Máy cắt ............................................................................................................... 7
Hình 1.4. Cuộn kháng xoay chiều .................................................................................... 7
Hình 1.5. Thyristor chỉnh lưu ............................................................................................ 8

Hình 1.6. Cuộn kháng lọc một chiều LD ......................................................................... 8
Hình 1.7. Thyristor nghịch lưu.......................................................................................... 9
Hình 1.8. Vòng cảm ứng của lò trung tần...................................................................... 10
Hình 1.9. Tụ điện .............................................................................................................. 10
Hình 1.10. Tủ điều khiển lò ............................................................................................. 11
Hình 1.11. Lò đang hoạt động ......................................................................................... 11
Hình 2.1. Dạng sóng với thành phần cơ bản và hài bậc ba ......................................... 13
Hình 2.2. Thành phần hài bậc chẵn và hài bậc lẻ ......................................................... 14
Hình 2.3. Dạng sóng với thành phần hài bậc chẵn và hài bậc lẻ ................................ 14
Hình 2.4. Dạng sóng dòng điện của loại đèn phóng điện hiệu suất cao .................... 21
Hình 2.5. Phổ dòng điện của loại đèn phóng điện hiệu suất cao ................................ 22
Hình 2.6. Mô hình cầu chỉnh lưu ba pha không điều khiển ........................................ 23
Hình 2.7. Dạng sóng dòng điện trên pha A của nguồn cấp cho cầu chỉnh lưu ba pha
không điều khiển ............................................................................................. 23
Hình 2.8. Phổ dòng điện pha A của cầu chỉnh lưu ba pha không điều khiển............ 23
Hình 2.9. Mô hình cầu chỉnh lưu ba pha có điều khiển ............................................... 24
Hình 2.10. Dạng sóng dòng điện trên pha A của nguồn cấp cho cầu chỉnh lưu
ba pha có điều khiển với góc α = 30 0 ......................................................... 24
Hình 2.11. Dạng sóng dòng điện trên pha A của nguồn cấp cho cầu chỉnh lưu
ba pha có điều khiển với góc α = 60 0 ......................................................... 25
Hình 2.12. Dạng sóng dòng điện trên pha A của nguồn cấp cho cầu chỉnh lưu
ba pha có điều khiển với góc α = 90 0 ......................................................... 25
Hình 2.13. Phổ dòng điện pha A của cầu chỉnh lưu ba pha có điều khiển ................ 26


xii

Hình 2.14. Phổ dòng điện pha A của cầu chỉnh lưu ba pha có điều khiển ................ 26
Hình 2.15. Phổ dòng điện pha A của cầu chỉnh lưu ba pha có điều khiển ................ 27
Hình 2.16. Dòng hài sinh ra từ cầu chỉnh lưu ba pha có tụ lọc phía một chiều ........ 33

Hình 2.17. Dòng hài sinh ra từ cầu chỉnh lưu ba pha ................................................... 34
Hình 2.18. Độ giảm méo hài của một ASD loại PWM theo kháng lọc đầu vào ...... 34
Hình 2.19. Kháng lọc ba pha dành cho ASD (sản phẩm của MTE corp).................. 35
Hình 2.20. Kết hợp hai bộ biến đổi 6 xung cùng c ấp cho một tải tạo hệ thống
...
12 xung ............................................................................................................ 37
Hình 2.21. Ba mạch chỉnh lưu cầu 6 xung kết hợp cùng cấp cho một tải tạo
hệ thống 18 xung........................................................................................... 37
Hình 2.22. Máy biến áp kiểu zigzag ............................................................................... 40
Hình 2.23. Biến áp đấu sao-tam giác và biến áp zigzag sử dụng để bẫy các hài
đi vào dây trung tính trong các hệ thống ba pha bốn dây cấp cho
tải phi tuyến ................................................................................................... 41
Hình 2.24. Tủ bù công suất phản kháng ........................................................................ 42
Hình 2.25. Sơ đồ cấu trúc SSSC ..................................................................................... 45
Hình 2.26. Sơ đồ cấu trúc TCSC .................................................................................... 46
Hình 2.27. Sơ đồ cấu trúc SVC ....................................................................................... 46
Hình 2.28. Sơ đồ cấu trúc STATCOM........................................................................... 47
Hình 3.1. Hệ thống điện với các nguồn hài phân tán ................................................... 51
Hình 3.2. Nhiều bộ lọc điều chỉnh nối tiếp mắc song song để bẫy các bậc hài ........ 52
Hình 3.3. Các bộ lọc thụ động kiểu rẽ nhánh thường gặp ........................................... 53
Hình 3.4. Bộ lọc sóng hài bậc 5 và ảnh hưởng của nó với hệ thống .......................... 53
Hình 3.5. Cấu trúc bộ lọc hạ áp và mạch thay thế tương đương................................. 54
Hình 3.6. Bộ lọc thụ động kiểu nối tiếp ......................................................................... 55
Hình 3.7. Cấu trúc của bộ lọc thông thấp ...................................................................... 55
Hình 3.8. Bộ lọc thông thấp dùng trong công nghiệp .................................................. 56
Hình 3.9. Mạch thay thế tương đương khi lắp bộ lọc tụ C .......................................... 56
Hình 3.10. Bộ lọc tụ C và đáp ứng tần của trở kháng (đường nét liền) ..................... 57
Hình 3.11. Cấu trúc bộ lọc tích cực VSI ........................................................................59

xiii

Hình 3.12. Cấu trúc bộ lọc tích cực CSI ........................................................................ 59
Hình 3.13. Sơ đồ kết nối bộ lọc tích cực kiểu song song ............................................ 60
Hình 3.14. Sơ đồ nguyên lý bộ lọc tích cực kiểu song song ....................................... 61
Hình 3.15. Sơ đồ kết nối bộ lọc tích cực kiểu nối tiếp ................................................. 62
Hình 3.16. Sơ đồ nguyên lý bộ lọc tích cực kiểu nối tiếp............................................ 62
Hình 3.17. Bộ lọc tích cực ba dây................................................................................... 63
Hình 3.18. Bộ lọc tích cực bốn dây ................................................................................ 63
Hình 3.19. Bộ lọc tích cực bốn dây có điểm giữa ........................................................ 64
Hình 3.20. Sơ đồ kết nối bộ lọc hỗn hợp ....................................................................... 64
Hình 3.21. Sơ đồ kết nối bộ lọc UPQC .......................................................................... 65
Hình 3.22. Nguyên lý hoạt động của bộ lọc tích cực ba pha nguồn áp kiểu
song song ....................................................................................................... 66
Hình 3.23. Xử lý tín hiệu chuẩn điều khiển dòng ngõ ra của bộ lọc .......................... 67
Hình 3.24. Thiết lập vector không gian từ các đại lượng pha ..................................... 68


Hình 3.25. Biểu diễn vector không gian dòng điện i s ................................................. 69
Hình 3.26. Chuyển đổi tọa độ cho vector không gian.................................................. 71
Hình 3.27. Sơ đồ mạch lọc thông cao ............................................................................ 73
Hình 3.28. Sơ đồ lọc bằng điện dung ............................................................................. 74
Hình 3.29. Sơ đồ lọc bằng điện cảm............................................................................... 74
Hình 3.30. Sơ đồ tổng quát điều khiển tín hiệu DC ..................................................... 75
Hình 4.1. Mô hình tổng quát bộ lọc tích cực nguồn áp kiểu song song..................... 76
Hình 4.2. Mạch tương đương của bộ lọc tích cực ........................................................ 78
Hình 4.3. Hệ toạ độ dq0 quay đồng bộ với điện áp nguồn trong mặt phẳng phức ... 79
Hình 4.4. Sơ đồ vòng điều khiển dòng điện và điện áp của bộ lọc tích cực ............. 81
Hình 4.5. Sơ đồ vòng điều khiển dòng điện ............................................................... 82
Hình 4.6. Vòng kín hồi tiếp dòng điều khiển ................................................................ 83

Hình 4.7. Vòng kín hồi tiếp áp DC ................................................................................. 84
Hình 4.8. Sơ đồ vòng điều khiển điện áp DC................................................................ 85
Hình 4.9. Sơ đồ chi tiết vòng điều khiển dòng và áp ................................................... 86


xiv

Hình 4.10. Mô hình hệ thống cấp điện cho phụ tải nhà máy luyện thép ...................87
Hình 4.11. Khối nguồn xoay chiều ba pha ....................................................................87
Hình 4.12. Khối máy cắt và trở kháng đường dây........................................................87
Hình 4.13. Khối đo lường dòng và áp ............................................................................88
Hình 4.14. Mô hình khối hiển thị kết quả đo lường .....................................................88
Hình 4.15. Mô hình lò nấu thép cảm ứng trung tần......................................................89
Hình 4.16. Cuộn kháng xoay chiều lõi không khí ........................................................89
Hình 4.17. Cuộn kháng lọc một chiều............................................................................89
Hình 4.18. Cầu chỉnh lưu ba pha điều khiển toàn phần ............................................... 90
Hình 4.19. Cầu nghịch lưu cộng hưởng nguồn dòng song song một pha.................. 90
Hình 4.20. Mạch điều khiển cầu nghịch lưu cộng hưởng nguồn dòng và mạch
khởi động lò ................................................................................................... 91
Hình 4.21. Tải lò nấu thép cảm ứng trung tần............................................................... 92
Hình 4.22. Dạng sóng dòng điện pha A của nguồn (mô hình).................................... 94
Hình 4.23. Phổ dòng điện pha A của nguồn (mô hình) ............................................... 94
Hình 4.24. Dạng sóng dòng điện pha A của nguồn (thực tế) ...................................... 95
Hình 4.25. Phổ dòng điện pha A của nguồn (thực tế) .................................................. 95
Hình 4.26. Công suất pha A của nguồn (thực tế).......................................................... 95
Hình 4.27. Mô hình bộ lọc tích cực ................................................................................97
Hình 4.28. Cuộn kháng xoay chiều ................................................................................97
Hình 4.29. Khối nghịch lưu PWM và tụ điện Cdc .........................................................98
Hình 4.30. Mô hình khối điều khiển bộ lọc tích cực ....................................................98
Hình 4.31. Khâu chuyển đổi dòng điện trong hệ tọa độ abc

dq0 ..........................99

Hình 4.32. Khâu chuyển đổi dòng điện trong hệ tọa độ abc

alpha_beta .............99

Hình 4.33. Khâu chuyển đổi dòng điện trong hệ tọa độ alpha_beta

dq0 .............99

Hình 4.34. Khâu tạo hàm SinTeta và CosTeta ............................................................ 100
Hình 4.35. Khâu chuyển đổi điện áp trong hệ tọa độ abc

dq0 ............................. 100

Hình 4.36. Khâu chuyển đổi điện áp trong hệ tọa độ dq0

abc ............................. 100

Hình 4.37. Khâu chuyển đổi điện áp trong hệ tọa độ dq0

alpha_beta ................ 101

Hình 4.38. Khâu chuyển đổi điện áp trong hệ tọa độ alpha_beta

abc ................ 101


xv

Hình 4.39. Khâu lọc thông cao...................................................................................... 101
Hình 4.40. Khâu điều khiển điện áp DC ...................................................................... 102
Hình 4.41. Khâu điều chế và phát xung điều khiển cho bộ nghịch lưu PWM........ 102
Hình 4.42. Mô hình hệ thống lò nấu thép cảm ứng khi lắp thêm bộ lọc tích cực
............................................................................................................................. 105
Hình 4.43. Dạng sóng dòng điện và phổ dòng điện pha A của nguồn sau khi lọc
............................................................................................................................. 105
Hình 4.44. Dạng sóng dòng điện pha A của nguồn và tải sau khi lọc ..................... 106
Hình 4.45. Mô hình hệ thống lò nấu thép cảm ứng sau khi lắp thêm cuộn kháng Lp
............................................................................................................................. 107
Hình 4.46. Dạng sóng dòng điện và phổ dòng điện pha A của nguồn sau khi lọc
và lắp thêm cuộn kháng Lp ........................................................................ 108
Hình 4.47. Dạng sóng dòng điện pha A của nguồn và tải sau khi lọc và lắp thêm Lp
............................................................................................................................. 108
Hình 4.48. Phổ điện áp pha A của nguồn .................................................................... 109
Hình 4.49. Dạng sóng dòng điện bù của bộ lọc cho pha A ....................................... 109
Hình 4.50. Dạng sóng điện áp DC ................................................................................ 109
Hình 4.51. Dạng sóng dòng điện ba pha của nguồn trước khi lọc............................ 110
Hình 4.52. Dạng sóng dòng điện ba pha của nguồn sau khi lọc ............................... 110


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Hiện nay, trong các cơ sở sản xuất công nghiệp sử dụng rất nhiều phụ tải có
tính phi tuyến như: lò hồ quang, máy hàn hồ quang, lò cảm ứng trung tần, lò cảm
ứng cao tần, đèn huỳnh quang, các bộ biến đổi điện áp xoay chiều, các bộ chỉnh lưu,
các bộ biến tần, các thiết bị điện tử công suất…

Đây là những nguồn phát sinh ra sóng điều hòa bậc cao (sóng hài bậc cao),
các sóng hài này làm tăng giá trị hiệu dụng và giá trị biên độ của dòng điện và điện
áp, làm méo dạng dòng điện và điện áp nguồn. Khi đó sẽ gây ra những vấn đề
nghiêm trọng như sau:
- Đối với đường dây truyền tải: làm tăng sự phát nhiệt của dây dẫn, gây ra
quá áp trên đường dây, làm lão hóa cách điện của dây dẫn…
- Đối với máy biến áp, động cơ điện: làm tăng tổn thất đồng, tổn thất sắt, tổn
thất từ thông tản, gây méo mô men, gây ra dao động cộng hưởng làm tổn hại đến
các bộ phận cơ khí của động cơ…
- Đối với các thiết bị bảo vệ, thiết bị đo lường: làm nhiễu tín hiệu và méo tín
hiệu dòng điện và điện áp gây ra tác động sai lệch của thiết bị bảo vệ, ảnh hưởng
đến sai số của thiết bị đo làm cho kết quả đo không được chính xác…
Sóng hài bậc cao còn gây ra tổn hao, giảm hệ số công suất, ảnh hưởng đến
các thiết bị tiêu thụ điện trong gia đình, các thiết bị thu phát sóng vô tuyến…
Ngoài ra, các tải này còn tiêu thụ một lượng công suất phản kháng rất lớn,
làm cho lượng công suất phản kháng trên đường dây truyền tải giảm đi đáng kể,
điều này khiến cho hệ số công suất giảm làm tăng tổn hao, giảm chất lượng điện
năng, kết quả là các thiết bị làm việc không đạt được năng suất tối ưu…
Qua những vấn đề được phân tích ở trên, chúng ta thấy rằng việc sử dụng các
tải có tính phi tuyến làm cho lượng công suất phản kháng bị hao hụt đi rất nhiều,
gây ra méo dạng dòng điện nguồn, làm giảm hệ số công suất, giảm năng suất của
thiết bị… Do đó, làm tổn thất một lượng lớn điện năng trong sản xuất công nghiệp


2

dẫn đến chi phí cho sản phẩm sẽ cao hơn, sản xuất không có lợi nhuận, nhiều chi
phí phát sinh và còn ảnh hưởng nghiêm trọng đến lưới điện truyền tải quốc gia.
Điều cấp thiết là phải tìm ra giải pháp để hạn chế sóng hài và bù một lượng công
suất phản kháng thích hợp sẽ tiết kiệm được điện năng trong sản xuất công nghiệp.

Những giải pháp thông dụng hiện nay là dùng các thiết bị công nghệ hiện đại
để tiết kiệm điện năng; các bộ lọc thụ động như RC, LC; các thiết bị bù công suất
phản kháng, tủ bù điều khiển tự động, máy bù đồng bộ kết hợp với các thiết bị lọc
sóng hài…
Tuy nhiên những giải pháp trên còn gặp những khó khăn nhất định như giá
thành cao, tốn nhiều không gian để lắp đặt, khó điều khiển và giám sát, không linh
hoạt và chưa đạt được hiệu quả như mong muốn.
Giải pháp hiệu quả và linh hoạt nhất hiện nay là dùng bộ lọc tích cực APF
(Active Power Filter) loại mắc song song với tải, với bộ lọc này chúng ta có thể
điều khiển và giám sát bằng máy tính rất thuận tiện, kích cỡ bộ lọc nhỏ, chiếm ít
không gian lắp đặt, rất hiệu quả trong việc lọc sóng hài, bù công suất phản kháng và
tiết kiệm điện năng.
Với mong muốn ứng dụng bộ lọc tích cực cho các cơ sở sản xuất công
nghiệp để lọc sóng hài và bù công suất phản kháng, nhằm hạn chế tối đa ảnh hưởng
của sóng hài và tiết kiệm điện năng trong sản xuất công nghiệp. Tôi đã quyết định
chọn đề tài “Nghiên cứu ứng dụng bộ lọc tích cực cho cơ sở sản xuất công nghiệp
cụ thể ở khu công nghiệp Trà Đa – Gia Lai”.
2. Mục đích và nhiệm vụ của đề tài
- Tìm hiểu cấu trúc và nguyên lý hoạt động của bộ lọc tích cực.
- Nghiên cứu phương pháp điều khiển tối ưu cho bộ lọc tích cực.
- Thiết kế và mô phỏng bộ lọc tích cực cho lò nấu thép cảm ứng trung tần
bằng phần mềm Matlab/Simulink.


3

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu là lò nấu thép cảm ứng trung tần của nhà máy luyện
cán thép Năm Hoa.
- Phạm vi nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu phương pháp điều khiển

vector không gian để điều khiển bộ lọc tích cực lọc sóng hài và bù công suất phản
kháng cho lò nấu thép của nhà máy.
4. Phương pháp nghiên cứu
Kết hợp cả hai phương pháp:
-

Nghiên cứu lý thuyết về phương pháp điều khiển vector không gian.

-

Thiết kế mô hình mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink.

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Kết quả nghiên cứu của đề tài là tìm ra phương pháp tối ưu để điều khiển bộ
lọc tích cực lọc sóng hài do lò thải ra nhằm hạn chế tối đa tác hại do sóng hài gây
ra, nâng cao chất lượng điện năng cho lưới điện, bù công suất phản kháng và tiết
kiệm điện năng cho nhà máy. Đề tài hoàn toàn có thể ứng dụng vào thực tế.
6. Cấu trúc luận văn
Mở đầu
Chương 1:

Giới thiệu chung về cơ sở sản xuất ở khu công nghiệp
Trà Đa – Gia Lai

Chương 2:

Các nguồn phát sinh sóng hài
Giải pháp hạn chế sóng hài và bù công suất phản kháng

Chương 3:

Tổng quan về các bộ lọc
Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của bộ lọc tích cực

Chương 4:

Thiết kế và mô phỏng bộ lọc tích cực cho lò nấu thép cảm ứng
trung tần bằng phần mềm Matlab/Simulink

Chương 5:

Kết luận


4

Chương 1
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CƠ SỞ SẢN XUẤT Ở KHU CÔNG
NGHIỆP TRÀ ĐA – GIA LAI

1.1.

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KHU CÔNG NGHIỆP
Khu công nghiệp Trà Đa là khu công nghiệp trọng điểm của tỉnh Gia Lai ,

nằm trên địa bàn thành phố Pleiku, có tổng diện tích 109,3 ha. Hiện khu công
nghiệp có hơn 30 doanh nghiệp đang hoạt động, thu hút trên 2.000 lao động đến
làm việc.
Các lĩnh vực được ưu tiên khuyến khích đầu tư vào khu công nghiệp gồm:
công nghiệp chế biến lâm sản, nông sản thực phẩm; công nghiệp vật liệu xây dựng;

chế tạo, lắp ráp cơ khí điện tử; sản xuất, gia công hàng tiêu dùng...

Hình 1.1. Khu công nghiệp Trà Đa – Gia Lai
Năm 2011, khu công nghiệp Trà Đa đã có 37 nhà đầu tư với trên 40 dự án,
lấp đầy 100% diện tích, tổng số vốn đăng ký 1.118,113 tỷ đồng (tăng 241,523 tỷ
đồng so với năm 2010). Trong đó, 25 dự án đang hoạt động, 7 dự án trong giai đoạn
xây dựng, 6 dự án được Ban quản lý chấp thuận chủ trương đầu tư, có hai dự án nhà
đầu tư 100% vốn nước ngoài. Tổng doanh thu năm 2011 của toàn khu công nghiệp
đạt 1.241,669 tỷ đồng (cao gấp 230,9% so với năm trước), giá trị sản xuất công
nghiệp đạt 521,869 tỷ đồng (tăng 160%), chiếm tỷ trọng hơn 12% giá trị sản xuất


5

công nghiệp của tỉnh. Doanh thu công nghiệp đạt 879,563 tỷ đồng, nộp ngân sách
nhà nước hơn 40 tỷ đồng (tăng 298%), tạo việc làm cho hơn 1.700 lao động địa
phương.
Những mặt hàng sản xuất tại khu công nghiệp Trà Đa không chỉ đã có chỗ
đứng trong nước mà còn vươn ra thị trường thế giới. Năm 2011, tổ ng kim ngạch
xuất khẩu của khu công nghiệp Trà Đa ước đạt 104.090.243 USD (tăng 97%). Điển
hình trong tăng kim ngạch xuất khẩu như: Công ty Louis Dreyfus Commoditis Việt
Nam, Công ty TNHH Thương mại AQ, Công ty đá Granite Quốc Duy, Công ty cổ
phần chế biến gỗ Đức Long… ước đạt từ 286.000 USD đến hơn 100 triệu USD.
Sau một thời gian đo đạc thông số điện tại các nhà máy của khu công nghiệp
Trà Đa, số liệu thống kê cho thấy dòng điện của nhà máy luyện cán thép Năm Hoa
có độ méo dạng THD = 24.7%, vượt quá mức cho phép của tiêu chuẩn IEEE std
519-1992 là phải nhỏ hơn 5%. Vì vậy, tôi đã chọn nhà máy này để nghiên cứu ứng
dụng bộ lọc tích cực để lọc sóng hài, nhằm hạn chế những ảnh hưởng xấu do sóng
hài gây ra, góp phần nâng cao chất lượng điện năng cho lưới điện và tiết kiệm điện
năng cho nhà máy.

1.2.

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÒ CẢM ỨNG TRUNG TẦN
Hiện nay, nhà máy luyện cán thép Năm Hoa đang sản xuất thép với ba lò nấu

thép cảm ứng trung tần và một xưởng cán thép. Các lò nấu thép này thường sử dụng
hai bộ biến đổi điện tử công suất đó là: một bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển
hoàn toàn và một bộ nghịch lưu cộng hưởng nguồn dòng song song một pha sử
dụng Thyristor. Những thiết bị này là nguyên nhân phát sinh ra rất nhiều sóng hài
bậc cao, làm ảnh hưởng xấu đến lưới điện và gây ra tổn hao công suất trên đường
dây truyền tải điện. Do đó, để đưa ra được giải pháp khắc phục vấn đề này cần phải
tìm hiểu về cấu trúc và nguyên lý hoạt động của lò cảm ứng trung tần.


6

Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý lò nấu thép cảm ứng trung tần
1.2.1. Nguyên lý hoạt động của lò cảm ứng trung tần
Nguyên lý làm việc của lò cảm ứng là dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ,
khi đưa một khối kim loại vào trong một từ trường biến thiên, trong khối kim loại
xuất hiện dòng điện xoáy, nhiệt năng do dòng điện xoáy sẽ đốt nóng khối kim loại.
Việc tạo ra nguồn DC (Direct Current) ở mạch lò cộng hưởng nguồn dòng
song song có phần phức tạp hơn so với mạch lò cộng hưởng nguồn dòng nối tiếp vì
phải cần đến bộ chỉnh lưu có điều khiển, thông qua đó người ta mới có thể thay đổi
được công suất cấp cho lò. Phần DC, có cuộn kháng làm nhiệm của kho năng lượng
và lọc. Bộ biến đổi DC sang AC (Alternating Current) là bộ nghịch lưu cộng hưởng
nguồn dòng, là bộ biến đổi đặc biệt, thường sử dụng Thyristor. Đặc điểm cơ bản của
bộ nghịch lưu cộng hưởng nguồn dòng đó là có phụ tải là một mạch vòng dao động
với dòng hoặc áp dạng hình sin, do đó các Thyristor trên sơ đồ sẽ chuyển mạch tự
nhiên.

Các bộ nghịch lưu cộng hưởng nguồn dòng được thiết kế với công suất ngày
càng lớn đến vài MW, tần số từ 500Hz đến 2000Hz. Ngoài ra, để hỗ trợ cho việc
khởi động lò, hệ thống cung cấp điện phải có thêm mạch khởi động để tạo ra ít nhất
một chu kỳ dao động trên tải, sau đó là việc điều khiển đóng cắt các van ở phần
nghịch lưu để dao động trên tải được duy trì. Mạch đòn bẩy có tác dụng xả năng
lượng trong cuộn dây sau khi quá trình nấu chảy đã hoàn tất.