Điều khiển bộ lọc tích cực nối tiếp sử dụng phương pháp trượt

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------------

ĐINH THỊ THANH THẢO

ĐIỀU KHIỂN BỘ LỌC TÍCH CỰC
NỐI TIẾP SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP TRƯT

CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT ĐIỆN
MÃ SỐ NGÀNH : 2.02.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 10 NĂM 2004


CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học :

TS. DƯƠNG HOÀI NGHĨA

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

Luận Văn Thạc Só Được Bảo Vệ Tại
HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM, / /2004

Có thể tìm hiểu luận văn tại :
-

Thư Viện Cao Học Trường Đại Học Bách Khoa, Đại Học Quốc Gia Tp.Hồ Chí
Minh.
Khoa Điện Trường Cao Đẳng Công Nghiệp IV.
Người Thực Hiện :


Đại Học Quốc Gia Tp.Hồ Chí Minh
Trường Đại Học Bách Khoa
----------------

Cộng Hoà Xã Hội Chủ Nghóa Việt Nam
Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc
----------------

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên
Ngày tháng năm sinh
Chuyên ngành
Khoá

:
:
:
:

Đinh Thị Thanh Thảo
02 – 12 – 1977
Kỹ Thuật Điện
13

Phái
: Nữ
Nơi sinh : Tiền Giang

I. TÊN ĐỀ TÀI :
Điều Khiển Bộ Lọc Tích Cực Nối Tiếp
Sử Dụng Phương Pháp Trượt
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG :
1. Xây dựng sơ đồ mô phỏng bộ lọc tích cực nối tiếp.
2. Điều khiển bộ lọc tích cực nối tiếp dùng phương pháp điều khiển PID.
3. Điều khiển bộ lọc tích cực nối tiếp dùng phương pháp điều khiển trượt.
4. Điều khiển bộ lọc tích cực nối tiếp dùng phương pháp điều khiển trượt
mờ.
5. Kết luận và đề nghị.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ
: 02/02/2004
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 31/10/2004
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : Tiến sỹ Dương Hoài Nghóa
VI. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ NHẬN XÉT 1 :
VII. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ NHẬN XÉT 2 :
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
CÁN BỘ NHẬN XÉT 1 CÁN BỘ NHẬN XÉT 2

TS. Dương Hoài Nghóa
Nội dung luận văn thạc só đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.

Ngày
Phòng Đào Tạo Sau Đại Học

tháng 11 năm 2004
Chủ nhiệm ngành

TS. Nguyễn Hữu Phúc


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin gửi lời biết ơn chân thành đến Tiến Sỹ Dương Hoài Nghóa, người đã tận tình
hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn Quý Thầy Cô trong Khoa Điện Trường Đại Học Bách Khoa,
Phòng Đào Tạo Sau Đại Học đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt quá trình học và hoàn
thành luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Chủ Nhiệm Khoa và Các Thầy Cô trong Khoa Điện
Trường Cao Đẳng Công Nghiệp IV, bạn bè và đồng nghiệp đã giúp đỡ, động viên, và
tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thành luận văn này.
Cuối cùng, tôi muốn cảm ơn thật nhiều Cha Mẹ, và những người thân đã động viên tôi
rất nhiều để tôi có thể hoàn thành khoá này.

Đinh Thị Thanh Thảo


Luận n Cao Học

MỤC LỤC
Trang
Lời cảm ơn
Mục lục

CHƯƠNG 1 : MỞ ĐẦU
1.1 Giới Thiệu Bộ Lọc Tích Cực
1.2 Mục Tiêu Và Nhiệm Vụ Của Luận n

1.3 Các Phương Pháp Đã Có

1.4 Phạm Vi Nghiên Cứu
1.5 Điểm Mới Của Luận n
1.6 Giá Trị Thực Tiễn Của Đề Tài
1.7 Nội Dung Của Luận n

1
3
3
3
4
4
4

CHƯƠNG 2 : MẠCH LỌC TÍCH CỰC NỐI TIẾP
2.1 Giới Thiệu Mạch Lọc Tích Cực Nối Tiếp
2.2 Nguyên Lý Làm Việc
2.3 Mô Hình Toán Học Và Sơ Đồ Mô Phỏng Dùng Matlab / Simulink
2.4 Thông Số Của Mạch

5
8
16
28

CHƯƠNG 3 : PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRƯT VÀ ÁP DỤNG ĐIỀU KHIỂN
BỘ LỌC TÍCH CỰC NỐI TIẾP
3.1 Nguyên Lý Điều Khiển Trượt
3.2 ng Dụng Phương Pháp Điều Khiển Trượt Cho
Bộ Lọc Tích Cực Nối Tiếp
3.3 Kết Quả Mô Phỏng
3.4 So Sánh Các Kết Quả

29
35
38
64

CHƯƠNG 4 : PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRƯT MỜ VÀ ÁP DỤNG
ĐIỀU KHIỂN BỘ LỌC TÍCH CỰC NỐI TIẾP
4.1
4.2
4.3
4.4

Giới thiệu lý thuyết mờ
Phương pháp trượt mờ ứng dụng cho điều khiển bộ lọc tích cực nối tiếp
Kết Quả Mô Phỏng
So Sánh Các Kết Quả

CHƯƠNG 5 : KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ

Mục lục

68

78
82
92
96


Luận n Cao Học

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
1.1 GIỚI THIỆU BỘ LỌC TÍCH CỰC
1.1.1 Giới Thiệu :
Sự phát triển nhanh chóng của các loại tải phi tuyến, các thiết bị điện tử công
suất.v…v.. đã làm xuất hiện các sóng hài dòng điện vào lưới, gây ra các vấn đề
nghiêm trọng về sóng hài trong hệ thống điện phân phối.
- Sóng hài dòng điện kéo theo sự méo dạng của điện áp làm ảnh hưởng đến các phụ
tải khác trong hệ thống điện.
-

Tăng tổn thất của lưới và máy biến áp phân phối.

-

Làm ảnh hưởng đến tín hiệu thông tin liên lạc.

-

Gây ra những tác động sai của mạch điều khiển.

Để làm giảm những ảnh hưởng xấu do dòng điện họa tần sinh ra, một số chính
quyền và cơ quan quốc tế đã đưa ra các quy tắc để giới hạn dòng điện họa tần tạo ra

từ lưới điện do các bộ chỉnh lưu, ví dụ như tiêu chuẩn Châu u “IEC 1000-3-2” và
tiêu chuẩn “IEEE 519-1992 Harmonic Limits”, gần đây các tiêu chuẩn trên được áp
dụng ở nhiều nước.
Các bộ lọc thụ động được sử dụng để giảm các vấn đề về họa tần, chủ yếu được tạo
thành bởi các cuộn cảm và tụ điện, đây là phương pháp truyền thống để bù cho những
họa tần ở các tải công nghiệp.
Tuy nhiên phương pháp này cung cấp một giải pháp gần đúng bởi vì đặc tính của
bộ lọc phụ thuộc vào tổng trở của lưới – một đại lượng không biết chính xác. Vì vậy,
sự cộng hưởng của bộ lọc thụ động và tổng trở lưới có thể xuất hiện. Để vượt qua hạn
chế này các bộ lọc tích cực đã được phát triển. Bộ lọc tích cực bao gồm một bộ nghịch
lưu điện tử công suất và bộ lọc thụ động.

1.1.2 Các Loại Bộ Lọc Tích Cực :
Có hai loại bộ lọc tích cực : bộ lọc tích cực song song và bộ lọc tích cực nối tiếp.
- Bộ lọc tích cực song song : đươc mắc song song với tải (nguồn sinh ra họa tần) để
bơm dòng họa tần với cùng biên độ nhưng ngược pha với họa tần vào hệ thống làm
cho dòng điện nguồn trở nên sin hơn. Tuy nhiên ứng dụng của bộ lọc này bị hạn chế vì
công suất của bộ biến đổi đòi hỏi rất lớn, và rất khó để có được một bộ biến đổi với
đáp ứng dòng nhanh và tổn thất thấp.

Chương 1. Mở đầu

1


Luận n Cao Học
- Bộ lọc tích cực nối tiếp : được mắc nối tiếp giữa nguồn và tải (nguồn sinh ra họa
tần) thông qua một biến áp. Nguyên tắc làm việc của bộ lọc tích cực nối tiếp là cách
ly họa tần bằng cách điều khiển điện áp ra của bộ lọc. Bộ lọc được xem như là một
tổng trở cao đối với dòng họa tần vì vậy dòng họa tần không thể đi từ nguồn đến tải

hoặc ngược lại. Ưu điểm của bộ lọc tích cực nối tiếp là khắc phục được các nhược
điểm của bộ lọc tích cực song song ở trên.

Chương 1. Mở đầu

2


Luận n Cao Học

1.2 MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA LUẬN ÁN :
1.2.1 Mục Tiêu Của Luận n :
Mục tiêu là điều khiển bộ lọc tích cực nối tiếp đạt được những yêu cầu sau :
- Điện áp nguồn và dòng điện nguồn đạt gần hình sin, giảm sự ảnh hưởng của họa
tần lên các phụ tải khác trong cùng hệ thống điện.
- Khả năng làm việc của bộ lọc tích cực phải mang tính ổn định khi phụ tải thay
đổi.
1.2.2 Các Nhiệm Vụ Cụ Thể :
Luận án sẽ thực hiện các nhiệm vụ sau :
- Xây dựng mô hình toán học của mạch lọc thụ động, mạch lọc tích cực nối tiếp, tải
phi tuyến ( nguồn sinh ra họa tần ).
-

Điều khiển bộ lọc tích cực nối tiếp sử dụng phương pháp trượt.

-

Điều khiển bộ lọc tích cực nối tiếp sử dụng phương pháp trượt mờ.

-

So sánh kết quả và đưa ra kết luận.

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÃ CÓ :
- Hernán De Battista, Ricardo J. Mantz [1] sử dụng phương pháp điều khiển ở chế
độ trượt (sliding – mode control).
- B.N Singh, Ambrish Chandra, Parviz Rastgoufard and Kamal Al-Haddad [9]: sử
dụng phương pháp điều khiển dựa trên bộ xử lý tín hiệu số (DSP : Digital Signal
Processor).
- Luowei Zhou and Keyue M.smedlay [6] : sử dụng phương pháp tích phân (UCI :
Unified Constant – frequency Integration).

1.4 PHẠM VI NGHIÊN CỨU :
Luận án sẽ thực hiện điều khiển mạch lọc tích cực nối tiếp trong phạm vi như sau :
-

Khảo sát mạch lọc tích cực nối tiếp trong hệ thống điện.

-

Khảo sát tải phát sinh họa tần là những nguồn dòng tần số họa tần bậc cao .

-

Khảo sát tải phát sinh họa tần mạch có điều khiển góc pha .

Chương 1. Mở đầu

3

Luận n Cao Học

1.5 ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN ÁN :
Nguyên lý điều khiển mạch lọc tích cực nối tiếp sử dụng phương pháp trượt
(sliding – mode control) được Hernán De Battista và Ricardo J. Mantz đề xuất 2000.
Phương pháp này cho kết quả điện áp và dòng điện đạt gần sin. Điểm mới của luận án
là phát triển để điều khiển mạch lọc tích cực nối tiếp sử dụng phương pháp trượt mờ.

1.6 GIÁ TRỊ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI :
-

Bù công suất phản kháng cho lưới.

-

Thực hiện lọc họa tần cho nguồn điện.

1.7 NỘI DUNG CỦA LUẬN ÁN :
Luận án gồm các phần sau :
Chương 1 : Giới thiệu về lý do ra đời của bộ lọc tích cực, những phương pháp đã
có, mục đích điều khiển, ứng dụng của mạch, nội dung cần thực hiện của luận án,
điểm mới của luận án.
Chương 2 : Trình bày nguyên lý làm việc của mạch lọc tích cực nối tiếp. Xây dựng
mô hình toán học, xây dựng sơ đồ mô phỏng Matlab / Simulink, các thông số của
hệ thống.
Chương 3 : Trình bày nguyên lý điều khiển dùng phương pháp trượt. Xây dựng mô
hình toán học, xây dựng sơ đồ mô phỏng Matlab / Simulink. p dụng mô phỏng
mạch lọc tích cực nối tiếp lý tưởng, mô phỏng điều khiển mạch lọc tích cực nối tiếp
dùng phương pháp trượt, các kết quả mô phỏng.

Chương 4 : Trình bày nguyên lý điều khiển dùng phương pháp trượt mờ. p dụng
mô phỏng điều khiển mạch lọc tích cực nối tiếp dùng phương pháp trượt mờ, các
kết quả mô phỏng.
Chương 5 : Các kết luận và đề nghị.

W#X

Chương 1. Mở đầu

4


Luận n Cao Học

CHƯƠNG 2 : MẠCH LỌC TÍCH CỰC NỐI TIẾP
2.1 GIỚI THIỆU MẠCH LỌC TÍCH CỰC NỐI TIẾP :
Xét hệ thống điện xoay chiều ba pha (Hình 2.1) với điện áp nguồn Ea, Eb, Ec có
điện kháng nguồn Ld, điểm trung tính nguồn N và phụ tải là mạch chỉnh lưu ba pha
(Tải phát sinh học tần ). Để hạn chế họa tần dòng điện bậc cao, ở đây sử dụng các bộ
lọc thụ động song song (PPF : Parallel Passive Filter) baäc 5, baäc 7, baäc cao kết hợp với
bộ lọc tích cực nối tiếp (SAF : Series Active Filter).
- Bộ lọc thụ động song song (PPF) bậc 5 gồm tụ điện C5 , cảm kháng L5; bậc 7 gồm
tụ điện C7, cảm kháng L7; bậc cao gồm tụ điện Ch, cảm kháng Lh.
-

Bộ lọc tích cực nối tiếp gồm có :
+ Bộ nghịch lưu ba pha được điều khiển bởi các khóa K đóng ngắt tần số cao,
nguồn điện áp một chiều E.
+ Bộ lọc độ gợn điện áp do đóng ngắt các khóa K (PSF :Passive Switching –
Ripple Filter) gồm tụ điện Cf, cuộn dây cảm kháng Lf , điện trở thuần Rf.

+ Máy biến điện áp T(1:1) cung cấp điện áp bù Uf từ bộ lọc tích cực nối tiếp
vào hệ thống.
Bộ nghịch lưu 3 pha
Bộ lọc tích cực nối tiếp

PSF

N

Máy biến áp T 1:1

Tải sinh họa tần

Bộ lọc thụ động song song

Hình 2.1 : Sơ đồ nguyên lý mạch lọc tích cực nối tiếp (SAF)
kết hợp mạch lọc thụ động song song (PPF)
Chương 2. Mạch Lọc Tích Cực Nối Tiếp

5


Luận n Cao Học
-

Công dụng của các bộ lọc trong hệ thống điện ba pha (Hình 2.1):

Khi các tải sinh họa tần hoạt động trong hệ thống sẽ xuất hiện dòng điện bị méo dạng,
gây ảnh hưởng đến những phụ tải khác và tác động xấu đến hệ thống (đã trình bày ở
chương 1). Để giảm được họa tần trong dòng điện nguồn ta tiến hành lọc các sóng hài

bậc cao làm cho dòng điện nguồn trở nên hình sin hơn. Thực tế, muốn lọc được hiệu
quả cao người ta thường kết hợp các bộ lọc thụ động song song và bộ lọc tích cực nối
tiếp như trong hình 2.1.
+ Với các bộ lọc thụ động song song (bậc 5, bậc 7 và bậc cao) có vai trò lọc
sóng hài dòng điện tại các tần số cộng hưởng của chúng. Có thể gọi là bộ lọc thô.
+ Với bộ lọc tích cực nối tiếp có vai trò lọc tất cả các sóng hài mà bộ thụ động
song song không có khả năng lọc. Có thể gọi là bộ lọc tinh.
Trong hình 2.1 mô tả sơ đồ nguyên lý của mạch lọc tích cực nối tiếp kết hợp mạch lọc
thụ động song song trong hệ thống điện ba pha với tải sinh họa tần là mạch chỉnh lưu.
Các đại lượng điện áp nguồn, điện áp tải, dòng điện nguồn, dòng điện tải được xét ở
tần số công nghiệp f = 50 (Hz) và tần số sóng hài. Thể hiện hệ thống dưới dạng sơ đồ
khối như sau :
Nguồn
Điện

ULf

USf

Tải Phi
Tuyến

+

ISf

IFf

ILf

PPF
Hình 2.2a : Sơ đồ khối của hệ thống ở tần số cơ bản
Nguồn
Điện

ULh

USh+
-

ISh

+

UFh

IFh
SAF

ILh

Tải Phi
Tuyến

PPF

Hình 2.2b : Sơ đồ khối của hệ thống ở tần số sóng hài

Chương 2. Mạch Lọc Tích Cực Nối Tiếp

6


Luận n Cao Học
Các thông số trong hệ thống được ký hiệu như sau :
- Tín hiệu dòng điện nguồn, dòng điện tải và dòng điện bù ở tần số cơ bản và tần số
cao :
IS = ISf + ISh Dòng điện nguồn.
ISf : Dòng điện nguồn ứng với tần số cơ bản.
ISh : Dòng điện nguồn ứng với tần số sóng hài.
IL = ILf + ILh : Dòng điện tải.
ILf :Dòng điện tải ứng với tần số cơ bản.
ILh : Dòng điện tải ứng với tần số sóng hài.
IF = IFf + IFh : Dòng điện qua PPF.
IFf : Dòng điện qua PPF ứng với tần số cơ bản.
IFh : Dòng điện qua PPF ứng với tần số sóng hài.
:

Tín hiệu điện áp nguồn, điện áp trên tải và điện áp bù ở tần số cơ bản và tần số cao
US = USf + USh : Điện áp nguồn.
USf : Điện áp nguồn ứng với tần số cơ bản.
USh : Điện áp nguồn ứng với tần số sóng hài.
UL = ULf + ULh : Điện áp tải.
ULf : Điện áp tải ứng với tần số cơ bản.
ULh : Điện áp tải ứng với tần số sóng hài.
UF = UFf + UFh : Điện áp ở SAF.
UFf : Điện áp ở SAF ứng với tần số cơ bản.
UFh : Điện áp ở SAF ứng với tần số sóng hài.

Trên cơ sở các ký hiệu tín hiệu điện áp và dòng điện ở tần số cơ bản và tần số bậc cao,

ta sẽ phân tích họat động và mô phỏng hệ thống ở các chương sau.

Chương 2. Mạch Lọc Tích Cực Nối Tiếp

7


Luận n Cao Học

2.2 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC :
2.2.1 Bộ lọc thụ động song song :
2.2.1.1 Giới thiệu mạch cộng hưởng RLC nối tiếp :
Xét sơ đồ mạch như hình 2.3, gồm một tụ điện C nối tiếp với cảm kháng L và điện trở
thuần R. Mạch hoạt động với nguồn điện có tần số f ( tần số góc ω = 2π*f ).

Hình 2.3 : Mạch lọc RLC nối tiếp
Tổng trở tương đương của mạch RLC nối tiếp :
1 ⎞
⎛
Z = R + j⎜ ωL −
⎟
ωC ⎠
⎝

(2.1)

Độ lớn tổng trở tương đương :

1 ⎞
⎛

Z = R + ⎜ ωL −
⎟
ωC ⎠
⎝
2

2

(2.2)

Điện kháng tương đương trong mạch :
1 ⎞
⎛
X = ⎜ ωL −
⎟
ωC ⎠
⎝

(2.3)

Khi đó độ lớn tổng trở tương đương được viết lại như sau:
Z = R2 + X2

(2.4)

Hình 2.4 mô tả đường đặc tuyến tổng trở trong mạch RLC. Mạch cộng hưởng khi
= 0 tại tần số cộng hưởng fr.

Chương 2. Mạch Lọc Tích Cực Nối Tiếp

8

X


Luận n Cao Học
1 ⎞
⎛
X = ⎜ ωL −
⎟
ωC ⎠
⎝

0

f

fr

Z

R
0

f

Hình 2.4 : Dạng trở kháng và tổng trở mạch RLC nối tiếp
Trong đó : fr tần số cộng hưởng riêng trong mạch. Tại tần số này thì tổng trở trong
mạch là nhỏ nhất, chỉ còn điện trở R.
Tần số cộng hưởng riêng fr của mạch được xác định theo biểu thức :

fr =

1

(2.5)

2π. LC

Mạch mang tính dung kháng ở tần số thấp hơn tần số cộng hưởng và mang tính cảm
kháng ở tần số cao hơn tần số cộng hưởng fr.
Mạch lọc cộng hưởng được lắp cho từng sóng hài dòng điện cần được khử. Chúng đấu
vào thanh cái tại vị trí các sóng hài tác động gây nhiễu cho điện áp. Các mạch lọc cộng
hưởng tạo thành các bộ lọc thụ động song song.
2.2.1.2

Các tính chất của bộ lọc thụ động song song :

Xét mạch có các phần tử RLC như hình 2.5. Điện áp vào Vin và điện áp ra Vout, nguồn
điện có tần số f.
Vin

Vout

Hình 2.5 : Mạch RLC nối tiếp
Chương 2. Mạch Lọc Tích Cực Nối Tieáp

9


Luận n Cao Học

Khi đó mạch có hàm truyền như sau :

Suy ra :

H( jω) =

Vout
=
Vin

H( jω) =

1
1 ⎞
⎛ ωL
−
1 + j⎜
⎟
⎝ R ωRC ⎠

R
R + jωL +

1
jωC
(2.6)

Gọi fr là tần số cộng hưởng riêng trong mạch :
fr =

1
2π. LC

Suy ra tần số góc :
ωr = 2π*fr =

1
LC

(2.7)

Hệ số phẩm chất của mạch :
Q=

1 L
R C

(2.8)

Khi đó hàm truyền (2.6) được viết lại như sau :
H( jω) =

1
⎛ ω ωr ⎞
⎟⎟
1 + jQ⎜⎜
−
⎝ ωr ω ⎠

(2.9)

Trở kháng đặc trưng của mạch lọc :
X0 =

⇒

Q=

L
C

(2.10)

X0
R

(2.11)

Một mạch lọc tốt phải có trở kháng với hệ số phẩm chất Q lớn, vì thế R nhỏ hơn X0
nhiều lần tại tần số cộng hưởng fr. Khi đó tổng trở trong mạch là nhỏ nhất, chỉ còn điện
trở R sẽ có dòng điện lớn tần số fr qua điện trở, hay nói cách khác mạch đã lọc được
dòng có tần số fr cho nguồn.
Khi xét đến trở kháng nguồn LS thì tần số cộng hưởng của hệ thống far được xác định
theo biểu thức :
far =

1

(2.12)

2π. (L S + L )C

Chương 2. Mạch Lọc Tích Cực Nối Tiếp

10


Luận n Cao Học

Thông thường LS nhỏ hơn nhiều so với L nên tần số far ít phụ thuộc vào sự thay đổi của
cảm kháng hệ thống Ls. Tần số cộng hưởng của mạch lọc tích cực fr sẽ khác tần số
cộng hưởng của hệ thống far.
2.2.2 Mạch lọc tích cực nối tiếp :

Một bộ lọc tích cực nối tiếp được đặt giữa nguồn điện và tải sinh họa tần làm cho
dòng điện nguồn trở nên sin hơn . Nguyên lý của phương pháp này là cách ly sóng hài
bởi việc điều khiển điện áp ra của bộ lọc tích cực nối tiếp . Nói cách khác, bộ lọc tích
cực nối tiếp được xem như một tổng trở cao đối với dòng sóng hài, vì thế ngăn không
cho dòng sóng hài xuất hiện trong mạch điện.
Xét mạch điện như hình 2.6a. Với nguồn điện có điện áp US , điện kháng ZS, mắc
nối tiếp với một bộ lọc tích cực có điện áp bù là Uf. Tải phát sinh họa tần trong trường
hợp này được thay thế bởi nguồn dòng IL và tổng trở ZL.
Uf

ZL

US

IL

Hình 2.6a : Mạch lọc tích cực nối tiếp
Hình vẽ 2.6b trình bày mạch điện được xét ở tần số cơ bản của hệ thống. Khi đó,
điện áp nguồn ở tần số cơ bản USf , dòng điện nguồn tần số cơ bản ISf, dòng điện tải tần
số cơ bản ILf, điện áp bù của bộ lọc tích cực nối tiếp Uf ≈ 0.
zS

Uf ≈ 0
ISf

USf

ZL

ILf

Hình 2.6b : Mạch lọc tích cực nối tiếp ở tần số cơ bản
Hình vẽ 2.6c trình bày mạch điện được xét ở tần số sóng hài. Khi đó điện áp nguồn ở
tần số sóng hài USh , dòng điện nguồn tần số sóng hài ISh, dòng điện tải tần số sóng hài
ILf, điện áp bù của bộ lọc tích cực nối tiếp Ufh ≈ ISh.RK (RK là điện trở có giá trị không
đổi).
Chương 2. Mạch Lọc Tích Cực Nối Tiếp

11


Luận n Cao Học

RK
ISh
ZL

USh

ILh

Hình 2.6c. Mạch lọc tích cực nối tiếp ở tần số sóng hài
Trong đó :

Zs : tổng trở nguồn.
ZL : tổng trở tải.

Xét ở tần số cơ bản (hình 2.6b):

Điện áp trên mạch lọc tích cực nối tiếp tại tần số cơ bản :
Uf = 0

(2.13)

Dòng điện nguồn tại tần số cơ bản :
I Sf =

U Sf
Z L .I Lf
+
ZS + Z L ZS + Z L

(2.14)

Xeùt ở tần số sóng hài (hình 2.6c):

Điện áp trên mạch lọc tích cực nối tiếp ở tần số sóng hài :
Uf = ISh.RK

(2.15)

Dòng điện nguồn ở tần số sóng hài :
I Sh =

U Sh
Z L .I Lh
+
ZS + Z L + R K ZS + Z L + R K

(2.16)

Thaønh phần sóng hài của điện áp nguồn thực tế là không đáng kể (USh ≈ 0).
Khi đó dòng điện được viết lại từ phương trình (2.16) :
I Sh =

Z L .I Lh
ZS + ZL + R K

(2.17)

Như vậy để giảm được dòng điện nguồn sóng hài ISh đạt giá trị rất nhỏ so với dòng điện
ILh thì ta phải chọn giá trị điện RK lớn hơn nhiều lần so với (ZL + ZS).

Chương 2. Mạch Lọc Tích Cực Nối Tiếp

12

Luận n Cao Học
2.2.3 Mạch lọc tích cực nối tiếp kết hợp với mạch lọc thụ động song song :

Hình 2.7a trình bày sơ đồ mạch lọc tích cực nối tiếp kết hợp với mạch lọc thụ động
song song .Với nguồn điện có điện áp US , điện kháng ZS, mắc nối tiếp với một bộ lọc
tích cực có điện áp bù là Uf. Mạch lọc thụ động song song gồm các phần tử RLC nối
tiếp có tổng trở là ZF . Tải phát sinh họa tần trong trường hợp này được thay thế bởi
nguồn dòng IL và tổng trở ZL.
Uf
ZL

IL

ZF
Hình 2.7a : Mạch kết hợp giữa bộ lọc tích cực nối tiếp và
bộ lọc thụ động song song
Hình 2.7b trình bày sơ đồ mạch lọc tích cực nối tiếp kết hợp với mạch lọc thụ
động song song ở tần số cơ bản.Với nguồn điện có điện áp USf , điện kháng ZS, mắc nối
tiếp với một bộ lọc tích cực có điện áp bù là Uf. Mạch lọc thụ động song song gồm các
phần tử RLC nối tiếp có tổng trở là ZF . Tải phát sinh họa tần trong trường hợp này
được thay thế bởi nguồn dòng ILf và tổng trở ZL.
Uf ≈ 0
USf

ISf
ZF

ZL

ILf

Hình 2.7b. Mạch kết hợp giữa bộ lọc tích cực nối tiếp
và bộ lọc thụ động song song ở tần số cơ bản
Hình 2.7c trình bày sơ đồ mạch lọc tích cực nối tiếp kết hợp với mạch lọc thụ động
song song ở tần số sóng hài.Với nguồn điện có điện áp USh , điện kháng ZS, mắc nối
tiếp với một bộ lọc tích cực có điện áp bù là Uf. Mạch lọc thụ động song song gồm các
phần tử RLC nối tiếp có tổng trở là ZF . Tải phát sinh họa tần trong trường hợp này
được thay thế bởi nguồn dòng ILh và tổng trở ZL.

Chương 2. Mạch Lọc Tích Cực Nối Tiếp

13


Luận n Cao Học

ISh

USh

ZF

ZL

ILh

Hình 2.7c. Mạch kết hợp giữa bộ lọc tích cực nối tiếp
và bộ lọc thụ động song song ở tần số sóng hài.

Xét ở tần số cơ bản (hình 2.7b) :

Điện áp trên mạch lọc tích cực nối tiếp tại tần số cơ bản :
Uf = 0

(2.18)

Dòng điện nguồn tại tần số cơ bản :
I Sf =

U Sf
( Z L // Z F ).I Lf
+
Z S + ( Z L // Z F ) Z S + ( Z L // Z F )

(2.19)

Xét ở tần số sóng hài (hình 2.7c):

Điện áp trên mạch lọc tích cực nối tiếp ở tần số sóng hài :
Uf = ISh.RK

(2.20)

Dòng điện nguồn ở tần số sóng hài :
I Sh =

Thành phaàn :

(Z L // Z F ).I Lh

Z S + (Z L // Z F ) + R K

+

U Sh
Z S + (Z L // Z F ) + R K

(2.21)

U Sh
không đáng kể vì điện áp sóng hài nguồn USh thực
Z S + (Z L // Z F ) + R K

tế rất nhỏû.
Nên dòng điện nguồn sóng hài được viết lại từ phương trình (2.21) :
I Sh =

(Z L // Z F ).I Lh
Z S + (Z L // Z F ) + R K

(2.22)

Để giảm được dòng sóng hài bậc cao thì trong thực tế ta phải chọn điện trở RK rất lớn
so với Z S + (Z L // Z F ) . Khi đó từ biểu thức (2.22) suy ra ISh rất nhỏ so với dòng điện ILh
dễ dàng thỏa mãn.
-

Điện áp ngõ ra của bộ lọc tích cực nối tiếp :
U f = R K .I Sh = R K .

(Z L // Z F ).I Lh
Z S + (Z L // Z F ) + R K

Chương 2. Mạch Lọc Tích Cực Nối Tieáp

(2.23)
14


Luận n Cao Học

Ta có thể đánh giá hiệu quả của bộ lọc sóng hài bậc cao của bộ lọc tích cực nối tiếp
kết hợp với bộ lọc thụ động song song thông qua hệ số phân bố :
m=

I Sh
(Z L // Z F )
=
I Lh Z S + (Z L // Z F ) + R K

(2.24)

Trong thực tế với một bộ lọc tích cực nối tiếp hệ số phân bố m càng nhỏ thì lọc hiệu
quả càng cao, phụ thuộc vào điện trở RK.
Ngoài ra người ta có thể khảo sát hệ số phân bố theo đơn vị dB :
⎛I
M = 20 lg⎜⎜ Sh
⎝ I Lh

⎞

⎟⎟(dB)
⎠

(2.25)

Ví dụ đường đặc tính họa tần dòng điện ISh / ISh tính theo đơn vị dB, xét họa tần đến bậc
25 như hình 2.8.

Hình 2.8 : Đường đặc tính họa tần dòng điện ISh/ILh (dB)

Chương 2. Mạch Lọc Tích Cực Nối Tiếp

15


Luận n Cao Học

2.3 MÔ HÌNH TOÁN HỌC VÀ SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG DÙNG MATLAB /
SIMULINK :
2.3.1 Sơ đồ nguyên lý mạch lọc tích cực một pha :

Xét hệ thống điện xoay chiều một pha (hình 2.9) với điện áp nguồn e(t) có điện
kháng nguồn Ld, tải là mạch chỉnh lưu có điều khiển góc pha (Tải phát sinh học tần ),
tải xoay chiều một pha có cảm kháng L0, điện trở thuần R0, tụ bù công suất phản kháng
cho mạch này có điện dung là C0 .
Ngoài ra trong mạch để giảm được họa tần bậc cao của dòng điện , ta lắp thêm
các bộ lọc thụ động song song (PPF) (baäc 3, baäc 5, baäc 7, baäc cao) kết hợp với mạch
lọc tích cực nối tiếp (SAF).
- Bộ lọc thụ động song song (PPF) bậc 3 gồm tụ điện C3 , cảm kháng L3, điện trở R3;
bậc 5 gồm tụ điện C5 , cảm kháng L5, điện trở R5; bậc 7 gồm tụ điện C7, cảm kháng L7,

điện trở R7; bậc cao gồm tụ điện Ch, cảm kháng Lh, điện trở Rh.
-

Bộ lọc tích cực nối tiếp gồm có :
+ Bộ nghịch lưu một pha được điều khiển bởi các khóa K đóng ngắt tần số cao,
nguồn điện áp một chiều E.
+ Bộ lọc độ gợn điện áp do đóng ngắt các khóa K (PSF) gồm tụ điện Cf, cảm
kháng Lf , điện trở thuần Rf.
+ Máy biến điện áp T cung cấp điện áp bù Uf từ bộ lọc tích cực nối tiếp vào hệ
thống.

ef

PSF

iS

u

Hình 2.9 : Sơ đồ nguyên lý một pha mạch lọc tích cực nối tiếp
(SAF) kết hợp mạch lọc thụ động song song (PPF).
16
Chương 2. Mạch Lọc Tích Cực Nối Tiếp


Luận n Cao Học

PPF (Parallel Passive Filter) : Bộ lọc thụ động song song.
SAF (Series Active Filter) : Bộ lọc tích cực nối tiếp.
PSF (Passive Switching – Ripple Filter) : Bộ lọc độ gợn do đóng ngắt khóa.

Các thông số của mạch :
-

Nguồn điện áp hình sin : e(t) = Em.Sin(ω.t) (V)

-

Điện cảm của đường dây Ld (H).

-

Tỷ số biến áp T là n

- Bộ lọc độ gợn (PSF) do đóng ngắt gồm điện cảm Lf (H), điện trở thuần Rf (Ω), điện
dung Cf (F).

Tần số cộng hưởng của mạch lọc (PSF) :
fr =

1
2π. L f C f

(2.26)

Hệ số phẩm chất của bộ lọc (PSF) :
Qf =

1
Rf

Lf
Cf

(2.27)

- Các khoá K gồm một transistor và Diode mắc song song ngược K1, K2 . Các khoá
K1, K2 không đóng đồng thời (K2 = K 1 ).
-

Nguồn một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu E (V).

- Điện áp bù của mạch lọc tích cực nối tiếp là Uf và được đưa vào hệ thống bởi máy
biến điện áp T có tỷ số biến áp là n.
- Tải xoay chiều một pha có điện cảm L0 (H), điện trở thuần R0 (Ω), với tụ bù điện
dung C0 (F).
-

Dòng điện nguồn trong mạch là IS.

-

Dòng điện tải cho mạch chỉnh lưu là It.

-

Tải có giá trị điện trở thuần Rt (Ω).

Đại lượng cần điều khiển trong mạch là điện áp bù Uf của mạch lọc tích cực nối tiếp.
Qui luật đóng ngắt các khóa K sao cho :
- Điện áp bù Uf trong mạch có khả năng khử được sóng hài dòng điện bậc cao. Làm

cho dạng sóng của dòng điện trở nên sin hơn.
- Ở đây điện áp kích cho các transistor trong các khoá K có dạng điều chế độ rộng
xung.
Chương 2. Mạch Lọc Tích Cực Nối Tiếp

17


Luận n Cao Học

Các bộ lọc thụ động song song :
- Bộ lọc thụ động song song bậc 3 : Điện dung C3(F); điện kháng L3(H); điện trở
thuần R3(Ω).

Tần số cộng hưởng của mạch lọc bậc 3 :
f3 =

1
2π. L 3 C3

(2.28)

Hệ số phẩm chất của bộ lọc bậc 3 :
Q3 =

1
R3

L3
C3

(2.29)

- Bộ lọc thụ động song song bậc 5 : Điện dung C5(F); điện kháng L5(H); điện trở
thuần R5(Ω).

Tần số cộng hưởng của mạch lọc bậc 5 :
f5 =

1
2π. L 5C 5

(2.30)

Hệ số phẩm chất của bộ lọc bậc 5 :
Q5 =

1
R5

L5
C5

(2.31)

- Bộ lọc thụ động song song bậc 7 : Điện dung C7(F); điện kháng L7(H); điện trở
thuần R7(Ω).

Tần số cộng hưởng của mạch lọc bậc 7 :
f7 =

1
2π. L 7 C 7

(2.32)

Hệ số phẩm chất của bộ lọc bậc 7 :
Q7 =

1
R7

L7
C7

(2.33)

- Bộ lọc thụ động song song bậc cao gồm điện cảm Ch(F); điện kháng Lh(H); điện
trở thuần Rh(Ω).

Chương 2. Mạch Lọc Tích Cực Nối Tiếp

18


Luận n Cao Học

Tần số cộng hưởng của mạch lọc bậc cao :
fh =

1
2π. L h C h

(2.34)

Hệ số phẩm chất của bộ lọc bậc cao :
Qh =

1
Rh

Lh
Ch

Chương 2. Mạch Lọc Tích Cực Nối Tiếp

(2.35)

19


Luận n Cao Học
2.3.2 Phương Trình Của Bộ Lọc Tích Cực :

Hình 2.10 mô tả sơ đồ mạch điện của mạch lọc tích cực nối tiếp gồm bộ nghịch lưu một
pha và bộ lọc độ gợn điện áp do đóng ngắt.
Uf
iLf

n.iS

ef

iS

uCf
T

Hình 2.10 : Mạch điện bộ lọc tích cực nối tiếp.
Trong đó :
ef : Điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu.
K1 ; K2 : Các khóa đóng ngắt tần số cao.
E :Điện áp nguồn một chiều của bộ nghịch lưu.
Lf, Cf, Rf lần lượt là điện kháng, điện dung, điện trở của mạch lọc độ gợn điện
áp do đóng ngắt khoá K.
n : Tỷ số máy biến áp T.
iS : Dòng điện nguồn điện.
iLf : Dòng điện qua cuộn dây Lf.
UCf : Điện áp trên tụ điện Cf.
Tín hiệu ra của mạch nghịch lưu một pha là :
ef = K1.E

(2.36)

với K 1 = ± 1 (K1 sóng điều chế độ rộng xung PWM ).
Viết phương trình Kirchoff 2 cho mạch lọc tích cực hình 2.10 như sau :
Lf.
⇒

di Lf

+ uCf + Rf .[ iLf + n.iS ] = K1.E = ef
dt

di Lf
R
n.R f
E
1
=
.K1 .uCf - f .iLf .iS
dt
Lf
Lf
Lf
Lf

Chương 2. Mạch Lọc Tích Cực Nối Tiếp

(2.37)

20