Nghiên cứu phương pháp biến điệu Vector không gian cho bộ biến tần ba pha bốn dây

bộ giáo dục và đào tạo
trờng đại học bách khoa hà nội
-----------------------------------------

luận văn thạc sỹ khoa học

Nghiên cứu phơng pháp biến điệu vector không
gian cho bộ biến tần ba pha bốn dây

ngành : Tự động hoá

Vũ Hoàng Phơng

Ngời hớng dẫn khoa học: TS. trần trọng minh

hà nội 2008


2

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp này là do tơi tự hồn thành dưới
sự hướng dẫn của thầy giáo TS. Trần Trọng Minh. Các số liệu và kết quả
trong luận văn là hoàn toàn trung thực.
Đề hồn thành luận văn này, tơi chỉ sử dụng những tài liệu tham khảo
đã được ghi trong mục tài liệu tham khảo, không sử dụng các tài liệu nào khác
mà không được liệt kê ở phần tài liệu tham khảo.
Học viên

Vũ Hoàng Phương

3

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................ 2
MỤC LỤC........................................................................................................ 3
DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................. 5
DANH MỤC HÌNH VẼ .................................................................................. 6
DANH MỤC HÌNH VẼ .................................................................................. 6
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 9
CHƯƠNG I: PHÂN TÍCH ĐẶC ĐIỂM CỦA TẢI KHÔNG CÂN BẰNG
- PHI TUYẾN ................................................................................................ 12
1.1. Đặt vấn đề............................................................................................. 12
1.2. Khái niệm về tải, nguồn không cân bằng............................................. 12
1.2.1. Định nghĩa tải, nguồn không cân bằng dựa vào sự chênh lệch công
suất .......................................................................................................... 12
1.2.2. Định nghĩa tải, nguồn không cân bằng dựa vào các thành phần đối
xứng......................................................................................................... 14
1.3. Ảnh hưởng của tải, nguồn không cân bằng.......................................... 17
1.4. Tải phi tuyến ........................................................................................ 19
1.4.1. Khái niệm tải phi tuyến................................................................. 19
1.4.2. Ảnh hưởng của tải phi tuyến ......................................................... 20
1.4.3. Biểu diễn tải phi tuyến dưới dạng mạch điện ............................... 27
1.5. Kết luận ................................................................................................ 29
CHƯƠNG II: BIẾN ĐIỆU VECTOR KHÔNG GIAN CHO BỘ BIẾN
TẦN 3 PHA 4 DÂY ....................................................................................... 31
2.1. Đặt vấn đề............................................................................................. 31
2.2. Biến điệu vector không gian hai chiều SVM-2D................................. 31
2.2.1. Cấu trúc bộ biến đổi 3 pha 3 nhánh van........................................ 31

2.2.2. Vector không gian hai chiều ......................................................... 32
2.2.3. Biến điệu vector không gian SVM - 2D ...................................... 33
2.3. Biến điệu vector không gian ba chiều SVM-3D.................................. 37
2.3.1. Cấu trúc bộ biến đổi 3 pha 4 dây .................................................. 37
2.3.2. Vector không gian ba chiều .......................................................... 38
2.3.3. Biến điệu vector không gian SVM - 3D ....................................... 39
2.4. Kết luận ................................................................................................ 54


4
CHƯƠNG III: MƠ HÌNH VÀ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CỦA BỘ
BIẾN TẦN 3 PHA 4 DÂY ............................................................................ 56
3.1. Đặt vấn đề............................................................................................. 56
3.2. Mơ hình bộ biến tần 3 pha 4 dây.......................................................... 56
3.2.1. Mơ hình bộ biến tần 3 pha 4 dây trong hệ toạ độ abc................... 56
3.2.2. Mơ hình bộ biến tần 3 pha 4 dây trong hệ toạ độ quay dqo ......... 58
3.2.2.1. Giới thiệu về hệ toạ độ quay dqo ........................................... 58
3.2.2.2. Mơ hình bộ biến tần 3 pha 4 dây trong hệ toạ độ quay dqo .. 60
3.2.2.3. Phân tích trạng thái xác lập của hộ biến tần 3 pha 4 dây trong
hệ tọa độ quay dq0 .............................................................................. 62
3.3. Thiết kế bộ điều khiển bộ biến tần 3 pha 4 dây ................................... 64
3.3.1. Mơ hình đối tượng trên miền tần số.............................................. 64
3.3.2. Thiết kế bộ điều khiển trên miền tần số........................................ 71
3.3.3. Điều khiển feedforward dòng điện tải .......................................... 72
3.4. Kết luận ................................................................................................ 74
CHƯƠNG IV: MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM BỘ BIẾN TẦN 3
PHA 4 DÂY.................................................................................................... 75
4.1. Mô phỏng bộ biến tần 3 pha 4 dây....................................................... 75
4.1.1. Giới thiệu về phần mềm mô phỏng Matlab .................................. 75
4.1.2. Mô phỏng cấu trúc bộ biến tần 3 pha 4 dây.................................. 75

4.1.2 Kết quả mô phỏng biến tần 3 pha 4 dây......................................... 80
4.2. Thực nghiệm với bộ biến tần 3 pha 4 dây............................................ 96
4.2.1. Giới thiệu về mơ hình thực nghiệm .............................................. 96
4.2.1. Kết quả thực nghiệm ..................................................................... 99
4.3. Kết luận .............................................................................................. 102
KẾT LUẬN .................................................................................................. 103
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 104
PHỤ LỤC ..................................................................................................... 105


5

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Tải không cân bằng và dịng trung tính........................................... 13
Bảng 1.2. Tải khơng cân bằng và các hệ số không cân bằng ......................... 16
Bảng 1.3. So sánh của tỷ lệ giữa độ lớn thành phần cơ bản........................... 24
và những sóng hài bậc cao .............................................................................. 24
Bảng 2.1. Bảng thời gian đóng/cắt cho các van bán dẫn trong mỗi sector .... 37
Bảng 2.2. Bảng chuyển mạch và điện áp tương ứng ...................................... 43
Bảng 2.3. Bảng vector chuẩn và điện áp tương ứng trong hệ tọa độ αβγ ...... 43
Bảng 2.4. Sự bố trí của các tứ diện trong lăng trụ.......................................... 45
Bảng 2.5. Đặc điểm phân loại các sector trong lăng trụ................................. 47
Bảng 2.6. Bảng liệt kê ma trận A(3x3) phục vụ việc tính tốn các tỷ số điều
biến d1, d2, d3 ................................................................................................... 50
Bảng 2.7. Bảng liệt kê thời gian đóng cắt trong mỗi sector ........................... 52
Bảng 3.1. Thơng số bộ điều khiển cho các kênh ............................................ 72


6

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Ví dụ phân tích tải, nguồn không cân bằng thành ba thành phần
riêng biệt: Thứ tự thuận, thứ tự ngược và thứ tự không ................................. 16
Hình 1.2. Bốn khả năng có thể nối giữa nguồn và tải .................................... 18
Hình 1.3. Chỉnh lưu điơt ba pha khơng có bộ lọc một chiều ......................... 21
Hình 1.4. Chỉnh lưu điơt ba pha có tụ lọc một chiều ..................................... 22
Hình 1.5. Chỉnh lưu điơt ba pha với bộ lọc L/C một chiều............................ 23
Hình 1.6. Dạng sóng của ba chỉnh lưu điơt một pha có tụ lọc ....................... 26
Hình 1.7. Dịng trong trường hợp tải phi tuyến có mơ hình giống nguồn dịng
điều hịa ........................................................................................................... 28
Hình 1.8. Điện áp trong trường hợp tải phi tuyếncó mơ hình giống nguồn áp
điều hòa ........................................................................................................... 28
Hinh 1.9. Các trường hợp sử dụng bộ biến đổi 3 pha 4 dây ......................... 30
Hình 2.1. Cấu trúc bộ biến đổi 3 pha 3 nhánh van......................................... 31
Hình 2.2. Sơ đồ thay thế của bộ biến đổi 3 pha 3 nhánh van......................... 32
Hình 2.3. Đặc tính của van bán dẫn lý tưởng................................................. 32
Hình 2.4. Các khả năng chuyển mạch trong bộ biến tần 3 pha 3 dây ........... 34
Hình 2.5. Vị trí các vector chuẩn trên hệ toạ độ αβ ....................................... 35
Hình 2.6. Tổng hợp vector chuẩn trong sector thứ nhất................................. 36
Hình 2.7. Thời gian đóng/cắt mỗi van trong sector 1..................................... 36
Hình 2.8. Cấu trúc bộ biến tần 3 pha 4 dây .................................................... 37
Hình 2.9. Sơ đồ thay thế của bộ biến đổi 3 pha 4 dây.................................... 38
Hình 2.10. Đặc tính của van bán dẫn lý tưởng............................................... 38
Hình 2.11. Mối qua hệ giữa hệ toạ độ abc và αβγ.......................................... 39
Hình 2.12. Mười sáu khả năng chuyển mạch................................................. 42
Hình 2.13. Vị trí 16 vector chuẩn trong khơng gian ...................................... 42
Hình 2.14. Ví trí 6 lăng trụ trong hệ toạ độ αβγ ............................................. 44
Hình 2.15. Các tứ diện trong lăng trụ I .......................................................... 45
Hình 2.16. Lưu đồ thuật tốn xác định lăng trụ chứa vector.......................... 46
Hình 2.17. Tỷ số điều biến cho các vector tích cực ....................................... 48

Hình 2.18. Biểu đồ xung mở van thuộc tứ diện 14 ........................................ 52
Hình 3.1. Mơ hình bộ biến tần 3 pha 4 nhánh trên hệ toạ độ abc .................. 57
Hình 3.2. Mối quan hệ giữa hệ tọa độ αβγ và hệ tọa độ quay dq0................. 60
Hình 3.3. Mơ hình bộ biến tần 3 pha 4 dây trong hệ tọa độ quay dqo........... 63


7
Hình 3.4. Mơ hình bộ biến tần 3 pha 4 dây bằng tốn tử laplace .................. 64
Hình 3.5. Mơ hình tương đương 1 kênh của bộ biến tần 3 pha 4 dây............ 65
Hình 3.6. Đồ thị bode cho hàm truyền đạt kênh d, q ..................................... 66
Hình 3.7. Đồ thị bode cho hàm truyền đạt kênh o ......................................... 67
Hình 3.8. Đồ thị bode cho hàm truyền đạt Vd/dd ............................................ 69
Hình 3.9. Đồ thị bode cho hàm truyền đạt Vd/dq ............................................ 69
Hình 3.10. Đồ thị bode cho hàm truyền đạt Vq/dd .......................................... 70
Hình 3.11. Đồ thị bode cho hàm truyền đạt Vq/dq .......................................... 70
Hình 3.12. Đồ thị bode khi có bộ điều khiển kênh d,q................................... 71
Hình 3.13. Đồ thị bode khi có bộ điều khiển kênh o...................................... 72
Hình 3.14. Cấu trúc điều khiển bộ biến tần 3 pha 4 dây với bộ điều khiển
được thiết kế trên miền tần số ......................................................................... 73
Hình 4.1. Cấu trúc điều khiển biến tần 3 pha 4 dây ....................................... 76
Hình 4.2. Cấu trúc mạch lực biến tần 3 pha 4 dây ......................................... 77
Hình 4.3. Cấu trúc điều khiển PWM biến tần 3 pha 4 dây ........................... 77
Hình 4.4. Chi tiết khối phát xung tam giác .................................................... 78
Hình 4.5. Khối chuyển vị toạ độ abc→dqo.................................................... 78
Hình 4.6. Khối chuyển vị toạ độ dqo→αβγ ................................................... 79
Hình 4.7. Cấu trúc bộ điều khiển điện áp kiểu PI ......................................... 79
Hình 4.8. Lượng đặt điều khiển cho biến tần 3 pha 4 dây ............................ 80
Hình 4.9. Đặc tính sóng biến điệu đầu ra khối SVM .................................... 80
Hình 4.10. Đặc tính điện áp đầu ra biến tần sau lọc LC ............................... 81
Hình 4.11. Đặc tính điện áp đầu ra biến tần .................................................. 81

Hình 4.12. Góc chuyển vị tọa độ................................................................... 82
Hình 4.13. Phân tích phổ điện áp đầu ra sau lọc LC ..................................... 83
Hình 4.14. Đặc tính điện áp đầu ra biến tần sau lọc LC .............................. 84
Hình 4.15. Thành phần điện áp trên hệ trục αβγ ........................................... 84
Hình 4.16. Thành phần điện áp trên hệ trục αβγ ( 3 chiều)........................... 85
Hình 4.17. Đặc tính dịng điện tải và dịng trung tính đầu ra........................ 85
Hình 4.18. Thành phần dịng điện tải trên hệ trục αβγ ( 3 chiều) ................ 86
Hình 4.19. Phân tích phổ điện áp đầu ra sau lọc LC ..................................... 87
Hình 4.20. Đặc tính điện áp đầu ra biến tần sau lọc LC .............................. 88
Hình 4.21. Thành phần điện áp trên hệ trục αβγ ........................................... 88
Hình 4.22. Đặc tính dịng điện tải và dịng trung tính đầu ra........................ 89
Hình 4.23. Thành phần dòng điện tải trên hệ trục αβγ ( 3 chiều) ................ 89


8
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình

Hình
Hình

4.24. Đặc tính điện áp đầu ra biến tần sau lọc LC .............................. 90
4.25. Thành phần điện áp trên hệ trục αβγ ........................................... 90
4.26. Đặc tính dịng điện tải 3 pha đầu ra............................................. 91
4.27. Thành phần dòng điện tải trên hệ trục αβγ ( 3 chiều) ................ 91
4.28. Đặc tính điện áp đầu ra biến tần sau lọc LC .............................. 92
4.29. Thành phần điện áp trên hệ trục αβγ ........................................... 92
4.30. Thành phần điện áp trên hệ trục αβγ (3 chiều)............................ 93
4.31. Đặc tính dịng điện tải và dịng trung tính đầu ra........................ 93
4.32. Thành phần dịng điện tải trên hệ trục αβγ ( 3 chiều) ................ 94
4.33. Phân tích phổ điện áp đầu ra sau lọc LC ..................................... 95
4.34. Cấu trúc thực nghiệm biến tần 3 pha 4 dây................................. 96
4.35. Cấu trúc của card ds1103. ........................................................... 97
4.36. Mối liên hệ giữa các phần mềm điều khiển ................................ 99
4.37.Kết quả thí nghiệm vịng hở khi Udc =423V và Upha = 150V..... 100
4.38.Kết quả thí nghiệm vịng kín khi Udc =460V và Upha = 150V.... 100
4.39.Kết quả thí nghiệm vịng kín khi Udc =495V và Upha = 200V.... 101
4.40.Kết quả thí nghiệm vịng kín khi Udc =495V và Upha = 250V.... 102


9

MỞ ĐẦU
ĐẶT VẤN ĐỀ
Ngày nay cùng với việc phát triển mạnh mẽ các ứng dụng của khoa học
kỹ thuật trong công nghiệp, đặc biệt là trong công nghiệp điện tử thì các thiết
bị điện tử có cơng suất cũng được chế tạo ngày càng nhiều. Và đặc biệt các
ứng dụng của nó vào các ngành kinh tế quốc dân và đời sống hàng ngày đã và

đang được phát triển hết sức mạnh mẽ. Hiện nay, bộ biến đổi xoay chiều ba
pha đã và đang được sử dụng trong các hệ thống công suất từ nhỏ đến lớn, từ
vài trăm W đến vài MW với ưu điểm là điều chỉnh dễ dàng, tiết kiệm năng
lượng.
Các bộ biến đổi 3 pha 3 dây dùng cho tải 3 pha đối xứng được sử dụng
rộng rãi, giá thành giảm do:
+ Mạch lực chuẩn, đã được compact.
+ Phương pháp điều khiển: PWM, SVM.
Tuy nhiên đối với các tải 3 pha không đối xứng, biến động mạnh, phi
tuyến, nguồn cung cấp mất đối xứng, nhiều sóng hài bậc cao thi bộ biến đổi 3
pha 3 dây khơng dùng được. Từ đó dẫn đến phải nghiên cứu bộ biến đổi mới
có cấu trúc và phương pháp điều khiển phù hợp để giải quyết vấn đề trên. Đây
là vấn đề có ý nghĩa thực tiễn cấp bách.
Bộ biến đổi 3 pha 4 dây được sử dụng trong các bộ cấp nguồn liên tục
UPS (có đặc điểm phụ tải là mất đối xứng thay đổi ngẫu nhiên, phi tuyến).
Ngoài ra bộ biến đổi 3 pha 4 dây dùng cho các hệ thống năng lượng phân tán
với nguồn pháp sơ cấp là sức gió, pin năng lượng mặt trời, .. với phụ tải độc
lập như một tòa nhà, một khu vực dân cư biệt lập...

MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI
Đề tài có mục tiêu nghiên cứu đưa ra cấu trúc mạch lực mới, xây dựng
phương pháp biến điệu vector không gian SVM - 3D và cấu trúc điều khiển
(vịng kín) đảm bảo chất lượng điện áp, dòng điện đầu ra bộ biến đổi trong
yêu cầu giải quyết các vấn đề bài tốn tải phi tuyến và khơng cân bằng. Phân


10
tích và đánh giá các kết quả mơ phỏng và thực nghiệm trong phịng thí
nghiệm.
VẤN ĐỀ VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Về lý thuyết, Xây dựng phương pháp biến điệu vector không gian trên
cơ sở biến điệu đối xứng, từ lý thuyết xây dựng mơ hình đưa ra phương pháp
điều khiển vịng kín phù hợp để đảm bảo chất lượng điện áp và dòng điện đầu
ra bộ biến đổi. Sử dụng phần mềm Matlab/ Simulink/ Plecs để mô phỏng và
kiểm nghiệm thuật toán đã được xây dựng .
Về thực nghiệm, Trên cơ sở nghiên cứu về mặt lý thuyết sử card điều
khiển ds1103 thử nghiệm đánh giá thuật toán điều khiển đã được xây dựng
Từ phương pháp nghiên cứu trên, tác giả đã hoàn thành luận văn gồm
bốn chương với nội dung tóm tắt như sau:
Chương 1, phân tích về tải, nguồn khơng cân bằng và tải phi tuyến và
phân tích những tác động của chúng đối với những hệ thống có chứa chúng.
Từ đó đưa ra cấu hình mạch lực cụ thể để giải quyết bài toán trên.
Chương 2, phân tích các vấn đề liên quan đến biến điệu vectơ khơng
gian hai chiều và ba chiều. Đồng thời trình bày chi tiết thuật tốn biến điệu
vectơ khơng gian ba chiều.
Chương 3, Đưa ra mơ hình của bộ biến đổi ba pha ba dây và ba pha
bốn dây, trên cơ sở đó đưa ra cấu trúc điều khiển phù hợp. Nguyên lý phương
pháp điều khiển được xây dựng trong hệ toạ độ quay dqo thông qua ma trận
chuyển đổi.
Chương 4, Mô phỏng bộ biến tần 3 pha 4 dây bằng phần mềm Matlab/
Simulink/ Plecs xét với trường hợp tải cân bằng, tải không cân bằng và tải phi
tuyến. Xây dựng mô hình thực nghiệm trên card điều khiển ds1103 trong
phịng thí nghiệm. Đánh giá, phân tích các kết qủa mơ phỏng và thực nghiệm.


11
Để có thể hồn thành đồ án này, em đã có sự hướng dẫn chỉ bảo tận
tình của thầy giáo TS. Trần Trọng Minh và sự giúp đỡ của các đồng nghiệp
tại Trung tâm Nghiên cứu Triển khai Công nghệ cao trường Đại Học Bách
Khoa Hà Nội.

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Trần Trọng Minh và các bạn đồng
nghiệp.

Hà Nội, tháng 11-2008
Học viên

Vũ Hoàng Phương


12

CHƯƠNG I: PHÂN TÍCH ĐẶC ĐIỂM CỦA TẢI
KHƠNG CÂN BẰNG - PHI TUYẾN
1.1. Đặt vấn đề
Trong các phương pháp điều khiển bộ biến đổi điện áp ba pha ba dây,
nguyên lý hoạt động của chúng thường được xây dựng dựa trên giả thiết ban
đầu là tải, nguồn cân bằng, khi đó dịng điện trung tính bằng khơng. Mặc dù
tải, nguồn không cân bằng hoặc tải phi tuyến tưởng như là trường hợp đặc
biệt, nhưng trên thực tế chúng lại là những trường hợp điển hình và chủ yếu,
nghĩa là dịng trung tính khác khơng. Chính vì vậy ta cần phải nghiên cứu
những tính chất và ảnh hưởng của chúng đối với hệ thống để có thể điều
khiển hệ thống một cách chính xác hơn, nâng cao chất lượng điện áp hoặc
dịng điện đầu ra. Những nội dung trên được trình bày trong chương I, tải,
nguồn không cân bằng được phân tích dựa trên các thành phần đối xứng.
Những phân tích này sẽ được sử dụng làm cơ sở cho những thiết kế điều
khiển ở các chương tiếp theo.
Phương pháp phân tích dải tần số được dùng để mơ tả tải phi tuyến,
trong đó mơ hình tải phi tuyến được biểu diễn dưới dạng những nguồn dòng
hoặc nguồn áp điều hòa. Những dòng tải điều hòa còn được khảo sát thêm
trong hệ tọa độ cố định αβγ và hệ tọa độ quay dq0 trong chương III.

1.2. Khái niệm về tải, nguồn không cân bằng
1.2.1. Định nghĩa tải, nguồn không cân bằng dựa vào sự chênh lệch công
suất
Trong hệ thống ba pha, tải ba pha khơng cân bằng có thể do sự phân
phối không đều về tải giữa ba pha (tức là do tải không cân bằng) hoặc do tải
ba pha cân bằng làm việc trong điều kiện hệ thống bị sự cố như mất pha hoặc
chạm pha,... (tức là do nguồn khơng cân bằng).
Hiện nay có nhiều phương pháp xác định tỉ lệ không cân bằng của tải,
nguồn, tuy nhiên ta có thể nhóm chúng lại thành hai phương pháp chung.


13
Phương pháp thứ nhất tính %UnBal dựa trên sự chênh lệch giữa tải pha lớn
nhất và tải pha nhỏ nhất [TL6]:

%UnBal =

load max − load min
∑ load

(1.1)

Trong đó:
%UnBal - Tỉ lệ không cân bằng của tải/nguồn.
loadmax, loadmin - Tải lớn nhất và tải nhỏ nhất trong ba pha.
Σload - Tổng của ba tải trên ba pha.
Nhược điểm của cách tính %UnBal này có thể thấy trong bảng 1.1. Giả
thiết rằng hệ số công suất của tải thay đổi trong khoảng [–0,8;+0,8], cột trái
của bảng liệt kê bốn trường hợp khác nhau của tải. Kết quả đo dịng trung tính

được ghi trong cột phải của bảng [TL6].
Bảng 1.1 Tải không cân bằng và dịng trung tính
Trường hợp

Dịng trung tính In

1) |ILA|= Im; ILB = ILC = 0

|In|= Im

2) |ILA|=|ILB|=|ILC|= Im
cosφA = 1; cosφB = 0,8; cosφC = –0,8

|In|= 1,24 Im

3) |ILA|=|ILB|=|2ILC|= Im
cosφA = –0,8; cosφB = cosφC = 0,8

|In|=1,47 Im

4) |ILA|=|ILB|= Im; IC = 0
cosφA = –0,8; cosφB = 0,8

|In|= 1,84 Im

Trong đó:
Im là biên độ dịng và In là dịng chạy trong dây trung tính.
ILA, ILB, ILC là dịng pha A, dòng pha B và dòng pha C.
cosφA, cosφB và cosφC lần lượt là hệ số công suất của tải pha A, tải pha
B và tải pha C

Từ bảng 1.1 ta thấy: Tải trong trường hợp 4 có tỷ lệ không cân bằng
thấp hơn trong tải trường hợp 1. Tuy nhiên, xét về mặt dịng trung tính thì


14
trường hợp 4 là trường hợp tải không cân bằng nhất, trong đó dịng trung tính
trường hợp này có giá trị lớn nhất: In = 1,84.Im. Như vậy, cách tính tải/nguồn
không cân bằng dựa vào sự chênh lệch công suất theo cơng thức (1.1) cịn có
điểm chưa hợp lý: Sự khác nhau gây ra bởi biên độ hoặc sự thay đổi góc pha
ban đầu của dịng tải khơng thể được phân biệt theo cách định nghĩa này. Có
một cách tốt hơn, đó là định nghĩa khơng cân bằng dựa vào các thành phần
đối xứng được trình bày ở mục dưới.
1.2.2. Định nghĩa tải, nguồn không cân bằng dựa vào các thành phần đối
xứng

Biểu diễn sự mất cân bằng của tải/nguồn không cân bằng dựa trên các
thành phần đối xứng được đề xướng đầu tiên bởi C.L.Fortescue năm 1918 và
ngày nay nó trở thành là một phương pháp phổ biến để phân tích sự mất cân
trong những hệ thống điện. Phương pháp định nghĩa này cịn ý nghĩa đặc biệt
khác, đó là nó cung cấp nguyên tắc để có thể thiết kế bộ biến đổi.
Một dòng điện (hoặc điện áp) ba pha khơng cân bằng tùy ý có thể được
biểu diễn như sau :
⎡
⎡ I ⎤ ⎢ I LA
⎢ LA ⎥ ⎢
⎢ I LB ⎥ = ⎢ I LB
⎢I ⎥ ⎢
⎣ LC ⎦ ⎢ I
⎣ LC

sin (ωt + ϕLA ) ⎤⎥
⎥

sin (ωt + ϕLB ) ⎥
sin (

⎥
ωt + ϕLC ⎥
⎦

(1.2)

)

Hoặc nó có thể được biểu diễn bởi sáu biến |ILA| ∠ φLA, |ILB| ∠ φLB,
|ILC| ∠ φLC.
Nếu biểu diễn theo các thành phần đối xứng, sáu biến trên lại có thể
được phân tích thành ba dịng ba pha cân bằng:
Dịng thứ tự thuận Ip = |Ip| ∠ φp, bao gồm ILA_p, ILB_p và ILC_p.
Dòng thứ tự ngược In = |In| ∠ φn, bao gồm ILA_n, ILB_n và ILC_n.
Dịng thứ tự khơng I0 = |I0| ∠ φ0, bao gồm ILA_0, ILB_0 và ILC_0.
Phép biến đổi từ các biến trong hệ tọa độ tự nhiên abc sang những
thành phần đối xứng được thể hiện trong cơng thức (1.3). Ta có thể tính
ngược lại theo công thức (1.4) :


15

⎡ I p ⎤ ⎡1 a
⎢ ⎥ ⎢

2
⎢ I n ⎥ = ⎢1 a
⎢ I ⎥ ⎢1 1
⎣ o ⎦ ⎢⎣
⎡IA ⎤ ⎡ 1
⎢ ⎥ ⎢ 2
⎢ I B ⎥ = ⎢a
⎢⎣ I C ⎥⎦ ⎢⎣ a

a 2 ⎤ ⎡ I LA ⎤
⎥⎢
⎥
a ⎥ ⎢ I LB ⎥
1 ⎥⎥ ⎢⎣ I LC ⎥⎦

(1.3)

⎦

1 1⎤ ⎡ I p ⎤
a 1⎥⎥ ⎢⎢ I n ⎥⎥
a 2 1⎥⎦ ⎢⎣ I o ⎥⎦

(1.4)

Trong đó: a = ej2π/3.
Từ (1.3) và (1.4), ta có:
⎡ I LA ⎤ ⎡ I LA _ p + I LA _ n + I LA _ o ⎤
⎥
⎢

⎥ ⎢
⎢
⎥
I
=
I
+
I
+
I
LB _ p
LB _ n
LB _ o
⎢ LB ⎥
⎢
⎥
⎢I ⎥ I
⎣ LC ⎦ ⎢⎣ LC _ p + I LC _ n + I LC _ o ⎥⎦

(1.5)

Dựa vào định nghĩa trên, một tải/nguồn ba pha khơng cân bằng có thể
được mơ tả bởi hai thông số là Unbal_N% (tỷ lệ không cân bằng thứ tự ngược)
và Unbal_0% (tỷ lệ không cân bằng thứ tự không). Chúng được xác định theo
hai biểu thức (1.6) và (1.7) [TL6] :
UnBal_N% =

TPTTnegative
.100%
TPTTpositive

(1.6)

UnBal_0% =

TPTTzero
.100%
TPTT positive

(1.7)

Trong đó:
TPTTpositive, TPTTnegative, TPTTzero là các thành phần thứ tự thuận,
thứ tự ngược và thứ tự không của ba pha.
Bảng 1.2 cho thấy những kết quả áp dụng hai tỉ lệ không cân bằng này
để mô tả bốn trường hợp không cân bằng của tải liệt kê trong bảng 1.1. Các tỉ
lệ không cân bằng Unbal_N% và Unbal_0% của ba pha có thể thay đổi ứng với
những hệ số công suất khác nhau [TL6].


16
Bảng 1.2. Tải không cân bằng và các hệ số không cân bằng
Trường hợp

Unbal_N%

Unbal_0%

1) |ILA|= Im; ILB = ILC = 0

100%

100%

2) |ILA|=|ILB|=|ILC|= Im
cosφA = 1; cosφB = 0,8; cosφC = - 0,8

32,3%

47,7%

3) |ILA|=|ILB|=|2ILC|= Im
cosφA = - 0,8; cosφB = cosφC = 0,8

35%

72,7%

4) |ILA|=|ILB|= Im; IC = 0
cosφA = - 0,8; cosφB = 0,8

15%

115%

Hình 1.1. Ví dụ phân tích tải, nguồn không cân bằng thành ba thành
phần riêng biệt: Thứ tự thuận, thứ tự ngược và thứ tự không


17

1.3. Ảnh hưởng của tải, nguồn không cân bằng
Cả tải, nguồn ba pha đều có hai cách nối dây: nối dây hình Δ (ba dây)
và nối dây hình Y (bốn dây). Như vậy, ta có 22 = 4 khả năng để nối giữa
nguồn và tải theo một trong bốn sơ đồ: ∆–∆, ∆–Y, Y–∆ và Y–Y.

a) Sơ đồ ∆ - ∆

b) Sơ đồ ∆ - Y

c) Sơ đồ Y - ∆


18

d) Sơ đồ Y - Y
Hình 1.2. Bốn khả năng có thể nối giữa nguồn và tải

Trong sơ đồ nối Δ - Δ, cả nguồn và tải đều có điểm trung tính trơi. Khi
tải khơng cân bằng, các dịng pha sẽ khơng cân bằng. Qua trở kháng của
nguồn, các dịng pha không cân bằng sẽ lần lượt làm điện áp đầu ra mất cân.
Ảnh hưởng của tải không cân bằng trong trường hợp này được biểu diễn bằng
một dòng thứ tự ngược từ nguồn đến tải. Như vậy, tồn tại một dòng rò sẽ chạy
quẩn giữa nguồn và tải với tần số bằng hai lần tần số nguồn. Khi điểm trung
tính được nối đất, điện áp của điểm trung tính sẽ thay đổi theo sự mất cân
bằng của tải. Đặc điểm này có thể gây ra hiện tượng lệch điện áp trung tính
giữa nguồn - tải và điều này gây ra rất nhiều vấn đề phức tạp trong hệ thống.
Trong sơ đồ nối Δ - Y, chế độ làm việc tương tự như sơ đồ nối Δ - Δ,
ngoại trừ việc có một điểm trung tính tải rõ ràng, hoạt động tải có thể bị sự cố
do sự thay đổi của điện áp điểm trung tính. Trường hợp này khơng có dịng

thứ tự khơng trong tải, tuy nhiên dịng thứ tự khơng có thể tồn tại trong nguồn
và gây ra một số ảnh hưởng xấu đến hoạt động của hệ thống.
Trong sơ đồ nối Y - Δ tương tự như sơ đồ nối Δ - Δ, trừ việc khơng có
dịng thứ tự khơng trong nguồn, tuy nhiên dịng thứ tự khơng có thể tồn tại
trong tải.
Trong sơ đồ nối Y - Y, điểm trung tính của nguồn và điểm trung tính
của tải là bị ràng buộc với nhau. Như vậy, khơng phải là duy nhất dịng thứ tự
ngược chạy quẩn giữa nguồn và tải với tần số gấp hai lần tần số nguồn chạy


19
qua các điểm nối A, B và C, mà còn có thêm dịng thứ tự khơng chạy quẩn
giữa nguồn và tải chạy qua điểm nối trung tính G.

1.4. Tải phi tuyến
1.4.1. Khái niệm tải phi tuyến

Trong hệ thống điện tử cơng suất, những tải tuyến tính ví dụ như điện
trở, cuộn cảm, tụ điện... và những tải phi tuyến ví dụ như điơt chỉnh lưu,
thyristor, lị hồ quang,... Một tải tuyến tính có thể được định nghĩa theo một
biểu thức tuyến tính giữa điện áp trên tải và dịng qua tải hoặc đạo hàm của
chúng. Mặc dù khơng có một biểu thức tốn học rõ ràng mơ tả tải phi tuyến,
tuy nhiên chúng có thể được mơ tả như "một tải mà đặc tính dịng khơng sin
khi nó được cung cấp một nguồn điện áp hình sin". Do đó, cho một nguồn
điện áp ba pha như sau :
⎡
⎤
⎢
⎥
⎢ sin (ωt ) ⎥

⎡VAG ⎤
⎢
⎛
2 ⎞ ⎥⎥
⎢
⎥
⎢
⎢VBG ⎥ =Vln_ pk . ⎢sin ⎜ ωt − 3 π ⎟ ⎥
⎝
⎠
⎢V ⎥
⎢
⎥
⎣ CG ⎦
⎢sin ⎛ ωt + 2 π ⎞ ⎥
⎜
⎢
3 ⎟⎠ ⎥⎦
⎝
⎣

(1.8)

Trong đó: Vln_pk là biên độ điện áp.
Ba dòng của ba pha chạy qua tải phi tuyến có thể được biểu diễn gần
đúng như sau [TL6]:
∞
⎡
I 2k ±1 sin 2k ± 1 ωt + ϕ2k ±1_ A
⎢ I1.sin ωt + ϕ1 +

⎢
k =2
⎡ I LA ⎤ ⎢
⎛
2 ⎞ ∞
⎢
⎥ ⎢
.sin
ω
ϕ
π ⎟ + I 2k ±1 sin 2k ± 1 ωt + ϕ2k ±1_ B
I
=
I
t
+
−
⎜
1
⎢ LB ⎥ ⎢ 1
3
⎝
⎠ k =2
⎢I ⎥ ⎢
⎣ LC ⎦
⎢
⎛
2 ⎞ ∞
sin 2k ± 1 ωt + ϕ2k ±1_ C
I

⎢ I1.sin ⎜ ωt + ϕ1 + π ⎟ +
3 ⎠ k = 2 2k ±1
⎝
⎣⎢

(

((

) ∑

)

)

∑

((

)

)

∑

((

)

)

⎤
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦⎥

(1.9)

Trong trường hợp lý tưởng, biểu thức (1.9) sẽ khơng chứa thành phần
sóng điều hịa bậc chẵn, như thế tải phi tuyến có thể được biểu diễn theo
những biên độ của sóng điều hòa bậc lẻ và tổng độ méo điều hòa [TL6]:


20

∞

∑ I 22k ±1

TDH =

k =2

I1

(1.10)

Một cách khác để mô tả đặc tính của tải phi tuyến là sử dụng hệ số đỉnh
Kc. Trong đó: Kc là tỉ lệ về độ lớn giữa giá trị cực đại và giá trị hiệu dụng. Rõ
ràng tải tuyến tính có Kc = 2 . Nếu Kc ≠ 2 thì tải là phi tuyến. Ví dụ chỉnh
lưu điơt có hệ số Kc nằm trong khoảng (1,5÷3), phụ thuộc vào bộ lọc một
chiều.
1.4.2. Ảnh hưởng của tải phi tuyến

Để xét ảnh hưởng của những tải phi tuyến phổ biến và điển hình, ta sẽ
phân tích một số sơ đồ chỉnh lưu điôt như sau: sơ đồ chỉnh lưu điơt ba pha
khơng có lọc một chiều, chỉnh lưu điơt ba pha có tụ lọc một chiều, chỉnh lưu
ba pha có bộ lọc L/C một chiều và sơ đồ ba chỉnh lưu điôt một pha. Đây là
những sơ đồ đơn giản, rẻ tiền và là những ví dụ điển hình cho bộ biến đổi
xoay chiều/một chiều truyền thống và phổ biến hiện nay.
Những tải phi tuyến khác, ví dụ như bộ chỉnh lưu thyristor có thể gây ra
những dòng cao tần lớn, như thế tải phi tuyến gây ra ảnh hưởng thậm chí cịn
xấu hơn. Tuy nhiên, chỉnh lưu thyristor là có điều khiển, dạng sóng của nó sẽ
phụ thuộc vào những yêu cầu điều chỉnh, do đó việc phân tích địi hỏi sẽ phức
tạp hơn. Vì vậy, luận văn này không đề cập nhiều đến chỉnh lưu thyristor.
Một lý do quan trọng nữa để ta không phân tích bộ chỉnh lưu thyristor
(tải phi tuyến phức tạp) là vì những phân tích các sơ đồ chỉnh lưu điôt (tải phi
tuyến đơn giản) liệt kê ở trên cũng đủ để chỉ ra những ảnh hưởng điển hình và
phổ biến của tải phi tuyến tác động lên hệ thống.

Trường hợp 1: Chỉnh lưu điơt ba pha khơng có bộ lọc một chiều
Xét tải phi tuyến là sơ đồ chỉnh lưu điơt cầu ba pha khơng có bộ lọc
một chiều (hình 1.3).

21

a) Cấu trúc mạch lực

b) Dạng dòng điện đầu vào

c) Phân tích phổ dạng dịng đầu vào
Hình 1.3. Chỉnh lưu điơt ba pha khơng có bộ lọc một chiều

Từ hình 1.3b, ta thấy dòng điện pha A bị méo với hai đường lõm ở
đỉnh. Trong trường hợp này, hệ số đỉnh Kc xấp xỉ bằng 1,28 (nhỏ hơn trong
trường hợp tải tuyến tính) và THD bằng 30%.


22

Trường hợp 2: Chỉnh lưu điơt ba pha có tụ lọc một chiều C

Xét tải phi tuyến là bộ chỉnh lưu điơt cầu ba pha có tụ lọc một chiều C
(hình 1.4).
Đặc tính dịng có thể được thấy như trong hình 1.4b. Trong trường hợp
này, THD dịng bằng 69% và hệ số đỉnh Kc = 1,86 (lớn hơn trong trường hợp
tải tuyến tính).

a) Cấu trúc mạch lực

b) Dạng dịng đầu vào (xác lập)
Hình 1.4. Chỉnh lưu điơt ba pha có tụ lọc một chiều

23
Trường hợp 3: Chỉnh lưu điôt ba pha với bộ lọc L/C một chiều

Xét tải phi tuyến là sơ đồ chỉnh lưu điơt cầu ba pha có bộ lọc L/C một
chiều (hình 1.5). Kết quả là khi THD < 29% và hệ số đỉnh Kc <1,22 thì dạng
sóng trường hợp 3 tương tự như trong trường hợp 1.

a) Cấu trúc mạch lực

b) Dạng dịng đầu vào (xác lập)

c) Phân tích phổ dạng dịng đầu vào
Hình 1.5. Chỉnh lưu điơt ba pha với bộ lọc L/C một chiều


24
Trường hợp 4: Ba chỉnh lưu điơt một pha có tụ lọc một chiều C

Xét tải phi tuyến là sơ đồ ba chỉnh lưu điơt một pha (hình 1.6). Dạng
dịng điện của nó như trong hình 1.7a.
Dải tần số được thể hiện trong hình 1.7b, có thể thấy hệ số đỉnh Kc
bằng 2,23, lớn hơn nhiều so với trường hợp một tải tuyến tính (Kc = 2 ).
THD dịng pha bằng 65%. Mặc dù ba pha có tải như nhau và dịng qua mỗi
pha có dạng sóng như nhau, nhưng thực tế có rất nhiều sóng hài bậc cao của
ba dịng qua dây trung tính. Trong trường hợp này, giá trị hiệu dụng của dịng
trung tính bằng 1,7 lần giá trị hiệu dụng của dòng pha.
Giả sử rằng tải phi tuyến trên ba pha giống hệt nhau thì:
– Sóng hài bậc 3k là thành phần sóng thứ tự khơng, trong đó: k =
{1,3,5,…}, ví dụ bậc 3, bậc 9, bậc 15,…

– Sóng hài bậc 3k+1 là thành phần sóng thứ tự thuận, trong đó: k =
{2,4,6,…}, ví dụ bậc 7, bậc 13, 19,…
– Sóng hài bậc 3k+2 là thành phần sóng thứ tự ngược, trong đó: k =
{1,3,5,…}, ví dụ bậc 5, bậc 11, 17,…
Sự so sánh của ảnh hưởng của những sóng hài chính đối với thành phần
sóng cơ bản trong bốn trường hợp như bảng 1.3 [TL6].
Bảng 1.3. So sánh của tỷ lệ giữa độ lớn thành phần cơ bản

và những sóng hài bậc cao
Trường Bậc 3 Bậc 5 Bậc 7 Bậc 9 Bậc 11
hợp
(%)
(%)
(%)
(%)
(%)

Bậc 13
THD(%)
(%)

Kc

1

22

11,7

8,7

6,9

30

1,28

2

60

32

6,6

9,3

69

1,86

3

20

15

8,6

8,2

30

1,22

40

8.4

65

2,23

4

76%

7,1

7,4


25

a) Cấu trúc mạch lực

b) Dạng dòng đầu vào (xác lập)

c) Phân tích phổ dạng dịng đầu vào