Nghiên cứu phương pháp điều khiển bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha bốn dây
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.56 MB, 136 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
----------------------------------------
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU
BA PHA BỐN DÂY
NGHÀNH: ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
MÃ SỐ: 1046
HỒ MẠNH TIẾN
Người hướng dẫn khoa học: TS. LƯU HỒNG VIỆT
HÀ NỘI 2007
Lời cam đoan
Em xin cam đoan đồ án tốt nghiệp này là do em tự thiết kế dưới
sự hướng dẫn của thầy giáo Tiến sĩ Lưu Hồng Việt. Các số liệu và kết
quả trong đồ án là hoàn toàn trung thực.
Để hoàn thành cuốn đồ án này, em chỉ sử dụng những tài liệu
tham khảo đã được ghi trong bảng các tài liệu tham khảo, không sử
dụng tài liệu nào khác mà không được liệt kê ở phần tài liệu tham
khảo.
Học viên
Hồ Mạnh Tiến
Mục lục
Mục lục
Trang
Trang 1.............................................................................................................................................................
Lời cam đoan...............................................................................................................................................
Mục lục............................................................................................................................................................
Danh mục các bảng..................................................................................................................................
Danh mục các hình vẽ............................................................................................................................
Lời nói đầu.................................................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. TẢI/NGUỒN KHƠNG CÂN BẰNG
VÀ TẢI PHI TUYẾN............................................................................................................................. 4
1.1. Đặt vấn đề............................................................................................................................................ 4
1.2. Khái niệm về tải/nguồn không cân bằng........................................................................... 4
1.2.1. Định nghĩa tải/nguồn không cân bằng dựa vào
sự chênh lệch công suất................................................................................................. 4
1.2.2. Định nghĩa tải/nguồn không cân bằng dựa vào
các thành phần đối xứng................................................................................................ 6
1.3. Ảnh hưởng của tải/nguồn không cân bằng...................................................................... 9
1.4. Tải phi tuyến....................................................................................................................................... 12
1.4.1. Khái niệm tải phi tuyến..................................................................................................12
1.4.2. Ảnh hưởng của tải phi tuyến...................................................................................... 13
1.4.3. Biểu diễn tải phi tuyến dưới dạng mạch điện................................................... 20
1.5. Kết luận................................................................................................................................................. 22
CHƯƠNG 2. BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU BA PHA............................ 23
2.1. Đặt vấn đề............................................................................................................................................ 23
2.2. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha ba dây...............................................................23
2.2.1. Sơ đồ nguyên lý..................................................................................................................... 23
2.2.2. Nguyên lý hoạt động............................................................................................................ 24
2.2.3. Kết luận................................................................................................................................... 27
2.3. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha bốn dây........................................................... 27
2.3.1. Sơ đồ nguyên lý.................................................................................................................. 27
2.3.2. Nguyên lý hoạt động....................................................................................................... 29
2.4. Mơ hình bộ biến đổi bốn dây trong hệ tọa độ abc....................................................... 32
Mục lục
2.4.1. Mơ hình bộ biến tần bốn dây trong hệ tọa độ abc......................................... 32
2.4.2. Mơ hình của chỉnh lưu bốn dây trong hệ tọa độ abc....................................34
2.5. Mơ hình bộ biến đổi bốn dây trong hệ tọa độ dq0.......................................................35
2.5.1. Mô hình bộ biến tần bốn dây trong hệ tọa độ quay dq0............................ 35
2.5.2. Phân tích trạng thái cân bằng của biến tần bốn dây
trong hệ tọa độ quay dq0...............................................................................................38
2.5.3. Mô hình của chỉnh lưu bốn dây trong hệ tọa độ quay dq0.......................40
2.5.4. Phân tích trạng thái cân bằng của chỉnh lưu bốn dây
trong hệ tọa độ quay dq0...............................................................................................41
2.6. Mơ hình của tải không cân bằng và tải phi tuyến trong hệ tọa độ dq0........... 42
2.6.1. Tải cân bằng trong hệ tọa độ quay dq0................................................................ 42
2.6.2. Tải không cân bằng trong hệ tọa độ dq0.............................................................42
2.6.3. Tải phi tuyến trong hệ tọa độ dq0............................................................................44
2.6.4. Tải không cân bằng và tải phi tuyến trong hệ tọa độ dq0.........................45
2.7. Kết luận................................ ................................................................................................................ 47
CHƯƠNG 3. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VECTƠ KHÔNG GIAN................... 49
3.1. Điều chế vectơ không gian hai chiều...................................................................................49
3.1.1. Vectơ không gian hai chiều.........................................................................................49
3.1.2. Tổng hợp vectơ chuẩn....................................................................................................52
3.2. Điều chế vectơ không gian ba chiều....................................................................................53
3.2.1 Vectơ không gian ba chiều............................................................................................53
3.2.2. Tổng hợp vectơ chuẩn trong hệ tọa độ αβγ....................................................... 57
3.3. Thuật toán điều chế vectơ không gian cho bộ biến đổi bốn dây.........................64
3.3.1. Đặt vấn đề..............................................................................................................................64
3.3.2. Tổng quan về phương pháp điều chế vectơ điện áp
cho bộ biến đổi bốn dây................................................................................................65
3.3.3. Thuật toán điều chế vectơ không gian
cho bộ biến đổi bốn dây................................................................................................68
3.4. Kết luận................................................................................................................................................. 76
CHƯƠNG 4. ĐIỀU KHIỂN BỘ CHỈNH LƯU BỐN DÂY...........................................77
4.1. Các cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM ba pha..........................................................77
4.2. Điều khiển trực tiếp công suất tựa theo điện áp và từ thông ảo..........................79
4.2.1. Điều khiển trực tiếp công suất tựa theo điện áp (DPC) ........................79
Mục lục
4.2.2. Điều khiển trực tiếp công suất tựa theo
từ thông ảo (VF–DPC) ..................................................................................................82
4.3. Điều khiển tựa theo điện áp và từ thông ảo.....................................................................85
4.3.1. Điều khiển tựa theo điện áp (VOC) ...................................................................... 85
4.3.2. Điều khiển tựa theo từ thông ảo (VFOC) ..........................................................89
4.4. Kết luận.................................................................................................................................................90
CHƯƠNG 5. MƠ PHỎNG HỆ THỐNG...................................................................................91
5.1. Mơ hình chỉnh lưu bốn dây trong Matlab\Simulink\PLECS.................................91
5.1.1. Mơ hình mạch lực.............................................................................................................91
5.1.2. Mơ hình khâu điều chế vectơ khơng gian ba chiều......................................92
5.1.3. Các bộ điều chỉnh điện áp và dòng điện..............................................................93
5.1.4. Mơ hình khâu điều chế vectơ khơng gian ba chiều......................................94
5.1.5. Mơ hình khâu tính góc phi của điện áp lưới.....................................................95
5.2. Kết quả mô phỏng...........................................................................................................................95
5.2.1. Trường hợp nguồn điện lưới cân.............................................................................95
5.2.2. Trường hợp nguồn điện lưới không cân bằng..................................................106
5.3. Kết luận.................................................................................................................................................116
KẾT LUẬN..................................................................................................................................................117
PHỤ LỤC.......................................................................................................................................................120
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................................................125
Danh mục các bảng
Danh mục các bảng
Bảng
1.1
1.2
1.3
2
3.1
Nội dung
Tải không cân bằng và dịng trung tính
Tải khơng cân bằng và các hệ số không cân bằng
So sánh của tỷ lệ giữa độ lớn thành phần cơ bản và
những sóng hài bậc cao
Tải không cân bằng và tải phi tuyến trong hệ tọa độ dq0
Bảng vectơ chuyển mạch và điện áp tương ứng
Trang
5
8
17
46
56
3.2
Bảng vectơ chuyển mạch và điện áp tương ứng trong hệ
tọa độ αβγ
57
3.3
Vectơ chuyển mạch khác không tương ứng là V1, V2 và
V3
Các ma trận dùng cho việc tính tốn những tỉ số điều
biến
61
Bảng vectơ chuẩn và điện áp tương ứng trong hệ tọa độ
cố định αβγ
Sự bố trí của các tứ diện trong lăng trụ
Đặc điểm phân loại các sector trong lăng trụ
67
Bảng liệt kê ma trận A(3x3) phục vụ việc tính tốn các tỷ
số điều biến d1, d2, d3
73
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
62
67
71
Danh mục các hình vẽ
Danh mục các hình vẽ
Hình
vẽ
1.1
1.2
Nội dung
Phân tích tải/nguồn khơng cân bằng thành ba thành
phần riêng biệt: Thứ tự thuận, thứ tự ngược và thứ tự
không
Bốn khả năng có thể nối giữa nguồn và tải
Trang
9
11
1.3
Sơ đồ và dịng pha A của chỉnh lưu điơt ba pha khơng
có bộ lọc một chiều
14
1.4
Sơ đồ và dòng pha A của chỉnh lưu điơt ba pha có tụ
lọc một chiều
15
1.5
Sơ đồ và dịng pha A của chỉnh lưu điơt ba pha với bộ
lọc L/C một chiều
16
1.6
Ba chỉnh lưu điôt một pha có tụ lọc
18
1.7
Dạng dịng điện của ba chỉnh lưu điơt một pha có tụ lọc
18
1.8
Dịng trong trường hợp tải phi tuyến
có mơ hình giống nguồn dịng điều hịa
21
1.9
Điện áp trong trường hợp tải phi tuyến
có mơ hình giống nguồn áp điều hòa
Bộ biến đổi điện áp ba dây
Sơ đồ chuyển mạch ba dây
Đặc tính chuyển mạch của van lý tưởng
Sơ đồ khối tổng quát của bộ biến đổi ba dây
Sơ đồ nghịch lưu áp bốn dây
Sơ đồ chỉnh lưu bốn dây
Sơ đồ lọc tích cực bốn dây
Sơ đồ chuyển mạch của bộ biến đổi bốn dây
Đặc tính chuyển mạch của van lý tưởng
Sơ đồ chuyển mạch bốn dây
22
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
2.10
24
25
25
26
28
28
29
30
30
32
Danh mục các hình vẽ
2.11
Mơ hình tín hiệu trungbình lớn của nghịch lưu áp bốn
dây
33
2.12
Mơ hình tín hiệu trung bình lớn của chỉnh lưu ba pha
bốn dây
34
2.13
Mơ hình mạch tín hiệu trung bình lớn của nghịch lưu
bốn dây trong hệ tọa độ quay dq0
39
2.14
Mơ hình mạch tín hiệu trung bình nhỏ của nghịch lưu
bốn dây trong hệ tọa độ quay dq0
39
2.15
Mơ hình mạch tín hiệu trung bình lớn của một chỉnh
lưu bốn dây trong hệ tọa độ dq0
40
2.16
Mơ hình mạch tín hiệu trung bình nhỏ của một chỉnh
lưu bốn dây trong hệ tọa độ quay dq0
41
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
3.10
3.11
3.12
3.13
4.1
4.2
Các khả năng chuyển mạch trong bộ biến đổi ba pha ba
dây
Điện áp phía xoay chiều cho bộ biến đổi ba dây
Vectơ điện áp chuyển mạch
Tổng hợp vectơ chuẩn trong sector thứ nhất
Mười sáu khả năng chuyển mạch
Chọn lọc vectơ chuyển mạch kế tiếp, bước một: xác
định lăng kính
Chọn lọc của vectơ chuyển mạch kế tiếp, bước hai: xác
định tứ diện – ví dụ cho trường hợp vectơ chuẩn trong
lăng kính I
Sơ đồ nghịch lưu bốn dây
Sơ đồ chỉnh lưu bốn dây
Vị trí 16 vectơ chuẩn trong khơng gian
Lưu đồ thuật tốn xác định lăng trụ chứa vectơ V
Vectơ V nằm trong tứ diện có 3 vectơ chuẩn V1, V2 và
V3
Biểu đồ xung mở van thuộc tứ diện 14
Mối liên hệ giữa điều khiển chỉnh lưu PWM và điều
khiển nghịch lưu động cơ không đồng bộ
Các phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM ba pha
50
51
52
53
56
59
60
64
65
66
70
75
76
77
78
Danh mục các hình vẽ
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
4.9
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
5.6
5.7
5.8
5.9
5.10
5.11
5.12
5.13
5.14
5.15
5.16
5.17
5.18
Sơ đồ cấu trúc DPC điều khiển chỉnh lưu ba pha bốn
dây
Các bộ điều khiển trễ
Sơ đồ cấu trúc VF–DPC điều khiển chỉnh lưu ba pha
bốn dây
Sơ đồ cấu trúc VOC điều khiển chỉnh lưu ba pha bốn
dây
Điều khiển ba kênh dòng điện trong chỉnh lưu bốn dây
Sơ đồ cấu trúc VOC điều khiển chỉnh lưu ba pha bốn
dây
Sơ đồ cấu trúc VFOC điều khiển chỉnh lưu ba pha bốn
dây
Mơ hình chỉnh lưu PWM bốn dây trên Simulink\Plecs
Khối điều chế vectơ không gian ba chiều
Bộ điều khiển điện áp
Bộ điều khiển dịng điện
Khâu tính góc phi của điện áp lưới
Mơ hình tồn bộ hệ thống trên Simulink\Plecs
Điện áp lưới VAG, VBG và VCG khi nguồn cân bằng
Các dòng điện IS_a, IS_b và IS_c
Các dòng điện IS_d, IS_q và IS_0
Điện áp điều khiển VS_a, VS_b và VS_c
Xung điều khiển của bốn van SWap, SWbp, SWcp và
SWfp
Điện áp đặt Vdc_ref và đầu ra Vdc
Dòng điện tải đặt iload_ref
Các dòng điện IS_a, IS_b và IS_c
Các dòng điện IS_d, IS_q và IS_0
Điện áp điều khiển VS_a, VS_b và VS_c
Xung điều khiển của bốn van SWap, SWbp, SWcp và
SWfp
Điện áp đặt Vdc_ref và đầu ra Vdc
79
81
83
85
88
89
90
92
93
93
94
94
95
96
96
97
97
98
98
99
100
100
101
101
102
Danh mục các hình vẽ
5.19
5.20
5.21
5.22
5.23
Dịng điện tải đặt iload_ref
Các dịng điện IS_a, IS_b, IS_c
Các dòng điện IS_d, IS_q và IS_0
Các điện áp điều khiển VS_a, VS_b và VS_c
Xung điều khiển của bốn van SWap, SWbp, SWcp và
SWfp
103
103
104
104
105
5.24
5.25
5.26
5.27
Điện áp đặt Vdc_ref và đầu ra Vdc
Điện áp lưới VAG, VBG và VCG khi nguồn mất pha C
Các dòng điện IS_a, IS_b và IS_c
Các điện áp điều khiển VS_a, VS_b và VS_c
107
107
108
108
5.28
Xung điều khiển của bốn van SWap, SWbp, SWcp và
SWfp
109
5.29
5.30
5.31
5.32
5.33
5.34
5.35
5.36
5.37
5.38
5.39
Điện áp đặt Vdc_ref và đầu ra Vdc
Dòng điện tải đặt iload_ref
Các dòng điện IS_a, IS_b, IS_c
Điện áp điều khiển VS_a, VS_b và VS_c
Xung điều khiển của bốn van SWap, SWbp, SWcp và
SWfp
Điện áp đặt Vdc_ref và đầu ra Vdc
Dòng điện tải đặt iload_ref
Các dòng điện IS_a, IS_b, IS_c
Điện áp điều khiển VS_a, VS_b và VS_c
Xung điều khiển của bốn van SWap, SWbp, SWcp và
SWfp
Điện áp đặt Vdc_ref và đầu ra Vdc
109
110
111
111
112
112
113
114
114
115
115
Lời mở đầu
Lời mở đầu
Truyền động điện có nhiệm vụ thực hiện các công đoạn cuối của một
công nghệ sản xuất. Từ trước đến nay, các hệ truyền động luôn luôn được
quan tâm nghiên cứu, nâng cao chất lượng, đáp ứng yêu cầu ngày một cao của
công nghệ mới. Sự ra đời của các thiết bị điện tử công suất mới hồn thiện
hơn, ưu việt hơn đã góp phần cải thiện chất lượng các bộ biến đổi điện tử
công suất trong hệ truyền động điện rất nhiều, không những đáp ứng được độ
tác động nhanh, độ chính xác cao mà cịn giảm kích thước và giá thành hệ
thống.
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 động cơ dễ dàng, tiết kiệm năng lượng. Tuy nhiên với
truyền động nghịch lưu và chỉnh lưu dùng chỉnh lưu điơt, thyristor cịn tồn tại
nhiều nhược điểm như: sóng điều hồ bậc cao gây méo điện áp lưới, hệ số
cơng suất thấp, khơng có sự trao đổi năng lượng giữa lưới và tải.
Trong các hệ thống, tải/nguồn không cân bằng và tải phi tuyến là
những trường hợp điển hình và phổ biến. Chúng có những ảnh hưởng khơng
tốt đến hoạt động bình thường của hệ thống, thậm chí có thể gây sự cố hệ
thống. Vì vậy, việc điều khiển hệ thống làm việc tốt trong điều kiện tải/nguồn
không cân hoặc tải phi tuyến trở thành một vấn đề có ý nghĩa thực tế lớn cần
được nghiên cứu.
Ngày nay, đã có rất nhiều cơng trình nghiên cứu điều khiển bộ biến đổi
xoay chiều ba pha ba dây, chúng có đặc điểm chung là đều giả sử dịng điện
trung tính bằng khơng. Ngun lý của chúng là điều chế độ rộng xung dựa
trên việc tổng hợp vectơ chuẩn trong hệ tọa độ không gian hai chiều. Các
phương pháp điều khiển ngày càng hoàn thiện, mang lại hiệu quả cao đặc biệt
là trong điều kiện tải/nguồn khơng cân. Do đó, cùng với những bước tiến
nhảy vọt của công nghệ sản xuất van bán dẫn điện tử công suất, bộ biến đổi
ba pha ba dây ngày nay đã được áp dụng phổ biến và rộng rãi trong công
nghiệp và các nghành sản xuất khác. Tuy nhiên trong trường hợp tải/nguồn
1
Lời mở đầu
không cân hoặc tải phi tuyến, do giả sử ban đầu sai với thực tế nên chất lượng
điều khiển của các phương pháp này khơng tốt. Vì vậy yêu cầu thực tế đặt ra
là ta cần nghiên cứu phương pháp điều khiển mới khắc phục những hạn chế
như trên để ứng dụng và phổ biến trong thực tế sản xuất.
Xuất phát từ vấn đề thực tiễn đặt ra như trên, được sự đồng ý của
trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Bộ môn Điều khiển Tự động và giáo viên
hướng dẫn TS. Lưu Hồng Việt, tác giả đã chọn đề tài: "Nghiên cứu phương
pháp điều khiển bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha bốn dây"
Mục đích của đề tài: Luận văn sẽ áp dụng lý thuyết điều khiển hiện đại
vào hệ thống ba pha không cân bằng hoặc hệ thống có tải phi tuyến để nâng
cao chất lượng điều khiển của bộ biến đổi điện áp ba pha. Nguyên lý của
chúng là điều chế độ rộng xung dựa trên việc tổng hợp vectơ chuẩn trong
không gian ba chiều. Ngồi điều khiển dịng điện ba pha như trong bộ biến
đổi ba pha ba dây, nó cịn có thêm khả năng điều khiển dịng trung tính. Đây
là một đề tài có ý nghĩa thực tế, nhằm nâng cao chất lượng, hiệu quả của các
bộ chuyển đổi điện áp ba pha.
Phương pháp nghiên cứu:
– Nghiên cứu lý thuyết để mơ hình hóa và xây dựng thuật tốn điều
khiển.
– Sử dụng phần mềm Matlab/Simulink/Plecs để mô phỏng và kiểm
nghiệm các kết quả nghiên cứu lý thuyết.
Luận văn gồm năm chương với nội dung tóm tắt như sau:
Chương thứ nhất trình bày khái niệm về tải/nguồn không cân bằng và
tải phi tuyến và phân tích những tác động của chúng đối với những hệ thống
có chứa chúng.
Chương thứ hai trình bày ngun lý và mơ hình của bộ biến đổi ba pha
ba dây và ba pha bốn dây, làm cơ sở cho việc điều khiển được trình bày ở các
chương sau.
2
Lời mở đầu
Chương thứ ba phân tích các vấn đề liên quan đến điều chế vectơ
không gian hai chiều và ba chiều. Đồng thời trình bày thuật tốn điều chế
vectơ khơng gian ba chiều, từ đó ta có thể thiết kế được khâu này trong mô
phỏng cũng như trong thực nghiệm.
Chương thứ tư trình bày phương pháp điều khiển bộ biến đổi chỉnh lưu
ba pha bốn dây. Nguyên lý chung của các phương pháp này là đều tựa theo
điện áp lưới hoặc tựa theo từ thông ảo để điều khiển dịng điện hoặc điều
khiển cơng suất tức thời. Trong chương này, các sơ đồ cấu trúc điều khiển
chỉnh lưu ba pha bốn dây được trình bày, làm cơ sở cho việc thiết kế hệ thống
trong mô phỏng và thực nghiệm.
Chương thứ năm mô phỏng cấu trúc điều khiển VOC cho bộ biến đổi
chỉnh lưu ba pha bốn dây trong điều kiện nguồn cân bằng và không cân bằng
trong trường hợp dịng tải dạng khơng đổi, dạng bậc thang và dạng tăng dần
đều. Kết quả mô phỏng thu được cho ta thấy tính đúng đắn của lý thuyết trình
bày ở trên.
Phần kết luận sẽ khái quát lại những kết quả đã đạt được trong quá
trình nghiên cứu, những tồn tại và hướng phát triển của đề tài.
Để đạt được kết quả này, tác giả đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của
các thầy cơ và đồng nghiệp. Tác giả vơ cùng biết ơn sự hướng dẫn, chỉ bảo
tận tình và quý báu của Tiến sĩ Lưu Hồng Việt để tác giả hoàn thành luận văn
này. Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Điều khiển Tự
động và Trung tâm Sau đại học trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ
và tạo điều kiện cho tác giả trong suốt quá trình học tập tại trường.
Do trình độ bản thân có hạn nên luận văn khơng thể tránh khỏi thiếu
sót. Tác giả cũng biết ơn và trân trọng mọi ý kiến đánh giá và góp ý quý báu
của thầy cô và các đồng nghiệp để bản luận văn này được hoàn thiện hơn!
Hà Nội, ngày 20 tháng 11 năm 2007
Học viên: Hồ Mạnh Tiến
3
Chương 1. Tải/nguồn không cân bằng và tải phi tuyến
Chương 1. Tải/nguồn không cân bằng
và tải 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
dòng điện đầu ra. Những nội dung trên được trình bày trong chương 1,
tải/nguồn khơng 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 hai chương sau.
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
4
Chương 1. Tải/nguồn không cân bằng và tải phi tuyến
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.
Phương pháp thứ nhất tính %UnBal dựa trên sự chênh lệch giữa tải pha lớn
nhất và tải pha nhỏ nhất [TL8]:
%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 [TL15].
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
3) |ILA|=|ILB|=|2ILC|= Im
cosφA = –0,8; cosφB = cosφC = 0,8
5
|In|= 1,24 Im
|In|=1,47 Im
Chương 1. Tải/nguồn không cân bằng và tải phi tuyến
4) |ILA|=|ILB|= Im; IC = 0
|In|= 1,84 Im
cosφA = – 0,8; cosφB = 0,8
Trong đó:
Im là biên độ dịng và In là dịng chạy trong dây trung tính.
ILA, ILB, ILC là dòng 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
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
khơng 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.
6
Chương 1. Tải/nguồn không cân bằng và tải phi tuyến
Một dịng điện (hoặc điện áp) ba pha khơng cân bằng tùy ý có thể được
biểu diễn như sau [TL14]:
⎡ I LA ⎤ ⎡ I LA sin (ωt + ϕ LA ) ⎤
⎢ I ⎥ = ⎢ I sin (ωt + ϕ )⎥
LB ⎥
⎢ LB ⎥ ⎢ LB
⎢⎣ I LC ⎥⎦ ⎢⎣ I LC sin (ωt + ϕ LC )⎥⎦
(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.
Dòng thứ tự không 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) [TL14]:
⎡ I p ⎤ ⎡1 a
⎢ I ⎥ = ⎢1 a 2
⎢ n⎥ ⎢
⎢⎣ I o ⎥⎦ ⎢1 1
⎣
⎡I A ⎤ ⎡ 1
⎢ I ⎥ = ⎢a 2
⎢ B⎥ ⎢
⎢⎣ I C ⎥⎦ ⎢⎣ a
1
a
a2
a 2 ⎤ ⎡ I LA ⎤
⎥
a ⎥ ⎢⎢ I LB ⎥⎥
1 ⎥⎦ ⎢⎣ I LC ⎥⎦
(1.3)
1⎤ ⎡ I p ⎤
1⎥ ⎢ I n ⎥
⎥⎢ ⎥
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
⎢ LB ⎥ ⎢ LB _ p + I LB _ n + I LB _ o ⎥
⎢⎣ I LC ⎥⎦ ⎢⎣ I LC _ p + I LC _ n + I LC _ o ⎥⎦
(1.5)
7
Chương 1. Tải/nguồn không cân bằng và tải phi tuyến
Dựa vào định nghĩa trên, một tải/nguồn ba pha không cân bằng có thể
được mơ tả bởi hai thơng 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) [TL14]:
UnBal_N% =
UnBal_0% =
TPTTnegative
TPTT positive
(1.6)
.100
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 [TL14].
Bảng 1.2. Tải không cân bằng và các hệ số không cân bằng
Trường hợp
Unbal_N%
1) |ILA|= Im; ILB = ILC = 0
Unbal_0%
100%
100%
32,3%
47,7%
35%
72,7%
15%
115%
2) |ILA|=|ILB|=|ILC|= Im
cosφA = 1; cosφB = 0,8; cosφC
=–0,8
3) |ILA|=|ILB|=|2ILC|= Im
cosφA = –0,8; cosφB = cosφC =
0,8
4) |ILA|=|ILB|= Im; IC = 0
cosφA = –0,8; cosφB = 0,8
8
Chương 1. Tải/nguồn khơng cân bằng và tải phi tuyến
Hình 1.1. Phân tích tải/nguồn khơng cân bằng thành ba thành phần riêng biệt:
Thứ tự thuận, thứ tự ngược và thứ tự khơng
Tóm lại, một tải/nguồn khơng cân bằng có thể được phân tích thành ba
thành phần: thứ tự thuận, thứ tự ngược và thứ tự không. Kết luận này được
minh họa bằng hình vẽ trên [TL14].
1.3.
Ảnh hưởng của tải/nguồn khơng 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.
9
Chương 1. Tải/nguồn không cân bằng và tải phi tuyến
A
-
Vca
A
Zab
ZCA
+
ZAB
Z ca
+
Vbc
Vab
-
Z bc
-
+
B
B
C
C
Z BC
a) Sơ đồ
-
Vca
Zab
+
Z ca
ZA
+
Vbc
Vab
Z bc
ZC
ZB
-
-
+
B
B
C
C
G
b) Sơ đồ Y
A
A
Za
+ VaG
+
VbG
+
Zb
VcG
-
-
-
ZCA
ZAB
Zc
B
B
C
C
G
c) Sơ đồ Y-
10
Z BC
Chương 1. Tải/nguồn không cân bằng và tải phi tuyến
A
A
Za
+
+
VbG
+
Zb
VcG
-
-
-
ZA
VaG
ZB
Zc
B
B
C
C
G
G
ZC
d) Sơ đồ Y-Y
Hỡnh 1.2. Bn kh nng cú th ni 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 khơng 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 [TL6]. 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 [TL6].
11
Chương 1. Tải/nguồn không cân bằng và tải phi tuyến
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 [TL6].
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
qua các điểm nối A, B và C, mà cịn có thêm dịng thứ tự không chạy quẩn
giữa nguồn và tải chạy qua điểm nối trung tính G [TL6].
1.4.
Tải phi tuyến
1.4.1. Khái niệm tải phi tuyến
Trong hệ thống điện tử công 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 dòng qua tải hoặc đạo hàm của
chúng. Mặc dù khơng có một biểu thức tốn học rõ ràng mô 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 [TL16]:
⎤
⎡
⎢ sin (ωt ) ⎥
⎡V AG ⎤
⎥
⎢
⎢V ⎥ = V
⎢sin ⎛⎜ ωt − 2 π ⎞⎟ ⎥
.
⎢ BG ⎥ ln_ pk ⎢ ⎝
3 ⎠⎥
⎢⎣VCG ⎥⎦
⎢ ⎛
2 ⎥
⎢sin ⎜ ωt + 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 [TL16]:
12
Chương 1. Tải/nguồn không cân bằng và tải phi tuyến
∞
⎡
+
+
I
ω
t
ϕ
(
)
.
sin
⎢
∑ I 2k ±1 sin (2k ± 1)ωt + ϕ 2k ±1_ A
1
1
⎢
k =2
⎡ I LA ⎤ ⎢
∞
⎢ I ⎥ = ⎢ I . sin ⎛ ωt + ϕ − 2 π ⎞ + I
⎜
⎟ ∑ 2 k ±1 sin (2k ± 1)ωt + ϕ 2 k ±1 _ B
1
⎢ LB ⎥ ⎢ 1
3 ⎠ k =2
⎝
⎢⎣ I LC ⎥⎦ ⎢
∞
⎢ I1 . sin ⎛⎜ ωt + ϕ1 + 2 π ⎞⎟ + ∑ I 2 k ±1 sin (2k ± 1)ωt + ϕ 2 k ±1 _ C
3 ⎠ k =2
⎢⎣
⎝
(
)
⎤
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥⎦
(
)
(
)
(1.9)
Trong trường hợp lý tưởng, biểu thức (1.9) sẽ không 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 hịa bậc lẻ và tổng độ méo điều hòa [TL16]:
∞
∑ I 22k ±1
TDH =
k =2
(1.10)
I1
Một cách khác để mơ 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
13
Chương 1. Tải/nguồn không cân bằng và tải phi tuyến
xấu hơn. Tuy nhiên, chỉnh lưu thyristor là bán 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 khơng đề cập nhiều đến chỉnh lưu
thyristor.
Một lý do quan trọng nữa để ta khơng 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 điôt ba pha không 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). Ta có:
Hình 1.3. Sơ đồ và dịng pha A của chỉnh lưu điơt ba pha khơng có bộ lọc một chiều
14
Chương 1. Tải/nguồn không cân bằng và tải phi tuyến
Từ hình 1.3, ta thấy dịng 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%.
Trường hợp 2: Chỉnh lưu điơt ba pha có tụ lọc một chiều C
Xét tải phi tuyến là bộ chỉnh lưu điôt cầu ba pha có tụ lọc một chiều C
(hình 1.4). Trong trường hợp này, THD dòng bằng 69% và hệ số đỉnh Kc =
1,86 (lớn hơn trong trường hợp tải tuyến tính).
Hình 1.4. Sơ đồ và dịng pha A của chỉnh lưu điơt ba pha có tụ lọc một chiều
15
