Nghiên cứu và thiết kế bộ lọc tích cực cho việc giảm hài dõng điện nâng cao chất lượng lưới điện

..

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
-------------------o0o------------------

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA

NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ BỘ LỌC TÍCH CỰC CHO VIỆC GIẢM HÀI
DÕNG ĐIỆN NÂNG CAO CHÂT LƢỢNG LƢỚI ĐIỆN

NGUYỂN NHƢ NGHĨA

THÁI NGUYÊN 2011


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
--------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA

NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ BỘ LỌC TÍCH CỰC CHO VIỆC GIẢM
HÀI DỊNG ĐIỆN NÂNG CAO CHÂT LƢỢNG LƢỚI ĐIỆN

Học viên

: Nguyễn Nhƣ Nghĩa

Ngƣời HD Khoa Học: TS Nguyễn Duy Cƣơng

THÁI NGUYÊN 2011

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

***

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập - Tƣ Do - Hạnh Phúc
--------------o0o--------------

THUYẾT MINH
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ BỘ LỌC TÍCH CỰC CHO VIỆC GIẢM HÀI
DONG ĐIỆN NÂNG CAO CHÂT LƢỢNG LƢỚI ĐIỆN

Học viên

: Nguyễn Nhƣ Nghĩa

Lớp

: CH-K12

Chuyên ngành

: Tự động hoá

Ngƣời hƣớng dẫn

: TS Nguyễn Duy Cƣơng

Ngày giao đề tài

: 2/2011

Ngày hoàn thành đề tài

: 8/2011

KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC

NGƢỜI HƢỚNG DẪN

TS Nguyễn Duy Cƣơng
BAN GIÁM HIỆU

HỌC VIÊN

Nguyễn Nhƣ Nghĩa

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Nghiên cứu và thiết kế bộ lọc tích cực cho việc giảm hài dòng điện
để nâng cao chất l-ợng l-ới ®iƯn

Mục Lục
Mục lục...........................................................................................................................................

1

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ...............................................................................................

3

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT………….................................

6

DANH MỤC CÁC BẢNG............................................................................................

7

LỜI NÓI ĐẦU...…………………………..………………………………………………….

8

CHƢƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ SÓNG HÀI...................................

11

1.1.

Đặt vấn đề……………………………………………....................................

11

1.2.

Tổng quan về sóng hài……………………………..................................

11

1.2.1. Khái niệm và phân tích sóng hài……………………...............

11

1.2.2. Tổng méo điều hịa THĐ………………………………...................

16

Các nguồn sinh ra sóng hài ……………………………......................

17

1.3.1

Máy biến áp………………………………..............................................

17

1.3.2

Động cơ điện………………………………............................................

18

1.3.3

Thiết bị điện tử công suất……………………………….................

18

1.3.4 Đèn huỳnh quang ……………………………….................................

20

1.3.5. Bộ điều chỉnh tốc độ truyền động……………………………

22

1.3.6. Lị điện ………………………………………………................................

23

1.3.

1.4.

Ảnh hƣởng của sóng hài……………………………….........................

24

1.5.

Kết luận……………………………………………….....................................

28

CHƢƠNG II: CÁC BIỆN PHÁP HẠN CHẾ SÓNG HÀI......................................

29

2.1.

Biện pháp ngăn ngừa tạo ra sóng hài…………………...............

2.2.

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

2.3 .

Bộ lọc thụ động……………………………………….............................

29

30
32

2.3.1. Bộ lọc thụ động mắc song song…………………………………

33

2.3.2. Bộ lọc thụ động mắc song song………………………………...

34

Bộ lọc tích cực………………………………………...............................

41

2.4.1. Phân loại theo bộ biến đổi cơng suất………………………..

42

2.4.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Nghiên cứu và thiết kế bộ lọc tích cực cho việc giảm hài dòng điện
để nâng cao chất l-ợng l-ới ®iÖn

2.4.2. Phân loại theo sơ đồ mắc
2.5.

44

Kết luận…………………………………………….....................................

CHƢƠNG III: CẤU TRÚC VÀ THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN BỘ LỌC

50
51

TÍCH CỰC.....................................................................................................................................

3.1.

Đặt vấn đề…………………………………………….................................

51

3.2.

Bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha………………...............

51

3.3.

Lý thuyết cơng suất tức thời p – q…………………….................

52

3.4.

Xây dựng thuật tốn điều khiển cho bộ lọc tích cực….......

56

3.5.

Xây dựng cấu trúc điều khiển cho bộ lọc tích cực…….......

57

3.5.1. Đề xuất cấu trúc điều khiển bộ lọc tích cực ba pha ba
dây………………………………………………….....................................

58

3.5.2. Điều khiển điện áp một chiều………….....................................

59

Kết luận…………………………………………………..............................

60

3.6.

CHƢƠNG IV: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG......................................................................

61

4.1.

Sơ đồ mô phỏng………………………………………............................

61

4.2.

Kết quả mô phỏng……………………………………............................

68

4.3.

Kết luận

72

CHƢƠNG V: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................

73

5.1.

Kết luận........................................................................................................

73

5.2.

Kiến nghị.....................................................................................................

73

TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................................

74

TÓM TẮT......................................................................................................................................

76

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Nghiên cứu và thiết kế bộ lọc tích cực cho việc giảm hài dòng điện
để nâng cao chất l-ợng l-ới ®iƯn

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Mẫu dạng sóng bao gồm các sóng điều hịa..............................................................

11

Hình 1.2: Ví dụ méo sóng AC điển hình.......................................................................................

14

Hình1.3: Sơ đồ chỉnh lƣu cầu một pha khơng điều khiển.......................................................

18

Hình 1.4: Dịng điện lƣới của chỉnh lƣu cầu một pha khơng điều khiển.............................

19

Hình 1.5: Sơ đồ chinh lƣu điốt ba pha..........................................................................................

19

Hình1.6: Dịng pha A của chỉnh lƣu điốt ba pha.......................................................................

20

Hình 1.7: Phổ dịng điện chỉnh lƣu điơt ba pha..........................................................................

20

Hình 1.8. Sơ đồ chỉnh lƣu cầu ba pha có điều khiển................................................................

21

Hình 1.9. Dạng dịng điện một pha của chỉnh lƣu cầu ba pha có điều khiển....................

21

Hình1.10. Dạng phổ dòng điện của chỉnh lƣu cầu ba pha có điều khiển...........................

21

Hình 1.11: Dịng đầu vào của bóng đèn huynh quang điển hình bóng đèn huỳnh
quang..........................................................................................................................................................

22

Hình 1.12. Dịng đầu vào và phổ dịng điều hịa của ASD điển hình...................................

23

Hình 1.13. Dịng đầu vào và phổ sóng hài của lị điện điển hình...........................................

23

Hình 2.1. Dịng đầu vào và phổ sóng điều hòa bộ biến đổi của (a)buck, (b) boots và
(c) BIFRED..............................................................................................................................................

30

Hình 2.2. Dịng điều hịa sinh ra từ cầu chỉnh lƣu ba pha có tụ lọc phía một chiều.........

31

Hình 2.3. Dòng điều hòa sinh ra từ cầu chỉnh lƣu ba pha có kháng lọc...............................

31

Hình 2.4. Độ giảm méo điều hịa của một ASD loại PWM có kháng lọc đầu vào...........

32

Hình 2.5 Biểu diễn một số sơ đồ bộ lọc thông thƣờng............................................................

33

Hình 2.6. Bộ lọc sóng hài ―notch‖ bậc 5 và tác động của nó lên hệ thống

34

Hình 2.7. Biểu diễn sơ đồ bộ lọc thụ động mắc nối tiếp điển hình.......................................

34

Hình 2.8. Sơ đồ mặch chỉnh lƣu khơng có bộ lọc.......................................................................

38

Hình 2.9. Kết quả mơ phỏng thu đƣợc dịng và áp.....................................................................

38

Hình 2.10. Phổ của nguồn áp............................................................................................................

39

Hình 2.11. Sơ đồ mạch chỉnh có bộ lọc thụ động.......................................................................

39

Hình 2.12. Kết quả mơ phỏng thu đƣợc dịng và áp..................................................................

40

Hình 2.13. Phổ của nguồn áp............................................................................................................

40

Hình 2.14. Nguyên lý bù cơ bản của bộ lọc tích cực.................................................................

41

Hình 2.15. Tải, APF và dạng sóng dịng nguồn..........................................................................

41

Hình 2.16. Bộ lọc tích cực ba pha ba dây nguồn dịng..............................................................

42

Hình 2.17. Bộ lọc tích cực mắc song song nguồn áp.................................................................

43

Hình 2.18. Mạch tƣơng đƣơng của bộ lọc tích cực song song, nguồn và tải, (a) bù

45

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Nghiên cứu và thiết kế bộ lọc tích cực cho việc giảm hài dòng điện
để nâng cao chất l-ợng l-ới ®iƯn

dịng điều hào của tải, (b) bù áp điều hịa của tải, (c) bù áp của nguồn................................
Hình 2.19. Sơ đồ bộ lọc tích cực một pha mắc song song......................................................

45

Hình 2.20. Dịng của tải, bộ lọc và nguồn của hệ thống...........................................................

46

Hình. 2.21. Bộ lọc cơng suất tích cực mắc nối tiếp tƣơng đƣơng với một pha...................

47

Hình 2.22. Bộ lọc hỗn hợp của bộ lọc thụ động mắc song song............................................

49

Hình 2.23 Dịng của bộ lọc thụ động, bộ lọc tích cực, tải, và nguồn...................................

49

Hình 2.24. Bộ lọc hỗn hợp của bộ lọc tích cực và bộ lọc thụ động mắc nối tiếp.............. 49

Hình 2.25. Sơ đồ cấu trúc UPQC.....................................................................................................

50

Hình 3.1. Mạch điện phía lƣới (a) và mơ hình phía lƣới (b)...................................................

51

Hình 3.2: Cơng suất tác dụng trên tải.............................................................................................

54

Hình 3.3. Thuật tốn điều khiển dựa trên lý thuyết p- q...........................................................

56

Hình 3.4: Bộ lọc tích cực song song...............................................................................................

58

Hình 3.5: Cấu trúc điều khiển bộ lọc tích cực.............................................................................

59

Hình 3.6. Bộ điều khiển điến áp một chiều sử dụng bộ điều chỉnh PI.................................

60

Hình 4.1. Mạch lực của mạch lọc tích cực ba pha ba dây.........................................................

61

Hình 4.2. Mơ hình mạch lọc tích cự ba pha ba dây trên Simulink.........................................

62

Hình 4.3. Mơ hình tải phi tuyến........................................................................................................

63

Hình 4.4. Bộ điều khiển điện áp và tính tốn cơng suất ổn định trên tụ...............................

63

Hình 4.5. Mơ hình khối tính tốn dịng bù chuẩn........................................................................

64

Hình 4.6. Khối chuyển điện áp trong hệ abc  α.....................................................................

64

Hình 4.7. Khối chuyển dịng điện abc  α.................................................................................

65

Hình 4.8. Khối tính tốn cơng suất tức thời p,q............................................................................

65

Hình 4.9. Khối tính cơng suất bù......................................................................................................

65

Hình 4.10. Khối tính dịng bù............................................................................................................. 66
Hình 4.11. Khối tình dịng điện chuẩn............................................................................................

66

Hình 4.12. Khối điều khiển dịng và phát xúng............................................................................

67

Hình 4.13. Biểu diễn áp của nguồn khi bộ lọc chƣa tác động..................................................

68

Hình 4.14. Biểu diễn dịng điện cấp cho tải...................................................................................

68

Hình 4.15. THĐ của bậc sóng hài dịng điện pha A....................................................................

69

Hình 4.16. Dịng nguồn sau khi bộ lọc tác động..........................................................................

70

Hình 4.17. Dịng của tải.......................................................................................................................

70

Hình 4.18. Dịng của mạch lọc trƣớc và sau khi tác động........................................................ 70
Hình 4.19. THĐ của bậc sóng hài dịng điện một pha................................................................

71

Hình 4.20. Công suất tác dụng của nguồn trƣớc và sau khi bộ lọc tác động.......................

71

Hình 4.21. Cơng suất phản kháng của nguồn trƣớc và sau khi bộ lọc tác động.................

72

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Nghiên cứu và thiết kế bộ lọc tích cực cho việc giảm hài dòng điện
để nâng cao chất l-ợng l-ới ®iƯn

Hình 4.22. Cơng suất phản kháng của nguồn trƣớc và sau khi bộ lọc tác động.................

72

Hình 4.23. Cơng suất tác dụng của tải

72

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Nghiên cứu và thiết kế bộ lọc tích cực cho việc giảm hài dòng điện
để nâng cao chất l-ợng l-ới ®iÖn

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
APF

Active Power Filters- Bộ lọc cơng suất tích cực

AF

Bộ lọc tích cực

CSAFs

Current Source Active Filter- Bộ lọc tích cực nguồn dịng

CSPK

Cơng suất phản kháng

LPF

Low Pass Filter - Bộ lọc thông thấp

PWM

Pulse Width Modulation - Điều chế độ rộng xung

PI

Proportional – integral - Bộ điều khiển PI

THD

Total Harmonic Distortion - Độ méo hài tổng

PCC

Point of Common Coupling - Điểm nối chung

VSI

Voltage Source Inverter – Bộ biến đổi nguồn áp

VSAF

Voltage Source Active Filter – Bộ lọc tích cực nguồng áp

UPS

Uninterruptible Power Supply – Nguồn cấp điện liên tục

UPQC

Unified Power Quality Conditioners

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Nghiên cứu và thiết kế bộ lọc tích cực cho việc giảm hài dòng điện
để nâng cao chất l-ợng l-ới ®iƯn

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Thành phần sóng điều hịa lớn nhất và nhỏ nhất của dịng điện bóng đèn
huỳnh quang
Bảng 1.2: Dịng điều hịa và dịng trung tính của một nguồn cung cấp năng lƣợng
máy tính điển hình
Bảng1.3:

Giới hạn biến dạng dịng sóng hài (Ih) trong phần trăm của ( IL)

Bảng 1.4

Giới hạn méo điện áp

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Nghiên cứu và thiết kế bộ lọc tích cực cho việc giảm hài dòng điện

để nâng cao chất l-ợng l-ới ®iƯn

LỜI NĨI ĐẦU

Ngày nay, các hệ thống truyền động điện hiện đại trong công nghiệp và
dân dụng thƣờng sử dụng các bộ biến đổi điện tử công suất, chẳng hạn nhƣ
các bộ biến đổi xoay chiều - một chiều, các loại lò điện hay các bộ biến tần...
Các bộ biến đổi này có thể cho phép áp dụng các thuật toán điều khiển từ đơn
giản đến phức tạp để tạo ra một hệ thống điều khiển linh hoạt, đáp ứng đƣợc
các yêu cầu khác nhau và thích ứng cho nhiều loại phụ tải.
Tuy nhiên, việc sử dụng rộng rãi các thiết bị điện tử công suất lớn
cũng tạo ra những thách thức không nhỏ đối với chất lƣợng nguồn điện. Các
thiết bị công nghiệp và sinh hoạt sử dụng các linh kiện điện tử cơng suất có
thể tạo nên những những phụ tải phi tuyến và gây ra các thành phần sóng hài
trên lƣới. Những sóng hài này làm cho điện áp lƣới bị méo dạng và gây ảnh
hƣởng không tốt cho những phụ tải đƣợc nối với nó.
Ở Việt nam hiện nay, các hoạt động sản xuất công nghiệp đang phát
triển một cách nhanh chóng và lƣợng điện năng tiêu thụ để phục vụ cho sản
xuất công nghiệp cũng ngày một lớn. Trong quá trình phát triển nhƣ vậy thì
các phụ tải phi tuyến cũng tăng lên một cách đáng kể. Tuy nhiên những tác
hại của sóng hài gây ra cho hệ thống điện thì lại chƣa đƣợc quan tâm một
cách đúng mức.
Trên thực tế đã có một số giải pháp nhằm khắc phục ảnh hƣởng của
sóng hài, trong đó ngƣời ta chú ý đến các bộ lọc. Một giải pháp mang tính
kinh điển là sử dụng các bộ lọc thụ động LC để loại trừ sóng hài hoặc ngăn
dòng hài tác động trở lại nguồn. Mặc dù khá đơn giản về nguyên lý nhƣng
các bộ lọc thụ động thƣờng rất cồng kềnh và thiếu linh hoạt trong việc bố trí
các dàn lọc và khó đáp ứng với các dạng sóng hài khác nhau. Để thiết kế bộ
lọc thụ động nhằm triệt tiêu một số sóng hài bậc cao ta phải xác định đƣợc
trở kháng của tải. Thực tế điều này là khó thực hiện đƣợc do tải ln luôn

biến động. Trong trƣờng hợp xác định trở kháng của tải khơng đúng thì bộ lọc
thụ động có thể cịn làm kích thích hệ thống dao động.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Nghiên cứu và thiết kế bộ lọc tích cực cho việc giảm hài dòng điện
để nâng cao chất l-ợng l-ới ®iƯn

Giải pháp lọc tích cực ra đời đã giải quyết đƣợc những khó khăn nêu
trên. Bộ lọc tích cực có thể lọc các thành phần sóng hài bậc cao có trong dịng
điện và điện áp, bù cơng suất phản kháng, điều chỉnh điện áp đầu cuối, khắc
phục dao động điện áp và cải thiện cân bằng điện áp trong mạch ba pha. Ƣu
điểm cơ bản của bộ lọc tích cực là chúng thích ứng với sự thay đổi của lƣới và
tải. Hơn nữa chúng có thể bù một số sóng hài quan trọng mà khơng làm ảnh
hƣởng đến đặc tính của lƣới.
Luận văn này chủ yếu tập trung vào nghiên cứu và so sánh các kỹ thuật
khác nhau để áp dụng cho việc thiết kế các bộ lọc tích cực cho hệ thống ba
pha ba dây. Nội dung chính của luận văn thể hiện ở việc áp dụng lý thuyết
công suất tức thời của Akagi để xây dựng cấu trúc thuật tốn và cấu trúc điều
khiển cho bộ lọc tích cực ba pha ba dây để lọc sóng hài và nâng cao chất
lƣợng điện áp.
Phƣơng pháp nghiên cứu của đề tài đƣợc thể hiện nhƣ sau:
- Nghiên cứu lý thuyết và tham khảo các tài liệu kỹ thuật, các bài báo
trong và ngồi nƣớc để mơ hình hóa và xây dựng thuật toán điều khiển.
- Sử dụng phần mềm Matlab/ Simulink để thiết kế, mô phỏng và kiểm
nghiệm các kết quả nghiên cứu lý thuyết.
- Phƣơng pháp thực tiễn: tham quan, điều tra, khảo sát… để củng cố
thêm độ tin cậy và kiểm chứng mức độ chính xác của kết quả nghiên cứu lý

thuyết.
Nội dung nghiên cứu của luận văn về ―Nghiên cứu và thiết kế bộ lọc
tích cực cho việc giảm hài dòng điện để nâng cao chất lƣợng lƣới điện‖ gồm
năm chƣơng với nội dung tóm tắt nhƣ sau:
Chƣơng I

: Giới thiệu tổng quan về sóng hài

Chƣơng II : Các biện pháp hạn chế sóng hài
Chƣơng III : Cấu trúc và thuật tốn điều khiển bộ lọc tích cực.
Chƣơng IV : Mô phỏng hệ thống
Chƣơng V : KÕt luận và khuyến nghị

S húa bi Trung tõm Hc liu – ĐHTN




Nghiên cứu và thiết kế bộ lọc tích cực cho việc giảm hài dòng điện
để nâng cao chất l-ợng l-ới ®iƯn

Trong q trình thực hiện luận văn, đƣợc sự hƣớng dẫn tận tình của
thầy giáo TS. Nguyễn Duy Cƣơng cùng với sự cố gắng của bản thân, nay đã
hoàn thành. Tuy nhiên do trình độ bản thân có hạn nên luận văn khơng tránh
khỏi những thiếu sót, tơi kính mong nhận đƣợc sự góp ý và nhận xét của các
thầy cô giáo và các bạn để bản luận văn này đƣợc hồn thiện hơn. Tơi xin bày
tỏ sự biết ơn chân thành của mình tới thầy giáo TS. Nguyễn Duy Cƣơng đã
tận tình hƣớng dẫn và tạo điều kiện để tơi hồn thành bản luận văn này.
Tơi xin chân thành cám ơn các thầy cô ở Khoa Điện, Khoa sau Đại học,
xin chân thành cám ơn Ban Giám Hiệu Trƣờng Đại Học Kỹ Thuật Công

Nghiệp đã tạo những điều kiện thuận lợi nhất về mọi mặt để tơi hồn thành
khóa học.
Tôi xin chân thành cám ơn !
Thái nguyên, ngày

tháng

năm 2011

Ngƣời thực hiện

Nguyễn Nhƣ Nghĩa

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Nghiên cứu và thiết kế bộ lọc tích cực cho việc giảm hài dòng điện
để nâng cao chất l-ợng l-ới ®iƯn

CHƢƠNG 1
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ SĨNG HÀI
1.1. Đặt vấn đề
Trong những năm gần đây, do sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế,
tốc độ cơng nghiệp hóa tăng một cách nhanh chóng và lƣợng điện năng tiêu
thụ để phục vụ cho sản xuất công nghiệp cũng ngày một lớn. Trong quá trình
phát triển nhƣ vậy thì các phụ tải phi tuyến cũng tăng lên một cách đáng kể,
dẫn tới xuất hiện các thành phần sóng điều hịa bậc cao. Các thành phần sóng
điều hịa bậc cao này gây ra những tác hại đáng kể nhƣ làm tăng tổn hao, làm

giảm hệ số công suất, ảnh hƣởng tới các thiết bị tiêu dùng điện, làm giảm chất
lƣợng điện năng...
1.2 Tổng quan về sóng hài.
1.2.1 Khái niệm và phân tích sóng hài
Sóng hài là một dạng nhiễu khơng mong muốn, ảnh hƣởng trực tiếp tới
chấp lƣợng lƣới điện và cần đƣợc chú ý tới khi tổng dòng điện hài cao hơn
mức độ giới hạn cho phép. Sóng hài có thể coi là tổng của các dạng sóng sin
mà tần số của nó là bội số nguyên của tần số cơ bản. Ví dụ, Hình 1.1 biểu
diễn sóng hài với tần số cơ bản 50Hz và sóng hài bậc 5 (250 Hz), sóng hài bậc
7 (350 Hz), và bậc 11 (550 Hz)

Hình 1.1: Mẫu dạng sóng bao gồm các sóng hài
Cơng cụ để phân tích mức độ méo của dạng sóng dịng điện có chu kỳ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Nghiên cứu và thiết kế bộ lọc tích cực cho việc giảm hài dòng điện
để nâng cao chất l-ợng l-ới ®iƯn

là phân tích Furier. Phƣơng pháp này dựa trên ngun lý là một dạng sóng
khơng sin và có thể đƣợc thay thế bởi tổng của các dạng sóng điều hịa hình
sin bao gồm:[1]
- Thành phần một chiều
- Một sóng hình sin với tần số cơ bản ( 50 Hz )
- Các sóng điều hịa bậc cao có tần số bằng bội số tần số cơ bản.
Một sóng khơng hình sin thƣờng đƣợc gọi là sóng phức tạp. Biểu thức
tốn học của nó có dạng: [1]
n  N 0  N1 sin(t 1 )  N 2 sin(2t  2 )

 N 3 sin(t   3 )  ...  N i sin(it   i )

Trong đó:

(1.1)

n là trị số tức thời
N 0 là trị số trung bình (hay thành phần một chiều)

N1 là biên độ của thành phần cơ bản
N 2 là biên độ của thành phần sóng điều hòa bậc 2
N 3 là biên độ của thành phần sóng điều hịa bậc 3

N i , i 1 là biên độ của thành phần sóng điều hịa bậc i

 là góc lệch pha tƣơng đối

  2f là tần số góc, f là tần số của sóng cơ bản

1/f là thời gian ( chu kỳ) trong đó sóng phức tạp lặp lại.
Về mặt toán học, để thuận tiện nên biểu diễn theo biến x hơn là theo t và
hàm y thuận tiện hơn là điện áp hay dòng điện.

Nhƣ vậy:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

Nghiên cứu và thiết kế bộ lọc tích cực cho việc giảm hài dòng điện
để nâng cao chất l-ợng l-ới ®iÖn

y  f ( x)  R0  R1. sin( x  1 )  R2 . sin(2 x   2 )

(1.2)

 R3 . sin(3x  3 )  ...  Rn . sin(nx   n )
Hoặc
y  f ( x)  A  a1 . sin x  a 2 . sin 2 x  ...  a n sin nx
 b1 cos x  b2 cos 2 x  ...  bn cos nx

(1.3)

Khai triển (1.3) gọi là chuỗi Fourier, khi ta có thể biểu diễn f(x) một cách
tốn học, ta đƣợc các biểu thức tính các hệ số sau đây :

1 2
A
 f ( x)d ( x)
2 0
an 
bn 

1



(1.4)

2

 f ( x) sin nx.dx

(1.5)

0

1 2
 f ( x) cos nx.dx



(1.6)

0

Các phƣơng trình (1.2) và (1.3) là tƣơng đƣơng. Khi đặt
a n sin nx  bn cos nx  Rn sin(nx   n )

đẳng thức này cho biên độ của điều hòa bậc n.

Rn  (a 2  b 2 )
và góc lệch pha

1

2

 n  aatan g

(1.7)
bn
.
an

(1.8)

Thành phần hằng số xác định theo (1.4) là trị số trung bình của hàm số,
ví dụ đó là điện áp một chiều (điện áp trung bình) ở đầu ra của bộ chỉnh lƣu.
Quan sát một dạng sóng có thể đi đến một số kết luận và đơn giản hóa
biểu thức giải tích của một sóng phức tạp:
 Nếu diện tích của các nửa chu kỳ dƣơng và âm bằng nhau thì A=0.
 Nếu f(x+) = -f(x) thì khơng có điều hịa bậc chẵn, nghĩa là khơng có
bậc 2,4…Tất cả nửa chu kỳ âm là đối xứng với nửa chu kỳ dƣơng.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Nghiên cứu và thiết kế bộ lọc tích cực cho việc giảm hài dòng điện
để nâng cao chất l-ợng l-ới ®iÖn

 Nếu f(-x) = - f(x), bn  0 , khơng có thành phần cosin hàm số lẻ. Nếu
f(-x) = f(x), a n  0 , khơng có các thành phần sin khi hàm số chẵn.
Biến dạng sóng hài của dạng sóng dịng tƣơng đối dễ nhận ra nhƣ là
dạng sóng khơng sin, chúng đƣợc lặp đi lặp lại tại tần số cơ bản 50 Hz. Nhiễu
ngẫu nhiên khơng có sự lặp lại. Dấu hiệu để xác định một dạng sóng khơng
sin có thành phần hài bậc chẵn hay bậc lẻ nhƣ sau: [5]

- Sóng hài bậc lẻ xuất hiện khi nửa chu kỳ âm của dạng sóng khơng sin
lặp lại y hệt nửa chu kỳ dƣơng, nhƣng với chiều âm. Nói cách khác, hài bậc lẻ
xuất hiện khi phần tƣ chu kỳ thứ nhất và phần tƣ chu kỳ thứ ba là giống nhau,
phần tƣ chu kỳ thứ hai và phần tƣ chu kỳ thứ tƣ là giống nhau. Sóng hài bậc
lẻ xuất hiện với chỉnh lƣu cầu vì nửa chu kỳ dƣơng và nửa chu kỳ âm là đối
xứng nhau (do đó các hài bậc chẵn bị triệt tiêu)
- Sóng hài bậc chẵn xuất hiện khi nửa chu kỳ âm không lặp lại nửa chu kỳ
dƣơng. Một đặc điểm khác của hài bậc chẵn đó là phần tƣ thứ nhất và thứ tƣ
là giống nhau, phần tƣ thứ hai và thứ ba là giống nhau. Thƣờng ít khi thấy hài
bậc chẵn trong các hệ thống điện cơng nghiệp.

Hình 1.2: Ví dụ méo sóng AC điển hình
(a) dạng sóng khơng sin chứa các sóng hài bậc lẻ
(b) dạng sóng khơng sin chứa các sóng hài bậc chẵn
Mức độ méo sóng hài sinh ra do bộ điều chỉnh tốc độ phụ thuộc vào rất
nhiều biến số và nhiều biến số rất khó để định lƣợng, ví dụ:


Biên độ của dịng điện chạy qua bộ biến đổi



Cấu trúc của mạch điện tử cơng suất (6 xung, 12 xung)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Nghiên cứu và thiết kế bộ lọc tích cực cho việc giảm hài dòng điện

để nâng cao chất l-ợng l-ới ®iƯn



Đặc tính và trở kháng của hệ thống cung cấp điện nối đến tải
Nguyên nhân chính tại sao bộ biến đổi điện tử cơng suất sinh ra dịng

điện hài là vì dịng điện khơng liên tục trong mỗi pha. Xét về khía cạnh sinh
ra sóng hài thì việc cầu chỉnh lƣu dùng diode hay thyristor đều khơng quan
trọng vì chúng đều hoạt động tƣơng tự nhau. Trong một cầu chỉnh lƣu, chỉ có
hai thyristor ( hoặc diode ) đƣợc dẫn tại một thời điểm bất kỳ, và khoảng thời
gian đƣợc dẫn này sẽ lần lƣợt đến phiên các thyristor ( diode ) kế tiếp. Trong
một chu kỳ của điện áp nguồn cấp, mỗi một pha trong ba pha đều dẫn một
xung dƣơng trong 120o và một xung âm trong 120o.
Các dòng điện pha gián đoạn này kết hợp lại ở phía một chiều để tạo ra
dịng điện một chiều DC nhấp nháy, dòng điện này đƣợc làm bằng phẳng
bằng một cuộn kháng ở phía một chiều. Nhƣ vậy, bộ chỉnh lƣu có thể đƣợc
xem nhƣ một nguồn phát sóng hài về phía lƣới.
Các bộ biến đổi điện tử cơng suất không sinh ra tất cả các bậc hài mà
chỉ một số bậc hài nhất định. Bậc và biên độ của một sóng hài dịng điện sinh
ra bởi bộ biến đổi điện tử công suất phụ thuộc vào 3 yếu tố chính sau:
* Số xung của một bộ biến đổi (p). Số xung của bộ biến đổi là số xung
một chiều ở đầu ra của bộ chỉnh lƣu trong một chu kỳ của điện áp nguồn cấp.
Bậc của sóng hài sinh ra đƣợc xác định theo công thức
n = kp ± 1
Với

(1.9)

n: bậc của sóng hài

k: số nguyên 1, 2, 3,
p: số xung của bộ biến đổi
* Biên độ của dòng tải, dịng điện I D phía một chiều của bộ chỉnh lƣu

ảnh hƣởng tới biên độ của dòng điện hài
* Biên độ của điện áp tải, điện áp một chiều V D của bộ chỉnh lƣu ảnh
hƣởng tới dòng tải

1.2.2. Tổng méo điều hịa THD
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Nghiên cứu và thiết kế bộ lọc tích cực cho việc giảm hài dòng điện
để nâng cao chất l-ợng l-ới ®iÖn

THD là chỉ số đánh giá độ méo của các thành phần điều hịa của một sóng bị
méo so với thành phần cơ bản, đƣợc tính bởi cơng thức sau.


THD 

Y

2
n

n2

(1.10)

Y1

Trong đó:
Y1 : là giá trị hiệu dụng của tín hiệu tần số cơ bản
Yn

: là giá trị hiệu dụng của tín hiệu thành phần điều hịa bậc n

Từ cơng thức (1.10) ta có thể đánh giá độ méo cho cả dòng điện và điện áp
qua hệ số méo dòng và hệ số méo điện áp
* Hệ số méo dòng điện:


I
n2

THD 

2
n

I1

(1.11)

Trong đó:
I 1 : Là giá trị hiệu dụng của thành phần dòng cơ bản.
In

: Là giá trị hiệu dụng của thành phần dịng sóng hài bậc n

* Hệ số méo điện áp:


U
n2

THD =

2
n

(1.12)

U1

Trong đó:
U 1 là giá trị hiệu dụng của thành phần điện áp cơ bản
U n là giá trị hiệu dụng của thành phần điện áp sóng hài bậc n.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Nghiên cứu và thiết kế bộ lọc tích cực cho việc giảm hài dòng điện
để nâng cao chất l-ợng l-ới ®iÖn

Chất lƣợng của nguồn điện cung cấp trên lƣới càng kém nếu hệ số
THD càng cao
1.3 Các nguồn sinh ra sóng hài
Nguồn sinh ra sóng hài chủ yếu là các tải phi tuyến kết nối trên lƣới.
Trong đó các thiết bị chứa các mạch điện tử công suất là các tải phi tuyến tiêu
biểu. Một tải đƣợc gọi là phi tuyến khi dịng điện chạy qua nó sẽ có dạng sóng
khác với dạng sóng của điện áp nguồn cung cấp. Sau đó, các dịng sóng hài
đƣợc sinh ra từ tải này lại chạy khép vòng qua tổng trở hệ thống ( đƣờng dây,
máy biến áp…) và sinh ra các điện áp sóng điều hịa làm méo dạng điện áp
nguồn cung cấp. Mặt khác các phụ tải phi tuyến ngày càng đƣợc sử dụng phổ
biến trong mọi lĩnh vực công nghiệp và đời sống…, cũng nhƣ điện năng tiêu
thụ cho chúng cũng gia tăng một cách nhanh chóng. Các phụ tải tiêu biểu nhƣ
sau:
1.3.1 Máy biến áp
Khi từ hóa lõi thép máy biến áp, do mạch từ bão hòa sẽ làm xuất hiện
những hiện tƣợng mà trong một số trƣờng hợp ảnh hƣởng đến trạng thái làm
việc của máy biến áp
Ở đây xét những ảnh hƣởng đáng kể đó khi máy biến áp làm việc không tải.
Ta biết rằng khi đặt vào dây quấn sơ cấp điện áp hình sin thì sẽ sinh ra dịng
điện khơng tải i0 chạy trong nó, dịng điện khơng tải i0 này sinh ra từ thơng
chạy trong lõi thép. Ở đây nếu không kể đến tổn hao trong lõi thép thì dịng
điện khơng tải i0 thuần túy là dịng điện phản kháng dùng để từ hóa lõi thép.
Khi đó quan hệ =f( i 0 ) cũng chính là quan hệ từ hóa B=F(H). Trên cơ sở lý
thuyết mạch, do hiện tƣợng bão hòa của lõi thép, nếu là hình sin thì i0 khơng
hình sin và có dạng nhọn đầu, nghĩa là dịng điện i0 ngồi thành phần sóng cơ
bản cịn có các thành phần sóng hài bậc cao 3, 5, 7..., trong đó đáng chú ý là
thành phần hài bậc 3 lớn nhất và đáng kể hơn cả, còn các thành phần khác khá
nhỏ.
1.3.2 Động cơ điện
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

Nghiên cứu và thiết kế bộ lọc tích cực cho việc giảm hài dòng điện
để nâng cao chất l-ợng l-ới ®iÖn

Động cơ điện xoay chiều khi hoạt động cũng sinh ra sóng điều hịa
dịng điện bậc cao. Các sóng điều hòa dòng điện bậc cao đƣợc phát sinh bởi
máy điện quay liên quan chủ yếu tới các biến thiên của từ trƣờng gây ra bởi
các khe hở giữa roto và stato. Các máy điện đồng bộ có thể sinh ra sóng điều
hịa bậc cao bởi vì dạng từ trƣờng, sự bão hịa trong các mạch chính và các
đƣờng dị và do các dây quấn dùng để giảm dao động đặt không đối xứng.
1.3.3 Thiết bị điện tử công suất
Các bộ biến đổi điện tử công suất (chỉnh lửu, nghịch lƣu …) đều đƣợc
cấu tạo từ các linh kiện bán dẫn nhƣ điốt, thyristor, tranzitor, mosfet, IGBT…,
đây đều là những phần tử phi tuyến là nguồn gốc gây ra sóng điều hòa bậc
cao. Ta đi xét một số bộ biến đổi cơng suất gây ra sóng điều hịa bậc cao.
* Các bộ biến đổi xoay chiều – một chiều
Ngày nay có rất nhiều thiết bị điện địi hỏi phải có nguồn cấp một chiều
để hoạt động. Cầu bộ biến đổi xoay chiều - một chiều đƣợc dùng phổ biến để
tạo nên những nguồn một chiều này bởi sơ đồ đơn giản, giá thành hạ và điện
áp cung cấp khá ổn định trong những điều kiện làm việc bình thƣờng
- Chỉnh lƣu cầu một pha khơng điều khiển

Hình1.3: Sơ đồ chỉnh lƣu cầu một pha khơng điều khiển

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

Nghiên cứu và thiết kế bộ lọc tích cực cho việc giảm hài dòng điện
để nâng cao chất l-ợng l-ới ®iƯn

Hình 1.4: Dịng điện lƣới của chỉnh lƣu cầu một pha không điều khiển
- Xét sơ đồ chỉnh lƣu điốt cầu ba pha khơng có bộ lọc một chiều
Ta có:
V AS = 220 2 sin(t) (V)

V BS = 220 2 sin(t -

2
 ) (V)
3

VCS = 220 2 sin(t +

2
 ) (V)
3

Hình 1.5: Sơ đồ chinh lƣu điốt ba pha

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Nghiên cứu và thiết kế bộ lọc tích cực cho việc giảm hài dòng điện

để nâng cao chất l-ợng l-ới ®iƯn

Hình1.6: Dịng pha A của chỉnh lƣu điốt ba pha
Dạng phổ dịng điện

Hình 1.7: Phổ dịng điện chỉnh lƣu điơt ba pha
Từ hình trên ta thấy dịng điện pha A bị méo rất lớn với hai đƣờng lõm ở
đỉnh. Có THĐ là 30,12% và thành phần sóng điều hịa bậc 5 và bậc 7 là chủ
yếu

- Xét bộ chỉnh lƣu cầu ba pha có điều khiển
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Nghiên cứu và thiết kế bộ lọc tích cực cho việc giảm hài dòng điện
để nâng cao chất l-ợng l-ới ®iƯn

Hình 1.8. Sơ đồ chỉnh lƣu cầu ba pha có điều khiển

Hình 1.9. Dạng dịng điện một pha của chỉnh lƣu cầu ba pha có điều khiển

Hình1.10. Dạng phổ dịng điện của chỉnh lƣu cầu ba pha có điều khiển
Xét tải phi tuyến là bộ chỉnh lƣu cầu ba pha có điều khiển. Trƣờng hợp
này,THĐ là 29,29% và thành phần sóng điều hịa bậc 5 và bậc 7 là chủ yếu.
1.3.4. Đèn huỳnh quang
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

Nghiên cứu và thiết kế bộ lọc tích cực cho việc giảm hài dòng điện
để nâng cao chất l-ợng l-ới ®iƯn

Đây là loại tải có tính phi tuyến cao. Hình 1.11 biểu diễn dòng đầu vào của
đèn huỳnh quang điển hình. Số lƣợng các sóng hài bậc 3, 5, 7,9 và 11 cao.Kết
quả thử nghiệm của Liew [6] chỉ ra tối đa và tối thiểu thành phần sóng hài của
đèn huỳnh quang, nhƣ đƣợc trình bày trong Bảng 1.1

Hình 1.11: Dịng đầu vào của bóng đèn huynh quang điển hình

Bảng 1.1: Thành phần sóng hài lớn nhất và nhỏ nhất của dịng điện bóng đèn
huỳnh quang
1.3.5. Bộ điều chỉnh tốc độ truyền động
Với sự gia tăng của các bộ điều chỉnh tốc độ truyền động trong các hệ thống
năng lƣợng điện, chúng đã trở thành một vấn đề chính về chất lƣợng điện.
Hình 1.12 cho thấy:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN