Mô hình tải cho việc phân tích trạng thái xác lập và quá độ hệ thống điện hạ áp DC

Luận văn này là kiểm tra số lượng tải thông dụng sử dụng trong các hộ gia đình và văn phòng để xác định liệu có tương thích khi được cung cấp với nguồn DC, mô tả trạng thái xác lập và qu

Trang 1

Luận văn này là kiểm tra số lượng tải thông dụng sử dụng trong các hộ gia đình

và văn phòng để xác định liệu có tương thích khi được cung cấp với nguồn DC, mô tả

trạng thái xác lập và quá độ của tải và xây dựng mô hình tải phù hợp cho mô phỏng trên máy tính với phần mềm Matlab

Thực hiện đo thử các tải khác nhau: tải trở, động cơ quay và tải điện tử Từ các kết quả đo thử, mô tả trạng thái ổn định của tải Để có thể phân tích trạng thái quá độ của tải, xây dựng mạch thay đổi điện áp, tải được thử với các điện áp khác nhau và từ

đó xây dựng mô hình tải Mô hình này mô tả được trạng thái xác lập và quá độ khi tải được cung cấp với nguồn DC

Trang 2

In this thesis, common loads used in low-voltage residential and commercial power systems are investigated when supplied with dc There steady-state and transient behavior is characterized, in order to build simple models suitable for computer

simulation with Cftool/Matlab

Laboratory measurements were carried out on various loads that were categorized in resistive, rotating and electronic loads From these measurements it was possible to characterize the steady-state behavior of loads To indicate how much the load disturbs the network, the frequency spectrum was analyzed To be able to analyze the transient response of the loads, a voltage reduction circuit was designed and constructed The loads were subjected to several voltage steps in order to derive a simple dynamic model

Another objective of this work was to study the load sensitivity to voltage variations, in particular voltage dips, with dc supply and then compare the result to the same voltage variation in ac

The models developed in this thesis can be used for load flow, voltage dip and short circuit current calculations in a low voltage dc distribution system

Trang 3

Nhiệm vụ lu n văn th c sĩ

L i cam đoan

L i c m n

Tóm t t lu n văn

Danh sách các b ng

Danh sách các hình

Chư ng 1: Tổng quan 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu, nhiệm vụ nghiên cứu 3

1.3 Nội dung nghiên cứu 3

1.4 Phương pháp nghiên cứu 4

1.5 Các kết quả nghiên cứu trong và nước đã công bố 4

Chư ng 2: C sở lý thuyết 7

2.1 Qui trình đo 7

2.1.1 Đo các tải trong nguồn AC 7

2.1.2 Đo các tải trong nguồn DC 8

2.1.3 Phân tích phổ tần sô 9

2.1.4 Phép đo quá độ 9

2.2 Phân tích dữ liệu đo 10

2.2.1 Sự mô tả đặc tính tải 10

2.2.2 Phân tích phổ tần số 11

2.3 Phân tích quá độ 11

2.4 Các mạch mô phỏng trong Matlab 11

2.4.1 Mạch mô phỏng phân tích phổ tần 11

2.4.2 Mạch mô phỏng ở chế độ xác lập 12

Trang 4

3.1 Đặc tính tải 15

3.1.1 Các thiết bị gia nhiệt 15

3.1.2 Các Thiết bị chiếu sáng 22

3.1.3 Tóm lại 27

3.2 Phân tích phổ tần 28

3.2.2 Các thiết bị chiếu sáng 28

3.4 Kết luận 42

Chư ng 4: Mô hình đ ng c quay 43

4.1.1 Các động cơ vạn năng 47

4.1.2 Các động cơ khác 52

4.1.3 Tóm lại 54

4.4 Kết luận 64

Chư ng 5: Mô hình t i điện tử 65

5.1.2 Các thiết bị điện tử 69

Trang 5

5.3.2 Các thiết bị điện tử 76

5.4 Kết luận 78

Chư ng 6: Kết lu n vƠ hư ng nghiên cứu phát triển 79

6.1 Kết luận 79

6.2 Hướng nghiên cứu phát triển 80

Tài liệu tham khảo 81

Trang 6

Bảng 1.1: Danh sách các tải thử nghiệm 3

Bảng 2.1: Độ chính xác của phép đo và băng tần số của các thiết bị đo 7

Bảng 3.1: Các loại tải thử nghiệm 14

Bảng 3.2: Các tham số mô hình máy pha cà phê (Panasonic) 16

Bảng 3.3: Các tham số mô hình máy xoay cà phê (Philips) 17

Bảng 3.4: Các thông số của máy uốn tóc 18

Bảng 3.5: Các thông số của bình đun siêu tốc (Comet) 19

Bảng 3.6: Các thông số của bình đun siêu tốc (Panasonic) 20

Bảng 3.7: Các thông số của máy (BlueHouse) 21

Bảng 3.8: Các thông số của bếp điện 22

Bảng 3.9: Điện trở tính toán của các đèn 22

Bảng 3.10: Các thông số mô hình cho các đèn nung sáng 23

Bảng 3.11: Các thông số của đèn Halogen-Tungsten 25

Bảng 3.12: Đặc điểm của các tải trở 27

Bảng 3.13: Đặc điểm của các đèn 27

Bảng 3.14: Kết quả phân tích phổ tần số từ phép đo và mô phỏng các thiết bị gia nhiệt 28

Bảng 3.15: Kết quả phân tích phổ tần từ kết quả đo và mô phỏng của các đèn 29

Bảng 3.16 Các thông số mô hình các tải thuần trở 42

Bảng 4.1: Các động cơ thư ng được sử dụng trong dân dụng 46

Trang 7

(động cơ vạn năng) 46

Bảng 4.3: Các thông số mô hình của máy xay sinh tố (Melissa) 48

Bảng 4.4: Các thông số mô hình của máy đánh trứng (Ide line) 49

Bảng 4.5: Các thông số mô hình máy hút bụi (Electrolux) 50

Bảng 4.6: Các thông số của máy hút bụi (LG) 51

Bảng 4.7: Các thông số của máy sấy tóc (Panasonic, 1800 W) 52

Bảng 4.8: Các thông số mô hình máy sấy tóc (Panasonic, 1200 W) 53

Bảng 4.9: Đặc tính các động cơ vạn năng 54

Bảng 4.10: Đặc tính các động cơ khác 54

Bảng 4.11: Kết quả phân tích phổ tần từ đo lư ng và mô phỏng các động cơ vạn năng 55

Bảng 4.12: Kết quả phân tích phổ tần trong đo lư ng và mô phỏng cho các động cơ 56

Bảng 4.13: Các thông số mô hình của các động cơ quay và giả thiết sai số 64 Bảng 5.1: Mô hình các đèn halogen compact 66

Bảng 5.2: Mô hình của ballast (Philips) 69

Bảng 5.3: Mô hình của Charger 69

Bảng 5.4: Mô hình của LCD 70

Bảng 5.5: Kết quả phân tích phổ tần từ đo lư ng và mô phỏng các đèn 71

Bảng 5.6: Kết quả phân tích quang phổ tần từ đo lư ng và mô phỏng các thiết bị điện tử 72

Trang 8

Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống phân phối hạ áp AC 1

Hình 1.2: Một hệ thống phân phối DC 2

Hình 2.1: Mạch đo đối với các phép đo AC 8

Hình 2.2: Mạch đo đối với các phép đo DC ở trạng thái ổn định 9

Hình 2.3: Mạch đo đối với phép đo quá độ 10

Hình 2.4: Sơ đồ mạch mô phỏng phân tích phổ tần 12

Hình 2.5: Sơ đồ mạch mô phỏng chế độ xác lập 12

Hình 2.6: Sơ đồmạch mô phỏng chế độ quá độ 13

Hình 3.1: Đư ng đặc tính của máy pha cà phê (Panasonic) 16

Hình 3.2: Đư ng đặc tính máy xoay cà phê (Philips) 17

Hình 3.3: Đư ng đặc tính của máy uốn tóc 18

Hình 3.4: Đư ng đặc tính của bình đun siêu tốc (Comet) 19

Hình 3.5: Đư ng đặc tính của bình đun siêu tốc (Panasonic) 20

Hình 3.6: Đư ng đặc tính của máy (BlueHouse) 21

Hình 3.7: Đư ng đặc tính của bếp điện (Siemens) 22

Hình 3.8: Đư ng đặc tính đèn nung sáng công suất 25W 24

Hình 3.9: Đư ng đặc tính đèn nung sáng công suất 40W 24

Hình 3.10 Đư ng đặc tính đèn nung sáng công suất 60W 25

Hình 3.13 Đư ng đặc tính đèn Halogen-tungsten (150 W) 27

Trang 9

Hình 3.16: Trạng thái quá độ của máy uốn tóc 32

Hình 3.17: Trạng thái quá độ của bình đun siêu tốc (Comet) 32

Hình 3.18: Trạng thái quá độ của bình đun siêu tốc (Panasonic) 33

Hình 3.19: Trạng thái quá độ của máy làm bánh Sandwich 34

Hình 3.20: Trạng thái quá độ của bếp điện 35

Hình 3.21: Trạng thái quá độ của đèn nung sáng - 25W 36

Hình 3.24: Trạng thái quá độ đèn nung sáng - 75W 39

Hình 3.25: Trạng thái quá độ đèn nung sáng - 100W 40

Hình 3.26: Trạng thái quá độ đèn halogen tungsten - 150W 41

Hình 4.1: Tương đương mạch cho động cơ 43

Hình 4.2: Sơ đồ mạch của động cơ vạn năng 44

Hình 4.3 Dạng điện áp và dòng điện của tủ lạnh (động cơ KĐB) và máy hút bụi (động cơ vạn năng) 46

Hình 4.4 Đư ng đặc tính của máy xay sinh tố (Melissa) 48

Hình 4.5 Đư ng đặc tính của máy đánh trứng (Ide Line) 49

Hình 4.6 Đư ng đặc tính của máy hút bụi (Electrolux) 50

Hình 4.7 Đư ng đặc tính của máy hút bụi (LG) 51

Hình 4.8 Đư ng đặc tính của máy sấy tóc (Panasonic, 1800 W) 52

Hình 4.9 Đư ng đặc tính của máy sấy tóc (Panasonic, 1200 W) 53

Trang 10

Hình 4.12: Quá trình quá độ của máy xay sinh tố (Melissa) 58

Hình 4.13: Quá trình quá độ của máy đánh trứng (Ide Line) 59

Hình 4.14: Quá trình quá độ của máy hút bụi (Electrolux) 60

Hình 4.15: Quá trình quá độ của máy hút bụi (LG) 61

Hình 4.16: Quá trình quá độ của máy sấy tóc (AFK, 1800 W) 62

Hình 4.17: Quá trình quá độ của máy sấy tóc (AFK, 1200 W) 63

Hình 5.1: Đặc tính các đèn Huỳnh quang compact 68

Hình 5.2: Đư ng đặc tính của ballast (Philips) 69

Hình 5.3: Đư ng đặc tính của Charger 70

Hình 5.4: Đư ng đặc tính của LCD 71

Hình 5.5: Quá trình quá độ của đèn Osram 73

Hình 5.6: Quá trình quá độ của đèn Philips (9W) 73

Hình 5.9: Quá trình quá độ của ballast 76

Hình 5.10: Quá trình quá độ của Charger 77

Hình 5.11: Quá trình quá độ của LCD Monitor 78

N I DUNG LU N VĔN

Trang 11

CH NG 1

T NG QUAN

Vào cuối thế kỷ 19, ngư i ta đã thay thế dòng điện một chiều (DC) bằng dòng điện

xoay chiều (AC) cho hệ thống truyền tải thương mại vì những nguyên nhân như: Biến

đổi điện áp đến các mức cao hơn để truyền tải đi xa; Sự phát minh ra các loại động cơ

và máy phát ba pha;…Tuy nhiên, vào những năm 1960, Thyristor đã được phát minh

và công nghệ bán dẫn điện đã giải quyết được vấn đề về sự biến đổi không thuận lợi

giữa các mức điện áp trong DC Ngoài ra, do giá của các thiết bị bán dẫn này đã giảm

xuống một cách nhanh chóng trong những năm gần đây, nên hiện nay ngư i ta đã

quan tâm hơn về truyền tải DC và công nghiệp điện đã gần như chứng tỏ việc sử dụng

ngày càng tăng dòng điện một chiều trong mạng phân phối hạ áp (Hình 1.1)

Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống phân phối hạ áp AC

Thanh cái AC Ngu ồn AC

Trang 12

Hầu hết các tải gia đình và văn phòng đều có bộ chỉnh lưu một pha để biến đổi

từ AC sang DC và nó gây ra nhiễu cho mạng AC Để cải thiện tính ổn định và chất

lượng điện năng, ngư i ta thư ng dùng bộ UPS

Còn với một hệ thống phân phối DC, như trong Hình 1.2, nó có thể đạt được

một hiệu suất cao hơn của các thiết bị điện ở cuối đư ng dây, dễ sử dụng nguồn năng

lượng tái tạo

Hình 1.2: Một hệ thống phân phối DC

Để xây dựng một mô hình thuận tiện cho việc phân tích một hệ thống phân phối

DC, cần phải có các mô hình chính xác của các tải Các mô hình này có thể mô tả cả

trạng thái ổn định và quá độ khi tải được cung cấp với nguồn DC

Mục đích của việc nghiên cứu này là khảo sát tính tương thích của các tải khi sử

dụng trong hệ thống điện AC và khi được cung cấp với nguồn DC, khảo sát đặc tính ổn

Pin quang điện

Pin nhiện liệu

DC

AC

Trang 13

định và quá độ để xây dựng các mô hình tải, thuận tiện cho việc mô phỏng trên máy

tính bằng phần mềm Matlab

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn này là kiểm tra số lượng tải thông dụng sử dụng

trong các hộ gia đình và văn phòng để xác định liệu có tương thích khi được cung cấp

với nguồn DC, mô tả trạng thái xác lập và quá độ của tải và xây dựng mô hình tải phù

hợp cho mô phỏng trên máy tính với phần mềm Matlab

 Xây dựng mô hình các tải thử nghiệm liệt kê trong Bảng 1.1

 Đánh giá mức tương đồng của các tải thử nghiệm khi được cung cấp bằng

nguồn AC và DC, thông qua các đáp ứng ở chế độ xác lập, quá độ và phân tích

phổ tần số

Máy pha cà phê Máy u ốn tóc Bình đun siêu tốc Máy nướng bánh Sandwich

B ếp điện Đèn nung sáng Đèn Halogen-tungsten Máy xay sinh t ố Máy đánh trứng Máy hút b ụi Máy s ấy tóc Đèn tiết kiệm điện Đèn huỳnh quang với balat

B ộ điều chỉnh Màn hình (LCD)

Bảng 1.1: Danh sách các tải thử nghiệm

Nội dung nghiên cứu của luận văn này gồm:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Cơ sở lí thuyết

Trang 14

Chương 3: Mô hình tải thuần trở

Chương 4: Mô hình động cơ quay

Chương 5: Mô hình tải điện tử

Chương 6: Kết luận và hướng nghiên cứu phát triển

 Phân tích, tổng hợp

 Mô hình hóa và mô phỏng

c ủa sự phát triển đòi

h ỏi sử dụng các thiết bị điện tử công suất đối

v ới hệ thống hạ áp DC

- Cho phép s ử dụng điện áp định mức cao hơn so với hệ thống

AC

- T ổn thất điện áp nhỏ hơn hệ thống AC vì các điện kháng của hệ

th ống không ảnh hưởng đến tính liên

t ục cung cấp điện

- Không có dòng ph ản kháng

vi ệc gần như không đổi

- Tu ổi thọ của các thi ết bị điện tử thư ng

ng ắn hơn các

ph ần tử mạng truy ền thống

- Các thi ết bị điện tử công

su ất thư ng hao phí l ớn và

t ạo ra sóng hài cho m ạng

- Chi phí t ổng tăng do phải

s ử dụng các

b ộ lọc sóng hài

- S ố thiết bị điện tử công

su ất tăng nên

có th ể tăng số

l ần sự cố (nhưng chỉ ảnh hưởng cục

k ết nối trực tiếp các ngu ồn phát một chiều đến DC bus

- Ph ải sử dụng

r ất nhiều thiết

b ị điện tử công su ất nên

t ạo ra sóng hài

mà c ần phải

ắc phục

Trang 15

m ới tiện lợi cho việc sử

d ụng phân phối hạ áp

DC và xây d ựng hệ

th ống bảo vệ và điều khi ển cho hệ thống hạ

áp DC

- D ễ dàng điều khiển được tốc độ của các động cơ DC

- Gi ảm được chi phí đầu tư; Giảm được tổn

th ất điện áp và tổn thất công su ất trong lưới điện

- H ạn chế được dòng điện không hình sin như trong mạng AC

- T ạo ra những ứng

d ụng mới tiện dụng cho h ệ thống hạ áp DC

- D ễ xảy ra sự

c ố cục bộ do linh ki ện điện

Nghiên c ứu mô hình

c ủa các tải đối với hệ

d ụng cho tính toán quá

độ và ổn định của hệ

th ống hạ áp DC Các

mô hình này còn có th ể được sử dụng cùng với các tiêu chu ẩn hiện có

để tính toán độ dốc điện

áp và dòng ng ắn mạch trong h ệ thống hạ áp

DC

- T ạo ra được các mô hình t ải đơn giản, thu ận tiện cho việc phân tích ổn định và quá độ trong hệ thống phân ph ối hạ áp DC

- Làm ti ền đề cho việc thay th ế hệ thống truy ền tải AC bằng hệ

th ống DC để phát huy

h ết tìm năng về kinh tế cũng như kỹ thuật

- Gi ảm tổn thất điện

áp và t ổn thất công

su ất

- S ử dụng được các ngu ồn năng lượng tái sinh như hệ thống quang điện và các pin nhiên li ệu

- Có th ể có

nh ững sai số

nh ất định trong quá trình

đo do thiết bị

và điều kiện tự nhiên

- Ph ải sử dụng

r ất nhiều các thi ết bị điện tử nên thư ng

t ạo ra sự cố (c ục bộ) do

tu ổi thọ của nó

ng ắn và dễ bị

h ỏng

- Ngoài ra các thi ết bị điện tử còn t ạo ra sóng hài nên

ph ải sử dụng

b ộ lọc sóng hài làm cho chi phí tăng

4

DC distribution system

for home and office

Nghiên c ứu những khả năng có thể để thay thế ngu ồn AC hiện tại trong h ệ thống phân

ph ối dân dụng bằng

m ột nguồn DC; đánh giá nh ững thuận lợi và khó khăn đối với hệ

th ống phân phối AC

- S ử dụng dòng điện

m ột chiều cho hệ

th ống phân phối hạ áp trong nhà và văn phòng s ẽ đạt được

hi ệu quả tổng thể cao

- T ất cả các bộ phát ngu ồn một chiều có

th ể được kết nối trực

Trang 16

hi ện tại ti ếp với mạng hạ áp

DC, r ất thuận tiện cho các ứng dụng trong gia đình

- Ít nguy hi ểm hơn dòng điện xoay chiều

- Gi ảm trư ng điện từ

- C ải thiện được chất lượng điện năng

Hiện nay, việc sử dụng ngày càng tăng các thiết bị điện DC cùng với những ưu

điểm khi truyền tải DC như: Giá thành rẻ, giảm nhiễu, hiệu suất cao và dễ sử dụng

nguồn năng lượng tái tạo (pin mặc tr i, pin nhiên liệu, …), nên cần xem xét khả năng

cung cấp trực tiếp điện DC cho các thiết bị điện bằng một mạch điện DC chuyên dụng

để tránh trư ng hợp phải biến đổi AC/DC như hiện nay

Để thực hiện được điều này, cần phải phân tích tính khả thi của hệ thống phân

phối hạ áp DC cho các tải gia đình và văn phòng và đánh giá những thuận lợi, hạn chế

so với sự phân phối dòng AC

Công việc này được tiến hành bằng cách đo thử thực tế đặc tuyến tải khi cấp

nguồn DC ở các chế độ khác nhau bằng các mạch đo và thiết bị đo chuyên dụng Sau

đó, sử dụng các kết quả này để xây dựng mô hình tải, mô phỏng trạng thái hoạt động

của các tải này và so sánh kết quả mô phỏng và kết quả đo thực tế để đánh giá độ chính

xác của mô hình

Trang 17

CH NG 2

C S LÍ THUY T

Đầu tiên tất cả các tải thử nghiệm được đo kiểm đặc tính ngõ vào và ngõ ra

trong nguồn AC ở điều kiện hoạt động bình thư ng Kết quả đo được sử dụng để đánh

giá và so sánh khi thiết bị thử nghiệm được cấp điện DC Kết quả đo kiểm cũng được

sử dụng để xác định mối quan hệ giữa dòng và áp của tải thử nghiệm khi được cấp điện

DC Phổ tần của các tải thử nghiệm được phân tích dưới điều kiện điện áp danh định

Sau đó, để xác định trạng thái quá độ của tải thử nghiệm cần thay đổi mức điện áp

cung cấp

Thiết bị đo được liệt kê trong Bảng 2.1 cùng với sai số định mức trong phạm vi

cho phép

LeCroy Current Probe AP011

LeCroy Differential Probe AP032 Dòng điện

Điện áp ± 1 % ± 2 %

DC – 120 kHz

DC – 15 MHz Fluke 77

Dòng điện ± 0.3 % ± 0.2 %

-

Bảng 2.1: Độ chính xác của phép đo và băng tần số của các thiết bị đo

Dao động kí được sử dụng trong quá trình đo là LeCroy 9304 CM với băng rộng

200 MHz, th i gian lấy mẫu là 100 ms/mẫu

Số liệu của phép đo này được sử dụng để xác định xem tính tương thích của các

tải thử nghiệm với nguồn DC Có những tải mà điều kiện chính để hoạt động là từ

trư ng biến thiên, chẳng hạn như máy biến áp hoặc động cơ cảm ứng một pha… những

thiết bị có thể bão hòa khi cấp nguồn DC, làm mất đi nguyên lý hoạt động, hoặc đơn

giản là không thực hiện chức năng của chúng Một cách để đánh giá khi các tải thực

hiện đúng chức năng trên DC là đo hệ số công suất thực PF và độ chuyển vị của nó

(DPF) của tải Chúng được xác định như sau:

Trang 18

PF = 1

1

cos( )

S S

I

I  (2.1) DPF = cos( )1 (2.2) Trong đó: θ1 là góc lệch pha giữa thành phần điện áp với dòng điện ở tần số

50Hz; IS1 là giá trị của dòng điện ở tần số cơ bản và IS là giá trị hiệu dụng tổng

Phương trình 2.1 được gọi là phương trình hệ số công suất thực Còn phương trình 2.2

được gọi là phương trình dịch chuyển hệ số công suất

Mạch đo áp và dòng của tải thử nghiệm trình bày ở Hình 2.1:

Hình 2.1: Mạch đo đối với các phép đo AC

Ngoài ra, tổng độ méo sóng hài THD được tính theo biểu thức:

2 2 1

.100%

n k k

x THD

Biểu thức này được sử dụng cho cả hai tín hiệu áp và dòng

Để mô tả các tải, quan hệ giữa dòng và áp được đo Đầu tiên, các tải được phân

loại theo nguyên lý hoạt động của chúng và thành phần cấu tạo Những loại này bao

gồm: các tải thuần trở như: các điện trở đơn giản; các tải quay như: động cơ và các tải

điện tử (gồm các thiết bị tích cực và thụ động) Mạch đo được trình bày ở Hình 2.2

Tải

Trang 19

Trong đó: nguồn DC thay đổi được Trong mạch đo này, Fluke 77 và Fluke 87

được sử dụng để đo dòng điện và điện áp tương ứng Hai tụ mỗi tụ có dung lượng

3300μF được nối mắc song song với nguồn DC để lọc nhiễu và tạo tín hiệu điện áp DC

phẳng Để tìm được mối quan hệ giữa dòng và áp, cho điện áp thay đổi từ 110V đến

350V và ghi lại các giá trị đo bởi 2 Fluke

Hình 2.2: Mạch đo đối với các phép đo DC ở trạng thái ổn định

Việc phân tích phổ tần tín hiệu của các tải thử nghiệm được thực hiện với sự trợ

giúp của thiết bị phân tích chất lượng điện năng và việc phân tích phổ tần của mô hình

tải được thực hiện với sự trợ giúp của công cụ FFT - phần mềm Matlab

Để xác định đáp ứng quá độ của tải, phép đo được thực hiện trên một mạch thay

đổi điện áp Sơ đồ mạch đo được mô tả trong Hình 2.3 Những tụ mắc song song đã

được tháo bỏ trong mạch kiểm tra này

Mỗi tải được đặt vào 3 hoặc 4 biên độ điện áp khác nhau (tùy thuộc vào đặc

điểm tải), thay đổi trong khoảng 0.60 – 1.0 pu, với điện áp danh định là 230VDC

Tải

Trang 20

Hình 2.3: Mạch đo đối với phép đo quá độ

Việc phân tích dữ liệu đo với sự trợ giúp của phần mềm Matlab nhằm mục đích

xác định phương trình quan hệ dòng – áp của các thiết bị tải thử nghiệm

Mô hình tải là một sự biểu diễn toán học giữa điện áp và dòng điện hoặc giữa

công suất và điện áp Việc này được thực hiện bằng cách đo dòng điện tại các cấp điện

áp khác nhau như phần mô tả ở trên Khi đó, quan hệ giữa điện áp theo dòng điện được

mô tả theo biểu thức:

U(I) = Rp2I2 + Rp1I + Rp0 (2.4) Trong đó: Rp0 = 0 trong hầu hết các trư ng hợp (trừ trư ng hợp công suất không

đổi) Dạng phương trình quan hệ giữa dòng điện theo điện áp mô tả theo biểu thức:

I(U) = Yp2U2 + Yp1U + Yp0 (2.5) Trong đó: Yp0 cho dòng điện mà tải tiêu thụ

Quan hệ giữa công suất theo điện áp được mô tả theo biểu thức:

P(U) = Ap2U2 + Ap1U + Ap0 (2.6) Phương trình này có thể được xây dựng trong hệ p.u:

Trang 21

Phương pháp khoảng cách bình phương tối thiểu được sử dụng để xác định các

Việc phân tích phổ tần số được thực hiện bằng máy phân tích chất lượng điện

năng Fluke 435 Series II cho tải thực tế và công cụ FFT của phần mềm Matlab cho mỗi

mô hình

Mô hình các tải thử nghiệm được sử dụng để đánh giá dòng điện tiêu thụ của

các tải khi điện áp thay đổi theo từng nấc Các mô hình này được xây dựng với sự trợ

giúp của phần mềm Matlab Đầu tiên nấc điện áp định mức được áp vào tải sau đó

giảm từng nấc một và đo điện áp rơi trên mô hình để xem phản ứng của mô hình khi áp

thay đổi Trong hầu hết các trư ng hợp, mô hình xác lập đủ để mô tả đáp ứng với điện

áp thây đổi theo nấc Nhưng ở đây có kèm theo hiện tượng quá độ, vì vậy có thể thêm

vào mô hình một số thành phần phụ

Trang 22

Hình 2.4: Sơ đồ mạch mô phỏng phân tích phổ tần

Hình 2.5: Sơ đồ mạch mô phỏng chế độ xác lập

Trang 23

2.4.3 M ch mô ph ỏng ở chế đ quá đ

Hình 2.6: Sơ đồmạch mô phỏng chế độ quá độ

Trang 24

CH NG 3

MÔ HÌNH T I THU N TR

Các tải thuần trở được chia thành 2 dạng: gia nhiệt và chiếu sáng Các loại tải

thử nghiệm được trình bày trong Bảng 3.1

T ải thử nghiệm

Gia nhi ệt/đốt nóng

Máy pha cà phê Máy s ấy tóc Bình đun siêu tốc Máy làm bánh sand-wich

B ếp điện Chi ếu sáng Đèn nung sáng Đèn halogen-tungsten Bảng 3.1: Các loại tải thử nghiệm

Hầu hết các tải nhiệt có rơle nhiệt, cắt dòng điện khi nhiệt độ vượt mức qui

định, và đóng lại khi nhiệt độ giảm xuống Các tải nhiệt cũng được trang bị cầu chì

nhiệt để bảo vệ

Các tải nhiệt được thiết kế để tiêu thụ một lượng dòng nhất định ở mức áp sử

dụng trong hệ thống Nếu giá trị điện áp cung cấp khác điện áp định mức thì công suất

tải nhiệt sẽ thay đổi

Có hai loại đèn chiếu sáng trong nhà nêu ở Bảng 3.1 Chúng là đèn nung sáng

và đèn halogen-tungsten Đèn nung sáng là đèn bức xạ nhiệt trong một bóng đèn kín

chứa đầy khí Một dòng điện đi qua sợi dây tungsten (vonfram) làm cho nó phát sáng

Với phương pháp chiếu sáng này chỉ khoảng 5% trong số nhu cầu năng lượng được

chuyển đổi vào việc phát sáng, phần còn lại bị mất dưới dạng nhiệt Để làm dây tóc

phát sáng, nhiệt độ phải hơn 500oC Việc thêm halogen vào các bóng đèn thông thư ng

chuyển thành đèn halogen Các đèn halogen có nguồn sáng hiệu quả hơn một bóng đèn

thông thư ng như nhiệt độ của dây tóc đèn được giữ khoảng 1000oC, phụ thuộc vào

loại halogen sử dụng trong đèn

Lượng ánh sáng phát ra tỉ lệ với điện áp AC hoặc DC qua bóng đèn

Trang 25

3 1 Đặc tính t i

Để khảo sát đặc tính tải, thay đổi mức điện áp trong phạm vi 110V đến 350V,

mỗi lần là 10V Tạiđó, cả điện áp và dòng điện được ghi lại

Từ các phép đo, tìm được đặc tính tải các thiết bị gia nhiệt cần được chú ý đến

hằng số điện trở Đối với các thiết bị gia nhiệt, biểu thức (2.4) có thể được sử dụng với

Rp2 = Rp0 = 0 Biểu thức (2.6) có thể được sử dụng viết lại dưới dạng P= UI và nó được

R-R2

R+R

U

±U

=UI

=UP

2

1 2

2

2 1 2

(3.3)

Nghiệm âm được bỏ qua khi nó cho kết quả âm Cần giả thiết rằng dòng điện

phụ thuộc điện trở khi Rp2 trong biểu thức (2.4) thì đủ lớn để so với Rp1 Điều này

thư ng đúng cho trư ng hợp các tải chiếu sáng

Máy pha cà phê (Panasonic)

Công suất định mức của máy pha cà phê từ nhãn là 1000W với điện áp định

mức 230V Theo định luật Ohm, điện trở tính được là 52.9

Đư ng đặc tính của máy pha cà phê với nguồn cấp DC được trình bày ở Hình

3.1 Hình 3.1a trình bày quan hệ điện áp thay đổi theo dòng điện Phương pháp khoảng

cách bình phương tối thiểu được sử dụng để tìm quan hệ tuyến tính và quan hệ bậc hai

như mô tả trong biểu thức (2.4)

Trang 26

Hình 3.1b mô tả thay đổi quan hệ công suất tải tiêu thụ với điện áp Khi sự của

thay đổi được xem xét, biểu thức (3.3) được sử dụng để xác định quan hệ công suất tải

theo điện áp

Hình 3.1: Đư ng đặc tính của máy pha cà phê (Panasonic)

Bảng 3.2 trình bày các giá trị Rp2, Rp1, Rp0 khi sử dụng phương pháp khoảng

cách bình phương tối thiểu để xử lí dữ liệu Đầu tiên cho Rp2 = Rp0 = 0 để xác định

quan hệ tuyến tính và sau đó cho Rp0 = 0 để xác định quan hệ bậc hai sự thay đổi của

điện áp theo dòng điện, với Ap0 = 0 Khi điện áp được giả định là thay đổi bình phương

với dòng điện, biểu thức (3.3) được sử dụng và phương pháp khoảng cách bình phương

tối thiểu không thể sử dụng trực tiếp Sai số của mô hình được xác định theo biểu thức

Bảng 3.2: Các thông số mô hình máy pha cà phê (Panasonic)

Đối với mô hình tuyến tính Rp1 = A-1p2 = 53.63 và sai số 1.04% Sai số giá trị

điện trở so với giá trị điện trở tính được từ thông số nhãn là 1.38% Mô hình bậc hai

O Dữ liệu đo Mô hình tuyến tính

Mô hình bậc hai

Trang 27

thể hiện Rp2 << Rp1 vì thế Rp2 có thể bỏ qua Giá trị tải thuần trở của máy pha cà phê ở

giá trị điện áp danh định là:

R = 52.9 ± 1.38%

Máy pha cà phê (Philips)

Công suất định mức của máy từ nhãn 850W với mức điện áp 230V Theo định

luật Ohm, điện trở tính được là 62.24 Đư ng đặc tính tải được trình bày Hình 3.2 và

những thông số tải được liệt kê trong Bảng 3.3

Bảng 3.3 trình bày mô hình máy pha cà phê như tải thuần trở, ở đó: Rp1 = A-1p2

= 62.59, và sai số 2.38% Sai số giá trị điện trở đo và giá trị điện trở mô phỏng là

0.56% Giá trị tải thuần trở của máy pha cà phê ở giá trị điện áp danh định là:

Mô hình bậc hai

Trang 28

Máy u ốn tóc (Panasonic)

Công suất định mức của máy từ nhãn là 11W với mức điện áp là 230V Theo

định luật Ohm điện trở được tính bằng 4809.1 Đư ng đặc tính tải được mô tả trên

Hình 3.3 và các thông số tải được liệt kê trong Bảng 3.4:

Hình 3.3: Đư ng đặc tính của máy uốn tóc

Bảng 3.4: Các thông số của máy uốn tóc

Bảng 3.4 thể hiện mô hình máy uốn tóc là tải thuần trở, với Rp1 = A

-1

p2=4745.0 và sai số của mô hình so với tải đo là 1.67% Sai số điện trở của mô hình

so với giá trị điện trở tính theo thông số nhãn thấp hơn 1.33% Giá trị tải thuần trở của

máy pha cà phê ở giá trị điện áp danh định là:

R = 4809.1 ± 1.67%

Mô hình bậc hai

Trang 29

Bình đun siêu tốc (Comet)

Công suất danh định có được từ nhãn là 2000W ở mức điện áp 230V Theo định

luật Ohm điện trở tính được 26.45 Đặc tính tải mô tả trong Hình 3.4 và các thông số

được liệt kê trong Bảng 3.5

Hình 3.4: Đư ng đặc tính của bình đun siêu tốc (Comet)

Bảng 3.5: Các thông số của bình đun siêu tốc (Comet)

Bảng 3.5 thể hiện mô hình bình đun siêu tốc là tải thuần trở, với

Rp1 =A-1p2=29.22 , và sai số của mô hình so với tải đo là 3.12% Sai số điện trở của

mô hình so với giá trị điện trở tính theo thông số nhãn là 10.47% Giá trị tải thuần trở

của máy pha cà phê ở giá trị điện áp danh định là:

R = 26.45 ± 10.47 %

Mô hình bậc hai

Trang 30

Bình đun siêu tốc (Panasonic)

Công suất định mức của bình đun cho từ nhãn là 2025W với mức điện áp 230V

Theo định luật Ohm, điện trở tính được là 26.12 Đư ng đặc tính được trình bày

Hình 3.5 và các thông số được liệt kê trong Bảng 3.6

Hình 3.5: Đư ng đặc tính của bình đun siêu tốc (Panasonic)

Bảng 3.6: Các thông số của bình đun siêu tốc (Panasonic)

Bảng 3.6 trình bày mô hình bình đun siêu tốc như tải thuần trở, ở đó:

Rp1 = A-1p2 = 26.89 và sai số của mô hình so với tải đo là 0.88% Sai số điện trở của

mô hình so với giá trị điện trở tính theo thông số nhãn là 2.95% Giá trị tải thuần trở

của bình đun siêu tốc ở giá trị điện áp danh định là:

R = 26.12  ± 2.95%

Công suất định mức của máy từ nhãn là 800W với mức điện áp 230V Theo

đinh luật Ohm điện trở tính được bằng là 66.13 Đư ng đặc tính được mô tả trên

Hình 3.6 và các thông số tải được liệt kê trong Bảng 3.7

Mô hình bậc hai

Trang 31

Rp2 Rp1 Rp0 εR[ ]% Ap2 Ap1 Ap0 εP[ ]%

Mô hình

b ậc hai -0.40 64.88 -3.025 1.78 - - - 66051

Mô hình

tuyến tính 0 62.15 0.662 1.97 0.01603 0 0 0.74

Bảng 3.7: Các thông số của máy (BlueHouse)

Hình 3.6: Đư ng đặc tính của máy (BlueHouse)

Bảng 3.7 thể hiện mô hình máy nướng bánh Sandwich là tải thuần trở, với Rp1 =

A-1p2 = 62.15 và sai số của mô hình với tải đo là 1.97% Sai số điện trở của mô hình

so với giá trị điện trở tính theo thông số nhãn thấp hơn 6.02% Giá trị tải thuần trở của

máy nướng bánh Sandwich ở giá trị điện áp danh định là:

R = 66.13 ± 6.02%

Công suất định mức của bếp từ nhãn là 1200W với mức điện áp 230V Theo

đinh luật Ohm điện trở tính được bằng là 44.08 Đư ng đặc tính tải được mô tả trên

Hình 3.7 và các thông số tải được liệt kê trong Bảng 3.8

Mô hình bậc hai

Trang 32

Hình 3.7: Đư ng đặc tính của bếp điện (Siemens)

Bảng 3.9 thể hiện bếp điện xem là tải thuần trở, với Rp1 = A-1p2 = 42.96  và sai

số của mô hình so với tải đo là 4.65% Giá trị tải thuần trở của bếp điện ở giá trị điện

5 đèn với 5 công suất khác nhau từ nhà sản xuất được kiểm tra Công suất định

mức của các đèn được ghi nhận từ nhãn của nhà sản xuất ở mức điện áp định mức

230V Theo định luật Ohm điện trở được tính và lập trong Bảng 3.9

Mô hình bậc hai

Trang 33

Các tham số mô hình được lập trong Bảng 3.10 cho tất cả các đèn Lưu ý

thư ng là Rp0 = 0 trong biểu thức (2.4) và ap1=ap0=0 trong biểu thức (2.6)

Đư ng đặc tính của các đèn được thể hiên qua đồ thị cho mỗi mức nguồn trong

các Hình từ 3.8 đến 3.12

25 W

B ậc hai Tuy ến tính 13540 0

852.2

3625

1.55 9.54

- 4.69.10 -3 0.81

- 7.14.10 -4 0.74

- 1.1.10 -3 0.68

- 1.4.10 -3 0.68

18.5

100 W Bậc hai

Tuy ến tính 822.4 0

227.8 877.1

1.03 9.57

- 1.82.10 -3 0.62

18.35

Bảng 3.10: Các thông số mô hình cho các đèn nung sáng

Đồ thị mô tả mối quan hệ giữa điện áp - dòng điện trong các Hình từ 3.8 đến

3.12 thật rõ ràng thấy đèn dây tóc không là mẫu tải thuần trở và Bảng 3.10 thấy được

Rp2 >> Rp1, khi dữ liệu là đư ng cong thích hợp với mô hình bậc hai Từ mô hình

không tuyến tính, dữ liệu không đủ để biết được công suất danh định tiêu thụ ở mức

điện áp danh định để xác định được mô hình thực hiện Điều này được thực hiện qua

các phép đo

Trang 34

Hình 3.8: Đư ng đặc tính đèn nung sáng công suất 25W

Mô hình bậc hai

Trang 35

a Điện áp với dòng điện b. Công suất với điện áp

Mô hình bậc hai

Trang 36

Đèn Halogen-tungsten (150W)

Công suất của đèn ghi trên nhãn là 150W với mức điện áp định mức 230V,

đư ng đặc tính được mô tả trên Hình 3.13 và các thông số được liệt kê trong Bảng

Bảng 3.11: Các thông số của đèn Halogen-Tungsten

Bảng 3.11 thể hiện mô hình bậc hai nhận biểu thức (2.4) thích hợp nhất và nó

vận hành chính xác như đèn nung sáng bình thư ng Giá trị tải thuần trở của đèn ở giá

trị điện áp danh định là:

R = 335.1I + 192.4 ± 1.34%

Mô hình bậc hai

Trang 37

Hình 3.13: Đư ng đặc tính đèn Halogen-tungsten (150W)

3.1.3 Tóm l i

Kết quả của các đặc điểm của tải trở được lập trong Bảng 3.12 với ước tính sai

số của các mô hình

Bảng 3.12: Đặc điểm của các tải trở

Mô hình bậc hai

Trang 38

Từ Bảng 3.12 rõ ràng các thiết bị gia nhiệt được xem như các tải thuần trở và dự

đoán tốt để sử dụng giá trị định mức mà ghi trên nhãn của nhà sản xuất để tính toán giá

trị điện trở Các loại đèn được mô phỏng như là một biến trở như được mô tả ở biểu

thức (3.1), do phụ thuộc nhiệt độ cao của dây tóc Bảng 3.13 trình bày mô hình của các

loại đèn được khảo sát

Sơ đồ mạch phân tích phổ tần trình bày ở Hình 2.4 Mỗi tải được cấp mức điện

áp 230VDC như mô tả mục 2.2.2 Sự phân tích được thực hiện từ các kết quả mô

phỏng và phép đo trong dãy để so sánh

Các kết quả từ phép đo và mô phỏng được liệt kê trong Bảng 3.14

T i

Máy pha cà phê (Panasonic) 222.88 0.55 222.88 0.55

Bình đun siêu tốc (Comet) 218.59 0.49 218.59 0.48

Bình đun siêu tốc (Panasonic) 217.90 0.48 217.90 0.48

Bảng 3.14: Kết quả phân tích phổ tần số từ phép đo và mô phỏng các thiết bị gia nhiệt

Từ kết quả được lập bảng trong Bảng 3.14 nhận thấy các thiết bị gia nhiệt chỉ

gây biến dạng nhỏ trên dạng sóng điện áp ngang qua tải Hệ số biến dạng dao động

khoảng 0.48  0.67%

Từ kết quả được lập bảng trong Bảng 3.15 nhận thấy các thiết bị chiếu sáng

cũng chỉ gây biến dạng nhỏ trên dạng sóng điện áp ngang qua tải Hệ số biến dạng dao

động khoảng 0.69%

Trang 39

Đèn nung sáng Đ i lượng S ố liệu đo THD Đ i lượng S ố liệu mô phỏng THD

Sơ đồ mô phỏng phân tích quá độ trình bày ở Hình 2.6 Phân tích quá độ được

thực hiện để đánh giá tải sẽ phản ứng thế nào để hạn chế điện áp đột ngột thay đổi Mỗi

tải được cấp điện với 4 mức điện áp khác nhau và quy trình được mô tả trong Mục

2.1.4

Trang 40

3.3.1 Các thi ết bị gia nhiệt

Đo các thiết bị gia nhiệt, các điện trở được giả thiết hằng số Vì vậy, điện áp

giảm nên dòng điện giảm theo cùng một lượng, theo định luật Ohm Điều này được

kiểm tra khi mô phỏng trong Matlab Hình 3.14 trình bày dạng điện áp và dòng điện

quá độ của máy pha cà phê (Panasonic) Từ Hình 3.14, nhận thấy khi thay đổi điện áp

với mức khác nhau (khi đo thử và khi mô phỏng) máy pha cà phê Panasonic hoạt động

như tải thuần trở, dòng điện võng giống như điện áp

a Điện áp – bước 1 b Dòng điện – bước 1

c Điện áp – bước 2 d Dòng điện – bước 2

e Điện áp – bước 3 f Dòng điện – bước 3

g Điện áp – bước 4 h Dòng điện – bước 4 Hình 3.14: Trạng thái quá độ của máy pha cà phê (Panasonic)

Định dạng
Số trang	92
Dung lượng	7,79 MB