Thiết kế bộ điều khiển cho bộ lọc tích cực 3 pha sử dụng bộ biến đổi nguồn xoay chiều AC DC 3 pha ba mức

Các bộ lọc tích cực ngoài khả năng lọc với dải tần số rộng, không gây cộng hưởng trên lưới điện, nó còn cho phép cải thiện hình dáng điện áp và dòng điện, bù được công suất phản kháng củ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ LỌC TÍCH CỰC 3 PHA

SỬ DỤNG BỘ BIẾN ĐỔI NGUỒN XOAY CHIỀU AC-DC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

- GIANG HỒNG BẮC

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ LỌC TÍCH CỰC 3 PHA

SỬ DỤNG BỘ BIẾN ĐỔI NGUỒN XOAY CHIỀU AC-DC

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan rằng luận văn tốt nghiệp này là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS Lưu Hồng Việt, các số liệu và kết quả trong luận văn

là hoàn toàn trung thực, không sao chép các công trình khoa học hay các luận văn của các tác giả khác

Để hoàn thành luận văn này, tôi chỉ sử dụng những tài liệu tham khảo đã được ghi ở phần tài liệu tham khảo, không sử dụng tài liệu nào khác mà không được liệt kê ở phần tài liệu tham khảo

Học viên

Giang Hồng Bắc

1.1 Chất lượng điện năng 12

1.1.2 Ảnh hưởng của sóng hài tới chất lượng điện năng 15

Chương 2 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐA MỨC 24

2.1 Tổng quan về các bộ biến đổi đa mức 24

2.2 Phương pháp điều chế vectơ không gian cho bộ biến đổi ba mức 27

2.2.1 Xác định trạng thái của van và hệ thống vectơ biên chuẩn 27

2.2.2 Tổng hợp vectơ 29

2.2.3 Lựa chọn tổ hợp van và cân bằng điện áp trên tụ 33

2.2.4 Thuật toán điều chế vectơ không gian cho bộ biến đổi ba mức ba pha

35

2.2.5 Kết luận 35

3.3 Ước lượng dòng điện bù cho bộ lọc tích cực song song sử dụng lý thuyết

p-q 43 3.4 Kết luận 44

Chương 4 THIẾT KẾ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN 45

4.1 Mô hình hóa bộ lọc tích cực nối lưới 46

4.1.1 Mô hình trạng thái liên tục 46

4.1.2 Mô hình trạng thái gián đoạn 49

4.3 Thiết kế khâu quan sát trượt và thích nghi tham số điện cảm 54

4 Kết luận 59

Chương 5: MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 60

5.1 Xây dựng mô hình mô phỏng 60

5.1.1 Mô hình bộ lọc nối lưới 61

Danh mục hình vẽ

Hình 1.1 Bộ nguồn chuyển mạch 12

Hình 1.2 Dòng chảy trong bộ SMPS và biên độ các thành phần sóng hài (a) Dạng sóng dòng điện bộ SMPS(b) Phân tích phổ dòng điện 13

Hình 1.3 Dạng sóng dòng điện của bộ chỉnh lưu cầu ba pha và trị số của các thành phần sóng hài (a) Dạng sóng dòng điện (b) Biên độ các thành phần hài 14

Hình 1.4 Đặc tính từ hóa máy biến áp .14

Hình 1.5 Bộ lọc thụ động song song 19

hình 1.6 Bộ lọc tích cực song song .20

Hình 1.7 Nguyên lý hoạt động của bộ lọc tích cực song song 21

Hình 1.8 Bộ lọc tích cực nối tiếp .21

Hình 1.9 Bộ lọc tích cực lai .22

Hình 1.10 Sơ đồ nguyên lý điều khiển của bộ lọc tích cực song song .23

Hình 2.1 Bộ biến đổi đa mức dùng cầu chữ H cách ly 24

Hình 2.2Bộ biến đổi đa mức trên các tụ cách ly 25

Hình 2.3Bộ biến đổi ba pha ba mức dùng xen đi ốt 26

Hình 2.4 Hệ thống vector không gian của bộ biến đổi ba pha ba mức 29

Hình 2.5 Tổng hợp vectơ bất kỳ từ ba vectơ 29

Hình 2.6 Hệ số biến điệu khi vec tơ u nằm trong góc phần tư thứ nhất 31

Hình 2.7Hệ số biến điệu khi vec tơ u nằm trong góc phần tư thứ hai 31

Hình 2.8 Hệ số biến điệu khi vec tơ u nằm trong góc phần tư thứ ba 31

Hình 2.9Hệ số biến điệu khi vec tơ u nằm trong góc phần tư thứ tư 31

Hình 2.10 Dòng điện trong trạng thái van P00, i0 = ib + ic = -ia 34

Hình 2.11 Dòng điện trong trạng thái van 0NN, i0 = ia 34

Hình 3.1 đặc tính bù của bộ lọc tích cực 36

Hình 3.2 Hệ thống ba pha bốn dây 37

Hình 3.3 Luồng công suất trên lưới điện 3 pha 4 dây 42

Hình 3.4 Luồng công suất trên mạng lưới 3 pha 3 dây 43

Hình 3.5 biểu diễn luồng công suất của bộ lọc song song 44

H 4.1: Khâu điều chỉnh tổng quát 45

H 4.2: Cấu trúc khâu điều chỉnh 46

Hình 4.3Mô hình bộ lọc nối lưới 46

Hình 4.4 Gián đoạn hóa trên miền không gian trạng thái 50

Hình 4.5 Mô hình toán học bộ lọc tích cực nối lưới 51

Hình 4.6 Thuật toán điều khiển deadbeat 53

Hình 5.1: Mô hình bộ lọc tích cực song song nối lưới 60

Hình 5.2 Mô hình mô phỏng tổng quát 61

Hình 5.3 Bộ lọc tích cực song song nối lưới dùng cho tải phi tuyến( chỉnh lưu) 61

Hình 5.4 Khâu điều chế vector không gian 62

Hình 5.5 Khâu ước lượng dòng điện bù 62

Hình 5.6 Khâu điều chỉnh dòng điện 63

Hình 5.7 Dòng điện ba pha trên tải 64

Hình 5.8 Phổ dòng điện tải 64

Hình 5.9 Dòng điện lưới có và không có lọc tích cực 64

Hình 5.10 Phân tích phổ dòng điện khi có lọc tích cực 65

Hình 5.11 Điện áp trên 2 tụ của bộ biến đổi đa mức 65

a) Dòng điện đặt b) Dòng điện đo về 65

Hình 5.12 Dòng điện trên miền dq 65

Hình 5.13 Điện áp dây ab đầu ra bộ biến đổi đa mức và phổ điện áp .66

Hình 5.14 Dòng điện lưới có và không có lọc tích cực 67

Hình 5.15 Phổ dòng điện tải 67

Hình 5.16 Phân tích phổ dòng điện khi có lọc tích cực 67

Hình 5.17 Điện áp dây ab đầu ra bộ biến đổi đa mức và phổ điện áp khi chức năng lọc được sử dụng .68

Hình 5.18 Dòng điện ba pha trên tải 69

Hình 5.19 Dòng điện lưới có và không có lọc tích cực 69

Hình 5.20 Dòng điện bù và điện áp đưa ra từ bộ lọc tích cực song song 69

Hình 5.21 Sự cân bằng điện áp trên tụ một chiều 69

Hình 5.22 Thích nghi tham số θ 69

Hình 5.23 Dòng điện đặt và dòng điện đo về trên miền dq 70

Hình 5.24 Sai lệch giữa dòng điện quan sát và dòng điện thực(dq) 70

Danh mục bảng biểu Bảng 2-1 Bảng trạng thái van cho một pha (x = a, b, c) 27

Bảng 2-2 Bảng các vectơ biên chuẩn 28

Bảng 2-3 Bảng lựa chọn các vectơ và hệ số biến điệu tương ứng khi u trong góc phần sáu thứ nhất 32

Bảng 2-4 Bảng lựa chọn các vec tơ và các hệ số biến điệu tương ứng 32

Bảng 2-5 Bảng chọn tổ hợp van cho vec tơ V1 34

Bảng 2-6 Bảng chọn các vec tơ nhỏ theo dòng điện và chênh lệch điện áp trên tụ 35

Bảng 5.1 Các tham số mô phỏng: 63

u , i dc Điện áp và dòng điện một chiều DC – Link

S a , S b , S c Trạng thái chuyển mạch của bộ biến đổi

T Chu kỳ trích mẫu

P Công suất hữu công

Q Công suất vô công

Danh mục chữ viết tắt

ASD Adjustable-speed drives

SMPS Switching-mode power supply

THD Total harmonic distortion

Lời nói đầu

-^ ] - Trong thế giới càng ngày càng phát triển hiện đại, vấn đề công nghệ xanh, sạch ngày càng được đề cao Và nó cũng đã thâm nhập cả vào lĩnh vực cung cấp và

sử dụng năng lượng Những năm gần đây vấn đề hạn chế và loại bỏ nhiễu cùng những thành phần hài bậc cao trong hệ thống cung cấp điện đang rất được quan tâm

và đầu tư nghiên cứu Vấn đề này ngày càng quan tâm hơn khi mà các thiết bị điện

tử như máy tính, máy in, tivi …, các tải có tính phi tuyến, ngày càng được sử dụng rộng rãi Những thiết bị này là nguồn gây ra sóng hài bậc cao trong dòng điện và các nhiễu điện từ, làm tăng công suất phản kháng và tổn hao trên đường truyền

Các phương pháp lọc chủ yếu được sử dụng là lọc tích cực và lọc thụ động trong đó các bộ lọc thụ động đã và vẫn được sử dụng rộng rãi Tuy nhiên chúng có nhược điểm là thường được thiết kế để lọc những tần số hài nhất định, tính cố định cao, gây ra hiện tượng cộng hưởng trên lưới Các bộ lọc tích cực ngoài khả năng lọc với dải tần số rộng, không gây cộng hưởng trên lưới điện, nó còn cho phép cải thiện hình dáng điện áp và dòng điện, bù được công suất phản kháng của lưới

Một thành phần quan trọng trong các bộ lọc tích cực đó là bộ biến đổi, nó là thành phần trung gian thực hiện nhiệm vụ trao đổi năng lượng giữa lưới và các hệ thống lưu trữ năng lượng một chiều Các bộ biến đổi hiện nay thường sử dụng có cấu hình 6 van bán dẫn Tuy nhiên cấu hình này thường chỉ sử dụng được với mức điện áp thấp và công suất nhỏ bởi : Hiệu ứng du/dt sinh ra khi thực hiện điều chế xung PWM và vấn đề công suất rơi trên các van bán dẫn Để có thể sử dụng các phần tử bán dẫn trong các giới hạn mà công nghệ chế tạo cho phép, cần phải có những thay đổi về cấu hình của các bộ biến đổi Đó là lý do để cần nghiên cứu về các bộ biến đổi đa mức

Do vậy tôi chọn đề tài : “Thiết kế bộ điều khiển cho bộ lọc tích cực song song sử dụng bộ biến đổi xoay chiều AC-DC ba pha đa mức" Luận văn này đề cập

đến một cách tiếp cận trong việc thiết kế bộ điều khiển cho bộ biến đổi xoay chiều

ba pha PWM thoả mãn yêu cầu nêu trên Đó là áp dụng kỹ thuật điều khiển kiểu deadbeat cho bộ điều khiển dòng của bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM, đây là một kỹ thuật có lẽ được ứng dụng rộng rãi nhất hiện này trong kỹ thuật điều khiển dòng Và để nâng cao chất lượng cũng như tính bền vững của bộ điều khiển deadbeat, một bộ quan sát trượt thích nghi được thiết kế để làm việc trong trường hợp điện cảm có giá trị bất định

Mục đích của việc nghiên cứu đề tài này ngoài nhiệm vụ tốt nghiệp mà học viên phải hoàn thành, bản thân tôi còn hy vọng qua đề tài này sẽ củng cố và hệ thống lại những kiến thức đã học được ở trường; làm quen dần với phương pháp luận khoa học ứng dụng vào thực tiễn

Và nhiệm vụ luận văn:

- Nghiên cứu về bộ lọc tích cực song song và phương pháp ước lượng dòng điện bù

- Nghiên cứu về bộ biến đổi đa mức và phương pháp điều chế vector không gian cho bộ biến đổi đa mức

- Nghiên cứu về thuật toán điều khiển số cho bộ biến đổi đa mức

mulink và Plecs

Với nhiệm vụ trên, nội dung luận văn bao gồm có 6 chương:

Chương 1: Tổng quan về lọc tích cực

Chương 2: Bộ biến đổi đa mức

Chương 3: Ước lượng dòng điện bù

Chương 4: Thiết kế thuật toán điều khiển

Chương 5: Mô phỏng và kết quả

Kết luận và hướng phát triển đề tài

Luận văn này hoàn thành là nhờ sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo hướng dẫn TS.Lưu Hồng Việt Tuy nhiên, đây là một lĩnh vực lớn mà trình độ tiếp thu học tập của bản thân còn nhiều hạn chế, thời gian nghiên cứu có hạn nên luận văn này

sẽ không tránh khỏi những thiếu xót Kính mong quý thầy cô và nhà trường góp ý xây dựng thêm để tôi hoàn thành tốt được nhiệm vụ học tập, nghiên cứu đã đề ra

Xin chân thành cảm ơn thầy Lưu Hồng Việt, quý thầy cô và nhà trường đã giúp đỡ tôi thực hiện Luận văn Cao học này

Hà Nội, ngày 26 tháng 09 năm 2011 Học viên thực hiện

Giang Hồng Bắc

1.1 Chất lượng điện năng

Các thiết bị điện nói chung hoạt động ở tần số 50 Hz hoặc 60 Hz ( gọi là tần

số cơ bản) Tuy nhiên có một số loại tải mà khi hoạt động chúng tạo ra dòng điện hoặc điện áp có tần số là bội số của tần số cơ bản gọi là các sóng hài bậc cao Những thành phần sóng hài bậc cao này là một dạng ô nhiễm điện năng và được gọi

là méo hài dòng điện (hoặc điện áp) Các sóng hài ảnh hưởng lớn tới chất lượng điện năng Vậy các sóng hài này đến từ đâu?

1.1.1 Nguồn gốc của sóng hài

Như ta đã biết, với một sóng tuần hoàn với tần số f bất kỳ có thể phân tích thành tổng của các sóng điều hoà có tần số f (gọi là thành phần cơ bản), 2f, 3f…(gọi

là các sóng hài bậc cao) ( phân tích Fourier ) Các tải phi tuyến là các tải tiêu thụ dòng điện không sin, chứa nhiều sóng hài bậc cao, là nguồn phát thải ra sóng hài a) Các nguồn phát sóng hài trong tải thương mại(commercial loads):

Các bộ nguồn chuyển mạch (SMPS) :

Bộ chuyển mạch và điều

Hình 1.2 Dòng chảy trong bộ SMPS và biên độ các thành phần sóng hài (a)

Dạng sóng dòng điện bộ SMPS(b) Phân tích phổ dòng điện

Các bộ điều chỉnh tốc độ:

Ứng dụng phổ biến của các bộ điều chỉnh tốc độ (adjustable-speed drives – ASDs) trong tải thương mại là trong các hệ thống điều khiển động cơ thang máy, các hệ thống bơm, quạt gió… Một bộ ASD bao gồm một bộ biến đổi công suất biến đổi điện áp xoay chiều với biên độ và tần số cố định thành điện áp với biên độ và tần số thay đổi Sự thay đổi của điện áp và tần số sẽ cho phép thay đổi tốc độ động

cơ phù hợp với yêu cầu công nghệ Hệ thống ASD cũng có thể tìm thấy rất nhiều trong các tải công nghiệp (industrial loads)

b)Nguồn phát sóng hài trong tải công nghiệp (industrial loads):

Các bộ biến đổi ba pha:

Gồm có các bộ chỉnh lưu ba pha cầu đối xứng, không đối xứng, nghịch lưu (sử dụng chỉnh lưu ba pha để biến điện áp xoay chiều thành một chiều)

Một ưu điểm của các bộ biến đổi ba pha so với các bộ biến đổi một pha đó

là chúng không sinh ra thành phần dòng điện bậc ba (chiếm chủ yếu thành phần hài dòng điện) Tuy nhiên, chúng vẫn là một nguồn phát thải sóng hài lớn Dưới đây là dạng sóng dòng điện và phân tích các thành phần sóng hài của một bộ chỉnh lưu cầu

ba pha:

(a) (b)

Hình 1.3 Dạng sóng dòng điện của bộ chỉnh lưu cầu ba pha và trị số của các thành phần sóng hài (a) Dạng sóng dòng điện (b) Biên độ các thành phần hài

Các thiết bị có khả năng bão hòa:

Bao gồm biến áp và các thiết bị điện từ có lõi sắt, kể cả các loại động cơ Sóng hài sinh ra khi các thiết bị này rơi vào vùng bão hòa của lõi sắt

Hình 1.4 Đặc tính từ hóa máy biến áp

Mặc dù dòng kích thích của máy biến áp lực chứa nhiều thành phần sóng hài, trong thực tế nó vẫn nhỏ hơn một phần trăm giá trị của dòng điện khi đầy tải Tuy nhiên, ảnh hưởng của chúng có thể thấy rõ khi trong hệ thống truyền tải có nhiều máy biến áp Ta có thể thấy độ lớn của sóng hài bậc ba thường tăng lên đáng

kể khi mà các máy biến áp làm việc non tải và điện áp tăng Khi đó, dòng điện kích thích tăng lên, do đó trị số sóng hài cũng tăng lên Hiện tượng điện áp méo do sự quá kích thích của biến áp chỉ xuất hiện khi trạng thái làm việc là non tải Các động

cơ cũng sinh ra các hài dòng điện khi bị quá kích thích

Các thiết bị hồ quang:

Bao gồm các thiết bị như lò hồ quang, máy hàn hồ quang, các thiết bị chiếu sáng với chấn lưu điện từ Đặc tính Volt – Ampere của dòng hồ quang là phi tuyến, sau khi hồ quang được sinh ra, điện áp giảm, trong khi dòng điện hồ quang lại tăng lên và bị giới hạn chỉ bởi trở kháng của nguồn

Độ méo hài tổng THD ( Total harmonic distortion ) là đại lượng thường được dùng để đánh giá độ ô nhiễm của sóng hài, được tính theo công thức :

max 2 1 1

100%

h h

h M TDH

M

>

(1.1) Trong đó:

M1, , Mh là giá trị hiệu dụng của thành phần sóng hài bậc h

THD được dùng cho cả dòng điện và điện áp, THD của dòng điện có thể từ vài phần trăm đến lớn hơn 100% THD của điện áp thường phải nhỏ hơn 5%

1.1.2 Ảnh hưởng của sóng hài tới chất lượng điện năng

Phát nóng thiết bị:

Do ảnh hưởng của hiệu ứng mặt ngoài, điện trở của vật dẫn tăng khi tần số tăng, khi đó, tác dụng nhiệt I2R tăng làm cho vật dẫn bị làm nóng nhanh chóng Nếu trong điều kiện tồn tại sóng hài với trị số lớn, thiết bị vẫn có thể bị quá nhiệt ngay cả khi mang dòng định mức Vì tác dụng nhiệt mà khi thiết kế chế tạo, ta cần phải tính dự trữ nhiệt lớn hơn, do đó làm tăng giá thành và kích thước

Ngoài ra, do sự phát xạ nhiệt lớn hơn so với định mức mà làm cho tổn hao công suất cũng tăng lên

Phát nóng dây trung tính hệ thống ba pha:

Thành phần sóng hài bậc ba gây ra những vấn đề lớn trong hệ thống ba pha bốn dây Khi các tải trên mỗi pha là các tải tuyến tính cân bằng, tổng dòng điện trên mỗi pha tại điểm trung tính “n” bằng không, do đó không có dòng chảy trong dây trung tính Khi các tải tuyến tính không cân bằng, trong dây trung tính sẽ xuất hiện

dòng điện, tuy nhiên trị số dòng điện này cũng không thể vượt quá giá trị dòng điện trên mỗi pha

Khi tải phi tuyến, trên mỗi pha sẽ xuất hiện các thành phần điều hòa bậc cao Đối với các tải cân bằng, thành phần sóng bậc một và các thành phần bậc cao hơn ba sẽ triệt tiêu nhau tại điểm trung tính “n” Tuy nhiên, nếu tồn tại thành phần bội ba, chúng sẽ cộng lại trong dây trung tính Khi đó, dòng điện chảy trong dây trung tính có thể lớn hơn cả thành phần sóng cơ bản trong mỗi pha Điều này cực kì nguy hiểm bởi dây trung tính có thể bị phá hủy bởi quá nhiệt do không được bảo vệ bởi các thiết bị đóng cắt

Tác hại đối với máy biến áp:

Dòng điện chảy trong cuộn dây và từ thông chảy trong lõi sắt gây nên tổn thất công suất của máy biến áp Dòng điều hòa chảy trong cuộn dây sẽ sinh ra từ thông trong lõi thép, từ đó gây ra tổn hao từ trễ và tổn hao dòng Phu cô trong lõi thép Tổn hao từ trễ tỷ lệ với tần số của từ thông, còn tổn hao dòng Phu cô tỷ lệ với bình phương của tần số Do vậy, dòng điều hòa bậc cao có thể gây ra tổn hao đáng

kể trong lõi biến áp Tổn hao cộng thêm này có thể gây ra quá nhiệt và làm hỏng cách điện của biến áp Muốn khắc phục, người ta phải tính dự trữ biến áp lớn hơn,

do đó làm tăng chi phí chế tạo

Tác hại đối với máy điện quay

Ngoài những tổn hao thêm do sóng hài bậc cao sinh ra trên lõi sắt cũng như trên dây quấn của các máy điện quay ( như ở máy biến áp ), một ảnh hưởng khác,

và có lẽ là nghiêm trọng hơn, là sự dao động momen vì sóng hài Hai trong số những sóng hài thường gặp trên lưới điện là hài bậc năm và bậc bảy Sóng hài bậc năm là sóng hài thứ tự nghịch, dẫn tới từ trường quay ngược chiều với từ trường cơ bản với tốc độ bằng năm lần tốc độ cơ bản Hài bậc bảy là hài thứ tự thuận, từ trường quay cùng hướng từ trường cơ bản với tốc độ bằng bảy lần cơ bản Sự tương tác giữa các từ trường do các hài bậc cao sinh ra và dòng điện cảm ứng trên rotor tạo ra sự dao động của trục động cơ Nếu tần số dao động trùng với tần số tự nhiên

của những thành phần cơ, những thiệt hại nghiêm trọng có thể xảy ra Sự rung động

và tiếng ồn quá mức khi động cơ hoạt động trong môi trường sóng hài nên được kiểm tra để ngăn chặn những thiệt hại

Ảnh hưởng đối với thiết bị bảo vệ:

Dòng điện chứa các thành phần hài bậc cao ảnh hưởng tới những thiết bị bảo vệ Cầu chì và các thiết bị bảo vệ quá tải động cơ có thể tác động sai khi có các thành phần hài chảy qua Yếu tố này cần được tính đến khi thiết kế các thiết bị bảo

vệ sử dụng trong môi trường ô nhiễm sóng hài Rơ le điện cơ cũng bị ảnh hưởng bởi sóng hài Chúng có thể tác động nhanh hơn hay chậm hơn so với thiết kế khi làm việc ở tần số cơ bản, vì vậy cần phải hiệu chỉnh các thông số của rơ le khi làm việc trong môi trường có ô nhiễm sóng hài

Làm suy giảm hệ số công suất:

Hệ số công suất trong hệ thống có dòng điện méo được tính theo công thức (1.2) với giả thiết rằng độ méo hài tổng của điện áp là nhỏ và có thể bỏ qua :

Chỉ số “top” chỉ hệ số công suất tổng (total power factor) hay hệ số công suất thực Hệ số công suất tổng trong công thức (1.2) là tích của hai thành phần, thứ nhất được gọi là hệ số công suất dịch chuyển (displacement power factor):

Ta thấy rằng, khi độ méo hài tổng của dòng điện lớn thì mặc dù thành phần

cơ bản của dòng điện trùng pha với điện áp ( tức là Fp disp = 1 ) nhưng hệ sống công suất tổng vẫn thấp Với tải đèn huỳnh quang hay những bộ nguồn chuyển mạch, hệ số công suất tổng thường chỉ cỡ 0,6

Trong phần này ta sẽ tìm hiểu cụ thể về các biện pháp hạn chế sóng hài, các

ưu nhược điểm của chúng

1.2.1 Bộ lọc thụ động

Có rất nhiều kiểu lọc thụ động ( lọc thụ động nối tiếp, song song, lọc thông thấp hay cuộn kháng nối tiếp), tuy nhiên trong thực tế hay dùng bộ lọc song song Lọc thụ động song song chỉ có khả năng lọc riêng từng sóng hài có tần số gần với tần số cắt của nó, thông thường là bậc 5, bậc 7, bậc 11, …Hình 1.5 chỉ ra sơ đồ thông thường của lọc song song

Hình 1.5 Bộ lọc thụ động song song

Ưu điểm:

- Cung cấp trở kháng thấp để điều chỉnh tần số lọc

Nhược điểm:

- Chỉ lọc được một tần số được chọn

- Có thể tạo ra cộng hưởng hệ thống

- Cần nhiều bộ lọc được để đảm bảo giới hạn sóng hài mong muốn

- Đặc tính bộ lọc bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi tần số của nguồn và dung sai của các phần tử

1.2.2 Bộ lọc tích cực

Bộ lọc tích cực sử dụng các phần tử và công nghệ điện tử công suất sản sinh

ra các thành phần điều hòa từ đó loại bỏ các thành phần điều hòa sinh ra từ các tải phi tuyến, nhằm mục đích giữ cho dòng/áp nguồn cung cấp có dạng thuần sin

Bộ lọc tích cực không những bù được sóng hài mà còn bù được công suất phản kháng Nó không gây ra hiện tượng cộng hưởng trên hệ thống như bộ lọc thụ động Tuy nhiên do sử dụng các bộ biến đổi bán dẫn đóng cắt ở tần số cao nên nó sinh ra các nhiễu điện từ trên lưới phân phối

Bộ lọc tích cực có thể được chia ra làm ba loại:

- Lọc tích cực song song ( Shunt active filter )

- Lọc tích cực nối tiếp ( Series active filter )

Bộ lọc tích cực song song được nối song song với tải, bao gồm tụ điện một

loại bỏ thành phần cơ bản sẽ được dòng điện bộ lọc sẽ bơm lên lưới, bằng việc điều

Như vậy dòng do nguồn cấp tới tải bây giờ bằng thành phần cơ bản của dòng tải và không chứa sóng hài nào khác Hình 1.10 vẽ dạng dòng nguồn khi sử dụng bộ lọc tích cực song song để lọc sóng hài cho tải phi tuyến là bộ chỉnh lưu đi

ốt Dòng bù do bộ lọc bơm lên lưới sẽ khử hoàn toàn các thành phần hài bậc cao trong dòng tải dẫn tới dòng nguồn có dạng thuần sin

Hình 1.7 Nguyên lý hoạt động của bộ lọc tích cực song song

Bộ lọc tích cực song song không chỉ cung cấp dòng hài (và có thể thêm một lượng nhỏ thành phần cơ bản để bù tổn hao), nó còn có khả năng bù công suất phản kháng, thêm vào đó có thể nối song song nhiều bộ lọc kiểu này cho những tải công suất lớn Chính vì những ưu điểm này mà bộ lọc tích cực song song cho hệ thống ba pha ba dây sẽ là đối tượng nghiên cứu của luận văn này

cuộn cảm kết nối Lf được thay bằng biến áp kết nối Nó tạo ra sự cách ly các thành

biến áp kết nối Điện áp bù Vf này sẽ khử các sóng hài trong điện áp lưới và điện áp cấp đến tải sẽ thuần sin

Bộ lọc tích cực song song không phổ biến như bộ lọc tích cực nối tiếp do chúng phải mang toàn bộ dòng tải, tuy nhiên nó làm cho điện áp cấp đến tải có dạng thuần sin và do đó nó thường được dùng cho các thiết bị nhạy cảm với sự thay đổi điện áp lưới ví dụ như các thiết bị đo lường và bảo vệ

1.2.2.3 Lọc tích cực lai

Bộ lọc lai giữa lọc tích cực và lọc thụ động được đưa ra nhằm giảm giá thành và nâng cao hiệu quả lọc Trong bộ lọc lai, lọc tích cực sẽ lọc những sóng hài bậc thấp làm giảm được những yêu cầu về phần cứng, còn lọc thụ động sẽ lọc những sóng hài bậc cao làm giảm được kích thước các phần tử thụ động Có nhiều cấu hình cho bộ lọc lai nhưng phổ biến nhất là hai cấu hình ở hình 1.9

Hình 1.9 là bộ lọc lai sử dụng bộ lọc tích cực nối tiếp và lọc thụ động song song

Nonlinear Load

Vf

Hình 1.9 Bộ lọc tích cực lai

1.2.2.4 Nguyên lý điều khiển cho bộ lọc tích cực song song

Hình 1.10 Sơ đồ nguyên lý điều khiển của bộ lọc tích cực song song

Sơ đồ nguyên lý điều khiển của bộ lọc tích cực song song được trình bầy như ở hình 1.10 Dòng điện cấp cho tải phi tuyến cùng các tín hiệu biến đổi khác của hệ thống ( như điện áp, tần số, dòng điện bù…) được đo đạc qua hệ thống đo lường và sẽ được cấp cho hệ thống ước lượng dòng điện bù Hệ thống ước lượng dòng điện bù này sẽ tính toán ra được các thành phần sóng hài bậc cao từ dòng điện của tải, tín hiệu đầu ra của hệ thống ước lượng dòng điện bù, là các sóng hài bậc cao

có cùng biên độ và cùng pha với các sóng hài bậc cao trong dòng điện tải, sẽ được cấp cho hệ thống điều khiển làm tín hiệu chuẩn ( tham chiếu) Hệ thống điều khiển thông qua hệ thống phát tín hiệu mở van bán dẫn sẽ điều khiển bộ biến đổi điện tử công suất cấp lên lưới qua cuộn cảm hoặc biến áp kết nối dòng điện bù bám theo tín hiệu tham chiếu Và như vậy các sóng hài bậc cao trong dòng điện nguồn sẽ bị triệt tiêu bởi các sóng hài bậc cao bơm lên lưới nhờ bộ lọc tích cực, dòng điện nguồn sẽ chỉ chứa thành phần cơ bản

1.4 kết luận

Trong chương 1 này, những vấn đề liên quan đến bộ lọc tích cực đã được đưa ra Đầu tiên là nguồn gốc và sự ảnh hưởng của sóng hài đến chất lượng điện năng được xem xét Phương pháp để làm giảm những tác hại của sóng hài gồm phương pháp kinh điển – lọc thụ động được đưa ra trước sau đó đến bộ lọc tích cực Trong chương này cũng đề cập đến phương pháp điều khiển của bộ lọc tích cực song song

Chương 2 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐA MỨC

2.1 Tổng quan về các bộ biến đổi đa mức

Có ba loại cấu trúc bộ biến đổi đa mức cơ bản là:

- Cấu trúc dựa trên cầu chữ H cách ly

- Cấu trúc dựa trên các tụ một chiều cách ly

- Cấu trúc dùng các mạch xen dùng điôt

Cấu trúc dựa trên mạch cầu chữ H cách ly cho trên hình 2.1 Trên hình 2.1 cho thấy mỗi cầu chữ H là một mạch cơ sở nghịch lưu cầu một pha, được cấp bởi một nguồn một chiều E, cách ly với nhau Mỗi phần tử bán dẫn trong cầu chữ H chỉ phải chịu điện áp E Điện áp đầu ra trên tải sẽ bằng nE, trong đó n là số mạch cầu nối nối tiếp nhau

Cấu hình này có ưu điểm là sử dụng những mô-đun công suất chuẩn, giá thành hạ, thuận tiện cho việc bảo trì, thay thế khi hỏng hóc Nhược điểm của sơ đồ

là cần có nhiều nguồn một chiều cách ly Nhược điểm này có thể khắc phục bằng cách sử dụng máy biến áp có nhiều cuộn thứ cấp hoặc phối hợp các cuộn thứ cấp theo kiểu ∆/ Y để có được chất lượng dòng đầu vào tốt hơn Sơ đồ cũng được ứng dụng nếu nguồn một chiều có bản chất đã cách ly sẵn, ví dụ như từ các tấm pin mặt trời rời nhau

Hình 2.1 Bộ biến đổi đa mức dùng cầu chữ H cách ly

Cấu trúc dựa trên các tụ một chiều cách ly cho trên hình 2.2 Trên hình 2.2 thể hiện cấu hình nửa cầu của một pha của bộ biến đổi Các tụ một chiều có thể được nạp điện đến E, 2E, 3E từ cùng một nguồn nạp nhưng phải cách ly với điểm trung tính của nguồn Từ đó mà có tên gọi là cấu trúc dựa trên tụ một chiều cách ly Điện áp trên mỗi khoá bán dẫn phải chịu đựng là E Mỗi giá trị điện áp có thể đưa thẳng ra tải bằng cách nối trực tiếp các van nối tiếp ở nhánh trên hoặc nhánh dưới

để cho ra các điện áp E, – E, 2E, – 2E, … Ví dụ để đưa ra tải điện áp 3E phải mở các van 2, 3, 4, 8 Để đảm bảo chất lượng thành phần sóng hài của điện áp trên đầu

ra, điện áp trên các tụ phải được theo dõi liên tục để tỷ lệ các mức điện áp là không đổi Muốn vậy trình tự phóng nạp của tụ phải đồng đều Mỗi mức điện áp ra tải có thể được tạo thành bởi nhiều trạng thái van khác nhau Sử dụng luân phiên các trạng thái này ở cùng một điện áp ra có thể cân bằng được điện áp trên các tụ Ví dụ, mức đầu ra E có thể được tạo thành từ các tổ hợp van sau:

Phương pháp cân bằng điện áp trên tụ sử dụng các trạng thái van khác nhau

là có thể Tuy nhiên ở cấu trúc ba pha thì quy luật điều khiển sẽ rất phức tạp, đòi hỏi thời gian tính toán khá nặng nề Nhược điểm của cấu trúc này cũng là yêu cầu các mạch nạp tụ khá phức tạp

Dạng ba pha của cấu trúc 3 mức, dùng các mạch xen dùng điôt cho trên hình 2.3 Cấu trúc này sẽ chỉ cần dùng một mạch nạp tụ một chiều nhưng tụ chia làm các nhóm, tạo ra các mức điện áp khác nhau Các khoá bán dẫn cũng nối nối tiếp như ở sơ đồ dùng tụ cách ly, mỗi khoá chỉ phải chịu mức điện áp trên một nhóm tụ Các điôt xen được dùng để liên kết mỗi khoá bán dẫn với chỉ một mức điện áp

Hình 2.3Bộ biến đổi ba pha ba mức dùng xen đi ốt

Các bộ biến đổi có thể mở rộng thêm số mức như sơ đồ 5 mức Mặc dù điện

áp trên mỗi khoá chỉ là E nhưng điện áp trên các điôt có thể đến 3E Việc mở rộng thêm số mức là rất khó khăn vì thuật toán điều khiển sẽ trở nên quá phức tạp Các nghiên cứu hiện nay chỉ dừng ở sơ đồ 3 mức như trên hình 2.3

Trên sơ đồ hình 2.3 điện áp ở mỗi pha ra có thể là + E/2, 0, – E/2 Điện áp trung gian một chiều phân bổ đều trên hai nhóm tụ nếu dòng trung bình qua điểm giữa của tụ bằng không Trong chế độ làm việc bình thường tụ phía trên và phía dưới luân phiên cấp năng lượng ra tải để đảm bảo dòng trung bình qua điểm chung bằng không Tuy nhiên trong quá trình quá độ hoặc đang điều chỉnh điều này có thể

bị phá vỡ Bởi vậy phải áp dụng một số quy luật điều khiển để luôn đảm bảo rằng điện áp trên hai nhóm tụ là cân bằng

Nhìn chung sơ đồ ba mức có quy luật điều khiển tương đối đơn giản, có khả năng có những ứng dụng thực tế nên sau đây sẽ chỉ đi sâu vào sơ đồ này

2.2 Phương pháp điều chế vectơ không gian cho bộ biến đổi ba mức

Nguyên lý điều chế vector không gian cho bộ biến đổi đa mức vẫn giống như nguyên lý điều chế cho bộ biến đổi hai mức Điểm khác chỉ ở chỗ xác định vector biên chuẩn và lựa chọn các tổ hợp van bán dẫn Mục này sẽ trình bày các điểm chính của phương pháp điều chế vector cho bộ biến đổi đa mức

2.2.1 Xác định trạng thái của van và hệ thống vectơ biên chuẩn

Mỗi nhóm van trên một pha của sơ đồ hình 2.3 có thể có ba trạng thái, ký hiệu là:P: dương; 0: không; N: âm, như biểu diễn trong bảng 2.1

Trạng thái của các van chuyển mạch

Bảng 2-1 Bảng trạng thái van cho một pha (x = a, b, c)

Kết hợp cả ba pha, có tất cả 33 = 27 trạng thái Ứng với mỗi trạng thái có thể, tính toán vectơ không gian như trong bảng 2.2, có thể thấy rằng có 19 vectơ khác nhau Các vectơ chia làm bốn nhóm: (Z) vectơ không với độ dài bằng 0 (V0); (S) vectơ nhỏ có độ dài nhỏ nhất bằng 1/3E (V1,V2, V3, V4, V5, V6); (M) vectơ trung bình, có độ dài trung bình bằng 1/ 3E ( V8, V10, V12, V14, V16, V18); (L) vectơ lớn, có độ dài lớn nhất bằng 2/3E (V7, V9, V11, V13, V15, V17)

Chọn độ dài vectơ cơ sở là 1/3E Các vectơ biểu diễn trên hệ toạ độ 0αβ, như trên hình 2.4 Các vectơ chia mặt phẳng thành các tam giác cân, mỗi cạnh có độ dài bằng 1 Trên mặt phẳng vectơ không gian cũng đánh số các góc phần sáu, gọi là các sectơ, từ I đến VI Có thể thấy rằng mỗi vectơ nhỏ (S) tạo thành từ hai tổ hợp

van, ứng với hai chiều dòng điện đi qua dây trung tính một chiều ở một pha Vì vậy các vectơ này được dùng luân phiên để cân bằng điện áp trên các tụ C1, C2 Ví dụ, vectơ V1 tạo bởi hai tổ hợp van P00 và 0NN, ứng với hai chiều dòng điện trên dây trung tính của pha a Tương tự như vậy đối với vectơ V4: 0PP và N00

Hình 2.4 Hệ thống vector không gian của bộ biến đổi ba pha ba mức

2.2.2 Tổng hợp vectơ

Một vectơ bất kỳ, có đầu mút nằm trong một tam giác có ba đỉnh tạo bởi ba vectơ, có thể được tổng hợp từ chính ba vectơ này Như minh hoạ trên hình 2.5, vectơ u có đầu mút nằm trong tam giác tạo bởi ba đầu mút của ba vectơ p1, p2, p3,

có thể được biểu diễn bằng:

Nếu tam giác là cân, có độ dài các cạnh là 1, thì d1, d2 là các số nhỏ hơn 1

Do đó có thể sử dụng d1, d2 như các hệ số biến điệu Vectơ p3 có hệ số biến điệu bằng (1 – d1 – d2) gọi là vectơ gốc Các vectơ hiệu, nằm trên cạnh của tam giác, gọi

là các vectơ triển khai Lưu ý rằng hệ số biến điệu chính là thời gian tương đối sử dụng các vectơ biến điệu trong một chu kỳ cắt mẫu Ts, nghĩa là: d1 = t1 / Ts; d2 = t2 / Ts ; d3 = t3 / Ts Trong đó t1 , t2, t3 là thời gian tồn tại của các vectơ p1, p2, p3 tương ứng Trước hết, khi vectơ u nằm trong một góc phần sáu nào đó, ví dụ như trên hình 2.5, ta luôn xác định hai vectơ m1, m2 nằm dọc theo hai cạnh của góc phần sáu đó làm cơ sở cho việc tính toán các hệ số biến điệu sau này Từ hình vẽ có thể tính được độ dài của hai vectơ như sau:

0 1

2

2

32sin( )3

θθ

=

(2.3)

Trong đó m1, m2 là độ dài của hai vectơ, gọi là hai hệ số cơ sở; θ là góc chỉ

ra vị trí tương đối của vectơ u trong góc phần sáu Quá trình biến điệu sẽ được dẫn giải cho trường hợp vectơ điện áp nằm trong sectơ I, rồi từ đó suy ra cho các trường hợp còn lại Góc phần sáu thứ nhất của không gian vectơ trên hình 2.6 chia làm 4 tam giác cân nhỏ, có cạnh bằng 1, đánh số 1, 2, 3, 4, như biểu diễn trên hình 2.6

Xét trường hợp vectơ u nằm trong tam giác 1, như ở hình 2.6 Để tổng hợp vectơ u, sử dụng ba vectơ tạo nên đỉnh của tam giác là V0, V1, V2 Lấy vectơ V0 là vectơ gốc, vectơ triển khai theo hai cạnh của tam giác chính là V1, V2 Từ (2.2) ta

có được các hệ số biến điệu và các vectơ được lựa chọn như sau:

V1: d1 = m1; V2: d2 = m2; V0: d0 = 1 – m1 – m2

V7 V8 V9

V1 V2

V1 V2

Hình 2.8 Hệ số biến điệu khi vec tơ u nằm trong góc phần tư thứ ba

Hình 2.9Hệ số biến điệu khi vec tơ u nằm trong góc phần tư thứ tư

Khi vectơ u nằm trong tam giác 2, trên hình 2.7, các vectơ biến điệu là V1, V7, V8 Chọn vectơ gốc là V1, vectơ triển khai theo hai cạnh của tam giác là V7 – V1 và V8 – V1 Dựa vào tính chất của tam giác cân có đỉnh là V1, V7, V8, có thể thấy rằng các hệ số biến điệu tính toán được như sau:

d1 = m1; d2 = m2 – 1

Vậy các hệ số biến điệu của các vectơ là:

V8: m1; V9: m2 – 1; V2: 1 – m1 – (m2 – 1) = 2 – m1 – m2

Khi u nằm trong tam giác 4, ba vectơ biến điệu là V1, V2, V8 V1 là vectơ

gốc Từ hình 2.9, tính được các hệ số biến điệu:

d1 = m2 – (1 – m1); d2 = 1 – m1

V8: m1 + m2 – 1; V2: 1 – m1; V1: 1 – (m1 + m2 – 1) – (1 – m1) = 1 – m2

Các vectơ được lựa chọn và các hệ số biến điệu tương ứng được tổng hợp

trong bảng 2.3 Dựa vào bảng 2.3 và đồ thị hệ thống vectơ không gian trên hình 2.4

ta có bảng lựa chọn các vectơ cùng với hệ số biến điệu tương ứng cho tất cả các góc

phần sáu, như biểu diễn trong bảng 2.4

Bảng 2-3 Bảng lựa chọn các vectơ và hệ số biến điệu tương ứng khi u trong góc

phần sáu thứ nhất

Trường hợp Tam giác Hệ số biến điệu Vec tơ lựa chọn

m1 V1 m2 V2

1

2

1 2

1 1 1

2

1 1

2

1 1

Góc phần sáu Điều khiện để xác định

2.2.3 Lựa chọn tổ hợp van và cân bằng điện áp trên tụ

Lựa chọn các tổ hợp van và trình tự thực hiện nhằm làm giảm số lần chuyển mạch trong một chu kỳ cắt mẫu Số lần chuyển mạch là nhỏ nhất nếu việc chuyển từ vectơ nọ sang vectơ kia chỉ có một pha phải chuyển mạch Thứ tự chuyển mạch như trong bảng 2.4 là tối ưu về phương diện này Ví dụ trong góc phần sáu thứ I, các vectơ chuyển mạch theo thứ tự: V2, V1, V0 Nếu chọn V2 = PP0, V1 = P00, V0 =

000, dễ dàng thấy rằng mỗi lần chuyển vectơ chỉ có một pha ra phải thay đổi

Một vấn đề khác cũng có vai trò quan trọng là cần đảm bảo điện áp trên ai luận trên đây đều dựa trên giả thiết rằng điện áp một chiều E được chia đều trên hai nhánh tụ thành + / – E/2 Để tìm ra giải pháp, ta sẽ phân tích ảnh hưởng của việc lựa chọn tổ hợp van đến dòng điện đi qua điểm trung tính của phía một chiều tụ C1, C2 phải bằng nhau Có thể thấy được điều này nếu lưu ý rằng các suy

Hình 2.10 Dòng điện trong trạng thái van P00, i0 = ib + ic = -ia

Hình 2.11 Dòng điện trong trạng thái van 0NN, i0 = ia

Xét tổ hợp van của vectơ V1: P00 và 0NN Đường dòng điện trong tổ hợp van P00 cho trên hình 2.10, trong tổ hợp van 0NN cho trên hình 2.11, theo các đường nét đậm Trên các hình vẽ có thể thấy được giá trị của dòng trung tính i0 phụ thuộc vào dòng các pha Trong mọi trường hợp, nếu i0 > 0 thì C1 được nạp điện, C2 phóng điện và ngược lại Từ đây nếu biết chiều dòng điện pha ia và theo dõi điện áp trên tụ C1, C2 thì thông qua lựa chọn tổ hợp van phù hợp có thể cân bằng được điện

áp trên tụ

Ta có cách lựa chọn tổ hợp van cho vectơ V1 phụ thuộc chiều dòng điện ia

và theo dõi điện áp trên hai tụ C1, C2 như trong bảng 2.5 Từ bảng 2.5 có thể mở rộng cho tất cả các vectơ nhỏ, từ V1 đến V6, như trong bảng 2.6

Bảng 2-5 Bảng chọn tổ hợp van cho vec tơ V1

ia > 0 ia < 0

Bảng 2-6 Bảng chọn các vec tơ nhỏ theo dòng điện và chênh lệch điện áp trên tụ

ia>0 0NN P00 V1

ia<0 P00 0NN ic>0 00N PP0 V2

ic<0 PP0 0NN ib>0 N0N 0P0 V3

ib<0 0P0 N0N ia>0 N00 0PP V4

ia<0 0PP N00 ic>0 NN0 00P V5

ic<0 00P NN0 ib>0 0N0 P0P V6

ib<0 P0P 0N0

2.2.4 Thuật toán điều chế vectơ không gian cho bộ biến đổi ba mức ba pha

Thuật toán điều chế vectơ không gian cho bộ biến đổi ba mức ba pha có thể

tóm tắt lại như sau:

1 Xác định vectơ u nằm trong sectơ nào trong 6 sectơ I, II, …, VI

2 Trong mỗi sectơ tính toán các hệ số cơ sở m1, m2 theo (2.3)

3 Lựa chọn các vectơ biến điệu trên cơ sở bảng 2.4

4 Theo bảng 2.4 và bảng 2.6 lựa chọn các tổ hợp van và thứ tự thực hiện

các tổ hợp van này Chọn vectơ V0 phù hợp để tối thiểu hoá số lần chuyển mạch

của van

5 Sử dụng mạch PWM để chuyển tín hiệu số thành tín hiệu thời gian, đưa

xung điều khiển ra ngoài đến các van

2.2.5 Kết luận

Với phương pháp điều chế vector không gian nói trên hoàn toàn có khả

năng đưa vào vi xử lý để thực hiện bằng mạch thật Các công thức tính toán tương

đối ít và sử dụng nhiều bảng dữ liệu cho phép người lập trình thực hiện đặt các bảng

dữ liệu trong Rom để thực hiện điều chế