Nghiên cứu ứng dụng bộ lọc tích cực cho cơ sở sản xuất công nghiệp cụ thể ở khu công nghiệp trà đa gia lai​

TÓM TẮT Hiện nay, trong các cơ sở sản xuất công nghiệp sử dụng rất nhiều phụ tải có tính phi tuyến như: lò hồ quang, máy hàn hồ quang, lò cảm ứng trung tần, lò cảm ứng cao tần, đèn huỳnh

-

VŨ HOÀNG HẢI

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ LỌC TÍCH CỰC CHO CƠ SỞ SẢN XUẤT CÔNG NGHIỆP CỤ THỂ Ở KHU CÔNG NGHIỆP TRÀ ĐA - GIA LAI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành: Thiết Bị, Mạng và Nhà Máy Điện

Mã số ngành: 60 52 50

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 09 năm 2012

VŨ HOÀNG HẢI

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ LỌC TÍCH CỰC CHO CƠ SỞ SẢN XUẤT CÔNG NGHIỆP CỤ THỂ Ở KHU CÔNG NGHIỆP TRÀ ĐA - GIA LAI

Cán bộ hướng dẫn khoa học : Tiến sĩ Nguyễn Mạnh Hùng

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ

TP HCM ngày 06 tháng 10 năm 2012 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)

1 ………

2 ………

3 ………

4 ………

5 ………

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được sửa chữa (nếu có) Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Vũ Hoàng Hải Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 20/06/1984 Nơi sinh: Đồng Nai

Chuyên ngành: Thiết bị, Mạng và Nhà máy điện MSHV: 1081031041

I- TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ LỌC TÍCH CỰC CHO CƠ SỞ SẢN XUẤT

CÔNG NGHIỆP CỤ THỂ Ở KHU CÔNG NGHIỆP TRÀ ĐA – GIA LAI

II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Tìm hiểu cấu trúc và nguyên lý hoạt động của bộ lọc tích cực

- Nghiên cứu phương pháp điều khiển tối ưu cho bộ lọc tích cực

- Thiết kế mô hình mô phỏng bộ lọc tích cực cho lò nấu thép cảm ứng trung tần bằng phần mềm Matlab/Simulink

III- NG ÀY GIAO NHIỆM VỤ: 15/09/2011

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30/08/2012

V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Tiến sĩ Nguyễn Mạnh Hùng

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

TS Nguyễn Mạnh Hùng

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc

Học viên thực hiện Luận văn

Vũ Hoàng Hải

LỜI CÁM ƠN

Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến TS Nguyễn Mạnh Hùng, người đã luôn động viên, khích lệ và tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn

Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám Hiệu, Phòng QLKH – ĐTSĐH, quý Thầy Cô giáo của trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ Tp.HCM và Đại học Bách kho a Tp.HCM đã tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ và trang bị cho tôi những kiến thức quý báu để giúp tôi nghiên cứu và hoàn thành công trình này

Tôi xin chân thành cảm ơn Phòng Quản lý Công nghiệp – Sở Công Thương Tỉnh Gia Lai đã t ạo điều kiện thuận lợi và nhiệt tình giúp đỡ tôi trong quá trình thu thập số liệu tại Khu công nghiệp Trà Đa – Gia Lai

Tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đồng nghiệp đã động viên chia

sẻ, giúp đỡ nhiệt tình và đóng góp nhiều ý kiến quý báu để tôi hoàn thành luận văn này

Các nội dung được đề cập đến trong quyển luận văn này chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót, tôi mong nhận được lời đóng góp từ quý Thầy Cô giáo và các bạn bè đồng nghiệp

Vũ Hoàng Hải

TÓM TẮT

Hiện nay, trong các cơ sở sản xuất công nghiệp sử dụng rất nhiều phụ tải có tính phi tuyến như: lò hồ quang, máy hàn hồ quang, lò cảm ứng trung tần, lò cảm ứng cao tần, đèn huỳnh quang, các bộ biến đổi điện áp xoay chiều, các bộ chỉnh lưu, các bộ biến tần, các thiết bị điện tử công suất…

Đây là những nguồn phát sinh ra sóng điều hòa bậc cao (sóng hài bậc cao), các sóng hài này làm tăng giá trị hiệu dụng và giá trị biên độ của dòng điện và điện

áp, làm méo dạng dòng điện và điện áp nguồn Sóng hài bậc cao còn gây ra tổn hao,

giảm hệ số công suất, giảm chất lượng điện năng, ảnh hưởng đến các thiết bị tiêu thụ điện trong gia đình, các thiết bị thu phát sóng vô tuyến… Kết quả là các thiết bị làm việc không đạt được năng suất tối ưu

Vì vậy yêu cầu đặt ra là cần nghiên cứu bộ lọc tích cực để khắc phục những hạn chế như trên để ứng dụng và phổ biến trong thực tế sản xuất Bộ lọc tích cực được nghiên cứu để áp dụng cho các hệ thống có tải phi tuyến Nguyên lý của chúng là lọc sóng hài bậc cao và bù công suất phản kháng

Bộ lọc tích cực kiểu song song có các đặc điểm kỹ thuật sau:

- Đảm bảo chất lượng dòng điện nguồn có dạng hình sin và loại bỏ sóng hài bậc cao trên lưới điện

- Bù công suất phản kháng

harmonics also cause loss, reduce power factor and power quality, influencing

po wer consumption equipments in family, radio transceiver devices and so on Therefore, electrical equipments can't operate with optimal productivity

Therefore, requirement is needed to research active power filter to overcome the above-mentioned limitations to apply and publicize in practical production The active power filter is researched to apply for power system with nonlinear load Their principle is to filter high-oder harmonic and compensate reactive power

Shunt active power filter with technical characteristics the following:

- Ensuring source current quality with sinusoidal waveform and eliminating high-order harmonic on the grid

- Compensating reactive power

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CÁM ƠN ii

TÓM TẮT iii

AB STRACT iv

MỤC LỤC v

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT viii

DANH MỤC CÁC B ẢNG ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ x

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích và nhiệm vụ của đề tài 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

4 Phương pháp nghiên cứu 3

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3

6 Cấu trúc luận văn 3

Chương 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CƠ SỞ SẢN XUẤT Ở KHU CÔNG NGHIỆP TRÀ ĐA – GIA LAI 4

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KHU CÔNG NGHIỆP .4

1.2 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÒ CẢM ỨNG TRUNG TẦN .5

1.2.1 Nguyên lý hoạt động của lò cảm ứng trung tần 6

1.2.2 Các bộ phận chính của lò cảm ứng trung tần 7

Chương 2 CÁC NGUỒN PHÁT SINH SÓNG HÀI – GIẢI P HÁP HẠN CHẾ SÓNG HÀI VÀ BÙ CÔNG SUẤT P HẢN KHÁNG 12

2.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 12

2.2 PHÂN TÍCH SÓNG HÀI 12

2.3 CÁC NGUỒN PHÁT SINH SÓNG HÀI .20

2.3.1 Máy biến áp 20

2.3.2 Động cơ điện 20

2.3.3 Lò hồ quang 20

2.3.4 Các loại đèn phóng điện 21

2.3.5 Các thiết bị điện tử công suất 22

2.4 ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG HÀI 27

2.4.1 Ảnh hưởng của sóng hài đối với động cơ điện 27

2.4.2 Ảnh hưởng của sóng hài đối với máy biến áp 28

2.4.3 Ảnh hưởng của sóng hài đối với tụ điện 28

2.4.4 Ảnh hưởng của sóng hài đối với cáp điện 29

2.4.5 Ảnh hưởng của sóng hài đối với rơle bảo vệ và thiết bị tự động 29

2.4.6 Ảnh hưởng của sóng hài đối với các thiết bị điện tử 29

2.4.7 Ảnh hưởng của sóng hài đối với các thiết bị đo lường điện 30

2.5 CÁC GIẢI PHÁP HẠN CHẾ SÓNG HÀI 31

2.5.1 Hạn chế công suất các tải phi tuyến 33

2.5.2 Tăng điện kháng phía nguồn xoay chiều đầu vào tải phi tuyến 33

2.5.3 Phương pháp đa xung 36

2.5.4 Sử dụng các bộ lọc 38

2.5.5 Sử dụng máy biến áp nối kiểu zigzag 39

2.6 BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG 41

2.6.1 Một số biện pháp nâng cao hệ số công suất 43

2.6.2 Một số thiết bị bù công suất phản kháng thông dụng hiện nay 44

2.6.3 Hiệu quả của việc bù công suất phản kháng 48

Chương 3 TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ LỌC – CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA BỘ LỌC TÍCH CỰC 49

3.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 49

3.2 TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ LỌC 49

3.2.1 Bộ lọc thụ động 50

3.2.2 Bộ lọc tích cực 57

3.2.2.1 Tác dụng của bộ lọc tích cực 57

3.2.2.2 Phạm vi công suất của bộ lọc tích cực 58

3.2.2.3 Phân loại bộ lọc tích cực 58

3.3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA BỘ LỌC TÍCH CỰC NGUỒN ÁP KIỂU SONG SONG 66

3.3.1 Nguyên lý hoạt động của bộ lọc tích cực nguồn áp kiểu song song 66

3.3.2 Điều khiển dòng điện ngõ ra c ủa bộ lọc 66

3.3.2.1 Chuyển đổi hệ tọ a độ 67

3.3.2.2 Khâu lọc thông cao 72

3.3.3 Điều khiển điện áp DC (Direct Current) 75

3.3.4 Đáp ứng ngõ ra c ủa bộ lọc tích cực 75

Chương 4 THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỘ LỌC TÍCH CỰC CHO LÒ NẤU THÉP CẢM ỨNG TRUNG TẦN B ẰNG PHẦN MỀM MATLAB/SIMULINK 76

4.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 76

4.2 MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA BỘ LỌC TÍCH CỰC 76

4.2.1 Mô hình toán học của bộ lọc tích cực trong hệ tọa độ ba pha abc 76

4.2.2 Mô hình toán học của bộ lọc tích cực trong hệ tọa độ quay dq0 78

4.2.3 Thiết kế các vòng điều khiển 81

4.2.3.1 Vòng điều khiển dòng điện lọc 82

4.2.3.2 Vòng điều khiển điện áp DC 84

4.3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH LÒ NẤU THÉP CẢM ỨNG TRUNG TẦN 87

4.3.1 Khối nguồn 87

4.3.2 Khối máy c ắt (MC1) và trở kháng đường dây 87

4.3.3 Khối đo lường (B1, B2) 88

4.3.4 Khối hiển thị 88

4.3.5 Khối phụ tải nhà máy luyện thép 88

4.3.6 Tính toán các thông số của lò 92

4.3.7 Kết quả mô phỏng 94

4.4 THIẾT KẾ MÔ HÌNH BỘ LỌC TÍCH CỰC CHO LÒ NẤU THÉP CẢM

ỨNG TRUNG TẦN 97

4.4.1 Cuộn kháng xoay chiều (LF) 97

4.4.2 Khối nghịch lưu PWM và tụ điện Cdc 98

4.4.3 Khối điều khiển bộ lọc tích cực 98

4.4.4 Tính toán các thông số của bộ lọc 103

4.4.5 Kết quả mô phỏng 105

4.5 PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 110

Chương 5 KẾT LUẬN 112

TÀI LIỆU THAM KHẢO 113

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

APF Active Power Filter

ASD Adjustable Speed Drive

CSI Current Source Inverter

FACT Flexible AC Transmission

PID Proportional Integral Derivative

SSSC Static Synchronous Series Compensator STATCOM Static Synchronous Compensator

SVC Static Var Compensator

TCSC Thyristor Controlled Series Capacitor

THD Total Harmonic Distortion

UPQC Unified Power Quality Controller

VSC Voltage Sourced Converter

VSI Voltage Source Inverter

PWM Pulse Width Modulation

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Giới hạn nhiễu điện áp theo tiêu chuẩn IEEE std 519-1992 31

Bảng 2.2 Giới hạn nhiễu dòng điện theo tiêu chuẩn IEEE std 519-1992 32

Bảng 2.3 Tiêu chuẩn IEC 1000-3-4 cho thiết bị trên 75A ở dòng đầu vào mỗi pha

32

Bảng 4.1 Tỷ lệ các thành phần dòng hài trong dòng điện nguồn trước khi lọc 96

Bảng 4.2 Tỷ lệ các thành phần dòng hài trong dòng điện nguồn trước và sau khi lọc

106

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Khu công nghiệp Trà Đa – Gia Lai 4

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý lò nấu thép cảm ứng trung tần 6

Hình 1.3 Máy cắt 7

Hình 1.4 Cuộn kháng xoay chiều 7

Hình 1.5 Thyristor chỉnh lưu 8

Hình 1.6 Cuộn kháng lọc một chiều LD 8

Hình 1.7 Thyristor nghịch lưu 9

Hình 1.8 Vòng c ảm ứng của lò trung tần 10

Hình 1.9 Tụ điện 10

Hình 1.10 Tủ điều khiển lò 11

Hình 1.11 Lò đang ho ạt động 11

Hình 2.1 Dạng sóng với thành phần cơ bản và hài bậc ba 13

Hình 2.2 Thành phần hài bậc chẵn và hài bậc lẻ 14

Hình 2.3 Dạng sóng với thành phần hài bậc chẵn và hài bậc lẻ 14

Hình 2.4 Dạng sóng dòng điện của loại đèn phóng điện hiệu suất cao 21

Hình 2.5 P hổ dòng điện của loại đèn phóng điện hiệu suất cao 22

Hình 2.6 Mô hình cầu chỉnh lưu ba pha không điều khiển 23

Hình 2.7 Dạng sóng dòng điện trên pha A của nguồ n cấp cho cầu chỉnh lưu ba pha không điều khiển 23

Hình 2.8 P hổ dòng điện pha A của cầu chỉnh lưu ba pha không điều khiển 23

Hình 2.9 Mô hình cầu chỉnh lưu ba pha có điều khiển 24

Hình 2.10 Dạng sóng dòng điện trên pha A của nguồn cấp cho cầu chỉnh lưu

ba pha có điều khiển với góc α = 300 24

Hình 2.11 Dạng sóng dòng điện trên pha A của nguồn cấp cho cầu chỉnh lưu

ba pha có điều khiển với góc α = 600 25

Hình 2.12 Dạng sóng dòng điện trên pha A của nguồn cấp cho cầu chỉnh lưu

ba pha có điều khiển với góc α = 900 25

Hình 2.13 Phổ dòng điện pha A của cầu chỉnh lưu ba pha có điều khiển 26

Hình 2.14 Phổ dòng điện pha A của cầu chỉnh lưu ba pha có điều khiển 26

Hình 2.15 Phổ dòng điện pha A của cầu chỉnh lưu ba pha có điều khiển 27

Hình 2.16 Dòng hài sinh ra t ừ cầu chỉnh lưu ba pha có tụ lọc phía một chiều 33

Hình 2.17 Dòng hài sinh ra t ừ cầu chỉnh lưu ba pha 34

Hình 2.18 Độ giảm méo hài c ủa một ASD loại PWM theo kháng lọc đầu vào 34

Hình 2.19 Kháng lọc ba pha dành cho ASD (sản phẩm của MTE corp) 35

Hình 2.20 Kết hợp hai bộ biến đổi 6 xung cùng c ấp cho một tải tạo hệ thống

12 xung 37

Hình 2.21 Ba mạch chỉnh lưu cầu 6 xung kết hợp cùng c ấp cho một tải tạo

hệ thống 18 xung 37

Hình 2.22 Máy biến áp kiểu zigzag 40

Hình 2.23 Biến áp đấu sao-tam giác và biến áp zigzag sử dụng để bẫy các hài

đi vào dây trung tính trong các hệ thố ng ba pha bốn dây cấp cho

tải phi tuyến 41

Hình 2.24 Tủ bù công suất phản kháng 42

Hình 2.25 Sơ đồ cấu trúc SSSC 45

Hình 2.26 Sơ đồ cấu trúc TCSC 46

Hình 2.27 Sơ đồ cấu trúc SVC 46

Hình 2.28 Sơ đồ cấu trúc STATCOM 47

Hình 3.1 Hệ thống điện với các nguồn hài phân tán 51

Hình 3.2 Nhiều bộ lọc điều chỉnh nối tiếp mắc song song để bẫy các bậc hài 52

Hình 3.3 Các bộ lọc thụ động kiểu rẽ nhánh thường gặp 53

Hình 3.4 Bộ lọc sóng hài bậc 5 và ảnh hưởng của nó với hệ thống 53

Hình 3.5 Cấu trúc bộ lọc hạ áp và mạch thay thế tương đương 54

Hình 3.6 Bộ lọc thụ động kiểu nối tiếp 55

Hình 3.7 Cấu trúc của bộ lọc thông thấp 55

Hình 3.8 Bộ lọc thông thấp dùng trong công nghiệp 56

Hình 3.9 Mạch thay thế tương đương khi l ắp bộ lọc tụ C 56

Hình 3.10 Bộ lọc tụ C và đáp ứng tần của trở kháng (đường nét liền) 57

Hình 3.11 Cấu trúc bộ lọc tích cực VSI 59

Hình 3.12 Cấu trúc bộ lọc tích cực CSI 59

Hình 3.13 Sơ đồ kết nối bộ lọc tích cực kiểu song song 60

Hình 3.14 Sơ đồ nguyên lý bộ lọc tích cực kiểu song song 61

Hình 3.15 Sơ đồ kết nối bộ lọc tích cực kiểu nối tiếp 62

Hình 3.16 Sơ đồ nguyên lý bộ lọc tích cực kiểu nối tiếp 62

Hình 3.17 Bộ lọc tích cực ba dây 63

Hình 3.18 Bộ lọc tích cực bố n dây 63

Hình 3.19 Bộ lọc tích cực bố n dây có điểm giữa 64

Hình 3.20 Sơ đồ kết nối bộ lọc hỗn hợp 64

Hình 3.21 Sơ đồ kết nối bộ lọc UPQC 65

Hình 3.22 Nguyên lý hoạt động của bộ lọc tích cực ba pha nguồn áp kiểu

song song 66

Hình 3.23 Xử lý tín hiệu chuẩn điều khiển dòng ngõ ra của bộ lọc 67

Hình 3.24 Thiết lập vector không gian từ các đại lượng pha 68

Hình 3.25 Biểu diễn vector không gian dòng điện is 69

Hình 3.26 Chuyển đổi tọa độ cho vector không gian 71

Hình 3.27 Sơ đồ mạch lọc thông cao 73

Hình 3.28 Sơ đồ lọc bằng điện dung 74

Hình 3.29 Sơ đồ lọc bằng điện cảm 74

Hình 3.30 Sơ đồ tổng quát điều khiển tín hiệu DC 75

Hình 4.1 Mô hình tổng quát bộ lọc tích cực nguồn áp kiểu so ng song 76

Hình 4.2 Mạch tương đương của bộ lọc tích cực 78

Hình 4.3 Hệ toạ độ dq0 quay đồng bộ với điện áp nguồn trong mặt phẳng phức 79

Hình 4.4 Sơ đồ vòng điều khiển dòng điện và điện áp của bộ lọc tích cực 81

Hình 4.5 Sơ đồ vòng điều khiển dòng điện 82

Hình 4.6 Vòng kín hồi tiếp dòng điều khiển 83

Hình 4.7 Vòng kín hồi tiếp áp DC 84

Hình 4.8 Sơ đồ vòng điều khiển điện áp DC 85

Hình 4.9 Sơ đồ chi tiết vòng điều khiển dòng và áp 86

Hình 4.10 Mô hình hệ thống cấp điện cho phụ tải nhà máy luyện thép 87

Hình 4.11 Khối nguồn xoay chiều ba pha 87

Hình 4.12 Khối máy cắt và trở kháng đường dây 87

Hình 4.13 Khối đo lường dòng và áp 88

Hình 4.14 Mô hình khối hiển thị kết quả đo lường 88

Hình 4.15 Mô hình lò nấu thép cảm ứng trung tần 89

Hình 4.16 Cuộn kháng xoay chiều lõi không khí .89

Hình 4.17 Cuộn kháng lọc một chiều 89

Hình 4.18 Cầu chỉnh lưu ba pha điều khiển toàn phần 90

Hình 4.19 Cầu nghịch lưu cộng hưởng nguồn dòng song song một pha 90

Hình 4.20 Mạch điều khiển cầu nghịch lưu cộng hưởng nguồn dòng và mạch

khởi động lò 91

Hình 4.21 Tải lò nấu thép cảm ứng trung tần 92

Hình 4.22 Dạng sóng dòng điện pha A c ủa nguồn (mô hình) 94

Hình 4.23 Phổ dòng điện pha A của nguồn (mô hình) 94

Hình 4.24 Dạng sóng dòng điện pha A c ủa nguồn (thực tế) 95

Hình 4.25 Phổ dòng điện pha A của nguồn (thực tế) 95

Hình 4.26 Công suất pha A c ủa nguồn (thực tế) 95

Hình 4.27 Mô hình bộ lọc tích cực 97

Hình 4.28 Cuộn kháng xoay chiều 97

Hình 4.29 Khối nghịch lưu PWM và tụ điện Cdc 98

Hình 4.30 Mô hình khối điều khiển bộ lọc tích cực 98

Hình 4.31 Khâu chuyển đổi dòng điện trong hệ tọa độ abc dq0 99

Hình 4.32 Khâu chuyển đổi dòng điện trong hệ tọa độ abc alpha_beta 99

Hình 4.33 Khâu chuyển đổi dòng điện trong hệ tọa độ alpha_beta dq0 99

Hình 4.34 Khâu tạo hàm SinTeta và CosTeta 100

Hình 4.35 Khâu chuyển đổi điện áp trong hệ tọa độ abc dq0 100

Hình 4.36 Khâu chuyển đổi điện áp trong hệ tọa độ dq0 abc 100

Hình 4.37 Khâu chuyển đổi điện áp trong hệ tọa độ dq0 alpha_beta 101

Hình 4.38 Khâu chuyển đổi điện áp trong hệ tọa độ alpha_beta abc 101

Hình 4.39 Khâu lọc thông cao 101

Hình 4.40 Khâu điều khiển điện áp DC 102

Hình 4.41 Khâu điều chế và phát xung điều khiển cho bộ nghịch lưu PWM 102

Hình 4.42 Mô hình hệ thống lò nấu thép c ảm ứng khi lắp thêm bộ lọc tích cực

105

Hình 4.43 Dạng sóng dòng điện và phổ dòng điện pha A của nguồn sau khi lọc

105

Hình 4.44 Dạng sóng dòng điện pha A c ủa nguồn và tải sau khi lọc 106

Hình 4.45 Mô hình hệ thống lò nấu thép c ảm ứng sau khi lắp thêm cuộn kháng Lp 107

Hình 4.46 Dạng sóng dòng điện và phổ dòng điện pha A của nguồn sau khi lọc

và lắp thêm cuộn kháng Lp 108

Hình 4.47 Dạng sóng dòng điện pha A c ủa nguồn và tải sau khi lọc và lắp thêm Lp 108

Hình 4.48 Phổ điện áp pha A c ủa nguồn 109

Hình 4.49 Dạng sóng dòng điện bù của bộ lọc cho pha A 109

Hình 4.50 Dạng sóng điện áp DC 109

Hình 4.51 Dạng sóng dòng điện ba pha c ủa nguồn trước khi lọc 110

Hình 4.52 Dạng sóng dòng điện ba pha c ủa nguồn sau khi lọc 110

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Hiện nay, trong các cơ sở sản xuất công nghiệp sử dụng rất nhiều phụ tải có tính phi tuyến như: lò hồ quang, máy hàn hồ quang, lò cảm ứng trung tần, lò cảm ứng cao tần, đèn huỳnh quang, các bộ biến đổi điện áp xoay chiều, các bộ chỉnh lưu, các bộ biến tần, các thiết bị điện tử công suất…

Đây là những nguồn phát sinh ra sóng điều hòa bậc cao (sóng hài bậc cao), các sóng hài này làm tăng giá trị hiệu dụng và giá trị biên độ của dòng điện và điện

áp, làm méo dạng dòng điện và điện áp nguồn Khi đó sẽ gây ra những vấn đề nghiêm trọng như sau:

- Đối với đường dây truyền tải: làm tăng sự phát nhiệt của dây dẫn, gây ra quá áp trên đường dây, làm lão hóa cách điện của dây dẫn…

- Đối với máy biến áp, động cơ điện: làm tăng tổn thất đồng, tổn thất sắt, tổn thất từ thông tản, gây méo mô men, gây ra dao động cộng hưởng làm tổn hại đến các bộ phận cơ khí của động cơ…

- Đối với các thiết bị bảo vệ, thiết bị đo lường: làm nhiễu tín hiệu và méo tín hiệu dòng điện và điện áp gây ra tác động sai lệch của thiết bị bảo vệ, ảnh hưởng đến sai số của thiết bị đo làm cho kết quả đo không được chính xác…

Sóng hài bậc cao còn gây ra tổn hao, giảm hệ số công suất, ảnh hưởng đến các thiết bị tiêu thụ điện trong gia đình, các thiết bị thu phát sóng vô tuyến…

Ngoài ra, các tải này còn tiêu thụ một lượng công suất phản kháng rất lớn, làm cho lượng công suất phản kháng trên đường dây truyền tải giảm đi đáng kể, điều này khiến cho hệ số công suất giảm làm tăng tổn hao, giảm chất lượng điện năng, kết quả là các thiết bị làm việc không đạt được năng suất tối ưu…

Qua những vấn đề được phân tích ở trên, chúng ta thấy rằng việc sử dụng các tải có tính phi tuyến làm cho lượng công suất phản kháng bị hao hụt đi rất nhiều, gây ra méo dạng dòng điện nguồn, làm giảm hệ số công suất, giảm năng suất của thiết bị… Do đó, làm tổn thất một lượng lớn điện năng trong sản xuất công nghiệp

dẫn đến chi phí cho sản phẩm sẽ cao hơn, sản xuất không có lợi nhuận, nhiều chi phí phát sinh và còn ảnh hưởng nghiêm trọng đến lưới điện truyền tải quốc gia Điều cấp thiết là phải tìm ra giải pháp để hạn chế sóng hài và bù một lượng công suất phản kháng thích hợp sẽ tiết kiệm được điện năng trong sản xuất công nghiệp

Những giải pháp thông dụng hiện nay là dùng các thiết bị công nghệ hiện đại

để tiết kiệm điện năng; các bộ lọc thụ động như RC, LC; các thiết bị bù công suất phản kháng, tủ bù điều khiển tự động, máy bù đồng bộ kết hợp với các thiết bị lọc sóng hài…

Tuy nhiên những giải pháp trên còn gặp những khó khăn nhất định như giá thành cao, tốn nhiều không gian để lắp đặt, khó điều khiển và giám sát, không linh hoạt và chưa đạt được hiệu quả như mong muốn

Giải pháp hiệu quả và linh hoạt nhất hiện nay là dùng bộ lọc tích cực APF (Active Power Filter) loại mắc song song với tải, với bộ lọc này chúng ta có thể điều khiển và giám sát bằng máy tính rất thuận tiện, kích cỡ bộ lọc nhỏ, chiếm ít không gian lắp đặt, rất hiệu quả trong việc lọc sóng hài, bù công suất phản kháng và tiết kiệm điện năng

Với mong muốn ứng dụng bộ lọc tích cực cho các cơ sở sản xuất công nghiệp để lọc sóng hài và bù công suất phản kháng, nhằm hạn chế tối đa ảnh hưởng của sóng hài và tiết kiệm điện năng trong sản xuất công nghiệp Tôi đã quyết định

chọn đề tài “Nghiên cứu ứng dụng bộ lọc tích cực cho cơ sở sản xuất công nghiệp

cụ thể ở khu công nghiệp Trà Đa – Gia Lai”

2 Mục đích và nhiệm vụ của đề tài

- Tìm hiểu cấu trúc và nguyên lý hoạt động của bộ lọc tích cực

- Nghiên cứu phương pháp điều khiển tối ưu cho bộ lọc tích cực

- Thiết kế và mô phỏng bộ lọc tích cực cho lò nấu thép cảm ứng trung tần bằng phần mềm Matlab/Simulink

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu là lò nấu thép cảm ứng trung tần của nhà máy luyện cán thép Năm Hoa

- Phạm vi nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu phương pháp điều khiển vector không gian để điều khiển bộ lọc tích cực lọc sóng hài và bù công suất phản kháng cho lò nấu thép của nhà máy

4 Phương pháp nghiên cứu

Kết hợp cả hai phương pháp:

- Nghiên cứu lý thuyết về phương pháp điều khiển vector không gian

- Thiết kế mô hình mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Kết quả nghiên cứu của đề tài là tìm ra phương pháp tối ưu để điều khiển bộ lọc tích cực lọc sóng hài do lò thải ra nhằm hạn chế tối đa tác hại do sóng hài gây

ra, nâng cao chất lượng điện năng cho lưới điện, bù công suất phản kháng và tiết kiệm điện năng cho nhà máy Đề tài hoàn toàn có thể ứng dụng vào thực tế

6 Cấu trúc luận văn

Mở đầu

Chương 1: Giới thiệu chung về cơ sở sản xuất ở khu công nghiệp

Trà Đa – Gia Lai

Chương 2: Các nguồn phát sinh sóng hài

Giải pháp hạn chế sóng hài và bù công suất phản kháng

Chương 3: Tổng quan về các bộ lọc

Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của bộ lọc tích cực

Chương 4: Thiết kế và mô phỏng bộ lọc tích cực cho lò nấu thép cảm ứng

trung tần bằng phần mềm Matlab/Simulink Chương 5: Kết luận

Chương 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CƠ SỞ SẢN XUẤT Ở KHU CÔNG

NGHIỆP TRÀ ĐA – GIA LAI

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KHU CÔNG NGHIỆP

Khu công nghiệp Trà Đa là khu công nghiệp trọng điểm của tỉnh Gia Lai , nằm trên địa bàn thành phố Pleiku, có tổng diện tích 109,3 ha Hiện khu công

nghiệp có hơn 30 doanh nghiệp đang hoạt động, thu hút trên 2.000 lao động đến làm việc

Các lĩnh vực được ưu tiên khuyến khích đầu tư vào khu công nghiệp gồm: công nghiệp chế biến lâm sản, nông sản thực phẩm; công nghiệp vật liệu xây dựng; chế tạo, lắp ráp cơ khí điện tử; sản xuất, gia công hàng tiêu dùng

Hình 1.1 Khu công nghiệp Trà Đa – Gia Lai

Năm 2011, khu công nghiệp Trà Đa đã có 37 nhà đầu tư với trên 40 dự án, lấp đầy 100% diện tích, tổng số vốn đăng ký 1.118,113 tỷ đồng (tăng 241,523 tỷ đồng so với năm 2010) Trong đó, 25 dự án đang hoạt động, 7 dự án trong giai đoạn xây dựng, 6 dự án được Ban quản lý chấp thuận chủ trương đầu tư, có hai dự án nhà đầu tư 100% vốn nước ngoài Tổng doanh thu năm 2011 của toàn khu công nghiệp đạt 1.241,669 tỷ đồng (cao gấp 230,9% so với năm trước), giá trị sản xuất công nghiệp đạt 521,869 tỷ đồng (tăng 160%), chiếm tỷ trọng hơn 12% giá trị sản xuất

công nghiệp của tỉnh Doanh thu công nghiệp đạt 879,563 tỷ đồng, nộp ngân sách nhà nước hơn 40 tỷ đồng (tăng 298%), tạo việc làm cho hơn 1.700 lao động địa phương

Những mặt hàng sản xuất tại khu công nghiệp Trà Đa không chỉ đã có chỗ đứng trong nước mà còn vươn ra thị trường thế giới Năm 2011, tổng kim ngạch xuất khẩu của khu công nghiệp Trà Đa ước đạt 104.090.243 USD (tăng 97%) Điển hình trong tăng kim ngạch xuất khẩu như: Công ty Louis Dreyfus Commoditis Việt Nam, Công ty TNHH Thương mại AQ, Công ty đá Granite Quốc Duy, Công ty cổ phần chế biến gỗ Đức Long… ước đạt từ 286.000 USD đến hơn 100 triệu USD

Sau một thời gian đo đạc thông số điện tại các nhà máy của khu công nghiệp Trà Đa, số liệu thống kê cho thấy dòng điện của nhà máy luyện cán thép Năm Hoa

có độ méo dạng THD = 24.7%, vượt quá mức cho phép của tiêu chuẩn IEEE std 519-1992 là phải nhỏ hơn 5% Vì vậy, tôi đã chọn nhà máy này để nghiên cứu ứng dụng bộ lọc tích cực để lọc sóng hài, nhằm hạn chế những ảnh hưởng xấu do sóng hài gây ra, góp phần nâng cao chất lượng điện năng cho lưới điện và tiết kiệm điện năng cho nhà máy

Hiện nay, nhà máy luyện cán thép Năm Hoa đang sản xuất thép với ba lò nấu thép cảm ứng trung tần và một xưởng cán thép Các lò nấu thép này thường sử dụng hai bộ biến đổi điện tử công suất đó là: một bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển hoàn toàn và một bộ nghịch lưu cộng hưởng nguồn dòng song song một pha sử dụng Thyristor Những thiết bị này là nguyên nhân phát sinh ra rất nhiều sóng hài bậc cao, làm ảnh hưởng xấu đến lưới điện và gây ra tổn hao công suất trên đường dây truyền tải điện Do đó, để đưa ra được giải pháp khắc phục vấn đề này cần phải tìm hiểu về cấu trúc và nguyên lý hoạt động của lò cảm ứng trung tần

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý lò nấu thép cảm ứng trung tần 1.2.1 Nguyên lý hoạt động của lò cảm ứng trung tần

Nguyên lý làm việc của lò cảm ứng là dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ, khi đưa một khối kim loại vào trong một từ trường biến thiên, trong khối kim loại xuất hiện dòng điện xoáy, nhiệt năng do dòng điện xoáy sẽ đốt nóng khối kim loại

Việc tạo ra nguồn DC (Direct Current) ở mạch lò cộng hưởng nguồn dòng song song có phần phức tạp hơn so với mạch lò cộng hưởng nguồn dòng nối tiếp vì phải cần đến bộ chỉnh lưu có điều khiển, thông qua đó người ta mới có thể thay đổi được công suất cấp cho lò Phần DC, có cuộn kháng làm nhiệm của kho năng lượng

và lọc Bộ biến đổi DC sang AC (Alternating Current) là bộ nghịch lưu cộng hưởng nguồn dòng, là bộ biến đổi đặc biệt, thường sử dụng Thyristor Đặc điểm cơ bản của

bộ nghịch lưu cộng hưởng nguồn dòng đó là có phụ tải là một mạch vòng dao động với dòng hoặc áp dạng hình sin, do đó các Thyristor trên sơ đồ sẽ chuyển mạch tự nhiên

Các bộ nghịch lưu cộng hưởng nguồn dòng được thiết kế với công suất ngày càng lớn đến vài MW, tần số từ 500Hz đến 2000Hz Ngoài ra, để hỗ trợ cho việc khởi động lò, hệ thống cung cấp điện phải có thêm mạch khởi động để tạo ra ít nhất một chu kỳ dao động trên tải, sau đó là việc điều khiển đóng cắt các van ở phần nghịch lưu để dao động trên tải được duy trì Mạch đòn bẩy có tác dụng xả năng lượng trong cuộn dây sau khi quá trình nấu chảy đã hoàn tất

1.2.2 Các bộ phận chính của lò cảm ứng trung tần

 Máy cắt – được điều khiển đóng ngắt tự động nhờ một động cơ công suất nhỏ,

cũng có thể đóng ngắt trực tiếp bằng tay Máy cắt được nối với nguồn điện áp xoay chiều ba pha điện áp 380v, cung cấp điện cho mạch chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển hoàn toàn

Hình 1.3 Máy cắt

 Cuộn kháng xoay chiều lõi không khí – có chức năng hạn chế dòng ngắn

mạch và hạn chế tốc độ tăng trưởng dòng điện để bảo vệ các Thyristor chỉnh lưu

Hình 1.4 Cuộn kháng xoay chiều

 Bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển hoàn toàn – dùng để biến đổi nguồn

điện xoay chiều ba pha thành nguồn điện một chiều cấp cho bộ nghịch lưu

Hình 1.5 Thyristor chỉnh lưu

 Cuộn kháng LD – cuộn kháng lọc một chiều có tác dụng san phẳng dòng điện

một chiều, có giá trị điện cảm rất lớn Mạch từ là mạch từ hở để tránh hiện tượng bão hòa Cuộn kháng một chiều có hai phần lớn , mỗi phần lớn gồm có năm vòng lớn và trong mỗi vòng lớn lại gồm năm vòng nhỏ

Hình 1.6 Cuộn kháng lọc một chiều LD

 Bộ nghịch lưu cộng hưởng nguồn dòng song song – được nối theo sơ đồ cầu

một pha có chức năng biến nguồn điện một chiều thành nguồn điện xoay chiều cấp cho tải lò cảm ứng, điện áp ra trên tải có dạng gần hình sin

Hình 1.7 Thyristor nghịch lưu

 Vòng cảm ứng – là phụ tải của của bộ nghịch lưu cộng hưởng Vì dòng qua

vòng cảm ứng cỡ hàng ngàn Ampe nên tổn hao điện chiếm tới 25 ÷ 30% công suất hữu ích của thiết bị, do đó cần phải làm mát vòng cảm ứng Làm mát bằng không khí cho phép mật độ dòng điện 2 ÷ 5 A/mm 2, còn làm mát bằng nước chảy trong ống tiết diện tròn thì cho phép mật độ dòng điện lên tới 10 ÷ 30 A/mm 2

Hình 1.8 Vòng cảm ứng của lò trung tần

 Tụ điện – được nối song song với vòng cảm ứng để tạo thành mạch vòng dao

động và bù hệ số công suất (cosφ) của lò Các tụ điện này chịu được điện áp cao (tới 1000 V) và chịu được tần số cao (tới 10kHz)

xung nghịch lưu, biến áp nguồn cấp điện cho bảng điều khiển, c ác đồng hồ đo điện

áp, dòng điện, tần số và đo lưu lượng nước…

Chương 2 CÁC NGUỒN PHÁT SINH SÓNG HÀI – GIẢI PHÁP HẠN CHẾ SÓNG HÀI VÀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG

2.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Sóng hài được sinh ra bởi các tải phi tuyến nối với hệ thống phân phối điện Sóng hài có thể làm cho cáp bị quá nhiệt, phá hỏng cách điện Động cơ cũng có thể

bị quá nhiệt hoặc gây tiếng ồn và sự dao động của mô men xoắn trên rotor dẫn tới

sự cộng hưởng cơ khí và gây rung Tụ điện quá nhiệt và trong phần lớn các trường hợp có thể dẫn tới phá huỷ chất điện môi Các thiết bị hiển thị sử dụng điện và đèn chiếu sáng có thể bị chập chờn, các thiết bị bảo vệ có thể ngắt điện, máy tính bị lỗi

và thiết bị đo cho kết quả sai

Do vậy, để giảm được sóng hài cần phải sử dụng các thiết bị phát sóng hài thấp hoặc sử dụng các phương pháp lọc ngoài Trong đó, muốn giảm dòng điện hài phải tăng điện cảm AC hoặc tăng số van chỉnh lưu trong bộ chỉnh lưu, để giảm điện

áp hài gây ra bởi dòng điện hài phải tăng công suất biến áp, giảm trở kháng biến áp hay tăng khả năng chịu ngắn mạch của nguồn Ngoài ra, các tải phi tuyến còn tiêu thụ một lượng công suất phản kháng rất lớn, làm cho lượng công suất phản kháng trên đường dây truyền tải giảm đi đáng kể, điều này khiến cho hệ số công suất giảm làm tăng tổn hao, giảm chất lượng điện năng Do đó, cần phải bù công suất phản kháng

Trong chương 2, chúng ta sẽ tìm hiểu về các nguồn phát sinh sóng hài, các giải pháp hạn chế sóng hài và bù công suất phản kháng

2.2 PHÂN TÍCH SÓNG HÀI

Công cụ để phân tích mức độ méo của dạng sóng dòng điện có chu kỳ là phân tích Fourier Phương pháp này dựa trên nguyên lý là một dạng sóng méo có chu kỳ (không sin) thì có thể được thay thế bởi tổng của các sóng hài hình sin bao gồm:

- Một sóng hình sin với tần số cơ bản (50 Hz)

- Thành phần không đổi hay còn gọi là thành phần một chiều

- Một số sóng hình sin khác với tần số cao hơn, đó là bội số của tần số cơ bản Dạng sóng méo ở hình dưới đây được phân tích thành một thành phần sóng

cơ bản và một thành phần sóng hài bậc ba Tổng giá trị hiệu dụng của dòng điện méo này được tính bằng căn bậc hai của tổng các bình phương của dòng cơ bản và dòng hài

Hình 2.1 Dạng sóng với thành phần cơ bản và hài bậc ba

Dấu hiệu để xác định một dạng sóng méo có thành phần hài bậc chẵn hay bậc lẻ như sau:

- Hài bậc lẻ xuất hiện khi nửa chu kỳ âm của dạng sóng méo lặp lại y hệt nửa chu kỳ dương, nhưng với chiều âm Nói cách khác, hài bậc lẻ xuất hiện khi phần tư chu kỳ đầu tiên và phần tư chu kỳ thứ ba là giống nhau, tương tự đối với phần tư chu kỳ thứ hai và thứ tư Hài bậc lẻ xuất hiện với chỉnh lưu cầu vì nửa chu kỳ

dương và nửa chu kỳ âm là đối xứng nhau (do đó các hài bậc chẵn bị triệt tiêu)

- Hài bậc chẵn xuất hiện khi nửa chu kỳ âm của dạng sóng méo không lặp lại nửa chu kỳ dương Một đặc điểm khác khi có hài bậc chẵn đó là phần tư chu kỳ đầu tiên và thứ tư là giống nhau, tương tự đối với phần tư chu kỳ thứ hai và thứ ba

Hình 2.2 Thành phần hài bậc chẵn và hài bậc lẻ

Hình 2.3 Dạng sóng với thành phần hài bậc chẵn và hài bậc lẻ

Nguyên nhân chính tại sao bộ biến đổi điện tử công suất sinh ra dòng điện hài là vì dòng điện không liên tục trong mỗi pha Xét về khía cạnh sinh ra sóng hài thì việc cầu chỉnh lưu dùng Diode hay Thyristor đều không quan trọng vì chúng đều hoạt động tương tự nhau Trong một cầu chỉnh lưu, chỉ có hai Thyristor (hoặc Diode) được dẫn tại một thời điểm bất kỳ, và khoảng thời gian được dẫn này sẽ lần lượt đến phiên các Thyristor (hoặc Diode) kế tiếp Trong một chu kỳ của điện áp nguồn cấp, mỗi một pha trong ba pha đều dẫn một xung dương 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 dòng điện một chiều DC nhấp nháy (ripple), dòng điện này được làm phẳng bằng một tụ điện ở phía một chiều Như vậy, bộ chỉnh lưu có thể được xem như một nguồn phát sóng hài về phía lưới

Các bộ biến đổi điện tử công 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 dòng điện sinh ra bởi bộ biến đổi điện tử công suất phụ thuộc vào ba 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 lưu trong một chu kỳ của điện áp nguồn cấp Bậc của sóng hài sinh ra được xác định theo công thức:

Trong đó:

n: là bậc của sóng hài k: là số nguyên dương bất kỳ p: là số xung của bộ biến đổi

- Biên độ của dòng tải, dòng điện phía một chiều của bộ chỉnh lưu ảnh hưởng tới biên độ của dòng điện hài

- Biên độ của điện áp tải, điện áp một chiều của bộ chỉnh lưu ảnh hưởng tới dòng tải

Chuỗi phân tích Fourier của một hàm có chu kỳ x(t) được biểu diễn bằng biểu thức sau:

A  φ = a + jb

(2.3) với biên độ:

Hệ số a0 trong biểu thức trên có thể được rút ra bằng cách lấy tích phân cả hai vế của phương trình từ -T/2 tới T/2

 

0 1

/ 21/

Tính hệ số a0 bằng cách nhân cả hai vế phương trình (2.2) với cos(2πmt/T), với m là một số nguyên dương bất kỳ, sau đó lấy tích phân từ -T/2 đến T/2

0 1

/2 0 /2 /2

2 cos

Số hạng đầu tiên ở vế phải bằng 0

/ 2

cos

T n

/ 2

sin

T n

Ta thấy khi hàm x(t) là đối xứng lẻ, tức là x(t) = - x(- t) thì an bằng không với tất cả các giá trị n Như vậy chuỗi Fourier của một hàm lẻ chỉ có các thành phần sin

Còn khi hàm x(t) đối xứng chẵn, tức là x(t) = x(- t) thì bn bằng không với tất cả các giá trị của n Chuỗi Fourier của một hàm chẵn chỉ có các thành phần cosin Một dạng sóng có thể là chẵn hoặc lẻ tùy thuộc vào khoảng thời gian tham chiếu được lựa chọn

Hàm x(t) gọi là đối xứng nửa sóng khi x(t) = - x(t + T/2) dạng sóng của tín hiệu kiểu này có hình dạng tại thời gian từ (t + T/2) tới (t + T) là dạng âm của dạng sóng từ t tới (t + T/2) Sau một số biến đổi ta có:

0

n

a = b =n 0

Như vậy, dạng sóng đối xứng nửa sóng chỉ chứa các hài bậc lẻ

Ở chế độ vận hành đối xứng các sóng hài bậc cao có thể chia thành các thành phần thứ tự thuận, nghịch, không:

THD là một chỉ số quan trọng để đánh giá sóng hài và được gọi là hệ số méo dạng (Total Harmonic Distortion) được xác định theo công thức:

Từ công thức (2.7) ta có thể đánh giá độ méo dạng dòng điện và điện áp qua

hệ số méo dạng dòng điện và hệ số méo dạng điện áp

2.3 CÁC NGUỒN PHÁT SINH SÓNG HÀI

Các nguồn phát sinh sóng hài được tạo ra bởi tất cả các tải phi tuyến Trước khi có sự xuất hiện của các linh kiện bán dẫn công suất, nguyên nhân chính gây ra méo dạng sóng là các lò hồ quang, đèn huỳnh quang, và ở mức độ thấp hơn là từ máy biến áp và máy điện quay Dưới đây là một số nguồn phát sinh sóng hài phổ biến trong công nghiệp

2.3.1 Máy biến áp

Trong vận hành máy biến áp nếu xuất hiện hiện tượng bão hòa của lõi thép

do quá tải ho ặc máy biến áp phải làm việc với điện áp cao hơn điện áp định mức thì

có thể sinh ra sóng hài bậc cao Các máy biến áp thường được thiết kế để hoạt động

ở dưới điểm bão hòa, mật độ từ cảm của máy biến áp được lựa chọn dựa trên các yếu tố như giá thành thép, các tổn hao không tải, độ ồn và các nhân tố khác Thông thường dòng từ hóa của máy biến áp chứa rất nhiều các thành phần hài, nó có giá trị nhỏ hơn 1% dòng đầy tải Mặc dù thành phần hài sinh ra bởi máy biến áp rõ ràng là nhỏ hơn các thiết bị điện tử công suất nhưng trong hệ thống điện, nhất là hệ thống điện phân phối có đến hàng trăm máy biến áp cho nên thành phần hài gây bởi máy biến áp cũng cần được chú ý

2.3.2 Động cơ điện

Tương tự máy biến áp động cơ xoay chiều khi hoạt động sinh ra sóng hài dòng điện bậc cao Các sóng hài bậc cao được phát sinh bởi máy điện quay liên quan chủ yếu tới các biến thiên của từ trở gây ra bởi các khe hở giữa rotor và stator Các máy điện đồng bộ có thể sản sinh ra sóng hài bậc cao bởi vì dạng từ trường, sự bão hòa trong các mạch chính và các đường dò và do các dây quấn dùng để giảm dao động đặt không đối xứng

2.3.3 Lò hồ quang

Sóng hài sinh ra từ các lò hồ quang sử dụng trong sản xuất thép là không thể

dự đoán được vì tia lửa điện thay đổi liên tục, không tuần hoàn theo chu kỳ Phân tích cho thấy dòng điện hồ quang bao gồm một dải liên tục các bậc sóng hài cả nguyên và không nguyên Tuy nhiên các sóng hài bậc nguyên, đặc biệt là từ bậc hai

đến bậc bảy, có vị trí quan trọng hơn nhiều so với hài bậc không nguyên Biên độ của sóng hài cũng giảm tương ứng theo bậc hài của nó Khi mức kim loại nóng chảy trong bể chứa tăng dần, tia hồ quang trở nên ổn định hơn, dẫn đến mức độ méo dạng sóng giảm Dòng điện trở nên đối xứng ở đoạn gần trục không và như vậy sẽ triệt tiêu các bậc hài chẵn và bậc hài không nguyên Theo thống kê cho thấy sóng hài bậc cao đ ầu ra biến thiên rất lớn ví dụ như sóng hài bậc 5 là 8% khi bắt đ ầu nóng chảy, 6% ở cuối gian đoạn nóng chảy và 2% của giai đoạn cơ bản trong suốt thời gian tinh luyện

2.3.4 Các loại đèn phóng đi ện

Đây là loại tải có tính phi tuyến cao Tác hại của loại tải này cần đặc biệt chú

ý trong trường hợp đèn huỳnh quang Khi đó phải cần thêm các chấn lưu từ để hạn chế dòng điện trong giới hạn của ố ng đèn huỳnh quang và ổ n định tia hồ quang Hình dưới chỉ ra dạng sóng dòng điện và phổ tần sóng hài của loại đèn hiệu suất cao

Hình 2.4 Dạng sóng dòng điện của loại đèn phóng điện hiệu suất cao