Có rất nhiều các thiết bị có sẵn trên thị trường để điều chỉnh các méo điều hoà, chúng có thể đơn giản là nhóm tụ, cuộn kháng dây, hay phức tạp như là các bộ lọc tích cực. Có nhiều phương pháp đơn giản để làm giảm cộng hưởng ví dụ như thêm, thay đổi, thay thế một dãy tụ nhánh để thay đổi một cách hiệu quả các đáp ứng tần số của hệ thống và vì thế giữ cho độ méo điều hoà ở mức độ cho phép. Tương tự, một cuộn phản kháng cũng có thể cùng chức năng loại bỏ các cộng hưởng có hại ra khỏi hệ thống. Do tính chất đơn giản của các bộ lọc này trong điều chỉnh các điều hoà nên khi muốn loại bỏ các điều hoà thì trước tiên khảo sát các phương pháp đơn giản này thay vì đi tìm các thiết bị phức tạp.
4.4.1 CÁC THÀNH PHẦN PHẢN KHÁNG HAY CUỘN KHÁNG
Một phương pháp đơn giản nhưng rất hiệu quả để điều chỉnh méo điều hoà sinh ra do các bộ điều chỉnh tốc độ động cơ là sử dụng bộ phản kháng có kích thước tương đối nhỏ lắp đặt tại phía đầu dây vào của bộ điều chỉnh. Bộ điều chỉnh loại này đặc biệt có tác dụng đối với các bộ điều chỉnh loại PWM.
Cảm kháng làm chậm tốc độ khiến cho tụ ở phía một chiều được nạp và buộc bộ điều chỉnh kéo dài dòng điện trong một khoảng thời gian dài. Hiệu quả là dòng điện sẽ có biên độ nhỏ hơn chứa các thành phần điều hoà ít hơn trong khi năng lượng phân phối vẫn không thay đổi.
Cuộn kháng đầu vào 3% có thể làm giảm méo điều hoà do bộ điều chỉnh tốc độ kiểu PWM sinh ra xấp xỉ từ 80 xuống 40%. Đối với các ứng dụng của bộ điều chỉnh tốc độ ASD (Adjustable Speed Driver) thì bộ phản kháng này cũng có nhiều ưu điểm nữa. Nhờ hiệu quả làm chậm tốc độ nạp của tụ điện một chiều làm cho các bộ phản kháng này rất hiệu quả trong việc loại trừ các dao động phi tuyến tần số cao. Điều này giúp tránh đi các báo
- 74 -
động sai trong các quá trình năng lượng nạp của tụ điện trên hệ thống cung cấp điện. Các máy biến áp tách biệt cũng có các chức năng tương tự như bộ phản kháng nhưng giá thành của nó có thể cao hơn.
4.4.2 SỬ DỤNG CÁC MÁY BIẾN ÁP ZIGZAG
Các máy biến áp zigzag thường được ứng dụng trong các thiết bị dân dụng để điều chỉnh các thành phần dòng điện điều hoà thứ tự không. Một máy biến áp zigzag hoạt động giống như một bộ lọc dòng điện thứ tự không bằng cách tạo ra một đường dẫn trở kháng thấp đến dây trung tính, điều này làm giảm một lượng lớn dòng điện, tuy nhiên để tăng hiệu quả thì thường đặt máy biến áp gần tải cần được bảo vệ. Hai sự cố nguy hiểm nhất trong các tải dân dụng là quá tải trong dây dẫn trung tính và quá nhiệt trong máy biến áp. Cả hai sự cố này có thể được giải quyết bằng cách đặt máy biến áp zigzag tương ứng. Tuy nhiên, một máy biến áp zigzag đặt tại cuộn thứ cấp của máy biến áp sẽ không có tác dụng làm giảm tác dụng của dòng điều hoà lên dây dẫn trung tính.
Với các máy biến áp zigzag, kết quả cho thấy máy biến áp zigzag có thể đổi hướng khoảng 50% dòng điện điều hoà bậc ba trong mạch dây dẫn trung tính. Vì thế, các máy biến áp có trung tính có thể loại bỏ các dòng điều hoà thứ tự không trong dây trung tính đến một mức độ có thể chấp nhận được.
Trong các toà nhà công sở chứa các máy tính cá nhân và các thiết bị khác có liên quan thì điều hoà thứ tự không lớn nhất sẽ gần như là các điều hoà bậc ba.
Giả thiết rằng là có một địa điểm thuận lợi để lắp đặt máy biến áp giữa dây trung tính và tải tại nơi mà có khả năng có các sự cố về dây dẫn trung tính và phát nhiệt của máy biến áp, thì máy biến áp zigzag là sự lựa chọn để bảo vệ cho các thiết bị trong các toà nhà trong công sở.
- 75 -
4.4.3 CÁC BỘ LỌC THỤ ĐỘNG
Cấu tạo các bộ lọc thụ động là các thành phần điện kháng, dung kháng, và điện trở được cấu hình để điều chỉnh điều hoà. Chúng được sử dụng phổ biến và tương đối rẻ nếu so sánh cùng với các phương pháp khác cùng loại để lọc điều hoà. Tuy nhiên, chúng cũng có các khuyết điểm như có khả năng tương tác với hệ thống và khi thiết kế chúng phải xem xét đến khả năng tương tác này có xảy ra cộng hưởng với một điều hoà có mặt trong hệ thống hay không. Chúng được triển khai theo cả hai cách rẽ nhánh các dòng điều hoà ra khỏi đường dây hay là ngăn cản dòng chảy các dòng điều hoà giữa các phần trong hệ thống bằng cách thay đổi các thành phần để tạo ra một sự cộng hưởng ở tần số lựa chọn.
Bộ lọc thụ động kiểu rẽ nhánh: Loại bộ lọc thụ động phổ biến nhất hiện nay là bộ lọc điều chỉnh đơn, đây là loại kinh tế nhất và rất hiệu quả đối với các ứng dụng. Các bộ lọc này đưa ra một tổng trở thấp cho một dòng điều hoà đặc biệt và được kết nối theo kiểu rẽ nhánh với hệ thống cung cấp vì thế, các dòng điều hoà bị làm lệch hướng chảy trên đường dây qua bộ lọc. Loại bộ lọc này cũng có thể nâng cao hệ số công suất do xếp chồng điều hoà, trong thực tế là các tụ bù công suất cũng có thểđược tận dụng để tạo thành bộ lọc này.
Một khía cạnh quan trọng khác của bộ lọc loại này là nó tạo điểm cộng hưởng song song dốc tại tần số dưới tần số điều hoà cần chọn. Do đó các bộ lọc thường được điều chỉnh để có tần số lọc nhỏ hơn chút ít so với tần số được lọc để đảm bảo biên độ an toàn trong trường hợp một vài các thông số hệ thống thay đổi dẫn đến tăng tần số lọc. Nếu chúng được điều chỉnh đúng tần số cần lọc, khi dung kháng hay điện kháng của hệ thống thay đổi theo nhiệt độ có thể dẫn đến là cộng hưởng song song cao hơn bên trong điều hoà được lọc.
Khi lọc nhiều tần số điều hoà để tránh các sự cố với các dao động này, các bộ
- 76 -
lọc được thêm vào hệ thống bắt đầu từ các điều hoà nhỏ nhất tìm được trong hệ thống.
Các bộ lọc thụ động nên luôn luôn đặt ở thanh dẫn nơi mà giá trị điện kháng ngắn mạch XSC giữ ở mức không đổi. Trong khi giá trị tần số lọc giữ không đổi thì giá trị cộng hưởng song song sẽ thay đổi theo giá trị theo trở kháng của hệ thống. Vì thế trước khi thiết kế các bộ lọc phải tính đến các dung lượng của dây dẫn, tính đến khả năng khả năng mang dòng dựa trên tải sinh ra điều hoà. Tuy nhiên, chỉ với một lượng rất nhỏ méo điện áp cơ bản trên thanh dẫn có dung lượng lớn có thể tác động rất lớn lên bộ lọc.
Đơn Thông cao
bậc 1
Thông cao bậc 2
Thông cao bậc 3
Hình 4.1 Các cấu trúc bộ lọc thụ động phổ biến
- 77 -
Bộ lọc thụđộng nối tiếp:
Không giống như các bộ lọc ở trên nối kiểu rẽ nhánh đối với hệ thống, một bộ lọc nối tiếp được nối nối tiếp trong hệ thống. Cấu tạo chung gồm có điện kháng và điện dung được nối song song với nhau và được điều chỉnh để đưa ra tổng trở cao đối với một tần số điều hoà được lựa chọn. Tổng trở cao sẽ ngăn các dòng điều hoà tại các tần số được điều chỉnh, ở tần số cơ bản thì bộ lọc được thiết kế để cho phép có tổng trở thấp vì thế nó cho các dòng cơ bản đi qua dễ dàng với tổn hao thấp.
Các bộ lọc nối tiếp được sử dụng để chặn một dòng điều hoà và rất hữu ích trong các mạch một pha. Sẽ rất khó khăn nếu sử dụng bộ lọc nối tiếp trong việc lọc nhiều dòng điều hoà do mỗi một dòng điều hoà cần một bộ lọc điều chỉnh đúng với tần số điều hoà cần lọc bên cạnh đó kết cấu này có thể tạo nên các tổn hao đáng kể tại tần số cơ bản. Thêm nữa, do trong khi hoạt động bộ lọc nối tiếp phải mang đầy tải và phải có cấu trúc bảo vệ quá dòng vì thế các bộ lọc này không được ứng dụng phổ biến như bộ lọc rẽ nhánh.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
Z(Ohms)
Đáp ứng tần ố
Thứ tự điều hoà
Hình 4.2 Đáp ứng tần số của bộ lọc nhánh đơn trong hệ thống
- 78 -
Các bộ lọc thông thấp
Hai bộ lọc trên có ứng dụng thực tế rất nhiều, ví dụ bộ lọc rẽ nhánh để ngăn tần số điều hoà bậc 7 sẽ yêu cầu hai bộ lọc nhánh một bộ lọc điều hoà bậc 7 và kèm theo một bộ lọc điều hoà bậc 5. Tương tự đối với các bộ lọc nối tiếp, mỗi một bộ đòi hỏi một tần số yêu cầu lọc một bộ lọc vì thế nếu trong mạch cần lọc nhiều tần số điều hoà thì cũng đòi hỏi chừng ấy bộ lọc. Nhưng trong thực tế của các hệ thống cung cấp, điều hoà xuất hiện không chỉ ở một tần số mà nó trải rộng ở một dải tần số khác nhau, ví dụ một bộ biến đổi 6 xung có thể phát các điều hoà có tần số 5, 7, 11, 13…Thiết kế các bộ lọc nhánh và điều hoà để lọc các dải tần số này rất phức tạp vì thế phải lựa chọn một dải pháp khác khi yêu cầu lọc dải các tần số trên.
L C
Hình 4.3 Bộ lọc thụ động nối tiếp
L
C
Hình 4.4 Sơ đồ nguyên lý của bộ lọc thông thấp LC cơ bản
- 79 -
Bộ lọc băng thông thấp là một lựa chọn lý tưởng để ngăn chặn dải các tần số điều hoà. Dòng điện với các thành phần điều hoà dưới tần số cắt có thể được cho phép đi qua còn các thành phần tần số cao hơn tần số cắt sẽ bị lọc.
Trong các hệ thống phân phối, hiệu quả của các bộ lọc tần số thấp có thể thu được bằng cách lắp đặt một dãy tụ điện vào phía điện áp thấp của máy biến áp.
Dung lượng của tụ lọc được lựa chọn để đưa ra được tần số cắt mong muốn khi tổ hợp với điện kháng dò của máy biến áp và tổng trở của hệ thống. Khi thực hiện được điều này nó sẽ có khả năng ngăn chặn các tần số điều hoà trên tần số cắt xâm nhập vào phía điện áp cao của máy biến áp. Để hạn chế các điều hoà có tần số cao thì tần số cắt đôi khi có thể rất thấp, dung lượng của dãy tụ bù cao do đó làm cho điện áp tăng lên đáng kể. Nếu điện áp cứ giữ ở mức độ cao, thì phải sử dụng bộ điều chỉnh hay bộ đổi nối để làm giảm điện áp xuống một mức độ cho phép. Trong các ứng dụng hệ thống công nghiệp, các bộ lọc thông thấp được sử dụng để ngăn các điều hoà sinh ra do các tải
Hình 4.5 Đáp ứng tần số của bộ lọc băng thông thấp
- 80 -
phi tuyến đi vào trong hệ thống. Thiết kế điển hình của mạch lọc được biểu diễn theo hình sau:
Bộ phản kháng được mắc nối tiếp với dây dẫn được sử dụng để cách ly về điện giữa hệ thống xoay chiều và tải phi tuyến, sử dụng một dãy tụ để hình thành nên mạch lọc thông thấp. Tại điểm đầu vào của tải ASD (Adjustable Speed Devices), điện áp sẽ dâng lên do sự có mặt của tụ điện, một máy biến áp điều chỉnh phụ sẽ được lắp đặt để hạ điện áp vào thiết bị ASD đến một mức độ có thể chấp nhận được.Tần số cắt của bộ lọc tần số thấp dành cho các ứng dụng ASD được thiết kế thường tại một giá trị tần số điều hoà thấp, ví dụ đối với tần số sóng cơ bản là 50Hz thì tần số cắt có thể là 80Hz đến 180Hz.
Sở dĩ chọn tần số thấp như vậy để tránh các tình trạng cộng hưởng không mong muốn với các tần số điều hoà trong hệ thống và có thể lọc phần lớn dòng điều hoà. Đối với các ứng dụng ASD thì bộ lọc này có thể giảm độ méo điều hoà tổng THD từ 90 đến 100% xuống còn 9 đến 12%. Nó có tính năng
L
C Tải
phi tuyến
Hình 4.6 Một ứng dụng bộ lọc thông thấp trong hệ thống công nghiệp
- 81 -
rất ưu việt so với bộ lọc rẽ nhánh đã nói trước đây, nhưng nó có giá thành cao hơn và chế tạo phức tạp hơn.
Các bộ lọc tụ C
Các bộ lọc tụ là một sự thay thế tốt cho các bộ lọc thông thấp trong việc giảm các điều hoà tồn tại trong mạch một cách đồng thời và trong cả hai lĩnh vực dân dụng và công nghiệp. Chúng có thể tác động đến một dải giới hạn điều hoà cho đến các tần số điều hoà cao do các bộ biến đổi công suất, các lò hồ quang…sinh ra.
Với các giá trị dòng điều hoà tần số thấp, giá trị ISF (dòng điều hoà chảy ngược trở lại vào lưới)càng nhỏ thì hiệu quả của bộ lọc càng giảm do thành phần điện trở chiếm tỉ lệ nhỏ. Tại tần số điều hoà cao hơn, thì sử dụng bộ lọc tụ để làm giảm các điều hoà này sẽ không có hiệu quả. Do đó để làm giảm một cách đáng kể các điều hoà bậc cao cần phải phối hợp với một bộ lọc phụ.
Có thể phối hợp bộ lọc này với một bộ lọc kiểu rẽ nhánh để có thể làm giảm đáng kểcác điều hoà bậc cao. Trở ngại của cấu trúc này là nó sẽ có một tần số cộng hưởng song song với bộ lọc rẽ nhánh. Tần số cộng hưởng này cần được lựa chọn cẩn thận để tránh tình trạng nó bị kích thích bởi các dòng điều hoà
XS
Ca
Cm
Lm
R
ISF Iđiềuhoà
Hình 4.7 Mạch tương ứng cho các bộ lọc C
- 82 -
có mặt trong hệ thống. Thông thường thì bộ lọc rẽ nhánh có tần số lọc cao hơn tần số lọc của bộ lọc C.
Các bộ lọc tích cực
Các bộ lọc tích cực là loại tương đối mới trong các thiết bị loại trừ điều hoà, nguyên lý hoạt động là dựa trên các thiết bị điện tử công suất và chúng có giá thành rất cao so với các bộ lọc thụ động, tuy nhiên chúng có ưu điểm là chúng không cộng hưởng với trở kháng của hệ thống. Các bộ lọc chủ động có thể làm việc độc lập mà không cần quan tâm đến các tính chất trở kháng của hệ thống, vì thế chúng được sử dụng trong các trường hợp khó khăn mà các bộ lọc thụ động không thể hoạt động một cách an toàn do các sự cố cộng hưởng dao động với hệ thống. Chúng cũng có thể lọc cùng một lúc nhiều điều hoà và khắc phục các sự cố về chất lượng công suất ví dụ như flicker.Ý tưởng cơ bản của nguyên lý lọc tích cực là thay thế dòng điện điều hoà do tải sinh ra bằng dòng điện hình sin, một bộ điều khiển điện tử sẽ giám sát điện áp đường dây hay dòng điện, khi có hiện tượng méo xảy ra nó sẽ đóng cắt các thiết bị công suất một cách chính xác để ép buộc chúng theo dạng sin. Có hai cách để lưu dòng điện điều hoà được bơm vào hệ thống: một là sử dụng các cuộn kháng và hai là sử dụng các tụ điện, vì thế trong khi dòng điện tải bị méo bởi sự mở rộng của các tải phi tuyến, thì dòng điện nhìn từ hệ thống có dạng hình sin hơn nhiều.