Ứng dụng bộ lọc tích cực PWM để cải thiện chất lượng điện năng cho phụ tải công nghiệp

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG MAI THỊ ĐOAN THANH ỨNG DỤNG BỘ LỌC TÍCH CỰC PWM ĐỂ CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG CHO PHỤ TẢI CƠNG NGHIỆP Chuyên ngành: Tự động hố Mã số: 60.52.60 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: TS. Võ Như Tiến Đà Nẵng – Năm 2011 2 Cơng trình được hồn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: TS. Võ Như Tiến Phản biện 1: ………………………………… Phản biện 2: ………………………………… Luận văn sẽ được bảo vệ tại Hội đồng chấm Luận văn nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày … tháng … năm 2011. Cĩ thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thơng tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng. 3 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài: Trong những năm gần đây, tình trạng thiếu hụt điện năng ngày càng nghiêm trọng vì lý do là các trung tâm Thủy điện, Nhiệt điện, Điện khí lớn đã được khai thác triệt để. Chính Phủ đã và đang vận động từng người, từng nhà tiết kiệm điện nhưng Nhà nước chưa cĩ giải pháp tốt cho vấn đề tiết kiệm điện năng ở các Nhà máy Xí nghiệp Cơng nghiệp, vì đây mới chính là những hộ tiêu thụ điện với sản lượng gấp nhiều lần so với các hộ sinh hoạt. Cĩ một biện pháp cực kỳ hiệu quả mà ít các Doanh nghiệp và nhà Quản lý nghĩ tới, đĩ là lọc sĩng điều hịa bậc cao, trả lại tín hiệu dịng điện và điện áp hình sin cho lưới. Chúng ta biết rằng, chỉ cĩ thành phần cơ bản mới cĩ tác dụng tích cực, cịn hầu như các thành phần sĩng điều hịa cịn lại chỉ cĩ tác dụng ngược lại. Nĩ khơng những gây thất thốt mà cịn gây ra những vấn đề như: nổ tụ lọc, tụ bù, cháy van bán dẫn của các bộ biến đổi, tác động sai của máy cắt gây thăng giáng điện áp lưới, gây quá tải cho hệ thống nguồn cung cấp, đưa nhiễu vào MBA, làm cho điện áp khơng ổn định, gây tổn thất cho hệ thống truyền dẫn, giảm tuổi thọ của các thiết bị lân cận, gây nhiễu thiết bị điều khiển, truyền thơng và cảnh báo nhầm của UPS. 2. Mục đích nghiên cứu: Nhận thấy được tầm quan trọng của bộ lọc tích cực đối với các tải phi tuyến, do đĩ Luận văn đã đi sâu nghiên cứu ứng dụng bộ lọc tích cực PWM để cải thiện chất lượng điện năng cho phụ tải cơng nghiệp. 4 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Đề tài tiến hành xây dựng cấu trúc, thuật tốn điều khiển cho bộ lọc tích cực nhằm loại bỏ sĩng điều hịa để cho dịng điện sin hơn. 4. Phương pháp nghiên cứu: - Nghiên cứu hiện trạng thực tiễn của tải bể mạ, đánh giá các thành phần dịng điện bậc cao sinh ra bởi tải bể mạ lên lưới điện. - Xây dựng cấu trúc và thuật tốn điều khiển cho bộ lọc để làm chức năng lọc sĩng điều hịa bậc cao. - Đánh giá chất lượng dịng điện trên lưới sau khi sử dụng bộ lọc. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: Cơng trình cĩ ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao. Mục đích chính là nâng cao chất lượng điện năng, bộ lọc tích cực hồn tồn cĩ thể triển khai và ứng dụng với giá thành hợp lý. 6. Cấu trúc của luận văn: Luận văn này được trình bày trong bốn chương sau: Chương 1 - Tổng quan về sĩng điều hịa tại phụ tải. Chương 2 - Các phương pháp lọc sĩng điều hịa . Chương 3 - Thiết kế bộ lọc PWM Chương 4 - Mơ phỏng và đánh giá kết quả. 5 Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ SĨNG ĐIỀU HỊA TẠI PHỤ TẢI 1.1. Giới thiệu chung Trong quá trình truyền tải điện từ nơi sản xuất tới nơi tiêu thụ chất lượng điện năng bị giảm đi rõ rệt. Do đĩ cần phải cĩ các biện pháp để cải thiện chất lượng điện năng sao cho điện năng tới nơi tiêu thụ phải cĩ chất lượng tốt nhất. Như vậy đảm bảo chất lượng điện năng thì cần phải lọc bỏ sĩng điều hịa bậc cao. Tiếp theo ta sẽ đi tìm hiểu chung về sĩng điều hịa bậc cao. 1.2. Tổng quan về sĩng điều hịa 1.2.1. Giới thiệu chung Sĩng điều hịa là một dạng nhiễu khơng mong muốn, cĩ thể coi là tổng của các dạng sĩng sin mà tần số của nĩ là bội số của tần số cơ bản (nếu là bội số nguyên lần thì gọi là hài (harmonic), bội số khác số nguyên gọi là hiện tượng âm hài (inter-harmonic)). Sĩng điều hịa dịng điện bậc cao là dịng điện cĩ tần số bằng bội số nguyên lần tần số cơ bản, là dịng khơng sử dụng được với các thiết bị trên lưới. Vì vậy nĩ sẽ chuyển sang dạng nhiệt năng và gây tổn hao. 1.2.2. Các nguồn tạo sĩng điều hịa Các nguồn sinh sĩng điều hịa trong cơng nghiệp được tạo ra bởi tất cả các tải phi tuyến. Các phần tử phi tuyến điển hình là lõi thép của MBA, động cơ (đặc tính bão hịa của vật liệu sắt từ), các dụng cụ bán dẫn cơng suất như thyristor, diode của các bộ biến đổi (chỉnh lưu, nghịch lưu, điều áp xoay chiều…), các đèn điện tử, nguồn hàn, các hệ truyền động điện, lị hồ quang điện, lị nấu thép cảm ứng, lị tơi cao tần … 6 1.2.3. Ảnh hưởng của sĩng điều hịa bậc cao Sự tồn tại sĩng điều hịa bậc cao gây ảnh hưởng tới tất cả các thiết bị và đường dây truyền tải điện. Chúng gây ra quá áp, méo điện áp lưới làm giảm chất lượng điện năng. Nĩi chung chúng gây ra tăng nhiệt độ trong các thiết bị và ảnh hưởng tới cách điện, làm tăng tổn hao điện năng, làm giảm tuổi thọ của thiết bị, trong nhiều trường hợp thậm chí cịn gây hỏng thiết bị. Ảnh hưởng quan trọng nhất của sĩng điều hịa bậc cao đĩ là việc làm tăng giá trị hiệu dụng cũng như giá trị đỉnh của dịng điện và điện áp. Khi giá trị hiệu dụng và giá trị biên độ của tín hiệu dịng điện hay điện áp tăng do sĩng điều hịa bậc cao sẽ gây ra một số vấn đề: - Làm tăng phát nĩng của dây dẫn điện, thiết bị điện. - Gây ảnh hưởng đến độ bền cách điện của vật liệu, làm giảm khả năng mang tải của dây dẫn điện. - Với MBA: gây ra tổn thất đồng, tổn thất từ thơng tản và tổn thất sắt làm tăng nhiệt độ MBA , làm tăng tổn thất điện năng. - Động cơ điện: Tổn hao trên cuộn dây và lõi thép động cơ tăng, làm méo dạng momen, giảm hiệu suất máy, gây tiếng ồn. 1.3. Xuất phát điểm của đề tài Trong ngành cơng nghiệp thép, luyện kim rất nhiều đối tượng như: lị hồ quang điện một chiều, bể mạ, lị nấu thép cảm ứng,… là những đối tượng sử dụng điện cĩ cơng suất lớn, đặc tính làm việc rất phức tạp, đây là nguyên nhân làm cho chất lượng điện năng kém chất lượng. Để khắc phục hiện tượng trên cần làm giảm hay triệt tiêu thành phần dịng bậc cao. Việc này được thực hiện bằng các 7 thiết bị lọc sĩng điều hịa bậc cao, mạch gọi là bộ lọc tích cực song song (AF: Shunt Active Filter). 1.4. Kết luận chương 1: Như vậy để cải thiện chất lượng điện năng thì cần phải lọc các thành phần dịng điều hịa bậc cao. Cĩ nhiều thiết bị khác nhau cĩ thể thực hiện lọc dịng điều hịa bậc cao. Tùy thuộc vào yêu cầu kinh tế, kỹ thuật và tính chất của tải mà lựa chọn thiết bị và phương pháp phù hợp. Chương 2 - CÁC PHƯƠNG PHÁP LỌC SĨNG ĐIỀU HỊA Thực hiện chức năng lọc sĩng điều hịa bậc cao cĩ nhiều phương pháp khác nhau cả về cấu trúc phần cứng và phần mềm điều khiển. Sĩng điều hịa bậc cao được lọc bằng cách sử dụng các bộ lọc. Bộ lọc là thiết bị tạo ra đặc tuyến tần số định trước mà chức năng của nĩ là cho một số tần số đi qua đồng thời loại bỏ những tần số khác. 2.1 Bộ lọc thụ động Nguyên lý làm việc của bộ lọc loại này là ngắn mạch đối với sĩng điều hịa cần lọc để sĩng điều hịa đĩ chảy ra khỏi hệ thống. 2.1.1 Bộ lọc RC • Ưu điểm: - Bộ lọc RC là loại bộ lọc đơn giản nhất, giá thành rẻ. - Vận hành ổn định. • Nhược điểm: - Cĩ tổn hao trên điện trở, tổn hao này càng lớn khi cơng suất lớn. - Khả năng chọn lọc tần số kém. 8 2.1.2. Bộ lọc LC • Ưu điểm: Bộ lọc LC cĩ khả năng lọc tốt nhất, cĩ khả năng lọc được nhiều tần số theo ý muốn. • Nhược điểm: - Giá thành đắt và sự vận hành của mạch kém tin cậy hơn bộ lọc RC do trong mạch cĩ cuộn cảm. - Gây nhiễu cho các thiết bị thơng tin do cĩ sự phát sinh sĩng điện từ từ cuộn cảm. - Cĩ thể xuất hiện hiện tượng cộng hưởng làm tăng dịng và áp dẫn đến hỏng thiết bị. 2.2. Bộ lọc chủ động 2.2.1. Vai trị của bộ lọc tích cực • Bù cơng suất: • Bù sĩng điều hịa điện áp: • Bù sĩng điều hịa dịng điện: 2.2.2. Phân loại bộ lọc tích cực • Phân loại theo bộ biến đổi cơng suất: - Bộ lọc tích cực VSI: Đặc điểm là cĩ thể mở rộng ra cấu trúc đa bậc - Bộ lọc tích cực CSI: Đặc điểm là cĩ tần số đĩng cắt hạn chế, tổn hao đĩng cắt lớn, khơng thể mở rộng ra cấu trúc đa bậc. • Phân loại theo sơ đồ: - Bộ lọc tích cực song song AF(Shunt Active Filter): bù sĩng điều hịa dịng điện, bù CSPK, bù thành phần dịng điện khơng cân bằng. 9 - Bộ lọc tích cực nối tiếp AFs(Series Active Filter): bù sĩng điều hịa điện áp bậc cao, điều chỉnh và cân bằng điện áp tại điểm kết nối. • Phân loại theo nguồn cấp: - Bộ lọc tích cực hai dây - Bộ lọc tích cực ba dây - Bộ lọc tích cực bốn dây 2.3. Bộ lọc hỗn hợp Thực chất là sự kết hợp của bộ lọc chủ động và bộ lọc thụ động. Mục đích là giảm chi phí đầu tư ban đầu và cải thiện hiệu quả của bộ lọc động. Bộ lọc thụ động sẽ lọc những sĩng điều hịa mà bộ lọc chủ động khơng lọc được hoặc lọc một cách khĩ khăn. Ngồi ra khi kết hợp AF và AFs ta được bộ UPQC (Unified Power Quality Conditioner) kết hợp được cả tính năng của AF và AFs như Hình 2.11. 2.4. Nguyên lý làm việc của bộ lọc tích cực 2.4.1. Bộ lọc tích cực song song AF: • Chức năng của AF là triệt tiêu các sĩng điều hịa dịng điện bậc cao sinh bởi tải phi tuyến ảnh hưởng lên đường dây, trả lại cho dịng điện trên đường dây hình sin chuẩn. Ta cĩ thể phân tích thành phần dịng tải thành hai thành phần: thành phần cơ bản iF và thành phần sĩng điều hịa ih: L F hi =i +i Dịng do AF bơm lên đường dây: iC=ih Khi đĩ dịng trên đường dây sẽ là: S L h F h h Fi =i -i =i +i -i =i Như vậy dịng trên đường dây chỉ chứa thành phần cơ bản, các thành phần điều hịa bậc cao đã được bộ lọc loại bỏ. 10 2.4.2. Bộ lọc tích cực nối tiếp AFs: Chức năng của AFs là triệt tiêu thành phần sĩng điều hịa điện áp bậc cao sinh bởi tải phi tuyến để điện áp cĩ dạng sin chuẩn. Ngồi ra nĩ cịn cĩ chức năng điều chỉnh và cân bằng điện áp. Ta cĩ thể phân tích điện áp nguồn thành hai thành phần là: thành phần cơ bản UF và thành phần sĩng điều hịa Uh: US=Uh+UF Điện áp dọc đường dây do AFs tạo ra ngược pha với tổng sĩng điều hịa điện áp bậc cao và triệt tiêu thành phần điều hịa bậc cao này đảm bảo điện áp cĩ dạng sin. Nhìn từ phía tải AFs tạo ra một tổng trở đường dây. Tổng trở này bằng 0 đối với sĩng cơ bản và bằng vơ cùng lớn với các sĩng điều hịa bậc cao do đĩ giữa nguồn và tải cĩ sự cách ly sĩng điều hịa. 2.5. Kết luận chương 2: Trong chương này đi tìm hiểu vấn đề chính đĩ là tìm hiểu về các phương pháp lọc sĩng điều hịa bằng các bộ lọc tĩnh và lọc tích cực, phân tích ưu nhược điểm của hai loại trên. Qua đĩ đề tài cũng đi phân tích nguyên lý làm việc của các loại lọc tích cực. Cĩ nhiều phương pháp lọc sĩng điều hịa bậc cao, với sự phát triển của điện tử cơng suất thì ngày nay người ta đã chế tạo được các van bán dẫn chịu được dịng và áp cao do đĩ những hạn chế ở dải cơng suất của các bộ lọc và bù sử dụng các thiết bị điện tử cơng suất được cải thiện đáng kể và chúng ngày càng được sử dụng rộng rãi để cải thiện chất lượng điện năng. 11 Chương 3 - THIẾT KẾ BỘ LỌC TÍCH CỰC PWM Bộ lọc tích cực AF và nghịch lưu PWM cĩ cấu trúc phần cứng giống hệt nhau gồm bộ biến đổi nguồn áp và tụ điện một chiều, do đĩ về nguyên lý ta cĩ thể sử dụng nghịch lưu PWM để thực hiện chức năng của bộ lọc tích cực bằng việc sử dụng thuật tốn điều khiển thích hợp. Trong chương này ta sẽ ứng dụng nghịch lưu PWM để thực hiện chức năng bộ lọc tích cực. 3.1. Tìm hiểu chung về nghịch lưu PWM 3.1.1. Nguyên lý làm việc Hình 3.1. Sơ đồ mạch lực của nghịch lưu PWM Nhận thấy rằng nghịch lưu PWM cĩ cấu trúc phần cứng giống như bộ biến đổi nguồn áp VSC do đĩ uS phụ thuộc vào hệ số điều chế của VSC và điện áp trên tụ. Điện cảm L nối giữa lưới và nghịch lưu PWM là một phần khơng thể thiếu của mạch nghịch lưu đĩng vai trị như thành phần tích phân của hệ và một nguồn dịng để tạo đặc tính nâng của nghịch lưu PWM. Điện áp rơi trên cuộn cảm L là u1 chính là hiệu giữa điện áp nguồn uL và điện áp của bộ biến đổi uS: SL1 uuu −= Với uL khơng đổi do là điện áp nguồn do đĩ sẽ điều khiển được u1 thơng qua điều khiển uS. Từ việc điều khiển được u1 ta sẽ điều khiển được dịng điện iL chạy trên đường dây. 3.1.2. Cấu trúc điều khiển • Phương pháp vịng hở: Phương pháp này dựa trên việc đo thành phần dịng điện phía tải từ đĩ tách ra thành phần sĩng điều hịa chứa trong dịng tải. 12 Theo phương pháp này thì khơng cĩ thơng tin phản hồi về dịng điên trên lưới. Tất cả sai lệch trong hệ thống cả trong quá trình đo và điều khiển sẽ gây ra các sĩng điều hịa trên dịng điện lưới, các thành phần này là khơng xác định. Cấu trúc điều khiển này cĩ ưu điểm là ổn định nhưng yêu cầu số cảm biến đo dịng nhiều (4 cảm biến). • Phương pháp vịng kín: Phuơng pháp này dựa trên việc đo dịng điện trên lưới từ đĩ xác định được dịng bù cần thiết. Theo phương pháp điều khiển vịng kín sẽ cĩ thêm một mạch vịng điều chỉnh dịng điện lưới bên ngồi mạch vịng điều chỉnh dịng tải. Phương pháp này cĩ ưu điểm là thuật tốn điều khiển đơn giản hơn so với cấu trúc vịng hở và yêu cầu số cảm biến đo dịng ít hơn (2 cảm biến). 3.2. Ứng dụng nghịch lưu PWM để làm bộ lọc tích cực 3.2.1. Cơ sở của phương pháp điều khiển Nguyên lý chung để lọc sĩng điều hịa là thiết bị lọc sẽ tạo ra dịng bù bằng với tổng sĩng điều hịa dịng điện bậc cao nhưng ngược pha theo đĩ sẽ triệt tiêu sĩng điều hịa bậc cao trên dịng phía nguồn. Như vậy vấn đề cơ bản của cấu trúc điều khiển là ta phải xác định được dịng cần bù được tạo ra bởi bộ lọc để loại bỏ các dịng điều hịa bậc cao. Việc xác định dịng bù cần thiết cĩ nhiều phương pháp khác nhau.. 3.2.1. 1. Phương pháp dựa trên miền tần số * Phương pháp DFT (Discrete Fourier Transform): là thuật tốn biến đổi cho các tín hiệu rời rạc, kết quả của phép phân tích đưa ra cả biên độ và pha của thành phần sĩng điều hịa mong 13 0 a α b β c 1 1 1 2 2 2 u u 2 1 1 u = 1 - - u 3 2 2 u u 3 30 - 2 2                                    0 a α b β c 1 1 1 2 2 2i i 2 1 1i = 1 - - i 3 2 2 i i 3 30 - 2 2                                    a α b β c 1 1 u1 - - u 2 2 2 = u u 3 3 3 u0 - 2 2                    a α b β c 1 1 i1 - -i 2 2 2 = i i 3 3 3 i0 - 2 2                    Mỗi thành phần điều hịa được xác định từ đĩ tổng hợp lại trong miền thời gian để tạo tín hiệu bù cho bộ điều khiển. • Phương pháp Fast Fourier Transform (FFT): Ưu điểm của phương pháp FFT là cĩ thể tác động tới từng thành phần sĩng điều hịa theo ý muốn nhưng cĩ khối lượng tính tốn rất lớn. 3.2.1. 2. Phương pháp dựa trên miền thời gian Phương pháp này cĩ ưu điểm hơn phương pháp trên miền tần số là khối lượng tính tốn ít hơn so với trên miền tần số. Phương pháp này cĩ một số phương pháp như phương pháp dựa trên thuyết p - q, phương pháp trên khung tọa độ dq . • Phương pháp thuyết qp − : Các bước để xác định dịng bù cần thiết theo phương pháp này được tiến hành như sau: - Trước hết tính tốn dịng điện và điện áp trong hệ tọa độ αβ từ hệ tọa độ abc theo các cơng thức (3.1) và (3.2): (3.1) Tương tự ta cĩ: (3.2) Với hệ thống 3 pha khơng cĩ dây trung tính thì thành phần i0 khơng tồn tại (ia+ib+ic=0) do đĩ (3.1), (3.2) cĩ thể viết như sau: (3.3) (3.4) 14 α β α β α β u u ip = -u u iq                       − −       − + =         q p uu uu uui i c c ~1 22* * αβ βα βαβ α       − − =      q p q p AF AF ~ Từ (3.3) và (3.4) ta tính được cơng suất tải: (3.5) - Cơng suất p, q cĩ thể tách thành hai thành phần: Thành phần DC p , q tương ứng với thành phần cơ bản của dịng tải. Thành phần dao động p% , q% tương ứng với thành phần điều hịa bậc cao. p~pp += q~qq += q~qp~pqpP phase3 +++=+=− Trong đĩ : 3-phaseP : tổng cơng suất tức thời xác định bởi tải p: thành phần CSTD của 3-phaseP q: thành phần CSPK của 3-phaseP Nguồn chỉ cung cấp thành phần cơng suất DC của tải và cơng suất tổn hao của bộ biến đổi. Bộ lọc tích cực cĩ nhiệm vụ cung cấp thành phần cơng suất AC p~ của p và CSPK q. Tùy theo yêu cầu của bộ lọc cĩ yêu cầu kết hợp bù CSPK hay khơng mà thành phần q 0≠ hay q=0. Khi đĩ ta cĩ cơng suất cung cấp bởi bộ lọc: (3.6) Từ (3-5) và (3-6) ta cĩ dịng cần bù: (3.7) 15       − +−       − + =         q pp uu uu uui i c c 0 22* * ~1 αβ βα βαβ α * ca * cα* cb * cβ* cc 1 0 i i2 1 3i = - i3 2 2 i 1 3 - - 2 2                                                   − =           β α θθ θθ i i i i i i q d 00 cossin0 sincos0 001 Tuy nhiên do điện áp trên tụ là khơng ổn định do đĩ để đảm bảo điện áp trên tụ là khơng đổi thì nguồn cần cung cấp một cơng suất p0 để duy trì điện áp trên tụ khơng đổi. Khi đĩ từ (3.7) ta cĩ: (3.8) Đây là cơng thức tính dịng bù cần thiết trong hệ αβ khi kết hợp cả chức năng lọc sĩng điều hịa và bù CSPK. Từ dịng bù tính được trong hệ tọa độ αβ ta tính được dịng cần bù trong hệ abc. Từ (3.4) và (3.8) ta thu được: (3.9) Như vậy bằng cách sử dụng thuyết qp − ta đã xác định được dịng bù cần thiết từ đĩ xây dựng cấu trúc điều khiển cho AF. • Phương pháp xác định dịng bù trong hệ dq: theo phương pháp này cĩ thể xác định tồn bộ dịng bù hoặc cĩ thể lựa chọn từng thành phần sĩng điều hịa cần bù. Cơng thức đổi dịng điện từ khung toạ độ αβ (được sử dụng trong phương pháp thuyết p – q) sang khung toạ độ dq: (3.10) Với hệ thống 3 pha khơng cĩ dây trung tính thì thành phần i0 khơng tồn tại (ia+ib+ic=0) do đĩ (3.10) cĩ thể viết như sau: 16       =      β α i i S i i q d       −+ = α β β α βα u u u u uu S 22 1 Ld LLL Ld i uu p uu iuiu i = + = + + = 2222 .. βα αβ βα ββαα dc L uu p         + 22 βα αβ           +        + =           + = − β α βαβα αβ β α βα u u uuuu p u u uu ii dc L LdC 0 1 0 1 222222 * (3.11) với (3.12) Mỗi thành phần dịng điện (id, iq) cĩ thể tách thành hai thành phần: - Thành phần DC di , qi tương ứng với thành phần cơ bản của dịng tải. - Thành phần dao động , tương ứng với thành phần điều hịa bậc cao. (3.13) Ldii = * Cd ; 0 * 0 * == CCq ii (3.14) Từ (3.12) thành phần dịng tải trên trục d là: + (3.15) Với Ldi = (3.16) (3.17) Sau khi tính được dịng cần bù ở khung toạ độ αβ ta cần chuyển qua khung toạ độ abc theo cơng thức (3.9) Ta cĩ cơng thức tính dịng điện của bộ lọc là: * CLF iii −= 17 3.3. Cấu trúc điều khiển nghịch lưu PWM làm chức năng bộ lọc sĩng điều hịa: 3.3.1. Nguyên lý điều khiển Trong cấu trúc này chỉnh lưu PWM thực hiện cả chức năng lọc sĩng điều hịa bậc cao và bù CSPK. Nguồn một chiều cấp cho biến đổi cĩ thể cấp trực tiếp từ nguồn một chiều hoặc từ tụ điện. Dịng bù được coi như là tín hiệu chuẩn và dịng điện phát ra bởi bộ biến đổi phải đảm bảo bám theo dịng này. Để thực hiện việc này cĩ thể cĩ nhiều cách nhưng ở đây tác giả chọn bộ điều khiển logic mờ để điều khiển. 3.3.2. Thiết kế bộ điều khiển mờ: Mục tiêu điều khiển là tín hiệu dịng if do bộ lọc phát ra bám theo tín hiệu đặt *Ci + Tín hiệu vào: Sai lệch e= *Ci -if và đạo hàm sai lệch de/dt (kí hiệu de) + Tín hiệu ra: u 3.4. Kết luận chương 3: Do mục tiêu của Luận văn là đi triệt tiêu sĩng điều hịa dịng điện bậc cao, do đĩ bộ lọc tích cực được lựa chọn là AF. Nguyên lý làm việc của AF cĩ nhiều điểm tương đồng với bộ nghịch lưu PWM nên trong chương này đi nghiên cứu về nguyên lý làm việc của nghịch lưu PWM. Trong chương này cũng đã nêu ra các cơ sở lý thuyết và ứng dụng nĩ để xây dựng thuật tốn điều khiển để điều khiển bộ nghịch lưu PWM làm chức năng của bộ lọc tích cực. Từ những cơ sở trên và dựa vào tính chất của phụ tải, đề tài đã đi lựa chọn cấu trúc phần cứng và sử dụng phương pháp dq vào việc điều khiển AF (bộ lọc tích cực song song). 18 12 1 . . ϖdcdc n dc UU SC ∆ = )(1654.0 50**2*2*20*400 831399.15 FCdc ≈= pi )max( 2 )( max dt di UU L peaksource dc − = )(10*609.2 150781580.468 2127 2 400 5 max HL − ≈ − = Chương 4 – MƠ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 4.1. Tính tốn các tham số của bộ lọc AF 4.1.1. Xác định giá trị điện áp một chiều cấp cho nghịch lưu Thơng thường chọn điện áp một chiều ở giá trị: 0ddc U)3.12.1(U ÷= (4.2) Từ (4.1) và (4.2) ta tính được điện áp một chiều cấp cho mạch nghịch lưu là: Udc= 1.3*2.45*127 ≈ 400 (V) 4.1.2. Xác định giá trị tụ điện Cdc Giá trị tụ điện C được tính tốn sao cho đảm bảo tạo được điện áp cấp ổn định cho mạch nghịch lưu là 400(V) và Cdc phải đủ lớn để loại bỏ được những thành phần điện áp lăn tăn trên tụ. (4.3) Thay số vào (4.3) ta cĩ : 4.1.3. Xác định giá trị điện cảm Lf Theo tài liệu [8], giá trị điện cảm fL được xác định: (4.5) Thay số vào (4.5) ta cĩ: Chọn: )(10*6.2 5 HL f −= 19 4.1.4. Xác định và lựa chọn thơng số van điều khiển Dịng điện cực đại qua van bằng tổng các thành phần sĩng điều hịa. Imax = I5 + I7 + I11 + I13 + I17 = 1186.67 (A) Với tản nhiệt cĩ tiết diện đủ lớn và điều kiện làm mát bằng quạt ta cĩ thể chọn van với dịng định mức qua van là: Iđm = 2Imax=2* 1186.67 = 2373.34 (A) 4.2. Mơ hình hĩa hệ thống trên phần mềm matlab/simulink ơHình 4.1. Sơ đồ cấu trúc điều khiển chung của hệ thống bao gồm tải bể mạ và bộ lọc AF 4.2.1. Khâu cấp nguồn 4.2.2. Khâu đo lường 4.2.3. Khâu hiển thị Tính tốn iSref αβ Tải bể mạ abc abc αβ αβ αβ dq ~ ~ iS iL iF uS iLα iLβ iLd iLq LP iL αβ abc uα uβ - + iFa_iFb_iFc PWM LF C iSref α iSref β 20 4.2.4. Khâu đo dịng đầu ra của bộ lọc 4.2.5. Cuộn kháng đầu vào Lf của bộ lọc và tụ điện một chiều Cdc 4.2.6. Mạch ổn định điện áp trên tụ Cdc 4.2.7. Khâu tính tốn dịng bù chuẩn cho bộ chỉnh lưu PWM Hình 4.9. Mơ hình của khâu tính tốn dịng bù chuẩn 4.2.8. Khâu phát xung điều khiển bộ chỉnh lưu PWM: 4.2.9.Khâu tải: 4.2.9.1. Tải R-L-C: Hình 4.18. Mơ hình tải R-L-C 21 4.2.9.2. Tải bể mạ kẽm: 4.3. Đánh giá tác dụng của bộ lọc với tải bể mạ trong trường hợp nguồn lý tưởng: Hình 4.20. Sơ đồ mơ phỏng hệ thống với chức năng lọc trong trường hợp nguồn lý tưởng 4.3.1. Đối với tải R-L-C: Các thơng số tải: RDC = 0,5 Ω; LDC = 0,3.10-3; CDC = 470µF; Hình 4.22. Đồ thị dịng điện nguồn ba pha cấp cho tải RLC trước và sau khi AF tác động Hình 4.19 Mơ hình tải bể mạ 22 Dịng điện nguồn ba pha sau khi AF tác động, ta thấy đã cĩ dạng hình sin. 4.3.2. Đối với tải bể mạ: Các thơng số mơ phỏng: - Điện áp cấp vào phía chỉnh lưu: 220(V), 50(Hz) - Điện áp định mức trên tải: 24(V) - Cuộn kháng: L = 2.5 *10-6 (H) - Tụ điện: C = 0.1654(F) • Dịng điện nguồn cấp cho phụ tải bể mạ: Hình 4.28. Đồ thị dịng điện nguồn cung cấp cho tải bể mạ trước và sau khi AF tác động Dịng điện nguồn sau khi AF tác động, ta thấy đã cĩ dạng hình sin, nghĩa là các thành phần dịng điều hịa bậc cao đã giảm đi. Hình 4.35. Dạng sĩng tín hiệu và phổ của sĩng điều hịa dịng điện nguồn pha A iSa 23 hL Uf dcsw 9= Từ phân tích trên ta nhận thấy khi tải bể mạ đã đi vào làm việc ổn định, hệ số méo dạng dịng điện THD là 0.74%. Đối chiếu với tiêu chuẩn IEEE std 519 (ở Bảng 1.2) ta thấy hệ số THD thỏa mãn tiêu chuẩn (<5%) như vậy trong trường hợp này bộ lọc làm việc đáp ứng được yêu cầu. Chất lượng dịng điện trên lưới được bảo đảm. Như vậy ta cĩ thể kết luận rằng phương án lựa chọn bộ lọc tích cực song song 3 pha 3 nhánh và thuật tốn được áp dụng là phù hợp và AF đã đáp ứng được yêu cầu. 4.4. Tính khả thi của đề tài • Lựa chọn van bán dẫn: Việc lựa chọn van bán dẫn đã được đề cập ở Mục 4.1.4, ngồi dịng điện, điện áp mà van cĩ thể làm việc trong chế độ liên tục thì một tham số rất quan trọng để xem xét van IGBT đĩ là tần số chuyển mạch của van. Tần số chuyển mạch của các van bán dẫn cĩ thể tính tốn theo tài liệu [23] qua cơng thức sau: (4.6) Với h là giới hạn sai lệch và L là giá trị của điện cảm ở phía trước bộ lọc. Với dịng tải định mức của bể mạ khoảng 1000A, trong trường hợp trên ta chọn băng sai lệch là 100(A) tương ứng với 10% thì tần số chuyển mạch là: )(300 10*5.1*100*9 400 6 kHzfsw ≈= − 24 Do tần số chuyển mạch của các van bán dẫn cao, do đĩ sử dụng IGBT cĩ thể đáp ứng được do IGBT cĩ tần số đĩng cắt cao cĩ thể đạt đến gần 100(kHz). • Chọn tụ điện: Để được giá trị là 165400(µF ) ta chọn tụ điện cĩ điện dung là 15000(µF ) và điện áp mà tụ chịu được là 450(V). Khi đĩ để thỏa mãn tụ điện theo tính tốn ở trên với C=165400(µF ), điện áp trên tụ là 400(V) ta cĩ thể ghép 11 tụ song song với nhau, do đĩ điện dung tổng là 15000*11=165000(µF ). • Chọn thiết bị điều khiển: Do thuật tốn điều khiển địi hỏi khả năng tính tốn lớn do đĩ việc lựa chọn thiết bị điều khiển địi hỏi phải cĩ khả năng tính tốn mạnh để đảm bảo tính thời gian thực nên cĩ thể sử dụng DSP. • Kết luận: Qua quá trình phân tích tính khả thi của từng thành phần trong hệ thống, ta cĩ thể kết luận là đề tài hồn tồn cĩ thể triển khai trên mơ hình thực nghiệm. 4.5. Kết luận Qua quá trình tính tốn và mơ hình hĩa bộ lọc trên phần mềm matlab/simulink, chúng ta nhận thấy với cấu trúc, phương pháp, thuật tốn điều khiển đã lựa chọn cho thấy bộ lọc làm việc rất tốt (về chỉ tiêu chất lượng ổn định tĩnh, tốc độ và chất lượng đáp ứng quá độ [22]), dịng điện sau khi lọc cĩ độ méo dạng đạt được tiêu chuẩn cho phép của IEEE std 519 và IEC 1000-3-4. 25 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Luận văn đã thực hiện được: - Phân tích về sĩng điều hịa, các nguồn tạo ra sĩng điều hịa và ảnh hưởng của nĩ đến thiết bị điện. - Tìm hiểu về các phương pháp lọc sĩng điều hịa bằng các bộ lọc tĩnh và lọc tích cực, phân tích ưu nhược điểm của hai loại trên. Qua đĩ đề tài cũng đi phân tích nguyên lý làm việc của các loại lọc tích cực. - Nghiên cứu về nguyên lý làm việc của chỉnh lưu PWM. Nêu ra các cơ sở lý thuyết và ứng dụng nĩ để xây dựng thuật tốn điều khiển để điều khiển bộ chỉnh lưu PWM làm chức năng của bộ lọc tích cực. Từ những cơ sở lý thuyết trên và dựa vào tính chất của phụ tải, đề tài đã đi lựa chọn cấu trúc phần cứng và sử dụng phương pháp dq vào việc điều khiển bộ lọc tích cực AF. - Luận văn đã thực hiện mơ phỏng tải bể mạ và hệ thống cung cấp điện cho nĩ bằng phần mềm matlab/simulink, từ đĩ phân tích, đánh giá các thành phần sĩng điều hịa phát ra từ tải dựa vào việc phân tích phổ của tín hiệu, đánh giá độ méo dạng THD. Từ đĩ đưa ra phương án để lọc dịng điều hịa bậc cao bằng bộ lọc tích cực 3 pha 3 nhánh nhằm trả lại dịng điện sin cho lưới, đánh giá sự khả thi của đề tài trong vấn đề triển khai ứng dụng. Qua quá trình tính tốn và mơ hình hĩa bộ lọc trên phần mềm matlab/simulink, chúng ta nhận thấy với cấu trúc, phương pháp, thuật tốn điều khiển đã lựa chọn cho thấy bộ lọc làm việc tốt (về chỉ tiêu chất lượng ổn định tĩnh, tốc độ và chất lượng đáp ứng quá độ), dịng điện sau khi lọc cĩ độ méo dạng đạt được tiêu chuẩn cho phép của IEEE std 519 và IEC 1000-3-4, đĩ là sự thành cơng của đề tài. 26 Đề xuất hướng phát triển: Một hướng giải quyết khác để khơng bị ảnh hưởng bởi điện áp nguồn là sử dụng phương pháp phương pháp FFT. Phương pháp này cĩ ưu điểm là chỉ tiêu chất lượng tĩnh và đáp ứng quá độ rất tốt [22]. Tuy nhiên khối lượng tính tốn sẽ rất lớn so với phương pháp khung toạ độ dq.