Đồ án ngành Mạch lọc tích cực: Nghiên cứu tổng quan lọc tích cực, xây dựng bộ điều khiển cho bộ lọc tích cực song song

Chia sẻ: Nguyen Trong Chi | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:91

Thêm vào BST

Báo xấu

149
lượt xem 17
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung đồ án gồm 3 chương: Chương 1 - Tổng quan về sóng điều hòa, chương 2 - Các bộ lọc sóng điều hòa và chương 3 - Thiết kế bộ lọc tích cực song song. Mời các bạn tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đồ án ngành Mạch lọc tích cực: Nghiên cứu tổng quan lọc tích cực, xây dựng bộ điều khiển cho bộ lọc tích cực song song

MỤC LỤC MỤC LỤC ............................................................................................................. 1 MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ SÓNG ĐIỀU HÒA ......................................... 5 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ ............................................................................................ 5 1.2. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ SÓNG ĐIỀU HÒA ........................................ 5 1.3. CÁC NGUỒN SINH SÓNG ĐIỀU HÒA .................................................. 8 1.3.1. Máy điện ............................................................................................. 8 1.3.2. Các đèn huỳnh quang ........................................................................ 10 1.3.3. Các thiết bị hồ quang ........................................................................ 10 1.3.4. Thiết bị điện tử công suất ................................................................ 11 1.4. ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG ĐIỀU HÒA BẬC CAO ............................. 16 1.4.1. Với máy biến áp ............................................................................... 17 1.4.2. Động cơ điện .................................................................................... 18 1.4.3. Với tụ điện ....................................................................................... 19 1.4.4. Dây trung tính .................................................................................... 21 1.4.5. Dây dẫn điện .................................................................................... 21 1.4.6. Nhiễu điện từ ................................................................................... 22 1.4.7. Ảnh hưởng đến các thiết bị khác ..................................................... 22 1.5. MỘT SỐ TIÊU CHUẨN GIỚI HẠN THÀNH PHẦN SÓNG HÀI TRÊN LƯỚI .............................................................................................................. 23 1.5.2. Tiêu chuẩn IEC 100034 ................................................................. 25 CHƯƠNG 2. CÁC BỘ LỌC SÓNG ĐIỀU HÒA ............................................. 26 2.1. BỘ LỌC THỤ ĐỘNG ............................................................................. 26 2.1.1. Dùng cuộn kháng triệt sóng hài ........................................................ 26 2.1.2. Bộ lọc RC ......................................................................................... 29 2.1.3. Bộ lọc LC .......................................................................................... 30 2.1.4. Mạch lọc cản .................................................................................... 30 1
2.1.5. Mạch lọc kép .................................................................................... 31 2.1.4. Mô phỏng bộ lọc thụ động cho tải phi tuyến ................................. 31 2.2. BỘ LỌC TÍCH CỰC ............................................................................... 35 2.2.1. Gới thiệu về bộ lọc tích cực ............................................................ 35 2.2.2. Các phạm vi công suất của mạch lọc tích cực ............................... 35 2.2.3. Phân loại mạch lọc tích cực ............................................................. 36 2.3. DÙNG BỘ CHUYỂN ĐỔI XUNG TRONG THIẾT BỊ ĐỔI ĐIỆN, ĐIỀU KHIỂN .................................................................................................. 42 2.3. BỘ LỌC HỖN HỢP ............................................................................... 43 CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ BỘ LỌC TÍCH CỰC SONG SONG ........................ 45 3.1. KHÁI QUÁT CHUNG VỀ CHỈNH LƯU PWM ..................................... 45 3.1.1. Sơ đồ nguyên lý mạch lực ............................................................... 45 3.1.2. Một số cấu trúc điều khiển ............................................................. 47 3.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ LỌC TÍCH CỰC ............... 48 3.2.1. Phương pháp dựa trên miền tần số ................................................. 48 3.2.2. Các phương pháp dựa trên miền thời gian ...................................... 50 3.3. CẤU TRÚC MẠCH LỌC TÍCH CỰC SONG SONG SỬ DỤNG CHỈNH LƯU PWM ........................................................................................ 56 3.3.1. Nguyên lý điều khiển ....................................................................... 56 3.3.2. Phương pháp điều khiển PWM dòng điện ...................................... 57 3.3. THIẾT KẾ MẠCH LỌC TÍCH CỰC SỬ DỤNG CHỈNH LƯU PWM . 62 3.3.1. Xây dựng mô hình mô phỏng ........................................................... 62 3.3.2. Khảo sát với nguồn điện lý tưởng ................................................... 68 3.3.3. Thiết kế thi công mô hình mạch lọc tích cực .................................. 74 3.3.4. So sánh kết quả thực nghiệm với kết quả mô phỏng. ................... 84 KẾT LUẬN ......................................................................................................... 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 91 2
MỞ ĐẦU Tổn thất điện năng ở nước ta thuộc loại cao trong khu vực. Nhiều vùng của nước ta tổn thất điện năng lên tới hàng chục phần trăm. Điều này gây sức ép cho ngành điện buộc ngành điện phải vào cuộc nhằm giảm tổn thất điện năng tới mức thấp nhất. Trên thực tế đó, em đã lựa chọn tền đề tài tốt nghiệp là: “Nghiên cứu tổng quan lọc tích cực, xây dựng bộ điều khiển cho bộ lọc tích cực song song”. Đây là một trong những công nghệ hiện đại đã được ứng dụng rộng rãi ở các nước tiên tiến trên thế giới nhưng vẫn còn khá mới mẻ với nước ta. Nội dung đồ án đi sâu vào xây dựng cấu trúc và thuật toán điều khiển để lọc sóng điều hòa bậc cao. Để thực hiện điều đó nội dung đồ án cần phải giải quyết vấn đề sau: Nghiên về các thành phần sinh sóng điều hòa và những ảnh hưởng của sóng điều hòa. Tìm hiểu về những bộ lọc sóng điều hòa thông dụng và ưu nhược điểm của từng loại. Nghiên cứu lý thuyết bộ lọc từ đó xây dựng cấu trúc và thuật điều khiển cho bộ lọc tích cực. Đánh giá chất lượng điện lưới sau khi xử dụng bộ lọc. Các yêu cầu đó sẽ được làm rõ và giải quyết trong đồ án. Các vấn đề được trình bày trong ba chương: Chương 1. Tổng quan về sóng điều hòa. Chương 2. Các bộ lọc sóng điều hòa. Chương 3. Thiết kế bộ lọc tích cực song song. Trong quá trình nghiên cứu, với sự nỗ lực của bản thân và sự giúp đỡ của các thầy giáo, cô giáo trong Bộ môn Điện tự động Công nghiệp đặc biệt là hai thầy Đoàn Văn Tuân và thầy Vũ Ngọc Minh, cùng với sự giúp đỡ của các bạn em đã hoàn thành đồ án này. Tuy nhiên do thời gian còn tương đối 3
ngắn và trình độ chuyên môn vẫn còn hạn chế nên bản đổ án này không tránh khỏi những thiếu sót. Em mong nhận được sự góp ý của các thầy cô giáo để bản đồ án này được hoàn thiện hơn. 4
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ SÓNG ĐIỀU HÒA 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ Chất lượng điện năng bao gồm tần số, điện áp. Tần số là thông số mang tính hệ thống hầu như được giữ ổn định. Một chỉ tiêu chất lượng quan trọng của điện áp là thành phần sóng hài. Trước đây thành phần sóng hài không được chú ý đến vì yêu cầu chất lượng điện chưa cao, mặt khác các thiết bị gây ra sóng hài còn ít. Hiện nay chất lượng điện yêu cầu cao hơn, các thiết bị điện tử công suất lớn sử dụng nhiều, dẫn tới tăng tỷ lệ sóng điều hòa so với sóng cơ bản. Các thiết bị sử dụng điện chỉ hoạt động tốt nhất nếu chất lượng điện đảm bảo. Sóng điều hòa sinh ra do trên lưới điện tồn tại các phần tử phi tuyến, gây ra các bất lợi như; gây méo tín hiệu sin của lưới điện, làm giảm hệ số công suất, tăng tổn thất, giảm độ tin cậy cung cấp điện, làm giảm chất lượng điện năng.... Nên việc lọc bỏ các thành phần sóng hài cần được giải quyết. Tiếp theo ta sẽ đi tìm hiểu chung về sóng điều hòa bậc cao. 1.2. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ SÓNG ĐIỀU HÒA Sóng điều hòa hay sóng hài có thể coi là tổng của các dạng sóng sin mà tần số của nó là bội số nguyên của tần số cơ bản. 40 30 20 10 I (A) 0 -10 -20 -30 -40 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02 Time (s) Hình 1.1. Dạng sóng sin và dạng sóng điều hòa 5
Ở chế độ vận hành đối xứng các sóng điều hòa bậc cao có thể chia thành các thành phần thứ tự thuận, nghịch, không: Thành phần thứ tự thuận: Các sóng điều hòa bậc 4, 7, 11, … Thành phần thứ tự nghịch: Các sóng điều hòa bậc 2, 5 8, … Thành phần thứ tự không: Các sóng điều hòa bậc 3, 6, 9, … Khi vận hành không đối xứng thì mỗi sóng điều hòa có thể bao gồm một trong ba thành phần thứ tự nói trên. Sóng điều hòa bậc cao ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng lưới điện và phải chú ý khi tổng sóng điều hòa dòng điện bậc cao hơn mức độ cho phép. Sóng điều hòa dòng điện bậc cao là dòng điện có tần số bằng bội số nguyên lần tần số cơ bản. Ví dụ 150(Hz) trên lưới 50 (Hz) là dòng điều hòa bậc 3, dòng 150(Hz) là dòng không sử dụng được với các thiết bị trên lưới. Vì vậy nó sẽ chuyển sang dạng nhiệt năng và gây tổn hao. Sử dụng chuỗi Furier với chu kỳ T(s), tần số cơ bản f=1/T(s) (Hz) hay =2 f (rad) có thể biểu diễn một sóng điều hòa với biểu thức sau: f( t) = + Fsin(n t+ n) (1.1) Trong đó: : Giá trị trung bình. F: Biên độ sóng điều hòa bậc n trong chuỗi Furier. F1sin( t+ ) : Thành phần sóng cơ bản. Fnsin(n t+ n): Thành phần sóng điều hòa bậc n n : Góc pha của sóng điều hòa bậc n Ta có thể viết lại như sau: Fsin(n t+ ) = F(sinn t.cos +sin .cosn t) Quy ước như sau: Fsin = b, Fcos = a 6
Hình 1.2. Phân tích F thành a và b. Khi đó ta có thể viết như sau: f( t) = +acosn t+bsinn t (1.2) Hay có thể viết (1.2) dưới dạng như sau: f( t) = + (1.3) Ví dụ về phổ của sóng điều hòa: Hình 1.3. Phổ của sóng điều hòa. THD là một tham số quan trọng để đánh giá sóng điều hòa và được gọi là hệ số méo dạng (Total Harmonic Distortion). THD = (1.4) Trong đó: X: Là biên độ thành phần cơ bản X: Là biên độ thành phần điều hòa bậc n. Theo đó từ (1.4) ta có thể đánh giá độ méo dòng điện và điện áp qua hệ số méo dạng dòng điện và hệ số méo dạng điện áp. Hệ số méo dạng điện áp: THD = (1.5) Trong đó: U: Là biên độ thành phần điện áp cơ bản. U: Là biên độ thành phần áp điều hòa bậc n. 7
1.3. CÁC NGUỒN SINH SÓNG ĐIỀU HÒA Trong những năm gần đây, các thiết bị điện tử (như bộ điều chỉnh tốc độ động cơ, các bộ chỉnh lưu điều khiển, máy vi tính,…) đã gây ra nhiều vấn đề liên quan đến sóng họa tần trong lưới điện. Đối với hệ thống truyền tải điện thì ảnh chủ yếu do cảm kháng từ hóa phi tuyến của máy biến áp, thiết bị hồ quang như: các lò điện hồ quang, các máy hàn, các cuộn kháng điện trong các thiết bị hoạt động trên cơ sở cảm ứng điện từ. Đối với điều kiện vận hành không cân bằng giữa các pha như điện áp hệ thống không cân bằng, tổng trở hệ thống hay tải không cân bằng mỗi thành phần sóng hài có thể xảy ra trong ba thành phần (thuận, nghịch, không). Ngoài ra các tụ bù trong lưới điện thường kết hợp với cảm kháng lưới tạo ra mạch cộng hưởng làm khuếch đại các dòng hài có tần số lân cận tần số cộng hưởng tồn tại trong lưới. Sau đây đi xem xét chi tiết các nguồn họa tần. 1.3.1. Máy điện a.Máy biến áp Trong vận hành máy biến áp nếu xuất hiện hiện tượng bão hòa của lõi thép do quá tải hoặc máy biến áp phải làm việc với điện áp cao hơn điện áp định mức thì có thể sinh ra sóng điều hòa bậc cao. [3] Khi từ hóa lõi thép máy biến áp, do mạch từ bão hòa sẽ làm xuất hiện những hiện tượng mà trong một số trường hợp ảnh hưởng đến trạng thái làm việc của máy biến áp. Ở đây xét những ảnh hưởng đáng kể đó khi máy biến áp làm việc không tải. Ta biết rằng khi đặt vào dây quấn sơ cấp điện áp hình sin thì sẽ sinh ra dòng điện không tải I chạy trong nó, dòng điện không tải I này sinh ra từ thông chạy trong lõi thép. Ở đây nếu không kể đến tổn hao trong lõi thép thì dòng điện không tải I thuần túy là dòng điện phản kháng dùng để từ hóa lõi thép. Khi đó quan hệ =f(I) cũng chính là quan hệ từ hóa B=F(H). Trên cơ sở lý thuyết mạch, do hiện tượng bão hòa của lõi thép, nếu là hình sin thì I 8
không hình sin và có dạng nhọn đầu và trùng pha với , nghĩa là dòng điện I ngoài thành phần sóng cơ bản còn có các thành phần sóng hài bậc cao 3, 5, 7…, trong đó đáng chú ý là thành phần hài bậc 3 lớn nhất và đáng kể hơn cả, còn các thành phần khác khá nhỏ. Hình 1.4. Hiện tượng từ trễ và bão hòa mạch từ làm méo dạng sóng dòng điện b. Động cơ điện Tương tự máy biến áp động cơ xoay chiều khi hoạt động sinh ra các sóng điều hòa bậc cao. Các sóng điều hòa bậc cao được phát sinh bởi máy điện quay liên quan chủ yếu đến các biến thiên của từ trở gây ra bởi các khe hở giữa roto và stato. Các máy điện đồng bộ có thể sản sinh ra sóng điều hòa 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. Máy phát cấp cho tải không đối xứng: Trong quá trình cung cấp điện có thể xảy ra các trường hợp tải các pha không bằng nhau. Như vậy máy phát điện đồng bộ làm việc ở tải không đối xứng, trong máy điện đồng bộ sẽ sinh ra một số hiện tượng bất lợi như điện áp không đối xứng, các sóng hài sức điện động và dòng điện bậc cao. Và đặc 9
biệt khi có dòng họa tần phát sinh mạch ngoài tác động lên đầu cực máy phát từ đó có sự biến thiên từ trở phản ứng giữa các khe hở của stator và rotor của máy làm chuyển đổi bậc dòng họa tần này lan truyền vào trong hệ thống. 1.3.2. Các đèn huỳnh quang Ngày nay các đèn huỳnh quang được sử dụng rộng rãi do có ưu điểm là tiết kiệm được chi phí. Tuy nhiên sóng điều hòa bậc cao sinh ra bởi đèn huỳnh quang cũng rất lớn. 1.3.3. Các thiết bị hồ quang Các thiết bị thường gặp trong hệ thống điện là các lò hồ quang công nghiệp, các máy hàn… Theo thống kê thì điện áp lò hồ quang cho thấy sóng điều hòa bậc cao đầu ra biến thiên rất lớn ví dụ như sóng điều hòa bậc 5 là 8% khi bắt đầu nóng chảy, 6% ở cuối gian đoạn nóng chảy và 2% của giai đoạn cơ bản trong suốt thời gian tinh luyện.[3] Trong thực tế các lò quang thường dùng trong ngành công nghiệp thép có sơ đồ nguyên lý như hình 1.5. Với lò hồ quang xoay chiều, sóng hài tạo ra là phi tuyến, bất đối xứng và không ổn định. Nó sinh ra dòng hài bậc chẵn, lẻ và phổ liên tục. Với lò hồ quang một chiều, được cấp điện qua bộ chỉnh lưu tĩnh dùng thyristor thì sinh các dòng hài bậc cao như bộ chỉnh lưu và tính liên tục của phổ dòng điện ở mức nhỏ hơn lò hồ quang dùng điện AC. 10
Hình 1.5. Lò hồ quang cấp nguồn xoay chiều và một chiều 1.3.4. Thiết bị điện tử công suất Bản thân các bộ biến đổi điện tử công suất (chỉnh lưu, nghịch lưu, điều áp xoay chiều…) đều được cấu thành từ các thiết bị bán dẫn như diode, thyristor, MOSFET, IGBT, GTO… là những phần tử phi tuyến là nguồn gốc gây sóng điều hòa bậc cao. Tùy thuộc vào cấu trúc của các bộ biến đổi mà sóng điều hòa sinh ra khác nhau. Các mạch chỉnh lưu trong biến tần thường là chỉnh lưu cầu ba pha có ưu điểm là đơn giản, rẻ, chắc chắn nhưng thành phần đầu vào chứa nhiều sóng điều hòa. Do đó để giảm bớt sóng điều hòa có thể dùng hai mạch chỉnh lưu cầu ba pha ghép lại với nhau tạo thành chỉnh lưu 12 xung hoặc ghép 4 bộ chỉnh lưu cầu ba pha vào tạo thành bộ chỉnh lưu 24 xung sẽ cho ra dòng điện trơn hơn, giảm được các thành phần điều hòa. Từ đó có thể thấy là khi muốn Discre t e , Ts = 1 e 0 0 5 s. p o we rg u i giảm sóng điều hòa dòng điện ta có thể tăng số van trong mạch chỉnh lưu lên. Scope Tuy nhiên khi đó gây ra một số bất lợi như cồng kềnh, nặng, điều khiển phức i + A + tạp, tổn thất công suất và sinh ra sóng điều hòa dòng điện bậc cao khi tải B C không đối xứng hoặc điện áp không đối xứng. Univ er sal Br idge A B C Ta xét dạng sóng điều hòa gây ra bởi một số bộ biến đổi công suất: N Xét cầu chỉnh lưu một pha không điều khiển có mô hình như sau: i + Hình 1.6. Mô hình chỉnh lưu cầu một pha không điều khiển Dòng điện trên đường dây cấp nguồn cho bộ chỉnh lưu: 11
Selected signal: 5 cycles. FFT window (in red): 1 cycles 1 0 -1 Selected signal: 5 cycles. FFT window (in red): 1 cycles 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 1 Time (s) ` 0 Hình 1.7. Dòng điện l-1ưới gây ra do bộ chỉnh lưu một pha không điều khiển Fundamental (50Hz) = 1.535 , THD= 15.21% Dạng phổ của dòng đi 14 ện: 0 0.02 0.04 Time (s) 0.06 0.08 0.1 12 Mag (% of Fundamental) 10 Fundamental (50Hz) = 1.535 , THD= 15.21% 14 8 12 Mag (% of Fundamental) 6 10 8 4 6 2 4 2 0 0 0 5 10 15 20 0 5 10 order Harmonic 15 20 Harmonic order Hình 1.8. Phổ dòng điện chỉnh lưu cầu một pha Xét chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển: Sơ dồ chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển: Hình 1.9. Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển. Mô hình chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển: 12
Discre t e , T s = 1 e 0 0 5 s. p o we rg u i Scope + i A + B C Univ er sal Br idge A B C N Hình 1.10. Mô hình chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển. Dạng sóng dòng điện trên pha A của nguồn cấp cho bộ chỉnh lưu i + Selected signal: 5 cycles. FFT window (in red): 1 cycles 4 2 0 -2 -4 0 0.02 signal: 0.04 Selected 0.06 (in red): 0.08 5 cycles. FFT window 1 cycles 0.1 4 Time (s) 2 Hình 1.11. Dòng điệ0n trên lưới gây ra bởi chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển. -2 20 -4 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 Dạng phổ dòng điện: Mag (% of Fundamental) Time (s) 15 Fundamental (50Hz) = 4.373 , THD= 29.10% 10 25 Mag (% of Fundamental) 20 5 15 0 010 200 400 600 800 1000 Frequency (Hz) 5 0 0 5 10 15 20 Harmonic order Hình 1.12. Phổ dòng điện chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển. 13
Ta thấy dòng điện đầu vào bộ chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển có độ méo rất lớn THD=29.10 %. Các thành phần sóng điều hòa này là do tính phi tuyến của bộ chỉnh lưu cầu gây ra. Trong đó các thành phần sóng điều hòa bậc 5, 7, 11, 13, 17, 19 là chủ yếu. Xét chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển. Sơ đồ nguyên lý của chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển. Hinh1.13. Sơ đồ nguyên lý của chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển. Mô hình chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển trên Simulink Matlab: Continuous pow ergui Pulses2 g i + + i + A B - Pulses1 C Thyristor Converter + v - Vab1 30 alpha_deg + v AB - Vab BC pulses + v CA - Vbc 0 Block + Synchronized v - 6-Pulse Generator Vca Va Vb Vc Hình 1.14. Mô hình mạch chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển. Trong trường hợp góc điều khiển là 30 ta có dòng điện trên pha A: 14
Selected signal: 5 cycles. FFT window (in red): 1 cycles 20 0 Selected signal: 5 cycles. FFT window (in red): 1 cycles -20 20 0 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 Time (s) -20 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 Hình 1.15. Dòng điện bộ chỉnh lưu cầu ba pha với góc điều khiển 30 Time (s) Fundamental (50Hz) = 32.82 , THD= 34.31% 10 Fundamental (50Hz) = 32.82 , THD= 34.31% 10 8 8 6 Mag 6 Mag 4 4 2 2 0 0 0 5 10 15 20 0 5 10 order Harmonic 15 20 Harmonic order Hình 1.16. Phổ dòng điện chỉnh lưu cầu ba pha với góc điều khiển 30. Trong trường hợp góc điều khiển là 90 thì dòng điện trên pha A có dạng như sau: Selected signal: 5 cycles. FFT window (in red): 1 cycles 4 2 0 -2 -4 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 Time (s) Hình 1.17. Dòng điện bộ chỉnh lưu cầu ba pha với góc điều khiển 90 Fundamental (50Hz) = 0.7976 , THD= 213.49% 0.8 0.6 Mag 0.4 0.2 0 0 5 10 15 20 Harmonic order 15
-2 -4 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 Time (s) Fundamental (50Hz) = 0.7976 , THD= 213.49% 0.8 0.6 Mag 0.4 0.2 0 0 5 10 15 20 Harmonic order Hình 1.18. Phổ dòng điện chỉnh lưu cầu ba pha với góc điều khiển 90. Từ kết quả ở trên với chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển ta thấy khi thay đổi góc điều khiển thì độ méo dòng điện cũng tăng lên rất lớn THD=213.49% trong trường hợp góc điều khiển là 900 so với khi góc điều khiển 300 có THD=34,31% Như vậy khi càng tăng góc điều khiển thì các thành phần sóng điều hòa bậc cao sinh ra càng lớn làm độ méo dòng điện càng tăng. 1.4. ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG ĐIỀU HÒA BẬC CAO Sự tồn tại sóng điều hòa 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. Nói 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 còn gây hỏng thiết bị. Ảnh hưởng quan trọng nhất của sóng điều hòa bậc cao đó là việc làm tăng giá trị hiệu dụng cũng như giá trị đỉnh của dòng điện và điện áp, có thể thấy rõ qua công thức sau: U = = = (1.6) I = = = (1.7) Khi giá trị hiệu dụng và giá trị biên độ của tín hiệu dòng điện hay điện áp tăng do sóng điều hòa bậc cao sẽ gây ra một số vấn đề: 16
Làm tăng phát nóng 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. 1.4.1. Với máy biến áp Các sóng điều hòa bậc cao gây ra tổn thất đồng, tổn thất từ thông tản và tổn thất sắt làm tăng nhiệt độ MBA do đó làm tăng tổn thất điện năng.[3] Sóng hài bậc cao gây ra tổn hao và gây nhiễu lên mạch từ của nó. Tổn hao Joule: Ta có:PCu = R.I (1.8) Mà: I = I + I (1.9) Dòng họa tần bậc cao càng lớn thì tổn hao Joule càng tăng. Tổn hao sắt từ gồm tổn hao do dòng điện xoáy và tổn hao do từ hóa: Tổn hao do dòng điện xoáy: Pxoáy = ke.B2.f2 Tổn hao do từ hóa: Erms=4,44.kdq.wph. .f Với k: hệ số dây quấn w: số vòng dây quấn trên một cực : từ thông cực từ. f: tần số dòng điện. => Khi tần số hài càng cao gây nên tổn hao sắt từ càng cao. Khi có dòng hài bậc cao, tổn thất sắt và tổn thất từ thông tản sẽ tăng lên. Tổn thất đồng do tỉ lệ với bình phương dòng điện nên cũng tăng và hiện tượng từ trễ các sóng hài gây bão hòa mạch từ và tất cả chúng làm gia tăng nhiệt độ, làm cho MBA làm việc bị quá tải gây ra cháy máy. Tổn hao cách điện: Khi làm việc với tần số cao dẫn đến các quá trình hoá lý xảy ra liên tục tổn thất điện môi mau chóng già cỗi hơn so với làm việc ở điện áp hình sin. Độ phân cực tg tăng gấp đôi sau hai năm làm việc với nguồn có độ méo dạng THD=5%. Pe=U2. .C.tg 17
Với U: Điện áp đặt lên 2 đầu cách điện C: . .S/d : Tần số góc. tg : Hệ số tổn hao điện môi. Do ảnh hưởng của các yếu tố trên MBA hoạt động dưới công suất định mức. Thường người ta sử dụng hệ số suy giảm công suất: k = k = 0,532 và công suất MBA tối thiểu là 470KVA Theo tiêu chuẩn IEE57 12001980 đưa ra giới hạn đối với các sóng hài dòng điện tải trong máy biến áp 0,05pu giá trị hệ số điều hòa dòng điện. Tiêu chuẩn của giá trị điện áp hiệu dụng cực đại mà MBA phải chịu đựng ở trạng thái xác lập là 5% ở tải định mức và 10% ở chế độ không tải. Các trị số hiệu dụng của các thành phần điều hòa trong điện áp sử dụng không vượt quá giá trị định mức này. 1.4.2. 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, các sóng điều hòa bậc cao còn có thể sinh 18
ra momen xoắn trục động cơ hoặc gây ra dao động cộng hưởng cơ khí làm hỏng các bộ phận cơ khí trong động cơ. Gây ảnh hưởng đến hoạt động của các thiết bị bảo vệ (tác động sai): các sóng điều hòa bậc cao có thể làm momen tác động của rơle biến dạng gây ra hiện tượng nháy, tác động ngược, có thể làm méo dạng điện áp, dòng điện dẫn đến thời điểm tác động của rơle sai lệch, gây cảnh báo nhầm của các UPS. 1.4.3. Với tụ điện Đối với các bộ tụ điện, dung kháng của các tụ giảm khi tần số tăng lên. Do đó các tụ thường rất nhạy với tần số của nguồn cung cấp. Trong th ực tế, điều này có nghĩa là chỉ một giá trị nhỏ của sóng hài điện áp có thể tạo nên dòng điện lớn đi qua mạch chứa tụ. Ảnh hưởng của các thành phần điều hòa trên bộ tụ điện đó là sự gia tăng nhiệt của điện môi cao hơn. Tiêu chuẩn của ANSI/IEEE 181980 qui định các giới hạn về điện áp, dòng điện và công suất phản kháng của các bộ tụ điện. Nó được dùng để xác định các mức điều hòa tối đa cho phép.[3] Tiêu chuẩn này tối đa cho phép các tụ điện có thể sử dụng trong các giới hạn sau đây, bao gồm các thành phần điều hòa: 110% điện áp hiệu dụng định mức. 120% điện áp đỉnh định mức. 180% dòng điện hiệu dụng định mức. 135% công suất phản kháng định mức. Để nâng cao hệ số công suất thường được sử dụng tụ bù công suất phản kháng. Các tụ điện và điện kháng của mạng điện khi kết hợp với nhau tạo ra mạch cộng hưởng khuếch đại các dòng hài có tần số gần tần số cộng hưởng. Các dạng cộng hưởng thường gặp: 19
Cộng hưởng nối tiếp: Ở các trường hợp bù dọc cộng hưởng nối tiếp có thể làm tăng dòng hài của hệ thống. Hình 1.19. Mạch cộng hưởng nối tiếp. Cộng hưởng song song: Hình 1.20. Mạch cộng hưởng song song. Khi đó ta có: + Tần số cộng hưởng: f = + Hệ số khuếch đại: K = = R = (1.11) Hài áp bậc h cộng hưởng làm tăng biên độ dòng hài qua tụ lên K lần. Nhận thấy trong lưới điện công nghiệp K có thể rất lớn, khi xảy ra cộng hưởng thì sẽ gây quá áp trên tụ điện gây hư hỏng tụ điện. Cộng hưởng phân bố: Dạng cộng hưởng này thường gặp trong mạng điện có đường dây dài. Hình 1.21. Mạch cộng hưởng phân bố. 20