Luận văn Thạc sĩ Thiết bị, mạng và nhà máy điện: 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

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:133

Thêm vào BST

Báo xấu

18
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn "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" 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.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Thiết bị, mạng và nhà máy điện: 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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM --------------------------- 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
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM --------------------------- 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 HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN MẠNH HÙNG TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 09 năm 2012
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM 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
TRƯỜNG ĐH KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG QLKH - ĐTSĐH Độc lập - Tự do - Hạnh phúc TP. HCM, ngày 30 tháng 08 năm 2012 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 NG ÀNH TS. Nguyễn Mạnh Hùng
i 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
ii 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 khoa 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 tạo 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
iii 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.
iv ABSTRACT Nowadays, in the industrial production factories have used many nonlinear loads such as: arc furnace, arc welding machine, medium frequency induction furnace, high frequency induction furnace, fluorescent lamp, AC voltage converters, rectifiers, inverters, power electronic devices and so on. These are sources which produce high-order harmonizing wave (high-order harmonic). These harmonics increase the root mean square and amplitude value of current and voltage, cause distortion of source curent and voltage. High order harmonics also cause loss, reduce power factor and power quality, influencing power 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.
v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...............................................................................................................i LỜI CÁM ƠN.................................................................................................................... ii TÓM TẮT ......................................................................................................................... iii ABSTRACT .......................................................................................................................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 – G IA 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 PHÁP HẠN CHẾ SÓNG HÀI VÀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG .......................................................................12 2.1. ĐẶT VẤN ĐỀ .....................................................................................................12 2.2. PHÂN TÍCH SÓNG HÀI ...................................................................................12
vi 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
vii 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 của bộ lọc ...........................................................66 3.3.2.1. Chuyển đổi hệ tọa 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 của 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 cắt (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
viii 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 C dc ...............................................................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
ix DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT APF Active Power Filter ASD Adjustable Speed Drive CSI Current Source Inverter FACT Flexible AC Transmission PCC Point of Common Couping PI Proportional Integral 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
x 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
xi 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 cảm 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 hoạt 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. Phổ 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 nguồn cấp cho cầu chỉnh lưu ba pha không điều khiển ............................................................................................. 23 Hình 2.8. Phổ 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 = 30 0 ......................................................... 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 = 60 0 ......................................................... 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 = 90 0 ......................................................... 25 Hình 2.13. Phổ dòng điện pha A của cầu chỉnh lưu ba pha có điều khiển ................ 26
xii 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 từ cầu chỉnh lưu ba pha có tụ lọc phía một chiều ........ 33 Hình 2.17. Dòng hài sinh ra từ cầu chỉnh lưu ba pha ................................................... 34 Hình 2.18. Độ giảm méo hài của 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 cấp 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 thống 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 lắp 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
xiii 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 bốn dây ................................................................................ 63 Hình 3.19. Bộ lọc tích cực bốn 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 song 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
xiv 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 của 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 của nguồn (thực tế) ...................................... 95 Hình 4.25. Phổ dòng điện pha A của nguồn (thực tế) .................................................. 95 Hình 4.26. Công suất pha A của 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
xv 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 cảm 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 của nguồn và tải sau khi lọc ..................... 106 Hình 4.45. Mô hình hệ thống lò nấu thép cảm 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 của nguồn và tải sau khi lọc và lắp thêm Lp ............................................................................................................................. 108 Hình 4.48. Phổ điện áp pha A của 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 của nguồn trước khi lọc............................ 110 Hình 4.52. Dạng sóng dòng điện ba pha của nguồn sau khi lọc ............................... 110
1 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