Thiết kế bộ lọc sóng hài thông thấp băng rộng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

1

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-------------o0o-------------

Đề tài:

THIẾT KẾ BỘ LỌC SÓNG HÀI

THÔNG THẤP BĂNG RỘNG

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Ngƣời hƣớng dẫn: TS. Nguyễn Duy Cƣơng

Học viên thực hiện: Trần Mạnh Hiếu

Thái Nguyên 2010

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

2

CHƢƠNG 1

GIỚI THIỆU

1.1 Nền tảng

Các bộ chuyển đổi công suất theo đó nâng cao hiệu suất, hiệu quả và độ bền của

các quá trình sản xuất được áp dụng rộng rãi trong công nghiệp. Ứng dụng của các bộ

biến đổi điện AC/DC và DC/AC được phát triển không ngừng từ sự ra đời của bộ

chỉnh lưu điều khiển Silic (Silicon Controlled Rectifiers - SCR) năm 1957. Tuy

nhiên, sự sử dụng rộng rãi của các bộ chỉnh lưu Diot/ Thyristor 1 pha và 3 pha cho

các nguồn điện DC, các bộ truyền động tốc độ điều chỉnh được (Adjustable Speed

Drives - ASD), các bộ lưu điện (Uninterruptible Power Supplies - UPS), và ứng dụng

cho hộ tiêu thụ và các thiết bị công nghiệp, mới diễn ra trong hai thập kỷ gần đây, và

ước tính 65% năng lượng điện công nghiệp đã sử dụng bởi các động cơ điện. Hộ sử

dụng chính trong công nghiệp ngày càng tăng lên, coi sự giảm năng lượng như một

chìa khóa để nâng cao lợi nhuận và khả năng cạnh tranh của họ. Vì các bộ dẫn động

điều tốc giảm mức năng lượng tiêu hao ( tiết kiệm từ 20 – 30% ) và giảm các mức

chất thải gây ô nhiễm tới môi trường trong khi năng suất tăng lên khiến sự phát triển

của chúng là tất yếu. Với các ứng dụng điều tốc, các bộ truyền động tốc độ điều khiển

được (ASD) được sử dụng rộng rãi cho các động cơ điện. Hiệu suất và chất lượng

chuyển động cao, mômen khởi động thấp là ưu điểm của các ASD.

Các ASD bao gồm bộ chuyển đổi AC/DC nối với bộ nghịch lưu DC/AC. Trong

tất cả các bộ chuyển đổi điện tử hiện đại nghịch lưu nguồn điện áp (Voltage Source

Inverter - VSI) sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung (Pulse Width

Modulation – PWM) là rất phổ biến. PWM – VSI bao gồm 6 khóa bán dẫn công suất

cùng với các Diot hồi tiếp mắc song song. Nó chuyển điện áp một chiều cố định

thành xoay chiều 3 pha với tần số và biên độ có thể điều khiển được. Trong các ứng

dụng bộ điều khiển động cơ xoay chiều, thiết bị chỉnh lưu biến đổi điện áp xoay chiều

3 pha thành điện áp một chiều được sử dụng rộng rãi. Bộ chỉnh lưu điện áp kết hợp

bộ lọc thụ động, VSI ghép nối nguồn một chiều với động cơ xoay chiều để điều khiển

tốc độ, vị trí, momen trục động cơ. Cấu trúc liên kết phía trước cho các ASD là bộ

chỉnh lưu 6 Diot hay Thyristor với các ưu điểm như hiệu suất cao, giá thành thấp,

chắc chắn và tin cậy. Cấu trúc chính của thiết bị PWM – VSI với một bộ chỉnh lưu

Diot phía trước được chỉ ra trong Hình 1.1.

Các bộ chỉnh lưu Diot và Thyristor kết nối lưới điện với tải và tạo ra các dòng

điện không sin từ nguồn cung cấp ngay cả khi lưới là nguồn điện áp hình sin. Các

dòng điện sóng hài này được đưa ra vào các hệ thống cung cấp và gây ô nhiễm lưới

điện, gây ra các vấn đề về chất lượng của nguồn điện. Sóng hài dòng điện đã đưa vào

gây ra sự biến dạng điện áp đường dây.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

3

Hình 1.1: Cấu trúc chính của bộ chỉnh lưu cầu Diot

phía trước bộ truyền động xoay chiều.

Các sóng hài dòng điện được đưa vào lưới có thể tương tác với phạm vi rộng

của các thiết bị hệ thống điện, đáng chú ý nhất là các tụ điện, máy biến áp và các

động cơ gây ra, tổn hao phụ, quá nhiệt và quá tải. Chúng cũng có thể gây ra sự giao

thoa với các đường dây truyền thông và sai lệch trong việc đo công suất. Các sóng hài

dòng điện không những không thể sinh ra công suất thực tới tải mà còn gây ra sự

cộng hưởng hay khuếch đại không mong muốn trong hệ thống phân phối. Méo sóng

hài tổng (Total Harmonic Distortion – THD) là chỉ số được sử dụng phổ biến để đo

thành phần sóng hài từ sóng và có thể áp dụng đối với điện áp hay dòng điện. Méo

sóng hài tổng dòng điện được đưa ra bởi:

THDI =

1

2

I

I

n

n

 n



(1.1)

In là dòng sóng hài hiệu dụng thành phần, I1 là thành phần dòng cơ bản.

Điện áp bị biến dạng thường gây ra trong sự cố hoặc sự đóng cắt của các tải tuyến

tính/ phi tuyến khác được nối tới cùng điểm của đầu nối chung (PCC) chỉ ra trong

Hình 1.2. Điểm nối chung là điểm mà ở đó các hộ tiêu thụ được nối cùng nhau và nó

được định nghĩa một cách nói chung như một điểm mà tại đó gồm các giới hạn sóng

hài sẽ được đánh giá. Từ phía khách hàng, nó là điểm mà ở đó hệ sử dụng cuối cùng

là năng lượng tiêu thụ và là nơi các hộ tiêu thụ khác được cung cấp với các dịch vụ

điện.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

4

Hình 1.2: Định nghĩa điểm nối chung ( PCC).

1.2 Các kỹ thuật giảm nhẹ sóng hài

Các kỹ thuật này có thể được phân loại thành 5 loại.

1. Bộ lọc thụ động

2. Các hệ thống nhiều pha

3. Các hệ thống bù sóng hài tích cực

4. Các hệ thống lai

5. Bộ chỉnh lưu PWM

Mục đích của các kỹ thuật này là làm cho dòng điện đầu vào có dạng sóng hình

sin sạch, giảm méo sóng hài tổng dòng điện THD. Trong các bộ lọc thụ động, dòng

chảy của các dòng điện sóng hài không mong muốn tới hệ thống điện có thể được

ngăn chặn bởi cách sử dụng của các trở kháng cao mắc để chặn chung hoặc bằng

cách chuyển hướng chúng tới đường dẫn điện trở thấp. Hai phương pháp này trình

bày khái niệm của các bộ lọc thụ động nối tiếp và bộ lọc thụ động song song, một

cách tương ứng.

Các bộ lọc thụ động nối tiếp có thể là dạng thuần cảm hoặc dạng LC. Bộ lọc

điện cảm phần xoay chiều AC và bộ lọc phần một chiều DC là hai bộ lọc dạng thuần

cảm. Các điện cảm phần xoay chiều tạo ra một cảm kháng lớn làm thay đổi đường đi

dòng điện được tạo bởi các sóng hài. Với mục đích thực hiện cực đại điện kháng đầu

vào trong khi làm cực tiểu điện áp rơi xoay chiều, giảm cả điện cảm phần xoay chiều

và điện kháng phần một chiều, giải pháp kết hợp được chỉ ra trong Hình 1.3. Điện

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

5

kháng một chiều được đặt sau bộ chỉnh lưu Diot và trước tụ điện và nó được ký hiệu

giống với các điện cảm phần xoay chiều.

Hình 1.3: Lọc thụ động dựa trên điện cảm đường dây AC và

điện kháng đường dây DC.

Hình 1.4: Cấu hình bộ lọc thụ động nối tiếp ( SERISE)

Bộ lọc thụ động nối tiếp cộng hưởng, chỉ ra trong Hình 1.4, được nối nối tiếp

với tải. Bộ lọc bao gồm cuộn kháng và tụ điện mắc song song mà được cộng hưởng

để cung cấp điện kháng cao tại tần số sóng hài được chọn. Điện kháng cao do đó chặn

dòng chảy của dòng điện sóng hài chỉ tại tần số cộng hưởng. Tại tần số cơ bản, bộ lọc

được thiết kế để có điện kháng thấp, do đó cho phép tần số cơ bản đi qua. Với nhiều

sóng hài bị chặn, nhiều bộ lọc nối tiếp là cần thiết. Tuy nhiên, bộ lọc cộng hưởng nối

tiếp có thể gây tổn hao đáng kể tại tần số cơ bản. Ngược lại, bộ lọc thụ động song

song (Shunt) chỉ mang một phần của dòng điện mà bộ lọc nối tiếp phải mang. Bộ lọc

nối tiếp có giá cao hơn, và thực tế rằng các bộ lọc (Shunt) có thể cung cấp công suất

phản kháng tại tần số cơ bản, hầu hết phương pháp thực tế thường sử dụng bộ lọc

Shunt.

Hình 1.5: Cấu hình bộ lọc Shunt thông thường.

Bộ lọc Shunt có điện kháng rất thấp tại tần số mà ở đó nó bị cộng hưởng và nó

chuyển hướng hầu hết dòng điện sóng hài tại tần số đó. Hầu hết các dạng bộ lọc Sun

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

6

thông thường là các bộ lọc cộng hưởng và bộ lọc thông cao đơn giản. Shunt thông

thường được chỉ ra trong Hình 1.5.

Không giống bộ lọc Shunt và bộ lọc nối tiếp có dải tần hẹp của sự khử sóng hài,

các bộ lọc dải tần rộng có một dải rộng hơn của đặc tính khử sóng hài. Các bộ lọc dải

rộng sử dụng sự kết hợp của hai kỹ thuật thụ động, với một điện kháng nối tiếp cao

để chặn các sóng hài dòng điện không mong muốn (từ dòng chảy thông qua lưới) và

một đường điện trở Shunt thấp để làm lệch hướng dòng chảy của chúng thông qua bộ

lọc Shunt. Chúng có thể có cấu trúc khác nhau, chỉ ra trong Hình 1.6. dạng Lc và

LLCL. Chúng được hiệu chỉnh tới tần số cắt thấp sao cho chỉ thành phần cơ bản sẽ

đi qua từ đầu vào đến đầu ra. Do đó, chúng được gọi là các bộ lọc dải rộng thông

thấp. Cả hai bộ lọc dải rộng thông thấp đã chỉ ra chỉ sử dụng một bộ lọc Shunt để khử

tất cả sóng hài dải rộng.

Hình 1.6; Cấu hình bộ lọc dải rộng thông thấp.

(a): Kiểu Lc, (b): Kiểu LLCL

Kỹ thuật nhân pha được dựa trên việc tăng số xung của sự biến đổi. Điều này

làm tăng bậc sóng hài thấp nhất cho bộ biến đổi và giảm kích cỡ của bộ lọc thụ động

cần để lọc các sóng hài thụ động. Một bộ biến đổi lý tưởng 12 xung có bậc sóng hài

thấp nhất là 11 (Các sóng hài dòng điện bậc 5 và bậc 7 về lý thuyết không tồn tại).

Một cách tương tự, bộ biến đổi 18 xung có bậc sóng hài nhỏ nhất là 17. Tuy nhiên,

một bộ biến đổi 12 xung chỉ ra trong Hình 1.7 cần hai cầu 6 xung và hai bộ tín hiệu

vào AC dịch pha 300

và một bộ biến đổi 18 xung cần 3 cầu 6 xung và 3 bộ tín hiệu

vào dịch pha 200

. Rất nhiều cấu trúc liên kết khác nhau tồn tại cho việc dịch pha. Nói

chung, kỹ thuật phân pha là có tác dụng để giảm thấp bậc các sóng hài dòng điện.

Tuy nhiên, kích cỡ rộng, hiệu suất thấp, giá thành cao của nó là nhược điểm.

Hình 1.7: Cấu hình hệ thống máy chỉnh lưu 12 mạch .

Phương pháp bù điều hòa tích cực là một phương pháp mới liên quan đến quá

trình khử những hàm điều hòa trong mạch. Các máy lọc tích cực cung cấp một hệ

thống thực hiện khá tốt và làm giảm cường độ dòng điện của những hàm điều hòa.

Tuy nhiên, do phụ thuộc vào các thành phần điện năng phức tạp thường đắt hơn so

với các máy lọc thụ động. Cơ cấu hoạt động cơ bản của máy lọc tích cực là đưa vào

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

7

lưới các sóng hài dòng/áp bằng nhau về biên độ nhưng ngược pha với các sóng hài

được sinh ra do tải phi tuyến, vì vậy chúng sẽ loại trừ lẫn nhau.

Máy lọc tích cực được phân loại căn cứ theo kiểu bộ biến đổi, cấu trúc liên kết

và số lượng các pha. Loại bộ biến đổi có thể là Bộ biến đổi nguồn cường độ dòng

điện (CSI) hoặc CSI.VSI dựa vào bộ cảm biến mà nó sử dụng để làm thiết bị lưu trữ

điện năng. Máy lọc tích cực loại VSI sử dụng một tụ điện làm thiết bị lưu trữ điện

năng. Cấu trúc liên kết có thể được phân chia thành mạch mắc rẽ, mạch mắc nối tiếp

hoặc mạch kết hợp cả hai cách mắc. Tiêu chí phân loại thứ ba là căn cứ vào số lượng

các pha, ví dụ loại 2 dây (một pha) và loại ba hoặc bốn dây (ba pha). Máy lọc tích cực

ba pha sử dụng các lượng tải phi tuyến với một mức năng lượng cao như bộ biến đổi

ASD và bộ biến đổi AC/DC. Nhiều loại cấu hình khác nhau của các máy lọc tích cực

liên tục được giới thiệu và cải tiến. Hình 1.8 là những loại cấu hình cơ bản. Tất cả các

cấu hình của các máy lọc tích cực song song đều sử dụng cấu trúc liên kết bộ biến đổi

nguồn điện áp có kèm theo những phương pháp điều chỉnh cường độ dòng điện được

thực hiện ở một mức độ cao là những loại được sử dụng nhiều nhất. Đối với quá trình

bù hàm điều hòa, máy lọc tích cực có cấu trúc song song sử dụng lý thuyết năng

lượng phản kháng tức thời hoặc truyền tải cấu trúc đồng bộ dựa trên phương pháp kỹ

thuật mạch bù.

Hình 1.8: Cấu hình hệ thống chủ yếu của máy lọc tích cực

a : Máy lọc tích cực cấu trúc mạch mắc rẽ

b : Máy lọc tích cực cấu trúc mạch mắc nối tiếp

Hình 1.9: Cấu hình chung của máy lọc tích cực thể lai.

(a) Máy lọc tích cực có mạch mắc rẽ và máy lọc thụ động có mạch

mắc rẽ

(b) Máy lọc tích cực có mạch mắc nối tiếp và máy lọc thụ động có

mạch mắc nối tiếp

Máy lọc tích cực thể lai như trong Hình 1.9 là sự kết hợp giữa máy lọc tích cực

và máy lọc thụ động theo nhiều dạng cấu hình khác nhau. Mục đích chính của loại

máy lọc là giảm chi phí ban đầu và nâng cao hiệu quả sử dụng. Hiệu quả thực hiện và

giảm thiểu chi phí trong các cấu trúc liên kết của máy lọc lai đã được phát triển hơn