CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠCH LỌC 1.1 Giơi Thiêu Mạch lọc là thiêt bị co khả năng cho môt tần số hoặc loại bỏ nhưng tần số không mong muốn đi qua bô lọc. Mạch lọc song hài co thể là : Mạch lọc thu đông ( Passive powers Filters ) Mạch lọc tích cưc ( Actives power Filters ) 1.2 Mạch lọc thụ động ( Passive Powers Filters) Mạch lọc thu đông chỉ bao gồm các thành phần sau: điện trở, tu điện và cuôn dây không sử dung nhưng thành phần điều khiển. Các mạch lọc co thể chỉ cho qua môt dải tần số nhât định nào đo, trong khi làm giảm hoặc chặn lại môt dải tần khác và được đặt tên theo dải tần số của tín hiệu mà chúng cho phep đi qua. Các thiêt kê mạch lọc được sử dung phô biên nhât là : Mạch lọc thông thâp là mạch lọc chỉ cho phep các tín hiệu tần số thâp từ 0Hz đi qua và chỉ tới điểm cắt fc , fc gọi là điểm cắt.
Mạch lọc thông cao là mạch lọc chỉ cho phep các tín hiệu tần số cao đi qua từ điểm fc và chặn nhưng tín hiệu thâp hơn bât kỳ, fc gọi là điểm cắt. Mạch lọc thông dải là mạch lọc cho phep môt dải tần nhât định với các tần số năm trong dải tần được đi qua đồng thời chặn cả tần số thâp hơn và tần số cao hơn ở hai bên dải tần này. Theo như trên hình 1-1, tín hiệu tần số cao nào trên điểm tần số cắt se trở nên suy giảm rât nhiều, tức là chúng giảm nhanh chong và ngược lại nhưng tín hiệu tần số thâp nào dưới điểm tần số cắt se được đi qua mà không bị ảnh hưởng. Tần số tín hiệu qua được gọi là vùng dải thông, tần số tín hiệu nào bị suy giảm nhanh chong gọi là vùng dải dừng.1 Các đường đặc tuyên lý tưởng và thưc tê của các bô lọc thông thâp và thông cao.
Các bô lọc RC và RL hoạt đông là dưa trên sư biên đôi điện kháng xuât hiện trong các tu điện và trong các cuôn dây khi tần số biên đôi và tần số thay đôi tỷ lệ nghịch điện trở của tu điện còn giá trị điện trở không đôi. Tần số cắt (fc) của môt bô lọc thông thâp được định nghĩa là tần số mà tại đo giá trị điện trở và điện dung của tu điện băng nhau và khi điều này xảy ra làm tín hiệu đầu ra bị suy giảm so với tín hiệu đầu vào với biên đô tín hiệu ra băng 70.7% hoặc -3 dB (20log(Vout/Vin)) tín hiệu đầu vào. Biên đô tín hiệu ra càng giảm khi tần số tăng và ngược lại. Đối với bô lọc thông cao tần số cắt (fc) cung được định nghĩa tương tư như vậy nhưng biên đô tín hiệu ra càng giảm khi tần số giảm.
Decibel (dB) là đơn vị noi về đô lợi của bô lọc là môt hàm giá trị của tỷ số giưa đầu vào và đầu ra của điện áp hoặc dòng điện. Được cho bởi công thức tông quát là: dB =20log (Vout /Vin ) đối với điện áp, hay với dB =20log (Iout /Iin) đối với dòng điện.2 Sơ mạch lọc thông thâp RC và RL với tín hiệu ra của bô lọc thông thâp RC được lây qua tu điện và của bô lọc thông thâp RL được lây qua điện trở. Khi tần số tăng lên, điện kháng của tu điện giảm đi làm biên đô điện áp ra tut xuống nhanh chong còn điện kháng của cuôn cảm tăng lên dẫn đên điện áp ra trên điện trở giảm xuống, các mạch lọc này như là môt “chiêt áp điều chỉnh băng tần số ”. 8 Công thức tính tần số cắt (�� ) của bô lọc thông thâp RC và RL lần lượt được tính theo công thức (1.2 Các bô lọc RC và RL thông thâp Hình 1.3 Các bô lọc RC và RL thông cao.
Mặc dù đặc tính của 2 kiểu bô lọc này là như nhau nhưng bô lọc kiểu RC thường được dùng ở tần số thâp nhiều hơn so với bô lọc RL bởi vì các cuôn cảm cồng kềnh, nặng và đắt hơn ở tần số này. Hình 1-3 trình bày các bô lọc thông cao RC và RL. 9 Tín hiệu ra của bô lọc thông cao RC được lây qua điện trở, còn tín hiệu ra của bô lọc thông cao RL được lây qua cuôn cảm. “Chiêt áp điều chỉnh băng tần số ” cung được áp dung tương tư cho mạch này, chỉ khác là tông trở ở trên con chạy giảm đi so với tông trở ở dưới con chạy khi tần số tăng lên.
Các công thức tính tần số cắt của mạch lọc tần số cao và tần số thâp là như nhau bởi vì các mạch lọc này giống nhau chỉ khác ở các điểm mà tín hiệu đầu ra được lây ra. Các bô lọc thông dải co các phần tử R, L, C với tần số công hưởng của cuôn cảm và tu điện (fr) chính là tần số trung tâm. Phương pháp ghep nối các phần tử này trong mạch xác định dãy tần số được thông. Tần số công hưởng được xác định băng công thức: 1 (1.3) �� = 2 �� Như hình 1-4 ta thây các phần tử kháng co thể được ghep nối tiêp hoặc song song cho môt bô lọc thông dải.
Đối với môt bô lọc thông dải, tín hiệu ra được lây trên phần tử của mạch co tông trở cao hơn khi công hưởng.4 Các bô lọc thông dải nối tiêp và song song Các giới hạn băng thông được xác định là các điểm ở trên và dưới các điểm co đô suy hao-3dB hoặc là các tần số ở đo biên đô tín hiệu ra giảm xuống tới 70.7 % so với biên đô tại tần số trung tâm. Các tần số thâp hơn hoặc cao hơn này thường được gọi là f1 và f2. Đô rông của băng thông (hoặc BW) được xác định băng công thức: �� = �2 − �1 10 Hình 1.5 Đáp ứng của bô lọc thông dải. Đô rông băng thông được xác dịnh băng Q của mạch.
No là hẹp hay co đô chọn lọc cao khi Q cao. Nêu môt mạch công hưởng nối tiêp được dùng như môt phần của bô lọc thông dải thì Q được tính theocông thức sau đây: �� (1.4) �= � trong đo điện trở R là điện trở tông của mạch. Nêu sử dung môt mạch công hưởng song song thì Q của mạch được xác định băng công thức dưới đây, trong đo R là điện trở được ghep song song với mạch.5) �= �� Băng thông BW còn co thể được biểu diễn theo Q và tần số công hưởng như sau: �� (1.6) �� = � 11 Các bô lọc chắn dải được thiêt kê để co đô suy giảm lớn nhât tại tần số công hưởng fr. Hình 1-6 trình bày cách sử dung các mạch RLC nối tiêp và song song trong các bô lọc chắn dải.
Nhớ răng tín hiệu ra của bô lọc chắn dải được lây qua phần tử (các phần tử) co tông trở thâp hơn khi công hưởng.6 Các bô lọc chắn dải nối tiêp và song song. Băng thông của môt bô lọc chắn dải được tính theo cách tương tư như đối với bô lọc thông dải, nghĩa là chắn dải được đo giưa các điểm -3dB như hình 1-7. Băng thông BW cung được tính băng công thức tương tư như trong thông dải.7 Đáp ứng của bô lọc câm dải Môt bô lọc câm dải với Q cao se co dãy suy hao hẹp như hình trên. Kiểu bô lọc này thường được gọi là bô lọc “rãnh ”.
Q của môt bô lọc câm dải được tính cùng các 12 công thức dùng cho các bô lọc thông dải công hưởng nối tiêp và song song. Số đo hiệu quả của môt bô lọc câm dải là lượng suy giảm phát sinh tại tần số công hưởng fr so với các tần số trên và dưới công hưởng (bình thường là các giá trị 10*fr hoặc 1/10 của fr). Khi biêt đô lớn của các tín hiệu đầu ra tai tần số công hưởng fr và tại môt trong nhưng tần số ngoài dãy, đô suy giảm tính băng dB se là: ��ℎ (1.3 Mạch lọc tich cực ( Actives Power Filters ) Nhưng thành phần của mạch lọc tích cưc cung gồm điện trở, tu điện và cuôn dây nhưng no co thêm các thành phần tích cưc như là các bô khuyêch đại thuật toán. Mạch lọc tích cưc là mạch lọc tạo ra tín hiệu triệt tiêu song hài, bù công suât phản kháng, điều chỉnh điện áp đầu cuối, khắc phuc dao đông điện áp, cải thiện cân băng điện áp trong mạch ba pha.
Ưu điểm cơ bản của mạch lọc tích cưc là thích ứng với sư thay đôi của lưới và của tải.8 Sơ đồ nguyên lý của bô lọc. 13 Theo hình 1-8 Với tải phi tuyên thì se gây ra các dạng song hài trên lưới. Để dạng song nguồn và dạng song tải giống nhau (hình Sin) thì cần phải triệt tiêu song hài trên lưới này. Lúc này môt bô lọc tích cưc se phát lên lưới môt dạng song gọi là song hài bô lọc làm triệt tiêu song hài lưới thông qua sư phản hồi của dòng điện.
Sơ đồ tông quát của bô lọc : Hình 1.9 Sơ đồ khối bô lọc. Trong sơ đồ này tín hiệu dòng điện và điện áp tải thông qua thiêt bị đo lường được đưa đên khối tính toán đặt để tính toán dòng tông song hài. Sau khi xác định tông song hài cần bù đưa ra tín hiệu đặt cho bô điều khiển. Bô điều khiển điều khiển mạch công suât để phát dòng bù song hài tức thời với vector dòng co cùng đô lớn nhưng ngược pha với song hài tông.
Phân loại mạch lọc tích cưc dưa trên bô kiểu biên đôi, sơ đồ bố trí, sơ đồ điều khiển và đặc tính bù. Phô biên hơn cả là việc phân loại dưa trên sơ đồ bố trí : nối tiêp, song song, và hỗn hợp. Sơ đồ hỗn hợp gồm cả bù thu đông và tích cưc. Câu trúc mạch lọc tích cưc nối tiêp (Series APF) : 14 Hình 1.10 Câu trúc bô lọc nối tiêp APF Series APF được kêt nối với hệ thống thông qua biên áp cách ly.
Trong câu trúc này thì tín hiệu bù song hài được đưa vào thông qua biên áp cho ra điện áp (�� ) co dạng song co cùng biên đô nhưng ngược pha các thành hài hài bậc cao và các thành phần gây nhiễu khác. Đây là đặc điểm của mạch lọc tích cưc nối tiêp với nhiệm vu là bù song hài điện áp và ngoài ra còn làm giảm sut áp trên đường dây, phù hợp với dải công suât lớn và rât lớn. Theo sơ đồ nguyên lý của bô lọc nối tiêp dưới đây: Hình 1.
