Chương 1 TỔNG QUAN VỀ SÓNG ĐIỀU HÒA VÀ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG 1.1 Tổng quan về sóng hài 1.1 Giới thiệu chung Hoạt động của hệ thống điện đó là một quá trình cân bằng giữa tổng công suất phát và công suất thu. Trong đó, phát công suất thuộc về phía nguồn mà chủ đạo là các nhà máy điện phát ra công suất 3 pha xoay chiều hình sin tần số cơ bản 50Hz (hoặc (60) Hz đối với một số nước như Mỹ, Nhật. Ngược lại, thu công suất thuộc về phía hộ tiêu thụ hay còn gọi là tải với nhiều loại hình khác nhau là nguyên nhân dẫn đến sự xuất hiện các thành phần không sin trong hệ thống điện. Nói một cách khác là các sóng hài bậc cao (bội số của tần số cơ bản) được sinh ra ngoài mong muốn.
Theo phân tích Fourier, một sóng dòng điện hay điện áp hình sin khi bị méo dạng tương đương với một phổ sóng hài gồm một sóng tần số cơ bản, còn lại là các thành phần sóng hài bậc cao. Tỷ lệ các thành phần sóng hài này phụ thuộc vào độ méo dạng so với ban đầu. Hiện nay các sóng hài bậc cao được nhiều người đặt cho tên gọi là sóng hài. 1 Dạng sóng sin chuẩn và sin bị méo dạng 400 Song hai h1, h2,h3 200 0 -200 -400 0 0.
2 Sóng cơ bản và các sóng hài h1, h2, h3 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LUẬN VĂN THẠC SỸ Trong hệ thống ba pha đối xứng, dòng điện hay điện áp các pha bị méo dạng và các sóng hài bậc lẻ có thể phân biệt thành các thành thành phần thứ tự thuận, nghịch, không: Thành phần thứ tự thuận gồm: các sóng hài bậc h1, h7, h10… 400 Song dien ap h1, h7,h10 200 0 -200 -400 0 0.04 Time (s) Thành phần thứ tự nghịch gồm: các sóng hài bậc h2, h8, h11 400 Song dien ap h2, h8, h11 200 0 -200 -400 0 0.04 Time (s) Thành phần thứ tự không gồm: các sóng hài bậc h3, 9, 12 400 Song dien áp h3, h9,h12 200 0 -200 -400 0 0.04 Time (s) 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LUẬN VĂN THẠC SỸ Một sóng hài với chu kỳ T(s), tần số cơ bản f=1/T(Hz) hay ω=2πf (rad/s) có thể phân tích chuỗi Furier được như sau: a0 f ωt = + Fnsin nωt+ψn (1.1) 2 n=1 Trong đó: a0 : giá trị trung bình 2 Fn : biên độ của sóng hài bậc n trong chuỗi Fourier Fsin 1 ωt+ψ1 : thành phần sóng cơ bản Fn sin nωt+ψ n : thành phần sóng hài bậc n ψ n : góc pha của sóng hài bậc n Từ (1.1) có thể viết thành: Fn sin nωt+ψn =Fn (sinnωt.cosnωt) Nếu quy ước: Fnsinψn =bn Fn cosψn =a n Im Fn bn yn an Re Hình 1. 3 Phân tích Fn thành an và bn Từ đó có thể viết được như sau: a0 f ωt = + a n cosnωt+ b nsinnωt (1.2) 2 n=1 n=1 Hay có thể viết (1.2) dưới dạng sau: 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LUẬN VĂN THẠC SỸ a0 2πnt 2πnt f ωt = + a n cos +b nsin (1.3) 2 n=1 T T Ví dụ: Dòng điện sau chỉnh lưu cầu 3 pha có thể được phân tích thành phổ các thành phần sóng hài bằng FFT trong Matlab như hình 1.4 FFT window: 5 of 40 cycles of selected signal 50 0 -50 0. 4 Phân tích phổ của sóng hài dòng điện sau chỉnh lưu cầu 3 pha Theo thông tư 32 /2010/TT-BCT Của Bộ Công thương đã áp dụng tiêu chuẩn sóng hài 519 của IEEE cho tiêu chuẩn đánh giá chất lượng điện năng của Việt nam. Đó là hệ số méo dạng THD: X n=2 2 n THD= (1.4) X1 Trong đó: X1 là biên độ thành phần cơ bản Xn là biên độ thành phần điều hòa bậc n Từ (1.4) được triển khai áp dụng để đánh giá độ méo dòng điện và điện áp: Hệ số méo dạng dòng điện 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LUẬN VĂN THẠC SỸ I n=2 2 n THD= 2 1I Trong đó : I1 là biên độ thành phần dòng cơ bản In là biên độ thành phần dòng điều hòa bậc n Hệ số méo dạng điện áp U n=2 2 n THD= U12 Trong đó : U1 là biên độ thành phần điện áp cơ bản Un là biên độ thành phần áp điều hòa bậc n 1.2 Các nguồn phát sinh sóng hài trong mạng điện Các sóng hài trong công nghiệp chủ yếu được tạo ra bởi tất cả các tải phi tuyến.
Các phần tử phi tuyến điển hình là quộn dây của máy biến áp, động cơ làm việc ở chế độ bão hòa mạch từ, các dụng cụ bán dẫn công suất như thyristor, diode của các bộ biến đổi (chỉnh lưu, nghịch lưu, điều áp xoay chiều…), các đèn điện tử, máy hàn, các hệ truyền động điện… 1. Máy biến áp Hiện tượng bão hòa mạch từ của máy biến áp lực có thể sinh ra sóng hài bậc cao. Khi biên độ điện áp và từ thông đủ lớn để rơi vào vùng không tuyến tính trong đường cong B-H sẽ dẫn đến dòng điện từ bị méo và có chứa các sóng hài bậc cao. Động cơ Các sóng hài bậc cao được phát sinh bởi máy điện quay liên quan chủ yếu tới 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 hài bậc cao bởi biến dạng từ trường, sự bão hòa trong các mạch chính và do các dây quấn dùng để giảm dao động đặt không đối xứng. 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LUẬN VĂN THẠC SỸ 3. 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 gây sóng hài bậc cao. Tùy thuộc vào cấu trúc của các bộ biến đổi mà sóng hài 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 sản sinh nhiều sóng hài. Để giảm bớt sóng hài có thể dùng hai mạch chỉnh lưu cầu ba pha ghép lai 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. Ví dụ sóng hài gây ra bởi một số bộ biến đổi công suất: - Chỉnh lưu cầu một pha: Giả sử xét với tải có tính cảm D1 D3 Ia Load D4 D6 Hình 1. 5 Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu một pha Dòng điện trên đường dây cấp nguồn cho bộ chỉnh lưu: 40 20 Current (A) 0 -20 -40 0 0.
6Dòng điện lưới gây bởi bộ chỉnh lưu cầu một pha không điều khiển 13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LUẬN VĂN THẠC SỸ Hình 1. 7 Phổ dòng điện chỉnh lưu cầu một pha - Chỉnh lưu cầu ba pha: các van bán dẫn có thể là GTO, diode, thyristor… Trường hợp chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển: Ia D1 D3 D5 Load D4 D6 D2 Hình 1. 8 Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển Dạng sóng dòng điện trên pha A của nguồn cấp cho chỉnh lưu: 100 50 Current (A) 0 -50 -100 0 0. 9 Dòng điện lưới gây bởi bộ chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển 14 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LUẬN VĂN THẠC SỸ Hình 1.
10 Phổ dòng điện chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển Ta thấy dòng điện đầu vào bộ chỉnh lưu cầu ba pha có độ méo rất lớn THD=28,52 %. Các thành phần sóng hài này là do tính phi tuyến của bộ chỉnh lưu cầu gây ra. Trong đó các thành phần sóng hài bậc 5, 7, 11 là chủ yếu. Đối với bộ chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển, Sơ đồ nguyên lý của chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển như hình 1.
Các kết quả mô phỏng cho ảnh hưởng đến dòng phía nguồn (đầu vào chỉnh lưu) như sau: Ia T1 T3 T5 Load T4 T6 T2 Hình 1. 11 Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển Ứng ứng góc điều khiển là = 300 dòng điện phía lưới được mô phỏng kèm theo phân tích FFT bằng Matlab như hình 1.12 15 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LUẬN VĂN THẠC SỸ Hình 1. 12 Dòng điện phía lưới và phân tích phổ khi = 300 Ứng ứng góc điều khiển là = 500 dòng điện phía lưới được mô phỏng kèm theo phân tích FFT bằng Matlab như hình 1. 13 Dòng điện phía lưới và phân tích phổ khi = 500 Ứng ứng góc điều khiển là = 700 dòng điện phía lưới được mô phỏng kèm theo phân tích FFT bằng Matlab như hình 1.14 16 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LUẬN VĂN THẠC SỸ Hình 1.
14 Dòng điện phía lưới và phân tích phổ khi = 700 Ứng ứng góc điều khiển là = 900 dòng điện phía lưới được mô phỏng kèm theo phân tích FFT bằng Matlab như hình 1.15 17 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LUẬN VĂN THẠC SỸ Hình 1. 15 Dòng điện phía lưới và phân tích phổ khi = 900 Từ phân tích ở trên với chỉnh lưu cầu ba pha ta thấy khi thay đổi, góc góc điều khiển tăng thì các thành phần sóng hài bậc cao sinh ra càng lớn làm độ méo dòng điện càng tăng. - 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 hài bậc cao sinh ra bởi đèn huỳnh quang cũng rất lớn. - Các thiết bị hồ quang. Các thiết bị thường gặp trong hệ thống điện là các lò hồ quang công nghiệp. Theo thống kê thì điện áp lò hồ quang cho thấy sóng hài bậc cao đầu ra biến thiên rất lớn ví dụ như sóng hài 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 Ảnh hưởng của sóng hài bậc cao Sự tồn tại sóng hài 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 18 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.