BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN LÊ BẢO LÂN NGHIÊN CỨU MẠCH LỌC TÍCH CỰC 3 PHA 3 DÂY BẰNG HỆ BIẾN TẦN ĐA BẬC S K C 0 0 3 9 5 9 NGÀNH : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270 S KC 0 0 3 9 7 4 Tp. Hồ Chí Minh, 2013 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN LÊ BẢO LÂN NGHIÊN CỨU MẠCH LỌC TÍCH CỰC 3 PHA 3 DÂY BẰNG HỆ BIẾN TẦN ĐA BẬC ĐIỀU KHIỂN 1 TRẠNG THÁI NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIÊN TỬ - 605270 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN VĂN NHỜ Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4/2013. Luan van Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.
Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu Trong những năm gần đây, việc sử dụng nhiều linh kiện chuyển mạch bán dẫn như là mạch chỉnh lưu diode, thyristor và các tải phi tuyến như là các bộ điều khiển tốc độ động cơ, các lò điều nhiệt, các bộ nguồn ngắt dẫn. kết quả là mạng điện cung cấp bị nhiễu bởi các dòng điện hài, đôi khi còn làm méo dạng điện áp nguồn cung cấp. Các kết quả không mong muốn này trở nên không thể chấp nhận khi các thành phần hài vượt qua ngưỡng cho phép làm suy giảm chất lượng điện năng trong hệ thống phân phối. Các bộ lọc tích cực gần đây đã được nghiên cứu rộng rãi cho việc triệt sóng hài dòng điện, bù công suất phản kháng và nâng cao hệ số công suất trong các hệ thống phân phối điện năng.
Các bộ lọc tích cực hoạt động như một nguồn dòng lý tưởng nhằm cung cấp một đáp ứng động và giải pháp điều chỉnh để triệt các dòng điện hài và bù công suất phản kháng. Các bộ lọc này được chia ra thành 2 loại: bộ lọc tích cực nguồn áp và bộ lọc tích cực nguồn dòng. Bộ nghịch lưu hiện nay không phải là một khái niệm mới mẻ nữa. Nó đã hiện hữu trên tất cả các quốc gia trên thế giới và hiện đang đóng một vai trò rất quan trọng trong các ngành công nghiệp và ngành điện.
Đối với ngành công nghiệp, khả năng biến đổi năng lượng từ năng lượng điện sang năng lượng cơ, từ nguồn điện có tần số này sang nguồn điện có tần số khác đóng một vai trò hết sức quan trọng và chiếm ưu thế bởi tính năng đặc trưng vượt trội đó của nó. Đối với ngành điện khả năng lọc, bù, điều khiển hộ tiêu thụ, khả năng tái tạo năng lượng… cũng có một ý nghĩa hết sức quan trọng. Các bộ nghịch lưu đa bậc có các ưu điểm là sóng hài điện áp có biên độ thấp hơn, kích thước bộ lọc nhỏ hơn, tổn hao chuyển mạch thấp hơn, nhiễu điện từ thấp hơn, điện áp ngược trên các bán dẫn công suất thấp hơn và ít gây ra tiếng ồn. -1- Luan van Việc nghiên cứu điều khiển các bộ nghịch lưu đã có từ hơn 30 năm qua.
Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu các phương pháp điều khiển nghịch lưu đã và đang được thực hiện ngày một nhiều hơn. Đối tượng chính trong các nghiên cứu này, ở thời kỳ đầu, thường là nghiên cứu các bộ nghịch lưu theo phương pháp điều chế độ rộng xung sóng mang (CPWM). Đầu những năm 1990 trở đi các nghiên cứu mới có nhiều hướng chuyển đổi mà một trong những hướng mới đã thu được nhiều thành quả là nghiên cứu điều chế độ rộng xung theo phương pháp vector không gian (SVPWM). Một số công trình nghiên cứu trong nước và trên thế giới: Bài báo [11] trình bày dùng mạch lọc tích cực 3 pha 3 dây dùng bộ nghịch lưu NPC ba bậc điều khiển bằng phương pháp vector không gian để khử sóng hài và bù công suất phản kháng cho tải phi tuyến và không cân bằng, và công thức tính toán các thông số cho bộ lọc.
Bài báo [12] trình bày thiết kế bộ lọc tích cực song song làm nhiệm vụ triệt tiêu sóng điều hòa dòng điện bậc cao và bù công suất phản kháng cho nguồn lò. Năm 2006, tạp chí IEE Proceedings Electric Power Applications đã đăng tải nghiên cứu của PGS.Nguyễn Văn Nhờ và Myung Joong Youn [10], trong bài viết này các tác giả đã nêu ra một lý thuyết mới cho phép giải tích hóa tương quan giữa SVPWM và CPWM. Kết quả nghiên cứu trên đã giúp thống nhất hai trường phái nghiên cứu thịnh hành CPWM và SVPWM, hoàn thiện kỹ thuật đa điều chế cho phép điều khiển toàn diện bộ nghịch lưu đa bậc. Bài báo [4] trình bày điều chế sóng mang dựa trên kỹ thuật PWM một trạng thái sao cho vector áp lỗi là nhỏ nhất trong nghịch lưu đa bậc đây là một kỹ thuật mới cho kỹ thuật điều khiển bộ nghịch lưu làm giảm tổn hao chuyển mạch mà kết quả chấp nhận được, vì vậy tác giả đã tiến hành nghiên cứu mạch lọc tích cực 3 pha 3 dây bằng hệ biến tần 11 bậc điều khiển một trạng thái để khử bỏ sóng hài, bù công suất phản kháng và làm giảm tổn hao chuyển mạch đây là điều rất cần thiết cho việc tiết kiệm điện năng và tăng tuổi thọ linh kiện.
-2- Luan van Đến nay, các công trình nghiên cứu về nghịch lưu đa bậc xuất phát từ các phòng thí nghiệm điện và các phòng thí nghiệm điện tử công suất của các nước Mỹ, Nhật, Úc, Hàn Quốc, Trung Quốc … chỉ theo một trong các hướng trên. Tính cấp thiết của đề tài, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. Ngày nay các bộ lọc tích cực công suất lớn dùng kỹ thuật PWM kinh điển cho nghịch lưu áp thực hiện vector yêu cầu bằng trật tự chuỗi trạng thái của 3 vector đỉnh gần nhất trong chu kỳ lấy mẫu. Phương pháp này cho phép đạt kết quả vector áp trung bình chính xác.
Tuy nhiên một giải pháp gần đúng là điều khiển PWM sử dụng 1 vector trong chu kỳ lấy mẫu, do đó giảm công suất đóng ngắt trong chu kỳ lấy mẫu. Điều này rất có lợi cho ứng dụng công suất lớn. Giải pháp có tính chính xác chấp nhận được khi số bậc cao. Với các ưu điểm của kỹ thuật PWM 1 vector tác giả đã áp dụng kỹ thuật điều khiển này vào hệ thống mạch lọc tích cực song song 3 pha 3 dây để khảo sát các đáp ứng của mạch lọc.
Mục tiêu, khách thể và đối tƣợng nghiên cứu. Ứng dụng bộ nghịch lưu áp đa bậc dùng kỹ thuật điều khiển PWM 1 vector vào hệ thống lọc tích cực. Các bộ nghịch lưu áp đa bậc điều khiển 1 trạng thái, mạch lọc tích cực 3 pha 3 dây dùng bộ nghịch lưu áp NPC 11 bậc điều khiển thông thường Khảo sát các đáp ứng của mạch lọc tích cực 3 pha 3 dây bằng bộ nghịch lưu áp đa bậc dùng kỹ thuật điều khiển PWM 1 vector và đưa ra kết quả so sánh với kỹ thuật điều khiển PWM bằng phương pháp SFOPWM. Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài.
Nhiệm vụ nghiên cứu. Nghiên cứu phương pháp và giải thuật điều khiển bộ nghịch lưu áp đa bậc NPC điều khiển1 trạng thái (1 vector). Xây dựng mô hình mạch lọc tích cực song song 3 pha 3 dây bằng hệ biến tần đa bậc điều khiển 1 trạng thái trong môi trường Matlab/Simulink. -3- Luan van Thực hiện mô phỏng, đánh giá và kết luận.
Giới hạn đề tài. Thời gian nghiên cứu có hạn nên tác giả chỉ tập trung nghiên cứu mạch lọc tích cực 3 pha 3 dây dùng hệ biến tần 11 bậc NPC dùng kỹ thuật điều rộng xung sóng mang 1 trạng thái. Phƣơng pháp nghiên cứu. Nghiên cứu các tài liệu, bài báo liên quan đến quá trình nghiên cứu đề tài: chất lượng điện năng, lý thuyết công suất tức thời, phương pháp điều khiển các bộ biến đổi công suất, mạch lọc tích cực (APF), Matlab/Simulink… Phương pháp chuyên gia: Tham khảo ý kiến, trao đổi kinh nghiệm những khóa cao học trước và những người có kinh nghiệm trong lĩnh vực nâng cao chất lượng lưới điện và điều khiển các bộ biến đổi công suất.
Phương pháp thực nghiệm: Sau phần nghiên cứu được kiểm chứng bằng việc thực hiện mô phỏngvà đánh giá trên phần mềm Matlab/Simulink. -4- Luan van Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Các khái niệm về sóng hài Hệ thống phân phối được cấp từ nguồn điện áp 3 pha hình sin. Một trong những đặc tính quan trọng của môt hệ thống cung cấp nguồn là dạng sóng của nó phải gần với sóng sin.
Tuy nhiên do ảnh hưởng nhiễu bởi các sóng hài dòng, áp bởi các thiết bị tạo ra nguồn hài như hồ quang điện từ các lò luyện kim, các bộ biến đổi công suất, hệ thống đèn chiếu sáng dẫn đến dạng sóng ra không còn sin như mong muốn. - Thành phần hài: Có dạng hình sin với tần số là bội số của tần số cơ bản. Biên độ sóng hài thường nhỏ hơn biên độ thành phần cơ bản.1: Thành phần cơ bản và các hài fn - Bậc hài: Được xác định bằng tỉ số: n (2.1) f1 Trong đó: n là số bậc, f n là tần số hài bậc n, f1 là tần số hài bậc 1 (hài cơ bản). - Phổ: Là dãy biên độ các bậc hài khác nhau.
-5- Luan van Hình 2.2: Phổ của sóng hài - Biểu diễn dạng sóng nhiễu: bất kỳ một hàm số có dạng không sin nào cũng được biểu diễn bằng chuỗi Fourier như sau: n f (t ) H 0 H n 2cos(nt n ) (2.2) n 1 Trong đó: + H 0 là biên độ của thành phần DC. + H n là giá trị hiệu dụng của thành phần hài bậc n. + n là góc pha của thành phần hài bậc n. Khi tần số tăng thì biện độ của hài giảm.
Vì vậy ta xem với những hài có bậc 40 trở lên thì biên độ là không đáng kể. - Giá trị hiệu dụng của sóng nhiễu: Giá trị hiệu dụng Hn của các hài dạng sóng sin bằng giá trị cực đại chia cho 2. Ở trạng thái xác lập, năng lượng phát sinh theo định luật Joule: RI 2t RI12t RI 22t .5) -6- Luan van Nếu điện trở được xem là hằng số thì giá trị hiệu dụng của sóng nhiễu có thể được đo trực tiếp bằng các dụng cụ đo lường chuyên dụng hoặc có thể phân tích qua máy phân tích phổ. - Tỉ số hài thành phần và độ méo dạng toàn phần THD: + Tỉ số hài thành phần là tỉ số biên độ sóng hài bậc n và sóng hài cơ bản: In .