Chương 1: Giới thiệu chung về cơ sở sản xuất ở khu công nghiệp Trà Đa – Gia Lai Chương 2: Các nguồn phát sinh sóng hài Giải pháp hạn chế sóng hài và bù công suất phản kháng Chương 3: Tổng quan về các bộ lọc Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của bộ lọc tích cực Chương 4: Thiết kế và mô phỏng bộ lọc tích cực cho lò nấu thép cảm ứng trung tần bằng phần mềm Matlab/Simulink Chương 5: Kết luận 4 Chương 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CƠ SỞ SẢN XUẤT Ở KHU CÔNG NGHIỆP TRÀ ĐA – GIA LAI 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KHU CÔNG NGHIỆP Khu công nghiệp Trà Đa là khu công nghiệp trọng điểm của tỉnh Gia Lai , nằm trên địa bàn thành phố Pleiku, có tổng diện tích 109,3 ha. Hiện khu công nghiệp có hơn 30 doanh nghiệp đang hoạt động, thu hút trên 2.000 lao động đến làm việc. Các lĩnh vực được ưu tiên khuyến khích đầu tư vào khu công nghiệp gồm: công nghiệp chế biến lâm sản, nông sản thực phẩm; công nghiệp vật liệu xây dựng; chế tạo, lắp ráp cơ khí điện tử; sản xuất, gia công hàng tiêu dùng.
Khu công nghiệp Trà Đa – Gia Lai Năm 2011, khu công nghiệp Trà Đa đã có 37 nhà đầu tư với trên 40 dự án, lấp đầy 100% diện tích, tổng số vốn đăng ký 1. Trong đó, 25 dự án đang hoạt động, 7 dự án trong giai đoạn xây dựng, 6 dự án được Ban quản lý chấp thuận chủ trương đầu tư, có hai dự án nhà đầu tư 100% vốn nước ngoài. Tổng doanh thu năm 2011 của toàn khu công nghiệp đạt 1.241,669 tỷ đồng (cao gấp 230,9% so với năm trước), giá trị sản xuất công nghiệp đạt 521,869 tỷ đồng (tăng 160%), chiếm tỷ trọng hơn 12% giá trị sản xuất 5 công nghiệp của tỉnh. Doanh thu công nghiệp đạt 879,563 tỷ đồng, nộp ngân sách nhà nước hơn 40 tỷ đồng (tăng 298%), tạo việc làm cho hơn 1.700 lao động địa phương.
Những mặt hàng sản xuất tại khu công nghiệp Trà Đa không chỉ đã có chỗ đứng trong nước mà còn vươn ra thị trường thế giới. Năm 2011, tổ ng kim ngạch xuất khẩu của khu công nghiệp Trà Đa ước đạt 104. Điển hình trong tăng kim ngạch xuất khẩu như: Công ty Louis Dreyfus Commoditis Việt Nam, Công ty TNHH Thương mại AQ, Công ty đá Granite Quốc Duy, Công ty cổ phần chế biến gỗ Đức Long… ước đạt từ 286.000 USD đến hơn 100 triệu USD. Sau một thời gian đo đạc thông số điện tại các nhà máy của khu công nghiệp Trà Đa, số liệu thống kê cho thấy dòng điện của nhà máy luyện cán thép Năm Hoa có độ méo dạng THD = 24.7%, vượt quá mức cho phép của tiêu chuẩn IEEE std 519-1992 là phải nhỏ hơn 5%.
Vì vậy, tôi đã chọn nhà máy này để nghiên cứu ứng dụng bộ lọc tích cực để lọc sóng hài, nhằm hạn chế những ảnh hưởng xấu do sóng hài gây ra, góp phần nâng cao chất lượng điện năng cho lưới điện và tiết kiệm điện năng cho nhà máy. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÒ CẢM ỨNG TRUNG TẦN Hiện nay, nhà máy luyện cán thép Năm Hoa đang sản xuất thép với ba lò nấu thép cảm ứng trung tần và một xưởng cán thép. Các lò nấu thép này thường sử dụng hai bộ biến đổi điện tử công suất đó là: một bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển hoàn toàn và một bộ nghịch lưu cộng hưởng nguồn dòng song song một pha sử dụng Thyristor. Những thiết bị này là nguyên nhân phát sinh ra rất nhiều sóng hài bậc cao, làm ảnh hưởng xấu đến lưới điện và gây ra tổn hao công suất trên đường dây truyền tải điện.
Do đó, để đưa ra được giải pháp khắc phục vấn đề này cần phải tìm hiểu về cấu trúc và nguyên lý hoạt động của lò cảm ứng trung tần. Sơ đồ nguyên lý lò nấu thép cảm ứng trung tần 1. Nguyên lý hoạt động của lò cảm ứng trung tần Nguyên lý làm việc của lò cảm ứng là dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ, khi đưa một khối kim loại vào trong một từ trường biến thiên, trong khối kim loại xuất hiện dòng điện xoáy, nhiệt năng do dòng điện xoáy sẽ đốt nóng khối kim loại. Việc tạo ra nguồn DC (Direct Current) ở mạch lò cộng hưởng nguồn dòng song song có phần phức tạp hơn so với mạch lò cộng hưởng nguồn dòng nối tiếp vì phải cần đến bộ chỉnh lưu có điều khiển, thông qua đó người ta mới có thể thay đổi được công suất cấp cho lò.
Phần DC, có cuộn kháng làm nhiệm của kho năng lượng và lọc. Bộ biến đổi DC sang AC (Alternating Current) là bộ nghịch lưu cộng hưởng nguồn dòng, là bộ biến đổi đặc biệt, thường sử dụng Thyristor. Đặc điểm cơ bản của bộ nghịch lưu cộng hưởng nguồn dòng đó là có phụ tải là một mạch vòng dao động với dòng hoặc áp dạng hình sin, do đó các Thyristor trên sơ đồ sẽ chuyển mạch tự nhiên. Các bộ nghịch lưu cộng hưởng nguồn dòng được thiết kế với công suất ngày càng lớn đến vài MW, tần số từ 500Hz đến 2000Hz.
Ngoài ra, để hỗ trợ cho việc khởi động lò, hệ thống cung cấp điện phải có thêm mạch khởi động để tạo ra ít nhất một chu kỳ dao động trên tải, sau đó là việc điều khiển đóng cắt các van ở phần nghịch lưu để dao động trên tải được duy trì. Mạch đòn bẩy có tác dụng xả năng lượng trong cuộn dây sau khi quá trình nấu chảy đã hoàn tất. Các bộ phận chính của lò cảm ứng trung tần Máy cắt – được điều khiển đóng ngắt tự động nhờ một động cơ công suất nhỏ, cũng có thể đóng ngắt trực tiếp bằng tay. Máy cắt được nối với nguồn điện áp xoay chiều ba pha điện áp 380v, cung cấp điện cho mạch chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển hoàn toàn.
Máy cắt Cuộn kháng xoay chiều lõi không khí – có chức năng hạn chế dòng ngắn mạch và hạn chế tốc độ tăng trưởng dòng điện để bảo vệ các Thyristor chỉnh lưu. Cuộn kháng xoay chiều 8 Bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển hoàn toàn – dùng để biến đổi nguồn điện xoay chiều ba pha thành nguồn điện một chiều cấp cho bộ nghịch lưu. Thyristor chỉnh lưu Cuộn kháng LD – cuộn kháng lọc một chiều có tác dụng san phẳng dòng điện một chiều, có giá trị điện cảm rất lớn. Mạch từ là mạch từ hở để tránh hiện tượng bão hòa.
Cuộn kháng một chiều có hai phần lớn , mỗi phần lớn gồm có năm vòng lớn và trong mỗi vòng lớn lại gồm năm vòng nhỏ. Cuộn kháng lọc một chiều LD 9 Bộ nghịch lưu cộng hưởng nguồn dòng song song – được nối theo sơ đồ cầu một pha có chức năng biến nguồn điện một chiều thành nguồn điện xoay chiều cấp cho tải lò cảm ứng, điện áp ra trên tải có dạng gần hình sin. Thyristor nghịch lưu Vòng cảm ứng – là phụ tải của của bộ nghịch lưu cộng hưởng. Vì dòng qua vòng cảm ứng cỡ hàng ngàn Ampe nên tổn hao điện chiếm tới 25 ÷ 30% công suất hữu ích của thiết bị, do đó cần phải làm mát vòng cảm ứng.
Làm mát bằng không khí cho phép mật độ dòng điện 2 ÷ 5 A/mm 2, còn làm mát bằng nước chảy trong ống tiết diện tròn thì cho phép mật độ dòng điện lên tới 10 ÷ 30 A/mm 2. Vòng cảm ứng của lò trung tần Tụ điện – được nối song song với vòng cảm ứng để tạo thành mạch vòng dao động và bù hệ số công suất (cosφ) của lò. Các tụ điện này chịu được điện áp cao (tới 1000 V) và chịu được tần số cao (tới 10kHz). Tụ điện Ngoài ra còn có những bộ phận khác như: dây dẫn cao tần, bảng điều khiển, các máy biến dòng điện, khởi động từ, mạch RC (điện trở nối tiếp với tụ điện) bảo vệ quá điện áp cho Thyristor , điện trở shunt để đo dòng điện chỉnh lưu, biến áp 11 xung nghịch lưu, biến áp nguồn cấp điện cho bảng điều khiển, c ác đồng hồ đo điện áp, dòng điện, tần số và đo lưu lượng nước… Một số hình ảnh về lò nấu thép cảm ứng trung tần - Tủ điều khiển lò Hình 1.
Tủ điều khiển lò - Lò đang hoạt động Hình 1. Lò đang hoạt động 12 Chương 2 CÁC NGUỒN PHÁT SINH SÓNG HÀI – GIẢI PHÁP HẠN CHẾ SÓNG HÀI VÀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG 2. ĐẶT VẤN ĐỀ Sóng hài được sinh ra bởi các tải phi tuyến nối với hệ thống phân phối điện. Sóng hài có thể làm cho cáp bị quá nhiệt, phá hỏng cách điện.
Động cơ cũng có thể bị quá nhiệt hoặc gây tiếng ồn và sự dao động của mô men xoắn trên rotor dẫn tới sự cộng hưởng cơ khí và gây rung. Tụ điện quá nhiệt và trong phần lớn các trường hợp có thể dẫn tới phá huỷ chất điện môi. Các thiết bị hiển thị sử dụng điện và đèn chiếu sáng có thể bị chập chờn, các thiết bị bảo vệ có thể ngắt điện, máy tính bị lỗi và thiết bị đo cho kết quả sai. Do vậy, để giảm được sóng hài cần phải sử dụng các thiết bị phát sóng hài thấp hoặc sử dụng các phương pháp lọc ngoài.
Trong đó, muốn giảm dòng đi ện hài phải tăng điện cảm AC hoặc tăng số van chỉnh lưu trong bộ chỉnh lưu, để giảm điện áp hài gây ra bởi dòng điện hài phải tăng công suất biến áp, giảm trở kháng biến áp hay tăng khả năng chịu ngắn mạch của nguồn. Ngoài ra, các tải phi tuyến còn tiêu thụ một lượng công suất phản kháng rất lớn, làm cho lượng công suất phản kháng trên đường dây truyề n tải giảm đi đáng kể, điều này khiến cho hệ số công suất giảm làm tăng tổn hao, giảm chất lượng điện năng. Do đó, cần phải bù công suất phản kháng. Trong chương 2, chúng ta sẽ tìm hiểu về các nguồn phát sinh sóng hài, các giải pháp hạn chế sóng hài và bù công suất phản kháng.
PHÂN TÍCH SÓNG HÀI Công cụ để phân tích mức độ méo của dạng sóng dòng điện có chu kỳ là phân tích Fourier. Phương pháp này dựa trên nguyên lý là một dạng sóng méo có chu kỳ (không sin) thì có thể được thay thế bởi tổng của các sóng hài hình sin bao gồm: 13 - Một sóng hình sin với tần số cơ bản (50 Hz). - Thành phần không đổi hay còn gọi là thành phần một chiều. - Một số sóng hình sin khác với tần số cao hơn, đó là bội số của tần số cơ bản.
Dạng sóng méo ở hình dưới đây được phân tích thành một thành phần sóng cơ bản và một thành phần sóng hài bậc ba.