(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu mạch lọc tích cực 3 pha 3 dây bằng hệ biến tần đa bậc

TỔNG QUAN

Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu

Trong những năm gần đây, việc sử dụng linh kiện chuyển mạch bán dẫn như diode, thyristor và các tải phi tuyến đã dẫn đến hiện tượng nhiễu mạng điện do dòng điện hài, gây méo dạng điện áp nguồn cung cấp Những kết quả không mong muốn này trở nên nghiêm trọng khi các thành phần hài vượt ngưỡng cho phép, làm suy giảm chất lượng điện năng trong hệ thống phân phối.

Các bộ lọc tích cực đã được nghiên cứu nhiều để triệt sóng hài, bù công suất phản kháng và nâng cao hệ số công suất trong hệ thống phân phối điện Chúng hoạt động như nguồn dòng lý tưởng, cung cấp đáp ứng động và điều chỉnh hiệu quả để loại bỏ dòng điện hài và bù công suất phản kháng Bộ lọc tích cực được chia thành hai loại: bộ lọc tích cực nguồn áp và bộ lọc tích cực nguồn dòng.

Bộ nghịch lưu không còn là khái niệm mới mẻ, mà đã trở thành một phần quan trọng trong các ngành công nghiệp và ngành điện trên toàn thế giới Trong công nghiệp, bộ nghịch lưu có khả năng chuyển đổi năng lượng từ điện sang cơ và giữa các tần số khác nhau, mang lại tính năng vượt trội Trong ngành điện, nó đóng vai trò quan trọng trong việc lọc, bù, điều khiển hộ tiêu thụ và tái tạo năng lượng.

Các bộ nghịch lưu đa bậc mang lại nhiều lợi ích, bao gồm sóng hài điện áp có biên độ thấp, kích thước bộ lọc nhỏ gọn, tổn hao chuyển mạch giảm, nhiễu điện từ thấp, điện áp ngược trên các bán dẫn công suất được giảm thiểu và ít gây ra tiếng ồn.

Nghiên cứu điều khiển các bộ nghịch lưu đã diễn ra hơn 30 năm và ngày càng phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây Ban đầu, các nghiên cứu tập trung vào phương pháp điều chế độ rộng xung sóng mang (CPWM) Tuy nhiên, từ đầu những năm 1990, nhiều hướng nghiên cứu mới đã xuất hiện, trong đó nghiên cứu điều chế độ rộng xung theo phương pháp vector không gian đã đạt được nhiều thành tựu đáng kể.

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 sử dụng bậc điều khiển bằng phương pháp vector không gian để loại bỏ sóng hài và điều chỉnh công suất phản kháng cho các tải phi tuyến và không cân bằng Bài viết cũng trình bày công thức tính toán các thông số cần thiết cho bộ lọc.

Bài báo [12] giới thiệu thiết kế bộ lọc tích cực song song, có chức năng 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 công bố nghiên cứu của PGS TS Nguyễn Văn Nhờ và Myung Joong Youn, trong đó các tác giả trình bày một lý thuyết mới liên kết SVPWM và CPWM Nghiên cứu này đã thống nhất hai trường phái CPWM và SVPWM, đồng thời hoàn thiện kỹ thuật đa điều chế, cho phép kiểm soát hiệu quả bộ nghịch lưu đa bậc.

Bài báo trình bày một kỹ thuật mới trong việc điều chế sóng mang bằng phương pháp PWM một trạng thái, nhằm giảm thiểu vector áp lỗi trong nghịch lưu đa bậc Kỹ thuật này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất điều khiển bộ nghịch lưu mà còn giảm tổn hao chuyển mạch, mang lại kết quả chấp nhận được Do đó, tác giả đã tiến hành nghiên cứu về mạch lọc tích cực 3 pha để tối ưu hóa quá trình này.

Hệ biến tần 11 bậc điều khiển một trạng thái với 3 dây giúp khử bỏ sóng hài, bù công suất phản kháng và giảm tổn hao chuyển mạch Điều này rất cần thiết để tiết kiệm điện năng và tăng tuổi thọ linh kiện.

Các nghiên cứu về nghịch lưu đa bậc hiện nay chủ yếu được phát triển từ các phòng thí nghiệm điện và điện tử công suất tại 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

Hiện nay, các bộ lọc tích cực công suất lớn sử dụng kỹ thuật PWM cổ điển cho nghịch lưu áp, thực hiện vector yêu cầu dựa trên trật tự chuỗi trạng thái của ba vector đỉnh gần nhất trong chu kỳ lấy mẫu Phương pháp này giúp đạt được kết quả vector áp trung bình một cách chính xác.

Một giải pháp gần đúng cho việc điều khiển PWM là sử dụng một vector trong chu kỳ lấy mẫu, giúp giảm công suất đóng ngắt trong chu kỳ này Giải pháp này rất có lợi cho các ứng dụng công suất lớn và đạt được độ chính xác chấp nhận được khi số bậc cao.

Kỹ thuật PWM 1 vector được áp dụng vào hệ thống mạch lọc tích cực song song 3 pha 3 dây nhằm khảo sát các đáp ứng của mạch lọc, nhờ vào những ưu điểm nổi bật của phương pháp này.

1.3 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 mạch lọc tích cực 3 pha 3 dây sử dụng bộ nghịch lưu áp đa bậc với kỹ thuật điều khiển PWM 1 vector, đồng thời so sánh hiệu quả với phương pháp điều khiển PWM SFOPWM Kết quả cho thấy sự khác biệt rõ rệt trong hiệu suất và độ ổn định của từng phương pháp điều khiển.

1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài

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

Thực hiện mô phỏng, đánh giá và kết luận

Tác giả tập trung nghiên cứu mạch lọc tích cực 3 pha 3 dây, sử dụng hệ biến tần 11 bậc NPC và áp dụng kỹ thuật điều rộng xung sóng mang 1 trạng thái do thời gian nghiên cứu có hạn.

Nghiên cứu tài liệu và bài báo liên quan đến chất lượng điện năng, lý thuyết công suất tức thời, và phương pháp điều khiển các bộ biến đổi công suất là rất quan trọng Các mạch lọc tích cực (APF) cũng đóng vai trò thiết yếu trong việc cải thiện chất lượng điện năng Hơn nữa, việc áp dụng Matlab/Simulink trong nghiên cứu này giúp mô phỏng và phân tích hiệu quả các giải pháp kỹ thuật.

Phương pháp chuyên gia bao gồm việc tham khảo ý kiến và trao đổi kinh nghiệm từ các khóa cao học trước, cũng như từ những chuyên gia 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.

Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài

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

Thực hiện mô phỏng, đánh giá và kết luận

Tác giả tập trung nghiên cứu mạch lọc tích cực 3 pha 3 dây, ứng dụng hệ biến tần 11 bậc NPC và kỹ thuật điều rộng xung sóng mang 1 trạng thái do thời gian nghiên cứu có hạn.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu tài liệu và bài báo liên quan đến chất lượng điện năng, lý thuyết công suất tức thời và các phương pháp điều khiển bộ biến đổi công suất Bên cạnh đó, việc tìm hiểu về mạch lọc tích cực (APF) và ứng dụng Matlab/Simulink trong nghiên cứu cũng rất quan trọng.

Phương pháp chuyên gia bao gồm việc tham khảo ý kiến và trao đổi kinh nghiệm từ các khóa cao học trước, cũng như từ 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

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Sóng hài

2.1.1 Các khái niệm về sóng hài

Hệ thống phân phối điện áp 3 pha hình sin là rất quan trọng, tuy nhiên, dạng sóng của nguồn cung cấp thường bị ảnh hưởng bởi nhiễu từ sóng hài dòng Các thiết bị như lò luyện kim, bộ biến đổi công suất và hệ thống đèn chiếu sáng tạo ra nguồn hài, làm cho dạng sóng đầu ra không còn duy trì hình sin như mong đợi.

Thành phần hài có hình dạng sóng sin và tần số là bội số của tần số cơ bản, với biên độ thường nhỏ hơn biên độ của thành phần cơ bản.

Hình 2.1: Thành phần cơ bản và các hài

- Bậc hài: Được xác định bằng tỉ số:

Trong đó: n là số bậc, f n là tần số hài bậc n, f 1 là tần số hài bậc 1 (hài cơ bản)

- Phổ: Là dãy biên độ các bậc hài khác nhau

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:

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 được xác định bằng cách lấy giá trị cực đại của các hài dạng sóng sin chia cho 2 Trong trạng thái xác lập, năng lượng phát sinh tuân theo định luật Joule.

R I t  RI t  RI t   RI t n (2.3) Trong đó: I 2  I 1 2  I 2 2   I n 2 (2.4) Đặt 2

Nếu điện trở được coi là hằng số, giá trị hiệu dụng của sóng nhiễu có thể được đo trực tiếp bằng dụng cụ đo lường chuyên dụng hoặc 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:

Độ méo dạng toàn phần (THD) là tỷ số giữa giá trị hiệu dụng của tất cả các sóng hài so với một giá trị được xác định theo một trong hai tiêu chuẩn.

 Dựa trên số lượng dạng sóng hài đo được (0 < THD < 1):

Việc tính toán THD sẽ được áp dụng theo tiêu chuẩn IEC 61000-2-2 Tiêu chuẩn 2 được áp dụng khi có yêu cầu

2.1.2 Ảnh hưởng nhiễu do sóng hài dòng điện và sóng hài điện áp

Hài điện áp có thể gây ra nhiễu cho các thiết bị điều khiển bằng điện tử, ảnh hưởng đến quá trình đóng cắt của Thyristor và dẫn đến sai số trong các dụng cụ đo lường cảm ứng.

Các bộ thu tín hiệu của thiết bị "Ripple control", như relay, được sử dụng để điều khiển việc đóng cắt các thiết bị tiêu thụ từ trung tâm điều khiển Tuy nhiên, chúng có thể bị nhiễu do sóng hài điện áp có tần số gần với tần số điều khiển.

Lực điện động do dòng tức thời liên quan đến sóng hài có thể gây ra dao động và tiếng ồn cho các thiết bị điện tử, đặc biệt là các thiết bị điện từ như máy biến áp (MBA) và cuộn kháng.

Các thiết bị điện tử viễn thông và mạch điều khiển có thể bị nhiễu khi hoạt động song song với các mạch phối mang dòng hài Mức độ nhiễu tín hiệu phụ thuộc vào khoảng cách, chiều dài song song của hai mạch và tần số sóng hài.

Sự tồn tại của sóng hài làm giảm chất lượng điện năng gây ra một số vấn đề sau:

Sự phát nóng của tụ điện xảy ra do hiện tượng từ trễ trong chất điện môi, khiến các bộ tụ dễ bị hư hỏng Nguyên nhân hư hỏng có thể do quá tải, tần số vượt quá tần số cơ bản hoặc do hài điện áp.

Sự phát nóng do nhiệt có thể dẫn đến sự già hóa và đánh thủng chất điện môi

Tổn thất trong máy điện quay xảy ra khi máy phát cung cấp cho tải phi tuyến, dẫn đến dòng hài bậc cao tạo ra tổn thất phát sinh trong stator, bao gồm tổn thất đồng và sắt, cũng như trong rotor.

Cuộn cảm và mạch từ của máy phát tạo ra sự sai lệch vận tốc giữa từ trường quay cảm ứng và rotor Sóng hài dòng điện gây ra rung động cơ, do từ trường đập mạch phát sinh bởi dòng thứ tự không Khi tần số của sóng hài trùng với tần số dao động cơ học của máy điện, điều này có thể dẫn đến việc máy điện bị phá hủy.

Tổn thất trong MBA do hiện tượng từ trễ và dòng điện xoáy (tổn hao sắt từ), gây bão hòa mạch từ làm cho MBA bị quá tải

Tổn thất trên dây dẫn điện xảy ra do hiệu ứng bề mặt, dẫn đến việc tăng điện trở cuộn dây theo tần số Hiện tượng này có thể gây ra tình trạng phát nóng quá mức cho phép khi giá trị hiệu dụng của dòng điện tăng lên.

Các giới hạn và tiêu chuẩn về sóng hài

2.2.1 Giới hạn chung về sóng hài

- Động cơ đồng bộ: dòng nhiễu Stator cho phép là từ 1,3% đến 1,4%

- Động cơ không đồng bộ: dòng nhiễu Stator cho phép là từ 1,5% đến 3,5%

- Cáp dẫn điện: nhiễu điện áp đối với lõi cách điện cho phép là từ 10%

2.2.2 Các tiêu chuẩn về sóng hài

Tiêu chuẩn IEC 61000-3-2 quy định giới hạn sóng hài cho các thiết bị tiêu thụ điện với dòng điện mỗi pha không vượt quá 16 A, nhằm đảm bảo hiệu suất và an toàn cho hệ thống điện Các thiết bị tiêu thụ có dòng điện lớn hơn 16 A sẽ phải tuân thủ các quy định khác.

75 A được xác định theo tiêu chuẩn IEC/TS 61000-3-12

Tiêu chuẩn IEC 61000-2-2 quy định mức độ hài điện áp tương thích cho nhiễu dẫn tần số thấp, nhằm đảm bảo tín hiệu trong hệ thống cung cấp điện hạ áp công cộng.

- Tiêu chuẩn IEC 61000-2-4 đưa ra các mức hài điện áp tương thích trong khu công nghiệp đối với nhiễu dẫn tần số thấp.

Tiêu chuẩn IEEE 519-1992 quy định giới hạn hài dòng điện và hài điện áp trong hệ thống điện, nhằm đảm bảo chất lượng điện năng Đặc biệt, tiêu chuẩn này xác định độ méo dạng hài dòng điện lớn nhất tính theo phần trăm hài cơ bản, góp phần nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống điện.

Tỉ số dòng ngắn mạch

Các hài bậc lẻ h < 11 11  h < 17 17  h < 23 23  h < 35 35  h TDD

Bảng 2.1: Các giới hạn độ méo dạng hài dòng điện trong các hệ thống phân phối (120 V – 69 kV)

Cấp điện áp Độ lớn hài thành phần (%) THD V (%)

Bảng 2.2: Các giới hạn độ méo dạng hài điện áp

Mạch lọc tích cực

Có nhiều phương pháp để khử và hạn chế sóng hài, bao gồm việc sử dụng mạch lọc thụ động và máy biến thế đấu Y/∆ Những phương pháp này giúp cải thiện chất lượng điện năng và giảm thiểu tác động tiêu cực của sóng hài lên hệ thống điện.

- 10 - mạch lọc tích cực là phương pháp hiện đại và đang được áp dụng nhiều nhất trong lĩnh vực khử sóng hài

2.3.1 Nhiệm vụ mạch lọc tích cực

Việc thực hiện bù công suất kết hợp với chức năng lọc thường chỉ giới hạn ở mức công suất nhỏ do các cấu hình thiết kế Mặc dù nhiều thiết bị bù có phản ứng chậm hơn, nhưng chúng lại có giá thành thấp, chẳng hạn như bù bằng SVC với công nghệ đóng ngắt thyristor.

2.3.1.2 Bù sóng hài điện áp:

Bù điện áp thường bị bỏ qua trong hệ thống điện do nguồn có trở kháng thấp và điện áp tại điểm đấu dây chung thường duy trì trong giới hạn an toàn Tuy nhiên, vấn đề này trở nên quan trọng khi tải nhạy cảm với sóng hài điện áp xuất hiện, như các thiết bị bảo vệ hệ thống điện và lưu trữ năng lượng siêu dẫn.

2.3.1.3 Bù sóng hài dòng điện:

Bù các thành phần sóng hài dòng điện có ý nghĩa quan trọng đối các tải công suất nhỏ và vừa

2.3.2 Phạm vi công suất của mạch lọc tích cực

2.3.2.1 Các ứng dụng phạm vi công suất thấp:

Các ứng dụng có công suất dưới 100kVA chủ yếu phục vụ cho khu dân cư, tòa nhà kinh doanh, bệnh viện, và các hệ truyền động có công suất nhỏ và vừa.

Các hệ thống tải này yêu cầu mạch lọc tích cực với cấu trúc phức tạp và khả năng đáp ứng động học cao, có thời gian phản hồi nhanh hơn so với mạch lọc tích cực ở dải công suất cao, trong khoảng từ vài chục micro giây đến vài mili giây.

2.3.2.2 Các phạm vi ứng dụng công suất vừa:

Các thiết bị này hoạt động với công suất từ 100 kVA đến 10 MVA, thường được sử dụng trong các mạng điện trung và cao áp cũng như các hệ thống truyền động điện công suất lớn Mục tiêu chính của các mạch lọc tích cực là loại bỏ hoặc giảm thiểu sóng hài trong dòng điện, đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.

- 11 - bù lọc trong hệ thống ở khoảng hàng chục ms

2.3.2.3 Các phạm viứng dụng công suất rất lớn

Trong hệ thống truyền tải hoặc truyền động động cơ DC công suất lớn, việc sử dụng mạch bù lọc tích cực cho dãy công suất rất lớn thường rất tốn kém do yêu cầu linh kiện có khả năng đóng ngắt dòng điện lớn Tuy nhiên, đối với dãy công suất trên 10MVA, lượng sóng hài bậc cao xuất hiện nhỏ, dẫn đến các yêu cầu không còn nghiêm ngặt như ở dãy công suất nhỏ Thời gian đáp ứng cần thiết trong các trường hợp này thường ở mức hàng chục giây, đủ để các hệ thống điều khiển relay thực hiện lựa chọn và tác động phù hợp.

Phân loại mạch lọc tích cực

2.4.1 Phân loại theo bộ biến đổi công suất

Có hai loại mạch lọc tích cực dựa trên cấu hình của bộ biến đổi công suất: VSI (bộ biến đổi nguồn áp) và CSI (bộ biến đổi nguồn dòng).

Hình 2.3: Cấu hình VSI Đặc điểm của cấu trúc của cấu hình VSI là: o Có thể mở rộng ra cấu trúc đa bậc o Tự cung cấp điện áp DC

Cấu hình CSI có những đặc điểm nổi bật như hạn chế tần số đóng cắt, tổn hao công suất lớn và không thể mở rộng ra cấu trúc đa bậc.

2.4.2 Phân loại theo sơ đồ

Căn cứ vào sơ đồ có hai loại: mạch lọc tích cực song song và mạch lọc tích cực nối tiếp

Hình 2.5: Mạch lọc tích cực song song Đặc điểm của mạch lọc tích cực song song: o Bù sóng hài dòng điện o Bù công suất phản kháng

Mạch lọc tích cực nối tiếp có khả năng lọc sóng hài điện áp, điều chỉnh và cân bằng điện áp tại các nút, đồng thời lọc lan truyền sóng hài một cách hiệu quả.

Bộ nghịch lưu áp đa bậc

Bộ nghịch lưu áp chuyển đổi nguồn điện áp một chiều, như ắc quy hay pin điện, thành điện áp xoay chiều, có thể được lấy từ nguồn điện xoay chiều đã được chỉnh lưu và lọc phẳng.

Các linh kiện bán dẫn trong bộ nghịch lưu áp có khả năng điều khiển dòng điện, cho phép kích hoạt và ngắt dòng qua chúng Trong các ứng dụng nhỏ và vừa, transistor BJT là lựa chọn phù hợp để sử dụng.

MOSFET, IGBT Ở phạm vi công suất lớn có thể dùng GTO, IGCT hoặc SCR kết hợp với bộ chuyển mạch

Mỗi công tắc được trang bị một diode mắc đối song song, tạo thành mạch chỉnh lưu cầu không điều khiển với chiều dẫn ngược lại Bộ chỉnh lưu cầu diode có nhiệm vụ hỗ trợ quá trình trao đổi công suất ảo giữa nguồn một chiều và tải xoay chiều, đồng thời hạn chế quá điện áp phát sinh khi kích ngắt các công tắc.

Bộ nghịch lưu áp hai bậc (two-level VSI) là thiết bị điện tử chứa hai khóa bán dẫn trên mỗi nhánh pha tải, được sử dụng phổ biến cho các ứng dụng công suất vừa và nhỏ Khái niệm "hai bậc" đề cập đến sự thay đổi điện áp giữa đầu một pha tải và một điểm điện thế chuẩn trên mạch, với hai mức giá trị khác nhau Tuy nhiên, bộ nghịch lưu này có nhược điểm là tạo ra điện áp có độ dốc (dv/dt) lớn, dẫn đến một số vấn đề khó khăn, bao gồm hiện tượng Common Mode Voltage, gây ra trạng thái điện thế không mong muốn giữa các pha và nguồn DC.

Bộ nghịch lưu áp đa bậc được thiết kế nhằm khắc phục các vấn đề của bộ nghịch lưu áp hai bậc, thường được ứng dụng trong các hệ thống điện áp cao và công suất lớn.

Các ưu điểm của bộ nghịch lưu áp đa bậc:

- Công suất của bộ nghịch lưu áp tăng lên Đối với tải công suất lớn, điện áp cung cấp cho tải có thể đạt giá trị tương đối lớn

- Điện áp đặt lên linh kiện giảm xuống nên công suất tổn hao do quá trình đóng ngắt của linh kiện cũng giảm theo

- Với cùng tần số đóng ngắt, các thành phần sóng hài bậc cao của điện áp ra giảm hơn so với bộ nghịch lưu áp hai bậc.

Cấu trúc cơ bản của bộ nghịch lưu áp đa bậc

2.6.1 Cấu trúc Diode kẹp (NPC: Neutral Point Clamped Multilevel Inverter)

Cấu trúc này phù hợp cho việc chuyển đổi nguồn DC từ hệ thống điện AC Bộ nghịch lưu đa bậc sử dụng các cặp diode kẹp, trong đó mạch nguồn DC được chia thành nhiều cấp điện áp nhỏ hơn thông qua chuỗi tụ điện mắc nối tiếp.

Giả sử một nhánh mạch DC gồm n nguồn mắc nối tiếp với cùng độ lớn, điện áp pha-nguồn DC có thể đạt được (n+1) giá trị khác nhau, dẫn đến việc bộ nghịch lưu được gọi là bộ nghịch lưu áp (n+1) bậc Nếu chọn mức điện thế 0 ở cuối dãy nguồn, các mức điện áp khả thi sẽ là (0, U, 2U, 3U,… nU) Điện áp từ một pha tải, chẳng hạn như pha a, được truyền đến một vị trí bất kỳ (ví dụ M) thông qua cặp diode kẹp tại điểm đó (D1, D1’) Để đạt được mức điện áp nêu trên, cần thiết phải điều chỉnh điện áp pha nguồn DC tương ứng.

Trong mạch điện, khi U a0 = U, tất cả các linh kiện nằm giữa hai diode (D a3, D’a3) phải được kích đóng (sa’ 1, sa’ 2, sa’ 3, sa’ 4) trong khi các linh kiện còn lại được khóa theo nguyên tắc kích đối nghịch Điều này tạo ra năm mức điện áp khác nhau, dẫn đến việc gọi đây là bộ nghịch lưu năm bậc.

Bộ nghịch lưu áp đa bậc sử dụng diode kẹp cải tiến giúp cải thiện dạng sóng điện áp tải và giảm shock điện áp trên linh kiện n lần Đối với bộ nghịch lưu ba bậc, dv/dt trên linh kiện và tần số đóng cắt được giảm đi một nửa Tuy nhiên, khi n lớn hơn 3, mức độ chịu gai áp trên các diode sẽ không đồng nhất Hơn nữa, việc cân bằng điện áp giữa các nguồn DC (áp trên tụ) trở nên khó khăn, đặc biệt khi số bậc tăng cao.

Hình 2.7: Bộ nghịch lưu áp đa bậc NPC

2.6.2 Cấu trúc dùng tụ điện thay đổi (Floating Capacitor Multilevel Inverter)

+ Khi số bậc tăng cao thì không dùng bộ lọc

+ Có thể điều tiết công suất tác dụng và phản kháng nên từ đó có thể điều tiết việc phân bố công suất trong lưới có dùng biến tần

+ Số lương tụ công suất lớn tham gia trong mạch nhiều dẫn đến giá thành tăng và độ tin cậy giảm

+ Việc điều khiển sẽ khó khăn khi số bậc bộ nghịch lưu áp tăng cao

Hình 2.8: Bộ nghịch lưu áp đa bậc dạng tụ điện thay đổi

2.6.3 Cấu trúc dạng ghép tầng (Cascade H-Bridge Multilevel Inverter)

Sở đồ mạch Cascade H-Bridge Inverter sử dụng các nguồn DC riêng, thích hợp trong trường hợp sử dụng nguồn DC có sẵn, ví dụ dưới dạng acquy, battery

Cascade inverter gồm nhiều bộ nghịch lưu áp cầu một pha ghép nối tiếp, các bộ nghịch lưu áp dạng cầu một pha này có các nguồn DC riêng

Bằng cách kích hoạt các linh kiện trong mỗi bộ nghịch lưu áp một pha, ba mức điện áp (-U, 0, U) được tạo ra Sự kết hợp hoạt động của n bộ nghịch lưu áp trong một nhánh pha tải sẽ tạo ra n khả năng mức điện áp theo chiều âm (-U, -2U, ).

Bộ nghịch lưu áp dạng cascade bao gồm n bộ nghịch lưu áp một pha trên mỗi nhánh, tạo ra các mức điện áp âm (-nU, -4U, -3U, -2U, -U) và dương (0, U, 2U, 3U, 4U, nU) Nhờ đó, bộ nghịch lưu này có khả năng tạo ra tổng cộng (2n + 1) bậc điện áp.

Tần số đóng ngắt trong mỗi module của mạch này có thể giảm n lần, đồng thời dv/dt cũng giảm theo Điện áp áp dụng lên các linh kiện giảm 0.57 lần, cho phép sử dụng IGBT với điện áp thấp.

Mạch nghịch áp đa bậc có thể được cấu trúc từ ngõ ra của các bộ nghịch lưu áp ba pha, cho phép giảm dv/dt và tần số đóng ngắt xuống còn 1.

3 Mạch cho phép sử dụng các cấu hình nghịch lưu áp ba pha chuẩn Mạch nghịch lưu đạt được sự cân bằng điện áp các nguồn DC, không tồn tại dòng cân bằng giữa các module Tuy nhiên, cấu tạo mạch đòi hỏi sử dụng các máy biến áp ngõ ra

Hình 2.9: Bộ nghịch lưu áp đa bậc dạng Cascade H-Bridge

Phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp

2.7.1 Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM

Các bộ nghịch lưu áp sử dụng kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) và qui tắc kích đối nghịch để điều khiển Qui tắc này đảm bảo rằng dạng áp tải được điều chỉnh theo giản đồ kích đóng công tắc, đồng thời kỹ thuật PWM giúp giảm thiểu tối đa các ảnh hưởng tiêu cực từ sóng hài bậc cao xuất hiện ở phía tải.

2.7.1.1 Các tiêu chí đánh giá bộ nghịch lưu áp

Chỉ số điều chế (Modulation index) m được định nghĩa là tỉ số giữa biên độ của thành phần hài cơ bản do phương pháp điều khiển tạo ra và biên độ của thành phần hài cơ bản thu được từ phương pháp điều khiển sáu bước (six steps).

Total Harmonic Distortion (THD) is a crucial metric for assessing the presence of higher-order harmonics (such as second and third harmonics) within electrical systems.

Với: n là số nguyên, H (n) là sóng hài bậc thứ n, H 1 là sóng hài cơ bản

Tần số đóng ngắt và công suất tổn hao là hai yếu tố quan trọng trong hoạt động của linh kiện điện tử Công suất tổn hao bao gồm tổn hao khi linh kiện ở trạng thái dẫn điện (Pon) và tổn hao công suất động (Pdyn) Đặc biệt, tổn hao công suất động Pdyn sẽ gia tăng khi tần số đóng ngắt của linh kiện tăng, ảnh hưởng đến hiệu suất và độ bền của thiết bị.

2.7.1.2 Các dạng sóng mang dùng trong kỹ thuật PWM

 Hai sóng mang kế cận liên tiếp nhau sẽ bị dịch 180 độ (APOD Alternative

Hình 2.10: Dạng sóng mang APOD

 Bố trí cùng pha ( PD: In Phase Disposition ): Các sóng mang đều cùng pha

Hình 2.11: Dạng sóng mang PD

 Bố trí đối xứng qua trục zero ( POD – Phase opposition Disposition )

Tất cả các sóng mang nằm trên trục zero sẽ cùng pha nhau và ngược lại các sóng mang nằm dưới trục zero sẽ bị dịch đi 180 độ

Hình 2.12: Dạng sóng mang POD

Trong các phương pháp bố trí sóng mang, phương pháp bố trí sóng mang đa bậc cùng pha (PD) giúp giảm thiểu độ méo dạng điện áp dây Đối với bộ nghịch lưu áp ba bậc, cả phương pháp POD và AOD đều đạt được kết quả tương tự.

2.7.1.3 Phương pháp điều chế độ rộng xung sin (SH-PWM: Subharmonic

Để tạo xung kích cho các linh kiện trong cùng một pha, chúng ta sử dụng sóng mang dạng tam giác kết hợp với tín hiệu điều khiển dạng sin.

Phương pháp này hoạt động dựa trên nguyên lý kỹ thuật analog, trong đó giản đồ đóng kích công tắc bộ nghịch lưu được thực hiện thông qua việc so sánh hai tín hiệu cơ bản.

- Sóng mang u p (carrier signal) tần số cao, có thể ở dạng tam giác

- Sóng điều khiển u r (reference signal) hoặc sóng điều chế (modulating signal) dạng sin Ví dụ: công tắc lẻ được kích đóng khi sóng điều khiển lớn hơn sóng mang

(u r > u p ) Trong trường hợp ngược lại, công tắc chẵn được kích đóng

Tần số sóng mang cao giúp giảm thiểu lượng sóng hài bậc cao trong điện áp và dòng điện tải, nhưng cũng làm tăng tổn hao do quá trình đóng ngắt công tắc Các linh kiện yêu cầu thời gian đóng t_on và thời gian ngắt t_off nhất định, điều này hạn chế việc lựa chọn sóng mang Đối với bộ nghịch lưu áp n bậc, số sóng mang sử dụng là (n-1), với cùng tần số f_c và biên độ đỉnh A_c Sóng điều khiển u_r (hay sóng điều chế) có biên độ đỉnh A_m và tần số f_m mang thông tin về độ lớn trị hiệu dụng và tần số sóng hài cơ bản của điện áp ở ngõ ra.

Gọi m f là tỷ số điều chế tần số (frequency modulation ratio): ar ref c rier c f erence m f f m  f  f (2.10)

Việc gia tăng giá trị f m sẽ dẫn đến sự tăng tần số của các sóng hài Tuy nhiên, một nhược điểm của việc này là tổn hao năng lượng do số lần đóng cắt lớn.

Tương tự gọi m a là tỷ số điều chế biên độ (amplitude modulation ratio):

- 20 - ef e ar ier ( 1) m r er nce m a m c r c

Nếu m a ≤ 1, tức là biên độ sóng sin nhỏ hơn biên độ sóng mang, thì mối quan hệ giữa thành phần cơ bản của điện áp ra và điện áp điều khiển là tuyến tính Đối với bộ nghịch lưu áp ba pha, biên độ áp pha hài cơ bản được xác định bởi công thức: (1) t m a 2.

Khi giá trị m a lớn hơn 1, sóng hài cơ bản của điện áp ra sẽ tăng không tuyến tính theo m a Điều này dẫn đến sự xuất hiện dần dần của các sóng hài bậc cao cho đến khi đạt mức giới hạn theo phương pháp 6 bước Tình trạng này được gọi là quá điều chế (over modulation) hoặc điều chế mở rộng.

Phương pháp Sin PWM đạt chỉ số điều chế tối đa trong vùng tuyến tính khi biên độ sóng điều chế tương đương với biên độ sóng mang.

Trong đó U là tổng điện áp các nguồn DC

Hình 2.13: Quan hệ giữa biên độ sóng mang và sóng điều khiển

2.7.1.4 Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến (Modified PWM)

Phương pháp này còn có tên là SFO PWM (Switching Frequency Optimal

Phương pháp PWM là một kỹ thuật điều khiển tương tự như phương pháp điều chế Sin PWM, nhưng điểm khác biệt nằm ở việc sóng điều chế được cải biến Trong phương pháp này, mỗi sóng điều chế được cộng thêm tín hiệu thứ tự không, hay còn gọi là sóng hài bội ba Có nhiều cách để tạo ra thành phần thứ tự không, trong đó một trong những tín hiệu thứ tự không có thể được chọn bằng cách lấy trị trung bình của giá trị hiệu dụng lớn nhất và nhỏ nhất trong ba tín hiệu điều chế, được gọi là phương pháp SFO-PWM.

Gọi V a , V b , V c là các tín hiệu điều khiển của phương pháp điều chế PWM Tín hiệu điều khiển theo phương pháp SFO-PWM có thể biểu diễn dạng toán học như sau: offset ax( , , ) min( , , )

 (2.13) aSFO a offset ; bSFO b offset ; cSFO c offset

V V V V V V V V V (2.14) Phương pháp này cho phép điều khiển tuyến tính, biên độ sóng hài điện áp tải

U và có chỉ số điều chế: W 3 0, 907

Như vậy chỉ số điều chế nằm trong phạm vi 0 ≤ m ≤ 0,907

Hình 2.14: Quan hệ giữa biên độ sóng mang và sóng điều khiển

2.7.1.5 Phương pháp điều khiển PWM theo dòng điện

Nguyên lý cơ bản của giản đồ kích đóng các công tắc là so sánh dòng điện yêu cầu của tải với dòng điện thực tế được đo.

Trong thực tế, điều khiển theo dòng điện có thể thực hiện theo kỹ thuật dùng mạch kích trễ (hysteresis current control) hoặc dùng khâu hiệu chỉnh dòng điện

Mạch lọc tích cực song song 3 pha 3 dây

2.8 Mạch lọc tích cực 3 pha 3 dây

Mô hình mạch lọc tích cực song song 3 pha 3 dây được xây dựng dựa trên lý thuyết công suất tức thời [3]

2.8.1 Cơ sở lý thuyết mô hình mạch lọc tích cực song song 3 pha 3 dây

Mô hình cơ bản mạch lọc tích cực song song và luồng công suất tối ưu trong hệ trục tọa độ 

Hình 2.22: Mô hình cơ bản mạch lọc tích cực song song

Hình 2.23: Mô hình luồng công suất tối ưu trong hê tọa độ 

Bỏ qua tổn hao công suất đóng cắt của bộ nghịch lưu p l oss  0

Công suất tác dụng p L và công suất phản kháng q L của tải 3 pha phi tuyến được phân tích thành:

Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu về các thành phần của công suất trong hệ thống điện, bao gồm: p L, đại diện cho thành phần trung bình của công suất tác dụng; 𝑝 𝐿, là thành phần dao động của công suất tác dụng của tải; q L, thể hiện thành phần trung bình của công suất phản kháng; và 𝑞 𝐿, là thành phần dao động của công suất phản kháng của tải.

𝑝 𝐴𝐹 , 𝑞 𝐴𝐹 Công suất tác dụng, công suất phản kháng của tải yêu cầu và được cung cấp bởi mạch lọc như sau:

Trong mạch lọc,  p đại diện cho công suất trung bình mà mạch lấy từ nguồn để bù đắp cho công suất tổn thất khi đóng ngắt các linh kiện của bộ nghịch lưu.

Thành phần công suất trung bình của tải p L và thành phần công suất trung bình 𝑝 𝑙𝑜𝑠𝑠 được cung cấp bởi nguồn 𝑝 𝑆𝑜𝑢𝑟𝑐𝑒 = 𝑝 𝐿 + 𝑝 𝑙𝑜𝑠𝑠 (2.39)

Nguồn cung cấp thành phần công suất trung bình của tải và công suất tổn hao của bộ nghịch lưu, trong khi mạch lọc đảm nhận vai trò cung cấp thành phần dao động của công suất tải \( p_L \) và thành phần q.

2.8.2 Mô hình toán học của mạch lọc

Căn cứ vào cơ sở lý thuyết, ta xây dựng mô hình toán học của mạch lọc tích cực như sau:

Hình 2.24: Sơ đồ khối tính toán dòng yêu cầu của mạch lọc

Tính toán dòng yêu cầu i C  , i C 

Tính toán công suất tức thời p, q

Các tín hiệu điện áp tải v a, v b, v c và dòng điện tải i a, i b, i c được chuyển đổi sang hệ tọa độ  để thực hiện các phép tính cần thiết Sau khi tính toán xong, các tín hiệu này sẽ được chuyển ngược về hệ tọa độ abc, nhằm thu được dòng điện cần thiết cho mạch lọc.

Các điện áp tải được chuyển trục tọa độ theo biểu thức chuyển đổi Clarke: v α v β = 2

Các dòng điện tải được chuyển trục tọa độ theo biểu thức chuyển đổi Clarke: i α i β = 2

Công suất tải được xác định bằng biểu thức:

Dòng điện yêu cầu của mạch lọc trong hệ trục tọa độ  được xác định bằng biểu thức:

Dòng điện yêu cầu của mạch lọc trong hệ trục tọa độ abc được chuyển đổi bằng biểu thức Clarkengược:

Các dòng điện yêu cầu i Ca *, i Cb *, i Cc * và dòng hồi tiếp của mạch lọc tích cực được đưa vào khâu hiệu chỉnh PI để tạo ra điện áp điều khiển cần thiết Điện áp điều khiển này sau đó được sử dụng trong bộ điều chế độ rộng xung (PWM) thực hiện thuật toán một trạng thái, nhằm tạo ra xung kích cho bộ nghịch lưu.

XÂY DỰNG MÔ HÌNH MẠCH LỌC TÍCH CỰC 3 PHA 3 DÂY BẰNG HỆ BIẾN TẦN ĐA BẬC ĐIỀU KHIỂN 1 TRẠNG THÁI …32 3.1 Chiến lược điều khiển công suất tức thời là hằng số (Constant Instantaneuos

Nguồn cung cấp 3 pha 3 dây cân bằng

Nguồn xoay chiều 3 pha 3 dây cân bằng với các tham số: Giá trị đỉnh điện áp pha V peak = 220 2 V, tần số f = 50 Hz, các góc pha a, b, c lần lượt lệch nhau 120 0

Hình 3.2: Nguồn xoay chiều 3 pha 3 dây cân bằng

Mô hình tải phi tuyến không cân bằng

- Tải phi tuyến không cân bằng gồm bộ chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển và điện trở R, cuộn cảm L

Bộ tạo xung đồng bộ đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp xung kích cho bộ chỉnh lưu cầu 3 pha, dựa trên giá trị góc kích yêu cầu Đầu vào của bộ tạo xung này bao gồm các tín hiệu cần thiết để hoạt động hiệu quả.

+ Ngõ vào alpha_deg: thay đổi góc kích bộ chỉnh lưu cầu 3 pha và được điều khiển bởi khâu alpha với các tham số

+ Các ngõ vào điện áp đồng bộ V AB , V BC , V CA

+ Ngõ vào Block: cho phép tạo xung đồng bộ khi có giá trị là 1 hoặc < 0

Hình 3.4: Các tham số bộ tạo xung đồng bộ

Hình 3.5: Khâu điều khiển góc kích bộ chỉnh lưu cầu 3 pha

Hình 3.6: Tham số khâu Step1

- Tải DC của bộ chỉnh lưu cầu 3 pha: nhánh RL có giá trị R = 20 , L = 2 mH

Hình 3.7: Các tham số tải DC của bộ chỉnh lưu cầu 3 pha

Mô hình bộ nghịch lưu áp NPC 11 bậc 3 nhánh

Hình 3.8: Bộ nghịch lưu NPC 11 bậc 3 nhánh

Bộ nghịch lưu NPC 11 bậc 3 nhánh gồm có 10 x 3 = 30 cặp IGBT, 9 x 3 = 27 cặp Diode, 10 tụ điện DC Các cặp IGBT trên cùng 1 pha sẽ được kích đối nghịch

Hình 3.9: Các tham số của IGBT Các tụ điện có giá trị C = 4,7.10 -3 (F), giá trị điện áp tụ điện ban đầu V C = 100 V

Hình 3.10: Các tham số của tụ điện

Các cuộn kháng

Lf_load và Lf_APF là các cuộn kháng 3 pha được lắp đặt trước tải phi tuyến không cân bằng và bộ nghịch lưu, có chức năng giảm độ dốc.

(di/dt) dòng điện tải iL_abc của bộ chỉnh lưu và dòng điện bù iF_abc của bộ nghịch lưu Có các tham số

Hình 3.11: Tham số của cuộn kháng Lf_load

Hình 3.12: Tham số của cuộn kháng Lf_APF

3.1.5 Các khâu lấy tín hiệu

Để tính toán và vẽ đồ thị các giá trị điện áp, dòng điện của nguồn, tải và bộ nghịch lưu, chúng ta cần sử dụng các khâu lấy tín hiệu phù hợp.

+ [vS_abc]: Điện áp các pha a,b,c

+ [iS_abc]: Dòng điện nguồn các pha a, b, c

+ [iL_abc]: Dòng điện tải các pha a, b, c

+ [iF_abc]: Dòng điện bù các pha a, b, c

- Bằng cách sử dụng công cụ Goto, ta sẽ có các biến trung gian phục vụ cho công việc tính toán, vẽ đồ thị và quan sát

Hình 3.13: Sử dụng khối Goto để lưu dữ liệu vào vùng nhớ

3.1.6.1 Khối chuyển trục tọa độ abc sang 

Công thức chuyển đổi điện áp từ hệ tọa độabc sang αβ v α v β = 2

Công thức chuyển đổi dòng điện từ hệ tọa độabc sang αβ i α i β = 2

Bao gồm các khối con như sau:

Hình 3.14: Khâu biến đổi trục tọa độ từ abc sang 

Hình 3.15: Sơ đồ chuyển đổi điện áp vS_abc sang vS_

Hình 3.16:Sơ đồ chuyển đổi dòng điện nguồn iS_abc sang iS_

3.1.6.2 Khối tính toán công suất

Bao gồm các khâu tính toán như sau:

Hình 3.17: Khâu tính toán công suất tải Trong đó:

3.1.6.3 Khối tính dòng điện bù tham chiếu trong hệ tọa độ  i cα i cβ = 1 v α 2 + v β 2 v α v β v β −v α – p

Hình 3.18: Tính toán dòng bù trong hệ tọa độ 

Các ngõ vào Các ngõ ra

Mạch lọc thông thấp với tần số cắt 20 Hz được sử dụng để tách thành phần công suất một chiều p Để lấy thành phần công suất xoay chiều 𝑝, ta thực hiện khâu xử lý tiếp theo.

- 40 - Đặt trưng của mạch lọc thông thấp là tần số cắt f cut off  và hệ số phẩm chất Q

Hình 3.19: Tham số mạch lọc thông thấp

3.1.6.4 Khối biến đổi dòng bù từ hệ tọa độ sang abc

Hình 3.20: Khâu biến đổi dòng điện bù từ hệ tọa độ  sang abc

3.1.6.5 Khối điều khiển bộ nghịch lưu

Hình 3.21: Khối điều khiển bộ nghịch lưu

Các dòng điện bù tham chiếu Iref_abc được so sánh với các dòng điện bù thực tế iF_abc của bộ nghịch lưu Những sai lệch giữa hai giá trị này được xử lý qua khâu hiệu chỉnh PI, với ngõ ra là áp điều khiển Vđk_abc, sau đó được đưa vào khâu tiếp theo.

PWM 1 trạng thái của bộ nghịch lưu NPC 11 bậc để tạo xung kích 3 pha

Hình 3.22: Tham số khâu hiệu chỉnh PI

Hình 3.23: Tham số khâu Saturation

3.2 Chiến lƣợc điều khiển dòng điện hình sin (Sinusoidal Current Control

Strategy): Áp dụng cho trường hợp nguồn điện cung cấp bị mất cân bằng và / hoặc méo dạng

Chiến lược điều khiển dòng điện hình sin và chiến lược điều khiển công suất tức thời có nhiều điểm tương đồng, do đó, trong phần này, tác giả sẽ chỉ ra những khác biệt giữa hai chiến lược này.

3.2.1 Nguồn cung cấp 3 pha 3 dây không cân bằng

Hình 3.24 minh họa sơ đồ nguồn 3 pha 3 dây không cân bằng với biên độ đỉnh điện áp các pha là Va1 = 220√2 V, Vb1 = 242√2 V, Vc1 = 200√2 V Tần số của nguồn là f = 50 Hz, và các pha a, b, c lệch pha nhau một góc 120 độ.

Hình 3.25: Tham số nguồn áp Va1

Hình 3.26: Tham số nguồn áp Vb1

Hình 3.27: Tham số nguồn áp Vc1

3.2.2 Nguồn cung cấp 3 pha 3 dây không cân bằng và méo dạng

Hình 3.28: Nguồn 3 pha 3 dây không cân bằng và méo dạng

Bằng cách lấy nguồn 3 pha 3 dây không cân bằng Va1, Vb1, Vc1 cộng lần lượt với các nguồn Va2, Vb2, Vc2 có các tham số như sau:

3.2.3 Khối phát hiện điện áp thứ tự thuận

Hình 3.32: Sơ đồ khối phát hiện điện áp thứ tự thuận

Hình 3.33: Sơ đồ khối mạch khóa pha PLL circuit

Khối điều khiển (controller)

3.1.6.1 Khối chuyển trục tọa độ abc sang 

Công thức chuyển đổi điện áp từ hệ tọa độabc sang αβ v α v β = 2

Công thức chuyển đổi dòng điện từ hệ tọa độabc sang αβ i α i β = 2

Bao gồm các khối con như sau:

Hình 3.14: Khâu biến đổi trục tọa độ từ abc sang 

Hình 3.15: Sơ đồ chuyển đổi điện áp vS_abc sang vS_

Hình 3.16:Sơ đồ chuyển đổi dòng điện nguồn iS_abc sang iS_

3.1.6.2 Khối tính toán công suất

Bao gồm các khâu tính toán như sau:

Hình 3.17: Khâu tính toán công suất tải Trong đó:

3.1.6.3 Khối tính dòng điện bù tham chiếu trong hệ tọa độ  i cα i cβ = 1 v α 2 + v β 2 v α v β v β −v α – p

Hình 3.18: Tính toán dòng bù trong hệ tọa độ 

Mạch lọc thông thấp với tần số cắt 20 Hz được sử dụng để tách riêng thành phần công suất một chiều p Để lấy thành phần công suất xoay chiều 𝑝, chúng ta thực hiện khâu tiếp theo.

- 40 - Đặt trưng của mạch lọc thông thấp là tần số cắt f cut off  và hệ số phẩm chất Q

Hình 3.19: Tham số mạch lọc thông thấp

3.1.6.4 Khối biến đổi dòng bù từ hệ tọa độ sang abc

Hình 3.20: Khâu biến đổi dòng điện bù từ hệ tọa độ  sang abc

3.1.6.5 Khối điều khiển bộ nghịch lưu

Hình 3.21: Khối điều khiển bộ nghịch lưu

Các dòng điện bù tham chiếu Iref_abc được so sánh với các dòng điện bù thực tế iF_abc của bộ nghịch lưu Sai lệch giữa chúng được xử lý qua khâu hiệu chỉnh PI, từ đó tạo ra áp điều khiển Vđk_abc để tiếp tục xử lý.

PWM 1 trạng thái của bộ nghịch lưu NPC 11 bậc để tạo xung kích 3 pha

Hình 3.22: Tham số khâu hiệu chỉnh PI

Hình 3.23: Tham số khâu Saturation

3.2 Chiến lƣợc điều khiển dòng điện hình sin (Sinusoidal Current Control

Strategy): Áp dụng cho trường hợp nguồn điện cung cấp bị mất cân bằng và / hoặc méo dạng

Chiến lược điều khiển dòng điện hình sin và chiến lược điều khiển công suất tức thời có nhiều điểm tương đồng, vì vậy tác giả chỉ tập trung vào các khía cạnh khác biệt giữa hai phương pháp này.

Nguồn cung cấp 3 pha 3 dây không cân bằng

Sơ đồ nguồn 3 pha 3 dây không cân bằng được mô tả với biên độ đỉnh điện áp các pha là Va1 = 220√2 V, Vb1 = 242√2 V, Vc1 = 200√2 V, và tần số f = 50 Hz Các pha a, b, c lệch pha nhau một góc 120 độ.

Nguồn cung cấp 3 pha 3 dây không cân bằng và méo dạng

Hình 3.28: Nguồn 3 pha 3 dây không cân bằng và méo dạng

Bằng cách lấy nguồn 3 pha 3 dây không cân bằng Va1, Vb1, Vc1 cộng lần lượt với các nguồn Va2, Vb2, Vc2 có các tham số như sau:

Khối phát hiện điện áp thứ tự thuận

Hình 3.32: Sơ đồ khối phát hiện điện áp thứ tự thuận

Hình 3.33: Sơ đồ khối mạch khóa pha PLL circuit

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ĐÁP ỨNG CỦA MẠCH LỌC

Khảo sát sự làm việc của hệ thống khi nguồn cân bằng

4.1.1 Khi tải phi tuyến không đổi

4.1.1.1 Thiết lập các thông số cho mô hình mô phỏng:

- Thời gian mô phỏng: Simulation time/Stop time: 0,1 s

- Thời điểm mạch lọc tác động: 0,04 s

- Góc kích của bộ tạo xung chỉnh lưu cầu 3 pha: 0 0

- Giá trị tải của bộ chỉnh lưu cầu 3 pha: R = 20 , L = 2 mH

- Giá trị các cuộn kháng: Lf APF = 10 mH, Lf load = 5 mH

- Giá trị hiệu dụng điện áp nguồn 3 pha cân bằng: Va = Vb = Vc = 220 V

- Điện áp nguồn 3 pha 3 dây

Hình 4.1: Điện áp nguồn 3 pha 3 dây

Trước khi mạch lọc hoạt động, dòng điện nguồn bị méo và mất cân bằng Tuy nhiên, sau khi mạch lọc tác động, dòng điện trở nên dạng sóng sin và đạt được sự cân bằng.

Hình 4.2: Dòng điện 3 pha nguồn

- Trước khi mạch lọc tác động, dòng điện nguồn và điện áp nguồn lệch pha

Sau khi mạch lọc tác động, dòng điện nguồn và điện áp nguồn cùng pha

Hình 4.3: Điện áp nguồn, dòng điện nguồn, dòng điện tải pha a

Trước khi mạch lọc hoạt động, công suất tác dụng và công suất phản kháng của nguồn dao động mạnh Sau khi mạch lọc được kích hoạt, công suất tác dụng của nguồn trở nên ổn định và không thay đổi, trong khi công suất phản kháng của nguồn giảm xuống còn 0.

Hình 4.4: Công suất tác dụng và công suất phản kháng của nguồn

- Trước khi mạch lọc tác động, hệ số công suất nguồn dao động lớn Sau khi mạch lọc tác động, hệ số công suất nguồn xấp xỉ 1

Hình 4.5: Hệ số công suất của tải và nguồn

- Trước khi mạch lọc tác động, THD của dòng điện 3 pha nguồn có giá trị lớn

Sau khi mạch lọc tác động, THD của dòng điện 3 pha nguồn giảm đáng kể và có giá trị < 0,05

Hình 4.6: THD dòng điện nguồn

4.1.2 Khi tăng góc kích của bộ chỉnh lưu cầu 3 pha

- Góc kích ban đầu của bộ tạo xung chỉnh lưu cầu 3 pha: 0 0

- Thời điểm thay đổi góc kích 30 0 của bộ tạo xung chỉnh lưu cầu 3 pha: 0,1 s

- Giá trị hiệu dụng điện áp nguồn 3 pha cân bằng: Va = Vb = Vc = 220 V

- Sau khi mạch lọc tác động, dòng điện nguồn trở nên sin, cân bằng và không dao động tại thời điểm thay đổi góc kích

- Dòng điện nguồn và điện áp nguồn lệch pha trước khi mạch lọc tác động

Công suất tác dụng và công suất phản kháng của nguồn dao động lớn trước khi mạch lọc hoạt động Sau khi mạch lọc tác động, công suất tác dụng của nguồn sẽ ổn định và giảm dần khi góc kích tăng lên, trong khi công suất phản kháng của nguồn sẽ bằng 0.

Trước khi mạch lọc hoạt động, hệ số công suất của nguồn và tải có sự dao động lớn, đặc biệt là khi góc kích tăng lên Tuy nhiên, sau khi mạch lọc được kích hoạt, hệ số công suất của nguồn gần như đạt giá trị 1.

Khảo sát hệ thống khi nguồn không cân bằng

- Sau khi mạch lọc tác động

Hình 4.11: THD của dòng điện nguồn

4.2 Khảo sát sự làm việc của hệ thống khi nguồn không cân bằng

- Giá trị hiệu dụng điện áp nguồn xoay chiều 3 pha không cân bằng: Va = 220

- Điện áp nguồn 3 pha 3 dây không cân bằng

Hình 4.12: Điện áp nguồn 3 pha 3 dây không cân bằng

- Sau khi mạch lọc tác động, dòng điện nguồn trở nên sin và cân bằng mặt dù điện áp nguồn không cân bằng

Trước khi mạch lọc tác động, nguồn dao động có công suất tác dụng và công suất phản kháng lớn Sau khi mạch lọc được áp dụng, công suất tác dụng của nguồn dao động giảm, trong khi công suất phản kháng dao động nhỏ xung quanh giá trị 0.

- Trước khi mạch lọc tác động, hệ số công suất của nguồn và tải dao động lớn

Sau khi mạch lọc tác động, hệ số công suất nguồn bằng 1

- THD của dòng điện 3 pha nguồn có giá trị lớn trước khi mạch lọc tác động

Sau khi mạch lọc tác động, THD của dòng điện 3 pha nguồn bằng nhau, giảm đáng kể và có giá trị < 0,05

- Thời điểm thay đổi góc kích 30 0 của bộ tạo xung chỉnh lưu cầu 3 pha: 0,08 s

- Giá trị hiệu dụng điện áp nguồn xoay chiều 3 pha không cân bằng:

- Điện áp nguồn 3 pha 3 dây không cân bằng

Hình 4.18: Điện áp nguồn 3 pha 3 dây không cân bằng

Trước khi mạch lọc hoạt động, dòng điện nguồn gặp hiện tượng méo dạng và mất cân bằng Tuy nhiên, sau khi mạch lọc được kích hoạt, dòng điện trở nên ổn định và có dạng sóng sin, mặc dù điện áp nguồn vẫn không cân bằng và góc kích của bộ chỉnh lưu cầu 3 pha vẫn tăng.

Sau khi mạch lọc tác động, dòng điện nguồn không dao động tại thời điểm thay đổi góc kích và cùng pha với điện áp nguồn

Hình 4.20: Điện áp nguồn, dòng điện nguồn, dòng điện tải pha

Sau khi mạch lọc hoạt động, công suất tác dụng và công suất phản kháng của nguồn ít biến động hơn khi góc kích công suất phản kháng tăng, dao động xung quanh giá trị 0.

- Sau khi mạch lọc tác động, hệ số công suất của nguồn gần bằng 1, hệ số công suất của tải dao động càng lớn khi tăng góc kích

Sau khi mạch lọc tác động

Khảo sát sự làm việc của hệ thống khi nguồn không cân bằng và méo dạng

- Giá trị hiệu dụng của điện áp nguồn 3 pha không cân bằng và méo dạng:

- Điện áp nguồn 3 pha 3 dây không cân bằng và méo dạng

Hình 4.24: Điện áp 3 pha 3 dây không cân bằng và méo dạng

Trước khi mạch lọc hoạt động, dòng điện nguồn gặp hiện tượng méo dạng và mất cân bằng Tuy nhiên, sau khi mạch lọc được kích hoạt, dòng điện trở nên hình sin và cân bằng, mặc dù điện áp nguồn vẫn có thể không cân bằng và bị méo dạng.

Công suất tác dụng và công suất phản kháng của nguồn dao động lớn trước khi mạch lọc tác động Sau khi mạch lọc được kích hoạt, công suất tác dụng của nguồn dao động giảm xuống, trong khi công suất phản kháng gần như đạt giá trị 0.

- Hệ số công suất nguồn dao động lớn trước thời điểm mạch lọc tác động Sau khi mạch lọc tác động, hệ số công suất nguồn xấp xỉ 1

- Thời điểm thay đổi góc kích 30 0 của bộ tạo xung chỉnh lưu cầu 3 pha:0,08 s

- Giá trị tải của bộ chỉnh lưu cầu 3 ph : R = 20, L = 2 mH

- Giá trị hiệu dụng của điện áp nguồn 3 pha không cân bằng và méo dạng:

- Điện áp nguồn 3 pha 3 dây không cân bằng và méo dạng

Hình 4.30: Điện áp 3 pha 3 dây không cân bằng và méo dạng

- Sau khi mạch lọc tác động, dòng điện nguồn trở nên sin nhưng càng mất cân bằng khi góc kích bộ chỉnh lưu cầu 3 pha càng lớn

Công suất tác dụng và công suất phản kháng của nguồn dao động lớn trước khi mạch lọc tác động Sau khi mạch lọc hoạt động, công suất tác dụng của nguồn dao động giảm, trong khi công suất phản kháng gần như về giá trị 0.

Trước khi mạch lọc tác động, hệ số công suất nguồn dao động lớn và hệ số công suất tải tăng khi góc kích tăng Tuy nhiên, sau khi mạch lọc được kích hoạt, hệ số công suất nguồn gần đạt giá trị 1.

Hình 4.35: THD của dòng điện nguồn

Phân tích FFT khi nguồn cân bằng, thay đổi góc kích tải

Hình 4.36: Phần trăm các hài thành phần và THD của dòng điện nguồn pha a

Hình 4.37: Phần trăm các hài thành phần và THD của dòng điện nguồn pha b

Hình 4.38: Phần trăm các thành phần hài và THD dòng điện nguồn pha c

Bảng 4.1: So sánh kết quả phân tích FFT ( = 0 0 ) với tiêu chuẩn IEEE 519-1992

Hình 4.39: Phần trăm các thành phần hài và THD dòng điện nguồn pha a

Hình 4.40: Phần trăm các thành phần hài và THD dòng điện nguồn pha b h IEEE 519

Kết quả phân tích FFT (%)

Hình 4.41: Phần trăm các thành phần hài và THD dòng điện nguồn pha c

Bảng 4.2: So sánh kết quả phân tích FFT ( = 30 0 ) với tiêu chuẩn IEEE 519-1992 h IEEE 519

Khảo sát THD dòng điện nguồn của mạch lọc tích cực 3 pha 3 dây bằng hệ biến tần NPC 11 bậc 3 nhánh điều khiển 3 vector Trường hợp nguồn cân bằng, thay đổi góc kích bộ chỉnh lưu cầu 3 pha

Biến tần NPC 11 bậc 3 nhánh điều khiển 3 vector được thiết kế để tối ưu hóa hiệu suất trong các hệ thống nguồn cân bằng Việc điều chỉnh góc kích của bộ chỉnh lưu cầu 3 pha là cần thiết để đảm bảo hoạt động ổn định Để tìm hiểu thêm chi tiết, vui lòng tham khảo file mô phỏng APF_3p_3W_3Vector.mdl.

Hình 4.42: Dạng sóng, phổ hài và THD của dòng điện nguồn pha a

Hình 4.43: Dạng sóng, phổ hài và THD của dòng điện nguồn pha b

Hình 4.44: Dạng sóng, phổ hài và THD của dòng điện nguồn pha c

Bảng 4.3: So sánh kết quả phân tích FFT ( = 0 0 ) với tiêu chuẩn IEEE 519-1992

Hình 4.45: Dạng sóng, phổ hài và THD của dòng điện nguồn pha a h IEEE 519

Hình 4.46: Dạng sóng, phổ hài và THD của dòng điện nguồn pha b

Hình 4.47: Dạng sóng, phổ hài và THD của dòng điện nguồn pha c

Bảng 4.4: So sánh kết quả phân tích FFT ( = 30 0 ) với tiêu chuẩn IEEE 519-1992 h IEEE 519

4.5.3 Tổng hợp kết quả phân tích FFT mạch lọc tích cực 3 pha 3 dây bằng hệ biến tần NPC 11 bậc 3 nhánh điều khiển 3 vector và điều khiển 1 vector

So sánh kết quả THD của phương pháp điều khiển một vector và phương pháp điều khiển 3 vector

Kỹ thuật 1 vector 3 vector 1 vector 3 vector

Bảng 4.5: THD dòng điện của kỹ thuật 1 vector và 3 vector

Kết luận kết quả mô phỏng

Kết quả mô phỏng của mạch lọc tích cực song song thực hiện tốt các chức năng sau:

- Triệt sóng hài dòng điện, làm cho dòng điện 3 pha nguồn trở lại dạng hình sin và trùng pha với điện áp 3 pha nguồn

Để đảm bảo công suất phản kháng của nguồn bằng 0, cần bù hoàn toàn công suất phản kháng cho tải, đồng thời giữ cho thành phần công suất tác dụng của nguồn ổn định, đặc biệt là khi áp dụng phương pháp công suất tức thời là hằng số.

Bù không hoàn toàn công suất phản kháng cho tải dẫn đến việc công suất phản kháng của nguồn vẫn dao động xung quanh giá trị 0 Mặc dù công suất tác dụng của nguồn vẫn biến động, nhưng mức độ dao động này thấp hơn so với công suất tác dụng của tải, đặc biệt trong phương pháp điều khiển dòng điện hình sin.

- Cải thiện đáng kể hệ số công suất cos xấp xỉ 1

- THD của dòng điện 3 pha nguồn giảm đáng kể và có giá trị < 5%

Căn cứ các kết quả mô phỏng được trình bày từ Bảng 4.1 đến Bảng 4.3, mạch lọc đáp ứng được tiêu chuấn IEEE 519-1992

Từ kết quả mô phỏng được trình bày ở Bảng 4.5, nhận thấy rằng THD dòng điện của kỹ thuật 1 vector và kỹ thuật 3 vector đều thỏa mãn tiêu chuẩn IEEE 519-

Vào năm 1992, kỹ thuật PWM 1 vector đã được áp dụng trong mạch lọc tích cực nhằm giảm tổn hao đóng ngắt, đặc biệt trong các ứng dụng công suất lớn và số bậc cao.

Định dạng
Số trang	95
Dung lượng	4,39 MB