Đề tài : “Thiết kế lọc sóng hài cho biến tần 0.75 kW Siemens” LỜI MỞ ĐẦU Đất nước ta đường hội nhập, mức tăng trưởng hàng năm cao điểm đến nhiều nhà đầu tư nước Trước lớn mạnh kinh tế việc gia tăng nhanh chóng phụ tải điện gây sức ép lớn cho ngành điện Mặc dù xây thêm nhiều nhà máy thủy điện, nhiệt điện nâng công suất nhà máy cũ khắc phục tình trạng thiếu điện Chính mà Chính Phủ Tập đồn điện lực Việt Nam đề biện pháp để thiết kiệm điện dùng thiết bị tiết kiệm điện đặc biệt giảm tổn thất điện Tổn thất điện nước ta thuộc loại cao khu vực Nhiều vùng nước ta tổn thất điện lên tới hàng chục phần trăm Điều gây sức ép cho ngành điện buộc ngành điện phải vào nhằm giảm tổn thất điện tới mức thấp Tổn thất điện kể đến bốn nguyên nhân sau : Một số thiết bị sử dụng lưới cũ làm việc hiệu quả, Ở nhiêù nơi đường dây dài xuống cấp, hệ số cosphi lưới thấp méo dạng sóng làm giảm chất lượng điện Đề tài tốt nghiệp sâu vào nguyên nhân thứ tư tức nghiên cứu sóng hài, ảnh hưởng tới chất lượng điện giải pháp hạn chế Đề tài sóng hài mẻ với sinh viên chúng em Để nghiên cứu chúng địi hỏi phải tìm tịi, nghiên cứu nhiều tài liệu chủ yếu tài liệu nước ngồi, tính tốn chế tạo thử nghiệm lọc sóng hài Tuy nhiên với giúp đỡ thầy BùiĐức Hùng thầy Phạm Hùng Phi em hoàn thành đồ án tốt ngiệp với kết khả quan Cuối em xin chân thành cảm ơn thầy cô Bộ môn Thiết Bị ĐiệnĐiện Tử đặc biệt hai thầy Bùi Đức Hùng thầy Phạm Hùng Phi tận tình giúp đỡ em hồn thành đồ án Hà Nội Ngày 22 Tháng 05 Năm 2008 Sinh viên thực : Mục lục CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG VÀ CÁC ĐIỀU HOÀ BẬC CAO Chất Lượng Điện Năng Các tượng xảy lưới điện 2.1 Phi tuyến 2.1.1 Xung phi tuyến 2.1.2 Dao động phi tuyến 2.2 Các biến thiên điện áp thời gian ngắn 2.2.1 Điện áp lõm 2.2.2 Điện áp lồi 10 2.2.3 Ngắt 11 2.3 Các biến thiên điện áp thời gian dài 11 2.3.1 Dưới điện áp 12 2.3.2 Quá điện áp 12 2.3.3 Ngắt trì 12 2.4 Méo dạng sóng 12 2.4.1 Khoảng chiều 12 2.4.2 Điều hòa 12 2.4.3 Nội điều hòa 12 2.4.4 Nhiễu sinh trùng dẫn ( Notching ) 13 2.4.5 Nhiễu 13 2.5 Dao động điện áp 13 2.6 Các biến đổi tần số 13 2.7 Mất cân điện áp 13 Tổng quan sóng hài số đánh giá 14 3.1 Sóng hài phân tích sóng hài 14 3.2 Các số đánh giá 18 3.2.1 Tổng méo điều hòa THD 18 3.2.2 Tổng méo nhu cầu TDD 18 Nguồn phát sinh sóng hài 18 4.1 Các thiết bị có tượng bão hòa mạch từ 18 4.2 Các thiết bị có tượng phóng tia lửa điện 19 4.2.1 Lò hồ quang điện 19 4.2.2 Các loại đèn phóng điện 19 4.3 Chỉnh lưu pha 20 4.4 Bộ biến đổi ba pha nguồn áp 22 4.5 Bộ biến đổi ba pha nguồn dòng 22 4.5.1 Mạch xung 24 4.5.2 Mạch 12 xung 25 4.5.3 Ảnh hưởng máy biến áp trở kháng hệ thống đến phát sinh sóng hài 25 4.6 Các cuộn kháng điều khiển thyristor 27 4.6.1 Bộ bù công suất phản kháng tĩnh 27 CHƯƠNG II.CÁC BIỆN PHÁP CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG VÀ HẠN CHẾ SÓNG HÀI 31 Đánh giá méo điều hòa 31 1.1 Điểm đổi nối chung 31 1.2 Đánh giá méo điều hòa hệ thống phân phối 31 1.3 Đánh giá điều hịa phía người sử dụng 32 Các biện pháp hạn chế sóng hài 33 2.1 Hạn chế công suất tải phi tuyến 33 2.2 Tăng điện kháng phía nguồn xoay chiều đầu vào tải phi tuyến 33 2.3 Phương pháp đa xung 35 2.4 Dùng lọc 37 2.4.1 Bộ lọc thụ động 38 2.4.1.1 Bộ lọc thụ động rẽ nhánh 40 2.4.1.2 Bộ lọc thụ động kiểu nối tiếp 41 2.4.1.3 Bộ lọc thông thấp 42 2.4.1.4 Bộ lọc tụ C 42 2.4.2 Bộ lọc tích cực 44 2.5 Các biện pháp khắc phục hài thứ tự không 44 Mối quan tâm giải pháp sử dụng Việt Nam 46 CHƯƠNG III K HẢO SÁT HỆ BIẾN TẦN - ĐỘNG CƠ 48 Lý thuyết chung hệ biến tần-động 48 1.1 Sự cần thiết điều tốc 48 1.2 Nguyên lý điều tốc 48 1.3 Sóng hài phát sinh từ biến tần 50 Biến tần Micromaster 420 Siemens 50 Mô hệ biến tần động 52 Đo đạc với hệ biến tần động thực tế 53 4.1 Nhiệm vụ thí nghiệm 53 4.2 Giới thiệu thiết bị đo lường dùng thí nghiệm 54 4.2.1 Máy đo dạng sóng phân tích phổ tần Energytest 2020E 54 4.3 Hệ động cơ-máy phát 57 4.4 Sơ đồ thí nghiệm 57 4.5 Cách tiến hành đo đạc số liệu 58 4.6 Kết thí nghiệm 58 CHƯƠNG IV T HIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ LỌC SÓNG HÀI CHO HỆ THỐNG 60 Lựa chọn kiểu lọc 60 1.1 Bộ lọc thông thấp LC 60 1.2 Ưu điểm lọc LC 60 1.3 Nhược điểm lọc LC 60 Phương án thiết kế lọc 60 Chế tạo lọc thử nghiệm cuộn kháng 63 3.Thử nghiệm tác dụng lọc mạch thực 64 KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined Các tài liệu tham khảo 69 Đề Tài : Thiết kế lọc sóng hài cho biến tần 0.75 kW Siemens - - Chương1 TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG VÀ CÁC ĐIỀU HOÀ BẬC CAO Chất Lượng Điện Năng Ngay từ năm đầu kỷ 20 người ta đưa khái niệm "chất lượng điện ", lúc trở thành khái niệm gây tranh cãi, ngày cịn nhiều bất đồng việc sử dụng khái niệm này, cách định nghĩa áp dụng cho xác Trong nhiều tài liệu châu Âu Mỹ, "chất lượng điện năng" hiểu chất lượng sản phẩm điện nhà cung cấp phân phối cho hộ sử dụng Còn nhà chun mơn đưa nhận định riêng Theo Roger.C.Dugan : có nhiều định nghĩa khác chất lượng điện , điều phụ thuộc vào vị trí người đưa định nghĩa Ví dụ nhà cung cấp điện định nghĩa "chất lượng điện năng" độ tin cậy khẳng định độ tin cậy Các nhà quản lý điện đưa tiêu chuẩn dựa quan điểm Cịn nhà sản xuất định nghĩa "chất lượng điện năng" đặc tính nguồn điện cho phép thiết bị làm việc ổn định Ngoài ông viết "chất lượng điện năng" = "chất lượng điện áp" phân tích hệ thống cung cấp điện điều chỉnh chất lượng điện áp khơng thể điều chỉnh dịng điện tải đặc biệt sinh [14].Từ Roger.C Dugan đưa định nghĩa : chất lượng điện vấn đề điện thể qua sai lệch điện áp , dòng điện hay tần số dẫn đến thiết bị người sử dụng bị hỏng hay hoạt động sai.[14] Với Barry W Kennedy, ông nhận định chất lượng điện theo hai quan điểm vấn đề hay sản phẩm tuỳ thuộc theo quan điểm người Ông viết:Nếu bạn kỹ sư điện,một nhà nghiên cứu điện hay thợ điện bạn nhìn nhận chất lượng điện vấn đề cần phải giải Còn bạn nhà kinh doanh , người mua bán điện hay khách hàng tiêu thụ điện Sinh Viên Thực Hiện : Lớp : Đỗ Gia Nam TBĐ-ĐT4 K48 Đề Tài : Thiết kế lọc sóng hài cho biến tần 0.75 kW Siemens - - điện sản phẩm chất lượng điện phần quan trọng Từ ơng đưa định nghĩa Gerry Heydt chất lượng điện “là biện pháp, phân tích,cải thiện cho điện áp, thông thường điện áp tải , để trì điện áp dạng sin theo điện áp tần số định mức” [15] Trong số tài liệu khác, Maura.C.Ryan định nghĩa: chất lượng điện mức độ việc sử dụng phân phối lượng điện tác động đến hoạt động thiết bị điện Bất kỳ sai lệch so với biên độ, tần số dạng sóng điện áp hình sin lý tưởng xem vấn đề chất lượng điện [17] Còn Kabelo Klifford Modipance cho rằng: chất lượng điện phản ứng khơng bình thường hệ thống điện xảy dạng sóng dịng điện hay /và điện áp, tác động có hại hoạt động bình thường thiết bị điện tử hay điện [18] Các quan tiêu chuẩn hoá quốc tế IEEE (Institue of Electric and Electronic Engineers) IEC (International Electronical Commision) bắt đầu định nghĩa phân loại tượng liên quan đến chất lượng điện Theo IEEE : chất lượng điện khái niệm việc nối nguồn nối đất cho thiết bị nhạy cảm mà theo cách phù hợp cho việc hoạt động thiết bị Vào năm 2000 IEC đưa dự thảo đề nghị định nghĩa chất lượng điện theo cách sau : chất lượng điện tính chất điện điểm cho trước hệ thống điện đánh giá so sánh với thông số kỹ thuật tham khảo (với ý kèm : vài trường hợp thơng số có liên quan đến độ tương thích lượng cung cấp mạng tải kết nối với mạng đó) Các tượng xảy lưới điện Phi tuyến Phi tuyến nhiễu mà có thời gian kéo dài lớn ba chu kì (50Hz-60ms)[14] Các nhiễu xuất phát từ nhiều nguyên nhân: ví dun đống cắt tụ điện, phóng điện đèn huỳnh quang, chúng xếp vào loại nhiễu xung nhiễu dao động Các nhiễu xung xuất thời gian nhỏ 1ms, đạt giá trị đỉnh từ giá trị đỉnh xuống nhanh Các dao động phi tuyến nói chung có thời gian tơng Sinh Viên Thực Hiện : Lớp : Đỗ Gia Nam TBĐ-ĐT4 K48 Đề Tài : Thiết kế lọc sóng hài cho biến tần 0.75 kW Siemens - - nhỏ chu kì dao động (tần số nguồn kích thích) thường có tần số dao động 5kHz Thuật ngữ phi tuyến sử dụng phân tích biến đổi hệ thống điện để ramột kiện không theo mong muốn mang tính chất tức thời tự nhiên [14] Phi tuyến phân loại thành hai dạng: Xung phi tuyến Xung phi tuyến thay đổi điều kiện làm việc ổn định điện áp dòng điện hay hai mà thay đổi khơng làm thay đổi giá trị cực tính điện áp hay dòng điện (Khởi đầu điện áp hay dịng điện âm hay dương) Hình Phi tuyến xung dòng điện sét đánh [14] Dao động phi tuyến Dao động phi tuyến thay đổi điều kiện ổn định điện áp dòng điện hai mà thay đổi làm thay đổi chiều cực tính điện áp hay dòng điện bao gồm hai giá trị âm dương.Tùy theo tần số dao dộng mà chúng phân loại vào số thấp ( fdđ < kHz ), trung bình ( kHz ≤ fdđfđm từ thơng máy giảm, mơ men máy giảm Nếu mô men tải giữ không đổi hàm tăng tốc độ, dịng điện động phải tăng lên để làm tăng mô men cho cân với mô men cản Kết động bị tải dòng Khi giảm tần số để giảm tốc, từ thông Φ tăng lên mạch từ bị bão hòa Hiện tượng làm tăng dịng điện từ hóa, nghĩa tăng tổn hao thép làm nóng máy điện Do điều tần ta phải đồng thời thay đổi điện áp stator Quy luật điều chỉnh gần cho loại tải bảng sau Quy luật gần sử dụng dải điều chỉnh khơng rộng Nếu dải điều chỉnh lớn quy luật phạm phải sai số đáng kể vùng tần số thấp [4] Loại tải Quy luật điều chỉnh điện áp Máy tiện V/ f =const V/f=const Cần trục Ma sát nhớt V/ f = const Quạt gió V/f =const Bảng Quy luật điều chỉnh [4] Sinh Viên Thực Hiện : Lớp : Đỗ Gia Nam TBĐ-ĐT4 K48 Đề Tài : Thiết kế lọc sóng hài cho biến tần 0.75 kW Siemens - 50 - Sóng hài phát sinh từ biến tần  Phía nguồn cấp ( chủ yếu ) tần số đóng cắt cầu diode xung 300 Hz với lưới điện 50 Hz Sóng hài sinh chỉnh lưu rơi vào khoảng tần số đến kHz dẫn ngược phía nguồn cấp Sóng hài phát từ chỉnh lưu có tần số tương đối thấp Hình 40  Dạng sóng phía nguồn cấp [10] Phía động Vì tần số đóng cắt nghịch lưu lớn ( thường từ kHz đến 20 kHz ), sóng hài sinh có tần số lên đến 10 MHz Sóng hài truyền dẫn theo cáp điện nối đến động Hài phía nguồn cấp có tần số đến 3kHz chủ yếu bậc hài thấp Hài phía động có tần số cao ( 10 kHz ), xếp chồng lên dạng sóng sin bình thường [5] Hình 41 Dạng sóng phía động [10] Biến tần Micromaster 420 Siemens Micromaster 420 họ biến tần dùng điều khiển tốc độ động xoay chiều ba pha Các loại biến tần đa dạng từ biến tần 120 W đầu vào pha tới biến tần 11 kW đầu vào pha Ở ta sử dụng biến tần 0.75 kW, đầu vào pha Biến tần sử dụng vi xử lý để thực việc điều khiển Van sử dụng transistor Sinh Viên Thực Hiện : Đỗ Gia Nam Đề Tài : Thiết kế lọc sóng hài cho biến tần 0.75 kW Siemens - 51 - lưỡng cực cổng cách ly IGBT Micromaster 420 lập sẵn với hệ thống tham số mặc định ( gọi “factory” ) phù hợp với nhiều ứng dụng điều khiển động đơn giản thường gặp Khi cần dùng cho ứng dụng cao cấp ta phải sử dụng hệ thống tham số biến tần Hình 42 Biến tần Micromaster 420 Sinh Viên Thực Hiện : Đỗ Gia Nam Đề Tài : Thiết kế lọc sóng hài cho biến tần 0.75 kW Siemens - 52 - Mơ hệ biến tần động Hình 43 Mơ hệ biến tần – động Sóng hài phát sinh với hệ thống có dạng Sinh Viên Thực Hiện : Đỗ Gia Nam Đề Tài : Thiết kế lọc sóng hài cho biến tần 0.75 kW Siemens - 53 - Hình 44 Dạng sóng dịng điện đầu vào theo mơ Đo đạc với hệ biến tần động thực tế Nhiệm vụ thí nghiệm  Xây dựng mơ hình thí nghiệm với nguồn phát điều hòa biến tần  Tạo tải cho hệ thống để thí nghiệm nhiều mức độ tải khác  Lắp đặt thiết bị đo lường cần thiết để thu thập số liệu Sinh Viên Thực Hiện : Đỗ Gia Nam Đề Tài : Thiết kế lọc sóng hài cho biến tần 0.75 kW Siemens - 54 - Giới thiệu thiết bị đo lường dùng thí nghiệm Máy đo dạng sóng phân tích phổ tần Energytest 2020E Hình 45 Energytest 2020E Energytest 2020E oscilloscope đa hãng Amprobe cho phép phân tích thử nghiệm với hệ thống đơn pha, ba pha có trung tính khơng trung tính Thiết bị sử dụng tần số trích mẫu 6400 Hz hiển thị theo thời gian thực tín hiệu đo Các đặc tính kỹ thuật chung sau:  Cấp điện pin 1.5V sử dụng nguồn cấp từ adapter Amprobe  Màn hình hiển thị 128×128 điểm ảnh  Trao đổi liệu với máy tính thơng qua cổng truyền thơng RS232  Có thể cài đặt, vận hành máy qua cổng RS232 Cổng truyền thơng RS232 : Hình 46 Sinh Viên Thực Hiện : Cổng truyền thông RS232 Đỗ Gia Nam Đề Tài : Thiết kế lọc sóng hài cho biến tần 0.75 kW Siemens - 55 - Cổng truyền thông sử dụng để kết nối Energytest 2020E với máy tính Cáp kết nối C232NG1 Hình 47 Cáp C232NG1 kết nối cổng RS232 Energytest 2020E máy tính Que đo Ampe kìm DMCT-CE Hình 48 Que đo Ampe kìm DMCT-CE Sử dụng ba que đo DMCT-CE để đo ba pha hệ thống Que đo điện KITENERGY2 Hình 49 Que đo điện KITENERGY2 Các thơng số kỹ thuật Energytest 2020E Thang đo Cấp xác 300 V 600 V Sinh Viên Thực Hiện : Độ phân giải 0.2 V ±0.5% 0.4 V Trở kháng đầu vào Bảo vệ áp 300 kΩ (phatrung tính) 600 kΩ (phapha) 900 V ( phút) Đỗ Gia Nam Đề Tài : Thiết kế lọc sóng hài cho biến tần 0.75 kW Siemens - 56 - Bảng Thông số kỹ thuật đo điện áp Cấp xác Thang đo 0.26 V Độ phân giải Trở kháng đầu vào Bảo vệ áp 100 kΩ 5V 0.0001 V ±0.5 % 1V 0.0004 V Bảng Thơng số kỹ thuật đo dịng điện Thang đo Cấp xác DC-25h ± 5% 26h-33h ± 10% 33h-49h Độ phân giải ± 15% 0.1 V /0.1 A Bảng Thông số kỹ thuật đo bậc điều hòa Phần mềm thu thập hiển thị liệu TOPLINK Toplink phần mềm thực nhiệm vụ kết nối máy tính với oscilloscope Energytest 2020E, qua thu thập liệu, hiển thị phân tích liệu Hình 50 TOPLINK Sau kích hoạt Toplink thông qua dịch vụ quản lý thiết bị để nhận cổng kết nối với Energytest 2020E Sau kết nối qua phần mềm Toplink ta cài đặt Sinh Viên Thực Hiện : Đỗ Gia Nam Đề Tài : Thiết kế lọc sóng hài cho biến tần 0.75 kW Siemens - 57 - thông số điều khiển thiết bị đo Số liệu dạng sóng phân tích thực dễ dàng qua máy tính có cài đặt Toplink Hệ động cơ-máy phát Y Sơ đồ thí ngiệm gồm hai biến áp tự ngẫu 220/380 15kVA, cấp điện cho biến tần, cấp điện vào cho động có puly nhỏ Hai biến áp tự ngẫu lấy điện vào sơ cấp qua hai aptomat riêng rẽ phịng thí nghiệm Mắc mạch thiết bị đo hình vẽ tiến hành đo đạc Sinh Viên Thực Hiện : Đỗ Gia Nam Aptomat 220/380 ON OFF A B C N A B C Sơ đồ nối hệ thống biến tần – động BiÕn ¸p tù ngÉu Hình 51 cáp RS 232 Energytest 2020E lơc A B C vng đỏ đen Biến áp tự ngẫu L3 L2 L1 PE Sơ đồ thí nghiệm Micromaster 420 Để thay đổi tải cho biến tần lúc làm thí nghiệm ta sử dụng hệ Động – Máy phát Cấu tạo hệ thống gồm hai động không đồng 0.75 kW nối với qua hệ thống puly dây curoa Động lấy điện trực tiếp từ biến tần có puly đường kính lớn, động có puly đường kính nhỏ Động có puly đường kính nhỏ nối với nguồn cấp biến áp tự ngẫu Bằng cách điều chỉnh biến áp tự ngẫu ta điều chỉnh tải vô cấp Lúc động nối với biến tần làm việc chế độ động có tải, động làm việc chế độ phát điện lưới ... K48 Đề Tài : Thiết kế lọc sóng hài cho biến tần 0.75 kW Siemens - 47 - hài tích hợp biến tần : ? ?Bộ biến đổi giảm thiểu sóng hài ABB cung cấp giải pháp hạ thấp sóng hài cách đơn giản hợp biến tần. .. Hiện : Lớp : Đỗ Gia Nam TBĐ-ĐT4 K48 Đề Tài : Thiết kế lọc sóng hài cho biến tần 0.75 kW Siemens - 42 - khơng Khi lọc nhiều bậc hài khác lọc kiểu tỏ hạn chế Lý cấu trúc mạch lọc gồm nhiều lọc nối... việc khác [9] Bộ lọc thụ động phân chia thành số loại sau: Sinh Viên Thực Hiện : Lớp : Đỗ Gia Nam TBĐ-ĐT4 K48 Đề Tài : Thiết kế lọc sóng hài cho biến tần 0.75 kW Siemens - 40 - Bộ lọc thụ động