Header Page of 126 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG LÊ THỊ THU UYÊN ỨNG DỤNG BỘ LỌC TÍCH CỰC ĐỂ GIẢM SÓNG HÀI CHO LƯỚI ĐIỆN NHÀ MÁY XI MĂNG TÂY NINH Chuyên nghành: Tự Động Hóa Mã số: 60.52.60 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2012 Footer Page of 126 Header Page of 126 Công trình ñược hoàn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: TS PHAN VĂN HIỀN Phản biện 1: TS NGUYỄN ĐỨC THÀNH Phản biện 2: TS NGUYỄN HOÀNG MAI Luận văn ñược bảo vệ trước Hội ñồng chấm luận văn thạc sĩ kỹ thuật họp Đại học Đà Nẵng vào ngày tháng năm 2012 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng; - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng Footer Page of 126 Header Page of 126 MỞ ĐẦU Lý chọn ñề tài Hiện nhà máy luyện thép, cán thép nhà máy xi măng sử dụng ñộng công suất lớn có tốc ñộ thay ñổi sinh sóng ñiều hòa bậc cao làm tổn thất công suất, dao ñộng ñiện áp, gây tiếng ồn, hệ số công suất thấp, làm ảnh hưởng ñến hộ tiêu thụ ñiện khác Sóng ñiều hòa bậc cao làm méo dạng (THD) dòng ñiện ñiện áp hệ thống ñiện, cần phải có ñể biện pháp lọc ñể trả lại tín hiệu dòng ñiện ñiện áp hình sin cho lưới nâng cao chất lượng ñiện hệ thống Đối tượng nghiên cứu Đối Tượng Nghiên Cứu Bộ lọc tích cực Phương pháp nghiên cứu kết thực ñược - Nghiên cứu lý thuyết - Mô matlab/simulink Cấu trúc luận văn Cấu trúc luận văn gồm phần mở ñầu, chương nội dung, phần kết luận kiến nghị: MỞ ĐẦU Chương - TÌM HIỂU VỀ SÓNG HÀI VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP LỌC SÓNG HÀI Chương - TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN MỜ Chương - ỨNG DỤNG BỘ LỌC TÍCH CỰC ĐỂ GIẢM SÓNG HÀI CHO LƯỚI ĐIỆN NHÀ MÁY XI MĂNG TÂY NINH KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Footer Page of 126 Header Page of 126 CHƯƠNG TÌM HIỂU VỀ SÓNG HÀI VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP LỌC SÓNG HÀI 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Các biện pháp lọc thụ ñộng có tác dụng hạn chế số hài bậc cao cho phụ tải có ñặc tính phi tuyến tĩnh Đối với phụ tải ñộng có ñặc tuyến phi tuyến tức thời biến ñộng nhà máy xi măng, lò hồ quang… cần phải sử dụng lọc tích cực (AF: Active Filter) 1.2 TỔNG QUAN VỀ SÓNG HÀI 1.2.1 Giới thiệu chung Một tham số quan trọng ñể ñánh giá sóng ñiều hòa hệ số méo dạng THD (Total Harmonic Distortion): - Hệ số méo dạng dòng ñiện: ∞ ∑I n=2 THD = n I1 Trong ñó : I1 : biên ñộ thành phần dòng In : Footer Page of 126 biên ñộ thành phần dòng ñiều hòa bậc n (1.2) Header Page of 126 1.2.2 Các nguồn tạo sóng ñiều hòa 1.2.2.1 Máy ñiện 1.2.2.2 Thiết bị ñiện tử công suất 1.2.2.3 Các ñèn huỳnh quang 1.2.2.4 Các thiết bị hồ quang 1.2.3 Nhà máy xi măng Tây Ninh 1.2.3.1 Giới thiệu chung nhà máy xi măng Nhà máy Xi măng Tây Ninh có công suất 4.000 clinker/ngày tương ñương với 1,5 triệu ximăng/năm Với quy trình sản xuất xi măng clinker khép kín công nghệ lò quay ñại Đức giúp hạn chế gây ô nhiễm môi trường, giảm thiểu chất thải ñộc hại Hình 1.17 Sơ ñồ công nghệ dây chuyền sản xuất xi măng Footer Page of 126 Header Page of 126 1.2.3.2 Quá trình sản xuất xi măng 1.2.3.3 Giới thiệu lò quay nung clinker Trong trình sản xuất xi măng ñối tượng lò quay nung clinker Hình 1.17 Lò quay nung clinker Đây ñối tượng phi tuyến, làm ảnh hưởng ñến hệ thống truyền tải phân phối ñiện Trong trình vận hành gây số vấn ñề bơm ngược sóng ñiều hòa bậc cao làm méo dạng sóng dòng ñiện, gây tổn thất cho hệ thống truyền dẫn, làm giảm tuổi thọ thiết bị lân cận Do ñó tác giả chọn ñối tượng ñể nghiên cứu tác ñộng ñến lưới ñiện Hệ thống cung cấp ñiện cho lò quay hệ thống chỉnh lưu không ñiều khiển, có nhiệm vụ cấp nguồn DC cho ñộng lò quay Động có số liệu sau: - Type: 1HQ7453-5ZH40_2ZV1-Z - Power : 560 kW Footer Page of 126 Header Page of 126 - Speed: 100-1000r/min - Voltage: 660V DC 1.2.4 Ảnh hưởng sóng ñiều hòa bậc cao - Làm tăng phát nóng dây dẫn ñiện, thiết bị ñiện - Gây ảnh hưởng ñến hoạt ñộng thiết bị bảo vệ (tác ñộng sai) - Ảnh hưởng ñến sai số thiết bị ño, làm cho kết ño bị sai lệch - Làm cho tụ bị nhiệt dẫn tới phá hủy chất ñiện môi - Làm thiết bị sử dụng ñiện ñèn chiếu sáng bị chập chờn - Gây ảnh hưởng tới thiết bị viễn thông Trên giới ñưa số tiêu chuẩn IEEE std 519, IEC 1000-4-3 giới hạn thành phần sóng ñiều hòa bậc cao lưới Tại Việt Nam, ngày 30/7/2010 Bộ Công thương ñưa thông tư 32/2010/TT-BCT quy ñịnh hệ thống phân phối ñiện ñó có yêu cầu sóng hài Footer Page of 126 Header Page of 126 1.3 CÁC BỘ LỌC SÓNG ĐIỀU HÒA 1.3.1 Bộ lọc thụ ñộng 1.3.2 Bộ lọc tích cực 1.3.2.1 Tác dụng mạch lọc tích cực 1.3.2.2 Các phạm vi công suất lọc tích cực 1.3.2.3 Phân loại mạch lọc tích cực a Phân loại theo biến ñổi công suất b Phân loại theo sơ ñồ: - Mạch lọc tích cực song song (AF) Hình 1.37 Cấu hình lọc tích cực song song (AF) - Mạch lọc tích cực nối tiếp (AFs) Footer Page of 126 Header Page of 126 Hình 1.39 Cấu hình lọc tích cực nối tiếp (AFs) c Phân loại theo nguồn cấp 1.3.3 Bộ lọc hỗn hợp 1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG Ta thấy sóng ñiều hòa bậc cao có tác hại lớn cho hệ thống ñiện, làm giảm chất lượng ñiện, gây tổn thất…Như ñể cải thiện chất lượng ñiện cần phải lọc thành phần dòng ñiều hòa bậc cao Có nhiều thiết bị khác thực lọc dòng ñiều hòa bậc cao Tùy thuộc vào yêu cầu kinh tế kỹ thuật mà lựa chọn thiết bị phương pháp phù hợp Footer Page of 126 Header Page 10 of 126 10 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN MỜ 2.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN [5] 2.2 ĐIỀU KHIỂN MỜ 2.2.1 Sơ ñồ khối hệ ñiều khiển mờ Đầu vào x Khối mờ hóa (Fuzzifiers) Hợp thành (Inference Mechanism) Giải mờ (Defuzzifiers) Luật mờ (Rule-base) Hình 2.1 Sơ ñồ khối ñiều khiển mờ 2.2.1.1 Khối mờ hoá 2.2.1.2 Khối hợp thành (Inference Mechanism) 2.2.1.3 Khối luật mờ (Rule-base) 2.2.1.4 Khối giải mờ (Defuzzifier) 2.2.2 Phân loại ñiều khiển mờ 2.2.3 Cấu trúc ñiều khiển mờ 2.3 ĐIỀU KHIỂN MỜ NÂNG CAO 2.3.1 Hệ ñiều khiển thích nghi mờ 2.3.2 Hệ ñiều khiển mờ lai PID 2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG Footer Page 10 of 126 Đầu y Header Page 12 of 126 12 CHƯƠNG ỨNG DỤNG BỘ LỌC TÍCH CỰC ĐỂ GIẢM SÓNG HÀI CHO NHÀ MÁY XI MĂNG TÂY NINH 3.1 ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI LÊN LƯỚI ĐIỆN Kết dòng ñiện nguồn DONG DIEN NGUON KHI CHUA MAC BO LOC AF (isa) 400 300 200 Dong dien i 100 -100 -200 -300 -400 0.05 0.1 0.15 0.2 Thoi gian t 0.25 0.3 Hình 3.7 Dòng ñiện nguồn Phân tích Fourier dòng ñiện Hình 3.8 Phân tích Fourier dòng ñiện Footer Page 12 of 126 0.35 Header Page 13 of 126 13 Ta thấy dòng ñiện nguồn không dạng hình sin mà bị méo dạng ñi nhiều so với dạng chuẩn ảnh hưởng thành phần sóng hài bậc cao Các sóng hài bậc cao chủ yếu bậc 5, 7, 11, 13, 17, 19 Các thành phần gây chỉnh lưu Trong ñó thành phần bậc bậc chiếm tỷ lệ lớn 3.2 NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN Một giải pháp ñể khử tượng sóng hài sử dụng lọc công suất tích cực mắc song song với tải Chức lọc tích cực phát dòng ñiện gọi dòng bù hài ñể khử thành phần hài gây tải Hình 3.1 cấu trúc hệ thống mắc thêm lọc tích cực Nguồn il is es if is Tải phi tuyến il Bộ lọc tích cực if Hình 3.9 Cấu trúc hệ thống mắc thêm lọc tích cực 3.3 XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN AF 3.3.1 Mô hình toán học Từ sơ ñồ nguyên lý hình 3.10 ta có công thức sau: i fa = ila − isa ; i fb = ilb − isb ; i fc = ilc − isc Footer Page 13 of 126 (3.1) Header Page 14 of 126 L di f dt 14 = v f − vs (3.2) với v f = γ E (3.3) γ hệ số chuyển ñổi nhận giá trị +1 -1 tương ứng với hai mức nghịch lưu +E –E i fa  1 / L 0  v fa − vsa  d      i fb  =  / L .v fb − vsb  dt    0 / L   v fc − vsc  i fc   (3.4) isa  − Rs / Ls d    isb = dt    isc   (3.5)  isa  esa − vsa      .isb  + esb − vsb  Ls  esc − vsc  − Rs / Ls  isc  0 − Rs / Ls 3.3.2 Cấu trúc ñiều khiển AF Theo tài liệu [9] ñể ñiều khiển AF phát dòng ñiện hài bám theo dòng ñiện hài tải ta thực theo cấu trúc hình 3.3 ~ is v Tải phi tuyến il if + L vf LPF Khiển nghịch lưu Bộ PW A ñiề M + u Hình 3.11 Cấu trúc ñiều khiển AF iref LPF 3.3.3 Xác ñịnh dòng ñiện bù hài (iref) Luận văn sử dụng giải pháp tách dòng ñiện hài lọc thông dãi BPF (Bandpass Filter) Footer Page 14 of 126 Header Page 15 of 126 15 Hình 3.12 Giải pháp xác ñịnh dòng ñiện bù hài 3.2.4 LPF (Low pass filter) Để hạn chế dòng ñiện hài có tần số cao biên ñộ không ảnh hưởng ñáng kể, ta dùng xử lý LPF lọc thông thấp (Low pass filter) Sơ ñồ mạch ñiện hình 3.6 i2 i3 i1 v− Hình 3.14 Sơ ñồ mạch ñiện LPF Vậy hàm truyền ñạt lọc là: H ( s) = K = τs + 5,3.10 −5 s + Sử dụng phương pháp ñiều chế PWM ñể diều khiển ñóng mở van IGBT lọc Footer Page 15 of 126 Header Page 16 of 126 16 3.4 TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CỦA BỘ LỌC AF [7] 3.4.1 Xác ñịnh giá trị ñiện áp nguồn chiều cấp cho nghịch lưu Giá trị cực tiểu ñiện áp chiều ñược xác ñịnh: U dc > U s = 2,45U s = U d Thông thường chọn ñiện áp chiều giá trị: Udc = (1,2 ÷ 1,3)Ud0 Ta tính ñược ñiện áp nguồn chiều cấp cho nghịch lưu: Udc = 1,3Ud0 = 1,3.2,45.220 ≈ 700 (V) 3.4.2 Xác ñịnh giá trị ñiện cảm L L= Trong ñó: V f − Vs E − Vs = 4ξf t 4ξf t + + Vs Vf ñiện áp ñầu nghịch lưu ñiện áp nguồn + ξ biên ñộ xung tam giác + ft tần số xung tam giác Chọn ξ = 10; ft =10kHz, ta ñươc: L= E − Vs 700 − 220 = = 1,2.10 − 4ξf t 4.10.10000 3.4.3 Tính chọn giá trị tụ ñiện C Vậy giá trị ñiện dung C là: C= Footer Page 16 of 126 S 47605,8 = = 3,09.10 − ( F ) E.∆U 2πω1 700.35 2.2π 50 Header Page 17 of 126 17 3.4.4 Xác ñịnh lựa chọn thông số van ñiều khiển 3.5 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID Xây dựng hàm truyền ñạt ñối tượng Dựa vào cấu trúc hệ thống ñiều khiển hàm truyền ñạt khối ñã phân tích ta xây dựng sơ ñồ khối hệ thống ñiều khiển PID hình 3.15 Vs(s) - Iref(s) Gc(s) + Ks - K τs + + Ls If(s) Hình 3.15 Hệ thống ñiều khiển PID Xem khâu ñiều khiển nghịch lưu khâu giữ vai trò khâu truyền ñạt 1/1, nghĩa ñại lượng ñầu ñảm bảo trung thành với ñầu vào module, tần số pha, ñó Ks=1 L bé nên coi Vs=0, ñó hàm truyền ñạt ñối tượng là: G (s) = K s K K = (τs + 1) Ls Ls (τs + 1) Đối tượng khâu tích phân –quán tính bậc Do ñó ñiều khiển tối ưu ñối xứng PI: Gc ( s ) = K P (1 + Trong ñó : Footer Page 17 of 126 + TI = aτ ) TI s Header Page 18 of 126 18 + KP = L Kτ a Xác ñịnh 4>a>1 từ ñộ ñiều chỉnh σmax cần có hệ kín, chọn a>1 từ yêu cầu chất lượng ñề ra, a lớn, ñộ ñiều chỉnh nhỏ, a≥4: hệ dao ñộng, a ≤1: hệ kín không ổn ñịnh Chọn vùng làm việc tần số trung bình cao a=3 thông số: K=1 ; L=1,2.10-3 (H); τ = 0.00077 (s) Hàm truyền ñạt ñối tượng : G (s) = K = −3 Ls (τs + 1) 1.210 s (5,3.10 −5 s + 1) Suy : TI = a.τ = 0.0023 KP = L Kτ a = 0.8998 Vậy ñiều khiển PI là: Gc ( s ) = K P (1 + 1 ) = 0,8998(1 + ) TI s 0.0023.10 − s 3.6 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ vs iref - e u + - τs + + de Bộ ñiều khiển mờ Hình 3.16 Hệ thống ñiều khiển mờ Footer Page 18 of 126 Ls if Header Page 19 of 126 19 iref, if, e t Hình 3.17 Xây dựng quan hệ iref if Bộ ñiều khiển mờ cần input output Hai ngõ vào (input) sai lệch dòng (e) ñạo hàm sai lệch (de) Một ngõ (output) tín hiệu ñiều khiển u 3.6.1.1 Biến ngôn ngữ miền giá trị Miền giá trị biến ñầu vào (sai lệch) ñược chọn là: e = {-10 10}; (ñơn vị tính: A) e = { NB, NS, ZE, PS, PB} Miền giá trị biến ñầu vào ñạo hàm sai lệch de ñược chọn là: de = {-50 50} de = { N, Z, P} Footer Page 19 of 126 (ñơn vị tính: A/s) Header Page 20 of 126 20 Miền giá trị biến ñầu u u = {-50 , 50} u = { NB, NS, ZE, PS, PB } * Lưu ý : Miền giá trị ba biến ngôn ngữ thay ñổi cho phù hợp với ñiều kiện thực tế Các miền giá trị ba biến ngôn ngữ giá trị ñoán, giá trị xác 3.6.1.2 Xác ñịnh hàm liên thuộc (membership function) 3.6.1.3 Xây dựng luật ñiều khiển Bảng luật ñiều khiển e NB NS ZE PS PB N NB NB ZE PS PS Z NB NS ZE PS PB P NS NS ZE PB PB de Footer Page 20 of 126 Header Page 21 of 126 21 Các luật ñiều khiển ñược thiết lập dựa mệnh ñề hợp thành với hai ñiều kiện kết luận Hình 3.19 Luật ñiều khiển xây dựng MATLAB 3.6.1.4 Luật hợp thành Dùng luật hợp thành Max-Min, giải mờ theo phương pháp trọng tâm 3.6.2 Kết mô matlab – simulink Sơ ñồ mô hình hệ thống có lọc tích cực AF Hình 3.20 Mô hình hệ thống có lọc AF Footer Page 21 of 126 Header Page 22 of 126 22 3.6.2.1 Kết mô ứng với ñiều khiển PID Khi R=0.5( Ω ), L= 0.1.10 −3 ( H ) , E=100(V) DONG DIEN NGUON KHI MAC BO LOC AF (isa) 400 300 200 Dong dien i 100 -100 -200 -300 -400 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 Thoi gian t 0.07 0.08 0.09 0.1 Hình 3.23 Dòng ñiện nguồn sau mắc lọc AF Hình 3.24 Phổ dòng ñiện nguồn sau mắc lọc AF Footer Page 22 of 126 Header Page 23 of 126 23 Khi R=0.5( Ω ), L= 0.001( H ) , E=100(V) DONG DIEN NGUON KHI MAC BO LOC AF (isa) 400 300 200 Dong dien i 100 -100 -200 -300 -400 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 Thoi gian t 0.07 0.08 0.09 0.1 Hình 3.27 Dòng ñiện nguồn sau mắc lọc AF Hình 3.28 Phổ dòng ñiện nguồn sau mắc lọc AF 3.6.2.2 Kết mô ứng với ñiều khiển mờ Khi R=0.5( Ω ), L= 0.1.10 −3 ( H ) , E=100(V) Footer Page 23 of 126 Header Page 24 of 126 24 DONG DIEN NGUON KHI MAC BO LOC AF (isa) 400 300 200 Dong dien i 100 -100 -200 -300 -400 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 Thoi gian t 0.07 0.08 0.09 0.1 Hình 3.31 Dòng ñiện nguồn sau mắc lọc AF Hình 3.32 Phổ dòng ñiện nguồn sau mắc lọc AF Footer Page 24 of 126 Header Page 25 of 126 25 Khi R=0.5( Ω ), L= 0.001( H ) , E=100(V) DONG DIEN NGUON KHI MAC BO LOC AF (isa) 400 300 200 Dong dien i 100 -100 -200 -300 -400 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 Thoi gian t 0.07 0.08 0.09 0.1 Hình 3.35 Dòng ñiện nguồn sau mắc lọc AF Hình 3.36 Phổ dòng ñiện nguồn sau mắc lọc Footer Page 25 of 126 Header Page 26 of 126 26 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Trong luận văn ñã nghiên cứu khảo sát ñạt ñược kết sau: - Khảo sát tổng quan sóng hài, phương pháp lọc sóng hài, lý thuyết ñiều khiển mờ ñiều khiển PID - Xây dựng ñược mô hình mô hệ thống mạch lọc tích cực Matlab Simulink - Mô ñược ñáp ứng mạch lọc, giảm thiểu ñược sóng hài bậc cao dòng ñiện nguồn Kiến nghị hướng nghiên cứu Nghiên cứu giải toán trường hợp nguồn không lý tưởng tải không ñối xứng Footer Page 26 of 126 ... Nhà máy xi măng Tây Ninh 1.2.3.1 Giới thiệu chung nhà máy xi măng Nhà máy Xi măng Tây Ninh có công suất 4.000 clinker/ngày tương ñương với 1,5 triệu ximăng/năm Với quy trình sản xuất xi măng clinker... mờ cho biến ngôn ngữ cho phép người ta thiết kế ñiều khiển mờ khác Footer Page 11 of 126 Header Page 12 of 126 12 CHƯƠNG ỨNG DỤNG BỘ LỌC TÍCH CỰC ĐỂ GIẢM SÓNG HÀI CHO NHÀ MÁY XI MĂNG TÂY NINH. .. nghệ dây chuyền sản xuất xi măng Footer Page of 126 Header Page of 126 1.2.3.2 Quá trình sản xuất xi măng 1.2.3.3 Giới thiệu lò quay nung clinker Trong trình sản xuất xi măng ñối tượng lò quay