1

MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài
Hiện nay, trong các cơ sở sản xuất công nghiệp sử dụng rất nhiều phụ tải có
tính phi tuyến như: lò hồ quang, máy hàn hồ quang, lò cảm ứng trung tần, lò cảm
ứng cao tần, đèn huỳnh quang, các bộ biến đổi điện áp xoay chiều, các bộ chỉnh lưu,
các bộ biến tần, các thiết bị điện tử công suất…
Đây là những nguồn phát sinh ra sóng điều hòa bậc cao (sóng hài bậc cao),
các sóng hài này làm tăng giá trị hiệu dụng và giá trị biên độ của dòng điện và điện
áp, làm méo dạng dòng điện và điện áp nguồn. Khi đó sẽ gây ra những vấn đề
nghiêm trọng như sau:
- Đối với đường dây truyền tải: làm tăng sự phát nhiệt của dây dẫn, gây ra
quá áp trên đường dây, làm lão hóa cách điện của dây dẫn…
- Đối với máy biến áp, động cơ điện: làm tăng tổn thất đồng, tổn thất sắt, tổn
thất từ thông tản, gây méo mô men, gây ra dao động cộng hưởng làm tổn hại đến
các bộ phận cơ khí của động cơ…
- Đối với các thiết bị bảo vệ, thiết bị đo lường: làm nhiễu tín hiệu và méo tín
hiệu dòng điện và điện áp gây ra tác động sai lệch của thiết bị bảo vệ, ảnh hưởng
đến sai số của thiết bị đo làm cho kết quả đo không được chính xác…
Sóng hài bậc cao còn gây ra tổn hao, giảm hệ số công suất, ảnh hưởng đến
các thiết bị tiêu thụ điện trong gia đình, các thiết bị thu phát sóng vô tuyến…
Ngoài ra, các tải này còn tiêu thụ một lượng công suất phản kháng rất lớn,
làm cho lượng công suất phản kháng trên đường dây truyền tải giảm đi đáng kể,
điều này khiến cho hệ số công suất giảm làm tăng tổn hao, giảm chất lượng điện
năng, kết quả là các thiết bị làm việc không đạt được năng suất tối ưu…
Qua những vấn đề được phân tích ở trên, chúng ta thấy rằng việc sử dụng các
tải có tính phi tuyến làm cho lượng công suất phản kháng bị hao hụt đi rất nhiều,
gây ra méo dạng dòng điện nguồn, làm giảm hệ số công suất, giảm năng suất của
thiết bị… Do đó, làm tổn thất một lượng lớn điện năng trong sản xuất công nghiệp


3

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu là lò nấu thép cảm ứng trung tần của nhà máy luyện
cán thép Năm Hoa.
- Phạm vi nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu phương pháp điều khiển
vector không gian để điều khiển bộ lọc tích cực lọc sóng hài và bù công suất phản
kháng cho lò nấu thép của nhà máy.
4. Phương pháp nghiên cứu
Kết hợp cả hai phương pháp:
- Nghiên cứu lý thuyết về phương pháp điều khiển vector không gian.
- Thiết kế mô hình mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Kết quả nghiên cứu của đề tài là tìm ra phương pháp tối ưu để điều khiển bộ
lọc tích cực lọc sóng hài do lò thải ra nhằm hạn chế tối đa tác hại do sóng hài gây
ra, nâng cao chất lượng điện năng cho lưới điện, bù công suất phản kháng và tiết
kiệm điện năng cho nhà máy. Đề tài hoàn toàn có thể ứng dụng vào thực tế.
6. Cấu trúc luận văn
Mở đầu
Chương 1: Giới thiệu chung về cơ sở sản xuất ở khu công nghiệp
Tr à 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

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, tổng kim ngạch
xuất khẩu của khu công nghiệp Trà Đa ước đạt 104.090.243 USD (tăng 97%). 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.
1.2. 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.
6
Hình 1.3. 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.

Hình 1.4. 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.

Hình 1.5. 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.

Hình 1.6. 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.

Hình 1.7. 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

Chương 2
CÁC NGUỒN PHÁT SINH SÓNG HÀI – GIẢI PHÁP HẠN
CHẾ SÓNG HÀI VÀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG

2.1. 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 điện 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 truyền 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.
2.2. 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


lượt đến phiên các Thyristor (hoặc Diode) kế tiếp. Trong một chu kỳ của điện áp
nguồn cấp, mỗi một pha trong ba pha đều dẫn một xung dương trong 120
o
và một
xung âm trong 120
o
. Các dòng điện pha gián đoạn này kết hợp lại ở phía một chiều
để tạo ra dòng điện một chiều DC nhấp nháy (ripple), dòng điện này được làm
phẳng bằng một tụ điện ở phía một chiều. Như vậy, bộ chỉnh lưu có thể được xem
như một nguồn phát sóng hài về phía lưới.
15

Các bộ biến đổi điện tử công suất không sinh ra tất cả các bậc hài mà chỉ một
số bậc hài nhất định. Bậc và biên độ của một sóng hài dòng điện sinh ra bởi bộ biến
đổi điện tử công suất phụ thuộc vào ba yếu tố chính sau:
- Số xung của một bộ biến đổi (p). Số xung của bộ biến đổi là số xung một
chiều ở đầu ra của bộ chỉnh lưu trong một chu kỳ của điện áp nguồn cấp. Bậc của
sóng hài sinh ra được xác định theo công thức:
n = kp ± 1 (2.1)
Trong đó:
n: là bậc của sóng hài
k: là số nguyên dương bất kỳ
p: là số xung của bộ biến đổi
- Biên độ của dòng tải, dòng điện phía một chiều của bộ chỉnh lưu ảnh hưởng
tới biên độ của dòng điện hài.
- Biên độ của điện áp tải, điện áp một chiều của bộ chỉnh lưu ảnh hưởng tới
dòng tải.
Chuỗi phân tích Fourier của một hàm có chu kỳ x(t) được biểu diễn bằng
biểu thức sau:
 

với biên độ:
22
n n n
A = a +b

và góc pha:
arctan
n
n
n
b
φ=
a




16

Hệ số a
0
trong biểu thức trên có thể được rút ra bằng cách lấy tích phân cả
hai vế của phương trình từ -T/2 tới T/2
 
/2 /2
0
1
/2 /2
22
cos sin

πnt πnt
x t dt = a dt+ a dt+b dt
TT

   

   

   
   


   

(2.5)
Số hạng đầu tiên ở vế phải có giá trị là Ta
0
, các biểu thức tích phân còn lại
đều có giá trị bằng 0.
Vậy a
0
được tính theo công thức sau:
 
/2
0
/2
1/
T
T
a = T x t dt

T
nn
n
T
mt nt nt mt
x t dt a a b
T T T T
mt
a dt
T
nt mt nt mt
a dt b
T T T T
   

   








       
  
       

       


(2.7)
Số hạng đầu tiên ở vế phải bằng 0.

17

- Xét thừa số với b
n

   

     


     
     


/2 /2
/2 /2
2 2 1 2 ( ) 2 ( )
sin cos sin sin
2
0 m, n
TT
TT
nt mt m n t m n t
dt dt

Với m = n ta có:
/ 2 / 2
2
/ 2 / 2
/ 2 /2
/ 2 /2
22
( )cos cos
4
cos
22
2
TT
n
TT
TT
nn
TT
n
mt nt
x t dt a dt
TT
a nt a
dt dt
T
aT






(2.11)
với
1n= 

Tương tự ta có:
 
/2
/2
22
sin
T
n
T
πnt
b = x t dt
TT





(2.12)
với
1n= 

Ta thấy khi hàm x(t) là đối xứng lẻ, tức là x(t) = - x(- t) thì a
n
bằng không với
tất cả các giá trị n. Như vậy chuỗi Fourier của một hàm lẻ chỉ có các thành phần sin.

42
sin
T
n
πnt
b = x t dt
TT




(2.14)
Với n chẵn:
0
n
a=
0
n
b=

Như vậy, dạng sóng đối xứng nửa sóng chỉ chứa các hài bậc lẻ.
Ở chế độ vận hành đối xứng các sóng hài bậc cao có thể chia thành các thành
phần thứ tự thuận, nghịch, không:
- Thành phần thứ tự thuận: các sóng hài bậc 4, 7, 11…
- Thành phần thứ tự nghịch: các sóng hài bậc 2, 5, 8…
- Thành phần thứ tự không: các sóng hài bậc 3, 6, 9…
Khi vận hành không đối xứng thì mỗi sóng hài có thể bao gồm một trong ba
thành phần thứ tự nói trên.
Sóng hài bậc cao ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng lưới điện và phải chú ý
khi tổng sóng hài dòng điện bậc cao hơn mức độ cho phép. Sóng hài dòng điện bậc







(2.16)
Trong đó :
I
1
: là biên độ thành phần dòng điện cơ bản
I
n
: là biên độ thành phần dòng hài bậc n
 Hệ số méo dạng điện áp
THD =








(2.17)
Trong đó :
U
1
: là biên độ thành phần điện áp cơ bản
U

dự đoán được vì tia lửa điện thay đổi liên tục, không tuần hoàn theo chu kỳ. Phân
tích cho thấy dòng điện hồ quang bao gồm một dải liên tục các bậc sóng hài cả
nguyên và không nguyên. Tuy nhiên các sóng hài bậc nguyên, đặc biệt là từ bậc hai
21

đến bậc bảy, có vị trí quan trọng hơn nhiều so với hài bậc không nguyên. Biên độ
của sóng hài cũng giảm tương ứng theo bậc hài của nó. Khi mức kim loại nóng chảy
trong bể chứa tăng dần, tia hồ quang trở nên ổn định hơn, dẫn đến mức độ méo
dạng sóng giảm. Dòng điện trở nên đối xứng ở đoạn gần trục không và như vậy sẽ
triệt tiêu các bậc hài chẵn và bậc hài không nguyên. Theo thống kê cho thấy sóng
hài bậc cao đầu ra biến thiên rất lớn ví dụ như sóng hài bậc 5 là 8% khi bắt đầu
nóng chảy, 6% ở cuối gian đoạn nóng chảy và 2% của giai đoạn cơ bản trong suốt
thời gian tinh luyện.
2.3.4. Các loại đèn phóng điện
Đây là loại tải có tính phi tuyến cao. Tác hại của loại tải này cần đặc biệt chú
ý trong trường hợp đèn huỳnh quang. Khi đó phải cần thêm các chấn lưu từ để hạn
chế dòng điện trong giới hạn của ống đèn huỳnh quang và ổn định tia hồ quang.
Hình dưới chỉ ra dạng sóng dòng điện và phổ tần sóng hài của loại đèn hiệu suất
cao.

Hình 2.4. Dạng sóng dòng điện của loại đèn phóng điện hiệu suất cao
22 Hình 2.5. Phổ dòng điện của loại đèn phóng điện hiệu suất cao
2.3.5. Các thiết bị điện tử công suất
Bản thân các bộ biến đổi điện tử công suất (chỉnh lưu, nghịch lưu, điều áp
xoay chiều…) đều được cấu thành từ các thiết bị bán dẫn như Diode, Thyristor,
MOSFET, IGBT, GTO… là những phần tử phi tuyến và là nguồn gốc gây ra sóng
hài bậc cao.

cho phép. Chủ yếu là các thành phần hài bậc 5, 7, 11, 17, 19.
 Cầu chỉnh lưu ba pha có điều khiển
- Mô hình cầu chỉnh lưu ba pha có điều khiển với tải R+L

Hình 2.9. Mô hình cầu chỉnh lưu ba pha có điều khiển
- Dạng sóng dòng điện trên pha A của nguồn cấp cho cầu chỉnh lưu
 Trường hợp góc điều khiển α = 30
0Hình 2.10. Dạng sóng dòng điện trên pha A của nguồn cấp cho cầu
chỉnh lưu ba pha có điều khiển với góc α = 30
025  Trường hợp góc điều khiển α = 60
0Hình 2.11. Dạng sóng dòng điện trên pha A của nguồn cấp cho cầu
chỉnh lưu ba pha có điều khiển với góc α = 60
0 Trường hợp góc điều khiển α = 90
0