BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------NGUYỄN VĂN HỢP

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG HỆ SỐ
CÔNG SUẤT TRONG CÔNG NGHIỆP

Chuyên ngành: Đo lường và các hệ thống điều khiển

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
ĐO LƯỜNG VÀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
1. TS. NGUYỄN VIỆT SƠN

Hà Nội – 2013


Báo cáo luận văn cao học:
“Nghiên cứu thiết kế bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn này, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, động
viên của nhiều cá nhân và tập thể.
Đầu tiên tác giả xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Việt Sơn đã hướng dẫn,
giúp đỡ tạo mọi điều kiện để tác giả nghiên cứu và hoàn thành luận văn thạc sĩ.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô bộ môn Kĩ thuật đo và Tin học công
nghiệp, những người đã dạy cho tôi những kiến thức, giúp tôi nâng cao chuyên
môn.
Tôi xin chân thành cám ơn ban lãnh đạo Viện Nghiên cứu Điện tử Tin Học
và Tự động hóa, các anh chị trong trung tâm Công nghệ cao, đã tạo mọi điều kiện


Nguyễn Văn Hợp

Chuyên ngành đo lường và các hệ thống điều khiển

3


Báo cáo luận văn cao học:
“Nghiên cứu thiết kế bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

Mục lục
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ 2
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................. 3
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ............................................................................... 6
DANH MỤC CÁC BẢNG ..................................................................................... 8
CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ............................................................................ 9
PHẦN MỞ ĐẦU .................................................................................................. 10
Chương 1: ĐẶT VẤN ĐỀ ................................................................................... 11
1.1

Sự hình thành đề bài luận văn ............................................................... 11

1.2

Mục đích nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu...................... 12

1.3

Phương pháp nghiên cứu ....................................................................... 13

2.1.3.3

Phương pháp dùng thiết bị bù đồng bộ STATCOM ..................... 20

2.1.3.4

Phương pháp dùng thiết bị bù tĩnh SVC (Static Var Compensator)
21

2.1.4
2.2

Lựa chọn phương pháp cho bài toán của luận văn ........................ 22

Thiết kế phần cứng ................................................................................. 24

2.2.1

Thiết kế tổng thể ................................................................................ 24

2.2.2

Thiết kế chi tiết .................................................................................. 26



Module đo lường và điều khiển .......................................................... 26
2.2.2.1

Thiết kế bộ biến đổi điện áp ........................................................ 26


Bàn phím và hiển thị ................................................................... 35

2.2.2.8

Led thông báo trạng thái .............................................................. 37

2.2.2.9

Khối truyền thông ....................................................................... 37


2.3

Lựa chọn Rơ le đầu ra ................................................................. 35

Thiết kế nguồn cung cấp .................................................................... 37
Thiết kế phần mềm nhúng ..................................................................... 39

2.3.1

Thiết kế tổng thể ................................................................................ 39

2.3.2

Phần mềm nhúng cho khối xử lý tính toán và điều khiển ................... 41

2.3.3

Chương trình điều khiển tụ bù............................................................ 43

3.2

Thử nghiệm trong môi trường công nghiệp .......................................... 62

3.2.1

Đặc điểm cơ sở thử nghiệm thực tế .................................................... 62

3.2.2

Qui trình thử nghiệm.......................................................................... 63

3.2.3

Kết quả thử nghiệm và nhận xét ......................................................... 64

Chương 4: KẾT LUẬN ....................................................................................... 68
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 70
PHỤ LỤC............................................................................................................. 72

Chuyên ngành đo lường và các hệ thống điều khiển

5


Báo cáo luận văn cao học:
“Nghiên cứu thiết kế bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 2.1: Các loại công suất tải tiêu thụ ................................................................ 14


6


Báo cáo luận văn cao học:
“Nghiên cứu thiết kế bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

Hình 2.31: Định dạng bản tin khung truyền bên Slave phản hồi............................. 49
Hình 2.32 : Tab “hài dòng áp” trong cửa sổ giao diện chính ................................. 55
Hình 2.33: Tab “thông số tổng hợp” trong cửa sổ giao diện chính ........................ 55
Hình 2.34: Cửa sổ truy vấn số liệu đo .................................................................... 56
Hình 3.1: Sơ đồ đấu nối thử nghiệm với máy phát nguồn xoay chiều .................... 58
Hình 3.2: Trạm Asphalt 120 tấn/h.......................................................................... 63
Hình 3.3: Sơ đồ đấu nối thử nghiệm thực tế........................................................... 63
Hình 3.4: Hình ảnh thử nghiệm thực tế .................................................................. 64

Chuyên ngành đo lường và các hệ thống điều khiển

7


Báo cáo luận văn cao học:
“Nghiên cứu thiết kế bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1: Mô tả chức năng từng chân của GLCD .................................................. 36
Bảng 2.2: Các tổ hợp tụ ......................................................................................... 44
Bảng 2.3: Mô tả các tham số trong truyền thông nội bộ PFC ................................. 49
Bảng 3.1: Phát riêng rẽ các hài điện áp (đơn vị: V) ................................................ 58
Bảng 3.2: Phát riêng rẽ các hài dòng điện (đơn vị: A) ............................................ 59

IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor
SVC: Static Var Compatation
VSI: Voltage Source Inverter
SPI: Serial Peripheral Interface
PC: Personal Computer

Chuyên ngành đo lường và các hệ thống điều khiển

9


Báo cáo luận văn cao học:
“Nghiên cứu thiết kế bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

PHẦN MỞ ĐẦU
Trong những năm qua, mặc dù được chú trọng đầu tư và phát triển nguồn và
lưới điện nhưng nước ta vẫn còn gặp nhiều khó khăn trong việc đảm bảo cung cấp
điện. Đặc biệt trong các tháng mùa khô, nhất là khi hạn hán kéo dài không đủ nước
cho các nhà máy thủy điện phát điện thì vấn đề đảm bảo cung cấp điện còn khó
khăn hơn.
Chỉ thị số 171/CT-TTg của thủ tướng chính phủ ban hành ngày 26 - 01- 2011
về việc tăng cường thực hiện tiết kiệm điện đã chỉ rõ: đối với các doanh nghiệp phải
thực hiện ngay các giải pháp tiết kiệm điện như xây dựng các giải pháp tiết kiệm
điện hiệu quả, sử dụng đúng công suất và biểu đồ phụ tải như trong đăng kí mua
bán điện,…
Ngày nay khi mà các thiết bị điện ngày càng được sử dụng nhiều trong công
nghiệp thì vấn đề tiết kiệm điện càng trở nên cấp thiết. Việc tiết kiệm điện không
chỉ mang lại hiệu quả kinh tế mà còn tối ưu hóa về mặt kĩ thuật. Một trong những
phương pháp đơn giản để tiết kiệm điện năng là nâng cao hệ số công suất.


đóng cắt và cáp truyền dẫn nhỏ hơn, … đồng thời giảm tổn thất điện năng
và sụt áp trong mạng điện.

-

Hệ số công suất cao cho phép tối ưu hoá các phần tử cung cấp điện. Khi
đó các thiết bị điện không cần định mức dư thừa.

-

Đem lại những ưu điểm về kỹ thuật và kinh tế khác, giảm chi phí tiêu thụ
điện.

Theo quan niệm truyền thống, công suất điện năng luôn được quan niệm như
một đại lượng đo để đánh giá khả năng phát ra năng lượng của nguồn điện hay mức

Chuyên ngành đo lường và các hệ thống điều khiển

11


Báo cáo luận văn cao học:
“Nghiên cứu thiết kế bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

độ tiêu thụ năng lượng điện của tải và được tính toán với điều kiện giả thiết điện áp
và dòng điện có dạng hình sine. Tuy nhiên, ngày nay các tải phi tuyến (dạng dòng
hoặc áp không sine) tham gia ngày càng nhiều trong lưới điện, chúng chiếm một vị
trí đáng kể trong dân dụng và trong công nghiệp. Các thiết bị như các bộ biến tần,
các bộ chỉnh lưu công suất lớn,... là các nguồn phát các nhiễu hài bậc cao vào trong
hệ thống điện. Với sự phát triển không ngừng của các ứng dụng điện tử công suất



Dòng điện: từ hài cơ bản đến hài 20.



Tổng méo hài điện áp: THDV(%).



Tổng méo hài dòng điện: THDI(%).



Tần số (Hz).



Hệ số công suất PF, cosφ.
Điều khiển:

o


Số bước bù từ 0 12 bước.

Chuyên ngành đo lường và các hệ thống điều khiển

12


1.4 Nội dung nghiên cứu
- Khảo sát các thiết bị điều chỉnh hệ số công suất hiện nay.
- Tìm hiểu các vấn đề lý thuyết về hệ số công suất.
- Nghiên cứu và xây dựng thuật toán tính toán hệ số công suất trên cơ sở
phân tích hài dòng điện, điện áp, xây dựng thuật toán điều chỉnh tự động hệ
số công suất.
- Thiết kế sơ đồ nguyên lý làm việc của thiết bị, chế tạo các module phần
cứng.
- Xây dựng phần mềm cho thiết bị.
- Thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, đánh giá, hoàn thiện sản phẩm.

Chuyên ngành đo lường và các hệ thống điều khiển

13


Báo cáo luận văn cao học:
“Nghiên cứu thiết kế bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

Chương 2: NỘI DUNG THỰC HIỆN
2.1

Tổng quan về hệ số công suất

2.1.1 Các khái niệm về hệ số công suất
Trong các hệ thống phân phối và tiêu thụ điện có thể chia thành 3 loại tải cơ
bản bao gồm: Tải thuần trở, tải cảm và tải dung. Trong các hệ thống hiện đại, phần
đa là các tải dạng cảm như máy biến áp, các động cơ cảm ứng,... Một đặc điểm
chung của các loại tải này là chúng sử dụng các cuộn dây để hoạt động. Các cuộn
dây này tạo ra điện từ trường để các tải này làm việc và nó đòi hỏi năng lượng nhất


).

(

(2 − 1)

)

P là công suất tác dụng.
S là công suất biểu kiến.

Hình 2.2: Giản đồ vector công suất
Tuy nhiên, khi điện áp nguồn cung cấp và dòng tiêu thụ không duy trì dạng
hài cơ bản hình sine và có chứa các hài bậc cao, quan niệm truyền thống về hệ số
công suất áp dụng cho dạng dòng và áp hình sine không còn phù hợp, đặc biệt trong
tính toán, thiết kế, xây dựng các hệ thống bù công suất, thiết bị lọc nhiễu hài. Do đó
theo [3], [4] người ta đưa ra công thức mở rộng để tính hệ số công suất:
=

√1 +

(2 − 2)

. √1 +

Trong đó: THDV và THDI là tổng độ méo hài áp và dòng được tính theo
công thức (2 – 3) và (2 – 4).
∑∞
(2 − 3)

-

Tối ưu hóa về kỹ thuật:
o Hệ số công suất lớn sẽ giảm tổn thất nhiệt trên máy biến áp,
các thiết bị phân phối và truyền tải điện, nâng cao tuổi thọ các
thiết bị.
o Cải thiện hệ số công suất cho phép người sử dụng máy biến áp,
thiết bị đóng cắt và đường cáp truyền tải nhỏ hơn.
o Hệ số công suất cao giúp ổn định mức điện áp.
o Hạn chế nhiễu lên các thiết bị truyền tin và viễn thông.

Hình 2.3 chỉ ra mối quan hệ giữa dòng điện và hệ số công suất. Xét trên hai
hệ thống truyền tải có cùng công suất thật thì hệ thống nào có hệ số công suất thấp
hơn thì sẽ có dòng điện lớn hơn vì phần năng lượng phản kháng bị trả lại nguồn lớn
hơn, tạo ra nhiều thất thoát năng lượng và làm giảm hiệu năng truyền tải, làm tăng
kích thước dây điện truyền dẫn. Hệ quả là nó còn có một công suất biểu kiến cao
hơn với cùng một công suất thực được truyền tải.
Có thể hiểu một cách đơn giản như sau: để có được 1kW công suất tiêu thụ
thực trong điều kiện hệ số công suất là tối ưu nhất với giá trị bằng 1, thì cần phải có
1kVA công suất biểu kiến được truyền đi. Nhưng trong điều kiện hệ số công suất
thấp, chẳng hạn 0.5, thì cần phải có 2kVA công suất biểu kiến được truyền đi.

Chuyên ngành đo lường và các hệ thống điều khiển

16


Báo cáo luận văn cao học:
“Nghiên cứu thiết kế bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”



Dùng thiết bị bù có dung lượng cố định (bù nền): Thiết bị bù có thể mắc
trực tiếp vào tải và cấp điện cho thiết bị bù được thực hiện đồng thời khi
cấp điện cho tải. Phương pháp này đơn giản nhưng chỉ sử dụng trong
trường hợp tải không đổi.

-

Dùng các thiết bị điều chỉnh tự động: Cho phép điều chỉnh liên tục công
suất phản kháng theo yêu cầu khi tải thay đổi, giữ cho hệ số công suất trong
giới hạn cho phép. Phương pháp này linh hoạt hơn so với bù nền và thường
sử dụng trong trường hợp công suất phản kháng thay đổi trong phạm vi
rộng.

Xét trên phương diện tải sử dụng có thể phân thành hai phương pháp cơ bản:
-

Phương pháp điều chỉnh hệ số công suất tuyến tính: Phương pháp này áp
dụng cho các loại tải tiêu thụ trực tiếp lưới điện. Việc điều chỉnh có thể đạt
được bằng việc thêm vào hoặc bớt ra các cuộn dây hoặc tụ điện có dung
lượng cố định (phương pháp bù SVC) hoặc sử dụng các linh kiện điện tử
công suất điều khiển việc thu/phát công suất phản kháng vào lưới (phương
pháp bù STATCOM).

-

Phương pháp điều chỉnh hệ số công suất phi tuyến: Phương pháp này
thường sử dụng cho các tải phi tuyến – dạng tải không sử dụng trực tiếp
lưới điện xoay chiều (như chỉnh lưu, nghịch lưu, …) hoặc tải sử dụng năng
lượng gián đoạn (như máy hàn). Các thiết bị này trong quá trình tiêu thụ

Trong vài năm gần đây, với sự phát triển vượt bậc của công nghệ bán dẫn và

vi mạch số, trên thế giới có xu hướng nghiên cứu và phát triển phương pháp lọc mới
với tên gọi là lọc tích cực. Nguyên lý cơ bản của phương pháp này là bơm dòng bù
bằng tổng sóng điều hòa bậc cao nhưng ngược pha nhằm triệt tiêu sóng điều hòa
bậc cao trên phía nguồn. Phương pháp này đáp ứng hai mục tiêu cơ bản là bù sóng
điều hòa bậc cao và bù công suất phản kháng. Việc bơm dòng bù vào lưới được
thực hiện hiện thông qua việc đóng cắt các linh kiện bán dẫn công suất (IGBT). Đây
là một phương pháp mới, hiện đại, rất mềm dẻo trong cấu hình phần cứng lẫn phần
mềm phù hợp với từng loại tải và điện áp nguồn cấp khác nhau, không những đáp
ứng được yêu cầu nâng cao được hệ số công suất mà còn nâng cao được chất lượng
điện năng sử dụng. Tuy nhiên đây là phương pháp mới, có độ phức tạp cao và giá
thành đắt đỏ nên chưa được ứng dụng phổ biến.
Dòng cung cấp

Dòng tải

Dòng lọc

Hình 2.4: Nguyên lý của bộ lọc tích cực
Chuyên ngành đo lường và các hệ thống điều khiển

19


Báo cáo luận văn cao học:
“Nghiên cứu thiết kế bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

Hình 2.4 mô tả nguyên lý cơ bản của bộ lọc tích cực dạng song song. Dòng
tải tiêu thụ iL có thể phân tích thành hai thành phần bao gồm thành phần cơ bản iF

với một trở kháng song song có thể thay đổi với trở kháng bằng không, hoặc rất nhỏ
so với các sóng điều hòa và bằng vô cùng lớn với thành phần cơ bản.
2.1.3.3

Phương pháp dùng thiết bị bù đồng bộ STATCOM
STATCOM là một thiết bị bù ngang, bù tức thời công suất phản kháng vào

lưới (còn gọi là bù đồng bộ), nó bao gồm một bộ nghịch lưu nguồn áp được kết nối
với lưới điện thông qua máy biến áp. Hình 2.5 mô tả sơ đồ nguyên lý cơ bản của
STATCOM.

Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý của STATCOM

Chuyên ngành đo lường và các hệ thống điều khiển

20


Báo cáo luận văn cao học:
“Nghiên cứu thiết kế bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

Nguyên lý hoạt động của STATCOM có thể mô tả như sau: Bằng cách
khống chế điện áp của STATCOM cùng pha với điện áp lưới nhưng có biên độ lớn
hơn hoặc nhỏ hơn mà phát hoặc thu công suất phản kháng. Hình 2.6 mô tả nguyên
lý hoạt động cơ bản của STATCOM. Khi điện áp trên STATCOM nhỏ hơn điện áp
lưới, sẽ xuất hiện dòng điện đi từ lưới vào thiết bị STATCOM. Do đó STATCOM
đóng vai trò như tải tiêu thụ công suất phản kháng. Ngược lại khi điện áp trên
STATCOM nhỏ hơn điện áp lưới, sẽ xuất hiện dòng điện đi từ thiết bị STATCOM
vào lưới. Lúc này STATCOM đóng vai trò như nguồn phát công suất phản kháng
vào lưới [8].

cuộn dây đóng vai trò là nguồn tiêu thụ công suất phản kháng.
2.1.4 Lựa chọn phương pháp cho bài toán của luận văn
Nếu so sánh với STATCOM thì SVC không ưu việt bằng. Rõ ràng
STATCOM là sự hoàn thiện của SVC, ngoài sự nhỏ gọn thì STATCOM bù linh
hoạt hơn. Tuy nhiên như đã được đề cập, phương pháp bù STATCOM là phương
pháp mới, độ phức tạp cao, có giá thành đắt đỏ, và thường ứng dụng trong các hệ
thống đòi hỏi khả năng đáp ứng bù công suất phản kháng nhanh (các hệ thống
truyền tải điện, hệ thống máy phát hỗn hợp như điện gió – Diezel, …). SVC tuy đáp
ứng chậm nhưng lại có giá thành rẻ hơn rất nhiều. Chính vì thế phương pháp này
được sử dụng rộng rãi trong các cơ sở sản xuất công nghiệp. Hiện nay trong các hệ
thống sản xuất, phần đa các tải mang tính cảm kháng như máy biến áp, các động cơ
cảm ứng, … do đó người ta chỉ cần sử dụng các tụ bù để nâng cao hệ số công suất.
Do đó, đối với bài toán của luận văn, để nâng cao hệ số công suất, tác giả chọn
phương pháp dùng các thiết bị bù tĩnh SVC, cụ thể là sử dụng các tụ bù được
điều khiển đóng cắt thông qua bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất. Như chỉ ra
Chuyên ngành đo lường và các hệ thống điều khiển

22


Báo cáo luận văn cao học:
“Nghiên cứu thiết kế bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

ở hình 2.8, các tụ bù làm việc như một nguồn phát công suất phản kháng. Thay vì
phải sử dụng công suất phản kháng từ lưới, các thiết bị công nghiệp sẽ sử dụng
công suất phản kháng lấy từ tụ và do đó tổng công suất cung cấp cho các thiết bị sẽ
giảm.

Hình 2.8: Mắc thêm tụ bù nâng cao PF


mạch điện tử, định mức điện áp phù hợp với các khối xử lý phía
sau, tạo bộ lọc anti aliasing.

o

Bộ biến đổi tương tự sang số tạo ra các tín hiệu dạng số từ tín hiệu
tương tự để đưa vào bộ xử lý trung tâm.

o

Bộ xử lý trung tâm được xây dựng trên chip có cấu hình mạnh để
thực hiện được các thuật toán phân tích và xử lý số.

o
-

Khối Relay đóng cắt các tụ bù.

Module giao tiếp người dùng thực hiện các chức năng
o

Hiển thị các thông số lên màn hình LCD: dòng điện, điện áp, các
hài dòng điện, hài điện áp, độ méo hài tổng, tần số, công suất, hệ số
công suất,…

-

o

Cài đặt các thông số.


Hình 2.9: Sơ đồ khối bộ PFC

Chuyên ngành đo lường và các hệ thống điều khiển

25