Thyristor

MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÁC THIẾT BỊ BÙ TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN XOAY CHIỀU LINH HOẠT SIMULATION OF THE CONTROL SYSTEM IN THE COMPENSATORS OF THE FLEXIBLE AC TRANSMISSION SYSTEM NGUYỄN HỒNG ANH - NGUYỄN BÊ Đại học Đà Nẵng

TÓM TẮT Các linh kiện điện tử công suất lớn được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị bù của hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS) ở các nước phát triển trên thế giới. Bài báo trình bày một hệ thống phát xung để kích mở cho các cặp Thyristor nối song song ngược trong các thiết bị FACTS. ABSTRACT The power electronics applied in the compensators of FACTS are widely used in the developed countries. This article presents a system which springs up the pulse for opening two thyristors connected parallel - opposite in the FACTS.

1. Đặt vấn đề Kỹ thuật truyền tải điện hiện đại đã sử dụng các thiết bị bù, dịch pha được điều khiển bằng các linh kiện điện tử công suất để cung cấp nguồn năng lượng khi cần thiết để bảo đảm tính ổn định của hệ thống điện. Các thiết bị này kết hợp với các bộ vi xử lý cho phép điều khiển nguồn năng lượng một cách linh hoạt, khả năng tự động hoá cao đảm bảo độ tin cậy và độ ổn định của hệ thống, trong đó hệ thống điều khiển đóng một vai trò rất quan trọng. Việc thiết kế và tính toán chính xác hệ thống điều khiển sẽ bảo đảm sự làm việc tin cậy của hệ thống bù, góp phần nâng cao tính ổn định của hệ thống điện. 2. Điều khiển Thyristor Thyristor chỉ mở cho dòng điện chạy qua khi có điện áp dương đặt lên anôt và xung điện áp dương đặt lên cực điều khiển. Sau khi Thyristor đã mở thì xung điều khiển không còn tác dụng, dòng điện chảy qua Thyristor do thông số của mạch động lực quyết định. 2.1. Sơ đồ cấu trúc Sơ đồ khối mạch điều khiển Thyristor như hình 1. Mạch điều khiển có các chức năng sau: - Điều chỉnh được vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ dương của điện áp trên anôt- catôt của Thyristor. - Tạo ra được các xung có đủ điều kiện mở được Thyristor. Xung điều khiển thường có biên độ từ 2 đến 10V, độ rộng xung tx= 20-100μs đối với thiết bị chỉnh lưu hoặc cặp Thyristor đấu song song ngược. Độ rộng xung được xác định theo biểu thức: I t x = dt di dt Trong đó: Idt là dòng duy trì của Thyristor; di/dt là tốc độ tăng trưởng của dòng tải.

Cấu trúc của một mạch điều khiển Thyristor gồm 3 khâu chính sau đây: - Khâu đồng bộ (ĐB): tạo tín hiệu đồng bộ với điện áp anôt-catôt của Thyristor cần mở. Tín hiệu này là điện áp xoay chiều, thường lấy từ biến áp có sơ cấp nối song song với Thyristor cần mở. - Khâu so sánh-tạo xung (SS-TX): làm nhiệm vụ so sánh giữa điện áp đồng bộ thường đã được biến thể với tín hiệu điều khiển một chiều để tạo ra xung kích mở Thyristor. - Khâu khuếch đại xung (KĐ): tạo ra xung mở có đủ điều kiện để mở Thyristor. Uđb

ĐB

SS-TX

KĐ

Uđk

Hình 1. Sơ đồ khối mạch điều khiển Thyristor Khi thay đổi giá trị điện áp một chiều Uđk thì góc mở α sẽ thay đổi. 2.2. Nguyên tắc điều khiển Sử dụng nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arccos” như hình 2 để thực hiện điều chỉnh vị trí đặt xung trong nửa chu kỳ dương của điện áp đặt trên Thyristor. Theo nguyên tắc này, ở khâu so sánh có hai điện áp đặt vào: - Điện áp đồng bộ sin, sau khi ra khỏi khâu ĐB được tạo thành tín hiệu cos - Điện áp điều khiển là áp một chiều có thể biến đổi được

Uc Udb Udk

Udb

Uc Л

Udk 2Л

ωt

Điện áp uđb= Um sinωtα thì: Uc = Um cosωt Giá trị α được tính theo phương trình sau: Umcosα = Uđk Do đó: α = arccos(Udk/Um) Hình 2. Nguyên - khi Udk = Um thì α = 0 tắc điều khiển thẳng đứng “arccos” - khi Udk = 0 thì α =Л/2 - khi Udk = -Um thì α=Л Như vậy, khi điều chỉnh Udk từ trị -Um đến +Um, ta có thể điều chỉnh được góc α từ 0 đến Л. 2.3. Khâu so sánh sử dụng khuếch đại thuật toán OA Sơ đồ nối khuếch đại thuật toán làm khâu so sánh được mô tả trên hình 3.

V2

Vp+

V

U-

-

U+

+

p

U-

S

Ud V1-

M

-

S

Vsat ▪

U+ +

Ud V2

V1+ M

▪ -Vsat

Hình 3. Khâu so sánh tín hiệu 3. Mô phỏng sơ đồ phát xung điều khiển Thyristor 3.1. Sơ đồ nguyên lý Trong phần này trình bày một sơ đồ điều khiển cho hai Thyristor nối song song ngược như hình 4 đã được thiết kế và lắp ráp thực tế. Sơ đồ làm việc theo nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arccos”, trong đó khâu tạo hàm cosωt và khâu so sánh sử dụng OA loại µA741, so sánh theo kiểu hai tín hiệu cùng dấu. Khâu khuếch đại xung sử dụng một Transistor và biến áp xung. Khâu khuếch đại có thể tính chọn khác nhau tuỳ thuộc vào Thyristor được chọn.

Hình 4. Sơ đồ hệ thống điều khiển cặp Thyristor nối song song ngược Sơ đồ gồm hai kênh kích mở cho hai Thyristor T1 và T2 nối song song ngược. Mỗi kênh gồm có 3 khâu: khâu tạo hàm cosωt, khâu so sánh và khâu khuếch đại.

- Khâu tạo hàm kích mở cho T1gồm: OA1, R1, R2, R3, R4 và tụ C1. Khâu tạo hàm kích mở cho T2 gồm: OA3, R11, R12, R13, R14 và tụ C2. - Khâu so sánh cho kênh kích mở T1 là OA2 và cho T2 là OA4. Tín hiệu ra của các khâu tạo hàm sẽ đưa vào cổng không đảo của các OA và cổng đảo được cấp bằng nguồn áp [-V1÷ +V1]. Thay đổi điện áp điều khiển bằng cách thay đổi biến trở BT. - Khâu khuếch đại xung cho kênh T1 gồm: Tr1, R5, R6, R7, R8, BAX1, D2, D3. - Khâu khuếch đại xung cho kênh T2 gồm: Tr2, R15, R16, R17, R18, BAX2, D12, D13. 3.2. Sơ đồ mô phỏng trên chương trình Workbench Dựa vào sơ đồ mạch được thiết kế, sơ đồ mô phỏng đo các dạng sóng tại các đầu ra của các khâu như các hình vẽ 5, 7, 11. Kết quả mô phỏng được thực hiện trên chương trình Workbench như các hình vẽ 6,8, 9, 10, 12, 13, 14.

Hình 5. Sơ đồ mô phỏng (đo dạng sóng khâu tạo hàm) Dạng sóng đo tại điểm A là tín hiệu của điện áp lưới. Dạng sóng đo tại điểm B là tín hiệu ra của khâu tạo hàm. (hình 6)

uA

uB

Hình 6. Dạng sóng vào-ra của khâu tạo hàm

Hình 7. Sơ đồ mô phỏng (đo dạng sóng trên khâu so sánh-tạo xung) uA

uC

Hình 8. Dạng xung đo tại C khi Udk= 0

Hình 9. Dạng xung đo tại C khi Udk>0

uC uA

uC uA

Hình 10. Dạng xung đo tại C khi Udk <0

Hình 11. Sơ đồ mô phỏng (đo dạng sóng tại D)

uD

uA

Hình 12. Dạng sóng đo tại D khi Udk= 0

uD

uA

Hình 13. Dạng sóng đo tại D khi Udk<0 uA

uD

uD

uA

Hình 14. Dạng sóng đo tại D khi Udk>0 Từ kết quả mô phỏng ta có các nhận xét sau: Nếu lấy điểm 0 của điện áp lưới làm gốc, thì: - Khi điện áp Udk = 0, ta nhận được góc mở α = 900 - Khi điện áp Udk< 0, ta nhận được góc mở α > 900 - Khi điện áp Udk> 0, ta nhận được góc mở α < 900 - Tín hiệu xung của khâu khuếch đại có giá trị tăng đáng kể nhưng góc mở α không thay đổi. Tuỳ theo thông số của các Thyristor, ta thiết kế tầng khuếch đại xung phù hợp đủ để mở Thyristor. - Tầng khuếch đại sử dụng BAX để cách ly giữa mạch động lực với mạch điều khiển, đồng thời tránh việc ngắn mạch cặp Thyristor nối song song ngược. 4. Kết luận Sơ đồ phát xung điều khiển cho một cặp Thyristor nối song song ngược có cấu trúc đơn giản, làm việc tin cậy, dễ thực hiện. Sơ đồ có thể thực hiện điều khiển đóng cắt cuộn kháng TCR, đóng cắt tụ điện TSC, đóng cắt tụ nối tiếp TSSC hoặc SSSC… Tuỳ theo số lượng các thiết bị cần điều chỉnh hoặc đóng cắt, ta thực hiện số lượng mạch điều khiển tương ứng. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6]

Nguyễn Bính, Điện tử công suất, Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật, 2000. John G.Kassakian, Martin F. Schkecht, George C. Verghese, Principles of Power Electronic, Addison-Wesley- United States of America, 1999. T.J.E.Miller & Charkes Concordia, Reactive Power Control in Electric System, Addison- Wesley- United States of America, 1992. Laszlo Gyugyi & Narain G.Hurgorani, Understanding FACTS, IEEE, London, 1999. Yong Hua Song & Allan T. John, Flexible AC Transmission System (FACTS) IEEE, London, 1999. Nguyễn Hồng Anh, Nguyễn Bê, Ứng dụng điện tử công suất trong hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt, Tạp chí Khoa học và Công nghệ số 40+41/2003.