Nếu bạn nhìn lại quá khứ, bạn phải nhận thấy rằng hệ thống điện sạch sẽ và đơn giản hơn nhiều. Hầu hết các tải chủ yếu là tuyến tính trong tự nhiên. Tải tuyến tính vẽ toàn bộ sóng hình sin của dòng điện ở tần số cơ bản 50 hoặc 60 chu kỳ (Hz) của nó. Việc chuyển tải như vậy diễn ra suôn sẻ, bệnh sóng hài chưa lan rộng.
Méo sóng hài
Sóng hài đã thay đổi rất nhiều trong mười lăm năm qua. Ngày nay, méo sóng hài là hiện tượng thường xuyên xảy ra trong hệ thống điện. Để có thể hiểu rõ hơn về vấn đề mạng méo hài trong hoạt động của các thiết bị điện khác nhau, chúng tôi sẽ cố gắng giải thích các vấn đề thực tế và trình bày ngắn gọn các giải pháp.
Điều quan trọng là phải hiểu rằng các phép đo để có được đánh giá chi tiết về tình huống tại chỗ là điều cần thiết để lập kế hoạch cho các biện pháp khắc phục nhằm giảm sóng hài (biến dạng chất lượng điện năng).
1. Sóng hài và tải phi tuyến
Các tải tuyến tính, một pha cân bằng tốt. Như hình minh họa, có rất ít hoặc không có dòng điện chạy trong dây trung tính khi tải tuyến tính và cân bằng.
Sự ra đời của tải điện tử phi tuyến, trong đó điện áp xoay chiều được chuyển đổi thành điện áp một chiều, đã thay đổi cách truyền thống lấy điện từ sóng hình sin AC thông thường. Trong quá trình chuyển đổi AC sang DC, các thiết bị điện tử công suất được bật trong một phần của mỗi 1/2 chu kỳ khiến điện áp và dòng điện được rút ra theo xung để có được đầu ra DC cần thiết.
Độ lệch của điện áp và dòng điện so với sóng hình sin bình thường dẫn đến sóng hài.
Điều quan trọng cần lưu ý là sự biến dạng hiện tại gây ra bởi các tải như bộ chỉnh lưu hoặc nguồn điện ở chế độ chuyển đổi gây ra sự biến dạng điện áp. Sự biến dạng điện áp đó là do dòng điện bị biến dạng chạy qua một trở kháng.
Mức độ biến dạng điện áp phụ thuộc vào:
1. Trở kháng hệ thống
2. Lượng dòng điện bị biến dạng
Các thiết bị có thể gây nhiễu sóng hài bao gồm bộ chỉnh lưu, bộ đẩy và nguồn điện chuyển mạch, tất cả đều là phi tuyến. Hơn nữa, sự phổ biến của các thiết bị điện tử như máy tính, hệ thống UPS, ổ đĩa tốc độ thay đổi, bộ điều khiển logic khả trình (PLC) và những thứ tương tự: tải phi tuyến đã trở thành một phần quan trọng của nhiều hệ thống
Các loại tải tạo ra sóng hài khác bao gồm các thiết bị phóng điện hồ quang (chẳng hạn như lò hồ quang, máy hàn và đèn huỳnh quang).
Dòng tải phi tuyến thay đổi nhiều từ dạng sóng hình sin; thường thì chúng là các xung không liên tục. Điều này có nghĩa là tải phi tuyến có hàm lượng sóng hài cực cao.
Sóng hài bậc ba là sóng hài bậc 3, 9, 15,… Hơn nữa, sóng hài triplen gây hại nhiều nhất cho hệ thống điện vì các sóng hài này trên pha A, pha B và pha C nối tiếp nhau. Có nghĩa là, sóng hài triplen có trên ba pha cộng lại với nhau ở trạng thái trung tính, như trong Hình 2, thay vì triệt tiêu lẫn nhau
Các sóng hài lẻ không phải bộ ba được phân loại là “dãy dương” hoặc “dãy âm” và là bậc 1, 5, 7, 11, 13, v.v.
Hình 2 – Bậc hài bậc 3, bậc 5
Nói chung, khi bậc của một sóng hài càng cao thì biên độ của nó càng nhỏ theo phần trăm của tần số cơ bản.
2. Các vấn đề về sóng hài
Dòng điện hài có thể gây ra tổn thất hệ thống làm quá tải hệ thống phân phối. Tình trạng quá tải điện này có thể góp phần ngăn hệ thống phân phối điện hiện có phục vụ các phụ tải bổ sung trong tương lai.
Nói chung, sóng hài xuất hiện trên hệ thống phân phối có thể có những tác động bất lợi sau:
1. Quá nhiệt máy biến áp và thiết bị quay
2. Tăng tổn thất từ trễ
3. Giảm công suất kVA
4. Quá tải trung tính
5. Điện áp trung tính với đất không được chấp nhận
6. Dạng sóng điện áp và dòng điện bị biến dạng
7. Hỏng tụ bù
8. Cầu dao và cầu chì bị ngắt
9. Kích thước trung tính gấp đôi để chống lại tác động tiêu cực của sóng hài triplen
Trong các máy biến áp, máy phát điện và hệ thống cung cấp điện liên tục (UPS), sóng hài gây ra hiện tượng quá nhiệt và hỏng hóc ở tải dưới định mức của chúng vì dòng điện hài gây ra nhiệt lớn hơn dòng điện 60 Hz tiêu chuẩn. Điều này là kết quả của việc tăng tổn thất dòng điện xoáy, tổn thất trễ trong lõi sắt và hiệu ứng vỏ dây dẫn của cuộn dây.
Ngoài ra, dòng điện hài tác động lên trở kháng của nguồn gây ra sóng hài trong điện áp nguồn, sau đó được áp dụng cho các tải khác như động cơ, khiến chúng bị quá nóng.
Sóng hài cũng làm phức tạp việc ứng dụng tụ điện để hiệu chỉnh hệ số công suất. Nếu, tại một tần số sóng hài nhất định, trở kháng điện dung bằng trở kháng phản ứng của hệ thống, thì điện áp và dòng điện hài có thể đạt đến mức nguy hiểm
Đồng thời, các sóng hài tạo ra các vấn đề trong việc áp dụng các tụ điện hiệu chỉnh hệ số công suất, chúng hạ thấp hệ số công suất thực tế.
Đồng hồ đo xoay được sử dụng bởi các tiện ích cho watt-giờ và các phép đo khác nhau không phát hiện thành phần méo do sóng hài gây ra. Các bộ chỉnh lưu có đầu đi-ốt phía trước và dãy tụ điện phía DC lớn có hệ số công suất dịch chuyển từ 90% đến 95%.
Các công tơ điện tử gần đây hơn có khả năng đo giờ kVA thực của mạch.
Nguồn điện một pha cho chấn lưu máy tính và thiết bị cố định rất giàu sóng hài bậc ba và bội số lẻ của chúng. Ngay cả khi dòng điện pha cân bằng hoàn hảo, dòng điện hài ở dây trung tính có thể chiếm tổng cộng 173% dòng điện pha. Điều này đã dẫn đến trung tính quá nóng.
Hội đồng Công nghiệp Công nghệ Thông tin (ITIC) khuyến nghị rằng các dây trung tính trong nguồn cung cấp cho thiết bị điện tử phải lớn hơn ít nhất 173% độ khuếch đại của dây dẫn pha để ngăn ngừa sự cố. ITIC cũng khuyến nghị các máy biến áp giảm công suất, tải chúng không quá 50% đến 70% kVA trên bảng tên của chúng, dựa trên tính toán theo quy tắc ngón tay cái, để bù cho các hiệu ứng nhiệt điều hòa.
Bảng 1 – Nguồn gây ra sóng hài và các loại bậc hài phổ biến
|
Nguồn |
Bậc hài |
|
Chỉnh lưu 6 xung |
5, 7, 11, 13, 17, 19… |
|
Chỉnh lưu 12 xung |
11, 13, 23, 25… |
|
Chỉnh lưu 18 xung |
17, 19, 35, 37… |
|
Bộ chuyển đổi nguồn dạng chuyển mạch |
3, 5, 7, 9, 11, 13… |
|
đèn huỳnh quang |
3, 5, 7, 9, 11, 13… |
|
thiết bị hồ quang (lò cao tần) |
2, 3, 4, 5, 7… |
|
đóng điện máy biến áp (lúc khởi động) |
2, 3, 4 |
3. Méo hài toàn phần
Tiêu chuẩn IEEE 519 chỉ ra các giới hạn của độ méo dòng điện cho phép tại điểm PCC (Điểm khớp nối chung) trên hệ thống nơi tính toán độ méo dòng điện. Tiêu chuẩn này tập trung hơn vào giới hạn sóng hài trên hệ thống theo thời gian. Bây giờ nó chỉ ra rõ ràng rằng PCC là điểm kết nối với tải và các ứng dụng
Tiêu chuẩn hiện chủ yếu giải quyết các giới hạn sóng hài của điện áp cung cấp từ tiện ích hoặc máy phát điện.
Bảng 2 – Bảng quy định mức sóng hài đối với nguồn cấp hoặc máy phát điện
|
Dải điện áp |
2.3-69 kV |
69-138 kV |
>138 kV |
|
Sóng hài từng bậc lớn nhất |
3.0% |
1.5% |
1.0% |
|
Tổng giá trị sóng hài |
5.0% |
2.5% |
1.5% |
Bảng 3 – Giới hạn độ méo hiện tại cho các hệ thống phân phối chung (120–69.000 V)
|
Dòng điện hài lớn nhất theo tỉ lệ phần tram với IL |
||||||
|
Sóng hài từng bậc (Bậc lẻ) |
||||||
|
ISC/IL |
<11 |
11≤h<17 |
17≤h<23 |
23≤h<35 |
35≤h |
TDD |
|
<20* |
4 |
2 |
1.5 |
0.6 |
0.3 |
5 |
|
20<50 |
7 |
3.5 |
2.5 |
1.0 |
0.5 |
8 |
|
50<100 |
10 |
4.5 |
4.0 |
1.5 |
0.7 |
12 |
|
100<1000 |
12 |
5.5 |
5.0 |
2.0 |
1 |
15 |
|
>1000 |
15 |
7 |
6.0 |
2.5 |
1.4 |
20 |
* Tất cả các thiết bị phát điện đều bị giới hạn ở các giá trị biến dạng dòng điện này, bất kể ISC/IL thực tế ở đâu:
• ISC = Dòng ngắn mạch cực đại tại PCC.
• IL = Dòng tải yêu cầu lớn nhất (thành phần tần số cơ bản) tại PCC.
• TDD = Tổng cầu biến dạng.
Sóng hài chẵn được giới hạn ở 25% giới hạn sóng hài lẻ ở trên. Không cho phép biến dạng dòng điện dẫn đến độ lệch một chiều DC, ví dụ: bộ chuyển đổi nửa bước sóng.
Khi đánh giá độ méo hiện tại, điều quan trọng là phải hiểu sự khác biệt giữa THD (Méo hài tổng) và TDD (Méo tổng theo tải).
THD là độ méo đo được trên cường độ thực tế của dòng điện chạy qua tại một thời điểm nhất định. Điều này có thể được gọi là “yếu tố chất lượng sóng hình sin” vì nó là thước đo mức độ biến dạng tại thời điểm nhất định, đối với cường độ dòng điện đã cho. Nó có thể được đo bằng một thiết bị đo dòng điện hài đơn giản.
4. Giải pháp loại bỏ sóng hài
Bất chấp tất cả những lo ngại do tải phi tuyến gây ra, những tải này sẽ tiếp tục tăng. Do đó, việc áp dụng các tải phi tuyến như biến tần (VFD) và các hệ thống cung cấp chúng sẽ cần được chuyên gia thiết kế xem xét kỹ lưỡng hơn. Việc sử dụng VFD đa xung “Năng lượng sạch” đã trở thành một cách tiếp cận phổ biến nên các hiệu ứng sóng hài bất lợi được giảm đáng kể.
Các bảng dưới đây mô tả nhiều giải pháp điều hòa cùng với những ưu điểm và nhược điểm của chúng.
Bộ truyền động và bộ chỉnh lưu (bao gồm tải UPS ba pha)
Bảng 4 – Giải pháp điều hòa cho bộ truyền động và bộ chỉnh lưu (bao gồm tải UPS 3 pha)
|
Giải pháp |
Ưu điểm |
Nhược điểm |
|
Cuộn kháng nối tiếp |
|
|
|
Máy biến áp cách ly/biến áp định mức K |
|
|
|
DC choke |
|
|
|
Dùng các loại biến tần 12 xung |
|
• Chênh lệch chi phí lớn, gần bằng loại chỉnh lưu 18 xung và bộ lọc chặn để đảm bảo tuân thủ IEEE 519 |
|
Máy biến áp giảm thiểu sóng hài/chuyển pha |
|
|
|
bộ lọc điều chỉnh (Bộ lọc thụ động) |
|
|
|
bộ lọc băng thông rộng |
|
|
|
Bộ chỉnh lưu 18 xung |
|
|
|
Bộ lọc sóng hài tích cực (Bộ lọc sóng hài chủ động) |
|
|
|
Chủ động lọc đầu cuối |
|
|
Bảng 5 – Giải pháp điều hòa cho máy tính/bộ nguồn kiểu chuyển mạch
|
Giải pháp |
Ưu điểm |
Nhược điểm |
|
Bộ lọc chặn trung tính |
|
|
|
Máy biến áp triệt tiêu sóng hài |
|
Yêu cầu các mạch định mức đầy đủ và trung tính quá khổ đối với tải |
|
Máy biến áp trung tính / giảm tải quá khổ |
|
|
|
Máy biến áp hệ số K |
|
|
Bảng 6 – Giải pháp sóng hài cho đèn huỳnh quang
|
Giải pháp |
Ưu điểm |
Nhược điểm |
|
Máy biến áp lọc sóng hài |
|
|
|
Máy biến áp hệ số K |
|
|
|
Chấn lưu sóng hài thấp |
|
|
Bảng 7 – Giải pháp điều hòa cho tải hàn/hồ quang
|
Giải pháp |
Ưu điểm |
Nhược điểm |
|
Bộ lọc sóng hài tích cực (Bộ lọc sóng hài chủ động) |
|
|
|
Bộ lọc thụ động |
|
|
Bảng 8 – Giải pháp lọc sóng hài cho cả hệ thống
|
Giải pháp |
Ưu điểm |
Nhược điểm |
|
Bộ lọc thụ động |
|
|
|
Máy biến áp giảm thiểu sóng hài |
|
|
|
Bộ lọc sóng hài tích cực (Bộ lọc sóng hài chủ động) |
|
|
Elecnova Việt Nam cung cấp giải pháp bộ lọc sóng hài tích cực, giúp giải quyết hoàn toàn các vấn đề sóng hài từ sóng hài sinh ra từ các bộ chuyển mạch, sóng hài từ các lò hồ quang, hệ thống điện ...Xin vui lòng liên hệ tới chúng tôi để được tư vấn về chất lượng điện năng tốt nhất: +8439754828
