Chương 1: Tổng quan Chương 2: Khái niệm tổng quan về sóng hài và các nguồn sinh ra sóng hài Chương 3: Các biện pháp hạn chế sóng hài Chương 4: Giới thiệu thiết bị lọc sóng hài MTE Chương 5: Mô phỏng thiết bị lọc bằng phần mềm matlab Chương 6: Kết luận và hướng phát triển 4 KHÁI NIỆM TỔNG QUAN VỀ SÓNG HÀI VÀ CÁC NGUỒN SINH RA SÓNG HÀI 2.1 Khái niệm về sóng hài: Chúng ta biết rằng, các dạng sóng điện áp sin được tạo ra tại các nhà máy điện, trạm điện lớn thì rất tốt. Tuy nhiên, càng di chuyển về phía phụ tải, đặc biệt là các phụ tải phi tuyến thì các dạng sóng càng bị méo dạng. Khi đó dạng sóng không còn sin.2: Dạng sóng điện Hình 2.1: Thành phần cơ bản và các hài 5 - Sóng hài có thể coi như là tổng của các dạng sóng sin mà tần số của nó là bội số nguyên của tần số cơ bản. - Sử dụng chuỗi Fourier với chu kỳ T - seconds và tần số cơ bản f=1/T Hz, or ω=2πf rad/s, có thể biểu diễn một sóng hài f(t) với biểu thức sau: 𝑓 (𝑡 ) = 𝑈0 + ∑∞ 𝑛=1 𝑈𝑛 cos(𝑛𝜔𝑡 + 𝜃𝑛 ) (2.1) Với : U0 : là giá trị DC của hàm sóng hài f(t) Un : là giá trị đỉnh của thành phần hài bậc n và θn là giá trị góc pha.
- Phổ của sóng hài được thể hiện theo hình 2.3: Phổ của sóng hài 6 Các chỉ số đánh giá: Tổng méo điều hòa THD: THD: Tổng độ biến dạng sóng hài điện áp (THD) là tỷ lệ giữa giá trị hiệu dụng của sóng hài điện áp với giá trị hiệu dụng của điện áp bậc cơ bản (theo đơn vị %), được tính theo công thức sau: ∑𝑁 𝑉 2 𝑇𝐻𝐷 = √ 𝑖=22 𝑖 × 100% (2.2) 𝑉1 Trong đó: a) THD: Tổng độ biến dạng sóng hài điện áp; b) Vi: Giá trị hiệu dụng của sóng hài điện áp bậc i và N là bậc cao nhất của sóng hài cần đánh giá; c) V1: Giá trị hiệu dụng của của điện áp tại bậc cơ bản (tần số 50 Hz). Tổng méo nhu cầu TDD: Chỉ số THD có thể được dùng để nhận biết mức độ méo của dòng điện, nhưng đều này đôi khi dẫn đến hiểu lầm. Một dòng điện rất nhỏ nhưng lại có chỉ số THD rất cao khi giá trị của dòng cơ bản thấp. Như vậy khi tải bé thì THD của dòng điện không có nhiều ý nghĩa.
Để tránh nhầm lẫn, các nhà phân tích đưa ra chỉ số tổng méo nhu cầu TDD: √∑𝑘𝑘=2 𝑚𝑎𝑥 2 𝐼𝑘 (2.3) 𝑇𝐷𝐷 = 𝐼𝑅 Công thức này tương tự THD nhưng độ méo được tính bằng phần trăm so với biên độ của dòng định mức hay là dòng tải lớn nhất chứ không phải theo phần trăm so 7 với dòng điện cơ bản. Nếu tải đã có trong hệ thống từ trước thì IR là giá trị trung bình của dòng tải nhu cầu đỉnh của 12 tháng trước đây, nếu các thiết bị mới thì IR có thể được tính toán bằng cách ước lượng dựa trên các tài liệu của thiết bị tiêu dùng.2 Nguồn sinh ra sóng hài bậc cao: 2.1 Nguồn sóng hài từ tải thương mại: Các cơ sở thương mại như khu văn phòng, cửa hàng bách hóa, bệnh viện và trung tâm dữ liệu Internet có đèn huỳnh quang hiệu suất cao với chấn lưu điện tử, động cơ có thể điều chỉnh tốc độ cho tải sưởi ấm, thông gió và điều hòa không khí (HVAC), động cơ thang máy và các thiết bị điện tử nhạy cảm được cung cấp bởi các thiết bị chỉnh lưu một pha.2 Nguồn cung cấp một pha: Bộ biến đổi điện tử công suất tạo ra dòng điện hài được xem là loại quan trọng nhất của tải phi tuyến trong hệ thống điện. Tỷ lệ phần trăm tải bao gồm nguồn điện tử công suất tăng với sự gia tăng sử dụng máy tính cá nhân trong mỗi tòa nhà và thiết bị gồm các động cơ điều chỉnh tốc độ, nguồn điện tử công suất, động cơ DC, bộ sạc pin, chấn lưu điện tử. Có hai loại nguồn cung cấp điện một pha phổ biến.
Các công nghệ cũ sử dụng các phương pháp kiểm soát điện áp xoay chiều, như máy biến áp, để giảm điện áp đến mức yêu cầu cho thanh cái DC. Công nghệ mới hơn bộ chuyển đổi nguồn sử dụng kỹ thuật chuyển đổi DC sang DC để đạt được đầu ra DC trơn tru với các thành phần nhỏ, nhẹ. Cầu diode đầu vào được kết nối trực tiếp với đường dây AC, loại bỏ các biến áp. Bộ chuyển đổi nguồn có dòng hài bậc ba rất cao.4: Bộ chuyển đổi nguồn 2.3 Đèn huỳnh quang: Ánh sáng thường chiếm từ 40 đến 60% tổng diện tích xây dựng thương mại.
Đèn huỳnh quang là lựa chọn phổ biến cho tiết kiệm năng lượng. Đèn huỳnh quang là đèn phóng điện; do đó nó đòi hỏi một chấn lưu để cung cấp một điện áp ban đầu cao để bắt đầu xả cho dòng điện để chảy giữa hai điện cực trong ống huỳnh quang. Có hai loại chấn lưu, từ tính và điện tử: Chấn lưu từ tính chuẩn chỉ đơn giản được tạo thành từ một máy biến thế lõi sắt với một tụ điện được bọc trong vật liệu cách điện, chấn lưu từ có thể điều khiển một hoặc hai đèn huỳnh quang. Chấn lưu từ tính thường có sóng hài thấp, hình 2.5 cho ta thấy phổ dòng điện và sóng hài của đèn huỳnh quang.
Dòng THD trung bình là 15%.5: Dạng sóng và phổ dòng điện của đèn huỳnh quang Chấn lưu điện tử sử dụng bộ chuyển đổi nguồn để chuyển đổi điện áp tần số cơ bản tới điện áp tần số cao hơn nhiều thường trong khoảng từ 25 đến 40 kHz. Một chấn lưu điện tử đơn lẻ thường có thể truyền tới bốn bóng đèn huỳnh quang. Nó có thể tạo ra sóng hài bậc 2 hoặc bậc 3. Chấn lưu điện tử thường tạo ra các dòng THD trong khoảng từ 10 đến 32 phần trăm.6: Dạng sóng và phổ sóng hài của đèn huỳnh quang sử dụng chấn lưu điện tử 10 2.4 Động cơ điều chỉnh tốc độ cho HVAC và thang máy: Các ứng dụng phổ biến của các động cơ tốc độ điều chỉnh (ASDs) trong tải thương mại có thể được tìm thấy trong động cơ thang máy và trong máy bơm và quạt trong các hệ thống HVAC.
ASD bao gồm một bộ biến đổi điện tử công suất chuyển đổi điện áp và tần số AC thành điện áp và tần số biến đổi. Điện áp và tần số biến đổi cho phép ASD điều khiển tốc độ động cơ để phù hợp với yêu cầu ứng dụng như làm chậm bơm hoặc quạt.7: Dạng sóng và phổ sóng hài của động cơ CSI loại ASD 2.5 Nguồn sóng hài từ tải công nghiệp: 11 Các nhà máy công nghiệp hiện đại được đặc trưng bởi việc áp dụng rộng rãi các tải phi tuyến. Những tải này có thể chiếm một phần đáng kể trong tổng tải trọng nhà máy và bơm các dòng hài vào hệ thống điện gây ra sự méo hài điện áp. Vấn đề sóng hài này được kết hợp bởi thực tế là những tải phi tuyến này có hệ số công suất tương đối thấp.
Việc áp dụng các tụ bù hiệu chỉnh hệ số công suất có thể làm tăng các dòng hài từ tải phi tuyến, tạo ra các điều kiện cộng hưởng bên trong nhà máy. Các điều kiện cộng hưởng làm cho động cơ và máy biến áp trở nên quá nóng, và sự vận hành sai của các thiết bị điện tử nhạy cảm. Các tải công nghiệp phi tuyến nói chung có thể được phân thành ba loại: bộ biến đổi công suất ba pha, thiết bị phóng tia lửa điện, và các thiết bị bão hòa.6 Các thiết bị có hiện tượng bão hòa mạch từ Các thiết bị loại này bao gồm các máy biến áp và các thiết bị điện từ khác với cấu trúc có lõi thép, kể cả động cơ. Sóng hài được sinh ra do các tính chất từ hóa phi tuyến của lõi sắt.
Các máy biến áp thường được thiết kế để hoạt động ở dưới điểm bão hòa, mật độ từ cảm của máy biến áp được lựa chọn dựa trên các yếu tố như giá thành thép, các tổn hao không tải, độ ồn và các nhân tố khác. Thông thường dòng từ hóa của máy biến áp chứa rất nhiều các điều hòa, nó có giá trị nhỏ hơn 1 % dòng đầy tải. Mặc dù điều hòa sinh ra bởi máy biến áp rõ ràng là nhỏ hơn các thiết bị điện tử công suất nhưng trong hệ thống điện, nhất là hệ thống điện phân phối có đến hàng trăm máy biến áp cho nên điều hòa gây bởi máy biến áp cũng cần được chú ý.7 Các thiết bị có hiện tượng phóng tia lửa điện: Loại này bao gồm các lò hồ quang, máy hàn hồ quang và đèn chiếu sáng (huỳnh quang, hơi natri, hơi thủy ngân) với chấn lưu từ. Lò hồ quang điện Sóng hài sinh ra từ các lò hồ quang sử dụng trong sản xuất gang, thép,… là không thể dự đoán được vì tia lửa điện thay đổi liên tục, không tuần hoàn theo chu kỳ.
Phân 12 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 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. Bảng dưới đưa ra giá trị của các bậc sóng hài theo hai giai đoạn của quá trình luyện thép. Các lò khác nhau sẽ có các giá trị khác nhau.1: Các thành phần hài của dòng điện lò hồ quang trong hai giai đoạn của quá trình luyện thép Giai đoạn luyện thép Phần trăm thành phần hài theo thành phần cơ bản Bậc hài 2 3 4 5 7 Nung nóng chảy (tia lửa điện không ổn 7.7 Bộ chỉnh lưu công suất ba pha: Bộ chỉnh lưu công suất 3 pha khác biệt với bộ chỉnh lưu công suất 1 pha bởi vì nó không sinh dòng điện hài bậc 3. Đây là một ưu điểm lớn vì thành phần hài bậc 3 là thành phần hài lớn nhất.
Tuy nhiên nó vẫn có thể là một nguồn đáng kể sinh sóng hài tại một số tần số đặt trưng như được nêu trong hình 2. Đây là loại đặt trưng thuộc loại ASD (adjustable-speed drive).