Nghiên cứu giải pháp lọc sóng hài phân tán trong công nghiệp

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu nghiên cứu giải pháp lọc sóng hài phân tán trong công nghiệp, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp cải thiện thực tiễn.

• Tác giả: Nguyễn Thái Hòa
• Người hướng dẫn: T.S Nguyễn Thị Mi Sa
• Trường học: Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
• Chuyên ngành: Điện
• Đề tài: Nghiên cứu giải pháp lọc sóng hài phân tán trong công nghiệp
• Loại tài liệu: luận văn tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• CẢM TẠ
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• MỤC LỤC
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Mục đích nghiên cứu
• 1.2. Tính thực tiễn của đề tài
• 1.3. Đối tượng nghiên cứu
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5. Tên đề tài
• 1.6. Bố cục luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: KHÁI NIỆM TỔNG QUAN VỀ SÓNG HÀI VÀ CÁC NGUỒN SINH RA SÓNG HÀI
• 2.1. Khái niệm về sóng hài
• 2.2. Nguồn sinh ra sóng hài bậc cao
• 2.2.1. Nguồn sóng hài từ tải thương mại
• 2.2.2. Nguồn cung cấp một pha
• 2.2.3. Đèn huỳnh quang
• 2.2.4. Động cơ điều chỉnh tốc độ cho HVAC và thang máy
• 2.2.5. Nguồn sóng hài từ tải công nghiệp
• 2.2.6. Các thiết bị có hiện tượng bão hòa mạch từ
• 2.2.7. Các thiết bị có hiện tượng phóng tia lửa điện
• 3. CHƯƠNG 3: CÁC BIỆN PHÁP HẠN CHẾ SÓNG HÀI
• 4. CHƯƠNG 4: GIỚI THIỆU THIẾT BỊ LỌC SÓNG HÀI MTE
• 5. CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG THIẾT BỊ LỌC BẰNG PHẦN MỀM MATLAB
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về giải pháp lọc sóng hài phân tán trong công nghiệp

Giải pháp lọc sóng hài phân tán trong công nghiệp đang trở thành một vấn đề cấp thiết trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của hệ thống điện. Sóng hài không chỉ ảnh hưởng đến chất lượng điện năng mà còn gây hại cho thiết bị điện. Việc áp dụng các giải pháp lọc sóng hài là cần thiết để đảm bảo hiệu suất hoạt động của hệ thống điện.

1.1. Khái niệm về sóng hài và tác động của chúng

Sóng hài là các thành phần tần số cao trong tín hiệu điện, gây ra bởi các thiết bị điện phi tuyến. Chúng có thể làm giảm hiệu suất và tuổi thọ của thiết bị, đồng thời gây ra các vấn đề về chất lượng điện năng.

1.2. Tầm quan trọng của việc lọc sóng hài trong công nghiệp

Việc lọc sóng hài giúp cải thiện chất lượng điện năng, giảm thiểu tổn thất và nâng cao hiệu suất hoạt động của thiết bị. Điều này đặc biệt quan trọng trong các nhà máy công nghiệp, nơi mà thiết bị điện thường xuyên phải hoạt động trong điều kiện tải nặng.

II. Vấn đề và thách thức trong việc lọc sóng hài

Mặc dù có nhiều phương pháp để lọc sóng hài, nhưng việc lựa chọn giải pháp phù hợp vẫn là một thách thức lớn. Các thiết bị điện hiện đại ngày càng phức tạp, và sóng hài có thể phát sinh từ nhiều nguồn khác nhau.

2.1. Nguồn gốc của sóng hài trong hệ thống điện

Sóng hài có thể phát sinh từ các thiết bị như bộ biến tần, động cơ điều chỉnh tốc độ, và các thiết bị điện tử khác. Những nguồn này thường tạo ra sóng hài bậc cao, gây ảnh hưởng đến chất lượng điện năng.

2.2. Tác động của sóng hài đến thiết bị điện

Sóng hài có thể gây ra hiện tượng quá nhiệt, giảm hiệu suất và tuổi thọ của thiết bị điện. Điều này không chỉ ảnh hưởng đến chi phí bảo trì mà còn có thể dẫn đến sự cố trong hệ thống.

III. Phương pháp lọc sóng hài hiệu quả trong công nghiệp

Có nhiều phương pháp lọc sóng hài khác nhau, trong đó bộ lọc thụ động và bộ lọc tích cực là hai giải pháp phổ biến nhất. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng.

3.1. Bộ lọc thụ động Giải pháp đơn giản và hiệu quả

Bộ lọc thụ động sử dụng các thành phần thụ động như cuộn cảm và tụ điện để loại bỏ sóng hài. Chúng thường được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp do tính đơn giản và chi phí thấp.

3.2. Bộ lọc tích cực Giải pháp hiện đại cho sóng hài

Bộ lọc tích cực sử dụng các thiết bị điện tử để tạo ra sóng đối kháng với sóng hài, giúp loại bỏ chúng một cách hiệu quả hơn. Tuy nhiên, chi phí đầu tư cho bộ lọc tích cực thường cao hơn.

IV. Ứng dụng thực tiễn của giải pháp lọc sóng hài

Việc áp dụng các giải pháp lọc sóng hài đã mang lại nhiều lợi ích cho các nhà máy công nghiệp. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng bộ lọc thụ động có thể giảm thiểu đáng kể mức độ sóng hài trong hệ thống.

4.1. Kết quả nghiên cứu tại nhà máy Sam Engineering and Trade

Nghiên cứu tại nhà máy Sam Engineering and Trade cho thấy việc áp dụng bộ lọc thụ động đã giúp giảm thiểu sóng hài và cải thiện chất lượng điện năng. Kết quả này cho thấy tính khả thi của giải pháp trong thực tế.

4.2. Lợi ích kinh tế từ việc lọc sóng hài

Việc giảm thiểu sóng hài không chỉ giúp nâng cao hiệu suất thiết bị mà còn giảm chi phí bảo trì và vận hành. Điều này mang lại lợi ích kinh tế lớn cho các doanh nghiệp.

V. Kết luận và hướng phát triển trong tương lai

Giải pháp lọc sóng hài phân tán trong công nghiệp là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng. Việc phát triển các công nghệ lọc mới và cải tiến các phương pháp hiện tại sẽ giúp nâng cao chất lượng điện năng trong tương lai.

5.1. Tương lai của công nghệ lọc sóng hài

Công nghệ lọc sóng hài đang phát triển nhanh chóng với nhiều giải pháp mới được nghiên cứu. Việc áp dụng công nghệ mới sẽ giúp cải thiện hiệu quả lọc và giảm chi phí.

5.2. Khuyến nghị cho các nhà máy công nghiệp

Các nhà máy công nghiệp nên xem xét việc áp dụng các giải pháp lọc sóng hài để nâng cao chất lượng điện năng và giảm thiểu tổn thất. Việc đầu tư vào công nghệ lọc sẽ mang lại lợi ích lâu dài.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong hệ thống điện hiện đại, phụ tải phi tuyến chiếm từ 75% đến 90% tổng công suất tiêu thụ tại các mạng phân phối công nghiệp. Sự gia tăng nhanh chóng của các bộ biến tần, bộ chỉnh lưu công suất và hệ thống điều khiển tự động đã làm biến dạng nghiêm trọng dạng sóng điện áp và dòng điện sin chuẩn. Ô nhiễm sóng hài bậc cao làm suy giảm công suất truyền tải, gây phát nóng quá mức làm giảm tuổi thọ máy biến áp, động cơ, cáp dẫn và kích hoạt tác động sai lệch của rơ-le bảo vệ.

Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán nâng cao chất lượng điện năng thông qua giải pháp lọc sóng hài phân tán bằng thiết bị bù thụ động. Mục tiêu cốt lõi là phân tích, tính toán và triển khai cấu hình lọc tối ưu nhằm đưa các chỉ số méo hài về ngưỡng an toàn theo quy chuẩn kỹ thuật. Nghiên cứu được thực hiện trên hệ thống phân phối hạ áp 400V tại nhà máy Sam Engineering and Trade, nơi vận hành trạm biến áp 1506 kW cấp nguồn cho 4 tổ máy bơm nước biển công suất 315 kW điều khiển bằng biến tần.

Ý nghĩa thực tiễn của công trình được chứng minh qua việc cải thiện toàn diện các chỉ số vận hành. Hệ thống lọc phân tán giúp kéo giảm độ biến dạng dòng nhu cầu từ mức nguy hiểm 73.32% xuống còn 3.32%, hạ thấp tổng méo hài điện áp từ 31.30% về 2.30%, đồng thời nâng hệ số công suất thực tế từ 0.70 lên 0.989. Kết quả này giúp doanh nghiệp loại bỏ nguy cơ quá tải máy biến áp từ mức 141.5% về vùng định mức an toàn, xóa bỏ nguy cơ bị phạt kinh tế từ đơn vị bán điện và tối ưu hóa chi phí vận hành.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu nền tảng dựa trên lý thuyết phân tích chuỗi Fourier cho tín hiệu tuần hoàn không sin, biểu diễn sóng hài dưới dạng tổng các thành phần hình sin có tần số là bội số nguyên của tần số cơ bản 50 Hz. Mức độ ô nhiễm sóng hài được định lượng thông qua hai chỉ số cốt lõi: Tổng độ biến dạng sóng hài điện áp và Tổng méo dạng nhu cầu dòng điện. Điểm giao chéo chung là vị trí then chốt để phân định ranh giới trách nhiệm chất lượng điện năng giữa bên mua và bên bán điện.

Lý thuyết hạn chế sóng hài khảo sát nguyên lý hoạt động của bộ chỉnh lưu 6 xung, chỉnh lưu 12 xung có khả năng triệt tiêu đến 90% sóng hài bậc 5 và bậc 7, cùng nguyên lý bẫy sóng hài cộng hưởng chuỗi L-C. Bên cạnh đó, lý thuyết mạch từ và biến áp zigzag được ứng dụng để tạo đường dẫn trở kháng thấp, rẽ nhánh và triệt tiêu tới 50% dòng hài thứ tự không đi vào dây trung tính. Nghiên cứu đối chiếu trực tiếp với Tiêu chuẩn quốc tế IEEE 519-1992 (giới hạn méo dạng dòng điện dưới 5.0% cho lưới có tỷ số ngắn mạch nhỏ hơn 20) và Thông tư 32/2010/TT-BCT của Bộ Công Thương (quy định tổng méo hài điện áp lưới trung và hạ áp không vượt quá 6.5%, méo hài riêng lẻ không vượt quá 3.0%).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ hệ thống phân phối của nhà máy Sam Engineering and Trade với trạm biến áp 1506 kW, 400V, dòng ngắn mạch 36229 A và tổng công suất tải phi tuyến chiếm 84.98% toàn trạm. Nghiên cứu áp dụng phương pháp chọn mẫu có chủ đích, đo đạc trực tiếp 4 cụm phụ tải biến tần 315 kW vận hành 100% công suất kết hợp tải phụ trợ tuyến tính 246.2 kW. Dữ liệu dòng điện, điện áp và phổ hài được trích xuất liên tục qua chu kỳ đo đếm 24 giờ với tần suất 10 phút một lần theo tiêu chuẩn đo lường quốc tế IEC 1000-4-7.

Nghiên cứu lựa chọn phương pháp mô phỏng số trên phần mềm MATLAB kết hợp công cụ phân tích biến đổi Fourier nhanh. Lý do lựa chọn MATLAB là khả năng mô hình hóa chính xác các đặc tính động học của mạch chỉnh lưu bán dẫn, động cơ không đồng bộ 3 pha và các cấu trúc mạch lọc khác nhau gồm bộ lọc tụ C, mạch LC, mạch CLC và cấu hình LCL của bộ lọc Matrix AP. Phương pháp này cho phép so sánh định lượng phản ứng tần số, đánh giá hiện tượng cộng hưởng song song và kiểm chứng tính tương thích điện từ của thiết bị trước khi triển khai lắp đặt thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Khảo sát hiện trạng ban đầu tại thứ cấp máy biến áp ghi nhận tình trạng ô nhiễm sóng hài đặc biệt nghiêm trọng. Tổng dòng điện hiệu dụng của tải lên tới 3083.87 A, trong đó tổng dòng hài chiếm đến 1823.45 A trên nền dòng cơ bản 2486.50 A. Tình trạng này khiến máy biến áp bị quá tải 141.5% với công suất biểu kiến đạt 2134 kVA so với công suất định mức 1506 kW. Méo dạng dòng nhu cầu đạt 73.32%, vượt hơn 14.6 lần so với giới hạn 5.0% của tiêu chuẩn IEEE 519-1992. Tổng méo dạng điện áp tại thanh cái đạt 31.30%, vượt xa ngưỡng cho phép 6.5% của Thông tư 32/2010/TT-BCT.

Tại đầu vào của từng biến tần bơm nước biển 315 kW, tổng méo hài dòng điện lên tới 90.08%, dòng hài hiệu dụng đo được là 455.61 A trên tổng dòng 680.22 A, kéo tụt hệ số công suất của từng cụm máy xuống mức 0.70.

Sau khi tích hợp thiết bị lọc thụ động Matrix AP mã hiệu MAPP0636C trực tiếp trước đầu vào mỗi biến tần, các thông số kỹ thuật đã cải thiện vượt bậc:

• Tổng méo dạng nhu cầu dòng điện tại thứ cấp máy biến áp giảm từ 73.32% xuống còn 3.32%, hoàn thành chỉ tiêu dưới 5.0% của IEEE 519.
• Tổng biến dạng sóng hài điện áp giảm từ 31.30% xuống còn 2.30%, đạt chuẩn quy định dưới 6.5% của cơ quan quản lý năng lượng.
• Nhu cầu dòng bù từ bộ lọc tích cực giảm từ 1740 A về 0 A, hệ số công suất toàn trạm tăng vọt từ 0.70 lên 0.989.
• Công suất biểu kiến giảm từ 2134 kVA xuống 1722 kVA, đưa tải máy biến áp về ngưỡng an toàn tuyệt đối.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi gây ra méo dạng sóng nghiêm trọng là do cấu trúc chỉnh lưu 6 xung nạp trực tiếp vào tụ DC, tạo ra dòng điện hình tai thỏ với góc dẫn rất hẹp chứa biên độ sóng hài bậc 5 (250 Hz) và bậc 7 (350 Hz) cực lớn. Dữ liệu khi được biểu diễn qua bảng so sánh thông số kỹ thuật và biểu đồ phổ tần Fourier cho thấy rõ sự suy giảm triệt để của các cột phổ hài bậc 5, 7, 11 và 13 sau khi qua mạch lọc LCL.

So với các giải pháp lọc C hay LC đơn thuần vốn rất dễ gây ra hiện tượng cộng hưởng song song với điện cảm nguồn làm khuếch đại dòng hài ở tần số dưới điểm cộng hưởng, cấu trúc LCL của Matrix AP hoạt động như một bộ lọc thông thấp dải rộng. Thiết bị duy trì độ méo hài dòng điện dưới 5.0% ở chế độ đầy tải và dưới 8.0% ở mức 30% tải mà không làm tăng điện áp đầu ra khi non tải. Kết quả này chứng minh rằng việc bố trí lọc phân tán ngay tại đầu cực tải phi tuyến có hiệu quả kinh tế - kỹ thuật cao hơn nhiều so với giải pháp lọc tích cực tập trung đắt đỏ.

Đề xuất và khuyến nghị

• Triển khai lắp đặt đồng bộ thiết bị lọc thụ động cấu trúc LCL (Matrix AP MAPP0636C) trực tiếp tại đầu vào 100% các bộ biến tần công suất từ 50 kW trở lên nhằm đảm bảo méo dòng luôn dưới 5.0% ở đầy tải; hoàn thành lắp đặt trong thời hạn 3 tháng do Phòng Kỹ thuật Cơ điện chủ trì.
• Thiết lập hệ thống giám sát chất lượng điện năng tự động liên tục 24/7 theo tiêu chuẩn IEC 1000-4-7 với chu kỳ quét 10 phút một lần tại điểm đấu nối chung, hướng tới mục tiêu duy trì độ biến dạng điện áp luôn dưới 6.5% theo Thông tư 32/2010/TT-BCT; lộ trình triển khai 6 tháng do Ban Quản lý Năng lượng thực hiện.
• Cải tạo hệ thống cấp nguồn cho các phụ tải 1 pha phi tuyến công suất lớn (chiếu sáng huỳnh quang, máy chủ) bằng máy biến áp đấu nối Zigzag hoặc Sao - Tam giác nhằm triệt tiêu tối thiểu 50% dòng hài thứ tự không trên dây trung tính; thực hiện trong vòng 12 tháng bởi Đơn vị Tư vấn Thiết kế M&E.
• Ban hành quy chuẩn nội bộ bắt buộc về việc tích hợp chỉnh lưu đa xung (12 xung hoặc 18 xung) hoặc tích hợp sẵn cuộn kháng đầu vào cho tất cả các dự án mua sắm động cơ điều khiển tốc độ mới; đảm bảo hệ số công suất tự nhiên luôn đạt trên 0.95, ban hành chính sách trong vòng 2 tháng bởi Ban Giám đốc Nhà máy.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Kỹ sư trưởng và kỹ sư vận hành hệ thống điện công nghiệp: Cung cấp quy trình từng bước từ đo đạc hiện trạng, phân tích phổ sóng hài đến tính toán lựa chọn thiết bị lọc thụ động cho các trạm biến áp mang tải biến tần lớn.
• Chuyên gia tư vấn thiết kế cơ điện và nhà tích hợp hệ thống: Ứng dụng mô hình tính toán mạch lọc LCL và phương pháp mô phỏng trên MATLAB để thiết kế mạng lưới phân phối đáp ứng chuẩn IEEE 519 và Thông tư 32/2010/TT-BCT.
• Giám đốc nhà máy và nhà quản lý năng lượng: Nắm bắt bài toán đầu tư hiệu quả để giải tỏa quá tải máy biến áp từ mức 141.5% về vùng an toàn, cắt giảm tổn thất nhiệt và triệt tiêu các khoản phạt hệ số công suất từ công ty điện lực.
• Giảng viên, nghiên cứu sinh và sinh viên ngành Kỹ thuật Điện - Tự động hóa: Sử dụng làm tài liệu tham khảo giá trị về phân tích chuỗi Fourier thực chứng, mô hình hóa tải phi tuyến và so sánh thực nghiệm với lý thuyết điều khiển công suất.

Câu hỏi thường gặp

Sóng hài bậc cao gây ra những nguy cơ kỹ thuật cụ thể nào cho nhà máy?
Sóng hài làm gia tăng tổn hao phát nhiệt trên lõi thép và cuộn dây máy biến áp, khiến thiết bị vận hành quá tải dù công suất tác dụng không đổi. Ngoài ra, dòng hài gây sụt áp méo dạng, làm rung giật động cơ, phá hỏng tụ bù do cộng hưởng và gây tác động nhầm cho rơ-le bảo vệ kỹ thuật số.

Tại sao cần sử dụng chỉ số TDD thay cho THD khi đánh giá dòng điện?
Chỉ số THD dòng điện tính theo tỷ lệ dòng cơ bản tại thời điểm đo nên khi non tải, THD có thể hiển thị rất cao gây hiểu lầm dù dòng hài thực tế rất nhỏ. Chỉ số TDD tính toán phần trăm dựa trên dòng phụ tải cực đại, giúp phản ánh chính xác tác động thực tế của dòng hài lên dung lượng hệ thống điện.

Bộ lọc thụ động Matrix AP khắc phục nhược điểm của bộ lọc LC truyền thống như thế nào?
Bộ lọc LC đơn giản thường tạo điểm cộng hưởng song song nguy hiểm với lưới điện và có xu hướng hút dòng hài từ các nguồn lân cận dẫn đến quá tải. Thiết bị Matrix AP sử dụng cấu hình LCL tiên tiến giúp cô lập sóng hài cục bộ, không gây cộng hưởng và kiểm soát méo hài dòng dưới 5.0% đầy tải.

Quy định pháp lý hiện hành tại Việt Nam về sóng hài điện áp được áp dụng ra sao?
Theo Điều 7 Thông tư 32/2010/TT-BCT của Bộ Công Thương, tổng độ biến dạng sóng hài điện áp tại điểm đấu nối chung cấp trung áp và hạ áp không được vượt quá 6.5%, và độ biến dạng sóng hài riêng lẻ của từng bậc không được vượt quá 3.0%, đo đếm liên tục 24 giờ.

Làm cách nào để triệt tiêu dòng hài bậc 3 trên dây trung tính của tòa nhà thương mại?
Giải pháp hiệu quả nhất là lắp đặt máy biến áp đấu nối kiểu Zigzag hoặc Sao - Tam giác tại các nhánh tải 1 pha. Cấu trúc cuộn dây quấn ngược chiều trên cùng trụ từ giúp tạo trở kháng thứ tự không cực thấp, rẽ nhánh và triệt tiêu tới 50% dòng hài bậc 3 trước khi về dây trung tính chính.

Kết luận

• Luận văn giải quyết thành công bài toán ô nhiễm sóng hài công nghiệp bằng giải pháp lọc thụ động phân tán, xử lý tận gốc tình trạng quá tải máy biến áp 141.5% tại nhà máy Sam Engineering and Trade.
• Ứng dụng thành công bộ lọc Matrix AP MAPP0636C, đưa chỉ số méo dòng TDD từ 73.32% xuống 3.32% (đáp ứng xuất sắc chuẩn IEEE 519 dưới 5.0%) và hạ THVD từ 31.30% xuống 2.30% (đáp ứng Thông tư 32/2010/TT-BCT dưới 6.5%).
• Tối ưu hóa hiệu suất vận hành toàn diện: nâng hệ số công suất từ 0.70 lên 0.989, giảm công suất biểu kiến từ 2134 kVA xuống 1722 kVA và triệt tiêu hoàn toàn nhu cầu 1740 A dòng bù tích cực.
• Xây dựng thành công bộ mô hình mô phỏng chuyên sâu trên phần mềm MATLAB, chứng minh tính ưu việt vượt trội của cấu trúc LCL so với các mạch lọc C, LC và CLC truyền thống.
• Đóng góp quy trình chuẩn hóa từ khảo sát thực địa, đo đạc 24 giờ theo chuẩn IEC 1000-4-7 đến thiết kế lắp đặt thiết bị lọc cho hệ thống biến tần công suất lớn 315 kW.

Lộ trình tiếp theo bao gồm triển khai mở rộng đo đạc định kỳ 6 tháng một lần và tối ưu hóa thông số bộ lọc cho các dây chuyền mở rộng trong 12 tháng tới. Các doanh nghiệp sản xuất và kỹ sư vận hành hãy áp dụng ngay phương pháp luận và giải pháp lọc phân tán này để bảo vệ tài sản thiết bị, tối ưu hóa chi phí điện năng và bảo đảm an toàn vận hành lưới điện.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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).