chương 1 tác giả trình bày tổng quan hệ thống điện nhà máy Gang thép Lào Cai, đánh giá tác hại của sóng hài gây ra trên hệ thống điện và gây hại đến các thiết bị điện của nhà máy.Từ đó có thể thấy mức độ phát sóng hài vào lưới của Nhà máy Gang thép Lào Cai là khá mạnh, vì vậy rất cần có thiết bị lọc sóng hài để giảm ảnh hưởng đến lưới điện cung cấp cho Nhà máy. Ngoài ra, các loại phụ tải của Nhà máy cũng tiêu thụ lượng công suất phản kháng khá lớn, ảnh hưởng đến hệ số công suất của Nhà máy nên nếu kết hợp được vấn đề lọc sóng hài với bù công suất phản kháng thì hiệu quả càng cao. Luận văn đặt vấn đề thiết kế bộ lọc đảm bảo độ méo dạng sóng hài tổng < 3% và có kết hợp bù công suất phản kháng. CHƯƠNG 2 14 SÓNG HÀI BẬC CAO VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP LỌC SÓNG HÀI 2.
Đặt vấn đề Ngày nay, các thiết bị điện sử dụng trong sinh hoạt và sản xuất công nghiệp ngày càng đa dạng và phong phú về số lượng và chủng loại, kéo theo đó là yêu cầu nâng cao khả năng đáp ứng về truyền tải và chất lượng của hệ thống cung cấp điện. Ta biết rằng, các nguồn điện thông thường phát lên lưới điện điện áp xoay chiều ba pha tần số 50 Hz hoặc 60 Hz và có dạng hình sin, về lý thuyết, nếu phụ tải của hệ thống điện là tuyến tính và đối xứng thì dòng điện của lưới điện cũng là hình sin, đây đây là trường hợp lý tưởng. Tuy nhiên trong thực tế, do một số nguyên nhân: Sự cố đường dây, các phụ tải như: tải lò nung, tải bể điện phân, tải bể mạ, bộ biến đổi tần số, … làm cho dòng điện trong hệ thống cung cấp điện không còn có dạng hình sin. Phân tích dòng điện không sin do các phụ tải trên gây ra sẽ được một thành phần hình sin tần số bằng tần số điện áp phát ra của các máy phát, được gọi là điều hòa (sóng hài) bậc nhất hay sóng hài cơ bản của dòng điện, và một tổng vô hạn các thành phần hình sin có tần số bằng bội số nguyên lần tần số cơ bản, được gọi chung là sóng điều hòa (sóng hài) bậc cao.
Sự tồn tại của các sóng điều hòa bậc cao trong hệ thống điện gây ảnh hưởng không tốt tới các thiết bị điện và đường dây truyền tải. Chúng làm giảm chất lượng điện năng: quá áp, méo điện áp lưới, tăng tổn thất công suất trong quá trình truyền tải điện năng; ảnh hưởng xấu đến chất lượng làm việc của các phụ tải. Vấn đề đặt ra là phải tìm cách loại bỏ các sóng điều hòa bậc cao của dòng điện ra khỏi hệ thống điện. Các thiết bị được sử dụng để loại bỏ sóng điều hòa bậc cao gọi là các bộ lọc.
Hiện nay, có nhiều nghiên cứu và ứng dụng các bộ lọc phục vụ trong sản xuất công nghiệp. Đề tài này tập trung nghiên cứu và thiết kế bộ lọc tích cực, đảm bảo các yêu cầu đặt ra về chất lượng điện năng. Thiết bị lọc được thiết kế hoạt động trong mạng điện hạ áp, ngay gần khu vực của một hoặc một nhóm tải phi tuyến gây ra sóng hài (tùy theo công suất của tải và điều kiện thực tế). Tổng quan về sóng điều hòa bậc cao Chúng ta biết rằng, các dạng sóng điện áp hình sin được tạo ra tại các nhà máy điện, trạm điện lớn có chất lượng 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 dạng sin. a) Dạng sóng sin, b) Dạng sóng sin bị méo(sóng chu kỳ không sin) Để đánh giá mức độ ảnh hưởng của sóng điều hòa bậc cao ta sử dụng phép phân tích Fourier. Ví dụ có một đại lượng x(t) biến thiên mang tính chất chu kỳ nhưng không hình sin, với chu kỳ là T.
Thực hiện phép phân tích chuỗi Fourier đại lượng x(t) có chu kỳ là T (đơn vị là s) và tần số cơ bản f = 1/T (Hz) hoặc ω = 2πf (rad/s), nhận được biểu thức sau: 𝑋0 𝑥(𝑡) = + ∑∞ 𝑛=1 𝑋𝑛 .1) 2 trong đó: 16 𝑋0 : Giá trị trung bình 2 Xn: Biên độ của sóng điều hòa bậc n trong chuỗi Fourier 𝑋1 sin(𝜔𝑡 + 𝜃1 ): Thành phần sóng cơ bản 𝑋𝑛 sin(𝑛𝜔𝑡 + 𝜃𝑛 ): Thành phần sóng cơ bản 𝜃𝑛 : Góc pha của sóng điều hòa bậc n Trên hình 2.2 biểu diễn một số thành phần sóng hài của x(t). Cũng có thể biểu diễn: 𝑋𝑛 sin(𝑛𝜔𝑡 + 𝜃𝑛 ) = 𝑋𝑛 (sin nωt.2) Khi đặt: 𝑋𝑛 cos(𝜃𝑛 ) = 𝑎𝑛 và 𝑋𝑛 sin(𝜃𝑛 ) = 𝑏𝑛 Khi đó ta có thể viết: 𝑎0 𝑥(𝜔𝑡) = + ∑∞ ∞ 𝑛=1 𝑎𝑛 .5 x(t) Thành phần cơ bản 1 Thành phần bậc 5 0.5 Thành phần bậc 7 -1 -1. Các thành phần sóng điều hòa Dựa vào kết quả phân tích chuỗi Fourier có thể đưa ra hệ số méo sóng hài tổng (THD - Total Harmonic Distortion), đây là tham số quan trọng nhất dùng để đánh giá sóng điều hòa bậc cao.4) X1 17 Trong đó: X1: Biên độ thành phần cơ bản Xn: Biên độ thành phần điều hòa bậc n. Dựa công thức trên ta có thể đưa ra công thức hệ số méo sóng hài tổng (thường gọi là hệ số méo) của dòng điện và điện áp như sau: Hệ số méo dạng dòng điện: I n2 n2 THD (2.5) I1 Trong đó: I1: Biên độ thành phần dòng cơ bản; In: Biên độ thành phần dòng điều hòa bậc n.
Hệ số méo dạng điện áp: U n2 n2 THD (2.6) U1 Trong đó: U1: Biên độ thành phần điện áp cơ bản; Un: Biên độ thành phần điện áp điều hòa bậc n. Ảnh hưởng của sóng điều hòa bậc cao và quy định giới hạn thành phần sóng điều hòa bậc cao trên lưới điện a. Ảnh hưởng của sóng điều hòa bậc cao Ảnh hưởng quan trọng nhất của sóng điều hòa bậc cao đó là việc làm tăng giá trị hiệu dụng cũng như giá trị đỉnh của dòng điện và điện áp, có thể thấy rõ qua công thức sau: 1 𝑇 𝑈𝑅𝑀𝑆 = √ ∫0 𝑢(𝑡)2 𝑑𝑡 = 𝑈(1) √1 + 𝑇𝐻𝐷𝑈2 (2.8) 𝑇 Trong đó: URMS : Giá trị hiệu dụng của điện áp U(1) : Giá trị hiệu dụng sóng hài bậc nhất của điện áp 18 IRMS : Giá trị hiệu dụng của dòng điện I(1) : Giá trị hiệu dụng sóng hài bậc nhất của dòng điện Khi giá trị hiệu dụng và giá trị biên độ của tín hiệu điện áp hay dòng điện tăng do sóng điều hòa bậc cao, sẽ dẫn đến tăng tổn hao nhiệt làm hỏng cách điện của các thiết bị, gây ra các hỏng hóc không mong muốn. Ảnh hưởng của sóng điều hòa bậc cao đối với một số thiết bị như sau: - Các máy điện quay: Tăng tổn hao trên cuộn dây và lõi thép của động, gây rung động và tiếng ồn khi làm việc, giảm hiệu suất của máy, có thể gây ra dao động cộng hưởng cơ khí làm hỏng các bộ phận cơ khí, … - Các thiết bị đóng cắt: Làm tăng nhiệt độ và tổn hao trên thiết bị, có thể gây hiện tượng khó đóng cắt, kéo dài quá trình dập hồ quang dẫn đến tuổi thọ của thiết bị giảm, … - Các rơ le bảo vệ: Có thể gây tác động sai, tác động ngược, … - Các tụ điện: Làm gia tăng tổn hao nhiệt, tăng ứng suất điện môi (làm giảm dung lượng tụ), gây nên hiện tượng cộng hưởng làm hỏng tụ, … - Các dụng cụ đo: Ảnh hưởng đến sai số của các thiết bị sử dụng đĩa cảm ứng, như: điện kế, rơ le quá dòng… - Thiết bị điều khiển điện tử công suất: Việc điện áp bị méo có thể gây ra trường hợp xác định điểm không để tính góc mở cho các van công suất bị sai, làm cho mạch hoạt động không chính xác, … b.
Giới hạn về thành phần sóng điều hòa bậc cao trên lưới điện Trên thế giới đưa ra một số tiêu chuẩn: - IEEE std 519 về giới hạn nhiễu điện áp (Bảng 2.1: Tiêu chuẩn IEEE std 519 về giới hạn nhiễu điện áp 19 Nhiễu điện áp Nhiễu điện áp tổng Điện áp tại từng loại sóng điều cộng các loại sóng điểm nối chung 𝑼 hòa (%)= 𝒉 điều hòa THD (%) 𝑼𝟏 ≤ 69 KV 3,0 5,0 Trên 69 KV đến 161KV 1,5 2,5 Trên 161 KV 1,0 1,5 - Tiêu chuẩn IEEE std 519 về giới hạn nhiễu dòng điện cho hệ thống phân phối chung (từ 120V đến 69KV) (tính theo % của Itải) (Bảng 2. Tiêu chuẩn IEEE std 519 về giới hạn nhiễu dòng điện Tỷ số ngắn mạch h<11 11≤h<17 17≤h<23 23≤h<35 35≤h THD (SCR=ISC/Itải) <20 4,0 2,0 1,5 0,6 0,3 5,0 Từ 20 đến 50 7,0 3,5 2,5 1,0 0,5 8,0 Từ 50 đến 100 10,0 4,5 4,0 1,5 0,7 12,0 Từ 100 đến 1000 12,0 5,5 5,0 2,0 1,0 15,0 Trên 1000 15,0 7,0 6,0 2,5 1,4 20,0 * Hài bậc chẵn được giới hạn tới 25% của giới hạn bậc lẻ ở bảng trên * h: Bậc của sóng điều hòa - Tiêu chuẩn IEC 1000-3-4 cho thiết bị có dòng đầu vào mỗi pha trên 75A (Bảng 2.3: IEC 1000-3-4 𝐈𝐧 𝐈𝐧 Bậc sóng điều hòa Giá trị 𝐈𝟏 (%) Bậc sóng Giá trị 𝐈𝟏 (%) (n) chấp nhận điều hòa (n) chấp nhận 3 19 19 1,1 5 9,5 21 ≤0,6 7 6,5 23 0,9 20 9 3,8 25 0,8 11 3,1 27 ≤0,6 13 2,0 29 0,7 15 0,7 31 0,7 2. Một số nguồn tạo sóng điều hòa bậc cao trong công nghiệp Trong công nghiệp và dân dụng, các phụ tải phi tuyến và các phụ tải có chế độ làm việc luôn trong tráng thái quá độ là các nguồn gây nên sóng điều hòa bậc cao cho mạng điện. Sau đây sẽ giới thiệu một số loại phụ tải gây ra song hài bậc cao tiêu biểu.
Các thiết bị điện tử công suất Các thiết bị điện tử công suất được xây dựng từ các dụng cụ bán dẫn như Diode, Thyristor, Mosfet, IGBT, GTO,… là các tải phi tuyến gây nên các sóng điều hòa bậc cao. Tùy theo cấu trúc của các bộ biến đổi mà có thể sinh ra các dạng sóng điều hòa khác nhau. Để hạn chế sóng điều hòa bậc cao có thể sử dụng các sơ đồ đặc biệt, ví dụ như đối với bộ chỉnh lưu có thể sử dung các sơ đồ liên hợp như ghép một số sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha lại với nhau thành bộ chỉnh lưu 12 xung hoặc bộ chỉnh lưu 24 xung, tức là tăng số van trong mạch chỉnh lưu lên hoặc sử dụng tổ nối dây đặc biệt đối với máy biến áp cung cấp.
