CHƯƠNG 1 VẤN ĐỀ SÓNG HÀI VÀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG 1.1 Tổng quan về sóng điều hoà. 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. is is Fundamental 3rd Harmonic 5th Harmonic π 2π 3π 4π ωt ωt π 2π 3π 4π Hình 1.1-Sóng hài và các thành phần của sóng hài Bảng 1.1-Tần số sóng điều hoà Bậc 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 … 49 Tần số Hz 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 … 2450 … Tần số 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 … 2940 … Hz Phân tích Fourier một sóng hài f(t) tần số cơ bản f (Hz), tần số góc cơ bản ω=2πf (rad/s):có thể biểu diễn một sóng hài f(t) với biểu thức sau : ∞ C0 + ∑ Cn cos(nωt + θ n ) f (t ) = (1.1) n =1 Trong đó C 0 là giá trị DC của sóng hài. Cn là giá trị đỉnh của thành phần dao động bậc n có tần số góc nω, θ n là góc pha.
Phổ của sóng hài được thể hiện theo hình 1. Nguyễn Văn Nhờ HV: Lương Công Trình-12180124 5 1 1 0.02 0 5 10 Ti ( ) Harmonic order Hình 1.2-Phổ sóng hài Mức độ méo dạng của sóng hài có thể biểu diễn bằng phổ các biên độ và góc pha của của các thành phần sóng hài. Hệ số méo dạng THD đánh giá mức độ méo dạng của dạng sóng. THD có thể được tính theo công thức sau: ∞ ∑C 2 n THD = 2 (1.2) C1 Trong đó: C 1 = trị hiệu dụng thành phần cơ bản.
Cn = trị hiệu dụng thành phần hài bậc n. THD = 0 nếu tín hiệu thuần sin (dòng hoặc áp). Tiêu chuẩn sóng hài qui định ở IEEE STD 519-1992 bảng 1.2- Giới hạn méo dạng điện áp Điện áp tại PCC Méo dạng điện áp riêng Tổng méo dạng điện biệt (%) áp THD (%) Từ 69 kV trở xuống 3.001 kV đến 161 kV 1.001 kV trở lên 1. Nguyễn Văn Nhờ HV: Lương Công Trình-12180124 6 Bảng 1.3 Giới hạn méo dạng dòng điện cho hệ thống phân phối 120V đến 69KV Phần trăm giới hạn méo dạng dòng điện so với I L Méo dạng riêng lẻ các hài bậc lẻ I SC /I L <11 11≤h<17 17≤h<23 23≤h<35 35≤h TDD <20 4.0 Các hài bậc chẵn có giới hạn bằng 25% các giá trị trên I SC = dòng ngắn mạch 3 pha tại PCC I L = dòng tải yêu cầu lớn nhất tại PCC TDD = Tổng méo dạng yêu cầu (Total Demand Distortion), phần trăm méo dạng hài dòng điện đối với dòng tải yêu cầu lớn nhất.
PCC = Điểm kết nối chung (Point of common coupling.) Theo đó, ở mức điện áp dưới 69kV, THD điện áp cho phép là nhỏ hơn 5%. Các thành phần hài điện áp riêng lẻ nhỏ hơn 3%. Đối với méo dạng dòng đi ện, qui định theo tỉ lệ dòng ngắn mạch/dòng tải I SC /I L. Tiêu chuẩn không đánh giá dựa vào THD (méo dạng so với dòng cơ bản) mà dựa vào TDD, khi đó đánh giá méo dạng so với I L , I L là trị hiệu dụng lớn nhất của tải.
TDD được định nghĩa theo công thức (1.3) IL Trong đó I n = trị hiệu dụng hài dòng điện bậc n. Khi THD nhỏ (nhỏ hơn 10%) thì TDD và THD là tương đương nhau (sai l ệch nhỏ hơn 0.2 Ảnh hưởng của sóng hài: Ảnh hưởng quan trọng nhất của sóng hài 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 : GVHD: PGS. Nguyễn Văn Nhờ HV: Lương Công Trình-12180124 7 1 𝑇𝑇 𝑈𝑈𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅 = � ∫0 𝑢𝑢(𝑡𝑡)2 𝑑𝑑𝑑𝑑 = 𝑈𝑈(1) �1 + 𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑈𝑈2 ( 1.5) 𝑇𝑇 Khi giá trị hiệu dụng và giá trị biên độ của tín hiệu điện áp hay dòng đi ện tăng do sóng hài sẽ kéo theo một loạt những nguy hại xảy ra với toàn bộ hệ thống lưới điện như làm tăng phát nóng của dây dẫn điện, thiết bị điện sinh ra nhiệt cao gây hư hỏng thiết bị, hỏa hoạn và nguy cơ cháy nổ; làm cho tụ điện bị quá nhiệt và trong nhiều trường hợp có thể dẫn tới phá hủy chất điện môi. Các sóng điều hòa bậc cao còn có thể làm momen tác động của rơle biến dạng gây ra hiện tượng nhảy rơle dẫn đến thời điểm tác động của rơle sai lệch, gây cảnh báo nhầm của các UPS.
Đồng thời gây ra tổn thất đồng, tổn thất từ thông tản và tổn thất sắt làm tăng nhiệt độ máy biến áp dẫn đến làm tăng tổn thất điện năng. Ngoài ra, sóng hài còn làm tổn hao trên cuộn dây và lõi thép động cơ tăng, làm méo dạng momen, giảm hiệu suất máy, gây tiếng ồn; ảnh hưởng đến sai số của các thiết bị đo, làm cho kết quả đo bị sai lệch. Nguy hại hơn, các sóng điều hòa bậc cao còn có thể sinh ra momen xoắn trục động cơ hoặc gây ra dao động cộng hưởng cơ khí làm hỏng các bộ phận cơ khí trong động cơ; làm các thiết bị sử dụng điện và đèn chiếu sáng bị chập chờn ảnh hưởng đến con người đồng thời gây sóng điện từ lan truyền trong không gian làm ảnh hưởng đến thiết bị thu phát sóng.3 Nguồn tạo sóng hài Sóng hài có thể được sinh ra từ nhiều nguồn khác nhau như sau: • Bộ biến đổi nguồn 3 pha: Đây là loại nguồn dòng điển hình của việc điều chỉnh tốc độ truyền động (ASD), của truyền động động cơ DC , nguồn điện áp nghịch lưu điều khiển bằng theo phương pháp điều chế độ rộng xung PWM… - Lò hồ quang : Trong ngành công nghiệp luyện kim có hai loại lò hồ quang AC và DC gây ra sóng hài đáng kể .Lò hồ quang AC có hồ quang phi tuyến không GVHD: PGS. Nguyễn Văn Nhờ HV: Lương Công Trình-12180124 8 đối xứng và không ổn định , gây nên sóng hài bậc chẵn , lẻ và liên tục là nguồn gây nhiễu tại mọi tần số .Lò hồ quang DC có nguồn hồ quan g được cung cấp qua bộ chỉnh lưu nên ổn định hơn so với nguồn hồ quang DC.
Sóng hài giống như gây ra bởi bộ chỉnh lưu. Sóng hài liên tục thấp hơn so với nguồn hồ quang AC • Các thiết bị bão hoà: Các thiết bị bão hoà có thể kể đến như máy biến áp; thiết bị điện từ có lõi thép, động cơ. Sóng hài được tạo ra do đặc tuyến từ hoá không tuyến tính của thép. Tổng trở của cuộn kháng thay đổi tuỳ theo dòng điện chạy qua chúng , gây nên sự méo dạng dòng điện.
• Các nguồn cung cấp điện một pha: Tiêu biểu như các bộ chỉnh lưu ho ặc nghịch lưu; các bộ nạp điện ; ballast điện tử; các bộ nguồn công suất lớn dùng linh kiện điện tử • Các đèn huỳnh quang: Được sử dụng rộng rãi nhờ vào nhiều ưu điểm nổi bậc như tiết kiệm được chi phí; độ sáng được duy trì trong thời gian dài ; tuổi thọ cao. Tuy nhiên sóng điều hoà bậc cao sinh ra bởi đèn hình quang cũng rất lớn.2 Tổng quan về bù công suất phản kháng: Đánh giá vấn đề sử dụng điện có hợp lý và tiết kiệm hay không người ta đánh giá thông qua hệ số công suất PF. Nâng cao hệ số công suất là một trong những biện pháp quan trọng để tiết kiệm điện năng Biểu thức tính toán hệ số công suất: PF=P/S (1.6) Phần lớn các thiết bị dùng điện điều tiêu thụ công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q. Công suất tác dụng P là công suất được biến thành cơ năng hay nhiệt năng trong các máy dùng điện.
Nguyễn Văn Nhờ HV: Lương Công Trình-12180124 9 Công suất phản kháng Q không sinh ra công hay còn gọi là công suất vô công nhưng bắt buộc phải có thì một số thiết bị mới hoạt động được , chẳng hạn nó là công suất để từ hoá lõi thép máy biến áp, động cơ… Do đó trong vận hành người ta mong muốn công suất phản kháng của lưới điện càng ít càng tốt miễn sao thiết bị vẫn hoạt động bình thường. Một vấn đề khác là trong quá trình truyề n tải điện năng từ nơi sản xuất điện (các nhà máy thuỷ điện , nhiệt điện…) thì tổn hao trên đường dây truyền tải làm điện áp tại các điểm cách xa nguồn bị suy giảm do đó để đảm bảo cho điện áp không bị suy giảm lớn thì cần bù công suất phản kháng. Công suất phản kháng cung cấp cho tải tiêu thụ không nhất thiết phải lấy từ nguồn vì vậy để tránh truyền tải một lượng công suất phảng kháng lớn người ta đặt gần các tải tiêu thụ các thiết bị sinh công suất phản kháng để cung cấp trực tiếp cho tải, việc thực hiện như vậy gọi là bù công suất phảng kháng.1 Hiệu quả của việc bù công suất phản kháng Hầu hết các thiết bị sử dụng điện điều tiêu thụ công suất tác dụng và công suất phản kháng. Sự tiêu thụ công suất phản kháng này sẽ được truyền tải trên lưới điện về phía nguồn cấp công suất phản kháng.
Sự truyền tải này sẽ làm tổn hao một lượng công suất và làm cho hao tổn điện áp tăng lê. Đồng thời cũng làm cho lượng công suất biểu kiến tăng, dẫn đến chi phí để xây dựng đường dây tăng lên. Vì v ậy việc bù công suất phản kháng cho lưới điện sẽ có những tích cực sau: - Giảm được tổn thất công suất trên mạng điện do giảm được công suất phản kháng truyền tải trên đường dây. - Giải được tổn hao điện áp trong mạng điện do giảm được thành phần tổn thất điện áp do công suất phản kháng gây ra.
- Tăng khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp 1.2 Các tiêu chí bù công suất phản kháng trên lưới: GVHD: PGS. Nguyễn Văn Nhờ HV: Lương Công Trình-12180124 10 Có hai tiêu chí được đề cập về bù công suất phản kháng là tiêu chí kỹ thuật và tiêu chí kinh tế Tiêu chí kỹ thuật: • Yêu cầu về hệ số công suất: Phụ tải các hộ gia đình thư ờng có công suất cao, thường là gần bằng 1, do đó mức tiêu thụ công suất phản kháng rất ít, không phải là vấn đề lớn cần quan tâm. Ngược lại, các xí nghiệp, nhà máy, phân xưởng…đại bộ phận dung động cơ không đồng bộ là nơi tiêu thụ chủ yếu công suất phản kháng.
