Tổng quan nghiên cứu

Trong các cơ sở sản xuất công nghiệp hiện nay, việc sử dụng nhiều phụ tải phi tuyến như lò hồ quang, máy hàn hồ quang, lò cảm ứng trung tần, đèn huỳnh quang, bộ biến đổi điện áp xoay chiều, bộ chỉnh lưu và thiết bị điện tử công suất là phổ biến. Những thiết bị này là nguồn phát sinh sóng hài bậc cao trong hệ thống điện, gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng như phát nóng quá mức, rung động thiết bị quay, quá tải dây trung tính, nhiễu tín hiệu và sai lệch thiết bị bảo vệ. Theo báo cáo của ngành, tỷ lệ méo dạng tổng (THD) của dòng điện đầu vào bộ chỉnh lưu cầu ba pha có thể lên tới 28,52%, với các sóng hài bậc 5, 7, 11 chiếm ưu thế. Việc kiểm soát và loại bỏ sóng hài là cần thiết để nâng cao chất lượng điện năng, giảm tổn thất và kéo dài tuổi thọ thiết bị.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là ứng dụng bộ lọc sóng hài kiểu lai ghép để bù công suất phản kháng và lọc sóng hài cho lò nấu thép cảm ứng trung tần tại một nhà máy luyện thép. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào thiết kế, tính toán thông số và mô phỏng hiệu quả bộ lọc lai ghép trong khoảng thời gian nghiên cứu năm 2018 tại Việt Nam. Nghiên cứu nhằm giảm thiểu méo dạng sóng, tiết kiệm điện năng và nâng cao chất lượng điện năng cho hệ thống điện công nghiệp. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn, góp phần cải thiện hiệu suất vận hành và giảm chi phí bảo dưỡng thiết bị điện trong các nhà máy sử dụng tải phi tuyến lớn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Phân tích sóng hài và méo dạng sóng: Sử dụng phân tích Fourier để biểu diễn sóng điện áp và dòng điện méo dạng thành chuỗi sóng hài bậc cao. Hệ số méo dạng tổng (THD) được áp dụng để đánh giá mức độ méo dạng theo tiêu chuẩn IEEE 519 và IEC 1000-3-4.

  • Lý thuyết bộ lọc sóng hài: Bao gồm bộ lọc thụ động (passive filters), bộ lọc tích cực (active filters) và bộ lọc lai ghép (hybrid filters). Bộ lọc thụ động sử dụng các phần tử R, L, C để tạo cộng hưởng tại tần số sóng hài cần loại bỏ. Bộ lọc tích cực sử dụng nghịch lưu công suất điều khiển để phát ra dòng bù ngược pha với sóng hài. Bộ lọc lai ghép kết hợp ưu điểm của hai loại trên nhằm tối ưu hiệu quả lọc và bù công suất phản kháng.

  • Thuyết công suất tức thời p-q của Akagi: Phương pháp điều khiển bộ lọc tích cực dựa trên phân tích công suất tức thời trong hệ tọa độ αβ, giúp xác định dòng bù cần thiết để loại bỏ sóng hài và bù công suất phản kháng.

Các khái niệm chính bao gồm: sóng hài bậc cao, méo dạng tổng THD, bộ lọc thụ động cộng hưởng đơn, bộ lọc tích cực dạng song song và nối tiếp, hệ số chất lượng Q của bộ lọc, tần số cộng hưởng song song, và thuật toán điều khiển dòng bù.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các phép đo sóng hài thực tế tại nhà máy luyện thép sử dụng lò nấu thép cảm ứng trung tần, kết hợp với số liệu tham khảo từ tiêu chuẩn quốc tế và các nghiên cứu trước đó. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

  • Phân tích lý thuyết về nguồn phát sinh sóng hài, ảnh hưởng và các loại bộ lọc sóng hài.

  • Thiết kế bộ lọc thụ động cộng hưởng đơn dựa trên tính toán công suất phản kháng cần bù, tần số cộng hưởng và hệ số chất lượng Q trong khoảng 50-100.

  • Thiết kế bộ lọc tích cực sử dụng mạch chỉnh lưu PWM 3 pha với thuật toán điều khiển dựa trên thuyết công suất tức thời p-q.

  • Thiết kế bộ lọc lai ghép kết hợp bộ lọc thụ động và tích cực để tối ưu hiệu quả lọc sóng hài và bù công suất phản kháng.

  • Mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink để kiểm chứng hiệu quả lọc sóng hài và bù công suất phản kháng của các bộ lọc trong hệ thống lò nấu thép cảm ứng trung tần.

Cỡ mẫu mô phỏng bao gồm các trường hợp tải phi tuyến với sóng hài bậc 5, 7, 11 và các góc điều khiển chỉnh lưu khác nhau (α=30°, 50°, 70°, 90°). Phương pháp chọn mẫu là mô phỏng chi tiết từng cấu hình bộ lọc và so sánh kết quả méo dạng sóng và công suất phản kháng trước và sau khi lắp bộ lọc.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2018, bao gồm giai đoạn thu thập số liệu, thiết kế, mô phỏng và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả lọc sóng hài của bộ lọc thụ động: Khi lắp bộ lọc thụ động cộng hưởng đơn tại tần số sóng hài bậc 5, méo dạng tổng THD của dòng điện giảm từ 28,52% xuống còn khoảng 15%, giảm gần 47%. Tuy nhiên, bộ lọc thụ động chỉ hiệu quả với sóng hài có tần số cố định và có thể gây ra hiện tượng cộng hưởng song song nếu không chọn tần số cộng hưởng phù hợp.

  2. Hiệu quả lọc sóng hài của bộ lọc tích cực: Bộ lọc tích cực có khả năng loại bỏ đồng thời nhiều sóng hài bậc cao không cố định, giảm THD xuống dưới 5%, cải thiện đáng kể chất lượng điện năng. Bộ lọc tích cực cũng bù công suất phản kháng hiệu quả, nâng cao hệ số công suất lên gần 0,98.

  3. Hiệu quả bộ lọc lai ghép: Kết hợp bộ lọc thụ động và tích cực tạo ra giải pháp tối ưu, vừa giảm THD xuống dưới 3%, vừa bù công suất phản kháng hiệu quả, tiết kiệm điện năng và giảm tổn thất. So với bộ lọc thụ động đơn lẻ, bộ lọc lai ghép giảm THD thêm khoảng 40% và cải thiện hệ số công suất thêm 0,05.

  4. Ảnh hưởng của góc điều khiển chỉnh lưu: Khi góc điều khiển α tăng từ 30° đến 90°, sóng hài bậc cao sinh ra càng lớn, làm tăng THD dòng điện từ khoảng 20% lên tới trên 35%. Việc sử dụng bộ lọc lai ghép giúp ổn định THD ở mức thấp bất kể góc điều khiển thay đổi.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sóng hài bậc cao là do tính phi tuyến của các thiết bị điện tử công suất như bộ chỉnh lưu cầu ba pha và các tải phi tuyến khác. Bộ lọc thụ động có ưu điểm chi phí thấp và dễ bảo dưỡng nhưng hạn chế về khả năng lọc sóng hài đa tần số và dễ gây cộng hưởng. Bộ lọc tích cực khắc phục được nhược điểm này nhờ khả năng điều khiển linh hoạt, nhưng chi phí đầu tư và bảo dưỡng cao hơn.

Bộ lọc lai ghép tận dụng ưu điểm của cả hai loại, vừa giảm thiểu sóng hài hiệu quả, vừa bù công suất phản kháng, phù hợp với các hệ thống công nghiệp có tải phi tuyến lớn như lò nấu thép cảm ứng trung tần. Kết quả mô phỏng có thể được trình bày qua biểu đồ THD trước và sau khi lắp bộ lọc, bảng so sánh hệ số công suất và công suất phản kháng bù được.

So sánh với các nghiên cứu gần đây cho thấy kết quả phù hợp với xu hướng ứng dụng bộ lọc lai ghép trong công nghiệp nhằm nâng cao chất lượng điện năng và tiết kiệm năng lượng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai lắp đặt bộ lọc lai ghép cho các tải phi tuyến lớn: Đặc biệt tại các nhà máy luyện thép sử dụng lò cảm ứng trung tần, nhằm giảm THD dòng điện xuống dưới 3% và nâng cao hệ số công suất lên gần 1. Thời gian thực hiện trong vòng 12 tháng, do phòng kỹ thuật điện phối hợp với nhà cung cấp thiết bị thực hiện.

  2. Tối ưu hóa thiết kế bộ lọc thụ động với hệ số chất lượng Q trong khoảng 50-100: Để đảm bảo hiệu quả lọc sóng hài và tránh hiện tượng cộng hưởng song song, cần lựa chọn tần số cộng hưởng thấp hơn tần số sóng hài từ 3% đến 15%. Chủ thể thực hiện là nhóm kỹ sư thiết kế hệ thống điện.

  3. Áp dụng thuật toán điều khiển dựa trên thuyết công suất tức thời p-q: Giúp bộ lọc tích cực xác định chính xác dòng bù cần thiết, nâng cao hiệu quả lọc và bù công suất phản kháng. Thời gian nghiên cứu và triển khai trong 6 tháng, do nhóm nghiên cứu và phát triển phần mềm điều khiển đảm nhiệm.

  4. Đào tạo và nâng cao nhận thức cho nhân viên vận hành: Về tác hại của sóng hài và cách vận hành, bảo dưỡng bộ lọc lai ghép để duy trì hiệu quả lâu dài. Chủ thể là phòng nhân sự và đào tạo kỹ thuật.

  5. Theo dõi và đánh giá định kỳ chất lượng điện năng: Sử dụng các thiết bị đo sóng hài và phân tích THD để điều chỉnh và bảo trì bộ lọc kịp thời. Thời gian đánh giá mỗi 6 tháng, do phòng kỹ thuật điện thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và chuyên gia hệ thống điện công nghiệp: Nghiên cứu và áp dụng các giải pháp lọc sóng hài và bù công suất phản kháng nhằm nâng cao chất lượng điện năng và hiệu suất thiết bị.

  2. Nhà quản lý và vận hành nhà máy luyện thép, sản xuất công nghiệp: Hiểu rõ tác động của sóng hài và các giải pháp kỹ thuật để giảm tổn thất, tăng tuổi thọ thiết bị và tiết kiệm chi phí vận hành.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật điện – hệ thống điện: Là tài liệu tham khảo chuyên sâu về lý thuyết sóng hài, thiết kế bộ lọc thụ động, tích cực và lai ghép, cũng như ứng dụng thực tế trong công nghiệp.

  4. Nhà cung cấp thiết bị điện và giải pháp năng lượng: Tham khảo để phát triển sản phẩm bộ lọc sóng hài phù hợp với nhu cầu thực tế của khách hàng công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Sóng hài là gì và tại sao cần lọc?
    Sóng hài là các thành phần tần số bội số của tần số cơ bản (50 Hz) gây méo dạng sóng điện áp và dòng điện. Chúng làm tăng tổn thất, giảm tuổi thọ thiết bị và gây nhiễu trong hệ thống điện. Ví dụ, THD dòng điện có thể lên tới 28,52% trong các hệ thống có tải phi tuyến.

  2. Bộ lọc thụ động và tích cực khác nhau như thế nào?
    Bộ lọc thụ động sử dụng các phần tử R, L, C để tạo cộng hưởng tại tần số sóng hài cố định, chi phí thấp nhưng hiệu quả hạn chế. Bộ lọc tích cực dùng nghịch lưu công suất điều khiển để phát dòng bù đa tần số, hiệu quả cao nhưng chi phí và bảo dưỡng lớn hơn.

  3. Bộ lọc lai ghép có ưu điểm gì?
    Kết hợp ưu điểm của bộ lọc thụ động và tích cực, bộ lọc lai ghép vừa giảm sóng hài đa tần số hiệu quả, vừa bù công suất phản kháng, tiết kiệm điện năng và giảm chi phí bảo dưỡng so với bộ lọc tích cực đơn lẻ.

  4. Làm thế nào để chọn tần số cộng hưởng cho bộ lọc thụ động?
    Tần số cộng hưởng thường được chọn thấp hơn tần số sóng hài cần lọc từ 3% đến 15% để tránh hiện tượng cộng hưởng song song gây tăng méo dạng và quá điện áp.

  5. Phương pháp điều khiển bộ lọc tích cực dựa trên thuyết công suất tức thời p-q là gì?
    Đây là phương pháp xác định dòng bù cần thiết trong miền thời gian dựa trên phân tích công suất tức thời trong hệ tọa độ αβ, giúp bộ lọc tích cực loại bỏ sóng hài và bù công suất phản kháng hiệu quả, được ứng dụng rộng rãi trong các bộ lọc hiện đại.

Kết luận

  • Đề tài đã nghiên cứu và ứng dụng thành công bộ lọc sóng hài kiểu lai ghép để bù công suất phản kháng và lọc sóng hài cho lò nấu thép cảm ứng trung tần, giảm THD dòng điện từ 28,52% xuống dưới 3%.
  • Bộ lọc lai ghép kết hợp ưu điểm của bộ lọc thụ động và tích cực, tối ưu hiệu quả lọc sóng hài và tiết kiệm điện năng.
  • Phương pháp điều khiển dựa trên thuyết công suất tức thời p-q giúp xác định dòng bù chính xác, nâng cao chất lượng điện năng.
  • Kết quả mô phỏng trên Matlab/Simulink chứng minh tính khả thi và hiệu quả của giải pháp trong thực tế công nghiệp.
  • Đề xuất triển khai ứng dụng bộ lọc lai ghép tại các nhà máy sử dụng tải phi tuyến lớn, đồng thời tiếp tục nghiên cứu cải tiến thuật toán điều khiển và thiết kế bộ lọc phù hợp với các hệ thống điện phức tạp hơn.

Quý độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng và phát triển thêm các giải pháp lọc sóng hài tiên tiến nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng và chất lượng điện năng trong công nghiệp.