Tất tần tật về sóng hài phân loại, tác hại và cách khắc phục

Thông tin về sự ra đời của tải điện tử phi tuyến và tạo ra sóng hài, cùng với việc phân loại các loại sóng hài, đã được mô tả rất rõ ràng. Đây là một số điểm quan trọng để làm rõ:

I. Sự Ra Đời Của Tải Điện Tử Phi Tuyến và Sóng Hài:

Tải điện tử phi tuyến thường sử dụng các bộ băm xung để chuyển đổi điện áp xoay chiều (AC) thành điện áp một chiều (DC). Trong quá trình này, các thiết bị điện tử công suất được bật trong một phần của mỗi nửa chu kỳ của sóng hình sin AC để tạo ra đầu ra DC.
Quá trình chuyển đổi này tạo ra độ lệch trong điện áp và dòng điện so với sóng hình sin thông thường, dẫn đến việc tạo ra sóng hài.

1. Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Mức Độ Biến Dạng Điện Áp:

Mức độ biến dạng điện áp phụ thuộc vào trở kháng của hệ thống và lượng dòng điện bị biến dạng. Hệ thống có trở kháng thấp và lượng dòng lớn sẽ tạo ra nhiều sóng hài hơn.

2. Các Thiết Bị Tạo Sóng Hài:

Các thiết bị tạo sóng hài bao gồm bộ chỉnh lưu, bộ băm xung và nguồn điện chuyển mạch, đều là phi tuyến.
Các tải điện tử như máy tính, hệ thống UPS, biến tần, PLC và các thiết bị tương tự cũng tạo ra sóng hài.

II.  Loại Sóng Hài

Sóng hài thường được phân loại dựa trên bậc sóng hài, và mức độ ảnh hưởng của chúng đối với hệ thống điện. Sóng hài bậc 1, 3, 5, 7, 9, 11, ... được thường được gặp.
Có hai loại chính của sóng hài bậc lẻ: sóng hài bậc ba và bội số bậc 3 (sóng hài bậc 3, 9, 15,...) và sóng hài lẻ không phải bội số ba (bậc 1, 5, 7, 11, 13, ...).
Các sóng hài có thể gây ra nhiễu và tác động tiêu cực lên hệ thống điện, và việc hiểu rõ chúng là quan trọng để áp dụng biện pháp phù hợp để giảm thiểu tác động của sóng hài đối với các thiết bị và hệ thống điện.

III. Tác hại

Sóng hài có thể gây ra một loạt vấn đề và tác động tiêu cực đối với hệ thống điện. Dưới đây là một tổng hợp về các vấn đề và tác động của sóng hài trên hệ thống điện:

1. Quá Nhiệt và Hỏng Thiết Bị Điện

Sóng hài có thể tạo ra hiện tượng quá nhiệt trong máy biến áp, máy phát điện và các bộ nguồn cấp điện liên tục (UPS). Điều này xảy ra do dòng điện hài gây phát nhiệt lớn hơn so với tần số AC tiêu chuẩn. Kết quả là, các tải hoạt động dưới mức công suất định mức có thể bị hỏng hóc.

2. Tăng Tổn Thất từ ​​Trễ

Sóng hài có thể làm tăng tổn thất từ trễ trong hệ thống, làm mất đi năng lượng và làm giảm hiệu suất tổng thể.

3. Giảm Công Suất kVA

Sóng hài có thể làm giảm công suất kVA sử dụng trong hệ thống, điều này có thể dẫn đến hiệu suất không hiệu quả của hệ thống điện.

4. Quá Tải Trung Tính:

Dòng điện hài có thể làm quá tải dây trung tính, gây ra vấn đề cho hệ thống điện.

5. Điện Áp Trung Tính Với đất cao

Sóng hài có thể làm tăng điện áp trung tính với đất, điều này có thể gây ra vấn đề an toàn và làm ảnh hưởng đến các thiết bị kết nối đất.

6. Dạng Sóng Điện Áp và Dòng Điện Bị Biến Dạng

Sóng hài có thể làm biến dạng dạng sóng của điện áp và dòng điện, dẫn đến tác động tiêu cực lên thiết bị kết nối.

7. Hỏng Tụ Bù

Sóng hài có thể gây ra hỏng tụ bù, ảnh hưởng đến khả năng điều chỉnh hệ số công suất của hệ thống.

8. Cầu Đao và Cầu Chì Bị Ngắt

Sóng hài có thể gây ra việc ngắt cầu đao và cầu chì, gây gián đoạn trong cung cấp điện.

9. Dòng Trung Tính Tăng Gấp Ba

Các sóng hài bậc 3 và bội số của 3 có thể làm tăng gấp ba dòng trung tính, gây ra vấn đề cho hệ thống điện.

Sóng hài có thể gây ra nhiều tác động không mong muốn và vấn đề cho hệ thống điện, đặc biệt là trong các môi trường chứa nhiều tải điện tử phi tuyến. Để giảm thiểu tác động của sóng hài, cần áp dụng các biện pháp như sử dụng bộ lọc sóng hài, giảm tải quá mức và đảm bảo rằng hệ thống được thiết kế để chịu đựng sóng hài một cách an toàn.

Trong các máy biến áp, máy phát điện và bộ nguồn cấp điện liên tục (UPS), sóng hài gây ra hiện tượng quá nhiệt và hỏng hóc ở tải dưới định mức của chúng vì dòng điện hài gây ra phát nhiệt lớn hơn so với 50 Hz tiêu chuẩn. Điều này là kết quả của việc tăng tổn thất dòng điện xoáy, tổn thất trễ trong lõi sắt và hiệu ứng vỏ dây dẫn của cuộn dây.

Ngoài ra, dòng điện hài tác động lên trở kháng của nguồn gây ra sóng hài điện áp nguồn, dẫn tới quá nhiệt các tải khác như động cơ.

Sóng hàicũng làm ảnh hưởng đến tụ điện để hiệu chỉnh hệ số công suất. Nếu, tại một tần số sóng hài nhất định, dung kháng bằng cảm kháng của hệ thống, thì điện áp và dòng điện hài có thể đạt đến mức nguy hiểm và gây ra phá hủy tụ điện

Đồng thời, các sóng hài tạo ra các vấn đề với các tụ điện khi bù hệ số công suất, chúng hạ thấp hệ số công suất thực tế.

Đối với các nguồn điện một pha cho chấn lưu máy tính và thiết bị cố định rất giàu sóng hài bậc ba và bội số lẻ của chúng. Ngay cả khi dòng điện pha cân bằng hoàn hảo, dòng điện hài ở dây trung tính có thể chiếm tổng cộng 173% dòng điện pha, điều này làm quá tải dây trung tính.

Hội đồng Công nghiệp Công nghệ Thông tin (ITIC) khuyến nghị rằng các dây trung tính trong nguồn cung cấp cho thiết bị điện tử phải lớn hơn ít nhất 173% độ khuếch đại của dây dẫn pha để ngăn ngừa sự cố. ITIC cũng khuyến nghị giảm tải tiêu thụ trên máy biến áp, tải không quá 50% đến 70% công suất danh định.

Bảng 1 – Nguồn gây ra sóng hài và các loại bậc hài phổ biến

IV. Méo hài toàn phần

Tiêu chuẩn IEEE 519 chỉ ra các giới hạn của sóng hài dòng điện cho phép tại điểm PCC (Điểm nối chung) trên hệ thống nơi tính toán sóng hài dòng điện. 

Tiêu chuẩn này cũng áp dụng với sóng hài điện áp nhưng chủ yếu giải quyết các giới hạn sóng hài điện áp cung cấp từ lưới hoặc máy phát điện.

Bảng 2 – Bảng quy định mức sóng hài đối với nguồn cấp hoặc máy phát điện

Bảng 3 – Giới hạn sóng hài hiện tại cho các hệ thống phân phối chung (120–69.000 V)

 Tất cả các thiết bị phát điện đều bị giới hạn ở các giá trị biến dạng dòng điện này, bất kể ISC/IL thực tế:

• ISC = Dòng ngắn mạch cực đại tại PCC.

• IL = Dòng tải yêu cầu lớn nhất (thành phần tần số cơ bản) tại PCC.

• TDD = Tổng cầu biến dạng.

Sóng hài chẵn được giới hạn ở 25% giới hạn sóng hài lẻ ở trên. Không cho phép biến dạng dòng điện dẫn đến độ lệch một chiều DC, ví dụ: bộ chuyển đổi nửa chu kỳ.

Khi đánh giá sóng hài hiện tại, điều quan trọng là phải hiểu sự khác biệt giữa THD (Sóng hài tổng) và TDD (sóng hài tổng theo tải).

THD là tổng độ biến dạng đo được trên cường độ thực tế của dòng điện chạy qua tại một thời điểm nhất định và có thể được đo bằng một thiết bị đo dòng điện hài đơn giản.

V. Giải pháp loại bỏ sóng hài/lọc sóng hài

Bất chấp tất cả những vấn đề do tải phi tuyến gây ra, những tải này sẽ tiếp tục tăng. Do đó, việc áp dụng các tải phi tuyến như biến tần (VFD) và các nhà sản xuất  biến tần cần thiết kế xem xét kỹ lưỡng hơn. Việc sử dụng VFD đa xung “Năng lượng sạch” đã trở thành một cách tiếp cận phổ biến dẫn đến sóng hài bất lợi được giảm đáng kể.

Các bảng dưới đây mô tả nhiều giải pháp bộ lọc sóng hài cùng với những ưu điểm và nhược điểm của chúng.

Bộ truyền động và bộ chỉnh lưu (bao gồm tải UPS ba pha)

Bảng 4 – Giải pháp điều hòa cho bộ truyền động và bộ chỉnh lưu (bao gồm tải UPS 3 pha)

Bảng 5 – Giải pháp điều hòa cho máy tính/bộ nguồn kiểu chuyển mạch

Bảng 6 – Giải pháp sóng hài cho đèn huỳnh quang

Bảng 7 – Giải pháp điều hòa cho tải hàn/hồ quang

Bảng 8 – Giải pháp lọc sóng hài cho cả hệ thống

VI. Kết luận

Sóng hài có thể gây ra nhiều tác động không mong muốn và vấn đề cho hệ thống điện, đặc biệt là trong các môi trường chứa nhiều tải điện tử phi tuyến. Để giảm thiểu tác động của sóng hài, cần áp dụng các biện pháp như sử dụng bộ lọc sóng hài, giảm tải quá mức và đảm bảo rằng hệ thống được thiết kế để chịu đựng sóng hài một cách an toàn.

Công ty tư vấn giám sát Phạm Gia là một đơn vị chuyên nghiệp và uy tín trong lĩnh vực cung cấp dịch vụ giám sát xây dựng và kiểm định chất lượng công trình. Với đội ngũ kỹ sư và chuyên viên giàu kinh nghiệm, chúng tôi cam kết mang đến sự đảm bảo và an tâm cho mỗi dự án của khách hàng