Tìm hiểu về các biện pháp lọc sóng hài hiệu quả hiện nay

I. Sóng Hài và Sự Phát Sinh

Sóng hài xuất hiện trong hệ thống điện do sự tồn tại của các tải phi tuyến (thường là các thiết bị điện tử) trên lưới điện. Các tải này không hoạt động tuyến tính, nghĩa là dòng điện không tỷ lệ thuận với điện áp. Thay vào đó, dòng điện thường không còn là sóng hình sin truyền thống mà bị biến dạng, gây ra sự xuất hiện của các thành phần tần số cao (sóng hài) trong tín hiệu điện.

1. Phân Tích Sóng Hài bằng Chuỗi Fourier

Phân tích sóng hài thường được thực hiện bằng cách sử dụng chuỗi Fourier, như bạn đã mô tả. Chuỗi Fourier cho phép phân tích một tín hiệu phức tạp thành một loạt các thành phần cơ bản, mỗi thành phần có một tần số và biên độ riêng biệt. Khi áp dụng phương pháp này cho sóng hài, bạn có thể biểu diễn nó như một tổng của các thành phần sine với tần số là các bội số của tần số cơ bản (50Hz hoặc 60Hz tùy theo hệ thống điện).

2. Tác Động của Sóng Hài

Sóng hài có thể gây ra nhiều tác động tiêu cực trên hệ thống điện, như đã thảo luận trước đó. Nó có thể làm quá tải máy biến áp, tăng tổn thất từ trễ, giảm công suất kVA, và gây ra nhiều vấn đề khác. Việc hiểu rõ sóng hài và sử dụng bộ lọc sóng hài có thể giúp giảm thiểu tác động này và cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống điện.

3. Tiêu Chuẩn Và Ứng Dụng Của Bộ Lọc Sóng Hài Tích Cực:

Bộ lọc sóng hài tích cực là một công cụ quan trọng để xử lý sóng hài. Nó được sử dụng rộng rãi ở các quốc gia tiên tiến để đảm bảo rằng hệ thống điện hoạt động đúng cách và tuân thủ các tiêu chuẩn ngày càng cao trong ngành điện. Ở Việt Nam, việc đưa bộ lọc sóng hài vào sử dụng là một bước quan trọng để đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao trong quản lý và bảo vệ hệ thống điện.

II. Các nguồn gây ra sóng hài

Các nguồn gây ra sóng hài trong hệ thống điện có thể đến từ nhiều nguồn khác nhau, và tất cả đều liên quan đến quá trình hoạt động phi tuyến, trong đó dòng điện không tương ứng với điện áp. Dưới đây là một số nguồn phổ biến gây ra sóng hài trong hệ thống điện:

1. Thiết Bị Điện Tử Công Suất

Các thiết bị điện tử công suất như máy tính, máy in, điều hòa không khí, và các thiết bị điện tử khác thường tạo ra sóng hài do sự phi tuyến trong hoạt động của chúng.

2. Thiết Bị Chỉnh Lưu Đơn Giản (Diode)

Các thiết bị chỉnh lưu sử dụng diode để chuyển đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều cũng có khả năng tạo ra sóng hài.

3. SCR (Silicon-Controlled Rectifier) và Thyristor

SCR và thyristor thường được sử dụng trong các ứng dụng điều khiển và điều tiết. Chúng cũng có khả năng tạo ra sóng hài.

4. Bộ Điều Tiết Điện Áp và Bộ Lưu Điện (UPS)

Bộ điều tiết đầu ra điện áp và các bộ lưu điện (UPS) có thể tạo ra sóng hài trong quá trình chuyển đổi điện áp.

5. Biến Tần Tần Số (Inverter)

Các bộ biến tần tần số, sử dụng để chuyển đổi điện áp điện năng, cũng có khả năng tạo ra sóng hài.

5. Lò Luyện Hồ Quang và Máy Hàn Hồ Quang

Các thiết bị công nghiệp như lò luyện hồ quang và máy hàn hồ quang thường tạo ra sóng hài do tính phi tuyến trong hoạt động của chúng.

6. Điện Áp Trên Lưới Điện Truyền Tải

Các nguồn sóng hài có thể xuất hiện từ các điểm đóng cắt thiết bị tự cảm, máy biến áp, biến dòng và máy phát điện trên lưới điện truyền tải. Thậm chí, hệ thống lưới điện chính có thể tạo ra sóng hài khi được cung cấp cho động cơ xoay chiều.

III. Tác Động Của Sóng Hài

Sóng hài, đặc biệt là sóng hài bậc lẻ như bậc 3, 5, 7, có thể gây ra nhiều tác động không mong muốn trong hệ thống điện. Các tác động tiêu cực bao gồm:

Nhiễu Trong Hệ Thống Viễn Thông: Sóng hài có thể gây ra nhiễu trong thông tin liên lạc trong hệ thống viễn thông do bức xạ điện từ.

Làm Cho Thiết Bị Đo Không Hoạt Động Chính Xác: Sóng hài có thể làm cho các thiết bị đo hoạt động không chính xác, dẫn đến đo đếm sai lượng điện năng tiêu thụ (kWh).

Tổn Hại Đến Thiết Bị Điện: Sóng hài có thể làm quá nhiệt và làm hỏng các thiết bị như máy biến áp hoặc máy phát điện.

Gây Quá Nhiệt Và Tiếng Ồn: Sóng hài có thể gây quá nhiệt, làm cho thiết bị phát ra tiếng ồn và có thể làm mất ổn định các momen xoắn trên rotor của động cơ điện.

Tác Động Đến Máy Phát Điện: Sóng hài có thể gây ra các vấn đề với máy phát điện, từ tạo ra sóng dòng thứ tự không lớn đến làm cho việc vận hành thiếu ổn định.

Tác Động Đến Các Thiết Bị Cắt, Áp Tô Mát, Khởi Động: Sóng hài có thể tác động đến các thiết bị như máy cắt, áp tô mát, và thiết bị khởi động từ mà không rõ nguyên nhân.

Gây Nổ Cầu Chì Và Tụ Điện: Sóng hài có thể gây ra sự cộng hưởng mạch LC ở một số bậc hài, gây quá dòng trên cầu chì dẫn đến chảy và quá áp trên tụ điện, gây hỏng điện môi.

Gây Quá Dòng Trên Dây Trung Tính: Sóng hài có thể gây quá dòng điện trên dây trung tính, tạo ra sự tăng cao của dòng thứ tự không, phát nóng, và gây hỏng cách điện, dẫn đến nguy cơ cháy nổ.

IV. Vai trò của bộ lọc sóng hài tích cực

Bộ lọc sóng hài tích cực được thiết kế để loại bỏ hoặc giảm sóng hài trong hệ thống điện. Chúng đóng vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu các tác động tiêu cực của sóng hài bằng cách loại bỏ các thành phần sóng hài không mong muốn, đặc biệt là sóng hài bậc lẻ như bậc 3, 5, 7. Điều này giúp cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống điện và bảo vệ các thiết bị trước tác động của sóng hài.

V. Tiêu chuẩn về sóng hài

Tiêu chuẩn Quốc tế về sóng hài: tiêu huẩn IEEE 519: THDi thấp hơn 5%, THDu thấp hơn 5%, giá trị TDDi phụ thuộc vào hệ số dòng sự cố và dòng tải mà có giá trị phù hợp nhưng luôn nhỏ hơn 20%.

Tiêu chuẩn Việt Nam THDi<12%, THDu< 5% theo thông tư 39/2015/TT-BCT và 30/2019/TT-BCT.

VI. Biện pháp lọc sóng hài

Biện pháp hạn chế sóng hài được thực hiện dựa trên 2 nguyên tắc:

    - Hạn chế sóng hài từ nguồn sinh ra nó, ví dụ tại máy biến áp, sử dụng cuộn dây thứ cấp nối tam giác, sử dụng cầu chỉnh lưu 12 xung để triệt tiêu.

    - Hạn chế sóng hài bằng cách sử dụng các thiết bị lọc sóng hài, gồm thiết bị lọc sóng hài thụ động (passive harmonic filter) và thiết bị lọc sóng hài chủ động (active harmonic filter).

Thay thế các thiết bị hư hỏng mà nguyên nhân gây ra bởi sóng hài là giải pháp tốn kém, làm tăng kinh phí đầu tư đến 15% và kinh phí vận hành đến 10%. Vì thế, cần lựa chọn những giải pháp ít tốn kém lại mang hiệu quả cao trong việc kiểm soát sóng hài. Một số giải pháp về thiết bị như sau:
   + Dùng cuộn kháng AC (line choke) hay cuộn kháng DC (DC choke) cho biến tần;

   + Sử dụng loại biến tần có sóng hài thấp (low harmonice drive).

   + Giải pháp chỉnh lưu 12 xung (pulse);

   + Bộ lọc sóng hài thụ động (passive harmonic filter);

   + Bộ lọc sóng hài tích cực (active harmonic filter);

Ưu và khuyết điểm

    - Dùng cuộn kháng là giải pháp tốt nhất đối với các ứng dụng cần lọc cho nguồn lưới bị nhiễu nặng và yêu cầu giảm sóng hài không phải là ưu tiên hàng đầu.

    - Giải pháp nghịch lưu  6, 12, 24 xung cho hiệu suất cao nhất trong việc làm giảm sóng hài nhưng quy trình lại phức tạp nhất. Với nguồn hài 6-xung, bộ lọc tiêu biểu sẽ bao gồm cuộn kháng mắc nối tiếp với tụ đã được cân chỉnh tại tần số hài nhất định ( bậc 3.8th, 4.2nd , 4.7th, ...) mục đích làm tiêu tán năng lượng tại các tần số hài.

    - Bộ lọc sóng hài thụ động (Passive harmonic filter) bao gồm nhiều cuộn kháng và tụ điện được lắp đặt thành mạch cộng hưởng để loại bỏ tần số của bậc hài bằng cách làm lệch tần số cộng hưởng mạch LC. Hệ thống gồm nhiều bộ lọc thụ động có thể loại bỏ một vài bậc hài.  Yêu cầu hệ thống cung cấp một đường shunt trở kháng thấp gần đặc tuyến hài để có thể tiêu tán năng lượng dòng hài. Tần số cộng hưởng song song được dời tới dưới hài bậc 4.7th  hoặc tới điểm lệch cộng hưởng hài nào đó và ra xa khỏi tần số hài gây hại bậc 5. Với các sóng hài bậc cao nguy hại khác thì sử dụng nhiều bộ lọc nữa để lọc.

    - Giải pháp dùng bộ lọc tích cực (Active harmonic filter) được áp dụng cho các phụ tải phi tuyến có tính xác lập, với nhiệm vụ chính là lọc triệt để sóng hài, bù công suất, bù sóng hài điện áp và bù sóng hài dòng điện, giảm nhấp ngáy điện áp, tăng hệ số công suất PF.

    - Trong ứng dụng đòi hỏi cao về giảm sóng hài, sử dụng biến tần có sóng hài thấp là giải pháp tối ưu. Những biến tần ấy sử dụng công nghệ giảm sóng hài mà không cần dùng tới bộ lọc ngoài hay biến áp đa xung với tổng độ méo dạng hài dòng điện (THDi) thấp hơn 5%.

VII. Kết luận

Việc lọc sóng hài là một phần quan trọng trong quản lý hệ thống điện, đặc biệt trong môi trường công nghiệp và các ứng dụng đòi hỏi hiệu suất và độ tin cậy cao. Sự phát triển liên tục của công nghệ lọc sóng hài và sử dụng các biện pháp hiện đại giúp giảm tác động của sóng hài và bảo vệ hệ thống điện khỏi những vấn đề tiêu cực.

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