Sóng hài là gì – Nguyên nhân gây ra sóng hài – Hệ thống lọc sóng hài

Định nghĩa sóng hài:

Sóng hài là một dạng nhiễu, được đặc trưng của dao động hoàn toàn trên phổ tần số công nghiệp cơ bản. Thành phần sóng hài trong nguồn AC được định nghĩa là thành phần sin của một chu kỳ sóng có tần số bằng số nguyên lần tần số cơ bản của hệ thống.

fh = h.fb; h = (n*p) ± 1; h là bậc hài, n là số nguyên dương, p là số xung (2, 6, 12, 18, …)

Một dạng sóng bất kỳ là tổng của các dạng sóng hình sin. Khi đồng nhất từ chu kỳ này sang chu kỳ khác nó có thể được miêu tả như những sóng sin cơ bản và bội số của tần số cơ bản, có nghĩa là bao gồm sóng sin cơ bản và chuỗi của các dạng sóng sin hài bậc cao, gọi là chuỗi Fourier.

f(t) = ∑An*sin(n*pi*t/T) ; n là số bậc hài, An là biên độ bậc hài, T là chu kỳ

Khi cả nửa chu kỳ âm, dương của một dạng sóng có dạng đồng nhất, chuỗi Fourier chỉ chứa hài bậc lẻ. Vì hầu hết các thiết bị sinh ra sóng hài thông thường có dạng sóng đồng nhất nên trong thực tế ta chỉ cần quan tâm đến sóng hài bậc lẻ h = 3, 5, 7, …, 21, …, 49, …

Nguyên nhân gây ra sóng hài:

Do các phụ tải dạng phi tuyến trong hệ thống điện. Điện áp đầu vào của tải phi tuyến là dạng hình sin nhưng nó bị méo dạng và có dạng không còn sin nữa.

Hệ các thiết bị điện tử có các mạch chuyển đổi PWM, các mạch chỉnh lưu, nghịch lưu như các mạch DC – DC, AC – DC, DC – AC, Inverter, DC Drive,… Trong đó có các linh kiện chính gây ra là Diode, Transistor,  SCR, IGBT, …Đặc biệt là các mạch chuyển đổi chuyên dụng cho hệ thống Ắc qui.

Hệ các thiết bị có nguồn cung cấp luôn thay đổi như máy hàn, máy biến áp, motor máy nghiền, các máy cán thép, các máy cán tole, các thiết bị có nguồn switching như máy tính , bộ nguồn DC,…

Cộng hưởng sóng hài:

Cộng hưởng trong hệ thống điện là cộng hưởng của mạch LC, được phân thành cộng hưởng song song và cộng hưởng nối tiếp, cả hai loại cộng hưởng này đều xuất hiện khi có sóng hài bậc cao. Cộng hưởng song song làm quá dòng và cộng hưởng nối tiếp gây ra quá áp. Nếu biên độ cộng hưởng áp và dòng đủ lớn thì tụ bù và các thiết bị điện khác sẽ phải chịu tổn hại nghiêm trọng.

Tiêu chuẩn qui định về sóng hài:

Theo tiêu chuẩn IEEE & IEC là I_THD =  12%(max) (Ratio = Isc/ I_load deman = 50 ÷ 100), V_THD =  5 %(max) (<6kV). Có một số qui định riêng về tiêu chuẩn này cho những ngành khác nhau như trong quân đội, hệ thống thông tin, bệnh viện,…sẽ có qui định cụ thể khác nhau.

Phân tích tính toán khi có sóng hài:

Công suất biểu kiến: S = UI, kVA; Công suất tác dụng: P = UICosθ, kW; Công suất phản kháng: Q = UISinθ, kVAr

S² = P² + Q², pf = P/ S, tagθ = Q/ P

S² = P1² + Q1² + D², D² = S² – (P1² + Q1²); D : Distortion Power

Vrms  = V1*Sqrt(V1² + V1² + …+ Vn²) 

Irms  = I1*Sqrt(I1² + I1² + …+ In²) 

THD-V = Vthd% = (Vh/ V1) *100%

THD-I = Ithd% = (Ih/ I1) *100%  = TDD; Total demand distortion

Tác hại của sóng hài:

Thiệt hại về mặt kinh tế: Tổn thất điện năng, hư hại các thiết bị điện tử, các thiết bị đóng cắt và điều khiển điện; Tăng dòng điện và kích cỡ dây dẫn, …

Hư hỏng thiết bị đóng cắt và tụ bù: Trip CB (ACB, MCCB, MCB, …), phù tụ, nổ tụ, gây tiếng kêu cho tụ, phá hủy chất điện môi trong tụ, phát nhiệt cho các bảng cực CB – Busbar, Busway, …

Mất ổn định cho hệ thống điện: Mất ổn định cho Relay điện tử, phát nhiệt dây dẫn, tổn thất từ thông và méo dạng Momen trong Máy Biến Áp, Motor, …

Ảnh hưởng đến các quá trình khởi động động cơ: Sóng hài gây ra sai lệch các hàm tính toán, dẫn đến sai số góc kích, các vector momen, vector từ thông trong quá trình điều khiển bên trong Soft star, Inverter,…điều này dẫn đến sai số về mặc điều khiển hoặc mất điều khiển hoàn toàn dẫn đến khởi động không đúng theo các quá trình tính toán hoặc không khởi động được.

Sai lệch thiết bị đo đếm: Sai lệch các thiết bị đo đếm cho mạng đện như V, A, Hz, Pf, kW, kVA, kVAr, kWh, kVArh, KVAh, ∑ KVAh, ∑ kVArh, …

Mất ổn định cho hệ vô tuyến: Mất ổn định và sai lệch tần số cho hệ thống thông tin như truyền hình, phát thanh, mất ổn định cho khả năng thu phát sóng các thiết bị điện tử, …

Giải pháp:

Tiến hành khảo sát, đo đạc phân tích, thiết kế hệ thống bằng các thiết bị phân tích chất lượng điện năng chuyên dụng:

Các phương pháp lọc:

• Lọc hài cho thiết bị
• Lọc hài tích cực
• Lọc hài thụ động
• Lọc ghép tổng hợp

Trên đây là bài viết do Hữu Vinh nghiên cứu thiết kế, soạn thảo từ kiến thức tích lũy của mình, tổng hợp từ rất nhiều nguồn tài liệu khác nhau. Mong tất cả bạn đọc cố gắng nghiên cứu và tôn trọng tác giả. Trong quá trình soạn thảo sẽ có những sai sót nếu có, mong bạn đọc thông cảm!

Để tìm hiểu cách thiết kế, lắp đặt chuyên sâu hơn, các bạn có thể liên hệ Mr Vinh – 0908 488 633/ 0969 553 557,