Sóng hài là dòng điện không mong muốn làm quá tải đường dây và biến áp, làm tăng nhiệt độ hệ thống và gây nhiễu lên lưới điện. Trong trường hợp chạy nhiều động cơ sử dụng biến tần cùng lúc, nếu không có biện pháp kiểm soát sóng hài có thể làm quá tải hệ thống điện, tăng công suất nhu cầu (power demand) và làm máy ngừng chạy (do nguồn bị quá tải).
Trong các hệ thống điện 3 pha, dòng điện cấp cho biến tần có dạng 2 xung liên tiếp cách nhau 3.3 mili giây. Dạng dòng điện kiểu xung biên độ cao như vậy có thể gây ra nhiều vấn đề cho các thiết bị khác trong hệ thống.
Dòng sóng hài qua biến tần
Một trong các thiết bị chịu ảnh hưởng nhiều bởi sóng hài là máy biến áp nguồn. Các máy biến áp được thiết kế để hoạt động với dòng điện hình sin chuẩn và thường không được chuẩn bị để đối phó với sóng hài. Dòng điện dạng xung như trong hình trên có thể gây quá nhiệt và làm hư hại hoàn toàn máy biến áp.
Sóng hài cũng gây nhiễu các thiết bị khác. Cường độ sóng điện từ quanh dây dẫn tỉ lệ thuận với mật độ xung dòng trong dây. Do đặc tính đặc biệt của mình, sóng hài gây ra nhiễu điện từ mạnh hơn sóng sin thông thường. Nhiễu do sóng hài đôi lúc tạo ra âm thanh nghe thấy được trong các thiết bị, làm màn hình chập chờn, nhiễu truyền thông,….
Các xung sóng hài có thể lan rộng sang các hệ thống khác một cách gián tiếp qua điện áp thanh cái. Điện áp bằng tích của dòng điện và trở kháng hệ thống, trong khi dòng điện biến dạng thành dạng xung, do đó điện áp cũng không còn giữ được dạng sóng chuẩn. Dạng điện áp sau khi bị sóng hài ảnh hưởng sẽ tương tự như hình dưới.
Biến dạng điện áp
Hệ thống điện chiếu sáng, các hệ thống điều khiển và các hệ thống nhạy cảm khác có thể bị lỗi do biến dạng điện áp. Vì biến dạng điện áp có vùng ảnh hưởng rộng, cho nên nó là một trong những vấn đề cấp thiết cần được giải quyết trong phân phối điện năng.
Chình vì những ảnh hưởng trên nên chúng ta cần phải có các phương pháp để lọc sóng hài.
Khi giá trị hiệu dụng và giá trị biên độ của tín hiệu điện áp hay dòng điện 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 MBA 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.
5 phương pháp làm giảm sóng hài
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 phương pháp giảm nhiễu sóng hài được dùng để làm giảm sóng hài:
+ Dùng cuộn kháng AC (line choke) hay cuộn kháng DC (DC choke) cho biến tần;
+ Giải pháp chỉnh lưu 12 xung (12 pulse);
+ Bộ lọc thụ động (passive filter);
+ Bộ lọc tích cực (active filter);
+ Sử dụng loại biến tần có sóng hài thấp (low harmonice drive).
Ưu và khuyết điểm các phương pháp giảm nhiễu sóng hài:
– 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 12 xung cho hiệu suất cao nhất trong việc làm giảm sóng hài nhưng quy trình lại phức tạp nhất.
– Bộ lọc thu động bao gồm nhiều cuộn kháng và tụ điện được lắp đặt thành mạch cộng hưởng để loại bỏ tần số của bậc hài. Một hệ thống gồm nhiều bộ lọc thụ động có thể loại bỏ một vài bậc hài.
– Giải pháp dùng bộ lọc tích cực được áp dụng cho nhiều biến tần gắn song song với nhau trên cùng một đường dây phân phối (chung điểm PCC – point of common coupling) với nhiệm vụ chính là bù công suất, bù sóng hài điện áp và bù sóng hài dòng điện.
– 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%.
Ngoài ra, việc lựa chọn phương pháp giảm nhiễu sóng hài nào cho hệ thống điện tùy thuộc vào đặc điểm của tải và công suất nhu cầu (power demand) của các thiết bị kết nối, với hướng dẫn này sẽ giúp bạn lựa chọn được phương pháp tốt nhất.
Bảng phân tích giảm nhiễu sóng hài của chuyên gia
Các tiêu chí so sánh phương pháp giảm nhiễu sóng hài bao gồm độ nhỏ gọn hay không gian cần thiết để lắp đặt, độ đơn giản trong vận hành, hiệu quả giảm sóng hài, hiệu quả năng lượng, và hiệu quả đầu tư – giá trị, kết quả đạt được so với chi phí bỏ ra.
Ghi chú:
So sánh các phương pháp giảm sóng hài dựa theo điểm: 1 = kém nhất, 5 = tốt nhất
* Nhìn từ phía mạng trung thế
** Độ giảm sóng hài tùy theo cài đặt và công suất
*** Hiệu quả tùy theo mức giảm sóng hài
Trong trường hợp chạy nhiều động cơ có sử dụng biến tần cùng lúc, không kiểm soát sóng hài có thể làm quá tải hệ thống điện, tăng công suất nhu cầu (power demand) và làm máy ngừng chạy (do nguồn bị quá tải), gây hư hao thiết bị hoặc làm ngưng cả hệ thống. Chính vì thế, giảm thiểu sóng hài là nhân tố quan trọng giúp duy trì tuổi thọ của các thiết bị vận hành.
