Nghiên cứu ảnh hưởng của sóng hài trong lưới phân phối điện và các giải pháp khắc phục

Bất kỳ một sai lệch nào so với biên độ, tần số của dạng sóng điện áp hình sin lý tưởng đều xem như là các vấn đề chất lượng điện năng [3].. Còn Kabelo Klifford Modipance cho rằng: Chất l

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

Nguyễn Minh Thư

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG HÀI TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu của riêng cá nhân tôi, được tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu, số liệu khác nhau có nguồn gốc rõ ràng Từ đó vận dụng những kiến thức đã được học và tiếp thu từ thực tế để hoàn thành công trình này, không sao chép của bất kz luận văn nào trước đó

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung của luận văn này

Hà Nội, ngày 15 tháng 9 năm 2014

NGUYỄN MINH THƯ

Khóa: CH 2012 - 2014

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành chương trình cao học và thực hiện luận văn tốt nghiệp này, tác giả đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ và góp ý nhiệt tình của các quý thầy cô Viện sau đại học, Viện Điện - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Trước hết, tác giả xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến GS.TSKH.Trần Đình Long đã dành rất nhiều thời gian, tâm huyết và sự hướng dẫn tận tình trong suốt thời gian học tập và viết luận văn tốt nghiệp

Tác giả xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong Bộ môn Hệ thống điện và Viện sau đại học

- Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Tác giả cũng xin được gửi lời cảm ơn đến các đồng nghiệp, tập thể giảng viên khoa Điện - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vinh đã tạo mọi điều kiện thuận lợi trong quá trình học tập và nghiên cứu

Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, bạn bè vì những lời khuyên, vì sự quan tâm, động viên và giúp đỡ trong quá trình thực hiện luận văn

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 2

LỜI CẢM ƠN 3

MỤC LỤC 4

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 6

DANH MỤC BẢNG BIỂU 8

MỞ ĐẦU 9

Chương 1: VẤN ĐỀ SÓNG HÀI TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 11

1.1 Định nghĩa sóng hài và phân tích sóng hài 11

1.2 Phân loại sóng hài 16

1.3 Các đại lượng trong chế độ không sin 17

1.4 Các chỉ tiêu đánh giá sóng hài 18

1.4.1 Độ méo điều hòa tổng THD (Total Harmonic Distortion) 19

1.4.2 Độ méo yêu cầu tổng TDD (Total Demand Distortion) 20

1.4.3 Hệ số ảnh hưởng viễn thông 21

1.4.4 Chỉ số V.T và I.T 22

1.5 Nhận xét 22

Chương 2: NGUYÊN NHÂN GÂY SÓNG HÀI TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 23

2.1 Các nguồn phát sóng hài trong tải thương mại (Commercial loads) 24

2.1.1 Các loại đèn phóng điện 24

2.1.2 Hệ chỉnh lưu một pha 25

2.1.3 Méo dạng sóng trên đầu ra một chiều của bộ chỉnh lưu 28

2.2 Các nguồn phát sóng hài trong tải công nghiệp (Industrial loads) 28

2.2.1 Dòng từ hóa của máy biến áp 28

2.2.2 Máy biến áp bị quá kích thích 30

2.2.3 Đóng xung máy biến áp không tải 31

2.2.4 Máy điện quay 32

2.2.5 Thiết bị hồ quang 33

2.2.6 Hệ chỉnh lưu ba pha 35

2.2.7 Kháng điện điều khiển bằng tiristor (TCR) 36

2.2.8 Các hệ điều áp xoay chiều 39

2.3 Nhận xét 40

Chương 3: ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG HÀI VÀ THỰC TRẠNG SÓNG HÀI TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM 42

3.1 Ảnh hưởng của sóng hài 42

3.1.1 Gây cộng hưởng 42

3.1.2 Tăng tổn thất trên động cơ 44

3.1.3 Tăng mômen bậc cao gây rung trên máy điện quay 44

3.1.4 Tăng tổn thất và giảm tuổi thọ máy biến áp 45

3.1.5 Tăng tổn thất trên tụ bù 45

3.1.6 Sóng hài gây suy giảm hệ số công suất 45

3.1.7 Sóng hài gây sai lệch hệ thống đo đếm điện năng 46

3.1.8 Sóng hài gây nhiễu hệ thống bảo vệ, truyền tin và truyền thông 46

3.1.9 Tăng tổn thất trên đường dây truyền tải điện 46

3.2 Thực trạng sóng hài trong hệ thống điện Việt Nam 47

3.2.1 Phân nhóm phụ tải theo mức ô nhiễm sóng hài 47

3.2.2 Kết quả khi đo sóng hài ở miền Bắc, miền Trung và miền Nam 48

3.2.3 Đánh giá kết quả 52

3.3 Nhận xét 53

Chương 4: GIẢI PHÁP KHẮC PHỤC ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG HÀI VÀ VÍ DỤ ÁP DỤNG 54

4.1 Giải pháp khắc phục ảnh hưởng của sóng hài 54

4.1.1 Cuộn cảm nối tiếp 54

4.1.2 Máy biến áp Zigzag 54

4.1.3 Lọc thụ động sóng hài 55

4.1.4 Lọc tích cực sóng hài 57

4.1.5 Lọc tích cực lai 61

4.2 Ví dụ áp dụng 63

4.2.1 Giới thiệu đặc điểm phụ tải của nhà máy Xi măng Vicem Hoàng Mai 64

4.2.2 Khảo sát, đo tỷ lệ sóng hài các bậc, dòng tải và dạng sóng dòng điện của một xuất tuyến 70

4.2.3 Đánh giá kết quả đo được và lựa chọn giải pháp khắc phục 74

4.2.4 Thiết kế bộ lọc thụ động mắc song song 74

4.2.5 Mô phỏng kết quả chứng minh lợi ích do bộ lọc mang lại 84

4.2.6 Đánh giá kết quả 86

4.3 Nhận xét 86

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO 89

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Dạng sóng với thành phần cơ bản và hài bậc 3 11

Hình 1.2 a Dạng sóng với hài bậc lẻ 12

b Dạng sóng với hài bậc chẵn 12

Hình 2.1 Dạng sóng dòng điện của đèn huỳnh quang 24

Hình 2.2 Phân tích phổ của sóng hài trong đèn huỳnh quang 25

Hình 2.3 Tải chỉnh lưu một pha và dạng sóng dòng điện chỉnh lưu 26

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý của bộ nguồn chuyển mạch SMPS 27

Hình 2.5 Dạng sóng dòng điện và phân tích phổ tần của bộ nguồn chuyển mạch SMPS 27

Hình 2.6 Quan hệ từ thông và dòng từ hóa trong lõi thép 29

Hình 2.7 Quan hệ từ thông và dòng từ hóa khi có kể đến từ trễ 29

Hình 2.8 Dòng từ hóa và các thành phần hài bậc cao theo điện áp 31

Hình 2.9 Mật độ từ cảm trong lõi thép khi có và không có từ dư Br 31

Hình 2.10 Sóng hài gây ra bởi rãnh dây quấn 32

Hình 2.11 Đặc tính V-A của lò hồ quang 33

Hình 2.12 Thành phần sóng hài trong dòng điện hồ quang 34

Hình 2.13 Phân tích phổ của sóng hài trong lò hồ quang trong chế độ nấu chảy 34

Hình 2.14 Phân tích phổ của sóng hài trong lò hồ quang trong chế độ tinh luyện 34

Hình 2.15 Cấu trúc điển hình của SVC 36

Hình 2.16 Cấu trúc điển hình của một TCSC 38

Hình 2.17 Dạng sóng điện áp và dòng điện trên các phần tử của TCSC trong chế độ khuếch đại điện dung 38

Hình 2.18 Cấu trúc điều áp xoay chiều và dạng sóng điện áp pha trên tải với những góc mở khác nhau 40

Hình 4.1 Bộ lọc thụ động nối tiếp 55

Hình 4.2 Bộ lọc thụ động song song 56

Hình 4.3 Sơ đồ nguyên lý của bộ lọc tích cực 57

Hình 4.4 Bộ lọc tích cực song song 59

Hình 4.5 Dạng sóng dòng điện của bộ lọc tích cực song song 59

Hình 4.6 Bộ lọc tích cực nối tiếp 60

Hình 4.7 Bộ lọc lai sử dụng bộ lọc tích cực song song và lọc thụ động song song 62

Hình 4.8 Bộ lọc lai sử dụng bộ lọc tích cực nối tiếp và lọc thụ động song song 63

Hình 4.9 Sơ đồ vị trí địa lí và hiện trạng lưới điện cao thế tỉnh Nghệ An 644

Hình 4.10 Sơ đồ hiện trạng lưới điện cao thế 220kV/110kV tỉnh Nghệ An năm 2010 65

Hình 4.11 Sơ đồ hệ truyền động động cơ một chiều truyền động quay lò nung clinke của Nhà máy Xi măng Hoàng Mai 72

Hình 4.12 Mô hình mô phỏng hệ thống điện cấp cho động cơ quay lò nung clinke (Tải phi tuyến) 72

Hình 4.13 Dạng sóng dòng điện và điện áp phía nguồn cấp và phía tải với góc điều khiển bộ biến đổi α=45 0 tại HM_B2 73

Hình 4.14 Phổ tần của sóng dòng điện tại HM_B2 73

Hình 4.15 Mô hình mô phỏng hệ thống điện cấp cho tải phi tuyến khi có các bộ lọc 85

Hình 4.16 Dạng sóng điện áp và dòng điện tại HM_B2 sau khi có các bộ lọc 85

Hình 4.17 Phổ tần của sóng dòng điện tại HM_B2 sau khi có các bộ lọc 86

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Các mức sóng hài cho phép tối đa 16

Bảng 1.2 Giới hạn độ méo sóng hài điện áp 19

Bảng 3.1 Bảng phân nhóm phụ tải 48

Bảng 3.2 Kết quả đo sóng hài tại miền Bắc 48

Bảng 3.3 Kết quả đo sóng hài tại miền Trung 49

Bảng 3.4 Kết quả đo sóng hài tại miền Nam 50

Bảng 4.1 Thống kê các tham số và mức độ vận hành trạm 220kV và 110kV tỉnh Nghệ An và lân cận 67

Bảng 4.2 Thống kê thông số đường dây các tuyến được cấp nguồn từ trạm 220kV Nghi Sơn Thanh Hóa và công suất thực tế tại các tuyến đường dây (5/2009) 68

Bảng 4.3 Thống kê các tham số máy biến áp của trạm Nghi Sơn Thanh Hóa 69

Bảng 4.4 Thống kê các tham số máy biến áp của trạm Hoàng Mai 69

Bảng 4.5 Thống kê các tham số máy biến áp cấp điện cho động cơ quay lò nung clinke71 Bảng 4.6 Thống kê tham số của Động cơ quay lò nung clinke (Tải phi tuyến) 71

Bảng 4.7 Các thông số yêu cầu của bộ lọc sóng hài bậc 11 cho xuất tuyến khảo sát 78

Bảng 4.8 Các thông số yêu cầu của bộ lọc sóng hài bậc 13 cho xuất tuyến khảo sát 80

Bảng 4.9 Các thông số yêu cầu của bộ lọc sóng hài bậc 23 cho xuất tuyến khảo sát 82

Bảng 4.10 Các thông số yêu cầu của bộ lọc sóng hài bậc 25 cho xuất tuyến khảo sát 84

Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Minh Thư

MỞ ĐẦU

Ngay từ những năm đầu của thế kỷ 20, các khái niệm về "chất lượng điện năng" đã được đề cập và tranh luận, nó trở thành một vấn đề với nhiều luận điểm gây tranh cãi, cho đến ngày nay vẫn còn nhiều bất đồng về việc sử dụng khái niệm này, về cách định nghĩa và áp dụng nó

Trong nhiều tài liệu của châu Âu và châu Mỹ, "chất lượng điện năng" được hiểu là chất lượng của sản phẩm điện được nhà cung cấp phân phối cho các hộ sử dụng Còn các nhà chuyên môn thì đưa ra những nhận định của riêng mình

Theo Roger.C.Dugan: Chất lượng điện năng là bất kỳ một vấn đề điện năng nào thể hiện qua sai lệch của điện áp, dòng điện hay tần số dẫn đến các thiết bị của người sử dụng bị hỏng hay hoạt động sai [1]

Với Barry.W.Kennedy, ông đưa ra định nghĩa của Gerry Heydt về chất lượng điện năng “là biện pháp, sự phân tích, cải thiện cho điện áp, thông thường là điện áp trên tải, để duy trì điện áp này ở dạng sin theo điện áp và tần số định mức” [2] Trong một số tài liệu khác, Maura.C.Ryan định nghĩa: Chất lượng điện năng

là mức độ trong đó việc sử dụng và phân phối năng lượng điện đều tác động đến sự hoạt động của thiết bị điện Bất kỳ một sai lệch nào so với biên độ, tần số của dạng sóng điện áp hình sin lý tưởng đều xem như là các vấn đề chất lượng điện năng [3] Còn Kabelo Klifford Modipance cho rằng: Chất lượng điện năng là bất kỳ phản ứng nào không bình thường trên hệ thống điện xảy ra đối với dạng sóng của dòng điện hay/và điện áp, tác động có hại đối với sự hoạt động bình thường của thiết bị điện tử hay thiết bị điện [4]

Các cơ quan tiêu chuẩn hoá quốc tế như IEEE (Institute of Electric and Electronic Engineers) và IEC (International Electrotechnical Commission) cũng đã bắt đầu định nghĩa và phân loại các hiện tượng liên quan đến chất lượng điện năng

Theo IEEE thì: Chất lượng điện năng là một khái niệm của việc nối nguồn và nối đất cho các thiết bị nhạy cảm mà theo cách đó phù hợp cho việc hoạt động của thiết bị

Vào năm 2000, IEC đã đưa ra bản dự thảo và đề nghị định nghĩa về chất lượng điện năng theo cách sau: Chất lượng điện năng là tính chất điện tại một điểm cho trước trên một hệ thống điện được đánh giá so sánh với một bộ các thông số kỹ thuật tham khảo (với một chú ý đi kèm: trong một vài trường hợp các thông số này có liên quan đến độ tương thích giữa năng lượng cung cấp trên mạng và các tải được kết nối với mạng đó)

Hiện nay, sóng hài là một trong các chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng điện năng, nhưng cho đến nay vẫn chưa được quan tâm nhiều ở hệ thống điện nước

ta Phân tích một số khảo sát về sóng hài trong hệ thống điện Việt Nam cho thấy sự xuất hiện sóng hài trong hệ thống đa dạng, không ổn định, ảnh hưởng đáng kể đến chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của hệ thống điện Vấn đề áp dụng các giải pháp giảm sóng hài trong hệ thống là hết sức cần thiết, nhưng cũng là vấn đề rất phức tạp Nội dung của luận văn này đề cập đến các vấn đề về sóng hài, thống kê thực trạng và số liệu khảo sát sóng hài trên lưới điện Việt Nam, giới thiệu các cơ sở lý thuyết về sóng hài Trên cơ sở đó, đề xuất và ứng dụng các biện pháp nhằm giảm thiểu sóng hài nâng cao chất lượng điện năng Những kết quả đạt được thông qua việc khảo sát số liệu thực tế và tính toán áp dụng bộ lọc sóng hài bằng phần mềm

mô phỏng trên lưới điện thực tế tại nhà máy Xi măng Hoàng Mai, Tỉnh Nghệ An Nội dung của luận văn được giới thiệu trong bốn chương sau:

Chương 1: Vấn đề sóng hài trong hệ thống điện

Chương 2: Nguyên nhân gây sóng hài trong hệ thống điện

Chương 3: Ảnh hưởng của sóng hài và thực trạng sóng hài trong hệ thống điện

Việt Nam

Chương 4: Giải pháp khắc phục ảnh hưởng của sóng hài và ví dụ áp dụng

Vấn đề sóng hài trong hệ thống điện Luận văn Thạc sĩ

Chương 1 VẤN ĐỀ SÓNG HÀI TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

1.1 Định nghĩa sóng hài và phân tích sóng hài

Các thiết bị điện nói chung hoạt động ở tần số 50Hz hoặc 60Hz (gọi là tần số

cơ bản) Tuy nhiên có một số loại tải mà khi hoạt động chúng tạo ra dòng điện hoặc điện áp có tần số là bội số của tần số cơ bản gọi là các sóng hài bậc cao Những thành phần sóng hài bậc cao này là một dạng ô nhiễm điện năng, làm méo dạng sóng dòng điện (điện áp)

Công cụ để phân tích mức độ méo của dạng sóng dòng điện có chu kỳ là phân tích Fourier Phương pháp này dựa trên nguyên lý là một dạng sóng méo, có chu kỳ không sin thì tương đương và có thể được thay thế bởi tổng của các dạng sóng điều hòa hình sin, chúng bao gồm:

- Một sóng hình sin với tần số cơ bản

- Một số các sóng hình sin khác với tần số cao hơn, là bội của tần số cơ bản

Dạng sóng méo ở hình 1.1 được phân tích thành một thành phần sóng cơ bản

và một thành phần sóng hài bậc ba Tổng giá trị hiệu dụng của dòng điện méo này được tính bằng căn bậc hai của tổng các bình phương của dòng cơ bản và dòng hài

Hình 1.1 Dạng sóng với thành phần cơ bản và hài bậc 3

Dấu hiệu để xác định một dạng sóng méo có thành phần hài bậc chẵn hay bậc

lẻ như sau:

- Hài bậc lẻ xuất hiện khi nửa chu kỳ âm của dạng sóng méo lặp lại y hệt nửa chu kỳ dương, nhưng với chiều âm Nói cách khác, hài bậc lẻ xuất hiện khi phần tư chu kỳ đầu tiên và phần tư chu kỳ thứ ba là giống nhau, phần tư chu kỳ thứ hai

và phần tư chu kỳ thứ tư là giống nhau Với chỉnh lưu cầu xuất hiện hài bậc lẻ, còn các hài bậc chẵn bị triệt tiêu vì nửa chu kỳ dương và nửa chu kỳ âm là đối xứng nhau

- Hài bậc chẵn xuất hiện khi nửa chu kỳ âm không lặp lại nửa chu kỳ dương Một đặc điểm khác khi có hài bậc chẵn đó là phần tư chu kỳ đầu tiên và phần tư chu kỳ thứ tư là giống nhau, phần tư chu kỳ thứ hai và phần tư chu kỳ thứ ba là giống nhau Thường ít khi thấy hài bậc chẵn trong các hệ thống điện công nghiệp

Trong biểu thức này a0 là giá trị trung bình của hàm số x(t), các hệ số của chuỗi an và bn là các thành phần vuông góc của hài bậc n Vectơ hài bậc n tương ứng là:

Tính từng thành phần trong vế phải của công thức (1.6) như sau:

Một dạng sóng có thể là chẵn hoặc lẻ tùy thuộc vào khoảng thời gian tham chiếu được lựa chọn

Hàm x(t) gọi là đối xứng nửa sóng khi x(t) = -x(t+T/2) Dạng sóng của tín hiệu kiểu này có hình dạng tại thời gian từ (t+T/2) đến (t+T) là dạng âm của dạng sóng từ (t) đến (t+T/2)

Biến đổi tương tự ta có:

Với n lẻ:

T/ 2

n

0 T/ 2

Do đó với dạng sóng đối xứng nửa sóng chỉ chứa các hài bậc lẻ

Các hệ số đặc trưng của sóng hài bao gồm:

- Tỷ số hài bậc n (U,I): n

n 1

U D U



- Hệ số đỉnh (Crest factor): max

rms

U C U

 Như vậy trong mạng lưới phân phối ba pha thường chỉ xuất hiện các sóng hài bậc lẻ Biên độ của sóng hài giảm khi tần số tăng Đối với các sóng hài bậc 50 trở lên được phép bỏ qua, các phép đo không còn ý nghĩa Các phép đo chính xác đầy

đủ đạt được bằng cách chỉ đo các sóng hài có bậc dưới 30 Trên thực tế thường chỉ cần xử lý các sóng hài bậc 3, 5, 7, 11 và 13

Theo tiêu chuẩn EN 50610, tỷ lệ của các thành phần sóng hài bậc cao so với sóng hài bậc cơ bản (tính theo %) được quy định ở bảng 1.1[5]

Bảng 1.1 Các mức sóng hài cho phép tối đa

Các hài bậc lẻ

Các hài bậc chẵn Không chia hết cho 3 Chia hết cho 3

0,1 +25/h

1.2 Phân loại sóng hài

- Sóng hài và liên sóng hài

Sóng hài có tần số bằng một số nguyên lần sóng cơ bản

Liên sóng hài có tần số bằng một số không nguyên lần sóng cơ bản

- Sóng hài đặc trưng và sóng hài không đặc trưng

Sóng hài không đặc trưng được sinh ra bởi converter không liên quan đến số xung điều khiển Ví dụ sóng hài bậc 5 và 7 được sinh ra bởi converter 12 xung Nguyên nhân do không cân bằng giữa 2 cầu chỉnh lưu và quá trình biến đổi pha

- Sóng hài bậc chẵn và sóng hài bậc lẻ

Sóng hài bậc chẵn có tần số bằng một số chẵn nguyên lần sóng cơ bản

Sóng hài bậc lẻ có tần số bằng một số lẻ nguyên lần sóng cơ bản Trong mạng lưới phân phối ba pha thường chỉ xuất hiện các sóng hài bậc lẻ

- Sóng hài dòng điện và sóng hài điện áp

Sóng hài dòng điện thường do tải phi tuyến (Bộ biến đổi) sinh ra

Sóng hài điện áp xuất hiện tại vị trí tải nhạy cảm

1.3 Các đại lượng trong chế độ không sin

- Dòng điện

1.4 Các chỉ tiêu đánh giá sóng hài

Khi phân tích sóng hài thường sử dụng một số chỉ tiêu sau để đánh giá mức độ ảnh hưởng của sóng hài lên hệ thống điện

1.4.1 Độ méo điều hòa tổng THD (Total Harmonic Distortion)

Độ méo điều hòa tổng THD được xác định theo công thức:

max h 2 h

h 2 1

MTHD

M



Trong đó:

Mh: là biên độ của thành phần điều hòa bậc h

M1: là biên độ của thành phần cơ bản

Độ méo điều hòa tổng THD của sóng hài có thể áp dụng cho đồng thời cả dòng điện và điện áp

v

THD đặc trưng cho sự méo dạng điện áp Một số giá trị của THD vvà hiện tượng tương ứng trong mạng điện như sau:

- THDv 5%: mạng điện ở trạng thái bình thường, không có nguy cơ hư hỏng

- 5%  THDv  8%: mạng điện nhiễm hài đáng kể, một số hư hỏng có thể xảy ra

- THDv 8%: mạng điện nhiễm hài cao, hư hỏng rất dễ xảy ra Yêu cầu phải phân tích sâu hơn và lắp đặt mới các thiết bị đã xuống cấp

Theo qui định tại các Thông tư số 12/2010/TT-BCT ban hành ngày 15 tháng 4 năm 2010 và Thông tư số 32/2010/TT-BCT ban hành ngày 30 tháng 7 năm 2010 thì

v

THD tại mọi điểm đấu nối không được vượt quá giới hạn Giới hạn độ méo sóng hài điện áp ứng với mỗi cấp điện áp được quy định như ở bảng 1.2 [6], [7]

Bảng 1.2 Giới hạn độ méo sóng hài điện áp

Cấp điện áp Tổng độ méo sóng hài Độ méo riêng lẻ

THD đặc trưng cho sự méo dạng dòng điện Các thiết bị bị nhiễu được định vị bằng cách đo THDi trên lộ vào và lộ ra cho các mạng khác nhau Từ đó có thể theo dõi được sóng hài trong thiết bị đó Một số giá trị của THDivà hiện tượng tương ứng trong mạng điện như sau:

- THDi  10%: mạng điện ở trạng thái bình thường, không có nguy cơ hư hỏng

- 10%  THDi  50%: mạng điện nhiễm hài đáng kể với nguy cơ gia tăng nhiệt

độ và dẫn đến kết quả cần phải gia tăng kích thước các loại dây cáp và nguồn

- THDi  50%: mạng điện nhiễm hài cao, hư hỏng rất dễ xảy ra Yêu cầu phải phân tích sâu hơn và lắp đặt mới các thiết bị đã xuống cấp

Độ méo điều hòa tổng THD đặc trưng cho tỷ lệ phát nóng phụ (tăng tổn thất) của dây dẫn khi đặt một điện áp không sin lên đường dây

- Trị số hiệu dụng:

max h

1.4.2 Độ méo yêu cầu tổng TDD (Total Demand Distortion)

Chỉ số THD cho biết năng lượng nhiệt tổn hao khi cung cấp điện áp méo cho một tải trở THD hầu hết được sử dụng để mô tả méo điện áp điều hòa Khi sử dụng THD để mô tả méo dòng điện có thể bị sai sót Một dòng điện nhỏ có thể có THD cao khi giá trị của dòng cơ bản thấp, nhưng không là biểu hiện báo trước của hệ thống Ví dụ như khi điều chỉnh tốc độ động cơ, dòng điện sẽ có giá trị THD cao khi làm việc với tải nhẹ Khi này THD của dòng điện không có nhiều ý nghĩa

Để tránh sự sai sót, các nhà phân tích đưa ra chỉ số độ méo yêu cầu tổng TDD, được xác định theo công thức:

max h 2 h

h 2 L

ITDD

I



Trong đó:

Ih: là biên độ dòng điện của thành phần điều hòa bậc h

IL: là giá trị cực đại hoặc đỉnh của dòng tải yêu cầu tại tần số cơ bản Nếu tải

đã có trong hệ thống từ trước thì IL là giá trị trung bình của dòng tải yêu cầu lớn nhất của 12 tháng trước đây Nếu tải mới thì IL được tính bằng cách ước lượng dựa trên dữ liệu của tải

1.4.3 Hệ số ảnh hưởng viễn thông

Hệ số ảnh hưởng viễn thông TIF (Telephone Influence Factor) là một chỉ số được dùng để mô tả những tiếng ồn (nhiễu) có nguồn gốc từ sóng hài điện áp và dòng điện trong hệ thống điện TIF được điều chỉnh dựa trên độ nhạy của hệ thống viễn thông và con người nghe âm thanh ở những tần số khác nhau Hệ số ảnh hưởng viễn thông TIF có thể áp dụng cho đồng thời cả dòng điện và điện áp TIF được xác định theo công thức:

max h

2

h h h=1

v

rms

w VTIF =

2

h h h=1

i

rms

w ITIF =

Vh, Ih: là biên độ điện áp, dòng điện của thành phần điều hòa bậc h

Vrms, Irms: là giá trị hiệu dụng của điện áp, dòng điện

Như vậy TIF là một biến thể của THD

1.4.4 Chỉ số V.T và I.T

Một chỉ số khác đo sóng hài trong mạch âm thanh tương tự hệ số ảnh hưởng viễn thông TIF là V.T và I.T Trong đó V là giá trị hiệu dụng của điện áp, I là giá trị hiệu dụng của dòng điện, T là TIF - hệ số ảnh hưởng viễn thông Trong thực tế, V.T

và I.T được xác định theo công thức:

max h

2

h h h=1

2

h h h=1

I.T =  w I

Trong đó:

wh: là một trọng số tính toán của hiệu ứng âm thanh và cảm ứng ghép đôi tại thành phần điều hòa bậc h

Vh, Ih: là biên độ điện áp, dòng điện của thành phần điều hòa bậc h

Như vậy ta có quan hệ: TIF V v rms = V.T và TIF Ii rms = I.T

Nguyên nhân gây sóng hài trong hệ thống điện Luận văn Thạc sĩ

Chương 2 NGUYÊN NHÂN GÂY SÓNG HÀI TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

Dạng sóng điện áp do nguồn phát sẽ có dạng thuần sin biến thiên tuần hoàn theo thời gian Nhưng khi dạng sóng điện áp thuần sin này được đặt lên một phụ tải không tuyến tính, dòng điện mà phụ tải không tuyến tính này tiêu thụ lại không có dạng thuần sin Trong trường hợp tổng trở nguồn không phải là giá trị vô cùng bé mà đạt một giá trị xác định nào đó, dòng điện không thuần sin sẽ gây một điện áp giáng trên tổng trở nguồn này Điều này sẽ dẫn đến hiện tượng méo dạng sóng tín hiệu điện áp tại cực của phụ tải nói trên Hiện tượng nói trên chính là nguyên nhân phát sinh sóng hài Méo dạng sóng điện áp này nếu được đặt lên các phụ tải tuyến tính khác lại sinh ra méo dòng điện tương ứng trên các phụ tải đó

Các lò điện hồ quang, các thiết bị điện tử bán dẫn, các bộ biến đổi điện tử công suất lớn như hệ thống chỉnh lưu, hệ thống biến tần công suất là nguyên nhân chính gây ra các méo dạng sóng Các hệ thống dân dụng khác có công suất nhỏ hơn như đèn phóng điện cũng là nguyên nhân gây ra các ảnh hưởng méo dạng sóng đến các thiết bị điện truyền thông, động cơ và máy biến áp

Trong thời gian gần đây, sự gia tăng của các ứng dụng điện tử công suất nhằm đạt được các yêu cầu về tính năng của thiết bị điện là lý do chủ yếu để phải quan tâm đến méo dạng sóng Nhìn từ phía nguồn, các hệ thống truyền động dùng biến tần được cung cấp điện từ lưới thông qua bộ chỉnh lưu nên các đóng góp về méo dạng điện áp gây ra bởi các bộ chỉnh lưu sẽ được quan tâm nhiều hơn Các tải phía sau biến tần (động cơ) sẽ nhận được điện áp điều biến độ rộng xung (PWM) Dạng điện

áp này cũng chứa nhiều thành phần sóng hài nên cũng cần xét đến

2.1 Các nguồn phát sóng hài trong tải thương mại (Commercial loads)

Tải thương mại bao gồm: Khu văn phòng, bệnh viện, trung tâm mua sắm, trung tâm internet .v.v Trong tải thương mại thường có nhiều đèn huỳnh quang hiệu suất cao với các chấn lưu điện tử; các động cơ có thể điều chỉnh tốc độ cho thiết bị nhiệt, các thiết bị thông gió, tải điều hòa nhiệt độ, thang máy; các thiết bị điện tử được cung cấp bởi nguồn một pha Các thiết bị này sinh ra sóng hài và được tải phi tuyến kéo lưu chuyển vào mạng lưới phân phối

Khi các tải làm việc sẽ tạo ra các dòng điều hòa nhỏ, các dòng điều hòa này sẽ cộng thêm vào pha hoặc bỏ qua Mức độ méo điện áp phụ thuộc vào trở kháng mạch điện và độ méo dòng điều hòa tổng Mặt khác, trở kháng của mạch điện bị chi phối bởi máy biến áp đầu vào và trở kháng của đường dây Bởi vậy để tính toán độ méo điện áp thường sử dụng phương pháp xếp chồng dòng điện

2.1.1 Các loại đèn phóng điện

Đèn phóng điện được sử dụng rất rộng rãi trong thương mại cũng như trong chiếu sáng công nghiệp Hầu khắp các hệ thống chiếu sáng công cộng sử dụng các

hệ đèn phóng điện công suất lớn như đèn phóng điện hơi thủy ngân, đèn Natri cao

áp, đèn phóng điện Metal Halide, đèn huỳnh quang, đèn huỳnh quang compact Đèn phóng điện là nguồn tạo ra sóng hài Xét dòng hài sinh ra trong đèn huỳnh quang Dạng sóng dòng điện của đèn huỳnh quang như hình 2.1 [14]

Hình 2.1 Dạng sóng dòng điện của đèn huznh quang

Phân tích phổ của sóng hài trong đèn huỳnh quang như hình 2.2 [14]

Hình 2.2 Phân tích phổ của sóng hài trong đèn huznh quang

Từ dạng sóng dòng điện ta thấy nó khác rất nhiều so với dạng thuần sin Điều này đồng nghĩa với việc trong phổ dòng điện chứa đựng rất nhiều thành phần sóng hài cao tần Từ phân tích phổ của sóng hài ta thấy chỉ có hài bậc lẻ, độ méo điều hòa tổng là 53%

Ngày nay đèn huỳnh quang thường sử dụng chấn lưu điện tử được thiết kế đặc biệt để làm giảm đến mức tối thiểu độ méo điều hòa tổng đến khoảng 10% - 32%

So với đèn huỳnh quang sử dụng chấn lưu thông thường thì đèn huỳnh quang sử dụng chấn lưu điện tử có thể làm giảm độ méo điều hòa tổng nhiều hơn

2.1.2 Hệ chỉnh lưu một pha

Có rất nhiều ứng dụng dân dụng và thương mại yêu cầu điện áp một chiều Nguồn chỉnh lưu một pha rất phổ biến trong các hệ thống ứng dụng này vì lý do giá thành thấp và độ tin cậy làm việc cao Có thể liệt kê một loạt các ứng dụng dân dụng và thương mại sử dụng hệ chỉnh lưu một pha như: truyền hình, máy tính cá nhân, máy văn phòng

Mạch chỉnh lưu một pha được thể hiện trên hình 2.3, có thể nhận thấy dạng sóng dòng điện vào nguồn chỉnh lưu hoàn toàn không có dạng thuần sin cơ bản Điều này là vì dòng điện này chỉ khác không khi tụ lọc phía một chiều được nạp lại

Tụ này sẽ chỉ nạp lại khi điện áp trung bình trên tụ giảm thấp hơn so với giá trị tức thời trên lưới (giá trị này gần đạt đỉnh cực đại) Việc nạp tụ xảy ra rất nhanh nên gây

ra một xung dòng điện tức thời rất nhọn

Các hệ thống truyền thống sử dụng máy biến áp lõi sắt từ nhằm hòa hợp mức

điện áp giữa nguồn cấp và điện áp một chiều trên tải Giá trị điện cảm rò của máy biến áp sẽ có vai trò làm giảm mức độ nhọn của dòng điện nạp này Các hệ thống nguồn chỉnh lưu hiện đại sử dụng kỹ thuật điều khiển độ rộng xung tiên tiến nhằm điều chỉnh dạng sóng dòng điện sao cho bám sát với dạng sóng điện áp sin chuẩn Các bộ chỉnh lưu này được biết đến với tên gọi là bộ hiệu chỉnh hệ số công suất (Power Factor Correction-PFC) Tuy nhiên, nếu trong các hệ chỉnh lưu một pha này không có điện cảm lọc phía sơ cấp đầu vào, các thành phần sóng hài cao tần vẫn có thể được phát ngược về phía nguồn và làm cho nguồn bị ô nhiễm sóng hài cao tần

Hình 2.3 Tải chỉnh lưu một pha và dạng sóng dòng điện chỉnh lưu *8+

Ta xét trường hợp của bộ nguồn chuyển mạch - SMPS (Swiching Mode Power

Supply) SMPS là một mạch điện tử có tác dụng chuyển đổi từ một điện áp cấp khác (thường là điện áp của nguồn xoay chiều AC) sang điện áp nguồn điện một chiều (DC) Nó cũng là một dạng của chuyển đổi năng lượng SMPS là bộ phận rất quan trọng trong các thiết bị điện tử cầm tay như điện thoại di động và máy tính xách tay, hoặc những thiết bị được cung cấp nguồn điện chủ yếu từ pin

Sơ đồ nguyên lý của bộ nguồn chuyển mạch SMPS như hình 2.4

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên l{ của bộ nguồn chuyển mạch SMPS

Dạng sóng dòng điện và phân tích phổ của sóng hài của bộ nguồn chuyển mạch SMPS như hình 2.5 [1]

Hình 2.5 Dạng sóng dòng điện và phân tích phổ tần của bộ nguồn chuyển mạch SMPS

Từ phân tích phổ của sóng hài ta thấy chỉ có hài bậc lẻ, trong đó hài bậc 3 rất lớn

2.1.3 Méo dạng sóng trên đầu ra một chiều của bộ chỉnh lưu

Điện áp một chiều cũng là đối tượng của méo dạng sóng điện áp Khi sử dụng các bộ chỉnh lưu xoay chiều/một chiều thì điện áp một chiều ở đầu ra bị méo so với điện áp phẳng lý tưởng Tuy nhiên, méo điện áp này sẽ có thể được lọc phẳng bằng các điện cảm lọc phẳng và tụ điện lọc phẳng đầu ra của các bộ chỉnh lưu

2.2 Các nguồn phát sóng hài trong tải công nghiệp (Industrial loads)

Các thiết bị công nghiệp ngày nay phổ biến là loại tải phi tuyến Các tải này có thể đưa các dòng điều hòa vào hệ thống điện gây ra độ méo điều hòa trong điện áp

2.2.1 Dòng từ hóa của máy biến áp

Ở trạng thái xác lập và không tải, dây quấn sơ cấp của máy biến áp đóng góp không đáng kể vào sự méo dạng sóng Tại bất kỳ thời điểm nào ta cũng có quan hệ sau:

Trong một lõi thép lý tưởng (không có tổn hao từ trễ), từ thông φvà dòng điện

từ hóa có quan hệ với nhau như trong hình 2.6 Từ hình vẽ ta thấy φlà từ thông dạng thuần sin cần thiết để cân bằng với sức điện động sơ cấp, dòng điện từ hóa được vẽ theo từng điểm theo thời gian tương ứng với từng giá trị của φ Có thể nhận thấy dòng điện này không có dạng thuần sin Khi máy biến áp làm việc bình thường (mang tải hoặc tải định mức), dòng điện từ hóa thường chiếm một tỷ lệ nhỏ hơn nhiều lần (khoảng 1% đến 2%) so với dòng điện tải nên hiện tượng trên không làm cho dòng điện bị méo dạng sóng nhiều Mặc dù điều hòa sinh ra bởi máy biến

áp nhỏ hơn các thiết bị điện tử công suất nhưng trong hệ thống điện, nhất là hệ thống điện phân phối có đến hàng trăm máy biến áp cho nên điều hòa gây bởi máy biến áp cũng cần được chú ý

i 0

Φ B(Φ)

Φ i0

Hình 2.6 Quan hệ từ thông và dòng từ hóa trong lõi thép

Khi có hiện tượng từ trễ (hình 2.7), dòng điện từ hóa không còn đối xứng qua giá trị cực đại của nó Điều này làm cho dòng điện từ hóa sẽ méo dạng sóng nhiều hơn đáng kể

i 0 Φ B(Φ)

Φ i 0

Hình 2.7 Quan hệ từ thông và dòng từ hóa khi có kể đến từ trễ

Các quan hệ dòng điện từ hóa và từ thông trên hình 2.6 và hình 2.7 có nguồn gốc chủ yếu từ các dòng điện thứ tự không bội ba và đặc biệt là dòng điện thành phần sóng hài bậc ba Do đó, để đạt được một dạng điện áp gần sin chấp nhận được,

cần phải tạo ra một đường dẫn cho các dòng điện thứ tự không này Điều này được thực hiện bằng cách nối tam giác các cuộn dây của máy biến áp

Đối với các máy biến áp ba pha ba trụ, thành phần sức từ động bội ba trong từng trụ sẽ đồng pha với nhau Do đó, đường dẫn các từ thông bội ba này sẽ khép vòng qua không khí Khi đó, nếu từ trở của đường dẫn này lớn sẽ làm giảm giá trị của thành phần từ thông bội ba này (từ thông bội ba tổng hợp sẽ chỉ đạt khoảng 10% giá trị so với từ thông bội ba thành phần ở máy biến áp một pha) Do vậy, từ thông và sức điện động trên cuộn dây sẽ được giữ ở dạng thuần sin trong mọi điều kiện

Mặc dù vậy, phương pháp nối tam giác các cuộn dây là cách hiệu quả nhất để loại trừ từ thông bội ba khi máy biến áp được cấp nguồn điện áp thuần sin Đồng thời, méo dạng dòng điện từ hóa sẽ tăng cao ở những giờ thấp điểm khi mà hệ thống mang tải nhẹ và điện áp nguồn cấp có giá trị lớn

2.2.2 Máy biến áp bị quá kích thích

Các máy biến áp được thiết kế để tận dụng tối đa công suất của lõi thép Vì vậy trong thực tế, mật độ từ cảm trong lõi thép có thể đạt tới 1,7 Tesla ở chế độ xác lập Nếu máy biến áp này đang vận hành ở đỉnh của mật độ từ cảm bão hòa và điện

áp đặt vào vượt quá 30% giá trị danh định, mật độ từ cảm bão hòa trong lõi thép có thể dâng cao tới 2 Tesla Điều này tương ứng với việc lõi thép của máy biến áp bị bão hòa nặng nề

Trường hợp máy biến áp bị bão hòa do quá kích thích này thường xuất hiện khi máy biến áp cấp điện cho hệ thống chỉnh lưu công suất lớn (máy biến áp chỉnh lưu) và thường xuyên có phụ tải dao động tăng thêm Trong những trường hợp tới hạn, có thể quan sát thấy điện áp phía chỉnh lưu có thể tăng đột ngột lên tới 43% so với giá trị định mức Điều này làm cho lõi thép của máy biến áp bị bão hòa rất sâu Đối với các máy biến áp chỉnh lưu, dòng điện từ hóa trong trường hợp máy biến áp bị bão hòa chứa các thành phần sóng hài bậc lẻ 6k±1

Thành phần các dòng điện sóng hài bậc cao trong dòng điện từ hóa tỷ lệ theo

điện áp kích thích được thể hiện trên hình 2.8 [8]

Hình 2.8 Dòng từ hóa và các thành phần hài bậc cao theo điện áp

2.2.3 Đóng xung máy biến áp không tải

Trước khi máy biến áp được đưa vào lưới hoạt động, trong lõi thép của nó có thể còn tồn tại một thành phần từ dư Br nhất định nào đó Mật độ từ cảm trong lõi thép khi có và không có từ dư Br thể hiện như trên hình 2.9 [8]

Khi đóng xung máy biến áp không tải vào lưới, mật độ từ thông trong lõi có thể đạt tới trị số bằng Br + 2Bmax Tùy thuộc thời điểm đóng máy biến áp vào lưới, giá trị xung của mật độ từ cảm này có thể đạt tức thời đến 4,7 Tesla

Hình 2.9 Mật độ từ cảm trong lõi thép khi có và không có từ dư B r

Khi đó, máy biến áp sẽ được nhận một sức từ động lớn hơn rất nhiều lần so với giá trị thông thường của mật độ từ cảm làm việc Điều này sẽ sinh ra một dòng điện từ hóa lớn gấp 5 đến 10 lần so với dòng từ hóa thông thường (Hình 2.7)

Sự suy giảm của dòng từ hóa xung này phụ thuộc nhiều vào giá trị điện trở của dây quấn sơ cấp Đối với máy biến áp công suất lớn, thời gian tồn tại của dòng xung này có thể kéo dài nhiều chu kỳ vì lý do điện trở dây quấn sơ cấp có giá trị nhỏ

2.2.4 Máy điện quay

Sự phân bố dây quấn rải theo pha và theo cực của stato sẽ làm phát sinh các sóng hài không gian trong sức từ động của dây quấn stato Bên cạnh đó, sự sai khác nhau về bước cực đối với từng dây quấn cũng sẽ sinh ra sóng hài không gian trong sức từ động của dây quấn

Trên một cực từ của máy điện quay có nhiều rãnh chứa dây quấn của các pha

Sự tồn tại của các rãnh dây quấn này cũng làm cho sức từ động tổng hợp không còn

là thuần sin nữa Điều này làm cho dòng từ hóa trong lõi thép của máy điện quay không còn dạng thuần sin và phát sinh ra sóng hài (Hình 2.10 [8])

Hình 2.10 Sóng hài gây ra bởi rãnh dây quấn

Phân bố không gian của từ thông của máy phát điện đồng bộ trong khe hở

không khí cũng là một nguyên nhân gây ra sóng hài điện áp Đối với máy phát điện cực lồi, điều này càng rõ nét hơn vì đặc trưng cấu trúc của cực từ của loại máy phát này Tuy nhiên, sóng hài sinh ra trong máy điện quay nhỏ hơn trong máy biến áp do máy điện quay có khe hở giữa stator và rotor nên lõi thép khó bão hòa hơn

2.2.5 Thiết bị hồ quang

Các thiết bị hồ quang thường gặp là các lò điện hồ quang, các máy hàn hồ quang và các thiết bị chiếu sáng dựa trên nguyên lý hồ quang Các thiết bị hồ quang

là nguồn sinh ra sóng hài điện áp

Đặc tính Vôn-Ampe của loại thiết bị này rất không tuyến tính Khi mồi hồ quang, điện áp trên thiết bị sẽ giảm tương ứng với trạng thái ngắn mạch Giá trị sụt giảm này sẽ phụ thuộc nhiều vào tổng trở ngắn mạch của nguồn cấp đến

Hình 2.11 Đặc tính V-A của lò hồ quang

Đặc tính Vôn-Ampe của lò hồ quang được biểu diễn trên hình 2.11 [8] Chúng

có dạng gần như hình thang bằng đầu và giá trị biên độ phụ thuộc nhiều vào chiều dài của thân hồ quang Tùy thuộc vào loại công nghệ hồ quang, giá trị của dòng hồ quang có thể đạt tới 60 kA Giá trị này bị giới hạn bởi tổng trở đường dây cáp cung cấp tới thiết bị hồ quang, tổng trở của máy biến áp lò hồ quang

Thành phần sóng hài trong dòng điện hồ quang như hình 2.12 [8]

Hình 2.12 Thành phần sóng hài trong dòng điện hồ quang

Phân tích phổ của sóng hài trong lò hồ quang trong chế độ nấu chảy như hình 2.13 [9]

Hình 2.13 Phân tích phổ của sóng hài trong lò hồ quang trong chế độ nấu chảy

Phân tích phổ của sóng hài trong lò hồ quang trong chế độ tinh luyện như hình2.14 [9]

Hình 2.14 Phân tích phổ của sóng hài trong lò hồ quang trong chế độ tinh luyện

Phân tích phổ tần của lò hồ quang điện ta thấy tỷ lệ các thành phần dòng điện

sóng hài bậc cao rất lớn, phổ tần thay đổi theo chế độ làm việc và công suất của lò Phụ tải hồ quang là một trong những nguyên nhân gây sóng hài và biến dạng điện

áp nhiều nhất vì công suất của loại phụ tải này tương đối lớn

2.2.6 Hệ chỉnh lưu ba pha

Hệ chỉnh lưu ba pha rất phổ biến trong ứng dụng công nghiệp và thương mại Điểm khác cơ bản của sóng hài trong hệ chỉnh lưu ba pha so với hệ chỉnh lưu một pha là nó không sinh ra sóng hài bậc ba Tuy nhiên nó vẫn là nguồn sinh ra sóng hài đáng kể tại các tần số riêng của nó

2.2.6.1 Chỉnh lưu 6 tia

Trong hệ chỉnh lưu ba pha 6 tia, thành phần dòng điện bội ba bị loại trừ Các dòng điện bậc cao sẽ có tần số bằng một số nguyên lần của 6k±1 so với tần số cơ bản Các dòng điện sóng hài bậc 6k+1 là thứ tự thuận và bậc 6k-1 là thứ tự nghịch

Dòng điện thành phần cơ bản sẽ có giá trị biên độ bằng: I =1 1 2 3I =d 6Id

Khi các bộ chỉnh lưu 6 tia này được đấu nối với các máy biến áp đấu tam giác, dạng sóng dòng điện phía xoay chiều trên một pha của bộ chỉnh lưu sẽ là hiệu số của hai giá trị tức thời của hai dòng điện thứ cấp ở pha khác Như vậy dạng sóng dòng điện phía xoay chiều của bộ chỉnh lưu chứa hàm lượng sóng hài cao

2.2.6.2 Chỉnh lưu 12 tia

Hệ chỉnh lưu 12 tia là hệ tổng hợp từ hai hệ chỉnh lưu 6 tia thành phần được ghép song song với nhau Chúng có cùng điện áp nhưng được xoay pha 300 bằng việc sử dụng các máy biến áp có tổ đấu dây lệch nhau Đồng thời hai nhóm 6 xung phải được điều khiển cùng một hệ góc mở

Dòng điện phía xoay chiều của bộ chỉnh lưu 12 tia chỉ chứa các bậc sóng hài

12k±1 Các thành phần sóng hài bậc 6k±1 (k nhận giá trị lẻ, k = 5, 7, 17, 19 ) chỉ

dạng sóng dòng điện phía xoay chiều của bộ chỉnh lưu 12 xung sẽ gần với biên dạng sin hơn Tuy nhiên, chúng vẫn chứa các thành phần sóng hài bậc cao từ bậc 11 trở lên

2.2.7 Kháng điện điều khiển bằng thyristor (TCR)

2.2.7.1 Bộ bù tĩnh (Static VAR Compensator – SVC)

SVC là hệ bù tĩnh sử dụng tiristor điều khiển dòng điện chảy qua kháng điện phối hợp với một hệ tụ bù tĩnh không điều khiển Hệ thống này được dùng phổ biến

ở lưới truyền tải và ở một số phụ tải đặc biệt như lò hồ quang Nhiệm vụ chính của SVC là cung cấp khả năng phản ứng nhanh với điện áp và các hiệu ứng liên quan như nhấp nháy điện áp, cải thiện hệ số công suất, cân bằng pha và tăng ổn định của

hệ thống truyền tải điện

Cấu trúc điển hình của SVC bao gồm một TCR mắc song song với một dàn tụ

bù và lọc như hình 2.15

Hình 2.15 Cấu trúc điển hình của SVC

Trong hệ SVC, dòng điện trong 3 cuộn dây gần như vuông pha 900 so với điện

áp pha tương ứng bởi vì giá trị điện trở thuần trên từng pha của kháng điện hầu như không đáng kể

Dòng điện tức thời trên từng pha được biểu diễn như sau [8]:

α - Góc mở xung trễ so với pha điện áp

Dòng điện sóng hài bậc cao sinh ra bởi việc dòng điện không dẫn đồng thời trên hai van thyristor ở cùng một nhánh chỉ có bậc lẻ Biểu thức tính toán giá trị hiệu dụng của dòng điện sóng hài bậc n sẽ có dạng như sau [8]:

là khi cấp điện cho các lò hồ quang Lúc đó, các dòng điện bội ba sẽ xuất hiện trên đường dây

2.2.7.2 Các bộ bù dọc có điều khiển

Các bộ bù dọc có điều khiển bằng tiristor (Thyristor Controlled Series Compensator - TCSC) là hệ các tụ điện được mắc nối tiếp với đường dây và có kháng điện mắc song song với các tụ điện này Kháng điện này được điều khiển dòng điện chảy qua nó bằng cách điều khiển góc mở van thyristor

Cấu trúc điển hình của một TCSC như hình 2.16 [8]

Hình 2.16 Cấu trúc điển hình của một TCSC

Trước khi điện áp của nguồn về đến gần điểm zero, thyristor sẽ được kích thích mở Khi đó điện tích tích trữ trên tụ điện sẽ được phóng một phần qua kháng điện Hệ thống hoạt động chủ yếu ở chế độ khuếch đại mang tính dung (dòng vượt pha so với áp) Dạng sóng điện áp và dòng điện trên các phần tử của TCSC trong chế độ khuếch đại điện dung như hình 2.17 [8]

Hình 2.17 Dạng sóng điện áp và dòng điện trên các phần tử của TCSC trong chế độ

khuếch đại điện dung

Thông qua việc điều khiển góc mở van thyristor, có thể thực hiện được việc điều khiển dòng công suất phản kháng và công suất tác dụng chảy trên đường dây truyền tải Khi hệ thống TCSC hoạt động ở chế độ khuếch đại mang tính cảm (dòng chậm pha so với áp) cũng sẽ phát sinh sóng hài trên đường dây nếu tồn tại góc lệch pha giữa hai van thyristor trên một nhánh Tuy nhiên, nhờ có tụ điện tạo ra một đường dẫn có trở kháng nhỏ đối với các thành phần bậc cao nên phát sinh sóng hài của hệ thống TCSC không đáng kể

2.2.8 Các hệ điều áp xoay chiều

Các hệ điều áp xoay chiều được sử dụng rất nhiều trong dân dụng (triac, điều khiển tốc độ quạt, điều khiển lò nhiệt, điều khiển độ sáng đèn sợi đốt .) Chúng gồm hai thyristor đấu song song ngược và mắc nối tiếp với phụ tải cần điều áp Việc điều khiển điện áp trên tải được thực hiện bằng cách điều khiển góc mở của từng tiristor trong từng nửa chu kỳ của tần số lưới

Cấu trúc điều áp xoay chiều và dạng sóng điện áp pha trên tải với những góc

mở khác nhau như hình 2.18 [8]

Dạng sóng điện áp của hệ điều áp xoay chiều chứa rất nhiều thành phần hài bậc cao và phụ thuộc nhiều vào thời điểm mở van tiristor

Hình 2.18 Cấu trúc điều áp xoay chiều và dạng sóng điện áp pha trên tải với những góc

áp định mức, máy biến áp mới phát sinh sóng hài dòng điện

Đối với các máy điện quay, cấu trúc chế tạo không đối xứng trong không gian của các máy điện này cũng là một phần gây nguyên nhân méo dạng sóng Mặc dù