CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG CHO NGUỒN LÒ HỒ QUANG DIỆN XOAY CHIỀU LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

iv CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG CHO NGUỒN LÒ HỒ QUANG ĐIỆN XOAY CHIỀU Học viên: Đinh Hồng Nam Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 8520216 Khóa: 33 Trường Đại học

i

ĐINH HỒNG NAM

CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG CHO NGUỒN

LÒ HỒ QUANG DIỆN XOAY CHIỀU

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

ĐÀ NẴNG – 2018

ii

ĐINH HỒNG NAM

CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG CHO NGUỒN

LÒ HỒ QUANG DIỆN XOAY CHIỀU

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Mã số: 8520216

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 TS NGUYỄN KIM ÁNH

2 TS NGÔ VĂN QUANG BÌNH

ĐÀ NẴNG – 2018

iii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu đã nêu trong luận văn có nguồn gốc rõ ràng, kết quả nghiên cứu là trung thực và chưa được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác

TÁC GIẢ

Đinh Hồng Nam

iv

CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG CHO NGUỒN LÒ HỒ QUANG

ĐIỆN XOAY CHIỀU Học viên: Đinh Hồng Nam Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Mã số: 8520216 Khóa: 33 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt- Chất lượng điện năng của hệ thống cung cấp điện phụ thuộc vào các thông số của lưới điện như: điện áp, tần số, hệ số cosφ, sóng hài Lò hồ quang điện xoay chiều (EAF) không những là một phụ tải có yêu cầu công suất lớn mà nó còn là nguồn phát sóng hài lớn, gây dao động điện áp (flicker) và giảm thấp cosφ Do đó, đề tài nghiên cứu về các yếu tố chính ảnh hưởng đến chất lượng điện năng: sóng hài, công suất phản kháng và flicker Mô hình hóa EAF bằng Phần mềm Matlab/simulink và phân tích các ảnh hưởng của EAF đến lưới điện Kết quả cho thấy cả bốn tham số: sóng hài điện áp, sóng hài dòng điện, hệ số công suất và hệ số dao động điện áp mang tính cho kỳ (flicker) đều vượt so với tiêu chuẩn của IEEE std 519-2014 và Bộ công thương Giải pháp bù tích cực SVC FC-TCR được đề xuất là giải pháp tối ưu về mặt kinh tế nhưng vẫn đáp ứng tốt các yêu cầu về kỹ thuật Sau khi đưa SVC vào hệ thống điện - lò, tất cả các chỉ số về sóng hài điện áp, sóng hài dòng điện, hệ số công suất đều được cải thiện rõ rệt và đáp ứng tốt các tiêu chuẩn quy định

Từ khóa - Lò hồ quang - EAF; chất lượng điện năng; dao động điện áp; bù tích cực; công suất phản kháng; SVC FC-TCR; mô hình hóa; matlab/simulink;

Abstract - The power quality of the power supply system depends on the parameters of the grid such as voltage, frequency, cosφ, harmonics Electric arc furnace (EAF) is not only a load that requires large capacity but also a large source of harmonics, causing flicker and low cosφ Therefore, the thesis study on key factors affecting power quality: harmonics, reactive power and flicker Modeling EAF with Matlab / Simulink Software and analyzing the effects of EAF on the grid The results show that all four parameters: voltage harmonics, current harmonics, power factor and flicker voltage fluctuations are higher the IEEE standard std 519-2014 and Ministry of Industry and Trade of Việt Nam The SVC FC-TCR positive filter solution is proposed as the economically optimal solution while still meets the technical requirements After introducing the SVC into the electrical system - the furnace, all indicators of voltage harmonics, current harmonics, power factor are clearly improved and meet the standards well

Key words - Electric Arc Furnace - EAF; power quality; flicker; positive filter; reactive power; SVC FC-TCR; modeling; matlab / simulink;

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN iii

TÓM TẮT LUẬN VĂN iv

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ii

DANH MỤC CÁC BẢNG vii

MỞ ĐẦU x

LỜI CẢM ƠN xiii

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ SÓNG HÀI, CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG VÀ DAO ĐỘNG ĐIỆN ÁP 3

1.1 Sóng hài 3

1.2 Công suất phản kháng 28

1.3 Dao động điện áp 33

1.4 Kết luận 37

Chương 2 - LÒ HỒ QUANG ĐIỆN 38

2.1 Giới thiệu chung 38

2.2 Sơ đồ điện 47

2.3 Các thành phần chính 48

2.4 Quy trình vận hành lò hồ quang 51

2.5 Kết luận 52

Chương 3 - MÔ HÌNH HÓA LÒ HỒ QUANG ĐIỆN 53

3.1 Phân tích đặc tính Volt – Ampe (VAC) của EAF xoay chiều 53

3.2 Mô phỏng lò hồ quang trên Matlab/Simulink 61

3.3 phân tích ảnh hưởng của lò hồ quang đến lưới điện 65

3.4 Kết luận 68

Chương 4 - CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG NGUỒN ĐIỆN SỬ DỤNG HỆ THỐNG BÙ 69 4.1 Giới thiệu 69

4.2 Cải thiện chất lượng điện năng 69

4.4 Tính toán các tham số của bộ lọc và bù tĩnh 78

4.5 Nguyên lý điều khiển SVC 83

4.6 Mô phỏng hệ thống Điện - EAF - SVC 91

4.7 Phân tích kết quả 92

4.8 Kết luận 95

KẾT LUẬN 96

Tài liệu tham khảo 97

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

- S: Công suất biểu kiến

- φ: Góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện

- Cosφ: Hệ số công suất

- Ycs: Các tổn hao do hiệu ứng mặt ngoài của dây dẫn

- Ycp: Các tổn hao do hiệu ứng lân cận của dây dẫn

- Rac: Điện trở xoay chiều của dây dẫn

- Rdc: Điện trở một chiều của dây dẫn

- h: Bậc của sóng hài

- Ih: Biên độ của dòng điện hài bậc h

- Vh: Biên độ của điện áp sóng hài bậc h

- ISC: dòng ngắn mạch cực đại tại điểm đấu nối chung PCC

- K: Hệ số chịu dòng điện hài của máy điện

- Pr: Tổn hao của máy lúc tải định mức với điện áp sin cơ bản

- Ph: Tổng tổn hao do sóng hài

- Er: Hiệu suất khi tải định mức ở động cơ

- Tr: Mô men quay khi tải định mức ở động cơ

- Sr: Độ trượt khi tải định mức ở động cơ

- Xst: Điện kháng siêu quá độ

- Φh: Góc pha dòng điện của sóng hài bậc h

- θh: Góc pha điện áp của sóng hài bậc h

- Mvarcap: Dung lượng định mức của bộ tụ

- Rc: Điện trở của cáp kết nối giữa MBA lò với các điện cực của EAF

- Xc: Điện kháng của cáp kết nối giữa MBA lò với các điện cực của EAF

- Vig: điện áp mồi hồ quang (ignition)

- Vex: điện áp dập tắt hồ quang (extinction)

- Xc: Bộ tụ điện

- XL: Cuộn điện kháng

CHỮ VIẾT TẮT:

- AC: Alteration Current

- AF: Shunt Active Filter

- AFs: Series Active Filter

- ASD: Adjustable Speed Drive

- CSI: Current Source Inverter

- CSPK: Công Suất Phản Kháng

- CSTD: Công Suất Tác Dụng

- CT: Current Transformer

- DC: Direction Current

- DFT: Discrete Fourier Transform

- DSP: Digital Signal Process

- EAF: Electric Arc Furnace

- FACTS: Flexible AC Transmission System

- FFT: Fast Fourier Transform

- GTO: Gate Turn Off

- HP: High Power

- LPF: LowPass Filter

- MBA: Máy biến áp

- MBĐB: Máy bù đồng bộ

- PAM: Pulse Amplitude Modulation

- PCC: Point of Common Coupling

- PC: Persional Computer

- PF: Passive Filter

- PT: Potential Transformer

- PLL: Phase-locked-loop circuit

- PWM: Pulse Width Modulation

- RDFT: Recursive Discrete Fourier Transform

- rms: root mean square

- RP: Regular Power

- SSSC: Static Synchronous Series Controller

- STATCOM: Static Synchronous Compensator

- SVC: Static Var Compensator

- TCR: Thyristor Controlled Reactor

- TCSC: Thyristor Controlled Series Compensation

- TĐT: Tụ điện tĩnh

- THD: Total Harmonic Distortion

- UHP: Ultra-High Power

- UPFC: Unified Power Flow Controller

- UPQC: Unified Power Quality Conditioner

- UPS: Uninterruptible Power Supply

- VSC: Voltage Source Converter

- VSI: Voltage Source Inverter

- VT: Điện áp hệ thống

1.11 Dòng điện từ hóa máy biến áp và phổ hài [7] 20 1.12 Độ suy giảm tuổi thọ theo tổng độ méo THD của tải 23

1.15 Sơ đồ bù kinh tế công suất phản kháng trong lưới điện 30

2.2 Mô hình thực của lò hồ quang điện xoay chiều 3 pha 3 cực 42

2.5 Hình ảnh thực tế quá trình nạp bổ sung liệu vào lò 44

2.8 Mô hình lò hồ quang một chiều điện cực kép 45

2.10 Sơ đồ mạch điện kết nối EAF với hệ thống điện 47

2.12 Mô hình buồn lò hồ quang điện xoay chiều ba điện cực 49

SỐ HIỆU

HÌNH VẼ

3.1 Mô tả dạng sóng giữa điện áp hồ quang ug1 và dòng điện

hồ quang i1 ug1=f(i1) tại thời điểm phút thứ 9 sau khi đổ

nguyên liệu lần thứ nhất

54

3.2 Mô tả dạng sóng giữa điện áp hồ quang ug1 và dòng điện

hồ quang i1 ug1=f(i1) tại thời điểm phút thứ 7 sau khi đổ

liệu lần thứ hai

55

3.3 Mô tả dạng sóng giữa điện áp hồ quang ug1 và dòng điện hồ

quang i1 ug1=f(i1) tại thời điểm khoảng 40 phút kể từ khi

liệu đổ lần thứ hai

55

3.4 Quá trình tiêu thụ công suất trung bình của lò hồ quang 55 3.5 Mức công suất tiêu thụ đo được trong suốt quá trình nấu lò 56 3.6 Mô hình đặc tính tiệm cận tuyến tính đối với mô hình thực

của EAF

57

3.7 Đặc tính VAC của hồ quang theo mô hình 1 58 3.8 Đặc tính VAC của hồ quang theo mô hình 2 59 3.9 Đặc tính VAC của hồ quang theo mô hình 3 60 3.10 Đặc tính VAC của hồ quang theo mô hình 4 61 3.11 Sơ đồ cung cấp điện EAF (A) và mạch điện tương đương

(B) [26]

62

3.13 Dạng sóng dòng điện, điện áp hồ quang và điện áp tại PCC 65

SỐ HIỆU

HÌNH VẼ

4.10 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của bộ SVC FC-TCR cho EAF 78

4.12 Sơ đồ hệ thống tương đương khi bỏ qua P va Rs

4.13 Sơ đồ hệ thống tương đương khi gộp Xs và Xt 78

4.15 Sơ đồ điều khiển chung của hệ thống SVC 87

4.17 Sơ đồ simulink cho khâu tính toán góc α 87

4.19 Sơ đồ simulink cho khối tính số lần lấy mẫu trong 1 chu kỳ 88 4.20 Sơ đồ thuật toán cho khối phát xung dương 89 4.21 Sơ đồ simulink cho khối phát xung dương 89

4.26 Điện áp tại PCC, Điện áp và dòng điện hồ quang sau khi có

SVC

92

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Phát biểu của Phó Tổng Giám Đốc EVN Ngô Sơn Hải tại Hội nghị trực tuyến

về công tác quản lý vận hành lưới điện diễn ra ngày 20/4/2017cho biết: "đến năm

2020, mục tiêu của EVN là phải trở thành 1 trong 4 đơn vị điện lực đứng đầu Đông Nam Á về mọi mặt, mức độ hiện đại hóa, độ tin cậy lưới điện, đội ngũ công nhân kỹ thuật chuyên nghiệp” EVN cũng đặt ra những mục tiêu hết sức cụ thể như: đến năm

2020, tỷ lệ tổn thất điện năng giảm xuống còn 6,5% (mục tiêu năm 2017 là 7,47%) Tuy nhiên một thực tế vẫn đang tồn tại là sự thiếu hụt điện năng vẫn đang diễn ra Nhà nước chưa có giải pháp tốt cho vấn đề tiết kiệm điện năng ở các nhà máy công nghiệp Đây mới chính là những hộ tiêu thụ với sản lượng điện gấp nhiều lần so với các hộ sinh hoạt Từ những giải pháp đơn giản như: truyền thông, vận động, đào tạo, hỗ trợ cho doanh nghiệp cải tiến, nâng cấp dây chuyền - công nghệ, thay thế thiết bị điện tiêu thụ với công suất phù hợp hơn để tránh lãng phí khi thiết bị làm việc ở chế độ non tải.Giải pháp phức tạp hơn là loại bỏ sóng hài và đầu tư các thiết bị bù nhanh và bù trơn công suất phản kháng (STATCOM) ngay tại điểm kết nối chung giữa lưới và phụ tải Điều này được thể hiện thông qua Thông tư 39/2015/TT-BCT và Thông tư 25/2016/TT-BCT được ban hành và áp dụng trên toàn hệ thống điện của EVN kể từ năm 2016 [1], [2]

Chúng ta biết rằng, chỉ có thành phần cơ bản mới có tác dụng tích cực Hầu hết các thành phần sóng điều hòa còn lại chỉ có tác dụng ngược lại Ví dụ tín hiệu điện có

độ méo dạng THD = 30% thì đồng nghĩa với khoảng 30% công suất đã bị thất thoát Đây là một giá trị quá lớn so với giá trị tổng Nó không những thất thoát mà còn gây ra những vấn đề như: nổ tụ bù, cháy van bán dẫn của các bộ biến đổi, tác động sai của máy cắt gây thăng giáng điện áp lưới, gây quá tải cho hệ thống nguồn cung cấp, gây tổn thất và làm giảm tuổi thọ cho hệ thống truyền dẫn, nhiễu thiết bị điều khiển, truyền thông và cảnh báo nhầm của UPS Một ảnh hưởng nghiêm trọng nữa mà ít khi người

ta nghĩ đến, đó là các hệ thống tụ bù kết hợp với cuộn dây của máy biến áp tạo ra mạch L-C Đôi khi nó sẽ gây ra hiện tượng cộng hưởng ở sóng hài có bậc nào đó và hậu quả

là gây dao động điện áp tại điểm kết nối chung của nguồn, hệ thống bù và phụ tải Những nguồn phát ra sóng điều hòa bậc cao đáng kể như: lò nấu thép, bể mạ, máy biến áp, động cơ, đèn huỳnh quang, các thiết bị điện tử công suất…

Trong những thiết bị đó, tải lò nấu thép cảm ứng, tải lò hồ quang điện (Electric Arc Furnace - EAF) là những đối tượng phi tuyến mạnh, có công suất rất lớn (công suất từ 1 MW đến 140MW, dòng điện từ 5kA đến 150kA [3] [4]) Dựa vào dòng điện

cung cấp cho các điện cực lò, EAF được phân thành 2 loại: EAF một chiều và EAF xoay chiều Trong khi EAF một chiều gây méo dạng dòng điện nguồn thì EAF xoay chiều không những gây méo dòng điện, điện áp nguồn, ngoài ra nó là đối tượng có nhu cầu công suất phản kháng biến động rất nhanh theo thời gian (theo đặc tính vận hành của các điện cực lò và tình trạng nóng chảy của kim loại) và gây ra dao động điện áp

có tính chất tuần hoàn (còn gọi là Flicker) So với EAF một chiều, EAF xoay chiều có công suất lớn hơn nhiều, và là đối tượng phức tạp hơn, gây ra nhiều vấn đề đối với chất lượng điện năng hơn đến hệ thống điện

Đây chính là bối cảnh và động lực để đề tài này đề xuất nghiên cứu mô hình hóa EAF xoay chiều, phân tích những ảnh hưởng của nó đến hệ thống điện; sau đó nghiên cứu tìm ra giải pháp tốt nhất để giảm thiểu những ảnh hưởng của nó; qua đó cũng nâng cao được tính ổn định của hệ thống điện lò và hiệu suất vận hành của lò

2 Nội dung nghiên cứu

Luận văn này tập trung nghiên cứu nguyên lý làm việc và mô hình toán học của

lò hồ quang điện xoay chiều ba pha - ba điện cực; kế tiếp là phân tích ảnh hưởng lò đến lưới điện và cuối cùng là tìm ra giải pháp phù hợp để giảm thiểu ảnh hưởng này

Để thực hiện nội dung trên, luận văn cần phải giải quyết các vấn đề sau đây:

 Nghiên cứu bản chất và những ảnh hưởng của sóng hài, công suất phản kháng và dao động điện áp

 Nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý làm việc của lò hồ quang điện xoay chiều ba pha - ba điện cực để phục vụ cho việc mô hình hóa và phân tích ảnh hưởng của nó đến chất lượng điện năng

 Nghiên cứu và lựa chọn giải pháp phù hợp nhằm giảm thiểu sự ảnh hưởng của lò đến lưới điện

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Mục đích của đề tài “Cải thiện chất lượng điện năng cho nguồn lò hồ quang điện xoay chiều” nhằm giải quyết các vấn đề sau: cải thiện chất lượng điện năng cho

hệ thống điện lò và hệ thống điện phân phối; tăng hiệu suất làm việc cho lò (giảm thời gian của một mẻ thép), giảm ảnh hưởng xấu của hệ thống điện lò lên các thiết bị tiêu thụ điện lân cận

4 Tóm tắt nội dung chính của luận văn

Để giải quyết các nội dung như đã trình bày ở trên, luận văn này sẽ được trình bày thành bốn chương như sau:

Chương 1 – Tổng quan về sóng hài, công suất phản kháng và dao động điện áp: Dựa vào các tài liệu đã xuất bản, chương này sẽ tập trung nghiên cứu các vấn

đề liên quan đến: công suất phản kháng (CSPK), sóng điều hòa bậc cao, vấn đề về dao động điện áp và những ảnh hưởng của nó đến chất lượng điện năng

Chương 2 – Lò hồ quang điện: Trong chương này nghiên cứu chung về các loại lò nấu thép sử dụng hồ quang điện Sau đó tập trung nghiên cứu về lò hồ quang điện xoay chiều 3 pha - 3 điện cực, cụ thể: sơ đồ cung cấp điện, các thành phần cấu tạo của lò và quy trình vận hành của nó

Chương 3 –Mô hình hóa lò hồ quang điện: Dựa vào cơ sở lý thuyết của Chương 2, chương này tập trung phân tích đặc tính tải lò, mô hình hóa và mô phỏng lò

hồ quang bằng phần mềm Matlab/Simulink Chương này kết thúc bằng việc phân tích

và đánh giá ảnh hưởng của nó đến nguồn điện cung cấp dựa vào tiêu chuẩn IEEE std 519-2014

Chương 4 – Cải thiện chất lượng nguồn điện sử dụng hệ thống bù: Trước tiên, chương này sẽ trình bày các phương án giảm hay loại bỏ những ảnh hưởng xấu của EAF xoay chiều đến hệ thống điện Giải pháp bù tĩnh SVC được lựa chọn trong chương này Cụ thể của phương như sau: lọc thụ động (Passive Filter - PF) để giảm bớt một lượng đáng kể của sóng hài bậc thấpvà bù toàn bộ công suất phản kháng (CSPK) cho tải lò EAF CSPK thừa phát ra từ bộ PF sẽ được hấp thụ bằng cách sử dụng bộ điều chỉnh dòng qua cuộn kháng sử dụng van thyristor (Thyristor Controlled Reactor - TCR)

Dựa vào các kết quả phân tích được ở chương 3, các công việc còn lại của chương này là như sau:

 Tính toán các tham số của các thành phần lọc thụ động PF và TCR;

 Nghiên cứu và áp dụng thuật toán điều khiển cho thành phần TCR;

 Sử dụng phần mềm Matlab/Simulink 2016a để mô phỏng hệ thống gồm: lưới điện - EAF - PF – TCR;

 Dựa trên những kết quả đạt được, đánh giá tính khả thi của phương án đã lựa chọn

LỜI CẢM ƠN Trong quá trình nghiên cứu và thực hiện luận văn, được sự định hướng, hướng dẫn tận tình của TS Nguyễn Kim Ánh và TS Ngô Văn Quang Bình cùng với sự cố gắng của bản thân học viên để luận văn được hoàn thành đáp ứng được nội dung,mục tiêu như đã đặt ra từ lúc bảo vệ Đề cương Tuy nhiên, giải pháp để nâng cao chất lượng điện năng là một lĩnh vực rộng và đặc biệt là việc ứng dụng nó đối với nguồn cấp cho lò hồ quang khá phức tạp Do đó trong bản luận văn này không tránh khỏi những thiếu sót Học viên rất mong nhận được sự góp ý của các Quý thầy cô giáo và đồng nghiệp để luận văn này được hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến cha mẹ, người đã nuôi dạy để con có được như ngày hôm nay Cảm ơn vợ Nguyễn Thị Vân đã động viên tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và công tác Cảm ơn quý đồng nghiệp trường Cao đẳng kỹ thuật Đắk Lắk đã tạo điều kiện thuận lợi trong thời gian học tập và nghiên cứu Luận văn

Xin chân thành cảm ơn Quý thầy cô giáo đến từ Khoa Điện - trường Đại Học Bách Khoa - Đại học Đà Nẵng và trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã cung cấp cho tôi những kiến thức, kỹ năng và phương pháp nghiên cứu khoa học trong suốt quá trình học tập để cho phép tôi có hoàn thành bản luận văn đúng hạn và phục vụ công việc chuyên môn của tôi trong tương lai

Một lần nữa xin bày tỏ sự biết ơn chân thành của tôi tới TS Nguyễn Kim Ánh

đã tận tình hướng dẫn tôi trong luận văn này

Học viên

Đinh Hồng Nam

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ SÓNG HÀI, CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG VÀ

DAO ĐỘNG ĐIỆN ÁP Chương này sẽ trình bày các lý thuyết cơ bản về các vấn đề liên quan đến chất lượng điện năng như: sóng hài, công suất phản kháng (CSPK), hiện tượng dao động điện

áp (flicker)

1.1 Sóng hài

1.1.1 Giới thiệu về sóng hài

Việc phát, truyền dẫn và phân phối điện năng, các công ty Điện lực mong muốn cung cấp đến khách hàng nguồn điện với dạng sin gần như tuyệt đối Thực tế, việc này không thể thực hiện được do bản thân nội tại của các thiết bị trong hệ thống điện và các phụ tải phi tuyến của khách hàng Những thiết bị này phát thải ra một lượng đáng kể sóng dòng điện và điện áp có tần số khác với tần số cơ bản Những thành phần này gọi là sóng hài; hậu quả là làm méo dạng sóng điện áp và dòng điện của lưới điện

Vấn đề này tồn tại khá lâu đối trong toàn bộ hệ thống điện trong hệ thống điện Việt nam Với sự phát triển chung của nền kinh tế trong tất cả các lĩnh vực, đòi hỏi hệ thống điện không những tăng về công suất mà còn phải đặc biệt lưu ý đến chất lượng điện năng

Cũng như ô nhiễm nguồn nước, ô nhiễm không khí, sóng hài cũng mang đến khá nhiều vấn đề mà không dễ gì cải thiện một cách nhanh chóng Ảnh hưởng của sóng hài được phát ra từ các tải phi tuyến lan truyền ngược lại lưới điện được ví như nước/rác/khí bẩn và độc hại thải ra môi trường Nó không những ảnh hưởng đến các nhà máy khác lân cận mà còn ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và tuổi thọ của các phụ tải/thiết bị khác của chính nhà máy chúng ta Những ảnh hưởng tiêu biểu như: làm máy biến áp nguồn bị quá tải, rung và phát nhiệt do bảo hòa mạch từ mặc dù công suất chuyển tải thấp hơn định mức; làm cho cáp điện bị quá nhiệt, phá hỏng cách điện dẫn đến chạm/chập Lực điện từ theo nhiều phương khác nhau sinh ra momen xoắn trên rotor của động cơ làm rung lắc trục, phát sinh tiếng ồn và cộng hưởng cơ khí, gây quá nhiệt và phá hỏng cách điện, kết quả là giảm tuổi thọ của động cơ Những nhà máy có nhiều động cơ điện thì các tủ tụ bù để điều chỉnh hệ số công suất không thể thiếu được Tuy nhiên, những tụ bù này nhanh chóng bị phá hủy bởi sóng hài (do phát nhiệt và phá hủy lớp điện môi) Tụ bù cộng với máy biến áp nguồn có thể tạo ra mạch dao động L-C, là nguyên nhân chính dẫn đến cộng hưởng đện áp trên thanh cái của nhà máy Ngoài ra, sóng hài còn gây tổn thất điện năng, ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc của các thiết bị quay, đến sự làm việc bình thường và tuổi thọ của các thiết bị điện tử, truyền thông, đo lường, bảo vệ của chính nhà máy đó [5]

Nghiên cứu sóng hài bắt đầu từ việc kiểm tra sự ảnh hưởng của thiết bị phát thải

để dò tìm các cộng hưởng Ngoài ra nghiên cứu sóng hài còn để phân tích các trạng thái của sóng hài cũng như tính toán hệ số độ méo dạng Các thông tin chính cần thiết phải được thu thập khi nghiên cứu và loại bỏ sóng hài gồm các tham số sau:

- Công suất ngắn mạch hệ thống,

- Tỷ số X/R tại thanh cái,

- Thông số định mức MBA phân phối,

- Tỷ số X/R và trở kháng tương đối,

- Điện áp và thông số định mức các bộ tụ điện hiệu chỉnh công suất hiện có,

- Đo dòng điện của các nguồn hài

1.1.2 Mô tả sóng hài

Khai triển Fourier thường được dùng trong nghiên cứu sóng hài Như Hình 1.1 là minh họa một tín hiệu điện được phân tích thành các thành phần hài khác nhau Bất kỳ một sóng tuần hoàn nào cũng có thể được diễn giải dưới dạng chuỗi Fourier được phân tích như sau [5], [6]:

1

0 1

- f(t) là hàm tuần hoàn tần số f0, tần số góc ω0=2Пf0 và chu kỳ T=1/f0=2П/ω0

- C1sin(ω0t+ψ1) là thành phần cơ bản

- Chsin(hω0t+ψh) là sóng hài bậc h với biên độ Ch,tần số hf0,góc pha ψh

Các hệ số của chuỗi Fourier được tính như sau:

2π

1dttfT

2 h

Atan

Hình 1.1 Minh họa về phân tích sóng hài 1.1.3 Các tính chất của sóng hài

a Tính đối xứng

 Đối xứng lẻ f(-t) = -f(t) (không có số hạng cosin trong khai triển Fourier)

 Đối xứng chẵn f(-t) = f(t) (không có số hạng sin trong khai triển Fourier)

 Đối xứng nửa sóng f(t±T/2) = -f(t) có thành phần một chiều bậc không và khử các sóng hài bậc chẵn (2, 4, 6, ) Tính chất này cho phép bỏ qua các sóng hài bậc chẵn trong hệ thống điện

V

0 7

0 6

0 5

0 4

0 3

0 2

0 1 a

V

t3ωcosV120t2ωcosV120tωcos

V

840t7ωcos

V

720t6ωcosV600t5ωcosV480t4ωcos

V

360t3ωcosV240t2ωcosV120tωcosVt

V

0 7

0 6

0 5

0 4

0 3

0 2

0 1

0 7

0 6

0 5

0 4

0 3

0 2

0 1 b

t3ωcosV120t2ωcosV120tωcos

V

840t7ωcos

V

720t6ωcosV600t5ωcosV480t4ωcos

V

360t3ωcosV240t2ωcosV120tωcosVt

V

0 7

0 6

0 5

0 4

0 3

0 2

0 1

0 7

0 6

0 5

0 4

0 3

0 2

0 1 c

Các xem xét trên cho thấy rằng:

- Các sóng hài cơ bản như bậc 4, 7 là thành phần thứ tự thuận (+),

- Các sóng hài bậc 2, 5, 8 là các thành phần thứ tự nghịch (-),

- Các sóng hài bội 3 (3, 6, 9, ) là các thành phần thứ tự không (0),

- Cụ thể hơn, Bảng 1.1 liệt kê các các thành phần thứ tự pha của sóng hài trong hệ thống 3 pha cân bằng

Bảng 1.1 Thành phần thứ tự pha của sóng hài trong hệ thống 3 pha cân bằng

Trong bảng này, hai điểm sau cần phải được lưu ý:

- Nếu hệ thống có sự tồn tại của sóng hài thì đồng nghĩa với sự tồn tại các dòng điện thành phần thứ tự nghịch và thứ tự không Điều này cũng đúng ngay cả khi

hệ thống cân bằng;

- Các dòng điện hài bội 3 cân bằng (bậc của dòng điện hài có thể chia được cho 3), thứ tự không không thể chạy vào trong các mạch nối tam giác hoặc các mạch không nối đất

c Tính độc lập

Phản ứng của mạng điện tuyến tính trong một hệ thống điện cân bằng đối với các bậc hài khác nhau thì độc lập nhau Điều này cho phép xử lý theo từng bậc hài riêng lẻ, nghĩa là có thể thiết lập các mạch tương đương cho từng bậc hài (theo tần số) để xem xét các thông số dòng điện và điện áp

1.1.4 Các thông số cơ bản của sóng hài

Một dạng sóng méo của dòng điện hay điện áp tuần hoàn khai triển theo Fourier được diễn giải như sau:

- Ih, Vh: dòng điện và điện áp đỉnh của sóng hài bậc h;

- Φ ,θh h: góc pha dòng điện và điện áp của sóng hài bậc h;

b Hệ số méo dòng điện và điện áp

Hệ số méo dạng điện áp và dòng điện khi tồn tại hài, còn được gọi là tổng độ méo

do sóng hài của điện áp THDV và dòng điện THDI được định nghĩa như sau:

Trong đó: V1 và I1 tương ứng điện áp và dòng điện tại tần số cơ bản

Điện áp và dòng điện hiệu dụng được biểu diễn theo THD (Total Hamornic Distortion) như sau:

c Công suất tác dụng và công suất phản kháng

Công suất tác dụng tức thời p(t) = v(t).i(t), có giá trị trung bình là:

θ cos I V 2

1 dt t p T

1.1.5 Các quy định về giới hạn của sóng hài

Như đã biết, các dòng điện hài được sinh ra bởi các phụ tải không tuyến tính, các dòng điện này có thể tác động một cách bất lợi đối với các hệ thống cấp điện của các công ty cung cấp điện Các tác động này thường gây ra méo đối với điện áp và dòng điện tại nhiều nơi trong hệ thống Do đó để hạn chế độ méo do hài đối với dòng điện và điện

áp thì cần hạn chế việc bơm các dòng điện hài từ phía tải tiêu thụ để mức điện áp hài trên toàn bộ hệ thống được ổn định nếu hệ thống không có những dòng điện hài quá mức Các giới hạn này được quy định cho cả hai phía người dùng điện và các công ty cung cấp điện

Đối với người dùng điện thì sẽ được quy định các giới hạn của mức bơm vào của các dòng điện hài tại điểm đấu nối chung (Point of Common Coupling - PCC) Các giới hạn này được quy định cho từng thành phần hài riêng lẻ và tổng độ méo dạng của dòng điện và điện áp do tải gây ra tại điểm kết nối này

Đối với các công ty điện, vì sự méo điện áp do sóng hài trên hệ thống điện tăng lên do sự tương tác qua lại của các dòng điện tải bị méo và trở kháng của hệ thống, nên công ty điện có trách nhiệm chủ yếu đối với việc hạn chế méo điện áp tại điểm đấu nối PCC Các giới hạn được quy định cho các công ty điện là độ méo tối đa của từng thành phần hài và tổng độ méo hài THD Bảng 1.2 là tiêu chuẩn sóng hài được quy định bởi IEEE sdt 519 - 2014 [8]

Bảng 1.2 Các giới hạn méo điện áp của IEEE std 519-2014 Điện áp thanh cái tại

điểm đấu nối PCC

Độ méo điện áp của từng thành phần hài (%)

Độ méo điện áp tổngTHD (%)

Bảng 1.3 Các giới hạn độ méo dòng điện theo IEEE std 519 - 2014

Điện áp trong khoảng 120 V≤ V ≤ 69 kV

2.0 3.5 4.5 5.5 7.0

1.5 2.5 4.0 5.0 6.0

0.6 1.0 1.5 2.0 2.5

0.3 0.5 0.7 1.0 1.4

5.0 8.0 12.0 15.0 20.0 Điện áp trong khoảng 69 kV < V ≤ 161 kV

1.0 1.75 2.25 2.75 3.5

0.75 1.25 2.0 2.5 3.5

0.3 0.5 0.75 1.0 1.25

0.15 0.25 0.35 0.5 0.7

2.5 4.0 6.0 7.5 10.0 Điện áp trong khoảng V > 161kV

<25

25< 50

≥ 50

1.0 2.0 3.0

0.5 1.0 1.5

0.38 0.75 1.15

0.15 0.3 0.45

0.1 0.15 0.22

1.5 2.5 3.75 Lưu ý:

- Các giới hạn độ méo dòng điện trên đây là đối với hài bậc lẻ;

- Giới hạn hài bậc chẵn bằng 25% giới hạn hài bậc lẻ;

- Đối với máy phát điện, giới hạn độ méo lấy giá trị ứng với tỷ sốISC/IL<20

- ISC: dòng ngắn mạch cực đại tại điểm đấu nối chung PCC;

- IL: dòng tải cực đại 15 phút hoặc 30 phút ứng với tần số cơ bản tại điểm đấu nối chung hoặc tính bằng giá trị trung bình của dòng tải cực đại hằng tháng lấy trong 12 tháng;

- Ih: biên độ của từng thành phần hài;

- TDD: Tổng độ méo phụ tải được biểu diễn dưới dạng dòng điện tải cực đại;

- Nếu phụ tải phát sinh ra sóng hài có bộ biến đổi công suất với số xung q cao hơn 6 thì các giới hạn trong bảng sẽ được tăng lên bởi hệ số bằng q/6

1.1.6 Các nguồn phát sinh sóng hài

Ngày nay, vấn đề về sóng hài đã trở nên quan trọng cùng với việc gia tăng việc sử dụng của các thiết bị phi tuyến Vì khi cung cấp một điện áp hình sin, thì một thiết bị phi tuyến sẽ tạo ra dòng điện không sin và ngược lại Nên nguồn gốc của sóng hài là ở các thiết bị phi tuyến Người ta thường phân ra các nguồn hài do các phụ tải thương mại và phụ tải công nghiệp

a Các nguồn hài do các phụ tải thương mại sinh hoạt

Các phương tiện thiết bị sinh hoạt thương mại như các khu văn phòng, cao ốc, các của hàng lớn, các bệnh viện, là các nguồn hài nổi trội với các đèn chiếu sáng huỳnh quang hiệu suất cao có chấn lưu điện tử, các bộ điều khiển tốc độ có thể hiệu chỉnh cho các phụ tải nhiệt, thông gió, điều hòa không khí, các bộ điều khiển thang máy

và các thiết bị điện tử nhạy cảm với các nguồn cấp điện một pha chế độ chuyển mạch Các phụ tải sinh hoạt thương mại được đặc trưng với một số lớn các phụ tải sinh ra các sóng hài nhỏ Tùy thuộc vào loại phụ tải, các dòng điện hài nhỏ này có thể được cộng vào dòng điện pha hoặc khử lẫn nhau Độ méo điện áp thì phụ thuộc vào cả trở kháng của mạch và độ méo sóng hài tổng

b Các bộ nguồn đơn pha

Hiện nay, các cải tiến trong công nghệ thiết bị bán dẫn đã thúc đẩy việc ứng dụng các thiết bị điện tử công suất ngày càng nhiều hơn trong các phụ tải công nghiệp và thương mại sinh hoạt Các thiết bị hoặc các ứng dụng có sử dụng các thiết bị điện tử công suất thường gặp là các bộ điều khiển động cơ có tốc độ có thể điều chỉnh được, các

bộ nguồn cấp điện tử công suất, các bộ điều khiển động cơ một chiều, các bộ nạp acquy, các chấn lưu điện tử, và nhiều các ứng dụng về chỉnh lưu và nghịch lưu khác

Một mối lo ngại chính trong các phụ tải thương mại đó là các nguồn cấp cho các thiết bị điện tử một pha sẽ sinh ra rất nhiều dòng điện hài trong dây dẫn Điện một chiều cho các thiết bị văn phòng dựa trên công nghệ điện tử và vi xử lý thì thường được lấy từ các cầu chỉnh lưu toàn sóng đơn pha Tỷ lệ phụ tải mà có các bộ nguồn điện tử thì ngày càng tăng với tốc độ mạnh mẽ,cùng với việc sử dụng ngày càng nhiều các máy tính cá nhân trong lĩnh vực thương mại

Hình 1.2 Bộ chuyển mạch nguồn chế độ [7]

Có 2 loại phổ biến của các bộ nguồn một pha:

Loại dùng các phương pháp điều khiển điện áp phía AC (như dùng máy biến áp)

để giảm điện áp đến mức yêu cầu cho thanh cái DC Độ tự cảm của máy biến áp sẽ cho một tác dụng có lợi bằng cách làm trơn dạng sóng dòng điện đầu vào giảm các hàm lượng hài

Loại bộ nguồn có chế độ chuyển mạch (Hình 1.2) sử dụng kỹ thuật biến đổi DC sang DC để có được đầu ra DC đã được làm trơn có các thành phần hài nhỏ và ít quan trọng Cầu diode đầu vào được nối trực tiếp vào đường dây AC bỏ qua máy biến áp Điều này dẫn đến một điện áp đã điều chỉnh thô trên tụ Sau đó, dòng điện DC được biến đổi ngược thành dòng xoay chiều có tần số cao nhờ các bộ chuyển mạch và rồi sau đó được chỉnh lưu một lần nữa Hiện nay các máy tính, máy in, máy photocopy và hầu hết các thiết bị điện tử một pha khác hầu như sử dụng phổ biến các bộ nguồn một pha có chuyển mạch Ưu điểm của chúng là trọng lượng nhẹ, kích thước gọn, vận hành hiệu quả

và không cần máy biến áp Các bộ nguồn một pha chế độ chuyển mạch thường có thể chịu được một sự thay đổi lớn của điện áp đầu vào

Hình 1.3 Dòng điện và phổ sóng hài của bộ nguồn có chế độ chuyển mạch [7] Hình 1.3 minh họa dạng sóng và phổ cho một mạch cấp cho nhiều thiết bị có bộ nguồn chế độ chuyển mạch Một đặc điểm dễ phân biệt của các bộ nguồn chế độ chuyển mạch là hàm lượng sóng hài bậc 3 trong dòng điện rất cao Dòng điện hài bậc 3 này được cộng vào dòng trung tính của hệ thống 3 pha, nên việc áp dụng ngày càng nhiều

các bộ nguồn chế độ chuyển mạch gây ra sự lo ngại đối với việc quá tải dây trung tính đặc biệt trong các tòa nhà cũ nơi mà có thể đã lắp dây dẫn trung tính không đủ kích cỡ, bên cạnh đó cũng có các lo ngại về quá nhiệt máy biến áp do tổ hợp các dòng điện hài trong dòng điện pha, do từ thông tản và dòng trung tính cao

c Thiết bị chiếu sáng huỳnh quang

Chiếu sáng thường chiếm từ 40% - 60% của phụ tải của một tòa nhà thương mại Đèn huỳnh quang là một lựa chọn phổ biến để tiết kiệm năng lượng

Đèn huỳnh quang là một loại đèn phóng điện, vì thế cần một chấn lưu để tạo ra một điện áp khởi động cao để kích hoạt sự phóng điện cho dòng điện tích chạy giữa hai điện cực của ống đèn huỳnh quang Ngoài ra chấn lưu còn là thiết bị hạn chế dòng điện

vì khi sự phóng điện được hình thành, thì điện áp giảm xuống, dòng hồ quang tăng lên (ngắn mạch giữa 2 cực đèn) và chấn lưu phải giảm nhanh dòng điện đến mức duy trì lượng quang thông đầu ra theo quy định

Hình 1.4 Dạng sóng và phổ hài dòng điện của đèn huỳnh quang chấn lưu sắt từ

Có 2 loại chấn lưu, sắt từ và điện tử Chấn lưu sắt từ góp thêm các tổn hao nhiệt phụ, vận hành không kinh tế so với chấn lưu điện tử Chấn lưu điện tử sử dụng một bộ nguồn kiểu chế độ chuyển mạch để biến đổi điện áp tần số cơ bản đầu vào thành tần số

cao hơn, thường trong phạm vi từ 25 đến 40kHz Tần số cao này có 2 ưu điểm: (i) thứ nhất, một cuộn kháng nhỏ đủ để hạn chế dòng hồ quang; (ii) thứ hai, tần số cao sẽ loại

bỏ hoặc giảm khá lớn các chớp nháy điện áp thường có trong chấn lưu sắt từ Bản thân các chấn lưu sắt từ thường là các nguồn hài phụ nhỏ, vì độ méo hài chủ yếu là do tác động của hồ quang phóng điện Hình 1.4 trình bày dòng điện đo được của một đèn huỳnh quang và phổ sóng hài [7] Tổng độ méo dòng THDI chừng 15%:

Theo một so sánh thì các chấn lưu điện tử mà sử dụng bộ nguồn có chế độ chuyển mạch có thể sinh ra gấp đôi hoặc gấp ba lần lượng sóng hài của các chấn lưu sắt từ tiêu chuẩn Hình 1.5 cho thấy một đèn huỳnh quang có chấn lưu điện tử có tổng độ méo dòng THDI là 144% [7]

Hình 1.5 Dạng sóng và phổ hài dòng điện của đèn huỳnh quang chấn lưu điện tử Trong thực tế, các chấn lưu điện tử có thiết kế đặc biệt với bộ lọc thụ động để giảm độ méo hài dòng điện đầu vào và đã tạo ra độ méo sóng hài thấp hơn tổ hợp đèn và chấn lưu sắt từ bình thường Các chấn lưu điện tử thường cho tổng độ méo dòng THDI

trong khoảng 10% -32%

Vì đèn huỳnh quang là một nguồn hài đáng kể trong các tòa nhà thương mại, chúng thường được phân bổ một cách gần cân bằng trong các pha Với máy biến áp đấu tam giác, sẽ là giảm lượng dòng điện hài bội 3 chạy vào hệ thống cấp điện Tuy nhiên nên lưu ý rằng các máy biến áp đấu Y-Y phổ biến, sẽ không ngăn chặn được dòng hài bội 3 bất kể là các pha cân bằng như thế nào

d Các bộ điều khiển tốc độ có thể điều chỉnh được

Các ứng dụng phổ biến của các bộ điều khiển tốc độ có thể điều chỉnh được ASD (Adjustable Speed Drive) trong các phụ tải thương mại có thể tìm thấy trong các động cơ thang máy, trong các máy bơm, các quạt gió Một bộ ASD gồm có một bộ biến đổi điện tử công suất đổi điện áp và tần số xoay chiều thành điện áp và tần số có thể thay đổi được Điện áp và tần số có thể thay đổi sẽ cho phép điều khiển tốc độ động cơ phù hợp với yêu cầu của ứng dụng, ví dụ như làm chậm một máy bơm hoặc quạt gió ASD cũng

có thể tìm thấy nhiều ứng dụng trong các phụ tải công nghiệp

e Các nguồn hài do các phụ tải công nghiệp

Nguồn hài do các phụ tải công nghiệp thường là các phụ tải phi tuyến đang được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp Các phụ tải này tạo thành một phần đáng kể của tổng thiết bị phụ tải và bơm vào hệ thống các dòng điện hài, gây nên méo dạng điện áp Bên cạnh đó, việc sử dụng các bộ tụ điện hiệu chỉnh công suất có thể làm tăng đáng kể các dòng điện hài do các phụ tải phi tuyến, làm tăng tình trạng cộng hưởng trong các thiết bị Độ méo điện áp cao thường xảy ra ở thanh cái điện áp thấp của thiết bị nơi mà các tụ điện được dùng Các phụ tải công nghiệp phi tuyến nói chung được phân thành 3 nhóm: các bộ đổi điện 3 pha, các thiết bị hồ quang, và các thiết bị bão hòa

f Các bộ đổi điện 3 pha

Các bộ đổi điện điện tử 3 pha khác với các bộ biến đổi 1 pha chủ yếu bởi vì chúng không sinh ra dòng điện hài bậc 3 Đây là một ưu điểm lớn bởi vì dòng điện hài 3 pha là thành phần lớn nhất của sóng hài Tuy nhiên chúng vẫn có thể là các nguồn hài đáng kể

ở các tần số đặc trưng của chúng, như trên Hình 1.5 Đây là loại nguồn dòng điển hình của các bộ điều khiển tốc độ có thể điều chỉnh được, phổ hài cho trên Hình 1.6 điển hình của dòng điện đầu vào bộ điều khiển động cơ DC Các bộ điều khiển nghịch lưu nguồn

áp (như bộ điều khiển loại PWM) có thể có độ méo cao hơn như trình bày trên Hình 1.7

Hình 1.6 Dòng điện và phổ hài của bộ điều khiển CSI [7]

Có 2 loại bộ điều khiển: Bộ điều khiển DC và Bộ điều khiển AC

Bộ điều khiển DC: Ưu điểm là các hệ thống điều khiển tương đối đơn giản, dãi tốc

độ điều chỉnh rộng hơn và mô men khởi động cao hơn Tuy nhiên chi phí mua sắm và bảo quản đối với các động cơ DC thì cao, trong khi chi phí của các thiết bị điện tử công suất đang giảm từng năm một Vì các lưu tâm về kinh tế như vậy nên các bộ điều khiển

DC chỉ giới hạn sử dụng cho các ứng dụng mà cần các đặc tính tốc và mô men của động

cơ một chiều

Hầu hết các bộ điều khiển DC dùng loại chỉnh lưu 6 xung như trình bày trên Hình 1.8 Các bộ điều khiển lớn có thể dùng một bộ chỉnh lưu 12 xung Điều này sẽ làm giảm dòng định mức của thyristor và giảm một số dòng hài AC bậc cao Hai dòng điện hài lớn nhất đối với bộ chỉnh lưu 6 xung là bậc 5 và 7 Chúng gây các rắc rối nhất về mặt phản ứng của hệ thống Bộ chỉnh lưu 12 xung có thể hy vọng loại bỏ được 90% các sóng hài bậc 5 và bậc 7 tùy thuộc vào sự mất cân bằng của hệ thống

Hình 1.7 Dòng điện và phổ hài của bộ điều khiển PWM [7]

Bộ điều khiển AC: trong các bộ điều khiển AC, thì đầu ra của bộ chỉnh lưu được nghịch lưu để tạo ra một điện áp xoay chiều tần số có thể thay đổi được cho động cơ Các bộ nghịch lưu được phân làm 2 loại: nghịch lưu nguồn áp (VSI) và nghịch lưu nguồn dòng (CSI) Một bộ VSI cần một đầu vào điện áp DC không đổi (có nghĩa là độ gợn sóng thấp) để thực hiện nghịch lưu Điều này có thể đạt được với một tụ điện hoặc một bộ lọc LC trong mạch nối DC Một CSI cần một đầu vào dòng điện không đổi, do

đó một điện cảm nối tiếp được đặt vào mạch nối DC

Hình 1.8 Bộ điều khiển 6 xung [7]

Hình 1.9 Các bộ điều khiển AC [7]

Các bộ điều khiển AC thường dùng cho các động cơ cảm ứng lồng sóc Các động

cơ này rất mạnh, giá thành tương đối thấp và yêu cầu bảo dưỡng ít Các động cơ đồng bộ thường dùng ở những nơi điều khiển tốc độ chính xác khó khăn Cấu hình phổ biến của

bộ điều khiển AC loại VSI và CSI được trình bày trên Hình 1.9

g Các thiết bị tạo hồ quang

Loại thiết bị này gồm lò hồ quang, máy hàn hồ quang và đèn chiếu sáng kiểu phóng điện (đèn huỳnh quang, cao áp sodium, cao áp thủy ngân) với chấn lưu sắt từ Đặc tính dòng – áp của hồ quang điện là phi tuyến Sau khi tạo hồ quang, điện áp giảm xuống dòng hồ quang tăng lên, dòng hồ quang này chỉ được hạn chế bởi trở kháng của hệ thống Trong các ứng dụng lò hồ quang tổng trở hạn chế gồm tổng trở cáp và dây dẫn của lò, tổng trở của hệ thống và máy biến áp lò

Thực tế, bản thân hồ quang điện được biểu hiện như một nguồn hài điện áp Nếu một máy đo đặt trực tiếp trên hồ quang, thì người ta sẽ quan sát thấy một dạng sóng gần hình thang Biên độ của nó phần lớn là một hàm của chiều dài hồ quang Tuy nhiên, trở kháng của các dây dẫn lò làm việc như một bộ đệm trung gian để cho điện áp cung cấp

có độ méo vừa phải Tải hồ quang vì thế có vẻ như là một nguồn dòng hài tương đối ổn định Hàm lượng hài của một tải lò hồ quang và các thiết bị hồ quang khác thì tương tự như các chấn lưu sắt từ được trình bày trên Hình 1.4 Các thiết bị hồ quang 3 pha có thể khử các sóng hài bội 3 nhờ vào đấu dây máy biến áp Tuy nhiên, tác dụng khử này có thể không tác dụng trong lò hồ quang 3 pha bởi vì sự vận hành không cân bằng thường

xuyên trong suốt giai đoạn nấu chảy Trong giai đoạn hoàn nguyên khi hồ quang ổn định, thì tác dụng khử này tốt hơn

h Các thiết bị bão hòa

Hình 1.10 Đặc tuyến từ hóa của MBA [7]

Thiết bị loại này gồm có máy biến áp và các thiết bị điện từ khác có lõi thép như động cơ Sóng hài phát sinh do đặc tuyến từ hóa của lõi thép là phi tuyến

Các máy biến áp lực được thiết kế làm việc bình thường chỉ dưới điểm khuỷu của đặc tuyến bão hòa từ hóa Các máy biến áp có yêu cầu cao đối với các chỉ tiêu tổn hao không tải hoặc nhiễu thì sẽ có giá thành cao vì phải cần nhiều thép trong lõi, nhưng ngược lại nó sẽ có đường cong bão hòa cao hơn và các dòng hài sinh ra thì thấp hơn Mặc dù dòng từ hóa máy biến áp là rất nhiều sóng hài ở điện áp làm việc bình thường (xem Hình 1.10), song thông thường là nhỏ hơn 1% dòng điện đầy tải định mức, không như các bộ biến đổi điện tử công suất và các thiết bị hồ quang có thể tạo ra các dòng điện hài bằng 20% giá trị định mức hoặc cao hơn Tuy nhiên ảnh hưởng của nó sẽ

là đáng lưu ý, bởi vì số lượng khá lớn

Các động cơ cũng có một số biến dạng trong dòng điện khi quá kích thích nhưng thông thường hậu quả của chúng là nhỏ Tuy nhiên, có một số động cơ một pha công suất nhỏ (loại phân số) có dạng sóng tam giác với dòng hài bậc 3 khác lớn

Dạng sóng trên Hình 1.11 là của các máy biến áp 1 pha hoặc 3 pha Y0 (nối đất) Dòng điện rõ ràng là chứa một lượng lớn sóng hài bậc 3

Hình 1.11 Dòng điện từ hóa máy biến áp và phổ hài [7]

1.1.7 Ảnh hưởng của sóng hài

Một phụ tải phi tuyến nối vào một thanh cái có điện áp cung cấp không đổi tần số 50Hz sẽ tiêu thụ một dòng điện không sin và trả về cho hệ thống một dạng sóng dòng điện bị méo Dòng điện này có thể tương tác bất lợi trong một phạm vi rộng các thiết bị của hệ thống, đáng chú ý nhất là các tụ điện, các máy biến áp, các động cơ, gây các nên tổn hao phụ, quá nhiệt và quá tải Các sóng hài này cũng gây nên nhiễu với đường dây thông tin liên lạc và các sai số trong thiết bị đo Dưới đây, chúng ta sẽ xem xét các ảnh hưởng bất lợi của sóng hài

a Các mạch rẽ nhánh đơn pha

Các mạch rẽ nhánh một pha cho phép dùng chung dây trung tính với các mạch điện ba pha và dây dẫn trung tính sẽ chỉ mang dòng điện không cân bằng Ở tình trạng cân bằng, việc cấp điện cho các tải một pha, tải phi tuyến sẽ làm cho dây trung tính chung của các mạch nhánh ba pha và một pha mang các dòng điện hài thứ tự không bội

3 được cộng thêm vào (dòng không cân bằng) trong dây trung tính Ở tình trạng không cân bằng, dây trung tính sẽ mang các dòng điện gồm dòng điện thứ tự thuận, nghịch do không cân bằng và dòng điện thứ tự không do các hài bội 3 Vì thế dây trung tính chung

dễ dàng trở nên quá tải khi cung cấp cho các tải không sin ở tình trạng cân bằng hoặc không cân bằng Dòng trung tính có thể bằng 1,7 lần dòng điện pha Dòng điện quá mức này trong dây trung tính sẽ làm cho sụt áp giữa trung tính và đất lớn hơn sụt áp bình thường Vì thế có thể phá vỡ sự làm việc bình thường của các thiết bị điện tử như các

máy PC Phương pháp tốt nhất để tránh quá tải phải bảo đảm phụ tải cân bằng, sử dụng dây dẫn trung tính có tiết diện đủ riêng rẻ cho các mạch Để kiềm chế các tác dụng nhiệt

do các dòng điện quá mức thì các dây trung tính thậm chí có thể tăng lên gấp đôi tiết diện

b Các mạch thiết bị ba pha

Các phụ tải phi tuyến ba pha, nối tam giác như các bộ lưu điện (UPS) và các bộ điều khiển điện áp và tần số (VF) không thể đưa vào trong các mạch cung cấp các dòng hài thứ tự không bội 3 Tuy nhiên các dòng hài thứ tự thuận và thứ tự nghịch sẽ chảy về hướng nguồn qua dây dẫn pha Điều này sẽ làm tăng phát nóng của dây dẫn do các dòng hiệu dụng cao hơn và do hiệu ứng mặt ngoài

Kết quả sau cùng của hiệu ứng mặt ngoài là ở chỗ mặt cắt ngang tác dụng của dây dẫn bị giảm xuống khi tần số tăng lên Tần số càng cao thì điện trở xoay chiều càng cao

Do đó khi có dòng tải hài chạy qua, thì điện trở xoay chiều tương đương sẽ làm tăng tổn thất đồng I2Rac

Để tránh quá nhiệt, ta có thể giảm mặt cắt dây dẫn I/Rac (nhưng vẫn còn hiệu ứng mặt ngoài và tổn hao công suất) hoặc sử dụng hai hoặc nhiều dây dẫn song song cho từng pha

Đối với các phụ tải phi tuyến nối Y, thì các dòng hài thứ tự thuận và thứ tự nghịch hầu như bị loại trừ ở thanh cái trung tính Các dòng hài bội 3 thứ tự không phụ và các dòng pha không cân bằng sẽ chạy qua dây trung tính, nên cần phải sử dụng các kích cỡ dây thích hợp

c Phát nóng cáp, dây dẫn – giảm tuổi thọ

Như đã đề cập, sự phát nóng dây dẫn do sóng hài, có thể không chỉ do hiệu ứng mặt ngoài mà còn do hiệu ứng lân cận

Hiệu ứng mặt ngoài là một hiện tượng xoay chiều, xảy ra ở nơi mà mật độ dòng điện qua mặt cắt ngang dây dẫn là không đồng đều và dòng điện có xu hướng chạy gần mặt ngoài dây dẫn hơn là tâm dây dẫn Hiện tượng này là do một từ thông xoay chiều cảm ứng các sức điện động lớn hơn ở tâm dây dẫn so với ở chu vi dây dẫn, đến mức mà hiệu điện thế tạo thành các dòng điện chống lại dòng điện chính chạy ở tâm dây dẫn và chạy ở chu vi dây dẫn Kết quả là dòng điện bị ép ở phía bên ngoài, làm giảm mặt cắt tác dụng của dây dẫn Hiệu ứng mặt ngoài được tính bởi công thức: