- Tính ổn định của khối tuabin máy phát thay đổi.
ĐẶC ĐIỂM CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG TRÊN ĐƯỜNG SẮT CHẠY ĐIỆN
4.2.3 Sóng điều hòa – méo dạng sóng dòng và áp
Trong trạm điện kéo của hệ thống giao thông ĐSCĐ AC và DC đều được trang bị hai loại thiết bị chính là máy biến áp và thiết bị điện tử công suất (chỉnh lưu/nghịch lưu, biến đổi tần số…). Đây là hai loại thiết bị chính sinh ra dòng điều hòa bậc cao, gây nên méo dạng sóng dòng điện và điện áp tại điểm kết nối chung làm ảnh hưởng đến CLĐN của hệ thống.
Máy biến áp là nguồn gốc đầu tiên sinh ra sóng điều hòa trong hệ thống điện, nó được thiết kế để hoạt động trong một chế độ làm việc bình thường bên dưới điểm “cong” của vùng từ hóa bão hòa (vùng tuyến tính). Do hiện tượng bão hòa mạch từ, sự méo dạng sóng dòng điện xảy ra khi biến áp làm việc ở vùng phi tuyến của đường cong mối quan hệ từ trễ B(H). Xét trên mối quan hệ cơ bản giữa điện áp và dòng điện (Vôn – Am-pe): sẽ không có bất kỳ sự méo dạng sóng dòng điện nào xảy ra nếu MBA làm việc ở vùng tuyến tính (bên dưới điểm đường cong từ hóa), nhưng ngược lại chỉ cần một sự tăng nhẹ điện áp trong vùng bão hòa bên trên vùng bình thường (vùng tuyến tính), kết quả là sự gia tăng rất lớn dòng từ hóa. Điều này có thể được diễn đạt cơ bản như sau, khi điện áp đầu vào là sóng sin tuyệt đối trong trường hợp không tải và phương trình cân bằng điện áp �� trong cuộn sơ cấp:
�� � ��� � ����/�� (4.16)
Trong đó �� là số vòng dây cuộn sơ cấp, Φ từ thông móc vòng, �� giá trị đỉnh của từ thông. Giả thiết điện áp đặt vào là hàm số hình sin thì từ thông do nó sinh ra cũng là hàm số hình sin, tần số góc ω = 2πf, f là tần số lưới điện:
� � ������� (4.17)
Trong chế độ không tải, phương trình cân bằng điện áp sơ cấp viết như sau: ��� � ����� ����� � ����� ������ ������ (4.18)
Hình 4.9: Mối quan hệ từ thông và dòng từ hóa: a) từ thông Φ theo t, b) đặc tính từ hóa của MBA, c) dạng sóng điều hòa dòng từ hóa bậc 1, 3, 5 và méo dạng sóng dòng ���.�. Trong đó: A - vùng tuyến tính, B -vùng gia tăng từ thông, C - điểm cong từ hóa, I - điểm hoạt động bình thường.
Trong chế độ hoạt động không tải dòng ��� gồm hai thành phần: tác dụng ���.� và phản kháng ���.�. Nếu không kể đến tổn hao trong lõi thép thì dòng điện không tải ��� chỉ thuần túy là thành phần dòng phản kháng dùng để từ hóa lõi thép ��� � ���.�. Theo lý thuyết cơ sở kỹ thuật điện, mối quan hệ dòng từ hóa ���.� và từ thông biến thiên Φ có mối quan hệ phi tuyến (bởi cấu tạo của máy biến áp) được mô tả như hình 4.9, công thức gần đúng như sau:
���.� � �� � ��� (4.19)
Với a,b và số mũ β là hệ số xấp xỉ được tìm thấy giữa hai điểm của điểm cong từ hóa vùng tuyến tính và phi tuyến trên trục chiếu ngang.
Thay (4.17) vào (4.19), thực hiện một số phép biến đổi, ta được biểu thức cho thành phần kháng của dòng từ hóa:
���.� � �������� � ���������� �
� ���.������ � ���.����3�� � ���.����5�� � ���.����7�� � ���.����9�� � ����.����11�� � ����.����13�� � ����.����15�� (4.20)
Trong đó: ���.� là biên độ dòng điều hòa cơ bản của dòng từ hóa, còn lại các thành phần điều hòa cao hơn như là bậc 3, 9, 15, … được xếp thành bội bậc 3 là � � ��2� � 1� với m = 3, k là số tự nhiên nguyên dương (1,2,3…h) và không bội bậc ba � � 6� � 1. Như vậy, do hiện tượng bão hòa mạch từ, dòng ���.� sẽ không sin mà có dạng nhọn đầu và trùng pha với Φ, nghĩa là ngoài thành phần cơ bản ���.� còn có các thành phần bậc cao 3, 5, 7, 9, 11,…. Nếu hiện tượng bão hòa mạch từ càng lớn (vùng phi tuyến càng lớn) thì dòng điều hòa bậc ba càng lớn, càng làm méo dòng ���.�.
Sự ảnh hưởng của hiện tượng bão hòa mạch từ đối với máy biến áp một pha và ba pha có sự khác nhau:
Đối với máy biến áp một pha: ngoài thành phần dòng cơ bản còn tồn tại các sóng điều hòa bậc 3, 5, 7,…, trong đó biên độ thành phần sóng điều hòa bậc ba là lớn nhất, có thể lên đến 40% dòng cơ bản, bậc 5 có thể 15% dòng cơ bản. Trong hệ thống giao thông ĐSCĐ AC, các thành phần sóng điều hòa của dòng điện trên đường dây là rất lớn, vì nguồn điện là một pha, MBA làm việc trên đầu tầu với phụ tải lớn nên có mặt tất cả các sóng điều hòa đặc biệt là sóng điều hòa bội bậc ba.
Đối với máy biến áp ba pha ảnh hưởng của hiện tượng bão hòa mạch từ còn phụ thuộc vào kiểu dáng mạch từ và tổ nối dây của máy biến áp, trong trường hợp chung dòng từ hóa ���, ���,và ���, là không sin. Giả sử chỉ tồn tại duy nhất dòng từ hóa điều hòa bậc thứ tự lẽ và góc lệch pha ban đầu � � 0, viết được cho từng cuộn dây pha riêng rẽ, pha A:
���.� � ���.������ � ���.����3�� � ���.����5�� � ���.����7�� � ⋯ (4.19a) Tương tự viết cho pha B và pha C, ta có:
���.� � ���.�sin��� �2� 3 � � ���.����3��� � 2� 3 � � ���.����5��� � 2� 3 � � ���.����7��� ��� �� � ⋯ � ���.�sin ��� ��� �� � ���.����3�� � ���.���� �5�� ��� �� � ���.���� �7�� � �� �� � ⋯ (4.19b) ���.� � ���.�sin ��� �4� 3� � ���.����3 ��� � 4� 3 � � ���.����5��� � 4� 3 � � ���.����7��� ��� �� � ⋯
� ���.�sin��� ����� � ���.����3�� � ���.�����5�� ����� � ���.�����7�� � ��
�� � ⋯ (4.19c)
Từ các biểu thức (4.19a), (4.19b) và (4.19c), ta nhận thấy rằng thành phần dòng từ hóa điều hòa đầu tiên trong ba pha A, B, C tạo thành thành phần thứ tự đối xứng 3 pha hình sao [����� ����� �����, thành phần bậc 3 và bội bậc ba trong tất cả ba cuộn dây quấn trùng pha nhau, không ảnh hưởng đến phương pháp kết nối dây quấn MBA (chiều dây quấn điểm đầu – cuối). Trong khi đó thành phần điều hòa bậc 5 ������ ����� ����� thì ngược pha với thành phần bậc đầu tiên nhưng dòng điều hòa bậc 7 lại trùng với thành phần bậc đầu tiên. Nói chung khi biến áp ba pha làm việc không tải tồn tại các thành phần: thành phần bậc điều hòa 3� � 1 với h là một số lẽ nguyên dương bất kỳ thì trùng thứ tự pha với bậc đầu tiên kể cả khi k = 0, trong khi 3� � 1 thì thứ tự pha ngược lại. Riêng thành phần bậc ba và bội bậc ba thì phải xem xét lại tổ đấu dây các cuộn sơ cấp và thứ cấp trong máy biến áp.
Đối với ĐSCĐ DC, thông thường nguồn cung cấp cho hệ thống được thực hiện bởi bộ chuyển đổi điện áp AC/DC (bộ chỉnh lưu cầu toàn sóng) cung cấp các cấp điện áp định mức 750V DC, 1500V DC và 3000V DC. Trong hệ thống, bộ chỉnh lưu cầu toàn sóng được sử dụng phổ biến nhất hiện nay là chỉnh lưu cầu 6 pha 12 xung, MBA được mắc theo kiểu Y/Δ-Y, sơ đồ hình 3.5c trên chương 3. Trong trường hợp lý tưởng không có sự chồng chập chuyển mạch (đối với chỉnh lưu có điều khiển), dòng một chiều không gợn sóng, dạng sóng sin của điện áp chuyển mạch cân bằng, và khoảng cách xung kích như nhau, thì dòng điện có thể được khai triển như là chuổi Fourier dạng tổng quát như sau:
���� � ���sin���� ���� ������������ ���� ������������ � ⋯ � (4.20) Bậc của sóng điều hòa n = pk±1, p là số xung đập mạch trong một chu kỳ sóng.
Đối với cầu 6 xung, biến áp nối Y-Y qua khai triển chuổi Fourier cho dòng điện xoay chiều là:
� ��√� � �������� �� ����5�� �� ����7�� � � �����11�� � � �����13�� � ⋯ � (4.21) Đối với cầu 6 xung, máy biến áp nối Y-∆, là:
� ��√�� �������� ������5�� ������7�� ���� ���11�� ���� ���13�� � ⋯ �(4.22) Sóng điều hòa bậc hai và những sóng điều hòa bậc chẵn sẽ bị triệt tiêu nhau, vì độ rộng xung của dòng có độ lớn bằng nhau và đối diện nhau về hai cực. Trong khi đó độ rộng xung của dòng với biên độ là 1/3, 3 và bội của 3 cũng không xuất hiện. Do đó chỉ tồn tại bậc số lẽ 6k±1, với k là số nguyên dương bất kỳ.
Trong cầu áp 12 xung, ta có sự kết hợp với 2 cầu áp 6 xung với biến áp kết nối Y-Y và Y-∆, các sóng điều hòa có bậc lẽ n bị loại bỏ, do đó:
� ��√�� �������� � �
�����11�� ���� ���7�� ���� ���23�� ���� ���25�� � ⋯ � (4.23) Đối với bộ chỉnh lưu cầu điều khiển toàn sóng sáu xung tồn tại các sóng hài Đối với bộ chỉnh lưu cầu điều khiển toàn sóng sáu xung tồn tại các sóng hài bậc 6k � 1, còn đối với 12 xung thì tồn tại sóng hài bậc 12k ± l (11, 13, 23, 25th, v.v) chảy vào hệ thống AC. Độ lớn của chúng giảm theo thứ tự tăng dần, ở sóng điều hòa thứ n thì độ lớn củng nó sẽ là 1/n cơ bản. Do nguyên lý làm việc của bộ chỉnh lưu AC/DC, sự gia tăng số lượng xung trong bộ chỉnh lưu cầu là cách phổ biến nhất để giảm yếu tố méo dạng sóng dòng và giảm thiểu sự tác động bất lợi của sóng điều hòa lên hệ thống điện.
Như vậy, nguyên nhân chính gây nên méo dạng sóng điện áp và dòng điện gây ra bởi hệ thống giao thông ĐSCĐ là do hai loại thiết bị cơ bản trên.
Ảnh hưởng của sóng điều hòa bậc cao:
+ Giảm công suất, tăng tổn thất, hiệu suất giảm, + Nóng thiết bị,
Các tiêu chuẩn: được áp dụng như IEEE 519, IEC 61000-3-2, EN 50160,
các định mức giới hạn được giới thiệu trong bảng 2.6 và 2.7 trong mục [2.4.2] của luận văn. Tuy nhiên ở một số quốc gia châu Âu (Anh, Pháp, Bỉ..) thì qui định chặt chẽ hơn: độ méo dạng sóng tối đa của bất kỳ bậc sóng điều hòa nào cũng nhỏ hơn 1%, và tổng trị hiệu dụng méo dạng sóng không được quá 3%.
Riêng đối với trạm biến áp điện kéo một số quốc gia qui định tiêu chuẩn tổ đấu dây MBA, như tiêu chuẩn GOST – 11677 của Nga.
Giải pháp khắc phục:
+ Chọn tổ đấu dây MBA tại trạm điện kéo, + Lọc LC ở trạm điện kéo,
+ Dùng bộ lọc tích cực bộ nghịch lưu nguồn áp VSI, bộ nghịch lưu nguồn dòng CSI,