CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ SÓNG HÀI VÀ TÍNH TOÁN TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG
1.2. TỔNG QUAN VỀ BIẾN DẠNG SÓNG VÀ SÓNG HÀI
1.2.5. Các nguồn gây ra sóng hài
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 1.4
Hình 1.4. Dạng sóng dòng điện của đèn huỳnh quang Phân tích phổ của sóng hài trong đèn huỳnh quang như Hình 1.5
Hình 1.5. Phân tích phổ của sóng hài trong đèn huỳnh 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.
b. 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 1.6, 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 1.6. Tải chỉnh lưu một pha và dạng sóng dòng điện chỉnh lưu
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 1.7
Hình 1.7. Sơ đồ nguyên lý 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 1.8
Hình 1.8. 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.
c. 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:
(1.21) Khi đó biểu thức biểu diễn từ thông có dạng như sau:
(1.22)
Điều này có nghĩa rằng điện áp sơ cấp thuần sin sẽ sinh ra một từ thông thuần sin khi máy biến áp ở chế độ không tải. Dòng điện sơ cấp thì lại không có dạng thuần sin vì từ thông không tỷ lệ thuận với dòng điện từ hóa.
Trong một lõi thép lý tưởng (không có tổn hao từ trễ), từ thông φ và dòng điện từ hóa có quan hệ với nhau như trong Hình1.9. Từ hình vẽ ta thấy φ là 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.
Hình 1.9. Quan hệ từ thông và dòng từ hóa trong lõi thép
Hình 1.10. 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 1.9 và hình 1.10 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.
d. 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 1.11.
Hình 1.11. Dòng từ hóa và các thành phần hài bậc cao theo điện áp f. 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 1.12.
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 1.12. Mật độ từ cảm trong lõi thép khi có và không có từ dư Br
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.
g. 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 1.13 [8]).
Hình 1.13. 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.
h. 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 1.14. Đặc tính V-A của lò hồ quang
Đặc tính Vôn-Ampe của lò hồ quang được biểu diễn trên Hình 1.14. 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 1.15
Hình 1.15. 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 1.16
Hình 1.16. 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 hình 1.17
Hình 1.17. 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.
i. 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.
- 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:
(1.23)
Dòng điện thành phần bậc cao thứ tự k sẽ có biên độ bằng:
(1.24)
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.
- 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 chạy giữa các máy biến áp chỉnh lưu với nhau mà không bị đưa vào lưới.
Do vậy 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.
j. Kháng điện điều khiển bằng thyristor (TCR)
- 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 1.18.
Hình 1.18. 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:
(1.25) Trong đó:
U - Giá trị hiệu dụng của điện áp lưới.
XL ωL - Giá trị điện cảm của kháng điện ở tần số cơ bản.
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]:
(1.26)
Trong điều kiện điện áp nguồn là thuần sin, các thành phần sóng hài bội ba vẫn sẽ xuất hiện trên các pha của SVC nhưng sẽ bị chặn lại ở các máy biến áp nối dây tam giác. Trong thực tế, điện áp lưới không phải lúc nào cũng lý tưởng, đặc biệt là khi cấp điện cho các lò hồ quang. Lúc đó, các dòng điện bội ba sẽ xuất hiện trên đường dây.
- Các bộ bù dọc có điều khiển