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
1.2.2. Định nghĩa về sóng hài
Sóng hài là điện áp và dòng điện hình sin với tần số là cấp số nhân của tần số cơ bản (50 Hz tại Việt Nam). Giá trị của phép nhân tương ứng với thứ tự sóng hài. Trong hệ thống 3 pha, sóng hài có thể là thứ tự thuận, nghịch hoặc thứ tự không, phụ thuộc vào dịch chuyến pha giữa 3 pha. Sóng hài của thứ tự 4, 7, 10, 13… luôn là thứ tự thuận vì chúng theo thứ tự của bậc cơ bản, đó là hê thống cân bằng dòng điện pha B trễ pha với dòng điện pha A bới 120 độ điện và dòng điện pha C sớm pha hơn pha A là 120 độ điện. Dòng sóng hài của thứ tự 2, 5, 8, 11… thì
luôn luôn theo thứ tự nghịch vì bậc thứ tự là đối ngược của thứ tự sóng hài cơ bản, đó là hệ thống cân bằng dòng điện pha B sớm pha hơn với dòng điện pha A và dòng điện pha C trậm pha hơn dòng điện pha A là 120 độ điện. Sóng hài bậc 3, 6, 9, 12… luôn là thứ tự không, đó là dịch chuyến pha giữa pha A, pha B, pha C là zero. Chú ý rằng trong hệ thống không cân bằng mỗi sóng hài có thành phần thứ tự thuận, nghịch và thứ tự không.
Méo sóng hài trong hệ thống cung cấp điện chủ yếu bắt nguồn từ phụ tải, trong đó dòng điện không liên quan một cách tuyến tính với điện áp. Sóng hài với bội nhân bậc lẻ của tần số cơ bản luôn được xem xét tới vấn đề đặc biệt từ khi nhiều nguồn bơm dòng điện với tần số sóng hài bậc lẻ. Nếu có cộng hưởng hệ thống được hình thành bởi trở kháng hệ thống mà trùng với dòng điện phụ tải sóng hài, dòng điện sóng hài có thể được khuếch đại kết quả trong điện áp cao hơn và mức độ méo dòng điện. Cộng hưởng sóng hài bậc 3 sẽ có thể là cộng hưởng tồi tệ nhất. Cuộn dây máy biến áp đấu tam giác ngăn chặn được các dòng điện sóng hài thứ tự không. Tuy nhiên cuộn dây đấu tam giác trong máy biến áp là không phổ biến trong hệ thống phân phối điện và thay vào đó là loại đấu nối Wye, loại này không ngăn chặn được sóng hài thứ tự không, nhưng mạch đấu sao nối đất lại chiếm ưu thế. Chú ý rằng bộ chuyển đổi hoặc đi ốt 3 pha sẽ sinh ra sóng hài bậc 3 khi mất cân bằng điện áp cơ bản (thứ tự nghịch). Sóng hài bậc 3 được sinh ra trong trường hợp này không phải là thứ tự không. Trong thực tế, nó không thể cho cầu graetz (hoặc phần lớn là cầu 3 pha IGBT) để sản sinh ra thứ tự không bởi vì không nối trung tính. Cộng hưởng sóng hài bậc 5 có thể là bị kích động một cách dễ dàng bởi các bộ chỉnh lưu 6 sung và các phụ tải điện tử công suất khác trong khi cộng hưởng sóng hài bậc 7 được sinh ra một cách thông thường bởi các phụ tải phi tuyến ví dụ như các máy biến áp bị từ hóa. Cộng hưởng sóng hài bậc 7 không là vấn đề đăc trưng như cộng hưởng sóng hài bậc 5 bởi vì biên độ của dòng điện sóng hài bậc 7 từ các nguồn phi tuyến luôn nhỏ hơn biên độ từ các nguồn sóng hài bậc 5 và làm giảm hệ thống. Đó là giảm biên độ của sóng hài bởi tổng trở trong hệ thống luôn luôn lớn hơn.
Sóng hài khác ngoài sóng cơ bản, loại này không mong muốn trong hệ thống điện và gây ra các dòng điện và điện áp bị méo. Ví dụ Hình 1.3 chỉ ra dạng sóng điện áp mà được ghi lại tại bộ tụ điện trong nhà máy, loại kích thích bởi cộng hưởng mạch. Trong trường hợp này, thiết bị điều chỉnh tốc độ sẽ ngắt trong điều kiện quá áp và dẫn đến lỗi bộ tụ.
Hình 1.3. Suy giảm dạng sóng điện áp với ảnh hưởng sóng hài
Bảng 1.4. Tổng hợp thứ tự chiều quay tương ứng bậc sóng hài (bậc 1 - Tần số cơ bản)
+ Bậc 1 Bậc 4 Bậc 7 Bậc 10 Bậc 13 Bậc 29 Cùng chiều bậc 1 0 Bậc 3 Bậc 6 Bậc 9 Bậc 12 Bậc 15 Bậc 21 Không quay
- Bậc 2 Bậc 5 Bậc 8 Bậc 11,14 Bậc 17 Bậc 23 Ngược chiều bậc 1 Bảng 1.5. Bảng quy luật chiều của sóng hài (+ cùng chiều; - ngược chiều; 0 –
không quay)
Tên Bậc 1 Bậc 2 Bậc 3 Bậc 4 Bậc 5 Bậc 6 Bậc 7 Bậc 8 Bậc 9 Tần số, Hz 50 100 150 200 250 300 350 400 450
Thứ tự + - 0 + - 0 + - 0
Chúng ta tìm ra tài liệu mà ảnh hưởng trực tiếp của việc méo sóng hài dòng điện trên phụ tải trong nhà máy là nhỏ hoặc bỏ qua từ khi dòng điện méo là phụ thuộc vào đường dẫn và không chảy vảo bên trong phụ tải. Phụ tải phi tuyến có thể các ổ cho các sóng hài sinh ra ở trong, và điều này có thể có kết quả trong méo chữ thập trong việc sản sinh sóng hài tăng lên bởi phụ tải bị tác động trong tần số khác (luôn luôn có 2 bậc trên và dưới). Mặt khác, méo sóng hài dòng điện có thể có tác động nghiêm trọng trên hệ thống phân phối bởi vì máy biến áp mà cần để cung cấp các dòng điện cơ bản đến phụ tải phi tuyến sẽ không thể cung cấp dòng điện cơ bản
định mức (các máy biến áp bị giới hạn dòng điện RMS) dẫn đến kết quả là giảm khả năng hệ thống. Ngoài ra, các dòng điện sóng hài có thể tăng các tổn thất nhiệt hiệu ứng jun (I2R) một cách đáng kể do hiệu ứng bề mặt, loại có kết quả trong điện trở tăng khi tần số cao hơn. Méo sóng hài điện áp có thể tăng bởi méo sóng hài dòng điện, có thể tác động xấu trên phụ tải nhà máy. Ví dụ, hệ thống điện 3 pha, sóng hài bậc 5 có thể gây ra mô men âm cho động cơ điện cảm ứng để cố gắng điều khiển chiều quay động cơ quay ngược chiều với chiều hoạt động bình thường. Điều này gây cho động cơ tiêu thụ dòng điện nhiều hơn, dòng điện này sẽ tác động ngắt thiết bị bảo vệ động cơ hoặc làm lỗi động cơ do quá nhiệt.
Sử dụng chuỗi Fourier để biểu diễn dạng sóng hài.
( ) ∑ ( ) ( ) (1.4)
Trong công thức giá trị hiệu dụng của chuỗi ở tần số n0 là √ nên công thức sẽ thành
( ) ∑ ( ) ( ) √ cos(n t n (1.5) Trong đó:
a0: Giá trị sóng điều hòa an, bn: Giá trị sóng hài n: Bậc sóng hài
n=tan-1(-bn
an): Góc sóng hài bậc n
Công thức tổng quát phân tích của chuỗi Fourier:
( ) ∑ ( ( ) ( )) (1.6) ( ) ∑ ( )
Trong đó Ch=√
Từ dữ liệu, sử dụng nghịch đảo fourier cho N mẫu với bậc sóng hài bậc h:
Ta có ∑ ( )
= ∑ (1.7) Trong đó:
h: Bậc sóng hài
n: Số điểm lấy mẫu (n 0 tại điểm đầu tiên) N: Tổng số điểm (trong 1 chu ký).
Biến dạng sóng hài:
( ) ∑ ( )=√ h mscos h t h (1.8) ( ) ∑ ( )=√ ( ) (1.9)
Giá trị hiệu dụng căn bậc hai của tổng các bình phương dòng điện và điện áp là Irms=√∑ ; Vrms=√∑ (1.10)
Tổng méo sóng hài:
THDv=
√∑h ms
ms ; THDI=
√∑h ms
ms (1.11) Trong đó V1mrs và I1rms: Điện áp và dòng điện tại tần số cơ bản 50Hz
IHDvh = h ms
ms ; IHDIh = h ms
ms (1.12) P = ∑ ( ) ( ) (1.13) Q = ∑ ( ) ( ) (1.14) S = h ms h ms= √ √ (1.15) S2 = P2 + Q2 + D2. (1.16) Trong đó
S: Công suất biểu kiến
P, Q: Công suất tác dụng và phản kháng D: là công suất méo