Bài giảng Hệ thống điện - Chương 8: Chất lượng điện năng

Với các hệ số được xác theo công thức:





dttkwtvak .cos)(1 0 , (k = 1,2,3,...,n)





dttkwtvbk .sin)(1 0 , (k = 1,2,3,...,n)
Như vậy, nếu áp dụng phương pháp phân tích Fourier cho một dạng sóng bị méo dạng, ta
có thể tách nó thành các thành các thành phần thuần sin. Có thể xem kết quả phân tích
Fourier một dòng điện không sin như hình dưới, chúng ta thấy các thành phần ngoài tần
số cơ bản có giá trị khá lớn.
15
Hình 8. Kết quả phân tích Fourier dòng điện không sin.
Tóm lại , một dạng sóng bị méo dạng bởi vì ngoài thành phần cơ bản( ví dụ 50Hz hay
60Hz), nó còn chứa các thành phần ngoài tần số cơ bản . Những thành phần này được
gọi là họa tần hay là sóng hài.
Ví dụ, chúng ta có các thành phần của một dạng sóng sau:
Thành phần cơ bản f=60Hz, biên độ 220
Thành phần bậc 3, f=180Hz, biên độ 5
Thành phần bậc 5, f=300Hz, biên độ 15
..
Khi đó, dạng sóng tổng hợp của các thành phần trên sẽ bị méo dạng như hình vẽ
Hình 8. Tổng hợp các thành phần thành một dạng sóng méo dạng
16
Hài bậc n của một thành phần cơ bản tần số f1( ví dụ 50Hz, 60Hz) là thành phần mà nó cótần số fn :fn = n x f1
Nếu n =0, tương ứng với thành phần DC của dạng sóng.
n = 1,3,5,7,..: thành phần hài lẻ
n = 2,4,6,8...: thành phần hài chẵn.
b. Các tham số của sóng hài
Độ méo dạng sóng hài toàn phần (THD)
1
2
2
F
F
THD i
i

Với Fi là biên độ của hài thứ i, và F1 là biên độ của hài cơ bản.
Độ méo dạng sóng hài từng phần (IHD)
1F
FIHD i
Trị hiệu dụng tổng (RMS)



1
2
i
iFRMS
Ví dụ :
Cho kết quả phân tích của một sóng hài :
RMS=40
I1 = 10
I3 =2.3
I5 = 2
I7 = 1.8
I9 = 2.3
Xác định :
THD
IHD
2. Các nguồn sinh sóng hài
Có nhiều cách để phân loại nguồn tạo ra sóng hài, trong giáo trình này, chúng ta có thể
tạm chia thành 2 loại như sau:
a. Cả tải truyền thống phi tuyến
Một nhóm các loại tải phi tuyến truyền thống hay thường gặp là các động cơ, máy biến
áp,  đặc điểm của các loại tải phi tuyến này là do mạch từ gây ra.
17
Nguyên nhân là do đặc tính từ hóa không tuyến tính của lõi thép.
Hình 8. Đường cong từ hóa MBA
Các máy biến áp lực được chế tạo để sử dụng ở dưới điểm “knee” của đặc tính bão hòa từ
hóa. Nếu MBA vận hành với điện áp nhỏ hơn điểm giới hạn này, dòng điện và điện áp có
mối quan hệ tuyến tính, và sóng hài rất nhỏ. Nếu MBA vận hành với điện áp bắt đầu vượt
qua điểm giới hạn thì khi đó mối quan hệ điện áp và dòng điện là phi tuyến, và các thành
phần hài bắt đầu tăng cao.
Rất nhiều công ty điện lực đưa ra các giới hạn về giá trị tổn hao không tải và có tải của
MBA, khi đó, các nhà sản xuất sẽ cố gắng để sản xuất các MBA với các giá trị tổn thất
cho phép. Điều này sẽ dẫn đến nhiều thép hơn trong mạch từ, đường cong từ hóa sẽ cao
và hậu quả là dòng điện hài của các MBA sẽ thấp.
Mặc dù dòng điện sóng hài
nhỏ hơn 1% dòng định mức
của MBA tại điện áp định
mức. Nhưng nó cũng cần được
chú ý khi hệ thống thống của
chúng ta có rất nhiều MBA (
ví dụ, trên địa bàn TP.HCM có
trên 10 000 MBA đang hoạt
động), và đặc biệt là vào các
giờ thấp điểm, khi điện áp
tăng cao.
Hình trên trình bày dòng điện
hài của một MBA một pha, có
thành phần bậc 3 tương đối
lớn.
Các lò hồ quang, đèn huỳnh
quang, tivi,  với đặc điểm là
có sự phóng điện .
Hình 8. Dòng điện từ hóa MBA và phổ của nó
18
Nhóm thứ hai các loại tải truyền thống là các tải như lò hồ quang điện, đèn huỳnh quang,
tivi, màn hình CRT, . Đặc điểm của nhóm tải này là hoạt động dựa trên sự phóng điện.
Đèn huỳnh quang được sử dụng có công suất chiếm từ 40-60% tổng công suất tải trong
các tòa nhà cao tầng, đồng thời cũng là thiết bị chiếu sáng chủ yếu trong các hộ gia đình.
Đèn huỳnh quang được sử dụng rất nhiều vì nó tiêu thụ năng lượng tương đối ít so với
đèn sợi đốt.
Đèn huỳnh quang là đèn phóng điện, nó đòi hỏi có một ballast tạo ra một điện áp cao phát
sinh sự phóng điện giữa 2 điện cực, từ đó sẽ có dòng điện chạy giữa 2 điện cực trong ống
huỳnh quang. Khi dòng điện phóng điện được thiết lập, điện áp giữa 2 điện cực sẽ giảm
xuống. Đòng thời khi đó ballast cũng đóng vai trò một thiết bị giới hạn dòng phóng điện.
Có 2 loại ballast, một loại từ (magnectic) và một loại điện tử (electronic). Loại từ được
cấu tạo đơn giản bởi một lõi thép MBA. Loại điện tử được cấu tạo như một bộ đóng cắt
điện áp, biến đổi điện áp ngõ vào tần số cơ bản thành tín hiệu điện áp có tần số 25-
40kHz.
Đèn huỳnh quang sử dụng ballast từ sẽ tạo ra dòng điện méo dạng, với độ méo dạng toàn
phần THD =15 %. Thành phần hài chủ yếu là thành phần hài bậc 3.
Hình 8. Dạng sóng và phổ của đèn huỳnh quang ballast từ.
Đèn huỳnh quang sử dụng ballast điện tử có dòng điện bị méo dạng nhiều hơn, có hệ số
méo dạng toàn phần THD từ 10-32 %. Hầu hết các đèn huỳnh quang sử dụng ballast điện
tử đều phải sử dụng mạch lọc thụ động (passive filtering) để hạn chế hệ số THD dưới
20%.
19
Hình 8. Dạng sóng và phổ của đèn huỳnh quang ballast điện tử
b. Các bộ biến đổi điện tử công suất
Các thiết bị điện tử công suất, mà nguyên lý hoạt động dựa vào sự đóng, cắt các linh kiện
điện tử công suất như Diode, thyristor, triac,  là các thiết bị tạo ra các nguồn sóng hài.
Đó là các bộ lưu điện UPS, các bộ điều khiển động cơ AC, các bộ điều khiển động cơ
DC, .
Bộ điều khiển động cơ
DC
Bộ điều khiển động cơ DC
có sơ đồ nguyên lý như
hình vẽ, chúng thông
thường sử dụng bộ chỉnh
lưu cầu 3 pha điều khiển (
thyristor). Đương nhiên,
dòng điện nguồn cấp điện
cho bộ điều khiển động cơ
phải là dòng DC không sin.
Bộ điều khiển động cơ AC
Bộ điều khiển động cơ AC (bộ biến tần) sử dụng nguyên lý điều chế độ rộng xung PWM
có sơ đồ nguyên lý như hình dưới. Thành phần thứ nhất của bộ điều khiển AC là bộ chỉnh
lưu, ngõ ra của bộ chỉnh lưu, điện áp DC là ngõ vào của bộ nghịch lưu. Bộ điều khiển sẽ
điều khiển tải AC bằng cách thay đổi điện áp và tần số ngõ ra của bộ nghịch lưu. Dạng
dạng sóng v(t) cấp điện cho bộ nghịch lưu được cho phía phải của hình vẽ.
Hình 8. Bộ điều khiển tải DC
20
Hình 8. Bộ điều khiển tải AC
3. Ảnh hưởng của sóng hài
Ảnh hưởng thứ nhất của sóng hài là làm nóng các thiết bị trong hệ thống như MBA, động
cơ, dây dẫn. Nhiệt lượng tiêu hao trên một phần tử có điện trở R ứng với thành phần
dòng điện hài bậc h là :
hhh RIP .2
Lưu ý : lưu ý là dòng điện 1A ở tần số 650Hz sinh ra nhiệt gấp 40% so với dòng điện 1A
ở tần số 50Hz, do điện trở dây dẫn tăng theo tần số. Do đó, thành phần hài càng cao sẽ
làm cho các phần tử bị tỏa nhiệt càng nhiều, dẫn đến quá tải, lão hóa và hư hỏng thiết bị
Một đặc điểm khác của hiện tượng sóng hài, đó là thành phần hài bậc 3 trên dây trung
tính sẽ có giá trị lớn gấp 3 lần thành phần hài bậc 3 trên dây pha, trong khi dòng trung
tính của thành phần cơ bản là zero, xét trong hệ thống 3 pha đối xứng.
Hình 8. Hài bậc 3 trên dây trung tính
Như vậy, nếu thành phần hài bậc 3 lớn thì sẽ làm quá nhiệt hay quá tải dây trung tính.
Theo tiêu chuẩn IEC, nếu thành phần hài bậc 3 lớn hơn 40% thì phải chọn tiết diện dây
Sóng hài ảnh hưởng rất lớn đối với tụ điện, do tổng trở của tụ tỉ lệ nghịch với tần số Z =
1/jωC. Như vậy cần phải chú ý đến định mức của tụ điện và độ quá tải cho phép (dòng,
kVar và áp). Để giảm nhẹ tác động của sóng hài ta có thể sử dụng cách mắc sao – trung
tính cách ly hoặc mắc tam giác 3 pha của các dải tụ điện.
21
Trong một số trường hợp sự cộng hưởng trong mạch điện gây ra hư hỏng cách điện và
những hư hỏng nghiêm trọng khác.
Sóng hài điện áp bóp méo dạng sóng điện áp, trong trường hợp nghiêm trọng có thể gây
ra giá trị đỉnh quá cao làm hư hỏng cách điện và giảm tuổi thọ của thiết bị.
Giảm hệ số công suất, giảm hiệu suất của thiết bị điện
Làm cho các thiết bị bảo vệ (cầu chì và rơle) có thể hoạt động không chính xác
Gây nhiễu thiết bị viễn thông. Sóng hài trong hệ thống điện có thể giao thoa với mạch
điện thoại. Điều này thường xảy ra khi các đường dây điện thoại không có vỏ bọc chạy
song song với đường dây điện ở một khoảng cách tương đối gần. Nguyên nhân là do sóng
hài dòng điện chảy trong đường dây điện sẽ đi qua điện cảm giữa 2 đường dây và đi vào
đường dây điện thoại.
4. Các biện pháp hạn chế sóng hài
a. Sử dụng MBA nối Δ/Y
Một trong những biện pháp hữu hiệu để hạn chế sóng hài tác động đến điện áp nguồn là
sử dụng máy biến áp nối Y/∆. Hầu như các MBA phân phối đang sử dụng trên lưới điện
được nối theo kiểu này.
Hình 8. Sóng hài trong MBA nối Y/∆ (trên ) và Y/Y (dưới)
Nếu máy biến áp nối Y/Y, thành phần hài bậc 3 sẽ chạ trong dây trung tính từ cuộn thứ
cấp sang cuộn sơ cấp, và từ đó chạy vào các pha.
Ngoài ra, sử dụng cách đấu dây Zig Zag máy biến áp có thể hạn chế các thành phần sóng
hài khác
22
b. Sử dụng mạch lọc thụ động
Mạch lọc thụ động, cấu tạo đơn giản gồm các thành phần L và C, ví dụ như mạch RLC
nối tiếp như hình vẽ. Tùy theo các giá trị L và C, mạch sẽ cộng hưởng tại một tần số mà
người thiết kế đã xác định sẵn cho một bậc hài nào đó. Tại tần số cộng hưởng, mạch sẽ có
giá trị tổng trở nhỏ nhất và dòng điện hài cộng hưởng sẽ đi qua, không trở về nguồn.
Một bộ mạch lọc thụ động thông thường gồm nhiều mạch lọc khác nhau tương ứng nhiều
bậc hài khác nhau mắc song song. Ví dụ bậc 3, 5, 7, 9 .
Ngoài ra, chúng ta cũng có loại mạch lọc được cấu tạo để lọc các sóng hài trong một dải
tần số nào đó.
Hình 8. Mạch lọc thụ động
c. Sử dụng mạch lọc tích cực
Các tải phi tuyến khi hoạt động thì dòng điện có chứa các thành phần hài, hay nói cách
khác, muốn cho các tải phi tuyến hoạt động thì nguồn phải cung cấp đồng thời thành
phần tần số cơ bản và các thành phần sóng hài.
Hình 8. Mạch lọc tích cực
Đồng thời, các bộ biến đổi công suất khi hoạt động thì sẽ tạo ra sóng hài.
Như vậy, nguyên lý hoạt động của của mạch lọc tích cực như sau:
Dòng điện tải cần được cung cấp bởi 2 thành phần:
iL = if + ihThành phần cơ bản if được cung cấp bởi nguồnis = ifThành phần hài ih được cung cấp bởi mạch lọcih = ic
23
Nguồn điện chỉ cần cung cấp thành phần tần số cơ bản cho mạch lọc, do đó không có
dòng điện hài chạy về nguồn.