Đề tài : Nghiên cứu chế tạo thiết bị tiết kiệm năng lượng, thông qua việc thu và sử dụng năng lượng của sóng hài

BỘ CÔNG THƯƠNG
VỤ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ






BÁO CÁO ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP BỘ



Nghiên cứu chế tạo thiết bị tiết kiệm năng lượng
thông qua việc lọc, thu và sử dụng năng lượng
sóng hài





ĐƠN VỊ THỰC HIỆN: TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: THS. PHẠM VĂN HIỆP

Hà Nội, năm 2011
MỞ ĐẦU
Cùng với quá trình Công nghiệp hoá và hiện đại hoá Đất nước, nhu cầu
phụ tải không ngừng gia tăng. Sự xuất hiện của các dây chuyền công nghệ lạc
hậu, dẫn đến sự gia tăng sóng hài và công suất phản kháng tăng lên nhanh
chóng, điều đó làm tăng tổn thất điện năng, tổn hao trên đường truyền tải điện
năng, giảm hiệu quả sử dụng mạng điện, đồng thời làm giảm chất lượng điện
năng và tăng hệ số công suất cos. Sự tăng tổn thất do suy giảm hệ số cosphi
và tăng tỷ lệ sóng hài trên lưới điện, buộc các nhà kinh doanh điện năng phải
áp dụng bảng giá phạt đối với các hộ dùng điện có hệ số cosphi thấp. Chính vì
vậy nhiệm vụ bù công suất phản kháng và giảm % hài trên lưới được đặt ra
không chỉ đối với hệ thống điện, mà cả các doanh nghiệp và các hộ dùng điện.
Đề tài “Nghiên cứu chế tạo thiết bị tiết kiệm năng lượng thông qua việc lọc,
thu và sử dụng năng lượng sóng hài” được thực hiện nhằm đáp ứng một
phần nhu cầu cấp bách nói trên.
Khác với dòng tiêu thụ, dòng hài trong hệ thống điện được sản sinh ra
từ các phụ tải nó ngược chiều với chiều dòng điện tiêu thụ và làm tăng công
suất phản kháng, giảm hệ số cosphi. Sự tiêu thụ điện và tạo ra sóng hài đã
làm cho lưới điện thay đổi “lưới điện bị ô nhiễm” để làm sạch lưới điện ta
cần phải loại bỏ dần các dây chuyền thiết bị lạc hậu và sử dụng các bộ lọc
sóng hài để giảm thiểu tối đa, tuy nhiên “lọc sóng hài” là một vấn đề hết
sức phức tạp và nhạy cảm, liên quan đến rất nhiều tham số chế độ cũng như
các tham số hệ thống, các tham số và phụ tải không ngừng biến đổi theo
thời gian. Đã có nhiều tác giả áp dụng các kết quả nghiên cứu của các nước
khác nhau trong việc giải bài toán lọc sóng hài. Tuy nhiên, một số các thiết
bị lọc hài chưa mang lại hiệu quả đáng kể, thậm chí có một số nơi khi các
thiết bị làm việc trong mạng thì lại dẫn đến tăng tổn thất và giảm chất lượng

điện. Trong khi thị trường xử phạt sóng hài và công suất phản kháng ở
nhiều nước trên thế giới diễn ra hết sức sôi động thì ở nước ta xử phạt sóng
hài và công suất phản kháng chưa thực sự được coi là một dạng hàng hoá
mà mới được trao đổi dưới dạng phạt hệ số cos. Theo nghị định số
45/2001/NĐ-CP của chính phủ “nếu khách hàng dùng điện với hệ số cos
nhỏ hơn 0,85 thì sẽ phải trả thêm tiền mua điện năng tác dụng theo một hệ
số phạt (k) luỹ tiến”. Tuy nhiên trong thực tế vấn đề phạt hệ số cos thấp
mới chỉ được áp dụng đối với những phụ tải có công suất lớn và mốc phạt
cos còn thấp“0,85”. Mặt khác khi khách hàng có hệ số cosphi lớn hơn
mức quy định thì lại chưa được đề cập đến… Tất cả những vấn đề trên vẫn
còn là sự thách thức lớn, đòi hỏi phải có sự nghiên cứu tiếp.
Đối với những phụ tải đã bị nhiễm sóng hài nếu chúng ta không khắc
phục lọc bỏ hài mà chỉ áp dụng phương án tăng hệ số cosphi thì đây không
phải là bài toán tối ưu. Trong bối cảnh như vừa trình bày, mục tiêu của đề
tài nhằm vào bốn nội dung chính để giải quyết một phần nhỏ trong nhiều
vấn đề cần giải quyết đồng bộ mới mang lại hiệu quả cho lưới điện.
ĐỀ TÀI
Nghiên cứu chế tạo thiết bị tiết kiệm năng lượng thông qua việc
lọc, thu và sử dụng năng lượng sóng hài
Thời gian thực hiện:
Từ tháng 01/2011 đến tháng 12/2011
Kinh phí:
- Tổng số: 150.000.000 VNĐ
- Trong đó, từ Ngân sách SNKH: 150.000.000 VNĐ
Họ tên chủ nhiệm đề tài: Phạm Văn Hiệp
Chức vụ: Giám đốc Trung tâm nghiên cứu ứng dụng Khoa học và chuyển
giao công nghệ.
Cơ quan: Trường Đại học Điện lực
Địa chỉ: 235 Hoàng Quốc Việt – Từ Liêm – Hà Nội
Email:

Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Điện lực
Địa chỉ: 235 Hoàng Quốc Việt – Từ Liêm – Hà Nội
Email:
Điện thoại: 04.37554638 Fax: 04.38362065

Mục tiêu của đề tài:
Chế tạo thiết bị tích trữ năng lượng từ việc thu thập năng lượng sóng hài
để tái tạo thành nguồn năng lượng mới, nhằm giảm tổn thất điện năng và tăng
tuổi thọ cho thiết bị.
Nội dung nghiên cứu:
- Tìm hiểu về các loại sóng hài và các nguồn gây ra sóng hài.
- Tính toán chế tạo bộ lọc sóng hài.
- Tính toán chế tạo bộ chỉnh lưu để thu năng lượng sóng hài nạp cho
accu.
- Tính toán chế tạo bộ inverter biến đổi điện áp từ 12VDC lên 220VAC
công suất 3000W, hiệu suất ≥ 85%.










CHƯƠNG I
TÌM HIỂU VỀ CÁC LOẠI SÓNG HÀI VÀ CÁC NGUỒN GÂY RA
SÓNG HÀI
1.1. Tìm hiểu về sóng hài

1.1.1. Sóng hài là gì
Sóng hài là một dạng nhiễu không mong muốn, ảnh hưởng trực
tiếp tới chất lượng lưới điện và cần được chú ý tới khi tổng các dòng
điện hài cao hơn mức độ giới hạn cho phép. Dòng điện hài là dòng điện
có tần số là bội của tần số cơ bản. Ví dụ dòng 250Hz trên lưới 50Hz là
sóng hài bậc 5.
Dòng điện 250Hz là dòng năng lượng không sử dụng được với các
thiết bị trên lưới. Vì vậy, nó sẽ bị chuyển hoá sang dạng nhiệt năng và
gây tổn hao.

Sóng hài được đặc trưng của dao động hoàn toàn trên phổ tần số công
nghiệp cơ bản. Thành phần sóng hài trong nguồn AC được định nghĩa là
thành phần sin của một chu kỳ sóng có tần số bằng số nguyên lần tần số cơ
bản của hệ thống.
f
h
= h.f
b

trong đó: h là số nguyên dương.
Sóng hài làm méo dạng điện áp lưới có thể do các nguyên nhân sau:

Hình1.1a: Sóng hài bậc cao của
bộ điều chỉnh DC tải công suất lớn.


Hình1.1b: Sóng hài bậc cao của
bộ điều chỉnh DC tải công suất
thấp.

Nguyên nhân của sóng hài là do các phụ tải dạng phi tuyến trong hệ
thống điện. Điện áp đầu vào của tải phi tuyến thì là dạng hình sin nhưng dòng
qua nó có dạng không sin.
Một dạng sóng bất kỳ là tổng của các dạng sóng hình sin. Khi đồng nhất
từ chu kỳ này sang chu kỳ khác nó có thể được miêu tả như những sóng sin
cơ bản và bội số của tần số cơ bản, có nghĩa là bao gồm sóng sin cơ bản và
chuỗi của các dạng sóng sin hài bậc cao, gọi là chuỗi Fourier.
Chuỗi Fourier được sử dụng rộng rãi trong tính toán sóng hài. Bất kỳ
sóng tuần hoàn nào cũng có thể biểu thị dưới dạng chuỗi Fourier như sau:
f(t) = A
0
+




1h
0h0h
t)]sin(hBt)cos(h[A

= A
0
+




1h
h0h
)]tsin(h[C

(1.1)
Trong đó:
f(t) là hàm tuần hoàn tần số f
0
, tần số góc ω
0
=2f
0
, chu kỳ T=1/f
0
=2/ω
o
.
C
1
sin(ω
0
t+
1
) là thành phần cơ bản.
C
h
sin(hω
0
t+
h
) là các thành phần sóng hài bậc h với biên độ C
h

, tần số
hf
0
, góc pha 
h

Các hệ số của chuỗi Fourier được tính như sau:
A
0
=


2π
0
T
0
f(t)dx
2π
1
f(t)dt
T
1

(
1
.
2
)

trong đó x = ω

0
t.
A
h
=


2π
0
T
0
0
)dxf(t)cos(hx
π
1
t)dtf(t)cos(h
T
2


(
1
.
3
)

B
h
=



2π
0
T
0
0
)dxf(t)sin(hx
π
1
t)dtf(t)sin(h
T
2

(
1
.
4
)

C
h
=
2
h
2
h
BA 
; 
h
= arctg(

h
h
B
A
)

(
1
.
5
)

Quá trình tính toán có thể độc lập với mỗi hài riêng. Kết quả tính toán
của mỗi tần số sẽ
được
kết hợp vào một dạng của chuỗi Fourier để có dạng
sóng ra tổng quát nếu cần. Thông thường chỉ cần quan tâm đến biên độ của
sóng hài.
Khi cả nửa chu kỳ âm, dương của một dạng sóng có dạng đồng nhất,
chuỗi Fourier chỉ chứa hài bậc lẻ. Điều này làm đơn giản cho quá trình nghiên
cứu hệ thống vì hầu hết các thiết bị sinh ra sóng hài thông thường có dạng
sóng đồng nhất. Tuy nhiên sự xuất hiện của sóng hài thường gây ra sự cố cho
các thiết bị tải hoặc các bộ biến đổi dùng cho đo lường.
Thực tế có một số loại sóng như sau:
-
Đối xứng lẻ f(-t) = - f(t), không có số hạng sin, trong khai triển Fourier.
-
Đối xứng chẵn f(-t) = f(t), không có số hạng cos trong khai triển
Fourier.
-

Đối xứng nửa bước sóng f(tT/2) = - f(t) có thành phần một chiều bậc
0 và khử các sóng hài bậc chẵn (2,4,6,…). Tính chất này cho phép bỏ qua
các sóng hài bậc chẵn.
1.1.2. Các đại lượng đặc trưng của sóng hài
Thường sử dụng hai đại lượng đặc trưng cho sóng hài là độ méo điều
hoà tổng THD (Total Harmonic Distortion) và độ méo yêu cầu tổng TDD
(Total Demand Distortion). Cả hai đại lượng này của sóng hài có thể áp dụng
cho đồng thời cả dòng điện và điện áp.
Một dạng sóng méo của dòng điện, điện áp tuần hoàn khai triển theo
Fourier được diễn tả như sau:
i(t) =




1h
h0h
)Φtcos(hI

(
1
.
6
)

u(t) =





1h
h0h
)θtcos(hU

(
1
.
7
)

Trong một hệ thống ba pha cân bằng các thành phần sóng hài riêng lẻ
gồm các thành phần thứ tự thuận, nghịch và không khai triển Fourier của điện
áp pha như sau:
u
a
(t) = U
1
cos(
ω
0
t) + U
2
co
s(2
ω
0
t) + U
3
cos(3
ω

0
t) +
U
4
cos(4ω
0
t) + U
5
cos(5ω
0
t) + …

(
1
.
8
)

u
b
(t) = U
1
cos(
ω
0
t
-
120
0
) + U

2
cos(2
ω
0
t
-
240
0
) +
U
3
cos(3ω
0
t-360
0
) + U
4
cos(4ω
0
t-480
0
) + U
5
cos(5ω
0
t-
600
0
) + …

(
1
.
9
)

u
c
(t) = U
1
cos(
ω
0
t+120
0
)+U
2
cos(2
ω
0
t+240
0
) +
U
3
cos(3ω
0
t+360
0
)+U

4
cos(4ω
0
t+480
0
)+U
5
cos(5ω
0
t+600
0
)
+ …
(
1
.
10
)

Tổng điện thế hiệu dụng là:
U
ph rms
=

1h
2
h
U
2
1

=

1h
2
hrms
U

(
1
.
11
)

Điện áp dây là:
U
ab
(t) = U
a
(t) - U
a
(t) =
3
[U
1
cos(ω
0
t+30
0
) +
U

2
cos(2 ω
0
t-30
0
) + U
4
cos(4ω
0
t+30
0
) + U
5
cos(5ω
0
t-
30
0
) + …]

(
1
.
12
)

Biểu thức (1.12) trên cho thấy sóng hài bậc 3 không xuất hiện trong điện
áp dây, điện áp dây hiệu dụng là:
U
LL rms

=

1h
2
h
U
2
3
=

1h
2
hrms
U3
; h  3n.

(
1
.
13
)

Từ các biểu thức trên ta thấy rằng:
-
Các sóng hài cơ bản bậc 4, 7, … là thành phần thứ tự thuận (+)
-
Các sóng hài cơ bản bậc 2, 5, 8, … là thành phần thứ tự nghịch (-)
-
Các sóng hài bội 3 như 3, 6, 9, … là thành phần thứ tự không (0)
Như vậy ta có thể thấy rằng:

-
Nếu tồn tại sóng hài thì tồn tại các dòng điện thứ tự nghịch và thứ tự
không, ngay cả khi hệ thống cân bằng (đối xứng).
-
Các dòng điện hài bội 3 cân bằng, thứ tự không (bậc của dòng điện hài
có thể chia được cho 3) không thể chạy vào trong các mạch nối tam giác
() hoặc mạch không có nối đất.
1.2. Các nguồn sinh ra sóng hài.
Các tải công nghiệp: Các thiết bị điện tử công suất, lò hồ quang, máy
hàn, bộ khởi động điện tử, đóng mạch máy biến áp công suất lớn…
Các tải dân dụng: Đèn phóng điện chất khí, tivi, máy photocopy, máy
tính, lò vi sóng…
Bảng 1.1: Trình bày dạng sóng của một số tải phi tuyến và hệ số méo của
chúng. Độ méo điều hòa phụ thuộc chế độ vận hành của thiết bị do sự đối
xứng của dạng sóng dòng điện, phân tích phổ của chúng chỉ chứa các điều
hòa bậc lẻ. Phổ có thể gián đoạn hoặc liên tục, có tính ngẫu nhiên hoặc lặp lại.
Với nhiều biện pháp khác nhau, người ta có thể giảm một số sóng hài
đến một giá trị nhỏ không đáng kể - việc khử bỏ hoàn toàn chúng tất nhiên
không thể hoàn toàn thực hiện được.
Tải phi
tuyến
Dạng sóng dòng điện Phân tích phổ
Hệ số
méo
Bộ biến đổi
tốc độ


44%
Bộ chỉnh

lưu

28%
Tải tin học


115%
Đèn huỳnh
quang


53%
Bảng 1.1: Dạng sóng của một số loại phụ tải phi tuyến
Sóng hài gây nên sự gia tăng nhiệt độ trong thiết bị và ảnh hưởng đến
cách điện. Trong các trường hợp khắc nghiệt có thể làm hư hỏng thiết bị hay
giảm tuổi thọ. Các hình 1.2a và 1.2b miêu tả một số trường hợp đặc biệt của
sóng hài.



Hình1.2a: Sóng cơ bản và sóng hài bậc ba đồng pha.

Hình 1.2b: Sóng cơ bản và sóng hài bậc ba lệch pha.
Những loại sóng này có thể được biểu diễn như sau:
i
1
= I
m1
.sint;
i

3
= I
m
sin(3t - 
3
);
i
5
= I
m5
.sin(5t - 
5
);
i
7
= I
m7
.sin(7t - 
7
)
i
h
= I
mh
.sin(ht - 
h
); (1.14)
Trong đó: I
mh
là biên độ của sóng hài bậc h.

Kết quả là:
I
tổng
= I
m1
.sint +I
m
sin(3t - 
3
)+I
m5
.sin(5t - 
5
)+ +I
mh
.sin(ht- 
h
)
(1.15)
Điều này chứng tỏ tổng của các sóng hình sin này tạo ra một sóng méo.
Hay có thể coi sóng méo này là sự xếp chồng của thành phần sóng cơ bản với
các sóng ở tần số và biên độ khác.
Hiệu ứng của sóng hài
Sóng hài có thể làm cho cáp bị quá nhiệt, phá hỏng cách điện. Động cơ
cũng có thể bị quá nhiệt hoặc gây tiếng ồn và sự dao động của momen xoắn
trên rotor dẫn tới sự cộng hưởng cơ khí và gây rung. Tụ điện quá nhiệt và
trong phần lớn các trường hợp có thể dẫn tới phá huỷ chất điện môi. Các thiết
bị hiển thị sử dụng điện và đèn chiếu sáng có thể bị chập chờn, các thiết bị
bảo vệ có thể ngắt điện, máy tính lỗi (data network) và thiết bị đo cho kết quả
sai.

1.3. Tác hại sóng hài lên lưới điện.
Sóng hài là dạng nhiễu không mong muốn ảnh hưởng trực tiếp đến
chất lượng điện năng, xuất hiện khi sử dụng những tải không tuyến tính (biến
tần, bộ chuyển điện thế, UPS,…) có tác dụng rất xấu đến những thiết bị, máy
móc được sử dụng trong nhà máy như:
- Giảm tuổi thọ động cơ
- Quá tải CB, quá nhiệt và gây cháy nổ máy biến áp (trong khi
lượng điện sử dụng vẫn nhỏ hơn định mức)
- Nổ tụ bù bất thường
- Gây nhiễu ảnh hưởng đến hệ thống tự động hóa như PLC, Sensor
- Lãng phí năng lượng…
1.3.1. Máy biến áp
Ảnh hưởng của các sóng hài trên các máy biến áp là các dòng điều hoà
gây nên sự gia tăng tổn thất đồng và tổn thất từ thông tản, các sóng hài gây
nên sự gia tăng tổn thất sắt. Ảnh hưởng toàn bộ là sự gia tăng nhiệt độ máy
biến áp. Theo tiêu chuẩn IEEE C57.15.00-1980 giá trị giới hạn đối với sóng
hài dòng điện trong máy biến áp là 0,5pu đối với hệ số điều hoà dòng điện.
Tiêu chuẩn này cũng yêu cầu trị số quá điện áp hiệu dụng cực đại mà máy
biến áp có thể chịu đựng ở trạng thái xác lập 5% khi tải định mức và 10% khi
không tải.
Điều cần lưu ý là các tổn thất máy biến áp bị gây nên bởi cả các điện áp
điều hoà và các dòng điện điều hoà là phụ thuộc vào tần số. Các tổn thất gia
tăng cùng với sự gia tăng tần số do vậy các thành phần điều hoà tần số cao
hơn là quan trọng hơn các thành phần tần số thấp hơn trong việc gây nên sự
nóng trong các máy biến áp.
1.3.2. Các máy điện quay
Cũng như các thiết bị khác vấn đề quan tâm trước tiên về các dòng điện
và điện áp điều hoà trong máy điện quay là sự tăng nhiệt độ do các tổn thất sắt
và tổn thất đồng tại các tần số điều hoà. Các thành phần điều hoà cũng có thể
ảnh hưởng đến hiệu suất máy và mômen.

Sự tác động khác nhau giữa các sóng và mật độ từ thông được phát ra
bởi các dòng điện điều hoà trong một động cơ cảm ứng 3 pha trên một điện áp
cung cấp không sin có thể làm phát sinh tiếng ồn. Các sóng hài cũng sinh ra
sự phân bố từ thông tổng hợp trong khe hở không khí mà trong các điều kiện
cụ thể có thể đưa tới hiện tượng được gọi là Cogging (từ chối khởi động) hay
Crauling (tốc độ dưới đồng bộ) trong các môtơ cảm ứng.
Các cặp sóng hài chẳng hạn các sóng hài bậc 5 và bậc 7 có thể tạo ra các
dao động cơ khí gia tăng trong một tổ hợp máy phát – turbin. Các dao động
cơ khí xảy ra khi các mômen xoắn dao động gây ra bởi sự tác động lẫn nhau
giữa các dòng điện điều hòa và từ trường tần số cơ bản kích thích 1 tần số
cộng hưởng cơ khí. Chẳng hạn, một cặp điều hòa bậc 5 và bậc 7 đưa đến kết
quả 1 sự kích thích có tính xoắn trên roto máy phát tại điều hòa bậc 6 là
300Hz. Nếu cặp tần số dao động cơ khí tồn tại gần với tần số kích thích điện
thì các đáp ứng cơ khí cộng hưởng cao có thể bị phát triển. Mặc dù, không có
các tiêu chuẩn về các giới hạn dòng điện hay điện áp điều hòa cho các động
cơ, một số nhà thiết kế đề xuất 1 giới hạn là 5% cho các điện áp điều hòa để
dùng cho các động cơ cảm ứng trong việc xem xét sự gia nhiệt trong máy
điện.
1.3.3. Các thiết bị đóng ngắt
Cũng như hầu hết các thiết bị khác, các dòng điện điều hòa có thể làm
gia tăng nhiệt và các tổn thất trong các thiết bị đóng ngắt. Ngoài các ảnh
hưởng của việc tăng nhiệt, các thành phần điều hòa trong sóng dòng có thể
ảnh hưởng đến khả năng cắt dòng của các thiết bị đóng ngắt. Vấn đề là các
thành phần điều hòa có thể đưa đến việc biên độ của di/dt cao tại các điểm
không dòng điện có thể làm cho việc cắt trở nên khó khăn hơn.
Các máy cắt không cắt được các dòng điện do việc các cuộn cắt không
có khả năng vận hành thích hợp trong các điều kiện hiện diện các sóng hài
khắc nghiệt. Khi cuộn cắt hỗ trợ trong việc chuyển động của hồ quang điện
đến điểm dốc xuống của hồ quang nơi việc cắt thực hiện, việc vận hành
không hiệu quả làm kéo dài hồ quang và hậu quả cuối cùng là hỏng máy cắt.

Các vấn đề tương tự có thể hiện hữu trong các thiết bị đóng cắt dòng điện
khác.
Không có tiêu chuẩn xác định được công bố trong công nghiệp về mức
của các dòng điện mà các thiết bị đóng cắt dòng điện yêu cầu để cắt. Tất cả
các thí nghiệm về sự cắt được thực hiện tại tần số định mức của nguồn cung
cấp.
1.3.4. Các rơle bảo vệ
Các sóng hài hệ thống ảnh hưởng đến các rơle bằng nhiều cách đưa đến
việc rơle có thể tác động sai. Các rơle phụ thuộc vào điện áp, dòng điện do
vậy chúng bị ảnh hưởng một cách hiển nhiên bởi các sự méo điều hòa. Sự
hiện diện quá mức của dòng điều hòa bậc ba có thể gây nên việc các rơle bảo
vệ chạm đất tác động chậm. Trong các tài liệu nghiên cứu cho thấy ảnh hưởng
của các sóng hài đối với sự vận hành của các rơle như sau:
Các rơle được chế tạo có khuynh hướng vận hành ở các giá trị chậm
hơn hay với các giá trị tác động cao hơn, hơn là việc vận hành nhanh hơn hay
các giá trị tác động thấp hơn.
Các rơle tần số thấp tĩnh nhạy cảm đối với những thay đổi lớn của các
đặc tính vận hành.
Tùy theo nhà sản xuất, các rơle quá dòng và quá điện áp được bố trí
nhiều loại thay đổi trong các đặc tính vận hành.
Tùy theo hàm lượng sóng hài, các mômen quay của các rơle có thể bị
đảo ngược.
Số lần vận hành có thể bị thay đổi lớn như là một hàm số của tần số.
Các sóng hài có thể làm suy yếu sự vận hành tốc độ cao của các rơle so
lệch.
Nhiều thí nghiệm đã chỉ ra rằng các rơle có thể được bố trí để hạn chế
hoàn toàn những vấn đề nêu trên. Nói chung các mức điều hòa để làm các
rơle vận hành sai lớn hơn các mức mà được xem xét để hạn chế cho các thiết
bị khác. Các mức điều hòa khoảng 10% - 40% thông thường được yêu cầu đối
với các vấn đề vận hành của rơle, ngoại trừ các tình huống không bình

thường.
1.3.5. Các dụng cụ đo
Đo lường và sự trang bị các dụng cụ bị ảnh hưởng bởi các phần tử điều
hòa, đặc biệt nếu các điều kiện cộng hưởng tồn tại mà điều này đưa đến các
điện áp điều hòa cao trên mạch. Các thiết bị điện cảm ứng như các điện kế và
các rơle quá dòng thông thường chỉ làm việc với dòng cơ bản, những pha
không cân bằng gây nên sự méo điều hòa, gây nên sự sai số của các thiết bị
này. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng cả sai số âm và sai số dương đều có thể
xảy ra với sự hiện diện của máy điều hòa tùy theo loại của đồng hồ được xem
xét và các sóng hài. Nói chung độ làm méo phải là lớn (>20%). Trước khi các
sai số đáng kể được phát hiện.
1.3.6. Thiết bị điện tử công suất
Thiết bị điện tử trong nhiều trường hợp là một nguồn đáng kể của các
dòng điện điều hoà thì nó cũng rất dễ bị vận hành sai do sự làm méo các sóng
hài. Thiết bị này thường phụ thuộc vào sự xác định chính xác điện áp qua
điểm không hay điểm mà tại đó một điện áp dây trở nên lớn hơn điện áp dây
khác. Cả hai điện áp này là điểm tới hạn của nhiều loại điều khiển mạch điện
tử vận hành sai.
1.3.7. Các thiết bị khác
Các sóng hài trên hệ thống điện cũng có thể ảnh hưởng đến các loại thiết
bị điện khác ngoài các loại đã nêu trên. Dưới đây là một vài thí dụ:
- Các sóng hài cũng gây nên những hư hỏng các phần tử trong các bộ lọc
đường dây sử dụng trong các hệ thống thông tin tải.
- Các hệ thống truyền dẫn để điều khiển từ xa các thiết bị có thể vận
hành sai nếu các sóng hài hiện hữu gần với tần số tín hiệu truyền dẫn. Hệ
thống truyền dẫn điều khiển theo thời gian và thấp điểm của phụ tải là hai thí
dụ.
- Chấn lưu điện tử của đèn huỳnh quang hay đèn thuỷ ngân có tụ thì các
tụ này cùng với điện cảm của chấn lưu và của mạch đôi khi xảy ra cộng
hưởng tần số tạo nên sự tăng nhiệt độ và đưa đến hỏng thiết bị.

- Các sóng hài có thể làm cho các lõi thép của máy biến áp bị bão
hoà,do vậy làm tăng sai số. Trong trường hợp biến dòng điện này dường như
ít ảnh hưởng trên tỷ số biến. Tuy nhiên góc bị ảnh hưởng và do đó công suất
và điện năng có thể bị ảnh hưởng.
- Sự hiện diện của các sóng hài chẳng hạn như sóng hài bậc ba trong các
thiết bị nối đất trung tính có thể cần phải giảm bớt các thiết bị như thế.
- Tiếng ồn âm thanh cao hơn và thỉnh thoảng xuất hiện hồ quang trong
các loại máy biến áp.
- Tiếng ồn do sóng hài có thể đưa đến sự vận hành sai của các hệ thống
điều khiển.
- Các nhà sản xuất máy tính thiết lập các hạn chế nghiêm ngặt về hàm
lượng sóng hài trong các điện áp cung cấp.
- Các sóng hài có thể làm méo các tín hiệu truyền thanh và truyền hình.
Sự méo cũng có thể đưa đến những thay đổi trên độ sáng và kích thước của
hình ảnh trên màn hình.
- Một nghiên cứu của Anh đã cho thấy các hư hỏng trên cáp 33kV là do
các sóng hài.
- Các máy X-quang chụp không rõ do tồn tại sóng hài trong nguồn cung
cấp.
1.3.8. Ảnh hưởng của sóng hài đối với tụ bù và các mạch lọc
Sự vượt trước sẽ sinh ra một sự quá áp có giá trị trong khoảng từ 1 đến
2 pu (tức bằng 1 đến 2 lần giá trị điện áp định mức của mạng điện) phụ thuộc
vào sự suy giảm điện áp lưới. Sự quá áp được truyền vào lưới qua các máy
biến áp và đường dây phân phối đến các hộ dùng điện.
Cộng hưởng song song: Cộng hưởng song song xuất hiện khi điện trở
cảm kháng của hệ thống và điện trở dung kháng của tụ bằng nhau ứng với tần
số xác định. Khi đó điện trở của hệ thống Z sẽ đạt giá trị cao nhất (xem hình
1.3.a). Với giá trị cố định của dòng điện, thành phần điện áp của sóng hài
tương ứng sẽ có giá trị rất lớn.
Cộng hưởng nối tiếp: Cộng hưởng nối tiếp là kết quả của việc mắc nối

tiếp các bộ tụ điện với điện trở cảm kháng của máy biến áp như biểu thị trên
hình 1.3.b. Khi xuất hiện sự cộng hưởng nối tiếp ứng với tần số xác định, điện
trở của mạch điện sẽ giảm đi nhỏ nhất, do đó chỉ với một giá trị điện áp nhỏ
cũng sinh ra một dòng điện lớn, dẫn đến sự đốt nóng thiết bị.






a)
b
)

Hình 1.3: Sơ đồ đặc trưng của hiện tượng cộng hưởng

Tần số cộng hưởng
11
1
2
1
CL
f



Tần số tự nhiên của mạch cộng hưởng phía hộ dùng điện:

22
2

2
1
CL
f



Sự cộng hưởng điện áp diễn ra khi f
1
 f
2
tức là khi:
L
1
C
1
= L
2
C
2
Sự quá áp nội bộ dưới 2 pu (đơn vị tương đối so với giá trị định mức)
thường không gây nguy hiểm đối với cách điện, nhưng khi được truyền vào
lưới, giá trị quá điện áp nội bộ sẽ được khuếch đại và có thể đạt giá trị 3  4
pu trên thanh cái hạ áp, do đó có thể gây ảnh hưởng đến chế độ làm việc của
các thiết bị dùng điện thậm chí gây nguy hiểm đối với các thiết bị mắc trên
thanh cái này. Các giải pháp chống quá điện áp khi đóng cắt tụ thường là:
- Sử dụng máy cắt có bộ phận đóng đồng thời điện trở cài trước
- Sử dụng máy chống sét đặt tại thanh cái của các hộ tiêu thụ
- Xây dựng bộ tụ dưới dạng bộ lọc sóng hài. Một cuộn cảm được mắc
nối tiếp với tụ sẽ làm giảm giá trị quá điện áp trên đầu vào của các hộ dùng

điện đến trị số cho phép.
Việc sử dụng cuộn dây mắc nối tiếp với tụ sẽ ngăn cản sự xuất hiện của
tần số cộng hưởng. Thông thường công suất của cuộn kháng được chọn trong
phạm vi khoảng 57%, có nghĩa là sự có mặt của cuộn kháng điện sẽ làm
giảm công suất của tụ đi 57%. Cuộn kháng điện thường sinh ra một lượng
nhiệt khá lớn, bởi vậy cần phải được làm mát tủ bằng quạt.
Thông thường, để khắc phục hiện tượng này buộc phải cắt bớt một
phần công suất của tụ. Điều đó có nghĩa là không thể đạt được hiệu quả bù
cao nhất. Một cuộn kháng đặc biệt được sử dụng cho mục đích này. Sự có
mặt của cuộn kháng sẽ làm dịch chuyển tần số cộng hưởng của mạch vòng “tụ
- máy biến áp” thấp hơn tần số ưu thế hoặc lọc sóng hài.
Bậc của sóng hài H
O
(HO –Harmonic Order) của cộng hưởng tần số tự
nhiên giữa cảm kháng hệ thống điện và bộ tụ là:
nc
sc
Q
S

O
H

Trong đó:
S
sc
– Công suất ngắn mạch của hệ thống tại vị trí đấu tụ tính bằng kVA;
Q
nc
- Công suất định mức của tụ, kVAR;

H
O
– Bậc của sóng hài tần số riêng (f
o
).
Ví dụ: Khi H
O
=
nc
sc
Q
S
= 2,93 nghĩa là tần số riêng của bộ tụ điện – cảm
kháng hệ thống điện gần bằng tần số hài bậc 3 của hệ thống điện.
Do H
O
= f
o
/50, suy ra: f
o
= 50.H
O
= 50.2,93 = 146,5Hz
Tần số riêng càng gần tới tần số của một sóng hài nào đó của hệ thống
thì ảnh hưởng bất lợi càng lớn. Trong ví dụ vừa nêu trên, điều kiện cộng
hưởng với thành phần sóng hài bậc 3 của một sóng biến dạng chắc chắn xảy
ra.
Trong những trường hợp như vậy cần tiến hành những biện pháp để
thay đổi tần số riêng đến một giá trị mà nó không thể cộng hưởng với bất cứ
thành phần sóng hài nào hiện diện trong hệ thống. Điều này được thực hiện

bằng cách thêm vào cuộn cảm triệt sóng hài nối tiếp với các bộ tụ điện.
Đối với hệ thống 50Hz, các cuộn kháng nêu trên được điều chỉnh sao
cho tần số cộng hưởng của hệ thống tụ điện – cuộn dây dịch chuyển đến
190Hz. Đối với hệ thống 60Hz tần số cộng hưởng cần chỉnh đến 228Hz. Các
tần số này tương ứng với giá trị của bậc sóng hài H
O
bằng 3,8 đối với hệ
thống lưới 50Hz tức là nằm khoảng giữa các sóng hài bậc 3 và bậc 5 của lưới.
Với kiểu bố trí này sự có mặt của cuộn kháng sẽ làm tăng dòng điện tần số cơ
bản lên một lượng nhỏ từ 7 8% và do đó điện áp đặt trên tụ cũng Hg theo tỉ
lệ tương ứng.
Dòng điện hài bậc cao được tạo ra bởi các tải phi tuyến sẽ đưa ngược
trở lại hệ thống cung cấp. Các dòng này có thể tác động tới các thiết bị của hệ
thống điện, đáng kể là các tụ, máy biến áp, động cơ tạo ra tổn thất phụ, quá
nhiệt và quá tải. Các dòng điều hoà này còn có thể là nguyên nhân gây ra
nhiễu đường dây thông tin và lỗi trong hệ thống đồng hồ đo công suất. Vấn đề
của sóng hài thường xuất hiện đầu tiên ở các bộ tụ. Ảnh hưởng của sóng hài
lên các bộ tụ sẽ gây nên sự phát nóng phụ, tăng tổn hao và ứng suất điện môi.
Hiện tượng cộng hưởng song song có thể xảy ra trong bất kỳ hệ thống
lưới phân phối nào và sinh ra độ méo điện áp cao trong quá trình cộng hưởng.
Dòng qua các tụ cũng lớn đáng kể. Trong tình trạng cộng hưởng dòng điện
thường cao hơn dòng tụ định mức. Nếu lượng sóng hài bậc cao tồn tại lâu dài,
sẽ rút ngắn tuổi thọ và gây hư hỏng thiết bị.
Tiêu chuẩn IEEE cho tụ điện rẽ nhánh định mức như sau:
 135% công suất phản kháng định mức;
 110% của điện áp định mức (bao gồm hài nhưng không bao gồm sóng
quá độ);
 180% của dòng điện định mức (bao gồm dòng điện sóng hài và sóng cơ
bản);
 120% của điện áp đỉnh (bao gồm cả sóng hài).

Quá trình quá điện áp tần số cao thường xuất hiện cùng với quá trình quá
độ dòng điện tần số cao. Đỉnh lớn nhất của điện áp (với giả thiết bỏ qua các
sóng hài xác lập) không bao giờ vượt quá 2 lần giá trị đỉnh của điện áp định
mức khi thực hiện đóng tụ chưa tích điện vào mạng. Tuy nhiên, trong trường
hợp tụ đã nạp điện sẵn, vào thời điểm đóng tụ, điện áp quá độ có thể đạt đến
giá trị cực đại bằng 3 lần giá trị đỉnh định mức. Khả năng nêu trên chỉ xảy ra
nếu:
- Điện áp tồn tại trên tụ bằng giá trị đỉnh của điện áp định mức.
- Các tiếp điểm của công tắc đóng vào thời điểm áp nguồn đạt giá trị
đỉnh.
- Cực của điện áp nguồn ngược dấu với điện áp của tụ được nạp. Trong
điều kiện như vậy dòng quá độ sẽ có khả năng đạt giá trị lớn nhất, tức là bằng
hai lần giá trị cực đại so với trường hợp đóng điện vào tụ điện chưa được tích
điện.
Trong các điều kiện khác về biên độ và cực của điện áp trên tụ đã nạp,
giá trị đỉnh quá độ của điện áp và dòng điện sẽ nhỏ hơn các giá trị cực đại nêu
trên.
Trong trường hợp khi điện áp đỉnh trên tụ có cùng cực với điện áp
nguồn và tụ đóng lại tại thời điểm điện áp nguồn đạt giá trị đỉnh, hiện tượng
quá độ điện áp và dòng điện không xảy ra.
Vì vậy ở những vị trí cần thực hiện đóng tụ tự động theo từng bậc, phải
đảm bảo sao cho việc đóng tụ được thực hiện trong điều kiện tụ đã được xả
hoàn toàn. Nếu cần rút ngắn thời gian trễ của quá trình xả tụ có thể dùng điện
trở phóng với giá trị nhỏ.
KẾT LUẬN

Dòng điện xoay chiều trên lưới điện của ngành điện cung cấp
cho các phụ tải phải là hình sin. Tuy nhiên, sự tồn tại các phần tử phi
tuyến trên lưới điện của nhà cung cấp cũng như về phía phụ tải làm xuất
hiện các sóng hài, ảnh hưởng đến tính năng vận hành của lưới điện và

thiết bị. Các phần tử phi tuyến điển hình là lõi thép của máy biến áp, động
cơ (đặc tính bão hoà của vật liệu sắt từ), các dụng cụ bán dẫn công suất
như điốt, thiristo của các bộ biến đổi. Thường thì sóng hài bậc 3 triệt tiêu
được nhờ cuộn dây đấu tam giác trong máy biến áp (cùng với đó là tổn
thất điện năng), song các sóng hài bậc lẻ khác (giá trị lớn là bậc 5, 7,
11…) vẫn lan truyền theo đường dây, gây tổn thất điện năng, tác động
xấu đến sự vận hành của các thiết bị. Chính vì vậy, khi đầu tư xây dựng
dự án cần chọn loại thiết bị ít gây sóng hài và sử dụng các phương tiện bổ
sung để giảm thiểu sóng hài. Đồng thời, về phía các cơ quan quản lý nhà
nước, cũng nên xem xét và sớm có quy định cụ thể để kiểm soát sóng hài
sinh ra từ các phụ tải.