Nghiên cứu ứng dụng bộ lọc tích cực cho cơ sở sản xuất công nghiệp cụ thể ở khu công nghiệp Trà Đa – Gia Lai

1

MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài
Hiện nay, trong các cơ sở sản xuất công nghiệp sử dụng rất nhiều phụ tải có
tính phi tuyến như: lò hồ quang, máy hàn hồ quang, lò cảm ứng trung tần, lò cảm
ứng cao tần, đèn huỳnh quang, các bộ biến đổi điện áp xoay chiều, các bộ chỉnh lưu,
các bộ biến tần, các thiết bị điện tử công suất…
Đây là những nguồn phát sinh ra sóng điều hòa bậc cao (sóng hài bậc cao),
các sóng hài này làm tăng giá trị hiệu dụng và giá trị biên độ của dòng điện và điện
áp, làm méo dạng dòng điện và điện áp nguồn. Khi đó sẽ gây ra những vấn đề
nghiêm trọng như sau:
- Đối với đường dây truyền tải: làm tăng sự phát nhiệt của dây dẫn, gây ra
quá áp trên đường dây, làm lão hóa cách điện của dây dẫn…
- Đối với máy biến áp, động cơ điện: làm tăng tổn thất đồng, tổn thất sắt, tổn
thất từ thông tản, gây méo mô men, gây ra dao động cộng hưởng làm tổn hại đến
các bộ phận cơ khí của động cơ…
- Đối với các thiết bị bảo vệ, thiết bị đo lường: làm nhiễu tín hiệu và méo tín
hiệu dòng điện và điện áp gây ra tác động sai lệch của thiết bị bảo vệ, ảnh hưởng
đến sai số của thiết bị đo làm cho kết quả đo không được chính xác…
Sóng hài bậc cao còn gây ra tổn hao, giảm hệ số công suất, ảnh hưởng đến
các thiết bị tiêu thụ điện trong gia đình, các thiết bị thu phát sóng vô tuyến…
Ngoài ra, các tải này còn tiêu thụ một lượng công suất phản kháng rất lớn,
làm cho lượng công suất phản kháng trên đường dây truyền tải giảm đi đáng kể,
điều này khiến cho hệ số công suất giảm làm tăng tổn hao, giảm chất lượng điện
năng, kết quả là các thiết bị làm việc không đạt được năng suất tối ưu…
Qua những vấn đề được phân tích ở trên, chúng ta thấy rằng việc sử dụng các
tải có tính phi tuyến làm cho lượng công suất phản kháng bị hao hụt đi rất nhiều,
gây ra méo dạng dòng điện nguồn, làm giảm hệ số công suất, giảm năng suất của
thiết bị… Do đó, làm tổn thất một lượng lớn điện năng trong sản xuất công nghiệp

2

dẫn đến chi phí cho sản phẩm sẽ cao hơn, sản xuất không có lợi nhuận, nhiều chi
phí phát sinh và còn ảnh hưởng nghiêm trọng đến lưới điện truyền tải quốc gia.
Điều cấp thiết là phải tìm ra giải pháp để hạn chế sóng hài và bù một lượng công
suất phản kháng thích hợp sẽ tiết kiệm được điện năng trong sản xuất công nghiệp.
Những giải pháp thông dụng hiện nay là dùng các thiết bị công nghệ hiện đại
để tiết kiệm điện năng; các bộ lọc thụ động như RC, LC; các thiết bị bù công suất
phản kháng, tủ bù điều khiển tự động, máy bù đồng bộ kết hợp với các thiết bị lọc
sóng hài…
Tuy nhiên những giải pháp trên còn gặp những khó khăn nhất định như giá
thành cao, tốn nhiều không gian để lắp đặt, khó điều khiển và giám sát, không linh
hoạt và chưa đạt được hiệu quả như mong muốn.
Giải pháp hiệu quả và linh hoạt nhất hiện nay là dùng bộ lọc tích cực APF
(Active Power Filter) loại mắc song song với tải, với bộ lọc này chúng ta có thể
điều khiển và giám sát bằng máy tính rất thuận tiện, kích cỡ bộ lọc nhỏ, chiếm ít
không gian lắp đặt, rất hiệu quả trong việc lọc sóng hài, bù công suất phản kháng và
tiết kiệm điện năng.
Với mong muốn ứng dụng bộ lọc tích cực cho các cơ sở sản xuất công
nghiệp để lọc sóng hài và bù công suất phản kháng, nhằm hạn chế tối đa ảnh hưởng
của sóng hài và tiết kiệm điện năng trong sản xuất công nghiệp. Tôi đã quyết định
chọn đề tài “Nghiên cứu ứng dụng bộ lọc tích cực cho cơ sở sản xuất công nghiệp
cụ thể ở khu công nghiệp Trà Đa – Gia Lai”.
2. Mục đích và nhiệm vụ của đề tài
- Tìm hiểu cấu trúc và nguyên lý hoạt động của bộ lọc tích cực.
- Nghiên cứu phương pháp điều khiển tối ưu cho bộ lọc tích cực.
- Thiết kế và mô phỏng bộ lọc tích cực cho lò nấu thép cảm ứng trung tần
bằng phần mềm Matlab/Simulink.

3

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu là lò nấu thép cảm ứng trung tần của nhà máy luyện
cán thép Năm Hoa.
- Phạm vi nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu phương pháp điều khiển
vector không gian để điều khiển bộ lọc tích cực lọc sóng hài và bù công suất phản
kháng cho lò nấu thép của nhà máy.
4. Phương pháp nghiên cứu
Kết hợp cả hai phương pháp:
- Nghiên cứu lý thuyết về phương pháp điều khiển vector không gian.
- Thiết kế mô hình mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Kết quả nghiên cứu của đề tài là tìm ra phương pháp tối ưu để điều khiển bộ
lọc tích cực lọc sóng hài do lò thải ra nhằm hạn chế tối đa tác hại do sóng hài gây
ra, nâng cao chất lượng điện năng cho lưới điện, bù công suất phản kháng và tiết
kiệm điện năng cho nhà máy. Đề tài hoàn toàn có thể ứng dụng vào thực tế.
6. Cấu trúc luận văn
Mở đầu
Chương 1: Giới thiệu chung về cơ sở sản xuất ở khu công nghiệp
Tr à Đa – Gia Lai

Chương 2: Các nguồn phát sinh sóng hài
Giải pháp hạn chế sóng hài và bù công suất phản kháng

Chương 3: Tổng quan về các bộ lọc
Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của bộ lọc tích cực

Chương 4: Thiết kế và mô phỏng bộ lọc tích cực cho lò nấu thép cảm ứng

trung tần bằng phần mềm Matlab/Simulink

Chương 5: Kết luận




4

Chương 1
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CƠ SỞ SẢN XUẤT Ở KHU CÔNG
NGHIỆP TRÀ ĐA – GIA LAI

1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KHU CÔNG NGHIỆP
Khu công nghiệp Trà Đa là khu công nghiệp trọng điểm của tỉnh Gia Lai ,
nằm trên địa bàn thành phố Pleiku, có tổng diện tích 109,3 ha. Hiện khu công
nghiệp có hơn 30 doanh nghiệp đang hoạt động, thu hút trên 2.000 lao động đến
làm việc.
Các lĩnh vực được ưu tiên khuyến khích đầu tư vào khu công nghiệp gồm:
công nghiệp chế biến lâm sản, nông sản thực phẩm; công nghiệp vật liệu xây dựng;
chế tạo, lắp ráp cơ khí điện tử; sản xuất, gia công hàng tiêu dùng

Hình 1.1. Khu công nghiệp Trà Đa – Gia Lai
Năm 2011, khu công nghiệp Trà Đa đã có 37 nhà đầu tư với trên 40 dự án,
lấp đầy 100% diện tích, tổng số vốn đăng ký 1.118,113 tỷ đồng (tăng 241,523 tỷ
đồng so với năm 2010). Trong đó, 25 dự án đang hoạt động, 7 dự án trong giai đoạn
xây dựng, 6 dự án được Ban quản lý chấp thuận chủ trương đầu tư, có hai dự án nhà
đầu tư 100% vốn nước ngoài. Tổng doanh thu năm 2011 của toàn khu công nghiệp
đạt 1.241,669 tỷ đồng (cao gấp 230,9% so với năm trước), giá trị sản xuất công
nghiệp đạt 521,869 tỷ đồng (tăng 160%), chiếm tỷ trọng hơn 12% giá trị sản xuất

5

công nghiệp của tỉnh. Doanh thu công nghiệp đạt 879,563 tỷ đồng, nộp ngân sách
nhà nước hơn 40 tỷ đồng (tăng 298%), tạo việc làm cho hơn 1.700 lao động địa
phương.
Những mặt hàng sản xuất tại khu công nghiệp Trà Đa không chỉ đã có chỗ
đứng trong nước mà còn vươn ra thị trường thế giới. Năm 2011, tổng kim ngạch
xuất khẩu của khu công nghiệp Trà Đa ước đạt 104.090.243 USD (tăng 97%). Điển
hình trong tăng kim ngạch xuất khẩu như: Công ty Louis Dreyfus Commoditis Việt
Nam, Công ty TNHH Thương mại AQ, Công ty đá Granite Quốc Duy, Công ty cổ
phần chế biến gỗ Đức Long… ước đạt từ 286.000 USD đến hơn 100 triệu USD.
Sau một thời gian đo đạc thông số điện tại các nhà máy của khu công nghiệp
Trà Đa, số liệu thống kê cho thấy dòng điện của nhà máy luyện cán thép Năm Hoa
có độ méo dạng THD = 24.7%, vượt quá mức cho phép của tiêu chuẩn IEEE std
519-1992 là phải nhỏ hơn 5%. Vì vậy, tôi đã chọn nhà máy này để nghiên cứu ứng
dụng bộ lọc tích cực để lọc sóng hài, nhằm hạn chế những ảnh hưởng xấu do sóng
hài gây ra, góp phần nâng cao chất lượng điện năng cho lưới điện và tiết kiệm điện
năng cho nhà máy.
1.2. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÒ CẢM ỨNG TRUNG TẦN
Hiện nay, nhà máy luyện cán thép Năm Hoa đang sản xuất thép với ba lò nấu
thép cảm ứng trung tần và một xưởng cán thép. Các lò nấu thép này thường sử dụng
hai bộ biến đổi điện tử công suất đó là: một bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển
hoàn toàn và một bộ nghịch lưu cộng hưởng nguồn dòng song song một pha sử
dụng Thyristor. Những thiết bị này là nguyên nhân phát sinh ra rất nhiều sóng hài
bậc cao, làm ảnh hưởng xấu đến lưới điện và gây ra tổn hao công suất trên đường
dây truyền tải điện. Do đó, để đưa ra được giải pháp khắc phục vấn đề này cần phải
tìm hiểu về cấu trúc và nguyên lý hoạt động của lò cảm ứng trung tần.
6

Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý lò nấu thép cảm ứng trung tần
1.2.1. Nguyên lý hoạt động của lò cảm ứng trung tần
Nguyên lý làm việc của lò cảm ứng là dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ,
khi đưa một khối kim loại vào trong một từ trường biến thiên, trong khối kim loại
xuất hiện dòng điện xoáy, nhiệt năng do dòng điện xoáy sẽ đốt nóng khối kim loại.
Việc tạo ra nguồn DC (Direct Current) ở mạch lò cộng hưởng nguồn dòng
song song có phần phức tạp hơn so với mạch lò cộng hưởng nguồn dòng nối tiếp vì
phải cần đến bộ chỉnh lưu có điều khiển, thông qua đó người ta mới có thể thay đổi
được công suất cấp cho lò. Phần DC, có cuộn kháng làm nhiệm của kho năng lượng
và lọc. Bộ biến đổi DC sang AC (Alternating Current) là bộ nghịch lưu cộng hưởng
nguồn dòng, là bộ biến đổi đặc biệt, thường sử dụng Thyristor. Đặc điểm cơ bản của
bộ nghịch lưu cộng hưởng nguồn dòng đó là có phụ tải là một mạch vòng dao động
với dòng hoặc áp dạng hình sin, do đó các Thyristor trên sơ đồ sẽ chuyển mạch tự
nhiên.
Các bộ nghịch lưu cộng hưởng nguồn dòng được thiết kế với công suất ngày
càng lớn đến vài MW, tần số từ 500Hz đến 2000Hz. Ngoài ra, để hỗ trợ cho việc
khởi động lò, hệ thống cung cấp điện phải có thêm mạch khởi động để tạo ra ít nhất
một chu kỳ dao động trên tải, sau đó là việc điều khiển đóng cắt các van ở phần
nghịch lưu để dao động trên tải được duy trì. Mạch đòn bẩy có tác dụng xả năng
lượng trong cuộn dây sau khi quá trình nấu chảy đã hoàn tất.


7

1.2.2. Các bộ phận chính của lò cảm ứng trung tần
 Máy cắt – được điều khiển đóng ngắt tự động nhờ một động cơ công suất nhỏ,
cũng có thể đóng ngắt trực tiếp bằng tay. Máy cắt được nối với nguồn điện áp
xoay chiều ba pha điện áp 380v, cung cấp điện cho mạch chỉnh lưu cầu ba pha
điều khiển hoàn toàn.

Hình 1.3. Máy cắt
 Cuộn kháng xoay chiều lõi không khí – có chức năng hạn chế dòng ngắn
mạch và hạn chế tốc độ tăng trưởng dòng điện để bảo vệ các Thyristor chỉnh
lưu.

Hình 1.4. Cuộn kháng xoay chiều
8

 Bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển hoàn toàn – dùng để biến đổi nguồn
điện xoay chiều ba pha thành nguồn điện một chiều cấp cho bộ nghịch lưu.

Hình 1.5. Thyristor chỉnh lưu
 Cuộn kháng LD – cuộn kháng lọc một chiều có tác dụng san phẳng dòng điện
một chiều, có giá trị điện cảm rất lớn. Mạch từ là mạch từ hở để tránh hiện
tượng bão hòa. Cuộn kháng một chiều có hai phần lớn , mỗi phần lớn gồm có
năm vòng lớn và trong mỗi vòng lớn lại gồm năm vòng nhỏ.

Hình 1.6. Cuộn kháng lọc một chiều LD
9

 Bộ nghịch lưu cộng hưởng nguồn dòng song song – được nối theo sơ đồ cầu
một pha có chức năng biến nguồn điện một chiều thành nguồn điện xoay chiều
cấp cho tải lò cảm ứng, điện áp ra trên tải có dạng gần hình sin.

Hình 1.7. Thyristor nghịch lưu
 Vòng cảm ứng – là phụ tải của của bộ nghịch lưu cộng hưởng. Vì dòng qua
vòng cảm ứng cỡ hàng ngàn Ampe nên tổn hao điện chiếm tới 25 ÷ 30% công
suất hữu ích của thiết bị, do đó cần phải làm mát vòng cảm ứng. Làm mát bằng
không khí cho phép mật độ dòng điện 2 ÷ 5 A/mm
2

, còn làm mát bằng nước
chảy trong ống tiết diện tròn thì cho phép mật độ dòng điện lên tới 10 ÷ 30
A/mm
2
.
10


Hình 1.8. Vòng cảm ứng của lò trung tần
 Tụ điện – được nối song song với vòng cảm ứng để tạo thành mạch vòng dao
động và bù hệ số công suất (cosφ) của lò. Các tụ điện này chịu được điện áp
cao (tới 1000 V) và chịu được tần số cao (tới 10kHz).

Hình 1.9. Tụ điện
Ngoài ra còn có những bộ phận khác như: dây dẫn cao tần, bảng điều khiển,
các máy biến dòng điện, khởi động từ, mạch RC (điện trở nối tiếp với tụ điện) bảo
vệ quá điện áp cho Thyristor , điện trở shunt để đo dòng điện chỉnh lưu, biến áp
11

xung nghịch lưu, biến áp nguồn cấp điện cho bảng điều khiển, các đồng hồ đo điện
áp, dòng điện, tần số và đo lưu lượng nước…
 Một số hình ảnh về lò nấu thép cảm ứng trung tần
- Tủ điều khiển lò

Hình 1.10. Tủ điều khiển lò
- Lò đang hoạt động

Hình 1.11. Lò đang hoạt động
12

Chương 2
CÁC NGUỒN PHÁT SINH SÓNG HÀI – GIẢI PHÁP HẠN
CHẾ SÓNG HÀI VÀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG

2.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Sóng hài được sinh ra bởi các tải phi tuyến nối với hệ thống phân phối điện.
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 mô men 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 bị lỗi
và thiết bị đo cho kết quả sai.
Do vậy, để giảm được sóng hài cần phải sử dụng các thiết bị phát sóng hài
thấp hoặc sử dụng các phương pháp lọc ngoài. Trong đó, muốn giảm dòng điện hài
phải tăng điện cảm AC hoặc tăng số van chỉnh lưu trong bộ chỉnh lưu, để giảm điện
áp hài gây ra bởi dòng điện hài phải tăng công suất biến áp, giảm trở kháng biến áp
hay tăng khả năng chịu ngắn mạch của nguồn. Ngoài ra, các tải phi tuyến còn tiêu
thụ một lượng công suất phản kháng rất lớn, làm cho lượng công suất phản kháng
trên đường dây truyền tải giảm đi đáng kể, điều này khiến cho hệ số công suất giảm
làm tăng tổn hao, giảm chất lượng điện năng. Do đó, cần phải bù công suất phản
kháng.
Trong chương 2, chúng ta sẽ tìm hiểu về các nguồn phát sinh sóng hài, các
giải pháp hạn chế sóng hài và bù công suất phản kháng.
2.2. PHÂN TÍCH SÓNG HÀI
Công cụ để phân tích mức độ méo của dạng sóng dòng điện có chu kỳ là
phân tích Fourier. Phương pháp này dựa trên nguyên lý là một dạng sóng méo có
chu kỳ (không sin) thì có thể được thay thế bởi tổng của các sóng hài hình sin bao
gồm:
13

- Một sóng hình sin với tần số cơ bản (50 Hz).
- Thành phần không đổi hay còn gọi là thành phần một chiều.
- Một số sóng hình sin khác với tần số cao hơn, đó là bội số của tần số cơ bản.
Dạng sóng méo ở hình dưới đây được phân tích thành một thành phần sóng
cơ bản và một thành phần sóng hài bậc ba. Tổng giá trị hiệu dụng của dòng điện
méo này được tính bằng căn bậc hai của tổng các bình phương của dòng cơ bản và
dòng hài.

Hình 2.1. Dạng sóng với thành phần cơ bản và hài bậc ba
Dấu hiệu để xác định một dạng sóng méo có thành phần hài bậc chẵn hay
bậc lẻ như sau:
- Hài bậc lẻ xuất hiện khi nửa chu kỳ âm của dạng sóng méo lặp lại y hệt nửa
chu kỳ dương, nhưng với chiều âm. Nói cách khác, hài bậc lẻ xuất hiện khi phần tư
chu kỳ đầu tiên và phần tư chu kỳ thứ ba là giống nhau, tương tự đối với phần tư
chu kỳ thứ hai và thứ tư. Hài bậc lẻ xuất hiện với chỉnh lưu cầu vì nửa chu kỳ
dương và nửa chu kỳ âm là đối xứng nhau (do đó các hài bậc chẵn bị triệt tiêu).
- Hài bậc chẵn xuất hiện khi nửa chu kỳ âm của dạng sóng méo không lặp lại
nửa chu kỳ dương. Một đặc điểm khác khi có hài bậc chẵn đó là phần tư chu kỳ đầu
tiên và thứ tư là giống nhau, tương tự đối với phần tư chu kỳ thứ hai và thứ ba.
14


Hình 2.2. Thành phần hài bậc chẵn và hài bậc lẻ

Hình 2.3. Dạng sóng với thành phần hài bậc chẵn và hài bậc lẻ
Nguyên nhân chính tại sao bộ biến đổi điện tử công suất sinh ra dòng điện
hài là vì dòng điện không liên tục trong mỗi pha. Xét về khía cạnh sinh ra sóng hài
thì việc cầu chỉnh lưu dùng Diode hay Thyristor đều không quan trọng vì chúng đều
hoạt động tương tự nhau. Trong một cầu chỉnh lưu, chỉ có hai Thyristor (hoặc
Diode) được dẫn tại một thời điểm bất kỳ, và khoảng thời gian được dẫn này sẽ lần

lượt đến phiên các Thyristor (hoặc Diode) kế tiếp. Trong một chu kỳ của điện áp
nguồn cấp, mỗi một pha trong ba pha đều dẫn một xung dương trong 120
o
và một
xung âm trong 120
o
. Các dòng điện pha gián đoạn này kết hợp lại ở phía một chiều
để tạo ra dòng điện một chiều DC nhấp nháy (ripple), dòng điện này được làm
phẳng bằng một tụ điện ở phía một chiều. Như vậy, bộ chỉnh lưu có thể được xem
như một nguồn phát sóng hài về phía lưới.
15

Các bộ biến đổi điện tử công suất không sinh ra tất cả các bậc hài mà chỉ một
số bậc hài nhất định. Bậc và biên độ của một sóng hài dòng điện sinh ra bởi bộ biến
đổi điện tử công suất phụ thuộc vào ba yếu tố chính sau:
- Số xung của một bộ biến đổi (p). Số xung của bộ biến đổi là số xung một
chiều ở đầu ra của bộ chỉnh lưu trong một chu kỳ của điện áp nguồn cấp. Bậc của
sóng hài sinh ra được xác định theo công thức:
n = kp ± 1 (2.1)
Trong đó:
n: là bậc của sóng hài
k: là số nguyên dương bất kỳ
p: là số xung của bộ biến đổi
- Biên độ của dòng tải, dòng điện phía một chiều của bộ chỉnh lưu ảnh hưởng
tới biên độ của dòng điện hài.
- Biên độ của điện áp tải, điện áp một chiều của bộ chỉnh lưu ảnh hưởng tới
dòng tải.
Chuỗi phân tích Fourier của một hàm có chu kỳ x(t) được biểu diễn bằng
biểu thức sau:
 

0
1
22
cos sin
nn
n=
πnt πnt
x t = a + a +b
TT


   
   

   


(2.2)
Trong biểu thức này a
0
là giá trị trung bình của hàm số x(t), các hệ số của
chuỗi a
n
và b
n
là các thành phần vuông góc của hài bậc n. Vector hài bậc n tương
ứng là:
n n n n
A φ = a + jb
(2.3)

với biên độ:
22
n n n
A = a +b

và góc pha:
arctan
n
n
n
b
φ=
a




16

Hệ số a
0
trong biểu thức trên có thể được rút ra bằng cách lấy tích phân cả
hai vế của phương trình từ -T/2 tới T/2
 
/2 /2
0
1
/2 /2
22
cos sin

TT
nn
n=
TT
πnt πnt
x t dt= a + a +b dt
TT



   
   

   



(2.4)
Lấy tích phân từng số hạng vế phải
 
/2 /2 /2 /2
0
1
/2 /2 /2 /2
22
cos sin
T T T T
nn
n=
T T T T

πnt πnt
x t dt = a dt+ a dt+b dt
TT

   

   

   
   


   

(2.5)
Số hạng đầu tiên ở vế phải có giá trị là Ta
0
, các biểu thức tích phân còn lại
đều có giá trị bằng 0.
Vậy a
0
được tính theo công thức sau:
 
/2
0
/2
1/
T
T
a = T x t dt



(2.6)
với T là chu kỳ của x(t)
Tính hệ số a
0
bằng cách nhân cả hai vế phương trình (2.2) với cos(2πmt/T),
với m là một số nguyên dương bất kỳ, sau đó lấy tích phân từ -T/2 đến T/2
/2 /2
0
1
/2 /2
/2
0
/2
/2
1
/2
2 2 2 2
( )cos cos sin cos
2
cos
2 2 2 2
cos cos sin cos
TT
nn
n
TT
T
T

T
nn
n
T
mt nt nt mt
x t dt a a b
T T T T
mt
a dt
T
nt mt nt mt
a dt b
T T T T
   

   








       
  
       

       







      


     
     






/2
/2
T
T
dt









(2.7)
Số hạng đầu tiên ở vế phải bằng 0.




17

- Xét thừa số với b
n

   

     


     
     


/2 /2
/2 /2
2 2 1 2 ( ) 2 ( )
sin cos sin sin
2
0 m, n
TT
TT
nt mt m n t m n t
dt dt

T T T T
vôùi

(2.8)
- Xét thừa số với a
n

   

     


     
     


/2 /2
/2 /2
2 2 1 2 ( ) 2 ( )
cos cos cos cos
2
0 m, n
TT
TT
nt mt m n t m n t
dt dt
T T T T
vôùi

(2.9)

Với m = n ta có:
/ 2 / 2
2
/ 2 / 2
/ 2 /2
/ 2 /2
22
( )cos cos
4
cos
22
2
TT
n
TT
TT
nn
TT
n
mt nt
x t dt a dt
TT
a nt a
dt dt
T
aT





   

   
   







(2.10)
Hệ số a
n
được tính theo công thức:
 
/2
/2
22
cos
T
n
T
πnt
a = x t dt
TT






(2.11)
với
1n= 

Tương tự ta có:
 
/2
/2
22
sin
T
n
T
πnt
b = x t dt
TT





(2.12)
với
1n= 

Ta thấy khi hàm x(t) là đối xứng lẻ, tức là x(t) = - x(- t) thì a
n
bằng không với
tất cả các giá trị n. Như vậy chuỗi Fourier của một hàm lẻ chỉ có các thành phần sin.

18

Còn khi hàm x(t) đối xứng chẵn, tức là x(t) = x(- t) thì b
n
bằng không với tất cả các
giá trị của n. Chuỗi Fourier của một hàm chẵn chỉ có các thành phần cosin. Một
dạng sóng có thể là chẵn hoặc lẻ tùy thuộc vào khoảng thời gian tham chiếu được
lựa chọn.
Hàm x(t) gọi là đối xứng nửa sóng khi x(t) = - x(t + T/2) dạng sóng của tín
hiệu kiểu này có hình dạng tại thời gian từ (t + T/2) tới (t + T) là dạng âm của dạng
sóng từ t tới (t + T/2). Sau một số biến đổi ta có:
Với n lẻ:
 
/2
0
42
cos
T
n
πnt
a = x t dt
TT




(2.13)
 
/2
0

42
sin
T
n
πnt
b = x t dt
TT




(2.14)
Với n chẵn:
0
n
a=
0
n
b=

Như vậy, dạng sóng đối xứng nửa sóng chỉ chứa các hài bậc lẻ.
Ở chế độ vận hành đối xứng các sóng hài bậc cao có thể chia thành các thành
phần thứ tự thuận, nghịch, không:
- Thành phần thứ tự thuận: các sóng hài bậc 4, 7, 11…
- Thành phần thứ tự nghịch: các sóng hài bậc 2, 5, 8…
- Thành phần thứ tự không: các sóng hài bậc 3, 6, 9…
Khi vận hành không đối xứng thì mỗi sóng hài có thể bao gồm một trong ba
thành phần thứ tự nói trên.
Sóng hài bậc cao ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng lưới điện và phải chú ý
khi tổng sóng hài dòng điện bậc cao hơn mức độ cho phép. Sóng hài dòng điện bậc

cao là dòng điện có tần số bằng bội số nguyên lần tần số cơ bản. Ví dụ dòng 250(Hz)
trên lưới 50(Hz) là dòng hài bậc ba, dòng 250(Hz) là dòng không sử dụng được với
các thiết bị trên lưới. Vì vậy nó sẽ chuyển sang dạng nhiệt năng và gây tổn hao.
19

THD là một chỉ số quan trọng để đánh giá sóng hài và được gọi là hệ số méo
dạng (Total Harmonic Distortion) được xác định theo công thức:
THD =








(2.15)
Trong đó:
X
1
: là biên độ thành phần cơ bản
X
n
: là biên độ thành phần hài bậc n
Từ công thức (2.7) ta có thể đánh giá độ méo dạng dòng điện và điện áp qua
hệ số méo dạng dòng điện và hệ số méo dạng điện áp.
 Hệ số méo dạng dòng điện
THD =









(2.16)
Trong đó :
I
1
: là biên độ thành phần dòng điện cơ bản
I
n
: là biên độ thành phần dòng hài bậc n
 Hệ số méo dạng điện áp
THD =








(2.17)
Trong đó :
U
1
: là biên độ thành phần điện áp cơ bản
U

n
: là biên độ thành phần áp hài bậc n
20

2.3. CÁC NGUỒN PHÁT SINH SÓNG HÀI
Các nguồn phát sinh sóng hài được tạo ra bởi tất cả các tải phi tuyến. Trước
khi có sự xuất hiện của các linh kiện bán dẫn công suất, nguyên nhân chính gây ra
méo dạng sóng là các lò hồ quang, đèn huỳnh quang, và ở mức độ thấp hơn là từ
máy biến áp và máy điện quay. Dưới đây là một số nguồn phát sinh sóng hài phổ
biến trong công nghiệp.
2.3.1. Máy biến áp
Trong vận hành máy biến áp nếu xuất hiện hiện tượng bão hòa của lõi thép
do quá tải hoặc máy biến áp phải làm việc với điện áp cao hơn điện áp định mức thì
có thể sinh ra sóng hài bậc cao. Các máy biến áp thường được thiết kế để hoạt động
ở dưới điểm bão hòa, mật độ từ cảm của máy biến áp được lựa chọn dựa trên các
yếu tố như giá thành thép, các tổn hao không tải, độ ồn và các nhân tố khác. Thông
thường dòng từ hóa của máy biến áp chứa rất nhiều các thành phần hài, nó có giá trị
nhỏ hơn 1% dòng đầy tải. Mặc dù thành phần hài sinh ra bởi máy biến áp rõ ràng là
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 thành phần hài gây bởi máy
biến áp cũng cần được chú ý.
2.3.2. Động cơ điện
Tương tự máy biến áp động cơ xoay chiều khi hoạt động sinh ra sóng hài
dòng điện bậc cao. Các sóng hài bậc cao được phát sinh bởi máy điện quay liên
quan chủ yếu tới các biến thiên của từ trở gây ra bởi các khe hở giữa rotor và stator.
Các máy điện đồng bộ có thể sản sinh ra sóng hài bậc cao bởi vì dạng từ trường, sự
bão hòa trong các mạch chính và các đường dò và do các dây quấn dùng để giảm
dao động đặt không đối xứng.
2.3.3. Lò hồ quang
Sóng hài sinh ra từ các lò hồ quang sử dụng trong sản xuất thép là không thể

dự đoán được vì tia lửa điện thay đổi liên tục, không tuần hoàn theo chu kỳ. Phân
tích cho thấy dòng điện hồ quang bao gồm một dải liên tục các bậc sóng hài cả
nguyên và không nguyên. Tuy nhiên các sóng hài bậc nguyên, đặc biệt là từ bậc hai
21

đến bậc bảy, có vị trí quan trọng hơn nhiều so với hài bậc không nguyên. Biên độ
của sóng hài cũng giảm tương ứng theo bậc hài của nó. Khi mức kim loại nóng chảy
trong bể chứa tăng dần, tia hồ quang trở nên ổn định hơn, dẫn đến mức độ méo
dạng sóng giảm. Dòng điện trở nên đối xứng ở đoạn gần trục không và như vậy sẽ
triệt tiêu các bậc hài chẵn và bậc hài không nguyên. Theo thống kê cho thấy sóng
hài bậc cao đầu ra biến thiên rất lớn ví dụ như sóng hài bậc 5 là 8% khi bắt đầu
nóng chảy, 6% ở cuối gian đoạn nóng chảy và 2% của giai đoạn cơ bản trong suốt
thời gian tinh luyện.
2.3.4. Các loại đèn phóng điện
Đây là loại tải có tính phi tuyến cao. Tác hại của loại tải này cần đặc biệt chú
ý trong trường hợp đèn huỳnh quang. Khi đó phải cần thêm các chấn lưu từ để hạn
chế dòng điện trong giới hạn của ống đèn huỳnh quang và ổn định tia hồ quang.
Hình dưới chỉ ra dạng sóng dòng điện và phổ tần sóng hài của loại đèn hiệu suất
cao.

Hình 2.4. Dạng sóng dòng điện của loại đèn phóng điện hiệu suất cao
22


Hình 2.5. Phổ dòng điện của loại đèn phóng điện hiệu suất cao
2.3.5. Các thiết bị điện tử công suất
Bản thân các bộ biến đổi điện tử công suất (chỉnh lưu, nghịch lưu, điều áp
xoay chiều…) đều được cấu thành từ các thiết bị bán dẫn như Diode, Thyristor,
MOSFET, IGBT, GTO… là những phần tử phi tuyến và là nguồn gốc gây ra sóng
hài bậc cao.

Tùy thuộc vào cấu trúc của các bộ biến đổi mà sóng hài sinh ra khác nhau.
Các mạch chỉnh lưu trong biến tần thường là chỉnh lưu cầu ba pha có ưu điểm là
đơn giản, rẻ, chắc chắn nhưng thành phần đầu vào chứa nhiều sóng hài. Do đó để
giảm bớt sóng hài có thể dùng hai mạch chỉnh lưu cầu ba pha ghép lại với nhau tạo
thành chỉnh lưu 12 xung hoặc ghép bốn bộ chỉnh lưu cầu ba pha vào tạo thành bộ
chỉnh lưu 24 xung sẽ cho ra dòng điện trơn hơn, giảm đựợc các thành phần hài. Từ
đó có thể thấy là khi muốn giảm sóng hài dòng điện ta có thể tăng số van trong
mạch chỉnh lưu lên, tuy nhiên khi đó gây ra một số bất lợi như: cồng kềnh, nặng,
tổn thất điện áp lớn và sinh ra sóng hài dòng điện bậc cao khi tải không đối xứng
hoặc điện áp không đối xứng. Sau đây ta phân tích dạng sóng hài gây ra bởi một số
bộ biến đổi điện tử công suất.
23

 Cầu chỉnh lưu ba pha không điều khiển
- Mô hình cầu chỉnh lưu ba pha không điều khiển với tải R+L

Hình 2.6. Mô hình cầu chỉnh lưu ba pha không điều khiển

- Dạng sóng dòng điện trên pha A của nguồn cấp cho cầu chỉnh lưu

Hình 2.7. Dạng sóng dòng điện trên pha A của nguồn cấp cho cầu chỉnh lưu ba
pha không điều khiển
- Phổ dòng điện pha A của cầu chỉnh lưu ba pha không điều khiển

Hình 2.8. Phổ dòng điện pha A của cầu chỉnh lưu ba pha không điều khiển

24

Qua phân tích ta thấy cầu chỉnh lưu ba pha không điều khiển gây ra méo
dạng dòng điện nguồn với độ méo THD = 19,64%, lớn hơn nhiều so với tiêu chuẩn

cho phép. Chủ yếu là các thành phần hài bậc 5, 7, 11, 17, 19.
 Cầu chỉnh lưu ba pha có điều khiển
- Mô hình cầu chỉnh lưu ba pha có điều khiển với tải R+L

Hình 2.9. Mô hình cầu chỉnh lưu ba pha có điều khiển
- Dạng sóng dòng điện trên pha A của nguồn cấp cho cầu chỉnh lưu
 Trường hợp góc điều khiển α = 30
0


Hình 2.10. Dạng sóng dòng điện trên pha A của nguồn cấp cho cầu
chỉnh lưu ba pha có điều khiển với góc α = 30
0


25


 Trường hợp góc điều khiển α = 60
0


Hình 2.11. Dạng sóng dòng điện trên pha A của nguồn cấp cho cầu
chỉnh lưu ba pha có điều khiển với góc α = 60
0


 Trường hợp góc điều khiển α = 90
0

Hình 2.12. Dạng sóng dòng điện trên pha A của nguồn cấp cho cầu
chỉnh lưu ba pha có điều khiển với góc α = 90
0