luan van nghien cuu song hai he thong ESP

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG SÓNG HÀI LÊN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG TRONG
HỆ THỐNG ĐIỆN ESP (LỌC BỤI TĨNH ĐIỆN) TẠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN VŨNG
ÁNG 1
CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN VỀ SÓNG HÀI VÀ CÁC TÁC ĐỘNG ĐẾN SỰ LÀM VIỆC
CỦA CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN.
I – TỔNG QUAN VỀ SÓNG HÀI
1 - Khái niệm về sóng hài.
Chúng ta biết rằng, các dạng sóng điện áp sin được tạo ra tại các nhà máy điện, trạm điện lớn
thì rất tốt. Tuy nhiên, càng di chuyển về phía phụ tải, đặc biệt là các phụ tải phi tuyến thì các
dạng sóng càng bị méo dạng. Khi đó dạng sóng không còn sin.

Hình 1.1 – Các dạng sóng thường có trong hệ thống điện
Sóng hài là trường hợp riêng của sóng điều hòa, sóng điều hoà có thể coi là tổng của các
dạng sóng sin mà tần số của nó là bội số của tần số cơ bản, nếu bội số là số nguyên thì gọi là
hài (harmonic), bội số khác số nguyên gọi là hiện tượng âm hài (interharmonic). Hay nói cách
khác một sóng điều hòa bất kỳ là tổng của sóng thành phần cơ bản và các thành phần điều hòa
bậc cao hơn.

Hình 1.2 - Dạng sóng điều hòa bất kỳ


Hình 1.3 - Các thành phần của sóng điều hòa
Với điều kiện vận hành cân bằng các sóng điều hòa bậc cao có thể chia thành thành
phần thứ tự thuận, nghịch, không:
• Thành phần thứ tự thuận: các sóng điều hòa bậc 4, 7, 11…
• Thành phần thứ tự nghịch: các sóng điều hòa bậc 2, 5, 8…
• Thành phần thứ tự không: các sóng điều hòa bậc 3, 6, 9…
Đối với điều kiện không cân bằng trong các pha chẳng hạn như điện áp hệ thống không
cân bằng, tải các pha không đối xứng, mỗi sóng điều hòa có thể xảy ra một trong ba thành
phần thứ tự nói trên.
Sóng điều hòa bậc cao ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng lưới điện và phải chú ý khi

tổng sóng điều hòa dòng điện bậc cao cao hơn mức độ cho phép. Sóng điều hòa 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 điều hòa bậc 5, 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.
2 - Phân tích sóng hài.
Công cụ để phân tích mức độ méo của dạng sóng dòng điện có chu kỳ là phân tịc
Fourier. Phương pháo này dựa trên nguyên lý là một dạng sóng méo, có chu kỳ (không sin) thì
tương đương và có thể được thay thế bởi tổng của các dạng sóng điều hòa hình sin, chúng bao
gồm:
- Một sóng hình sin với tần số cơ bản (50 Hz);
- Một số các sóng hình sin khác với tần số hài cao hơn, đó là bội của tần số cơ bản.
Dấu hiệu để xác định một dáng sóng méo có thành phần hài bậc chẵn hay bậc lẽ như sau [10]
- Hài bậc lẽ xuất hiện khi nữa chu kỳ âm của dạng sóng méo lập đi lập lại y hệt nữa chu kỳ
dương nhưng với chiều âm. Nói cách khác, hài bậc lẻ xuất hiện khi phần tư chuy kỳ đầu
tiên và phần tư chu kỳ thé ba là giống nhau, phần tư chu kỳ thứ hai và thứ tư giống nhau.


Hài bậc lẻ xuất hiện với chỉnh lưu cần vì nữa chu kỳ dương và nữa chu kỳ âm là đối xứng
với nhau (do đó các hài bậc chẵn bị triệt tiêu).
- Hài bậc chẵn xuất hiện khi nữa chu kỳ âm không lặp lại nửa chu kỳ dương. Một đặc điểm
khác khi có hài bậc chẵn đó là phần tư thứ nhất và thứ tư là giống nhau, phần tư thứ hai và
thứ ba là giống nhau. Thường ít khi thấy hài bậc chẵn trong các hệ thống điện [10]
Bất kể một dạng sóng nào cũng có thể biểu diễn dưới dạng tổng các hàm chức năng sin
và cosin. Nó cũng được gọi là chuỗi Fourier: [8]
Trong biểu thức này a0 là giá trị trung bình của hàm số x(t), các hệ số của chuỗi a n, và bn
là các thành phần vuôn góc của hài bậc n. Vector hài bậc n tương ứng là:
Với biên độ
Và góc pha là
Hệ số a0 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

Ta lấy tích phân từng số hạng vế phải
Số hạng đầu tiên ở vế phải có giá trị là Ta 0. Các biểu thức tích phân còn lại đều có giá
trị là không.
Vậy a0trong biểu thức trên có thể được rút ra bằng công thức sau
với T là chu kỳ của x(t)
Tính hệ số a bằng cách nhân cả hai vế phương trình (1) với cos(2πmt/T), với m là một
số nguyên dương bất kỳ, sau đó lấy tích phân từ -T/2 đến T/2.

Số hạng đầu tiên ở vế phải bằng không.
Xét thừa số với bn
với m, n.
Xét thừa số với an
với m, n.
Với m = n ta có


Hệ số an được tính theo công thức
với n = 1 → ∞.
Tương tự ta có
với n = 1 → ∞.
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 chuổi Fourier của một hàm lẻ chỉ có các thành phần sin.
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. Chuổi Fourier của một hàm chẵn chỉ có các thành phần cos.
Một dạng sóng có thể là chẵn hoặc lẽ phụ 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 với t+T là dạng ấm
của dạng sóng từ t tới t+T/2. Sau một số biến đổi ta có:
Với n lẽ

Dạng đặc tính tam giác đối xứng của hàm bậc lẽ:

Với n chẵn
an = 0; bn = 0.
Dạng đặc tính tam giác đối xứng của hàm bậc lẽ:

Như vậy dạng sóng đối xứng nữa sóng chỉ chứa các hài bậc lẽ.
2.1- Các thông số đặc trưng của sóng hài
2.1.1- Chỉ số méo dạng sóng điện áp


Chỉ tiêu đánh giá phổ thông nhất dành cho méo dạng sóng điện áp là chỉ số méo dạng
sóng tổng hợp -Tổng độ méo sóng hài (Total Harmonic Distortion)THD là đại lượng thể hiện
tỷ số giữa giá trị hiệu dụng của các thành phần hài bậc cao so với thành phần sóng điện áp cơ
bản:
Ở đây U1 – Giá trị hiệu dụng của điện áp bậc cơ bản (50Hz hoặc 60Hz)
Un - Giá trị hiệu dụng thành phần của sóng hài bậc n và N là bậc cao nhất của sóng hài cần
đánh giá
Trong đa số các trường hợp,bậc sóng hài cao nhất thường không vượt quá bậc 25.
Nhưng trong một số tiêu chuẩn,người ta có thể quan tâm đến các sóng hài bậc 50.
Dạng phổ của sóng hài được thể hiện ở hình dưới

2.1.2 Chỉ số méo dòng điện
Méo dạng sóng dòng điện cũng có thể được đánh giá bằng công thức trên. Nhưng trong
trường hợp dòng điện tải có thành phần hiệu dụng của bậc cơ bản có giá trị nhỏ, việc đánh giá
bằng chỉ số THD trên có thể dẫn đến những hiểu lầm.Lý do là vì một giá trị THD lớn đối với
dòng điện sẽ không có ý nghĩa nhiều khi dòng điện của tải nhỏ. Vì khi đó, thành phần sóng hài
sẽ nhỏ theo mặc dù nó có giá trị đáng kể so với dòng điện thành phần cơ bản. Để tránh vấn đề
trên, một chỉ số khác được sử dụng để đánh giá mức độ méo dạng sóng dòng điện đó là chỉ số

TDD:
Trong đó:
In – Giá trị hiệu dụng của dòng điện sóng hài bậc n và N là bậc cao nhất của sóng hài cần đánh
giá;
IR – Giá trị danh định hoặc giá trị cực đại của một dòng điện tải tham chiếu.


Giá trị TDD đánh giá tỷ số của dòng điện sóng hài so với một giá trị cố định thay vì
một đại lượng biến đổi. Bởi vì hệ thống cung cấp điện được thiết kế để phục vụ cho một phụ
tải loén nhất đó sẽ có ý nghĩa nhiều hơn so với một giá trị tức thời biến thiên theo thời gian
phụ thuộc vào mức độ tiêu thụ công suất của tải đó.

3.Các nguồn tạo sóng hài
Cùng với sự xuất hiện của ngành điện tử bán dẫn, các ứng dụng dùng các bộ biến đổi điện
tử công suất lớn như hệ thống lò hồ quang, hệ thống biến tần công suất là nguyên nhân chính
gây ra các méo dạng sóng. Các hệ thống dân dụng khác có công suất nhỏ hơn như đèn phóng
điện cũng là nguyên nhân gây ra các ảnh hưởng méo dạng sóng đến các thiết bị truyền thống
như động cơ điện và máy biến áp.
Trong thời gian gần đây, sự gia tăng các ứng dụng điện tử công suất nhằm đạt được các
yêu cầu về tính năng của thiết bị điện là lý do chủ yếu để phải quan tâm đến méo dạng sóng.
Một bộ biến đổi điện tử công suất có thể được xem như là một ma trận tập hợp các van bán
dẫn chuyển mạch. Chúng cho phép hình thành nên những tổ hợp các phép liên kết nối mềm
dẻo giữa đầu ra với đầu vào. Băng cách sử dụng các tổ hợp này, công suất sẽ được truyền qua
bộ biến đổi theo những cách khác nhau và đạt được những yêu cầu khác nhau về tính năng
(lưu trữ tức thời, truyền công suất…).
Bộ biến đổi điện tử công suất phổ thông nhất là bộ chỉnh lưu một pa. Bộ biến đổi này là
thiết bị đầu vào và cung cấp năng lượng cho hầu khắp các thiết bị dân dụng và văn phòng.
Mặc dù công suất định mức của bộ chỉnh lưu một pha là nhỏ, nhưng nếu tập hợp chúng lại sẽ
gây nên sự méo dạng điện áp và dòng điện một cách đáng kể.
Những hệ thống chỉnh lưu công suất lớn cũng là những đối tượng gây ra hiện tượng sóng

hài. Cũng từ Chỉnh lưu và nghịch lưu được dùng để mô tả quá trình biến đổi năng lượng điện
xoay chiều (AC) thành năng lượng điện một chiều (DC) và ngược lại. Cũng từ Bộ biến đổi
được dùng để mô tả các thiết bị điện tử công suất có khả năng truyền tải công suất theo cả hai
chiều.
Tùy theo thời điểm mở của các van bán dẫn trong một chu kỳ ở trạng thái xác lập, có vài
nguyên tắc khác nhau để điều khiển việc đóng mở các thiết bị bán dẫn:
a) Điều khiển góc pha mở cố định. Thời điểm mở van bán dẫn sẽ cố định so với mốc điện

áp chuyển mạch cố định trong chu kỳ.
b) Điều khiển khoảng cách dẫn cố định. Xung mở bán dẫn sẽ được cung cấp với những
khoảng thời gian cố định.


c) Điều khiển độ rộng xung mở. Xung mở van bán dẫn sẽ được phát cố định theo các

khoảng cách thời gian nhưng thời gian dẫn thay đổi.
Nhìn từ phía nguồn, các hệ thống truyền động dùng biến tần được cung cấp điện từ lưới
thông qua bộ chỉnh lưu tựa lưới nên các đóng góp về méo dạng điện áp gây ra bởi các bộ bỉnh
lưu sẽ được quan tâm nhiều hơn. Các tải phía sau biến tần (động cơ) sẽ nhận được điện áp điều
biến độ rộng xung (PWM). Dạng điện áp này cũng chứa thành phần sóng hài nên cũng cần
được quan tâm.
Các đối tượng là nguyên nhân gây méo dạng sóng:
3.1 Tải không tuyến tính
a. 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 sẽ có quan hệ sau:
Từ phương trình trên, biểu thức biểu diễn từ thông có dạng như sau:
Điều này có nghĩa rằng điện áp sơ cấp thuần sin sẽ sinh ra một từ thông không 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 tỷ lệ 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 ở hình …..
Để duy trì điện áp sin, từ thông sin phải được tạo ra từ dòng từ-magnetizing current.
Khi biên độ của điện áp ( và từ thông ) đủ lớn để rơi vào trường hợp không tuyến tính trong
đường cong B-H, sẽdẫn đến dòng điện từ lớn bị méo dạng và chứa sóng hài.


Hình….- Hiện tượng bảo hòa máy biến thế
Mặc dù vậy, 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 – 2%) so với dòng điện tải
nên hiện tượng trên không làm cho dòng điện bị méo dạng sóng nhiều lắm.
Các quan hệ dòng điện từ hóa và từ thông trên hình …. Có nguồn gốc chủ yếu từ các
dòng điện thứ tự nghịch và đặc biệt là dòng điện thành phần sóng hài bậc 3. 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 (delta – Δ) các cuộn
dây máy biến áp.
Đối với máy biến áp ba pha ba trụ, thành phần sức từ động bội 3 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 3 này (từ
thông bội 3 tổng hợp sẽ chỉ đạt khoảng 10% giá trị từ thông bội 3 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 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.
Dạng sóng và phổ của dòng pha A khi máy biến thế hoạt động với điều kiện quá điện áp 110%

Hình - Dòng pha A và phổ của nó khi hoạt động ở quá điện áp 110%
b) Máy biến áp 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 testla ở chế độ xác lập. Nếu máy biến áp này
đang vận hành ở đỉnh của mật độ từ cảm bảo hòa và điện áp đặt vào vượt quá 30% giá trị danh
định, mật độ từ cảm bảo hòa trong lõi thép có thể dâng cao tới 2 testla. Điều này tương ứng với
việc lõi thép của máy biến áp bị bảo hòa nặng nề.


Trường hợp máy biến áp bị bảo 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 bảo hòa rất sâu. Đối với các máy biến áp chỉnh lưu, dòng điện từ hóa trong
trường hợp máy biến áp bị bảo 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 4-7.

Hình ….. dòng từ hóa và các thành phần hài bậc cao theo điện áp
Đường A – dòng điện từ hóa theo tỷ lệ dòng danh định; B – Dòng từ hóa tần số cơ bản (theo tỷ
lệ với dòng từ hóa tổng); C, D, E, dòng bậc 3, 5, 7 tương ứng theo tỷ lệ với dòng từ hóa cơ bản
b) Đóng xung kích máy biến áp
Trước khi máy biến áp được đưa vào lưới hoạt động trong lõi thép của nó có thể cong tồn tại
một thành phần từ dư Br nhất định nào đó.
Khi đóng xung kích 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 giá trị xung của mật độ tự cảm này
có thể đạt tới mức 4,7 Testla (hình 4-8).


Hình 4.8 – Mật độ từ cảm trong lõi thép khi có và không có từ dư Br .
Khi đó, máy biến áp sẽ nhận được một sức từ động lớn hơn nhiều lần so với giá trị thông
thường của mật độ từ cảm làm việc. Điều nàu sẽ sinh ra một dòng điện từ hóa lớn gấp 5 đến 10

lần so với dòng từ hóa thông thường (hình 4-6)

Hình 4.9 – Dòng điện xung không tải của máy biến áp 5MVA, Br = 1,3T, α = 0
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 với lý do điện trở dây quấn sơ cấp có giá trị nhỏ.
d)Sự phân bố dây quấn rải theo pha và theo cực của stator sẽ làm phát sinh các dòng hài không
gian trong sức từ động của dây quấn stator. 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 cong dạng thuần sin và phát
sinh ra sóng hài (hình 4-10)


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.
3.2 – Thiết bị hồ quang
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. Các loại thiết bị hồ quang phổ biến là lò hồ quang,
thiết bị hàn hoặc thậm chí là các loại đèn phóng điện.
Đặc tính Vôn-Ampe của hồ quang được biểu diễn trên hình 4-11 (b). Chúng có dạng gần như
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 60kA. Giá trị này bị giới
hạn bởi tổng trở đường dây cáp cung cấp tới thiết bị hồ quang. Hình 4-12 biểu diễn các thành
phần sóng hài trong dòng điện chảy vào lò hồ quang. Có thể nhận thấy tỷ lệ các thành phần
dòng điện sóng hài bậc cao rất lớn đối với loại phụ tải này. 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.
3.3 – Các loại đèn phóng điện
Đèn phóng điện được sử dụng rất rộng rãi trong dân dụng 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….


Hình …..Dạng sóng dòng điện của đèn huỳnh quang và phổ tần số của nó
Hình 4-13 thể hiện dạng sóng dòng điện của đèn huỳnh quang dân dụng. Có thể thấy dạng
sóng này 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.
3.4- Thiết bị điện tửcông suất, bộ biến đổi công suất
Các thiết bị điện tử thường được cung cấp nguồn DC qua bộchỉnh lưu cầu 1 pha, 3 pha,
điện áp DC ngõ ra bộ chỉnh lưu được san bằng với tụ điện C, các bộ biến tần chuyển đổi ACDC-AC, các bộ lưu điện, các bộ điều khiển SVC, STACOM....được sử dụng rộng rãi và trở
thành tầm quan trọng không thể thiếu trong hệ thống điện.
tùy theo mục đích sử dụng, các van bán dẫn có thể là linh kiện được điều khiển (GTO,
MOSFET, THYRISTOR,....) hay các linh kiện không điều khiển được (diode).
Ta xét dạng sóng điều hòa gây ra bởi một số bộ biến đổi công suất:
- a) Xét chỉnh lưu cầu một pha không điều khiển có mô hình:


Dòng điện trên đường dây cấp nguồn cho bộ chỉnh lưu

Dạng phổ dòng điện:

b) Xét chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển:
Sơ đồ bộ chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển:

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

Dạng phổ dòng điện:


Ta thấy dòng điện đầu vào bộ chỉnh lưu cầu ba pha có độ méo rất lớn THD=28,52 %. Các
thành phần sóng điều hòa này là do tính phi tuyến của bộ chỉnh lƣu cầu gây ra. Trong đó các
thành phần sóng điều hòa bậc 5, 7, 11 là chủ yếu.
c) Xét trường hợp bộ chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển
Sơ đồ nguyên lý của chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển:

Mô hình bộ chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển:

Trong trường hợp góc điều khiển là 300 ta có dòng điện trên pha A:


Dạng phổ dòng điện chỉnh lưu:

Từ phân tích ở trên với chỉnh lưu cầu ba pha ta thấy khi thay đổi góc điều khiển thì độ
méo dòng điện cũng tăng lên rất lớn. THD=149,44% trong trường hợp góc điều khiển là 90 0 so
với khi góc điều khiển 300 có THD=33,26% và chỉnh lưu không điều khiển là THD=28,52%.
Như vậy khi càng tăng góc điều khiển thì các thành phần sóng điều hòa bậc cao sinh ra
càng lớn làm cho độ méo dòng điện càng tăng.
4. Kết luận
Trên đây là mộ danh sách chưa đầy đủ về các nguồn phát sóng hài trong thực tế dân dụng cũng
như công nghiệp. Đối với máy biến áp, trong các chế độ làm việc bình thường, thành phần
dòng điện méo bậc cao không đáng kể. Chỉ trong những thời điểm đóng xung kích máy biến
áp vào lưới hoặc máy biến áp bị vận hành ở điện áp lưới vượt quá giá trị điện áp định mức,
máy biến áp mới phát sinh sóng hài dòng điện.
Đối với các máy điện quay, cấu trúc chế tạo không đối xứng trong không gian của các máy

điện này cũng là một phần gây nguyên nhân méo dạng sóng. Mặc dù vậy, đóng góp của các
loại máy điện này vào làm việc làm biến dạng sóng của lưới chỉ chiếm một phần rất nhỏ.
Thiết bị điện biến đổi điện tử công suất chiếm phần lớn trong việc làm gia tăng ô nhiễm
sòng hài trên lưới điện.


II – CÁC ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG HÀI ĐẾN SỰ LÀM VIỆC CỦA CÁC THIẾT BỊ
TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
Một khi nguồn ô nhiểm sóng hài đã được chỉ rõ, cần phải làm sáng tỏ các ảnh hưởng của
chúng lên hệ thống còn lại cũng như ảnh hưởng đên con người và hệ thống thiết bị liên
quan.
Một phần tử trong hệ thống điện phải được xem xét một cách cẩn thận tính nhạy cảm của
chúng đối với sóng hài. Từ đó, có thể đưa ra được những gợi ý hoặc tiêu chuẩn tham chiếu
về mức độ ô nhiễm sóng hài cho phép.
Các ảnh hưởng của sóng hài điện áp và sòng điện lên hệ thống có thể là:
-

Gây ra hoặc tăng nguy cơ cộng hưởng cục bộ do việc sóng hài tăng cao,
Giảm hiệu suất hệ thống nguồn phát, truyền tải và sử dụng điện năng,
Gây già hóa tăng cường cách điện, gây giảm tuổi thọ thiết bị,
Gây tác động nhầm cho các hệ thống bảo vệ và các phần tử khác.

Sau đây sẽ xét cụ thể các ảnh hưởng đó.
4.3.4.1. Gây cộng hưởng
Các nguồn gây sóng hài có thể được coi như các nguồn dòng sóng bậc cao. Việc cộng hưởng
có thể xảy ra khi một tụ điện được đấu song song với một nguồn sòng sóng hài bậc cao. Khi
đó, điện áp sóng hài cộng hưởng sẽ tăng cao và dòng điện sóng hài sẽ tăng theo. Tần số cộng
hưởng song song có thể được xác định bằng biểu thức sau:

Trong đó:

f – Tần số cơ bản của lưới điện (Hz)
fp – Tần số cộng hưởng song song (Hz)
Skt – Công suất ngắn mạch của nguồn (kVA);
Sc – Công suất định mức của tụ (kVAr);


Hình ….Cộng hưởng song song tại điểm đấu nối chung
Khi cần xác địng nguyên nhân gây ra cộng hưởng song song xuất phát từ phía lưới hay từ phía
tải, cần đo dòng điện sóng hài ở từng phụ tải, từ nguồn và điện áp hài tại điểm đấu nối (hình 425). Trong trường hợp dòng điện hài chải từ nguồn đến có giá trị bé nhưng điện áp hài vẫn lớn
thì việc cộng hưởng xuất phát từ phía phụ tải. Ngược lại nếu dòng sóng hài chảy vào phụ tải A
lớn gây nên điện áp hài lớn, sự cộng hưởng này xảy ra giữa điện kháng hệ thống với tụ phụ tải.

Sóng hài lan truyền trên hệ thống cũng có thể gây cộng hưởng nối tiếp với các phần tử của
hệ thống điện (hình 4-26). Tần số cộng hưởng nối tiếp được xác địng như sau:

Trong đó:
fs - Tần số cộng hưởng nối tiếp;
Str – Công suất định mức của máy biến áp nguồn;
Ztr – Tổng trở tương đương của máy biến áp nguồn;
Sc – Dung lượng của tụ;
Stal – Công suất địng mức của phụ tải.


Khi xảy ra cộng hưởng nối tiếp, mặc dù điện áp hài có thể nhỏ nhưng vẫn dẫn đến dòng
điện chảy vào tụ rất lớn. Đây là trường hợp phổ biến thường gặp trong thực tế.
Việc cộng hưởng gây khó khăn cho việc thiết kế các hệ thống bù hệ số công suất cũng như
làm cho hệ thống bù này thường xuyên bị quá tải. Hiện tượng này trong thực tế diễn ra rất
nhiều và làm cho tụ điện phòng rộp trước khi đến tuổi thọ định mức.
Việc cộng hưởng cục bộ còn gây cho hệ thống truyền thông tin trên đường dây bị hỏng. Hệ

thống truyền thông tin trên đường dây điện thường dùng một cấu trúc LC cộng hưởng ở
một số nào đó cao hơn so với tần số lưới điện để lọc thông tin. Sự tồn tại của sóng hài trên
đường dây sẽ làm cho hệ thống truyền thông tin cộng hưởng với tần số của sóng hài. Điều
này làm phá hủy hệ thống thông tin cộng hưởng với tần số của sóng hài. Điều này làm phá
hủy hệ thống thông tin hoặc làm giảm hiệu quả truyền tin.
4.3.4.2 Tăng tổn thất trên động cơ
Điện áp không thuần sin được đặt trên động cơ sẽ làm gia tăng phát nóng phụ trên động cơ.
Trong đa số các trường hợp nếu mức độ méo nằm trong mức dưới 5% mức độ phát nóng
phụ trên động cơ sẽ nằm ở mức chấp nhận được. vượt qua giới hạn trên, nhiệt độ trên động
cơ sẽ gia tăng đáng kể so với chế độ nhiệt định mức.
Méo điện áp và méo dòng điện dẫn đến gia tăng tổn thất trên dây quấn Stator, dây quấn
rotor và trên mạch từ của cả hai bộ phận này. Nguyên nhân là vì thành phần dòng điện
Foucault và hiệu ứng bề mặt sẽ đóng góp nhiều vào các thành phần tổn hao khi dòng điện
hoặc điện áp chứa thành phần sóng hài bậc cao.
Từ thông rò gây ra bởi dòng điện sóng hài cũng khiến cho tổn hao tăng lên.
Đối với các loại máy điện quay, rotor kiểu lồng sóc sẽ cho phép chịu quá nhiệt do sóng hài
tốt hơn so với rotor dây quấn. Lý do là vì cấu trúc của rotor lồng sóc cho phép phân bố
không gian sóng hài cũng như phân bố nhiệt tốt hơn so với rotor dây quấn cùng công suất.
4.3.4.3. Tăng mô men bậc cao gây rung trên máy điện quay.
Tương ứng với mỗi tần số bậc cao, có một sơ đồ thay thế tương đương của máy điện quay.


Hình ….Sơ đồ thay thế của máy điện quay tương ướng với mỗi tần số bậc cao
Dòng điện bậc cao xuất hiện trong stator máy điện quay sẽ sinh ra một từ trường quay
tương ứng với nó. Từ trường bậc cao này sinh ra mô men bậc cao quay cùng chiều hoặc
ngược chiều với chiều quay của rotor theo chiều quay của từ trường quay ở sóng cơ bản.
Mỗi dòng điện hài bậc cao Is sẽ sinh ta một mô men bậc cao Is2(r2s/sth) tương ứng với vận
tốc quay bậc n so với tần số cơ bản. nếu quy đổi đại lượng công suất này về hệ đơn vị
tương đối, mô men này sẽ được tính bằng công thức sau:
Tn – (Is2/n)/(r2s/sth)

Giá trị mô men bậc cao này so với mô men định mức của động cơ là không đáng kể. Tuy
nhiên, tùy thuộc vào thứ tự của sóng bậc cao (thứ tự thuận hoặc nghịch) mà môn men bậc
cao này lại gây ra mô men rung bậc cao.
4.3.4.4. Tăng tổn thất và giảm tuổi thọ máy biến áp
Sự tồn tại của điện áp bậc cao làm gia tăng tổn hao dòng điện xoáy và tổn hao từ trễ trong
lõi thép và gây hỏng cách điện, sự gia tăng tổn thất này phụ thuộc vào tỷ lệ của thành phần
sóng hài trong điện áp và cấu trúc của máy biến áp.
Hiệu ứng chính của dòng điện bậc cao đối với máy biến áp là gia tăng nhiệt lượng sinh ra
do tổn thất phụ có nguồn gốc sóng hài. Hiệu ứng khác cũng có thể kể đến là sòng điện sóng
hài có thể gây cộng hưởng giữa điện cảm của máy biến áp với điện dung của hệ thống gây
rung động cơ khí trên cuộn dây và lõi théo… Đối với máy biến áp chỉnh lưu, gia tăng tổn
hao này nghiêm trọng hơn bởi vì dòng điện sóng hài không bị hạn chế bởi các hệ thống
kháng điện lọc. Chính vì vậy, bên trong các máy biến áp chỉnh lưu sẽ xuất hiện các điểm
nóng cục bộ rất lớn.
Các máy biến áp có tổ đấu dây tam giác mặc dù hạn chế được sự lan truyền của dòng sóng
hài bộ ba thứ tự không trên đường dây nhưng chính những máy biến áp này lại là đối tượng
chịu ảnh hưởng nhiều bởi những dòng điện bộ ba đó. Trong các cuộn dây nối tam giác,
phát nhiệt tăng cường sẽ lớn hơn rất nhiều nếu nhe thiết kế của các máy điện này khộng
được điều chỉnh cho phù hợp với trạng thái làm việc thực tế chứa nhiều sóng hài.


Trong thực tế, đã có nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng máy biến áp cấp điện cho các phụ tải
phát sinh nhiều sóng hài cần phải được xem xét điều chỉnh công suất cho phù hợp với điều
kiện phát nhiệt. Tiêu chuẩn ANSI/IEEE C57.110 có đưa ra một số hệ số điều chỉnh như
sau:

Trong đó: Ik – Dòng điện hiệu dụng của sóng hài bậc k.
4.3.4.5 Tăng tổn thất trên tụ bù
Cộng hưởng nối tiếp và song song có thể xảy ra giữa hệ thống tụ bù với phần còn lại của hệ
thống. Cộng hưởng gây nên phát nóng tăng cường trên hệ thống tụ bù. Do đó, khi tính toán

tụ bù thì ngoài việc tính toán giá trị hệ số công suất cần đạt còn cần phải tính đến các khả
năng gây cộng hưởng trong hệ thống.
Hệ thống tụ bù hệ số công suất thường được chỉnh định đối với các tần số bậc 3 và bậc 5
bằng cách ghép nối với một kháng điện nhỏ (tương ứng với 9% và 4% dung lượng của tụ).
Điều này giúp cho hệ thống tụ mang tính cảm nhiều hơn đối với các tần số bậc cao hơn 3
(hoặc 5 tương ứng) và giúp tránh hiện tượng cộng hưởng song song.
4.3.4.6. Sóng hài gây sai lệch hệ thống đo đếm điện năng
Hệ thống đo đếm điện năng được chế tạo và hiệu chỉnh dựa trên cơ sở của sóng cơ bản
thuần sin. Do vậy khi làm việc với các dạng sóng bậc cao, chúng ta có thể bị ảnh hưởng về
độ chính xác. Giá trị biên độ và trào lưu của dòng công suất bậc cao có ảnh hưởng nhiều
đến việc tính toán điện năng tiêu thụ bì các hệ thống đo đếm bị ảnh hưởng của chiều dòng
chảy công suất này.
Tùy thuộc theo nguyên lý làm việc của hệ thống đo đếm, sai số gây ra do sóng hài lớn có
thể làm cho sai số dương hoặc âm.
Biểu thức tính cho công suất tổng hợp mà hệ thống đo đếm dùng là:
Pt = Udc.Idc+U1I1.cos(φ1) + UkIk cos(φk).
Trong đó
Pt – Công thức tức thời tổng của phụ tải tiêu thụ
UdcIdc – Công suất một chiều (ký hiệu là Pdc).


Ut.It.cos(φ1) – công suất ở thành phần cơ bản (kí hiệu là PF).
Uh.Ih.cos(φh)- Tổng công suất quy đổi của các thành phầ sóng hài bậc cao (ký hiệu là P H).
Thiết bị đo đếm sẽ không đo thành phần một chiều, nhưng sự tồn tại của các thành phần
một chiều ảnh hưởng đáng kể tới độ chính xác của thiết bị đo, sai số của thiết bị đo sẽ tỷ lệ
thuận với tỷ số Pdc/PT.
Tương tự như vậy, bất kỳ sai khác nào về đo đếm sóng hài bậc cao sẽ gây ra sai số tỷ lệ
thận với đại lượng ± K..PN/PT, trong đó hệ số K phụ thuộc vào đáp ứng tần số của thiết bị
đo. Dấu của chỉ số này phụ thuộc vào chiều của luồng công suất. Trong số trường hợp tới
hạn, sai số của thiết bị đo khi có sự xuất hiện của thành phần sóng hài bậc cao có thể đạt tới

trên 6%.
Sự ra đời của các thiết bị đo công nghệ số đã giúp cho đếm điện năng trở nên chính xác
hơn đối với các thành phần sóng hài bậc cao. Các thiết bị đo này sử dụng nguyên lý chuyển
đổi khác (ví dụ đổi từ quang) so với nguyên lý cảm ứng điện từ nên không phải vấn đề sai
số đối với sóng hài bậc cao. Mặc dù vậy chi phí cho những hệ thống đo đếm này còn tương
đối đắt do tính chất phức tạp của thiết bị công nghệ.
4.3.4.8. Sóng hài gây nhiễu hệ thống bảo vệ, thông tin và truyền thông
Sóng hài có thể gây biến dạng hoặc sai lệch đặc tính bảo vệ của các thiết bị bảo vệ thậm chí
sai lệch nguyên lý bảo vệ. Các hệ thống relay điện cơ và điện tử là những hệ thống chịu
ảnh hưởng nhiều nhất do sự xuất hiện của sóng hài.
Thiết bị đóng cắt có thể bị tác động sớm hơn so với ngưỡng chỉnh định được cài đặt trước.
Lý do có thể là biến thiên di/dt sẽ lớn hơn, nhiệt độ trên cuộn cắt lớn hơn nếu có sóng hài
bậc cao….Khi đó, năng lực của thiết bị bảo vệ cũng bị suy giảm.
4.3.4.8 Tăng tổn thất trên đường dây truyền tải điện
Dòng điện bậc cao chảy trên đường dây sẽ gây nên 2 hiệu ứng bất lợi cho hệ thống truyền
tải điện năng. Thứ nhất là dòng điện bậc cao sẽ gây phát nóng tăng cường theo tỷ lệ các
thành phần sóng hài chứa trong dòng điện đó:

Trong đó:
Ik – Dòng điện sóng hài bậc cao


Rk – Điện trở của hệ thống tương ứng với tần số bậc k đó. Hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng gần
sẽ làm tăng tăng đáng kể giá trị của điện trở hệ thống tương ứng.
Quan hệ giữa điện trở xoay chiều phụ thuộc vào tần số so với điện trở một chiều được quy
định trong tiêu chuẩn IEC 60287-1-1

Hình 4-30 – Tổng trở của dây dẫn phụ thuộc theo tần số
Hiệu ứng thứ hai là dòng điện bậc cao sẽ gây ra điện áp rơi bậc cao trên các tổng trở của
các phần tử tổng trở mạch mang dòng điện đó. Điều đó tương đương với việc các hệ thống

yếu (có tổng trở lớn và có công suất ngắn mạch nhỏ) sẽ phát sinh các điện áp rơi bậc cao có
giá trị lớn.
Trong các hệ thống cáp, điện áp bậc cao này sẽ sinh ra các rung động điện áp tương ứng
với giá trị đỉnh của chúng và các điện áp đỉnh này sẽ giáng lên cách điện của cáp. Hiện
tượng này sẽ làm cho tuổi thọ của cáp giảm đi đáng kể và làm tăng chi phí thay thế cũng
như bảo dưỡng
Chương 2 – CÁC GIẢI PHÁP HẠN CHẾ ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG HÀI VÀ CẢI
THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN
I – ĐÁNH GIÁ MÉO SÓNG ĐIỀU HÒA
1.1 – Điểm nối chung
Việc đánh giá độ méo sóng điều hòa thường được thực hiện tại điểm giữa các phụ tải điện (hộ
tiêu thụ) và hệ thống phân phối, tại điểm này có các phụ tải khác nhau nối tới. Điểm này gọi là
điểm nối chung (point of common couple).l
Điểm PCC có thể ở phía sơ cấp hoặc thứ cấp của máy biến áp phụ thuộc vào máy biến áp đó
có cung cấp tải cho nhiều phụ tải hay không. Điều này có nghĩa là nếu có nhiều hộ sử dụng


cùng lấy nguồn từ phía sơ cấp của máy biến áp thì PCC ở phía sơ cấp, còn ngược lại, nếu có
nhiều phụ tải cùng lấy nguồn từ phía thứ cấp thì PCC ở phía thứ cấp
Khi điểm PCC ở phía sơ cấp thì việc đo đạc dòng điện vẫn thực hiện ở phía thứ cấp. Sau đó
kết quả này được quy đổi về phía sơ cấp, có tính đến cả ảnh hưởng của sơ đồ nối dây máy biến
áp với các hài thứ tự không.
1.2 – Đánh giá méo điều hòa ở hệ thống điện phân phối
Đánh giá méo điều hòa ở phía hệ thống phân phối là việc xác định mức độ méo điều hòa có
thể chấp nhận được đối với các phụ tải. Tiêu chuẩn IEEE S.td 519-1992 đưa ra các số liệu giới
hạn cụ thể. Trong bảng dưới đây giá trị TDH được tính theo phần trăm của điện áp hiệu dụng
định mức chứ không phải theo phần trăm của giá trị điện áp tần số cơ bản.
Giới hạn về méo áp hài theo phần trăm của điện áp định mức cơ bản
Áp tại thanh cái tại điểm Méo điện áp cho từng điều Méo điện áp tổng TDHU (%)
PCC, Un (kV)

hòa (%)
Un< 69
3,0
5,0
69 1,5
2,5
Un> 161
1,0
1,5
1.3 – Đánh giá điều hòa ở phía phụ tải tiêu thụ

Các sự cố do méo điều hòa hay xảy ra ở phía phụ tải hơn là ở hệ thống cung cấp. Lý do là vì
phần lớn các tải phi tuyến đều nằm phía phụ tải, mà mức độ méo hài là lớn nhất tại vị trí gần
nguồn phát điều hòa. Sự cố nghiêm trọng nhất là khi xảy ra cộng hưởng tại vị trí có tải phi
tuyến và tụ bù hệ số công suất cao.
Tiêu chuẩn IEEE S.td 519 -1992 đã đưa ra mức độ sóng hài giới hạn tại điểm PCC như bảng
dưới
ISC/IL

H<11

< 20
20 – 50
50 – 100
100 – 1000
> 1000

4.0
7.0

10.0
12.0
15.0

< 20
20 – 50
50 – 100
100 – 1000
> 1000

2.0
3.5
5.0
6.0
7.5

Vn ≤ 69 kV
11≤ h ≤ 17 17 ≤ h ≤ 23 ≤ h ≤ 35 ≤ h
23
35
2.0
1.5
0.6
0.3
3.5
2.5
1.0
0.5
4.5
4.0

1.5
0.7
5.5
5.0
2.0
1.0
7.0
6.0
2.5
1.4
69 kV < Vn ≤ 169 kV
1.0
0.75
0.3
0.15
1.75
1.25
0.5
0.25
2.25
2.0
0.75
0.35
2.75
2.50
1.0
0.5
3.5
3.0
1.25

0.7
≥ 169 kV

TDD
5.0
8.0
12.0
15.0
20.0
2.5
4.0
6.0
7.5
10.0


<50
≥ 50

2.0
3.0

1.0
1.50

0.75
1.15

0.3
0.45

0.15
0.22

2.5
3.75

Bảng – Giới hạn dòng điều hòa tính theo phần trăm của IL [16]
Ih là giá trị hiệu dụng của các thành phần điều hòa.
ISC Là dòng ngắn mạch tại điểm PCC
IL là thành phần cơ bản của dòng tải nhu cầu lớn nhất tại điểm PCC
Kết luận:
Khi thiết kế hoặc lắp đặt một phụ tải có khả năng phát thải sóng hài lớn, cần phải quyết định
việc phối hợp phụ tải và nguồn để làm sao đạt được mức độ ô nhiễm sóng hài thấp nhất, hoặc
phải tính toán việc lắp đặt các thiết bị lọc sóng hài.
Các xử lý thường gặp nhất là sử dụng các máy biến áp có tổ đấu dây tam giác hoặc sử dụng
các thiết bị biến đổi điện tử công suất nhưng có khả năng tự cắt. Nếu sóng hài xuất hiện từ bên
ngoài đến, khi đó phải sử dụng các bộ lọc.
Để hạn chế một phần hoặc triệt tiêu sự tồn tại của sóng hài, các bộ lọc sóng hài thường được
sử dụng. Chúng được chia thành 2 nhóm là các bộ lọc thụ động và các bộ lọc chủ động (tích
cực)
II – TỔNG QUAN VỀ CÁC GIẢI PHÁP HẠN CHẾ SÓNG HÀI
Ở chương trước ta đã nói về các tính toán độ méo sóng hài áp và méo hài dòng cho
nhiều loại thiết bị, các ảnh hưởng nguy hại của sóng hài lên sự làm việc của các thiết bị điện
trong hệ thống. Để hạn chế các sóng hài không mong muốn ở chương này sẽ nêu lên các giải
pháp cần sử dụng để hạn chế các sóng hài đó.
2.1 – Hạn chế công suất các tải phi tuyến
Với mỗi một tải phi tuyến luôn có một mức công suất lớn nhất mà tại đó mức độ méo
của dòng và áp sinh ra vẫn nằm trong giới hạn cho phép của tiêu chuẩn IEEE 519 -1992.
Lượng công suất này là bao nhiêu còn phụ thuộc vào tải phi tuyến và vào nguồn điện.

2.2 – Tăng điện kháng phía nguồn xoay chiều đầu vào tải phi tuyến
Với bộ biến đổi 3 pha 6 xung thì biện pháp đầu tiên để cải thiện và thêm vào phía đầu
vào xoay chiều một điện kháng. Tác dụng của việc thêm điện kháng này có thể được đính giá
một cách định lượng theo hình---------và hình----------dưới đây. Ta có thể giải thích một cách
định tính như sau, cuộn kháng có tác dụng làm chậm tốc độ tăng của dòng điện và chuyển từ
van này sang van khác (chuyển mạch). Với phương pháp này thì việc cải thiện được độ méo
sóng hài bao nhiêu lại phụ thuộc vào lượng sụt áp cho phép với tải là bao nhiêu. [9]