Một số giải pháp hạn chế sóng hài trong lưới điện nhằm nâng cao chất lượng điện năng
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (5.61 MB, 130 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
------------------------------
NGÔ XUÂN TRIỆU
MỘT SỐ GIẢI PHÁP HẠN CHẾ SÓNG HÀI TRONG LƯỚI
ĐIỆN NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG
Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. BÙI ĐỨC HÙNG
HÀ NỘI – 2010
Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết
quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ
công trình nào khác.
Xin trân trọng cảm ơn!
Tác giả luận văn
Ngô xuân Triệu
Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ
LỜI CẢM ƠN
Qua hai năm, được học tập tại Viện Sau Đại Học và tại bộ môn Thiết bị điệnĐiện tử, Tôi cảm thấy mình rất vinh dự vì truớc đây là sinh viên và giờ đây là học
viên cao học tại Trường ĐHBK Hà Nội.
Hoàn thành luận văn này Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy giáo, cô
giáo của Viện đào tạo sau đại học và của Bộ môn đã trang bị những kiến thức sâu
rộng và mang tính thực tiễn cao để chúng tôi, những kĩ sư và sau này là những thạc
sĩ ngành Kỹ thuật điện có thể tự tin áp dụng những kết quả nghiên cứu vào trong
công việc của mình.
Qua đây Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy, cô giáo trong trường, đặc
biệt là thầy giáo T.S Bùi Đức Hùng tại bộ môn Thiết bị điện - Điện tử Trường đại
học Bách Khoa Hà Nội đã luôn tạo điều kiện giúp đỡ và tận tình hướng dẫn tôi tiếp
cận một vấn đề khoa học trong lĩnh vực Điện.
Tôi cũng xin gửi lời cám ơn sâu sắc tới Ban lãnh đạo nhà trường và các
đồng nghiệp của tôi tại Trường cao đẳng công nghiệp dệt may thời trang Hà Nội,
luôn tạo điều kiện về thời gian, lòng nhiệt tình và cả vấn đề chuyên môn để tôi có
những hiểu biết sâu hơn về chuyên đề luận văn mà tôi thực hiện.
Cuối cùng Tôi muốn cám ơn gia đình, bạn bè luôn là nguồn cổ vũ và động
viên trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu luận văn của mình.
Mặc dù đã cố gắng hết sức mình, nhưng do khó khăn về tài liệu, khoảng thời
gian nghiên cứu và khả năng hạn chế của bản thân nên trong bản luận văn này
không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được nhiều những góp ý từ các
thầy giáo, cô giáo cũng như từ các bạn đồng nghiệp để vấn đề nghiên cứu trong luận
văn được sáng tỏ hoàn thiện hơn.
Tôi xin trân thành cảm ơn !
Hà Nội, ngày 27 tháng 11 năm 2010
Ngô Xuân Triệu
Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
LỜI CAM ĐOAN
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC BẢNG BIỂU
DANH MỤC HÌNH VẼ
MỞ ĐẦU ................................................................................................................. 1
CHƯƠNG 1: SÓNG HÀI VÀ CÁC NGUỒN PHÁT SINH SÓNG HÀI ...... 3
1.1 KHÁI QUÁT SÓNG HÀI ........................................................................ 3
1.1.1 Sóng hài ............................................................................................... 3
1.1.2 Điều hoà .............................................................................................. 3
1.1.3 Méo điều hoà ....................................................................................... 6
1.1.4 Các thông số đặc trưng sóng hài........................................................ 7
1.1.5 Các chỉ số điều hoà ............................................................................. 12
1.2 CÁC NGUỒN PHÁT SINH SÓNG HÀI ................................................ 13
1.2.1 Tải tiêu dùng ....................................................................................... 13
1.2.2 Tải công nghiệp................................................................................... 20
1.3KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 .......................................................................... 31
CHƯƠNG 2: CÁC ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG HÀI..................................... 32
2.1 CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG ................................................................. 32
2.1.1 Khái niệm “chất lượng điện năng ”................................................... 32
2.1.2 Phân loại chất lượng điện năng ......................................................... 34
2.2 ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG HÀI ĐẾN CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN ........... 39
2.2.1 Máy điện quay:.................................................................................... 40
2.2.2 Máy biến áp và các thiết bị phân phối công suất khác...................... 42
2.2.3 Dây trung tính:.................................................................................... 42
2.2.4 Các tụ bù: ............................................................................................ 42
2.2.5 Cáp điện, dây dẫn điện........................................................................ 43
2.2.6 Thiết bị chuyển mạch.......................................................................... 43
Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ
2.2.7 Rơle ...................................................................................................... 43
2.2.8 Máy tính và bộ vi xử lý........................................................................ 44
2.2.9 Bộ thu, phát và đường dây thông tin.................................................. 44
2.2.10 Thiết bị đo, đếm điện năng ............................................................... 45
2.2.11 Các thiết bị khác: .............................................................................. 45
2.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ........................................................................ 46
CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ ĐỘ MÉO VÀ MỘT SỐ GIẢI PHÁP HẠN CHẾ
SÓNG HÀI .......................................................................................................... 47
3.1 ĐÁNH GIÁ MÉO ĐIỀU HÒA ................................................................ 47
3.1.1 Khái niệm về điểm đổi nối chung PCC .............................................. 47
3.1.2 Đánh giá sóng hài ở hệ thống phân phối .......................................... 47
3.1.3 Đánh giá sóng hài ở thiết bị người sử dụng ...................................... 48
3.2 MỘT SỐ GIẢI PHÁP HẠN CHẾ SÓNG HÀI...................................... 49
3.2.1 Giảm dòng hài trong Tải..................................................................... 50
3.2.2 Lọc sóng hài ........................................................................................ 50
3.2.3 Điều chỉnh đáp ứng tần số của hệ thống........................................... 50
3.3 VỊ TRÍ ĐIỀU CHỈNH ĐIỂM CỘNG HƯỞNG..................................... 51
3.3.1 Trên các hệ thống phân phối của nhà cung cấp ............................... 51
3.3.2 Trên các thiết bị của người sử dụng .................................................. 51
3.4 CÁC THIẾT BỊ ĐIỀU CHỈNH HÀI....................................................... 52
3.4.1 Các thành phần phản kháng hay cuộn kháng .................................. 53
3.4.2 Các bộ lọc cơ bản ................................................................................ 53
3.5 MỘT SỐ TIÊU CHUẨN LIÊN QUAN ĐẾN SÓNG HÀI TRÊN THẾ
GIỚI ................................................................................................................. 58
3.5.1 Tiêu chuẩn IEEE 519-1992................................................................ 58
3.5.2 Tiêu chuẩn IEC về điều hoà............................................................... 58
3.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ....................................................................... 64
CHƯƠNG 4 – LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN, XÂY DỰNG MÔ HÌNH TẢI.. 66
4.1 ĐẶC ĐIỂM MÔ HÌNH:........................................................................... 66
Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ
4.2 SỐ LƯỢNG, CHỦNG LOẠI THIẾT BỊ ĐIỆN CHÍNH ...................... 68
4.3 KHẢO SÁT, LỰA CHỌN MÔ HÌNH:................................................... 72
4.3.1 Nhận xét .............................................................................................. 72
4.3.2 Khảo sát Tải......................................................................................... 72
4.4 LỰA CHỌN MÔ HÌNH TẢI................................................................... 74
4.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 ......................................................................... 75
CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO SẢN PHẨM ........................................ 76
5.1 CHỌN BỘ LỌC SÓNG HÀI ................................................................... 76
5.1.1 Lựa chọn phương án .......................................................................... 76
5.1.2 Lựa chọn kiểu bộ lọc: ......................................................................... 77
5.2- NGUYÊN LÝ BỘ LỌC THÔNG THẤP LC ....................................... 77
5.2.1 Phương trình hàm truyền:.................................................................. 78
5.2.2 Lựa chọn thông số cho bộ lọc............................................................. 78
5.3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ..................................................................... 81
5.3.1 Kết quả ................................................................................................. 81
5.3.2 Bàn luận .............................................................................................. 86
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................... 88
1. KẾT LUẬN ..................................................................................................... 88
2. KIẾN NGHỊ .................................................................................................... 89
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC
Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ
CÁC TỪ VIẾT TẮT
THD: Tổng méo điều hoà (Total Harmonic Distortion)
TDD: Tổng méo nhu cầu (Total Demand Distorton)
PF: Hệ số công suất (Power Factor)
DPF: Hệ số công suất dịch (Displacement Power Factor)
PWM: Điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation)
ASD: Điều chỉnh tốc độ (Adjustable Speed Drives)
PCC: Điểm đổi nối chung (Point of Common Coupling)
IEEE: Viện kĩ thuật điện và điện tử (Institue of Electrical and Electronic Engineers)
IEC: Uỷ ban kỹ thuật điện quốc tế.
(International Electrotechnical Commission)
ANSI: Viện các tiêu chuẩn Mỹ (American National Standards Institute)
NXB: Nhà xuất bản
Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ
DANH MỤC CÁC BẢNG
STT
Tên bảng
2.1 Bảng phân loại và tính chất của các hiện tượng điện từ hệ thống điện
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
Giới hạn méo điện áp hài ở tỉ lệ phần trăm điện áp tần số cơ bản định
mức
Giới hạn méo dòng điện điều hoà tỉ lệ phần trăm của IL
Mức độ tương ứng cho mỗi điện áp hài trong mạng cung cấp điện áp
thấp
Giới hạn điều hoà cho các thiết bị lớp A
Giới hạn điều hoà cho các thiết bị lớp C
Giới hạn điều hoà cho các thiết bị lớp D
Giới hạn điều hoà theo IEC 61000-3-4
Mức độ tương thích cho các điện áp điều hoà ở các hệ thống thấp áp
và trung áp
Mức độ dự kiến cho các điện áp điều hoà ở các hệ trung áp
3.10 Mức độ dự kiến cho các điện áp điều hoà ở các hệ cao áp và siêu cao
áp
4.1 Bảng kê các thiết bị điện chính
5.1
Bảng quan hệ giữa L, C và giá trị điện kháng của cuộn cảm XL.
5.2
Một vài thông số khác và các trị số khác khi thay đổi các giá trị tụ
điện
5.3
Bảng thông số cơ bản khi dùng hay không dùng lọc thông LC
5.4
Bảng thông số và chỉ số của điện áp khi dùng bộ lọc thông LC 10máy
5.5
Bảng thông số và chỉ số của dòng điện khi dùng bộ lọc thông LC
10máy
5.6
Bảng thông số cơ bản khi dùng hay không dùng lọc thông LC -12máy
5.7
Bảng thông số và chỉ số của điện áp khi dùng bộ lọc thông LC 12máy
5.8
Bảng thông số và chỉ số của dòng điện khi dùng bộ lọc thông LC
12máy
Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ
DANH MỤC HÌNH VẼ
STT
1.1
Tên hình
Chương 1
Méo dòng gây ra bởi tải phi tuyến
1.2
Dạng sóng điều hòa không lý tưởng
1.3
Sóng tuần hoàn với tần số khác nhau
1.4
Điện áp hài gây ra bởi các dòng hài trong hệ thống
1.5
Nguồn công suất chế độ đóng cắt
1.6
Chỉnh lưu một pha dùng tụ lọc
1.7
Biểu diễn đường cong dòng điện và điện áp
1.8
Hình ảnh Tần số với những góc pha của dòng điện (Dòng THD=120%)
1.9
Bóng + Đế đèn tuýp dài 1,2m
1.10
Dòng pha của công tắc chuyển mạch cho bóng đèn tuýp
1.11
Công suất tác dụng và công suất biểu kiến
1.12
Đường cong dòng và áp với 10 máy tính
1.13
Dòng hài của 10máy tính
1.14
Đường cong dòng điện, điện áp với 12 máy tính
1.15
Dòng hài của 12máy tính
1.16
Sơ đồ điều chỉnh cầu 3pha
1.17
Sơ đồ điều chỉnh tốc độ ứng dụng PWM
1.18
Điện áp và dạng sóng hiện thời, vào buổi chiều
1.19
Điện áp và dạng sóng hiện thời, vào buổi tối
1.20
Điện áp và dạng sóng hiện thời, vào buổi tối
1.21
Điện áp pha Cơ bản (đỉnh) và Dòng điện pha (thấp nhất)
1.22
Đo dạng điện áp hài bậc 5 (nét sáng) và bậc 7 (nét tối)
Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ
1.23
Đo điện áp hài bậc 5 (nét sáng) và bậc 7 (nét tối) khi có bộ lọc
1.24
Sơ đồ thay thế đơn giản của mạch cộng hưởng song song
1.25
Đáp ứng tần số hệ thống
1.26
Hệ thống với các tiềm năng cộng hưởng nối tiếp
1.27
Sơ đồ thay thế đơn giản của mạch cộng hưởng nối tiếp
1.28
Đáp ứng tần số của mạch cộng hưởng nối tiếp
1.29
Tác động của tải trở lên cộng hưởng song song
1.30
Các sóng bậc cao tác động vào hệ thống hỗn hợp 1pha, 3pha
Chương 3
3.1
Các cấu trúc bộ lọc thụ động phổ biến
3.2
Bộ lọc thụ động nối tiếp
3.3
Sơ đồ nguyên lý của bộ lọc thông thấp LC cơ bản
3.4
Một ứng dụng bộ lọc thông thấp trong HTĐ công nghiệp
3.5
Mạch tương ứng cho các bộ lọc C
Chương 4
4.1
Đồng hồ đo vạn năng
4.2
R232 nối máy tính
Chương 5
5.1
Sơ đồ mạch lọc thông thấp
5.2
Sơ đồ tương đương của mạch lọc trong hệ thống
5.3
Bộ sản phẩm lọc thông thấp LC
5.4
Sơ đồ đấu bộ lọc thông thấp
5.5
Biểu diễn sóng dòng điện, điện áp và phổ dòng với 10 Máy Tính
5.6
Biểu diễn sóng dòng điện, điện áp và phổ dòng với 12 Máy Tính
Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ
MỞ ĐẦU
Ngày nay điện năng được sử dụng phổ biến như là một nhu cầu không thể
thiếu của cuộc sống. Điện năng được sử dụng khắp nơi, tại bất kỳ dinh thự hay tòa
nhà thương mại nào, tại các văn phòng, tại xưởng sản xuất của các công ty, điện
năng có trong các thành phần kinh tế,.…trong thế kỷ qua, số lượng các thiết bị điện
nối với hệ thống điện tăng lên nhanh chóng và tăng chủ yếu vào thập kỷ 80, 90 của
thế kỷ trước. Đến nay nhu cầu cuộc sống ngày càng cao dẫn đến nhu cầu sử dụng
điện năng cũng được nâng lên, nên ngày càng có những đòi hỏi khắt khe hơn về
nguồn điện, … vì vậy đã phát sinh ra nhiều những vấn đề mới như chất lượng điện,
độ ổn định điện cần được cải thiện và nâng cao…
Đứng trước những vấn đề đó, việc tìm hiểu chất lượng điện năng và các yếu
tố ảnh hưởng đến nguồn điện,…. dần được đưa ra phân tích và nghiên cứu, trong đó
việc nghiên cứu sóng hài và ảnh hưởng của nó đến chất lượng điện năng cũng như
cách khắc phục ảnh hưởng đó cũng được đặt ra và có nhiều bài toán liên quan cần
được giải quyết. Việc áp dụng thành tựu của công nghiệp điện tử, các thiết bị máy
móc phục vụ cuộc sống không ngừng đổi mới theo hướng hiện đại trong khi những
thiết bị này lại rất nhạy cảm với sự thay đổi điện áp, làm ảnh hưởng trực tiếp đến độ
bền, tuổi thọ, cũng như chất lượng hoạt động của các thiết bị và gây tổn thất điện
năng. Việt Nam đã có chương trình mục tiêu quốc gia về sử dụng năng lượng tiết
kiệm và hiệu quả, chính vì vậy với luận văn này tác giả cũng mong muốn góp một
phần giải quyết vấn đề có tính thời sự này.
Mục đích của luận văn là : Xây dựng một giải pháp mang tính khả thi trong
việc hạn chế ảnh hưởng của sóng hài nhằm nâng cao chất lượng điện năng và giảm
tổn thất trong lưới điện tại các xí nghiệp công nghiệp của Việt Nam, thiết kế, chế
tạo và thử nghiệm một sản phẩm cụ thể nhằm hạn chế ảnh hưởng của sóng hài
Để đạt mục đích đó, Tác giả đã tập trung tìm hiểu về sóng hài, những ảnh hưởng
của sóng hài, tổng hợp các giải pháp làm giảm ảnh hưởng của sóng hài và chứng
minh bằng thực nghiệm một giải pháp lựa chọn
Luận văn gồm các phần chính sau :
1
Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ
+ Khái quát về sóng hài và các nguồn phát sóng hài
+ Ảnh hưởng của sóng hài đến chất lượng điện năng.
+ Các giải pháp có thể hạn chế sóng hài.
+ Chọn một giải pháp cụ thể, phù hợp với điều kiện thực tế của Trường Cao
Đẳng Công Nghiệp Dệt May – Thời Trang Hà Nội
+ Thiết kế, chế tạo sản phẩm, thử nghiệm và phân tích kết quả.
Có thể coi phương pháp nghiên cứu của luận văn này là tổng hợp phân tích lý
thuyết, lựa chọn giải pháp và chứng minh bằng thực nghiệm
2
Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ
CHƯƠNG 1 SÓNG HÀI VÀ CÁC NGUỒN PHÁT SINH SÓNG HÀI
1.1 KHÁI QUÁT SÓNG HÀI
1.1.1 Sóng hài
Theo lý thuyết, tất cả các nguồn tác động tồn tại trên lưới điện là các hàm
điều hòa biến đổi hình sin theo thời gian. Thực tế các nguồn tác động này trong hệ
thống điện không phải lúc nào cũng là hàm hình sin, mà nó có thể có hình dạng bất
kỳ, bao gồm thành phần tần số cơ bản và các thành phần tần số khác. Thành phần
tần số cơ bản có giá trị lớn nhất, các thành phần tần số khác có giá trị nhỏ hơn rất
nhiều giá trị tần số cơ bản, do đó đường cong của bất kỳ hàm điều hoà nào đều
không là hình sin lý tưởng, nó có độ méo nhất định so với đường cong tần số sóng
cơ bản. Người ta thường coi giá trị thành phần tần số cơ bản là thành phần chính,
còn các thành phần khác (ngoài thành phần cơ bản) được coi là sóng hài, là thành
phần gây ra méo và làm ảnh hưởng tới sự hoạt động của các phần tử trong hệ thống
điện.
Như vậy Sóng hài là một dạng nhiễu không mong muốn, làm ảnh hưởng đến dạng
hình sin của điện áp, dòng điện ….
Thành phần điện áp, dòng điện của lưới điện cũng là một hàm điều hoà biến đổi
hình sin, tuy nhiên trên thực tế các thành phần điện áp, dòng điện ngoài tần số cơ
bản còn có các thành phần sóng hài, các thành phần này có giá trị nhỏ, song đôi khi
dưới tác động của các Tải với tính chất khác nhau làm cho nó có giá trị khá lớn, khi
đó thành phần điện áp, dòng điện tổng không còn hình sin và làm ảnh hưởng trực
tiếp tới hoạt động của các loại thiết bị sử dụng điện, … làm tăng tổn hao, giảm chất
lượng lưới điện và cần phải được chú ý đặc biệt khi mức độ hài cao hơn giới hạn
cho phép. Điện áp hài, Dòng điện hài là điện áp, dòng điện có tần số là bội của tần
số cơ bản.
1.1.2 Điều hoà
Điện áp, dòng điện, ... được coi là hàm điều hòa ở tần số cơ bản. Trong khi
có rất nhiều loại Tải khác nhau, đặc biệt các tải phi tuyến, ví dụ các thiết bị đóng cắt
điện tử công suất (diode, Tiristor, IGBT, …) ở trong các mạch chỉnh lưu, điều chỉnh
3
Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ
tốc độ, trong các bộ biến tần, trong cuộn dây có lõi sắt hoạt động dưới nguồn cấp từ
lưới điện.
Theo lý thuyết, các phần tử phi tuyến có tính chất tạo tần, trong trường hợp đầu vào
là nguồn kích thích điều hoà tần số f thì ở chế độ xác lập đáp ứng thường chứa các
tần số bội của tần số cơ bản m.f (m=0,1,2,3…) và trong một số trường hợp cả số
ước của f
Hình 1.1 Méo dòng gây ra bởi tải phi tuyến [15]
Tính chất tạo tần này được giải thích như sau: Khi có nguồn kích thích điều hòa tần
số f tác động nên các phần tử phi tuyến thì đáp ứng thu được có dạng sóng tuần
hoàn. Đầu vào là điện áp thì dòng điện thu được trong mạch sẽ tuần hoàn theo điện
áp nhưng méo, điều này thoả mãn điều kiện Jordan-Dicrichlet là điều kiện cho phép
một chuỗi hàm khai triển được thành chuỗi Fourier [1]:
Hàm f(x) tuần hoàn với chu kì 2L, thoả mãn định lý Jordan-Dicrichlet trên đoạn [L,L]
f(x)=
a 0 n =∞
πnx
πnx
+ ∑ (a n cos
+ b n sin
)
2 n =1
L
L
Trong đó:
a0 =
1 L
∫ f ( x )dx
L −L
an =
πnx
1 L
f ( x ) cos
dx
∫
L −L
L
bn =
πnx
1 L
f ( x ) sin
dx n = 1,2,3…
∫
L −L
L
n = 1,2,3…
4
Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ
Thay các giá trị
L = π, x = ωt
f(x) =
=
a 0 n =∞
nπωt
nπωt
+ ∑ (a n cos
+ b n sin
)
π
π
2 n =1
a 0 n =∞
+ ∑ (a n cos(nωt ) + b n sin n (ωt ))
2 n =1
Rút gọn lại biểu thức trên:
a 0 n =∞
+ ∑ A n sin( nωt + θ n )
f(x) =
2 n =1
Trong đó:
A n = a 2n + b 2n và tg (θ n ) = an
bn
Hình 1.2 minh họa và phân tích dạng sóng tuần hoàn không lý tưởng, qua phép
phân tích Fourier ta được các dạng sóng tuần hoàn lý tưởng với các tần số khác
nhau minh họa trên Hình 1.3 là sóng tổng hợp, sóng cơ bản và các sóng bậc 3, 5, 7
còn những sóng bậc cao hơn là nhỏ và bỏ qua khi phân tích, mặc dù chúng có thể
ảnh hưởng đến các thiết bị điện tử công suất, nhưng những tác động của chúng đến
hệ thống điện năng nói chung là không đáng kể.
Hình 1.2 Dạng sóng tuần hoàn không lý tưởng
5
Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ
1.1.3 Méo điều hoà
Điện áp rơi
Điện áp sin
Điện áp bị méo
Dòng tải méo
Hình 1.4 Điện áp hài gây ra bởi các dòng hài trong hệ thống [15]
Các nhà phân tích coi dòng hài sinh ra bởi các tải phi tuyến như nguồn dòng
phát vào lưới điện [15]. Các dòng hài khi qua trở kháng của hệ thống gây nên điện
áp hài, ở Hình 1.4 méo điện áp sinh ra do các dòng điện bị méo khi qua các Tải. Các
dòng hài qua trở kháng của hệ thống gây ra các điện áp rơi trên đó, điều này làm
cho các điện áp hài xuất hiện tại các Tải, giá trị điện áp hài này phụ thuộc vào trở
kháng và dòng hài. Mặc dù dòng hài khi qua Tải gây nên méo điện áp, nhưng nó
không quyết định các giá trị điện áp méo, thực tế này là cơ sở để phân chia trách
nhiệm quản lý sóng hài được định nghĩa theo một số tiêu chuẩn phổ biến trên thế
giới [15]:
+ Quản lý lượng dòng hài đưa vào hệ thống áp dụng cho các hộ sử dụng điện.
+ Nếu dòng hài tồn tại trong hệ thống nằm trong giới hạn cho phép, thì các nhà
6
Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ
cung cấp điện sẽ quản lý điện áp hài qua thay đổi các trở kháng của hệ thống.
1.1.4 Các thông số đặc trưng sóng hài
Các đại lượng điện áp, dòng điện hiệu dụng, công suất phản kháng, công suất
tác dụng, và công suất biểu kiến, hệ số công suất cosϕ, .... được định nghĩa với giả
thiết điện áp, dòng điện có dạng sin lý tưởng ở tần số cơ bản.
1.1.4.1 Công suất
1.1.4.1.1 Công suất biểu kiến:
Công suất biểu kiến có thể được biểu diễn qua quan hệ sau:
S = U rms .I rms
Trong đó
Urms : giá trị hiệu dụng của điện áp.
Irms : giá trị hiệu dụng của dòng điện
Ở điều kiện sin lý tưởng điện áp và dòng điện chỉ chứa thành phần tần số cơ bản, vì
thế các giá trị hiệu dụng có thể được biểu diễn đơn giản bằng công thức sau
U
rms
=
1
2
U m và I
rms
=
1
2
Im
Trong đó:
Um, Im : là biên độ, giá trị cực đại của điện áp, dòng điện ở tần số cơ bản
Ở điều kiện bất kỳ điện áp, dòng điện là dạng sóng tuần hoàn. Chúng được phân
tích thành các dạng sóng điều hoà hình sin có tần số là bội của tần số sóng cơ bản và
có biên độ khác nhau. Giá trị hiệu dụng của điện áp và dòng điện được tính toán
theo[15]:
U rms =
I rms =
k max
∑(
k =1
k max
∑(
k =1
1
1
U k )2 =
U 12 + U 22 + U 32 + ... + U k2
2
2
1
1
Ik )2 =
I12 + I 22 + I 32 + ... + I k2
2
2
Trong đó Uk và Ik là biên độ cực đại của điện áp và dòng điện ở điều hoà bậc k.
1.1.4.1.2 Công suất tác dụng:
Công suất tác dụng P thường được hiểu là công suất hữu ích tiêu thụ trên tải.
7
Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ
Đơn vị: W hay kW, ...
Công suất tác dụng được tính toán thông qua biểu thức :
T
1
P = ∫ u (t )i (t )dt
T0
Với
u(t) = u1sin(ωt+β1) + u2sin(2ωt+β2) + u3sin(3ωt+β3) +…+ uksin(kωt+βk)
∞
= ∑ uk sin( kωt + β k )
k =1
i(t) = i1sin(ωt+θ1) + i2sin(2ωt+θ2) + i3sin(3ωt+θ3) +…+ipsin(pωt+θp)
∞
= ∑ i p sin( pωt + θ p )
p =1
Trong đó : k, p là bậc điều hòa.
Khi đó thay u(t) và i(t) vào biểu thức tính P ta được :
T
P=
∞
1 ∞
(
u
sin(
k
ω
t
+
β
)
(
∑ k
k ∑ i p sin( pωt + θ p ))dt
T ∫0 k =1
p =1
Trong biểu thức tính P đó thì
+ uk là biên độ cực đại của điện áp bậc k
+ ip là biên độ cực đại của dòng điện bậc p
Xét trong một chu kì, thay giá trị x = ωt, x∈[-π,π]
P=
1
2π
π
∞
∞
∫ (∑ uk sin(kx + β k )(∑ i p sin( px + θ p ))dx
−π k =1
p =1
Xét :
π
Pkp = ∫ u k sin( kx + β k ).i p sin( px + φ p )dx
−π
Xét :
A = sin( px + β p ).sin(kx + θ k ) =
π
Pkp =
∫π 2 (cos[(k − p) x + (β
1
k
1
(cos[(k − p) x + (β k − θ p )] − cos[(k + p) x + (β k + θ p )])
2
− θ p )] − cos[(k + p ) x + ( β k + θ p )])dx
−
8
Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ
π
Pkp =
π
1
1
cos[(k − p ) x + ( β k − θ p )]dx − ∫ cos[(k + p ) x + ( β k + θ p )]dx
∫
2 −π
2 −π
Bổ đề, xét biểu thức B:
π
B = ∫ cos(mx + α)dx
−π
+ Nếu m ≠ 0
B=
1
1
1
sin(mx + α ) π−π = sin(mπ + α ) − sin(−mπ + α ) = 0
m
m
m
+ Nếu m=0
π
π
−π
−π
B = ∫ cos(mx + α)dx = ∫ cos αdx = cos α.x
π
−π
= 2π cos α
Áp dụng công thức trên vào biểu thức tính Pkp
Vậy
⎧0
Pkp = ⎨
⎩π cos(β k − θ p )
Nếu k#p
Nếu k=p
+Từ biểu thức tính giá trị công suất P
∞
1 π ∞
P=
∫ ( ∑ u k sin(kx + β k )( ∑ i p sin(px + θ p ))dx
2 π − π k =1
p =1
P=
1
2π
∞
∞
∑∑ (u i
k =1 p =1
k p
.Pkp )
Vậy
P=
1 ∞
∑ uk ik cos(β k − θ k )
2 k =1
Trong đó uk, ik là giá trị biên độ cực đại của điện áp, dòng điện ở bậc thứ k.
k max
P = ∑ U rms k I rmsk cos ϕ k
k =1
Trong đó : Urmsk và Irmsk là giá trị hiệu dụng của điện áp và dòng điện ở bậc thứ k
ϕk là góc lệch pha của điện áp và dòng điện ở bậc thứ k
kmax là bậc sóng hài cao nhất xét đến trong quá trình phân tích.
9
Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ
Phương trình tính công suất tác dụng P đúng cho cả điều kiện sin và không
sin của các sóng hài.
Đối với trường hợp sin lý tưởng, P có thể được xác định như sau:
P=
U 1 I1
cos ϕ1 = U 1rms I1rms cos ϕ1 = S cos ϕ1
2
Trong đó ϕ1 là góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện ở tần số cơ bản. Công thức
trên cho thấy rằng công suất tác dụng là hàm của các đại lượng ở tần số cơ bản.
Với trường hợp không sin, khi tính toán công suất tác dụng còn phải kể đến sự có
mặt của các thành phần sóng hài. Tuy nhiên các thành phần sóng hài có giá trị nhỏ
(≤ 5%) cho nên với P = S cos ϕ1 có thể coi là công thức tính giá trị xấp xỉ của công
suất tác dụng thực. Nhưng sự xấp xỉ này không được sử dụng khi tính toán công
suất biểu kiến và công suất phản kháng bởi vì hai thành phần trên bị ảnh hưởng lớn
do thành phần sóng hài gây nên.
1.1.4.1.3 Công suất phản kháng:
Công suất phản kháng là một loại công suất nhưng không sinh công, nó có trên điện
cảm và tụ điện.
Đơn vị : VAR hay kVAR.
Trong điều kiện sin lý tưởng, công suất phản kháng được xác định:
Q = S sin ϕ1 =
Q=
U 1 I1
sin ϕ1 = U 1rms I1rms sin ϕ1
2
k max
∑ U rmsk I rmsk sin φ k
k =1
Trong đó Urmsk và Irmsk là giá trị hiệu dụng của điện áp và dòng điện ở bậc thứ k
ϕk là góc lệch pha của điện áp và dòng điện ở bậc bậc thứ k
kmax là điều hoà bậc cao nhất trong quá trình phân tích.
1.1.4.2 Công suất méo:
Công suất biểu kiến còn được tính toán thông qua quan hệ: S = P 2 + Q 2 đây
là công thức dùng để tính công suất biểu kiến trong trường hợp sóng điều hòa là lý
tưởng.
10
Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ
Nhưng nếu xét cả sự tác động của các thành phần sóng hài thì quan hệ
S = P 2 + Q 2 sẽ không còn đúng nữa vì vậy người ta đưa ra một đại lượng mới để
tuân theo định luật bảo toàn công suất trong mạch khi có sóng hài, đại lượng đó
được gọi là D đặc trưng cho công suất méo, có đơn vị là VA [15].
S, P, Q, D quan hệ với nhau như sau:
S = P2 + Q2 + D2
Từ đó ta có thể xác định được D qua quan hệ: D = S 2 - P 2 - Q 2 với S, P,Q đã
được xác định thì ta hoàn toàn có thể tính được giá trị D.
1.1.4.3 Hệ số công suất
Hệ số công suất là tỉ số giữa công suất hữu ích để thực hiện công việc thực (công
suất tác dụng) với phần công suất được nhà phân phối cung cấp (công suất biểu
kiến).
PF =
P
S
Trong trường hợp sóng điều hòa có dạng hình sin lý tưởng thì hệ số công suất là:
PF =
P
= cos ϕ
S
Trong đó ϕ là góc dịch pha giữa điện áp và dòng điện và gọi là hệ số công suất dịch
DPF (Displacement power factor) [15].
Trong trường hợp méo, thì phải tính đến sự góp mặt của các thành phần sóng hài, và
hệ số công suất trong trường hợp này gọi là hệ số công suất đúng PF(Power Factor)
[15].
PF =
P
S
Trong đó
P là tổng công suất tác dụng của tất cả các thành phần điều hoà.
S là tổng công suất biểu kiến của nhà cung cấp đưa đến tải.
Việc xác định hệ số công suất thông qua công thức trên có ý nghĩa lớn, ví dụ
với các Tải là nguồn đóng, cắt các thiết bị dùng bộ điều chỉnh độ rộng xung PWM
11
Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ
(Pulse Width Modulation) thì có hệ số công suất dịch gần bằng một trong khi hệ số
công suất đúng có giá trị bằng 0,5- 0,6. Hệ số công suất đúng phản ánh hệ thống
phải đảm bảo cung cấp bao nhiêu năng lượng cho một Tải cho trước, trong trường
hợp Tải có phát sinh nhiều sóng hài thì việc sử dụng hệ số công suất dịch (DPF) có
thể dẫn đến sai lầm trong vấn đề đảm bảo an toàn cho hệ thống.
1.1.5 Các chỉ số điều hoà
Hai chỉ số thường xuyên được sử dụng khi đo đạc đánh giá độ méo của một dạng
sóng hài là tổng méo điều hoà và tổng méo nhu cầu.
1.1.5.1 Tổng méo điều hoà (THD)
Là chỉ số đánh giá lượng méo các thành phần sóng hài so với thành phần sóng cơ
bản.
được áp dụng để tính toán cho cả dòng điện và điện áp theo công thức sau [15]:
kmax
THD =
∑M
k =2
2
k
M1
Trong đó: Mk là giá trị hiệu dụng của thành phần sóng hài ở bậc thứ k.
Chỉ số THD có giá trị trong một số ứng dụng, nhưng bên cạnh đó nó cũng có một số
giới hạn.
- Có thể đưa ra chỉ số về lượng năng lượng nhiệt tổn hao phụ khi cung cấp một điện
áp bị méo cho một tải điện trở.
- Cũng có thể đưa ra các chỉ số về lượng năng lượng tổn hao phụ khi các dòng hài đi
qua các dây dẫn.
THD hầu hết được sử dụng để mô tả méo điện áp và dòng điện hài.
1.1.5.2 Tổng méo nhu cầu (TDD)
Chỉ số THD thường dùng để nhận biết mức độ méo của dòng điện, điện áp
nhưng điều này cũng có thể dẫn đến những hiểu lầm. Một dòng điện rất nhỏ nhưng
cũng có thể có chỉ số THD rất cao bởi vì biên độ của dòng hài là rất thấp, nhưng rõ
ràng dòng điện méo này không hề gây ra những đe doạ đáng kể nào cho hệ thống.
Để tránh điều này, một số nhà phân tích sử dụng chỉ số tổng méo nhu cầu TDD thay
12
Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ
cho chỉ số tổng méo điều hoà THD [15]. Thay vì tham chiếu đến trị hiệu dụng của
thành phần hài cơ bản thì nó tham chiếu đến dòng tải nhu cầu lớn nhất tại tần số cơ
bản. Chỉ số này chỉ được áp dụng cho dòng điện tải, và được tính toán như sau:
k max
TDD =
∑ I 2h
k =1
IL
Trong đó: IL là dòng điện tải nhu cầu lớn nhất tại thành phần tần số cơ bản và tại
điểm đổi nối chung PCC (Point of Common Coupling).
Có hai cách để tính giá trị IL [15] :
- Nếu tải đã có trong hệ thống từ trước, thì IL là giá trị trung bình của dòng tải nhu
cầu đỉnh của 12 tháng trước đây.
- Nếu các thiết bị mới, thì IL có thể được tính toán bằng cách ước lượng dựa trên các
tài liệu của thiết bị tiêu dùng.
1.2 CÁC NGUỒN PHÁT SINH SÓNG HÀI
Có rất nhiều nguồn phát sinh sóng hài, ở đây xin giới thiệu một vài nguồn
phát sinh ra sóng hài hay gặp :
1.2.1 Tải tiêu dùng
Tải tiêu dùng gồm có rất nhiều thiết bị và chủng loại khác nhau như máy
phôtô, máy scan, máy tính, Tivi, đèn huỳnh quang, các bộ điều khiển thay đổi tốc
độ, các máy điều hoà nhiệt độ,…
Hầu hết các Tải tiêu dùng đều sinh ra sóng hài, lượng sóng hài phụ thuộc vào
từng loại Tải, chúng có thể được tăng cường hoặc loại trừ lẫn nhau trong hệ thống.
Khi phát các sóng hài từ Tải vào hệ thống thì chúng sẽ tạo ra lượng méo điều hòa,
mức độ méo điều hòa phụ thuộc vào trở kháng của hệ thống và tổng các sóng hài
thành phần.
1.2.1.1 Nguồn cấp một pha
Ngày nay người ta sử dụng nguồn một chiều chủ yếu là từ mấy cách sau :
+ Cách thứ nhất : Nguồn xoay chiều - Máy biến áp – chỉnh lưu – Điện áp một chiều:
Mô hình này được sử dụng rất phổ biến trước đây, người ta dùng máy biến áp để
13
Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ
biến nguồn điện áp xoay chiều mức cao ở đầu vào thành nguồn điện áp xoay chiều
mức thấp hơn ở đầu ra sau đó đưa vào đầu vào bộ chỉnh lưu để tạo ra điện áp một
chiều mong muốn ở đầu ra bộ chỉnh lưu.
+ Cách thứ 2: Nguồn xoay chiều - Chỉnh lưu – điều chỉnh – Điện áp một chiều : Tại
Việt Nam do công nghệ điện tử phát triển mạnh mẽ vào cuối thế kỷ 20, những năm
đầu thế kỷ 21 nên, để tạo ra được điện áp một chiều người ta đã sử dụng mô hình
mới tiết kiệm hơn : Nguồn điện xoay chiều từ lưới điện được đưa vào đầu vào của
các bộ Chỉnh Lưu nguồn điện xoay chiều, và tạo ra điện áp một chiều ở đầu ra
(thường giá trị này nhỏ) sau đó ta đưa điện áp một chiều này qua bộ điều chỉnh để
nâng điện áp lên bằng giá trị nguồn một chiều mong muốn.
Như vậy ta thấy ưu điểm của phương thức này là tạo ra bộ nguồn nhẹ hơn, kích
thước nhỏ, hoạt động hiệu quả hơn và đặc biệt không cần có máy biến áp.
Ta thấy cả 2cách đó đều dùng những bộ chỉnh lưu để điều chỉnh dòng xoay chiều
thành dòng một chiều, nhưng đồng thời bộ chỉnh lưu cũng tạo ra sóng hài, chủ yếu
là hài bậc 3 và bậc 5.
Hình 1.5 mô tả nguồn điện một chiều được sử dụng theo cách thứ 2.
Với nguồn này khi đóng, cắt sẽ tạo ra hài bậc 3 lớn, để hạn chế hài đó thường mắc
thêm bộ lọc L2C2
L1
L2
Bộ điều
khiển và
đóng cắt
120VAC
C
Hình 1.5 Nguồn công suất chế độ đóng cắt
14
C2
DC
Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ
Hình 1.6 – Chỉnh lưu một pha dùng tụ lọc – theo [11]
Trên Hình 1.7 thể hiện đường cong dòng hài từ nguồn điện áp tới tải tiêu dùng
(Tivi) Khi dùng bộ chỉnh lưu bằng điốt thì pha của dòng điện gần như trùng pha với
điện áp, hệ số cosϕ gần như bằng 1. Còn nếu dùng Thyristo thay cho điốt, tính từ
lúc góc mở trễ bắt đầu dẫn dòng, dạng sóng của dòng điện được thể hiện trên hình
1.7 và có kể đến thành phần dòng hài [11]. Dòng hài sẽ làm ảnh hưởng đến công
suất tác dụng và công suất phản kháng lấy từ nguồn cung cấp.
Hình 1.7 Biểu diễn đường cong dòng điện và điện áp – theo [11]
Trên Hình1.8 biểu diễn dòng điện với THDi = 120%, góc pha của mỗi sóng hài có
biên độ tương tự nhau, nhưng các sóng hài bậc lẻ đều tồn tại.
15
