Nghiên cứu và ứng dụng điều khiển bộ lọc tích cực cho lưới điện phân phối
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.69 MB, 95 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
HOÀNG MẠNH THẮNG
NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN BỘ LỌC
TÍCH CỰC CHO LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. TRẦN VĂN THỊNH
Hà Nội - 2014
Luận văn tốt nghiệp hệ thạc sĩ hệ kỹ thuật
Chuyên nghành: Kỹ Thuật Điện
LỜI CAM ĐOAN
Tôi là Hoàng Mạnh Thắng, học viên lớp Cao Học Kỹ Thuật Điện- Khoá 2012B - Hệ
Thạc Sỹ Kỹ Thuật. Sau hai năm học tập và nghiên cứu tại viện đào tạo sau đại học –
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, tôi quyết định lựa chọn và thực hiện đề tài “Nghiên
cứu và ứng dụng điều khiển bộ lọc tích cực cho lưới điện phân phối” .
Tôi xin cam đoan bản luận văn này được thực hiện bởi chính bản thân mình, dưới sự
hướng dẫn của TS. Trần Văn Thịnh, cùng với tài liệu đã được trích dẫn trong phần tài
liệu tham khảo ở cuối luận văn.
Hà Nội, ngày 27 tháng 11 năm 2014
Học viên
Hoàng Mạnh Thắng
-1-
Luận văn tốt nghiệp hệ thạc sĩ hệ kỹ thuật
Chuyên nghành: Kỹ Thuật Điện
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................................. - 1 MỤC LỤC ............................................................................................................................. - 2 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT, BẢNG, HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ...................... - 4 Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt ..................................................................................... - 4 Danh mục các bảng ............................................................................................................ - 5 Danh mục các hình vẽ, đồ thị ............................................................................................. - 5 PHẦN MỞ ĐẦU ................................................................................................................... - 8 Lý do chọn đề tài................................................................................................................ - 8 Mục đích, đối tượng nghiên cứu của luận văn..................................................................... - 8 Đối tượng nghiên cứu của luận văn .................................................................................... - 9 Tóm tắt các luận điểm cơ bản ............................................................................................. - 9 Phương pháp nghiên cứu .................................................................................................... - 9 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ SÓNG HÀI ........................................................................ - 10 1.1 Các vấn đề cơ bản về sóng hài .................................................................................... - 10 1.1.1 Tải phi tuyến trên lưới ......................................................................................... - 10 1.1.2 Tiêu chuẩn sóng hài cho phép .............................................................................. - 12 1.1.3 Mức độ sóng hài trên lưới phân phối ................................................................... - 14 1.1.4 Độ méo và các giới hạn méo của sóng hài ........................................................... - 15 1.1.4.1 Giới hạn độ méo sóng hài điện áp .................................................................... - 15 1.1.4.2 Giới hạn độ méo sóng hài dòng điện ................................................................ - 19 1.2 Nguồn sinh ra sóng hài ............................................................................................... - 20 1.2.1 Khái quát chung .................................................................................................. - 20 1.2.2 Máy biến áp ......................................................................................................... - 21 1.2.3 Máy điện quay ..................................................................................................... - 22 1.2.4 Thiết bị hồ quang................................................................................................. - 23 1.2.5 Bộ biến đổi công suất tĩnh................................................................................... - 26 CHƯƠNG 2 ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG HÀI VÀ CÁC BIỆN PHÁP GIẢM SÓNG HÀI .. - 31 2.1 Ảnh hưởng của sóng hài bậc cao đến hệ thống điện .................................................... - 31 2.1.1 Ảnh hưởng của sóng hài đến cách điện của các thiết bị điện ................................ - 31 2.1.2 Trở kháng của hệ thống ....................................................................................... - 35 2.1.3 Dung kháng của tụ điện ....................................................................................... - 38 2.1.4 Một số ảnh hưởng cụ thể khác của sóng điều hòa bậc cao ................................... - 39 2.2 Các biện pháp giảm sóng hài bậc cao.......................................................................... - 43 2.2.1 Máy biến áp ......................................................................................................... - 43 2.2.2 Máy điện quay ..................................................................................................... - 44 2.2.3 Sử dụng các bộ lọc công suất ............................................................................... - 44 2.2.3.1 Sử dụng bộ lọc thụ động ................................................................................... - 44 2.2.3.2 Sử dụng bộ lọc tích cực .................................................................................... - 48 CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP LÝ THUYẾT CÔNG SUẤT TỨC THỜI VÀ HỆ THỐNG LỌC
TÍCH CỰC 3 PHA 3 DÂY................................................................................................... - 52 3.1 Đặt vấn đề .................................................................................................................. - 52 3.2 Các phương pháp điều khiển bộ lọc tích cực ............................................................... - 53 3.2.1 Phương pháp dựa trên miền tần số ...................................................................... - 53 3.2.2 Phương pháp dựa trên miền thời gian .................................................................. - 55 3.3 Mô hình hoá hệ thống bộ lọc tích cực dựa trên lý thuyết công suất tức thời ................ - 58 Mô hình hệ thống 3 pha 3 dây ...................................................................................... - 58 CHƯƠNG 4 XÂY DỰNG MÔ HÌNH LỌC TÍCH CỰC SONG SONG 3 PHA 3 DÂY CHO
TẢI 1 CHIỀU TRONG SIMULINK/ MATLAB .................................................................. - 61 -2-
Luận văn tốt nghiệp hệ thạc sĩ hệ kỹ thuật
Chuyên nghành: Kỹ Thuật Điện
4.1 Cấu trúc của hệ thống ................................................................................................. - 61 4.2 Mô hình lọc tích cực trong Simulink/MATLAB ......................................................... - 62 4.2.1 Khối nguồn xoay chiều 3 pha ............................................................................... - 63 4.2.2 Khối tải phi tuyến 1 chiều (Non-linear Load) ....................................................... - 63 4.2.3 Khối lọc tích cực ( Active Power Filter) ............................................................... - 64 4.2.4 Khâu phân tích phổ dòng điện ............................................................................. - 70 4.2.5 Các khâu lấy tín hiệu, đo lường điện áp , dòng điện ............................................. - 70 4.3 Khảo sát đáp ứng của bộ lọc ....................................................................................... - 71 4.3.1 Khảo sát đáp ứng của bộ lọc với tải phi tuyến cầu chỉnh lưu 3 pha không điều
khiển……. .................................................................................................................... - 71 4.3.2 Khảo sát đáp ứng của bộ lọc với tải phi tuyến cầu chỉnh lưu 3 pha có điều khiển - 75 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................................................. - 82 Kết luận ........................................................................................................................... - 82 Kiến nghị và hướng phát triển tiếp theo của đề tài ............................................................ - 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................... - 84 PHỤ LỤC 1 TÍNH TOÁN THÔNG SỐ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ..................................... - 85 PHỤ LỤC 2 PHÂN TÍCH VỀ LÝ THUYẾT CÔNG SUẤT TỨC THỜI ............................. - 88 -
-3-
Luận văn tốt nghiệp hệ thạc sĩ hệ kỹ thuật
Chuyên nghành: Kỹ Thuật Điện
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT, BẢNG, HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt
Ý nghĩa
Ký hiệu, chữ viết tắt
Simulink/MATLAB
Công cụ mô phỏng trong phần mềm MATLAB
IEEE
Institute of Electrical and Electronics Engineers
ANSI
American National Standards Institute
IEC
International Electrotechnical Commission
EN
European Conformity
ANSI/IEEE 519
IEC61000-2-2[45]
IEC61000-2-4 cấp 2
IEC61000-2-4 cấp 3
EN56016
IEEE519
IEC61000-3-2
VDE 0160
TDD
Tiêu chuẩn về giới hạn độ méo sóng hài điện áp
Tiêu chuẩn về giới hạn độ méo sóng hài điện áp trong
lưới điện hạ áp công cộng
Tiêu chuẩn về giới hạn độ méo sóng hài điện áp trong
môi trường công nghiệp nói chung
Tiêu chuẩn về giới hạn độ méo sóng hài điện áp trong
môi trường công nghiệp
Tiêu chuẩn về giới hạn độ méo sóng hài điện áp cho
lưới
Tiêu chuẩn về giới hạn độ méo dạng dòng điện trong
hệ thống điện
Tiêu chuẩn về giới hạn độ méo sóng hài dòng điện cực
đại cho thiết bị cấp D
Tiêu chuẩn giới hạn hệ số không sin của điện áp trên
lưới của Đức
Total Demand Distortion
AC
Alternating Current
DC
Direct Current
THD
Total Harmonic Distortion
SVC
Static Var Compensator
PCC
Point of Common Coupling
IPC
In- Plant point of Coupling
-4-
Luận văn tốt nghiệp hệ thạc sĩ hệ kỹ thuật
Chuyên nghành: Kỹ Thuật Điện
PWM
Pulse Width Modulation
DFT
Discrete Fourier Transform
FFT
Fast Fourier Transform
Danh mục các bảng
Bảng 1.1 Tiêu chuẩn ANSI/IEEE 519 giới hạn độ méo sóng hài điện áp
Bảng 1.2 Tiêu chuẩn IEC61000- 2- 2 giới hạn độ méo sóng hài điện áp trong lưới điện
hạ áp công cộng
Bảng 1.3 Tiêu chuẩn IEC61000- 2- 4 cấp 2 giới hạn độ méo sóng hài điện áp trong
môi trường công nghiệp nói chung
Bảng 1.4 Tiêu chuẩn IEC61000- 2- 4 cấp 3 giới hạn độ méo sóng hài điện áp trong
môi trường công nghiệp
Bảng 1.5 Tiêu chuẩn EN56016 giới hạn độ méo sóng hài điện áp cho lưới hạ áp
Bảng 1.6 Tiêu chuẩn EN56016 giới hạn độ méo sóng hài điện áp cho lưới trung áp
Bảng 1.7 Tiêu chuẩn IEEE519 giới hạn độ méo dạng dòng điện trong các hệ thống
phân phối
Bảng 1.8 Tiêu chuẩn IEEE519 giới hạn độ méo dạng dòng điện trong các hệ thống sau
truyền tải
Bảng 1.9 Tiêu chuẩn IEEE519 giới hạn độ méo dạng dòng điện trong các hệ thống
truyền tải
Bảng 1.10 Tiêu chuẩn IEC61000- 3- 2 giới hạn độ méo sóng hài dòng điện cực đại cho
thiết bị cấp D
Bảng 2.1 Giá trị đường cong điện áp biến thiên theo biên độ3 và pha đầu tiên 3 của
sóng hài điện áp bậc 3
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Hình 1.1 Đồ thị thay đổi các sóng hài bậc cao
Hình 1.2 Đồ thị dòng điện bão hoà của máy biến áp
Hình 1.3 Đồ thị các thành phần dòng điện từ hóa của máy biến áp
Hình 1.4 Ví dụ về từ trường của máy điện quay
Hình 1.5 Ví dụ sóng hài dòng điện sinh ra bởi động cơ đồng bộ 1 pha
Hình 1.6 Mức độ điện áp và dòng điện điều hòa trong lò điện hồ quang
-5-
Luận văn tốt nghiệp hệ thạc sĩ hệ kỹ thuật
Chuyên nghành: Kỹ Thuật Điện
Hình 1.7 Dạng sóng của điện áp sơ cấp máy biến áp
Hình 1.8 Dạng sóng điện áp của hồ quang điện
Hình 1.9 Cấu hình hệ thống và dạng sóng của điện áp tụ đối với cộng hưởng
Hình 1.10 Dạng sóng của điện áp sơ cấp hệ thống có bộ lọc sóng hài bậc ba
Hình 1.11 Mô hình tải phi tuyến cầu chỉnh lưu 3 pha không điều khiển
Hình 1.12 Dạng sóng dòng điện của nguồn khi có chỉnh lưu cầu 3 pha
Hình 1.13 Phổ dòng điện cầu chỉnh lưu 3 pha không điều khiển
Hình 1.14 Mô hình tải cầu chỉnh lưu 3 pha có điều khiển
Hình 1.15 Dạng dòng điện chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển với góc mở 300
Hình 1.16 Phổ dòng điện cầu chỉnh lưu 3 pha có điều khiển với góc mở 300
Hình 1.17 Dạng dòng điện chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển với góc mở 900
Hình 1.18 Phổ dòng điện cầu chỉnh lưu 3 pha có điều khiển với góc mở 900
Hình 2.1 Dạng đường cong điện áp có chu kỳ hình sin (a), dạng nhọn (b) và dạng bằng
đầu (c) có cùng điện áp tác động
Hình 2.2 Đồ thị đường cong điện áp biến thiên theo biên độ 3 và pha đầu tiên 3 của
sóng hài điện áp bậc 3
Hình 2.3 Quan hệ giữa trở kháng và tần số trong hệ thống có tính cảm
Hình 2.4 Bộ lọc thụ động mắc nối tiếp vào hệ thống tải chỉnh lưu 3 pha
Hình 2.5 Sơ đồ thay thế của mạch lọc thụ động mắc nối tiếp
Hình 2.6 Bộ lọc thụ động mắc song song vào hệ thống tải chỉnh lưu 3 pha
Hình 2.7 Sơ đồ thay thế của mạch lọc thụ động mắc song song
Hình 2.8 Lọc tích cực kiểu song song
Hình 2.9 Lọc tích cực kiểu nối tiếp
Hình 3.1 Phương pháp tính toán FFT
Hình 3.2 Nguyên lý hoạt động mạch lọc tích cực song song 3 pha
Hình 3.3 Sơ đồ bộ lọc tích cực mắc song song 3 pha 3 dây
Hình 3.4 Thuật toán điều khiển dựa trên thuyết p-q
Hình 4.1 Mô hình lọc tích cực trong Simulink/Matlab
Hình 4.2 Khối nguồn mô phỏng
Hình 4.3 Thông số nguồn cung cấp
Hình 4.4 Khối tải phi tuyến mô phỏng
-6-
Luận văn tốt nghiệp hệ thạc sĩ hệ kỹ thuật
Chuyên nghành: Kỹ Thuật Điện
Hình 4.5 Thông số tải 1 chiều
Hình 4.6 Khối lọc tích cực
Hình 4.7 Khối IGBT 3 Bridge
Hình 4.8 Thông số cấu hình bộ IGBT 3 Bridge
Hình 4.9 Chuyển đổi hệ toạ độ điện áp lưới
Hình 4.10 Chuyển đổi hệ toạ độ dòng điện tải
Hình 4.11 Khâu tạo xung điều khiển cho bộ nghịch lưu
Hình 4.12 Khâu xử lý tín hiệu hồi tiếp tải
Hình 4.13 Khâu tạo xung PWM
Hình 4.14 Khâu tạo xung răng cưa
Hình 4.15 Khâu tổng hợp và đưa ra xung điều khiển
Hình 4.16 Khâu phân tích phổ dòng điện
Hình 4.17 Dòng điện của lưới
Hình 4.18 Dạng sóng điện áp nguồn khi tải phi tuyến tác động
Hình 4.19 Phổ dòng điện pha A khi không có bộ lọc
Hình 4.20 Dòng điện lưới
Hình 4.21 Dòng điện bù của bộ lọc tích cực
Hình 4.22 Phổ dòng điện pha A khi bộ lọc tích cực tác động
Hình 4.23 Tải phi tuyến cầu chỉnh lưu 3 pha có điều khiển
Hình 4.24 Dạng sóng dòng điện nguồn khi bộ lọc chưa tác động
Hình 4.25 Phân tích phổ dòng pha A
Hình 4.26 Dạng sóng dòng điện nguốn sau khi bộ lọc tác động
Hình 4.27 Phân tích phổ pha A khi bộ lọc tác động
Hình 4.28 Dạng sóng dòng điện nguồn khi bộ lọc chưa tác động
Hình 4.29 Phân tích phổ dòng pha A
Hình 4.30 Dạng sóng dòng điện nguốn sau khi bộ lọc tác động
Hình 4.31 Phân tích phổ pha A khi bộ lọc tác động
-7-
Luận văn tốt nghiệp hệ thạc sĩ hệ kỹ thuật
Chuyên nghành: Kỹ Thuật Điện
PHẦN MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Ngày nay, số lượng phụ tải phi tuyến tham gia vào lưới ngày càng nhiều. Điều này dẫn
đến sóng hài dòng điện và điện áp phát sinh ra ngày càng tăng cao. Độ méo đường cong
dòng điện và điện áp trong lưới điện ngày càng lớn làm ảnh hưởng đến chế độ làm việc
của lưới điện và các thiết bị điện, đặc biệt là các thiết bị điện tử viễn thông và thông tin
liên lạc. Việc nghiên cứu sóng hài nhằm tìm ra các nguyên nhân và các phương pháp hạ
thấp, giảm thiểu ảnh hưởng của sóng hài đến chất lượng cung cấp điện là cần thiết.
Một trong các phương pháp nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của sóng hài đến chất lượng
điện năng là lắp đặt các bộ lọc. Có nhiều phương pháp chọn và lắp đặt bộ lọc lên lưới để
khử thành phần hài, một trong những phương pháp hiệu quả nhất là sử dụng bộ lọc tích
cực.
Với tiến bộ của khoa học kỹ thuật, chúng ta đã chế tạo được các thiết bị công suất chịu
được điện áp cao, dòng điện lớn, vì vậy rất thuận lợi cho việc chế tạo ra các bộ lọc tích
cực có khả năng đáp ứng được công suất lớn. Bộ lọc tích cực không những có khả năng
loại được sóng hài trên lưới mà còn có thể chủ động bù được công suất phản kháng, nâng
cao hệ số công suất. Điều này có ý nghĩa lớn đối với hệ thống điện truyền tải cũng như
lưới phân phối.
Mục đích, đối tượng nghiên cứu của luận văn
Nghiên cứu tác động của sóng hài lên các thiết bị, phụ tải trên lưới phân phối.
Tìm hiểu các phương pháp khử sóng hài và nâng cao chất lượng điện năng.
Dựa trên cơ sở của lý thuyết công suất tức thời, luận văn xây dựng thuật toán điều
khiển cho bộ lọc tích cực. Thuật toán này điều khiển sự đóng/ cắt các van điện tử công
suất nhằm tạo ra dòng bù thích hợp cho tải, đưa dạng sóng dòng điện/ điện áp nguồn về
dạng hình sin.
Khảo sát đáp ứng của bộ lọc tích cực cho tải 1 chiều trên lưới phân phối. Đây là dạng
tải phổ biến và trả về lưới thành phần sóng hài khá lớn. Việc nghiên cứu giải pháp giảm
thiểu sóng hài sinh ra bởi tải 1 chiều trên lưới phân phối có ý nghĩa thực tiễn cao, góp
phần cải thiện chất lượng điện năng cho nguồn lưới.
-8-
Luận văn tốt nghiệp hệ thạc sĩ hệ kỹ thuật
Chuyên nghành: Kỹ Thuật Điện
Đối tượng nghiên cứu của luận văn
Đối tượng nghiên cứu là bộ lọc tích cực 3 pha 3 dây cho tải phi tuyến 1 chiều trên lưới
phân phối.
Tóm tắt các luận điểm cơ bản
Có nhiều phương pháp để điều khiển bộ lọc tích cực, luận văn này sử dụng phương
pháp lý thuyết công suất tức thời .
Đây là lý thuyết phổ biến rộng rãi trên toàn thế giới và được ứng dụng hầu hết trong
các bộ lọc tích cực thương mại.
Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết về sóng hài và các biện pháp giảm sóng hài
Thực hiện mô phỏng bộ lọc tích cực trên phần mềm Simulink/MATLAB
Cấu trúc của luận văn:
Chương 1 Tổng quan về sóng hài
Nêu ra các luận điểm cơ bản về sóng hài, nguồn sinh ra sóng hài
Chương 2 Ảnh hưởng của sóng hài và các biện pháp giảm sóng hài
Nghiên cứu các ảnh hưởng của sóng hài bậc cao đối với thiết bị tham gia vào hệ thống
điện
Tìm hiểu các biện pháp giảm thiểu sóng hài cho lưới phân phối.
Chương 3 Phương pháp lý thuyết công suất tức thời và hệ thống lọc tích cực 3 pha 3 dây
Nghiên cứu cơ sở lý thuyết công suất tức thời, từ đó xây dựng thuật toán điều khiển bộ
lọc tích cực và ứng dụng cho hệ thống lọc tích cực 3 pha 3 dây.
Chương 4 Xây dựng mô hình lọc tích cực song song 3 pha 3 dây cho tải 1 chiều trong
Simulink/MATLAB
Từ lý thuyết công suất tức thời, mô hình hoá thuật toán điều khiển và xây dựng bộ lọc
tích cực song song 3 pha 3 dây cho tải 1 chiều trong công cụ mô phỏng Simulink/ Matlab.
Đánh giá chất lượng bộ lọc: chất lượng nguồn trước khi và sau khi bộ lọc tác động;
thay đổi đặc tính của tải để đánh giá chất lượng bộ lọc.
Kết luận và kiến nghị
-9-
Luận văn tốt nghiệp hệ thạc sĩ hệ kỹ thuật
Chuyên nghành: Kỹ Thuật Điện
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ SÓNG HÀI
1.1 Các vấn đề cơ bản về sóng hài
1.1.1 Tải phi tuyến trên lưới
Trong hệ thống điện khu vực, các trạm biến áp của các xí nghiệp công nghiệp lớn (như
nhà máy cán thép, nhà mày xi măng, nhà máy sản xuất ô tô, nhà máy hóa chất…) thường
được đấu nối trực tiếp vào lưới điện 6, 10, 22 hoặc 35kV. Thành phần của các phụ tải này
thường có đặc tính phi tuyến, phụ thuộc vào loại hình của các xí nghiệp công nghiệp.
Ở các nhà máy cơ khí, các nguồn sóng hài chính là các bộ biến đổi van, các bộ biến
đổi van này là nguồn tập trung của sóng hài dòng điện: ở nhà máy cán thép, công suất của
bộ biến đổi van có thể đạt đến 80% công suất tải của nhà máy. Ví dụ quạt tuần hoàn
nghiền xi (quạt công nghệ) của nhà máy xi măng Hoàng Mai- Quỳnh Lưu- Nghệ An có
công suất đạt tới 2.7MW, đối với các nhà máy có công suất lớn hơn có thể đạt đến (3.2- 4)
MW. Đối với máy cán định hình và phôi, các động cơ điện một chiều của bộ phận chính
được cấp điện từ các bộ phận biến đổi van có công suất rất lớn.
Các máy cán hiện đại hoạt động liên tục, các động cơ của chúng có công suất mỗi cái
lên tới (2 - 3) MW, để duy trì hoạt động của các thiết bị này phải dùng các bộ phận biến
đổi van công suất lớn. Các máy cán, các hệ thống kích từ của máy móc dùng điện một
chiều và xoay chiều cũng dùng thiết bị chỉnh lưu này.
Trong những năm gần đây, khuynh hướng sử dụng các bộ biến đổi van để cấp điện cho
các động cơ một chiều thay thế cho các bộ biến đổi khác nhau của máy điện và động cơ
đồng bộ ngày càng tăng. Dẫn đến mức độ sóng hài phát sinh tham gia vào thành phần
điện áp và dòng điện của lưới ngày càng cao.
Các bộ biến đổi van còn được sử dụng để cấp cho các lưới ở xưởng liên hợp các máy
cán dùng điện một chiều, máy chọn quặng bằng nam châm điện, một vài cơ cấu dùng
trong động cơ điện có điều khiển bằng rơle tiếp điểm như trong các lò luyện thép, lò cao
tần. Dòng điện một chiều được áp dụng rộng rãi trong các xưởng cán lạnh, các bộ biến
đổi van được sửa dụng cho bể mạ kẽm đang được sử dụng rộng rãi cho ngành công
nghiệp dân dụng.
Trong các xưởng luyện kim của các nhà máy luyện kim, luyện quặng người ta sử dụng
các lò đốt bằng điện, có khả năng luyện (3- 3000) h. Công suất máy biến áp cấp nguồn
- 10 -
Luận văn tốt nghiệp hệ thạc sĩ hệ kỹ thuật
Chuyên nghành: Kỹ Thuật Điện
cho lò ở khoảng (1.5- 25) MVA. Các lò có công suất đến 25T đấu nối với lưới 10kV, các
lò lớn hơn nối với lưới (35- 110) kV. Các lò đốt bằng điện không những làm biến dạng
đường cong điện áp của nguồn cung cấp, đặc biệt trong giai đoạn làm nóng chảy thép, mà
còn gây phóng điện ở các pha khác nhau và chúng có thể gây ra sự dao động điện áp lớn
trên lưới. Một vài nhà máy sản xuất ô tô, các lò đốt bằng điện, sử dụng khoảng (1445) % toàn bộ năng lượng điện trong xí nghiệp, các nhà máy cán thép sử dụng đốt lò
bằng điện có công suất lò lớn chiếm đến (80- 90) % công suất tiêu thụ toàn nhà máy.
Tại các xí nghiệp cơ khí, công nghiệp nặng, sản xuất ô tô và luyện kim thường sử dụng
các thiết bị hàn điện. Trong những năm gần đây, các bộ chỉnh lưu bán dẫn bắt đầu được
sử dụng cho những máy hàn một chiều. Công suất của các bộ biến đổi van khi cấp nguồn
để hàn có thể đạt đến vài trăm kW, các bộ chỉnh lưu của máy hàn được cấp từ nguồn
380V.
Công suất của máy hàn điện tự động một pha tần số công nghiệp đạt 750kVA, đối với
máy hàn tay có thể đạt (20- 35) kVA. Các thiết bị máy hàn điện làm việc lặp đi, lặp lại
thời gian ngắn, tải máy hàn là không đối xứng. Các thiết bị hàn dùng dòng ngắn mạch 3
pha để hàn được sử dụng chủ yếu trong các nhà máy sản xuất ô tô, luyện kim… Công
suất của thiết bị có thể đạt đến vài MW.
Trong các dây chuyền của nhà máy sản xuất ô tô, các xưởng sửa chữa cơ khí của các
xí nghiệp luyện kim, tỉ lệ của tải hàn có thể đạt (70- 80) % tổng tải của xưởng.
Tại các nhà máy hóa chất, nhà máy luyện kim màu…, đa số nguồn của nhà máy được
cung cấp bởi các bộ biển đổi điện van. Tại các nhà máy sản xuất nhôm, các thiết bị này
tiêu thụ đến 90% năng lượng của xí nghiệp, công suất của các thiết bị đạt đến vài MW.
Các bộ biến đổi van ở các xí nghiệp loại này cũng sử dụng để gia công kim loại bằng
các phương pháp hóa- điện ở các thiết bị mạ chạy bằng điện một chiều: tẩy axit, khử
dầu… Công suất của các bộ biến đổi van của các thiết bị này cũng đạt vài trăm kW.
Các đèn phóng điện qua không khí ( thủy ngân, huỳnh quang) đang được sử dụng rộng
dãi để chiếu sáng đô thị, sử dụng ở các xưởng của các xí nghiệp công nghiệp cũng là các
nguồn cung cấp sóng hài bậc cao. Các đèn này có công suất nhỏ nhưng số lượng đèn lớn
cho nên tổng công suất lắp đặt của các đèn này tham gia vào lưới điện cũng rất lớn.
Qua các phân tích trên chúng ta nhận thấy rằng, ngày càng có nhiều phụ tải có công
suất lớn được lắp đặt vào lưới điện. Các phụ tải này phục vụ cho các nhà máy công
- 11 -
Luận văn tốt nghiệp hệ thạc sĩ hệ kỹ thuật
Chuyên nghành: Kỹ Thuật Điện
nghiệp, đặc trưng sinh ra các sóng hài điện áp và dòng điện. Các phụ tải này tham gia vào
lưới điện, làm méo dạng đường cong điện áp và dòng điện, làm ảnh hưởng đến các phụ
tải khác trong hệ thống. Đó là các phụ tải phi tuyến, việc nghiên cứu các tải phi tuyến này
cần phải được quan tâm nhiều hơn.
1.1.2 Tiêu chuẩn sóng hài cho phép
Bài toán giới hạn mức độ sóng hài cho phép ở các lưới điện được khảo sát theo hai
quan điểm: kỹ thuật và kinh tế.
Ở đây, ta chỉ xét đến giới hạn các giá trị sóng hài cho phép được xác định do các yếu
tố về mặt kỹ thuật.
Sóng hài bậc cao sẽ làm giảm các chỉ tiêu kinh tế của việc vận hành hệ thống các nhà
máy phân phối điện. Kết quả là phát sinh những tổn thất phụ do sóng hài và giảm bớt thời
gian làm việc của các cách điện trong các thiết bị điện, máy biến áp, tụ điện, cáp lực.
Ủy ban kỹ thuật quốc tế đã thông qua tiêu chuẩn, bỏ qua việc sụt giảm điện áp thoáng
qua, về sự sai lệch tung độ của đường cong điện áp tổng và sóng hài bậc 1 trên các thanh
dẫn của bộ chỉnh lưu khi có sơ đồ chỉnh lưu 6 pha là không quá 5% giá trị biên độ. Sơ đồ
chỉnh lưu 12 và 24 pha của bộ biến đổi van giảm đến giới hạn cho phép tương đương là 2
đến 4 lần giá trị biên độ.
Để đạt được các yêu cầu này, cơ quan năng lượng Anh Quốc đã quy định các giá trị
cho phép về quan hệ giữa phụ tải từ 6- 12- 24 pha của các bộ biến đổi van với công suất
ngắn mạch hệ thống năng lượng nguồn tại thanh dẫn có đấu nối các bộ biến đổi van. Lưu
ý rằng các tiêu chuẩn này được đặt ra nhằm đảm bảo sự chuyển mạch lý tưởng của các bộ
biến đổi van và rất cứng nhắc.
Khi thiết kế các bộ biến đổi van ở các lưới điện phân phối có tụ điện, một vài hệ thống
năng lượng Anh Quốc đưa ra các giá trị giới hạn của sóng hài dòng điện dành cho lưới có
điện áp khác nhau phụ thuộc vào pha của bộ biến đổi van. Các nguyên tắc được đưa ra
dựa trên kinh nghiệm vận hành và với mục đích bỏ qua sự quá tải của các tụ điện khi tính
dòng của sóng hài. Ví dụ, dòng của sóng hài bất kỳ của bộ biến đổi điện 12 pha đang vận
hành với bộ biến đổi van tương tự ở chế độ 12 pha, không vượt quá 12.3A khi điện áp
lưới là 11kV.
- 12 -
Luận văn tốt nghiệp hệ thạc sĩ hệ kỹ thuật
Chuyên nghành: Kỹ Thuật Điện
Giới hạn của bộ biến đổi van về sóng hài dòng điện riêng biệt được xem xét với các
tiêu chuẩn được đưa ra ở một vài hệ thống năng lượng Mỹ, Pháp, Thụy sỹ. Để thỏa mãn
các yêu cầu của tiêu chuẩn này, cần sử dụng các bộ biến đổi van có số pha không dưới 12
pha và thỉnh thoảng dùng cả các bộ lọc sóng hài. Trong rất nhiều trường hợp, khi thiết kế
các thiết bị có bộ biến đổi van, các hệ thống năng lượng quốc gia và các công ty của các
nước Châu Âu đưa vào hợp đồng các yêu cầu cung cấp thiết bị có mức độ sóng hài rất
thấp. Cho nên khi thiết kế thiết bị của bộ biến đổi van ở một trong các trạm có nguồn
cũng có điện cao thế từ hệ thống điện Anh Quốc, người ta đưa ra các yêu cầu giới hạn
mức sóng hài ở 2% theo độ lệch điện áp so với đường cong tương tự cũng được đưa ra
khi thiết kế đường dây dẫn điện, các giá trị điện áp cực đại của các sóng hài riêng lẻ
không quá 1%.
Hệ số không sin được tính theo công thức :
n
k HC
U
v2
2
v
U1
(1.1)
Trong đó: Uv và U1 là điện áp tương đương của sóng hài bậc v và bậc 1.
Giới hạn của hệ số không sin cho phép được tính theo công thức (1.1). Lưu ý rằng,
khi chọn công suất của bộ biến đổi vẫn theo các quy định hệ số không sin ở trong khoảng
(3- 4) %.
Các tiêu chuẩn VDE 0160 ( Cộng Hoà Liên Bang Đức) giới hạn hệ số không sin của
điện áp trên các lưới ở giá trị 10%. Do vậy giá trị liên quan của trị số tác động của các
sóng hài riêng lẻ của điện áp ( tính bằng % đối với U1) không được quá 5%. Trong hệ
thống cấp điện của các xí nghiệp từ các nhà máy điện lớn, điều kiện này được thực hiện
trong phần lớn các trường hợp mà không sử dụng các biện pháp phụ để giảm mức của
sóng hài.
Vì đặc tính sai lệch phi tuyến của điện áp trong các hệ thống năng lượng các nước
Châu Âu, vài năm trước đây, người ta đưa ra đưa ra hệ số chỉ sự nhảy vọt điện áp về mặt
lý thuyết như sau:
n
Uv
v 2 U1
D
- 13 -
(1.2)
Luận văn tốt nghiệp hệ thạc sĩ hệ kỹ thuật
Chuyên nghành: Kỹ Thuật Điện
Ưu điểm của hệ số này so với hệ số tính không sin là ở chỗ thậm chí các sóng hài có
biên độ rất nhỏ cũng được tính chính xác và thực tế không ảnh hưởng đến giá trị hệ số
không sin. Giá trị đề xuất D = (4- 5) % đối với lưới điện vận hành liên tục.
Như vậy :
D = (1.5- 2)*kHC%
(1.3)
1.1.3 Mức độ sóng hài trên lưới phân phối
Việc sai lệch điện áp trên các lưới phân phối ở trong hệ thống chủ yếu là do các sóng
hài của dòng điện không tải các máy biến áp, cũng như do các bộ biến đổi van.
Đó là do không có việc chuyển mạch cũng như nhờ có các thiết bị điều chỉnh điện áp
tự động tại các nhà máy điện và độ ổn định điện áp tại các nhà máy điện của hệ thống
điện năng. Tại đây, người ta lắp đặt các thiết bị bù đồng bộ có thiết bị điều chỉnh điện áp
tự động.
Hình 1.1 giới thiệu về các đồ thị thay đổi các sóng hài bậc cao chủ yếu của điện áp pha
A và sóng hài bậc 3 của pha B ở mạng 6kV. Ở đó không có các bộ biến đổi van. Sóng hài
điện áp các pha A và B được đo trong các ngày khác nhau.
Hình 1.1 Đồ thị thay đổi các sóng hài bậc cao
Độ lớn phụ tải ít ảnh hưởng đến cấp độ của sóng hài bậc cao của điện áp
- 14 -
Luận văn tốt nghiệp hệ thạc sĩ hệ kỹ thuật
Chuyên nghành: Kỹ Thuật Điện
1.1.4 Độ méo và các giới hạn méo của sóng hài
Khi nghiên cứu sóng hài điện áp và sóng hài dòng điện người ta đưa ra khái niệm về
độ méo. Tiêu chuẩn được dùng để xác định khi các sóng hài vượt quá giới hạn cho phép
là hệ số độ méo dạng điều hòa tổng (THD). Hệ số THD là một thước đo của độ méo tần
số của các thành phần hài gây ra bởi sóng hài trong hệ thống và được xác định như sau:
THD
C
2
n
2
C1
(1.4)
Trong đó: Cn là giá trị đỉnh của thành phần hài bậc n
C1 là biên độ thành phần sóng cơ bản
THD là đại lượng rất hữu ích trong nhiều ứng dụng nhưng nó cũng có mặt hạn chế.
Nó có thể đưa ra một phương pháp tốt để xác định lượng nhiệt được toả ra khi điện áp bị
méo dạng đặt vào một tải dạng điện trở. Tương tự như vậy, nó cũng có thể chỉ ra sự tổn
thất thêm được tạo ra bởi dòng điện chạy qua một vật dẫn. Tuy nhiên, nó không phải là
dấu hiệu tốt về điện áp mà một tụ điện phải chịu bởi THD chỉ liên quan đến giá trị đỉnh
của sóng điện áp chứ không phải giá trị toả nhiệt nó tạo ra.
Điện áp dạng sóng hài hầu như luôn luôn liên quan đến giá trị cơ bản của sóng hài tại
thời điểm lấy mẫu. Vì điện áp thay đổi chỉ vài phần trăm, điện áp THD luôn là con số rất
ý nghĩa. Điều này không đúng với dòng điện, một dòng điện nhỏ có thể có THD lớn
nhưng không phải là ảnh hưởng đáng kể tới hệ thống. Do hầu hết các thiết bị kiểm tra
thông báo THD dựa trên mẫu hiện tại, người sử dụng có thể bị đánh lừa rằng dòng điện
đó rất nguy hiểm.
Dưới đây xin giới thiệu về giới hạn độ méo sóng điện áp và sóng hài dòng điện được
thiết lập bởi tiêu chuẩn IEEE, IEC. Vì nhiều nước có tiêu chuẩn riêng của mình, nên các
vấn đề cập nhập ở đây không có nghĩa bao gồm tất cả. Nó chỉ dựa trên kinh nghiệm của
mỗi tổ chức đưa ra tiêu chuẩn và các vấn đề liên quan trong các chương trình phân tích
sóng hài.
1.1.4.1 Giới hạn độ méo sóng hài điện áp
Tiêu chuẩn IEEE
- 15 -
Luận văn tốt nghiệp hệ thạc sĩ hệ kỹ thuật
Chuyên nghành: Kỹ Thuật Điện
Các tiêu chuẩn giới hạn về độ méo sóng hài điện áp theo tiêu chuẩn ANSI/IEEE 519
được cho trong bảng 1.1
Bảng 1.1 Tiêu chuẩn ANSI/IEEE 519 giới hạn độ méo sóng hài điện áp
Điện áp thanh cái tại điểm
Từng bậc hài Vh
Tổng độ méo hài điện áp
đấu nối
%
THD %
V < 69kV
3.0
5.0
69kV ≤ V< 161kV
1.5
2.5
V ≥ 161kV
1.0
1.5
Tiêu chuẩn IEC
Các tiêu chuẩn giới hạn độ méo sóng hài điện áp theo tiêu chuẩn IEC61000- 2- 2 [45]
trong lưới điện hạ áp công cộng được cho trong bảng 1.2
Bảng 1.2 Tiêu chuẩn IEC61000- 2- 2 [45] giới hạn độ méo sóng hài điện áp trong lưới
điện hạ áp công cộng
Sóng hài bậc lẻ
Sóng hài bậc chẵn
Sóng hài bội 3
h
%Vh
h
%Vh
h
%Vh
5
6
2
2
3
5
7
5
4
1
9
1,5
11
3,5
6
0.5
15
0.3
13
3
8
0.5
≥21
0.2
17
2
10
0.5
19
1.5
≥12
0.2
23
1.5
25
1.5
≥29
X
8% ≥ THDv đối với tất cả các sóng hài đến bậc 40
+ X = 0.2 + 12.5*h
Với h = 29, 31, 35, 37 Với Vh = 0.63; 0.6; 0.56; 0.54%
Các tiêu chuẩn giới hạn độ méo sóng hài điện áp theo tiêu chuẩn IEC61000-2-4 cấp
được cho trong bảng 1.3
- 16 -
Luận văn tốt nghiệp hệ thạc sĩ hệ kỹ thuật
Chuyên nghành: Kỹ Thuật Điện
Bảng 1.3 Tiêu chuẩn IEC61000- 2- 4 cấp 2 giới hạn độ méo sóng hài điện áp trong
môi trường công nghiệp nói chung
Sóng hài bậc lẻ
Sóng hài bậc chẵn
Sóng hài bội 3
h
%Vh
h
%Vh
h
%Vh
5
6
2
2
3
5
7
5
4
1
9
1,5
11
3,5
6
0.5
15
0.3
13
3
8
0.5
≥ 21
0.2
17
2
10
0.5
19
1.5
≥ 12
0.2
23
1.5
25
1.5
≥29
X
+ 8% ≥ THDv đối với cấp 2 và 10% ≥ THDv đối với cấp 3.
+ Cấp 2 áp dụng cho các PCC và IPC trong môi trường công nghiệp nói chung.
+ Cấp 3 áp dụng cho IPC trong môi trường công nghiệp .
+ PCC ( Point of Common Coupling): điểm đấu nối chung
+ IPC ( In-Plant point of Coupling): điểm đấu nối trong nhà máy.
+ X = 0.2 + 12.5*h
Với h = 29, 31, 35, 37 Với Vh = 0.63; 0.6; 0.56; 0.54%
Các tiêu chuẩn giới hạn độ méo sóng hài điện áp theo tiêu chuẩn IEC61000-2-4 cấp 3
được cho bởi bảng 1.4
Bảng 1.4 Tiêu chuẩn IEC61000- 2- 4 cấp 3 giới hạn độ méo sóng hài điện áp trong
môi trường công nghiệp
Sóng hài bậc lẻ
Sóng hài bậc chẵn
Sóng hài bội 3
h
%Vh
h
%Vh
h
%Vh
5
8
2
3
3
6
4
1.5
9
2.5
≥6
1
15
2
21
1.75
7
7
11
5
13
4.5
- 17 -
Luận văn tốt nghiệp hệ thạc sĩ hệ kỹ thuật
17
4
19
4
23
3.5
25
3.5
≥29
y
Chuyên nghành: Kỹ Thuật Điện
≥27
1
𝑦 = 5√11/ℎ
Với h = 29, 31, 35, 37 Với Vh = 3.1; 3.0 ; 2.8; 2.7%
Tiêu chuẩn Châu Âu (EN) :
Các tiêu chuẩn thế giới độ méo sóng hài điện áp cho lưới hạ thế và trung áp theo tiêu
chuẩn EN 56016 được cho trong bảng 1.5 và bảng 1.6
Bảng 1.5 Tiêu chuẩn EN56016 giới hạn độ méo sóng hài điện áp cho lưới hạ áp
Sóng hài bậc lẻ
Sóng hài bậc chẵn
Sóng hài bội 3
h
%Vh
h
%Vh
h
%Vh
5
6
2
2
3
5
4
1
9
1.5
6-24
0.5
15
0.5
7
5
11
3.5
13
3
21
0.5
17
2
≥27
1
19
1.5
23
1.5
25
1.5
+ 8% ≥ THDv đối với tất cả các sóng hài đến bậc 40
Bảng 1.6 Tiêu chuẩn EN56016 giới hạn độ méo sóng hài điện áp cho lưới trung áp
Lưới trung áp 1kV≤U≤35kV
Sóng hài bậc lẻ
Sóng hài bậc chẵn
Sóng hài bội 3
h
%Vh
h
%Vh
h
%Vh
5
6
2
2
3
5
4
1
9
1.5
6-24
0.5
15
0.5
21
0.5
7
5
11
3.5
13
3
- 18 -
Luận văn tốt nghiệp hệ thạc sĩ hệ kỹ thuật
17
2
19
1.5
23
1.5
25
1.5
Chuyên nghành: Kỹ Thuật Điện
≥27
1
+ Không có trị số đối với sóng hài bậc cao hơn 25 vì chúng thường nhỏ nhưng thành
phần lớn không tính được do tác dụng của hiện tượng cộng hưởng.
1.1.4.2 Giới hạn độ méo sóng hài dòng điện
Tiêu chuẩn IEEE
Các tiêu chuẩn giới hạn độ méo sóng hài dòng điện trong các hệ thống truyền tải , sau
truyền tải và phân phối dựa trên so sánh tải với dung lượng ngắn mạch của hệ thống ( tỉ
số ISC/IL) tiêu chuẩn IEEE 519 được cho trong bảng 1.7, bảng 1.8 và bảng 1.9
Bảng 1.7 Tiêu chuẩn IEEE 519 giới hạn độ méo dạng dòng điện trong các hệ thống
phân phối
ISC/IL
IH/IL%- Hệ thống phân phối (120V-60kV) TDD
h <11
11
17
23
h≥35
(%)
<20
4.0
2.0
1.5
0.6
0.3
5
20-50
7.0
3.5
2.5
1.0
0.5
8
50-100
10
4.5
4.0
1.5
0.7
12
100-1000
12
5.5
5.0
2.0
1.0
15
>1000
15
7.0
6.0
2.5
1.4
20
Bảng 1.8 Tiêu chuẩn IEEE519 giới hạn độ méo dạng dòng điện trong các hệ thống sau
truyền tải
ISC/IL
IH/IL%- Hệ thống sau truyền tải (69kV-161kV) TDD
h<11
11
17
23
h≥35
(%)
Các giá trị giới hạn bằng với của hệ thống phân phối
Bảng 1.9 Tiêu chuẩn IEEE519 giới hạn độ méo dạng dòng điện trong các hệ thống
truyền tải
ISC/IL
<50
IH/IL%- Hệ thống truyền tải (>161kV) TDD
h<11
11
17
23
h≥35
(%)
2.0
1.0
0.75
0.3
0.15
2.5
- 19 -
Luận văn tốt nghiệp hệ thạc sĩ hệ kỹ thuật
≥50
3.0
1.5
Chuyên nghành: Kỹ Thuật Điện
1.15
0.45
0.22
3.75
Các giới hạn độ méo dòng điện trên đây là đối với sóng hài bậc lẻ.
Giới hạn sóng hài dòng điện bậc chẵn = 25% giới hạn sóng hài bậc lẻ
Đối với tất cả thiết bị điện, giới hạn độ méo là ISC/IL < 20
ISC dòng tải max 15 hoặc 30 phút ứng với tần số cơ bản tại điểm đấu nối chung.
TDD là tổng độ méo phụ tải.
Tiêu chuẩn IEC
Các tiêu chuẩn giới hạn độ méo sóng hài dòng điện đối với thiết bị cấp điện theo tiêu
chuẩn IEC 61000- 3- 2 được cho trong bảng 1.10
Bảng 1.10 Tiêu chuẩn IEC61000-3-2 giới hạn độ méo sóng hài dòng điện cực đại cho
thiết bị cấp D
h
3
5
7
9
11
13
15..39
Max
2.3
1.14
0.77
0.4
0.33
0.21
0.15…15/h
Ih(A)
Dòng vào thiết bị
≤ 16A/pha
1.2 Nguồn sinh ra sóng hài
1.2.1 Khái quát chung
Ngày nay, trong hệ thống điện phân phối, các loại sóng điều hòa dòng điện và điện áp
có xu hướng gia tăng cao cả về cường độ và số lượng sóng điều hòa tham gia vào hệ
thống. Một lý do quan trọng là sự tăng nhanh của các thiết bị, mà các thiết bị này lại sinh
ra sóng hài chẳng hạn như các thiết bị biến đổi điện, các lò hồ quang điện, các nhà máy
hàn điện… Bộ điện kháng điều khiển bằng Thysistor là một ví dụ khác nhau về thành
phần của hệ thống điện có phát ra sóng hài. Các thiết bị này được sử dụng rộng rãi trong
công nghiệp để điều khiển điện áp, điều khiển tốc độ, thay đổi tần số và biến đổi công
suất. Việc gia tăng sử dụng tụ bù ngang trong những năm gần đây để cải thiện hiệu quả
vận hành của hệ thống và giảm chi phí cũng có ảnh hưởng đáng kể vào mức sóng hài.
Các bộ tụ điện không phát ra các sóng hài, nhưng tạo cho các mạch vòng điều kiện cộng
hưởng toàn thể hay cục bộ. Nghiên cứu để biết đầy đủ về sóng hài và ảnh hưởng của sóng
hài đối với tụ điện là cần thiết để có cách sử dụng thích hợp tụ điện trên lưới điện.
- 20 -
Luận văn tốt nghiệp hệ thạc sĩ hệ kỹ thuật
Chuyên nghành: Kỹ Thuật Điện
Có nhiều nguồn sóng hài trên hệ thống điện. Nói chung các thiết bị có đặc tính vận
hành phi tuyến phát ra sóng hài đó là :
Các máy biến áp.
Các máy điện quay.
Các thiết bị hàn hồ quang và các lò điện hồ quang.
Các thiết bị được điều khiển bằng bán dẫn, chẳng hạn như các bộ điều khiển
điện áp, chỉnh lưu, hệ thống bù tĩnh (SVC).
Với điều kiện vận hành tải đối xứng, các sóng hài có thể phân chia thành các thành
phần thứ tự thuận, nghịch và không:
Thành phần thứ tự thuận: các sóng hài 1, 4, 7,…
Thành phần thứ tự nghịch: các sóng hài 2, 5, 8…
Thành phần thứ tự không: các sóng hài 3, 6, 9…
Đối với các điều kiện không đối xứng trong các pha, chẳng hạn như điện áp, tổng trở
hệ thống không đối xứng, mỗi sóng hài có thể xảy ra 1 trong 3 thành phần thứ tự nói trên.
1.2.2 Máy biến áp
Để duy trì điện áp sin thì từ thông sin phải được tạo ra từ dòng từ hoá. Khi biên độ của
điện áp ( và từ thông) đủ lớn để rơi vào trường hợp không tuyến tính, sẽ dẫn đến dòng
điện từ lớn bị méo dạng và chứa sóng hài.
Sự bão hòa của máy biến áp gây ra sự không sin mà là dạng xung nhọn đầu của dòng
điện từ hóa máy biến áp trên hình 1.2. Khi đặt một điện áp lớn hơn điện áp định mức của
máy biến áp, các thành phần điều hòa của dòng điện từ hóa có thể tăng đáng kể trên hình
1.3. Ở hình này là một ví dụ về thành phần điều hòa của dòng từ hóa là hàm số của điện
áp sử dụng.
Trên đồ thị hình 1.3 ta thấy biên độ sóng hài bậc 3 tỉ lệ thuận với việc tăng điện áp
nguồn. Trong khi đó biên độ sóng hài bậc 5 và bậc 7 có xu hướng giảm dần.
- 21 -
Luận văn tốt nghiệp hệ thạc sĩ hệ kỹ thuật
Chuyên nghành: Kỹ Thuật Điện
Hình 1.2 Đồ thị dòng điện bão hoà của máy biến áp
Hình 1.3 Đồ thị các thành phần dòng điện từ hóa của máy biến áp
1.2.3 Máy điện quay
Các sóng hài được phát sinh bởi máy điện quay liên quan chủ yếu tới biến thiên của từ
trở gây ra bởi các khe hở roto và stato của máy. Các máy điện đồng bộ có thể sản sinh ra
các sóng hài, bởi vì dạng của từ trường hình sin, sự bão hòa trong các mạch từ chính, các
mạch từ tản và do các dây quấn cản dịu không đối xứng.
- 22 -
Luận văn tốt nghiệp hệ thạc sĩ hệ kỹ thuật
Chuyên nghành: Kỹ Thuật Điện
Hình 1.4 Ví dụ về từ trường của máy điện quay
Hình 1.5 Ví dụ sóng hài dòng điện sinh ra bởi động cơ đồng bộ 1 pha
Trên hình 1.4 biểu diễn các dạng từ trường của các máy cực lồi và cực ẩn của máy
điện quay.
Do không sử dụng máy biến áp đấu tam giác, động cơ đồng bộ 1 pha sẽ sinh ra sóng
hài dòng điện bậc 3 có giá trị khoảng 10%. Hình 1.5 chỉ ra dạng sóng dòng điện không
sin sinh ra bởi động cơ đồng bộ 1 pha.
1.2.4 Thiết bị hồ quang
Các thiết bị hồ quang điện thường gặp nhất trong hệ thống điện lực công nghiệp là các
lò điện hồ quang, các máy hàn và các thiết bị chiếu sáng dựa trên nguyên lý hồ quang
- 23 -
Luận văn tốt nghiệp hệ thạc sĩ hệ kỹ thuật
Chuyên nghành: Kỹ Thuật Điện
điện nhiều hơn. Ngày nay với sự phát triển của các đô thị lớn, số lượng đèn cho hệ thống
chiếu sáng công cộng, các bãi đậu xe, đèn huỳnh quang cho các văn phòng lớn ngày càng
nhiều. Đây là các ví dụ điển hình về các tải hồ quang phân bố có dung lượng tổng đáng
kể. Các loại đèn này có tính chất vật lý giống như lò điện hồ quang và cũng phát ra phổ
dòng điều hòa giống nhau. Độ méo dòng điện điều hòa thường là 10%.
Hình 1.6 Mức độ điện áp và dòng điện điều hòa trong lò điện hồ quang
Hình 1.6 cho thấy ở tải lò điện hồ quang cả dòng điện và điện áp đều bị méo dạng.
Điện áp có xu hướng bẹt đầu ( dạng hình thang), còn dòng điện có xu hướng nhọn đầu
( dạng xung nhọn).
Sau đây ta sẽ xét dạng sóng điện áp của tải hồ quang điện tác động lên hệ thống khi
không có tụ điện bù hình 1.8, có tụ điện bù hình 1.9 và sử dụng bộ lọc tích cực hình 1.10.
Hình 1.7 Dạng sóng của điện áp sơ cấp máy biến áp
- 24 -
