(Luận văn thạc sĩ) mô hình hóa và mô phỏng bộ lọc tích cực ba pha ba dây

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
VÕ HỒNG LAN KH

MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG
BỘ LỌC TÍCH CỰC BA PHA BA DÂY

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202

S K C0 0 5 2 0 1

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
VÕ HỒNG LAN KH

MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG
BỘ LỌC TÍCH CỰC BA PHA BA DÂY

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2016

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
VÕ HỒNG LAN KH

MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG
BỘ LỌC TÍCH CỰC BA PHA BA DÂY

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202
Hướng dẫn khoa học:
PGS.TS TRẦN THU HÀ

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2016


LUẬN VĂN THẠC SĨ

LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:
Họ và tên: Võ Hồng Lan Kh

Giới tính: Nữ.

Ngày, tháng, năm sinh: 24/09/1982

Nơi sinh: Kon Tum.

Quê quán: TP. Huế - Thừa Thiên Huế

Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: B711, CC. An Bình, P. An Bình, TX. Dĩ An,
Bình Dương.
Điện thoại: 0987250939.

E-mail:

II. Q TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung học chuyên nghiệp:
Hệ đào tạo: chính quy.

Thời gian đào tạo: 1998 đến 2001.

Nơi học (trường, thành phố): Trường Trung Học Công Nghiệp Huế, T.T Huế
Ngành học: Điện tử.
2. Đại học:
Hệ đào tạo: chính quy.

Thời gian đào tạo: 2003 đến 2007.

Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật, TP. HCM.
Ngành học: Kỹ thuật Điện - Điện tử.
Mơn thi tốt nghiệp: PLC, Truyền hình số, Quản lý dự án, Vi Xử lý và giao tiếp
với máy tính.
III. Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC.
Thời gian

09/2007 - 2012

09/2014 - nay

Nơi công tác
Trường Cao đẳng Kỹ thuật Cao
Thắng – TP. Hồ Chí Minh.
Trường Cao đẳng Cơng Nghệ Thủ
Đức – TP. Hồ Chí Minh.

Trang i

Cơng việc đảm nhiệm
Giảng viên.

Giảng viên.


LUẬN VĂN THẠC SĨ

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tơi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 03 năm 2016
Người cam đoan

Võ Hoàng Lan Khuê

Trang ii


LUẬN VĂN THẠC SĨ

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn cơ PGS.TS. Trần Thu Hà đã tận tình hướng dẫn
tơi hồn thành luận văn này.
Chân thành cảm ơn q thầy cô Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
và Trường Đại Học Bách khoa TP.HCM đã giảng dạy tôi trong suốt hai năm học.
Xin cám ơn các anh chị học viên cùng lớp đã giúp đỡ, chia sẻ kinh nghiệm
và động viên tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tài.
Và cuối cùng, xin chân thành cảm ơn gia đình đã động viên tơi trong suốt
q trình học tập.

Trang iii


LUẬN VĂN THẠC SĨ

MỤC LỤC
Trang tựa

TRANG

Quyết định giao đề tài
Lý lịch cá nhân

i

Lời cam đoan

ii

Lời cảm ơn

iii

Tóm tắt

iv

Mục lục

vi

Danh sách các chữ viết tắt

viii

Danh sách các hình

ix

Danh sách các bảng

xii

Chương 1. TỔNG QUAN

1

1.1 Đặt vấn đề

1

1.2 Các cơng trình nghiên cứu liên quan

2

1.3 Mục tiêu đề tài

4

1.4 Giới hạn đề tài

4

1.5 Phương pháp nghiên cứu

5

1.6 Nội dung đề tài

5

Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

6

2.1 Sóng hài trong hệ thống điện

6

2.2 Các phương pháp lọc sóng hài

16

2.3 Điều khiển trượt

20

Chương 3. XÂY DỰNG MƠ HÌNH MẠCH LỌC TÍCH CỰC SONG
SONG BA PHA BA DÂY TRÊN MATLAB SIMULINK

25

3.1 Cấu hình bộ lọc ba pha

26

3.2 Kỹ thuật điều khiển cho bộ lọc

27

3.3 Thiết kế mạch lọc tích cực song song ba pha ba dây

29

3.4 Xây dựng mơ hình mơ phỏng trên matlab simulink

37

Trang vi


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chương 4. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

44

4.1 Khảo sát hệ thống khi chưa có mạch lọc

45

4.2 Khảo sát hệ thống khi mạch lọc AF đóng điện vào lưới

50

4.3 Khảo sát hệ thống khi mạch lọc tích cực có bộ điều khiển trượt (SMAF) 56
4.4 Đánh giá kết quả mơ phỏng

63

4.5 So sánh với mơ hình của Juntao Fie [4]

64

Chương 5. KẾT LUẬN

67

TÀI LIỆU THAM KHẢO

69

Trang vii


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN
1.1 Đặt vấn đề
Hệ thống lưới điện có thể bị gây hại bởi nhiều tác nhân, trong đó một nguy cơ
tiềm ẩn làm cản trở hoạt động và làm hao mịn thiết bị nhưng ít người nhận biết được
chính là sóng hài - mối nguy cơ tiềm ẩn được phát hiện ngay đầu thập niên 1890.
Sóng hài là dịng điện khơng mong muốn làm q tải đường dây và biến áp, làm
tăng nhiệt độ hệ thống (hoặc thậm chí gây hỏa hoạn) và gây nhiễu lên lưới điện. Trong
trường hợp chạy nhiều động cơ cùng lúc, nếu khơng có biện pháp kiểm sốt sóng hài
có thể làm quá tải hệ thống điện, tăng công suất nhu cầu (power demand) và làm máy
ngừng chạy (do nguồn bị quá tải). Tác hại của sóng hài với lưới điện khi giá trị hiệu
dụng và giá trị biên độ của tín hiệu điện áp hay dịng điện tăng do sóng hài sẽ kéo theo
một loạt những nguy hại xảy ra với toàn bộ hệ thống lưới điện như làm tăng phát nóng
của dây dẫn điện, thiết bị điện sinh ra nhiệt cao gây hư hỏng thiết bị, hỏa hoạn và nguy
cơ cháy nổ; làm cho tụ điện bị quá nhiệt và trong nhiều trường hợp có thể dẫn tới phá
hủy chất điện mơi. Các sóng điều hịa bậc cao cịn có thể làm momen tác động của rơle
biến dạng gây ra hiện tượng nhảy rơle dẫn đến thời điểm tác động của rơle sai lệch, gây

cảnh báo nhầm của các UPS đồng thời gây ra tổn thất đồng, tổn thất từ thông tản và tổn
thất sắt làm tăng nhiệt độ MBA dẫn đến làm tăng tổn thất điện năng. Ngồi ra, sóng hài
cịn làm tổn hao trên cuộn dây và lõi thép động cơ tăng, làm méo dạng momen, giảm
hiệu suất máy, gây tiếng ồn, ảnh hưởng đến sai số của các thiết bị đo, làm cho kết quả
đo bị sai lệch. Nguy hại hơn, các sóng điều hịa bậc cao cịn có thể sinh ra momen xoắn
trục động cơ hoặc gây ra dao động cộng hưởng cơ khí làm hỏng các bộ phận cơ khí
trong động cơ; làm các thiết bị sử dụng điện và đèn chiếu sáng bị chập chờn ảnh hưởng

Trang 1


LUẬN VĂN THẠC SĨ

đến con người đồng thời gây sóng điện từ lan truyền trong không gian làm ảnh hưởng
đến thiết bị thu phát sóng.
Nếu phải thay thế thiết bị hư hỏng nguyên nhân gây ra do sóng hài, điều này có
thể làm tăng kinh phí đầu tư đến 15% và kinh phí vận hành đến 10%. Trong ngành
cơng nghiệp, bảo vệ lợi nhuận là ưu tiên hàng đầu, kiểm sốt được thiết bị và kinh phí
vận hành là nhân tố quan trọng. Muốn đạt được mục tiêu này các doanh nghiệp, tổ
chức cần lưu tâm và làm tốt công tác hạn chế tác hại của sóng hài.
Việc sử dụng các thiết bị để lọc bỏ thành phần sóng hài, đã và đang được quan
tâm trong những năm gần đây. Một trong các phương pháp lọc sóng hài là sử dụng bộ
lọc tích cực. Điều khiển dịng điện phát ra từ bộ lọc để triệt tiêu dòng điện hài. Do đó
người thực hiện chọn đề tài “Mơ hình hóa và mơ phỏng bộ lọc tích cực ba pha ba dây”.
1.2 Các cơng trình nghiên cứu liên quan
Trên thế giới và cả trong nước đã có rất nhiều trường đại học, nhóm nghiên cứu
đi sâu vào nghiên cứu mơ hình bộ lọc tích cực như bộ lọc tích cực một pha, bộ lọc tích
cực ba pha ba dây, bộ lọc tích cực ba pha bốn dây, các nghiên cứu rất đa dạng, sử dụng
các thuật toán điều khiển hiện đại như điều khiển PID, điều khiển trượt, điều khiển
logic mờ - nơron…. Mỗi đề tài nghiên cứu đều có đặc điểm riêng tương ứng với các

mục đích nghiên cứu và thiết kế, chế tạo.
Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Kim Ánh [1] nghiên cứu sự ảnh hưởng của lò nấu thép
cảm ứng lên nguồn cung cấp và trên cơ sở đó thiết kế bộ lọc tích cực song song (AF)
để làm nhiệm vụ triệt tiêu sóng điều hịa dịng điện bậc cao và bù CSPK cho nguồn lò.
Đặc điểm của lò là loại tải công suất lớn, mức độ phi tuyến mạnh và là gánh nặng cho
nguồn cung cấp về công suất phản kháng (CSPK). Đề tài này đi nghiên cứu sự ảnh
hưởng của lò nấu thép cảm ứng lên nguồn cung cấp và trên cơ sở đó thiết kế bộ lọc tích
cực song song (AF) để làm nhiệm vụ triệt tiêu sóng điều hòa dòng điện bậc cao và bù

Trang 2


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CSPK cho nguồn lò, tác giả sử dụng thuật tốn thuyết cơng suất tức thời p – q làm
thuật tốn điều khiển cho bộ AF. Q trình tính tốn và mơ hình hóa bộ lọc trên phần
mềm matlab/simulink, tác giả nhận thấy với cấu trúc, phương pháp, thuật toán điều
khiển đã lựa chọn cho thấy bộ lọc làm việc rất tốt (về chỉ tiêu chất lượng ổn định tĩnh,
tốc độ và chất lượng đáp ứng quá độ), dịng điện sau khi lọc có độ méo dạng đạt được
tiêu chuẩn cho phép của IEEE std 519 và IEC 1000-3-4, hệ số cơng suất PF có giá trị
xấp xỉ bằng 1 nghĩa là CSPK đã được bộ lọc bù một lượng đáng kể.
Lê Thi Thu Uyên [5] nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhà máy xi măng Tây Ninh có
sử dụng các động cơ cơng suất lớn lên lưới điện, các động cơ cơng suất lớn có tốc độ
thay đổi sinh ra sóng điều hịa bậc cao và làm tổn thất công suất, làm ảnh hưởng đến
các hộ tiêu thụ điện khác. Sóng điều hịa bậc cao sẽ làm méo dạng (THD) dòng điện và
điện áp của hệ thống điện, cần phải có biện pháp lọc để trả lại tín hiệu dịng điện và
điện áp hình sin cho lưới, nâng cao chất lượng điện của hệ thống. tác giả sử dụng thuật
toán điều khiển mờ làm thuật toán điều khiển cho bộ AF.
Võ Tuấn [12] nghiên cứu sự ảnh hưởng của lò nấu thép cảm ứng lên nguồn cung
cấp và trên cơ sở đó thiết kế bộ lọc tích cực ứng dụng hệ mờ nơron điều khiển bộ lọc

tích cực cho lị nấu thép cảm ứng, nhằm giảm sóng hài do lò thải ra để nâng cao chất
lượng điện năng cho lưới điện. Q trình tính tốn và mơ hình hóa bộ lọc trên phần
mềm matlab/simulink, kết quả cho thấy bộ lọc tích cực đã thiết kế làm việc rất tốt,
dịng điện sau khi lọc có tổng độ méo dạng THD đạt tiêu chuẩn cho phép của IEEE std
519 và IEC 1000-3-4. Qua quá tình thiết kế và sử dụng hệ mờ nơron cho thấy phương
pháp này rất khả quan.
J. Fei [4] đã nghiên cứu bộ lọc tích cực ba pha điều khiển dòng điện gián tiếp áp
dụng phương pháp điều khiển trượt. Trong đề tài này, phương pháp điều khiển trượt
mới được thiết kế để thực hiện giám sát dòng điện tham chiếu trong điều khiển dòng
gián tiếp. Ưu điểm của việc sử dụng bộ điều khiển trượt mới cho bộ lọc tích cực song

Trang 3


LUẬN VĂN THẠC SĨ

song với kỹ thuật dòng điện gián tiếp là nó khơng cần bộ phận phát hiện sóng hài. Bộ
lọc tích cực được thiết kế có hiệu quả triệt tiêu sóng hài tốt và giảm nhỏ sóng hài trong
dãi rộng của dòng điện tải của tải phi tuyến khác nhau.
Farid Hamoudi [2] đã nghiên cứu bộ lọc tích cực ba pha bốn dây áp dụng phương
pháp điều khiển trượt. Mục đích cải thiện dạng sóng dịng điện pha, giảm dịng điện
trung tính hiện tại, bù cơng suất phản kháng trong hệ thống phân phối.
1.3 Mục tiêu đề tài
Nghiên cứu các phương pháp lọc sóng hài do tải phi tuyến sinh ra, các thuật tốn
điều khiển bộ lọc tích cực. Từ đó, luận văn thiết kế bộ lọc tích cực song song ba pha ba
dây, lọc sóng hài do tải phi tuyến (bộ chỉnh lưu tải RL) gây ra. Đề xuất thuật tốn điều
khiển dịng điện trực tiếp cho bộ lọc, có khâu điều khiển trượt, làm giảm lượng sóng
hài do tải phi tuyến gây ra trên lưới. Đề tài có so sánh với mơ hình của tác giả Juntao
Fie [4].
1.4 Giới hạn đề tài

Với mục tiêu đề tài đã nêu, luận văn được giới hạn nghiên cứu những thành phần
sau đây:
 Tìm hiểu về các thành phần gây ra sóng hài.
 Nghiên cứu các phương pháp lọc sóng hài.
 Tìm hiểu phương pháp điều khiển trượt.
 Thiết kế bộ lọc tích cực song song ba pha ba dây.
 Mô phỏng và đánh giá kết quả.

Trang 4


LUẬN VĂN THẠC SĨ

1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu
 Sử dụng phương pháp nghiên cứu tham khảo tài liệu, luận văn, bài báo trong
và ngồi nước.
 Tính tốn lý thuyết.
 Thiết kế mơ hình và mơ phỏng trên phần mềm Matlab Simulink (Matlab
2013B).
 Đánh giá kết quả, chất lượng hệ thống và hiệu chỉnh.
1.6 Nội dung đề tài
Nội dung của đề tài gồm 5 chương:
Chƣơng 1: Tổng quan
Giới thiệu tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu, các cơng trình nghiên cứu liên quan, và
đề xuất hướng nghiên cứu.
Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết
Giới thiệu tổng quan về lý thuyết liên quan đến đề tài: Sóng hài, qui định về sóng hài,
các biện pháp lọc sóng hài, phương pháp điều khiển trượt.
Chƣơng 3: Xây dựng mơ hình mạch lọc tích cực song song ba pha ba dây trên
matlab simulink

Xây dựng thuật toán điều khiển của bộ lọc, từ đó thiết kế và xây dựng mơ hình trên
phần mềm Matlab Simulink.
Chƣơng 4: Mơ phỏng và đánh giá kết quả
Chạy mô phỏng và đánh giá kết quả mô phỏng.
Chƣơng 5: Kết luận.
Kết luận, đánh giá điểm đạt được và tồn tại. Đưa ra hướng phát triển.

Trang 5


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƢƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Sóng hài trong hệ thống điện
2.1.1 Sóng hài là gì?
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 khơng cịn sin.
Sóng hài là một dạng nhiễu khơng mong muốn, ảnh hưởng trực tiếp tới chất
lượng điện năng, cần được chú ý khi tổng các dòng điện hài cao hơn mức độ cho phép.

Hình 2.1: Dạng sóng sin (a) và dạng sóng hài (b).
Sóng hài là các điện áp hay dịng điện hình sin có tần số là bội số của tần số công
nghiệp (tần số cơ bản), do hiện diện của các tải phi tuyến trong lưới điện.
Ví dụ dịng điện hài có tần số 250Hz trên lưới điện 50Hz là sóng hài bậc 5.

Trang 6

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hình 2.2: Hình ảnh minh họa về sóng hài
2.1.2 Tác hại của sóng hài
Sóng hài có thể làm cho cáp bị quá nhiệt, phá hỏng cách điện. Động cơ cũng có
thể bị quá nhiệt hoặc gây tiếng ồn và sự dao động của momen xoắn trên rotor dẫn tới
sự cộng hưởng cơ khí và gây rung. Tụ điện quá nhiệt và trong phần lớn các trường hợp
có thể dẫn tới phá huỷ chất điện môi. Các thiết bị hiển thị sử dụng điện và đèn chiếu
sáng có thể bị chập chờn, các thiết bị bảo vệ có thể ngắt điện, máy tính lỗi (data
network) và thiết bị đo cho kết quả sai.
2.1.2.1. Máy biến áp
Ảnh hưởng của các sóng hài trên các máy biến áp là các dịng điều hồ gây nên
sự gia tăng tổn thất đồng và tổn thất từ thơng tản, các sóng hài gây nên sự gia tăng tổn
thất sắt. Ảnh hưởng toàn bộ là sự gia tăng nhiệt độ máy biến áp. Theo tiêu chuẩn IEEE
C57.15.00-1980 giá trị giới hạn đối với sóng hài dòng điện trong máy biến áp là 0,5pu
đối với hệ số điều hồ dịng điện. Tiêu chuẩn này cũng yêu cầu trị số quá điện áp hiệu

Trang 7


LUẬN VĂN THẠC SĨ

dụng cực đại mà máy biến áp có thể chịu đựng ở trạng thái xác lập 5% khi tải định mức
và 10% khi không tải.
Điều cần lưu ý là các tổn thất máy biến áp bị gây nên bởi cả các điện áp điều
hồ và các dịng điện điều hoà là phụ thuộc vào tần số. Các tổn thất gia tăng cùng với
sự gia tăng tần số do vậy các thành phần điều hoà tần số cao hơn là quan trọng hơn các
thành phần tần số thấp hơn trong việc gây nên sự nóng trong các máy biến áp.
2.1.2.2 Các máy điện quay

Cũng như các thiết bị khác vấn đề quan tâm trước tiên về các dòng điện và điện
áp điều hoà trong máy điện quay là sự tăng nhiệt độ do các tổn thất sắt và tổn thất đồng
tại các tần số điều hoà. Các thành phần điều hồ cũng có thể ảnh hưởng đến hiệu suất
máy và mômen. Sự tác động khác nhau giữa các sóng và mật độ từ thơng được phát ra
bởi các dịng điện điều hồ trong một động cơ cảm ứng 3 pha trên một điện áp cung
cấp khơng sin có thể làm phát sinh tiếng ồn. Các sóng hài cũng sinh ra sự phân bố từ
thông tổng hợp trong khe hở khơng khí mà trong các điều kiện cụ thể có thể đưa tới
hiện tượng được gọi là Cogging (từ chối khởi động) hay Crauling (tốc độ dưới đồng
bộ) trong các mơtơ cảm ứng.
Các cặp sóng hài chẳng hạn các sóng hài bậc 5 và bậc 7 có thể tạo ra các dao
động cơ khí gia tăng trong một tổ hợp máy phát – turbin. Các dao động cơ khí xảy ra
khi các mômen xoắn dao động gây ra bởi sự tác động lẫn nhau giữa các dòng điện điều
hòa và từ trường tần số cơ bản kích thích 1 tần số cộng hưởng cơ khí. Chẳng hạn, một
cặp điều hòa bậc 5 và bậc 7 đưa đến kết quả 1 sự kích thích có tính xoắn trên roto máy
phát tại điều hòa bậc 6 là 300Hz. Nếu cặp tần số dao động cơ khí tồn tại gần với tần
số kích thích điện thì các đáp ứng cơ khí cộng hưởng cao có thể bị phát triển. Mặc dù,
khơng có các tiêu chuẩn về các giới hạn dòng điện hay điện áp điều hòa cho các động
cơ, một số nhà thiết kế đề xuất 1 giới hạn là 5% cho các điện áp điều hòa để dùng cho
các động cơ cảm ứng trong việc xem xét sự gia nhiệt trong máy điện.

Trang 8


LUẬN VĂN THẠC SĨ

2.1.2.3 Các thiết bị đóng ngắt
Cũng như hầu hết các thiết bị khác, các dòng điện điều hịa có thể làm gia tăng
nhiệt và các tổn thất trong các thiết bị đóng ngắt. Ngồi các ảnh hưởng của việc tăng
nhiệt, các thành phần điều hịa trong sóng dịng có thể ảnh hưởng đến khả năng cắt
dịng của các thiết bị đóng ngắt. Vấn đề là các thành phần điều hịa có thể đưa đến việc

biên độ của di/dt cao tại các điểm khơng dịng điện có thể làm cho việc cắt trở nên khó
khăn hơn.
Các máy cắt khơng cắt được các dịng điện do việc các cuộn cắt khơng có khả
năng vận hành thích hợp trong các điều kiện hiện diện các sóng hài khắc nghiệt. Khi
cuộn cắt hỗ trợ trong việc chuyển động của hồ quang điện đến điểm dốc xuống của
hồ quang nơi việc cắt thực hiện, việc vận hành không hiệu quả làm kéo dài hồ quang
và hậu quả cuối cùng là hỏng máy cắt. Các vấn đề tương tự có thể hiện hữu trong các
thiết bị đóng cắt dịng điện khác.
Khơng có tiêu chuẩn xác định được công bố trong công nghiệp về mức của các
dịng điện mà các thiết bị đóng cắt dịng điện u cầu để cắt. Tất cả các thí nghiệm về
sự cắt được thực hiện tại tần số định mức của nguồn cung cấp.
2.1.2.4 Các rơle bảo vệ
Các sóng hài hệ thống ảnh hưởng đến các rơle bằng nhiều cách đưa đến việc
rơle có thể tác động sai. Các rơle phụ thuộc vào điện áp, dòng điện do vậy chúng bị ảnh
hưởng một cách hiển nhiên bởi các sự méo điều hòa. Sự hiện diện quá mức của dòng
điều hịa bậc ba có thể gây nên việc các rơle bảo vệ chạm đất tác động chậm. Trong các
tài liệu nghiên cứu cho thấy ảnh hưởng của các sóng hài đối với sự vận hành của các
rơle như sau:
Các rơle được chế tạo có khuynh hướng vận hành ở các giá trị chậm hơn hay với
các giá trị tác động cao hơn, hơn là việc vận hành nhanh hơn hay các giá trị tác động
thấp hơn.

Trang 9


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Các rơle tần số thấp tĩnh nhạy cảm đối với những thay đổi lớn của các đặc tính
vận hành.
Tùy theo nhà sản xuất, các rơle q dịng và quá điện áp được bố trí nhiều loại

thay đổi trong các đặc tính vận hành.
Tùy theo hàm lượng sóng hài, các mơmen quay của các rơle có thể bị đảo
ngược.
Số lần vận hành có thể bị thay đổi lớn như là một hàm số của tần số.
Các sóng hài có thể làm suy yếu sự vận hành tốc độ cao của các rơle so lệch.
Nhiều thí nghiệm đã chỉ ra rằng các rơle có thể được bố trí để hạn chế hồn tồn
những vấn đề nêu trên. Nói chung các mức điều hòa để làm các rơle vận hành sai lớn
hơn các mức mà được xem xét để hạn chế cho các thiết bị khác. Các mức điều hòa
khoảng 10% - 40% thông thường được yêu cầu đối với các vấn đề vận hành của
rơle, ngoại trừ các tình huống khơng bình thường.
2.1.2.5 Các dụng cụ đo
Đo lường và sự trang bị các dụng cụ bị ảnh hưởng bởi các phần tử điều hòa, đặc
biệt nếu các điều kiện cộng hưởng tồn tại mà điều này đưa đến các điện áp điều hòa
cao trên mạch. Các thiết bị điện cảm ứng như các điện kế và các rơle quá dịng thơng
thường chỉ làm việc với dịng cơ bản, những pha khơng cân bằng gây nên sự méo điều
hịa, gây nên sự sai số của các thiết bị này. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng cả sai số âm
và sai số dương đều có thể xảy ra với sự hiện diện của máy điều hòa tùy theo loại của
đồng hồ được xem xét và các sóng hài. Nói chung độ làm méo phải là lớn (>20%).
Trước khi các sai số đáng kể được phát hiện.
2.1.2.6 Thiết bị điện tử công suất
Thiết bị điện tử trong nhiều trường hợp là một nguồn đáng kể của các dịng điện
điều hồ thì nó cũng rất dễ bị vận hành sai do sự làm méo các sóng hài. Thiết bị này
thường phụ thuộc vào sự xác định chính xác điện áp qua điểm không hay điểm mà tại

Trang 10


LUẬN VĂN THẠC SĨ

đó một điện áp dây trở nên lớn hơn điện áp dây khác. Cả hai điện áp này là điểm tới

hạn của nhiều loại điều khiển mạch điện tử vận hành sai.
2.1.2.7 Các thiết bị khác
Các sóng hài trên hệ thống điện cũng có thể ảnh hưởng đến các loại thiết bị điện
khác ngoài các loại đã nêu trên. Dưới đây là một vài thí dụ:
-

Các sóng hài cũng gây nên những hư hỏng các phần tử trong các bộ lọc
đường dây sử dụng trong các hệ thống thông tin tải.

-

Các hệ thống truyền dẫn để điều khiển từ xa các thiết bị có thể vận hành sai
nếu các sóng hài hiện hữu gần với tần số tín hiệu truyền dẫn. Hệ thống
truyền dẫn điều khiển theo thời gian và thấp điểm của phụ tải là hai thí dụ.

-

Chấn lưu điện tử của đèn huỳnh quang hay đèn thuỷ ngân có tụ thì các tụ
này cùng với điện cảm của chấn lưu và của mạch đôi khi xảy ra cộng hưởng
tần số tạo nên sự tăng nhiệt độ và đưa đến hỏng thiết bị.

-

Các sóng hài có thể làm cho các lõi thép của máy biến áp bị bão hoà, do
vậy làm tăng sai số. Trong trường hợp biến dịng điện này dường như ít ảnh
hưởng trên tỷ số biến. Tuy nhiên góc bị ảnh hưởng và do đó cơng suất và
điện năng có thể bị ảnh hưởng.

-

Tiếng ồn âm thanh cao hơn và thỉnh thoảng xuất hiện hồ quang trong các
loại máy biến áp.

-

Tiếng ồn do sóng hài có thể đưa đến sự vận hành sai của các hệ thống điều
khiển.

-

Các nhà sản xuất máy tính thiết lập các hạn chế nghiêm ngặt về hàm lượng
sóng hài trong các điện áp cung cấp.

-

Các sóng hài có thể làm méo các tín hiệu truyền thanh và truyền hình. Sự
méo cũng có thể đưa đến những thay đổi trên độ sáng và kích thước của
hình ảnh trên màn hình.

-

Các máy X-quang chụp khơng rõ do tồn tại sóng hài trong nguồn cung cấp.

Trang 11


LUẬN VĂN THẠC SĨ

2.1.3 Các nguồn sinh ra sóng hài
Có rất nhiều nguồn gây ra sóng hài trong hệ thống cơng nghiệp và chúng đều có

một đặc điểm chung là quan hệ phi tuyến giữa dòng điện và điện áp hoạt động. Tải phi
tuyến có dịng khơng liên tục và khơng tương ứng với dạng sóng điện áp giáng lên nó.
Các tải phi tuyến thơng thường bao gồm: khởi động động cơ, bộ biến đổi tần, hệ truyền
động điện, lò luyện hồ quang, máy hàn hồ quang, máy biến áp, máy tính và các thiết bị
điện tử khác.
Bảng 2.1: Dạng sóng của một số loại phụ tải phi tuyến, [12]:

Dịng điện xoay chiều trên lưới điện của ngành điện cung cấp cho các phụ tải phải
là hình sin. Tuy nhiên, sự tồn tại các phần tử phi tuyến trên lưới điện của nhà cung cấp

Trang 12


LUẬN VĂN THẠC SĨ

cũng như về phía phụ tải làm xuất hiện các sóng hài, ảnh hưởng đến tính năng vận
hành của lưới điện và thiết bị. Các phần tử phi tuyến điển hình là lõi thép của máy biến
áp, động cơ (đặc tính bão hồ của vật liệu sắt từ), các dụng cụ bán dẫn công suất như
điốt, thiristo của các bộ biến đổi. Thường thì sóng hài bậc 3 triệt tiêu được nhờ cuộn
dây đấu tam giác trong máy biến áp (cùng với đó là tổn thất điện năng), song các sóng
hài bậc lẻ khác (giá trị lớn là bậc 5, 7, 11…) vẫn lan truyền theo đường dây, gây tổn
thất điện năng, tác động xấu đến sự vận hành của các thiết bị.
Chính vì vậy, khi đầu tư xây dựng dự án cần chọn loại thiết bị ít gây sóng hài và
sử dụng các thiết bị để lọc, giảm thiểu sóng hài. Đồng thời, về phía các cơ quan quản lý
nhà nước, cũng nên xem xét và sớm có quy định cụ thể để kiểm sốt sóng hài sinh ra từ
các phụ tải.
2.1.4 Qui định về sóng hài
Như vậy, chúng ta thấy nguồn gốc của sóng hài và những tác hại của chúng. Theo
tiêu chuẩn IEEE 519 – 1992, độ méo của dòng điện phải nằm trong những giới hạn cho
phép như ở các bảng sau:

Bảng 2.2: Giới hạn độ méo của dòng điện đối với lưới từ 120 V đến 69 KV

Trong đó: Inm là giá trị lớn nhất của dòng ngắn mạch tại điểm nối phụ tải với lưới.

Trang 13


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Bảng 2.3: Giới hạn độ méo của dòng điện đối với lưới từ 69 kV đến 161 kV

Bảng 2.4: Giới hạn độ méo của dòng điện đối với lưới điện áp lớn hơn 161kV

Để giảm ảnh hưởng của sóng hài trong hệ thống điện phân phối, tại Điều 7 Thông
tư 32/2010/TT-BCT ngày 30/07/2010 của Bộ Công Thương quy định cụ thể như sau:
Tổng độ biến dạng sóng hài điện áp tại mọi điểm đấu nối không được vượt quá
giới hạn quy định như sau:
Bảng 2.5: Qui định về sóng hài của Bộ Cơng Thương
Cấp điện áp

Tổng biến dạng sóng hài

Biến dạng riêng lẻ

110KV

3,0%

1,5%

Trung và hạ áp

6,5%

3,0%

2.1.5 Các đại lƣợng đặc trƣng của sóng hài
Thường sử dụng hai đại lượng đặc trưng cho sóng hài là độ méo điều hòa tổng
THD (Total Harmonic Distortion) và độ méo yêu cầu tổng TDD (Total Demand

Trang 14


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Distortion). Cả hai đại lượng này của sóng hài có thể áp dụng cho đồng thời cả dòng
điện và điện áp.

∑
Với:
-

C1: là biên độ thành phần cơ bản.

-

Cn: là giá trị đỉnh của thành phần hài bậc n.

Một dạng sóng méo của dịng điện, điện áp tuần hoàn khai triển theo Fourier được
diễn tả như sau:

∑

∑
Trong một hệ thống ba pha cân bằng các thành phần sóng hài riêng lẻ gồm các
thành phần thứ tự thuận, nghịch và không khai triển Fourier của điện áp pha như sau:
ua(t) = U1cos(0t) + U2cos(20t) + U3cos(30t) + U4cos(40t) +…

(1.4)

ub(t) = U1cos(0t - 1200) + U2cos(20t - 2400) +
U3cos(30t - 3600) + U4cos(40t - 4800) +…

(1.5)

Uc(t) = U1cos(0t + 1200) + U2cos(20t + 2400) +
U3cos(30t + 3600) + U4cos(40t + 4800) +…
Tổng điện thế hiệu dụng là:

Trang 15

(1.6)


LUẬN VĂN THẠC SĨ

√ ∑

√∑

Điện áp dây là:
Uab(t) = Ua(t) - Ub(t) = √ [U1cos(0t + 300) + U2cos(2 0t - 300) +
U4cos(40t + 300) +…

(1.8)

Biểu thức (1.8) trên cho thấy sóng hài bậc 3 khơng xuất hiện trong điện áp dây,
điện áp dây hiệu dụng là:
√ ∑

√ ∑

Từ các biểu thức trên ta thấy rằng:
-

Các sóng hài cơ bản bậc 4, 7, …

-

Các sóng hài cơ bản bậc 2, 5, 8, … là thành phần thứ tự nghịch (-)

-

Các sóng hài bội 3 như 3, 6, 9, … là thành phần thứ tự không (0)

là thành phần thứ tự thuận (+)

Như vậy ta có thể thấy rằng:
-

Nếu tồn tại sóng hài thì tồn tại các dịng điện thứ tự nghịch và thứ tự không,
ngay cả khi hệ thống cân bằng (đối xứng).

-

Các dòng điện hài bội 3 cân bằng, thứ tự khơng (bậc của dịng điện hài có
thể chia được cho 3) không thể chạy vào trong các mạch nối tam giác (∆)
hoặc mạch khơng có nối đất.

2.2 Các phƣơng pháp lọc sóng hài
Có nhiểu phương pháp lọc khử và hạn chế các sóng hài như dùng mạch lọc thụ
động (passive filter), sử dụng máy biến thế đấu Y/∆, .... Nhưng phương pháp sử dụng
mạch lọc tích cực (active filter) là phương pháp hiện đại và đang được áp dụng nhiều
nhất trong lãnh vực khử sóng hài.

Trang 16


LUẬN VĂN THẠC SĨ

2.2.1 Bộ lọc thụ động
Bộ lọc thụ động là bộ lọc gồm các phần tử thụ động như cuộn cảm và tụ điện
nhằm hạn chế các sóng hài. Hiện nay, bộ lọc thụ động được sử dụng rộng rãi vì giá
thành thấp hơn so với nhiều loại bộ lọc khác. Tuy nhiên, việc chọn bộ lọc thích hợp với
hệ thống cần lọc tương đối phức tạp vì nó gây ra những tương tác bất lợi với hệ thống.
Khi thiết kế ta cần tính tốn tất cả các khả năng tương tác có thể xảy ra.
Nguyên lý chung của bộ lọc thụ động là tạo ra một tổng trở rất lớn hoặc rất nhỏ
nhằm ngăn chặn hoặc làm chệch hướng lan truyền của sóng hài. Sau đây ta sẽ xét hai
loại bộ lọc thụ động chính là: bộ lọc thụ động mắc nối tiếp với tải, bộ lọc thụ động mắc
song song với tải.

2.2.1.1 Bộ lọc thụ động đấu nối tiếp với tải.
-

Dễ thao tác

-

Hiệu quả

-

Nhỏ gọn

-

Tin cậy

-

Thời gian làm việc lâu dài

-

Hầu như không cần bảo dưỡng

-

Lý tưởng cho bộ điều khiển động cơ

-

Có thể tùy chỉnh theo hệ thống

Bộ lọc này mắc nối tiếp với tải. Bộ lọc gồm điện dung và điện kháng nối song
song được điều chỉnh để có trở kháng cao với một tần số hài nhất định. Trở kháng cao
này ngăn dòng điều hịa có tần số bằng tần số chỉnh của bộ lọc. Tại tần số cơ bản bộ lọc
có trở kháng thấp và như vậy cho phép dòng cơ bản đi qua. Bộ lọc này thường ứng
dụng trong mạng một pha, đặc biệt giảm sóng hài bậc 3.

Trang 17