Tổng quan về sóng hài

Hiện nay các thiết bị phi tuyến công suất lớn đang được sử dụng rất nhiều trong hệ thống lưới điện như: các bộ inverter, máy tính, converter... Tại nhiều nước trên thế giới, tỷ lệ phụ tải phi tuyến có thể lên tới 80-90%. Việc sử dụng các thiết bị này sẽ gây ra những hiện tượng méo dạng sóng của nguồn phát hay còn gọi là sóng hài trong các hệ thống điện, hệ thống điều khiển tự động và bảo vệ... Những sóng hài này thường gây ra những tác động tiêu cực như: gây thêm tổn thất phụ trên các thiết bị, gây ra các hiện tượng cộng hưởng, quá tải của các thiết bị điện công nghiệp, gây ra nhiễu trong thiết bị điều khiển, làm cho hệ thống bảo vệ tác động sai... Do đó, việc hạn chế các tác động tiêu cực của sóng hài trở nên ngày càng trở nên cấp thiết và các thiết bị lọc sóng hài đang được nghiên cứu rộng rãi trên toàn thế giới.

1 Khái niệm về sóng hài

Trong hệ thống điện xoay chiều, nguồn điện áp sinh ra bởi các nhà máy điện thường là  có dạng hình sin với tần số 50Hz hoặc 60Hz. Nếu các nguồn điện cung cấp cho các phụ tải tuyến tính thì dòng điện tải cũng tuyến tính, tức là dòng điện cũng là một dạng sóng thuần sin với tần số bằng tần số cơ bản (50Hz hoặc 60Hz).

Tuy nhiên, trong thực tế tồn tại rất nhiều loại phụ tải phi tuyến, đó là loại tải mà điện áp và dòng điện có mối quan hệ không tuyến tính ví dụ như máy tính, lò hồ quang, các hệ thống lưu điện,... Các phụ tải không tuyến tính sẽ gây méo dạng dòng điện của phụ tải khiến cho dòng điện không còn là hình sin. Các  dòng điện không thuần sin này, ngoài việc gây ra méo dạng dòng điện trên các hệ thống truyền tải và phân phối, còn ảnh hưởng tới điện áp tại các nút trong hệ thống điện thông qua điện áp giáng trên đường dây truyền tải cũng là dạng không thuần sin, qua đó làm méo dạng điện áp. Nói một cách khác, từ phụ tải phi tuyến, hiện tượng méo dạng sóng của dòng điện và điện áp sẽ bị lan truyền trong hệ thống điện. Việc nghiên cứu và tính toán những ảnh hưởng của hiện tượng méo dạng sóng này là rất khó khăn và đang được nghiên cứu rộng rãi trên toàn thế giới. Một trong những phương pháp phổ biến nhất hiện này là sử dụng lý thuyết về sóng hài. Theo lý thuyết này, một dạng sóng không sin bất kỳ sẽ được phân tích thành tổng của các sóng điều hòa hình sin (chuỗi Fourier), trong đó có cả sóng hình sin ở tần số cơ bản 50 hoặc 60Hz. Những sóng điều hòa dạng sin có tần số khác với tần số cơ bản được gọi là sóng hài. Như vậy, có thể hiểu, sóng hài là một phương pháp toán học để giải quyết bài toán về méo dạng dòng điện và điện áp. Trên thực tế, việc áp dụng lý thuyết về sóng hài vào việc giải bài toán méo dạng điện áp có những hạn chế và phạm vi ứng dụng nhất định. Hiện nay, phương pháp sóng hài với tần số cao đang là một trong những phương pháp phổ biến nhất dùng để tính toán trong hệ thống điện.

                           Mô hình hệ thống điện phi tuyến

Với phương pháp này, sóng hài (harmonics) được hiểu là các sóng tuần hoàn hình sin và có tần số là bội số nguyên của tần số cơ bản (50Hz hoặc 60Hz).

fh= h.f1                                 

Trong đó:

fh là tần số của sóng hài

f1 là tần số của sóng cơ bản (50Hz hoặc 60Hz)

h là số nguyên dương (h=1, 2, 3..)

Bên cạnh khái niệm về sóng hài bậc cao, người ta còn đưa ra khái niệm về liên sóng hài bậc cao (interharmonics) và phụ sóng hài bậc thấp (subharmonics). Trong đó:

Liên sóng hài bậc cao (interharmonics): là các thành phần sóng có tần số nằm giữa hai thành phần sóng hài bậc cao liên tiếp hay nói cách khác chúng là các bội không nguyên của tần số cơ bản;

Phụ sóng hài bậc thấp (subharmonics): là các thành phần sóng có tần số nhỏ hơn tần số cơ bản.

2. Nguyên nhân gây ra sóng hài

Sóng hài trong hệ thống điện được gây ra bởi các phần tử phi tuyến như các thiết bị điện tử công suất, các máy biến áp công suất lớn, các lò hồ quang điện, các thiết bị có mạch từ bão hòa,... Các thiết bị này có thể chia thành các nhóm như sau:

Các thiết bị có hiện tượng bão hòa mạch từ

Các thiết bị này bao gồm các động cơ, máy biến áp,.... là các thiết bị có cấu trúc lõi thép. Đặc tính làm việc phi tuyến kèm theo đó là sóng hài được gây ra bởi đặc tính từ hóa không tuyến tính của lõi thép.

Đường cong từ hóa máy biến áp

Các máy biến áp lực được chế tạo để hoạt động trong vùng tuyến tính của đường cong bão hòa mạch từ, nằm dưới điểm bắt đầu đi vào vùng bão hòa.

Nếu máy biến áp vận hành tại điện áp nhỏ hơn hoặc bằng điện áp định mức, dòng điện từ hóa máy biến áp có quan hệ tuyến tính so với điện áp. Nếu máy biến áp vận hành với điện áp lớn hơn điện áp định mức (ví dụ khi làm việc non tải), điểm làm việc sẽ đi dần vào vùng bão hòa của lõi thép (vùng phi tuyến). Khi đó dòng từ hóa máy biến áp sẽ biến đổi không tuyến tính so với điện áp, phát sinh ra các sóng hài.

Trên thực thế, để tiết kiệm vật liệu, điểm làm việc ứng với giá trị điện áp định mức của các máy biến áp lực thường được chọn tương ứng với điểm có giá trị bằng khoảng 0,9 lần giá trị bắt đầu vào vùng bão hòa. Do đó, máy biến áp có thể vận hành tới điện áp bằng 110% điện áp định mức mới bắt đầu xảy ra hiện tượng bão hòa mạch từ.

Các thiết bị có hiện tượng phóng điện

Các thiết bị thuộc nhóm này bao gồm lò hồ quang điện, đèn huỳnh quang, màn hình CRT,... Các thiết bị này hoạt động dựa trên sự phóng điện.

Lò hồ quang:

Sử dụng nhiệt năng chuyển từ điện năng để nấu chảy kim loại. Trong suốt quá trình vận hành, tia lửa điện (dòng điện) do lò hồ quang phát ra thay đổi liên lục và hoàn toàn ngẫu nhiên, không theo chu kỳ. Do đó, sóng hài sinh ra từ các lò hồ quang không thể dự đoán được. Qua phân tích, trong giai đoạn đầu của quá trình luyện kim khi kim loại chưa nóng chảy nhiều, dòng điện hồ quang bao gồm một dải liên tục các sóng hài bậc nguyên và không nguyên. Trong đó các thành phần hài bậc nguyên từ bậc 2 đến bậc 7 thường chiếm tỷ lệ cao trong thành phần sóng hài của dòng hồ quang. Khi mức kim loại nóng chảy trong bể tăng lên, dòng hồ quang cũng trở nên ổn định hơn, độ méo dạng điện áp giảm, các sóng hài bậc chẵn và không nguyên được triệt tiêu dần.

Các loại đèn phóng điện:

Các loại đèn này, điển hình là đèn huỳnh quang hoạt động dựa trên hiện tượng phóng điện giữa 2 bản cực trong khí kém. Đèn được cấu tạo bởi hai điện cực đặt ở hai đầu của một ống thủy tinh có phủ bột huỳnh quang và bơm vào các khí kém như thủy ngân, ni tơ,...

Để đèn hoạt động cần đặt một điện áp lớn lên hai cực nhờ chấn lưu, qua đó kích thích sự phóng điện giữa hai bản cực và làm xuất hiện dòng điện trong ống huỳnh quang. Khi dòng điện phóng điện được thiết lập, điện áp giữa 2 cực sẽ giảm xuống, đồng thời chấn lưu sẽ đóng vai trò như một thiết bị giới hạn dòng phóng điện.

Có 2 loại chấn lưu: chấn lưu điện từ và chấn lưu điện tử. Loại chấn lưu điện từ được cấu tạo đơn giản bởi một lõi thép kỹ thuật điện. Loại chấn lưu điện tử là một bộ đóng cắt điện áp, đồng thời biến đổi điện áp ngõ vào từ tần số cơ bản thành tín hiệu có tần số 25-40kHz.

Loại chấn lưu điện từ sinh ra dòng điện méo dạng với độ méo dạng khoảng 15% và chủ yếu là thành phần bậc 3. Loại chấn lưu điện tử sinh ra dòng điện mẹo dạng với độ méo dạng toàn phần từ 10- 32%.

Các bộ thiết bị điện tử công suất

Các thiết bị điện tử công suất thường được sử dụng trong hệ thống điện dựa vào sự đóng, cắt các van bán dẫn như diode, thyristor, triac,... Các thiết bị này làm cho dòng điện, điện áp bị méo dạng và sinh ra sóng hài.

Trên thực tế, các bộ biến đổi điện tử công suất ngày càng được sử dụng rộng rãi bao gồm: các bộ chỉnh lưu DC, các bộ nghịch lưu AC, các bộ biến tần điều chỉnh công suất động cơ AC, các bộ đóng cắt các thiết bị bù tĩnh như SVC, TCS,....

Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng của dòng điện đi qua bộ chỉnh lưu cầu 1 pha