Ảnh hưởng của sóng hài gây ra bởi biến tần của các tải điều hòa lên hệ thống điện hiện đại

A.Sóng hài và nguồn gốc của sóng hài

1. Sóng hài là thành phần hình sin của sóng (điện áp hoặc dòng điện) hoạt động ở tần số là bội số nguyên của tần số cơ bản. Vì vậy, với dạng sóng cơ bản 50 Hz, điều này có nghĩa là tần số sóng hài bậc 2 sẽ là 100 Hz, bậc 3 là 150 Hz, bậc 5 là 250 Hz…
2. Dòng điện hài được gây ra bởi tải phi tuyến kết nối với hệ thống phân phối. Một tải được gọi là phi tuyến khi dòng điện nó vẽ không có dạng sóng giống như điện áp cung cấp. Các dòng điện hài chạy qua các trở kháng hệ thống lần lượt tạo ra sóng hài điện áp, làm biến dạng điện áp cung cấp.
3. Ví dụ các tải phi tuyến như bộ chuyển đổi nguồn (SMPS), Bộ biến tần (VFD), máy photocopy, máy tính cá nhân, máy in laser, máy fax, bộ sạc pin và UPS. Tải phi tuyến một pha và ba pha là phổ biến trong các tòa nhà văn phòng hiện đại và các nhà máy công nghiệp.

B.Tại sao tải HVAC đóng góp sóng hài lớn nhất vào lưới điện

Hiện nay biến tần VFD được sử dụng ở rất nhiều ở các thiết bị trong hệ thống HVAC, hơn nữa hệ thống HVAC cũng chiếm tỉ trọng lớn trong công suất điện của một tòa nhà (khoảng 29~43%) vì vậy VFD về cơ bản là đối tượng đóng góp sóng hài lớn nhất lên hệ thống lưới điện. 

Biểu đồ thụ năng lượng của các hệ thống

C.VFD sinh ra dòng điện hài như nào?

Sóng hài xuất hiện là do dòng điện không thể chạy qua chỉnh lưu và đi vào biến tần khi điện áp AC đầu vào bé hơn điện áp một chiều DC trên tụ. Điều này chỉ diễn ra trong một khoảng thời gian ngắn trên mỗi pha nhưng đủ làm biến dạng hoàn toàn dòng AC đầu vào khiến nó không còn là hình sin chuẩn nữa. Hơn nữa, do bị chặn bởi chênh lệch điện áp AC và DC ở đầu vào, dòng điện phải có biên độ đỉnh cao hơn để truyền đủ năng lượng cho động cơ trong một chu kỳ lưới.

 

 

D. Tác hại sóng hài đối với các hệ thống điện hiện đại

1. Tăng dòng điện phụ tải: Kết quả là cần dây lớn hơn, máy biến áp lớn hơn, thiết bị đóng cắt lơn hơn và tăng chi phí vận hành
2. Quá nhiệt của các bộ phận: gây cháy / nổ và rút ngắn tuổi thọ của thiết bị phân phối điện, dây cáp, máy biến áp, máy phát điện, v.v.
3. Biến dạng điện áp quá mức: gây ra sự cố thiết bị như

• Lỗi trong việc ngắt mạch các thiết bị đóng cắt
• Hỏng chấn lưu đèn
• Lỗi tụ điện
• PLC I / O có thể thay đổi trạng thái
• Các vấn đề về SCADA
• Lỗi máy phát điện…

4. Gây nhiễu điện từ: Sóng hài gây ra nhiễu điện từ mạnh, do đó tạo ra âm thanh nghe thấy được trong các thiết bị điện (DB, MSB ...), làm các màn hình hiển thị nhấp nháy, gây ra tiến ồn trong hệ thống loa âm thanh công cộng…
5. Hệ số công suất hệ thống thấp: dẫn đến bị phạt đối với hóa đơn tiền điện hàng tháng (mua công suất phản kháng)

E. Một số ví dụ về ảnh hưởng của sóng hài

Dòng điện xoáy do tổn thất từ thông đi lạc gây ra quá nhiệt. Nhiệt tăng 7-10 độ có thể làm giảm 1/2 tuổi thọ của vật liệu cách nhiệt.

Lỗi đóng cắt
Giá trị cực đại dòng hài có thể cao hơn nhiều lần so với dạng sóng hình sin ở tần số cơ bản gây ra sự cố ngắt mạch sai.

 

Hỏng cách điện của cáp
Dòng điện hài có tần số cao hơn khiến các electron chảy ra phía bên ngoài của dây dẫn, điều này làm giảm khả năng mang dòng điện dẫn đến giảm định mức công suất gây tăng nhiệt và làm hỏng lớp cách điện.
 
Tăng nhiệt động cơ
Các thành phần điện áp tần số cao gây ra tổn thất dòng điện xoáy trong lõi của động cơ điện xoay chiều. Những tổn thất này làm tăng nhiệt độ hoạt động của lõi và cuộn dây xung quanh lõi và có thể gây ra xung mô-men xoắn không mong muốn.
 

 

Sự cố máy phát điện
Biến dạng sóng hài quá mức sẽ gây ra nhiều giao thoa 0 của dạng sóng dòng điện, ảnh hưởng đến thời gian của bộ điều chỉnh điện áp. Điều này có thể khiến máy phát điện ngừng hoạt động.

Giảm hệ số công suất và gây hỏng tụ điện
Biến dạng sóng hài có ảnh hưởng trực tiếp đến yếu tố công suất. Nhiều sóng hài = hệ số công suất thấp hơn. Các tổn thất nhiệt được tạo ra bởi sóng hài chuyển sang sử dụng và trả tiền cho công suất phản kháng và dòng điện hài có thể làm cho tụ điện bị hỏng.

 

F.Giới hạn sóng hài

Do những nguy hại của sóng hài đối với hệ thống điện, nên việc quản lý sóng hài được coi là trách nhiệm chung liên quan đến cả nhà đơn vị cung cấp điện và khách hàng sử dụng điện để đảm bảo chất lượng điện đúng yêu cầu của quy định. Dưới đây là một số quy định và tiêu chuẩn về giới hạn của sóng hài.

 

 

1. Giới hạn biến dạng sóng hài điện áp

 
Theo thông tư số: 30/2019/TT-BCT

Theo tiêu chuẩn IEEE 519
 

b. Giới hạn biến dạng sóng hài dòng điện

5. Theo thông tư số: 30/2019/TT-BCT

 

5. Theo tiêu chuẩn IEEE 519

• Giới hạn biến dạng dòng điện đối với các hệ thống có mức điện áp 120 V đến 69 kV: Xem Bảng 2 tiêu chuẩn IEEE 519
• Giới hạn biến dạng dòng điện đối với các hệ thống có mức điện áp trên 69 kV đến 161 kV: Xem Bảng 3 tiêu chuẩn IEEE 519
• Giới hạn biến dạng dòng điện cho các hệ thống có mức điện áp > 161 kV: Xem Bảng 4 tiêu chuẩn IEEE 519

 

G. Biện pháp giảm sóng hài 

Với nhu cầu ngày càng tăng của loại thiết bị và tải phi tuyến tính, việc giảm thiểu sóng hài ngày càng trở nên quan trọng. Tùy thuộc vào tình huống, thường có một số phương pháp giảm thiểu sóng hài như sau:

• Hạn chế số lượng tải phi tuyến tính
• Sử dụng biến áp cách ly
• Sử dụng cuộn kháng
• Sử dụng bộ biến tần 12 xung hoặc 18 xung thay vì bộ biến tần 6 xung
• Sử dụng bộ bẫy sóng hài
  • Bộ lọc thụ động
  • Bộ lọc chủ động

1. Sử dụng cuộn kháng

Bộ lọc sóng hài Line reactor đôi khi được gọi là cuộn kháng, các cuộn dây tạo thành một từ trường làm hạn chế tốc độ tăng của dòng điện chạy qua, làm giảm sóng hài và bảo vệ các thiết bị điện khác. Thông thường có hai loại line reactor được sử dụng với VFD:

• AC line reactor: Khi được lắp giữa hệ thống điện và VFD
• DC link reactor/ DC choke: Khi được lắp vào giữa DC link của bộ biến tần

 

b. Sử dụng biến tần 12 xung và 18 xung
Biểu đồ dưới đây cho thấy đường cong hài và dòng hài theo phần trăm của dòng cơ bản sẽ sinh ra bởi bộ 6 xung, 12 xung, 18 xung chỉnh lưu. Biểu đồ bên dưới cũng chỉ ra rằng bộ chình lưu 12 xung và 18 xung cũng ít tạo ra dòng điện hài hơn bộ chỉnh lưu 6 xung

• Bộ chỉnh lưu 6 xung sẽ mang lại dòng điện hài ở các hài bậc 5, 7, 11, 13, 17, 19, v.v.
• Bộ chỉnh lưu 12 xung sẽ mang lại dòng điện hài ở các sóng hài thứ 11, 13, 23, v.v.
• Bộ chỉnh lưu 18 xung sẽ mang lại dòng điện hài ở các sóng hài thứ 17, 19, 35, 37, v.v.

 

Biểu đồ dưới đây cho thấy hiệu quả của việc tăng % trở kháng đầu vào trên dòng điện đầu vào

• Cuộn cảm với đặc tính là có khả năng chặn dòng điện cao tần (ZL = ωL = 2πfL, f càng lớn thì ZL càng lớn) vì vậy tăng trở kháng đầu vào tương ứng với việc lắp thêm cuộn cảm sẽ có hiệu quả rất lớn trong việc lọc dòng điện hài bậc cao
• Bộ chỉnh lưu 6 xung không thể giảm THD dòng điện xuống dưới 25% ngay cả với cuộn kháng AC đầu vào có trở kháng 10%
• Bộ chỉnh lưu 12 xung và 18 xung có thể đạt được THD đầu vào dưới 10% với việc bổ sung cuộn kháng AC đầu vào có trở kháng 1-2%

 

c. Sử dụng bộ lọc sóng hài thụ động
Bộ lọc sóng hài thụ động, cung cấp đường dẫn trở kháng thấp cho các dòng điện hài chính. Điều này làm giảm đáng kể lượng dòng sóng hài chạy qua hệ thống phân phối và dẫn đến hệ số công suất được cải thiện, dòng RMS thấp hơn, độ méo dòng hài thấp hơn, độ méo điện áp thấp hơn và tăng công suất hệ thống.
 

 

d. Sử dụng bộ lọc sóng hài chủ động

5. Bộ lọc LCL

Bộ lọc LCL được thiết kế đặc biệt để giảm sóng hài được hấp thụ bởi các bộ biến đổi nguồn, với giai đoạn đầu vào chỉnh lưu (Bộ biến tần cho động cơ, UPS, v.v.). Chủ yếu, chúng được tạo thành từ sự kết hợp song song giữa các cuộn kháng và tụ điện được điều chỉnh để giảm THD (I) của bộ chỉnh lưu. Chúng được thiết kế đặc biệt để giảm THD (I) xuống các giá trị khoảng 8%.

 


 

5. Bộ lọc chủ động mắc song song

Các bộ lọc chủ động mắc song song có nghĩa là dòng điện từ nguồn không đi qua bộ lọc. Các bộ lọc chủ động sử dụng một transistor và tụ điện để lọc sóng hài dòng điện bằng cách đưa dòng điện nghịch đảo vào hệ thống để loại bỏ các thành phần sóng hài không mong muốn. Bộ lọc chủ động song song đắt hơn đáng kể so với bộ lọc thụ động và chiếm nhiều không gian hơn.

Bộ lọc chủ động mắc song song có thể làm việc với nhiều bộ biến tần. Khi bộ lọc đạt đến giới hạn, nó sẽ không bị quá tải. Ngoài ra, nếu bộ lọc bị hỏng, nó sẽ không dừng mô-tơ mà chỉ không còn chức năng lọc dòng điện hài.
 

 

H. Tổng quan về mức độ giảm sóng hài của các biện pháp

 

I. Tổng quan về mức độ giảm sóng hài của các biện pháp

5. Khuyến nghị của nhà sản xuất biến tần

Việc sử dụng cuộn kháng AC (phải được đặt hàng riêng) là bắt buộc trên biến tần nếu hệ thống không sử dụng máy biến áp đặc biệt.

 

 

  

5. Tùy chọn của biến tần của Chiller có bộ lọc sóng hài

York’s chiller spec

 

5. Biến tần của bơm có dùng khối lọc EMC (Theo sổ tay máy bơm GRUNDFOS)