Đề tài : Nghiên cứu chế tạo thiết bị tiết kiệm năng lượng, thông qua việc thu và sử dụng năng lượng của sóng hài

Đề tài : Nghiên cứu chế tạo thiết bị tiết kiệm năng lượng, thông qua việc thu và sử dụng năng lượng của sóng hài thuộc công trình nghiên cứu khoa học cấp bộ Nội dung

MỞ ĐẦU

Cùng với quá trình Công nghiệp hoá và hiện đại hoá Đất nước, nhu cầu phụ tải không ngừng gia tăng Sự xuất hiện của các dây chuyền công nghệ lạc hậu, dẫn đến sự gia tăng sóng hài và công suất phản kháng tăng lên nhanh chóng, điều đó làm tăng tổn thất điện năng, tổn hao trên đường truyền tải điện năng, giảm hiệu quả sử dụng mạng điện, đồng thời làm giảm chất lượng điện năng và tăng hệ số công suất cos Sự tăng tổn thất do suy giảm hệ số cosphi

và tăng tỷ lệ sóng hài trên lưới điện, buộc các nhà kinh doanh điện năng phải

áp dụng bảng giá phạt đối với các hộ dùng điện có hệ số cosphi thấp Chính vì vậy nhiệm vụ bù công suất phản kháng và giảm % hài trên lưới được đặt ra không chỉ đối với hệ thống điện, mà cả các doanh nghiệp và các hộ dùng điện

Đề tài “Nghiên cứu chế tạo thiết bị tiết kiệm năng lượng thông qua việc lọc,

thu và sử dụng năng lượng sóng hài” được thực hiện nhằm đáp ứng một

phần nhu cầu cấp bách nói trên

Khác với dòng tiêu thụ, dòng hài trong hệ thống điện được sản sinh ra

từ các phụ tải nó ngược chiều với chiều dòng điện tiêu thụ và làm tăng công suất phản kháng, giảm hệ số cosphi Sự tiêu thụ điện và tạo ra sóng hài đã làm cho lưới điện thay đổi “lưới điện bị ô nhiễm” để làm sạch lưới điện ta cần phải loại bỏ dần các dây chuyền thiết bị lạc hậu và sử dụng các bộ lọc

sóng hài để giảm thiểu tối đa, tuy nhiên “lọc sóng hài” là một vấn đề hết

sức phức tạp và nhạy cảm, liên quan đến rất nhiều tham số chế độ cũng như các tham số hệ thống, các tham số và phụ tải không ngừng biến đổi theo thời gian Đã có nhiều tác giả áp dụng các kết quả nghiên cứu của các nước khác nhau trong việc giải bài toán lọc sóng hài Tuy nhiên, một số các thiết

bị lọc hài chưa mang lại hiệu quả đáng kể, thậm chí có một số nơi khi các thiết bị làm việc trong mạng thì lại dẫn đến tăng tổn thất và giảm chất lượng điện Trong khi thị trường xử phạt sóng hài và công suất phản kháng ở

nhiều nước trên thế giới diễn ra hết sức sôi động thì ở nước ta xử phạt sóng hài và công suất phản kháng chưa thực sự được coi là một dạng hàng hoá

mà mới được trao đổi dưới dạng phạt hệ số cos Theo nghị định số 45/2001/NĐ-CP của chính phủ “nếu khách hàng dùng điện với hệ số cos nhỏ hơn 0,85 thì sẽ phải trả thêm tiền mua điện năng tác dụng theo một hệ

số phạt (k) luỹ tiến” Tuy nhiên trong thực tế vấn đề phạt hệ số cos thấp mới chỉ được áp dụng đối với những phụ tải có công suất lớn và mốc phạt cos còn thấp“0,85” Mặt khác khi khách hàng có hệ số cosphi lớn hơn mức quy định thì lại chưa được đề cập đến… Tất cả những vấn đề trên vẫn còn là sự thách thức lớn, đòi hỏi phải có sự nghiên cứu tiếp

Đối với những phụ tải đã bị nhiễm sóng hài nếu chúng ta không khắc phục lọc bỏ hài mà chỉ áp dụng phương án tăng hệ số cosphi thì đây không phải là bài toán tối ưu Trong bối cảnh như vừa trình bày, mục tiêu của đề tài nhằm vào bốn nội dung chính để giải quyết một phần nhỏ trong nhiều vấn đề cần giải quyết đồng bộ mới mang lại hiệu quả cho lưới điện

ĐỀ TÀI

Nghiên cứu chế tạo thiết bị tiết kiệm năng lượng thông qua việc

lọc, thu và sử dụng năng lượng sóng hài

Thời gian thực hiện:

Từ tháng 01/2011 đến tháng 12/2011

Kinh phí:

- Tổng số: 150.000.000 VNĐ

- Trong đó, từ Ngân sách SNKH: 150.000.000 VNĐ

Họ tên chủ nhiệm đề tài: Phạm Văn Hiệp

Chức vụ: Giám đốc Trung tâm nghiên cứu ứng dụng Khoa học và chuyển

giao công nghệ

Cơ quan: Trường Đại học Điện lực

Địa chỉ: 235 Hoàng Quốc Việt – Từ Liêm – Hà Nội

Email: hieppv@epu.edu.vn

Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Điện lực

Địa chỉ: 235 Hoàng Quốc Việt – Từ Liêm – Hà Nội

Email: hieppv@epu.edu.vn

Điện thoại: 04.37554638 Fax: 04.38362065

Mục tiêu của đề tài:

Chế tạo thiết bị tích trữ năng lượng từ việc thu thập năng lượng sóng hài

để tái tạo thành nguồn năng lượng mới, nhằm giảm tổn thất điện năng và tăng tuổi thọ cho thiết bị

Nội dung nghiên cứu:

- Tìm hiểu về các loại sóng hài và các nguồn gây ra sóng hài

- Tính toán chế tạo bộ lọc sóng hài

- Tính toán chế tạo bộ chỉnh lưu để thu năng lượng sóng hài nạp cho accu

- Tính toán chế tạo bộ inverter biến đổi điện áp từ 12VDC lên 220VAC công suất 3000W, hiệu suất ≥ 85%

CHƯƠNG I TÌM HIỂU VỀ CÁC LOẠI SÓNG HÀI VÀ CÁC NGUỒN GÂY RA

SÓNG HÀI 1.1 Tìm hiểu về sóng hài

1.1.1 Sóng hài là gì

Sóng hài là một dạng nhiễu không mong muốn, ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng lưới điện và cần được chú ý tới khi tổng các dòng điện hài cao hơn mức độ giới hạn cho phép Dòng điện hài là dòng điện

có tần số là bội của tần số cơ bản Ví dụ dòng 250Hz trên lưới 50Hz là sóng hài bậc 5

Dòng điện 250Hz là dòng năng lượng không sử dụng được với các thiết bị trên lưới Vì vậy, nó sẽ bị chuyển hoá sang dạng nhiệt năng và gây tổn hao

Sóng hài được đặc trưng của dao động hoàn toàn trên phổ tần số công nghiệp cơ bản Thành phần sóng hài trong nguồn AC được định nghĩa là thành phần sin của một chu kỳ sóng có tần số bằng số nguyên lần tần số cơ bản của hệ thống

fh = h.fb

trong đó: h là số nguyên dương

Sóng hài làm méo dạng điện áp lưới có thể do các nguyên nhân sau:

Hình1.1a: Sóng hài bậc cao của

bộ điều chỉnh DC tải công suất lớn.

Hình1.1b: Sóng hài bậc cao của

bộ điều chỉnh DC tải công suất

thấp.

Nguyên nhân của sóng hài là do các phụ tải dạng phi tuyến trong hệ thống điện Điện áp đầu vào của tải phi tuyến thì là dạng hình sin nhưng dòng qua nó có dạng không sin

Một dạng sóng bất kỳ là tổng của các dạng sóng hình sin Khi đồng nhất

từ chu kỳ này sang chu kỳ khác nó có thể được miêu tả như những sóng sin

cơ bản và bội số của tần số cơ bản, có nghĩa là bao gồm sóng sin cơ bản và chuỗi của các dạng sóng sin hài bậc cao, gọi là chuỗi Fourier

Chuỗi Fourier được sử dụng rộng rãi trong tính toán sóng hài Bất kỳ sóng tuần hoàn nào cũng có thể biểu thị dưới dạng chuỗi Fourier như sau:

0 h

h 0

0

f(t)dx 2π

1 f(t)dt T

Quá trình tính toán có thể độc lập với mỗi hài riêng Kết quả tính toán của mỗi tần số sẽ được kết hợp vào một dạng của chuỗi Fourier để có dạng sóng ra tổng quát nếu cần Thông thường chỉ cần quan tâm đến biên độ của sóng hài

Khi cả nửa chu kỳ âm, dương của một dạng sóng có dạng đồng nhất, chuỗi Fourier chỉ chứa hài bậc lẻ Điều này làm đơn giản cho quá trình nghiên cứu hệ thống vì hầu hết các thiết bị sinh ra sóng hài thông thường có dạng sóng đồng nhất Tuy nhiên sự xuất hiện của sóng hài thường gây ra sự cố cho các thiết bị tải hoặc các bộ biến đổi dùng cho đo lường

Thực tế có một số loại sóng như sau:

- Đối xứng lẻ f(-t) = - f(t), không có số hạng sin, trong khai triển Fourier

- Đối xứng chẵn f(-t) = f(t), không có số hạng cos trong khai triển Fourier

- Đối xứng nửa bước sóng f(tT/2) = - f(t) có thành phần một chiều bậc

0 và khử các sóng hài bậc chẵn (2,4,6,…) Tính chất này cho phép bỏ qua các sóng hài bậc chẵn

1.1.2 Các đại lượng đặc trưng của sóng hài

Thường sử dụng hai đại lượng đặc trưng cho sóng hài là độ méo điều hoà tổng THD (Total Harmonic Distortion) và độ méo yêu cầu tổng TDD (Total Demand Distortion) Cả hai đại lượng này của sóng hài có thể áp dụng cho đồng thời cả dòng điện và điện áp

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

h 0

h 0

hcos(h t θ )

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(ω0t) + U2cos(2ω0t) + U3cos(3ω0t) +

uc(t) = U1cos(ω0t+1200)+U2cos(2ω0t+2400) +

U3cos(3ω0t+3600)+U4cos(4ω0t+4800)+U5cos(5ω0t+6000)

2 h U 2

1

1 h

2 hrms

Biểu thức (1.12) trên cho thấy sóng hài bậc 3 không xuất hiện trong điện

áp dây, điện áp dây hiệu dụng là:

ULL rms= 

1 h

2 h

U 2

3

1 h

2 hrms

U

(1.13)

Từ các biểu thức trên ta thấy rằng:

- Các sóng hài cơ bản bậc 4, 7, … là thành phần thứ tự thuận (+)

- 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)

Như vậy ta có thể thấy rằng:

- Nếu tồn tại sóng hài thì tồn tại các dòng 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 không (bậc của dòng điện hài

có thể chia được cho 3) không thể chạy vào trong các mạch nối tam giác () hoặc mạch không có nối đất

1.2 Các nguồn sinh ra sóng hài

Các tải công nghiệp: Các thiết bị điện tử công suất, lò hồ quang, máy hàn, bộ khởi động điện tử, đóng mạch máy biến áp công suất lớn…

Các tải dân dụng: Đèn phóng điện chất khí, tivi, máy photocopy, máy tính, lò vi sóng…

Bảng 1.1: Trình bày dạng sóng của một số tải phi tuyến và hệ số méo của chúng Độ méo điều hòa phụ thuộc chế độ vận hành của thiết bị do sự đối xứng của dạng sóng dòng điện, phân tích phổ của chúng chỉ chứa các điều hòa bậc lẻ Phổ có thể gián đoạn hoặc liên tục, có tính ngẫu nhiên hoặc lặp lại

Với nhiều biện pháp khác nhau, người ta có thể giảm một số sóng hài đến một giá trị nhỏ không đáng kể - việc khử bỏ hoàn toàn chúng tất nhiên không thể hoàn toàn thực hiện được

Tải phi

Hệ số méo

Bảng 1.1: Dạng sóng của một số loại phụ tải phi tuyến

Sóng hài gây nên sự gia tăng nhiệt độ trong thiết bị và ảnh hưởng đến cách điện Trong các trường hợp khắc nghiệt có thể làm hư hỏng thiết bị hay giảm tuổi thọ Các hình 1.2a và 1.2b miêu tả một số trường hợp đặc biệt của sóng hài

Hình1.2a: Sóng cơ bản và sóng hài bậc ba đồng pha

Hình 1.2b: Sóng cơ bản và sóng hài bậc ba lệch pha

Những loại sóng này có thể được biểu diễn như sau:

Điều này chứng tỏ tổng của các sóng hình sin này tạo ra một sóng méo Hay có thể coi sóng méo này là sự xếp chồng của thành phần sóng cơ bản với các sóng ở tần số và biên độ khác

Hiệu ứng 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

1.3 Tác hại sóng hài lên lưới điện

Sóng hài là dạng nhiễu không mong muốn ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng điện năng, xuất hiện khi sử dụng những tải không tuyến tính (biến tần, bộ chuyển điện thế, UPS,…) có tác dụng rất xấu đến những thiết bị, máy móc được sử dụng trong nhà máy như:

- Giảm tuổi thọ động cơ

- Quá tải CB, quá nhiệt và gây cháy nổ máy biến áp (trong khi lượng điện sử dụng vẫn nhỏ hơn định mức)

- Nổ tụ bù bất thường

- Gây nhiễu ảnh hưởng đến hệ thống tự động hóa như PLC, Sensor

- Lãng phí năng lượng…

1.3.1 Máy biến áp

Ảnh hưởng của các sóng hài trên các máy biến áp là các dòng điều hoà gây nên sự gia tăng tổn thất đồng và tổn thất từ thông 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 hoà dòng điện Tiêu chuẩn này cũng yêu cầu trị số quá điện áp hiệu 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 hoà và các dòng 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

1.3.2 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 hoà cũng có thể ảnh hưởng đến hiệu suất máy và mômen

Sự tác động khác nhau giữa các sóng và mật độ từ thông được phát ra bởi các dòng điện điều hoà trong một động cơ cảm ứng 3 pha trên một điện áp cung cấp không sin có thể làm phát sinh tiếng ồn Các sóng hài cũng sinh ra

sự phân bố từ thông tổng hợp trong khe hở không 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 môtơ 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, không 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

1.3.3 Các thiết bị đóng ngắt

Cũng như hầu hết các thiết bị khác, các dòng điện điều hòa có thể làm gia tăng nhiệt và các tổn thất trong các thiết bị đóng ngắt Ngoài các ảnh hưởng của việc tăng nhiệt, các thành phần điều hòa trong sóng dòng có thể ảnh hưởng đến khả năng cắt dòng của các thiết bị đóng ngắt Vấn đề là các thành phần điều hòa có thể đưa đến việc biên độ của di/dt cao tại các điểm không dòng điện có thể làm cho việc cắt trở nên khó khăn hơn

Các máy cắt không cắt được các dòng điện do việc các cuộn cắt không

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 dòng điện khác

Không có tiêu chuẩn xác định được công bố trong công nghiệp về mức của các dòng điện mà các thiết bị đóng cắt dòng điện yêu cầu để cắt Tất cả các thí nghiệm về sự cắt được thực hiện tại tần số định mức của nguồn cung cấp

1.3.4 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 hòa 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

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 quá dòng và quá điện áp được bố trí nhiều loại thay đổi trong các đặc tính vận hành

Tùy theo hàm lượng sóng hài, các mômen 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 hoàn toàn 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 không bình thường

1.3.5 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 dòng thông thường chỉ làm việc với dòng cơ bản, những pha không cân bằng gây nên sự méo điều hòa, 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

1.3.6 Thiết bị điện tử công suất

Thiết bị điện tử trong nhiều trường hợp là một nguồn đáng kể của các dòng điện điều hoà 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 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

1.3.7 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 dòng điện này dường như

ít ảnh hưởng trên tỷ số biến Tuy nhiên góc bị ảnh hưởng và do đó công suất

và điện năng có thể bị ảnh hưởng

- Sự hiện diện của các sóng hài chẳng hạn như sóng hài bậc ba trong các thiết bị nối đất trung tính có thể cần phải giảm bớt các thiết bị như thế

- 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

- Một nghiên cứu của Anh đã cho thấy các hư hỏng trên cáp 33kV là do các sóng hài

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

1.3.8 Ảnh hưởng của sóng hài đối với tụ bù và các mạch lọc

Sự vượt trước sẽ sinh ra một sự quá áp có giá trị trong khoảng từ 1 đến

2 pu (tức bằng 1 đến 2 lần giá trị điện áp định mức của mạng điện) phụ thuộc vào sự suy giảm điện áp lưới Sự quá áp được truyền vào lưới qua các máy biến áp và đường dây phân phối đến các hộ dùng điện

Cộng hưởng song song: Cộng hưởng song song xuất hiện khi điện trở

cảm kháng của hệ thống và điện trở dung kháng của tụ bằng nhau ứng với tần

số xác định Khi đó điện trở của hệ thống Z sẽ đạt giá trị cao nhất (xem hình 1.3.a) Với giá trị cố định của dòng điện, thành phần điện áp của sóng hài

tương ứng sẽ có giá trị rất lớn

Cộng hưởng nối tiếp: Cộng hưởng nối tiếp là kết quả của việc mắc nối

tiếp các bộ tụ điện với điện trở cảm kháng của máy biến áp như biểu thị trên hình 1.3.b Khi xuất hiện sự cộng hưởng nối tiếp ứng với tần số xác định, điện trở của mạch điện sẽ giảm đi nhỏ nhất, do đó chỉ với một giá trị điện áp nhỏ cũng sinh ra một dòng điện lớn, dẫn đến sự đốt nóng thiết bị

)

Hình 1.3: Sơ đồ đặc trưng của hiện tượng cộng hưởng

Tần số cộng hưởng

1 1

1

2

1

C L

22

1

C L

pu trên thanh cái hạ áp, do đó có thể gây ảnh hưởng đến chế độ làm việc của các thiết bị dùng điện thậm chí gây nguy hiểm đối với các thiết bị mắc trên thanh cái này Các giải pháp chống quá điện áp khi đóng cắt tụ thường là:

- Sử dụng máy cắt có bộ phận đóng đồng thời điện trở cài trước

- Sử dụng máy chống sét đặt tại thanh cái của các hộ tiêu thụ

- Xây dựng bộ tụ dưới dạng bộ lọc sóng hài Một cuộn cảm được mắc nối tiếp với tụ sẽ làm giảm giá trị quá điện áp trên đầu vào của các hộ dùng điện đến trị số cho phép

Việc sử dụng cuộn dây mắc nối tiếp với tụ sẽ ngăn cản sự xuất hiện của tần số cộng hưởng Thông thường công suất của cuộn kháng được chọn trong phạm vi khoảng 57%, có nghĩa là sự có mặt của cuộn kháng điện sẽ làm giảm công suất của tụ đi 57% Cuộn kháng điện thường sinh ra một lượng nhiệt khá lớn, bởi vậy cần phải được làm mát tủ bằng quạt

Thông thường, để khắc phục hiện tượng này buộc phải cắt bớt một phần công suất của tụ Điều đó có nghĩa là không thể đạt được hiệu quả bù cao nhất Một cuộn kháng đặc biệt được sử dụng cho mục đích này Sự có mặt của cuộn kháng sẽ làm dịch chuyển tần số cộng hưởng của mạch vòng “tụ

- máy biến áp” thấp hơn tần số ưu thế hoặc lọc sóng hài

Bậc của sóng hài HO (HO –Harmonic Order) của cộng hưởng tần số tự nhiên giữa cảm kháng hệ thống điện và bộ tụ là:

Ssc – Công suất ngắn mạch của hệ thống tại vị trí đấu tụ tính bằng kVA;

Qnc - Công suất định mức của tụ, kVAR;

HO – Bậc của sóng hài tần số riêng (fo)

Ví dụ: Khi HO =

nc

sc

Q

S = 2,93 nghĩa là tần số riêng của bộ tụ điện – cảm

kháng hệ thống điện gần bằng tần số hài bậc 3 của hệ thống điện

Do HO = fo/50, suy ra: fo = 50.HO = 50.2,93 = 146,5Hz

Tần số riêng càng gần tới tần số của một sóng hài nào đó của hệ thống thì ảnh hưởng bất lợi càng lớn Trong ví dụ vừa nêu trên, điều kiện cộng hưởng với thành phần sóng hài bậc 3 của một sóng biến dạng chắc chắn xảy

ra

Trong những trường hợp như vậy cần tiến hành những biện pháp để thay đổi tần số riêng đến một giá trị mà nó không thể cộng hưởng với bất cứ

thành phần sóng hài nào hiện diện trong hệ thống Điều này được thực hiện bằng cách thêm vào cuộn cảm triệt sóng hài nối tiếp với các bộ tụ điện

Đối với hệ thống 50Hz, các cuộn kháng nêu trên được điều chỉnh sao cho tần số cộng hưởng của hệ thống tụ điện – cuộn dây dịch chuyển đến 190Hz Đối với hệ thống 60Hz tần số cộng hưởng cần chỉnh đến 228Hz Các tần số này tương ứng với giá trị của bậc sóng hài HO bằng 3,8 đối với hệ thống lưới 50Hz tức là nằm khoảng giữa các sóng hài bậc 3 và bậc 5 của lưới Với kiểu bố trí này sự có mặt của cuộn kháng sẽ làm tăng dòng điện tần số cơ bản lên một lượng nhỏ từ 7 8% và do đó điện áp đặt trên tụ cũng Hg theo tỉ

lệ tương ứng

Dòng điện hài bậc cao được tạo ra bởi các tải phi tuyến sẽ đưa ngược trở lại hệ thống cung cấp Các dòng này có thể tác động tới các thiết bị của hệ thống điện, đáng kể là các tụ, máy biến áp, động cơ tạo ra tổn thất phụ, quá nhiệt và quá tải Các dòng điều hoà này còn có thể là nguyên nhân gây ra nhiễu đường dây thông tin và lỗi trong hệ thống đồng hồ đo công suất Vấn đề của sóng hài thường xuất hiện đầu tiên ở các bộ tụ Ảnh hưởng của sóng hài lên các bộ tụ sẽ gây nên sự phát nóng phụ, tăng tổn hao và ứng suất điện môi

Hiện tượng cộng hưởng song song có thể xảy ra trong bất kỳ hệ thống lưới phân phối nào và sinh ra độ méo điện áp cao trong quá trình cộng hưởng Dòng qua các tụ cũng lớn đáng kể Trong tình trạng cộng hưởng dòng điện thường cao hơn dòng tụ định mức Nếu lượng sóng hài bậc cao tồn tại lâu dài,

sẽ rút ngắn tuổi thọ và gây hư hỏng thiết bị

Tiêu chuẩn IEEE cho tụ điện rẽ nhánh định mức như sau:

 135% công suất phản kháng định mức;

 110% của điện áp định mức (bao gồm hài nhưng không bao gồm sóng quá độ);

 180% của dòng điện định mức (bao gồm dòng điện sóng hài và sóng cơ bản);

 120% của điện áp đỉnh (bao gồm cả sóng hài)

Quá trình quá điện áp tần số cao thường xuất hiện cùng với quá trình quá

độ dòng điện tần số cao Đỉnh lớn nhất của điện áp (với giả thiết bỏ qua các sóng hài xác lập) không bao giờ vượt quá 2 lần giá trị đỉnh của điện áp định mức khi thực hiện đóng tụ chưa tích điện vào mạng Tuy nhiên, trong trường hợp tụ đã nạp điện sẵn, vào thời điểm đóng tụ, điện áp quá độ có thể đạt đến giá trị cực đại bằng 3 lần giá trị đỉnh định mức Khả năng nêu trên chỉ xảy ra nếu:

- Điện áp tồn tại trên tụ bằng giá trị đỉnh của điện áp định mức

- Các tiếp điểm của công tắc đóng vào thời điểm áp nguồn đạt giá trị đỉnh

- Cực của điện áp nguồn ngược dấu với điện áp của tụ được nạp Trong điều kiện như vậy dòng quá độ sẽ có khả năng đạt giá trị lớn nhất, tức là bằng hai lần giá trị cực đại so với trường hợp đóng điện vào tụ điện chưa được tích điện

Trong các điều kiện khác về biên độ và cực của điện áp trên tụ đã nạp, giá trị đỉnh quá độ của điện áp và dòng điện sẽ nhỏ hơn các giá trị cực đại nêu trên

Trong trường hợp khi điện áp đỉnh trên tụ có cùng cực với điện áp nguồn và tụ đóng lại tại thời điểm điện áp nguồn đạt giá trị đỉnh, hiện tượng quá độ điện áp và dòng điện không xảy ra

Vì vậy ở những vị trí cần thực hiện đóng tụ tự động theo từng bậc, phải đảm bảo sao cho việc đóng tụ được thực hiện trong điều kiện tụ đã được xả

hoàn toàn Nếu cần rút ngắn thời gian trễ của quá trình xả tụ có thể dùng điện trở phóng với giá trị nhỏ

KẾT LUẬN

Dòng 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 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 hoà 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 phương tiện bổ sung để 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 soát sóng hài sinh ra từ các phụ tải

CHƯƠNG II TÍNH TOÁN CHẾ TẠO BỘ LỌC SÓNG HÀI

Sóng không hình sin có thể phân tích thành tổng của các điều hòa hình sin có tần số khác nhau theo công thức Fourier Sóng hình sin có tần số bằng tần số sóng không hình sin gọi là sóng cơ bản, còn các sóng có tần số lớn hơn sóng cơ bản là sóng hài bậc cao Biên độ của sóng hài bậc cao giảm dần Trong số các sóng hài thì hài bậc ba có biên độ lớn nhất Trong mạch ba pha hài bậc ba của các pha có góc lệch pha bằng 3x1200=3600, nghĩa là trùng pha, chúng hợp thành hệ thống thứ tự không và khép mạch trong dây trung tính, làm quá tải hệ thống trung tính

I I

I1 là trị số hiệu dụng của điều hòa cơ bản

THD đánh giá ảnh hưởng của sóng hài đối với lưới điện

Theo IEEE 519-1992 đối với mọi loại tải quy định THD < 5%, riêng đối với tải kỹ thuật số THD < 3%

Để giảm các hài bậc cao thể sử dụng các giải pháp:

• Sử dụng cuộn kháng chặn

• Sử dụng mạch lọc thụ động

Hai phương án này chỉ có tác dụng hạn chế một số hài bậc cao cho các phụ tải có đặc tính phi tuyến tính Không thể tăng mãi điện kháng của cuộn chặn vì sụt áp làm giảm công suất của tải Bộ lọc LC cho phép giảm THD tới 10%, có thể tới 5% khi phối hợp với điện kháng chặn Đối với các phụ tải động có đặc tính phi tuyến tức thời luôn biến động như máy hàn, lò hồ quang… cần sử dụng bộ lọc tích cực

2.2 Một số giải pháp triệt tiêu sóng hài hiện nay

Việc loại bỏ sóng hài bằng các bộ lọc cộng hưởng LC chủ yếu theo các phương pháp:

- Cuộn cảm nối tiếp

- Bộ lọc thụ động

- Bộ lọc thụ động mắc song song và nối tiếp

- Bộ lọc tích cực

- Máy biến áp Zigzag

- Loại bỏ sóng hài ngay từ khi chế tạo thiết bị

2.3 Đánh giá chung về bộ lọc thụ động

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 toán 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 ba loại bộ lọc thụ động chính là: bộ lọc thụ động mắc song song với tải, bộ lọc thụ động mắc nối tiếp với tải và bộ lọc dải tần số cao

2.3.1 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 hòa 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

Hình 2.2: Bộ lọc thụ động kiểu nối tiếp

2.3.2 Bộ lọc thụ động đấu song song và nối tiếp với tải

- Nối song song với tải

- Có thể tùy chỉnh khả năng vận hành

- Kết quả lọc không phụ thuộc vào trở kháng lưới điện

- Kết quả lọc không phụ thuộc vào tải cục bộ

- Điều khiển thuật toán số tương thích với các thiết bị dễ dàng

- Chống tải quá nhiệt

- Ngoài ra còn có các ưu điểm phụ trội khác: bù công suất phản kháng, cân bằng tải

Kháng được điều chỉnh cộng hưởng nối tiếp mắc dọc trên lộ dây cấp điện Các bộ lọc này có thể có thêm thành phần điện trở mắc song song với cuộn kháng để tăng khả năng làm suy giảm các hài bậc cao Thiết kế các

bộ lọc tạo ra trở kháng thấp tại một tần số nhất định mà không gây ra trở kháng cao không mong muốn tại một tần số khác đòi hỏi cần có những thiết

kế chi tiết

Hình 2.3: Nhiều bộ lọc điều chỉnh nối tiếp mắc song song

Hình 2.4: Bộ lọc nối tiếp và song song

2.3.3 Bộ lọc tích cực

Là bộ lọc sử dụng phần tử điện tử công suất để tạo nên các sóng hài bằng và ngược pha với sóng hài phát sinh trong mạch Kết quả là các thành phần sóng hài bị triệt tiêu do đó dạng sóng của nguồn sẽ thuần túy hình sin Trên hình 2.5 ta thấy tổng của sóng hài do nguồn Inguồn và sóng hài do bộ lọc tích cực phát ra Ilọc bằng không Tuy nhiên, các sóng này luôn thay đổi, do đó

bộ lọc tích cực cần được điều khiển theo tín hiệu dạng sóng nguồn và dạng sóng tải và được phản ảnh qua phản hồi dòng điện Nhờ bộ lọc tích cực chất lượng điện áp cũng được nâng lên và tổn hao công suất trong lưới sẽ giảm đi

Bộ lọc gồm tụ điện hoặc cuộn cảm kết hợp với thiết bị chỉnh lưu và một bộ cảm biến đo độ méo của dòng điện Bộ cảm biến sẽ đo độ méo của dòng điện và phân tích nó thành chuỗi Fourier Sau đó sẽ gửi tín hiệu đến thiết bị chỉnh lưu để điều khiển tạo ra các sóng hài ngược pha

Hình 2.5: Cấu trúc bộ lọc hài tích cực

Ưu điểm:

- Có thể làm triệt tiêu nhiều sóng hài cùng một lúc

- Không ảnh hưởng tới tổng trở của hệ thống nên tránh được hiện tượng cộng hưởng

- Ứng dụng trong các hoàn cảnh khó khăn mà bộ lọc thụ động không thể làm được

- Có thể được dùng để cải thiện hệ số công suất (nhưng giá thành cao)

Nhược điểm:

- Phức tạp hơn bộ lọc thụ động

- Đắt hơn bộ lọc thụ động

- Nếu như có hiện tượng cộng hưởng, bộ lọc không loại trừ được

2.4 Máy biến áp Zigzag

- Nguồn điện 3 pha:

- Khi chưa có biến áp:

Dòng điện trên tải là: it = It.Sin(ωt + 900) (A)

Điện áp trên tải là: UA = It.Rt = It Rt Sin(ωt+ 900) (V)

Với It : Dòng điện hiệu dụng trên tải

Rt: Trở tải

(e) là điện áp chênh lệch

e = EA – UA

e= E Sin ωt – Rt It Sin(ωt + 900) (V)

- Khi có biến áp Zigzag :

Nguồn điện cung cấp thực tế trên từng pha là:

vệ

Trong các thiết bị thương mại chúng ta thường thấy có hai vấn đề chính

là quá dòng trong dây trung tính và quá nhiệt máy biến áp Nếu chúng ta đặt máy biến áp Zigzag ở vị trị thích hợp thì có thể tránh được hai hiện tượng này

Trong các tòa nhà có nhiều máy tính và các thiết bị tương tự máy tính, thành phần sóng hài bậc 3 chiếm lượng rất cao Việc dùng máy biến áp Zigzag có thể hạn chế được 50% sóng hài này

Đối với các thiết bị đã lắp đặt mà gặp phải vấn đề về quá tải dây trung tính và quá nhiệt máy biến áp thì việc dùng máy biến áp Zigzag là lựa chọn tốt Trong trường hợp thiết bị mới thì chúng ta nên chọn máy biến áp có công suất và dây trung tính lớn

2.5 Một số tiêu chuẩn IEEE

Như đã giới thiệu và phân tích ở các phần trên, 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 2.1: 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

Bảng 2.2: Giới hạn độ méo của dòng điện đối với lưới từ 69 kV đến 161 kV

Bảng 2.3: Giới hạn độ méo của dòng điện đối với lưới điện áp lớn hơn 161

kV

Theo thông tư 12 của Bộ Công Thương, đối với lưới điện truyền tải của Việt Nam thì giá trị cực đại cho phép của tổng mức biến dạng dòng và áp

(tính theo % dòng và áp danh định) đối với các cấp điện áp 110 kV, 220 kV

và 500 kV phải nhỏ hơn hoặc bằng 3% Đối với lưới phân phối theo Thông tư

32 của Bộ Công Thương, tổng độ biến dạng sóng hài tại mọi điểm đầu nối không được vượt quá giới hạn quy định trong bảng sau:

Bảng 2.4: Độ biến dạng sóng hài điện áp cho phép đối với lưới phân phối

Ngày nay, do sự gia tăng sử dụng của các thiết bị điện tử, sự xuất hiện của sóng hài ngày càng tăng Để thỏa mãn các giới hạn đó, các phụ tải phi tuyến cần phải sử dụng các bộ lọc sóng hài Bộ lọc sóng hài có chức năng di tản dòng hài xuống đất hoặc ngăn chặn sự lan truyền của sóng hài từ nơi phát sinh vào lưới hoặc làm triệt tiêu nó bằng cách tạo ra một sóng hài có cùng biên độ nhưng ngược pha Trong phần này chúng ta sẽ xét các biện pháp nhằm hạn chế sóng hài

2.5.1 Yêu cầu chung đối với bộ lọc

- Thiết bị lọc sóng hài và biến đổi thành điện công nghiệp

- Công suất bộ lọc 40KVA

2.5.2.3 Tính công suất tụ điện

Công suất của tụ điện được tính theo công thức (2.1)

- Điện áp tần số cơ bản đặt lên cuộn cảm:

- Điện áp tần số cơ bản đặt lên tụ điện:

2.5.2.8 Tính dòng điện và điện áp tần số lọc của cuộn cảm và tụ điện

Biểu diễn sơ đồ thay thế một dây của phụ tải Chúng ta thấy sóng hài bậc h do phụ tải sinh ra sẽ phân làm 2 phần, một phần đi vào hệ thống và phần còn lại chạy qua bộ lọc Để tính toán được thành phần hài bậc h đi vào hệ thống chúng ta cần biết điện kháng của hệ thống và điện kháng của máy biến

áp nối phụ tải với hệ thống Ở đây chúng ta giả thiết hệ thống có công suất vô cùng lớn tức là Xht = 0, do đó Zht = j.XMBAh

Hình 2.1: Sơ đồ 1 dây của hệ thống sau khi mắc bộ lọc

- Tổng trở tương đương của bộ lọc và Zht là:

- Giá trị hiệu dụng của điện áp đặt lên cuộn cảm:

Từ các giá trị L, C, dòng điện và điện áp hiệu dụng yêu cầu đối với cuộn cảm

và tụ điện chúng ta chọn được các phần tử cho bộ lọc

2.5.2.9 Bảng tính toán các thông số của bộ lọc

- Thiết kế bộ lọc thu năng lượng sóng hài:

2 1

- Bảng tính toán các thông số trong bộ lọc: