Nghiên cứu ảnh hưởng của sóng hài tới chất lượng điện năng và các đề xuất để làm giảm ảnh hưởng của sóng hài

PH ẦN MỞ ĐẦU Theo các cơ quan, tổ chức giám sát chất lượng điện năng của các quốc gia cũng như của quốc tế thì méo dạng sóng của điện áp, dòng điện được xếp vào một trong các yếu tố ảnh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -

ĐỂ LÀM GIẢM ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG HÀI

Hà Nội 2006 Người hướng dẫn khoa học: TS Bùi Đức Hùng

bộ môn Thiết bị điện-Điện tử, tôi cảm thấy mình rất vinh dự vì truớc đây là sinh viên và giờ đây là nghiên cứu sinh cao học tại bộ môn Bằng luận văn này tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy giáo, cô giáo trong bộ môn đã trang bị những kiến thức rất mang tính thực tiễn cao để chúng tôi những kĩ sư và sau này là những thạc sĩ ngành Thiết bị điện-Điện tử có thể

tự tin áp dụng những kết quả nghiên cứu vào trong công việc của mình

Để luận văn có thể hoàn thành như ngày hôm nay được tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến thầy Tiến Sĩ Bùi Đức Hùng - Bộ môn Thiết bị điện_Điện tử- Trường đại học Bách Khoa Hà Nội đã luôn tạo điều kiện giúp đỡ và tận tình hướng dẫn tôi tiếp cận một vấn đề khoa học trong lĩnh vực Điện

Tôi cũng xin gửi lời cám ơn sâu sắc tới các đồng nghiệp của tôi tại Trung tâm Điện tử công nghiệp thuộc Viện nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hoá, giám đốc trung tâm cũng như ban lãnh đạo Viện luôn tạo điều kiện về thời gian và đóng góp đầy nhiệt tình về chuyên môn và lý thuyết của các đồng nghiệp để tôi có những hiểu biết sâu hơn về luận văn

Cuối cùng tôi muốn cám ơn gia đình, bạn bè luôn là nguồn cổ vũ và động viên trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu luận văn của mình

Mặc dù đã cố gắng hết sức mình, nhưng do khó khăn về tài liệu, khoảng thời gian nghiên cứu và khả năng hạn chế của bản thân cho nên luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được các góp ý từ các

thầy giáo cũng như từ các bạn đồng nghiệp để vấn đề nghiên cứu trong luận văn được sáng tỏ hoàn thiện hơn

Hà Nội ngày tháng … năm 2006

CHƯƠNG 2 - CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG - 10 -

2.1 PHI TUY ẾN - 11 -

2.2 CÁC BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP TRONG THỜI GIAN NGẮN - 14 -

2.3 BIẾN THIÊN ĐIỆN ÁP TRONG THỜI GIAN DÀI - 18 -

2.4 MÉO D ẠNG SÓNG - 21 -

2.5 DAO ĐỘNG ĐIỆN ÁP - 24 -

2.6 CÁC BIẾN ĐỔI TẦN SỐ - 25 -

2.7 M ẤT CÂN B ẰNG ĐIỆN ÁP - 26 -

CHƯƠNG 3 - ĐIỀU HOÀ - 28 -

3.1 THẾ NÀO LÀ MÉO ĐIỀU HOÀ - 29 -

3.2 MÉO DÒNG ĐIỆN VÀ ĐIỆN ÁP - 33 -

3.3 CÁC ĐẠI LƯỢNG C ỦA H Ệ TH ỐNG ĐIỆN NĂNG Ở ĐIỀU KI ỆN KHÔNG SIN

-34 - 3.4 CÁC CHỈ SỐ ĐIỀU HOÀ - 39 -

3.5 CÁC NGU ỒN ĐIỀU HOÀ - 41 -

3.6 CÁC TÍNH CH ẤT ĐÁP ỨNG C ỦA H Ệ TH ỐNG - 47 -

3.7 ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG ĐIỀU HOÀ BẬC CAO TRONG LƯỚI ĐIỆN ĐẾN CÁC THI ẾT B Ị - 53 -

CHƯƠNG 4 - ĐÁNH GIÁ MÉO ĐIỀU HOÀ VÀ CÁC BIỆN PHÁP HẠN CHẾ ĐIỀU HOÀ - 64 -

4.1 ĐÁNH GÍA MÉO ĐIỀU HOÀ - 64 -

4.2 CÁC Y ẾU T Ố ĐỂ ĐIỀU CH ỈNH ĐIỀU HOÀ - 68 -

4.4 CÁC THIẾT BỊ ĐỂ ĐIỀU CHỈNH MÉO ĐIỀU HOÀ - 73 -

4.5 CÁC TIÊU CHUẨN LIÊN QUAN ĐẾN ĐIỀU HOÀ TRÊN THẾ GIỚI - 82 -

CHƯƠNG 5 - ĐÈN HUỲNH QUANG-NÂNG CAO HỆ SỐ CÔNG SUẤT VÀ LỌC ĐIỀU HOÀ CHO TẢI ĐÈN HUỲNH QUANG - 92 -

5.1 GIỚI THIỆU CHUNG ĐÈN HUỲNH QUANG - 92 -

5.2 C ẤU TRÚC H Ệ TH ỐNG ĐÈN HU ỲNH QUANG - 93 -

5.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP KH ỞI ĐỘNG ĐÈN - 98 -

CHƯƠNG 6 - THÍ NGHIỆM LỌC NHIỄU CHO NGUỒN TẢI ĐIỀU HOÀ LÀ ĐÈN HU ỲNH QUANG - 101 -

6.1 NHI ỆM V Ụ C ỦA THÍ NGHI ỆM - 101 -

6.2 CHỌN ĐÈN HUỲNH QUANG - 101 -

6.3 NGUỒN ĐIỀU HOÀ LÀ ĐÈN SỬ DỤNG CHẤN LƯU ĐIỆN TỬ - 101 -

6.4 NGU ỒN ĐIỀU HOÀ LÀ ĐÈN HU ỲNH QUANG S Ử D ỤNG CH ẤN LƯU ĐIỆN T Ừ VỚI TỤ BÙ CÔNG SUẤT - 106 -

PH ẦN MỞ ĐẦU

Theo các cơ quan, tổ chức giám sát chất lượng điện năng của các quốc gia

cũng như của quốc tế thì méo dạng sóng của điện áp, dòng điện được xếp vào

một trong các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng điện năng, nó gây ra rất nhiều

các sự cố cho hệ thống điện cũng như cho người sử dụng Thông qua phân

tích Furrier thì méo dạng sóng có thể coi là sự tổng hợp của các sóng hài với

các tần số là số nguyên lần tần số dao động cơ bản Với hệ thống cung cấp

điện năng thì các sóng hài này làm cho hệ số công suất giảm, gây ra hiện

tượng cộng hưởng khi đáp ứng tần số trở kháng hệ thống là trùng với tần số

một trong các sóng hài, điều này đặc biệt nguy hiểm vì khi đó dòng điện điện

áp có thể được khuyếch đại lên hàng chục, hàng trăm lần gây ra hiện tượng

cháy nổ, hỏng cách điện …Với các thiết bị của người sử dụng thì sóng hài có

thể làm cho các thiết bị đó hoạt động không chính xác do các thiết bị chỉ được

thiết kế để làm việc với các dạng sóng lý tưởng, làm các thiết bị hỏng, quá tải

cho đường dây trung tính

Trong các thập kỉ gần đây, các thiết bị điện tử công suất được sử dụng trong

các thiết bị của các hộ tiêu thụ điện, hiện nay chúng chiếm một vị trí đáng kể

trong dân dụng cũng như trong công nghiệp Chúng ta có thể thấy các thiết bị

này rất quen thuộc như các bộ nguồn một chiều cung cấp cho các máy tính,

máy in, máy phô tô, trong công nghiệp thì có các bộ biến tần, các bộ chỉnh

lưu công suất lớn Chúng là các nguồn điều hoà phát các dòng điều hoà vào

trong hệ thống, và sự có mặt của chúng trong hệ thống điện dẫn đến hệ thống

ngày càng phức tạp bởi lúc này hệ thống chứa rất nhiều nguồn phát điều hoà

Liên quan đến vấn đề tiết kiệm điện năng, hiện nay Việt Nam đã có các dự án

và chính sách tiết kiệm điện để quy định việc sử dụng khai thác nguồn điện

cho các thiết bị với hiệu năng cao Điều hoà liên quan đến hệ số công suất, sự

có mặt của chúng gây tổn hao phụ làm cho hệ số công suất của hệ thống giảm

xuống, do đó giảm thiểu và loại trừ các sóng điều hoà cũng được xem xét như

là một yếu tố góp phần tăng cường nâng cao hệ số công suất cho hệ thống

cũng như giảm tổn hao năng lượng

Vì vậy đi kèm với việc sử dụng các thiết bị điện tử công suất ngày càng phổ

biến, nhận thức các sự cố do sóng hài mang lại cho hệ thống cũng như người

sử dụng và xét đến yếu tố tiết kiệm điện năng thì phải nghiên cứu mọi mặt

liên quan đến điều hoà Đó là các nghiên cứu về nguồn phát điều hoà, các tính

chất của nguồn điều hoà, đánh giá các tác động của điều hoà lên hệ thống, lên

các thiết bị người sử dụng, đánh giá khả năng đáp ứng trở kháng theo tần số

của hệ thống để tìm ra các tần số điều hoà cộng hưởng nguy hiểm và tìm ra

các biện pháp hạn chế và loại trừ các sự cố nguy hiểm có thể xảy ra

- Tổng quát các khái niệm cơ bản về điều hoà

- Nắm được cơ bản về nguồn phát điều hoà

- Các tác động của điều hoà

- Các biện pháp điều chỉnh điều hoà

- Đưa ra một mô hình phát điều hoà trong thực tế, lựa chọn biện pháp

lọc điều hoà

- Rút ra được những kết luận của đề tài nghiên cứu, đưa ra hướng có

thể nghiên cứu tiếp theo

3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

- Sóng hài và các tác động của sóng hài đến chất lượng điện năng

- Các biện pháp để khắc phục các tác động tiêu cực của sóng hài

- Đưa ra mô hình nguồn điều hoà là đèn huỳnh quang sử dụng chấn lưu

điện tử và chấn lưu từ có tụ bù là các nguồn sóng hài

- Chọn và thiết kế bộ lọc thực tế để có thể hạn chế sóng hài

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI:

Đề tài được xây dựng gồm có hai phần:

- Lý thuyết giúp người đọc có những khái niêm cơ bản về điều hoà

- Phần thực hành: chọn lựa một nguồn phát điều hoà rất hay gặp trong

thực tế đó là đèn huỳnh quang Đưa ra một cấu trúc bộ lọc để chứng

minh trực quan sinh động tính lý thuyết đã được đề cập ở phần lý

thuyết trên, đề tài cũng cho thấy khả năng áp dụng vào thực tế để có thể

hạn chế các loại điều hoà có cùng tính chất như nguồn phát điều hoà là

tải như trên

6 PHUƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Tóm tắt các lý thuyết cơ bản

- Từ lý thuyết đó xây dựng mô hình thực tế, có sử dụng máy tính để hỗ

trợ để tính toán các tham số cho các mô hình thực tế

- Từ các kết quả đo đạc từ thực tế để kiểm định lý thuyết

Luận văn được chia làm sáu hương

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về chất lượng điện năng, các định nghĩa, các

khái niệm liên quan đến điện năng

Chương 2: Phân loại các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng điện năng

Chương 3: Các khái niệm về điều hoà, về méo dạng sóng, nguồn phát điều

hoà trong hệ thống điện, sự tác động của sóng điều hoà lên các thiết bị trong

hệ thống, và đáp ứng trở kháng của hệ thống đối với từng điều hoà

Chương 4: Đánh giá méo điều hoà trên hệ thống, các phương pháp để kiểm

soát điều hoà, và các tiêu chuẩn điều hoà trên thế giới

Chương 5: Giới thiệu về đèn huỳnh quang là tải phi tuyến phát ra điều hoà có

chỉ số THD-I rất cao khi dùng chấn lưu điện tử và chấn lưu điện từ có tụ bù

công suất

Chương 6: Lọc sóng hài cho tải phát ra điều hoà là đèn huỳnh quang

Ph ụ lục I, II: Kết quả thí nghiệm, kết luận, đánh giá và đưa ra hướng mới cho

nghiên cứu tiếp theo

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN

Chất lượng điện năng là một lĩnh vực nghiên cứu rất rộng bao gồm các

phương pháp và các thiết bị được thiết kế tính toán sao cho duy trì được dạng

sóng sin hoặc là gần hình sin của nguồn cung cấp tại điện áp định mức và tần

số định mức của hệ thống điện năng

Sự phát triển của khoa học công nghệ trong thời gian gần đây, đặc biệt

là các tiến bộ trong việc ứng dụng các thiết bị điện tử công suất đã mang lại

rất nhiều sự thuận tiện trong công nghệ cũng như các lợi ích về mặt kinh tế

Nhưng song song cùng với các ưu điểm đó thì các tiến bộ công nghệ trên có

những tác động không nhỏ đến chất lượng điện năng của nguồn cung cấp, đòi

hỏi phải nghiên cứu tìm hiểu và khắc phục những ảnh hưởng đó Các hệ thống

điện năng ngày nay các chỉ số chất lượng luông nằm trong giới hạn cho phép,

và đôi khi nhưng rất hiếm là vượt ra ngoài giới hạn này, để tránh các tình

trạng nguy hiểm xuất hiện do điều kiện này gây ra thì độ tin cậy và độ an toàn

của hệ thống cần thiết phải tuân theo các tiêu chuẩn nhất định của để đảm bảo

chất lượng cho hệ thống điện năng Một trong các vấn đề chính đang được

đặc biệt quan tâm hiện nay là các tính chất của điện áp trong lĩnh vực năng

lượng điện, và một trong các tính chất đó là điều khiển và dự báo các điều hoà

xuất hiện trong hệ thống

Vì chất lượng điện áp đã trở thành một đặc điểm quan trọng của hàng

hoá tiêu dùng trên thị trường, nên người ta liên tục tập trung vào việc tìm

kiếm, mô tả về chất lượng điện năng và trên hết là dự đoán cách thức phản

ứng của hệ thống điện năng Với việc mở rộng tải điện tử công suất, đặc biệt

là trong các mạng phân phối đã mang lại sự bất cập cho hoạt động của hệ

thống và đòi hỏi một phương pháp phân tích sâu sắc và toàn diện để dự đoán

các sự cố nghiêm trọng liên quan đến chất lượng công suất trước khi nó xảy

ra Hay nói cách khác, là phải áp dụng các tiêu chuẩn một cách nghiêm khắc

để giúp cho việc kiểm soát các ảnh hưởng trong một giới hạn cho phép

Chất lượng điện năng được đưa ra định nghĩa vào đầu thập kỉ 80 của

thế kỉ 20 và ngay lập tức nó trở thành một khái niệm gây tranh cãi trong hệ

thống công nghiệp năng lượng, cho đến ngày nay thì còn rất nhiều các bất

đồng về việc sử dụng khái niệm trên, về cách định nghĩa nó và việc áp dụng

nó thế nào cho chính xác Nguyên nhân chính là rất khó có thể định nghĩa một

đại lương vật lý kiểu công, và vì thế một số khái niệm khác đã được sử dụng

để thay thế cho khái niệm này Một trong các khái niệm này là “chất lượng

điện áp”, nó được sử dụng rất nhiều trong các ấn bản tại châu Âu và được

hiểu là chất lượng của sản phẩm do nhà cung cấp điện đưa ra cho người sử

dụng Định nghĩa tiếp theo bổ sung cho khái niệm trên là “chất lượng dòng

điện”, nó được định nghĩa là sự sai lệch của dòng điện thực tế với dòng điện

sin lý tưởng Vì vậy trong khi chất lượng điện áp quan tâm đến cái mà nhà

cung cấp điện đưa cho người sử dụng thì chất lượng dòng điện lại quan tâm

đến cái mà người sử dụng nhận được thì hệ thống cung cấp Một khái niệm

tiếp theo là “chất lượng nguồn cung cấp” (quality of supply) là một khái niệm

hữu dụng nếu không quan tâm đến các trách nhiệm của người sử dụng, bởi vì

như theo khái niệm nguồn cung cấp đã không bao hàm các mối quan hệ tích

cực của người sử dụng Một khái niệm sau là “chất lượng tiêu thụ” (quality of

consumption), nhưng khái niệm này ít được dùng trong ngành công nghiệp

năng lượng cho nên không nên quan tâm nhiều đến nó Trong các tiêu chuẩn,

thuật ngữ “chất lượng điện năng ” đã được chính thức sử dụng rất nhiều nơi

Ở Mỹ trong tiêu chuẩn của IEEE (Institue of Electric and Electronic

Engineers ), một trong các tiêu chuẩn của Uỷ ban hợp tác các tiêu chuẩn

( Standard Coordinate Committees) SCC, cụ thể là SCC 22 đã chính thức viết:

Chất lượng điện năng Mặc dù trong các tài liệu (tiêu chuẩn) của IEC

(International Electronical Commission) U ỷ ban điện quốc tế, một tổ chức

thiết lập các tiêu chuẩn về điện trên quốc tế, thuật ngữ “chất lượng điện năng”

không hề xuất hiện chính thức, mãi cho đến năm 2002 rong một bản dự thảo

tiêu chuẩn của IEC thuật ngữ “chất lượng điện năng ” mới được sử dụng lần

đầu tiên Và cũng cần nhấn mạnh rằng IEC ngày càng chấp nhận thuật ngữ

“chất lượng điện năng ” hơn Nhận xét về nội dung các đóng góp chính cho

vấn đề định nghĩa chất lượng điện năng ở những năm gần đây, nói chung chất

lượng điện năng thường được sử dụng để biểu thị chất lượng của điện áp

Cùng với việc tập trung định nghĩa chất lượng điện năng, người ta cũng mô tả

nó như là một vấn đề tác động đến trước tiên người tiêu dùng, kèm theo định

nghĩa vấn đề liên quan đến chất lượng điện năng như sau: Bất kì một vấn đề

công su ất sử dụng đều cho thấy sự sai lệch tần số, dòng điện, điện áp gây nên

các h ỏng hóc hay sự hoạt động sai cho các thiết bị của người sử dụng thì đó

là v ấn đề của chất lượng điện năng Thêm vào đó, đối với các ứng dụng có

thể định nghĩa chất lượng điện năng theo độ tin cậy và biểu diễn nó dưới dạng

thống kê, ví dụ hệ thống có độ tin cậy 99,98% Với các nhà sản xuất thiết bị

có thể định nghĩa chất lượng điện năng là các tính chất của hệ thống điện cho

phép các thiết bị của họ có thể hoạt động tương thích mà không có sự cố gì

Tuy nhiên các tính chất này có thể rất khác nhau, điều đó phụ thuộc vào các

tiêu chuẩn của mỗi nước hoặc mỗi vùng địa lý

Do các vấn đề liên quan đến chất lượng điện năng ảnh hưởng rất lớn

đến các thiết bị của người sử dụng cũng như đối với hệ thống điện nên các cơ

quan tiêu chuẩn hoá của các quốc gia cũng như quốc tế đã bắt đầu định nghĩa

và phân loại chất lượng điện năng liên quan đến các hiện tượng trong hệ

thống năng lượng Theo các định nghĩa được đưa ra của IEEE, khởi đầu từ

IEEE Emerald Book , mô tả chất lượng điện năng là một khái niệm của việc

nối nguồn và nối đất cho các thiết bị nhạy cảm mà theo cách đó là phù hợp

cho vi ệc hoạt động của các thiết bị đó Vào năm 2000 IEC đã bắt đầu có bước

khởi đầu về vấn đề chất lượng điện năng kết quả là đưa ra được một bản dự

thảo và đề nghị việc định nghĩa chất lượng điện năng theo cách sau: Chất

lượng điện năng là một bộ các hệ số định nghĩa các đặc tính của nguồn cung

c ấp năng lượng khi phân phối cho người sử dụng tại các điều kiện hoạt động

bình thường, với mặt nguồn cung cấp hoạt động liên tục và các tính chất của

điện áp(sự đối xứng, tần số, biên độ và dạng sóng) Tuy nhiên định nghĩa này

vấp phải rất nhiều sự nhầm lẫn bởi vì sự giới hạn của chất lượng điện năng

trong các điều kiện hoạt động bình thường Do đó, người ta đã chỉnh sửa định

nghĩa thành: Các tính chất về điện tại một điểm cho trước trong một hệ thống

điện, được đánh giá đối lập với một bộ các hệ thống công nghệ mẫu tham

chi ếu (với một chú ý là: trong nhiều trường hợp các hệ số này có thể liên

quan đến sự tương thích về mặt điện được cung cấp bởi lưới điện và các tải

được nối với lưới đó) Tuy nhiên, trong phiên bản tại Đức của chính bản dự

thảo này (được xuất bản vào 06/2003) người ta gọi là “spannungsqualität”

dịch một cách trực tiếp có nghĩa là chất lượng điện áp Tóm lại, thuật ngữ chất

lượng điện năng vẫn còn là một chủ đề tranh cãi vì thế việc đưa ra được một

định nghĩa cuối cùng là vấn đề của tương lai

Tổng kết các tranh luận ở trên, có thể nói rằng mặc dù thuật ngữ chất

lượng điện năng được sử dụng theo các nghĩa hơi khác nhau, hay đều giống

nhau tại một số quốc gia và một số tiêu chuẩn nhưng các thuật ngữ chất lượng

điện áp, chất lượng điện năng đều có một điểm chung là chúng tính đến sự

tương tác giữa các ứng dụng và người sử dụng, tức là giữa hệ thống năng

lượng và tải Điều cần nhấn mạnh ở đây là các mối tương tác này ngày càng

được tăng cường, đặc biệt là trong thời đại công nghệ thông tin và xã hội hoá

thông tin, mang lại những cơ hội mới cho độ tin cậy và chất lượng của hệ

thống cung cấp điện Chất lượng điện năng liên quan trực tiếp đến độ an toàn

và chức năng của các cơ cấu hạ tầng cơ bản của mỗi quốc gia và trong mấy

năm gần đây vấn đề chất cải thiện nâng cao chất lượng điện năng ngày càng

nhận được những quan tâm chú ý của các quốc gia Ở Mỹ đã triển khai các

chương trình kiểu như Đề xuất cho Sự phát triển và Ứng dụng của Độ an toàn,

Độ tin cậy, Chất lượng và Sẵn có (Proposal for Development of Security,

Reliability, Quality and Availability SRQA ), hay Mô hình Tối ưu Các cấu

hình Hệ thống Năng lượng cho Nền kinh tế Số (Modeling for Optimizing

Power System Configurations for Digital Economy ) Họ đặt ra các điều

khoản định nghĩa mức độ an toàn dành cho quản lý chiến lược và các thành

phần then chốt để quản lý các hệ thống điện hiện đại phục vụ cho tiêu dùng số

ngày càng tăng và dựa trên các chương trình an ninh dành cho các cấu trúc

trọng điểm tương tự như hệ thống năng lượng theo quan điểm chính trị Vấn

đề an ninh sẽ được kết hợp với độ ổn định và chất lượng điện, với các hệ

thống đánh giá giám sát và tự động hoá, với các phương pháp đo lường, và

với các tiêu chuẩn an toàn của các hệ thông năng lượng điện Để thoả mãn tất

cả các yêu cầu trên đồng thời làm giảm đi tính phức tạp của các phương pháp

đánh giá thì các cấu trúc hạ tầng then chốt ví dụ như các hệ thống năng lượng

điện phải đảm bảo về vấn đề an ninh và vấn đề tin cậy trong quá trình hoạt

động

CHƯƠNG 2 - CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN

NĂNG

Trong hệ thống điện có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng điện

năng Vấn đề rất bình thường đặt ra trong nghành công nghiệp năng lượng

điện thực tế là việc phân loại các yếu tố ảnh hưởng đó theo các tính chất điện

học của điện áp và được thử nghiệm trên các thiết bị tiêu dùng khác nhau Các

tính chất được thử nghiệm về mặt điện bao gồm: dạng sóng, các giá trị trung

bình, các cân bằng điện áp pha của dòng và áp Theo các các cố gắng quốc tế

gần đây để tiêu chuẩn hoá các định nghĩa thuật ngữ chất lượng điện năng thì

các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng điện bao gồm các yếu tố như sau:

Phân lo ại Ph ổ tần điển hình Thời gian điển

hình

Biên độ điện

áp điển hình 1.0 Các phi tuy ến

1.1 Xung

1.1.1 Nano giây 5- ns tăng < 50 ns

1.1.2 Micro giây 1-µs tăng 50 ns-1ms

1.1.3 Mili giây 0.1- ms tăng >1ms

3.3 Quá điện áp > 1 phút 1,1-1,2 pu

4.0 Mất cân bằng điện áp Ổn định 0,5-2%

5.0 Méo d ạng sóng

5.1 Kho ảng một chiều Ổn định 0-0,1%

5.2 Điều hoà 0-100thđiều hoà Ổn định 0-20%

5.3 Các n ội điều hoà 0-6kHz Ổn định 0-2%

5.5 Nhi ễu Băng tần rộng Ổn định 0-1%

6.0 Dao động điện áp <25Hz Liên tiếp 0,1-7%

7.0 Bi ến đổi tần số công nghiệp <10s

Chú ý: s=giây, ns nano giây, µs = micro giây, ms = mili giây, kHz = kilohertz, MHz =

megahertz,

2.1 PHI TUY ẾN

Phi tuyến là các nhiễu mà có thời gian kéo dài lớn hơn ba chu kì

(50Hz-60ms) Các nhiễu này xuất phát từ rất nhiều nguyên nhân: ví dụ đóng cắt tụ

điện, phóng điện trong đèn ballast, các nhiễu này có thể được xếp vào các loại

xung và các loại dao động Các nhiễu xung xuất hiện trong khoảng thời gian

nhỏ hơn 1ms, có tính chất thời gian lên giá trị đỉnh và từ giá trị đỉnh xuống rất

nhọn Các dao động phi tuyến nói chung là có thời gian tồn tại là nhỏ hơn một

chu kì dao động (tần số của nguồn kích thích) và có tần số dao động thường

trên 5kHz

Thuật ngữ phi tuyến đã được sử dụng trong phân tích các biến đổi hệ

thống điện năng để chỉ ra một sự kiện không theo mong muốn hoặc mang tính

chất tức thời của tự nhiên Đối với nhà phân phối điện năng, họ sẽ hiểu phi

tuyến theo kiểu sét đánh vào đường dây, còn người tiêu thụ điện thì hiểu đó là

sự bất bình thường khi quan sát nguồn cung cấp, làm cho nguồn xuất hiện các

khoảng lõm, lồi, hay có thể là các khoảng ngắt

Phi tuyến có thể được phân loại thành hai dạng:

Xung phi tuy ến:

Xung phi tuyến là một sự thay đổi đột nhiên trong điều kiện làm

việc ổn định của điện áp hoặc dòng điện hay cả hai mà sự thay đổi này

không làm thay đổi giá trị cực tính của điện áp hay dòng điện (Khởi

đầu điện áp hay dòng điện có thể là âm hay dương)

Có nhiều nguyên nhân gây ra xung phi tuyến trong đó nguyên nhân

phổ biến nhất là sét Bởi vì bản thân xung phi tuyến chứa rất nhiều các

điều hoà bậc cao cho nên các thành phần mạch của đường dây có thể

làm chúng thay đổi rất nhanh, sự thay đổi là rất đáng kể khi ta quan sát

tại các điểm khác nhau trong hệ thống Nói chung các xung phi tuyến

không thể truyền đi xa được

Dao động phi tuyến:

Dao động phi tuyến là sự thay đổi đột nhiên trong các điều kiện ổn

định của điện áp và dòng điện hoặc cả hai mà sự thay đổi này làm thay

đổi chiều cực tính của điện áp hay dòng điện bao gồm cả hai giá trị âm

và dương

Hình 2.1

Dao dộng phi tuyến được nhận ra thông qua phân tích tần số,

khoảng thời gian tồn tại và biên độ Tuỳ theo tần số dao động mà chúng

được phân loại vào tần số thấp (fdđ<5kHz), trung bình

(5kHz≤fdđ<500kHz) và tần số cao (500kHz≤fdđ<5MHz)

Nguyên nhân:

Dao động phi tuyến tần số cao: Thường là kết quả của việc hệ thống

cục bộ phản ứng lại với xung phi tuyến

Dao động phi tuyến tần số trung bình:

Do quá trình nạp đi nạp lại của tụ điện

Do qúa trình đóng cắt đường dây

Do hệ thống phản ứng lại với xung phi tuyến

2.2 CÁC BI ẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP TRONG THỜI GIAN NGẮN

Loại này bao gồm các loại ngắt thời gian ngắn và lõm điện áp được xếp

trong tiêu chuẩn IEC Mỗi loại khác nhau có thể được xếp loại vào trường hợp

t ức thời (instaneous), thoáng qua (momentary), tạm thời( temporary), điều này

phụ thuộc vào khoảng thời gian tồn tại của chúng

Các biến đổi điện áp trong thời gian ngắn là do các sự cố trong hệ

thống, do quá trình năng lượng hoá các tải lớn đòi hỏi dòng khởi động cao,

hay là do các tổn hao liên tục trong các kết nối trên đường dây điện Các biến

đổi này phụ thuộc vào vị trí phát sinh sự cố và phụ thuộc vào các điều kiện

của hệ thống điện, các sự cố này có thể gây ra:

Lõm điện áp: Thuật ngữ lõm điện áp đã được sử dụng trong nhiều năm để

mô tả độ suy giảm của điện áp trong một khoảng thời gian nào đấy Mặc dù

lõm điện áp không được chính thức định nghĩa, nhưng các nhà phân phối điện

ngày càng sử dụng nhiều thuật ngữ trên, các nhà sản xuất thiết bị điện và

người tiêu dùng tương tự cũng chấp nhận và sử dụng Lõm điện áp được hiểu

là mức suy giảm điện áp trong khoảng 10% đến 90% giá trị trung bình của nó

trong khoảng thời gian từ nửa chu kì (50Hz-10ms) đến một phút

Các lõm điện áp thường liên quan đến sự cố hệ thống điện, nhưng cũng

có thể là do việc năng lượng hóa các tải lớn hay do quá trình khởi động động

cơ công suất lớn

Mặc dù có rất nhiều cố gắng, nhưng các nhà tiêu chuẩn vẫn chưa đưa ra

được khoảng thời gian thống nhất chung dành cho lõm điện áp một cách rõ

ràng Khoảng thời gian tồn tại lõm điện áp được định nghĩa trong một vài ấn

bản có giới hạn thay đổi từ hai mili giây (một phần mười chu kì-tần số điện áp

50Hz) cho đến một phút Các điện áp mà có khoảng thời gian tồn tại nhỏ hơn

10 ms (nửa chu kì-tần số điện áp 50Hz) rất khó để có thể xác định một cách

hiệu quả thông qua sự thay đổi giá trị điện áp tương đối của các giá trị điện áp

có tần số cơ bản Vì thế các hiện tượng này được xếp vào loại phi tuyến như

đã xét ở trên Các dưới điện áp mà có thời gian kéo dài trêm một phút nói

chung là có thể được điều khiển bởi các thiết bị điều chỉnh điện áp và nó

thường là do các nguyên nhân khách quan nào đó gây ra chứ không phải là do

sự cố bắt nguồn từ hệ thống điện Chúng được xếp vào lớp biến thiên điện áp

thời gian dài

Hình2.3 biểu diễn lõm điện áp điển hình liên quan đến lỗi pha-đất

Biến thiên điện áp thời gian ngắn được chia thành ba loại khác nhau:

tức thời 0,5≤t<30 chu kỳ (600ms) , thoáng qua 30 chu kỳ ≤t< 3 s, tạm thời

3s≤t<1phút

Nguyên nhân c ủa lõm điện áp:

- Do sự cố trong lưới truyền tải và phân phối Lõm kéo dài phụ thuộc

vào việc điều chỉnh thời gian của các hệ thống bảo vệ để cách ly sự cố cần có

thiết bị cắt, nguyên nhân chủ yếu gây lõm điện áp là dòng điện qua tổng trở

của mạch tăng đột ngột, làm tăng điện áp rơi trên lưới do đó điện áp tại điểm

quan sát giảm đi Ví dụ mặc dù khi sự cố nguồn cung cấp bị cắt nhưng vẫn

còn điện áp dư trên động cơ không đồng bộ và đồng bộ trong quá trình giảm

tốc (từ 0,3-1s) hoặc giảm điện áp tồn dư trong tụ điện…

- Do đóng cắt công suất lớn như động cơ không đồng bộ, lò hồ quang,

máy hàn cũng dẫn đến sự suy giảm đột ngột của điện áp

- Do suy giảm điện áp quá độ (∆T<T/2) khi đóng cắt tụ điện, đóng cắt

máy cắt, cháy cầu chì, chuyển mạch của các bộ biến đổi nhiều pha

Điện áp lồi: Được định nghĩa là sự tăng của điện áp trong khoảng 1,1 đến 1,8

lần giá trị định mức của điện áp tại tần số công nghiệp (50Hz-60Hz) và tồn tại

trong khoảng thời gian từ 0,5 chu kì (10ms-50Hz)cho đến một phút

Cũng như với các lõm điện áp, điện áp lồi cũng liên quan đến các tình

trạng sự cố của hệ thống điện, nhưng chúng không phổ biến như lõm điện áp

Một trong các nguyên nhân sinh ra điện áp lồi là khi một pha bị sự cố chạm

đất thì trên hai pha còn lại sẽ có sự tăng điện áp tạm thời tạo ra điện áp lồi

Điện áp lồi cũng có thể được sinh ra do cắt một tải lớn hay đang nạp năng

lượng cho một dãy tụ

Điện áp lồi được nhận dạng bằng biên độ (giá trị trung bình) và khoảng

thời gian tồn tại của nó Mức độ nguy hiểm của điện áp lồi phụ thuộc vào vị trí

sự cố, trở kháng hệ thống và vấn đề nối đất Đối với hệ thống không nối đất,

khi có ngắn mạch một pha, thì các pha còn lại điện áp có thể đạt giá trị gấp

1,73 lần giá trị trung bình lúc chưa ngắn mạch Đối với các hệ thống điện được

nối đất, khi có ngắn mạch pha đất trên một pha, tại các vị trí gần trạm biến áp

thì điện áp tăng là rất ít thậm chí là không tăng do các trạm biến áp để tránh

các điều hoà thường thiết kế sơ đồ đấu dây ∆/Y Tuỳ theo vị trí của sự cố xuất

hiện trên đường dây hoặc vị trí của điểm xét mà cho ta các giá trị điện áp lồi

khác nhau

Ng ắt: xuất hiện khi điện áp nguồn cung cấp giảm xuống dưới 10% giá trị

định mức trong khoảng thời gian không vượt quá một phút

Hình2.4 Hình biểu diễn điện áp lồi gây ra bởi lỗi chạm đất một pha

2.3 BI ẾN THIÊN ĐIỆN ÁP TRONG THỜI GIAN DÀI

Chúng là các quá điện áp, dưới điện áp, hay trạng thái duy trì ngắt ở

điều kiện làm việc ổn định Các ảnh hưởng này có khoảng thời gian tồn tại

trên một phút

Dưới điện áp

Dưới điện áp là sự suy giảm điện áp bên dưới 90% điện áp định mức

hiệu dụng rms và thời gian tồn tại của nó phải lớn hơn một phút Dưới điện áp

đôi khi được gọi là “Brownout” mặc dù thuật ngữ này không được định nghĩa

một cách rõ ràng Brownout thường được các nhà cung cấp điện năng sử dụng

khi họ cố tình giảm điện áp hệ thống xuống cho phù hợp với nhu cầu sử dụng

điện cao điểm hoặc một lý do quan trọng khác

Các sự cố nảy sinh do dưới điện áp có rất nhiều từ việc các thiết bị

không hoạt động cho đến thiết bị hoạt động sai lệch hay là các sự cố trong quá

trình khởi động của thiết bị Có thể trong hệ thống đang hoạt động ở dưới điện

áp nhưng chưa chắc đã phát hiện được ngay, khi một thiết bị mới được lắp đặt

làm cho cấu trúc của mạng điện thay đổi, và tải tổ hợp mới sẽ làm suy giảm

điện áp xuống đến điểm lúc đó các sự cố dưới điện áp được nhận thấy một

cách rõ ràng Bên cạnh việc gây ra các hoạt động sai lệch cho các thiết bị thì

dưới điện áp liên tục có thể tác động rất lớn đến tuổi thọ của chúng, ví dụ như

với các động cơ, chúng sẽ bị quá nhiệt khi hoạt động ở điện áp thấp

Nói chung dưới điện áp là một vấn đề thường xuyên xảy ra do rất nhiều

các nguyên nhân khác nhau nằm ngoài sự điều khiển của người sử dụng Các

nhà cung cấp điện năng luôn luôn muốn duy trì cung cấp điện cho người sử

dụng với độ dao động sai lệch điện áp khoảng ±5%, tuy nhiên các yếu tố ví dụ

như thời tiết, nhu cầu sử dụng quá cao, hay nhiều nguyên nhân khác nữa có

thể làm cho mức điện áp lưới dao động trong giới hạn ±10% Thậm chí ở các

điều kiện lý tưởng mọi người cũng có thể nhận thấy các mức độ điện áp lưới

tăng giảm khác nhau trong các khoảng thời gian khác nhau trong một ngày,

do nhu cầu sử dụng điện tăng lên từ 8 giờ sáng và đạt đến biên độ đỉnh trong

khoang 3-4 giờ chiều

Các tính chất của trạm hệ thống phân phối cũng có thể góp phần làm

cho điện áp duy trì ở mức thấp một cách thường xuyên Ví dụ, người tiêu

dùng ở cuối đường dây có thể là các đối tượng chịu dưới điện áp do điện áp

rơi trên đường dây

Quá điện áp:

Điện áp đặt vào thiết bị có giá trị trung bình vượt quá 110% giá trị quy

định trong khoảng thời gian lớn hơn 1 phút thì được coi là quá điện áp Có rất

nhiều nguyên nhân gây ra quá điện áp trong lưới điện, nhưng có thể liệt kê ra

các dạng điển hình nhất của quá điện áp do các sự cố hay các yếu tố không

mong muốn gây nên:

- Sự cố cách điện: khi phát sinh sự cố cách điện pha-đất trong lưới có

trung tính cách ly hoặc nối đất qua tổng trở, điện áp các pha không bị

sự cố có thể đạt đến điện áp dây gây quá điện áp cho các thiết bị hạ áp

Cộng hưởng sắt từ: Đó là hiện tượng cộng hưởng dao động phi tuyến

xảy ra trong mạch từ gồm tụ điện và điện cảm bão hoà Hiện tượng này

làm xuất hiện các sóng hài điện áp bậc cao với biên độ lớn

Hình2.5 Đồ thị minh hoạ dạng sóng của dưới điện áp

- Đứt dây trung tính: Khi đứt dây trung tính các thiết bị điện ở các pha

tải nhỏ chịu quá điện áp chịu quá điện áp có thể bằng điện áp dây

- Sự cố bộ điều chỉnh điện áp của máy phát điện và đầu phân thế của

máy biến áp

- Hiện tượng quá bù áp: tụ bù công suất phản kháng Q không được điều

chỉnh thích hợp làm cho QC lớn hơn QL là cảm kháng của lưới Điện áp

sẽ tăng cao khi tải nhỏ

Ng ắt duy trì:

Khi điện áp của nguồn cung cấp bằng không trong khoảng thời gian lớn

hơn một phút thì được gọi là ngắt duy trì Nói chung các ngắt điện áp kéo dài

quá một phút thì thường là kéo dài vĩnh viễn do đó thường cần có sự tác động

của người sửa chữa và vận hành để phục hồi lại hệ thống Tuy nhiên ngắt duy

trì phải được hiểu là các hiện tượng của hệ thống điện năng và chúng không

hề có sự liên hệ nào với tình trạng mất điện của lưới

Hình2.6 Dạng sóng quá điện áp

ạng sóng của ngắt duy trì

2.4 MÉO D ẠNG SÓNG

Méo dạng sóng được định nghĩa là sự sai lệch ổn định so với dạng sóng

lý tưởng của tần số điện năng, được tính chất hoá bằng cách phân tích phổ tần

số của sự sai lệch

Có rất nhiều loại méo dạng sóng nhưng ta xếp chúng thành năm loại cơ bản:

Dòng m ột chiều: Sự xuất hiện của dòng điện hay điện áp một chiều trong

mạng điện xoay chiều được gọi là khoảng một chiều Khoảng một chiều xuất

hiện do nhiễu từ trường trái đất hoặc do tác động của chỉnh lưu nửa chu kì

Các thành phần dòng điện một chiều trong các mạng xoay chiều có thể có

những ảnh hưởng bất lợi cho máy biến áp do chúng làm nghiêng lõi sắt từ do

đó làm cho lõi sắt của máy biến áp có thể bị bão hoà ngay cả trong các điều

kiện làm việc bình thường của nó Điều này là nguyên nhân chính dẫn đến

việc phát nhiệt và làm tuổi thọ của máy biến áp giảm xuống Thành phần một

chiều cũng làm tăng khả nănng ăn mòn điện phân của các điện cực và các

thiết bị nối khác đang nối đất

Các điều hoà (hay sóng hài): là các dòng điện hay điện áp có dạng hình sin

có tần số bằng số nguyên lần tần số của nguồn cung cấp (thường được gọi là

tần số sóng cơ bản, thông thường là 50Hz, 60 Hz) Các sóng bị méo có thể

được phân tích thành tổng của sóng có tần số cơ bản và các điều hoà Các

điều hoà bắt nguồn từ các tải hay các thiết bị có tính chất phi tuyến trong hệ

thống điện

Các mức độ méo của điều hoà có thể biểu diễn qua cách phân tích phổ

tần của các điều hoà thành phần với các biên độ và các góc pha Để đánh giá

thông thường người ta cũng sử dụng một tiêu chuẩn đơn giản nữa là THD

(Total harmonic distortion-méo điều hoà tổng)

Các mức độ méo có thể được đánh giá thông qua hệ số THD như đã nói

ở trên, nhưng để đánh mức độ méo theo THD đôi khi cũng gặp phải khó khăn

Ví dụ, rất nhiều bộ điều khiển tốc độ sẽ phát ra THD rất cao khi nó hoạt động

ở tải nhẹ, nhưng nó không được quan tâm nhiều lắm bởi vì biên độ của các

điều hoà dòng là rất nhỏ, mặc dù là độ méo tương đối của nó rất cao

Để giải quyết vấn đề đánh giá mức độ các dòng điện điều hoà, trong

IEEE Std-519-1992 định nghĩa một tiêu chuẩn khác TDD (Total Demand

Distortion-Méo nhu cầu tổng) Tiêu chuẩn này cũng tương tự như tiêu chuẩn

THD nhưng khác ở chỗ độ méo được biểu diễn là tỉ lệ phần trăm của dòng

điện tải với dòng nhu cầu chứ không phải là phần trăm của biên độ dòng điện

có tần số cơ bản

N ội điều hoà: Các dòng điện hay điện áp chứa các thành phần tần số không

phải là số nguyên lần tần số cơ bản (50-60Hz) được gọi là các nội điều hoà

Chúng dường như là các tần số rời rạc hay là các phổ tần số mở rộng

Người ta có thể tìm thấy nội điều hoà trong các mạng với các lớp điện

áp khác nhau Nguyên nhân chính gây ra nội điều hoà trong hệ thống điện là

các bộ biến đổi tần số tĩnh, các bộ biến đổi phản hồi, các động cơ cảm ứng và

các thiết bị hồ quang Đường dây điện mang tín hiệu cũng có thể chứa các nội

điều hoà

Hình2.8 Phân tích sóng điều hoà của dòng điện

Tuy nhiên các ảnh hưởng của nội điều hoà cho hệ thống điện năng là

không đáng kể lắm

Notching: là các nhiễu điện áp tuần hoàn xuất hiện trong các thiết bị điện tử

công suất khi dòng điện đảo mạch từ pha này sang pha khác Khi notching

xuất hiện trong mạch, nó có thể được nhận dạng thông qua phân tích phổ tần

số của điện áp chịu tác động Tuy nhiên notching được coi là một trường hợp

đặc biệt, các thành phần tần số tổ hợp nên notching rất cao, thường thì không

thể dễ dàng xác định được với các thiết bị đo đạc dùng trong các phân tích

sóng điều hoà

Hình minh hoạ sau lấy ra từ một bộ biến đổi ba pha tạo ra dòng một

chiều liên tục Các notching xuất hiện khi dòng điện đảo chiều từ pha này

sang pha khác Trong thời gian đảo chiều đó, có một sự ngắn mạch tức thời

giữa hai pha kéo điện áp xuống đến gần điểm không

Nhi ễu: được định nghĩa là các tín hiệu điện không mong muốn với phổ tần rất

rộng nhưng nhỏ hơn 200kHz được xếp chồng lên điện áp hay dòng điện của

hệ thống trong các đường dây pha, đường dây trung tính hay các đường dây

tín hiệu

Hình2.9

Các nhiễu trong các hệ thống điện năng có thể là do các thiết bị điện tử

công suất, các mạch điều khiển, các thiết bị hồ quang, các tải có bộ chỉnh lưu

bán dẫn và do đóng cắt nguồn Các vấn đề liên quan đến nhiễu sẽ bị làm xấu

thêm nếu việc nối đất không thể loại trừ được các nhiễu ra khỏi hệ thống.Về

cơ bản, nhiễu chứa bất kì méo không mong muốn của tín hiệu điện mà không

thể xếp loại vào méo điều hoà hay các phi tuyến Nhiễu ảnh hưởng đến các

thiết bị điện tử ví dụ các máy tính, các bộ điều khiển lập trình được Nếu sử

dụng các bộ lọc, tách biệt máy biến áp, bộ điều hoà đường dây có thể làm

giảm được các tác động xấu của nhiễu

2.5 DAO ĐỘNG ĐIỆN ÁP

Dao động điện áp: là các biến đổi có hệ thống của điện áp hay là một

chuỗi thay đổi các điện áp ngẫu nhiên, nhưng biên độ của các thay đổi điện

áp thay đổi này thường là không vượt quá vùng giới hạn đã được xác định

theo tiêu chuẩn ANSI C 84.1 là 0,9 ÷1,1 pu

Các tải mà dẫn đến các biến đổi liên tục hoặc nhanh chóng của dòng

điện tải có thể gây nên các biến đổi điện áp thường được hiểu là các rung điện

áp Thuật ngữ rung (flicker) được bắt đầu từ việc tác động của dao động điện

Hình2.10

áp lên các đèn sợi đốt có thể được cảm nhận bởi mắt người Dao động điện áp

là một hiện tượng điện từ trong khi đó rung là một kết quả không mong muốn

của dao động điện áp trong một số tải Tuy nhiên hai thuật ngữ dao động điện

áp và rung thường được kết nối cùng nhau trong các tiêu chuẩn Vì thế thông

thường người ta hay sử dụng thuật ngữ phổ biến chính rung điện áp (voltage

flicker) để mô tả các dao động điện áp

Các biến đổi tần số được định nghĩa là sự sai lệch tần số cơ bản hệ

thống điện khỏi gía trị định mức của nó (thường là 50Hz-60Hz)

Tần số của hệ thống điện năng liên quan trực tiếp đến tốc độ quay của

máy phát điện cung cấp điện cho hệ thống Tần số sẽ có biến đổi nhỏ nếu có

sự cân bằng động giữa các thay đổi tải và máy phát điện Độ dịch tần số và

thời gian tồn tại của nó phụ thuộc vào các tính chất của tải và sự phản ứng của

hệ thống điều khiển máy phát điện đối với các sự thay đổi tải

Biến đổi tần số mà vượt ra khỏi giới hạn cho phép trong tình trạng hoạt

động ổn định của hệ thống điện có thể là do các lỗi hệ thống truyền tải điện

năng quy mô cực lớn, một vùng tải đang không được kết nối, hay một lượng

lớn nguồn phát điện đang ở trạng thái đóng

Hình 2.11 Dạng sóng của dao động điện áp

Lu ận văn thạc sĩ 2004-2006 LÊ ANH TU ẤN

Trong phụ lục D của tiêu chuẩn ANSI (ANSI Std C84.-1989) mất cân

bằng điện áp được xác định là tỉ lệ phần trăm giữa độ lệch lớn nhất khỏi giá

trị trung bình của điện ba pha chia cho giá trị trung bình của điện áp ba pha đó

% không cân bằng điện áp = Độ lệch lớn nhất so với giá trị trung binh

Giá trị trung bình 100%

Không cân bằng điên áp cũng có thể được xác định bằng cách sử dụng

phương pháp thành phần đối xứng Tỉ lệ phần trăm của tỉ số thành phần thứ tự

nghịch, thứ tự không cho thành phần thứ tự thuận được sử dụng để tính độ

mất cân bằng

Hình2.12 Dạng sóng của biến đổi tần số

Hình 2.13

Các điện áp không được cân bằng sẽ dẫn đến một loạt các sự cố Điển

hình nhất là nó làm phát nóng các động cơ ba pha Trong một số trường hợp,

điện áp không được cân bằng sẽ gây ra các ảnh hưởng tác động xấu đến các

bộ điều khiển tốc độ, việc loại bỏ tác hại này có thể sử dụng một bộ lọc một

chiều cho đầu ra bộ chỉnh lưu Nguyên nhân chính gây ra điện áp không cân

bằng là do tải ba pha không đối xứng

CHƯƠNG 3 - ĐIỀU HOÀ

Méo điều hoà là một trong các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng năng

lượng điện Nó được sinh ra do các nhà máy công nghiệp sử dụng các bộ

điều chỉnh tốc độ để điều chỉnh động cơ điện, các thiết bị sử dụng đóng cắt,

hay do các thiết bị điện có tính chất phi tuyến phi tuyến Méo điều hoà gây ra

rất nhiều vấn đề nghiêm trọng trong khi hệ thống đang hoạt động nên điều cần

thiết là người kĩ sư hay người điều hành thiết bị phải hiểu được những khái

niệm cơ bản của méo sóng điều hoà, biết cách phát hiện ra khi nào thì sóng

điều hòa xuất hiện khi nào thì chúng trở thành vấn đề lớn phải quan tâm và

quan trọng nhất là biết cách đối phó khi có sự cố

Nếu hệ thống có dung lượng có thể đáp ứng được các nhu cầu của các

tải thì điều hoà sẽ không trở thành vấn đề có thể ảnh hưởng đến hệ thống mặc

dù là chúng có thể tác động đến các đường dây điện thoại Các sự cố hệ thống

nảy sinh khi tụ điện trong hệ thống cộng hưởng với một tần số điều hoà nhất

định làm cho lượng méo đột nhiên tăng lên trên mức bình thường Các cộng

hưởng thường xảy ra ở hệ thống cung cấp điện, nhưng các trường hợp cộng

hưởng điều hoà nguy hiểm nhất lại thường ở các hệ thống công nghiệp bởi vì

tại đây cộng hưởng đạt tới mức độ rất lớn

Thực tế trong các hệ thống điện năng ngày nay, có rất ít các trường hợp

méo dạng sóng của dòng điện và điện áp là do ngẫu nhiên, hầu hết các méo

này thường tuân theo một chu kì nhất định, qua phân tích chúng sẽ được cho

là tổng các sóng hình sin có tần số nguyên lần tần số cơ bản Các dạng sóng

này gần như là lặp lại từ chu kì này sang chu kì khác, chúng thay đổi thì thay

đổi chậm, điều này dẫn đến việc sử dụng thuật ngữ điều hoà để mô tả việc

méo theo chu kì của dạng sóng Khi các bộ biến đổi công suất điện tử đầu tiên

được đưa ra vào cuối những năm 70, đã cuốn hút rất nhiều sự quan tâm của

các kĩ sư điện về khả năng hệ thống điện có thích hợp với méo điều hoà Cùng

thời gian đó cũng đã có rất nhiều các dự đoán về tương lai của hệ thống khi

mà các thiết bị này được phép xuất hiện Một vài nghiên cứu thì lại quá cường

điệu cho rằng các thiết bị này sẽ gây các sự cố nghiêm trọng trong hệ thống

và không nên được áp dụng, các kết quả tranh cãi của các nhà tiên phong này

về vấn đề điều hoà mới mẻ ở thời đại họ đã đưa đến cho các nhà phân tích

ngày nay sự hiểu biết rộng hơn về tất cả các mặt của chất lượng điện năng

Méo điều hoà nguyên nhân là do các thiết bị tải phi tuyến trong hệ

thống điện năng Một thiết bị phi tuyến là thiết bị mà sự thay đổi của dòng

điện không tỉ lệ thuận với sự thay đổi điện áp cung cấp cho thiết bị đó Kết

quả là trong khi điện áp có dạng hình sin hoà toàn thì dòng điện kết quả bị

méo, tăng điện áp lên chỉ một vài phần trăm cũng có thể dẫn đến dòng điện

tăng lên nhiều lần và kéo theo là dòng điện có dạng sóng rất khác hình sin Và

đây chính là nguồn của hầu hết các méo điều hoà trong hệ thống điện

Thực tế ngày nay sử dụng nhiều các phần tử phi tuyến, ví dụ các thiết

bị đóng cắt điện tử công suất (tranzitor công suất, thyristor, diode) trong các

mạch chỉnh lưu, điều chỉnh tốc độ, trong các bộ biến tần, trọng cuộn dây lõi

sắt hoạt động dưới nguồn cung cấp từ lưới điện Theo lý thuyết các phần tử

phi tuyến có tính chất tạo tần, trong trường hợp này các phần tử phi tuyến

hoạt động với nguồn điều hoà tần số lưới điện công nghiệp fCN nên ở chế độ

xác lập đáp ứng thường chứa các tần số bội m.f (m=0,1,2,3…) và trong một

số trường hợp cả số ước của f

Sự tạo tần này có thể được giải thích như sau:

Các phần tử phi tuyến hoạt động dưới nguồn kích thích điều hoà có tần

số fCN, kết quả là dạng sóng của dòng điện trong mạch sẽ méo nhưng tuần

hoàn theo điện áp, điều này thoả mãn điều kiện Jordan-Dicrichlet là điều kiện

cho phép một chuỗi hàm khai triển được thành chuỗi Fourier:

Hàm số f(x) tuần hoàn chu kì 2L, thoả mãn định lý Jordan-Dicrichlet

trên đoạn [-L,L]

f(x)= ∑=∞

=

π+

π+n

1 n

n n

L

nxsinbL

nxcosa(2

a

Trong đó:

1a

L

nxsin)x(fL

1

Thay các giá trị

L = π, x = ω.t f(x) = ∑=∞

πω+

π

πω+n

1 n

n n

0

)tnsinbtncosa(2

Hình 3.1 Tải phi tuyến

Hình 3.2 Tín hiệu méo

= ∑=∞

=

ω+

ω

+n

1 n

n n

0

)t(nsinb)tncos(

a(2

+n

1 n

n n

0

)tnsin(

A2

a

Trong đó:

2 n 2 n

n

n n

b

a)(g

Hình vẽ sau minh hoạ phân tích dạng sóng tuần hoàn không lý tưởng

có thể tồn tại trong thực tế qua phép phân tích Furrier ta được các dạng sóng

tuần hoàn lý tưởng với các tần số khác nhau, ở đây ta chỉ lấy việc phân tích

thành các bước sóng có bậc 3, 5, 7 còn các bậc cao hơn coi nhỏ và có thể bỏ

qua khi phân tích

Hình 3.3 Phân tích tín hiêu FFT

Như vậy nếu xuất hiện tải phi tuyến lưới điện xoay chiều thì theo kết

quả phân tích Fourier nói trên dạng sóng của điện áp và dòng điện là sẽ tổng

hợp được các dạng sóng khác nhau với tần số là bội của tần số lưới điện xoay

chiều Ta nói chúng sinh ra các tần số điều hoà cho hệ thống điện

Thông thường, các điều hoà bậc cao (trên 25) được bỏ qua đối với các

phân tích của hệ thống Mặc dù chúng có thể ảnh hưởng đến các thiết bị điện

tử công suất thấp, nhưng những tác động của chúng đến hệ thống điện năng là

không đáng kể Đối với một hệ thống điện năng điển hình thì cũng rất khó

khăn để thu thập các dữ liệu một cách chính xác liên quan đến các tần số này

Khi tần số cộng hưởng của hệ thống nằm trong các giới hạn này thì các công

hưởng này làm cho các dạng sóng điện áp đi qua điểm không nhiều lần trong

nửa chu kì dẫn đến các sai lệch trong các mạch đo thời gian

3.2 MÉO DÒNG ĐIỆN VÀ ĐIỆN ÁP

Như đã đề cập ở trên, khi có tải điều hoà dòng điện sẽ không còn dạng

sin nữa, dòng điện méo này được phân tích thành các thành phần điều hoà

Cho nên các tải phi tuyến dường như là nguồn của các dòng điều hoà và nó

bơm các dòng điều hoà này vào trong hệ thống truyền tải điện Đối với hầu

hết các nhà phân tích thì họ thường xem các dòng điều hoà sinh ra bởi các tải

phi tuyến này như là các nguồn dòng

Các dòng điều hoà chảy qua trở kháng của hệ thống gây nên các điện

áp điều hoà, ở hình vẽ trên, méo điện áp sinh ra do các dòng điện bị méo chảy

qua các tải tuyến tính Các dòng điều hoà chảy qua trở kháng của hệ thống

gây ra các điện áp rơi đó, điều này làm cho các điện áp điều hoà xuất hiện tại

các thanh dẫn tải Lượng méo điện áp này phụ thuộc vào trở kháng và dòng

điện méo Mặc dù điều dòng điện hoà tải gây nên méo điện áp, nhưng nó

không điều khiển được các điện áp méo đó Nếu đặt tải tại hai vị trí khác nhau

trên hệ thống kết quả sẽ cho hai giá trị điện áp méo khác nhau Thừa nhận

thực tế này là cơ sở để phân chia trách nhiệm quản lý điều hoà được định

nghĩa trong một số các tiêu chuẩn phổ biến trên thế giới:

+ Quản lý lượng dòng điều hoà bơm vào hệ thống được thực hiện tại

các ứng dụng của hộ sử dụng điện

Điện áp rơi Điện áp bị méo

Điện áp sin

Dòng tải méo Hình 3.4 Điện áp điều hoà gây ra bởi các dòng điều hoà chảy trong hệ thống

+ Giả thiết là dòng điều hoà tồn tại trong hệ thống là nằm trong giới

hạn cho phép ( nhỏ hơn 5%), thì các nhà phân phối điện sẽ quản lý điện

áp méo thông qua việc điều chỉnh các trở kháng của hệ thống

3.3 CÁC ĐẠI LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG Ở ĐIỀU KIỆN

KHÔNG SIN

Các đại lượng truyền thống như giá trị trung bình, công suất (phản

kháng, tích cực, biểu kiến ), hệ số công suất cosϕ, các thứ tự pha được định

nghĩa cho tần số cơ bản và ở điều kiện điện áp và dòng điện là sin hoàn toàn

Nếu điều hoà tồn tại thì hệ thống không còn hoạt động ở điều kiện sin nữa

Công suất biểu kiến ứng dụng cho cả hai điều kiện hình sin và không

sin Công suất biểu kiến có thể được viết như sau:

S = Urms x Irms

Trong đó Urms : giá trị hiệu dụng của điện áp

Irms : giá trị hiệu dụng của dòng điện

Ở điều kiện sin thì dạng sóng điện áp và dòng điện chỉ chứa thành phần

tần số cơ bản, vì thế các giá trị trung bình có thể được biểu diễn đơn giản

bằng công thức sau

1

U2

1

=rms

2

1rms

Trong đó:

U1, và I1 là các giá trị biên độ cực đại của điện áp và dòng điện tần số

cơ bản

Trong điều kiện ở dạng không sin, dạng sóng bị méo tuần hoàn có thể

được phân tích thành các dạng sóng điều hoà hình sin có tần số gấp nguyên

lần tần số sóng cơ bản và có biên độ khác nhau Giá trị trung bình của các

dạng sóng được tính toán như là căn bậc hai của tổng các bình phương thành

phần riêng lẻ

Trong đó Uk và Ik_ là biên độ cực đại của điều hoà bậc k

Công su ất tích cực: Công suất tích cực P thường được ngụ ý là công suất

thực, nó biểu diễn công suất hữu ích tiêu thụ bởi tải để thực hiện các công

việc thực ví dụ để biến đổi dạng năng lượng điện thành các dạng năng lượng

khác Việc biến đổi năng lượng điện thành ánh sáng và nhiệt của đèn sợi đốt

là một ví dụ điển hình của việc biến đổi năng lượng Công suất tích cực là tỉ lệ

năng lượng được tải tiêu thụ và được biểu diễn dưới dạng W P cũng có thể

được tính toán bằng trung bình tích số của dòng điện và điện áp tức thời

∫

0

dt)t(i)t(uT

1P

Khi có các điều hoà thì u(t), i(t) là xếp chồng của các thứ tự điều hoà

u(t) = u1sin(ωt+ϕ1) + u2sin(2ωt+ϕ2) + u3sin(3ωt+ϕ3) +…+

p

psin(pωt θ )

i p là số bậc điều hoà

2 max k

2 3

2 2

2 1

max k

1 k

2 k

2

1)

U2

1(

2 3

2 2

2 1

max k

1 k

2 k

2

1)

I2

1(

Thay vào biểu thức tính P ở trên

dx))θtωpsin(

i(φtωksin(

u(T

1 k

k k

uk là gía trị cực đại của điện áp bậc k

ip là giá trị biên độ cực đại của dòng điện bậc p

Xét trong một chu kì, và thay giá trị x = ωt, x∈[-π,π]

dx))θpxsin(

i(φkxsin(

u(π2

1 k

k k

1P

+

−

−+

−

=

dx))θφ(x)pkcos((

2

1dx))θφ(x)pkcos((

2

1P

π π

π

p k

++

+

−

−+

B

Nếu m # 0

0)βπmsin(

m

1)βπmsin(

m

1)

βmxsin(

.βcosdxβcosdx

)βmxcos(

π

π π

π

0P

p k kp

Nếu k#p

Nếu k=p

Từ biểu thức tính giá trị công suất P

dx))θpxsin(

i(φkxsin(

u(π2

1 k

k k

k k k

ki cos(φ θ )

u2

k rms I cosU

P

Trong đó Urmsk và Irmsk là giá trị hiệu dụng của điện áp và dòng

điện điều hoà bậc k

θk là góc lệch pha của điện áp và dòng điện điều hoà

bậc k

kmax là bậc điều hoà cao nhất xét đến trong quá trình phân tích

Phương trình tính công suất tích cực này đúng cho cả các điều kiện sin

và không sin Đối với trường hợp sin, P có thể được tính toán ở dạng sau:

1 1

rms 1 rms 1 1 1

1 θ =U I θ =S θ2

IU

=

Trong đó θ1 là góc pha giữa tần số và dòng điện tại tần số cơ bản Công

thức trên cho thấy rằng công suất là một hàm của các đại lượng tần số cơ bản

Trong trường hợp không sin, sự tính toán của công suất tích cực còn phải bao

gồm sự đóng góp của các thành phần điều hoà Tuy nhiên, các điện áp méo

nói chung ở mức thấp trên các hệ thống (nhỏ hơn 5%) cho nên công thức trên

có thể coi là giá trị xấp xỉ của công suất tích cực thực Nhưng sự xấp xỉ này

không được sử dụng khi tính toán công suất biểu kiến và công suất phản

kháng bởi vì hai thành phần trên nói chung bị tác động của méo