Các nhà sản xuất đưa ra sản phẩm của họ với các thông số khác nhau, nhưng các giá trị đó chỉ phù hợp khi nguồn cung cấp năng lượng có dạng sóng hình sin lý tưởng. Trong thực tế như đã xét ở trên không một nhà cung cấp điện năng nào đảm bảo được rằng dạng sóng điện áp của họ cung cấp cho khách hàng là lý tưởng và sin một cách hoàn toàn. Nguyên nhân chính là do chính bản thân các thiết bị điện chứa các phần tử phi tuyến của khách hàng hay do tác động của các phần tử phi tuyến khác của khách hàng xung quanh, tổ hợp với trở kháng hệ thống tạo nên các sóng điều hoà làm méo dạng sóng sin lý tưởng. Như đã phân tích các dạng sóng méo này thường có tính chất tuần hoàn nên ta có thể phân tích được chúng thành các dạng sóng điều hoà có tần số là bội của tần số sóng cơ bản của nguồn cung cấp.
Nếu trong mạng điện chứa ít các phần tử phi tuyến ta cũng có thể bỏ qua các sóng hài và các tác dụng không tốt của nó đến các thiết bị, nhưng nếu
- 54 -
trong mạng điện chứa qúa nhiều các phần tử phi tuyến thì ta phải tính toán đến bài toán làm giảm sóng hài để :
+ Nâng cao chất lượng điện năng: vì rõ ràng các sóng điều hoà bậc cao không có tính chất sinh công, do đó nếu sóng hài lớn có nghĩa là tổn hao thiết bị lớn và nghiêm trọng hơn là nó gây ra cho lưới điện những ảnh hưởng không thểtính toán được.
+ Xem xét việc ảnh hưởng của sóng hài lên từng loại thiết bị cụ thể, xem xét các thiết bị nào tạo sóng hài nguy hiểm nhất, thiết bị nào chịu ảnh hưởng nhiều nhất của sóng hài.
+ Xác định số bậc nguy hiểm của sóng hài tác động lên từng thiết bị. + Xây dựng các phương án chiến lược để hạn chế tối đa tác động của sóng hài, nâng cao hiệu quả kinh tế cho việc sử dụng thiết bị.
Hình 3.12 Các tải phát điều hoà
- 55 -
3.7.1 ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG HÀI ĐẾN MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ
Ảnh hưởng của sóng hài điện áp và dòng điện lên máy điện không đồng bộ được biểu thị theo hai cách: Mômen và tổn hao:
Hiện tượng đầu tiên mà chúng ta cần phải xác định là ảnh hưởng của điều hoà lên mômen của máy điện không đồng bộ
Các tính toán cũng như đo đạc cho thấy rằng thường thì người ta không quan tâm đến các méo do dòng điện điều hoà từ 10-20%. Nhưng người ta cũng quan sát được rằng chính các méo điều hoà này lại gây ra các dao động cho mômen của động cơ kể cả lúc khởi động lẫn trong quá trình hoạt động ổn định của máy. Nguyên nhân của sự dao động này là có sự tương tác giữa các dòng điện điều hoà và trường điện từ chính tạo ra do dòng điện tần số cơ bản.
Các giá trị biên độ mômen dao động xấp xỉ tỉ lệ thuận với các biên độ dòng điện điều hoà tương ứng. Nói cách khác, nếu dòng điều hoà có giá trị biên độ bằng 10% giá trị biên độ của dòng cơ bản thì mô men do dòng điều hoà tạo ra sẽ cũng có giá trị xấp xỉ 10% giá trị mô men do dòng cơ bản tạo ra. Mô men trung bình trong lúc làm việc cũng như trong quá trình khởi động không bị ảnh hưởng, nhưng quá trình dao động mô men này cuối cùng là tạo ra sự dao động cơ khí và làm gia tăng độ mài mòn cho trục của động cơ.
Hiện tượng tiếp theo mà chúng ta quan tâm sự ảnh hưởng của điều hoà điện áp và dòng điện lên máy điện là các tổn hao phụ do chúng gây ra. Có thể tổng kết một vài tổn hao chính do điều hoà gây nên.
- Tổn hao I2R trên cuộn dây sơ cấp: Các dòng điều hoà góp phần làm gia tăng giá trị trung bình của dòng điện tổng. Các hiệu ứng bề mặt chất dẫn điện của máy điện nhỏ có thể bỏ qua được, nhưng khi độ sâu của chất dẫn điện của cuộn sơ cấp là đáng kể thì tổn hao do hiệu ứng bề mặt do các dòng bề mặt gây ra cần phải xét đến trong tổn thất chung.
- 56 -
Tổn hao I2R trên cuộn dây thứ cấp: Khi tính toán các tổn hao I2R trên cuộn thứ cấp có tần số hoạt động cao thì hiệu ứng bề mặt phải được xét đến cho tất cả các kích cỡ cuộn dây.
- Tổn hao lõi sắt: do các từ trường do dòng điều hoà gây nên, nhưng các từ trường này bị làm giảm đi rất nhiều nhờ có các dòng điện cảm ứng sinh ra ở cuộn thứ cấp. Các tổn hao lõi sắt này xuất hiện ở tần số cao, và do đó các điều hoà góp phần gia tăng tổn hao trong lõi sắt.
Các tổn hao phụ trên lõi sắt thực tế có thể bỏ qua (chúng chỉ chiếm một vài phần trăm của tổn hao sắt thông thường, tổn hao sắt nói chung thường có một giá trị khoảng 30% tổn hao tổng).
Nhưng ngược lại, các tổn hao đồng phụ do các dòng điều hoà chạy trong các cuộn dây rotor và stator phải được xét đến trong quá trình tính toán tổn hao chung.
3.7.2 ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG HÀI ĐẾN MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ
Các ảnh hưởng do sóng hài của điện áp và dòng điện tác động lên máy điện đồng bộ là tương tự như đối với máy điện không đồng bộ đã xét đến ở trên. Nhưng các tổn hao phụ đồng và sắt do các điều hoà gây nên ở stator rất nhỏ có thể bỏ qua được. Các ảnh hưởng chủ yếu của sóng điều hoà bậc cao trong máy điện đồng bộ tác động lên rotor, trong đó một vài dòng điện điều hoà được cảm ứng trong cuộn dây cản dịu.
3.7.3 ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG HÀI ĐẾN MÁY BIẾN ÁP VÀ CÁC THIẾT BỊ PHÂN PHỐI CÔNG SUẤT KHÁC
Ở thời điểm hiện nay, có thể chắc chắn nói rằng các điện áp và dòng điện điều hoà là nguyên nhân gây ra quá tải và quá áp cho các thiết bị công suất. Nhưng trong phần này ta chỉ đưa ra một số ảnh hưởng điển hình của sóng điều hoà nên các thiết bị trong hệ thống điện năng.
- 57 -
1. Máy biến áp
Các sóng điều hoà gây ra các tổn hao dòng xoáy trên gông từ làm nóng máy biến áp, nguyên nhân là do dòng điện tải trong máy biến áp không sin.
Công thức tính tổn hao do dòng điện xoáy trên một đơn vị khối lượng pw = 1 (d k.f.B)2
3
4 σ
γρ
Như vậy mức độ tổn hao do dòng xoáy tỉ lệ với bình phương bình phương tần số dòng điện điều hoà.
- Các sóng điều hoà làm cho tổn hao do từ trễ tăng.
ph = η.f.Bx
+ η hằng số phụ thuộc vào thành phần hoá học và phương pháp gia công mạch từ
+ f tần số dòng từ hoá
+ B là trụ số cực đại của dòng từ cảm + x là hằng số ứng với mỗi loại thép
Như vậy mức tổn hao do từ trễ tỉ lệ với giá trị của tần số sóng điều hoà.
Một yếu tố cần nói đến nữa là các tần số điều hoà có thể gây ra hiện tượng cộng hưởng giữa điện kháng của máy biến áp và dung kháng của đường dây tải điện, điều này gây nguy hiểm cho hoạt động của lưới điện.
2. Các tụ bù:
Thông thường các tụ bù được thiết kế để bù công suất phản kháng tăng giá trị hệ số công suất, nhưng các tính toán cho tụ bù đều được tính ở tần số hoạt động của lưới điện mà không tính đến trong lưới điện còn tồn tại các nhiễu với các tần số khác và các điều hoà sẽ là nguyên nhân của một số hư hại cho dãy tụ sau:
- Các điện áp điều hoà làm tăng giá trị công suất phản kháng.
- Các điều hoà làm tăng nhiệt cho các tụ bù, sự tăng nhiệt này kéo theo tổn hao điện môi cho tụ điện. Đến một mức nào đó các điều hoà trong
- 58 -
lưới điện sẽ phá hỏng điện môi hoặc tăng quá mức công suất phản kháng dẫn đến hỏng dãy tụ bù.
- Các điều hoà là một trong các nguyên nhân chính làm cho tuổi thọ của tụ bù giảm xuống do các điều hoà còn góp phần tạo ra độ quá điện áp, điều này dẫn đến tụ bị phát nóng và nhanh hỏng cách điện.
-Hiện tượng cộng hưởng có thể xuất hiện nếu giá trị của một tần số điều hoà trùng với tần số cộng hưởng của trở kháng đường dây và điện dụng của tụ bù, kết quả là biện độ tần số cộng hưởng sẽ được khuyếch đại lên làm hỏng dãy tụ bù.
3. Cáp điện
Do hiệu ứng bề mặt, dòng điện xoay chiều có tần số cao thì xu hướng của nó là chạy trên bề mặt bên ngoài của vật liệu dẫn điện, làm tăng điện trở Rac làm tăng điện trở tác dụng của dây dẫn, kéo theo tổn hao I2Rac tăng. Như vậy các thành phần sóng hài bậc cao có tần số lớn sẽ gây ra tổn hao làm nóng dây dẫn do hiện tượng hiệu ứng bề mặt này. Kết quả là sự tăng nhiệt do hiệu ứng bề mặt này làm cho cáp điện nhanh chóng giảm tuổi thọ và làm giảm tính cách điện của cáp. Thêm vào đó các sóng điều hoà góp phần làm quá điện áp cho hệ thống điện dẫn đến phá hỏng điện môi của các vật liệu cách điện trong dây dẫn.
4. Thiết bị chuyển mạch
Ở điện áp trung bình, các thành phần mang dòng điện thiết bị chuyển mạch dạng thanh dẫn đơn chịu ảnh hưởng của sóng hài tương tự như đối với cáp điện đã xét ởtrên. Các điều hoà tác động đến tốc độ tăng của điện áp phục hồi phi tuyến, ảnh hưởng xấu đến việc hoạt động của cuộn thổi từ.
- 59 -
5. Rơle
Sóng điều hoà dòng điện, điện áp ảnh hưởng xấu đến các tính chất đặt trễ thời gian của rơ le. Phát đi các nhiễu và làm cho rơ le hoạt động sai, đặc biệt là trong các hệ thống có sử dụng chất bán dẫn và các hệ thống ứng dụng các bộ vi xử lý trong điều khiển. Các điều hoà bậc cao có thể gây ra các cảnh báo lỗi sai cho hoạt động của các rơ le.
3.7.4 ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG HÀI ĐẾN MÁY TÍNH VÀ BỘ XỬ LÝ Chấp nhận sự tồn tại của điều hoà trong lưới điện, các nhà sản xuất máy tính đưa ra các điều kiện để sản phẩm của họ có thể hoạt động được trong môi trường đó. Ở một số hãng đã quy định cụ thể mức độ có thể chấp nhận được ví dụ: độ méo điều hoà tổng của điện áp đo được lúc không tải phải đảm bảo nhỏ hơn 3%(với Honey Well, DEC) hay 5% (IBM), duy trì tỉ số quan hệ giá trịđiện áp đỉnh/giá trịđiện áp tác dụng luôn ở mức 1,41.
Các nguyên nhân để dẫn đến các kết luận này thì không được các nhà sản xuất đề cập một cách chi tiết trong các tài liệu của họ và các nhà sản xuất dường như muốn không đề cập đến vấn đề này. Trong bất kì trường hợp nào ta cũng cần phải quan tâm đến ảnh hưởng của điều hoà đến các mặt sau đây:
- Mật độ thông tin được ghi lại trong môi trường từ tính (băng từ, đĩa Compact ) rất cao, vì thế nó đòi hỏi độ chính xác và độ ổn định cao của động cơ điều khiển đầu đọc. Các động cơ này nên có quán tính thấp để có thể dừng và khởi động trong một khoảng thời gian ngắn nhất có thể chấp nhận được. Nhưng như ta đã xét từtrước việc tác động của điều hoà nên các động cơ không đồng bộ làm cho điều khiển các động cơ trở nên khó khăn hơn .
- Các máy tính đòi hỏi các điện áp ổn định cao thông thường dao động trong khoảng 1% . Để đạt được điều này người ta sủ dụng bộ
- 60 -
điều chỉnh điện áp cộng hưởng Ferro. Nhưng các bộ điều chỉnh này rất nhạy cảm đối với sự dao động tần số.
- Các điều kiện ở trên tác động lên các nhà sản xuất rất khắt khe.
Trên thực tế, điều kiện đầu tiên có thể được hiểu là nếu cho phép méo điều hoà tổng là 5% thì nó sẽ chỉcho phép hai sóng điều hoà đồng thời tồn tại, ví dụ bậc 5, 7 ở mức 3,5% mà thôi. Điều kiện thứ hai này giới hạn tổng số học của các méo điều hoà là 7%. Điều này phải tính đến các pha của điều hoà. Từ các giới hạn trên có thể rút ra được là các máy tính và các bộ xử lý là các phần tử rất nhạy cảm đối với điều hoà của thiết bị.
3.7.5 ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG HÀI ĐẾN CÁC BỘ THU, RADIO VÀ ĐƯỜNG DÂY THÔNG TIN
1. Đối với các bộ thu radio:
Nó cho phép sự tồn tại của các điều hoà, thực tế là có thể đến 3 điều hoà. So sánh với các thiết bị khác ví dụ như máy tính và bộ xử lý chỉ cho phép hai điều hoà cùng tồn tại đồng thời, máy điện quay giới hạn tổng các điều hoà. Bộ chỉnh lưu và biến đổi dòng điện giới hạn cho các điều hoà đơn lẻ mà chúng bị tác động lớn nhất, các tụ điện thì cho phép cho hai đến ba điều hoà khác nhau.
2. Đối với các bộ thu TV đen trắng:
Trước đây, các bộ chỉnh lưu toàn dạng sóng không điều chỉnh tạo ra điện áp một chiều tỉ lệ trực tiếp với giá trịđỉnh của điện áp đầu vào vì thế giá trị điện áp một chiều được sinh ra có thể thay đổi nếu có các điện áp điều hoà xếp chồng lên điện áp xoay chiều đầu vào. Tác động này cuối cùng chứa một giá trị biến đổi ánh sáng tác động trực tiếp lên ảnh và độ sáng tối của TV. Các biến đổi này dường như là tỉ lệ thuận với sự thay đổi trung bình của biên độ điện áp, tuy nhiên sự thay đổi này không quan trọng bằng các điều hoà có
- 61 -
biên độ không đổi. Nhưng khán giả có thể bị làm phiền bởi các dao động liên tục do sự biến đổi gây ra, hiện nay người ta vẫn đang tìm cách xác định một giới hạn mà khán giả có thể chấp nhận được. Đối với các TV mầu thì nó ít nhạy cảm với sự biến đổi gây ra bởi sóng hài hơn do chúng được trang bị các bộ ổn định điện áp thay vì chỉnh lưu trực tiếp không điều chỉnh như ở các TV đen trắng đã xét trước đây.
3. Đường dây thông tin:
Các dòng điều hoà chạy trên đường dây thông tin hay ở các thiết bị của người tiêu thụ điện có thể ảnh hưởng đến các mạch thông tin có cùng đường dẫn, trong đó các điều hoà có tần số 540 kHz đến 1200kHz là có tác động đặc biệt hơn cả. Các điều hoà bội ba (3-9-15) là vấn đề được quan tâm nhiều nhất trong mạch Y0 bởi vì chúng xuất hiện trong tất cả các pha và được cộng vào trong đường dây trung tính, trong khi đó dây trung tính là dây dẫn tác động mạnh nhất đến các mạch truyền thông.
3.7.6 ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG HÀI ĐẾN CÁC THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN NĂNG
Thông thường các thiết bị đo năng lượng chỉ được thiết kế và sử dụng trong trường hợp điện áp và dòng điện là hình sin, tuy nhiên nếu trong trường hợp có điều hoà chúng sẽ tác động đến các thiết bị đo dẫn đến các kết quả sai lệch. Ví dụ, thiết bị đo watt giờ truyền thống dựa trên mô tơ cảm ứng quay.
I1 I3 I5 I7 I1 I3 I5 I7
Hình 3.13 Hướng của các dòng điều hoà trong tải phi tuyến và tải tuyến tính
- 62 -
Thành phần quay hay đĩa quay được thiết kế để quay tỉ lệ với dòng điện, đĩa này sẽ điều khiển các bánh răng nối nối tiếp để ghi lại lượng điện năng.
Nhưng các thiết bị đo đĩa từ truyền thống này có xu hướng tiêu cực đối với các điều hoà, nếu chúng được đặt để hoạt động ở tần số cơ bản chúng sẽ ghi giá trị thấp hơn nếu có điều hoà xuất hiện. Xét các tải phi tuyến đưa các dòng điều hoà vào trong lưới điện, tải tuyến tính hấp thụ công suất điều hoà do có độméo trên điện áp:
Trong trường hợp tải phi tuyến thì công suất đo lẽ ra là P = P1 - a3P3 – a5P5 – a7P7
Trong đó a3, a5, a7 là các hệ số nhân thể hiện sự không chính xác của các thiết bịđo tại tần số điều hoà. Điện năng đo được sẽ lớn hơn giá trị thực tế mà nó sử dụng trong tải bởi vì thiết bị đo không thể loại trừ được các công suất điều hoà, tuy nhiên những công suất điều hoà này biến thành các tổn hao trên đường dây và máy biến áp.
Trong trường hợp tải tuyến tính, công suất đo là:
P = P1 + a3P3 + a5P5 + a7P7
Tải phi tuyến hấp thụ các năng lượng phụ của các dòng điều hoà, tuy nhiên các thiết bị đo không ghi năng lượng mà thực tế được sử dụng. Nếu tải là động cơ thì không nên có phần năng lượng thêm này do năng lượng điều hoà này sẽ gây ra những tổn hao trên động cơ làm động cơ phát nóng, trong khi đó
- 63 -
nếu tải là điện trở thì năng lượng này chắc chắn là sẽ tăng hiệu quả cho việc phát nhiệt.
Nên đối với trường hợp tải là thiết bị phi tuyến hay sự hiện diện của điều hoà thì ta không thể dùng các thiết bị đo thông thường để cho ra được giá trị hiệu dụng chính xác mà ta phải dùng các thiết bị đo có khả năng đo điều hoà (true rms).