Khắc Phục: sự cố sóng hài và nhiễu điện từ do sử dụng biến tần (P1)

Trần Lân

Thành Viên [LV 0]
Rất nhiều công trình tòa nhà, nhà máy công nghiệp, dự án cơ sở hạ tầng…khi sử dụng biến tần để điều khiển tốc độ động cơ, đặc biệt khi tổng công suất của biến tần trên tổng công suất của công trình có tỷ lệ cao. Các thiết bị điện tử như máy tính, đèn LED… đều gây ra sóng hài cho nguồn điện công trình.

Các hiện tượng nhiễu sóng điện từ EMC, chất lượng sóng hài gây ra nhiễu các thiết bị điện tử, tín hiệu có độ nhậy cao, gây ảnh hưởng tới chất lượng và độ ổn định làm việc của hệ Camera, âm thanh, điều khiển…

Với hiểu biết và kinh nghiệm lâu năm về quản trị chất lượng điện năng và nhiễu sóng điện từ, chúng tôi cung cấp dịch vụ kỹ thuật:

- Với công trình mới: đưa ra tư vấn thiết kế hệ thống cấp điện và biến tần sao cho không gặp phải những sự kiện đáng tiếc về sóng hài và nhiễu điện từ. Lọc sóng hài và xử lý nhiễu biến tần

- Với công trình hiện hữu: Đo kiểm chất lượng điện năng và đưa ra phương pháp lọc sóng hài và xử lý nhiễu biến tần

Để là rõ hơn về những vấn đề này, chúng tôi có bài viết phân tích dưới đây.

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 bởi dao động 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.


1.png

2. Nguyên nhân gây ra sóng hài

Nguyên nhân gây ra sóng hài là do các phụ tải dạng phi tuyến trong hệ thống điện. Điện áp đầu vào của tải phi tuyến 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.

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. Vì hầu hết các thiết bị sinh ra sóng hài thông thường có dạng sóng đồng nhất nên trong thực tế ta chỉ cần quan tâm đến sóng hài bậc lẻ 3,5,7,...

Các nguồn sinh ra sóng hài:

Các tải công nghiệp: Các thiết bị điện tử công suất, biến tần, 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…

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.

Trong các nguyên nhân kể trên, biến tần là một trong những nguyên nhân hàng đầu phát sinh sóng hài. Khi biến tần điều khiển nhiều động cơ cùng lúc, nếu không có biện pháp kiểm soát sóng hài có thể làm quá tải hệ thống điện, tăng công suất nhu cầu (power demand) và làm máy ngừng chạy (do nguồn bị quá tải).

Các loại sóng hài mà biến tần tạo ra:

  • 6 pulse drive: 5,7,11,13,17,19
  • 12 pulse drive: 11,13,23,25
  • 18 pulse drive: 17,19,35,37
Nguyên nhân chủ yếu gây ra sóng hài dòng điện của các bộ biến tần nằm ở bộ chỉnh lưu đầu vào. Các bộ chỉnh lưu cầu 3 pha nối trực tiếp với lưới (còn được gọi là chỉnh lưu 6-xung do điện áp một chiều có 6 đỉnh nhấp nhô trong một chu kỳ điện áp lưới) có thể tạo ra sóng hài dòng điện đầu vào có THD lên tới 135%. Để biến tần có sóng hài dòng điện đầu vào thấp ta có thể lựa chọn biến tần với bộ chỉnh lưu đầu vào có sóng hài thấp. Các bộ chỉnh lưu có sóng hài dòng điện đầu vào thấp hiện nay phổ biến là chỉnh lưu tích cực và các bộ chỉnh lưu nhiều xung.
Picture2.jpg

3. Tác hại của sóng hài

Picture3.png
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:

- Sóng hài làm cho cáp bị quá nhiệt, phá hỏng cách điện.

- Giảm tuổi thọ động cơ, gây ra quá nhiệt động cơ, gây tiếng ồn lớn khi vận hành.

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

- Máy cắt, Aptomat, cầu chì có thể bị tác động mà không rõ nguyên nhân.

- Sóng hài gây tác hại nghiêm trọng đến tụ bù do phá hỏng chất điện môi, tụ bị phồng, giảm tuổi thọ tụ bù, thậm chí gây nổ tụ bù bất thường.

- Gây nhiễu ảnh hưởng đến các thiết bị viễn thông, hệ thống tự động hóa như PLC, Role,...

- Các thiết bị đo hoạt động không chính xác.

EMC và biến tần:

EMC : tương thích điện từ EMC được hiểu như là nhiễu điện từ trong biến tần không gây ra can nhiễu vượt quá mức cho phép đối với hoạt động bình thường của các thiết bị vô tuyến điện tử khác, với lưới điện và bản thân biến tần cũng phải làm việc bình thường.

Tác hại của nhiễu trong biến tần:

Trong biến tần, tần số đóng cắt của các công tắc chất rắn (Mosfet, IGBT,…) là khoảng 4-20KHz. Tần số này không chỉ tạo ra sóng điện từ mà còn có thể quay ngược lại, tác động xấu đến lưới điện (làm bẩn lưới điện) bởi các sóng hài bậc cao.

Bậc 3: tạo ra từ trường đập mạch.

Bậc 5: tạo từ trường quay ngược.

Bậc 7: tạo từ trường quay thuận.

Bậc 9: đứng yên.

Biến tần có tần số đóng ngắt PWM cao nên dòng điện đi qua dây cable như là một ăngten phát sóng điện từ cao, rất nguy hiểm.

Về mặt cơ: ảnh hưởng đến tính chất cơ học của động cơ, các thiết bị truyền động, gây lỏng ổ bi, kết cấu cơ khí.

Về mặt điện: dòng điện chạy trong mặt từ làm động cơ nóng hơn, tổn hao về nhiệt trong động cơ sẽ lớn, cách điện dễ hỏng, cháy, tuổi thọ động cơ sẽ giảm.

Về mặt sức điện động: e = L

+Nếu độ biến thiên của dòng điện lớn sẽ làm cho từ trường của dây dẫn phát ra càng lớn, làm cho các thiết bị có vật liệu sắt ở gần đó bị nhiễm từ.

+Tần số càng lớn sẽ làm cho dây cable dẫn như một ăngten phát sóng điện từ gây ảnh hưởng đến các thiết bị khác.

+Động cơ càng lớn, từ trường càng mạnh, ảnh hưởng lớn đến các thiết bị xung quanh.

Về mặt năng lượng:

Từ trường biến thiên qua các vỏ máy sẽ làm nóng vỏ, tạo ra điện áp tĩnh điện gây giật điện.

Các thiết bị điện từ đặt gần sẽ bị sức điện động làm mất tín hiệu, nhiễu, dễ hỏng do các thiết bị này rất nhạy với xung điện áp.

Về mặt tín hiệu analog:

Do các cảm biến, các thiết bị phản hồi có giá trị rất bé, khoảng 60mv nên nhiễu điện từ sẽ làm thiết bị đo bị lỗi, gây sai lệch tín hiệu điện áp điều khiển.

Về mặt tín hiệu Digital:

Gây sai lệch mức logic, sai sót bit trên đường truyền dẫn đến sai sót toàn bộ dữ liệu cần truyền.Tác hại là không tính được cho toàn hệ thống.

4. Thiết bị đo và giới hạn sóng hài:

Picture4.png

Để đo sóng hài cần phải có thiết bị chuyên dụng. Có một số thiết bị đo sóng hài ở mức độ đơn giản dạng như Ampe kìm cầm tay giá khoảng từ vài trăm $, cũng có các thiết bị đo và phân tích sóng hài có đầy đủ tính năng cần thiết (như hình ảnh minh họa) nhưng khá đắt tiền khoảng từ vài nghìn $. Do chi phí đầu tư thiết bị khá cao nên đa phần các nhà máy không trang bị sẵn cho nhân viên kỹ thuật điện. Bên cạnh đó để sử dụng được thiết bị đo và phân tích sóng hài cần phải có kiến thức chuyên sâu.
Giới hạn sóng hài
Để đưa ra được các giải pháp giảm thiểu sóng hài, chúng ta cần nắm được các tiêu chuẩn quy định ngưỡng sóng hài :
Capture.PNG

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

Theo thông tư số: 30/2019/TT-BCT:

Cấp điện ápTổng biến dạng sóng hài (THD%)Biến dạng riêng lẻ (%)
110kV31.5
Trung áp53
Hạ áp85
Theo tiêu chuẩn IEEE 519

Mức điện ápBiến dạn riêng lẻ (%)Tổng biến dạng sóng hài THD (%)
V<= 1.0 kV58
1.0 kV< V < = 69kV35
69kV < V < = 161kV1.52.5
161kV < V11.5
Độ biến dạng sóng hài dòng điện:

Theo thông tư số: 30/2019/TT-BCT

Độ biến dạng sóng hài dòng điện tối đa cho phép đối với nhà máy điện

Cấp điện ápTổng biến dạng (%)Biến dạng riêng lẻ (%)
110 kV32
Trung áp, hạ áp54
Biến dạng sóng hài dòng điện tối đa cho phép đối với phụ tải điện

Cấp điện ápTổng biến dạng (%)Biến dạng riêng lẻ
110 kV43.5
Trung áp87
Hạ áp12% nếu phụ tải >= 50kW
20% nếu phụ tải < 50 kW
10% nếu phụ tải >= 50 kW
15% nếu phụ tải <50 kW
Theo IEEE 519-2014:

Độ biến dạng dòng cho phép với điện áp từ 120V đến 69kV:
Picture5.png

Độ biến dạng dòng cho phép với điện áp từ trên 161 kV:
Picture6.png

Độ biến dạng dòng cho phép với điện áp từ 120V đến 69kV:
Picture7.png

(còn nữa...)

 

Đính kèm

  • Picture8.png
    Picture8.png
    94.9 KB · Xem: 27
  • Picture10.jpg
    Picture10.jpg
    26.6 KB · Xem: 31
Bên trên