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 méo 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 khi 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.

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.

3. Tác hại của sóng hài

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:

Thiết bị đo sóng hài

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 :

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:

Theo Tiêu chuẩn IEEE 519

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

Biến dạng sóng hài dòng điện tối đa cho phép đối với phụ tải điện

Theo IEEE 519-2014:

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

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

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

5. Các giải pháp giảm thiểu sóng hài của MES-Engineering

Đối với hệ thống đang được thiết kế:

Ngay từ đầu, khi thiết kế hệ thống điện cho nhà máy, các kỹ sư điện phải xác định loại tải tuyến tính, tải phi tuyến tính và công suất mỗi loại. Căn cứ vào công suất mỗi loại tải và yêu cầu độ biến dạng sóng hài để tính toán máy biến áp và các thiết bị khác kèm theo.

Đối với các hệ thống hiện hữu: Tùy vào các mức cường độ, bậc hài mà chúng ta sẽ có các giải pháp tương ứng:

• Với mức THDi thấp tương ứng THDi < 5%, Không cần khắc phục, xử lý
• Với mức THDi  từ 5% … ≤ 10%. Với mức sóng hài này thường chưa ảnh hưởng nhiều đến thiết bị trừ Tụ bù công suất phản kháng. Biện pháp ưu tiên là sử dụng Tụ điện dùng film với màng Polypropylene được kim loại hóa bằng hợp kim Zn / Al.

Sơ đồ lắp đặt tụ bù

• Với mức THDi trung bình: tương ứng THDi 10% … ≤ 20%. Với mức sóng hài này sẽ ảnh hưởng lớn hệ thống tụ bù công suất và các nhà máy sản xuất công nghệ cao, chính xác. Với mức sóng hài này cần phải: lắp bổ sung kháng điện cho biến tần 6 xung hoặc thay thế bằng các biến tần 12 xung trở lên; lắp bổ sung cuộn kháng cho hệ thống tụ bù công suất.

Cuộn khãng cho biến bần Nidec

• Với mức THDi : Sử dụng bộ lọc bị động hoặc chủ động. Với mức THDi > 20% trên hệ thống thường gây nên các MCB tác động sai, máy biến áp quả tải, động cơ rung lắc, PLC thay đổi trạng thái bất thường, tổn thất điện năng và đặc biệt các tụ bù bị phồng, nổ. Để giải quyết triệt để trong trường hợp này cần phải dùng bộ lọc hài tích cực. Bộ lọc sóng hài tích cực AHF là giải pháp hoàn chỉnh nhất để giải quyết những vấn đề chất lượng điện. Với nguyên lý hoạt động phân tích bậc dòng hài, tạo dòng hài có cường độ tương đương nhưng ngược cực tính để triệt tiêu dòng hài, hiệu quả lên đến 97%.

Bộ lọc bị động REVCON

Ngoài ra chúng ta cũng có thể sử dụng các bộ lọc bị động. Phân tích dòng điện đầu vào của các bộ chỉnh lưu kiểu 6 xung lắp cho các biến tần ta thấy có các thành phần sóng hài bậc 5, bậc 7 và bậc 11 là lớn nhất. Do vậy có thể thiết kế các bộ lọc lọc riêng từng thành phần sóng hài này và phương án được lựa chọn là sử dụng ba mạch lọc cộng hưởng kiểu L-C có tần số cộng hưởng tương ứng bằng 5 lần, 7 lần và 11 lần tần số lưới. Ưu điểm của phương án này là đơn giản và có độ tin cậy cao, đảm bảo lọc được các thành phần sóng hài đã thiết kế. Nhược điểm của phương án này là hiệu quả lọc giảm khi tần số lưới thay đổi, các phần tử có kích thước lớn, cồng kềnh nên giá thành cũng không nhỏ và nó chỉ được lựa chọn cho các ứng dụng có công suất rất lớn như các lò nấu, luyện thép,…

Đối với biến tần ta có các phương pháp giảm thiểu sóng hài như:

Sử dụng biến tần với bộ chỉnh lưu tích cực

Bộ chỉnh lưu tích cực với nhiều ưu điểm nổi trội là dòng điện đầu vào với mức độ sóng hài thấp, cho phép biến đổi năng lượng theo cả hai chiều và điều chỉnh được công suất phản kháng hiện nay là lựa chọn ưa thích cho nhiều ứng dụng sử dụng biến tần trong công nghiệp. Về mặt phát thải sóng hài, các bộ chỉnh lưu tích cực có mức phát thải sóng hài thấp với THD<4% nên nó đáp ứng cho tất cả các ứng dụng và hệ thống điện có yêu cầu khắt khe nhất về mức độ phát thải sóng hài. Nhược điểm duy nhất của các bộ chỉnh lưu tích cực là giá thành khá cao và khi không sử dụng những ưu thế khác ngoài ưu thế về mức độ phát thải sóng hài thấp thì nó thường không được lựa chọn cho các bộ biến tần.

Sử dụng biến tần với bộ chỉnh lưu nhiều xung

Bộ chỉnh lưu nhiều xung được tạo ra bằng cách tạo ra các hệ thống điện áp ba pha nhưng lệch nhau một góc bằng một phần nguyên lần của góc dẫn trong chỉnh lưu 6 xung. Vì chỉnh lưu 6 xung có góc dẫn là 60 nên nếu ta tạo ra hai hệ thống điện áp đầu vào ba pha lệch nhau một góc bằng 30 độ (60/2) ta sẽ tạo ra được chỉnh lưu 12 xung và nếu tạo ra ba hệ thống điện áp ba pha lệch nhau 20 độ (60/3) ta sẽ có chỉnh lưu 18 xung. Để tạo ra hệ thống hai điện áp ba pha lệch nhau 30o của chỉnh lưu 12 xung ta sử dụng biến áp đầu vào với hai cuộn thứ cấp trong đó một cuộn đấu sao và một cuộn đấu tam giác. Trên hình là dạng sóng dòng diện của chỉnh lưu 12 xung, dòng điện của từng hệ thống điện ba pha này vẫn có tỷ lệ sóng hài cao (THD = 76%) như trường hợp chỉnh lưu sáu xung nhưng khi cộng lại qua biến áp thì dòng điện đầu vào của biến áp có tỷ lệ sóng hài thấp (THD = 12%). Tăng giá trị điện cảm đầu vào từng nhánh ta có thể giảm trị số THD dòng tổng cộng hơn nữa nhưng giá trị THD hiệu quả nhất với chỉnh lưu 12 xung là khoảng 10%. Với chỉnh lưu 18 xung, 24 xung cách làm cũng tương tự nhưng việc đấu nối các cuộn đầu ra của biến áp sử dụng cách đấu zic-zac phức tạp hơn nhiều so với trường hợp chỉnh lưu 12 xung.

Chỉnh lưu 12 xung

Dạng sóng dòng điện của chỉnh lưu 12 xung

Sử dụng các cuộn cảm

Phương án đơn giản nhất để giảm sóng hài dòng điện đầu vào của các biến tần là lắp các cuộn cảm đầu vào hoặc cuộn cảm trong mạch một chiều trung gian của biến tần. Giá trị điện cảm càng tăng thì tỷ lệ sóng hài càng giảm. Với quan hệ của tỷ lệ sóng hài theo tích của giá trị điện cảm và công suất động cơ, ta thấy giá trị điện cảm tăng sẽ làm THD giảm hiệu quả nhất tới khoảng 40%. Từ khoảng THD dưới 30% phải tăng giá trị điện cảm nhiều nhưng không làm THD giảm nhiều. Hơn nữa việc lắp thêm cuộn kháng xoay chiều ở đầu vào của biến tần sẽ làm giảm điện áp đầu vào, cả cuộn kháng xoay chiều và cuộn kháng trong mạch một chiều trung gian sẽ làm giảm đáp ứng động của biến tần với tải thay đổi nên việc lắp cuộn kháng chỉ sử dụng để giảm tổng sóng hài tới mức THD ở 40% tới 30% mà không lựa chọn cho trường hợp yêu cầu thấp hơn vì cả lý do kỹ thuật và kinh tế. Vì lý do này phương án sử dụng cuộn kháng là lựa chọn tốt nhất cho các hệ thống cung cấp điện có tỷ lệ phụ tải biến tần dưới 25% tổng phụ tải. Khi tỷ lệ phụ tải biến tần lớn hơn ta phải xem xét phương án kết hợp cuộn cảm với dịch pha điện áp.

Kết hợp cuộn cảm với dịch pha điện áp

Phương án dịch pha điện áp có cách tiếp cận tương tự phương án chỉnh lưu 12 xung là tạo ra hai điện áp ba pha lệch nhau 30 độ. Các phụ tải biến tần trong hệ thống sẽ được phân chia thành hai nhánh cấp bởi hai hệ thống điện áp ba pha lệch nhau 30 độ. Khác với chỉnh lưu 12 xung là phương án này các chỉnh lưu 6 xung không cấp điện cho một mạch DC chung mà nhiều mạch DC khác nhau nên đòi hỏi người thiết kế phải am hiểu hoạt động của toàn hệ thống để phân chia tải vào hai nhánh điện áp ba pha sao cho cân bằng nhất.

Sử dụng cuộn kháng AC DC Reactor cho biến tần Nidec:

Cuộn kháng và biến tần Nidec

Thành phần cơ bản của cuộn kháng thì được cấu tạo từ 3 cuộn dây đồng được quấn trên lõi thép có tác dụng như cuộn dây từ tính. Tùy theo công suất( khả năng chịu đựng dòng) của nó mà người ta sẽ lựa chọn như tiết diện số vòng quấn, kích thước của lõi thép. Cấu tạo của bộ kháng rất đơn giản chính vì vậy khi chọn mua ta chỉ cần mua đúng theo thông số yêu cầu của nhà sản xuất vẫn có thể thay thế cho nhau được.

Khi chọn mua cuộn kháng bạn cần phải phân biệt có 3 loại trong thực tế như sau:

Cuộn kháng AC reactor gắn ở đầu nguồn vào input của biến tần.

Cuộn kháng DC reactor gắn nối tiếp trên DC bus của biến tần.

CAC reactor có thể gắn trước nguồn vào hoặc sau nguồn ra của biến tần có tác dụng là giảm các sóng hài và các gai nhọn giúp giảm các sốc điện và ổn định nguồn điện xoay chiều cho cả biến tần và động cơ. DC reactor thì được gắn nối tiếp trên DC bus của biến tần, nó kết hợp với tụ điện gắn song song trên DC bus tạo ra mạch lọc sóng hài tạo ra trong quá trình nén từ điện AC sang DC, ngoài ra việc sử dụng DC reactor cũng đảm bảo dạng sóng DC sau cuộn kháng sẽ giữ ổn định và tránh bị số điện.

Đối với một số loại biến tần ở công suất nhỏ thường sẽ được tích hợp sẵn bên trong biến tần nên các bạn không cần thiết phải mua thêm bên ngoài để gắn. Đối với biến tần công suất lớn thì các bạn cần phải chọn thông số reactor cho đúng và tham khảo thêm trong manual tài liệu của nhà sản xuất về sơ đồ đấu dây để có thể gắn cho biến tần.

Việc sử dụng cuộn kháng biến tần cho một số trường hợp dây nối giữa biến tần và mô tơ quá dài giúp cho biến tần không bị báo lỗi cuộn kháng AC reactor gắn ở ngõ ra ouput của biến tần.

Để có được biện pháp chính xác và hiệu quả nhất đối với từng loại nguyên nhân khác nhau lại là một câu hỏi khó đối với các đơn vị cung cấp giải pháp. Hãy liên hệ với chúng tôi để có được những tư vấn chính xác nhất ngay hôm nay tại:

https://mese.vn/vi/lien-he