1) Tổng quan

Trong bài viết trước, chúng tôi đã đề cập đến tác hại của sóng hài đối với các thiết bị điện cũng như hệ thống điện, các phương pháp xử lý, hạn chế tác hại của sóng hài. Tất cả các máy móc và thiết bị điện đều được thiết kế để mang lại hiệu suất “TỐT NHẤT” khi được cung cấp sóng sin thuần túy. Sự hiện diện của sóng hài vi phạm điều kiện này, dẫn đến hiệu quả kém và tỉ lệ hỏng hóc cao trong các thiết bị khác nhau.

Ngoài ra, để có thể xử lý được sóng hài, tiết kiệm điện năng, năng lượng,… thì đầu tiên, chúng ta phải trang bị đồng hồ đo lường các thông số về điện năng, chất lượng nguồn điện như điện áp, tần số, dòng điện, hệ số sóng hài, THDV, THDI,… để người sử dụng, vận hành có thể đánh giá tình trạng và đưa ra các phương án xử lý.

Quý khách hàng có thể tìm hiểu thêm tại:

https://by.com.vn/KUZrAN

https://by.com.vn/bYQB1D

Trong bài viết này, chúng tôi đề cập tới giải pháp xử lý, lọc sóng hài đến từ hãng REVCON/ CHLB Đức – giải pháp ít tốn kém nhất nhưng mang lại hiệu quả cao trong việc kiểm soát sóng hài bao gồm: Passivce Harmonic Filter (Bộ lọc sóng hài bị động) và Active Harmonic Filter (Bộ lọc sóng hài tích cực).

REVCON là viết tắt của Innovation, Versatility và High performance ( sự đổi mới, tính linh hoạt và Hiệu suất cao) là một công ty với quy mô vừa nằm ở phía Tây nước Đức. Thành lập năm 1996, REVCON được biết đến là một công ty uy tín hoạt động trong lĩnh vực truyền động.

Các sản phẩm của REVCON bao gồm:

• Bộ lọc sóng hài tích cực
• Bộ lọc sóng hài bị động
• Bộ chuyển đổi DC – DC
• Biến tần.

Các sản phẩm của REVCON được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau trong kỹ thuật truyền động và tự động hóa cũng như trong lĩnh vực năng lượng tái tạo. Trong đó, các Bộ lọc sóng hài bị động, tích cực RHF của REVCON là thương hiệu hàng đầu trên thị trường và được sử dụng trong rất nhiều các ứng dụng khác nhau trên thế giới.

Bộ lọc sóng hài REVCON giảm THDi của tải và nguồn phi tuyến xuống đáng kể dưới 5% (tùy chọn <10%) ngay cả trong các trường hợp mất cân bằng tải. Điều này là cần thiết để đạt được các tiêu chuẩn và khuyến nghị khác nhau, chẳng hạn như IEEE 519-2014. Thông thường, bộ lọc giảm THDi từ 35% xuống còn ~ 3% trên toàn bộ quang phổ.

Ngoài ra, mạch lọc đã được cấp bằng sáng chế này không gây ra bất kỳ sự sụt giảm điện áp DC nào bên trong biến tần. Nó đạt hiệu suất lên đến 99,5% do đó tổn thất điện năng tạo ra ít hơn tới 75% so với các giải pháp tương đương. Tất cả các bộ lọc của REVCON đều có sẵn cho tất cả các nguồn cung cấp điện áp thấp 3 pha và bao gồm công suất từ 1,1kW đến 800kW.  Ngoài ra, thiết bị còn có khả năng mở rộng kết nối song song.

2) Các giải pháp lọc sóng hài của REVCON

Hình 1: Các giải pháp lọc sóng hài

2.1) Passive Harmonic Filter (Bộ lọc sóng hài bị động)

Hình 2: Các phương pháp lọc sóng hài bị động

Bộ lọc sóng hài bị động (Passive Harmonic Filter) được cấu tạo từ các phần tử thụ động như cuộn kháng, tụ điện và được thiết kế trên nguyên tắc lựa chọn thiết bị với một tần số cộng hưởng nhất định. Tại tần số cộng hưởng này, điện trở của thiết bị lọc rất nhỏ, do đó, dòng điện sóng hài sẽ chạy qua thiết bị mà không chạy vào các hệ thống khác để gây ra những tác động tiêu cực.

Bộ lọc sóng hài bị động thiết kế trên cơ sở tạo tần số cắt (Cut-off Frequency), tạo độ suy hao các tần số cần lọc như 250 Hz, 350Hz,… từ đó sẽ giảm giá trị của THDi của mạch cần lọc.

Bộ lọc bị động mang đến nhiều ưu điểm trong hệ thống điện công nghiệp như ít tổn hao, chi phí thấp, dễ dàng sửa chữa lắp đặt, hiệu quả lọc cao và có thể được thiết kế riêng cho từng hệ thống với mức sóng hài cần lọc theo yêu cầu. Tuy nhiên, nó cũng mang lại nhiều những nhược điểm như 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,… .

Bộ lọc sóng hài bị động của REVCON

Hình 3: Cấu tạo bộ lọc sóng hài bị động của REVCON

Hình vẽ trên mô tả cấu trúc phần cứng của bộ lọc sóng hài bị động REVCON RHF 5P và 8P. Thay vì sử dung một mạch với cấu trúc đơn gian như các giải pháp của các hãng khác trên thị trường thì bộ lọc sóng hài của REVCON sử dụng bộ lọc giai đoạn kép và chỉ định hiệu suất bằng cách thay đổi giá trị điện cảm chính.

Ba ưu điểm chính của mạch lọc được cấp bằng sáng chế REVCON là:

– Hiệu suất: RHF được thiết kế để đạt được hiệu suất cao lên đến 99.5%. Bộ lọc giai đoạn kép cung cấp khả năng giảm nhẹ tất cả sóng hài thay vì chỉ tập chung vào sóng hài bậc 5.

– Full Drive Power: RHF cho phép 100% điện áp DC-Bus ở 100% tải. Điều này tránh những tính toán thêm và tránh được những trường hợp tải hoạt động dưới công suất (Các động cơ được kết nối với bộ lọc sóng hài đơn giản có thể tiêu thụ ít hơn 7% điện năng).

– Hiệu quả: Bộ lọc sóng hài đơn giản có thể thêm mạch RC để đạt được 5% THDi như yêu cầu, dẫn đến hiệu quả thấp hơn đáng kể. Bộ lọc sóng hài 2 giai đoạn RHF-5P gây ra tổn thất điện năng ít hơn tới 70% so với các giải pháp THDi <5% tương đương.

Hình 4: Bộ lọc sóng hài bị động của REVCON

Các ưu điểm của bộ lọc sóng hài bị động của REVCON:

– Kích thước rất nhỏ gọn;

– THDi dưới 5%;

– Dải đầu ra rộng, từ 4kW đến 440kW;

– Hiệu quả cao;

– Khởi động thân thiện với người dùng vì không cần lập trình hoặc cài đặt;

– Bảo trì miễn phí.

2.2) Active Harmonic Filter (Bộ lọc sóng hài tích cực)

Hình 5: Các phương pháp lọc sóng hài tích cực

Khác với bộ lọc sóng hài bị động (PHF), bộ lọc sóng hài tích cực (AHF) được cấu tạo từ các thiết bị điện tử nguồn công suất, DSP,… bộ kiểm tra, chuyển đổi sóng hài của phụ tải, bộ nguồn dòng để phát ra dòng sóng hài có cùng tần số, cùng độ lớn nhưng ngược pha với sóng hài sinh ra của tải.

5 thành phần chính cấu thành nên bộ lọc tích cực bao gồm:

– Cầu chì đáp ứng nhanh nhằm bảo vệ quá dòng trong hệ thống bộ lọc sóng hài tích cực;

– Module tiêu tán dòng điện nhấp nhô: nhằm hấp thụ dòng điện nhấp nhô ở tần số cao, cung cấp công suất phản kháng bởi mạch LC, kết nối nối tiếp với đầu ra bộ AHF, thành phần chính bao gồm:

+ Bộ lọc cộng hưởng kết nối song song và nối tiếp;

+ Relay bảo vệ quá dòng;

+ Mạch điều khiển bảo vệ các trường hợp bất thường như hỏng IGBT, hỏng cách điện…

– Module khởi động từ: để hạn chế biên độ của dòng khởi động (inrush current) của hệ thống tụ DC khi đang tích điện, ngăn chặn sự gia tăng do biến động của dòng khởi động khi hệ thống tụ DC đang nạp, khi điện áp trên tụ DC đạt đến định mức thì bộ lọc sóng hài tích cực sẽ chuyển sang chế độ vận hành bình thường, nhờ đó loại trừ được sự quá áp trên tụ. Thành phần chính bao gồm:

+ Điện trở hạn dòng;

+ Các khởi động từ điều khiển.

Module này sẽ ngăn cản sự ảnh hưởng của dòng khởi động đi vào bộ IGBT và đi vào module tụ điện DC trong phạm vi cho phép. Sau khi bộ lọc sóng hài tích cực AHF bậc chế độ hoạt động, khởi động từ sẽ đóng để ngắn mạch bộ điện trở hạn dòng và kết nối với IBGT (Insulated Gate Bipolar Transistor) để bù công suất vào lưới điện.

– Module mạch LC tần số cao: Các cuộn cảm và tụ điện làm nhiệm vụ truyền tải công suất giữa bộ chuyển đổi điện IGBT và các hệ thống năng lượng, từ đó đưa công suất từ bộ lọc sóng hài tích cực vào hệ thống để bù công suất, giữ vững hệ số công suất Power Factor (PF) hoặc nâng hệ số PF khi cần thiết. Các thành phần chính trong module này gồm:

+ Cuộn kháng đáp ứng tần số cao;

+ Tụ điện đáp ứng tần số cao;

+ Máy biến dòng điện;

+ Máy biến dòng điện nhằm trả lại thành phần dòng bù sóng hài vào mạch điều khiển nhằm cho phép bộ lọc sóng hài tích cực AHF bù với tốc độ cao và nhằm giới hạn dòng để tránh vượt quá ngưỡng chịu đựng của AHF;

+ Trong điều kiện vận hành bình thường, module này sẽ cung cấp một công suất phản kháng để bù lại sự suy giảm của hệ số PF. Công suất phản kháng này là cố định cài đặt trước và thành phần bù lọc sóng hài sẽ là thông số thay đổi trên nền công suất phản kháng cố định.

– Module  chỉnh lưu cầu điện áp IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistor): đây là thành phần cấu tạo chính của bộ lọc sóng hài tích cực AHF trong việc khử bỏ sóng hài sinh ra từ tải phi tuyến. Bộ biến đổi công suất IGBT sẽ tạo ra một dòng điện nghịch pha với dòng hài và trả lại lưới điện để cân bằng, điều này sẽ khử được sóng hài trong hệ thống, tạo ra một dạng sóng sine chuẩn trả lại hệ thống. Thành phần chính trong bộ biến đổi công suất IGBT:

+ Cầu chỉnh lưu transitor IGBT;

+ Mạch điều khiển;

+ Mạch lọc.

Thành phần chính cấu tạo nên IGBT là các cầu chỉnh lưu điện áp công suất lớn, sử dụng công nghệ điều chế xung rộng Pulse With Modulator (PWD) điều khiển các IGBT để tạo ra dạng sóng dòng điện bù. Mạch lọc sẽ được cấu trúc cùng IGBT nhằm bảo vệ IGBT các điểm nhọn đầu của sóng hài.

– Module tụ điện một chiều DC: tổ hợp này sẽ dự trữ năng lượng từ lưới điện để cấp cho IGBT trước khi IGBT thực hiện quá trình nghịch lưu tạo ra dòng nghịch pha trả lại lưới. Việc nạp và xả năng lượng của module này sẽ được điều khiển theo bằng điện của bộ IGBT.Các module tụ một chiều DC được xác định cụ thể trong hệ đơn vị SI là điện dung (F) để đảm bảo dự trữ năng lượng cần thiết cho bộ lọc sóng hài tích cực hoạt động, có thể kết nối nhiều bộ tụ song song để đáp ứng yêu cầu.

Bộ lọc sóng hài tích cực của REVCON

RHF-Active có sẵn dưới dạng bộ lọc dựa trên IGBT 3 cấp, cũng như Bộ lọc hoạt động dựa trên Silicon Carbide (SiC – MOSFET) độc đáo! Những công nghệ này mang lại những lợi ích đáng kể về hiệu suất làm việc.

Hiệu suất của bộ lọc sóng hài SiC là > 98% và do đó tạo ra nhiệt ít hơn khoảng 57% so với các giải pháp tương đương dựa trên công nghệ IGBT. Xem xét RHF-Active như một giải pháp lọc sóng hài cho biến tần, hiệu quả của hệ thống là > 99,3%. Đối với các biến tần < 200kW, điều này thậm chí còn hiệu quả hơn so với bộ lọc sóng hài thụ động hai giai đoạn RHF đã nêu ở phần trên của bài viết.

Hiệu suất của bộ lọc Sóng hài dựa trên IGBT 3 cấp là > 97% và do đó tạo ra nhiệt ít hơn 41%, so với các giải pháp tương đương dựa trên Công nghệ IGBT 2 cấp. Xem xét RHF-Active như một giải pháp lọc sóng hài cho biến tần, hiệu quả của hệ thống là > 99%.

RHF-Active có thể được sử dụng để hiệu chỉnh pf, bù mất cân bằng, giảm thiểu sóng hài hoặc tất cả trong  một. Nó làm giảm sự biến dạng dòng hài của các tải và nguồn phi tuyến đến bất kỳ THDi nào được yêu cầu. Điều này là cần thiết để đạt được các tiêu chuẩn và khuyến nghị khác nhau, chẳng hạn như IEEE 519-2014.

Tần số chuyển mạch cao cho phép bù hiệu quả và chính xác các sóng hài bậc cao lên đến 61. Do tính năng độc đáo của thiết bị, RHF-Active cực kỳ hiệu quả và cho phép thiết bị rất nhỏ gọn. Tất cả RHF-Active có thể được sử dụng như 3 pha 4 dây hoặc 3 pha 3 dây cho các hệ thống 380-415V.

Hình 6: Bộ lọc sóng hài tích cực

2.3) Bộ lọc sóng hài REVCON RHF-Hybrid

Hình 7: Bộ lọc sóng hài REVCON RHF-Hybrid

Sản phẩm mới đến từ hãng REVCON/ CHLB Đức, là sự kết hợp những lợi ích của công nghệ lọc sóng hài bị động và tích cực, đồng thời loại bỏ được những nhược điểm của chúng.

Cấu tạo bởi một mạch tương tự như RHF-8P để phân tích, loại bỏ sóng hài trong khi bộ lọc tích cực chịu trách nhiệm tinh chỉnh hiệu suất sóng hài.

Trong một phần tải, bất kỳ bộ lọc sóng hài thụ động nào cũng sẽ gây ra dòng điện phản kháng. Khi dòng điện hài ở một phần tải thấp, RHF-Hybrid sử dụng thành phần bộ lọc tích cực và loại bỏ công suất phản kháng.

Ngoài ra, thành phần bộ lọc tích cực kiểm soát việc chuyển đổi của hai mạch lọc thụ động, cho phép kích thước thành phần mạch lọc tích cực đến khoảng 10%, điều này làm cho Hybrid không chỉ vượt trội về hiệu suất mà còn cạnh tranh về giá cả.

Cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng:

RHF-Hybrid có thể được sử dụng với bất kỳ biến tần 6 xung tiêu chuẩn nào và hệ thống tạo ra, mặc dù hiệu suất cao hơn, tổn thất điện năng ít hơn khoảng 30% so với công nghệ AFE.

Hình 8: Hiệu quả lọc sóng hài theo % tải

2.4) Ứng dụng của bộ lọc sóng hài REVCON

Bảng 1: Ứng dụng của các bộ lọc sóng hài REVCON