SÓNG HÀI.

Sóng hài là một loại sóng nhiễu không mong muốn và tác động xấu đến hệ thống điện. Các dạng sóng điện áp sin được tạo ra tại các nhà máy điện, trạm điện lớn thường thì rất tốt. Nhưng càng di chuyển về phía phụ tải, đặc biệt là các phụ tải phi tuyến thì các dạng sóng càng bị méo, khi đó dạng sóng không còn là sóng sin mà chuyển thành sóng hài. Sóng hài có thể coi như là tổng của các dạng sóng sin mà tần số của nó là bội số nguyên của tần số cơ bản.

Với độ chính xác cao, và tiết kiệm điện đáng kể, biến tần đã trở thành thiết bị không thể thiếu trong các hệ thống điểu khiển động cơ; hệ thống đốt nóng, thông gió, và điều hòa nhiệt độ, hay còn gọi là HVAC. Biến tần đã và đang được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp đòi hỏi độ chính xác cao.

Các hệ thống HVAC thương mại thường rất khác so với các hệ thống điều khiển chính xác cao trong công nghiệp. Hầu hết các hệ thống HVAC dùng chung nguồn điện với các thiết bị điện tử nhạy cảm khác như máy tính, hệ thống mạng viễn thông, chiếu sáng, ...  Ở những nơi như sân bay, bệnh viện hay các viện trung tâm nghiên cứu thì số lượng thiết bị nhạy cảm khá nhiều và sóng hài trở nên mối nguy hại đặc biệt vì nó có thể làm hư hỏng và giảm tuổi thọ những thiết bị đó.

Chúng ta sẽ đi sâu hơn về nguyên nhân và tác hại của sóng hài, cũng như một số phương pháp giải quyết sóng hài và đối phó với loại nhiễu loạn khó chịu này.

1. Nguồn gốc sóng hài.

Hầu như tất cả các biến tần hiện có trên thị trường đều hoạt động dựa trên nguyên lý cầu chỉnh lưu để chuyển đổi điện áp xoay chiều AC thành điện áp một chiều DC. Sau đó, điện áp DC này sẽ được một bộ nghịch lưu inverter chuyển đổi ngược trở lại điện áp AC với độ lớn và tần số đã định trước để điều khiển chính xác tốc độ của động cơ.

Figure 1 Sơ đồ nguyên lí biến tần ba pha

Các biến tần hiện đại sử dụng cầu diode để chuyển đổi điện áp AC sang DC, người ta lắp thêm tụ DC phía sau cầu diode để làm phẳng điện áp DC.

Figure 2 Cầu chỉnh lưu diode trong một biến tần

Mạch chỉnh lưu diode và nghịch lưu inverter mang lại hiệu suất cao cho biến tần, nhưng lại gây ra nhiều sóng hài trên dòng điện ở phía nguồn AC. Sóng hài xuất hiện là do dòng điện không thể chạy qua chỉnh lưu và đi vào biến tần khi điện áp AC đầu vào bé hơn điện áp một chiều DC trên tụ. Điều này chỉ diễn ra trong một khoảng thời gian ngắn trên mỗi pha nhưng đủ làm biến dạng hoàn toàn dòng AC đầu vào khiến nó không còn là hình sin chuẩn nữa. Hơn nữa, do bị chặn bởi chênh lệch điện áp AC và DC ở đầu vào, dòng điện phải có biên độ đỉnh cao hơn để truyền đủ năng lượng cho động cơ trong một chu kỳ lưới.

Figure 3 Dạng sóng dòng điện AC đầu vào của biến tần

Có thể dòng điện không còn mang hình Sin nữa mà trở thành 4 xung dòng biên độ cao (2 xung cho mỗi bán kỳ) và độ méo hài THD của dòng điện kiểu này là rất cao.

2. Phân Tích Sóng Hài

Sóng hài trên dòng điện sẽ kéo theo sóng hài trên điện áp, độ méo sóng hài áp phụ thuộc nhiều vào trở kháng của hệ thống phân phối điện và số lượng tải phi tuyến (máy tính, máy fax, máy photocopy, đèn chiếu dùng inverter, ...) trong hệ thống đó. Để so sánh sóng hài dòng và sóng hài áp cần có các phân tích sóng hài chi tiết.

Trong phân tích sóng hài, mọi dạng sóng đều có thể được biểu diễn dưới dạng tổng của nhiều sóng hình sin có biên độ và tần số khác nhau. Tập hợp các sóng hình sin nói trên bao gồm 1 sóng sin cơ bản (tần số 50 Hz đối với lưới điện Việt Nam) và các sóng hình sin là bội của sóng sin cơ bản, gọi là sóng hài.

Tổng độ méo hài, hay THD là đại lượng thể hiện mức độ biến dạng của dòng điện hay điện áp, được tính bằng công thức sau:

3. Tiêu Chuẩn Quy Định Ngưỡng Sóng Hài

Bởi vì sóng hài có thể ảnh hưởng đến các thiết bị khác trong hệ thống điện, nhiều tiêu chuẩn đã được đưa ra để đánh giá mức độ nghiêm trọng của sóng hài. Một trong các tiêu chuẩn này là chuẩn IEEE 519 của Viện Kĩ Thuật Điện - Điện Tử, Hoa Kì. Chuẩn IEEE 519 căn cứ vào mức độ nhạy cảm của các thiết bị trong một hệ thống điện làm ngưỡng quy định mức sóng hài áp tối đa được cho phép. Do đó, chuẩn IEEE 519 đưa ra các ngưỡng sóng hài khác nhau cho các hệ thống điện khác nhau.

Quy định của chuẩn IEEE 519 cho một số ứng dụng.

4. Tác Hại Của Sóng Hài

Trong các hệ thống điện 3 pha, dòng điện cấp cho biến tần có dạng 2 xung liên tiếp cách nhau 3.3 mili giây. Dạng dòng điện kiểu xung biên độ cao như vậy có thể gây ra nhiều vấn đề cho các thiết bị khác trong hệ thống.

Figure 4 Dòng sóng hài qua biến tần

Một trong các thiết bị chịu ảnh hưởng nhiều bởi sóng hài là máy biến áp nguồn. Các máy biến áp được thiết kế để hoạt động với dòng điện hình sin chuẩn và thường không được chuẩn bị để đối phó với sóng hài. Dòng điện dạng xung như trong hình trên có thể gây quá nhiệt và làm hư hại hoàn toàn máy biến áp.

Sóng hài cũng gây nhiễu các thiết bị khác. Cường độ sóng điện từ quanh dây dẫn tỉ lệ thuận với mật độ xung dòng trong dây. Do đặc tính đặc biệt của mình, sóng hài gây ra nhiễu điện từ mạnh hơn sóng sin thông thường. Nhiễu do sóng hài đôi lúc tạo ra âm thanh nghe thấy được trong các thiết bị, làm màn hình chập chờn, nhiễu truyền thông,.... 

Các xung sóng hài có thể lan rộng sang các hệ thống khác một cách gián tiếp qua điện áp thanh cái. Điện áp bằng tích của dòng điện và trở kháng hệ thống, trong khi dòng điện biến dạng thành dạng xung, do đó điện áp cũng không còn giữ được dạng sóng chuẩn. Dạng điện áp sau khi bị sóng hài ảnh hưởng sẽ tương tự như hình 6.

Hệ thống điện chiếu sáng, các hệ thống điều khiển và các hệ thống nhạy cảm khác có thể bị lỗi do biến dạng điện áp. Vì biến dạng điện áp có vùng ảnh hưởng rộng, cho nên nó là một trong những vấn đề cấp thiết cần được giải quyết trong phân phối điện năng.