Trong hệ thống điện hiện đại, sự xuất hiện ngày càng nhiều của biến tần, UPS, bộ chỉnh lưu, nguồn switching và các thiết bị điện tử công suất khiến vấn đề sóng hài được quan tâm nhiều hơn. Khi mức độ méo hài lớn, hệ thống có thể xuất hiện hiện tượng thiết bị nóng bất thường, tụ bù nhanh hỏng, CB tác động không mong muốn, động cơ rung ồn hoặc chất lượng điện năng suy giảm.
Vậy sóng hài là gì? Sóng hài sinh ra từ đâu, ảnh hưởng như thế nào và có những cách khắc phục sóng hài nào? Cùng Công ty TNHH Đầu tư Thương mại Dịch vụ Đức Vinh tìm hiểu chi tiết trong bài viết dưới đây.
Sóng hài là gì?
Sóng hài (Harmonics) là các thành phần điện áp hoặc dòng điện có tần số bằng số nguyên lần tần số cơ bản của hệ thống điện. Khi những thành phần này xuất hiện với biên độ đáng kể, dạng sóng điện áp hoặc dòng điện không còn giữ được dạng hình sin lý tưởng mà bị méo.
Ví dụ, với hệ thống điện có tần số cơ bản 50 Hz:
- Sóng hài bậc 1: 50 Hz – thành phần cơ bản.
- Sóng hài bậc 2: 100 Hz.
- Sóng hài bậc 3: 150 Hz.
- Sóng hài bậc 5: 250 Hz.
- Sóng hài bậc 7: 350 Hz.
Trong thực tế, các bậc hài như bậc 3, 5, 7, 11, 13… thường được quan tâm tùy loại tải và cấu hình hệ thống.
Sóng hài gắn liền với vấn đề chất lượng điện năng. Vì vậy, tại nhà máy, xưởng sản xuất, tòa nhà thương mại hoặc hệ thống sử dụng nhiều thiết bị điện tử công suất, việc đánh giá mức độ méo hài là một phần quan trọng khi phân tích chất lượng điện.
Nguyên nhân nào gây ra sóng hài?
Nguyên nhân chủ yếu hình thành sóng hài là sự xuất hiện của tải phi tuyến. Khác với tải tuyến tính, tải phi tuyến có thể hút dòng điện không còn cùng dạng hình sin với điện áp nguồn.
Một số nguồn phát sinh sóng hài thường gặp gồm:
1. Biến tần
Biến tần được sử dụng phổ biến để điều khiển tốc độ động cơ, máy bơm, quạt, băng tải và nhiều máy móc công nghiệp. Các khâu chỉnh lưu và điện tử công suất bên trong biến tần có thể tạo ra dòng điện méo và thành phần hài trên phía nguồn.
Do đó, hệ thống có số lượng biến tần lớn hoặc biến tần có công suất đáng kể là một trong những trường hợp nên chú ý đến việc đo và đánh giá sóng hài.
2. UPS và bộ nguồn điện tử
UPS, bộ nguồn chuyển mạch, bộ chỉnh lưu, máy tính, server và nhiều thiết bị điện tử khác sử dụng linh kiện bán dẫn để chuyển đổi điện năng. Đây cũng là nhóm tải phi tuyến có khả năng tạo thành phần hài.
3. Thiết bị hàn và thiết bị công nghiệp
Máy hàn, lò hồ quang, bộ chỉnh lưu công nghiệp và một số hệ thống điều khiển công suất có thể góp phần làm tăng méo dạng dòng điện.
4. Hiện tượng bão hòa của thiết bị điện từ
Máy biến áp và một số thiết bị có lõi từ khi hoạt động trong điều kiện nhất định cũng có thể tạo ra thành phần hài.
THD là gì? Vì sao cần quan tâm?
Khi nói đến sóng hài, một thông số thường gặp là THD – Total Harmonic Distortion, hay tổng độ méo hài.
THD thể hiện mức độ đóng góp của các thành phần hài so với thành phần cơ bản và thường được biểu diễn dưới dạng phần trăm.
Trong hệ thống điện thường gặp:
THD-V: tổng độ méo hài điện áp.
THD-I: tổng độ méo hài dòng điện.
THD là chỉ số hữu ích để đánh giá mức độ méo dạng, nhưng không nên chỉ nhìn vào một con số THD rồi kết luận toàn bộ tình trạng hệ thống. Khi phân tích chuyên sâu còn cần xem phổ hài, từng bậc hài, tải vận hành, vị trí đo và các thông số điện liên quan.
Sóng hài ảnh hưởng như thế nào đến hệ thống điện?
Sóng hài ở mức đáng kể có thể làm tăng tổn hao, tăng nhiệt và ảnh hưởng đến hoạt động của nhiều thiết bị. Một số vấn đề thường được quan tâm gồm:
Thiết bị và dây dẫn nóng hơn
Dòng hài góp phần làm tăng giá trị dòng RMS và tổn hao trên hệ thống. Khi điều kiện vận hành không phù hợp, dây dẫn, máy biến áp và các thiết bị liên quan có thể chịu nhiệt cao hơn dự kiến.
Nhiệt độ vận hành tăng kéo dài có thể ảnh hưởng đến độ bền cách điện và tuổi thọ thiết bị.
Ảnh hưởng đến tụ bù
Tụ bù là thiết bị cần đặc biệt chú ý trong môi trường có sóng hài. Trở kháng của tụ giảm khi tần số tăng, vì vậy các thành phần hài có thể làm tăng dòng điện qua tụ.
Trong một số cấu hình, tương tác giữa điện dung của bộ tụ và điện cảm của hệ thống còn có nguy cơ hình thành cộng hưởng, làm khuếch đại một số thành phần hài.
Do đó, không nên chỉ lắp thêm tụ bù khi hệ thống gặp vấn đề hệ số công suất mà bỏ qua việc đánh giá sóng hài.
Ảnh hưởng đến máy biến áp
Sóng hài có thể làm tăng tổn hao và nhiệt độ vận hành của máy biến áp. Với hệ thống cung cấp nhiều tải phi tuyến, yếu tố này cần được xem xét ngay từ quá trình thiết kế và lựa chọn thiết bị.
Ảnh hưởng đến động cơ
Méo điện áp và các thành phần hài có thể góp phần làm tăng tổn hao, phát nhiệt, rung hoặc tiếng ồn ở động cơ, tùy theo mức độ và đặc điểm của hệ thống.
Thiết bị bảo vệ và điều khiển hoạt động bất thường
Trong một số trường hợp, chất lượng điện kém có thể liên quan đến việc thiết bị bảo vệ tác động ngoài mong muốn hoặc thiết bị điều khiển hoạt động thiếu ổn định.
Vì vậy, khi nhà máy thường xuyên gặp lỗi khó xác định nguyên nhân, việc kiểm tra chất lượng điện năng và sóng hài là một bước đáng cân nhắc.
Dấu hiệu nào cho thấy hệ thống nên được kiểm tra sóng hài?
Không thể xác định chính xác mức sóng hài chỉ bằng quan sát. Tuy nhiên, doanh nghiệp nên cân nhắc đo chất lượng điện khi gặp một hoặc nhiều hiện tượng như:
- Hệ thống sử dụng nhiều biến tần, UPS hoặc tải điện tử công suất.
- Tụ bù nóng hoặc tuổi thọ thấp bất thường.
- Máy biến áp, dây dẫn hoặc thiết bị có nhiệt độ vận hành cao khó giải thích.
- CB hoặc thiết bị bảo vệ thường xuyên tác động không rõ nguyên nhân.
- Động cơ có biểu hiện rung, ồn hoặc nóng hơn bình thường.
- Thiết bị điều khiển hoạt động thiếu ổn định.
Các dấu hiệu trên không đồng nghĩa chắc chắn nguyên nhân là sóng hài. Cần đo và phân tích thực tế trước khi đưa ra kết luận.
Cách đo và phân tích sóng hài
Để xác định chính xác tình trạng, kỹ thuật viên có thể sử dụng máy phân tích chất lượng điện năng (Power Quality Analyzer) hoặc thiết bị đo có chức năng phân tích harmonic phù hợp.
Các thông số cần quan tâm có thể bao gồm:
- THD-V.
- THD-I.
- Biên độ từng bậc hài.
- Điện áp và dòng điện RMS.
- Hệ số công suất.
- Tình trạng tải theo thời gian.
- Vị trí và thời điểm đo.
Đặc biệt, kết quả cần được đánh giá tại đúng vị trí của hệ thống và trong các chế độ tải đại diện. IEEE 519-2022, chẳng hạn, quy định các mục tiêu về méo điện áp và dòng điện ở điểm đấu nối chung – PCC (Point of Common Coupling). Vì vậy, không nên lấy một giá trị THD đo tại vị trí bất kỳ rồi trực tiếp kết luận hệ thống đạt hay không đạt tiêu chuẩn.
Các cách khắc phục sóng hài phổ biến
Không có một giải pháp duy nhất phù hợp với mọi hệ thống. Phương án xử lý cần dựa trên nguồn gây hài, mức độ méo, công suất tải và đặc điểm vận hành.
1. Sử dụng cuộn kháng
Cuộn kháng có thể được sử dụng trong một số cấu hình nhằm hạn chế ảnh hưởng của thành phần hài và bảo vệ thiết bị.
Trong hệ thống tụ bù có nguy cơ chịu ảnh hưởng của sóng hài, giải pháp tụ bù kết hợp cuộn kháng detuned thường được xem xét để hạn chế nguy cơ cộng hưởng tại các tần số hài cần tránh.
2. Bộ lọc sóng hài thụ động
Passive Harmonic Filter sử dụng các phần tử như cuộn cảm, tụ điện và điện trở được thiết kế theo mục tiêu lọc nhất định.
Giải pháp này có thể phù hợp với những hệ thống mà phổ hài và điều kiện tải tương đối xác định. Tuy nhiên, việc thiết kế cần tính toán phù hợp với đặc điểm mạng điện.
3. Bộ lọc sóng hài chủ động
Active Harmonic Filter – AHF sử dụng điện tử công suất để tạo dòng bù nhằm giảm các thành phần hài trong hệ thống.
AHF thường được cân nhắc ở những hệ thống có tải phi tuyến đa dạng hoặc tải thay đổi thường xuyên, nhưng việc lựa chọn công suất và cấu hình vẫn cần dựa trên kết quả khảo sát, đo đạc.
4. Xử lý ngay tại nguồn phát sinh
Trong một số trường hợp có thể giảm ảnh hưởng của sóng hài ngay tại tải bằng cách sử dụng line reactor, DC choke, bộ lọc phù hợp hoặc lựa chọn cấu hình biến tần/thiết bị có giải pháp giảm hài.
Xử lý gần nguồn gây hài có thể giúp hạn chế dòng hài lan truyền sang những khu vực khác của hệ thống.
Tiêu chuẩn sóng hài cần tham khảo
Một trong những tài liệu quốc tế được sử dụng phổ biến trong lĩnh vực này là IEEE 519-2022 – IEEE Standard for Harmonic Control in Electric Power Systems.
Tiêu chuẩn đưa ra các mục tiêu/giới hạn liên quan đến méo điện áp và dòng điện ở PCC đối với hệ thống có tải sinh sóng hài.
Cần lưu ý rằng không nên hiểu tiêu chuẩn sóng hài là một mức phần trăm cố định áp dụng cho tất cả hệ thống. Giới hạn đánh giá phụ thuộc vào thông số, cấp điện áp, đặc điểm hệ thống và điều kiện áp dụng. Khi thiết kế hoặc nghiệm thu công trình, cần đối chiếu đúng tiêu chuẩn, quy chuẩn và yêu cầu kỹ thuật áp dụng cho dự án.
Kinh nghiệm lựa chọn giải pháp xử lý sóng hài
Một sai lầm phổ biến là thấy hệ thống có sóng hài và lập tức mua bộ lọc hoặc lắp thêm cuộn kháng.
Cách làm phù hợp hơn là:
Đo → xác định nguồn gây hài → phân tích phổ hài → đánh giá hệ thống → lựa chọn giải pháp → kiểm tra lại sau xử lý.
Ví dụ, hệ thống có nhiều biến tần không đồng nghĩa tất cả đều cần một phương án lọc giống nhau. Tải ổn định và tải biến thiên mạnh có thể cần những cách tiếp cận khác nhau.
Tương tự, với hệ thống tụ bù đang gặp tình trạng nóng hoặc hỏng lặp lại, cần xem xét tổng thể tải, mức sóng hài và nguy cơ cộng hưởng trước khi thay tụ hoặc tăng dung lượng tụ.
Đức Vinh – Đơn vị cung cấp thiết bị điện và giải pháp cho hệ thống điện
Công ty TNHH Đầu tư Thương mại Dịch vụ Đức Vinh cung cấp các sản phẩm, vật tư và thiết bị phục vụ hệ thống điện dân dụng, thương mại và công nghiệp.
Đối với các hệ thống có nhiều biến tần, tải phi tuyến, tủ tụ bù hoặc đang gặp vấn đề liên quan đến chất lượng điện, khách hàng nên cung cấp đầy đủ thông số kỹ thuật và tình trạng vận hành để được tư vấn lựa chọn thiết bị phù hợp.
Đức Vinh hướng đến giải pháp dựa trên nhu cầu thực tế, hạn chế tình trạng lựa chọn thiết bị chỉ theo công suất danh nghĩa nhưng chưa xem xét đầy đủ điều kiện vận hành của hệ thống.
THÔNG TIN LIÊN HỆ
CÔNG TY TNHH ĐẦU TƯ THƯƠNG MẠI DỊCH VỤ ĐỨC VINH
Địa chỉ: Số 7, Đường 13, Khu Phố 1, Phường Bình Trưng, Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam
Văn phòng giao dịch: 476/22 Tân Kỳ Tân Quý, P. Tân Sơn Nhì, TP. HCM
Mã số thuế: 0317358651
Hotline: 0983 165 054 – 0916 166 062 – 0987 659 043
Nếu hệ thống của bạn có nhiều biến tần, tụ bù thường xuyên nóng, thiết bị hoạt động thiếu ổn định hoặc cần lựa chọn cuộn kháng, tụ bù và thiết bị điện công nghiệp, hãy liên hệ Đức Vinh để được tư vấn theo thông số và nhu cầu thực tế.
Câu hỏi thường gặp về sóng hài
Sóng hài có phải là nhiễu điện không?
Sóng hài và nhiễu không hoàn toàn đồng nghĩa. Sóng hài là các thành phần có tần số bằng số nguyên lần tần số cơ bản. Khi mức hài đáng kể, chúng gây méo dạng dòng điện và điện áp, từ đó làm suy giảm chất lượng điện.
Biến tần có tạo ra sóng hài không?
Có thể. Biến tần sử dụng các mạch điện tử công suất và thường là một trong những nguồn tải phi tuyến cần được xem xét khi phân tích sóng hài trong hệ thống công nghiệp.
Có phải cứ THD cao là phải lắp bộ lọc?
Không. Cần xác định đang đo THD điện áp hay dòng điện, vị trí đo, phổ hài, trạng thái tải và tiêu chuẩn áp dụng trước khi quyết định giải pháp.
Cuộn kháng có tác dụng gì trong hệ thống tụ bù?
Cuộn kháng kết hợp với tụ bù theo thiết kế phù hợp có thể giúp tránh cộng hưởng tại các tần số hài cần tránh và hạn chế ảnh hưởng của sóng hài lên bộ tụ.
Làm thế nào biết chính xác hệ thống đang bị ảnh hưởng bởi sóng hài?
Cách đáng tin cậy là sử dụng thiết bị phân tích chất lượng điện phù hợp, đo tại các vị trí cần thiết và đánh giá kết quả theo điều kiện vận hành thực tế.
Tóm lại, sóng hài là một vấn đề quan trọng trong hệ thống điện có nhiều tải phi tuyến. Hiểu đúng sóng hài là gì, nguyên nhân gây sóng hài, ảnh hưởng của sóng hài và cách khắc phục sẽ giúp doanh nghiệp lựa chọn thiết bị phù hợp, nâng cao chất lượng điện năng và giảm nguy cơ phát sinh sự cố. Quan trọng nhất, việc xử lý nên bắt đầu bằng đo lường và phân tích thực tế thay vì lựa chọn thiết bị lọc theo cảm tính.