Sóng hài là gì? Ảnh hưởng của sóng hài và cách khắc phục

Chu Văn An

Chất lượng điện năng hiện nay đang được chú trọng và ưu tiên hàng đầu trong lĩnh vực công nghiệp nhằm đảm bảo hệ thống sản xuất và hệ thống giám sát nhà máy hoạt động hiệu quả. Biến dạng sóng hài là một vấn đề phổ biến trong các hệ thống điện hiện nay và là yếu tố then chốt trong việc đảm bảo chất lượng điện năng. Hãy cùng KTH ELECTRIC tìm hiểu sóng hài và tác động tiêu cực của chúng trong bài viết sau.

1. Sóng hài là gì?

Sóng hài được định nghĩa là các sóng nhiễu có hại không mong muốn, ảnh hưởng trực tiếp đến hệ thống điện. Hệ thống điện được thiết kế để hoạt động ổn định ở một tần số nhất định (thường là 50Hz). Tuy nhiên, trong quá trình truyền tải điện, do tác động của phụ tải phi tuyến, các thành phần sóng hài bậc cao xuất hiện và trộn lẫn vào hệ thống điện, gây ra hiện tượng méo dạng sóng trong hệ thống phân phối.

Đặc điểm của sóng hài:

• Các tần số trên tần số cơ bản: Nếu tần số cơ bản là 50Hz thì tần số của sóng hài bậc 3 là 150Hz (3x50Hz), tần số của sóng hài bậc 5 là 250Hz (5x50Hz), v.v.
• Dạng sóng không hình sin: Khi sóng hài kết hợp với sóng cơ bản, dạng sóng điện áp hoặc dòng điện của hệ thống sẽ bị méo và không còn duy trì được dạng hình sin hoàn hảo.

Sơ đồ sóng hài

Xem thêm: Điện áp 220V là gì? Tại sao nó được sử dụng phổ biến ở Việt Nam?

2. Công thức tính

Sóng hài được đặc trưng là bội số của tần số cơ bản. Ví dụ, trong hệ thống điện có tần số 50Hz, tần số của sóng hài bậc 5 là 250Hz và tần số của sóng hài bậc 7 là 350Hz.

Tốc độ méo hài điện áp được xác định bằng tỷ số giữa giá trị hiệu dụng hài điện áp và giá trị hiệu dụng điện áp cơ bản và được tính theo công thức sau:

Công thức tính sóng hài

• Vi: Giá trị hiệu dụng của sóng hài điện áp thứ i.
• V1: Giá trị hiệu dụng của điện áp cơ bản.

Tốc độ biến dạng sóng hài dòng điện được tính bằng tỷ số giữa giá trị sóng hài hiệu dụng hiện tại và giá trị hiệu dụng dòng điện cơ bản trong điều kiện tải. Công suất phát điện cực đại được tính như sau:

Công thức tính sóng hài

• Ii: Giá trị hiệu dụng của sóng hài bậc i.
• IL: Giá trị hiệu dụng hiện tại cơ bản (ở chế độ tải).

3. Nguyên nhân gây ra sóng hài

Sóng hài là thành phần của điện áp và dòng điện xảy ra ở tần số cao hơn tần số cơ bản (50Hz). Có nhiều yếu tố gây ra sóng hài, nhưng những yếu tố chính là:

1. Tải phi tuyến tính: Tải phi tuyến là tải có dòng điện và điện áp không tỷ lệ. Khi các tải phi tuyến được nối vào hệ thống điện, chúng có thể tạo ra dòng điện hài, gây ra biến dạng điện áp và dòng điện, từ đó tạo ra sóng hài.

Ví dụ:

• Lò hồ quang điện: Dòng điện chạy qua lò hồ quang điện có dạng xung, không liên tục.
• Bộ chỉnh lưu: Dòng điện qua bộ chỉnh lưu ở dạng xung chỉ xảy ra trong một phần của chu kỳ điện áp.

2. Thiết bị điện tử: Các thiết bị điện tử sử dụng mạch chỉnh lưu, biến tần cũng tạo ra sóng hài. Ví dụ:

• Máy tính: Do hoạt động của nguồn điện xung nên dòng điện chạy qua máy tính có dạng xung.
• Bộ điều khiển tốc độ động cơ: Dòng điện đi qua bộ điều khiển tốc độ động cơ có dạngPWM.

3. máy biến áp: Máy biến áp cũng tạo ra sóng hài do bão hòa từ tính. Khi từ thông trong lõi máy biến áp bão hòa, dòng điện đi qua máy biến áp sẽ bị biến dạng, dẫn đến tạo ra sóng hài.
4. Hệ thống điện: Trong hệ thống điện có nhiều phụ tải phi tuyến và các thiết bị điện tử dẫn đến xuất hiện sóng hài. Những sóng hài này có thể ảnh hưởng đến các thành phần khác trong hệ thống điện và làm tăng cường độ sóng hài.
5. Biến tần: Hiện nay, ngành công nghiệp hiện đại thường sử dụng các bộ biến tần để điều khiển động cơ, tàu thủy, giàn khoan, máy bơm, quạt… Chúng là nguồn tạo sóng hài chính.

4. Ảnh hưởng của sóng hài tới hệ thống điện

• Gây tổn thất điện năng: Sóng hài có thể làm tăng dòng điện và điện áp trong hệ thống điện, gây tổn thất năng lượng trong dây dẫn, máy biến áp và các thiết bị khác.
• Rút ngắn tuổi thọ thiết bị: Sóng hài sẽ làm tăng nhiệt độ của các thiết bị điện, gây lão hóa lớp cách điện và rút ngắn tuổi thọ thiết bị.
• Sóng hài còn làm tăng độ rung và tiếng ồn của động cơ, gây hao mòn cơ học và rút ngắn tuổi thọ động cơ.
• Can thiệp vào thiết bị điện tử: Sóng hài có thể gây nhiễu cho các thiết bị điện tử như máy tính, bộ điều khiển PLC và hệ thống điều khiển tự động, gây ra hoạt động không chính xác hoặc hư hỏng.
• Gây méo điện áp: Sóng hài làm méo điện áp, ảnh hưởng đến chất lượng điện năng, gây ra hiện tượng đèn nhấp nháy, sụt áp và các hiện tượng khác.
• Tăng nguy cơ cháy nổ: Sóng hài có thể làm tăng nguy cơ cháy nổ bằng cách tăng nhiệt độ của hệ thống điện và giảm khả năng cách điện của thiết bị.

5. Cách giải quyết

Một số biện pháp để giảm sóng hài bao gồm:

• Chọn biến tần có độ méo sóng hài thấp: Nên chọn biến tần có chỉ số THD (Total Harmonic Distortion) thấp (dưới 5%). Biến tần có cấu hình biến tần và chỉnh lưu tiên tiến giúp giảm thiểu sóng hài đầu ra.
• Sử dụng bộ lọc hài hòa: Việc lắp đặt bộ lọc sóng hài trên biến tần giúp loại bỏ các thành phần hài ở dòng điện và điện áp. Có nhiều loại bộ lọc sóng hài, cần lựa chọn loại phù hợp dựa trên công suất và loại tải sử dụng.
• Dùng cuộn dây điện trở: Việc lắp đặt một cuộn kháng ở đầu vào hoặc đầu ra của biến tần có thể giảm thiểu dòng điện hài. Tuy nhiên, lò phản ứng có thể ảnh hưởng đến hiệu suất và tăng chi phí hệ thống.
• Cải thiện chất lượng điện năng: Để nâng cao hệ số công suất cần phải bù công suất phản kháng. Nên sử dụng thiết bị có độ méo sóng hài thấp. Lắp đặt hệ thống giám sát chất lượng điện năng để giám sát và giải quyết các vấn đề liên quan đến sóng hài.

Xem thêm: Tụ điện phản kháng là gì? Chức năng và phân loại

6. Tiêu chuẩn hài hòa

Sóng hài là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng điện năng của hệ thống và có thể gây hư hỏng cho các thiết bị khác trong nhà máy sản xuất. Vì vậy, ở Việt Nam và trên thế giới, nhiều tiêu chuẩn đã được xây dựng để đánh giá mức độ nghiêm trọng của sóng hài.

Trong đó bao gồm tiêu chuẩn IEEE 519 của Viện Kỹ sư Điện – Điện tử Hoa Kỳ và các tiêu chuẩn được xây dựng theo Thông báo số TT30/2019/TT-BCT của Bộ Công Thương. Các tiêu chuẩn này được quy định như sau:

7. Cách đo và phân tích sóng hài

Đo sóng hài đòi hỏi phải sử dụng các công cụ phân tích chuyên dụng như máy đo sóng hài, máy phân tích phổ hoặc thiết bị đo đa chức năng cao cấp có khả năng phân tích sóng hài. Các thiết bị này sẽ giúp xác định độ méo sóng hài tổng (THD), độ méo công suất tổng (TDD) và các thành phần sóng hài cụ thể cũng như dạng sóng điện áp và dòng điện.

Các bước cụ thể để đo và phân tích sóng hài như sau:

7.1. Chuẩn bị dụng cụ đo

• Máy phân tích chất lượng điện: Đây là thiết bị chuyên dụng nhất có khả năng đo THD (THD-V, THD-I), các mức hài cụ thể cũng như dạng sóng điện áp và dòng điện.
• Máy phân tích phổ: Giúp xác định các thành phần tần số của dòng điện và điện áp.
• Kẹp dòng điện RMS thực: Để đo chính xác dòng điện trong môi trường hài hòa.
• Đầu dò điện áp: Dùng để đo điện áp tại các vị trí khác nhau trong hệ thống.

Kẹp ampe kế – thiết bị đo sóng hài

7.2. Lấy số đo

Kết nối thiết bị đo lường với các điểm kiểm tra trên hệ thống điện, chẳng hạn như đầu vào và đầu ra của các thiết bị phi tuyến. Bật thiết bị và đo các thông số như điện áp, dòng điện, công suất và sóng hài.

7.3. Kết quả phân tích

• THD (Độ méo hài tổng): Đo tổng độ méo hài của điện áp hoặc dòng điện.
• TDD (Tổng biến dạng nhu cầu): Một chỉ báo chính xác hơn về ảnh hưởng của biến dạng sóng hài lên dòng điện, đặc biệt khi xem xét tải.
• Thành phần hài hòa: Đánh giá biên độ và tần số của từng bước sóng hài (ví dụ: bậc 3, bậc 5, bậc 7).
• Dạng sóng: Quan sát dạng sóng điện áp hoặc dòng điện để xác định độ lệch so với sóng hình sin.

Có thể bạn quan tâm: Nguyên nhân và giải pháp nổ tụ điện

7.4. Xác định nguồn và hướng của sóng hài

Các giá trị sóng hài đo được được so sánh với các tiêu chuẩn quốc tế như IEEE 519 để đánh giá mức độ ảnh hưởng. Đồng thời, độ lệch góc pha giữa sóng hài điện áp và dòng điện được phân tích để xác định hướng truyền sóng hài (từ lưới đi xuống hoặc từ tải lên).

Với những thông tin trên chắc hẳn bạn đã hiểu sóng hài là gì, nguyên nhân và tác động tiêu cực của chúng đến hệ thống điện. Việc xác định và xử lý sóng hài kịp thời không chỉ giúp bảo vệ thiết bị, nâng cao hiệu suất vận hành mà còn tiết kiệm chi phí năng lượng cho doanh nghiệp. Để đảm bảo hệ thống điện vận hành ổn định, an toàn cần lựa chọn giải pháp lọc sóng hài và các thiết bị điện được cung cấp bởi các nhà cung cấp uy tín, chuyên nghiệp.

Hãy liên hệ với KTH ELECTRIC 0968271199 để được tư vấn giải pháp và thiết bị điện chất lượng nhất.