6 phương pháp lọc sóng hài cho tụ bù hiệu quả

Chu Văn An

Tụ điện là thiết bị cực kỳ nhạy cảm với sóng hài. Mức độ tác động lên tụ phụ thuộc vào mức hài xuất hiện trong lưới điện. Nếu không có biện pháp lọc sóng hài cho tụ điện, thiết bị này dễ dàng hoạt động không chính xác, giảm tuổi thọ thậm chí gây cháy nổ. Để tìm hiểu các phương pháp lọc sóng hài cho dàn tụ điện hiệu quả nhất, đừng bỏ lỡ bài viết sau đây của chúng tôi.

Tác dụng của sóng hài

Trước đây, hệ thống điện chủ yếu chứa các phụ tải tuyến tính như động cơ, đèn sợi đốt, tụ điện, điện kháng… Nhưng hiện nay, việc tích hợp các mạch điện tử công suất trong các thiết bị điện, điện tử (bộ biến tần cho động cơ, nguồn điện dự phòng UPS, bộ sạc ắc quy, lò hồ quang…) đã khiến cho các phụ tải phi tuyến xuất hiện nhiều hơn trong lưới điện. Các tải phi tuyến này tạo ra sóng hài dòng điện trong toàn hệ thống và gián tiếp gây ra sóng hài điện áp thông qua trở kháng. Trong khi sóng hài dòng điện ảnh hưởng trực tiếp đến các thiết bị mắc nối tiếp với nguồn sóng hài thì sóng hài điện áp có tác động tiêu cực đến các thiết bị mắc nối tiếp với nguồn sóng hài.

Ảnh hưởng của sóng hài có thể được liệt kê ở hai khía cạnh dưới đây.

Ảnh hưởng đến kỹ thuật

Dòng điện hài bị biến dạng có thể làm biến dạng điện áp hệ thống. Tùy thuộc vào điện kháng mà điện áp sẽ có mức biến dạng khác nhau. Thông thường, điện kháng của hệ thống khá nhỏ nên hài điện áp luôn nhỏ hơn hài dòng điện. Tuy nhiên, sóng hài làm cho giá trị RMS hiệu dụng của dòng điện tăng lên, gây mất công suất tác dụng và làm hệ thống quá tải. Dòng điện RMS càng cao thì tổn thất mà các thiết bị mắc nối tiếp với nguồn sóng hài như cáp điện và máy biến áp phải gánh chịu càng lớn.

Một số tác động của sóng hài lên thiết bị bao gồm:

• Với động cơ: Sóng hài tạo ra mô men xoắn không sinh công, gây mất công suất hoặc làm động cơ rung và gây mài mòn cơ học.
• Với máy biến áp: Sóng hài gây tổn thất điện năng dưới dạng nhiệt.
• Với dây trung tính trong hệ thống 3 pha 4 dây: Sóng hài gây mất cân bằng pha, làm dây trung tính nhiễm điện, tăng nguy cơ bị điện giật và ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống.
• Với hệ thống máy tính và thiết bị đo lường: Có thể hoạt động không chính xác dưới ảnh hưởng của sóng hài.
• Với tụ điện: Tụ điện rất nhạy cảm với tần số của nguồn điện. Sóng hài tác động trực tiếp lên bộ phận điều hòa của tụ, dẫn đến nhiệt lượng trên tụ tăng lên, khiến chất điện môi bị phá hủy, tụ dễ bị phồng, thậm chí phát nổ.

Tác động kinh tế

Sự xuất hiện của sóng hài khiến doanh nghiệp, nhà máy phải tìm cách xử lý sóng hài và có giải pháp bảo vệ các thiết bị điện khác dẫn đến chi phí đầu tư cao hơn so với giai đoạn thiết kế. Một số khía cạnh tác động của sóng hài đến khía cạnh kinh tế của doanh nghiệp bao gồm:

• Hệ thống quá tải, ảnh hưởng đến hiệu suất thiết bị
• Gây thất thoát điện, tăng tiền phạt điện
• Nguy cơ mất điện, gián đoạn dây chuyền, nhà máy sản xuất
• Ảnh hưởng đến tuổi thọ thiết bị, tăng chi phí sửa chữa hoặc thay thế

6 phương pháp lọc sóng hài hiệu quả cho dàn tụ điện

Dưới đây là 6 phương pháp lọc sóng hài phổ biến nhất cho dàn tụ điện.

Sử dụng lò phản ứng nối tiếp

Lò phản ứng là lựa chọn phổ biến nhất để lọc sóng hài cho tụ điện, được mắc nối tiếp với tải phi tuyến tính để tăng tổng điện kháng từ nguồn đến tải, từ đó giảm sóng hài và hấp thụ các mức quá điện áp nguy hiểm có thể gây ra sự cố cắt biến tần và máy cắt.

Phản ứng của lò phản ứng phụ thuộc vào tải. Hầu hết các lò phản ứng có độ phản ứng trong khoảng 3-6%. Trong nhiều trường hợp, điện kháng nguồn thấp hơn tải. Vì vậy, dù tải thấp nhưng tổng điện kháng của cuộn kháng và phụ tải vẫn cao hơn nguồn, giúp hạn chế dòng hài đi vào tải, làm sạch dòng điện và điện áp của hệ thống. Tuy nhiên, nếu hệ thống có lượng sóng hài lớn, đặc biệt là sóng hài bậc cao thì vẫn cần một bộ lọc sóng hài riêng.

Sử dụng máy biến áp cách ly

Nhờ cấu trúc độc lập giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp, đi kèm với màn chắn điện dung tĩnh điện và ký sinh, máy biến áp cách ly có khả năng loại bỏ sóng hài và nhiễu tần số cao, góp phần ổn định chất lượng điện năng.

Trên thực tế, việc sử dụng máy biến áp cách ly cũng có tác dụng tương tự như lắp đặt một cuộn kháng nối tiếp: điện kháng của máy biến áp tỷ lệ thuận với tần số hài và chỉ cho dòng điện 50Hz đi qua, hạn chế dạng sóng tần số cao hơn. Ngoài ra, cuộn dây sơ cấp và thứ cấp được cách điện hoàn toàn, chỉ kết nối bằng từ trường, điều này còn giúp ngăn chặn sự truyền nhiễu giữa hai cuộn dây.

Sử dụng bộ chỉnh lưu 12 xung

Bộ chỉnh lưu 12 xung là giải pháp hiệu quả nhất để giảm sóng hài bậc cao cho các hệ thống công nghiệp lớn, tuy nhiên, đây là phương pháp phức tạp, đòi hỏi kỹ thuật chuyên môn cao và chi phí đầu tư rất lớn.

Phương pháp này sử dụng bộ chỉnh lưu nhiều xung gồm 6 cặp bộ chỉnh lưu silicon chia thành 2 nhóm, mỗi nhóm có 3 cặp. Các cặp chỉnh lưu silicon sẽ được kích hoạt tuần tự để tạo ra dạng sóng điện tương tự như sóng hình sin thông thường, khiến độ méo hài dòng điện và điện áp giảm đáng kể.

Sử dụng bộ lọc sóng hài thụ động

Bộ lọc sóng hài thứ tự không (ZSF) được thiết kế để loại bỏ hoặc hạn chế sóng hài thứ tự không trong hệ thống điện, đặc biệt là trong các máy biến áp quấn ngoằn ngoèo. Cấu trúc điển hình của bộ lọc loại này bao gồm cuộn kháng, tụ điện và điện trở.

Sóng hài bậc 0 thường được tạo ra bởi các tải phi tuyến một pha, có thể cộng dồn và dịch chuyển trong dây trung tính, khiến đường dây và thiết bị bị quá tải, quá nhiệt, thậm chí hư hỏng. ZSF tạo ra đường dẫn có trở kháng thấp cho dòng điện hài bậc 0, thường là dòng điện có bậc lẻ của 3 (bậc 3,9,15) để hấp thụ dòng điện hài, ngăn sóng hài chảy ngược vào lưới điện.

Đây là giải pháp lọc sóng hài bậc 0 khá đơn giản và tiết kiệm với hiệu suất lọc khoảng 60 – 95%, tuy nhiên hiệu suất của bộ lọc ZSF sẽ giảm dần theo khoảng cách lắp đặt đến các tải gây ra sóng hài. Nhà sản xuất khuyến cáo khả năng lọc của bộ lọc sóng hài bậc 0 được tối ưu hóa tốt nhất khi lắp đặt gần các tải phi tuyến. Trong trường hợp hệ thống có những thay đổi liên tục thì không nên sử dụng bộ lọc sóng hài thụ động.

Sử dụng bộ lọc sóng hài tích cực

Lọc sóng hài chủ động được coi là phương pháp lọc sóng hài tiên tiến và toàn diện nhất hiện nay, mang lại hiệu quả lọc vượt trội lên tới 80-95%. Không giống như các bộ lọc sóng hài thụ động cần lắp đặt gần nguồn sóng hài, các bộ lọc chủ động được tích hợp vào các bộ phận chỉnh lưu trong bộ biến tần, UPS và một số thiết bị điện tử công suất khác.

Các bộ lọc sóng hài chủ động hoạt động dựa trên việc đo và phân tích các mức hài hiện có trong hệ thống, sau đó đưa vào dòng bù có cùng biên độ nhưng ngược pha để loại bỏ từng mức hài. Ngoài ra, một số bộ lọc sóng hài hiện đại còn tích hợp chức năng bù công suất phản kháng và cân bằng tải, góp phần tăng độ tin cậy cho lưới điện của hệ thống.

Ngoài hiệu suất lọc vượt trội, bộ lọc sóng hài chủ động còn có khả năng đáp ứng nhanh chóng và dễ dàng thích ứng với những thay đổi của tải, giúp người vận hành rất thuận tiện khi mở rộng công suất mà không cần tính toán hay cài đặt lại thông số.

Tìm hiểu về dòng sản phẩm lọc sóng hài BTB Electric đang được Trường Chu Văn An phân phối chính thức tại Việt Nam.

Sử dụng máy biến áp/biến tần lọc sóng hài có sóng hài thấp

Biến tần hiện đại sử dụng công nghệ tích hợp, cho phép giảm sóng hài bậc cao mà không cần sử dụng bộ lọc bên ngoài. Loại biến tần này có hiện tượng méo hài tổng dòng (THDi)

Riêng với máy biến áp lọc sóng hài, sóng hài bậc 3 sẽ được tính toán và lọc đến mức phù hợp với tải. Phương pháp này có chi phí đầu tư tương đối thấp nhưng cần đánh giá đầy đủ các sóng hài trên thiết bị từ thượng nguồn đến hạ lưu.

Lợi ích sau khi lọc sóng hài cho dàn tụ điện

Bảo vệ tụ điện và các thiết bị điện khác là lợi ích dễ thấy nhất của việc lọc sóng hài cho tụ điện. Không dừng lại ở đó, phương án này còn mang lại lợi ích tài chính sâu sắc hơn cho doanh nghiệp.

Giảm chi phí đầu tư (CAPEX)

Tiết kiệm chi phí đầu tư là mối quan tâm hàng đầu của các doanh nghiệp và nhà đầu tư. Việc giảm sóng hài giúp tiết kiệm khá nhiều chi phí để bảo vệ một số thiết bị điện tử nhạy cảm, thậm chí có khi phải thay thế thiết bị hư hỏng… dẫn đến tiết kiệm đáng kể về không gian lắp đặt và thuê nhân công có trình độ kỹ thuật để vận hành.

Trong thời gian ngắn, sóng hài giảm sẽ làm giảm giá trị RMS của dòng điện, do đó làm giảm tiết diện cáp và dòng điện định mức của cầu dao và công tắc tơ.

Giảm chi phí vận hành (OPEX)

Khi hệ thống không còn sóng hài nguy hiểm, tình trạng thất thoát năng lượng và tiền phạt hàng tháng sẽ được kiểm soát. Trong nhiều trường hợp, việc giảm sóng hài có thể tiết kiệm tới 10% hóa đơn tiền điện.

Tăng hiệu quả kinh doanh – sản xuất

Sóng hài là nguyên nhân chính gây ra lỗi ngắt mạch, ngắt mạch hoặc rơle bảo vệ, khiến nhiều thiết bị bị giảm tuổi thọ. Ví dụ, nếu động cơ hoạt động thường xuyên với nhiệt độ tăng 10 độ C thì tuổi thọ hoạt động của động cơ sẽ giảm tới 50%.

Sóng hài cũng gây ra hiện tượng nhấp nháy và hoạt động không ổn định ở một số thiết bị, điều này có thể làm tăng đáng kể chi phí bảo trì và sửa chữa. Nghiêm trọng nhất, việc gián đoạn sản xuất trong dây chuyền nhà máy có thể gây thiệt hại lớn về doanh thu và danh tiếng.

Một số câu hỏi về phương pháp lọc sóng hài cho dàn tụ điện

Câu 1: Phương pháp lọc sóng hài bằng tụ điện nào phổ biến nhất?

Hồi đáp: Sử dụng cuộn kháng cho dàn tụ điện là phương pháp lọc sóng hài của tụ điện phổ biến nhất hiện nay.

Câu 2: Phương pháp lọc sóng hài nào hiệu quả nhất?

Hồi đáp: Hiệu quả của việc lọc sóng hài phụ thuộc vào đặc tính và yêu cầu cụ thể của hệ thống. Trong số đó, bộ lọc sóng hài chủ động hiện đang được nhiều hệ thống công nghiệp hiện đại sử dụng để mang lại hiệu quả lọc sóng hài cao nhất, có thể lên tới 97%, điển hình là bộ lọc sóng hài chủ động AHF của thương hiệu BTB Electric.