Sóng hài được sinh ra từ đâu trong hệ thống có biến tần?

1. Vì sao hệ thống có biến tần thường xuất hiện sóng hài?

Hiện nay, biến tần được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy để điều khiển tốc độ động cơ, tiết kiệm điện năng và nâng cao hiệu quả sản xuất. Tuy nhiên, bên cạnh những lợi ích đó, biến tần cũng là một trong những nguồn phát sinh sóng hài lớn nhất trong hệ thống điện công nghiệp.

Nhiều doanh nghiệp chỉ phát hiện vấn đề khi xuất hiện các hiện tượng như tụ bù thường xuyên hư hỏng, máy biến áp nóng bất thường, dây trung tính quá tải hoặc thiết bị điện tử hoạt động không ổn định. Trong phần lớn các trường hợp, nguyên nhân đều liên quan đến sóng hài phát sinh từ các tải phi tuyến, đặc biệt là biến tần.

Vậy sóng hài được sinh ra từ đâu trong hệ thống có biến tần và chúng ảnh hưởng như thế nào đến hệ thống điện?

2. Sóng hài là gì?

Trong điều kiện lý tưởng, điện áp và dòng điện trên lưới điện có dạng sóng sin với tần số cơ bản 50Hz.

Tuy nhiên, khi trong hệ thống xuất hiện các tải phi tuyến, dòng điện tiêu thụ không còn giữ dạng sóng sin hoàn hảo mà bị méo dạng. Các thành phần tần số là bội số của tần số cơ bản 50Hz được gọi là sóng hài.

Ví dụ:

• Sóng hài bậc 3 = 150Hz
• Sóng hài bậc 5 = 250Hz
• Sóng hài bậc 7 = 350Hz
• Sóng hài bậc 11 = 550Hz

Những thành phần này không tạo ra công suất hữu ích nhưng lại làm gia tăng tổn hao và ảnh hưởng đến chất lượng điện năng.

3. Biến tần sinh ra sóng hài như thế nào?

Để hiểu nguồn gốc của sóng hài, cần xem xét nguyên lý hoạt động của biến tần.

Biến tần không cấp trực tiếp điện áp lưới cho động cơ mà thực hiện quá trình chuyển đổi năng lượng qua hai giai đoạn:

3.1 Giai đoạn 1: Chỉnh lưu AC sang DC

Nguồn điện xoay chiều từ lưới điện được đưa qua bộ chỉnh lưu diode hoặc thyristor để chuyển thành điện áp một chiều.

Chính tại giai đoạn này, biến tần không hút dòng điện liên tục theo dạng hình sin mà hút dòng điện theo từng xung ngắn.

Đây là nguyên nhân trực tiếp tạo ra các thành phần sóng hài trên lưới điện.

3.2 Giai đoạn 2: Nghịch lưu DC sang AC

Nguồn DC tiếp tục được chuyển đổi thành điện áp xoay chiều có tần số thay đổi bằng các linh kiện công suất như IGBT.

Biến tần sử dụng kỹ thuật PWM (Pulse Width Modulation) để tạo ra điện áp đầu ra gần giống sóng sin.

Quá trình đóng cắt tốc độ cao này cũng tạo ra các thành phần tần số cao ảnh hưởng đến động cơ và hệ thống cáp điện.

4. Các bậc sóng hài thường gặp trong hệ thống có biến tần

Đối với biến tần sử dụng bộ chỉnh lưu 6 xung, các bậc sóng hài phổ biến nhất là:

• Bậc 5
• Bậc 7
• Bậc 11
• Bậc 13

Đây là những thành phần chiếm tỷ lệ lớn trong tổng méo hài dòng điện (THDi).

Khi số lượng biến tần trong nhà máy tăng lên, các thành phần sóng hài này sẽ cộng dồn và lan truyền trên toàn hệ thống điện.

5. Sóng hài ảnh hưởng như thế nào đến hệ thống điện?

5.1 Làm nóng máy biến áp

Sóng hài làm tăng giá trị dòng điện hiệu dụng, khiến tổn hao đồng và tổn hao lõi thép tăng lên.

Hậu quả là:

• Máy biến áp nóng bất thường.
• Giảm tuổi thọ cách điện.
• Giảm khả năng mang tải.

5.2 Làm quá tải tụ bù

Đây là sự cố phổ biến nhất trong các nhà máy có nhiều biến tần.

Do trở kháng của tụ điện giảm khi tần số tăng nên dòng sóng hài có xu hướng đi qua tụ bù.

Kết quả là:

• Tụ phát nhiệt.
• Phồng vỏ.
• Cháy cầu chì.
• Nổ tụ bù.

5.3 Gây nóng cáp điện và thanh cái

Dòng điện sóng hài làm tăng tổn hao trên dây dẫn.

Các dấu hiệu thường gặp:

• Cáp nóng bất thường.
• Thanh cái tăng nhiệt độ.
• Hao tổn điện năng.

5.4 Tăng dòng trung tính

Đặc biệt với các thành phần sóng hài bậc 3 và bội số của bậc 3.

Các dòng hài này cộng dồn trên dây trung tính thay vì triệt tiêu như dòng cơ bản.

Hậu quả:

• Dây N quá tải.
• Đầu cốt nóng.
• Nguy cơ cháy nổ.

5.5 Gây nhiễu thiết bị điện tử

Sóng hài có thể ảnh hưởng đến:

• PLC.
• Hệ thống SCADA.
• Thiết bị đo lường.
• Cảm biến.
• Bộ điều khiển tự động.

Làm giảm độ ổn định của hệ thống điều khiển.

6. Làm sao để nhận biết hệ thống đang bị ảnh hưởng bởi sóng hài?

Một số dấu hiệu thường gặp gồm:

• Máy biến áp nóng bất thường.
• Tụ bù thường xuyên hư hỏng.
• Dây trung tính nóng.
• CB nhảy không rõ nguyên nhân.
• Thiết bị điện tử hoạt động không ổn định.
• Hệ số công suất thấp dù đã lắp tụ bù.

Để xác định chính xác, cần sử dụng máy phân tích chất lượng điện năng để đo:

• THDi.
• THDv.
• Phổ sóng hài.
• Dòng trung tính.

7. Giải pháp giảm sóng hài trong hệ thống có biến tần

Tùy theo mức độ ảnh hưởng, có thể áp dụng các giải pháp như:

• Cuộn kháng đầu vào (Line Reactor): Giảm dòng hài phát sinh từ biến tần.
• Tụ bù có cuộn kháng: Ngăn cộng hưởng và bảo vệ tụ bù.
• Bộ lọc sóng hài thụ động (Passive Harmonic Filter): Xử lý các bậc sóng hài xác định.
• Bộ lọc sóng hài chủ động (AHF): Theo dõi và triệt tiêu sóng hài theo thời gian thực.

Đây là giải pháp hiệu quả nhất đối với các nhà máy có nhiều biến tần và tải phi tuyến.

Sóng hài trong hệ thống có biến tần chủ yếu phát sinh từ quá trình chỉnh lưu AC sang DC và đặc tính hút dòng điện dạng xung của biến tần. Khi số lượng biến tần tăng lên, lượng sóng hài cũng tăng theo và có thể gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến máy biến áp, tụ bù, cáp điện, dây trung tính và các thiết bị điều khiển.

Việc đo đạc các chỉ số THDi, THDv và đánh giá chất lượng điện năng định kỳ là bước quan trọng để phát hiện sớm nguy cơ. Đồng thời, áp dụng các giải pháp như cuộn kháng, tụ bù có cuộn kháng hoặc bộ lọc sóng hài chủ động sẽ giúp hệ thống vận hành ổn định, nâng cao tuổi thọ thiết bị và giảm đáng kể chi phí vận hành trong dài hạn.

AT Đông Dương luôn quan tâm đến những khó khăn mà các doanh nghiệp gặp phải trong việc vận hành và đảm bảo sự hoạt động ổn định của hệ thống điện công nghiệp.

Chúng tôi ở đây để giúp bạn giải quyết những vấn đề đó, nhanh chóng, an toàn, với chi phí tốt nhất.

Hãy liên hệ ngay với AT Đông Dương để đem về những thiết bị điện công nghiệp tốt nhất!

Bạn cần tư vấn thêm điều gì, hãy bấm vào ô chat bên dưới góc phải màn hình nhé!

AT Đông Dương sẵn sàng phục vụ bạn!