Sóng hài bậc cao là một trong những tác nhân chính gây ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả sử dụng biến tần trong công nghiệp. Vậy sóng hài là gì? Tác hại của sóng hài ra sao? Cùng Hoàng Ngân TEC tìm hiểu ngay bài viết dưới đây nhé!

Bài viết này có gì?

Sóng hài là gì?

Sóng hài là một dạng sóng nhiễu không hình sin không mong muốn, ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng lưới điện và cần được chú ý tới khi tổng các dòng điện hài cao hơn mức độ giới hạn cho phép.

Có thể nói, sóng hài là một hiện tượng không mong đợi trong lưới điện, là kết quả của cảm kháng từ hóa phi tuyến từ các thiết bị như máy biến áp, lò hồ quang, máy hàn công nghiệp và cuộn kháng điện hoạt động trên cơ sở cảm ứng điện từ. Những thiết bị này gây ra sự méo mó trong dạng sóng điện, tạo ra các thành phần có tần số cao hơn so với tần số cơ bản của lưới.

Những thành phần tần số cao này, được gọi là dòng điện hài, không thể được sử dụng một cách hiệu quả bởi các thiết bị trên lưới. Thay vào đó, chúng bị chuyển hóa thành nhiệt năng, dẫn đến tổn hao năng lượng không mong muốn. Ví dụ, một dòng điện 250Hz trên lưới 50Hz được coi là sóng hài bậc 5, và năng lượng của nó không thể được khai thác hiệu quả. Do đó, khi tổng các dòng điện hài vượt quá mức giới hạn cho phép, chất lượng lưới điện sẽ bị ảnh hưởng nghiêm trọng, và vấn đề này cần được giải quyết để đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả của hệ thống điện.

Nguyên nhân hình thành sóng hài

Nguyên nhân gây ra sóng hài là do sự hiện diện của các phụ tải phi tuyến trong hệ thống điện. Mặc dù điện áp đầu vào của tải phi tuyến có dạng hình sin, nhưng dòng điện qua chúng lại có dạng không sin. Bất kỳ dạng sóng nào đều có thể được biểu diễn như tổng của các sóng sin. Khi một dạng sóng lặp đi lặp lại giữa các chu kỳ, nó có thể được mô tả bằng sóng sin cơ bản và các sóng sin bội số của tần số cơ bản, tạo thành chuỗi Fourier.

Quá trình tính toán có thể được thực hiện riêng rẽ cho mỗi hài. Kết quả tính toán của từng tần số sẽ được tổng hợp lại để tạo thành dạng sóng tổng quát của chuỗi Fourier, nếu cần thiết. Thông thường, người ta chỉ cần quan tâm đến biên độ của sóng hài. Khi cả nửa chu kỳ âm và dương của một dạng sóng đều có hình dạng giống nhau, chuỗi Fourier chỉ chứa các hài bậc lẻ. Do hầu hết các thiết bị sinh ra sóng hài thường có dạng sóng đối xứng, trong thực tế, vì vậy bạn chỉ cần xem xét các sóng hài bậc lẻ như 3, 5, 7, …

Tác hại của sóng hài

Tác hại của sóng hài tới biến tần

Sóng hài, một dạng nhiễu không mong muốn, tác động trực tiếp đến chất lượng điện năng, xuất hiện khi sử dụng các tải không tuyến tính như biến tần, bộ chuyển điện thế, UPS, và nhiều thiết bị khác. Sự hiện diện của sóng hài gây ra những tác hại nghiêm trọng đối với các thiết bị, máy móc được sử dụng trong nhà máy, bao gồm:

Làm giảm tuổi thọ của động cơ, dẫn đến sự hỏng hóc sớm hơn dự kiến.
Gây quá tải, quá nhiệt và nguy cơ cháy nổ cho máy biến áp, mặc dù lượng điện sử dụng vẫn nằm trong giới hạn định mức.
Ảnh hưởng đến hoạt động của máy cắt, aptomat, cầu chì mà không có nguyên nhân rõ ràng.
Rút ngắn tuổi thọ của tụ bù, thậm chí gây ra hiện tượng nổ tụ bù bất thường.
Gây nhiễu ảnh hưởng đến các thiết bị viễn thông, hệ thống tự động hóa như PLC, Role, và nhiều thiết bị khác.
Làm sai lệch kết quả đo của các thiết bị đo lường.

Dẫn đến lãng phí năng lượng không đáng có.

Như vậy, sóng hài không chỉ ảnh hưởng đến chất lượng điện năng mà còn gây ra nhiều hậu quả nghiêm trọng cho hoạt động sản xuất và các thiết bị điện trong nhà máy. Vì vậy, việc kiểm soát và giảm thiểu sóng hài là vô cùng quan trọng để đảm bảo hoạt động an toàn, ổn định và hiệu quả của hệ thống điện trong môi trường sản xuất.

Sóng hài bậc thấp nguy hiểm hơn sóng hài bậc cao

Sóng hài bậc thấp, đặc biệt là sóng hài bậc 3, được coi là có tính nguy hại cao hơn so với sóng hài bậc cao (bậc 5, bậc 7, v.v…) trong quá trình sử dụng biến tần. Khi xuất hiện sóng hài bậc 3, biến tần có thể dẫn tới sự mất ổn định từ đó làm giảm hiệu suất làm việc. Nguyên nhân khiến sóng hài bậc thấp nguy hiểm hơn sóng hài bậc cao có 5 yếu tố chính.

Độ lớn của sóng

Về mức độ biên độ, sóng hài bậc thấp thường có biên độ lớn hơn so với sóng hài bậc cao. Điều này đồng nghĩa với việc chúng có khả năng gây ra sự biến dạng nghiêm trọng hơn trong dạng sóng điện áp và dòng điện trong hệ thống điện.

Độ cộng hưởng

Sóng hài bậc thấp có nguy cơ cao hơn trong việc gây ra hiện tượng cộng hưởng trong hệ thống điện. Cộng hưởng xảy ra khi tần số của sóng hài trùng với tần số đặc trưng của hệ thống, dẫn đến sự khuếch đại của mức điện áp và dòng điện. Hiện tượng này có thể gây ra hư hỏng thiết bị và ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng điện năng.

Làm nóng

Bên cạnh gây ra hiện tượng cộng hưởng, sóng hài bậc thấp còn có khả năng làm tăng đáng kể nhiệt độ trong các thiết bị điện như máy biến áp, động cơ và cáp. Nhiệt lượng dư thừa do sóng hài tạo ra có thể làm giảm tuổi thọ của thiết bị và gia tăng nguy cơ hư hỏng.

Biến dạng điện áp

Ngoài ra, sóng hài bậc thấp có thể gây ra biến dạng điện áp nghiêm trọng trong hệ thống, dẫn đến các vấn đề như dao động ánh sáng trong hệ thống chiếu sáng, sự cố trong các thiết bị nhạy cảm và làm giảm chất lượng điện năng nói chung.

Hệ số công suất

So với sóng hài bậc cao, sóng hài bậc thấp có tác động tiêu cực lớn hơn đến hệ số công suất của hệ thống. Hệ số công suất thấp có thể dẫn đến chi phí năng lượng cao hơn, tăng tổn thất trong hệ thống và giảm hiệu suất hoạt động của thiết bị điện.

Mặc dù tất cả các sóng hài đều có tác động bất lợi đến hệ thống điện, nhưng sóng hài bậc thấp được coi là nguy hiểm hơn do có biên độ lớn, nguy cơ cộng hưởng cao, tác động nhiệt độ lớn, gây biến dạng điện áp nghiêm trọng và ảnh hưởng tiêu cực đến hệ số công suất. Do đó, việc theo dõi và kiểm soát sóng hài, đặc biệt là sóng hài bậc thấp, là rất quan trọng để đảm bảo hoạt động ổn định, tin cậy và hiệu quả của hệ thống điện.

Tại sao sóng hài bậc 5 lại nguy hiểm hơn sóng hài bậc 7? Độ lớn sóng hài thường tỉ lệ nghịch với bậc sóng hài

Trong sóng hài bậc cao, sóng hài bậc 5 là dạng sóng nguy hiểm hơn so với sóng hài bậc 7. Nguyên nhân chính là do biên độ (độ lớn) của sóng hài thường có mối quan hệ nghịch với bậc của nó. Cụ thể, biên độ của sóng hài có thể tỉ lệ nghịch với bậc, bình phương bậc, lập phương bậc, hoặc các mối quan hệ khác tùy thuộc vào bản chất của sóng hài. Điều này có nghĩa rằng, đối với các bậc cao hơn, biên độ của sóng hài sẽ nhỏ hơn.

Với biên độ nhỏ hơn, các sóng hài bậc cao như bậc 7 sẽ ít gây ảnh hưởng hơn đến hệ thống điện hoặc mạch điện tử. Chúng sẽ làm giảm ít điện áp trên cáp hơn, tỏa ít nhiệt hơn, và do đó lãng phí ít năng lượng hơn trong cáp so với các sóng hài bậc thấp như bậc 5.

Mối quan hệ giữa biên độ và bậc của sóng hài có thể được nhận thấy khi xác định biểu thức toán học của các hệ số Fourier theo phương pháp phân tích. Ngoài ra, điều này cũng có thể được quan sát khi xác định giá trị của các hệ số Fourier đầu tiên theo phương pháp số.

Ví dụ, bên dưới Hoàng Ngân TEC đã trình bày các hệ số Fourier (ở dạng lượng giác) của một số dạng sóng cơ bản:

Hệ số Fourier của nhiều dạng sóng cơ bản

Trong hình ảnh trên, hệ số n được highlight vàng. Lưu ý rằng hệ số n này luôn nằm trong mẫu số. Vì vậy, khi n (bậc của sóng hài) tăng, biên độ của sóng hài giảm.

—Một ví dụ khác, hãy xem xét phổ tần số sau của tải phi tuyến tính:

Sóng hài bậc thấp hơn có cường độ (magnitude) lớn hơn.

Giải pháp hạn chế sóng hài

Để giải quyết vấn đề sóng hài, bước đầu tiên là xác định nguyên nhân gây ra chúng để có thể áp dụng giải pháp hạn chế phù hợp nhất. Một trong những nguồn phát sinh sóng hài phổ biến là các bộ biến tần. Các linh kiện phi tuyến bên trong bộ biến tần trong quá trình hoạt động sẽ làm tăng dòng điện hài. Để khắc phục tình trạng này, chúng ta có thể sử dụng bộ lọc bên ngoài hoặc chuyển sang loại bộ biến tần phát ra ít sóng hài hơn.

Hãng biến tần Inovance hiểu được tâm lý khách hàng nên đã cho ra mắt giải pháp giảm sóng hài mới, với chức năng tích hợp trực tiếp trong bộ biến tần công suất cao có thể kể đến như: biến tần Inovance MD500, Inovance MD290, v.v.. Những bộ biến tần này sử dụng công nghệ điều khiển mô-men xoắn trực tiếp (Direct Torque Control) để giảm sóng hài mà không cần sử dụng bộ lọc bên ngoài. Theo kiểm định thực tế, các bộ biến tần mới này có thể giảm thiểu sóng hài với tổng dòng méo thấp hơn 5%.

Ngoài ra, bạn cũng có thể sử dụng cuộn kháng lọc sóng hài. Phương pháp này áp dụng bằng cách lắp đặt thêm cuộn kháng vào tụ bù nhằm đảm bảo tuổi thọ của tụ và lọc sóng hài. Hiện nay, có nhiều loại cuộn kháng khác nhau ứng với các bậc sóng hài khác nhau như 6%, 7%, 14%. Sử dụng cuộn kháng AC hoặc DC được coi là giải pháp tốt nhất đối với các ứng dụng cần lọc cho nguồn lưới bị nhiễu nặng.

Có nhiều giải pháp khác nhau để hạn chế sóng hài, từ việc sử dụng bộ biến tần mới với công nghệ giảm sóng hài tích hợp cho đến việc lắp đặt bộ lọc bên ngoài hoặc cuộn kháng lọc sóng hài. Lựa chọn giải pháp phù hợp sẽ phụ thuộc vào nguyên nhân cụ thể gây ra sóng hài và yêu cầu của hệ thống.

Kết luận

Sóng hài bậc thấp, đặc biệt là bậc 3, nguy hiểm hơn sóng hài bậc cao (bậc 5 hay bậc 7) vì có biên độ lớn hơn, dễ gây cộng hưởng, làm tăng nhiệt độ thiết bị, gây biến dạng điện áp nghiêm trọng và ảnh hưởng tiêu cực đến hệ số công suất. Trên đây là toàn bộ những thông tin về tại sao sóng hài bậc thấp nguy hiểm hơn sóng hài bậc cao và tác hại của sóng hài, hy vọng đã giúp ích cho bạn. Nếu bạn có bất kỳ thắc mắc nào vui lòng liên hệ Hoàng Ngân TEC qua số hotline 0962.070.538 hoặc Zalo OA để được tư vấn nhanh nhất nhé!