Từ A Đến Z Các Ảnh hưởng của sóng hài đến hệ thống điện và cách giảm thiểu 

Sóng hài (Harmonics) là một trong những vấn đề nghiêm trọng nhất của chất lượng điện năng trong sản xuất công nghiệp hiện đại. Nó là kết quả của việc sử dụng các thiết bị điện tử công suất phi tuyến tính, trong đó biến tần là một ví dụ điển hình. Sự hiện diện của sóng hài gây ra nhiều hệ lầm tiêu cực, không chỉ ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của biến tần và động cơ mà còn đe dọa sự ổn định của toàn bộ hệ thống điện. Nó có thể làm nóng quá mức các thiết bị, gây ra lỗi trong hệ thống điều khiển, và thậm chí làm hỏng thiết bị nhạy cảm. Bài viết này sẽ cung cấp một cái nhìn chuyên sâu về sóng hài, từ nguyên nhân phát sinh, những ảnh hưởng của sóng hài đến hệ thống điện và cách giảm thiểu hiệu quả. Chúng ta sẽ tìm hiểu vai trò của biến tần trong việc tạo ra sóng hài và cách chúng ta có thể kiểm soát vấn đề này.

1. Sóng hài là gì và nguyên nhân phát sinh

1.1. Khái niệm sóng hài và phân loại

Sóng hài là các sóng sin có tần số là bội số nguyên của tần số cơ bản (thường là 50Hz hoặc 60Hz), chúng là kết quả của sự biến dạng dòng điện hoặc điện áp trong hệ thống điện. Dạng sóng lý tưởng của dòng điện và điện áp trong lưới điện là dạng sin hoàn hảo ở tần số cơ bản (50/60Hz). Tuy nhiên, khi các thiết bị điện tử công suất phi tuyến tính hoạt động, chúng tiêu thụ dòng điện không theo dạng sin, tạo ra các thành phần tần số cao hơn và làm méo dạng sóng cơ bản.

Các thành phần này chính là sóng hài.

• Sóng hài dòng điện (Current Harmonics): Là các sóng hài phát sinh trong dòng điện, gây ra bởi các tải phi tuyến tính như biến tần. Nó xuất hiện khi các thiết bị này lấy dòng điện từ lưới trong những khoảng thời gian ngắn, tạo ra các xung dòng điện méo mó thay vì một dạng sóng sin mượt mà.
• Sóng hài điện áp (Voltage Harmonics): Là các sóng hài trong điện áp, thường là hậu quả của sóng hài dòng điện chạy qua trở kháng của lưới điện. Khi dòng điện sóng hài chạy qua trở kháng của hệ thống, nó tạo ra sụt áp ở tần số sóng hài, làm biến dạng dạng sóng điện áp. Mức độ biến dạng này phụ thuộc vào cường độ sóng hài dòng điện và trở kháng của lưới.

1.2. Nguyên nhân chính gây ra sóng hài

Nguyên nhân chính của sóng hài là việc sử dụng các thiết bị điện tử công suất phi tuyến tính, chúng là các thiết bị có trở kháng thay đổi theo điện áp hoặc dòng điện. Các thiết bị này bao gồm:

• Biến tần (Inverter) và bộ khởi động mềm: Biến tần là nguồn phát sinh sóng hài phổ biến nhất trong môi trường sản xuất công nghiệp. Bộ chỉnh lưu ở ngõ vào của biến tần sử dụng các điốt hoặc thyristor để chuyển đổi nguồn AC thành DC. Quá trình này chỉ cho phép dòng điện chạy qua trong một phần của chu kỳ sóng sin, tạo ra các xung dòng điện dẹt, méo mó và giàu sóng hài.
• Bộ nguồn chuyển mạch (Switch-mode power supplies – SMPS): SMPS được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị văn phòng, máy tính, và thiết bị viễn thông. Nó hoạt động tương tự như bộ chỉnh lưu của biến tần, gây ra các xung dòng điện ngắn và sắc nhọn, là nguồn chính tạo ra sóng hài trong các tòa nhà thương mại và văn phòng.
• Bộ sạc ắc quy công nghiệp: Các bộ sạc này có cấu tạo tương tự bộ chỉnh lưu của biến tần, sử dụng các thyristor để điều khiển quá trình sạc, do đó chúng cũng là một nguồn phát sinh sóng hài đáng kể.

2. Ảnh hưởng của sóng hài đến hệ thống điện và thiết bị

2.1. Ảnh hưởng đến các thiết bị điện

Sóng hài có thể gây ra nhiều ảnh hưởng tiêu cực đến các thiết bị điện, chúng làm giảm tuổi thọ và gây hỏng hóc các thiết bị một cách trực tiếp.

• Quá nhiệt cho động cơ và biến áp: Sóng hài dòng điện làm tăng tổn thất trong lõi và cuộn dây của động cơ và biến áp, dẫn đến quá nhiệt và giảm tuổi thọ. Các thành phần của sóng hài tần số cao gây ra tổn thất dòng điện xoáy và tổn thất từ trễ trong lõi, làm tăng nhiệt độ hoạt động. Điều này đặc biệt nguy hiểm với động cơ, vì quá nhiệt làm suy giảm cách điện, dẫn đến hư hỏng cuộn dây và hỏng hóc hoàn toàn.
• Hư hỏng tụ bù công suất phản kháng: Tụ bù cộng hưởng với sóng hài, gây ra quá dòng và hư hỏng. Tụ bù và cuộn cảm trong hệ thống điện tạo thành một mạch LC. Khi tần số sóng hài trùng với tần số cộng hưởng của mạch, nó gây ra dòng điện và điện áp cực lớn trên tụ, dẫn đến quá tải và nổ. Điều này không chỉ gây hư hỏng tụ bù mà còn có thể làm gián đoạn hoạt động của toàn hệ thống.
• Lỗi và hỏng hóc cho các thiết bị điện tử nhạy cảm: Các thiết bị điện tử nhạy cảm như PLC, máy tính công nghiệp, và thiết bị đo lường có thể bị nhiễu và hoạt động không ổn định. Sóng hài điện áp làm biến dạng dạng sóng điện áp, gây ra các tín hiệu sai lệch trong mạch điều khiển của các thiết bị này, dẫn đến hoạt động sai lệch hoặc hỏng hóc vĩnh viễn.
• Dây dẫn và thiết bị đóng cắt: Sóng hài làm tăng tổn thất trên dây dẫn và các tiếp điểm, có thể gây quá nhiệt và đứt dây. Dòng điện sóng hài tần số cao làm tăng hiệu ứng bề mặt (skin effect), khiến dòng điện tập trung ở bề mặt dây dẫn, làm tăng tổn thất và quá nhiệt.

2.2. Ảnh hưởng đến hiệu suất hệ thống

Sóng hài làm giảm hiệu suất hoạt động của toàn bộ hệ thống điện, nó gây ra những tổn thất không mong muốn và làm giảm chất lượng điện năng.

• Giảm hiệu suất hệ thống: Sóng hài làm tăng tổn thất công suất, làm giảm hiệu suất truyền tải điện năng. Các thành phần của sóng hài không đóng góp vào công suất hữu ích nhưng lại làm tăng dòng điện RMS, dẫn đến tăng tổn thất trên dây dẫn và thiết bị. Hậu quả là doanh nghiệp phải trả nhiều tiền điện hơn cho cùng một lượng công việc.
• Biến dạng sóng điện áp: Sóng hài điện áp làm biến dạng sóng điện áp, gây ảnh hưởng đến hoạt động của các thiết bị khác trong hệ thống. Một dạng sóng điện áp bị méo mó có thể ảnh hưởng đến các thiết bị điện không phải là nguồn phát sinh sóng hài, khiến chúng hoạt động kém hiệu quả hoặc bị hỏng hóc.
• Sai số trong đo lường: Các thiết bị đo lường thông thường có thể đưa ra kết quả sai lệch khi có sóng hài, dẫn đến việc tính toán và quản lý năng lượng không chính xác. Hậu quả là doanh nghiệp có thể không nhận thức được mức độ tổn thất năng lượng và không thể đưa ra các quyết định quản lý năng lượng hiệu quả.

3. Các giải pháp giảm thiểu sóng hài hiệu quả

3.1. Các giải pháp chủ động

Các giải pháp chủ động là những giải pháp tiên tiến, có khả năng điều chỉnh và triệt tiêu sóng hài một cách linh hoạt, chúng thường mang lại hiệu quả cao nhưng chi phí đầu tư ban đầu cũng lớn hơn.

• Bộ lọc tích cực (Active Harmonic Filter – AHF): AHF là một thiết bị điện tử công suất, tạo ra dòng điện sóng hài ngược pha để triệt tiêu sóng hài từ tải phi tuyến tính. Nó đo lường các thành phần sóng hài của dòng tải và sau đó bơm một dòng điện có cùng biên độ nhưng ngược pha vào hệ thống điện, làm triệt tiêu sóng hài và khôi phục dạng sóng dòng điện gần như sin.
• Biến tần có bộ chỉnh lưu sáu xung / mười hai xung: Biến tần sáu xung là loại phổ biến nhất và là nguồn phát sinh sóng hài. Biến tần mười hai xung sử dụng bộ chỉnh lưu phức tạp hơn với hai bộ cầu chỉnh lưu sáu xung được nối song song và lệch pha nhau, giúp giảm sóng hài đáng kể (thường loại bỏ được sóng hài bậc 5 và 7).
• Biến tần với công nghệ AFE (Active Front End): Biến tần AFE sử dụng một bộ chỉnh lưu chủ động, có thể điều khiển được để tạo ra dạng sóng dòng điện gần như sin, giảm sóng hài xuống mức rất thấp. Công nghệ này sử dụng các linh kiện bán dẫn như IGBT để điều khiển dòng điện đầu vào, cho phép nó điều chỉnh dòng điện lấy vào từ lưới theo dạng sin, gần như không có sóng hài. Nó cũng có khả năng trả năng lượng về lưới.

3.2. Các giải pháp bị động

Các giải pháp bị động là những giải pháp truyền thống, sử dụng các thành phần thụ động để lọc sóng hài, chúng có chi phí thấp hơn nhưng hiệu quả có thể kém hơn và chỉ hiệu quả với các tần số sóng hài cố định.

• Bộ lọc bị động (Passive Harmonic Filter): Bộ lọc này bao gồm các tụ điện, cuộn cảm và điện trở, được thiết kế để tạo ra trở kháng thấp tại tần số sóng hài, dẫn sóng hài xuống đất hoặc trở lại nguồn. Bộ lọc bị động được thiết kế để triệt tiêu các sóng hài ở một hoặc vài tần số cụ thể (ví dụ: bậc 5, 7, 11).
• Cuộn kháng AC/DC (Line/DC Choke): Cuộn kháng được lắp đặt ở ngõ vào biến tần (AC choke) hoặc ở mạch DC trung gian (DC choke) để tăng trở kháng đối với sóng hài, giảm méo dạng dòng điện. Nó làm cho dạng sóng dòng điện trở nên mượt mà hơn, giảm tổng méo hài dòng điện (THD_I) và bảo vệ bộ chỉnh lưu của biến tần.
• Sử dụng biến áp: Biến áp đa cuộn dây có thể giúp giảm sóng hài bằng cách cô lập các tải phi tuyến tính. Một biến áp có thể được thiết kế với nhiều cuộn dây thứ cấp để cung cấp năng lượng cho nhiều tải phi tuyến tính, giúp loại bỏ một số sóng hài bậc thấp (ví dụ: biến áp nối kiểu Dd0-Yy0 loại bỏ sóng hài bậc 3).

4. Lựa chọn và triển khai giải pháp phù hợp

4.1. Đánh giá và đo lường sóng hài

Trước khi triển khai giải pháp, cần sử dụng thiết bị đo lường chuyên dụng để đánh giá mức độ sóng hài hiện có trong hệ thống điện, nó là bước đầu tiên để chẩn đoán vấn đề.

• Thực hiện khảo sát chất lượng điện năng: Đo lường các thông số như tổng méo hài dòng điện (THD_I), tổng méo hài điện áp (THD_V), và các sóng hài riêng lẻ. Thiết bị đo lường chuyên dụng sẽ cho phép bạn phân tích phổ tần số của dòng điện và điện áp để xác định các bậc sóng hài phổ biến và mức độ ảnh hưởng của chúng.
• Sử dụng phần mềm mô phỏng: Mô phỏng các giải pháp khác nhau để dự đoán hiệu quả và lựa chọn giải pháp tối ưu. Phần mềm mô phỏng giúp bạn đánh giá tác động của các giải pháp giảm thiểu trước khi đầu tư vào thiết bị thực tế, giúp tiết kiệm chi phí và thời gian.

4.2. Các tiêu chuẩn và quy định

Việc giảm thiểu sóng hài phải tuân thủ các tiêu chuẩn như IEEE 519 và IEC 61000, quy định giới hạn sóng hài cho cả người sử dụng và nhà cung cấp điện.

Tiêu chuẩn	Nội dung chính	Mức độ áp dụng
IEEE 519-2014	Tiêu chuẩn này quy định giới hạn tổng méo hài điện áp (THD_V) và tổng méo hài dòng điện (THD_I) tại điểm kết nối chung (PCC). Nó được áp dụng rộng rãi ở Mỹ và các khu vực khác trên thế giới.	Quốc tế, đặc biệt là Bắc Mỹ
IEC 61000	Bộ tiêu chuẩn về tương thích điện từ (EMC), bao gồm cả các phần liên quan đến sóng hài và các yêu cầu về phát xạ và miễn nhiễm sóng hài.	Quốc tế, đặc biệt là châu Âu

4.3. Các yếu tố cần xem xét khi lựa chọn giải pháp

Lựa chọn giải pháp phù hợp phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm chi phí, hiệu suất và mức độ phức tạp của hệ thống.

• Chi phí đầu tư và vận hành: AHF có chi phí cao hơn nhưng hiệu quả tốt hơn trong việc giảm nhiều bậc sóng hài. Bộ lọc bị động chi phí thấp hơn nhưng hiệu quả có thể kém hơn.
• Hiệu suất hệ thống: Lựa chọn giải pháp không chỉ giảm sóng hài mà còn phải đảm bảo không làm giảm hiệu suất hoạt động của toàn bộ hệ thống. Một số giải pháp có thể gây ra tổn thất năng lượng hoặc ảnh hưởng đến hiệu suất của biến tần.
• Mức độ phức tạp của hệ thống: AHF và biến tần AFE yêu cầu kiến thức chuyên sâu hơn để lắp đặt và bảo trì. Các giải pháp bị động thường đơn giản hơn và dễ triển khai hơn.

5. Kết luận

Sóng hài là một thách thức không thể tránh khỏi trong sản xuất công nghiệp hiện đại, nhưng với sự hiểu biết và các giải pháp giảm thiểu phù hợp, nó hoàn toàn có thể được kiểm soát. Việc đầu tư vào các giải pháp như bộ lọc tích cực, biến tần AFE hay cuộn kháng không chỉ giúp bảo vệ thiết bị điện và biến tần, mà còn đảm bảo chất lượng điện năng, từ đó nâng cao hiệu suất hoạt động và sự ổn định của toàn bộ hệ thống. Chúng tôi khuyến nghị bạn luôn thực hiện đánh giá và đo lường sóng hài định kỳ, đồng thời lựa chọn các giải pháp giảm thiểu phù hợp với quy mô và yêu cầu cụ thể của doanh nghiệp để xây dựng một môi trường sản xuất công nghiệp an toàn và bền vững.