Cách kiểm tra và giảm thiểu sóng hài để duy trì hiệu suất điện ổn định trong nhà máy

Sóng hài là một "vị khách không mời" nhưng lại khá phổ biến trong các hệ thống điện công nghiệp hiện đại. Chúng là những thành phần tần số bội của tần số cơ bản (50Hz hoặc 60Hz) tồn tại trong dạng sóng điện áp và dòng điện, gây ra nhiều tác hại nghiêm trọng nếu không được kiểm soát.

Sóng hài là gì?

Trong một hệ thống điện lý tưởng, dòng điện và điện áp có dạng hình sin thuần túy với tần số cơ bản (ví dụ 50Hz tại Việt Nam). Tuy nhiên, do sự gia tăng của các tải phi tuyến tính như:

- Bộ chỉnh lưu, bộ biến tần (VFD - Variable Frequency Drive): Dùng trong động cơ điều khiển tốc độ, thiết bị điện tử công suất.

- Bộ cấp nguồn chuyển mạch (SMPS - Switched-Mode Power Supply): Phổ biến trong máy tính, thiết bị điện tử.

- Hệ thống chiếu sáng LED, đèn huỳnh quang compact.

- Hệ thống hàn, lò hồ quang điện, UPS.

Các thiết bị này tiêu thụ dòng điện không tuyến tính, tức là dòng điện không còn dạng hình sin nữa, mà bị biến dạng. Sự biến dạng này có thể phân tích thành tổng hợp của sóng hình sin tần số cơ bản và các sóng hình sin có tần số là bội số nguyên của tần số cơ bản – đó chính là sóng hài. Ví dụ, hài bậc 3 có tần số 3×50Hz=150Hz, hài bậc 5 có tần số 5×50Hz=250Hz, v.v.

Chỉ số quan trọng để đánh giá mức độ biến dạng sóng hài là Tổng độ biến dạng hài (THD - Total Harmonic Distortion) của dòng điện (THDi) và điện áp (THDu).

Tác hại của sóng hài đến thiết bị điện công nghiệp

Sóng hài, dù vô hình, lại có thể gây ra những hậu quả đáng kể cho các thiết bị điện, đặc biệt là:

1. Máy biến áp (MBA)

Quá nhiệt và giảm tuổi thọ: Sóng hài dòng điện chạy qua cuộn dây máy biến áp làm tăng tổn thất đồng (I2R) và tổn thất dòng điện xoáy (eddy current losses) trong lõi thép, dẫn đến quá nhiệt. Nhiệt độ tăng cao làm lão hóa nhanh vật liệu cách điện, giảm đáng kể tuổi thọ của MBA.

Phát sinh tiếng ồn và rung động: Dòng điện hài gây ra lực điện từ không mong muốn, làm lõi thép rung động và phát ra tiếng ồn lớn hơn bình thường.

Giảm khả năng tải: Do tổn thất phụ trội do sóng hài, khả năng tải thực tế của MBA bị giảm xuống, có nghĩa là MBA không thể cung cấp công suất định mức khi có sóng hài mà không bị quá nhiệt.

Phá hủy cuộn dây: Trong trường hợp nghiêm trọng, quá nhiệt cục bộ có thể làm cháy lớp cách điện và gây hỏng cuộn dây.

2. Tụ bù công suất phản kháng

Quá tải và quá nhiệt: Tụ bù có trở kháng nghịch với tần số (Xc=1/(2πfC)). Điều này có nghĩa là ở các tần số hài cao hơn, trở kháng của tụ bù sẽ nhỏ đi đáng kể. Do đó, tụ bù sẽ hút một lượng lớn dòng điện hài, dẫn đến quá tải dòng điện và quá nhiệt.

Phồng, rò rỉ, và phát nổ: Quá nhiệt liên tục sẽ làm suy giảm vật liệu cách điện và dung môi bên trong tụ, gây ra hiện tượng phồng, rò rỉ dầu và cuối cùng là phát nổ, gây nguy hiểm cháy nổ.

Cộng hưởng: Đây là nguy hiểm lớn nhất. Nếu tần số hài nào đó trùng với tần số cộng hưởng của mạch LC (Tụ bù - Cuộn kháng của hệ thống), dòng điện và điện áp hài có thể tăng vọt lên mức cực kỳ cao, gây phá hủy nghiêm trọng cho tụ bù, máy cắt và các thiết bị khác trong hệ thống.

Giảm hiệu quả bù: Dòng hài làm giảm hiệu quả bù công suất phản kháng của tụ bù.

3. Động cơ Servo (Servo Motor) và Động cơ cảm ứng

Quá nhiệt và giảm hiệu suất: Sóng hài điện áp và dòng điện gây ra tổn thất phụ trội trong cuộn dây và lõi thép của động cơ, làm tăng nhiệt độ hoạt động. Điều này làm giảm hiệu suất, tăng tiêu thụ năng lượng và rút ngắn tuổi thọ động cơ.

Rung động và tiếng ồn: Các thành phần hài bậc thấp có thể tạo ra mô-men xoắn rung động, gây ra tiếng ồn lớn và rung lắc cơ học cho động cơ và tải cơ khí.

Sai lệch tốc độ/vị trí (đặc biệt với Servo Motor): Dòng điện hài có thể gây nhiễu cho tín hiệu điều khiển của servo, dẫn đến sai lệch trong việc điều khiển tốc độ và vị trí chính xác.

Hỏng cách điện: Quá nhiệt liên tục do sóng hài có thể làm hỏng lớp cách điện của cuộn dây động cơ, dẫn đến ngắn mạch và cháy động cơ.

Cách kiểm tra sóng hài

Kiểm tra sóng hài là bước đầu tiên và quan trọng nhất để xác định mức độ nghiêm trọng của vấn đề.

1. Thiết bị đo lường

Máy phân tích chất lượng điện năng (Power Quality Analyzer): Đây là thiết bị chuyên dụng và chính xác nhất để đo lường và phân tích sóng hài. Nó có thể hiển thị dạng sóng điện áp/dòng điện, tính toán THD (THDi, THDu), phân tích các bậc hài riêng lẻ, hệ số công suất, v.v.

Ampe kìm hoặc Đồng hồ vạn năng có chức năng đo THD/hài (True RMS with Harmonic Analysis): Một số loại ampe kìm hoặc đồng hồ vạn năng cao cấp có tích hợp khả năng đo THD và các bậc hài cơ bản, phù hợp cho việc kiểm tra nhanh.

2. Điểm đo

Tại đầu vào của nhà máy/tải: Để đánh giá tổng thể mức độ biến dạng do các tải nội bộ gây ra và kiểm tra sự ảnh hưởng từ lưới điện.

Tại đầu vào của các tủ điện chính: Để xác định khu vực nào có lượng sóng hài cao.

Tại các tải phi tuyến lớn: Ví dụ: đầu vào của biến tần, hệ thống chiếu sáng lớn, để xác định nguồn phát sinh sóng hài chính.

Tại vị trí đặt tụ bù: Đặc biệt quan trọng để đánh giá mức độ ảnh hưởng của sóng hài lên tụ bù.

3. Quy trình đo

Thực hiện đo trong các điều kiện tải khác nhau (tải nhẹ, tải trung bình, tải đầy tải) để có cái nhìn toàn diện.

Ghi lại các thông số: THDi, THDu, giá trị các bậc hài riêng lẻ, hệ số công suất, dòng điện, điện áp.

So sánh kết quả với các tiêu chuẩn quy định (ví dụ: IEEE 519-2014 quy định giới hạn sóng hài điện áp và dòng điện tại điểm nối chung PCC - Point of Common Coupling).

Xử lý các sự cố và giải pháp giảm thiểu sóng hài

Sau khi đã xác định được mức độ và nguồn gốc của sóng hài, cần áp dụng các giải pháp phù hợp:

1. Giải pháp thụ động (Passive Solutions)

Lọc hài thụ động (Passive Harmonic Filters):

- Là sự kết hợp của cuộn kháng (L), tụ điện (C) và điện trở (R) được điều chỉnh để tạo ra đường dẫn trở kháng thấp cho một hoặc nhiều bậc hài cụ thể.

- Khi sóng hài đi qua, chúng sẽ bị chuyển hướng qua bộ lọc thay vì đi vào lưới điện chính.

- Ưu điểm: Chi phí tương đối thấp, đơn giản.

- Nhược điểm: Hiệu quả chỉ với các bậc hài cụ thể, có thể gây cộng hưởng nếu thiết kế không đúng, chiếm không gian.

Lắp đặt cuộn kháng trên đường dây (Line Reactors) hoặc cuộn kháng DC (DC Chokes):

- Được lắp đặt nối tiếp với các tải phi tuyến (ví dụ: biến tần) để tăng tổng trở đường dây ở tần số hài, giúp làm mịn dạng sóng dòng điện và giảm THDi.

- Ưu điểm: Đơn giản, hiệu quả với nhiều loại tải phi tuyến.

- Nhược điểm: Có thể gây sụt áp nhỏ và tổn thất năng lượng.

2. Giải pháp chủ động (Active Solutions)

Lọc hài chủ động (Active Harmonic Filters - AHF):

- Là thiết bị điện tử công suất thông minh. Nó giám sát dòng điện hài trong hệ thống, sau đó bơm vào lưới một dòng điện có biên độ bằng và ngược pha với dòng điện hài gây ra, từ đó triệt tiêu sóng hài.

- Ưu điểm: Hiệu quả cao với nhiều bậc hài cùng lúc, tự động thích nghi với sự thay đổi của tải, không gây cộng hưởng, có thể bù công suất phản kháng.

- Nhược điểm: Chi phí cao hơn lọc thụ động.

Biến tần có bộ chỉnh lưu phía nguồn chủ động (Active Front End - AFE VFD):

- Thay vì sử dụng bộ chỉnh lưu diode thông thường, các biến tần AFE sử dụng IGBT ở phía nguồn để tạo ra dòng điện hình sin, giảm đáng kể sóng hài đầu vào.

- Ưu điểm: Tích hợp sẵn trong biến tần, hiệu quả cao.

- Nhược điểm: Chi phí biến tần AFE cao hơn biến tần thông thường.

3. Các giải pháp khác

Tăng cường độ cứng của hệ thống (Increasing System Stiffness): Nếu nguồn cấp có trở kháng thấp (ví dụ: MBA công suất lớn), nó sẽ "hấp thụ" sóng hài tốt hơn. Việc tăng công suất MBA hoặc giảm chiều dài cáp có thể giúp ích.

Phân phối tải hợp lý: Tránh tập trung quá nhiều tải phi tuyến trên cùng một mạch hoặc cùng một máy biến áp. Phân chia tải để giảm thiểu mức độ biến dạng tại từng điểm.

Sử dụng tụ bù có cuộn kháng bảo vệ (Detuned Filters / Choked Capacitors):

- Thay vì chỉ sử dụng tụ bù thuần túy, lắp nối tiếp thêm một cuộn kháng (reactor) với tụ bù.

- Cuộn kháng này sẽ dịch chuyển tần số cộng hưởng của mạch LC ra xa các tần số hài nguy hiểm (đặc biệt là hài bậc 5, 7), giúp bảo vệ tụ bù khỏi quá dòng và cộng hưởng, đồng thời vẫn thực hiện chức năng bù công suất phản kháng.

- Đây là giải pháp phổ biến và hiệu quả để bảo vệ tụ bù trong môi trường có sóng hài.

Đầu tư thiết bị chống sét lan truyền (Surge Protection Devices - SPD): Mặc dù không trực tiếp giảm sóng hài, nhưng sóng hài có thể làm suy yếu cách điện, khiến thiết bị dễ bị tổn thương hơn bởi sét hoặc quá áp đột biến. SPD giúp bảo vệ thiết bị trong các trường hợp này.

Nâng cấp thiết bị cũ: Các thiết bị cũ có thể có khả năng chống chịu sóng hài kém hơn. Cân nhắc nâng cấp lên các thiết bị mới hơn, được thiết kế để hoạt động tốt hơn trong môi trường có sóng hài.

Việc lựa chọn giải pháp phù hợp phụ thuộc vào mức độ sóng hài, đặc điểm của tải, ngân sách và mục tiêu giảm thiểu. Trong nhiều trường hợp, cần kết hợp nhiều giải pháp để đạt được hiệu quả tối ưu. Việc kiểm tra định kỳ và duy trì hệ thống là chìa khóa để đảm bảo hệ thống điện của bạn hoạt động ổn định và an toàn trước tác động của sóng hài.