Lý do xuất hiện sóng hài bậc cao trong hệ thống điện hiện đại
Các thiết bị điện của thế giới hiện đại ngày càng trở nên phức tạp hơn, đặc biệt là các công nghệ CNTT. Do xu hướng này, các hệ thống đảm bảo chất lượng điện năng phải đáp ứng các yêu cầu sau: chúng chỉ đơn giản là phải dễ dàng xử lý các dao động, đột biến, sụt áp, nhiễu, nhiễu xung, v.v., để mạng công nghiệp và người dùng liên quan có thể hoạt động bình thường.
Định hình lại điện áp lưới do sóng hài gây ra bởi tải phi tuyến tính là một trong những vấn đề chính cần giải quyết. Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét các khía cạnh chuyên sâu của vấn đề này.
Bản chất của vấn đề là gì
Phần chính của thiết bị văn phòng hiện tại, máy tính, văn phòng, thiết bị đa phương tiện nói chung là tải phi tuyến tính, được kết nối với số lượng lớn trong mạng điện chung, làm biến dạng hình dạng của điện áp mạng.
Điện áp bị biến dạng này được các thiết bị điện khác cảm nhận một cách đau đớn và đôi khi làm gián đoạn đáng kể hoạt động bình thường của chúng: nó gây ra trục trặc, quá nhiệt, phá vỡ đồng bộ hóa, tạo nhiễu trong mạng truyền dữ liệu — nói chung, điện áp xoay chiều không hình sin có thể gây ra nhiều loại thiết bị , quy trình và sự bất tiện cho mọi người, bao gồm cả vật chất.
Biến dạng điện áp như vậy được mô tả bằng một cặp hệ số: hệ số hình sin, phản ánh tỷ lệ giữa giá trị rms của sóng hài cao hơn với giá trị rms của sóng hài cơ bản của điện áp mạng và hệ số đỉnh tải, bằng một tỷ lệ giữa mức tiêu thụ dòng cực đại với dòng tải hiệu dụng.
Tại sao sóng hài cao hơn lại nguy hiểm?
Các tác động gây ra bởi biểu hiện của sóng hài bậc cao có thể được chia theo thời gian tiếp xúc thành tức thì và lâu dài. Người ta thường đề cập đến tức thời: biến dạng dạng điện áp cung cấp, sụt áp mạng phân phối, các hiệu ứng hài bao gồm cộng hưởng tần số hài, nhiễu có hại trong mạng truyền dữ liệu, nhiễu trong dải âm thanh, rung động của máy móc. Các vấn đề dài hạn bao gồm: tổn thất nhiệt quá mức trong máy phát điện và máy biến áp, tụ điện và mạng phân phối (dây điện) quá nóng.
Sóng hài và hình dạng điện áp đường dây
Dòng điện cực đại đáng kể trong một nửa sóng hình sin của mạng dẫn đến sự gia tăng hệ số đỉnh.Dòng điện cực đại càng cao và càng ngắn thì độ méo càng mạnh, trong khi hệ số lược phụ thuộc vào khả năng của nguồn điện, vào điện trở trong của nó - liệu nó có thể cung cấp dòng điện cực đại như vậy hay không. Một số nguồn phải được đánh giá quá cao so với công suất định mức của chúng, ví dụ như các cuộn dây đặc biệt phải được sử dụng trong máy phát điện.
Nhưng các bộ nguồn liên tục (UPS) đối phó với vấn đề này tốt hơn nhiều: nhờ chuyển đổi kép, chúng có thể kiểm soát dòng tải bất cứ lúc nào và điều chỉnh nó bằng PWM, giúp tránh các sự cố do hệ số dòng điện cao . Nói cách khác, hệ số đỉnh cao không phải là vấn đề đối với một UPS chất lượng.
Sóng hài cao hơn và sụt áp
Như đã lưu ý ở trên, UPS xử lý tốt các hệ số đỉnh cao và độ méo dạng sóng của chúng không vượt quá 6%. Kết nối dây ở đây, như một quy luật, không quan trọng, chúng khá ngắn. Nhưng do có nhiều sóng hài trong điện áp đường dây, dạng sóng dòng điện sẽ lệch khỏi hình sin, đặc biệt là đối với các sóng hài tần số cao lẻ được tạo ra bởi bộ chỉnh lưu một pha và ba pha (xem hình).
Trở kháng phức tạp của mạng phân phối thường là tính chất quy nạp, do đó, sóng hài hiện tại với số lượng lớn sẽ dẫn đến sụt áp đáng kể trên đường dây dài 100 mét và những sụt áp này có thể vượt quá mức cho phép, do đó hình dạng điện áp trên tải sẽ bị biến dạng.
Ví dụ: lưu ý dòng điện đầu ra của bộ chỉnh lưu đi-ốt một pha thay đổi như thế nào ở các trở kháng mạng khác nhau, tùy thuộc vào điện trở của bộ lọc đầu vào của thiết bị được cấp nguồn có đầu vào không biến áp và điều này ảnh hưởng như thế nào đến dạng sóng điện áp.
Bài toán bội âm bậc ba
Thứ ba, thứ chín, thứ mười lăm, v.v. - hài cao hơn của dòng điện lưới được đặc trưng bởi các hệ số biên độ cao. Những sóng hài này phát sinh từ tải một pha và ảnh hưởng của chúng đối với hệ thống ba pha là khá cụ thể. Nếu như hệ thống ba pha là đối xứng, các dòng điện lệch nhau 120 độ và tổng dòng điện trong dây trung tính bằng 0, — không có điện áp rơi trên dây.
Điều này đúng về mặt lý thuyết đối với hầu hết các sóng hài, nhưng một số sóng hài được đặc trưng bởi sự quay của vectơ dòng điện theo cùng hướng với vectơ dòng điện của sóng hài cơ bản. Kết quả là, ở vùng trung tính, các hài bậc lẻ là bội số của bậc ba được xếp chồng lên nhau. Và vì các sóng hài này chiếm đa số, nên tổng dòng trung tính có thể vượt quá dòng pha: giả sử, dòng pha 20 ampe sẽ tạo ra dòng trung tính có tần số 150 Hz ở 30 ampe.
Một dây cáp được thiết kế mà không tính đến ảnh hưởng của sóng hài có thể bị quá nóng bởi vì theo suy nghĩ, tiết diện của nó đáng lẽ phải được tăng lên. Các bội số hài của bậc ba được bù trong mạch ba pha 360 độ so với nhau.
Cộng hưởng, nhiễu, tiếng ồn, độ rung, nhiệt
Mạng lưới phân phối có nguy cơ cộng hưởng ở các sóng hài dòng điện hoặc điện áp cao hơn, trong những trường hợp này, thành phần sóng hài hóa ra cao hơn tần số cơ bản, điều này ảnh hưởng tiêu cực đến các thành phần và thiết bị của hệ thống.
Các mạng truyền dữ liệu nằm gần các đường dây điện mà các dòng điện có sóng hài cao hơn có thể bị nhiễu, tín hiệu thông tin trong chúng bị suy giảm, trong khi khoảng cách từ đường dây đến mạng càng ngắn thì độ dài kết nối của chúng càng lớn, càng cao tần số sóng hài—tín hiệu thông tin méo càng lớn.
Máy biến áp và cuộn cảm bắt đầu phát ra nhiều tiếng ồn hơn do sóng hài cao hơn, động cơ điện trải qua các xung trong từ thông, dẫn đến các rung động mô-men xoắn trên trục. Máy điện và máy biến áp xảy ra hiện tượng quá nhiệt và tổn thất nhiệt. Trong các tụ điện, góc tổn thất điện môi tăng với tần số cao hơn so với lưới điện và chúng bắt đầu quá nóng, có thể xảy ra sự cố điện môi. Không cần thiết phải nói về tổn thất trong đường dây do nhiệt độ của chúng tăng lên ...