Biến tần tự sinh ra sóng hài và sóng hài quay lại làm méo dạng điện áp

Giới thiệu

Biến tần (Inverter/VFD) là thiết bị điện tử công suất được sử dụng rộng rãi trong hệ thống điện mặt trời, động cơ công nghiệp, bơm nước, thang máy và nhiều ứng dụng khác. Một trong những vấn đề kỹ thuật thường gặp khi sử dụng biến tần là hiện tượng phát sinh sóng hài (Harmonics), từ đó gây méo dạng điện áp trên lưới điện.

Nhiều người cho rằng điện áp lưới bị méo là nguyên nhân khiến biến tần hoạt động không ổn định. Tuy nhiên trong thực tế, chính biến tần cũng là một nguồn phát sinh sóng hài đáng kể và các sóng hài này có thể quay trở lại hệ thống điện, làm biến dạng dạng sóng điện áp.

Sóng hài là gì?

Trong điều kiện lý tưởng, điện áp xoay chiều có dạng sóng sin hoàn hảo với tần số 50Hz.

$v(t)=V_m\sin(2\pi 50t)$ v(t)=Vmsin(2π50t)

Tuy nhiên khi có các thiết bị điện tử công suất như biến tần, UPS, bộ sạc xe điện, nguồn switching hoạt động, dòng điện tiêu thụ không còn dạng sin mà xuất hiện các thành phần tần số bội số của 50Hz như:

Bậc 3 (150Hz)
Bậc 5 (250Hz)
Bậc 7 (350Hz)
Bậc 11 (550Hz)
Bậc 13 (650Hz)

Các thành phần này được gọi là sóng hài.

Tại sao biến tần tạo ra sóng hài?

Một biến tần hiện đại thường gồm ba khối chính:

Chỉnh lưu AC sang DC
Mạch DC Link
Nghịch lưu DC sang AC bằng PWM

Trong quá trình chỉnh lưu, dòng điện được hút từ lưới theo từng xung ngắn thay vì liên tục.

Kết quả là:

Dòng điện đầu vào không còn dạng sin.
Xuất hiện dòng hài bậc 5, 7, 11, 13…
Tổng méo hài dòng điện (THDi) có thể đạt 30–80% nếu không có bộ lọc.

Đây là đặc tính vốn có của các tải phi tuyến.

Sóng hài quay lại làm méo điện áp như thế nào?

Nhiều kỹ sư thường chỉ đo THDi mà quên mất cơ chế gây méo điện áp.

Theo định luật Ohm:

$V=I\times Z$ V=I×Z

Trong đó:

V: điện áp
I: dòng điện
Z: tổng trở hệ thống

Khi biến tần bơm dòng hài vào lưới:

Dòng hài chạy qua dây dẫn.
Dòng hài chạy qua máy biến áp.
Dòng hài chạy qua CB, MCCB, thanh cái.

Tất cả các phần tử này đều có trở kháng.

Do đó sẽ xuất hiện sụt áp hài:

$V_h=I_h\times Z_h$ Vh=Ih×Zh

Các điện áp hài này cộng chồng lên điện áp cơ bản 50Hz và làm méo dạng sóng điện áp.

Nói cách khác:

Biến tần sinh ra dòng hài → dòng hài đi qua trở kháng hệ thống → xuất hiện điện áp hài → điện áp bị méo.

Vì sao lưới điện yếu dễ bị méo điện áp hơn?

Hai nhà máy sử dụng cùng một loại biến tần có thể cho kết quả hoàn toàn khác nhau.

Trường hợp 1: Lưới mạnh

Máy biến áp công suất lớn.
Dây dẫn ngắn.
Trở kháng hệ thống thấp.

Dòng hài vẫn tồn tại nhưng điện áp hài sinh ra nhỏ.

THDv thường dưới 3%.

Trường hợp 2: Lưới yếu

Máy biến áp nhỏ.
Khoảng cách xa.
Tiết diện cáp nhỏ.

Cùng một lượng dòng hài sẽ tạo ra điện áp hài lớn hơn.

THDv có thể vượt 5–8%.

Đây là lý do nhiều hệ thống điện mặt trời ở vùng nông thôn hoặc cuối tuyến điện lực thường gặp hiện tượng:

Điện áp dao động.
Inverter báo lỗi chất lượng lưới.
Quá áp cục bộ.
Tự ngắt phát điện.

Hiện tượng cộng hưởng làm sóng hài nghiêm trọng hơn

Một rủi ro lớn khác là cộng hưởng giữa:

Tụ bù công suất phản kháng.
Cuộn cảm của máy biến áp.
Trở kháng lưới.

Khi tần số cộng hưởng trùng với bậc sóng hài do biến tần tạo ra, biên độ điện áp hài có thể tăng đột biến.

Hậu quả:

Tụ bù nóng bất thường.
MCCB nhảy không rõ nguyên nhân.
Máy biến áp quá nhiệt.
Thiết bị điện tử hoạt động không ổn định.

Dấu hiệu nhận biết hệ thống đang bị ảnh hưởng bởi sóng hài

Các biểu hiện phổ biến gồm:

Điện áp không ổn định dù tải không thay đổi.
Máy biến áp nóng hơn bình thường.
Tụ bù thường xuyên hư hỏng.
CB hoặc RCD tác động ngẫu nhiên.
Biến tần báo lỗi Grid Quality.
Động cơ rung hoặc phát tiếng ồn bất thường.
Hệ số công suất giảm dù đã bù công suất phản kháng.

Để xác định chính xác cần đo bằng máy phân tích chất lượng điện năng (Power Quality Analyzer).

Giải pháp giảm sóng hài từ biến tần

Cuộn kháng AC đầu vào

Giảm tốc độ thay đổi dòng điện và hạn chế dòng hài bậc thấp.

Thông thường có thể giảm THDi từ 70–80% xuống còn 30–40%.

Cuộn kháng DC Link

Được tích hợp trong nhiều biến tần công suất lớn.

Hiệu quả tốt hơn so với không sử dụng cuộn kháng.

Bộ lọc sóng hài thụ động

Sử dụng tổ hợp:

Cuộn cảm
Tụ điện
Điện trở

Để triệt tiêu các bậc hài mục tiêu.

Bộ lọc sóng hài chủ động (AHF)

Thiết bị đo dòng hài và phát ra dòng ngược pha để triệt tiêu.

Có thể giảm THDi xuống dưới 5%.

Nâng cấp hạ tầng điện

Tăng tiết diện cáp.
Rút ngắn khoảng cách truyền tải.
Nâng công suất máy biến áp.

Mục tiêu là giảm tổng trở hệ thống để hạn chế méo điện áp.

Kết luận

Biến tần không chỉ là thiết bị nhạy cảm với chất lượng điện năng mà còn chính là nguồn phát sinh sóng hài trong hệ thống điện. Các dòng hài do biến tần tạo ra sẽ chạy qua trở kháng của lưới điện và sinh ra điện áp hài, làm méo dạng điện áp cung cấp cho toàn bộ hệ thống.

Do đó, khi đánh giá chất lượng điện năng cho các dự án điện mặt trời, ESS hoặc AI Data Center, cần xem xét đồng thời cả hai chỉ tiêu:

THDi (Total Harmonic Distortion of Current)
THDv (Total Harmonic Distortion of Voltage)

Chỉ khi kiểm soát được cả dòng hài và điện áp hài, hệ thống mới vận hành ổn định, hiệu suất cao và đạt tuổi thọ thiết kế của thiết bị.

admin

all author posts

Menu

Recent Viewed

Biến tần tự sinh ra sóng hài và sóng hài quay lại làm méo dạng điện áp

Giới thiệu

Sóng hài là gì?

Tại sao biến tần tạo ra sóng hài?

Sóng hài quay lại làm méo điện áp như thế nào?