Giảm thiểu sóng hài dòng điện khi sử dụng biến tần – Tạp chí tự động hóa ngày nay | Automation today

Thiết bị đổi khác tần số ( gọi tắt là biến tần ) với những lợi thế và hiệu suất cao tiêu biểu vượt trội đã trở thành lựa chọn mặc địch cho những ứng dụng điều khiển và tinh chỉnh vận tốc động cơ trong công nghiệp kể từ 30 năm về trước tới thời nay. Sự tăng trưởng của ngành công nghiệp bán dẫn và kỹ thuật điều khiển và tinh chỉnh đã làm cho những bộ biến tần có hiệu suất và chất lượng tinh chỉnh và điều khiển ngày càng cao nhưng giá tiền lại ngày càng giảm. Nhờ giá tiền hạ ngày này biến tần không chỉ được sử dụng trong công nghiệp mà còn được sử dụng thoáng rộng trong gia dụng như trong những mạng lưới hệ thống thang máy, những mạng lưới hệ thống thông gió tòa nhà, những điều hòa không khí, … nhằm mục đích tiết kiệm chi phí nguồn năng lượng .
Tuy nhiên việc sử dụng biến tần tạo ra dòng điện với những thành phần sóng hài lớn và với tỷ trọng ngày càng lớn trong tổng phụ tải tiêu thụ nó gây ra áp lực đè nén lớn lên mạng lưới hệ thống cung ứng điện. Sóng hài dòng điện gây ra những tai hại lớn như làm tăng tổn thất trong mạng lưới hệ thống phân phối điện, làm giảm tuổi thọ của những thiết bị điện và ở mức độ lớn hơn nó hoàn toàn có thể gây ra méo dạng sóng điện áp lưới làm cho những thiết bị điện chuyển mạch theo điện áp lưới không hề hoạt động giải trí hay gây cháy nổ cho những tụ điện bù hiệu suất phản kháng. Để nhìn nhận mức độ sóng hài người ta sử dụng tổng độ biến dạng sóng hài dòng điện ( THD ) được định nghĩa như sau :

Trong đó: I­I là giá trị hiệu dụng của sóng hài điện áp bậc i và N là bậc cao nhất của sóng hài cần đánh giá (N thông thường lấy bằng 40 hoặc 50).

Để hạn chế tác động ảnh hưởng của sóng hài trong mạng lưới hệ thống điện, người ta đã đưa ra những tiểu chuẩn và những vương quốc đã vận dụng để kiến thiết xây dựng lên những lao lý pháp lý về phát thải sóng hài với những hộ phát điện và tiêu thụ điện. Với những hộ tiêu thụ điện tại Nước Ta, Điều 32 trong thông tư 39/2015 / TT-BCT của Bộ Công thương Việt nam lao lý mức độ phát thải sóng hài dòng điện với những điểm nối lưới có hiệu suất dưới 50 kW là THD ≤ 20 % và trên 50 kW là THD ≤ 12 % .
Với tỷ trọng phụ tải dùng biến tần ngày những lớn trong tổng phụ tải sử dụng của những hộ tiêu thụ điện, yếu tố bảo vệ thỏa mãn nhu cầu nhu yếu về sóng hài nhỏ hơn mức được cho phép dang trở thành một thử thách so với những kỹ sư trong quy trình phong cách thiết kế và lựa chọn thiết bị cho những mạng lưới hệ thống cung ứng và sử dụng điện. Để giảm thiểu mức độ phát thải sóng hài dòng điện do những bộ biến tần gây ra có hai hướng tiếp cận thông dụng là 1 ) Lựa chọn biến tần có sóng hài dòng điện đầu vào thấp và 2 ) Sử dụng những bộ lọc sóng hài .

Lựa chọn biến tần có sóng hài dòng điện đầu vào thấp

Nguyên nhân đa phần gây ra sóng hài dòng điện của những bộ biến tần nằm ở bộ chỉnh lưu nguồn vào. Các bộ chỉnh lưu cầu 3 pha nối trực tiếp với lưới ( còn được gọi là chỉnh lưu 6 – xung do điện áp một chiều có 6 đỉnh nhấp nhô trong một chu kỳ luân hồi điện áp lưới ) hoàn toàn có thể tạo ra sóng hài dòng điện nguồn vào có THD lên tới 135 %. Để biến tần có sóng hài dòng điện nguồn vào thấp ta hoàn toàn có thể lựa chọn biến tần với bộ chỉnh lưu nguồn vào có sóng hài thấp. Các bộ chỉnh lưu có sóng hài dòng điện đầu vào thấp lúc bấy giờ thông dụng là chỉnh lưu tích cực và những bộ chỉnh lưu nhiều xung .
Biến tần với bộ chỉnh lưu tích cực
Bộ chỉnh lưu tích cực với nhiều ưu điểm nổi trội là dòng điện nguồn vào với mức độ sóng hài thấp, được cho phép biến hóa nguồn năng lượng theo cả hai chiều và kiểm soát và điều chỉnh được hiệu suất phản kháng lúc bấy giờ là lựa chọn ưa thích cho nhiều ứng dụng sử dụng biến tần trong công nghiệp. Về mặt phát thải sóng hài, những bộ chỉnh lưu tích cực có mức phát thải sóng hài thấp với THD < 4 % nên nó cung ứng cho toàn bộ những ứng dụng và mạng lưới hệ thống điện có nhu yếu khắc nghiệt nhất về mức độ phát thải sóng hài. Nhược điểm duy nhất của những bộ chỉnh lưu tích cực là giá tiền khá cao và khi không sử dụng những lợi thế khác ngoài lợi thế về mức độ phát thải sóng hài thấp thì nó thường không được lựa chọn cho những bộ biến tần . Biến tần với bộ chỉnh lưu nhiều xung Bộ chỉnh lưu nhiều xung được tạo ra bằng cách tạo ra những mạng lưới hệ thống điện áp ba pha nhưng lệch nhau một góc bằng một phần nguyên lần của góc dẫn trong chỉnh lưu 6 xung. Vì chỉnh lưu 6 xung có góc dẫn là 60 o điện nên nếu ta tạo ra hai mạng lưới hệ thống điện áp đầu vào ba pha lệch nhau một góc bằng 30 o ( 60 o / 2 ) ta sẽ tạo ra được chỉnh lưu 12 xung và nếu tạo ra ba mạng lưới hệ thống điện áp ba pha lệch nhau 20 o ( 60 o / 3 ) ta sẽ có chỉnh lưu 18 xung. Để tạo ra mạng lưới hệ thống hai điện áp ba pha lệch nhau 30 o của chỉnh lưu 12 xung ta sử dụng biến áp nguồn vào với hai cuộn thứ cấp trong đó một cuộn đấu sao và một cuộn đấu tam giác ( xem Hình 1 ). Trên Hình 2 là dạng sóng dòng diện của chỉnh lưu 12 xung, dòng điện của từng mạng lưới hệ thống điện ba pha này vẫn có tỷ suất sóng hài cao ( THD = 76 % ) như trường hợp chỉnh lưu sáu xung nhưng khi cộng lại qua biến áp thì dòng điện nguồn vào của biến áp có tỷ suất sóng hài thấp ( THD = 12 % ). Tăng giá trị điện cảm nguồn vào từng nhánh ta hoàn toàn có thể giảm trị số THD dòng tổng số hơn nữa nhưng giá trị THD hiệu suất cao nhất với chỉnh lưu 12 xung là khoảng chừng 10 %. Với chỉnh lưu 18 xung, 24 xung cách làm cũng tương tự như nhưng việc đấu nối những cuộn đầu ra của biến áp sử dụng cách đấu zic-zac phức tạp hơn nhiều so với trường hợp chỉnh lưu 12 xung . Trước đây giải pháp chỉnh lưu nhiều xung chỉ ứng dụng cho những biến tần hiệu suất lớn nhưng thời nay ngay nhiều hãng sản xuất phân phối biến tần trang bị sẵn chỉnh lưu dầu vào 12 xung cho cả những biến tần có hiệu suất vừa và nhỏ. Với chỉnh lưu 18 xung và 24 xung mặc dầu cho phép sóng hài dòng điện đầu vào nhỏ hơn nữa nhưng do cách đấu nối phức tạp nên chỉ dùng cho những biến tần có hiệu suất rất lớn và trong những mạng lưới hệ thống phân phối điện có nhu yếu đặc biệt quan trọng về yếu tố phát thải sóng hài .

Hình 1. Sơ đồ chỉnh lưu 12 xung

Hình 2. Dạng sóng dòng điện của chỉnh lưu 12 xung
THD nhánh 1 và 2 : 76 %, THD dòng tổng : 12 %

Sử dụng các bộ lọc sóng hài

Phương án sử dụng những bộ lọc sóng hài đã được tăng trưởng và sử dụng từ lâu. Các giải pháp truyền thống lịch sử thường sử dụng những thành phần bị động ( passive ) để kiến thiết xây dựng những bộ lọc và thuộc nhóm những bộ lọc bị động. Ngày nay với sự tăng trưởng của những thành phần bán dẫn hiệu suất lớn và kỹ thuật tinh chỉnh và điều khiển điện tử hiệu suất, những bộ lọc tích cực ( Active Filter ) đã sinh ra và phân phối được những yên cầu của lọc sóng hài với chất lượng tiêu biểu vượt trội. Phương án sử dụng bộ lọc sóng hài thường được kiến thiết xây dựng cho những ứng dụng đơn cử và có những giải pháp tiêu biểu vượt trội như sau :

Sử dụng các bộ lọc tích cực (Active Filter)

Các bộ lọc tích cực triển khai việc nghiên cứu và phân tích liên tục dòng điện của phụ tải để điều khiển và tinh chỉnh thiết bị điện tử hiệu suất tạo ra dòng điện hài ngược lại so với dòng điện hài của phụ tải từ đó triệt tiêu ảnh hưởng tác động của sóng hài dòng điện lên lưới. Ưu điểm của những bộ lọc tích cực là hoàn toàn có thể đạt được hiệu suất cao lọc cao với THD dòng điện sau lọc hoàn toàn có thể ở mức dưới 5 %. Những ưu điểm khác của giải pháp sử dụng bộ lọc tích cực là hoàn toàn có thể thực thi lọc với dạng sóng hài dòng điện bất kể, hoàn toàn có thể lựa chọn lọc từng sóng hài, hoàn toàn có thể tích hợp triển khai bù hiệu suất phản kháng và thuận tiện lắp ráp. Với những ưu điểm đó giải pháp sử dụng bộ lọc tích cực được lựa chọn ngày một nhiều cho những mạng lưới hệ thống đã lắp ráp và giờ đây cần giảm mức độ phát thải sóng hài đặc biệt quan trọng trong những ứng dụng có nhiều thành phần sóng hài không biết trước. Mặc dù có chất lượng lọc tiêu biểu vượt trội nhưng tựa như như giải pháp sử dụng chỉnh lưu tích cực, điểm yếu kém lớn nhất của giải pháp sử dụng lọc tích cực là giá tiền cao và là nguyên do chính mà nhiều chủ góp vốn đầu tư không lựa chọn khi hoàn toàn có thể lựa chọn giải pháp khác .
Sử dụng những bộ lọc bị động lọc từng sóng hài
Phân tích dòng điện nguồn vào của những bộ chỉnh lưu kiểu 6 xung lắp cho những biến tần ta thấy có những thành phần sóng hài bậc 5, bậc 7 và bậc 11 là lớn nhất. Do vậy hoàn toàn có thể phong cách thiết kế những bộ lọc lọc riêng từng thành phần sóng hài này và giải pháp được lựa chọn là sử dụng ba mạch lọc cộng hưởng kiểu L-C có tần số cộng hưởng tương ứng bằng 5 lần, 7 lần và 11 lần tần số lưới. Ưu điểm của giải pháp này là đơn thuần và có độ an toàn và đáng tin cậy cao, bảo vệ lọc được những thành phần sóng hài đã phong cách thiết kế. Nhược điểm của giải pháp này là hiệu suất cao lọc giảm khi tần số lưới biến hóa, những thành phần có size lớn, cồng kềnh nên giá tiền cũng không nhỏ và nó chỉ được lựa chọn cho những ứng dụng có hiệu suất rất lớn như những lò nấu, luyện thép, …
Sử dụng những cuộn cảm
Phương án đơn thuần nhất để giảm sóng hài dòng điện nguồn vào của những biến tần là lắp những cuộn cảm đầu vào hoặc cuộn cảm trong mạch một chiều trung gian của biến tần. Hình 3 là dạng sóng dòng điện với những trường hợp sử dụng cuộn kháng xoay chiều và một chiều nguồn vào so với trường hợp không dùng cuộn kháng và Hình 4 là nghiên cứu và phân tích Fourier của nó. Giá trị điện cảm càng tăng thì tỷ suất sóng hài càng giảm. Trên hình 3 cho thấy quan hệ của tỷ suất sóng hài theo tích của giá trị điện cảm và hiệu suất động cơ và ta thấy giá trị điện cảm tăng sẽ làm THD giảm hiệu suất cao nhất tới khoảng chừng 40 %. Từ khoảng chừng THD dưới 30 % phải tăng giá trị điện cảm nhiều nhưng không làm THD giảm nhiều. Hơn nữa việc lắp thêm cuộn kháng xoay chiều ở đầu vào của biến tần sẽ làm giảm điện áp nguồn vào, cả cuộn kháng xoay chiều và cuộn kháng trong mạch một chiều trung gian sẽ làm giảm đáp ứng động của biến tần với tải biến hóa nên việc lắp cuộn kháng chỉ sử dụng để giảm tổng sóng hài tới mức THD ở 40 % tới 30 % mà không lựa chọn cho trường hợp nhu yếu thấp hơn vì cả nguyên do kỹ thuật và kinh tế tài chính. Vì nguyên do này giải pháp sử dụng cuộn kháng là lựa chọn tốt nhất cho những mạng lưới hệ thống cung ứng điện có tỷ suất phụ tải biến tần dưới 25 % tổng phụ tải. Khi tỷ suất phụ tải biến tần lớn hơn ta phải xem xét giải pháp phối hợp cuộn cảm với dịch pha điện áp sẽ trình diễn dưới đây .

Hình 3. Dạng sóng dòng điện đầu vào biến tần trong các trường hợp dùng cuộn kháng AC (THD=42%), dùng cuộn kháng DC (THD=35%) và không dùng cuộn kháng (THD=117%)

Hình 4. Phân tích Fourier của dạng sóng dòng điện tương ứng với những trường hợp dùng cuộn kháng AC, dùng cuộn kháng DC và không sử dụng cuộn kháng

Hình 5. Quan hệ giữ chỉ số THD và điện cảm DC
Kết hợp cuộn cảm với dịch pha điện áp
Phương án dịch pha điện áp có cách tiếp cận tương tự như giải pháp chỉnh lưu 12 xung là tạo ra hai điện áp ba pha lệch nhau 30 o. Các phụ tải biến tần trong mạng lưới hệ thống sẽ được phân loại thành hai nhánh cấp bởi hai mạng lưới hệ thống điện áp ba pha lệch nhau 30 o. Khác với chỉnh lưu 12 xung là giải pháp này những chỉnh lưu 6 xung không cấp điện cho một mạch DC chung mà nhiều mạch DC khác nhau nên yên cầu người phong cách thiết kế phải am hiểu hoạt động giải trí của toàn mạng lưới hệ thống để phân loại tải vào hai nhánh điện áp ba pha sao cho cân đối nhất .
Trên Hình 6 là dạng sóng dòng điện trong hai nhánh và dòng điện tổng. Dòng điện trong hai nhánh có tỷ suất sóng hài như trường hợp sử dụng cuộn kháng thường thì ( có nghĩa là có THD khoảng chừng từ 30 % tới 40 % ) nhưng khi phối hợp lại ta sẽ có dòng tổng nguồn vào có tổng sóng hài THD nhỏ hơn 12 %, phân phối được nhu yếu. Nhờ sự tích hợp cuộn kháng nguồn vào của từng biến tần mà phần nhiều đã được trang bị cùng với biến tần với việc dịch pha điện áp nên giải pháp này có giá thành chỉ bằng từ 25 % tới 30 % giá tiền của những giải pháp khác mà vẫn cung ứng được nhu yếu về sóng hài của Thông tư 39/2015 / TT-BCT. Nhược điểm của giải pháp này do phải phân loại phụ tải biến tần vào hai nhánh điện áp nên tỷ suất sóng hài thực tiễn sẽ tăng lên khi tải giữa hai nhánh mất cân đối .
Phương án này cũng không vận dụng được với trường hợp có một phụ tải biến tần mà hiệu suất lớn hơn 50 % tổng hiệu suất những phụ tải biến tần. Với trường hợp này cần tách riêng biến tần có hiệu suất lớn đó ra để sử dụng giải pháp khác còn những biến tần còn lại vận dụng giải pháp này. Tuy có những điểm yếu kém như vậy nhưng kinh nghiệm tay nghề tư vấn phong cách thiết kế và tiến hành những dự án Bất Động Sản lọc sóng hài tại Viện Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa – ĐHBK TP.HN cho thấy giải pháp này khá hiệu suất cao so với thực tiễn của những hộ tiêu thụ điện tại Nước Ta. Phương án này hoàn toàn có thể vận dụng hiệu suất cao cho những hộ tiêu thụ điện có tỷ suất hiệu suất của phụ tải biến tần với tổng hiệu suất tiêu thụ lên tới 60 % và nếu được phong cách thiết kế khôn khéo nó hoàn toàn có thể vận dụng cho trường hợp mà tỷ suất này lên tới 90 % .

Hình 6. Dạng sóng dòng điện của giải pháp tích hợp cuộn kháng với dịch pha điện áp với THD dòng điện nhánh 1 và 2 là 42 %, THD dòng điện tổng là 7 %

Hình 7. Phân tích Fourier dạng sóng dòng điện của giải pháp tích hợp cuộn kháng nguồn vào và dịch pha điện áp
Các giải pháp lọc sóng hài dòng điện gây ra bởi biến tần chỉ thực sự hiệu suất cao về cả kỹ thuật và kinh tế tài chính khi nó được thiết kế xây dựng trên cơ sở nghiên cứu và phân tích hoạt động giải trí của mạng lưới hệ thống công nghệ tiên tiến. Một giải pháp hoàn toàn có thể là tốt với trường hợp này nhưng chưa chắc đã tốt với trường hợp khác. Khi phong cách thiết kế những giải pháp lọc sóng hài yên cầu người kỹ sư phải xem xét tổng thể và toàn diện cả yếu tố kỹ thuật và kinh tế tài chính nhằm mục đích tìm ra giải pháp tương thích. Bài viết tổng hợp những kinh nghiệm tay nghề của Viện Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa – ĐHBK TP. Hà Nội trong quy trình thiết kế xây dựng những giải pháp lọc sóng hài khác nhau cho nhiều hộ tiêu thụ điện khác nhau trong công nghiệp và gia dụng để đưa ra bức tranh tổng quan về yếu tố lọc sóng hài tại những hộ tiêu thụ điện ở Nước Ta .

               Phạm Quang Đăng, Viện KT Điều khiển và Tự động hóa – ĐHBK Hà Nội

Source: https://dichvubachkhoa.vn
Category : Linh Kiện Và Vật Tư