Ngày nay, các thiết bị điện sử dụng trong đời sống dân sinh cũng như sản xuất công nghiệp hết sức đa dạng và phong phú về số lượng và chủng loại, đồng nghĩa kéo theo đó là yêu cầu nâng cao khả năng đáp ứng về truyền tải và chất lượng của hệ thống cung cấp điện.

Như ta đã biết rằng, điện năng truyền tải trong hệ thống cung cấp điện thông qua việc sử dụng một sóng điện từ có tần số 50 Hz (Việt Nam) hoặc 60 Hz (Mỹ, Nhật), gọi là sóng cơ bản. Tuy nhiên trong thực tế, do một số nguyên nhân như: Sự cố đường dây, các phụ tải phi tuyến như: tải lò nung, tải bể điện phân, tải bể mạ… làm cho phát sinh phía nguồn hệ thống cung cấp điện các sóng điện từ có tần số bằng bội số nguyên lần tần số cơ bản. Các sóng này gọi chung là sóng điều hòa bậc cao (hay còn gọi là sóng hài).

Sự tồn tại của các sóng hài trong hệ thống điện gây ảnh hưởng không tốt tới các thiết bị điện và đường dây truyền tải. Chúng gây ra hiện tượng: quá áp, méo điện áp lưới và dòng điện, tổn thất điện năng, quá nhiệt cho các phụ tải, giảm chất lượng điện năng và gián đoạn cung cấp điện.

Sóng hài là gì?

Sóng hài là thành phần tần số cao hơn không mong muốn là bội số nguyên của tần số cơ bản. Sóng hài tạo ra sự biến dạng trong dạng sóng cơ bản. Sóng chu kỳ không sin có thể coi như là tổng của các dạng sóng hài mà tần số của nó là bội số nguyên của tần số cơ bản.

Các dạng sóng điện áp hình sin được tạo ra tại các nhà máy điện, trạm điện lớn có chất lượng tốt. Tuy nhiên, càng di chuyển về phía phụ tải, đặc biệt là các phụ tải phi tuyến thì các dạng sóng càng bị méo dạng. Khi đó dạng sóng không còn dạng sin.

sóng hài
Hình ảnh: Biểu đồ sóng hài

Nguồn sóng hài

Sóng hài được tạo ra do các tải phi tuyến tính như cuộn cảm bằng sắt, bộ chỉnh lưu, chấn lưu điện tử trong đèn huỳnh quang, máy biến áp chuyển mạch, ánh sáng phóng điện, thiết bị từ bão hòa và các tải khác có bản chất cảm ứng cao.

Sóng hài cũng là do các mạch chuyển đổi điện tử mạnh nhất như bộ chỉnh lưu điều khiển silicon, bóng bán dẫn công suất, bộ chuyển đổi công suất và bộ truyền động điện tử như bộ biến tần hoặc bộ biến tần biến điện áp. Các mạch chuyển mạch này chỉ tạo ra dòng điện ở các giá trị đỉnh của nguồn điện xoay chiều và vì dòng điện chuyển mạch là phi tuyến tính nên dòng tải có bản chất không phải hình sin và nó chứa các sóng hài.

Ảnh hưởng của Sóng hài

Các tần số hài trong lưới điện gây ra các vấn đề về chất lượng điện năng.

Sóng hài trong hệ thống điện dẫn đến tăng nhiệt trong thiết bị và dây dẫn và tạo ra mô-men xoắn trong động cơ .

Sóng hài làm tăng nhiệt độ vận hành và tổn thất sắt (tổn hao dòng điện từ trễ và dòng điện xoáy) trong động cơ xoay chiều và máy biến áp vì tổn thất từ ​​trễ tỷ lệ với tần số và tổn thất dòng điện xoáy tỷ lệ với bình phương của tần số.

Sóng hài tạo ra sự sai lạc trong các bộ truyền động tốc độ thay đổi vì sóng hài cao hơn tần số cơ bản và ở tần số cơ bản, máy điện xoay chiều có một tốc độ cụ thể gọi là tốc độ đồng bộ vì vậy ở tần số cao hơn, chúng ta có sự chênh lệch tốc độ tức là trượt Sự khác biệt.

Trong động cơ cảm ứng hiện tượng bò xảy ra do sóng hài không gian tạo ra bởi các dòng điện trong cuộn dây.

Sóng hài thời gian

Các sóng hài được tạo ra bởi một nguồn thay đổi không hình sin theo thời gian luôn có mặt trong nguồn cung cấp đầu vào được gọi là sóng hài thời gian.

Sóng hài không gian

Các sóng hài là kết quả của sự phân bố không theo hình sin của các cuộn dây trong máy và rãnh, do đó khe hở không khí và thông lượng không phân bố theo hình sin trong không gian được gọi là sóng hài không gian.

Cách tính toán sóng hài

Sóng hài là điện áp hoặc dòng điện hình sin là một số nguyên ở bội số của tần số cơ bản mà tại đó hệ thống cung cấp được thiết kế để hoạt động.

Nó có thể được biểu thị dưới dạng 2f, 3f, 4f, 5f, …, nf

Các loại sóng hài

Với điều kiện vận hành cân bằng các sóng điều hòa bậc cao có thể chia thành các thành phần thứ tự thuận, nghịch và không:

  • Thành phần thứ tự thuận các sóng hài bậc 4, 7, 11…
  • Thành phần thứ tự nghịch các sóng hài bậc 2, 5, 8…
  • Thành phần thứ tự không các sóng hài 3, 6, 9…

Khi xảy ra trường hợp không cân bằng trong các pha thì mỗi sóng điều hài có thể bao gồm một trong ba thành phần trên.

Ảnh hưởng của các sóng hài

Ảnh hưởng quan trọng nhất của sóng điều hòa bậc cao đó là việc làm tăng giá trị hiệu dụng cũng như giá trị đỉnh của dòng điện và điện áp.

Khi giá trị hiệu dụng và giá trị biên độ của tín hiệu điện áp hay dòng điện tăng do sóng điều hòa bậc cao, sẽ dẫn đến tăng tổn hao nhiệt, làm hỏng cách điện của các thiết bị, gây ra các hỏng hóc không mong muốn.

Ảnh hưởng của sóng điều hòa bậc cao lênn một số thiết bị như sau:

  • Các máy điện quay: Tổn hao trên cuộn dây và lõi thép của động cơ tăng; Làm méo mômen, giảm hiệu suất máy, gây tiếng ồn; Có thể gây ra dao động cộng hưởng cơ khí làm hỏng các bộ phận cơ khí…
  • Các thiết bị đóng cắt: Làm tăng nhiệt độ và tổn hao trên thiết bị; Có thể gây hiện tượng khó đóng cắt, kéo dài quá trình dập hồ quang dẫn đến tuổi thọ của thiết bị giảm…
  • Các rơ le bảo vệ: Có thể gây tác động sai, tác động ngược, …
  • Các tụ điện: Làm gia tăng tổn hao nhiệt, tăng ứng suất điện môi (làm giảm dung lượng tụ), gây hiện tượng cộng hưởng trên tụ…
  • Các dụng cụ đo: Ảnh hưởng đến sai số của các thiết bị sử dụng đĩa cảm ứng, như: điện kế, rơ le quá dòng…
  • Thiết bị điều khiển điện tử công suất: Việc điện áp bị méo có thể gây ra trường hợp xác định điểm không để tính góc mở cho các khóa điện tử công suất bị sai, làm cho mạch hoạt động không chính xác…

Sóng hài điện áp

Sóng hài điện áp được tạo ra bởi sóng hài hiện tại làm biến dạng dạng sóng điện áp. Sự biến dạng hiện tại tương tác với trở kháng của hệ thống tạo ra sự biến dạng điện áp.

Các tải phi tuyến tính tạo ra dòng điện giàu thành phần tần số hài tạo ra điện áp hài.

Sóng hài thứ tự chẵn và lẻ

Các sóng hài xuất hiện ở tần số 3f, 5f, 7f, 9f … được gọi là sóng hài bậc lẻ. Các sóng hài xuất hiện ở tần số 2f, 4f, 6f, 8f … được gọi là sóng hài bậc chẵn.


Hy vọng qua bài viết trên mang lại nhiều thông tin giá trị về sóng hài là gì và các ảnh hưởng của sóng hài đến hệ thống điện. Chúc bạn thành công!

Đọc thêm: