BỘ CÔNG THƯƠNG
VỤ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ
BÁO CÁO ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP BỘ
Nghiên cứu chế tạo thiết bị tiết kiệm năng lượng
thông qua việc lọc, thu và sử dụng năng lượng
sóng hài ĐƠN VỊ THỰC HIỆN: TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: THS. PHẠM VĂN HIỆP
điện. Trong khi thị trường xử phạt sóng hài và công suất phản kháng ở
nhiều nước trên thế giới diễn ra hết sức sôi động thì ở nước ta xử phạt sóng
hài và công suất phản kháng chưa thực sự được coi là một dạng hàng hoá
mà mới được trao đổi dưới dạng phạt hệ số cos. Theo nghị định số
45/2001/NĐ-CP của chính phủ “nếu khách hàng dùng điện với hệ số cos
nhỏ hơn 0,85 thì sẽ phải trả thêm tiền mua điện năng tác dụng theo một hệ
số phạt (k) luỹ tiến”. Tuy nhiên trong thực tế vấn đề phạt hệ số cos thấp
mới chỉ được áp dụng đối với những phụ tải có công suất lớn và mốc phạt
cos còn thấp“0,85”. Mặt khác khi khách hàng có hệ số cosphi lớn hơn
mức quy định thì lại chưa được đề cập đến… Tất cả những vấn đề trên vẫn
còn là sự thách thức lớn, đòi hỏi phải có sự nghiên cứu tiếp.
Đối với những phụ tải đã bị nhiễm sóng hài nếu chúng ta không khắc
phục lọc bỏ hài mà chỉ áp dụng phương án tăng hệ số cosphi thì đây không
phải là bài toán tối ưu. Trong bối cảnh như vừa trình bày, mục tiêu của đề
tài nhằm vào bốn nội dung chính để giải quyết một phần nhỏ trong nhiều
vấn đề cần giải quyết đồng bộ mới mang lại hiệu quả cho lưới điện.
ĐỀ TÀI
Nghiên cứu chế tạo thiết bị tiết kiệm năng lượng thông qua việc
lọc, thu và sử dụng năng lượng sóng hài
Thời gian thực hiện:
Từ tháng 01/2011 đến tháng 12/2011
Kinh phí:
- Tổng số: 150.000.000 VNĐ
- Trong đó, từ Ngân sách SNKH: 150.000.000 VNĐ
Họ tên chủ nhiệm đề tài: Phạm Văn Hiệp
Chức vụ: Giám đốc Trung tâm nghiên cứu ứng dụng Khoa học và chuyển
giao công nghệ.
Cơ quan: Trường Đại học Điện lực
Địa chỉ: 235 Hoàng Quốc Việt – Từ Liêm – Hà Nội
Email:

1.1.1. Sóng hài là gì
Sóng hài là một dạng nhiễu không mong muốn, ảnh hưởng trực
tiếp tới chất lượng lưới điện và cần được chú ý tới khi tổng các dòng
điện hài cao hơn mức độ giới hạn cho phép. Dòng điện hài là dòng điện
có tần số là bội của tần số cơ bản. Ví dụ dòng 250Hz trên lưới 50Hz là
sóng hài bậc 5.
Dòng điện 250Hz là dòng năng lượng không sử dụng được với các
thiết bị trên lưới. Vì vậy, nó sẽ bị chuyển hoá sang dạng nhiệt năng và
gây tổn hao.

Sóng hài được đặc trưng của dao động hoàn toàn trên phổ tần số công
nghiệp cơ bản. Thành phần sóng hài trong nguồn AC được định nghĩa là
thành phần sin của một chu kỳ sóng có tần số bằng số nguyên lần tần số cơ
bản của hệ thống.
f
h
= h.f
b

trong đó: h là số nguyên dương.
Sóng hài làm méo dạng điện áp lưới có thể do các nguyên nhân sau:

Hình1.1a: Sóng hài bậc cao của
bộ điều chỉnh DC tải công suất lớn.Hình1.1b: Sóng hài bậc cao của
bộ điều chỉnh DC tải công suất
thấp.

(1.1)
Trong đó:
f(t) là hàm tuần hoàn tần số f
0
, tần số góc ω
0
=2f
0
, chu kỳ T=1/f
0
=2/ω
o
.
C
1
sin(ω
0
t+
1
) là thành phần cơ bản.
C
h
sin(hω
0
t+
h
) là các thành phần sóng hài bậc h với biên độ C
h

0
t.
A
h
=


2π
0
T
0
0
)dxf(t)cos(hx
π
1
t)dtf(t)cos(h
T
2


(
1
.
3
)

B
h
=


h
h
B
A
)

(
1
.
5
)

Quá trình tính toán có thể độc lập với mỗi hài riêng. Kết quả tính toán
của mỗi tần số sẽ
được
kết hợp vào một dạng của chuỗi Fourier để có dạng
sóng ra tổng quát nếu cần. Thông thường chỉ cần quan tâm đến biên độ của
sóng hài.
Khi cả nửa chu kỳ âm, dương của một dạng sóng có dạng đồng nhất,
chuỗi Fourier chỉ chứa hài bậc lẻ. Điều này làm đơn giản cho quá trình nghiên
cứu hệ thống vì hầu hết các thiết bị sinh ra sóng hài thông thường có dạng
sóng đồng nhất. Tuy nhiên sự xuất hiện của sóng hài thường gây ra sự cố cho
các thiết bị tải hoặc các bộ biến đổi dùng cho đo lường.
Thực tế có một số loại sóng như sau:
-
Đối xứng lẻ f(-t) = - f(t), không có số hạng sin, trong khai triển Fourier.
-
Đối xứng chẵn f(-t) = f(t), không có số hạng cos trong khai triển
Fourier.
-

1h
h0h
)θtcos(hU

(
1
.
7
)

Trong một hệ thống ba pha cân bằng các thành phần sóng hài riêng lẻ
gồm các thành phần thứ tự thuận, nghịch và không khai triển Fourier của điện
áp pha như sau:
u
a
(t) = U
1
cos(
ω
0
t) + U
2
co
s(2
ω
0
t) + U
3
cos(3
ω

2
cos(2
ω
0
t
-
240
0
) +
U
3
cos(3ω
0
t-360
0
) + U
4
cos(4ω
0
t-480
0
) + U
5
cos(5ω
0
t-
600
0
) + …


4
cos(4ω
0
t+480
0
)+U
5
cos(5ω
0
t+600
0
)
+ …
(
1
.
10
)

Tổng điện thế hiệu dụng là:
U
ph rms
=

1h
2
h
U
2
1

2
cos(2 ω
0
t-30
0
) + U
4
cos(4ω
0
t+30
0
) + U
5
cos(5ω
0
t-
30
0
) + …]

(
1
.
12
)

Biểu thức (1.12) trên cho thấy sóng hài bậc 3 không xuất hiện trong điện
áp dây, điện áp dây hiệu dụng là:
U
LL rms

-
Nếu tồn tại sóng hài thì tồn tại các dòng điện thứ tự nghịch và thứ tự
không, ngay cả khi hệ thống cân bằng (đối xứng).
-
Các dòng điện hài bội 3 cân bằng, thứ tự không (bậc của dòng điện hài
có thể chia được cho 3) không thể chạy vào trong các mạch nối tam giác
() hoặc mạch không có nối đất.
1.2. Các nguồn sinh ra sóng hài.
Các tải công nghiệp: Các thiết bị điện tử công suất, lò hồ quang, máy
hàn, bộ khởi động điện tử, đóng mạch máy biến áp công suất lớn…
Các tải dân dụng: Đèn phóng điện chất khí, tivi, máy photocopy, máy
tính, lò vi sóng…
Bảng 1.1: Trình bày dạng sóng của một số tải phi tuyến và hệ số méo của
chúng. Độ méo điều hòa phụ thuộc chế độ vận hành của thiết bị do sự đối
xứng của dạng sóng dòng điện, phân tích phổ của chúng chỉ chứa các điều
hòa bậc lẻ. Phổ có thể gián đoạn hoặc liên tục, có tính ngẫu nhiên hoặc lặp lại.
Với nhiều biện pháp khác nhau, người ta có thể giảm một số sóng hài
đến một giá trị nhỏ không đáng kể - việc khử bỏ hoàn toàn chúng tất nhiên
không thể hoàn toàn thực hiện được.
Tải phi
tuyến
Dạng sóng dòng điện Phân tích phổ
Hệ số
méo
Bộ biến đổi
tốc độ 44%
Bộ chỉnh

3
= I
m
sin(3t - 
3
);
i
5
= I
m5
.sin(5t - 
5
);
i
7
= I
m7
.sin(7t - 
7
)
i
h
= I
mh
.sin(ht - 
h
); (1.14)
Trong đó: I
mh
là biên độ của sóng hài bậc h.

1.3. Tác hại sóng hài lên lưới điện.
Sóng hài là dạng nhiễu không mong muốn ảnh hưởng trực tiếp đến
chất lượng điện năng, xuất hiện khi sử dụng những tải không tuyến tính (biến
tần, bộ chuyển điện thế, UPS,…) có tác dụng rất xấu đến những thiết bị, máy
móc được sử dụng trong nhà máy như:
- Giảm tuổi thọ động cơ
- Quá tải CB, quá nhiệt và gây cháy nổ máy biến áp (trong khi
lượng điện sử dụng vẫn nhỏ hơn định mức)
- Nổ tụ bù bất thường
- Gây nhiễu ảnh hưởng đến hệ thống tự động hóa như PLC, Sensor
- Lãng phí năng lượng…
1.3.1. Máy biến áp
Ảnh hưởng của các sóng hài trên các máy biến áp là các dòng điều hoà
gây nên sự gia tăng tổn thất đồng và tổn thất từ thông tản, các sóng hài gây
nên sự gia tăng tổn thất sắt. Ảnh hưởng toàn bộ là sự gia tăng nhiệt độ máy
biến áp. Theo tiêu chuẩn IEEE C57.15.00-1980 giá trị giới hạn đối với sóng
hài dòng điện trong máy biến áp là 0,5pu đối với hệ số điều hoà dòng điện.
Tiêu chuẩn này cũng yêu cầu trị số quá điện áp hiệu dụng cực đại mà máy
biến áp có thể chịu đựng ở trạng thái xác lập 5% khi tải định mức và 10% khi
không tải.
Điều cần lưu ý là các tổn thất máy biến áp bị gây nên bởi cả các điện áp
điều hoà và các dòng điện điều hoà là phụ thuộc vào tần số. Các tổn thất gia
tăng cùng với sự gia tăng tần số do vậy các thành phần điều hoà tần số cao
hơn là quan trọng hơn các thành phần tần số thấp hơn trong việc gây nên sự
nóng trong các máy biến áp.
1.3.2. Các máy điện quay
Cũng như các thiết bị khác vấn đề quan tâm trước tiên về các dòng điện
và điện áp điều hoà trong máy điện quay là sự tăng nhiệt độ do các tổn thất sắt
và tổn thất đồng tại các tần số điều hoà. Các thành phần điều hoà cũng có thể
ảnh hưởng đến hiệu suất máy và mômen.

Các vấn đề tương tự có thể hiện hữu trong các thiết bị đóng cắt dòng điện
khác.
Không có tiêu chuẩn xác định được công bố trong công nghiệp về mức
của các dòng điện mà các thiết bị đóng cắt dòng điện yêu cầu để cắt. Tất cả
các thí nghiệm về sự cắt được thực hiện tại tần số định mức của nguồn cung
cấp.
1.3.4. Các rơle bảo vệ
Các sóng hài hệ thống ảnh hưởng đến các rơle bằng nhiều cách đưa đến
việc rơle có thể tác động sai. Các rơle phụ thuộc vào điện áp, dòng điện do
vậy chúng bị ảnh hưởng một cách hiển nhiên bởi các sự méo điều hòa. Sự
hiện diện quá mức của dòng điều hòa bậc ba có thể gây nên việc các rơle bảo
vệ chạm đất tác động chậm. Trong các tài liệu nghiên cứu cho thấy ảnh hưởng
của các sóng hài đối với sự vận hành của các rơle như sau:
Các rơle được chế tạo có khuynh hướng vận hành ở các giá trị chậm
hơn hay với các giá trị tác động cao hơn, hơn là việc vận hành nhanh hơn hay
các giá trị tác động thấp hơn.
Các rơle tần số thấp tĩnh nhạy cảm đối với những thay đổi lớn của các
đặc tính vận hành.
Tùy theo nhà sản xuất, các rơle quá dòng và quá điện áp được bố trí
nhiều loại thay đổi trong các đặc tính vận hành.
Tùy theo hàm lượng sóng hài, các mômen quay của các rơle có thể bị
đảo ngược.
Số lần vận hành có thể bị thay đổi lớn như là một hàm số của tần số.
Các sóng hài có thể làm suy yếu sự vận hành tốc độ cao của các rơle so
lệch.
Nhiều thí nghiệm đã chỉ ra rằng các rơle có thể được bố trí để hạn chế
hoàn toàn những vấn đề nêu trên. Nói chung các mức điều hòa để làm các
rơle vận hành sai lớn hơn các mức mà được xem xét để hạn chế cho các thiết
bị khác. Các mức điều hòa khoảng 10% - 40% thông thường được yêu cầu đối
với các vấn đề vận hành của rơle, ngoại trừ các tình huống không bình

- Các sóng hài có thể làm cho các lõi thép của máy biến áp bị bão
hoà,do vậy làm tăng sai số. Trong trường hợp biến dòng điện này dường như
ít ảnh hưởng trên tỷ số biến. Tuy nhiên góc bị ảnh hưởng và do đó công suất
và điện năng có thể bị ảnh hưởng.
- Sự hiện diện của các sóng hài chẳng hạn như sóng hài bậc ba trong các
thiết bị nối đất trung tính có thể cần phải giảm bớt các thiết bị như thế.
- Tiếng ồn âm thanh cao hơn và thỉnh thoảng xuất hiện hồ quang trong
các loại máy biến áp.
- Tiếng ồn do sóng hài có thể đưa đến sự vận hành sai của các hệ thống
điều khiển.
- Các nhà sản xuất máy tính thiết lập các hạn chế nghiêm ngặt về hàm
lượng sóng hài trong các điện áp cung cấp.
- Các sóng hài có thể làm méo các tín hiệu truyền thanh và truyền hình.
Sự méo cũng có thể đưa đến những thay đổi trên độ sáng và kích thước của
hình ảnh trên màn hình.
- Một nghiên cứu của Anh đã cho thấy các hư hỏng trên cáp 33kV là do
các sóng hài.
- Các máy X-quang chụp không rõ do tồn tại sóng hài trong nguồn cung
cấp.
1.3.8. Ảnh hưởng của sóng hài đối với tụ bù và các mạch lọc
Sự vượt trước sẽ sinh ra một sự quá áp có giá trị trong khoảng từ 1 đến
2 pu (tức bằng 1 đến 2 lần giá trị điện áp định mức của mạng điện) phụ thuộc
vào sự suy giảm điện áp lưới. Sự quá áp được truyền vào lưới qua các máy
biến áp và đường dây phân phối đến các hộ dùng điện.
Cộng hưởng song song: Cộng hưởng song song xuất hiện khi điện trở
cảm kháng của hệ thống và điện trở dung kháng của tụ bằng nhau ứng với tần
số xác định. Khi đó điện trở của hệ thống Z sẽ đạt giá trị cao nhất (xem hình
1.3.a). Với giá trị cố định của dòng điện, thành phần điện áp của sóng hài
tương ứng sẽ có giá trị rất lớn.
Cộng hưởng nối tiếp: Cộng hưởng nối tiếp là kết quả của việc mắc nối

2
1
CL
f



Sự cộng hưởng điện áp diễn ra khi f
1
 f
2
tức là khi:
L
1
C
1
= L
2
C
2
Sự quá áp nội bộ dưới 2 pu (đơn vị tương đối so với giá trị định mức)
thường không gây nguy hiểm đối với cách điện, nhưng khi được truyền vào
lưới, giá trị quá điện áp nội bộ sẽ được khuếch đại và có thể đạt giá trị 3  4
pu trên thanh cái hạ áp, do đó có thể gây ảnh hưởng đến chế độ làm việc của
các thiết bị dùng điện thậm chí gây nguy hiểm đối với các thiết bị mắc trên
thanh cái này. Các giải pháp chống quá điện áp khi đóng cắt tụ thường là:
- Sử dụng máy cắt có bộ phận đóng đồng thời điện trở cài trước
- Sử dụng máy chống sét đặt tại thanh cái của các hộ tiêu thụ
- Xây dựng bộ tụ dưới dạng bộ lọc sóng hài. Một cuộn cảm được mắc
nối tiếp với tụ sẽ làm giảm giá trị quá điện áp trên đầu vào của các hộ dùng

H
O
– Bậc của sóng hài tần số riêng (f
o
).
Ví dụ: Khi H
O
=
nc
sc
Q
S
= 2,93 nghĩa là tần số riêng của bộ tụ điện – cảm
kháng hệ thống điện gần bằng tần số hài bậc 3 của hệ thống điện.
Do H
O
= f
o
/50, suy ra: f
o
= 50.H
O
= 50.2,93 = 146,5Hz
Tần số riêng càng gần tới tần số của một sóng hài nào đó của hệ thống
thì ảnh hưởng bất lợi càng lớn. Trong ví dụ vừa nêu trên, điều kiện cộng
hưởng với thành phần sóng hài bậc 3 của một sóng biến dạng chắc chắn xảy
ra.
Trong những trường hợp như vậy cần tiến hành những biện pháp để
thay đổi tần số riêng đến một giá trị mà nó không thể cộng hưởng với bất cứ
thành phần sóng hài nào hiện diện trong hệ thống. Điều này được thực hiện

Quá trình quá điện áp tần số cao thường xuất hiện cùng với quá trình quá
độ dòng điện tần số cao. Đỉnh lớn nhất của điện áp (với giả thiết bỏ qua các
sóng hài xác lập) không bao giờ vượt quá 2 lần giá trị đỉnh của điện áp định
mức khi thực hiện đóng tụ chưa tích điện vào mạng. Tuy nhiên, trong trường
hợp tụ đã nạp điện sẵn, vào thời điểm đóng tụ, điện áp quá độ có thể đạt đến
giá trị cực đại bằng 3 lần giá trị đỉnh định mức. Khả năng nêu trên chỉ xảy ra
nếu:
- Điện áp tồn tại trên tụ bằng giá trị đỉnh của điện áp định mức.
- Các tiếp điểm của công tắc đóng vào thời điểm áp nguồn đạt giá trị
đỉnh.
- Cực của điện áp nguồn ngược dấu với điện áp của tụ được nạp. Trong
điều kiện như vậy dòng quá độ sẽ có khả năng đạt giá trị lớn nhất, tức là bằng
hai lần giá trị cực đại so với trường hợp đóng điện vào tụ điện chưa được tích
điện.
Trong các điều kiện khác về biên độ và cực của điện áp trên tụ đã nạp,
giá trị đỉnh quá độ của điện áp và dòng điện sẽ nhỏ hơn các giá trị cực đại nêu
trên.
Trong trường hợp khi điện áp đỉnh trên tụ có cùng cực với điện áp
nguồn và tụ đóng lại tại thời điểm điện áp nguồn đạt giá trị đỉnh, hiện tượng
quá độ điện áp và dòng điện không xảy ra.
Vì vậy ở những vị trí cần thực hiện đóng tụ tự động theo từng bậc, phải
đảm bảo sao cho việc đóng tụ được thực hiện trong điều kiện tụ đã được xả
hoàn toàn. Nếu cần rút ngắn thời gian trễ của quá trình xả tụ có thể dùng điện
trở phóng với giá trị nhỏ.
KẾT LUẬN

Dòng điện xoay chiều trên lưới điện của ngành điện cung cấp
cho các phụ tải phải là hình sin. Tuy nhiên, sự tồn tại các phần tử phi
tuyến trên lưới điện của nhà cung cấp cũng như về phía phụ tải làm xuất
hiện các sóng hài, ảnh hưởng đến tính năng vận hành của lưới điện và