Cuộn kháng lọc sóng hài (chặn sóng hài)


  • 1. MÔ TẢ HIỆN TƯỢNG NỔ TỤ BÙ
 
  • Hiện nay trong tất cả các nhà máy sản xuất, tủ tụ bù là thành phần không thể thiếu, nhằm ổn định điện áp làm việc,  tăng hệ số công suất để nhà máy không bị phạt tiền công suất phản kháng (kVAr).
   
  • Vấn đề gặp phải thường xuyên của tụ điện là nổ tụ bù, nguyên nhân là do ảnh  hưởng của sóng hài trong nhà máy gây ra quá trình cộng hưởng làm quá dòng gây hư hỏng tụ bù.
   
  • Cuon khang loc song hai
       
  • Trong nhà máy sản xuất với nhiều tải phi tuyến làm méo dạng sóng hình sine đầu vào sinh ra sóng hài, nếu không được loại bỏ bằng các phương pháp lọc sóng hài thì sóng hài này gây hư hại thiết bị nhà máy, tổn hao năng lượng nhà máy.. ngoài ra gây nổ tụ bù trong thời gian ngắn nhất, giảm hiệu suất của bộ tụ bù, nhà máy phải trả tiền công suất phản kháng do hệ số công suất không đạt yêu cầu (Yâu cầu FP-Powor factor ≥0.9).
     
  • 2. PHÂN TÍCH 
 
  • Chúng ta có thể làm bài toán ví dụ về sự cộng hưởng này:
 
  • Tần số của bậc hài 3,5,7… tương đương với tần số 150Hz, 250Hz, 350Hz, nếu các tần số này bằng hoặc gần bằng với tần số dao động riêng f_r của mạch LC trên thì xảy ra cộng hưởng tại tần số đó, kết quả của cộng hưởng là Z_L=Z_C từ đó tại bậc hài gây ra cộng hưởng làm dòng hiệu dụng RMS qua tụ rất cao gây nổ tụ bù.
 
  • Với các bậc hài này sẽ xảy ra quá trình cộng hưởng gây nổ tụ bù như thế nào? Như chúng ta biết tụ bù C thường đấu tập trung nối tại vị trí lộ tổng hạ áp của máy biến áp, bản thân máy biến áp là thành phần tự cảm L, tạo thành mạch dao động LC sóng dừng, mạch dao động này sẽ có tần số riêng f_r.
  • Cuon khang loc song hai
 
  • Ở tần số công nghiệp 50Hz, tỉ trọng các bậc hài sinh ra tập trung lớn nhất là các bậc lẻ từ 3,5,7 đến bậc 25. Ngoại trừ các phụ tải đặc biệt sinh có đặc tính sóng hài không đặc trưng như lò hồ quang, máy hàn… thì xuất hiện thành phần hài bậc 2 khá lớn.

 

 
  • 2.1 Thông số đầu bài:
   

Cuon khang loc song hai

 

   
  • 2.2 Tính toán:
  • Dòng định mức phía 0.4kV của MBA
 
  • I_MBA = S/(1.73*U) = 400/(1.73*0.4) = 577.35(A)
 
  • Điện kháng MBA
 
  • X_MBA= Un% x U / (1.73 x I_MBA) = (0.04 x 400)/(1.73 x 577.35) = 0.016 (Ohm).
 
  • Điện cảm MBA
 
  • L= X_MBA/(2πf) = 5.093.10-5 (H)
 
  • Điện dung của tụ:
 
  • C= Q_c /(2πfU2) = 200000/(2×3.14x50x4002) = 3979 (µF)
 
  • Sóng hài bậc 7 có tần số f_7 = 7 x 50 = 350 (Hz)
 
  • + Dòng điện tải : I_tải = S/(1.73xU)= 300/(1.73 x 0.4) = 433.5(A)
 
  • + I_bậc 7 = I_bậc 7(%) x I_tải = 0.05 x 433.5 = 21.65(A)
 
  • Tần số riêng của mạch dao động LC (máy biến áp + Tụ):
 
  • + f_r = 1/(2×3.14 x sqrt(5.093.10-5 x 3979.10-6)) = 353.55 (Hz).
 
  • Với tần số 353.55Hz gần bằng với tần số hài bậc 7 (350Hz) nên giá trị Z_L gần bằng Z_C, điều này gần đạt đến cộng hưởng, kết quả dòng qua tụ như sau:
 
  • + Giả sử điện trở MBA = 25%  điện kháng R=0.25×0.016=0.004 (Ohm)
   
  • Cuon khang loc song hai
   
  • X_L_bậc 7 = 2π x f_bậc 7 x L=2π x 350 x 5039.10-5= 0.112 (Ohm)
     
  • X_C_bậc 7= 1/(2π x f_bậc 7 x C) = 1/(2π x 350 x 3979.10-6) = 0.114 (Ohm)
 
  • (***** có thể nhận thấy giá trị 0.112 gần bằng 0.114, điều kiện cộng hưởng ở bậc 7 tương đương 350Hz*******)
 
  • Cuon khang loc song hai
 
  • Giá trị dòng điện hiệu dụng RMS bậc 7 qua tụ và máy biến áp:
  • Cuon khang loc song hai
     
  • 2.3 Kết luận
     
  • Ta nhận thấy, với dòng giá trị hiệu dụng 526.68A RMS (gần gấp đôi dòng cơ bản) tại tần số 350Hz chạy qua tụ điện, hậu quả gây quá nhiệt, giảm tuổi thọ chất điện môi và gây nổ tụ bù, gia nhiệt làm rớt cầu chì, quá nhiệt gây tổn hao và có thể cháy máy biến áp.
 
  • Thực tế chứng minh trong một số nhà máy, tại những thời điểm, thì dòng hiệu dụng trên tụ rất cao, nếu không để ý thì tính toán công suất bù vào hệ thống chúng ta dễ bị nhầm rằng nhà máy ở tình trạng quá bù, vì dung lượng bù sử dụng thực ở tần số 50Hz mà thôi, rõ ràng cộng hưởng đã gây tăng dòng rất lớn trên tụ.
 
  • Ngoài ra, một số nhà máy khi vận hành tải thấp khoảng 40-50 % thì bình thường, tuy nhiên có thời điểm tải tăng lên khoảng 80% thì xuất hiện dòng trên tụ tăng đột biến gần gấp đôi, gấp 3, điều này được lý giải do khi tăng tải thì hệ thống điều khiển hệ số công suất (PFC) đóng thêm tụ vào làm thay đổi giá trị Z_C dẫn đến cộng hưởng.
 
  • Thực tế khi quan sát trên máy đo chất lượng điện năng, ví dụ như hình bên dưới, chúng ta thấy hiện tượng cộng hưởng tạo tao ra dòng hiệu dụng rất lớn trên hệ thống, dòng điện RMS tăng từ 165A lên gần 4397A và kéo dài trong khoảng thời gian 3s. Con số thật sự lớn và gây tổn hại ngoài tụ bù còn trên thiết bị khác như máy biến áp, cáp ngầm, thiết bị điều khiển, động cơ….
   
  • Cuon khang loc song hai
  • Hiện tượng tăng dòng do cộng hưởng tại nhà máy sản xuất tôn

 
  • 3. GIẢI PHÁP KHẮC PHỤC
 
  • Việc nổ tụ bù nguyên nhân do sóng hài thì để khắc phục thì cần phải lọc sóng hài, tuy nhiên việc lọc sóng hài cho nhà máy thuộc qui mô lớn hơn và cần có sự tính toán chuyên sâu hơn, do đó giải pháp lọc sóng hài cho nhà máy được trình bày tại bài viết khác.
 
  • Trong phạm vi này Công ty Cổ phần Tư vấn và thiết bị Điện Tân Trung Nam xin giới thiệu giải pháp riêng bảo vệ tụ bù nhưng rất hiệu quả, đó là sử dụng kháng điện 7% hay 14% mắc nối tiếp vào các nhánh tụ bù để tránh tình trạng cộng hưởng và hạn chế ảnh hưởng của sóng hài lên tụ điện. Bên cạnh đó kháng điện góp phần hạn chế sự méo dạng của sóng nguồn điện góp phần làm giảm một phần sóng hài sinh ra bởi nhà máy.
   
  • Cuon khang loc song hai
 
  • 3.1 Tìm hiểu cuộn kháng lọc sóng hài Choke p=7%
 
  • Đối với cuộn kháng sử dụng bảo vệ tụ người ta dùng kháng lõi không khí nhằm mục đích ổn định điện kháng (do L>>R, X_L=2πfL, do đó Z_L chỉ phụ thuộc tần số), phương trình vật lý : u(t)=L x d(i)/d(t), điều này cho thấy cuộn kháng có tác dụng chống lại sự tăng lên đột ngột của dòng điện, lý do này sẽ giải thích cho chúng ta thấy cuộn kháng sẽ làm phẳng hơn các điểm gấp khúc, giảm biên độ các đường zic_zắc do méo dạng, kết quả làm giảm độ méo dạng dẫn đến giảm méo dạng sóng hài.
 
  • Như đồ thị bên dưới ta thấy:
  • Cuon khang loc song hai
  • Hình trước và sau khi lắp kháng
   
  • Sau khi lắp kháng rõ ràng dòng diện trong mạch sẽ bớt gấp khúc hơn, và biên độ giảm hơn, kết quả làm giảm độ méo dạng sóng hài trong mạch. Lưu ý ở đấy là giảm chứ không có nghĩa là triệt để. Như trên hình bên trên, các điểm nhọn đầu đã được làm trơn hơn, và biên độ thay đổi trong một bán kỳ đã giảm, điều này dẫn đến dạng sóng sẽ tốt hơn ban đầu và biên độ các bậc hài trong phân tích chuỗi Fourier sẽ giảm xuống. 
 
  • 3.2 Cuộn kháng lọc chặn sóng hài p= 7%
   
  • – Tăng tuổi thọ tụ bù.
 
  • – Giảm công suất tổn thất.
 
  • – Giảm méo dạng sóng hài nâng cao chất lượng điện năng
 
  • – Điều chỉnh lọc sóng hài.
 
  • – Tránh cộng hưởng tụ bù.
 
  • Chức năng:
 
  • Tần số dao động: cuon khang loc song hai
 
  • Cuộn kháng lọc sóng hài 7% dùng cho bộ điều khiển hệ số công suất (Power factor correction), được mắc nối tiếp với bộ tụ bù. Nhằm tránh bậc hài 5,7 gây cộng hưởng ở mạch LC (máy biến áp, tụ bù).
  • 3.3 Thông số kỹ thuật kháng lọc sóng hài 7%
   
  • Cuon khang loc song hai
 
  • 3.4 Dãy công suất chế tạo cuộn kháng lọc sóng hài  400V – p = 7%
 
  • Tương ứng với dung lượng tại điện áp định mức của từng bộ tụ bù, cuộn kháng sẽ được tính để có giá trị Z_L=p x Z_C
 
  • Có thể tham khảo thông số của nhà chế tạo Franke Elektrotechnik e.K – CHLB Đức như sau:
  • Cuon khang loc song hai
   
  • 3.5 Vấn đề lưu ý khi lắp đặt cuộn kháng lọc sóng hài 7%-400V-50Hz
 
  • Như đề cập bên trên, ở Việt Nam các loại kháng dùng cho tụ bù lưới hạ thế tần số 50Hz thông thường được chế tạo với trở kháng rơi vào các mức 6%, 7%, 14%. Việc thiết kế lắp đặt cho nhà máy ngay từ giai đoạn lắp mới thông thường được tích hợp bằng các module lắp sẵn (kháng + tụ) với từng dãy công suất như 7.5, 10, 12.5, 15…(kVAr) như bảng bên trên.
 
  • Cuon khang loc song hai
  • Mudule tích hợp (tụ bù + kháng p=7%)
 
  • Tuy nhiên đối với các nhà máy đang vận hành và tủ tụ bù cos(φ) đã có sẵn thì việc mắc nối tiếp cuộn kháng lọc sóng hài (choke) phải cần tính toán kỹ để phù hợp với tủ tụ bù hiện hữu.
 
  • Xét ví dụ sau, chúng ta tính toán đưa vào cuộn kháng chặn sóng hài Choke p=7%
 
  • Cuon khang loc song hai
 
  • Điện áp trên tụ sau khi lắp kháng:
 
  • Uc=  x U_sys=  x 400 = 430 (V)
 
  • Ta nhận thấy điện áp trên tụ tăng lên đến 430V, do đó cuộn kháng lọc sóng hài chỉ lắp được với điều kiện điện áp định mức của bộ tụ bù lớn hơn 430V.
 
  • Tương ứng với mức điện áp mới này, chúng ta có thể xem trên “name plate” của tụ để biết công suất mới của tụ tăng lên bao nhiêu, hoặc có thể sử dụng công thức tính toán sau:
 
  • Ta có Q_sau:
   
  • Cuon khang loc song hai
 
  • Từ đó hoàn toàn tính được công suất bù của tổ hợp (Kháng 7% + Tụ) mới cho hệ thống. Giá trị công suất phản kháng bù mới này sẽ cao hơn bộ tụ trước khi lắp kháng, dẫn đến nâng cao hệ số công suất, trong một số trường hợp có thể phải cài đặt lại bộ điều chỉnh hệ số công suất (Power factor correction).
 
  • Công suất bù của tổ hợp (kháng 7% + tụ): ):  Q-bu = 22.25(kVAr).
 
  • Cuon khang loc song hai
 
  • Theo hình trên, trước khi lắp kháng thì công suất của tụ tương ứng với điện áp định mức hệ thống 400V-50Hz là 20.7kVAr.
 
  • Sau khi lắp kháng lọc sóng hài  7%, điện áp trên tụ tăng lên 430V, tương đương công suất phát mới của tụ Q_sau=1.156 x 20.7 = 24 (kVAr) và công suất này sau khi trừ đi công suất kháng tiêu thụ trên cuộn kháng 7% sẽ là công suất bù thực của tủ tụ bù.
 
  • Công suất bù của tổ hợp (kháng 7% + tụ):  Q-bu=  = 22.25(kVAr).
 
  • Ta nhận thấy trước khi khi lắp kháng thì tụ bù phát công suất ở điện áp 400V là 20.7kVAr, sau khi lắp kháng 7% thì điện áp trên tụ tăng lên 430V và công suất của tủ tụ bù (kháng + tụ) tăng lên 22.25kVAr, điều này làm tăng thêm cos(φ) cho nhà máy.  
 
  • Ví dụ trên chỉ tính toán cho 1 nhánh tụ, nếu trong tủ có bao nhiêu nhánh (tương ứng với các step của bô PFC điều chỉnh) thì chúng ta cộng tổng các nhánh sẽ có kết quả cụ thể.
 
  • 3.6 Kết luận
 
  • Cuon khang loc song hai
 
  • Lắp kháng nối tiếp cho tủ tụ bù hiện hữu nhằm tránh trường hợp quá dòng do thành phần RMS của bậc hài sinh ra làm cộng hưởng trên tụ, từ đó bảo vệ tụ, tăng tuổi thọ thiết bị tụ bù nói riêng và các thiết bị trong nhà máy nói chung.
 
  • Ngoài ra kháng điện làm giảm độ méo dạng sóng hài, từ đó nâng cao chất lượng điện năng hơn cho nhà máy.
 
  • Lưu ý phải tính toán điện áp tăng lên trên tụ sau khi lắp kháng chặn sóng hài p=7%, nghĩa là tụ bù phải có điện áp định mức cao hơn điện áp định mức của hệ thống theo tính toán bên trên.
 
  • Việc sử dụng cuộn kháng hạn chế sóng hài Choke với p=3%, 6%, 7%, 14%, 28% tùy thuộc vào đặc tính hệ thống điện và phụ tải từng nhà máy, Quý khách cần thêm thông tin xin vui lòng liên hệ Công ty Cổ phần Tư vấn và Thiết bị điện Tân Trung Nam theo thông tin bên dưới. Xin cảm ơn.
 
  • 4. LIÊN HỆ
  •     Trụ sở chính tại Sài Gòn
  •      Công ty Cổ phần Tư vấn và Thiết bị Điện Tân Trung Nam
  •      Số 2/19 Thăng Long – Phường 4 – Quận Tân Bình – TP.HCM
  •      (Ngay vòng xoay Lăng Cha Cả)
  •      Tel       : 028-62-92-43-31 ;  Fax: 028-62-92-43-38
  •      HP       :  0903-11-11-17 (VũTrungNam)
  •      Email   : nam@tantrungnam.vn
  •      Webmail: www.tantrungnam.vn
  •      VPĐD tại Đà Nẵng:
  •      Số: 84 Bùi Lâm-P. Nại Hiên Đông – Q. Sơn Trà  – Tp.Đà Nẵng
  •      (Cách chân cầu Sông Hàn 1.5km về phía núi Sơn Trà)
  •      Tel      : 0903-111-117 (VũTrungNam)
  •      Email  : nam@electric.equipment
  •      Webmail: www.electric.equipment;


MR.NAM: