Giải thích về sóng hài trong hệ thống điện và THD: Nguyên nhân, tác động, phép đo và biện pháp giảm thiểu

Sóng hài trong hệ thống điện là các thành phần điện áp hoặc dòng điện có tần số là bội số nguyên của tần số nguồn cơ bản. Trên hệ thống 50 Hz, sóng hài bậc 3 là 150 Hz và bậc 5 là 250 Hz; trên hệ thống 60 Hz, các giá trị này lần lượt là 180 Hz và 300 Hz. Các thành phần này kết hợp với dạng sóng cơ bản và làm cho điện áp hoặc dòng điện sai lệch so với dạng sóng hình sin lý tưởng.

Tổng độ méo hài (THD) nén nội dung hài tổng hợp thành một tỷ lệ phần trăm. Chỉ số này hữu ích cho việc sàng lọc, theo dõi xu hướng và so sánh các phép đo, nhưng chỉ riêng giá trị THD thì không xác định được nguồn gây nhiễu, bậc hài chiếm ưu thế, điểm tuân thủ hay biện pháp khắc phục chính xác. Một đánh giá có căn cứ phải phân biệt được độ méo điện áp với độ méo dòng điện, xác nhận vị trí thực hiện phép đo, xem xét phổ hài và đánh giá hệ thống lắp đặt trong các điều kiện tải tiêu biểu.

Những điểm chính

• Các tải phi tuyến tạo ra dòng điện hài vì chúng tiêu thụ dòng điện theo xung thay vì tỷ lệ thuận với điện áp đặt vào.
• Dòng điện hài chạy qua trở kháng của hệ thống tạo ra độ méo điện áp hài.
• THDv, THDi và tổng độ méo nhu cầu (TDD) sử dụng các tử số hoặc giá trị tham chiếu khác nhau và không nên coi là có thể thay thế cho nhau.
• Tiêu chuẩn IEEE 519 áp dụng các mục tiêu về độ méo điện áp và dòng điện ở trạng thái xác lập tại điểm đấu nối chung (PCC) của người dùng, chứ không phải là giới hạn đạt/không đạt chung cho mọi đầu nối của thiết bị.
• Chỉ số THDi cao khi tải nhẹ có thể gây hiểu lầm vì mẫu số của dòng điện cơ bản nhỏ; TDD cung cấp một tham chiếu dựa trên nhu cầu để đánh giá tại PCC.
• Việc giảm thiểu nên được thực hiện sau quá trình đo lường. Các cuộn kháng, bộ lọc thụ động, bộ lọc hài tích cực, bộ chỉnh lưu đa xung và biến tần AFE giải quyết các vấn đề khác nhau.
• Một bộ tụ bù hệ số công suất tiêu chuẩn không mặc nhiên là một bộ lọc hài và có thể tạo ra rủi ro cộng hưởng nếu được áp dụng mà không thông qua nghiên cứu về sóng hài.

Tổng quan về sóng hài, THD và TDD

Số lượng	Nó mô tả điều gì	Giá trị tham chiếu	Sử dụng tốt nhất	Sai lầm thường gặp khi diễn giải
Sóng hài bậc lẻ	Biên độ của một bậc sóng hài, chẳng hạn như bậc 5	Thành phần cơ bản hoặc một giá trị tham chiếu được nêu khác	Xác định các nguồn chiếm ưu thế và lựa chọn bộ lọc	Chỉ xem xét THD và bỏ sót một bậc sóng hài chiếm ưu thế
THDv	Tổng độ méo hài điện áp	Điện áp cơ bản	Đánh giá chất lượng dạng sóng tại một thanh cái hoặc đầu nối thiết bị	Áp dụng một giới hạn điện áp tại mọi vị trí
THDi	Tổng độ méo dạng dòng điện hài	Dòng điện cơ bản tại thời điểm đo	Đánh giá một tải và theo dõi hành vi vận hành của nó	So sánh THDi khi tải nhẹ và tải đầy mà không có ngữ cảnh
TDD	Dòng điện hài tổng hợp liên quan đến dòng điện nhu cầu	Dòng điện tải nhu cầu tối đa, IL	IEEE 519-style current assessment at the PCC	Coi nó như một tên gọi khác của THDi
Phổ hài	Độ lớn của từng bậc hài đo được	Thành phần cơ bản hoặc tham chiếu thiết bị	Chẩn đoán nguồn gây ra và lựa chọn giải pháp giảm thiểu	Sử dụng một giá trị tổng duy nhất mà không kiểm tra các bậc hài

Điều gì tạo ra sóng hài trong hệ thống điện?

Tải tuyến tính tiêu thụ dạng sóng dòng điện tỷ lệ thuận với điện áp đặt vào. Bộ sưởi điện trở là một ví dụ đơn giản. Tải phi tuyến làm thay đổi trở kháng trong mỗi chu kỳ hoặc sử dụng kỹ thuật đóng cắt và chỉnh lưu, do đó dòng điện của nó được tiêu thụ dưới dạng xung hoặc các đoạn bị cắt. Phân tích Fourier biểu diễn dạng sóng tuần hoàn bị méo đó thành một thành phần cơ bản cộng với các thành phần hài.

Tần số của bậc hài h là:

fh = h x f1

trong đó:
fh = tần số hài
h = bậc hài: 2, 3, 4, 5...
f1 = tần số cơ bản: thường là 50 Hz hoặc 60 Hz

Các loại tải gây ra sóng hài phổ biến bao gồm:

• biến tần (VFD) sáu xung và các loại tải chỉnh lưu khác;
• bộ lưu điện (UPS);
• bộ nguồn xung trong máy tính, máy chủ và thiết bị điều khiển;
• bộ điều khiển LED và chấn lưu điện tử cho đèn chiếu sáng;
• bộ sạc pin và thiết bị sạc xe điện;
• thiết bị hàn, lò hồ quang và các quá trình công nghiệp phi tuyến tính khác;
• thiết bị từ tính bão hòa trong điều kiện vận hành bất thường.

Tải thường đưa dòng điện hài vào trước. Khi dòng điện đó chạy qua máy biến áp, cáp, thanh cái và trở kháng nguồn, nó tạo ra các sụt áp hài. Sự biến dạng điện áp thu được sau đó có thể ảnh hưởng đến các thiết bị khác được kết nối cùng thanh cái. Sự phân biệt này rất quan trọng vì việc thay thế một tải nhạy cảm không loại bỏ được nguồn gây nhiễu ở cấp hệ thống, trong khi việc thêm bộ lọc tại thanh cái sai vị trí có thể mang lại rất ít cải thiện.

Cách các sóng hài làm biến dạng dạng sóng AC

Một dạng sóng hình sin lý tưởng chỉ chứa tần số cơ bản. Một tải phi tuyến tính thực tế có thể tiêu thụ dòng điện cơ bản cộng với các thành phần bậc 3, 5, 7 và các bậc cao hơn. Tại mỗi thời điểm, các thành phần này cộng dồn theo đại số. Kết quả thu được có thể trông giống như bị phẳng đỉnh, nhọn đỉnh, bị khía, hoặc bị biến dạng theo cách khác mặc dù điện áp RMS trông gần bằng giá trị định mức.

Hình dạng và phổ của dạng sóng cung cấp các thông tin khác nhau:

• Dạng sóng trong miền thời gian cho thấy hiện tượng khía, phẳng đỉnh, hệ số đỉnh cao và đặc tính đóng cắt.
• Phổ miền tần số cho thấy bậc hài nào chiếm ưu thế.
• THD cung cấp một tổng số thuận tiện, nhưng nó không thể cho biết sự méo dạng chủ yếu là bậc 3, 5, 7, hay dàn trải trên nhiều bậc hài khác nhau.

Đối với thiết kế giảm thiểu, phổ hài thường có giá trị thực tiễn hơn so với chỉ số tổng cộng.

Tổng méo dạng hài được tính như thế nào?

THD điện áp

THD điện áp là giá trị căn bậc hai của tổng bình phương các điện áp hài chia cho điện áp cơ bản:

THDv = [sqrt(V2^2 + V3^2 + ... + Vh^2) / V1] x 100%

V1 = Điện áp cơ bản RMS
Vh = Điện áp RMS của bậc hài h

THDv biểu thị mức độ sai lệch của dạng sóng điện áp tại điểm đo so với thành phần cơ bản của nó. Chỉ số này chịu ảnh hưởng bởi dòng điện hài và trở kháng giữa nguồn và điểm đo.

THD dòng điện

THD dòng điện sử dụng cấu trúc tương tự nhưng tham chiếu dòng điện hài với dòng điện cơ bản được đo tại thời điểm đó:

THDi = [sqrt(I2^2 + I3^2 + ... + Ih^2) / I1] x 100%

I1 = Dòng điện cơ bản RMS tại thời điểm đo
Ih = Dòng điện RMS của bậc hài h

THDi rất hữu ích khi đánh giá đặc tính của một tải phi tuyến tính riêng lẻ. Tuy nhiên, kết quả có thể tăng mạnh khi tải nhẹ vì I1 trở nên nhỏ, ngay cả khi dòng điện hài tuyệt đối không ở tình trạng xấu nhất của hệ thống. Luôn ghi lại dòng điện tải và trạng thái vận hành bên cạnh THDi.

Tổng độ méo nhu cầu (TDD)

TDD tham chiếu dòng điện hài với một giá trị dòng điện nhu cầu thay vì dòng điện cơ bản tức thời:

TDD = [sqrt(I2^2 + I3^2 + ... + Ih^2) / IL] x 100%

IL = dòng điện phụ tải nhu cầu tối đa tại PCC, được xác định theo phương pháp đánh giá áp dụng

Mẫu số ổn định hơn này giúp TDD phù hợp để đánh giá cách dòng điện hài của cơ sở liên quan đến nhu cầu tại PCC. Việc lựa chọn chính xác IL, khoảng thời gian tổng hợp, thời gian quan sát và tỷ số ngắn mạch phải tuân theo tiêu chuẩn áp dụng và nghiên cứu dự án. Không được thay thế bằng định mức máy cắt điện, dòng điện trên nhãn máy biến áp hoặc một phép đo tại chỗ thuận tiện mà không có lý do xác đáng.

Tại sao THDv và THDi có thể cho thấy những câu chuyện khác nhau

Độ méo dòng điện cao không tự động có nghĩa là độ méo điện áp cao. Một hệ thống điện cứng với trở kháng nguồn thấp có thể hấp thụ dòng điện hài đáng kể trong khi vẫn duy trì dạng sóng điện áp tương đối sạch. Một hệ thống yếu hoặc một đường dây cấp nguồn dài có trở kháng cao có thể tạo ra độ méo điện áp lớn hơn từ một dòng điện hài nhỏ hơn.

Phân biệt chẩn đoán ngược cũng rất hữu ích:

• THDi cao tại một nhánh nhưng THDv chấp nhận được tại thanh cái chính thường chỉ ra một tải phi tuyến cục bộ có tác động hạn chế đến hệ thống.
• THDv tăng cao trên một số đường dây cấp nguồn cho thấy sự méo dạng tại một thanh cái thượng nguồn chung hoặc điều kiện cộng hưởng.
• Chỉ số THDv cao tại điểm đấu nối dịch vụ trước khi các tải trọng chính của công trường hoạt động có thể cho thấy sự ảnh hưởng từ phía nguồn điện lưới, cần được kiểm tra phía nhà cung cấp điện.
• Chỉ số THDi cao chỉ xuất hiện trong một chế độ vận hành cụ thể cho thấy nguồn gây nhiễu từ quy trình, chẳng hạn như tải của biến tần, sự dẫn điện của bộ chỉnh lưu hoặc hoạt động của bộ sạc.

Sóng hài có thể gây ra những vấn đề gì?

Sóng hài không tạo ra một triệu chứng phổ quát duy nhất. Ảnh hưởng của chúng phụ thuộc vào bậc sóng hài, biên độ, tổng trở hệ thống, đặc tính tải, cách bố trí tiếp địa, hiện tượng cộng hưởng và thiết kế của thiết bị.

Gia tăng nhiệt độ trong dây dẫn, thanh cái và máy biến áp

Dòng điện sóng hài làm tăng tổng dòng điện RMS và do đó làm tăng nhiệt độ dây dẫn. Các thành phần tần số cao hơn cũng làm tăng tổn hao dòng điện xoáy và hiệu ứng bề mặt trong các bộ phận từ tính và dẫn điện. Máy biến áp cấp nguồn cho tải phi tuyến đáng kể có thể gặp phải tổn hao bổ sung trong cuộn dây và tổn hao tản mát ngay cả khi nhu cầu kW trung bình có vẻ bình thường.

Các kết nối vốn đã bị ảnh hưởng bởi điện trở cao đặc biệt dễ bị tổn thương vì dòng điện RMS bị méo dạng làm tăng thêm I²R nhiệt lượng. Các phương pháp chẩn đoán trong hướng dẫn của VIOX về quá nhiệt đầu nối giúp phân biệt tải sóng hài với các kết nối lỏng lẻo hoặc bị suy giảm chất lượng.

Quá nhiệt dây trung tính

Trong hệ thống điện ba pha bốn dây cân bằng, các dòng điện cơ bản của các tải một pha tương tự nhau về cơ bản sẽ triệt tiêu lẫn nhau trong dây trung tính. Các sóng hài bậc ba, bao gồm bậc 3, 9 và 15, là các thành phần thứ tự không và có thể cộng dồn trong dây trung tính thay vì triệt tiêu. Do đó, chỉ số dòng điện pha cân bằng không đảm bảo dòng điện trung tính sẽ thấp.

Cần đo tải trung tính trực tiếp tại nơi tập trung các tải một pha điện tử. Đừng nhầm lẫn chức năng mang dòng điện của dây trung tính với đường dẫn dây dẫn bảo vệ; sự khác biệt này được giải thích trong thanh trung tính so với thanh tiếp địa.

Tổn hao động cơ, xung mô-men xoắn và tiếng ồn

Sóng hài điện áp tạo ra các từ trường quay ở các tốc độ và hướng khác nhau. Trong động cơ không đồng bộ, một số chuỗi sóng hài chống lại từ trường quay cơ bản, trong khi số khác củng cố hướng của nó ở các tốc độ đồng bộ khác nhau. Kết quả có thể bao gồm tổn hao đồng và sắt bổ sung, xung mô-men xoắn, rung động, tiếng ồn và giảm biên độ nhiệt khả dụng.

Khi liên quan đến các bộ truyền động, hãy tách biệt sóng hài phía nguồn vào khỏi ứng suất điện áp PWM phía đầu ra. Cuộn kháng nguồn hoặc bộ lọc sóng hài đầu vào giải quyết vấn đề khác với cuộn kháng đầu ra, bộ lọc sóng hình sin, hoặc bộ lọc dV/dt . Hướng dẫn của VIOX về VFD so với khởi động mềm cung cấp bối cảnh rộng hơn về điều khiển động cơ.

Quá tải tụ điện và cộng hưởng

Các tụ điện bù công suất phản kháng giúp giảm nhu cầu công suất phản kháng ở tần số cơ bản, nhưng trở kháng của chúng giảm khi tần số tăng. Khi kết hợp với điện cảm của hệ thống, chúng có thể tạo ra cộng hưởng song song hoặc nối tiếp gần bậc sóng hài hiện có. Kết quả có thể khuếch đại điện áp hoặc dòng điện hài và gây quá tải cho tụ điện, cuộn kháng, máy biến áp hoặc thiết bị đóng cắt.

Do đó, một bộ tụ điện thông thường không nên được coi là giải pháp khắc phục sóng hài vạn năng. Ở những nơi có hàm lượng sóng hài đáng kể, thiết kế có thể yêu cầu cuộn kháng lọc sóng hài, bộ lọc thụ động đã điều hưởng, bộ lọc sóng hài chủ động, hoặc giải pháp kỹ thuật khác. Mục đích và giới hạn của việc bù công suất phản kháng tự động được đề cập trong Dạng đầy đủ và nguyên lý hoạt động của APFC.

Sự cố vận hành ngoài ý muốn và lỗi thiết bị điện tử

Dạng sóng bị méo có thể làm tăng dòng điện đỉnh, thay đổi điểm qua không, gia tăng nhiệt và gây nhiễu cho các thiết bị vốn hoạt động dựa trên nguồn cấp gần như hình sin. Các triệu chứng có thể bao gồm việc thiết bị bảo vệ tác động không rõ nguyên nhân, báo động cấp tụ điện, tiếng ồn máy biến áp, rơ le điều khiển tự khởi động lại, số liệu đọc sai từ các thiết bị đo không phù hợp và giảm tuổi thọ thiết bị.

Những triệu chứng này không phải là bằng chứng xác thực của sóng hài. Các đầu nối bị lỏng, mất cân bằng điện áp, quá độ, quá tải, nhiễu điện từ và cài đặt sai có thể gây ra hiện tượng tương tự. Cần phải tiến hành đo đạc trước khi chọn giải pháp khắc phục.

Nên đo sóng hài ở đâu và như thế nào?

Kế hoạch đo đạc cần giải đáp một câu hỏi cụ thể: kiểm tra sự tuân thủ tại PCC, xử lý sự cố thiết bị, xác định nguồn gây nhiễu, lập kế hoạch công suất hoặc kiểm chứng sau khi áp dụng biện pháp giảm thiểu. Một phép đo tại một điểm hiếm khi giải đáp được cả năm vấn đề trên.

1. Xác định phạm vi đo

Đối với đánh giá theo tiêu chuẩn IEEE 519 ở cấp độ cơ sở, hãy xác định PCC theo hợp đồng hoặc theo kỹ thuật. Đối với việc xử lý sự cố nội bộ, cũng cần đo tại điểm đấu nối trong nhà máy, thanh cái phân phối chính, nhánh cấp nguồn nghi ngờ và tại các đầu nối của tải khi cần thiết. Lập tài liệu sơ đồ đơn tuyến và vị trí của từng điểm đo.

2. Sử dụng thiết bị đo lường phù hợp

Sử dụng máy phân tích chất lượng điện năng có khả năng đo đồng thời điện áp và dòng điện ba pha, thu thập phổ sóng hài, THDv, THDi, TDD khi cần thiết, ghi lại sự kiện và đo dòng điện trung tính cho các hệ thống bốn dây. IEC 61000-4-7 quy định về thiết bị đo lường sóng hài và sóng hài bậc lẻ, trong khi IEC 61000-4-30 xác định các phương pháp đo chất lượng điện năng và các cấp đo lường.

Một đồng hồ đo phản hồi giá trị trung bình cơ bản là không đủ để chẩn đoán các dạng sóng bị méo. Đồng hồ đo true-RMS có thể cải thiện độ chính xác của điện áp và dòng điện RMS, nhưng thông thường nó không thể thay thế máy phân tích chất lượng điện năng cho việc phân tích thứ tự sóng hài, xu hướng, hướng và sự tuân thủ.

3. Ghi lại các điều kiện vận hành mang tính đại diện

Ghi lại các phép đo trên nhiều trạng thái vận hành thay vì chỉ dựa vào một ảnh chụp nhanh duy nhất:

• tải tối thiểu, bình thường và tối đa của cơ sở;
• trạng thái tăng tốc, vận hành ổn định và các điều kiện tốc độ thấp của biến tần;
• các chế độ vận hành của UPS hoặc bộ sạc;
• các cấp tụ bù được đóng và cắt;
• vận hành máy phát điện và điện lưới ở những nơi có thể thực hiện cả hai;
• các chu kỳ sản xuất liên quan đến khiếu nại hoặc quá nhiệt.

4. Ghi lại bối cảnh với mỗi giá trị THD

Tối thiểu, hãy ghi lại:

• vị trí đo và cấu hình hệ thống điện;
• điện áp pha-pha và pha-trung tính nếu có thể áp dụng;
• dòng điện RMS pha và trung tính;
• THDv, THDi và TDD khi liên quan;
• phổ hài bậc cao riêng lẻ và giá trị pha;
• kW, kVA, kvar, hệ số công suất và trạng thái tải;
• máy biến áp nguồn, dây dẫn và trạng thái giàn tụ điện;
• dấu thời gian và khoảng thời gian ghi dữ liệu.

5. Truy vết hệ thống nguồn một cách hệ thống

Bắt đầu tại điểm đánh giá và so sánh các chỉ số ở phía thượng nguồn và hạ nguồn. Nếu độ méo tăng mạnh khi một đường dây cấp nguồn được cấp điện, hãy tiếp tục kiểm tra nhánh đó. Nếu nhiều đường dây cấp nguồn cho thấy độ méo điện áp tương tự, hãy điều tra thanh cái chung, hiện tượng cộng hưởng tụ điện hoặc nguồn ở phía thượng nguồn.

Trình tự chính xác là đo lường, định vị, mô hình hóa, giảm thiểu và kiểm chứng. Việc lắp đặt bộ lọc trước khi thiết lập đường cơ sở này có thể che giấu một triệu chứng trong khi vẫn không thay đổi nguồn gây ra hoặc hiện tượng cộng hưởng thực tế.

Cách áp dụng các tiêu chuẩn đối với sóng hài

Thẩm quyền giải quyết	Vai trò chính	Giới hạn thực tế
IEEE 519-2022	Các mục tiêu về độ méo điện áp và dòng điện của hệ thống điện	Được áp dụng tại PCC của người dùng trong các điều kiện trạng thái ổn định đã xác định; các giới hạn dòng điện phụ thuộc vào bối cảnh hệ thống, bao gồm độ bền ngắn mạch so với nhu cầu
IEC 61000-4-7	Thiết bị đo lường sóng hài và sóng hài bậc lẻ	Xác định cách các thành phần phổ được nhóm và đo lường để đánh giá thiết bị và hệ thống cung cấp
IEC 61000-4-30:2025	Các phương pháp đo lường chất lượng điện năng tại chỗ	Xác định các phương pháp có thể lặp lại và các cách tiếp cận loại A/loại S cho các thông số bao gồm sóng hài điện áp và dòng điện
IEC 61000-2-4:2024	Các mức tương thích trong hệ thống phân phối điện công nghiệp	Áp dụng tại điểm kết nối trong nhà máy và phân chia môi trường điện từ công nghiệp thành các cấp được xác định
IEC 61000-3-2 / IEC 61000-3-12	Các giới hạn phát xạ dòng điện hài cho các danh mục thiết bị cụ thể	Các tiêu chuẩn ở cấp độ thiết bị có phạm vi xác định; không thay thế cho việc đánh giá toàn diện PCC tại cơ sở

Ba quy tắc giúp ngăn ngừa hầu hết các sai sót về tiêu chuẩn:

1. Xác nhận điểm đánh giá. Một giới hạn tại PCC không mặc định là giới hạn tại đầu vào VFD hoặc bảng phân nhánh từ xa.
2. Xác nhận mẫu số và phương pháp tính trung bình. THDi và TDD có thể tạo ra các tỷ lệ phần trăm rất khác nhau từ cùng một phổ dòng điện.
3. Xác nhận phiên bản áp dụng và phạm vi thiết bị. Các yêu cầu của đơn vị điện lực, thông số kỹ thuật dự án, quy chuẩn lưới điện khu vực và các tiêu chuẩn sản phẩm có thể bổ sung thêm các nghĩa vụ ngoài hướng dẫn chung.

Bạn nên sử dụng phương pháp giảm thiểu sóng hài nào?

Không có bộ lọc tốt nhất cho mọi trường hợp. Hãy chọn phương pháp dựa trên phổ nguồn, mức độ biến thiên tải, trở kháng hệ thống, hiệu suất yêu cầu, không gian sẵn có, tổn hao, khả năng bảo trì và khả năng mở rộng trong tương lai.

Tình hình	Các tùy chọn giảm thiểu cần đánh giá	Các cân nhắc kỹ thuật
Một bộ biến tần sáu xung thông thường	Cuộn kháng AC, cuộn cảm DC, bộ lọc sóng hài thụ động, biến tần sóng hài thấp hoặc biến tần có tầng chỉnh lưu tích cực (active-front-end drive)	Mức giảm yêu cầu, dải tải, sụt áp, hiệu suất, diện tích lắp đặt, bố trí đường tắt (bypass)
Một số tải phi tuyến có nhu cầu thay đổi	Bộ lọc hài tích cực tập trung hoặc phân tán	Vị trí CT, dòng điện bù, bậc hài, tính đa dạng của tải, biên độ mở rộng
Các bậc hài ưu thế ổn định	Bộ lọc thụ động đã điều chỉnh hoặc băng rộng	Trở kháng mạng điện, dung sai điều chỉnh, chế độ làm việc của tụ điện, cộng hưởng, vận hành máy phát điện
Bù công suất phản kháng trong lưới điện bị nhiễu hài	Tủ tụ bù có cuộn kháng lọc sóng hài hoặc tủ lọc được thiết kế riêng	Phổ hài hiện tại, tần số cộng hưởng, dòng điện qua tụ, chu kỳ đóng cắt, cài đặt bộ điều khiển
Dòng điện hài bậc ba cao trong hệ thống bốn dây	Giảm phát thải từ nguồn, phân bổ lại tải, sử dụng bộ lọc thích hợp và xem xét thiết kế dây trung tính/biến áp	Đo dòng điện trung tính, khả năng chịu nhiệt của dây dẫn, sự phù hợp của biến áp, tải điện tử trong tương lai
Dự án mới với nhu cầu chỉnh lưu lớn	Bộ chỉnh lưu đa xung, máy biến áp dịch pha, bộ chỉnh lưu chủ động (AFE), hoặc thiết bị có độ méo hài thấp theo chỉ định	Công suất nguồn, tính dự phòng, độ phức tạp của máy biến áp, chi phí vòng đời, mục tiêu tuân thủ
Thiết bị hiện hữu đã bị quá nhiệt	Giảm tải và kiểm soát rủi ro nhiệt trước khi thực hiện các biện pháp giảm thiểu vĩnh viễn	Khảo sát sóng hài, kiểm tra kết nối, thông gió, tình trạng dây dẫn và máy biến áp

Cuộn kháng đường dây và cuộn kháng DC

Cuộn kháng làm tăng trở kháng và làm phẳng dòng điện tiêu thụ bởi các tải chỉnh lưu. Chúng tương đối đơn giản và bền bỉ, nhưng hiệu quả phụ thuộc vào trở kháng nguồn và thiết kế của bộ truyền động. Chúng giảm dòng điện hài thay vì loại bỏ hoàn toàn, đồng thời gây ra sụt áp và tổn thất điện năng.

Bộ lọc sóng hài thụ động

Bộ lọc thụ động kết hợp các cuộn cảm và tụ điện để cung cấp đường dẫn có trở kháng thấp cho các tần số hài được chọn hoặc suy giảm băng thông rộng. Chúng có thể hiệu quả đối với các tải ổn định, có thể dự đoán được nhưng phải được thiết kế dựa trên thực tế lưới điện. Cần xem xét việc khử cộng hưởng, dung sai linh kiện, sự thay đổi tải và tương tác với máy phát điện hoặc các bộ tụ điện khác.

Bộ lọc sóng hài chủ động

Bộ lọc sóng hài chủ động đo độ méo dạng và đưa dòng điện bù vào hệ thống. Thiết bị này thích ứng tốt hơn với các cấu hình tải thay đổi và có thể nhắm đến nhiều bậc sóng hài, tuy nhiên cần phải xác định cụ thể công suất dòng điện, cách bố trí CT, thời gian phản hồi, vỏ bảo vệ, tổn hao và mục tiêu điều khiển của nó.

Bộ biến tần sóng hài thấp và Bộ chỉnh lưu chủ động (Active Front Ends)

Các cấu trúc biến tần sóng hài thấp giúp giảm độ méo dạng ngay tại nguồn thay vì bù cho nhiều tải tại một thanh cái chung. Chúng có thể đơn giản hóa việc lắp đặt mới nhưng sẽ ảnh hưởng đến chi phí, diện tích lắp đặt, tổn hao, tương thích điện từ và chiến lược bảo trì. Khả năng tái tạo năng lượng và độ méo hài thấp là những yêu cầu riêng biệt ngay cả khi một sản phẩm cung cấp cả hai tính năng này.

Quy trình điều tra sóng hài thực tế

1. Xác định khiếu nại và phạm vi ảnh hưởng. Xác định hiện tượng quá nhiệt, vận hành sai, tính tuân thủ, mở rộng hệ thống hoặc hỏng hóc thiết bị làm vấn đề trọng tâm.
2. Xem xét sơ đồ đơn tuyến và danh mục tải. Đánh dấu các tải phi tuyến, bộ tụ bù, máy phát điện, máy biến áp và các tuyến cấp điện dài.
3. Thiết lập giá trị cơ sở tại PCC hoặc thanh cái chính. Ghi lại điện áp, dòng điện, nhu cầu, THD/TDD và phổ hài bậc cao.
4. Truy vết các bậc hài chiếm ưu thế về phía các tải nhánh. So sánh các thay đổi khi các tải chính hoạt động theo chu kỳ.
5. Kiểm tra cộng hưởng và trở kháng hệ thống. Bao gồm dữ liệu máy biến áp và ngân hàng tụ điện vào nghiên cứu.
6. Lựa chọn biện pháp giảm thiểu ứng viên. So sánh các biện pháp giảm thiểu tại nguồn, lọc thụ động, lọc chủ động và khả năng chịu đựng của thiết bị.
7. Hiệu suất dự kiến của kiểu máy. Kiểm tra các trạng thái vận hành bình thường, tối thiểu, tối đa, lưới điện và máy phát điện.
8. Thực hiện với thiết kế bảo vệ và nhiệt. Phối hợp các dây dẫn, thiết bị đóng cắt, thông gió và bảo vệ bộ lọc.
9. Lặp lại các phép đo ban đầu. Xác minh sự cải thiện tại cùng các vị trí và trạng thái tải tương đương.

Những sai lầm phổ biến khi đánh giá sóng hài

Coi mọi tỷ lệ phần trăm THD là cùng một đại lượng

Luôn gắn nhãn giá trị là THDv, THDi hoặc TDD và ghi lại mẫu số của giá trị đó. Một tỷ lệ phần trăm nếu thiếu đại lượng đo lường và vị trí đo thì là dữ liệu không hoàn chỉnh.

Chỉ đo tại tải phi tuyến

Phép đo tại đầu nối tải mô tả tải đó nhưng không xác định được sự tuân thủ hoặc tác động của cơ sở tại PCC. Hãy đo ở cả hai vị trí khi cần thiết.

Sử dụng THD mà không có phổ hài

Hai hệ thống có thể có cùng THD nhưng cần các biện pháp giảm thiểu khác nhau vì các bậc hài chiếm ưu thế của chúng khác nhau. Hãy lưu giữ dữ liệu hài riêng lẻ.

Lắp đặt tụ điện mà không kiểm tra cộng hưởng

Tụ điện có thể làm thay đổi cộng hưởng mạng điện về phía hài hiện có. Hãy xem xét nội dung hài và trở kháng trước khi thêm hoặc mở rộng hệ thống hiệu chỉnh hệ số công suất.

Cho rằng SPD loại bỏ được sóng hài

Thiết bị chống sét lan truyền (SPD) giới hạn quá điện áp quá độ theo thiết kế của nó; nó không lọc liên tục các sóng hài bậc thấp ở tần số công nghiệp. Sóng hài và quá điện áp yêu cầu các đánh giá và biện pháp bảo vệ khác nhau. Để biết ranh giới bảo vệ quá điện áp quá độ, xem chức năng của thiết bị chống sét lan truyền.

Xử lý dây trung tính lớn hơn hoặc máy biến áp như một giải pháp giảm thiểu nguồn

Thiết bị có độ bền nhiệt tốt có thể chịu đựng tải sóng hài tốt hơn, nhưng điều đó không nhất thiết làm giảm sự phát tán sóng hài hoặc méo dạng điện áp. Hãy phân biệt giữa các biện pháp chịu đựng và biện pháp giảm phát tán.

Những Câu Hỏi Thường

Sự khác biệt giữa sóng hài và THD là gì?

Sóng hài là các thành phần tần số riêng lẻ ở bội số nguyên của tần số cơ bản. THD là một tỷ lệ phần trăm đại diện cho độ lớn căn bậc hai của tổng các bình phương của các thành phần sóng hài đó so với một tham chiếu đã nêu.

THD được đo trên điện áp hay dòng điện?

Nó có thể được đo trên một trong hai. THDv mô tả sự méo dạng dạng sóng điện áp, trong khi THDi mô tả sự méo dạng dạng sóng dòng điện. Đại lượng phải được nêu rõ vì nguyên nhân, giới hạn và cách diễn giải là khác nhau.

Tại sao THD dòng điện có thể trông rất cao ở tải nhẹ?

THDi là tỉ số giữa dòng điện hài và dòng điện cơ bản tức thời. Khi tải nhẹ, mẫu số cơ bản trở nên nhỏ, vì vậy tỉ lệ phần trăm có thể tăng ngay cả khi dòng điện hài tuyệt đối không tăng. Hãy kiểm tra biên độ dòng điện, phổ và TDD nếu có thể áp dụng.

Sự khác biệt giữa THDi và TDD là gì?

THDi tham chiếu dòng điện hài dựa trên dòng điện cơ bản tại thời điểm đo. TDD tham chiếu nó dựa trên dòng điện tải cực đại định mức. Do đó, TDD ổn định hơn đối với việc đánh giá tại PCC trong các điều kiện tải thay đổi.

Sóng hài có luôn làm tăng dòng điện trung tính không?

Không phải trong mọi hệ thống điện. Mối lo ngại này lớn nhất trong các hệ thống ba pha bốn dây cung cấp cho nhiều tải phi tuyến tính một pha, nơi các dòng điện hài bậc ba có thể cộng dồn trong dây trung tính. Hãy đo trực tiếp dòng điện trung tính thay vì giả định rằng chúng triệt tiêu lẫn nhau.

Tụ bù có thể làm giảm THD không?

Chỉ khi nó được thiết kế như một phần của hệ thống lọc hài hoặc hệ thống bù có cuộn kháng. Một tụ bù tiêu chuẩn có thể không làm giảm THD và thậm chí có thể khuếch đại méo dạng nếu nó cộng hưởng với độ tự cảm của hệ thống điện.

Thiết bị chống sét lan truyền (SPD) có lọc được sóng hài không?

Không. SPD giải quyết vấn đề quá áp nhất thời. Sóng hài là các thành phần dạng sóng ổn định hoặc tái diễn đòi hỏi phải giảm thiểu từ nguồn, sử dụng cuộn kháng, bộ lọc sóng hài hoặc các biện pháp chất lượng điện năng khác.

Các phép đo theo tiêu chuẩn IEEE 519 nên được thực hiện ở đâu?

IEEE 519 thiết lập các mục tiêu về độ méo dạng ổn định tại điểm đấu nối chung (PCC) của người dùng. PCC thực tế phải được xác định dựa trên cách bố trí dịch vụ và dự án thay vì mặc định là mọi đầu nối của thiết bị.

Cần thiết bị đo nào để đo THD?

Sử dụng máy phân tích chất lượng điện năng phù hợp với mục tiêu đánh giá và có khả năng ghi lại điện áp ba pha, dòng điện, phổ sóng hài, THD và TDD khi cần thiết. Đồng hồ vạn năng true-RMS hữu ích cho việc đo các giá trị RMS chính xác trên các dạng sóng bị méo, nhưng thông thường không thể thực hiện một nghiên cứu đầy đủ về sóng hài.

Kết luận

Đánh giá sóng hài không phải là việc tìm kiếm một con số THD chấp nhận được duy nhất. Đó là một quá trình điều tra có cấu trúc về các thành phần dạng sóng, vị trí đo, độ bền hệ thống, đặc tính tải và sự tương tác giữa các thiết bị.

Hãy bắt đầu bằng việc phân biệt THDv, THDi và TDD. Đo lường tại ranh giới chính xác trong các điều kiện vận hành tiêu biểu, lưu giữ phổ sóng hài riêng lẻ và truy xuất các bậc sóng hài chiếm ưu thế về phía nguồn của chúng. Sau đó, chọn phương án giảm thiểu phù hợp với mạng lưới: cuộn kháng để tạo trở kháng và làm phẳng sóng, bộ lọc thụ động cho các phổ sóng hài có thể dự đoán, bộ lọc chủ động cho các tải thay đổi, hoặc thiết bị có mức sóng hài thấp khi việc giảm thiểu từ nguồn là quyết định tốt hơn cho hệ thống.

Đối với các nhà sản xuất tủ bảng điện và OEM, thông số kỹ thuật quan trọng nhất không chỉ đơn thuần là “THD thấp”. Đó là một yêu cầu hiệu suất xác định gắn liền với PCC hoặc đầu nối thiết bị, phạm vi tải vận hành, tiêu chuẩn áp dụng, phương pháp đo và quy trình kiểm chứng.

Tài liệu tham khảo

• IEEE 519-2022: Tiêu chuẩn về kiểm soát sóng hài trong hệ thống điện
• IEC 61000-4-7: Phép đo và thiết bị đo sóng hài và sóng hài bậc lẻ
• IEC 61000-4-30:2025: Các phương pháp đo chất lượng điện năng
• IEC 61000-2-4:2024: Các mức tương thích trong hệ thống phân phối điện công nghiệp
• Schneider Electric: Các cân nhắc về chất lượng điện năng
• ABB Technical Guide No. 6: Hướng dẫn về sóng hài với biến tần AC
• Fluke: Khắc phục sự cố sóng hài điện năng