Sóng hài trong hệ thống điện là gì?

Mạch lọc sóng hài tích cực và thụ động : Trong hệ thống điện, sóng hài được định nghĩa là bội số nguyên dương của tần số cơ bản. Sóng hài là điện áp hoặc dòng điện xuất hiện ở một bội số của tần số cơ bản. Nó thường được coi là nhiễu trong đường dây điện .

Sóng hài trong hệ thống điện có thể được phân thành hai loại: sóng hài dòng điện và sóng hài điện áp.

Các sóng hài dòng điện gây ra bởi tải phi tuyến tính như VSD (bộ truyền động tốc độ thay đổi). Các tải phi tuyến hút dòng điện từ đường dây điện không ở dạng sóng hình sin hoàn hảo. Dạng sóng của dòng điện không phải dạng sóng có thể là một chuỗi phức tạp của hình sin đơn giản có thể dao động ở một số nguyên, bội số của tần số cơ bản của đường dây điện.

Trong hầu hết các trường hợp, sóng hài điện áp là do sóng hài dòng điện gây ra. Sóng hài điện áp xảy ra do điện áp bị méo tạo ra do tác dụng của sóng hài dòng điện với trở kháng của nguồn.

Hình ảnh trên cho thấy dạng sóng dòng điện qua tải phi tuyến tính. Ở đây dạng sóng dòng điện bị bóp méo không theo sóng hình sin. Điều này cho thấy sóng hài hiện tại trong hệ thống điện.

Tại sao cần loại bỏ Sóng hài trong Hệ thống điện?

Sóng hài dòng điện và điện áp tỷ lệ thuận với việc truyền công suất nhiễu cho Tải. Các thiết bị gia dụng và văn phòng khác nhau là nguyên nhân gây ra sóng hài trong hệ thống điện. Sóng hài của hệ thống điện thường làm tăng dòng tải. Các thiết bị khác nhau, như đèn huỳnh quang trong nhà máy hoặc trong nhà hoặc văn phòng, bị ảnh hưởng bởi sóng hài và bị các sự cố khác nhau. Động cơ bị ảnh hưởng rất nhiều bởi sóng hài của hệ thống điện.

Đôi khi các sóng hài trong hệ thống điện có thể rất nguy hiểm và làm tăng công suất cung cấp cho các thiết bị dẫn đến tăng nhiệt độ trong Tải và có thể làm giảm tuổi thọ của thiết bị.

Để khắc phục sóng hài của hệ thống điện này , người ta cần phải xây dựng lại kết nối nguồn để truyền tải phi tuyến và đưa vào các bộ lọc sóng hài trong hệ thống điện .

Loại bộ lọc sóng hài

Bộ lọc sóng hài rất hiệu quả để bảo vệ thiết bị điện đắt tiền khỏi đầu ra điện bị méo do sóng hài. Có nhiều loại bộ lọc sóng hài khác nhau có sẵn trên thị trường điện và điện tử tùy thuộc vào công suất định mức, điện áp đặt vào, một pha hay ba pha và các thông số phụ thuộc tải khác.

Tuy nhiên, có hai loại bộ lọc sóng hài chính có sẵn là Bộ lọc sóng hài tích cực và Bộ lọc sóng hài thụ động.

Sự khác biệt chính giữa hai loại bộ lọc sóng hài này là các thành phần được sử dụng cho thiết kế bộ lọc. Bộ lọc sóng hài thụ động sử dụng các thành phần thụ động đơn giản chủ yếu là điện trở , cuộn cảm và tụ điện . Trong khi bộ lọc sóng hài tích cực sử dụng các thành phần tích cực như các loại BJT , IGBT , MOSFET và mạch tích hợp khác nhau .

Vì các bộ lọc sóng hài là thiết bị an toàn đường điện nên chúng phải xác nhận các tiêu chuẩn an toàn quốc tế như IEEE, EN, AS, BS và các phòng thí nghiệm UL.

Ngoài ra, các bộ lọc sóng hài có thể được thiết kế theo các thứ tự khác nhau. Giống như bộ lọc sóng hài bậc ba có thể lọc ra tần số là bội số thứ ba của tần số cơ bản.

Bộ lọc sóng hài thụ động

Bộ lọc sóng hài thụ động là bộ lọc sóng hài phổ biến nhất và dễ sử dụng. Nó là bộ lọc giá cả phải chăng để triệt tiêu nhiễu sóng hài trong đường dây điện.

Như đã thảo luận trước đây, các bộ lọc sóng hài thụ động sử dụng các thành phần thụ động tiêu chuẩn như cuộn cảm điện trở và tụ điện. Các thành phần thụ động đó được sử dụng để tạo thành một mạch bể . Mạch của thùng được thiết kế theo cách đặc biệt để nó có thể hoạt động ở cùng một tần số cộng hưởng đối với các sóng hài không mong muốn. Các bộ lọc sóng hài thụ động chặn các sóng hài không mong muốn đi qua. Bộ lọc sóng hài thụ động chuyển đổi dòng điện hài thành nhiệt và bảo vệ thiết bị cuối hoặc tải . Bộ lọc có thể được điều chỉnh đến một tần số nhất định cần được loại bỏ dưới dạng sóng hài.

Chủ yếu có bốn loại bộ lọc sóng hài thụ động được sử dụng:

1. Bộ lọc thông cao

2. Bộ lọc thông dải

3. Bộ lọc loại C và

4. Bộ lọc nối tiếp.

Bộ lọc thông cao

Bộ lọc sóng hài thụ động cao được sử dụng để loại bỏ sóng hài bậc cao và có khả năng điều khiển linh hoạt trên dải tần số rộng. Thiết kế bộ lọc sóng hài thông cao cơ bản sử dụng ba thành phần thụ động, điện trở, tụ điện và cuộn cảm.

Bộ lọc thông cao

Trong hình trên, chúng ta có thể thấy cấu tạo cơ bản của bộ lọc sóng hài thông cao thụ động. Cấu trúc cho thấy điện trở và cuộn cảm được mắc song song một tụ điện mắc nối tiếp. Bộ lọc tạo ra đặc tính trở kháng phẳng trong dải tần số cao. Tần số cao làm giảm tổn thất điện năng.

Loại bộ lọc này được sử dụng chủ yếu để lọc dòng điện ^thứ 5/6 hoặc cao hơn. Thông thường các bộ lọc khác nhau được kết hợp với bộ lọc sóng hài thông cao để loại bỏ tổn thất điện năng khi sử dụng trong các ứng dụng tần số thấp hoặc tần số thấp.

Đường cong trở kháng với tần số có thể được hiển thị trong hình dưới đây.

Bộ lọc thông dải

Bộ lọc sóng hài dải thông là một bộ lọc điều chỉnh kép. Bộ lọc sóng hài thông dải bao gồm hai tụ điện, hai cuộn cảm và một điện trở duy nhất . Nó cũng được sử dụng cho các mục đích lọc sóng hài bậc cao. Bộ lọc này hoạt động với sự kết hợp cộng hưởng song song của bộ lọc thông dải tiêu chuẩn cùng với sự cộng hưởng nối tiếp của cuộn cảm và tụ điện kết hợp.

Bộ lọc băng thông điều chỉnh kép

Trong hình trên, sơ đồ bộ lọc thông dải cơ bản được hiển thị. Các mạch lọc có hai phần , trong phần đầu tiên một tụ C2 và cuộn cảm L2 được kết nối trong loạt trong khi ở phần thứ hai một điện trở, cuộn cảm và tụ điện được kết nối song song. Phần thứ nhất và phần thứ hai cũng được nối tiếp nhau.

Các đặc tính trở kháng với tần số có thể được thể hiện trong đồ thị dưới đây.

Đường cong trở kháng – Bộ lọc băng thông điều chỉnh kép

Bộ lọc loại C

Bộ lọc loại C được sử dụng cho các mục đích lọc sóng hài bậc hai hoặc bậc ba. Bộ lọc loại C có suy hao thấp hơn dải thông tương đương hoặc bộ lọc loạt.

Bộ lọc loại C bao gồm 4 thành phần thụ động – hai tụ điện, một cuộn cảm và một điện trở duy nhất.

Trong hình trên, cấu trúc cơ bản của bộ lọc loại c được hiển thị. Một tụ điện mắc nối tiếp với cuộn cảm lại mắc song song với điện trở. Kết nối song song ba thành phần lại được mắc nối tiếp với tụ điện thứ hai.

Điện trở triệt tiêu dòng điện cơ bản tạo bởi cuộn cảm và tụ điện dao động.

Đường cong trở kháng được hiển thị trong hình dưới đây-

Bộ lọc nối tiếp

Bộ lọc nối tiếp được gọi là bộ lọc thụ động bộ triệt tiêu sóng hài điều chỉnh đơn . Bộ lọc này có đặc tính cấu tạo đơn giản nhất. Chỉ có ba thành phần thụ động – một tụ điện, cuộn cảm và điện trở được sử dụng nối tiếp. Bộ lọc này loại bỏ tần số đơn.

Cấu tạo của bộ lọc này có thể được hiển thị trong hình dưới đây, nơi 3 thành phần thụ động được kết nối nối tiếp để tạo thành bộ lọc sóng hài loạt điều chỉnh duy nhất.

Bộ lọc nối tiếp điều chỉnh đơn

Đặc tính trở kháng được hiển thị trong hình ảnh dưới đây:

Đường cong trở kháng – Bộ lọc loạt điều chỉnh đơn

Hoạt động mạch lọc sóng hài

Như đã thảo luận trước đây, các bộ lọc sóng hài thụ động rất tốt để loại bỏ các sóng hài liên quan đến đường dây điện. Tuy nhiên, việc thiết kế bộ lọc sóng hài thụ động thực sự rất phức tạp và người thiết kế phải thiết kế bộ lọc sóng hài thụ động phù hợp với yêu cầu công suất phản kháng của phụ tải. Trong trường hợp như vậy, việc thiết kế bộ lọc thụ động là rất khó và dẫn đến hoạt động của hệ số công suất kém đối với một số điều kiện tải nhất định.

Trong vấn đề này, các bộ lọc tích cực tốt hơn để xử lý sóng hài đường dây điện mà không phụ thuộc công suất phản kháng của tần số cơ bản .

Bộ lọc sóng hài chủ động sử dụng một phương pháp tuyệt vời trong đó bộ lọc sử dụng các thành phần sóng hài tự sản xuất và đưa nó vào đường dây điện để loại bỏ các sóng hài không mong muốn.

Có sẵn các loại bộ lọc tích cực khác nhau sử dụng các cấu trúc liên kết khác nhau để loại bỏ sóng hài trong đường dây điện.

Thiết kế bộ lọc sóng hài hoạt động phổ biến nhất sử dụng những điều cơ bản sau đây như

1. Biến tần nguồn điện áp sử dụng các công tắc nguồn khác nhau

2. Lấy mẫu và điều khiển tham chiếu từ đường dây điện

Hệ thống 3.PWM đưa xung bắn PWM vào hệ thống dưới dạng sóng hài.

Bộ lọc sóng hài tích cực sử dụng một loại công tắc bán dẫn khác cần nguồn điện để hoạt động.

Cách chọn Mạch lọc sóng hài

Việc xác định bộ lọc sóng hài hoàn hảo khá phức tạp. Người ta cần xác định tần số hài mà các bộ lọc cần được điều chỉnh. Trong một số trường hợp, hoạt động của bộ lọc không phục vụ được mục đích chỉ vì điều chỉnh sai ở một tần số cơ bản nhất định nơi không có sóng hài.

Bước quan trọng đầu tiên là xác định thứ tự sóng hài và tùy thuộc vào thứ tự sóng hài mà bộ lọc cần được chọn. Để loại bỏ biến dạng sóng hài đơn tần số, các bộ lọc sóng hài loạt điều chỉnh hiệu quả nhưng trong một số trường hợp, bộ lọc sóng hài điều chỉnh kép cần được sử dụng.

Các tổn thất trên các bộ lọc cũng cần được bù đắp, điều này phụ thuộc nhiều vào việc lựa chọn bộ lọc. Đôi khi đối với mức tải phi tuyến cao, cần có cả hai loại bộ lọc sóng hài tích cực và thụ động.