Sóng hài hệ thống điện: Nguyên nhân, tác động và cách khắc phục

Sóng hài (harmonics) là hiện tượng méo mó dòng điện và điện áp do biến tần và các thiết bị phi tuyến gây ra, ảnh hưởng xấu đến thiết bị, tăng chi phí vận hành, và vi phạm tiêu chuẩn chất lượng điện.

Bài viết này sẽ giải thích rõ bản chất để giúp bạn chọn được phương án khắc phục tình trạng này trong hệ thống điện.

1. Sóng hài là gì?

Sóng hài (harmonics) là các thành phần dòng điện hoặc điện áp có tần số là bội số nguyên của tần số cơ bản (fundamental frequency). Ở Việt Nam, tần số cơ bản của lưới điện là 50 Hz, do đó sóng hài sẽ xuất hiện tại các tần số như 100 Hz (hài bậc 2), 150 Hz (hài bậc 3), 250 Hz (hài bậc 5), 350 Hz (hài bậc 7).

• Định nghĩa kỹ thuật: Sóng hài là các sóng sin xen kẽ, được tạo ra bởi các tải phi tuyến (non-linear loads) như biến tần, làm méo mó dạng sóng điện áp và dòng điện lý tưởng (sinusoidal). Tổng mức méo hài (Total Harmonic Distortion – THD) được dùng để đo lường mức độ méo mó này, tính bằng phần trăm so với sóng cơ bản.
• Ví dụ: Một biến tần 6 xung (6-pulse) có thể tạo ra sóng hài bậc 5 (250 Hz) và bậc 7 (350 Hz) với biên độ đáng kể, làm ảnh hưởng đến chất lượng điện.

Xanh: sóng sin chuẩn ; Đỏ: sóng hài gây méo nhiễu sóng sin

Tại sao cần quan tâm?
Sóng hài không chỉ làm giảm hiệu suất hệ thống mà còn gây ra các vấn đề nghiêm trọng như hỏng thiết bị, tăng chi phí vận hành, và vi phạm quy định về chất lượng điện (như IEEE 519-1992 hoặc TCVN 6474:1999 ở Việt Nam).

2. Nguyên nhân gây ra sóng hài khi dùng biến tần

Sóng hài được tạo ra do đặc tính hoạt động của biến tần, đặc biệt trong quá trình chuyển đổi điện áp xoay chiều (AC) thành điện áp một chiều (DC) và ngược lại. Dưới đây là các nguyên nhân chính:

1. Tải phi tuyến của biến tần:
   • Biến tần sử dụng bộ chỉnh lưu (rectifier), thường là loại 6 xung (6-pulse), để chuyển đổi AC thành DC. Bộ chỉnh lưu này chỉ lấy dòng điện ở gần đỉnh của sóng sin, dẫn đến dòng điện không liên tục và méo mó, tạo ra sóng hài.
   • Ví dụ: Một biến tần 6 xung tiêu chuẩn có thể tạo ra tổng mức méo hài (THD-I) lên đến 70-100% nếu không có biện pháp giảm thiểu.
2. Cấu trúc chỉnh lưu:
   • Các biến tần 6 xung tạo ra sóng hài bậc thấp (như bậc 5, 7) với biên độ lớn. Các biến tần đa xung (12 hoặc 18 xung) giảm sóng hài nhờ sử dụng biến áp dịch pha (phase-shifting transformer), nhưng vẫn không loại bỏ hoàn toàn.
   • Ví dụ: Một biến tần 12 xung có THD-I khoảng 10-20%, trong khi biến tần 18 xung giảm xuống còn 3-5%.
3. Điều kiện lưới điện:
   • Độ cứng của lưới điện (stiffness) và sự mất cân bằng điện áp (2-3% là phổ biến) có thể làm tăng sóng hài, đặc biệt với biến tần 6 xung.
   • Ở Việt Nam, lưới điện 380V ở các khu công nghiệp đôi khi không ổn định, làm trầm trọng thêm sóng hài từ biến tần.
4. Tải và chế độ vận hành:
   • Sóng hài thay đổi tùy thuộc vào tải của biến tần. Tải nhẹ tạo ra nhiều sóng hài bậc thấp, trong khi tải nặng làm tăng biên độ của các hài bậc cao.
   • Ví dụ: Một biến tần điều khiển bơm ở tải 50% có thể tạo ra sóng hài khác với khi chạy ở 100%.

Ví dụ thực tế: Một nhà máy xi măng ở Quảng Ninh sử dụng nhiều biến tần 6 xung cho băng tải. Do không có bộ lọc, sóng hài bậc 5 và 7 gây nhiễu PLC, dẫn đến lỗi điều khiển toàn hệ thống.

3. Tác động xấu của sóng hài

Sóng hài từ biến tần có thể gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng cho hệ thống điện, thiết bị, và hoạt động sản xuất. Dưới đây là các tác động chính:

1. Ảnh hưởng đến thiết bị điện:
   • Quá nhiệt: Sóng hài làm tăng dòng điện RMS, gây nóng động cơ, biến áp, và dây dẫn. Điều này làm giảm hiệu suất và tuổi thọ thiết bị, đặc biệt với động cơ không được thiết kế để dùng với biến tần (non-inverter duty motors).
   • Hỏng cách điện: Sóng hài bậc cao tạo ra điện áp đỉnh, làm suy giảm cách điện cuộn dây động cơ hoặc biến áp.
   • Hỏng vòng bi: Sóng hài gây ra dòng điện lạc (bearing currents), làm mòn vòng bi động cơ.
2. Nhiễu hệ thống điều khiển:
   • Sóng hài bậc cao (như bậc 11, 13) gây nhiễu điện từ (EMI), làm gián đoạn hoạt động của PLC, cảm biến, hoặc hệ thống SCADA.
   • Ví dụ: Một nhà máy dệt ở Bình Dương gặp hiện tượng PLC báo lỗi ngẫu nhiên do sóng hài từ biến tần.
3. Tăng chi phí vận hành:
   • Mất mát năng lượng: Sóng hài làm tăng tổn hao trong biến áp và dây dẫn, dẫn đến hóa đơn tiền điện cao hơn.
   • Phạt từ nhà cung cấp điện: Ở Việt Nam, nếu sóng hài vượt quá giới hạn theo TCVN 6474:1999 hoặc IEEE 519, EVN có thể áp dụng phạt hoặc yêu cầu khắc phục.
4. Vấn đề hệ thống:
   • Cộng hưởng: Sóng hài có thể gây cộng hưởng với tụ bù công suất, làm tăng điện áp và hỏng thiết bị.
   • Tác động đến lưới điện: Sóng hài lan truyền sang các hệ thống lân cận, gây nhiễu cho các nhà máy khác trong cùng khu công nghiệp.
5. Các vấn đề khác:
   • Đèn nhấp nháy, đồng hồ chạy sai, hoặc nhiễu điện thoại do sóng hài bậc cao.
   • Ngắt mạch không rõ nguyên nhân (nuisance tripping) hoặc thổi cầu chì do dòng hài tích lũy.

Ví dụ thực tế: Một nhà máy chế biến thủy sản ở Cà Mau gặp hiện tượng biến áp quá nhiệt và tụ bù bị hỏng do sóng hài từ biến tần, dẫn đến chi phí sửa chữa hàng trăm triệu đồng.

4. Cách khắc phục sóng hài từ biến tần

Để giảm thiểu sóng hài, cần áp dụng các giải pháp phù hợp với ứng dụng, ngân sách, và yêu cầu kỹ thuật. Dưới đây là các phương pháp khắc phục phổ biến, được sắp xếp từ đơn giản đến phức tạp:

1. Sử dụng cuộn kháng (Line Reactors):
   • Cách hoạt động: Cuộn kháng AC hoặc DC (3-5% trở kháng) được lắp ở phía nguồn hoặc tải của biến tần, làm mịn dòng điện và giảm sóng hài bậc cao.
   • Ưu điểm: Chi phí thấp (từ 1,5-5 triệu đồng), dễ lắp đặt, và tăng độ bền cho bộ chỉnh lưu biến tần.
   • Hạn chế: Chỉ giảm THD-I xuống 30-40%, không hiệu quả với sóng hài bậc 5 và 7.
   • Ứng dụng: Phù hợp cho các biến tần nhỏ (37kW) trong nhà máy thực phẩm hoặc dệt may ở Việt Nam.
   • Ví dụ: Một nhà máy dệt ở Đà Nẵng lắp cuộn kháng 3% cho biến tần 15 kW, giảm nhiễu cho hệ thống máy dệt.
2. Bộ lọc hài thụ động (Passive Harmonic Filters):
   • Cách hoạt động: Gồm mạch LC (cuộn cảm và tụ điện) được điều chỉnh để hấp thụ sóng hài ở tần số cụ thể (như bậc 5, 7). Lắp song song với biến tần hoặc tại trung tâm điều khiển động cơ (MCC).
   • Ưu điểm: Giảm THD-I xuống 12-15%, chi phí hợp lý, và phù hợp cho nhiều biến tần nhỏ.
   • Hạn chế: Kích thước lớn, có thể gây tăng điện áp ở tải nhẹ, và nhạy cảm với thay đổi hệ thống.
   • Ứng dụng: Phù hợp cho nhà máy sản xuất có nhiều biến tần, như nhà máy xi măng hoặc thép ở Quảng Ninh.
   • Ví dụ: Một nhà máy thép ở Hải Phòng sử dụng bộ lọc thụ động để giảm sóng hài từ biến tần 100 kW, đáp ứng IEEE 519.
3. Bộ lọc hài chủ động (Active Harmonic Filters – AHF):
   • Cách hoạt động: Đo dòng hài theo thời gian thực và tạo ra dòng ngược pha để triệt tiêu sóng hài.
   • Ưu điểm: Giảm THD-I xuống dưới 8%, hiệu quả với cả hài bậc cao và thấp, và hỗ trợ bù công suất phản kháng.
   • Hạn chế: Chi phí cao (50-300 triệu đồng tùy công suất), cần bảo trì định kỳ.
   • Ứng dụng: Dùng trong các nhà máy tự động hóa cao (như sản xuất linh kiện điện tử ở Hà Nội) hoặc hệ thống yêu cầu chất lượng điện nghiêm ngặt.
   • Ví dụ: Một nhà máy bo mạch ở Bắc Ninh lắp AHF 100 A để bảo vệ dây chuyền SMT khỏi nhiễu hài.
4. Biến tần đa xung
   • Cách hoạt động: Sử dụng biến áp dịch pha với biến tần 12 xung hoặc 18 xung để triệt tiêu sóng hài bậc thấp. Biến tần 18 xung có thể giảm THD-I xuống 3-5%.
   • Ưu điểm: Hiệu quả cao, không cần bộ lọc bổ sung, và phù hợp với biến tần công suất lớn (>37kW).
   • Hạn chế: Chi phí cao (tăng 20-100% so với biến tần 6 xung), cần biến áp dịch pha phức tạp.
   • Ứng dụng: Dùng trong các nhà máy hóa dầu hoặc trạm bơm lớn ở Cần Thơ.
   • Ví dụ: Một trạm bơm ở Đồng bằng sông Cửu Long sử dụng biến tần 18 xung 200 kW để giảm sóng hài và đáp ứng quy định EVN.
5. Biến tần với Công nghệ Mặt trước Chủ động (Active Front-End – AFE):
   • Cách hoạt động: Sử dụng IGBT thay cho diode chỉnh lưu, chủ động điều chỉnh dòng điện đầu vào để giảm sóng hài và tăng hệ số công suất.
   • Ưu điểm: Giảm THD-I xuống dưới 5%, hỗ trợ phanh tái sinh (regenerative braking), và đáp ứng IEEE 519 mà không cần bộ lọc ngoài.
   • Hạn chế: Chi phí rất cao, thường dùng cho biến tần trung thế hoặc ứng dụng đặc biệt.
   • Ứng dụng: Dùng trong nhà máy dầu khí ở Vũng Tàu hoặc hệ thống thang máy lớn.
   • Ví dụ: Một nhà máy hóa dầu ở Bà Rịa – Vũng Tàu sử dụng biến tần AFE 6000 HP để giảm sóng hài và tiết kiệm năng lượng.
6. Các biện pháp bổ sung:
   • Chọn cáp và động cơ phù hợp: Sử dụng cáp biến tần chuyên dụng (như XHHW) và động cơ inverter-duty để giảm nhiễu và hỏng vòng bi.
   • Giám sát sóng hài: Sử dụng máy phân tích chất lượng điện (power quality analyzer) để đo THD tại điểm nối chung (Point of Common Coupling – PCC) và chọn giải pháp phù hợp.
   • Tối ưu hóa tải: Vận hành biến tần ở mức tải tối ưu (70-90%) để giảm sóng hài.
   • Đào tạo nhân viên: Đào tạo kỹ thuật viên về cách đọc mã lỗi biến tần và xử lý sự cố sóng hài.

5. Các thiết bị khác gây sóng hài trong hệ thống điện

Ngoài biến tần, nhiều thiết bị khác trong hệ thống điện cũng tạo ra sóng hài do đặc tính tải phi tuyến của chúng:

Bộ nguồn xung (Switched-Mode Power Supplies – SMPS):

• Thiết bị: Dùng trong máy tính, máy chủ, TV, và thiết bị văn phòng.
• Cơ chế: SMPS sử dụng bộ chỉnh lưu và chuyển mạch tần số cao để chuyển đổi AC thành DC, tạo ra dòng điện méo mó với sóng hài bậc 3, 5, và 7.
• Tác động: Gây nhiễu EMI, làm nóng dây trung tính, và tăng THD-I (20-50%) trong các tòa nhà văn phòng hoặc nhà máy sản xuất điện tử.
• Ví dụ: Một nhà máy sản xuất linh kiện ở Bắc Ninh gặp nhiễu PLC do SMPS từ máy chủ không có bộ lọc.

Đèn huỳnh quang và LED với ballast điện tử:

• Thiết bị: Đèn huỳnh quang compact (CFL), đèn LED công nghiệp.
• Cơ chế: Ballast điện tử chuyển đổi AC thành DC và điều chỉnh dòng điện, tạo sóng hài bậc 3 và 5 (THD-I từ 15-30%).
• Tác động: Làm nóng dây trung tính, gây nhấp nháy đèn, và tăng tổn hao năng lượng trong các nhà máy hoặc tòa nhà thương mại.
• Ví dụ: Một siêu thị ở TP.HCM gặp vấn đề dây trung tính quá nhiệt do đèn LED không có bộ lọc hài.

Máy hàn hồ quang và lò cảm ứng:

• Thiết bị: Dùng trong nhà máy thép, cơ khí, hoặc chế tạo kim loại.
• Cơ chế: Máy hàn và lò cảm ứng sử dụng dòng điện lớn và chuyển mạch tần số cao, tạo sóng hài bậc 5, 7, và cao hơn (THD-I lên đến 40-60%).
• Tác động: Gây quá nhiệt biến áp, nhiễu hệ thống điều khiển, và cộng hưởng với tụ bù công suất.
• Ví dụ: Một nhà máy thép ở Hải Phòng gặp hỏng tụ bù do sóng hài từ lò cảm ứng.

Bộ lưu điện (UPS – Uninterruptible Power Supply):

• Thiết bị: Dùng trong trung tâm dữ liệu, bệnh viện, hoặc nhà máy sản xuất.
• Cơ chế: UPS sử dụng bộ chỉnh lưu và nghịch lưu (inverter), tạo sóng hài bậc 3, 5, và 7, đặc biệt khi chạy ở chế độ tải nhẹ (THD-I từ 10-30%).
• Tác động: Gây nhiễu cho thiết bị nhạy cảm, tăng tổn hao năng lượng, và giảm tuổi thọ UPS.
• Ví dụ: Một bệnh viện ở Hà Nội gặp nhiễu hệ thống y tế do UPS không có bộ lọc hài.

Máy biến áp điện tử và bộ điều chỉnh điện áp (AVR):

• Thiết bị: Dùng trong nhà máy sản xuất hoặc hệ thống ổn áp.
• Cơ chế: Sử dụng chuyển mạch bán dẫn (như SCR hoặc IGBT), tạo sóng hài bậc thấp (3, 5) với THD-I từ 15-40%.
• Tác động: Gây méo mó điện áp, làm nóng biến áp, và nhiễu hệ thống điều khiển.
• Ví dụ: Một nhà máy dệt ở Đà Nẵng gặp lỗi PLC do sóng hài từ AVR không được kiểm soát.

Lưu ý:

• Các thiết bị trên thường tạo sóng hài bậc thấp (3, 5, 7), tương tự biến tần, nên các giải pháp khắc phục (như cuộn kháng, bộ lọc hài) cũng có thể áp dụng.
• Ở Việt Nam, các nhà máy sản xuất hoặc khu công nghiệp thường có nhiều thiết bị phi tuyến hoạt động đồng thời, làm tăng tổng mức sóng hài (THD) trong lưới điện.
• Để giảm tác động, cần giám sát THD tại điểm nối chung (PCC) và lắp bộ lọc hài hoặc sử dụng thiết bị có tích hợp giảm sóng hài (như UPS hoặc đèn LED chất lượng cao).

6. Hướng dẫn thực hiện và khuyến nghị

Để chọn giải pháp khắc phục sóng hài phù hợp, hãy làm theo các bước sau:

1. Đánh giá hệ thống:
   • Xác định số lượng và công suất biến tần cùng các thiết bị phi tuyến khác (như UPS, đèn LED) trong nhà máy.
   • Đo THD-I và THD-V tại PCC bằng máy phân tích chất lượng điện (như Fluke 435).
   • Kiểm tra yêu cầu chất lượng điện từ EVN hoặc tiêu chuẩn quốc tế (IEEE 519, TCVN 6474:1999).
2. Chọn giải pháp phù hợp:
   • Biến tần nhỏ (<37kW) hoặc thiết bị gia dụng: Dùng cuộn kháng hoặc bộ lọc thụ động.
   • Biến tần lớn (>37kW) hoặc UPS/lò cảm ứng: Cân nhắc biến tần 18 xung, AFE, hoặc bộ lọc chủ động.
   • Nhà máy tự động hóa cao: Ưu tiên bộ lọc chủ động hoặc thiết bị có tích hợp giảm sóng hài để bảo vệ thiết bị nhạy cảm.
3. Làm việc với nhà cung cấp:
   • Yêu cầu tài liệu kỹ thuật, chứng nhận IEEE 519, và hỗ trợ khởi động từ nhà cung cấp (như ABB, Siemens, Danfoss).
   • Kiểm tra kho phụ tùng (IGBT, tụ điện) tại Việt Nam để giảm thời gian sửa chữa.
4. Bảo trì định kỳ:
   • Kiểm tra bộ lọc, cuộn kháng, và quạt làm mát mỗi 6-12 tháng.
   • Thay tụ điện hoặc quạt sau 5-7 năm để duy trì hiệu suất.

Khuyến nghị cho Việt Nam:

• Ở các khu công nghiệp (như Bắc Ninh, Hải Phòng), ưu tiên giải pháp chi phí thấp như cuộn kháng hoặc bộ lọc thụ động cho các nhà máy vừa và nhỏ.
• Đối với ngành dầu khí hoặc hóa chất, sử dụng biến tần 18 xung hoặc AFE để đáp ứng tiêu chuẩn an toàn (ATEX, IECEx) và chất lượng điện.
• Liên hệ với các nhà cung cấp lớn như INVT, KOC hoặc Inovance tại Việt Nam để được tư vấn và hỗ trợ kỹ thuật bằng tiếng Việt.