Thiết bị biến đổi tần số (gọi tắt là biến tần) với những ưu thế và hiệu quả vượt trội đã trở thành lựa chọn mặc địch cho các ứng dụng điều khiển tốc độ động cơ trong công nghiệp kể từ 30 năm về trước tới ngày nay. Sự phát triển của ngành công nghiệp bán dẫn và kỹ thuật điều khiển đã làm cho các bộ biến tần có hiệu suất và chất lượng điều khiển ngày càng cao nhưng giá thành lại ngày càng giảm. Nhờ giá thành hạ ngày nay biến tần không chỉ được sử dụng trong công nghiệp mà còn được sử dụng rộng rãi trong dân dụng như trong các hệ thống thang máy, các hệ thống thông gió toà nhà, các điều hoà không khí,… nhằm tiết kiệm năng lượng.
Tuy nhiên việc sử dụng biến tần tạo ra dòng điện với các thành phần sóng hài lớn và với tỷ trọng ngày càng lớn trong tổng phụ tải tiêu thụ nó gây ra áp lực lớn lên hệ thống cung cấp điện. Sóng hài dòng điện gây ra những tác hại lớn như làm tăng tổn thất trong hệ thống cung cấp điện, làm giảm tuổi thọ của các thiết bị điện và ở mức độ lớn hơn nó có thể gây ra méo dạng sóng điện áp lưới làm cho các thiết bị điện chuyển mạch theo điện áp lưới không thể hoạt động hay gây cháy nổ cho các tụ điện bù công suất phản kháng. Để đánh giá mức độ sóng hài người ta sử dụng tổng độ biến dạng sóng hài dòng điện (THD) được định nghĩa như sau:
Trong đó: II là giá trị hiệu dụng của sóng hài điện áp bậc i và N là bậc cao nhất của sóng hài cần đánh giá (N thông thường lấy bằng 40 hoặc 50).
Để hạn chế ảnh hưởng của sóng hài trong hệ thống điện, người ta đã đưa ra các tiểu chuẩn và các quốc gia đã vận dụng để xây dựng lên các quy định pháp lý về phát thải sóng hài với các hộ phát điện và tiêu thụ điện. Với các hộ tiêu thụ điện tại Việt Nam, Điều 32 trong thông tư 39/2015/TT-BCT của Bộ Công thương Việt nam quy định mức độ phát thải sóng hài dòng điện với các điểm nối lưới có công suất dưới 50kW là THD ≤ 20% và trên 50kW là THD ≤ 12%.
Với tỷ trọng phụ tải dùng biến tần ngày các lớn trong tổng phụ tải sử dụng của các hộ tiêu thụ điện, vấn đề đảm bảo thoả mãn yêu cầu về sóng hài nhỏ hơn mức cho phép dang trở thành một thách thức đối với các kỹ sư trong quá trình thiết kế và lựa chọn thiết bị cho các hệ thống cung cấp và sử dụng điện. Để giảm thiểu mức độ phát thải sóng hài dòng điện do các bộ biến tần gây ra có hai hướng tiếp cận phổ biến là 1)Lựa chọn biến tần có sóng hài dòng điện đầu vào thấp và 2)Sử dụng các bộ lọc sóng hài.
Lựa chọn biến tần có sóng hài dòng điện đầu vào thấp
Nguyên nhân chủ yếu gây ra sóng hài dòng điện của các bộ biến tần nằm ở bộ chỉnh lưu đầu vào. Các bộ chỉnh lưu cầu 3 pha nối trực tiếp với lưới (còn được gọi là chỉnh lưu 6-xung do điện áp một chiều có 6 đỉnh nhấp nhô trong một chu kỳ điện áp lưới) có thể tạo ra sóng hài dòng điện đầu vào có THD lên tới 135%. Để biến tần có sóng hài dòng điện đầu vào thấp ta có thể lựa chọn biến tần với bộ chỉnh lưu đầu vào có sóng hài thấp. Các bộ chỉnh lưu có sóng hài dòng điện đầu vào thấp hiện nay phổ biến là chỉnh lưu tích cực và các bộ chỉnh lưu nhiều xung.
Biến tần với bộ chỉnh lưu tích cực
Bộ chỉnh lưu tích cực với nhiều ưu điểm nổi trội là dòng điện đầu vào với mức độ sóng hài thấp, cho phép biến đổi năng lượng theo cả hai chiều và điều chỉnh được công suất phản kháng hiện nay là lựa chọn ưa thích cho nhiều ứng dụng sử dụng biến tần trong công nghiệp. Về mặt phát thải sóng hài, các bộ chỉnh lưu tích cực có mức phát thải sóng hài thấp với THD<4% nên nó đáp ứng cho tất cả các ứng dụng và hệ thống điện có yêu cầu khắt khe nhất về mức độ phát thải sóng hài. Nhược điểm duy nhất của các bộ chỉnh lưu tích cực là giá thành khá cao và khi không sử dụng những ưu thế khác ngoài ưu thế về mức độ phát thải sóng hài thấp thì nó thường không được lựa chọn cho các bộ biến tần.
Biến tần với bộ chỉnh lưu nhiều xung
Bộ chỉnh lưu nhiều xung được tạo ra bằng cách tạo ra các hệ thống điện áp ba pha nhưng lệch nhau một góc bằng một phần nguyên lần của góc dẫn trong chỉnh lưu 6 xung. Vì chỉnh lưu 6 xung có góc dẫn là 60o điện nên nếu ta tạo ra hai hệ thống điện áp đầu vào ba pha lệch nhau một góc bằng 30o (60o/2) ta sẽ tạo ra được chỉnh lưu 12 xung và nếu tạo ra ba hệ thống điện áp ba pha lệch nhau 20o (60o/3) ta sẽ có chỉnh lưu 18 xung. Để tạo ra hệ thống hai điện áp ba pha lệch nhau 30o của chỉnh lưu 12 xung ta sử dụng biến áp đầu vào với hai cuộn thứ cấp trong đó một cuộn đấu sao và một cuộn đấu tam giác (xem Hình 1). Trên Hình 2 là dạng sóng dòng diện của chỉnh lưu 12 xung, dòng điện của từng hệ thống điện ba pha này vẫn có tỷ lệ sóng hài cao (THD = 76%) như trường hợp chỉnh lưu sáu xung nhưng khi cộng lại qua biến áp thì dòng điện đầu vào của biến áp có tỷ lệ sóng hài thấp (THD = 12%). Tăng giá trị điện cảm đầu vào từng nhánh ta có thể giảm trị số THD dòng tổng cộng hơn nữa nhưng giá trị THD hiệu quả nhất với chỉnh lưu 12 xung là khoảng 10%. Với chỉnh lưu 18 xung, 24 xung cách làm cũng tương tự nhưng việc đấu nối các cuộn đầu ra của biến áp sử dụng cách đấu zic-zac phức tạp hơn nhiều so với trường hợp chỉnh lưu 12 xung.
Trước đây phương án chỉnh lưu nhiều xung chỉ ứng dụng cho các biến tần công suất lớn nhưng ngày nay ngay nhiều hãng sản xuất cung cấp biến tần trang bị sẵn chỉnh lưu dầu vào 12 xung cho cả những biến tần có công suất vừa và nhỏ. Với chỉnh lưu 18 xung và 24 xung mặc dù cho phép sóng hài dòng điện đầu vào nhỏ hơn nữa nhưng do cách đấu nối phức tạp nên chỉ dùng cho các biến tần có công suất rất lớn và trong các hệ thống cung cấp điện có yêu cầu đặc biệt về vấn đề phát thải sóng hài.
Hình 1. Sơ đồ chỉnh lưu 12 xung
Hình 2. Dạng sóng dòng điện của chỉnh lưu 12 xung
THD nhánh 1 và 2: 76%, THD dòng tổng: 12%
Sử dụng các bộ lọc sóng hài
Phương án sử dụng các bộ lọc sóng hài đã được phát triển và sử dụng từ lâu. Các phương án truyền thống thường sử dụng các phần tử bị động (passive) để xây dựng các bộ lọc và thuộc nhóm các bộ lọc bị động. Ngày nay với sự phát triển của các phần tử bán dẫn công suất lớn và kỹ thuật điều khiển điện tử công suất, các bộ lọc tích cực (Active Filter) đã ra đời và đáp ứng được những đòi hỏi của lọc sóng hài với chất lượng vượt trội. Phương án sử dụng bộ lọc sóng hài thường được xây dựng cho các ứng dụng cụ thể và có các phương án tiêu biểu như sau:
Sử dụng các bộ lọc tích cực (Active Filter)
Các bộ lọc tích cực thực hiện việc phân tích liên tục dòng điện của phụ tải để điều khiển thiết bị điện tử công suất tạo ra dòng điện hài ngược lại so với dòng điện hài của phụ tải từ đó triệt tiêu ảnh hưởng của sóng hài dòng điện lên lưới. Ưu điểm của các bộ lọc tích cực là có thể đạt được hiệu quả lọc cao với THD dòng điện sau lọc có thể ở mức dưới 5%. Những ưu điểm khác của phương án sử dụng bộ lọc tích cực là có thể thực hiện lọc với dạng sóng hài dòng điện bất kỳ, có thể lựa chọn lọc từng sóng hài, có thể kết hợp thực hiện bù công suất phản kháng và dễ dàng lắp đặt. Với những ưu điểm đó phương án sử dụng bộ lọc tích cực được lựa chọn ngày một nhiều cho các hệ thống đã lắp đặt và bây giờ cần giảm mức độ phát thải sóng hài đặc biệt trong các ứng dụng có nhiều thành phần sóng hài không biết trước. Mặc dù có chất lượng lọc vượt trội nhưng tương tự như phương án sử dụng chỉnh lưu tích cực, nhược điểm lớn nhất của phương án sử dụng lọc tích cực là giá thành cao và là nguyên nhân chính mà nhiều chủ đầu tư không lựa chọn khi có thể lựa chọn phương án khác.
Sử dụng các bộ lọc bị động lọc từng sóng hài
Phân tích dòng điện đầu vào của các bộ chỉnh lưu kiểu 6 xung lắp cho các biến tần ta thấy có các thành phần sóng hài bậc 5, bậc 7 và bậc 11 là lớn nhất. Do vậy có thể thiết kế các bộ lọc lọc riêng từng thành phần sóng hài này và phương án được lựa chọn là sử dụng ba mạch lọc cộng hưởng kiểu L-C có tần số cộng hưởng tương ứng bằng 5 lần, 7 lần và 11 lần tần số lưới. Ưu điểm của phương án này là đơn giản và có độ tin cậy cao, đảm bảo lọc được các thành phần sóng hài đã thiết kế. Nhược điểm của phương án này là hiệu quả lọc giảm khi tần số lưới thay đổi, các phần tử có kích thước lớn, cồng kềnh nên giá thành cũng không nhỏ và nó chỉ được lựa chọn cho các ứng dụng có công suất rất lớn như các lò nấu, luyện thép,…
Sử dụng các cuộn cảm
Phương án đơn giản nhất để giảm sóng hài dòng điện đầu vào của các biến tần là lắp các cuộn cảm đầu vào hoặc cuộn cảm trong mạch một chiều trung gian của biến tần. Hình 3 là dạng sóng dòng điện với các trường hợp sử dụng cuộn kháng xoay chiều và một chiều đầu vào so với trường hợp không dùng cuộn kháng và Hình 4 là phân tích Fourier của nó. Giá trị điện cảm càng tăng thì tỷ lệ sóng hài càng giảm. Trên hình 3 cho thấy quan hệ của tỷ lệ sóng hài theo tích của giá trị điện cảm và công suất động cơ và ta thấy giá trị điện cảm tăng sẽ làm THD giảm hiệu quả nhất tới khoảng 40%. Từ khoảng THD dưới 30% phải tăng giá trị điện cảm nhiều nhưng không làm THD giảm nhiều. Hơn nữa việc lắp thêm cuộn kháng xoay chiều ở đầu vào của biến tần sẽ làm giảm điện áp đầu vào, cả cuộn kháng xoay chiều và cuộn kháng trong mạch một chiều trung gian sẽ làm giảm đáp ứng động của biến tần với tải thay đổi nên việc lắp cuộn kháng chỉ sử dụng để giảm tổng sóng hài tới mức THD ở 40% tới 30% mà không lựa chọn cho trường hợp yêu cầu thấp hơn vì cả lý do kỹ thuật và kinh tế. Vì lý do này phương án sử dụng cuộn kháng là lựa chọn tốt nhất cho các hệ thống cung cấp điện có tỷ lệ phụ tải biến tần dưới 25% tổng phụ tải. Khi tỷ lệ phụ tải biến tần lớn hơn ta phải xem xét phương án kết hợp cuộn cảm với dịch pha điện áp sẽ trình bày dưới đây.
Hình 3. Dạng sóng dòng điện đầu vào biến tần trong các trường hợp dùng cuộn kháng AC (THD=42%), dùng cuộn kháng DC (THD=35%) và không dùng cuộn kháng (THD=117%)
Hình 4. Phân tích Fourier của dạng sóng dòng điện tương ứng với các trường hợp dùng cuộn kháng AC, dùng cuộn kháng DC và không sử dụng cuộn kháng
Hình 5. Quan hệ giữ chỉ số THD và điện cảm DC
Kết hợp cuộn cảm với dịch pha điện áp
Phương án dịch pha điện áp có cách tiếp cận tương tự phương án chỉnh lưu 12 xung là tạo ra hai điện áp ba pha lệch nhau 30o. Các phụ tải biến tần trong hệ thống sẽ được phân chia thành hai nhánh cấp bởi hai hệ thống điện áp ba pha lệch nhau 30o. Khác với chỉnh lưu 12 xung là phương án này các chỉnh lưu 6 xung không cấp điện cho một mạch DC chung mà nhiều mạch DC khác nhau nên đòi hỏi người thiết kế phải am hiểu hoạt động của toàn hệ thống để phân chia tải vào hai nhánh điện áp ba pha sao cho cân bằng nhất.
Trên Hình 6 là dạng sóng dòng điện trong hai nhánh và dòng điện tổng. Dòng điện trong hai nhánh có tỷ lệ sóng hài như trường hợp sử dụng cuộn kháng thông thường (có nghĩa là có THD khoảng từ 30% tới 40%) nhưng khi kết hợp lại ta sẽ có dòng tổng đầu vào có tổng sóng hài THD nhỏ hơn 12%, đáp ứng được yêu cầu. Nhờ sự kết hợp cuộn kháng đầu vào của từng biến tần mà phần lớn đã được trang bị cùng với biến tần với việc dịch pha điện áp nên phương án này có giá thành chỉ bằng từ 25% tới 30% giá thành của các phương án khác mà vẫn đáp ứng được yêu cầu về sóng hài của Thông tư 39/2015/TT-BCT. Nhược điểm của phương án này do phải phân chia phụ tải biến tần vào hai nhánh điện áp nên tỷ lệ sóng hài thực tế sẽ tăng lên khi tải giữa hai nhánh mất cân bằng.
Phương án này cũng không áp dụng được với trường hợp có một phụ tải biến tần mà công suất lớn hơn 50% tổng công suất các phụ tải biến tần. Với trường hợp này cần tách riêng biến tần có công suất lớn đó ra để sử dụng phương án khác còn các biến tần còn lại áp dụng phương án này. Tuy có những nhược điểm như vậy nhưng kinh nghiệm tư vấn thiết kế và triển khai các dự án lọc sóng hài tại Viện Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa – ĐHBK Hà Nội cho thấy phương án này khá hiệu quả đối với thực tế của các hộ tiêu thụ điện tại Việt Nam. Phương án này có thể áp dụng hiệu quả cho các hộ tiêu thụ điện có tỷ lệ công suất của phụ tải biến tần với tổng công suất tiêu thụ lên tới 60% và nếu được thiết kế khéo léo nó có thể áp dụng cho trường hợp mà tỷ lệ này lên tới 90%.
Hình 6. Dạng sóng dòng điện của phương án kết hợp cuộn kháng với dịch pha điện áp với THD dòng điện nhánh 1 và 2 là 42%, THD dòng điện tổng là 7%
Hình 7. Phân tích Fourier dạng sóng dòng điện của phương án kết hợp cuộn kháng đầu vào và dịch pha điện áp
Các giải pháp lọc sóng hài dòng điện gây ra bởi biến tần chỉ thực sự hiệu quả về cả kỹ thuật và kinh tế khi nó được xây dựng trên cơ sở phân tích hoạt động của hệ thống công nghệ. Một giải pháp có thể là tốt với trường hợp này nhưng chưa chắc đã tốt với trường hợp khác. Khi thiết kế các phương án lọc sóng hài đòi hỏi người kỹ sư phải xem xét tổng thể cả yếu tố kỹ thuật và kinh tế nhằm tìm ra phương án phù hợp. Bài viết tổng hợp những kinh nghiệm của Viện Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa – ĐHBK Hà Nội trong quá trình xây dựng các giải pháp lọc sóng hài khác nhau cho nhiều hộ tiêu thụ điện khác nhau trong công nghiệp và dân dụng để đưa ra bức tranh tổng quan về vấn đề lọc sóng hài tại các hộ tiêu thụ điện ở Việt Nam.
Phạm Quang Đăng, Viện KT Điều khiển và Tự động hóa – ĐHBK Hà Nội
