1. Gai điện áp (Transient Voltage)

Gai điện áp là điện áp không mong muốn tạm thời trong hệ thống điện có độ chênh lệch từ vài vôn đến vài nghìn vôn và kéo dài khoảng từ micro giây đến mili giây.

Nguyên nhân là do sự thay đổi đột ngột của nguồn điện, gây ra sự bất thường trong hệ thống phân phối. Bao gồm các điều kiện tự nhiên (sấm sét, giông,…), bộ điều khiển (contactors,…) bị lỗi, các tải lân cận khởi động hoặc dừng, điều khiển tụ bù, quá trình bật tắt máy phát điện.

Những gai điện áp này có đặc tính thay đổi cả biên độ và tần số, do vậy gây hư hỏng hoặc xuống cấp cách điện các cuộn dây trong động cơ. Xem hình dưới đây để có cái nhìn rõ hơn về nguồn điện khi có xuất hiện gai điện áp.

Hình 1. Dạng sóng của nguồn điện ba pha khi có gai điện áp

Việc tìm ra nguồn gốc sinh ra gai điện áp đôi khi rất khó vì tính chất không liên tục của nguồn tạo gai điện áp cũng như sự cố gặp phải (ví dụ: không phải lúc nào cũng có sét hoặc các tải lân cận đều khởi động hoặc dừng cùng một lúc), đồng thời biểu hiện hư hỏng thực tế ra bên ngoài cũng theo nhiều cách khác nhau (thường động cơ hư hỏng ở mức nặng thì mới có thể xác định được đúng lỗi).

Để phát hiện kịp thời lỗi gai điện áp người ta thường xuyên kiểm tra nguồn điện bằng các thiết bị như: Fluke 438-II Motor and Power Quality Analyzer,…

Hình 2. Thiết bị kiểm tra động cơ, chất lượng điện Fluke 438-II

2. Mất cân bằng điện áp (Voltage Imbalance)

Mất cân bằng điện áp là hiện tượng xảy ra khi các pha bị lệch pha. Do trong hệ thống điện ba pha thường dùng các tải một pha và nếu phân chia các pha không đồng đều dẫn đến các pha còn lại bị chênh lệnh bị ít hoặc nhiều tải hơn. Dẫn tới các pha không còn lệch nhau một góc 120º như ban đầu.

Ngoài các lỗi trên còn có những lỗi tiềm ẩn có thể từ tiếp xúc điện, rò rỉ điện của cáp đi vào động cơ, đầu terminal tại động cơ hoặc bản thân dây quấn động cơ.

Sự chênh lệch này sẽ dẫn đến các motor chạy với nhiệt độ cao hơn so với định mức. Với việc nhiệt độ càng tăng, sẽ ảnh hưởng tới lớp cách điện và những hệ thống liên quan khác.Ví dụ, độ không cân bằng 3 pha là 6% có thể làm cho một motor điện hoạt động chỉ ở 80% công suất định mức, đòi hỏi motor cần được giảm tải.

Video sau đây sẽ cho chúng ta thấy rõ biểu đồ nhiệt độ và dạng sóng khi mất cân bằng pha:

Các giải pháp khắc phục:

Sử dụng ổn áp 3 pha:

• Trong hệ thống các nhà máy sản xuất hiện nay, việc lắp đặt máy ổn áp là sự lựa chọn hàng đầu. Chiếc máy ổn áp này có nhiệm vụ ổn định điện áp từ pha độc lập, giúp hệ thống hoạt động trơn tru, tăng cao tuổi thọ máy móc. Việc ổn định điện áp như vậy sẽ hạn chế tối đa việc lệch pha.

Hỉnh 3. Ổn áp ba pha

Điều chỉnh lại dòng điện ở từng pha:

• Chúng ta cần khởi động toàn bộ các thiết bị tiêu thụ điện trong hệ thống. Sử dụng những thiết bị hỗ trợ đo đạc cẩn thận, để có thông số làm cơ sở cân chỉnh lại dòng điện.
• Điều chỉnh lắp đặt chia nguồn tải cân bằng.

Hình 4. Lắp đặt phân chia đều tải cho ba pha

Có thể dùng các thiết bị kiểm tra motor và chất lượng điện năng Fluke 438-II,…

3. Méo dạng hài (Harmonic Distortion)

Sóng hài là những sóng tuần hoàn, hình sin và là bội số nguyên của tần số cơ bản (50 hoặc 60 Hz). Các thành phần này khi cộng với sóng sin nguyên bản (50Hz) sẽ gây ra méo mó, biến dạng sóng sin. Là thành phần điện áp, dòng điện AC tần số cao không mong muốn sinh ra và chuyển hóa năng lượng nhiệt gây ảnh hưởng đến dây quấn động cơ.

Sóng hài được chia thành nhiều bậc được xác định bằng bội số của nó, ví dụ tần số cơ bản của hệ thống điện là 60Hz thì các bậc tiếp theo sẽ là 120Hz ứng với sóng hài bậc 2, 180Hz sóng hài bậc 3,… (tấn số cơ bản*k, với k là bậc của sóng hài),…

Hình 5. Đồ thị dạng sóng nguồn điện (Complex wave) khi có sóng hài bậc ba kết hợp với tần số cơ bản 60Hz của nguồn điện

Các dạng sóng điện áp sin được tạo ra tại các nhà máy điện, trạm điện lớn thường rất tốt. Khi càng di chuyển về phía phụ tải, đặc biệt là những phụ tải phi tuyến điển hình như: lõi thép của máy biến áp, động cơ (đặc tính bão hòa của vật liệu sắt từ), các dụng cụ bán dẫn công suất như diot, thyristo của bộ biến đổi…,Các tải phi tuyến này tạo ra các thành phần sóng hài khác nhau và trả ngược lại lưới điện thông qua mạng dây dẫn, kết hợp với tần số điện cơ bản tạo ra các dạng biến dạng, khi đó các dạng sóng càng bị méo,  dạng sóng không còn là dạng sóng hình sin.

Năng lượng này không được sử dụng để hoạt động quay trục động cơ mà lưu chuyển trong dây quấn động cơ và góp phần sinh ra năng lượng tổn thất bên trong. Những năng lượng tổn thất này phân tán ở dạng nhiệt và theo thời gian sẽ làm suy giảm khả năng cách điện của dây quấn động cơ. Làm phát nóng, cháy dây dẫn các tổn thất nghiêm trọng trong hệ thống điện. Dây dẫn trung tính trong hệ thống 3 pha bị đốt nóng hoặc cháy. Điện áp N-G (trung tính – đất) quá lớn, cầu dao nhảy không rõ lí do. Nhiễu trong hệ thống truyền thông. Tụ bù và cuộn kháng máy biến áp có thể tạo thành mạch LC cộng hưởng dòng sóng hài lên gấp nhiều lần gây quá tải tụ và máy biến áp, dẫn tới cháy nổ tụ và máy biến áp.

Các giải pháp lọc sóng hài có thể áp dụng:

• Dùng cuộn kháng AC hoặc dùng Cuộn kháng DC cho biến tần: Là giải pháp tốt nhất cho những ứng dụng cần lọc nguồn lưới bị nhiễu nặng và yêu cầu giảm sóng hài không phải là ưu tiên hàng đầu. 

Hình 6. DC reactor và sơ đồ lắp đặt vào biến tần

• Giải pháp nghịch lưu 12 xung: Giải pháp chỉnh lưu 12 xung cho hiệu suất cao nhất trong việc làm giảm sóng hài nhưng quy trình phức tạp nhất.

• Bộ lọc thụ động: Nhiều cuộn kháng và tụ điện được lắp đặt thành mạch cộng hưởng để loại bỏ tần số của bậc hài. Một hệ thống có nhiều bộ lọc thụ động sẽ giúp cho loại một vài bậc sóng hài. 

• Bộ lọc tích cực : Được áp dụng cho nhiều biến tần gắn song song với nhau trên cùng một đường dây phân phối,  với nhiệm vụ chính là bù công suất, bù sóng hài điện áp và bù sóng hài dòng điện. 

• Sử dụng loại biến tần có sóng hài thấp: Trong ứng dụng đòi hỏi cao về sóng hài, sử dụng biến tần có sóng hài thấp là giải pháp tối ưu. Những biến tần ấy sử dụng công nghệ làm giảm sóng hài mà không cần tới bộ lọc ngoài hay biến áp đa xung với tổng độ méo dạng hài dòng điện (THDi) nhỏ hơn 5%.

Để thực hiện khảo sát sự méo dạng sóng hài cầm sử dụng thiết bị phân tích chất lượng điện năng (Fluke 438-II) để giám sát mức độ dòng cũng như nhiệt độ tại máy biến áp để đảm bảo không bị quá tải. Mỗi thành phần sóng hài được qui định mức độ chấp mức mức độ khác nhau, qui định theo tiêu chuẩn IEEE 519-2014.

Bảng tiêu chuẩn hài áp tổng THD và hài riêng lẻ từng bậc điện áp- Theo IEEE 519-2014