5. Waveform distortion – biến dạng sóng
Có 5 loại biến dạng sóng chính:
• DC offset
• Harmonics
• Interharmonics
• Notching
• Noise
Chúng ta sẽ đi vào phân tích từng loại:
DC offset
Dòng điện một chiều (DC) có thể cảm ứng vào một hệ thống điện xoay chiều (AC), thường là do lỗi của bộ chỉnh lưu (có trên hầu hết các thiết bị hiện nay) với công nghệ biến đổi dòng điện AC thành DC. DC có thể đi qua hệ thống điện AC và tạo ra dòng không mong muốn đi vào thiết bị đang hoạt động. Quá nóng và sự bão hòa của máy biến áp có thể là kết quả của việc lan truyền dòng DC. Khi máy biến áp bị bão hòa, nó không chỉ bị nóng, mà còn không có khả năng cung cấp đủ năng lượng cho dòng tải, và sự biến dạng sóng tiếp theo có thể tạo ra sự bất ổn hơn nữa trong các thiết bị điện tử.
Hình 11. Một DC offset
Các thiết bị lỗi là nguồn gốc của vấn đề DC offset, nên giải pháp cho vấn đề này là thay thế thiết bị lỗi. Các thiết bị có thể được được lắp ráp để người sử dụng có thể dễ dàng thay các bộ phận khi thiết bị bị lỗi để giải quyết vấn đề DC offset với chi phí thường là thấp hơn so với việc thuê lao động chuyên nghành sửa chữa.
Sóng hài
Sóng hài (hình 12) là bội số của tần sóng sin cơ bản (ví dụ, 180 Hz là dạng sóng hài bằng 3 lần tần số 60 Hz của sóng sin cơ bản).
Biểu hiện của các vấn đề sóng hài bao gồm hiện tượng quá nóng của máy biến áp, trên dây trung tính, và trên các thiết bị phân phối điện khác; cũng như hiện tượng chuyển mạch, sóng hài làm mất tính đồng bộ trên các mạch thời gian, các mạch này phụ thuộc vào sóng sin sạch gây ra tại điểm giao nhau 0. Sóng hài đã từng là vấn đề rất lớn đối với các thiết bị điện tử IT, nó có nguồn gốc từ bản chất của nguồn cung cấp năng lượng chuyển đổi (SMPS). .... Một sự quá tải trên dây trung tính có thể dẫn đến điện áp rất cao trên các chân của bảng phân phối điện, dẫ đến thiệt hại nặng nề cho các thiết bị đi kèm. Đồng thời, tải cho các SMPS được rút ra tại đỉnh của mỗi nửa chu kỳ điện áp, điều này thường dẫn đến quá nóng và bão hòa biến áp. Các tải khác góp phần vào vấn đề này là tốc độ động cơ thay đổi, chấn lưu ánh sáng và sự lỗi thời của hệ thống UPS. Phương pháp để giảm thiểu vấn đề này bao gồm kích thước lớn hơn của dây trung tính, cài đặt máy biến áp K-rated và bộ lọc sóng hài.
Trong thập kỷ vừa qua, được thúc đẩy bởi sự phát triển mạnh mẽ của nghành công nghệ thong tin (IT), bộ phận nguồn cung cấp năng lượng cho các thiết bị IT đã không ngừng được nâng cấp thông qua các tiêu chuẩn quốc tế. Trong quá khứ gần đây, một tụ bù lớn cho vấn đề quá tải của hệ thống điện bằng các cụm lớn của nguồn cấp của thiết bị IT đã tạo ra sóng hài quá mức trong một sơ sở. Nhiều nguồn cấp của thiết bị IT hiện nay đã được thiết kế với hệ số công suất nguồn đúng như nguồn cấp hoạt động của tải tuyến tính, và không có sóng hài. Nguồn cấp không tạo ra dòng gây hại của sóng hài.
Hình 12. Biến dạng sóng điện – sóng hài
Interharmonics
Interharmonics (hình 13) là một biến dạng sóng thường là kết quả của một tín hiệu đặt lên một điện áp nguồn do thiết bị điện như biến tần tĩnh, động cơ sảm ứng và thiết bị phóng điện hồ quang. Các Cycloconverters (cái điều khiển động cơ tuyến tính lớn trong các nhà máy cán, xi măng, và các thiết bị khai thác mỏ), gây ra các vấn đề lớn về interharmonic. Những thiết bị chuyển đổi này sẽ biến đổi điện áp thành một điện áp xoay chiều (AC) với tần số thấp hơn hoặc cao hơn tần số của nguồn cấp.
Hình 13. Biến dạng sóng điện - interharmonics
Giải pháp cho vấn đề interharmonics bao gồm bộ lọc, hệ thống UPS và dòng điều hòa.
Notching
Notching (hình 14) là một rối loạn điện áp định kỳ do các thiết bị điện tử gây ra, như sự thay đổi tốc độ ổ đĩa, thiết bị thay đổi độ sáng của đèn và hàn hồ quang dưới mức hoạt động bình thường. Vấn đề này có thể được miêu tả như một xung thoáng quá, nhưng bởi vì một nothes là định kỳ trên mỗi ½ chu kỳ, nên notching được coi là một dạng biến dạng sóng. Các hậu quả của notching thường là tạm dừng hệ thống, mất dữ liệu, và các vấn đề về dữ liệu trên đường truyền tải.
Hình 14. Notchinh
Một trong những giải pháp cho vấn đề notching là di chuyển tải (dây dẫn) tránh xa các thiết bị là nguyên nhân (nếu có thể). UPS và thiết bị lọc cũng là giải pháp khả thi cho vấn đề này nếu không thể di dời các dây dẫn.
Noise
Noise (hình 15) là điện áp không mong muốn hay dòng chồng lên hệ thống điện áp hoặc sóng điện áp hiện tại. Noise có thể được tạo ra bởi các thiết bị điện tử, mạch điều khiển, hàn hồ quang, hoạt động chuyển mạch, thiết bị phát sóng vô tuyến. Hệ thống tiếp đất nghèo nàn làm cho hệ thống dễ bị ảnh hưởng bởi noise. Noise có thể gây ra các vấn đề kỹ thuật như dữ liệu bị lỗi, thiết bị bị lỗi kéo dài, phần cứng bị lỗi, và hiển thị hình ảnh video bị bóp méo.
Hình 15. Noise
Có nhiều cách tiếp cận khác nhau để kiểm soát noise và đôi khi cần phải kết hợp các giải pháp kỹ thuật với nhau để đạt được kết quả như mong đợi. Một số phương pháp như:
Cách ly tải thong qua một UPS
Thiết lập hệ thống tiếp đất, cô lập máy biến áp
Chuyển tải (dây dẫn) tránh xa các nguồn giao thao
Cài đặt bộ lọc xung nhiễu
Dùng cáp có vỏ bọc
Sự sai lạc của thông tin là một trong những biểu hiện phổ biến nhất của noise. EMI (sự giao thoa điện từ - Electromagnetic interference) và RFI (giao thoa tần số Radio) có thể tạo ra điện tự cảm (dòng và điện cảm ứng) trên hệ thống mang theo dữ liệu trong hình 16. Trong khi dữ liệu được dịch chuyển ở định dạng kỹ thuật số (1 và 0 là đại diện cho một điện áp, hoặc một điện áp không), nếu điện áp vượt quá giá trị điện áp hoạt động của dữ liệu có thể làm cho hình dáng của dữ liệu không ăn khớp hoặc có sự đối lập. Một ví dụ điển hình của noise được tạo ra bởi cảm ứng là khi cáp mạng chạy xuyên qua trần nhà có ánh sáng của đèn huỳnh quang. Ánh sáng đèn huỳnh quang tạo ra EMI , và nếu cáp mạng đủ gần thì dữ liễu có thể bị lỗi. Điều này cũng có thể thường xuyên xảy ra khi hệ thống cáp mạng chạy quá gần đường dây điện công suất cao. Những bó dây điện thường chạy song cong với cáp mạng tại các trung tâm dữ liệu, và điều này làm tăng cơ hội tạo ra noise.
Hình 16. Hiện tượng cảm ứng điện từ
Giải pháp cho vấn đề này lien quan tới việc di chuyển cáp dữ liệu (hay nguồn mang dữ liệu) tránh xa nguồn của EMI/RFI, hoặc cung cấp thêm che chắn cho cáp truyền dữ liệu đề giảm, hay vô hiệu hóa ảnh hưởng của EMI/RFI.
6. Sự dao động bất thường của điện áp (biến động điện áp)
Về cơ bản, biến động điện áp là sự khác nhau giữa sóng điện áp bình thường với phần dị thường của dạng sóng. Một biến động điện áp (hình 17) là một biến thể mang tính hệ thống của dạng sóng điện áp hoặc một chuỗi thay đổi điện áp ngẫu nhiên, với biên độ nhỏ, cụ thể là khoảng 95% đến 100% của định mức ở một tần số thấp, thường là dưới 25 Hz.
Hình 17. Sự biến động biến áp
Bất kỳ dòng tải nào mang dòng biến đổi đủ lớn đều có thể tạo ra sự biến động điện áp. Lò hồ quang là nguyên nhân phổ biến nhất gây ra hiện tượng biến động điện áp trên đường truyền tải trong hệ thống phân phối điện. Một trong những biểu hiện của vấn đề này sự nhấp nháy của bong đèn sợi đốt. Loại bỏ các tải bị lỗi, di dời các thiết bị điện tử nhạy cảm, hoặc cài đặt thiết bị UPS hay đường dây điều hòa là các giải pháp để giải quyết vấn đề này.
7. Sự biến đổi tần số
Sự biến đổi tần số (hình 18) là rất hiếm xảy ra trong hệ thống điện ổn định, đặc biệt là hệ thống kết nối thông qua một mạng lưới điện. Trường hợp cơ sở có máy phát điện dự phòng hoặc có hạ tầng điện yếu kém thì hiện tượng biến đổi tần số phổ biến hơn, đặc biệt nếu máy phát điện là loại có công suất lớn. Thiết bị IT là loại chịu được sự thay đổi của tần số, và thường chúng không bị ảnh hưởng với những thay đổi nhỏ trong tần số của máy phát điện. Cái bị ảnh hưởng có thể là bất kỳ động cơ hay thiết bị nhạy cảm nào hoạt động dựa trên sự ổn định chu kỳ của nguồn điện theo thời gian. Biến đổi tần số có thể làm cho động cơ chạy nhanh hơn hoặc chậm hơn để phù hợp với tần số của dòng vào. Điều này làm cho động cơ chạy không hiệu quả và/hoặc làm nhiệt độ tăng, làm giảm tuổi thọ của động cơ thông qua việc tăng tốc độ của động cơ lên và/hoặc rút dòng (cường độ).
Hình 18. Sự biến đổi tần số
Để khắc phục vấn đề này, tất cả nguồn điện gây ra sự biến đổi tần số phải được đánh giá, sau đó sửa chữa, hoặc thay thế.
Có 5 loại biến dạng sóng chính:
• DC offset
• Harmonics
• Interharmonics
• Notching
• Noise
Chúng ta sẽ đi vào phân tích từng loại:
DC offset
Dòng điện một chiều (DC) có thể cảm ứng vào một hệ thống điện xoay chiều (AC), thường là do lỗi của bộ chỉnh lưu (có trên hầu hết các thiết bị hiện nay) với công nghệ biến đổi dòng điện AC thành DC. DC có thể đi qua hệ thống điện AC và tạo ra dòng không mong muốn đi vào thiết bị đang hoạt động. Quá nóng và sự bão hòa của máy biến áp có thể là kết quả của việc lan truyền dòng DC. Khi máy biến áp bị bão hòa, nó không chỉ bị nóng, mà còn không có khả năng cung cấp đủ năng lượng cho dòng tải, và sự biến dạng sóng tiếp theo có thể tạo ra sự bất ổn hơn nữa trong các thiết bị điện tử.
Hình 11. Một DC offset
Các thiết bị lỗi là nguồn gốc của vấn đề DC offset, nên giải pháp cho vấn đề này là thay thế thiết bị lỗi. Các thiết bị có thể được được lắp ráp để người sử dụng có thể dễ dàng thay các bộ phận khi thiết bị bị lỗi để giải quyết vấn đề DC offset với chi phí thường là thấp hơn so với việc thuê lao động chuyên nghành sửa chữa.
Sóng hài
Sóng hài (hình 12) là bội số của tần sóng sin cơ bản (ví dụ, 180 Hz là dạng sóng hài bằng 3 lần tần số 60 Hz của sóng sin cơ bản).
Biểu hiện của các vấn đề sóng hài bao gồm hiện tượng quá nóng của máy biến áp, trên dây trung tính, và trên các thiết bị phân phối điện khác; cũng như hiện tượng chuyển mạch, sóng hài làm mất tính đồng bộ trên các mạch thời gian, các mạch này phụ thuộc vào sóng sin sạch gây ra tại điểm giao nhau 0. Sóng hài đã từng là vấn đề rất lớn đối với các thiết bị điện tử IT, nó có nguồn gốc từ bản chất của nguồn cung cấp năng lượng chuyển đổi (SMPS). .... Một sự quá tải trên dây trung tính có thể dẫn đến điện áp rất cao trên các chân của bảng phân phối điện, dẫ đến thiệt hại nặng nề cho các thiết bị đi kèm. Đồng thời, tải cho các SMPS được rút ra tại đỉnh của mỗi nửa chu kỳ điện áp, điều này thường dẫn đến quá nóng và bão hòa biến áp. Các tải khác góp phần vào vấn đề này là tốc độ động cơ thay đổi, chấn lưu ánh sáng và sự lỗi thời của hệ thống UPS. Phương pháp để giảm thiểu vấn đề này bao gồm kích thước lớn hơn của dây trung tính, cài đặt máy biến áp K-rated và bộ lọc sóng hài.
Trong thập kỷ vừa qua, được thúc đẩy bởi sự phát triển mạnh mẽ của nghành công nghệ thong tin (IT), bộ phận nguồn cung cấp năng lượng cho các thiết bị IT đã không ngừng được nâng cấp thông qua các tiêu chuẩn quốc tế. Trong quá khứ gần đây, một tụ bù lớn cho vấn đề quá tải của hệ thống điện bằng các cụm lớn của nguồn cấp của thiết bị IT đã tạo ra sóng hài quá mức trong một sơ sở. Nhiều nguồn cấp của thiết bị IT hiện nay đã được thiết kế với hệ số công suất nguồn đúng như nguồn cấp hoạt động của tải tuyến tính, và không có sóng hài. Nguồn cấp không tạo ra dòng gây hại của sóng hài.
Hình 12. Biến dạng sóng điện – sóng hài
Interharmonics
Interharmonics (hình 13) là một biến dạng sóng thường là kết quả của một tín hiệu đặt lên một điện áp nguồn do thiết bị điện như biến tần tĩnh, động cơ sảm ứng và thiết bị phóng điện hồ quang. Các Cycloconverters (cái điều khiển động cơ tuyến tính lớn trong các nhà máy cán, xi măng, và các thiết bị khai thác mỏ), gây ra các vấn đề lớn về interharmonic. Những thiết bị chuyển đổi này sẽ biến đổi điện áp thành một điện áp xoay chiều (AC) với tần số thấp hơn hoặc cao hơn tần số của nguồn cấp.
Hình 13. Biến dạng sóng điện - interharmonics
Giải pháp cho vấn đề interharmonics bao gồm bộ lọc, hệ thống UPS và dòng điều hòa.
Notching
Notching (hình 14) là một rối loạn điện áp định kỳ do các thiết bị điện tử gây ra, như sự thay đổi tốc độ ổ đĩa, thiết bị thay đổi độ sáng của đèn và hàn hồ quang dưới mức hoạt động bình thường. Vấn đề này có thể được miêu tả như một xung thoáng quá, nhưng bởi vì một nothes là định kỳ trên mỗi ½ chu kỳ, nên notching được coi là một dạng biến dạng sóng. Các hậu quả của notching thường là tạm dừng hệ thống, mất dữ liệu, và các vấn đề về dữ liệu trên đường truyền tải.
Hình 14. Notchinh
Một trong những giải pháp cho vấn đề notching là di chuyển tải (dây dẫn) tránh xa các thiết bị là nguyên nhân (nếu có thể). UPS và thiết bị lọc cũng là giải pháp khả thi cho vấn đề này nếu không thể di dời các dây dẫn.
Noise
Noise (hình 15) là điện áp không mong muốn hay dòng chồng lên hệ thống điện áp hoặc sóng điện áp hiện tại. Noise có thể được tạo ra bởi các thiết bị điện tử, mạch điều khiển, hàn hồ quang, hoạt động chuyển mạch, thiết bị phát sóng vô tuyến. Hệ thống tiếp đất nghèo nàn làm cho hệ thống dễ bị ảnh hưởng bởi noise. Noise có thể gây ra các vấn đề kỹ thuật như dữ liệu bị lỗi, thiết bị bị lỗi kéo dài, phần cứng bị lỗi, và hiển thị hình ảnh video bị bóp méo.
Hình 15. Noise
Có nhiều cách tiếp cận khác nhau để kiểm soát noise và đôi khi cần phải kết hợp các giải pháp kỹ thuật với nhau để đạt được kết quả như mong đợi. Một số phương pháp như:
Cách ly tải thong qua một UPS
Thiết lập hệ thống tiếp đất, cô lập máy biến áp
Chuyển tải (dây dẫn) tránh xa các nguồn giao thao
Cài đặt bộ lọc xung nhiễu
Dùng cáp có vỏ bọc
Sự sai lạc của thông tin là một trong những biểu hiện phổ biến nhất của noise. EMI (sự giao thoa điện từ - Electromagnetic interference) và RFI (giao thoa tần số Radio) có thể tạo ra điện tự cảm (dòng và điện cảm ứng) trên hệ thống mang theo dữ liệu trong hình 16. Trong khi dữ liệu được dịch chuyển ở định dạng kỹ thuật số (1 và 0 là đại diện cho một điện áp, hoặc một điện áp không), nếu điện áp vượt quá giá trị điện áp hoạt động của dữ liệu có thể làm cho hình dáng của dữ liệu không ăn khớp hoặc có sự đối lập. Một ví dụ điển hình của noise được tạo ra bởi cảm ứng là khi cáp mạng chạy xuyên qua trần nhà có ánh sáng của đèn huỳnh quang. Ánh sáng đèn huỳnh quang tạo ra EMI , và nếu cáp mạng đủ gần thì dữ liễu có thể bị lỗi. Điều này cũng có thể thường xuyên xảy ra khi hệ thống cáp mạng chạy quá gần đường dây điện công suất cao. Những bó dây điện thường chạy song cong với cáp mạng tại các trung tâm dữ liệu, và điều này làm tăng cơ hội tạo ra noise.
Hình 16. Hiện tượng cảm ứng điện từ
Giải pháp cho vấn đề này lien quan tới việc di chuyển cáp dữ liệu (hay nguồn mang dữ liệu) tránh xa nguồn của EMI/RFI, hoặc cung cấp thêm che chắn cho cáp truyền dữ liệu đề giảm, hay vô hiệu hóa ảnh hưởng của EMI/RFI.
6. Sự dao động bất thường của điện áp (biến động điện áp)
Về cơ bản, biến động điện áp là sự khác nhau giữa sóng điện áp bình thường với phần dị thường của dạng sóng. Một biến động điện áp (hình 17) là một biến thể mang tính hệ thống của dạng sóng điện áp hoặc một chuỗi thay đổi điện áp ngẫu nhiên, với biên độ nhỏ, cụ thể là khoảng 95% đến 100% của định mức ở một tần số thấp, thường là dưới 25 Hz.
Hình 17. Sự biến động biến áp
Bất kỳ dòng tải nào mang dòng biến đổi đủ lớn đều có thể tạo ra sự biến động điện áp. Lò hồ quang là nguyên nhân phổ biến nhất gây ra hiện tượng biến động điện áp trên đường truyền tải trong hệ thống phân phối điện. Một trong những biểu hiện của vấn đề này sự nhấp nháy của bong đèn sợi đốt. Loại bỏ các tải bị lỗi, di dời các thiết bị điện tử nhạy cảm, hoặc cài đặt thiết bị UPS hay đường dây điều hòa là các giải pháp để giải quyết vấn đề này.
7. Sự biến đổi tần số
Sự biến đổi tần số (hình 18) là rất hiếm xảy ra trong hệ thống điện ổn định, đặc biệt là hệ thống kết nối thông qua một mạng lưới điện. Trường hợp cơ sở có máy phát điện dự phòng hoặc có hạ tầng điện yếu kém thì hiện tượng biến đổi tần số phổ biến hơn, đặc biệt nếu máy phát điện là loại có công suất lớn. Thiết bị IT là loại chịu được sự thay đổi của tần số, và thường chúng không bị ảnh hưởng với những thay đổi nhỏ trong tần số của máy phát điện. Cái bị ảnh hưởng có thể là bất kỳ động cơ hay thiết bị nhạy cảm nào hoạt động dựa trên sự ổn định chu kỳ của nguồn điện theo thời gian. Biến đổi tần số có thể làm cho động cơ chạy nhanh hơn hoặc chậm hơn để phù hợp với tần số của dòng vào. Điều này làm cho động cơ chạy không hiệu quả và/hoặc làm nhiệt độ tăng, làm giảm tuổi thọ của động cơ thông qua việc tăng tốc độ của động cơ lên và/hoặc rút dòng (cường độ).
Hình 18. Sự biến đổi tần số
Để khắc phục vấn đề này, tất cả nguồn điện gây ra sự biến đổi tần số phải được đánh giá, sau đó sửa chữa, hoặc thay thế.
