Tại sao tín hiệu bị nhiễu? Những điều nên biết về nhiễu tín hiệu

Chắc hẳng các bạn kỹ thuật khi xử lý nhiễu tín hiệu analog dạng 4-20mA, 0-10V trong đo lường điều gặp phải vấn đề. Đó là nhiễu tín hiệu. Nhiễu tín hiệu là khi giá trị tín hiệu phát và vị trí thu không giống nhau về giá trị. Có thể giá trị tín hiệu bị sụt giảm hoặc tăng lên. Điều này gây khó khăn trong giám sát và điều khiển. Các nguồn phát tín hiệu analog trong công nghiệp chúng ta thường gặp như cảm biến áp suất, cảm biến siêu âm, đồng hồ lưu lượng…Nguyên nhân hầu hết do sóng hài gây ra. Vậy sóng hài là gi? Hôm nay mình và các bạn cùng tìm hiểu về nhiễu tín hiệu do sóng hài gây ra và cách khắc phục nhé!

Nội Dung Chính

Sóng hài là gì?

Sóng hài là một dạng nhiễu không mong muốn, ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng lưới điện và cần được chú ý tới khi tổng các dòng điện hài cao hơn mức độ giới hạn cho phép. Dòng điện hài là dòng điện có tần số là bội của tần số cơ bản. Ví dụ dòng 250Hz trên lưới 50Hz là sóng hài bậc 5. Dòng điện 250Hz là dòng năng lượng không sử dụng được với các thiết bị trên lưới. Vì vậy, nó sẽ bị chuyển hoá sang dạng nhiệt năng và gây tổn hao.

Sóng hài được đặc trưng của dao động hoàn toàn trên phổ tần số công nghiệp cơ bản. Thành phần sóng hài trong nguồn AC được định nghĩa là thành phần sin của một chu kỳ sóng có tần số bằng số nguyên lần tần số cơ bản của hệ thống.

Tại sao sinh ra sóng hài?

Nguyên nhân gây ra sóng hài

Là do các phụ tải dạng phi tuyến trong hệ thống điện. Điện áp đầu vào của tải phi tuyến là dạng hình sin nhưng dòng qua nó có dạng không sin.

Một dạng sóng bất kỳ là tổng của các dạng sóng hình sin. Khi đồng nhất từ chu kỳ này sang chu kỳ khác nó có thể được miêu tả như những sóng sin cơ bản và bội số của tần số cơ bản, có nghĩa là bao gồm sóng sin cơ bản và chuỗi của các dạng sóng sin hài bậc cao, gọi là chuỗi Fourier.

Quá trình tính toán có thể độc lập với mỗi hài riêng. Kết quả tính toán của mỗi tần số sẽ được kết hợp vào một dạng của chuỗi Fourier để có dạng sóng ra tổng quát nếu cần. Thông thường chỉ cần quan tâm đến biên độ của sóng hài.

Các nguồn sinh ra sóng hài

Các thiết bị điện tử (như bộ điều chỉnh tốc độ động cơ, các bộ chỉnh lưu điều khiển, máy vi tính, …) đã gây ra nhiều vấn đề liên quan đến sóng hài trong hệ thống điện. Đối với hệ thống truyền tải điện thì ảnh chủ yếu do cảm kháng từ hóa phi tuyến của máy biến áp, thiết bị hồ quang như: các lò điện hồ quang, các máy hàn, các cuộn kháng điện trong các thiết bị hoạt động trên cơ sở cảm ứng điện từ.

Đối với điều kiện vận hành không cân bằng giữa các pha như điện áp hệ thống không cân bằng, tổng trở hệ thống hay tải không cân bằng mỗi thành phần sóng hài có thể xảy ra trong ba thành phần (thuận, nghịch, không). Ngoài ra các tụ bù trong lưới điện thường kết hợp với cảm kháng lưới tạo ra mạch cộng hưởng làm khuếch đại các dòng hài có tần số lân cận tần số cộng hưởng tồn tại trong lưới.

Tác hại của sóng hài

Loại sóng này gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng cho hệ thống điện và hệ thống thiết bị dẫn đến hư hỏng thiết bị, cháy nổ, trì trệ vận hành, …

Các thành phần sóng hài cộng thêm công suất ảo vào tổng công suất tiêu thụ của máy biến áp, làm máy biến áp quá tải, phát nóng và cháy mặc dù tải chỉ tiêu thụ công suất trung bình.
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.
Hỏng tụ điện bù công suất phản kháng PF.
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.

Tín hiệu analog trong công nghiệp

Ngành công nghiệp thường cần đo các đại lượng vật lý không dùng điện khác nhau, chẳng hạn như nhiệt độ, áp suất, tốc độ, góc, v.v … Tất cả chúng cần được chuyển đổi thành tín hiệu điện tương tự trước khi chúng có thể được truyền đến phòng điều khiển hoặc thiết bị hiển thị cách xa hàng trăm mét. Thiết bị này chuyển đổi các đại lượng vật lý thành tín hiệu điện được gọi là máy phát. Được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp là sử dụng dòng điện 4-20mA để truyền tín hiệu tương tự. 4 – 20mA nghĩa là dòng tối thiểu là 4mA và dòng tối đa là 20mA.

Vòng lặp hiện tại 4-20mA sử dụng 4mA để biểu thị tín hiệu 0 và 20mA để biểu thị thang đo đầy đủ của tín hiệu, các tín hiệu thấp hơn 4mA và cao hơn 20mA được sử dụng cho các báo động lỗi khác nhau.

Trong công nghiệp việc truyền tín hiệu bằng sóng sẽ gây ra nhiễu, điện trở phân tán của đường truyền sẽ bị sụt áp, việc cung cấp dòng điện cho bộ khuếch đại thiết bị cũng sẽ gặp vấn đề.

Để giải quyết những khó khăn trên thì người ta thường sử dụng các bộ chuyển đổi cách ly điện để lọc nhiễu.

Cách xử lý nhiễu tín hiệu analog 4-20mA như thế nào

Có nhiều biện pháp để xứ lý nhiễu tín hiệu analog. Hai cách được sử dụng phổ biến đó là sử dụng dây cáp chống nhiễu hoặc sử dụng thiết bị cách ly chống nhiễu. Trong đó biện pháp sử dụng bộ cách ly chống nhiễu là lựa chọn được sử dụng nhiều hơn. Vì dùng dây chưa chắc sẽ khắc phục được nhiễu, trong một số trường hợp nhiễu do biến tần hay động cơ thì việc dùng dây cáp chống nhiễu không mang lại hiệu quả.

Bộ cách ly chống nhiễu analog là lựa chọn được các kỹ sư sử dụng để khắc phục nhiễu. Vậy bô cách ly có các đặc tính kỹ thuật gì có thể chống nhiễu. Sau đây mình giới thiệu thiết bị cách ly nhiễu của hãng Seneca. Một trong các hãng sản xuất thiết bị cách ly phổ biến hiện nay.

Bộ cách ly chỗng nhiễu K109S

Với khả năng cách ly chống nhiễu tại 1500 Vac, bộ chống nhiễu K109S sẽ giúp cách ly tín hiệu analog của bạn khỏi các tác nhân gây nhiễu tín hiệu.

Tín hiệu ngõ vào và ngõ ra của K109S:
Ngõ vào: 1 input

Dòng điện: 4 scale 4-20mA, 20-4mA, 0-20mA, 20-0mA.
Điện áp: 0..10 / 10..0 / 0..5 / 1..5 V

Ngõ ra: 1 output

Dòng điện: 4 scale 4-20mA, 20-4mA, 0-20mA, 20-0mA.
Điện áp: 0..10 / 10..0 / 0..5 / 1..5 V

Các thông số chung khác:

Nguồn cấp: 19,2 … 30 Vdc
Cách ly chống nhiễu tại 1500 Vac tại nguồn cấp/input/output
Sai số 0,1%
Thời gian đáp ứng 40 ms.
Cài đặt bằng Dip switches trên thiết bị.
Vị trí lắp đặt: lắp trên DIN rail 35mm.
Chuẩn bảo vệ: IP20.
Nhiệt độ làm việc: -20 …. +65 độ C.
Kích thước: 6,2 x 93 x 102,5 mm

Bộ cách ly chống nhiễu Z109REG2-1

Với 1 chuẩn cách ly chống nhiễu cao hơn so với bộ K109S, bộ cách ly chống nhiễu chuẩn cao Z109REG2-1 của hãng Seneca có khả năng cách ly chống nhiễu tại 3750 Vac. Đây là một chuẩn cách ly chống nhiễu rất cao mà không nhiều hãng có thể gia công được.

Tín hiệu input và output của bộ cách ly chống nhiễu Z109REG2-1:
Ngõ vào: 1 tín hiệu

Điện áp (mV, V): có thể cài đặt bất kỳ giá trị từ 75mV đến 20V.
Dòng điện (mA): có thể cài đặt bất kỳ giá trị từ 0 mA đến 20 mA.
Cảm biến nhiệt độ: Pt100, Pt500, Pt1000, Ni100, KTY81, KTY84, NTC với dải đo -200 đến 600 độ C. Độ phân giải 0,1 độ C.
Can nhiệt loại J, K, R, S, T, E, B, N
Biến trở: 500 ohm đến 100 kohm.

Ngõ ra: 1 tín hiệu analog + relay.