Sóng hài

Sóng hài

Sóng hài là các tần số cao hơn không mong muốn được chồng lên dạng sóng cơ bản tạo ra dạng sóng bị méo

Trong mạch điện xoay chiều, điện trở hoạt động giống hệt như trong mạch điện một chiều. Nghĩa là, dòng điện chạy qua điện trở tỷ lệ với điện áp trên nó. Điều này là do điện trở là một thiết bị tuyến tính và nếu điện áp đặt vào nó là sóng hình sin thì dòng điện chạy qua nó cũng là sóng hình sin nên độ lệch pha giữa hai hình sin bằng không.

Nói chung, khi xử lý các điện áp và dòng điện xoay chiều trong mạch điện, người ta cho rằng chúng thuần túy và có dạng hình sin chỉ có một giá trị tần số, được gọi là "tần số cơ bản", nhưng điều này không phải lúc nào cũng đúng.

Trong một thiết bị hoặc mạch điện, điện tử có đặc tính dòng điện không tuyến tính, tức là dòng điện chạy qua nó không tỷ lệ với điện áp đặt vào. Các dạng sóng xen kẽ được kết hợp với thiết bị sẽ khác nhau ở mức độ lớn hơn hoặc nhỏ hơn so với các dạng sóng hình sin lý tưởng. Những dạng sóng này thường được gọi là dạng sóng không hình sin hoặc phức tạp.

Các dạng sóng phức tạp được tạo ra bởi các thiết bị điện thông thường như cuộn cảm bằng sắt, máy biến áp chuyển mạch, chấn lưu điện tử trong đèn huỳnh quang và các tải điện cảm nặng khác cũng như các dạng sóng điện áp đầu ra và dòng điện của máy phát điện xoay chiều, máy phát điện và các máy điện khác. Kết quả là dạng sóng hiện tại có thể không phải là hình sin mặc dù dạng sóng điện áp là.

Ngoài ra, hầu hết các mạch chuyển đổi nguồn điện điện tử như bộ chỉnh lưu, bộ chỉnh lưu điều khiển silicon (SCR), bóng bán dẫn công suất, bộ chuyển đổi nguồn và các công tắc trạng thái rắn khác có chức năng cắt và cắt nguồn điện dạng sóng hình sin để điều khiển công suất động cơ hoặc để chuyển đổi nguồn điện xoay chiều hình sin đến DC. Các mạch chuyển mạch theo chủ đề này có xu hướng chỉ tạo ra dòng điện ở các giá trị đỉnh của nguồn cung cấp AC và vì dạng sóng của dòng chuyển mạch không phải là hình sin nên dòng tải kết quả được cho là chứa Sóng hài .

Các dạng sóng phức hợp không hình sin được xây dựng bằng cách “cộng” với nhau một chuỗi các tần số sóng hình sin được gọi là “Sóng hài”. Sóng hài là thuật ngữ tổng quát được sử dụng để mô tả sự biến dạng của một dạng sóng hình sin bởi các dạng sóng có tần số khác nhau.

Sau đó, bất kể hình dạng của nó, một dạng sóng phức tạp có thể được phân chia theo toán học thành các thành phần riêng lẻ của nó được gọi là tần số cơ bản và một số “tần số hài hòa”. Nhưng chúng ta có nghĩa là gì về một "tần số cơ bản".

Tần số cơ bản

Một dạng sóng cơ bản (hoặc đầu tiên hòa) là dạng sóng hình sin có tần số nguồn cung cấp. Cơ bản là tần số cơ bản hoặc thấp nhất, ƒ mà dạng sóng phức hợp được xây dựng và như vậy theo thời gian tuần hoàn, Τ của dạng sóng phức hợp thu được sẽ bằng thời gian tuần hoàn của tần số cơ bản.

Chúng ta hãy xem xét dạng sóng AC cơ bản hoặc điều hòa bậc 1 như hình bên.

Trong đó: Vmax là giá trị đỉnh tính bằng vôn và ƒ là tần số dạng sóng tính bằng Hertz (Hz).

Chúng ta có thể thấy rằng dạng sóng hình sin là một điện áp (hoặc dòng điện) xoay chiều, biến thiên dưới dạng một hàm sin của góc, 2πƒ . Tần số dạng sóng, ƒ được xác định bằng số chu kỳ mỗi giây. Ở Vương quốc Anh, tần số cơ bản này được đặt ở 50Hz trong khi ở Hoa Kỳ là 60Hz.

Sóng hài là điện áp hoặc dòng điện hoạt động ở tần số là bội số nguyên (số nguyên) của tần số cơ bản. Vì vậy, với dạng sóng cơ bản 50Hz, điều này có nghĩa là tần số hài thứ 2 sẽ là 100Hz (2 x 50Hz), sóng hài thứ 3 sẽ là 150Hz (3 x 50Hz), thứ 5 ở 250Hz, thứ 7 ở 350Hz, v.v. Tương tự như vậy, với dạng sóng cơ bản 60Hz, tần số sóng hài thứ 2, 3, 4 và 5 sẽ lần lượt là 120Hz, 180Hz, 240Hz và 300Hz.

Vì vậy, nói cách khác, chúng ta có thể nói rằng "sóng hài" là bội số của tần số cơ bản và do đó có thể được biểu diễn dưới dạng: 2ƒ , 3ƒ , 4ƒ , v.v. như được minh họa.

Dạng sóng phức tạp do sóng hài

Lưu ý rằng các dạng sóng màu đỏ ở trên là hình dạng thực tế của các dạng sóng khi được tải do hàm lượng sóng hài được thêm vào tần số cơ bản.

Các dạng sóng cơ bản cũng có thể được gọi là 1 st điệu dạng sóng. Do đó, sóng hài thứ hai có tần số gấp hai lần tần số cơ bản, sóng hài thứ ba có tần số gấp ba lần tần số cơ bản và sóng hài thứ tư có tần số gấp bốn lần tần số cơ bản như được hiển thị trong cột bên trái.

Cột bên tay phải hiển thị hình dạng sóng phức tạp được tạo ra do hiệu ứng giữa việc bổ sung dạng sóng cơ bản và các dạng sóng hài ở các tần số hài khác nhau. Lưu ý rằng hình dạng của dạng sóng phức tạp thu được sẽ không chỉ phụ thuộc vào số lượng và biên độ của các tần số hài có mặt, mà còn phụ thuộc vào mối quan hệ pha giữa tần số cơ bản hoặc tần số cơ bản và các tần số hài riêng lẻ.

Chúng ta có thể thấy rằng một sóng phức tạp được tạo thành từ một dạng sóng cơ bản cộng với các sóng hài, mỗi sóng có giá trị đỉnh và góc pha riêng của nó. Ví dụ, nếu tần số cơ bản được cho là; E = Vmax (2πƒt) , giá trị của sóng hài sẽ được cho là:

Đối với sóng hài thứ hai:

E 2  = V 2max (2 * 2πƒt) = V 2max (4πƒt), = V 2max (2πt)

Đối với sóng hài thứ ba:

E 3  = V 3max (3 * 2πƒt) = V 3max (6πƒt), = V 3max (3ωπt)

Đối với sóng hài thứ tư:

E 4  = V 4max (4 * 2πƒt) = V 4max (8πƒt), = V 4max (4πt)

và như thế.

Sau đó, phương trình cho giá trị của một dạng sóng phức tạp sẽ là:

Sóng hài thường được phân loại theo tên và tần số của chúng, ví dụ, sóng hài bậc 2 của tần số cơ bản ở 100 Hz và cũng theo trình tự của chúng. Chuỗi sóng hài đề cập đến sự quay phasor của điện áp và dòng điện hài đối với dạng sóng cơ bản trong hệ thống 3 pha 4 dây cân bằng.

Một sóng hài thứ tự thuận (thứ 4, 7, 10,…) sẽ quay cùng chiều (thuận) với tần số cơ bản. Trong đó, một sóng hài thứ tự âm (thứ 2, 5, 8,…) quay theo hướng ngược lại (ngược) của tần số cơ bản.

Nói chung, sóng hài thứ tự thuận là không mong muốn vì chúng là nguyên nhân gây ra hiện tượng quá nhiệt của dây dẫn, đường dây điện và máy biến áp do bổ sung các dạng sóng.

Mặt khác, sóng hài thứ tự âm luân chuyển giữa các pha tạo ra các vấn đề bổ sung với động cơ khi quay phasor ngược lại làm suy yếu từ trường quay của động cơ, và đặc biệt là động cơ cảm ứng, khiến chúng tạo ra ít mô-men xoắn cơ học hơn.

Một tập hợp các sóng hài đặc biệt khác được gọi là “bộ ba” (bội số của ba) có trình tự quay bằng không. Bộ ba là bội số của hài thứ ba (3, 6, 9,…), v.v., do đó có tên gọi của chúng, và do đó được dịch chuyển bằng 0 độ. Sóng hài thứ tự không luân chuyển giữa pha và trung tính hoặc đất.

Không giống như dòng điện hài thứ tự dương và âm triệt tiêu lẫn nhau, sóng hài bậc ba hoặc sóng hài bậc ba không triệt tiêu. Thay vào đó, cộng lại theo số học trong dây trung tính chung chịu dòng điện từ cả ba pha.

Kết quả là biên độ dòng điện trong dây trung tính do các sóng hài bộ ba này có thể lên tới 3 lần biên độ của dòng điện pha ở tần số cơ bản khiến nó trở nên kém hiệu quả và quá nóng.

Sau đó, chúng ta có thể tóm tắt các hiệu ứng trình tự dưới dạng bội số của tần số cơ bản 50Hz như sau:

Trình tự sóng hài

Tên	Quỹ.	lần 2	lần thứ 3	lần thứ 4	ngày 5	Ngày 6	thứ 7	Thứ 8	Ngày 9
Tần số, Hz	50	100	150	200	250	300	350	400	450
Sự nối tiếp	+	-	0	+	-	0	+	-	0

Lưu ý rằng chuỗi hài tương tự cũng áp dụng cho các dạng sóng cơ bản 60Hz.

Sự nối tiếp	Vòng xoay	Hiệu ứng điều hòa
+	Ở đằng trước	Hiệu ứng sưởi ấm quá mức
-	Đảo ngược	Vấn đề mô-men xoắn động cơ
0	không ai	Thêm điện áp và / hoặc dòng điện trong dây trung tính gây nóng

Tóm tắt về sóng hài

Sóng hài là các dạng sóng tần số cao hơn được xếp chồng lên tần số cơ bản, đó là tần số của mạch và đủ để làm sai lệch hình dạng sóng của nó. Lượng biến dạng áp dụng cho sóng cơ bản sẽ phụ thuộc hoàn toàn vào loại, số lượng và hình dạng của các sóng hài có mặt.

Sóng hài chỉ xuất hiện với số lượng vừa đủ trong vài thập kỷ qua kể từ khi giới thiệu bộ truyền động điện tử cho động cơ, quạt và máy bơm, các mạch chuyển đổi nguồn điện như bộ chỉnh lưu, bộ chuyển đổi nguồn và bộ điều khiển công suất thyristor cũng như hầu hết các pha điện tử điều khiển phi tuyến tính. tải và đèn huỳnh quang tần số cao (tiết kiệm năng lượng). Điều này chủ yếu là do dòng điện được điều khiển bởi tải không tuân theo trung thực các dạng sóng cung cấp hình sin như trong trường hợp của bộ chỉnh lưu hoặc mạch chuyển mạch bán dẫn công suất.

Sóng hài trong hệ thống phân phối điện kết hợp với nguồn cung cấp tần số cơ bản (50Hz hoặc 60Hz) để tạo ra sự biến dạng của dạng sóng điện áp và / hoặc dòng điện. Sự biến dạng này tạo ra một dạng sóng phức tạp được tạo thành từ một số tần số hài có thể gây ảnh hưởng xấu đến thiết bị điện và đường dây điện.

Lượng biến dạng dạng sóng xuất hiện tạo cho một dạng sóng phức tạp có hình dạng đặc biệt liên quan trực tiếp đến tần số và cường độ của các thành phần hài trội nhất có tần số hài là bội số (toàn bộ số nguyên) của tần số cơ bản. Phần lớn các thành phần điều hòa chiếm ưu thế là các sóng hài thứ tự thấp từ 2 nd đến 19 ngày với triplens là điều tồi tệ nhất.