Sóng hài là gì? (What is harmonic?) Tần số sóng hài trong mạch xoay chiều

Sóng hài là gì? (What is harmonic?) Đây là một dạng sóng nhiễm được biết đến gây ảnh hưởng không tốt tới hệ thống điện. Để hiểu hơn về loại sóng này hãy cùng chúng tôi tìm hiểu thông tin ở nội dung dưới đây. 

Sóng hài là gì? (What is harmonic?)

Sóng hài là tần số cao hơn không mong muốn được đặt chồng lên dạng sóng cơ bản tạo ra dạng sóng bị biến dạng và là loại sóng không mong muốn gây ảnh hưởng lưới điện.

Sóng hài là gì? (What is harmonic?)
Sóng hài là gì? (What is harmonic?)

Trong mạch điện xoay chiều, điện trở hoạt động theo cách chính xác giống như trong mạch điện một chiều. Đó là, dòng điện chạy qua điện trở tỷ lệ thuận 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 một sóng hình sin thì dòng điện chạy qua nó cũng là một sóng hình sin nên độ lệch pha giữa hai sin là 0.

Thông thường, khi xử lý các điện áp và dòng điện xoay chiều trong các mạch điện, người ta cho rằng chúng có dạng tinh khiết và 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 điện hoặc điện tử hoặc mạch có đặc tính dòng điện không phải là tuyến tính, nghĩa là dòng điện chạy qua nó không tỷ lệ với điện áp đặt vào. Các dạng sóng xen kẽ được liên kết với thiết bị sẽ khác nhau ở mức độ lớn hoặc thấp hơn so với các dạng sóng hình sin lý tưởng. Những dạng sóng này thường được gọi là dạng sóng không hình sin hoặc dạng phức.

Các dạng sóng phức tạp được tạo ra bởi các thiết bị điện thông thường như cuộn cảm có lõi sắt, máy biến áp chuyển mạch, chấn lưu điện tử trong đèn huỳnh quang và các tải cảm ứng nặng khác cũng như điện áp đầu ra và dạng sóng hiện tại 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 nó là dạng sóng điện áp.

Ngoài ra, hầu hết các mạch chuyển mạch cung cấp năng lượng điện tử như bộ chỉnh lưu, bộ chỉnh lưu điều khiển silicon (SCR), bóng bán dẫn điện, bộ chuyển đổi năng lượng và các công tắc trạng thái khác như vậy sẽ cắt và băm nguồn cung cấp dạng sóng hình sin để điều khiển công suất động cơ hoặc để chuyển đổi nguồn cung cấp AC hình sin đến DC. Các mạch chuyển mạch có xu hướng chỉ vẽ dòng điện tại các giá trị cực đại của nguồn cung cấp AC và vì dạng sóng chuyển mạch không phải là hình sin nên dòng tải kết quả được cho là có chứa sóng hài .

Các dạng sóng phức tạp không phải hình sin được xây dựng bằng cách thêm vào cộng với một loạt các tần số sóng hình sin được gọi là sóng hài âm. Sóng hài là thuật ngữ tổng quát được sử dụng để mô tả sự biến dạng của dạng sóng hình sin bằng các dạng sóng có tần số khác nhau.

Sau đó, dù hình dạng của nó là gì, một dạng sóng phức tạp có thể được phân tách toán học thành các thành phần riêng lẻ được gọi là tần số cơ bản và một số tần số sóng hài điều chỉnh. Nhưng chúng có ý nghĩa bởi đây là một tần số bất thường.

Tần số cơ bản trong dòng điện xoay chiều

Một dạng sóng cơ bản (hoặc sóng hài đầu tiên) là dạng sóng hình sin có tần số nguồn cung cấp. Các cơ bản là tần số thấp nhất hoặc tần số cơ bản, ƒ là các dạng sóng phức tạp được xây dựng và là thời gian định kỳ, Τ là kết quả dạng sóng phức tạp sẽ bằng với chu kỳ của tần số cơ bản.

Chúng ta hãy xem xét dạng sóng AC cơ bản hoặc sóng hài bậc 1 như được hiển thị.

Tần số cơ bản trong dòng điện xoay chiều
Tần số cơ bản trong dòng điện xoay chiều

Trong đó: Vmax là giá trị cực đại trong đó volt và ƒ là dạng sóng tần số trong Hertz (Hz).

Chúng ta có thể thấy rằng dạng sóng hình sin là một điện áp xoay chiều (hoặc dòng điện), thay đổi theo hàm sin của góc, 2πƒ . Các dạng sóng tần số, ƒ được xác định bởi số lượng các chu kỳ mỗi giây. Ở Anh, tần số cơ bản này được đặt ở mức 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 sóng 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, 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 âm là bội số của tần số cơ bản và do đó có thể được biểu thị là: 2ƒ , 3ƒ , 4ƒ , v.v. như được hiển thị.

Dạng sóng phức tạp do sóng hài

Các dạng sóng hài phức tạp
Các dạng sóng hài phức tạp

Lưu ý rằng các dạng sóng màu đỏ ở trên, là hình dạng thực tế của các dạng sóng được nhìn thấy bởi một tải do sóng hài được thêm vào tần số cơ bản.

Các dạng sóng cơ bản cũng có thể được gọi là sóng hài thứ 1. Do đó, sóng hài thứ hai có tần số gấp đôi 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 cơ bản gấp bốn lần như trong cột bên trái.

Cột bên phải cho thấy hình dạng sóng phức tạp được tạo ra do kết quả của việc bổ sung dạng sóng cơ bản và dạng sóng hài ở các tần số sóng hài khác nhau. Lưu ý rằng hình dạng của dạng sóng phức tạo ra sẽ không chỉ phụ thuộc vào số lượng và biên độ của tần số sóng hài mà còn phụ thuộc vào mối quan hệ pha giữa tần số cơ bản hoặc tần số cơ bản và tần số sóng hài riêng lẻ.

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

Đối với sóng thứ 3:

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

Đối với sóng thứ 3:

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

Đối với sóng thứ 4:

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

Và như thế. Khi đó phương trình đã cho giá trị của dạng sóng phức sẽ là:

ET = E1 + E2 + E3 +…+ En

ET = V 1max sin(2 * 2πƒt) + V 2max sin(2πt) + V 3max sin(6πt)

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

Một chuỗi hài dương (thứ 4, thứ 7, thứ 10, trên) sẽ quay theo cùng một hướng (về phía trước) với tần số cơ bản. Trong đó như là một chuỗi hài âm (thứ 2, 5, 8,…) quay theo hướng ngược lại của tần số cơ bản.

Nói chung, các sóng hài dương là không mong muốn vì chúng dẫn đến tình trạng quá nhiệt của dây dẫn, đường dây điện và máy biến áp do bổ sung các dạng sóng.

Mặt khác, các chuỗi hài âm tiêu cực lưu thông giữa các pha tạo ra các vấn đề khác với động cơ vì vòng quay pha ngược lại làm suy yếu từ trường quay của động cơ, và đặc biệt là động cơ cảm ứng, khiến chúng tạo ra mô-men xoắn cơ học ít hơn.

Một tập hợp các sóng hài đặc biệt khác có tên là bộ ba (bội số của ba) có chuỗi xoay bằng không. Triplens là bội số của sóng hài thứ ba (thứ 3, thứ 6, thứ 9, trên), v.v.,đó là tên của chúng, và do đó bị dịch chuyển bởi độ 0. Không có chuỗi hài tuần hoàn giữa pha và trung tính hoặc nối đất.

Không giống như các dòng sóng hài chuỗi dương và âm triệt tiêu lẫn nhau, sóng hài bậc ba hoặc sóng hài triplen không triệt tiêu. Thay vào đó, cộng một cách hợp lý trong dây trung tính thông thường chịu dòng điện từ cả ba pha.

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

Trình tự sóng hài

NameFund.2nd3rd4th5th6th7th8th9th
Frequency, Hz50100150200250300350400450
Sequence+++

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

Sự nối tiếpVòng xoayHiệu ứng điều hòa
+Ở đằng trướcHiệu ứng tăng nhiệt quá mức
Đảo ngượcVấn đề mô-men xoắn động cơ
NoneThêm điện áp và / hoặc dòng điện trong dây trung tính gây nóng

Tóm tắt thông tin về sóng hài

Sóng hài là dạng sóng tần số cao hơn được đặt chồng lên tần số cơ bản, đó là tần số của mạch và đủ để làm biến dạng hình dạng sóng của nó. Lượng méo được áp dụng cho sóng cơ bản sẽ phụ thuộc hoàn toàn vào loại, số lượng và hình dạng của sóng hài hiện tại.

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

Các 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 điện áp và / hoặc dạng sóng hiện tại. Sự biến dạng này tạo ra một dạng sóng phức tạp được tạo thành từ một số tần số hài có thể có tác động xấu đến thiết bị điện và đường dây điện.

Lượng biến dạng dạng sóng hiện tại tạo ra dạng sóng phức tạp, hình dạng đặc biệt của nó liên quan trực tiếp đến tần số và cường độ của các thành phần sóng hài chiếm ưu thế nhất có tần số sóng hài là bội số (toàn bộ số nguyên) của tần số cơ bản. Các thành phần sóng hài chiếm ưu thế nhất là các sóng hài bậc thấp từ thứ 2 đến thứ 19 với các bộ ba là kém nhất.

Sóng hài là gì? (What is harmonic?)  mọi thông tin liên quan đến dạng sóng này đã được chúng tôi giải đáp. Hy vọng, những thông tin trên có thể giúp bạn trong quá trình học tập và tìm hiểu.

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *