Sóng hài được định nghĩa là thành phần tần số cao hơn không mong muốn, là bội số nguyên của tần số cơ bản. Sóng hài tạo ra sự biến dạng trong dạng sóng cơ bản.
Sóng hài thường có biên độ (âm lượng) thấp hơn tần số cơ bản.
Giá trị cực đại (dương hoặc âm) của một đại lượng xoay chiều được gọi là biên độ của nó.
Sóng hài được tạo ra do các tải phi tuyến tính như cuộn cảm lõi sắt, bộ chỉnh lưu, chấn lưu điện tử trong đèn huỳnh quang, máy biến áp chuyển mạch, đèn phóng điện, thiết bị từ tính bão hòa và các tải khác có tính chất cảm ứng cao. 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 sẽ tạo ra các biến dạng, méo mó sóng tổng trong hệ thống phân phối năng lượng.
Sóng hài cũng là do các mạch chuyển mạch điện tử mạnh nhất như bộ chỉnh lưu điều khiển bằng silicon (Silicon Controlled Rectifier), bóng bán dẫn công suất, bộ biến đổi nguồn và ổ đĩa điện tử như ổ đĩa biến tần (Variable Frequency Drive) hoặc ổ đĩa tần số biến đổi điện áp (VFD). Các mạch chuyển mạch này chỉ tạo ra một dòng điện ở các giá trị cực đại của nguồn cung cấp AC và do dòng điện chuyển mạch không tuyến tính nên dòng tải về bản chất là không hình sin và nó chứa các sóng hài.
Tần số sóng hài trong hệ thống điện gây ra các vấn đề về chất lượng điện năng.
Sóng hài trong hệ thống điện dẫn đến tăng nhiệt trong thiết bị và dây dẫn và tạo ra mô-men xoắn dao động trong động cơ.
Sóng hài làm tăng nhiệt độ vận hành, tổn thất từ trễ và dòng điện xoáy trong động cơ AC và máy biến áp vì tổn thất từ trễ tỷ lệ với tần số và tổn thất dòng điện xoáy tỷ lệ với bình phương tần số.
Sóng hài tạo ra hiện tượng đánh lửa sai trong các ổ đĩa có tốc độ thay đổi do sóng hài cao hơn tần số cơ bản và ở tần số cơ bản, máy AC có một tốc độ cụ thể gọi là tốc độ đồng bộ (Ns = 120 f/P) vì vậy ở tần số cao hơn, chúng tôi có chênh lệch tốc độ tức là chênh lệch trượt.
Sóng hài được tạo ra bởi một nguồn thay đổi không theo hình sin theo thời gian và luôn có nguồn cung cấp đầu vào được gọi là sóng hài thời gian.
Các sóng hài là kết quả của sự phân bố không hình sin của các cuộn dây trong máy và rãnh, do khe hở không khí và từ thông không phân bố theo hình sin trong không gian được gọi là sóng hài không gian.
Tần số thấp nhất hoặc tần số cơ bản được tạo ra bởi bất kỳ dụng cụ cụ thể nào mà chúng ta nghe thấy âm thanh được gọi là tần số cơ bản. Tần số cơ bản là tần số cung cấp; nó còn được gọi là hài âm đầu tiên của dụng cụ.
Số chu kỳ hoàn thành bởi một đại lượng luân phiên mỗi giây được gọi là tần số. Nó được ký hiệu là f và được biểu thị bằng hertz (Hz) hoặc chu kỳ/giây.
f= 1T
Trong một máy phát điện 2 cực đơn giản, một chu kỳ của dòng điện hoặc điện áp xoay chiều được tạo ra trong một vòng quay. Trong trường hợp 4 cực, hai chu kỳ sẽ được tạo ra trong mỗi vòng quay. Vì vậy, tần số của hiệu điện thế hoặc dòng điện xoay chiều được cho bởi:
f= P * N / 120
Trong đó,
f là tần số
P là số cực của máy phát điện
N là tốc độ vòng quay (Vòng/Phút)
Tần số thế hệ tiêu chuẩn được áp dụng ở Ấn Độ là 50Hz trong khi ở Hoa Kỳ là 60Hz.
Sóng hài là điện áp hoặc dòng điện hình sin là một số nguyên (số nguyên) ở bội số của tần số cơ bản mà hệ thống cung cấp được thiết kế để vận hành.
Nó có thể được thể hiện dưới dạng f, 2f, 3f, 4f, 5f…, nf, v.v.
Vì vậy, nếu cơ bản 50Hz là sóng hài đầu tiên thì sóng hài thứ 2 sẽ là 100Hz (250), sóng hài thứ 3 sẽ là 150Hz (350), sóng hài thứ 5 ở 250Hz, sóng hài thứ 7 ở 350Hz, v.v.
Sóng hài bậc 1: Là tần số cơ bản.
V1=Vmax sin ωt = Vmax sin 2πft
Sóng hài bậc 2: Gấp hai lần tần số cơ bản.
V2=V2maxsin 2ωt = V2maxsin 2*2πft = V2maxsin 4πft
Sóng hài bậc n: Gấp n lần tần số cơ bản
Vn=Vnmaxsin nωt = Vnmaxsin n*2πft = Vnmaxsin nπft
Vì vậy, giá trị của dạng sóng phức tạp (tức là sóng hài cơ bản cộng với) sẽ là:
VTổng=V1+V2+V3+V4+…+Vn
VTổng=V1max*sin2ft+V2maxs*in4ft+V3max*sin6ft+…+Vnmax*sin(nft)
Việc phân loại sóng hài thường dựa trên tên và tần số của chúng. Ví dụ, ở tần số cơ bản, tần số hài bậc 2 là 100Hz. Trình tự sóng hài liên quan đến sự quay pha của điện áp và dòng điện sóng hài đối với dạng sóng cơ bản trong một hệ thống cân bằng.
Dựa trên một trình tự có ba loại sóng hài trình tự.
Sóng hài chuỗi dương: Một sóng hài chuỗi dương sẽ quay theo hướng thuận (cùng) với hướng của tần số cơ bản. tức là thứ 4, thứ 7, thứ 10, thứ 13, thứ 16, v.v.
Sóng hài chuỗi âm: Một sóng hài chuỗi âm quay theo hướng ngược lại (ngược lại) của tần số cơ bản. tức là thứ 2, thứ 5, thứ 8, thứ 11, v.v.
Sóng hài bậc 0: Sóng hài bậc 0 không quay cùng với sóng hai cơ bản do đó nó có các chuỗi quay bằng 0 và chúng cùng pha với nhau. Nó là một tập hợp các sóng hài đặc biệt được gọi là “bộ ba” (bội số của ba) tức là thứ 3, thứ 6, thứ 9, thứ 12, thứ 15, v.v.
Do một sóng hài chuỗi dương, quá nhiệt của dây dẫn, đường dây điện và máy biến áp diễn ra khi nó quay theo hướng thuận (cùng) với tần số cơ bản.
Sóng hài chuỗi âm lưu thông dòng điện thứ tự âm giữa các pha gây ra sự quay của pha ngược lại và do đó từ trường quay có thể bị suy yếu và do đó mô-men xoắn cơ học bị giảm, đặc biệt là trong động cơ cảm ứng.
Dòng các sóng hài bậc 0 lưu thông giữa pha và dây trung tính cộng dồn theo số học trong dây trung tính chung và dòng điện trung tính trở nên gấp ba lần dòng điện pha khiến nó trở nên kém hiệu quả hơn và quá nóng.
Trong hệ thống điện xoay chiều, dòng điện xoay chiều biến thiên hình sin ở một tần số cụ thể gọi là tần số cơ bản, thường là 50Hz hoặc 60Hz.
Dòng các sóng hài được gây ra bởi các tải phi tuyến tính như máy biến áp chuyển mạch, đèn phóng điện, thiết bị từ tính bão hòa, chấn lưu điện tử trong đèn huỳnh quang, máy tính và tải xử lý dữ liệu, máy in laser, bộ chỉnh lưu nửa sóng, SMPS, PLC, tủ lạnh, IGBT, MOSFET, v.v. trong đó dòng điện không tỷ lệ với điện áp đặt vào.
Ảnh hưởng của các tải này là sự biến dạng của dạng sóng dòng điện hình sin cơ bản và dạng sóng dòng điện trở nên khá phức tạp
Dòng sóng hài làm tăng tổn thất nhiệt P = I^2 * R trong cuộn dây máy biến áp. Nếu dòng sóng hài đã cung cấp cho máy biến áp, thì dòng điện truyền được ít hơn khả năng nó có thể để cấp nguồn cho tải vì dòng điện hài không cung cấp bất kỳ công suất nào nên nó làm giảm số lượng tải có thể được cấp nguồn.
Do tính chất cộng của sóng hài bậc 3 (bộ ba), dòng điện trong tải nối pha-trung tính gây ra sự tăng mạnh dòng điện thứ tự không và do đó làm tăng dòng điện trong dây trung tính, gấp ba lần tần số cơ bản.
Dòng sóng hài chủ yếu do tải phi tuyến tính gây ra nhưng tải tuyến tính cũng sẽ tạo ra dòng sóng hài nếu dạng sóng điện áp nguồn bị biến dạng đáng kể.
Tác động chính thứ hai của dòng sóng hài đối với hệ thống điện là tạo ra sóng hài điện áp.
Sóng hài điện áp được tạo ra bởi dòng sóng hài làm biến dạng sóng điện áp. Biến dạng của dòng tương tác với trở kháng hệ thống tạo ra biến dạng điện áp.
Tải phi tuyến tính tạo ra dòng điện có nhiều thành phần tần số hài tạo ra sóng hài điện áp.
Sóng hài điện áp làm tăng tổn thất dòng điện xoáy trong động cơ và máy biến áp và nó có ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt độ vận hành. Sóng hài điện áp trong stator tạo ra dòng điện tần số cao trong rotor làm tăng thêm tổn thất.
Sóng hài điện áp bậc 5 chuỗi âm khi được cung cấp cho động cơ cảm ứng sẽ tạo ra mô-men xoắn âm làm quay động cơ theo hướng ngược lại và làm chậm quá trình quay của nó. Kết quả là quá dòng trong động cơ.
Sóng hài điện áp có thể tạo ra rung động quá mức ở cả động cơ một pha và ba pha. Rung động dẫn đến hao mòn vòng bi cao hơn bình thường.
Các hòa âm xuất hiện ở tần số 3f, 5f, 7f, 9f…vv được gọi là âm bậc lẻ.
Các hài âm xuất hiện ở tần số 2f, 4f, 6f, 8f…vv được gọi là âm bậc chẵn.
Trong các sóng hài bậc chẵn có số nửa chu kỳ dương và âm bằng nhau nên chúng triệt tiêu và không đáng kể trong Hệ thống điện. Trong khi trong trường hợp sóng hài lẻ, mỗi bậc còn lại một nửa chu kỳ dương (ví dụ: sóng hài lẻ bậc 3 chứa hai chu kỳ dương và một chu kỳ âm, sóng hài lẻ bậc 5 chứa ba chu kỳ dương và hai chu kỳ âm) không triệt tiêu nửa chu kỳ âm, do đó, nó có ý nghĩa quan trọng trong hệ thống điện làm tăng và tăng dòng trung tính và tăng nhiệt độ.
Các sóng hài bậc lẻ chủ yếu được tạo ra bởi các tải phi tuyến tính. Sóng hài bậc chẵn được tạo ra khi dòng điện không đều được vẽ giữa nửa chu kỳ dương và âm của tần số cơ bản.
.png)
