Nguồn sóng hài trong mạng điện

Do các phần tử phi tuyến tính luôn có mặt trong điện hiện đại, đặc biệt là trong các mạng công nghiệp, do đó, các đường cong dòng điện và đường cong điện áp bị biến dạng, các sóng hài cao hơn xuất hiện trong các mạng.

Trước hết, tính không hình sin là do sự hiện diện của bộ chuyển đổi tĩnh, sau đó - máy phát đồng bộ, máy hàn, đèn huỳnh quang, lò hồ quang, máy biến áp, động cơ và các tải phi tuyến tính khác.

Về mặt toán học, tính không hình sin của các đường cong dòng điện và điện áp có thể được biểu diễn dưới dạng tổng của hài chính của tần số nguồn và các hài cao hơn của nó là bội số của nó. Kết quả phân tích sóng hài trong một chuỗi Fourier lượng giác và các giá trị tần số và pha của sóng hài thu được có thể dễ dàng tính toán bằng công thức:

Trên thực tế, sự kết hợp giữa điện áp và dòng điện không phải hình sin trong mạng ba pha có thể không đối xứng hoặc đối xứng.Một hệ thống đối xứng của các điện áp không hình sin đối với bội số của ba sóng hài (k = 3n) dẫn đến sự hình thành một hệ thống các điện áp không thứ tự.

Hơn nữa, tại k = 3n + 1, sóng hài trong mạng ba pha tạo ra một hệ đối xứng của các điện áp thứ tự âm. Vì vậy, mọi sóng hài k của một hệ đối xứng gồm các điện áp không hình sin đều dẫn đến một hệ đối xứng gồm các điện áp pha theo thứ tự một chiều, ngược chiều hoặc bằng không.

Tuy nhiên, trong thực tế, hệ thống điện áp pha không hình sin hóa ra là không đối xứng. Vì thế, lõi từ của máy biến áp ba pha bản thân chúng, chúng phi tuyến tính và không đối xứng, vì độ dài của các đường sức từ của pha giữa và pha cuối khác nhau theo hệ số 1,9. Kết quả là giá trị hiệu dụng của dòng từ hóa pha giữa nhỏ hơn 1,3 - 1,55 lần so với giá trị dòng từ hóa pha cuối.

Sóng hài không đối xứng được phân tách thành các thành phần đối xứng khi mỗi sóng hài k tạo thành một hệ thống điện áp pha không đối xứng và thường chứa các thành phần của ba chuỗi—không, thuận và nghịch.

Mạng ba pha có trung tính cách ly được đặc trưng bởi sự vắng mặt của các thành phần thứ tự không trong mỗi pha, với điều kiện là không có sự cố chạm đất. Kết quả là, không có bội số của ba sóng hài trong dòng điện pha, nhưng có các sóng hài khác chứa các thành phần thứ tự ngược và thuận.

Bộ chỉnh lưu công suất, theo quy luật, ở phía DC có độ tự cảm lớn, đó là cuộn dây máy DC và lò phản ứng làm mịn.Các điện cảm này cao hơn nhiều lần so với điện cảm tương đương của phía dòng điện xoay chiều, do đó, các bộ chỉnh lưu như vậy đối với mạng điện xoay chiều hoạt động như các nguồn của dòng điện hài cao hơn. Dòng điện hướng vào mạng có tần số hài có giá trị không phụ thuộc vào các tham số của mạng cung cấp.

Đối với mạng điện ba pha, đặc trưng là sử dụng bộ chỉnh lưu toàn sóng ba pha cho 6 van làm bộ chuyển đổi như vậy, từ đó chúng được gọi là sáu xung hoặc sáu pha. Đường cong dòng điện cho từng pha trong trường hợp này có thể được mô tả bằng phương trình (đối với dòng điện của một pha A):

Có thể thấy rằng các dòng pha chỉ chứa các sóng hài lẻ không phải là bội số của ba và dấu của các sóng hài này xen kẽ nhau: sóng hài dương bậc 6k + 1 và sóng hài âm bậc 6k-1.

Nếu sử dụng bộ chỉnh lưu mười hai pha, khi một cặp bộ chỉnh lưu sáu pha được kết nối với một cặp máy biến áp ba pha (điện áp thứ cấp lệch pha pi / 6), thì sóng hài 12k + 1 và 12k- 1-đơn đặt hàng sẽ xuất hiện tương ứng.

Trước khi bộ chỉnh lưu được sử dụng, chỉ có máy biến áp và các loại máy điện khác nhau là nguồn chính tạo ra sóng hài bậc cao trong mạng điện. Nhưng ngay cả ngày nay máy biến áp là thành phần phổ biến nhất của mạng điện.

Lý do máy biến áp tạo ra sóng hài cao hơn là đường cong từ hóa phi tuyến tính của mạch từ và sự hiện diện liên tục của vòng trễ… Một đường cong từ hóa phi tuyến tính và vòng trễ tạo ra các biến dạng của dòng từ hóa không tải hình sin ban đầu và kết quả là dòng điện mà máy biến áp lấy từ lưới điện sẽ có sóng hài cao hơn.

Máy biến áp loại 110 kV có dòng không tải không quá 1% và máy biến áp loại 6-10 kV - không quá 2-3%. Đây là những dòng điện nhỏ và tổn thất hoạt động của chúng trong mạch từ là không đáng kể. Đó là đường cong từ hóa quan trọng, không phải là vòng trễ.

Đường cong từ hóa đối xứng và thậm chí không có sóng hài trong khai triển chuỗi Fourier. Sự biến dạng của dòng từ hóa được gây ra bởi các sóng hài lẻ, trong số đó là bội số của ba. Hài âm thứ ba đặc biệt rõ rệt, nhưng hài âm thứ năm và thứ bảy cũng là đáng kể nhất.

Sóng hài EMF và sóng hài dòng điện cũng là đặc trưng của động cơ, cả đồng bộ và không đồng bộ… Những sóng hài này được gây ra bởi cùng hiện tượng như sóng hài dòng điện do máy biến áp tạo ra—sự phi tuyến tính của đường cong từ hóa của vật liệu làm nên stato và rôto.

Phổ tần số của sóng hài dòng điện của động cơ điện, giống như của máy biến áp, bao gồm các sóng hài lẻ, trong đó rõ ràng là bội số của ba. Đáng kể nhất ở đây là các sóng hài bậc 3, 5 và 7.

Như trong trường hợp của máy biến áp, tính toán sơ bộ cho phép chúng ta lấy phần trăm dòng điện của hài bậc 3, 5 và 7 ở mức 40% đối với hài thứ ba, 30% đối với hài thứ năm và 20% đối với hài thứ bảy (tỷ lệ phần trăm của dòng điện nhàn rỗi).