Hiện tượng cộng hưởng trong mạch điện

Năm 1907, kỹ sư người Pháp Joseph Bethenot đã xuất bản một bài báo "Về sự cộng hưởng trong máy biến áp" (Sur le Transformateur? Résonance), trong đó lần đầu tiên ông chú ý đến hiện tượng cộng hưởng sắt.

Một cách trực tiếp, thuật ngữ «cộng hưởng sắt», 13 năm sau, cũng được giới thiệu bởi kỹ sư và giáo viên kỹ thuật điện người Pháp Paul Bouchereau trong bài báo năm 1920 của ông có tựa đề «Sự tồn tại của hai chế độ cộng hưởng lỗi» (Öxistence de Deux Régimes en Ferroresonance). Bouchereau đã phân tích hiện tượng cộng hưởng sắt và chỉ ra rằng có hai tần số cộng hưởng ổn định trong mạch gồm một tụ điện, một điện trở và một cuộn cảm phi tuyến.

Do đó, hiện tượng cộng hưởng sắt có liên quan đến tính phi tuyến của phần tử cảm ứng trong mạch của mạch điện... Cộng hưởng phi tuyến có thể xảy ra trong một mạch điện được gọi là cộng hưởng sắt, và để xảy ra hiện tượng này thì mạch phải chứa phi tuyến điện cảm và điện dung thông thường.

Rõ ràng, cộng hưởng sắt hoàn toàn không có trong các mạch tuyến tính. Nếu độ tự cảm trong mạch là tuyến tính và điện dung là phi tuyến tính, thì có thể xảy ra hiện tượng tương tự như cộng hưởng sắt.Đặc điểm chính của cộng hưởng sắt là một mạch được đặc trưng bởi các chế độ khác nhau của cộng hưởng phi tuyến tính này, tùy thuộc vào loại nhiễu loạn.

Làm thế nào điện cảm có thể là phi tuyến tính? Chủ yếu là do thực tế là mạch từ Phần tử này được làm bằng vật liệu phản ứng phi tuyến tính với từ trường. Thông thường các lõi được làm bằng sắt từ hoặc sắt từ và khi thuật ngữ «cộng hưởng sắt» được giới thiệu bởi Paul Bouchereau, lý thuyết về sắt từ vẫn chưa được hình thành đầy đủ và tất cả các vật liệu thuộc loại này được gọi là sắt từ, vì vậy thuật ngữ «cộng hưởng sắt» đã xuất hiện để biểu thị của hiện tượng cộng hưởng trong mạch có hệ số tự cảm phi tuyến.

Ferroresonance cộng hưởng với điện cảm bão hòa... Trong mạch cộng hưởng thông thường, điện trở điện dung và điện cảm luôn bằng nhau và điều kiện duy nhất để xảy ra quá áp hoặc quá dòng là dao động phải phù hợp với tần số cộng hưởng, đây chỉ là một trạng thái ổn định và dễ ngăn chặn, bằng cách liên tục theo dõi tần số hoặc đưa ra điện trở hoạt động.

Tình hình với cộng hưởng sắt là khác nhau. Điện trở cảm ứng có liên quan đến mật độ từ thông trong lõi, ví dụ như trong lõi sắt của máy biến áp, và về cơ bản thu được hai điện kháng cảm ứng, tùy thuộc vào tình huống đối với đường cong bão hòa: điện kháng cảm ứng tuyến tính và điện kháng cảm ứng bão hòa .

Vì vậy, cộng hưởng sắt, giống như cộng hưởng trong mạch RLC, có thể có hai loại chính: cộng hưởng sắt của dòng điện và cộng hưởng sắt của điện áp... Khi mắc nối tiếp điện cảm và điện dung, có xu hướng cộng hưởng sắt của điện áp, với kết nối song song, cho cộng hưởng sắt của dòng điện. Nếu mạch có tính phân nhánh cao, có các kết nối phức tạp thì trong trường hợp này không thể nói chắc chắn liệu có dòng điện hay điện áp trong đó hay không.

Chế độ cộng hưởng sắt có thể là cơ bản, subharmonic, bán định kỳ hoặc hỗn loạn…. Ở chế độ cơ bản, các dao động của dòng điện và điện áp tương ứng với tần số của hệ thống. Ở chế độ sóng hài, dòng điện và điện áp có tần số thấp hơn, trong đó tần số cơ bản là sóng hài. Các chế độ bán định kỳ và hỗn loạn rất hiếm. Loại chế độ cộng hưởng sắt xảy ra trong hệ thống phụ thuộc vào các tham số hệ thống và các điều kiện ban đầu.

Lỗi cộng hưởng trong điều kiện hoạt động bình thường của mạng ba pha là không thể xảy ra, vì điện dung của các phần tử tạo nên mạng bị giảm do độ tự cảm của mạng đầu vào cung cấp.

Trong các mạng có trung tính không nối đất, hiện tượng cộng hưởng sắt có nhiều khả năng xảy ra ở chế độ pha không hoàn chỉnh. Việc cách ly trung tính dẫn đến thực tế là điện dung của mạng đối với trái đất nối tiếp với máy biến áp và các điều kiện như vậy có lợi cho cộng hưởng sắt. Chế độ pha không hoàn chỉnh như vậy thuận lợi cho cộng hưởng sắt xảy ra khi, ví dụ, một trong các pha bị hỏng, có sự bao gồm pha không hoàn toàn hoặc ngắn mạch không đối xứng.

Sự cộng hưởng sắt đột ngột xuất hiện trong mạng điện là có hại, nó có thể gây hư hỏng thiết bị.Nguy hiểm nhất là chế độ cộng hưởng sắt cơ bản, khi tần số của nó trùng với tần số cơ bản của hệ thống. Cộng hưởng sắt dưới hài ở tần số 1/5 và 1/3 tần số cơ bản ít nguy hiểm hơn vì dòng điện nhỏ hơn. Do đó, một số lượng lớn các sự cố trong lưới điện và các hệ thống điện khác có liên quan chính xác đến hiện tượng cộng hưởng sắt, mặc dù lúc đầu nguyên nhân có vẻ khó hiểu.

Phá vỡ, kết nối, quá độ, sét đánh có thể gây ra cộng hưởng sắt. Một sự thay đổi trong chế độ hoạt động của mạng hoặc ảnh hưởng hoặc sự cố bên ngoài có thể bắt đầu chế độ cộng hưởng sắt, mặc dù điều này có thể không được chú ý trong một thời gian dài.

Hư hỏng đối với máy biến điện áp thường được gây ra chính xác là do cộng hưởng sắt, dẫn đến hiện tượng quá nhiệt phá hủy do tác động của dòng điện vượt quá mọi giới hạn có thể. Để ngăn chặn những rắc rối liên quan đến quá nhiệt như vậy, các biện pháp kỹ thuật được thực hiện liên quan đến việc tăng vĩnh viễn hoặc tạm thời tổn thất hoạt động trong mạch cộng hưởng, giảm thiểu hiệu ứng cộng hưởng. Ví dụ, các biện pháp kỹ thuật như vậy bao gồm mạch từ của máy biến áp được làm một phần bằng các tấm thép dày.