Что такое гармоники и как они «появляются»?

С практической точки зрения, причина, по которой гармоники «появляются», заключается в том, что схемы линейной фильтрации (а также множество схем нелинейной фильтрации), предназначенные для обнаружения определенных частот, будут воспринимать определенные низкочастотные сигналы как интересующие их частоты. Чтобы понять почему, представьте себе большую пружину с очень тяжелым весом, которая прикреплена к рукоятке через довольно свободную пружину. Вытягивание за ручку не будет сильно перемещать тяжелый груз напрямую, но большая пружина и груз будут иметь определенную резонансную частоту, и если вы будете перемещать ручку назад и вперед на этой частоте, вы можете добавить энергию к большому весу и пружине. увеличивая амплитуду колебаний до тех пор, пока она не станет намного больше, чем можно было бы произвести «напрямую», потянув за свободную пружину.

Наиболее эффективный способ передачи энергии в большую пружину — это вытягивание плавного рисунка, соответствующего синусоиде — того же рисунка движения, что и у большой пружины. Другие модели движения будут работать, однако. Если перемещать ручку по другим схемам, часть энергии, которая поступает в узел с пружинным грузом во время частей цикла, будет отводиться во время других. В качестве простого примера, предположим, что человек просто заклинивает рукоятку до крайних концов хода со скоростью, соответствующей резонансной частоте (эквивалентной прямоугольной волне). Перемещение рукоятки от одного конца к другому так же, как вес достигает конца хода, потребует намного больше работы, чем ожидание того, чтобы вес сначала сдвинулся назад, но если в этот момент рукоять не переместится, пружина на ручке будет бороться с весом » Попытка вернуться в центр. Тем не менее, четкое перемещение ручки из одного крайнего положения в другое, тем не менее, будет работать.

Предположим, что весу требуется одна секунда, чтобы качаться слева направо, и еще одна секунда, чтобы качаться назад. Теперь рассмотрим, что случится, если один переместит ручку из одного крайнего движения в другое, которое раньше, но задержится на три секунды с каждой стороны вместо одной секунды. Каждый раз, когда кто-то перемещает рукоятку из одной крайности в другую, вес и пружина будут по существу иметь то же положение и скорость, что и две секунды ранее. Следовательно, к ним будет добавлено столько энергии, сколько было бы за две секунды до этого. С другой стороны, такое прибавление энергии будет происходить только на треть чаще, чем когда «задержка времени» составляла всего одну секунду. Таким образом, перемещение рукоятки назад и вперед с частотой 1/6 Гц добавит к весу в три раза больше энергии в минуту, чем при перемещении рукоятки назад и вперед с частотой 1/2 Гц. Подобное происходит, если перемещать рукоятку назад и вперед на 1/10 Гц, но, поскольку движения будут на 1/5 так же часто, как на 1/2 Гц, мощность будет 1/5.

Теперь предположим, что вместо того, чтобы время задержки было нечетным кратным, каждый делает его четным (например, две секунды). В этом сценарии положение веса и пружины для каждого движения слева направо будет таким же, как и его положение при следующем движении справа налево. Следовательно, если ручка добавляет энергию к пружине в первой, такая энергия будет по существу отменена последней. Следовательно, весна не будет двигаться.

Если вместо того, чтобы совершать экстремальные движения с рукояткой, ее перемещают более плавно, то при более низких частотах движения рукоятки может быть больше раз, когда кто-то борется с движением комбинации вес / пружина. Если перемещать рукоятку в форме синусоидальной волны, но на частоте, существенно отличающейся от резонансной частоты системы, энергия, передаваемая в систему при нажатии «правильного» пути, будет довольно хорошо уравновешена принимаемой энергией. выход из системы толкает «неправильный» путь. Другие модели движения, которые не так экстремальны, как прямоугольная волна, будут, по крайней мере, на некоторых частотах, передавать в систему больше энергии, чем вынимается.

Доказано: В электросетях существуют высшие гармоники с частотами свыше 2 кГц

Российский стандарт 13109—97 при оценке качества напряжения разрешает учитывать только целочисленные гармоники до 40-го порядка по отношению к основной частоте 50 Гц, то есть до 2 кГц. Это положение стандарта представляется ошибочным.

В работе [1] на рис. 3 приводился пример осциллограммы напряжений в сети 10 кВ с вентильным электроприводом прокатного стана. Частота измерений здесь была равна 10 кГц, когда при разложении в ряд Фурье можно выделить предельную 100-ю гармонику частоты 5 кГц. Наблюдались гармоники кратности 60?80 с амплитудой до 15 %, тогда как коэффициент несинусоидальности напряжения, рассчитанный по ГОСТ, равен

Коэффициент несинусоидальности в этой сети, рассчитанный с учетом всех гармоник, равен

,

а долевой вклад высших гармоник кратности >40, составил

(здесь и далее приводятся усредненные по трем фазам значения коэффициентов).

В отклике на статью специалиста ОАО ВНИПИ «Тяжпромэлектропроект» А. К. Красовского приводятся сведения об опасных гармонических возмущениях на еще больших частотах 7.9?8.1 кГц (158?162-я гармоники).

Заметим, что возмущения на частотах 9 кГц — 30 МГц традиционно изучаются специалистами по связи, причем CISPR (Интернациональный Комитет по Радиопомехам), накладывает соответствующие нормативные ограничения на напряжения и токи больших частот. Полагается, что диапазон 2?9 кГц должен контролироваться специалистами электрических систем, но это не произошло вследствие, очевидно, относительно малого количества наблюдавшихся экстремальных ситуаций, требующих решения, и явной неподготовленностью парка измерительных приборов.

Приведем ряд дополнительных примеров, показывающих на проблемы в работе электрооборудования из-за наличия гармоник с порядковым номером n>40.

На рис. 1 показаны мгновенные значения и гармонические спектры фазных напряжений в одной из сетей 6 кВ, питающей 12-пульсные выпрямители преобразователей частоты мощностью 4 МВт. Высокочастотные колебания напряжения приводят к сбоям в работе находящихся в сети электронных приборов (компьютеров, цифровых реле и электросчетчиков), создают телефонные помехи.

Рис. 1. Фазные напряжения в сети с нагрузкой преобразователей частоты и их спектры

Спектр напряжений, рассчитанный до частоты 10 кГц (fизм=20 кГц), явно имеет гармоники с частотой более 200-й кратности. Если бы приводились измерения прибором, ориентированным на учет гармоник до 40-й, то пользователь зафиксировал бы коэффициент искажения синусоидальности напряжения KU ГОСТ=4.6 % (близкое к норме ГОСТ значение) с небольшим превышением допустимых уровней для 35 и 37-й гармоник. Но действующее значение коэффициента искажения синусоидальности в действительности составляет

,

а доля гармоник порядков n>40 превышает допустимое по ГОСТ значение для низкочастотного диапазона n=2?40 (KU n>40=10.2 %).

Главной причиной появления столь высокочастотных гармоник (рис 1), подтвержденных математическим моделированием процессов в данной сети, является относительно малая величина емкостной проводимости изоляции в сочетании с наличием высокочастотных возмущений от управляемых тиристорных преобразователей — см. рис.2. При относительно малой в данном случае нагрузке преобразователей (около 25 %) наблюдаются близкие к нулю углы коммутации и большие di/dt. Двенадцать раз на периоде возникают резкие срезы обратных токов тиристоров, в результате чего спектр гармонических возмущений по току не затухает и на 200-й гармонике. Недопустимые гармонические возмущения наблюдались и при нагрузке, приближающейся к номинальной, несмотря на увеличение углов коммутации.

Рис. 2. Токи нагрузки, приводящие к показанным на рис. 1 возмущениям напряжения.

На рис. 3 показаны спектры напряжения в сети 6 кВ завода, где работают выполненные с 12-пульсными выпрямителями электропечи высокочастотного нагрева мощностью 5 МВА фирмы АВВ. При изменениях нагрузки печи за счет переключения ступеней регулирования (их всего 14) наблюдаются существенные изменения гармонических спектров токов и напряжений. При относительно невысоких величинах показателя KU ГОСТ имеем недопустимо большие коэффициенты KU и KU n>40, особенно при работе на ступенях с малой нагрузкой. Выполнить такой подробный анализ гармоник оказалось возможным с использованием осциллографа-анализатора «НЕВА-ИПЭ» [1].

Рис. 3. Зависимость спектров напряжений в сети 6 кВ от режима работы электропечи с частотным преобразователем.

На основании изложенного можно высказать следующие пожелания.

1. ГОСТ 13109—97 должен быть дополнен разделом, посвященным нормированию гармоник в диапазоне 2?9 кГц. К этой ответственной работе следует приступить как можно скорее.

2. Разработчикам приборов ПКЭ необходимо расширить диапазон измеряемых гармоник.

3. Следует рекомендовать исследователям при возникновении подозрений на существование недопустимых высокочастотных помех использовать для измерений различного рода осциллографы и специализированные алгоритмы обработки измеренных сигналов.

4. Необходимо активизировать исследовательские работы по поиску рациональных путей подавления высокочастотных помех. Над решением этой достаточно сложной задачи работают, в частности, специалисты ЗАО «НПФ «ЭНЕРГОСОЮЗ».

Литература

1. Л.А.Кучумов, А.А.Кузнецов, М.В.Сапунов. Исследователи ждут большего от современных измерительных приборов. «Новости электротехники». СПб.: № 4, 2004.-С.64—66

Авторы:

Л.А.Кучумов, проф. СПбГПУ;
А.А.Кузнецов, доцент СПбГПУ;
М.В.Сапунов, инженер ЗАО «НПФ «ЭНЕРГОСОЮЗ».

ГАРМОНИКИ — это… Что такое ГАРМОНИКИ?

Как избавиться от гармоник в энергосистеме и последствия игнорирования проблемы

Гармоники возникают в любой сложной энергетической системе. Эти искажения параметров тока могут привести к поломке дорогостоящего оборудования и даже к коротким замыканиям. Гармоники часто представляются как сложная проблема, требующая фундаментальных научных знаний гармонического анализа. Однако на практике достаточно знать ключевые аспекты этой проблемы и основные способы ее решения.

Причины появления гармоник и их последствия

Гармоники — это искажения (отклонения от заданных параметров) синусоиды колебаний частоты и напряжения, вызванные сторонними факторами. Простая резистивная нагрузка имеет одинаковые   формы синусоиды. 

Синусоида колебаний в асинхронном двигателе

В линейных схемах (источник тока и нагрузка – резистор) синусоида идеально симметричная, и разность между синусоидами отсутствует. Однако в эту идеально гармоничную картину в сложных системах неизбежно вносятся помехи и добавляются новые гармоники. В современных реалиях одной из основных причин возникновения «вредоносных» гармоник являются разнообразные твердотельные силовые полупроводниковые устройства. Преобразователи частоты, тиристоры, диоды, устройства плавного пуска, другие элементы энергосистемы создают гармоники.
Также источниками гармоник могут быть мощные потребители тока, трансформаторы, сварочное оборудование, системы промышленного освещения, выпрямители.

Теоретически, все нагрузки являются источниками гармоник и передают их в энергосистему. При этом источник энергии производит гармонику одной частоты (ее называют несущей).  

Предотвратить это явление невозможно, можно лишь снизить его негативное влияние на оборудование. Если этого не сделать, энергосистема может столкнуться с серьезными проблемами, так как гармоники представляют собой нечто вроде паразитных токов, которые в первую очередь нарушают эффективность энергосистемы. 

Так, несинусоидальность напряжения может привести к повышенному нагреву двигателя и созданию моментов вращения, которые приводят к вибрациям. В целом, гармоники способны вызвать повреждение конденсаторов, изоляции и короткие замыкания, перегрев и перегрузку трансформаторов, нарушить работу систем связи, чувствительной электроники и защитных устройств, основанных на измерении сопротивления.

Мониторинг качества электрической энергии и обнаружение гармоник

Присутствие гармоник лучше всего определять по результатам мониторинга качества электроэнергии, а не после аварийных отключений и поломок оборудования. 

Мониторинг является обязательной частью безопасного функционирования сложных энергосистем. Современные анализаторы качества электроэнергии позволяют контролировать множество параметров тока, включая гармоники. Например, трехфазные анализаторы PITE 3561 могут выполнять разовые или долговременные (до 40 суток) тесты энергосистемы, выявляя в том числе гармонические искажения каждой из трех фаз.

Анализатор качества электроэнергии PITE-3561-1500A

Подобные анализаторы дают возможность записать диаграмму гармоник, увидеть пиковые и средние значения, чтобы провести анализ и найти источник проблемы. Без подобных приборов невозможно своевременно обнаружить опасные гармоники, особенно в сложных системах со множеством нелинейных потребителей.

Фильтры гармоник

Мониторинг качества электроэнергии — первая линия обороны в борьбе с гармониками. Следующей являются специальные меры по снижению вреда от гармонических искажений.

Прежде всего — фильтры, которые подавляют гармоники. Это избирательное подавление гармоники, которая может нанести наибольший вред оборудованию. Так, в однофазных цепях это третья гармоника, фильтр запирает ее на участке фильтр-нагрузка, что снижает паразитный ток в проводнике. Недостатком фильтров является необходимость установки на каждой нелинейной нагрузке, создающей гармоники.

Фильтр эффективно запирает гармонику на участке. Пример гармоник, характерных для двигателей постоянного тока и многих двигателей переменного тока. Коэффициент искажения синусоидальности кривой на «A» составляет 26% — это высокий негативный показатель. Фильтр эффективно снижает его до 8% на «E». 

Невозможно предотвратить, но можно обезопасить

Гармоники действительно невозможно уничтожить. Более того, высокочастотные гармоники легко распространяются через силовые кабели и антенны, через индукцию возникают в соседних цепях. Однако можно защитить энергосистему от вредоносного действия гармоник. Для этого гармоники направляются в отдельные колебательные контуры, в которых на определенной частоте реактивное сопротивление близко к нулю. Для сложных систем понадобится несколько таких контуров, но они обеспечат сокращение гармоник до безопасного уровня. При этом регулярный мониторинг качества электроэнергии позволит своевременно выявить гармоники.

Если вам нужна профессиональная консультация по диагностике электрооборудования, просто отправьте нам сообщение!

Примеры оборудования

Поделитесь этой страницей с друзьями и коллегами

ГАРМОНИКИ — информация на портале Энциклопедия Всемирная история

ГАРМОНИКИ — в музыке, гар­мо­ни­че­ские обертоны вме­сте с основным то­ном.

1-я гар­мо­ни­ка со­от­вет­ст­ву­ет основному то­ну, 2-я гар­мо­ни­ка — пер­во­му обертону и так далее; при этом основной тон ус­лов­но счи­та­ют ну­ле­вым обертоном; гар­мо­ни­ки, на­чи­ная со 2-й, на­зы­ва­ют выс­ши­ми. Чёт­ным обертоном (то есть имею­щим чёт­ный но­мер) со­от­вет­ст­ву­ют не­чёт­ные гар­мо­ни­ки, и на­обо­рот. 2-ю гар­мо­ни­ку час­то на­зы­ва­ют ок­тав­ной, 3-ю — квин­то­вой, 5-ю — тер­цо­вой, 7-ю — сеп­ти­мо­вой.

Гар­мо­ни­че­ский (или весь­ма близ­кий к не­му) спектр зву­ча­ния ха­рак­те­рен для стол­бов воз­ду­ха в тру­бах и для струн; в слу­чае жё­ст­ких струн (например, в ниж­нем ре­ги­ст­ре фор­те­пиа­но) обертоны мо­гут зна­чи­тель­но от­ли­чать­ся от гар­мо­ни­че­ских. Выс­шие гар­мо­ни­ки, как пра­ви­ло, зву­чат слит­но с основным то­ном и сла­бо рас­по­зна­ют­ся слу­хом. При иг­ре на музыкальных ин­ст­ру­мен­тах для уси­ле­ния или вы­де­ле­ния тех или иных гар­мо­ник ис­поль­зу­ют­ся специальные при­ё­мы: например, на скрип­ке — фла­жо­ле­ты, иг­ра с сур­ди­ной и др., на вар­га­не — из­ме­не­ние фор­мы и объ­ё­ма ре­зо­на­то­ра (по­лос­ти рта) (смотрите так­же Гор­ло­вое пе­ние). Кон­струк­ция труб не­ко­то­рых ор­ган­ных ре­ги­ст­ров обес­пе­чи­ва­ет ощу­ти­мое уси­ле­ние тех или иных гар­мо­ник (например, ре­гистр Quin­tadena — уси­ле­ние 3-й гар­мо­ни­ки). У ор­га­на час­то при­сут­ст­ву­ют ре­ги­ст­ры, на­страи­вае­мые в уни­сон не с основным то­ном других ре­ги­ст­ров, а с их выс­ши­ми гар­мо­ни­ка­ми.

Су­ще­ст­ву­ет иная, внут­рен­не про­ти­во­ре­чи­вая, тер­ми­но­ло­гия (пре­имущественно в музыкально-тео­ре­тической литературе; например, в тру­де «Unter­weisung im Tonsatz» П. Хин­де­ми­та), со­глас­но ко­то­рой гар­мо­ни­ки и гар­мо­ни­че­ские обертоны пол­но­стью ото­жде­ст­в­ля­ют­ся и ну­ме­ру­ют­ся оди­на­ко­во — со­от­вет­ст­вен­но но­ме­рам зву­ков на­ту­раль­но­го зву­ко­ря­да. В этой тер­ми­но­ло­гии основной тон счи­та­ет­ся пер­вым обертоном.

Не­гар­мо­ни­че­ские обертоны ха­рак­тер­ны для удар­ных и шу­мо­вых ин­ст­ру­мен­тов, сиг­наль­ных си­рен. Для ин­ст­ру­мен­тов ти­па кси­ло­фо­на, различных ме­тал­ло­фо­нов по­сле­до­ва­тель­ность час­тот основного то­на и обер­то­нов про­пор­цио­наль­на по­сле­до­ва­тель­но­сти квад­ра­тов не­чёт­ных чи­сел на­чи­ная с 3.

На­ли­чие обертона яв­ля­ет­ся при­чи­ной воз­ник­но­ве­ния бие­ний тем­пе­ри­ро­ван­ных ин­тер­ва­лов (смотрите в статье Тем­пе­ра­ция). Так, при зву­ча­нии рав­но­мер­но тем­пе­ри­ро­ван­ной квин­ты 3-я гар­мо­ни­ка ниж­не­го зву­ка и 2-я гар­мо­ни­ка верх­не­го, сов­па­даю­щие в слу­чае аку­сти­че­ски чис­той квин­ты (с от­но­ше­ни­ем час­тот зву­ков 3:2), не сов­па­да­ют: ин­тер­вал ме­ж­ду ни­ми ра­вен 1/12 пи­фа­го­ро­вой ком­мы (эта ве­ли­чи­на от­ли­ча­ет­ся от схиз­мы ме­нее чем на 0,002 цен­та; смотрите в статье Схиз­ма и ди­ас­хиз­ма), и эти гар­мо­ни­ки об­ра­зу­ют бие­ния. Час­то­та бие­ний, например, рав­но­мер­но тем­пе­ри­ро­ван­ной квин­ты «ля» 1-й ок­та­вы — «ми» 2-й ок­та­вы (при «ля» 1-й ок­та­вы, рав­ном 440 Гц) со­став­ля­ет 1,45 бие­ния в се­кун­ду. Фе­но­мен бие­ний меж­ду близ­ки­ми обертонами то­нов со­зву­чия был по­ло­жен Г. Гельм­голь­цем в ос­но­ву его аку­стичекого объ­яс­не­ния ощу­ще­ния кон­со­нан­са и дис­со­нан­са.

Тео­рия гар­мо­ни­че­ских обертонов бы­ла по­ло­же­на в ос­но­ву уче­ния Х. Ри­ма­на о клас­си­ко-ро­ман­тической гар­мо­нии и по­ны­не (во мно­гом бла­го­да­ря позд­ней­шей по­пу­ляр­но­сти его уче­ния) со­став­ля­ет важ­ную часть западных и не­ко­то­рых отечественных учеб­ни­ков гар­мо­нии.

Дополнительная литература:

Гельм­гольц Г. Уче­ние о слу­хо­вых ощу­ще­ни­ях как фи­зио­ло­ги­че­ская ос­но­ва для тео­рии му­зы­ки. СПб., 1874;

Ри­ман Г. Аку­сти­ка с точ­ки зре­ния му­зы­каль­ной нау­ки. М., 1898;

Riemann H. Handbuch der Harmonielehre. 10. Aufl. Lpz., 1929;

Hindemith P. Unter­wei­sung im Tonsatz. Mainz, 1937. Tl 1.

© Большая Российская Энциклопедия (БРЭ)

Гармоники. Кто они такие? Что они делают?

Что такое гармоники?

Гармоники позволяют представлять любую периодическую форму волны . Действительно, согласно теореме Фурье любая периодическая функция периода T может быть представлена ​​в виде суммирования:

Гармоники. Кто они такие? Что они делают? (фото: ElPaso TubeAmps через Youtube)

• Синусоида с тем же периодом T ;
• Некоторые синусоиды с той же частотой, что и целые кратные фундаментальной;
• Возможная непрерывная компонента, если функция имеет среднее значение, не равное нулю за период.

Гармоника с частотой, соответствующей периоду исходной формы волны, называется фундаментальной, а гармоника с частотой, равной «n», больше, чем фундаментальная, называется гармонической составляющей порядка «n» .

Совершенно синусоидальная форма волны, соответствующая теореме Фурье, не представляет гармонических составляющих порядка, отличных от фундаментального.

Поэтому понятно, что в электрической системе отсутствуют гармоники, когда сигналы тока и напряжения являются синусоидальными. Напротив, наличие гармоник в электрической системе является показателем искажения формы напряжения или тока, и это подразумевает такое распределение электрической мощности, которое может вызвать неисправность оборудования и защитных устройств.

Подводя итог: гармоники — это не что иное, как компоненты искаженной формы волны, и их использование позволяет анализировать любую периодическую несинусоидальную форму волны через различные компоненты синусоидальной формы сигнала.

На рисунке 1 ниже показано графическое представление этого понятия.

Рисунок 1 — Графическое представление гармоник

Как генерируются гармоники?

Гармоники генерируются нелинейными нагрузками . Когда мы применяем синусоидальное напряжение к нагрузке этого типа, мы получим ток с несинусоидальной формой волны. Диаграмма на рисунке 2 иллюстрирует пример несинусоидальной формы волны тока из-за нелинейной нагрузки:

Рисунок 2 — Слева: Форма линейной нагрузки; Вправо: сигнал нелинейной нагрузки

Этот несинусоидальный сигнал может быть деконструирован в гармоники . Если импеданс сети очень низок, искажение напряжения, возникающее из-за гармонического тока, также слишком низкое и редко превышает уровень загрязнения, уже присутствующий в сети. Как следствие, напряжение может оставаться практически синусоидальным и при наличии токовых гармоник.

Чтобы функционировать должным образом, многие электронные устройства нуждаются в определенной форме тока и, следовательно, им приходится «вырезать» синусоидальную форму волны, чтобы изменить ее среднеквадратичное значение или получить постоянный ток от альтернативного значения. В этих случаях ток на линии имеет несинусоидальную кривую.

Основным оборудованием, генерирующим гармоники, являются:

• Персональный компьютер
• Флюоресцентные лампы
• Статические преобразователи
• Группы непрерывности
• Преобразователи частоты
• Сварщики

В общем случае искажение формы волны обусловлено наличием мостовых выпрямителей (внутри этого оборудования), полупроводниковые приборы которых переносят ток только на долю всего периода, что приводит к возникновению прерывистых кривых с последующим введением многочисленных гармоник.

Также трансформаторы могут быть причиной гармонического загрязнения. Фактически, применяя совершенно синусоидальное напряжение к трансформатору, оно приводит к синусоидальному потоку намагничивания, но из-за явления магнитного насыщения железа ток намагничивания не должен быть синусоидальным.

На рисунке 3 показано графическое изображение этого явления:

Рисунок 3 — Феномен магнитного насыщения трансформаторного железа

Результирующая форма волны намагничивающего тока содержит многочисленные гармоники, наибольшая из которых является третьей. Однако следует отметить, что ток намагничивания, как правило, представляет собой небольшой процент от номинального тока трансформатора, и эффект искажения становится все более и более незначительным, поскольку наиболее нагруженными являются результаты трансформатора.

5 действительно приятных эффектов гармоник

Основными проблемами, вызванными гармоническими токами, являются //

1. Перегрузка нейтралов
2. Увеличение потерь в трансформаторах
3. Увеличение скин-эффекта

Основными эффектами гармонических напряжений являются //

4. Напряжение
5. Нарушения крутящего момента асинхронных двигателей

1. Перегрузка нейтралов

В трехфазной симметричной и сбалансированной системе с нейтралью формы колебаний между фазами сдвигаются на 120 ° фазный угол, так что, когда фазы одинаково нагружены, ток в нейтрале равен нулю.

Наличие несбалансированных нагрузок (междуфазное, фазовое-нейтральное и т. Д.) Позволяет пропускать несбалансированный ток в нейтраль.

Рисунок 4 — Несбалансированная система токов

На рисунке 4 показана неуравновешенная система токов (фаза 3 с нагрузкой на 30% выше, чем две другие фазы), а текущий результат в нейтрали подсвечивается красным цветом. В этих условиях Стандарты позволяют устанавливать нейтральный проводник с сечением меньше фазных проводников.

При наличии нагрузок искажений необходимо правильно оценить эффекты гармоник .

На самом деле, хотя токи на основной частоте в трех фазах взаимно компенсируют компоненты третьей гармоники, имеющие период, равный трети фундаментального, равный фазовому сдвигу между фазами (см. Рис. 5 ниже), являются взаимно фазовыми и, следовательно, они суммируют в нейтральном проводнике, добавляя себя к нормальным токам дисбаланса.

То же самое верно и для гармоник, кратных трем (четные и нечетные, хотя на самом деле нечетные чаще встречаются).

Рисунок 5 — Фундаментальная гармоническая и третья гармоники

Вернуться к эффектам гармоник ↑

2. Увеличение потерь в трансформаторах

Эффекты гармоник внутри трансформаторов связаны в основном с тремя аспектами //

1. Увеличение потерь железа (или потерь без нагрузки)
2. Увеличение потерь меди
3. Наличие гармоник, циркулирующих в обмотках

Потери железа происходят из-за явления гистерезиса и потерь, вызванных вихревыми токами. Потери вследствие гистерезиса пропорциональны частоте, а потери от вихревых токов зависят от квадрата частоты.

Потери меди соответствуют мощности, рассеиваемой эффектом Джоуля в обмотках трансформатора. По мере увеличения частоты (начиная с 350 Гц) ток имеет тенденцию к утолщению на поверхности проводников (скин-эффект). В этих условиях проводники предлагают меньшее поперечное сечение потоку, так как потери по эффекту Джоуля увеличиваются.

Эти два первых аспекта влияют на перегрев, который иногда вызывает снижение мощности трансформатора.

Третий аспект имеет отношение к эффектам гармоник тройного N (гомополярных гармоник) на обмотках трансформатора. В случае дельта-обмоток гармоники протекают через обмотки и не распространяются вверх по течению к сети, так как все они находятся в фазе.

Таким образом, дельта-обмотки представляют собой барьер для тройных гармоник N, но для правильного определения размеров трансформатора необходимо обратить особое внимание на этот тип гармонических составляющих.

3. Увеличение скин-эффекта

Когда частота возрастает, ток, как правило, течет на внешней поверхности проводника. Это явление известно как скин-эффект и более выражено на высоких частотах .

При частоте питания 50 Гц скин-эффект пренебрежимо мал, но выше 350 Гц, что соответствует 7-й гармонике, поперечное сечение тока уменьшается, что увеличивает сопротивление и вызывает дополнительные потери и нагрев.

При наличии гармоник высокого порядка необходимо учитывать скин-эффект, поскольку он влияет на срок службы кабелей . Чтобы преодолеть эту проблему, можно использовать несколько проводных кабелей или сборных шин, образованных более простыми изолированными проводниками.

Загрузите технику Cahier Technique Schneider Electric « Дополнительные потери по коже и эффекты близости» //

Загрузить CT

Вернуться к эффектам гармоник ↑

4. Напряжение

Искаженный ток нагрузки, вызванный нелинейной нагрузкой, вызывает искаженное падение напряжения в сопротивлении кабеля. Результирующий искаженный сигнал напряжения применяется ко всем другим нагрузкам, подключенным к одной и той же схеме, в результате чего в них протекают гармонические токи, даже если они являются линейными нагрузками.

Решение состоит в разделении схем, которые подают гармонические генерирующие нагрузки от тех, которые подают нагрузки, чувствительные к гармоникам.

Вернуться к эффектам гармоник ↑

5. Нарушения крутящего момента асинхронных двигателей

Гармоническое искажение напряжения вызывает увеличение потерь вихревых токов в двигателях, как и для трансформаторов. Дополнительные потери связаны с генерацией гармонических полей в статоре, каждый из которых пытается вращать двигатель с другой скоростью, как вперед (1-й, 4-й, 7-й,

), а также назад (2-й, 5-й, 8-й,

).

Высокочастотные токи, индуцированные в роторе, дополнительно увеличивают потери.

Вернуться к эффектам гармоник ↑

Ссылка // Руководство по электромонтажу Защита, управление и электрические устройства компанией ABB

Связанные электрические направляющие и изделия

Высшие гармоники тока и высшие гармоники напряжения.

Большинство статических преобразователей обладают свойствами, близкими к свойствам источников тока. Значения гармонических составляющих потребляемого ими тока очень слабо зависят от сопротивления цепи, по которой они протекают. Можно считать, что степень влияния разных высших гармоник тока статических преобразователей на величину высших гармонических составляющих напряжения сети пропорциональна эквивалентным значениям сопротивления сети для этих гармоник. При этом эквивалентное сопротивление сети должно определяться с учетом параметров всех элементов сети как на стороне источников питания (генераторов, трансформаторов, воздушных и кабельных линий), так и на стороне потребителей (двигателей, трансформаторов, конденсаторных батарей и др.).

Полное эквивалентное сопротивление питающей сети (Z_Эс) состоит из активной (R_Эс) и реактивной (X_Эс) составляющих, значения которых в разных точках разветвлённой электрической сети могут сильно отличаться.

Соотношение между значениями напряжения (U_(n)) и тока (I_(n)) гармоники n-го «порядка» определяется полным эквивалентным сопротивлением питающей сети (Z_Эс(n)) на частоте этой гармоники:

С ростом частоты гармоник обе составляющие эквивалентного сопротивления (R_Эс(n) и X_Эс(n)) значительно изменяются и соотношения между значениями гармоник тока разных «порядков» и между значениями гармоник напряжения тех же «порядков» сильно различаются.

Обычно реактивная составляющая сопротивления (U_(n)) имеет индуктивный характер и увеличивается пропорционально частоте, а активная составляющая вследствие поверхностного эффекта возрастает пропорционально частоте в степени менее 0,5. Вследствие значительного преобладания реактивной составляющей сопротивления величиной активной составляющей при выполнении многих расчётов часто пренебрегают.

При наличии в сети конденсаторных батарей зависимость значения реактивной составляющей X_Эс(n) от частоты может сильно измениться и принять весьма сложный характер, причём для одной группы гармоник эта составляющая может быть индуктивного типа, а для другой группы — ёмкостного. Соответственно этому изменяется и принимает более сложный характер зависимость величины гармоник напряжения от частоты.

Отправить запрос.

Что такое гармоника? — Определение с сайта WhatIs.com

Гармоника — это сигнал или волна, частота которой является целым (целочисленным) кратным частоте некоторого опорного сигнала или волны. Термин может также относиться к отношению частоты такого сигнала или волны к частоте опорного сигнала или волны.

Пусть f представляет основную или основную частоту сигнала переменного тока, электромагнитного поля или звуковой волны. Эта частота, обычно выражаемая в герцах, представляет собой частоту, на которой содержится большая часть энергии или на которой, как определено, должен возникать сигнал.Если сигнал отображается на осциллографе, форма сигнала будет повторяться с частотой, соответствующей f Гц.

Для сигнала с основной частотой f вторая гармоника имеет частоту 2 f , третья гармоника имеет частоту 3 f и так далее. Пусть w представляет длину волны сигнала или волны в указанной среде. Вторая гармоника имеет длину волны Вт /2, третья гармоника имеет длину волны Вт /3 и так далее.Сигналы, возникающие на частотах 2 f , 4 f , 6 f и т. Д., Называются четными гармониками; сигналы на частотах 3 f , 5 f , 7 f и т. д. называются нечетными гармониками. Теоретически сигнал может иметь бесконечно много гармоник.

Почти все сигналы содержат энергию на гармонических частотах в дополнение к энергии на основной частоте. Если вся энергия в сигнале содержится на основной частоте, то этот сигнал представляет собой идеальную синусоидальную волну.Если сигнал не является идеальной синусоидой, то в гармониках содержится некоторая энергия. Некоторые формы сигналов содержат большое количество энергии на гармонических частотах. Примерами являются прямоугольные волны, пилообразные волны и треугольные волны.

В беспроводной связи и радиовещании передатчики сконструированы таким образом, что они излучают минимум энергии на гармонических частотах. Обычно беспроводное устройство предназначено для использования только на одной частоте. Выходной сигнал на гармонических частотах может создавать помехи для других средств связи или вещания.Например, широковещательный сигнал на частоте 90,5 МГц (в стандартном диапазоне FM) будет иметь вторую гармонику на частоте 181 МГц, третью гармонику на частоте 271,5 МГц, четвертую гармонику на частоте 362 МГц и так далее. Некоторые или все эти гармонические сигналы, если они сильные, могут нарушить работу других беспроводных служб.

Основные частоты и гармоники — Teach Me Audio

Музыкальные звуки состоят из основной частоты, гармоник и обертонов.

Основная частота

Самая низкая частота любого вибрирующего объекта называется основной частотой .Основная частота обеспечивает звук с самой сильной слышимой опорой высоты тона и — это преобладающая частота в любой сложной форме волны.

Синусоидальная волна является самой простой из всех форм волны и содержит только одну основную частоту и не содержит гармоник, обертонов или парциальных частот.

Практически все музыкальные звуки имеют волны, которые бесконечно сложнее синусоидальной волны. Это добавление гармоник и обертонов к волне, что позволяет различать разные звуки и инструменты; тембр.

Гармоники

Гармоника — это одна из восходящих серий звуковых компонентов, которые звучат на выше основной слышимой частоты.

Высшие частотные гармоники, которые звучат выше основной гармоники, составляют гармонический спектр звука. Гармоники может быть трудно отчетливо воспринимать как отдельные компоненты, тем не менее, они есть.

Гармоники имеют на меньшую амплитуду, чем на основную частоту.

Гармоники — это целые числа, кратные основной частоте. Например, если основная частота равна 50 Гц (также известная как первая гармоника), то вторая гармоника будет 100 Гц (50 * 2 = 100 Гц), третья гармоника будет 150 Гц (50 * 3 = 150 Гц) и т. Д.

 Пример