Site Loader

Содержание

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?

  • ГАРМОНИКИ — Музыкальные теоретики, делающие свои выводы непосредственно из музыкальной практики, а не из математических определений интервалов. Противопол. каноники. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. гармоники… …   Словарь иностранных слов русского языка

  • ГАРМОНИКИ

    — см. Спектр звуковой. Большой психологический словарь. М.: Прайм ЕВРОЗНАК. Под ред. Б.Г. Мещерякова, акад. В.П. Зинченко. 2003 …   Большая психологическая энциклопедия

  • гармоники — 06.01.87 гармоники [ harmonics]: Сигнал, излучаемый на частотах, кратных основной частоте радиопередатчика, и имеющий мощность ниже, чем мощность излучения на основной частоте. Примечание Гармоники генерируются, в частности, из за наличия… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

  • Гармоники — I Гармоники         в Древней Греции последователи музыкально теоретического учения Аристоксена. II Гармоники         тоны, возникающие от колебания частей звучащего тела; см. Обертоны …   Большая советская энциклопедия

  • гармоники — мн. Последователи музыкально теоретического учения Аристоксена (в Древней Греции). Толковый словарь Ефремовой. Т. Ф. Ефремова. 2000 …   Современный толковый словарь русского языка Ефремовой

  • гармоники — гарм оники, ов, ед. ч. ник, а (физ.) …   Русский орфографический словарь

  • ГАРМОНИКИ — – отличительное название тех музык. теоретиков, которые все свои выводы делают прямо из музык. практики, а не из математических определений интервалов. Противоположность им составляют каноники. У греков последний метод воплотился в школе… …   Музыкальный словарь Римана

  • Гармоники (музык.) — Гармоники, в Древней Греции последователи музыкально теоретического учения Аристоксена …   Большая советская энциклопедия

  • Гармоники (физич.) — Гармоники, тоны, возникающие от колебания частей звучащего тела; см. Обертоны …   Большая советская энциклопедия

  • гармоники (нефазозависимые) — — [ГОСТ Р 54325 2011 (IEC/TS 61850 2:2003)]] Тематики релейная защита EN harmonics (non phase related)Ha …   Справочник технического переводчика

  • 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 (ZЭс) состоит из активной (RЭс) и реактивной (XЭс) 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 (ZЭс(n)) на частоте этой гармоники:

    С ростом частоты гармоник обе составляющие эквивалентного сопротивления (RЭс(n) и XЭс(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 XЭс(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.

    Рисунок 1 — Гармоники

    Обертоны

    Обертоны — это частоты формы волны, которые выше, но не связаны напрямую с , основной частотой.

    Результирующий тембр

    Два тона, воспроизводимые разными инструментами, могут иметь одинаковую основную частоту и, следовательно, одну и ту же высоту, например ноту C, но звучать очень по-разному из-за наличия разного количества гармоник и обертонов.

    Наличие гармоник и обертонов в звуковой волне, что помогает создавать уникальные звуки.

    Тембр описывает те характеристики звука, которые позволяют уху различать звуки с одинаковой основной высотой .

    Благодаря тембру, мы можем отличить один инструмент от другого, например, пианино, играемое в C3, звучит иначе, чем гитара, взятая в C3.

    Тембр часто описывается субъективно, например, тростниковый или золотистый.

    Обновлено 6 мая 2020

    Основ гармоник | EC&M

    Гармоники: это стало модным словом в начале 1980-х, заставив многих людей пересмотреть эффективность системы электропроводки в своих зданиях.Тем не менее, многие до сих пор считают эту концепцию относительно новым явлением. Однако гармоники существовали задолго до начала 80-х: связанные с этим проблемы существовали в мире электротехники еще, когда в 1930-х годах впервые были использованы транзисторные лампы. Помимо заземления, сегодня многие считают гармоники одной из самых серьезных проблем в отрасли качества электроэнергии. В этом выпуске мы обсудим основы гармоник и проблемы, которые они могут вызвать в системе электропроводки в помещении.

    Что такое гармоники?

    Мы определяем гармоники как напряжения или токи на частотах, кратных основной частоте.В большинстве систем основная частота составляет 60 Гц. Следовательно, порядок гармоник составляет 120 Гц, 180 Гц, 240 Гц и так далее. (Для европейских стран с системами 50 Гц порядок гармоник составляет 100 Гц, 150 Гц, 200 Гц и т. Д.)

    Обычно мы определяем эти порядки по их гармоническому номеру или кратному основной частоте. Например, гармоника с частотой 180 Гц известна как третья гармоника (60×3 = 180). В этом случае для каждого цикла основной формы волны есть три полных цикла гармонической волны.Четные кратные основной частоты известны как гармоники четного порядка, а нечетные кратные — как гармоники нечетного порядка.

    Как мы создаем гармоники?

    Вплоть до 1980 г. все нагрузки назывались линейными. Это означает, что если входное напряжение для части оборудования является синусоидальной волной, результирующая форма волны тока, генерируемая нагрузкой, также будет синусоидальной волной, как показано на рисунке 1 (в исходном тексте).

    В 1981 году производители электронного оборудования перешли на эффективный тип внутреннего источника питания, известный как импульсный источник питания (SMPS).SMPS преобразует синусоидальную волну приложенного напряжения в искаженную форму волны тока, которая напоминает импульсы переменного тока, как показано на рисунке 2 (в исходном тексте). Очевидно, что нагрузка не имеет постоянного импеданса на протяжении всей формы волны приложенного переменного напряжения.

    Сегодня большинство утилизирующего оборудования создает гармоники. По всей вероятности, если устройство преобразует мощность переменного тока в мощность постоянного тока (или наоборот) в рамках своей работы в установившемся режиме, оно считается устройством, генерирующим гармонический ток.К ним относятся источники бесперебойного питания, копировальные аппараты, ПК и т. Д.

    Каковы эффекты гармоник?

    Самая большая проблема с гармониками — искажение формы сигнала напряжения. Вы можете рассчитать взаимосвязь между основной и искаженной формами сигнала, найдя квадратный корень из суммы квадратов всех гармоник, генерируемых одной нагрузкой, а затем разделив это число на номинальное значение сигнала 60 Гц. Вы делаете это с помощью математического вычисления, известного как теорема о быстром преобразовании Фурье (БПФ).(БПФ выходит за рамки данной статьи. Стандартный словарь электрических и электронных терминов IEEE дает определение ряда Фурье.) Этот метод расчета определяет полное гармоническое искажение (THD), содержащееся в нелинейной форме волны тока или напряжения.

    Тройные гармоники

    Электронное оборудование генерирует более одной гармонической частоты. Например, компьютеры генерируют 3-ю, 9-ю и 15-ю гармоники. Они известны как тройные гармоники. Они вызывают большее беспокойство у инженеров и проектировщиков зданий, потому что они не только искажают формы сигналов напряжения.Они могут перегреть проводку в здании, вызвать ложное отключение, перегреть блоки трансформатора и вызвать случайный отказ оборудования конечного пользователя.

    Цепь перегрузка

    Гармоники могут вызвать перегрузку проводов и трансформаторов, а также перегрев утилизирующего оборудования, например двигателей. Тройные гармоники могут особенно вызвать перегрев нейтральных проводов в 3-фазных, 4-проводных системах. В то время как основная частота и четные гармоники компенсируются в нейтральном проводнике, нечетные гармоники аддитивны.Даже в условиях сбалансированной нагрузки токи нейтрали могут достигать величины, в 1,73 раза превышающей средний фазный ток.

    Эта дополнительная нагрузка создает больше тепла, которое разрушает изоляцию нейтрального проводника. В некоторых случаях может нарушиться изоляция между обмотками трансформатора. В обоих случаях возникает опасность возгорания. Но вы можете уменьшить этот потенциальный ущерб, используя методы надежной проводки.

    Когда большинство инженеров-электриков проектируют электропроводку здания, они обычно оставляют размер нейтрального проводника на усмотрение NEC.В большинстве случаев установленная нейтраль имеет тот же размер, что и фазные проводники. Однако в примечаниях к таблицам допустимой нагрузки (в статье 310 NEC) рекомендуется рассматривать нейтральный проводник как проводник с током, если на объекте используется электронное оборудование или электронные балласты. Это коррелирует с тем, что нейтральные проводники имеют больший размер, чем при использовании обычных средств проводки.

    На всякий случай все больше инженеров удваивают размер нейтрального проводника для фидерных цепей к щитам и разветвленной перегородки, чтобы справиться с дополнительными гармоническими токами.

    Гармонические искажения — обзор

    5.1 Введение

    Гармонические искажения — проблема, которая присутствует с самого начала электротехники [1,2], хотя в последние десятилетия она стала более актуальной с распространением силовой электроники. нагрузки, которые демонстрируют общее нелинейное поведение [3]. В последние несколько лет использование фильтров активной мощности (APF) было разработано как метод компенсации гармонических искажений в электроэнергетической системе.APF — это система статической компенсации, основанная на электронном преобразователе с широтно-импульсной модуляцией (PWM), который может подключаться параллельно или последовательно с нагрузкой [4].

    APF могут обеспечивать компенсацию гармоник, реактивной мощности и / или тока нейтрали в электрических сетях [5]. В настоящее время это возможно, в основном благодаря развитию технологии силовых электронных устройств, развитию различных конфигураций и топологий, а также различных предлагаемых стратегий управления [6]. С другой стороны, APF также использовались для компенсации гармоник напряжения, для регулирования подачи напряжения, для устранения мерцания и для улучшения баланса напряжений в трехфазных системах [7].Этот широкий диапазон целей достигается индивидуально или в сочетании с другими устройствами компенсации, в зависимости от стратегии компенсации, конфигурации и требований проблемы, которую необходимо решить.

    Наиболее распространенным APF в научной литературе и наиболее часто используемым в низковольтных установках является параллельный APF [8–10]. Этот APF создает гармонический ток с той же амплитудой и противоположной фазой по отношению к гармоникам тока нагрузки. Этот тип конфигурации продемонстрировал свою очень эффективную работу с такими нагрузками, как выпрямители с тиристорным управлением с высокой индуктивностью на стороне постоянного тока, а также циклоконвертеры или регуляторы, изготовленные с ответвлениями двух антипараллельных тиристоров.

    Эти типы нагрузок можно рассматривать как нелинейные нагрузки, которые генерируют гармоники, как источники тока, называемые источником гармонического тока (HCS). Однако другие нагрузки, такие как диодные выпрямители с высокими конденсаторами на стороне постоянного тока, считаются нелинейными нагрузками, которые генерируют гармоники в источнике напряжения, называемом источником гармонического напряжения (HVS). Было продемонстрировано, что компенсация нагрузок типа HVS с помощью шунтирующих APF не полностью устраняет гармоники тока нагрузки, часто приводя к очень неполной компенсации [11].

    Было предложено использовать серию активных фильтров [12] для компенсации этих нагрузок HVS. Было продемонстрировано, что это наиболее подходящая конфигурация для компенсации такого рода нагрузки, хотя они менее распространены в низковольтных установках.

    Помимо «чистых» активных фильтров, шунтирующих APF и последовательных APF, были протестированы другие топологии, такие как комбинация активных фильтров и пассивных фильтров. Пассивные фильтры представляют собой LC-ветви, настроенные на наиболее значимые гармоники нагрузки.Эти конфигурации, которые включают ассоциации APF и пассивных фильтров, обычно называются гибридными фильтрами [13,14].

    В этой главе изучается использование SAF для улучшения качества электроэнергии. Таким образом, в разделе 5.2 этой главы вводятся основные концепции APF и стратегии управления, которые должны применяться. В этом разделе анализируется каждый из них в модели схемы в установившемся состоянии. В разделе 5.3 исследуется модель состояния системы с SAF. Здесь выполняется анализ динамического поведения системы для каждой стратегии и предлагаются критерии проектирования в зависимости от целей проекта.Наконец, в разделе 5.4 разработан экспериментальный прототип серии APF для гармонической компенсации нагрузки типа HVS. Результаты позволяют нам сравнить эффективность каждой из стратегий и проверить работу компенсирующего оборудования в двух различных ситуациях напряжения: когда напряжение питания синусоидальное, и где оно несинусоидальное.

    Гармоники, часть 1 — Введение в гармоники и BLE

    2 марта 2018 г. Автор: Чарли Келлерман

    Добро пожаловать в первую часть блога, состоящего из двух частей, созданного командой Punch Through! Мы надеемся, что этот раздел из двух частей поможет познакомить читателей с темой, в которой Punch Through лучше всех.Этот пост в блоге призван помочь вам лучше понять, что такое гармоники, откуда они берутся, как они соотносятся с Bluetooth Low Energy (BLE) и как заставить их исчезнуть, чтобы вы могли снова мечтать о радугах и единорогах, пока ваш продукт делает вам $ тесто $. Выявление будущих проблем и знание того, куда обратиться за помощью, — важнейший путь к успеху, и Punch Through здесь, чтобы помочь!

    Вот обзор тем, которые будут затронуты в каждой публикации из двух частей:

    Гармоники, часть 1 (эта часть) — Введение в гармоники и BLE
    • Что такое паразитные гармонические излучения и почему они могут быть плохими? Назад к основам
    Гармоники, часть 2 — Определение источника гармоник
    • Как генерируются гармоники и как их ослабить? Немного технически
    Это сообщение в блоге зовет ваше имя, если:
    • Вы слышали термины «гармонические», «паразитные» или «выбросы», используемые в электронной промышленности, и задаетесь вопросом, о чем они.
    • Гармоническая эмиссия когда-то вызывала у вас кошмары из-за продукта BLE, который вы разрабатывали.
    • Вы никогда в жизни не слышали об этом и просто жаждете знаний — не волнуйтесь, мы рассмотрим основы гармоник и BLE, чтобы вы ушли сытым.

    Приступим!

    Что такое электромагнитное поле?

    Устройства Bluetooth, помимо другой электроники, использующей такие технологии, как Wi-Fi, сотовая связь и GPS, обмениваются данными по беспроводной сети.Все эти устройства обеспечивают беспроводную связь, используя свойства электромагнитного (ЭМ) излучения электрических проводников, описанные старым добрым Джеймсом Клерком Максвеллом:

    Рисунок 1

    Когда электрический заряд прикладывается к проводнику, такому как провод, и через проводник течет ток, он всегда создает электрическое поле и магнитное поле . Когда эти два поля объединяются, они называются полем EM .Электромагнитное поле распространяется в пространстве в виде волн, как свет. Фактически, видимый свет — это просто еще один класс электромагнитных волн, которые составляют лишь небольшую часть всего электромагнитного спектра. Спектр состоит из всех электромагнитных полей на всех длинах волн — длины волн видимого света на , что на короче, чем радиоволны (примерно в 10 000 раз короче, чем ваша обычная длина волны связи 2,4 ГГц). Волнистые диаграммы на рисунках 2 и 3 изображают электромагнитное поле, движущееся в пространстве:

    Рисунок 2 Рисунок 3

    Рискуя отправить вас в глубокую темную кроличью нору, пытаясь обернуть свой мозг вокруг квантовой физики, следует упомянуть, что электромагнитное поле проходит через пространство в форме фотонов.Фотоны — это частицы с нулевым зарядом и нулевой массой, которые движутся со скоростью света. Еще больше — и мозги превращаются в кашу, так что оставим все как есть.

    Другими примерами электромагнитных волн, о которых вы, возможно, слышали, но не видите своими глазами, являются рентгеновские лучи, ультрафиолетовые лучи, инфракрасные лучи и, наконец, что не менее важно: вышеупомянутые «радиоволны». Обратите внимание на разбивку электромагнитного спектра на рис. 4 по длинам волн, частотам и общепринятым названиям групп волн. Обратите внимание, что частота обратно пропорциональна длине волны:

    • λ [длина волны] = c [скорость света] / ƒ [частота]
    Рисунок 4

    [Изображение любезно предоставлено обсерваторией ALMA]

    Различные радиотехнологии обычно работают на разных радиочастотах (RF) — Bluetooth работает на 2.4 ГГц (гигагерцы), Wi-Fi на частоте 2,4 или 5 ГГц, GPS обычно составляет 1575,42 МГц (мегагерцы), а сотовые устройства могут работать на многих разных частотах в диапазоне от 700 МГц до 2,6 ГГц в зависимости от вашего региона, мобильного телефона оператор связи и поддержка устройства.

    В целях данного обсуждения мы сосредоточимся на радиомодулях Bluetooth с низким энергопотреблением (BLE) и их рабочей частоте 2,4 ГГц или длине волны примерно 5 дюймов.

    Как насчет побочного излучения?

    Радиоволновая часть ЭМ спектра представляет ценность.Достаточно ценный до такой степени, что государственные органы жестко регулируют его использование. Федеральная комиссия по связи (FCC) является версией этого типа вышибалы для США. Если вы используете часть электромагнитного спектра (намеренно или случайно) до такой степени, что она заслуживает их расследования, они найдут вас и отключат. Они разделили электромагнитный спектр радиоволн на множество участков, некоторые из которых более слабо регулируются, чем другие. Один из наиболее слабо регулируемых участков спектра находится на 2.4 ГГц. Вот почему многие беспроводные устройства бытовой электроники работают на частоте 2,4 ГГц: устройства BLE, маршрутизаторы Wi-Fi, устройство открывания гаражных ворот и даже старинный беспроводной телефон в вашем доме.

    Радиостанции

    BLE работают на частоте 2,4 ГГц, а точнее, где-то между 2,402 ГГц и 2,480 ГГц в любой момент времени. В случае BLE этот частотный диапазон разделен на 40 «каналов». В случае Wi-Fi, который может работать в том же частотном диапазоне, он делится только на три «более широких» канала. На рисунке 5 показано очень распространенное и полезное изображение распределения частот BLE и Wi-Fi.Частоты рекламных каналов BLE были специально разработаны для существования между тремя каналами Wi-Fi. Когда два устройства BLE находятся в беспроводном соединении друг с другом, они постоянно «переключаются» между оставшимися 37 каналами, разговаривая друг с другом. Такое переключение каналов помогает избежать помех, создаваемых соседним устройством Wi-Fi, использующим один из трех более широких каналов, или другими соседними устройствами BLE.

    Рисунок 5

    На данный момент мы установили, что устройства BLE намеренно создают электромагнитное излучение на любой частоте от 2 до 2.402 ГГц и 2,480 ГГц, и FCC не хочет, чтобы устройства BLE создавали электромагнитное излучение где-либо за пределами этого диапазона частот.

    Побочное излучение классифицируется как любое электромагнитное излучение на частоте, которая не излучается намеренно, особенно в контексте электроники, которая намеренно излучает одну или несколько частот. FCC требует, чтобы вся электроника проходила тестирование, чтобы гарантировать, что они не излучают электромагнитные волны чрезмерной интенсивности на всех частотах, кроме тех, которые излучаются намеренно — это известно как тестирование на электромагнитную совместимость (EMC) .На рисунке 6 показан такой тест для беспроводного устройства, работающего на заданной частоте и полосе пропускания. Частоты начала / конца доменов, помеченных как внеполосные (OoB) излучения , являются функцией ширины полосы сигнала. Домены, помеченные как побочных излучений , непрерывно проходят за края изображения. Например, если ширина полосы сигнала составляет BW , , то в типичных случаях область внеполосных излучений начинается с ƒ 0 +/- 0,5 * ƒ BW , а область побочных излучений начинается с . ƒ 0 +/- 2.5 * ƒ BW . Если уровень мощности в любом из этих доменов превышает предел мощности домена, ваше устройство не пройдет тест, и его необходимо исправить, прежде чем его можно будет использовать.

    Рисунок 6

    А паразитное гармоническое излучение?

    Побочные излучения — это любое электромагнитное излучение, которое генерируется электронным устройством, когда электронное устройство не генерирует электромагнитное излучение намеренно. Гармоническое побочное излучение — это просто особый тип побочного излучения.В контексте нормативной сертификации, такой как FCC, это обычно применяется к беспроводной электронике, которая намеренно генерирует электромагнитное излучение на одной или нескольких частотах. Гармоника — это просто любое целое число, кратное одной частоте — эту частоту обычно называют основной частотой или иногда первой гармоникой . Таким образом, ваша основная частота ( ƒ 0 ) гармоник будет:

    • 1 st гармоника = 1 x ƒ 0 = основная частота
    • 2 nd гармоника = 2 x ƒ 0
    • n th 0 nx ƒ2

    Частота vs.график мощности, основная частота 0 с гармониками до 6-й гармоники будет выглядеть примерно так, как показано на рисунке 7. Обратите внимание, что есть и другие негармонические побочные излучения, но они вполне могут быть гармоники, возникающие из какой-то другой основной частоты.

    Рисунок 7

    Но чем вредны побочные излучения?

    Давайте начнем с утверждения, что не все побочные излучения являются «плохими». Иногда основная частота на самом деле является намеренно созданной гармоникой некоторой более низкой частоты.Эти «уловки» обычно используются при проектировании радиочастот.
    Однако в контексте нежелательных побочных излучений они плохи. Эти побочные излучения существуют всегда, но они не всегда могут быть основным PITA.

    По мнению FCC, они не хотят, чтобы электронные устройства излишне переполняли электромагнитный спектр непреднамеренно созданным электромагнитным излучением. Если электронное изделие генерирует слишком много электромагнитного излучения на некоторой непреднамеренной частоте, оно может по беспроводной связи воздействовать или создавать помехи другому электронному изделию, намеренно использующему ту же частоту.FCC установила определенные ограничения для всех частот спектра, чтобы избежать этого типа помех и загрязнения электромагнитного спектра. Устройство радиочастотных помех (которое является незаконным в Соединенных Штатах) является примером электронного устройства, которое злонамеренно использует электромагнитные помехи, генерируя высокие уровни электромагнитного излучения на определенной частоте или в широком диапазоне частот для снижения производительности ближайших беспроводных сетей. электроника.

    В глазах разработчика беспроводной электроники побочные излучения могут вызвать головную боль, кроме непрохождения нормативного тестирования — конечно, образно говоря, если они не вызывают у вас достаточно стресса.Иногда побочные излучения, создаваемые беспроводной электроникой, недостаточно серьезны, чтобы превышать пределы, установленные FCC, но они все же существуют. И если они существуют на нужной частоте, в нужное время и с нужной интенсивностью, они могут начать «заглушать» электронный приемник, эффективно делая его менее чувствительным к низким уровням сигнала. Это, по сути, тот же эффект, который устройство глушения оказывает на бедную беззащитную жертву радиосвязи, и его обычно называют «защитой приемника», «самоглушением», «самоинтерференцией» или «самозатуханием» (возможно, наиболее подходящим вариантом). по сравнению со стрельбой себе в ногу).На рисунке 8 показан этот сценарий самозатухания. Не вдаваясь в подробности, потери в свободном пространстве (FSPL) — это просто, сколько мощности теряется между источником сигнала и приемником сигнала из-за расстояния, на которое сигнал проходит по воздуху; с увеличением расстояния потери мощности увеличиваются. В крайнем левом углу изображена рождественская елка, которая выглядит как «тестовая» антенна на излучение, а антенна «устройства» радиоэлектроники показана в крайнем левом углу. «Зашумленная ИС» излучает нежелательные излучения с уровнем мощности -70 дБмВт.Зашумленная ИС находится намного ближе к антенне устройства, чем тестовая антенна, таким образом, излучение -70 дБмВт от зашумленной ИС ослабляется в воздухе всего на 10 дБ по сравнению с ослаблением 60 дБ в направлении более удаленной тестовой антенны. Уровень мощности шума, принимаемый испытательной антенной, составляет -70 дБм минус 60 дБ = -130 дБм, что меньше, чем предел излучения, установленный FCC, равный -100 дБм, поэтому электроника проходит испытание FCC на излучение. Уровень мощности шума, принимаемый антенной устройства, составляет -70 дБм минус 10 дБ = -80 дБм.Это плохо для радиоприемника, потому что в идеальных условиях он способен обнаруживать сигналы связи вплоть до очень небольшого уровня мощности -110 дБмВт. Однако, поскольку радиостанция принимает шум -80 дБмВт, она больше не может обнаруживать сигналы связи ниже -80 дБмВт. Иначе говоря, чувствительность приемника радиоприемника -110 дБмВт подавляется на 30 дБ, и теперь эффективная чувствительность приемника составляет -80 дБмВт.

    Рисунок 8

    Непреднамеренный радиатор vs.преднамеренный радиатор

    Как упоминалось ранее, побочное излучение — это просто электромагнитное излучение, которое не создается преднамеренно электронным устройством, особенно электроникой, которая «намеренно излучает» определенные частоты. Большинство современных электронных устройств подпадают под одну из следующих категорий, определенных FCC: «непреднамеренные излучатели» и «преднамеренные излучатели». Преднамеренные излучатели — это упомянутые электронные устройства, которые намеренно излучают определенные частоты, такие как устройства BLE.И наоборот, непреднамеренные излучатели — это «все» другие электронные устройства, которые намеренно не генерируют электромагнитную энергию для целей беспроводной связи. Конечно, есть исключения, когда электроника не попадает ни в одну из этих двух категорий или на нее не распространяются правила, установленные для устройств в этих категориях, но мы проигнорируем их в данном обсуждении.

    FCC требует, чтобы «вся» электроника проходила тестирование, определенное для категории непреднамеренных радиаторов. Основной тест для электроники, попадающей в эту категорию, измеряет паразитные излучения в диапазоне от 30 МГц до 1000 МГц.Эти тесты обычно включают несколько единиц специального (т.е. дорогостоящего) оборудования для измерения выбросов от электронного устройства или испытываемого оборудования (EUT):

    • Испытательная антенна (логопериодическая или рупорная) для приема побочных излучений, исходящих от испытуемого электронного оборудования (EUT) — эта испытательная антенна обычно размещается на расстоянии 3 или 10 метров от EUT:
    Рисунок 9
    • Анализатор спектра для измерения мощности паразитных излучений, улавливаемых испытательной антенной:
    Рисунок 10

    [Изображение любезно предоставлено Rohde & Schwarz]

    • Малошумящий усилитель (LNA) для усиления слабой РЧ-энергии, улавливаемой испытательной антенной, чтобы анализатор спектра действительно мог обнаруживать РЧ-энергию, исходящую от EUT:
    Рисунок 11

    [Изображение предоставлено Kuhne electronic]

    • Большое безэховое помещение для радиочастот, изолированное от внешних радиоволн — это, по сути, комната с металлическим потолком, стенами и полом с материалом на стенах, который поглощает радиочастотную энергию.Эту комнату потенциально можно заменить большим открытым полем в сельской местности (вдали от любых источников радиочастотной энергии, таких как вышки сотовой связи и бытовая электроника).
    Рисунок 12

    Во время этих испытаний излучение от EUT необходимо измерять под всеми углами в одной плоскости. Иначе говоря, выбросы следует измерять, пока EUT медленно вращается на 360˚. Обычно это делается путем помещения EUT на медленно вращающийся поднос. В качестве альтернативы вы можете сделать это вручную, выполнив измерение, слегка повернув EUT вручную, сделав еще одно измерение и повторяя его, пока не будут измерены все 360˚.Не идеально. Затем, по-прежнему направляя испытательную антенну на EUT, поверните антенну на 90 ° и снова начните вращение EUT на 360 °. http://i.imgur.com/RGz3IET.gifv

    EUT должно постоянно работать в активном состоянии, пока это испытание сканирует непреднамеренные излучения; Если электроника содержит радиоприемник, который может намеренно генерировать электромагнитное излучение, его следует установить в режим «только прием», когда он не передает электромагнитную энергию. Иногда уровень мощности побочных излучений vs.частота выглядит довольно «тихой» и скучной, как график, показанный на рисунке 13. Когда это происходит, основная линия тренда кривой является «минимальным уровнем шума» измерительного оборудования — фоновым шумом. Даже при отсутствии EUT в испытательной камере испытательное оборудование могло бы измерить этот минимальный уровень шума.

    Рисунок 13

    Хотя часто, даже когда дизайн создается с особым вниманием к контролю электромагнитного излучения, он выглядит так, как это 2spooky4me , но все еще выходит за пределы ограничений FCC:

    Рисунок 14

    В дополнение к испытаниям на непреднамеренное излучение радиатора, FCC требует, чтобы электроника преднамеренного радиатора подвергалась дальнейшим испытаниям, определенным специально для их предполагаемой частоты работы.Основной тест, который нас интересует в этом обсуждении, — это сканирование преднамеренных побочных излучений излучателя, в то время как EUT непрерывно излучает РЧ-мощность на предполагаемой частоте передачи.

    В случае BLE, который может передавать по любому из 40 каналов от 2,402 ГГц до 2,480 ГГц, FCC требует, чтобы сканирование преднамеренных побочных излучений выполнялось три отдельных раза, в то время как ваше устройство настроено на непрерывную передачу на канале с самой низкой частотой (2,402 ГГц), канал средней частоты (2.440 ГГц) и канал с самой высокой частотой (2,480 ГГц). Наиболее частый отказ в этом тесте происходит из-за того, что паразитные гармонические излучения, которые упоминались ранее (2 , 3 ,… n гармоники основной передачи 2,4 ГГц), были слишком высокими. На рисунке 15 показано, как может выглядеть обычное тестовое сканирование (превышающее ограничения FCC). Обратите внимание, что основная частота 2,44 ГГц выше линии предела побочных излучений, и это нормально, потому что ограничение не распространяется на основную частоту.2 и 3 гармоники проявляются на частотах 4,88 ГГц и 7,32 ГГц, но ниже допустимых пределов.

    Рисунок 15

    До следующего раза…

    Весь процесс тестирования EMC, требуемый FCC (и регулирующими органами в странах, кроме США), может быть очень обременительным для людей, проходящих его первые несколько раз, даже если их продукт проходит все тесты безупречно. Punch Through готов помочь на любом этапе процесса! Мы успешно помогли многим нашим клиентам начать поставки своих продуктов, помогая им устранять серьезные проблемы с электромагнитной совместимостью — подробнее об этом — во второй части этого сообщения в блоге!

    Продолжите с Гармоники Часть 2 — Определение источника гармоник!

    Хотите узнать больше?

    Мы группа инженеров, которые любят учиться и преподавать.Если вам интересно узнать больше о нас, о том, как мы работаем и почему мы делаем то, что делаем, зацените нас!

    Частоты гармоник

    Введение

    Термин «гармоники» относится к основной частоте сигнала. Прежде чем изучать гармоники, мы должны познакомиться с некоторыми концепциями волновых форм. Давайте обсудим темы «Собственная частота» и «принудительная частота».

    Собственная частота

    Когда тело свободно колеблется без приложения к нему каких-либо внешних сил, такие колебания называются «собственными колебаниями».Частота, при которой возникают собственные колебания, называется «собственной частотой».

    Принудительная частота

    Когда тело колеблется за счет приложения внешней периодической силы, эти колебания называются «вынужденными колебаниями». Частота вынужденных колебаний называется «вынужденной частотой».

    Прогрессивные волны

    Когда волна непрерывно движется вперед в среде, не отражаясь ни в одной точке пути, это называется «прогрессивной волной».

    Стоячие волны

    Когда две прогрессивные волны одинаковой частоты и амплитуды проходят через среду в противоположных направлениях, они накладываются друг на друга.Наложенная волна называется «Стоячая волна». В стоячих волнах мы находим узлы и пучности.

    В начало

    Основная частота

    Определяется как самая низкая частота периодического сигнала. Обычно обозначается как «f». Другими словами, самая низкая резонансная частота вибрирующего объекта называется «основной частотой».

    Вернуться к началу

    Что такое гармоника?

    Гармоника — это частота, которая является целым кратным основной частоты.Вынужденные резонансные колебания объекта вызывают возникновение стоячих волн. На собственной частоте он формирует картину стоячей волны. Эти паттерны создаются на определенных частотах, они называются «гармоническими частотами» или «гармониками».

    Звук, производимый формой волны на ее гармонической частоте, очень чистый, а на других частотах мы получаем шум и не можем слышать чистый звук волн.

    Гармоники могут возникать в волнах любой формы, но в основном они возникают только в синусоидальных волнах.Несинусоидальные формы волн, такие как треугольные и зубчатые волны, создаются путем сложения гармонических частот. Слово «гармонический» обычно используется для описания искажений синусоидальной волны, вызванных различными нежелательными частотами, называемыми «шумом».

    В каждой гармонике мы находим две позиции: узлы и пучки.

    Узел

    Узлы — это точки, которые кажутся все еще стоящими вдоль среды. У них нет смещения. Таким образом, они называются точками, также называемыми узлами.

    Antinodes

    Есть частицы, которые подвергаются максимальному смещению между двумя точками. Две точки — это узлы. Здесь один узел положительный, а другой отрицательный. Узлы и пучности показаны на рисунке ниже.

    Узел и пучности возникают в форме волны. Итак, волны имеют в себе гармоническую частоту. Основная частота — это наименьшая частота гармоники. Следовательно, между ними возникает только один антиузел. Эта Антинодия — середина двух узлов.Исходя из этого, мы можем сказать, что гитарная струна производит самую длинную волну и самую низкую частоту.

    Самая низкая частота, производимая любым инструментом, называется основной частотой. Это также известно как «первая гармоника» волны. Говоря об основной частоте, можно сказать, что гармоники — это целые числа, кратные основной частоте.

    Пример: f, 2f, 3f, 4f и т. Д.… Являются гармониками.

    Из-за нескольких целых чисел основной частоты у нас будет n гармоник, таких как 1-я гармоника, 2-я гармоника, 3-я гармоника и т. Д.

    Первая гармоника

    Как мы обсуждали ранее, основная частота также называется Первой гармоникой.В первой гармонике у нас есть два узла и один антивод.

    Вторая гармоника

    Вторая гармоника состоит из 3 узлов и двух пучностей. Если мы установим узел между двумя узлами первой гармоники, мы можем получить вторую гармонику. В первой гармонике второй узел будет между двумя узлами, первым и последним.

    Третья гармоника

    Для третьей гармоники, если узел удерживается на обоих концах стержня, результирующая волновая картина состоит из четырех узлов и 3 пучностей.Это означает, что форма волны третьей гармоники имеет полный синусоидальный волновой цикл и один полупериод. Схема такая, как показано ниже.

    Наблюдая за приведенным выше обсуждением, мы можем сказать, что количество пучностей равно целым кратным определенным гармоникам. т.е. для 1-й гармоники у нас есть 1 пучность, для 2-й гармоники — 2 пучности и т. д.
    Частоты гармоник можно вычислить по формуле

    Скорость = частота x длина волны

    V = nx λ

    n th гармоника = nx основная частота

    Если мы знаем скорость и длину волны формы волны, мы можем вычислить частоту гармоники.В волнах есть два типа гармоник: четные и нечетные. Например, цилиндр с открытыми обеими сторонами будет вибрировать как на четных, так и на нечетных гармониках, а цилиндр с одной закрытой стороной будет колебаться только на нечетных гармониках.

    В начало

    Характеристики гармоник

    Большинство колебаний, которые мы слышим, вызваны гармониками. Например, музыка звучит как гитара, скрипка и даже человеческий голос. Гармоники также называются гармоническими частями.Характеристики гармоник будут зависеть от колебаний инструмента или формы волны.

    Итак, обычно причиной возникновения гармоник являются колебания. Осциллятор — это не что иное, как движущийся или вибрирующий инструмент. Частота гармоник будет отличаться от частоты полных гармоник. Но точная частота гармоник будет производиться инструментами с длинной и тонкой проводкой.

    Они производят ровно только одну гармонику. Частоты, которые будут иметь место в нескольких целых числах основной частоты, называются гармоническими частотами.

    Человеческое ухо не ясно слышит все гармоники. Частоты, отличные от гармонических, называются негармоническими частотами. В этом случае многие гармоники объединяются в звук. Негармоничные звуки слышны человеческому уху.

    Пример: Во-первых, наш школьный и церковный колокола мы видим регулярно. Во-вторых, старинные поющие чаши — это еще один пример, который вибрирует только на гармонических частотах. Другим важным характерным свойством гармоник является то, что все гармоники периодичны на основной частоте, а затем сумма гармоник также периодична на основной частоте.

    В начало

    Гармоники и обертоны

    Частота, которая выше основной частоты, называется «обертонами». Обычно обертоны существуют в музыкальных инструментах. Верхние тона будут зависеть от тембра музыкального инструмента. Поскольку тон будет отличаться от одного музыкального инструмента к другому, возникновение овертонов также будет отличаться. Смешивая / комбинируя обертоны, мы можем получить основной тон инструмента.

    Обратите внимание на указанные выше звуковые выходы, производимые различными инструментами, скрипкой и фортепиано.У них одинаковая частота, поэтому у них одна и та же нота, у них разные обертоны и, в конечном итоге, их звуки тоже разные. Это означает, что обертоны инструмента могут влиять на вывод звука. Неровная форма волны скрипки означает более резкий звук, в то время как фортепиано производит более чистый звук, который ближе к синусоиде.

    В начало

    Длина волны Соотношение длины

    Чтобы получить соотношение длины и длины волны, мы снова увидим все гармоники. Я.е., первая, вторая, третья гармоники. Все мы знаем, что длина волны синусоиды — это «лямбда». Гармоники также представлены в виде синусоид. Вычислим

    Из первой гармоники

    Итак, в первой гармонике два конца строки фиксированы, они называются узлами. А при вибрации проволока движется вверх и вниз, образуя пучность. Итак, эта фигура похожа на полусинусоидальную. Итак, половина длины волны

    От второй гармоники

    Во второй гармонике есть две пучности, поэтому есть две петли.По первой гармонике мы уже рассчитали, что одна петля равна половине длины волны. Итак, здесь есть две петли, всего одна длина волны.

    От третьей гармоники

    В движении третьей гармоники есть три петли, и каждая петля состоит из одной половины длины волны. Таким образом, сумма всех трех петель составляет 3/2 лямбды

    По всем этим гармоникам мы можем сказать, что для 1-й гармоники имеется одна пучность, для 2-й гармоники — 2 пучности, для 3-й гармоники — 3 пучности.Итак, для n-й гармоники имеется n пучностей.

    Таким образом, выводя формулу для отношения длины и длины волны, мы получаем

    L = n / 2 длины волны

    Кроме того, мы можем записать эти формулы, как показано ниже

    Для 1-й гармоники: L = 1/2-лямбда

    Для 2-й гармоники: 2L = 2/2-лямбда

    Для 3-й гармоники: 3L = 3/2-лямбда

    Как это для n-й гармоники: nL = n / 2-лямбда Где n — целое число.

    Соотношение длины и длины волны в гармониках, а также математическое соотношение, также приведенное ниже в табличном формате

    L = n / 2 (лямбда)

    В начало

    Недостатки гармоник

    • Гармоники влияют на производительность энергосистем.Ниже перечислены недостатки гармоник.
    • Гармоники ухудшают качество подачи электроэнергии в распределительную сеть. Это может вызвать несколько негативных эффектов.
    • Гармаоника может вызвать увеличение эффективного среднеквадратичного тока, что приведет к потере мощности в системе распределения.
    • Накопленное увеличение третьей гармоники вызовет перегрузку в нейтральных проводниках.
    • Гармоники вызывают повышение уровня шума электрического сигнала.
    • Гармоники могут нарушить питающее напряжение, что приведет к неправильной работе чувствительных нагрузок.
    • Гармоники вызывают нарушения в линиях связи и телефонных линиях.
    • Они влияют на резонанс между индуктивностью источника питания и уровнем емкости конденсаторов коэффициента мощности.

    Короче говоря, гармоники вызовут следующие ошибки в энергосистеме и системах связи.

    • Обогрев оборудования
    • Неисправность оборудования
    • Отказ оборудования
    • Помехи связи
    • Неправильная работа предохранителя и прерывателя
    • Проблемы процесса
    • Нагрев проводника.

    Вернуться к началу

    Пример гармоник

    Мы уже знаем, что мы встречаем много гармонических частот в нашей повседневной жизни, здесь мы видим некоторые примеры гармоник

     Пример 

    Многие осцилляторы, такие как гитарная струна, будут колебаться на многих частотах. частоты, но они не являются гармониками, их обычно называют частичными гармониками. Итак, когда мы возьмем длинный и тонкий осциллятор, частоты будут находиться в гармоническом диапазоне. Чтобы знать точное место возникновения гармоник, в первую очередь мы должны вычислить основную частоту формы волны.

    Возьмем гитарную струну, которая производит гармонические частоты. Затем прикрепите концы струны и закрепите их в гитарной конструкции. Таким образом, концы не могут двигаться. Итак, мы уже знаем, что гармонические волны создаются стоячими волнами. Для них есть узел и пучность.

    Здесь у нас есть два конца — это узлы, и, следовательно, есть узлы, есть также пучности. так что есть гармоническая частота сама по себе. Итак, основная частота — это наименьшая частота. Следовательно, между ними есть одна пучность.Эта Антинодия — середина двух узлов. Исходя из этого, мы можем сказать, что гитарная струна производит самую длинную волну и самую низкую частоту.

    Самая низкая частота, производимая любым инструментом, называется основной частотой. Это также называется первой гармоникой.

    В начало

    Что такое гармоники? — Определение и типы — Видео и стенограмма урока

    Частота

    Частота — это скорость, с которой возникает вибрация. Это измеряется в герцах (Гц) , что вычисляется путем нахождения количества колебаний в секунду.Например, частота, которая колеблется 100 раз в секунду, будет описана как имеющая частоту 100 Гц. Когда создается высота звука, она создает звуковую волну, которая колеблется на определенной частоте, основной частоте, но также вызывает вибрацию множества других, более высоких частот. Эти колебания будут называться составными частотами, потому что они являются результатом колебаний основной частоты.

    Когда основная частота и все ее составные частоты воспринимаются слушателем, они редко слышны как отдельные высоты тона.Слушатель с большей вероятностью будет воспринимать все частоты, соединенные вместе, чтобы сформировать то, что мы называем составным тоном. Каждый раз, когда инструмент воспроизводит высоту звука, он по своей сути создает ряд составных частот, которые добавляют богатство тона и позволяют нам различать звуковые качества, такие как различие между тем, как звучит скрипка, и тем, как звучит гитара. звуки. Хорошо, теперь, когда мы немного выяснили, как слышна высота тона, давайте сделаем это еще более сложным!

    Гармоники

    Чтобы обсудить гармоники, нам нужно добавить еще один компонент в микс.. . МАТЕМАТИКА! Математика играет большую роль в обсуждении гармоник, но, к счастью для нас, ни одна из них не станет слишком сложной. Чтобы составная частота считалась гармоникой, ее частота должна быть целым кратным основной частоты. Не волнуйтесь, если это прозвучало слишком сильно, мы сейчас немного подробнее остановимся на этом.

    Начнем с гипотетической основной частоты 100 Гц. Если бы мы умножили его на любое целое число, наш результат считался бы целым кратным основной частоты.Напротив, если у нас есть составная частота, разделите ее на основную частоту, и результат будет целым числом, тогда эта составная частота будет целым кратным. Это подробно описано в таблице.

    Основная частота Гипотетическая составная частота Уравнение Это целое кратное?
    100 Гц 200 Гц 200/100 = 2 ДА
    100 Гц 250 Гц 250/100 = 2.5 НЕТ
    100 Гц 100 Гц 100/100 = 1 ДА

    Обертоны

    Обертон — это любая составная частота, которая колеблется на более высокой частоте, чем основная частота, независимо от того, является она гармоникой или нет. В большинстве случаев все обертоны инструмента также будут гармониками, и поэтому эти два термина часто используются как синонимы.Однако есть некоторые инструменты, которые воспроизводят обертоны, не являющиеся гармониками, в первую очередь ударные.

    Игра на гармонике

    Не волнуйтесь, если вы не сразу все уловили, эти темы сначала могут сбивать с толку, а иногда для их понимания требуется немного времени. А пока давайте поговорим о том, почему мы, музыканты, в первую очередь заботимся о гармониках! Музыканты нашли способы изолировать определенные обертоны и заставить их звучать без использования основной частоты.Результирующий звук называется гармоникой . Подождите минуту! Я думал, гармоника — это сама частота? Ну и то, и другое! Сначала это сбивает с толку, но просто помните, что каждый раз, когда создается высота звука, она идет с составными частотами, некоторые из которых являются гармониками. Однако, если исполнитель выделяет одну из этих гармонических частот без основной гармоники, это называется воспроизведением гармоники, а слышимый звук также называется гармоникой.

    Техника игры на гармонике сильно различается от инструмента к инструменту; тем не менее, их намного проще производить, и поэтому они гораздо чаще используются на струнных инструментах.При правильном использовании гармоническая игра может быть красивой выразительной техникой в ​​музыке. Их звук настолько сильно отличается, что они склонны принимать почти «потустороннее» качество.

    Подробнее о гармониках

    Термин гармоника происходит от его использования в физике, где он используется для описания волны, которая добавляется к основной волне в определенном паттерне. Эти составляющие волны колеблются предсказуемым образом, который связан с основной частотой (скоростью, с которой возникает вибрация).К сожалению, чтобы обсудить основы гармоник, нам снова придется немного математики и науки. Частоты гармоник кратны основной частоте. Другой способ сказать это — сказать, что гармонические частоты равномерно распределены по ширине основной частоты. Чтобы найти последующие гармоники, мы просто добавляем частоту к предыдущей гармонике.

    Например, если наша первая основная частота равна 10 Гц, тогда вторая гармоника будет 20 Гц, а третья гармоника будет 30 Гц и так далее.Если по какой-то причине вы хотите найти, скажем, 7-ю гармонику в серии, вы можете сделать это, используя следующую формулу. Если «f» обозначает основную частоту, то все последующие гармоники в серии могут быть описаны как 2f (2-я гармоника), 3f (3-я гармоника), 4f (4-я гармоника) и т. Д. Используя эту формулу, если мы хотим найти 7-й гармоники основной частоты 10 Гц, нам нужно будет найти значение 7f, которое составляет 70 Гц. Этот паттерн визуально демонстрируется на экране.

    Визуальное представление длин волн гармоник

    Harmonic Series

    Высота основного тона — это звуковая волна, и, как и любая другая волна, звуковая волна создает гармоники. Если бы мы упорядочили все гармонические частоты в порядке возрастания, мы бы получили список частот, который выглядит примерно так:

    1st Harmonic 2-я гармоника 3-я гармоника 4-я гармоника и др.. .
    220 Гц 440 Гц 660 Гц 880 Гц и др. . .

    Хорошо, что теперь? Что ж, нам нужно немного преобразовать. Поскольку музыкальные ноты колеблются на определенных частотах, мы можем преобразовать приведенный выше список гармоник в музыкальные высоты.

    1-я гармоника 2-я гармоника 3-я гармоника 4-я гармоника и др.. .
    220 Гц 440 Гц 660 Гц 880 Гц и др. . .
    A3 A4 E4 A5 и др. . .

    Этот упорядоченный список примечаний называется гармоническим рядом. Не волнуйтесь, если вы не знаете точную частоту каждой высоты звука, потому что, к счастью, как и в большинстве музыкальных вещей, шаблон одинаков независимо от начальной высоты звука.На этом изображении вы увидите гармонический ряд, созданный, начиная с C natural. Эту серию можно перенести на любую начальную ноту, и она останется прежней.

    Цифры над гармоникой показывают разницу в центах от одинаковой темперации, округленную до ближайшего цента.

    Из-за характера нашей современной системы настройки некоторые из верхних гармоник будут немного расстроены, но если мы слышим их как составной звук, это не часто беспокоит.Гармоники также постепенно тише, чем основная, поэтому чем выше мы поднимаемся в гармоническом ряду, тем менее заметной будет нота. Однако, если мы играем в серии фальсифицированную гармонику, то эта нота будет более слышимой, и ее настройку следует учитывать.

    Давайте попробуем немного испытать это на себе. Если вы можете найти инструмент, в идеале пианино, сыграйте высоту звука, указанную на изображении, затем сыграйте только нижнюю ноту и очень внимательно постарайтесь прослушать верхние гармоники.Если немного сосредоточиться, они могут стать довольно узнаваемыми.

    Краткое содержание урока

    Гармоники существуют каждый раз, когда играется нота, они слышны вместе с основной гармоникой и обычно воспринимаются как составной звук, представляющий основную высоту звука .

    alexxlab

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *