Что такое гармоника в электротехнике

Высшие гармоники в электросетях

Постоянный рост количества нелинейных потребителей в наших электрических сетях приводит к повышенному “загрязнению электросетей”. Обратное воздействие на сеть является для энергетики такой же проблемой, как загрязнение воды и воздуха для экологии.

В идеальном случае на выходных клеммах генераторы выдается чисто синусоидальный ток. Синусоидальное напряжение рассматривается как идеальная форма переменного напряжения, любое отклонение от него считается сетевой помехой.

Рис.1 Обратные воздействия на сеть, вызванные преобразователями частоты.

Все больше потребителей получают из сети несинусоидальный ток. Быстрое преобразование Фурье (БПФ) этих “загрязненных” токовых волн показывает наличие широкого спектра колебаний с гармониками различного порядка, которые обычно называют высшими гармониками.

Рис.2 Анализ высших гармоник (Быстрое преобразование Фурье)

Высшие гармоники наносят вред электрическим сетям, они опасны для подключенных потребителей так же, как загрязненная вода вредна для организма человека. Они приводят к перегрузкам, снижают срок службы и, при определенных условиях могут вызывать преждевременный выход из строя электрических и электронных потребителей.

Нагрузка высшими гармониками является основной причиной невидимых проблем с качеством напряжения, приводящих к огромным расходам на ремонт или покупку нового оборудования взамен поврежденного. Недопустимо высокое обратное воздействие на сеть и вызванное им низкое качество напряжения могут, таким образом, вызвать сбои производственного процесса вплоть до остановки производства.

Высшие гармоники – это токи или напряжения, частота которых превышает основное колебание 50/60 Гц и кратна этой частоте основного колебания. Высшие гармоники тока не вносят вклад в активную мощность, но оказывают только термическую нагрузку на сеть. Поскольку токи высших гармоник протекают в дополнение к “активным” синусоидальным колебаниям, они обеспечивают электрические потери в рамках электроустановки, что может привести к термической перегрузке. Дополнительные потери в потребителе электроэнергии приводят, кроме того к нагреву и перегреву, а также к сокращению срока службы оборудования.

Оценка нагрузки высшими гармониками, как правило, выполняется в точке подключения (или передачи в сеть электроснабжения общего пользования) соответствующей организации по энергоснабжению. Все чаще эти точки называют Point of Common Coupling (PCC). При определенных условиях может потребоваться определение и анализ нагрузки высшими гармониками со стороны определенного оборудования или групп оборудования для выявления внутренних проблем с качеством электрической сети и их причин, их вызывающих.

Рис.3 Поврежденные высшими гармониками конденсаторы

Для оценки нагрузки высшими гармониками используются следующие параметры:

Коэффициент суммарных гармонических искажений (THD)

Коэффициент суммарных гармонических искажений (THD) или общее гармоническое искажение позволяет квалифицировать размер долей, возникающих в результате нелинейного искажения электрического сигнала. Это отношение эффективного значения высших гармоник к эффективному значению первой гармоники. Значение THD используется в сетях низкого, среднего и высокого напряжения. Обычно для искажения тока используется коэффициент THDi , а для искажения напряжения – коэффициент THDu.

Коэффициент искажения для напряжения

• M = порядковый номер высшей гармоники
• M = 40 (UMG 604, UMG 508, UMG 96RM)
• M = 63 (UMG 605, UMG 511)
• Основная гармоника fund соответствует n = 1

Коэффициент искажения для тока

• M = порядковый номер высшей гармоники
• M = 40 (UMG 604, UMG 508, UMG 96RM)
• M = 63 (UMG 605, UMG 511)
• Основная гармоника fund соответствует n = 1

Общее искажение тока (TDD)

Особенно в Северной Америке термин TDD регулярно используется в связи с проблемами, вызванными высшими гармониками. Это величина, связанная с THDi, но в этом случае определяется отношение доли высших гармоник к доле основных колебаний номинального значения тока. Таким образом, TDD определяет отношение между высшими гармониками тока (аналогично THDi) и возникающим на протяжении определенного периода эффективным значением тока при полной нагрузке. Обычно период равен 15 или 30 минутам.

TDD (I)

• TDD определяет отношение между высшими гармониками тока (THDi) эффективным значением
• тока при полной нагрузке.
• IL = полный ток нагрузки
• M = 40 (UMG 604, UMG 508, UMG 96RM)
• M = 63 (UMG 605, UMG 511)

Анализ гармоник (тока и напряжения) могут проводить практически все анализаторы ПКЭ Janitza, за исключением UMG 96L.

Общее гармоническое искажение

Полный коэффициент гармонических искажений или THD — это обычное измерение уровня гармонических искажений, присутствующих в энергосистемах. THD может быть связан либо с гармониками тока, либо с гармониками напряжения, и определяется как отношение среднеквадратичного значения всех гармоник к среднеквадратичному значению основной составляющей, умноженному на 100%; составляющей постоянного тока пренебрегают.

ТЧАСDVзнак равноV22+V32+V42+⋯+Vп2V1⋅100%знак равно∑kзнак равно⁡2пVk2V1⋅100%{\ displaystyle {\ mathit {THD_ {V}}} = {\ frac {\ sqrt {V_ {2} ^ {2} + V_ {3} ^ {2} + V_ {4} ^ {2} + \ cdots + V_ {n} ^ {2}}} {V_ {1}}} \ cdot 100 \% = {\ frac {\ sqrt {\ sum _ {k \ mathop {=} 2} ^ {n} V_ {k } ^ {2}}} {V_ {1}}} \ cdot 100 \%}

ТЧАСDязнак равноя22+я32+я42+⋯+яп2я1⋅100%знак равно∑kзнак равно⁡2пяk2я1⋅100%{\ displaystyle {THD_ {I}} = {\ frac {\ sqrt {I_ {2} ^ {2} + I_ {3} ^ {2} + I_ {4} ^ {2} + \ cdots + I_ {n } ^ {2}}} {I_ {1}}} \ cdot 100 \% = {\ frac {\ sqrt {\ sum _ {k \ mathop {=} 2} ^ {n} I_ {k} ^ {2 }}} {I_ {1}}} \ cdot 100 \%}

где V _k — действующее значение напряжения k- й гармоники, I _k — действующее значение тока k- й гармоники, а k  = 1 — порядок основной составляющей.

Обычно мы пренебрегаем высшими гармониками напряжения; однако, если ими не пренебрегать, действительная мощность, передаваемая нагрузке, зависит от гармоник. Среднюю активную мощность можно найти, прибавив произведение напряжения и тока (и коэффициента мощности, обозначенного здесь pf ) на каждой более высокой частоте к произведению напряжения и тока на основной частоте, или

пв среднемзнак равно∑kзнак равно⁡1∞Vk⋅яk⋅пжзнак равнопв среднем,1+пв среднем,2+⋯{\ displaystyle {P _ {\ text {avg}}} = \ sum _ {k \ mathop {=} 1} ^ {\ infty} V_ {k} \ cdot I_ {k} \ cdot pf = P _ {{\ text {avg}}, 1} + P _ {{\ text {avg}}, 2} + \ cdots}

где V _k и I _k — среднеквадратичные значения напряжения и тока на гармонике k ( обозначает основную частоту), а также стандартное определение мощности без учета гармонических составляющих.
kзнак равно1{\ displaystyle k = 1}пв среднем,1{\ displaystyle P _ {{\ text {avg}}, 1}}

Упомянутый выше коэффициент мощности — это коэффициент мощности смещения. Есть еще один коэффициент мощности, который зависит от THD. Фактический коэффициент мощности может означать отношение между средней активной мощностью и величиной среднеквадратичного напряжения и тока .
пжправдазнак равнопв среднемVсреднеквадратичное значениеясреднеквадратичное значение{\ displaystyle pf _ {\ text {true}} = {\ frac {P _ {\ text {avg}}} {V _ {\ text {rms}} I _ {\ text {rms}}}}}

Vсреднеквадратичное значениезнак равноV1,среднеквадратичное значение1+(ТЧАСDV100)2{\ displaystyle {V _ {\ text {rms}}} = V_ {1, {\ text {rms}}} {\ sqrt {1+ \ left ({\ frac {THD_ {V}} {100}} \ right ) ^ {2}}}}

а также

ясреднеквадратичное значениезнак равноя1,среднеквадратичное значение1+(ТЧАСDя100)2{\ displaystyle {I _ {\ text {rms}}} = I_ {1, {\ text {rms}}} {\ sqrt {1+ \ left ({\ frac {THD_ {I}} {100}} \ right ) ^ {2}}}}

Подставляя это в уравнение для истинного коэффициента мощности, становится ясно, что величина может иметь две составляющие, одна из которых является традиционным коэффициентом мощности (без учета влияния гармоник), а одна из которых является вкладом гармоник в фактор силы:

пжправдазнак равнопв среднемV1,среднеквадратичное значениея1,среднеквадратичное значение⋅11+(ТЧАСDV100)21+(ТЧАСDя100)2.{\ displaystyle {pf _ {\ text {true}}} = {\ frac {P _ {\ text {avg}}} {V_ {1, {\ text {rms}}} I_ {1, {\ text {rms} }}}} \ cdot {\ frac {1} {{\ sqrt {1+ \ left ({\ frac {THD_ {V}} {100}} \ right) ^ {2}}} {\ sqrt {1+ \ left ({\ frac {THD_ {I}} {100}} \ right) ^ {2}}}}}.}

Имена присваиваются двум различным факторам следующим образом:

пжправдазнак равнопждисп⋅пжрасстояние,{\ displaystyle pf _ {\ text {true}} = pf _ {\ text {disp}} \ cdot pf _ {\ text {dist}},}

где — коэффициент мощности смещения, а — коэффициент мощности искажения (т. е. вклад гармоник в общий коэффициент мощности).
пждисп{\ displaystyle pf _ {\ text {disp}}}пжрасстояние{\ displaystyle pf _ {\ text {dist}}}

Интервальная сила

Дэвид Коуп (1997) предлагает концепцию силы , в которой сила, созвучие или стабильность интервала (см. Консонанс и диссонанс ) определяется его приближением к более низкому и более сильному или более высокому и более слабому положению в гармоническом ряду. См. Также: Закон Липпса – Мейера .

Таким образом, уравновешенная идеальная квинта ( play ( help · info ) ) сильнее, чем уравновешенная второстепенная треть ( play ( help · info ) ), поскольку они приблизительно равны идеальной пятой ( play ( help · info ) ) и только второстепенная треть ( игра ( помощь · информация ) ) соответственно. Только второстепенная треть появляется между гармониками 5 и 6, тогда как только пятая появляется ниже, между гармониками 2 и 3.
    

Разновидности губных гармоник

Если вы решили освоить этот музыкальный инструмент, то вам необходимо определиться с тем, какую гармонику нужно приобрести. Существует несколько разновидностей, которые отличаются друг от друга. Чем? Давайте разбираться.

Диатоническая гармоника

Диатоническая губная гармоника является самой популярной разновидностью данного инструмента, потому что на ней можно играть музыку практически в любом музыкальном стиле. Звук ее очень насыщенный и «густой».

Диатоническая гармоника

Гармоника этого типа имеет диатонический строй без полутонов. Для сравнения можете представить себе фортепиано, клавиатура которого имеет только белые клавиши. Таким образом, нужно овладеть определенными техниками, чтобы достойно играть на ней. Диатонические губные гармоники имеют диапазон от 1 до 4 октав. Именно такой инструмент лучше всего подходит для обучения и просто идеален для исполнения блюзовой музыки.

Хроматическая гармоника

Хроматические губные гармоники, в отличие от диатонических, позволяют воспроизводить все 12 нот в октаве, включая полутона. То есть снова проводя аналогию с фортепиано, вы играете на всех клавишах – и черных, и белых.

Научиться играть на ней сложнее

Например, для игры сложных музыкальных произведений на хроматической гармонике важно иметь хороший навык игры на диатонической, музыкальное образование и уметь читать ноты с листа.

Хроматическая губная гармошка

В хроматической гармонике предусмотрена возможность только сольного исполнения всех нот гаммы в пределах трех октав (включая полутона). Именно возможность точного попадания в одиночные ноты сделала гармонику этого вида одним из любимых инструментов джазовых исполнителей.

Хроматические гармоники объединяют в одном корпусе две гармоники, переключение между которыми осуществляется использованием специальной кнопки, расположенной на одной из сторон инструмента. При вдувании воздуха в отверстия гармошки вы получаете чистые, полные ноты. Нажимая кнопку, вы перекрываете подачу воздуха на определенные каналы, включая полутона.

Блюзовая гармоника

Блюзовая губная гармоника обычно имеет десять отверстий, в каждое можно играть как на вдох, так и на выдох. На инструментах такого типа можно играть хроматически с помощью специальных приемов — передувов и бендов. 

Блюзовая гармоника

Тремоло-гармоника

Тремоло-гармоника имеет две звуковые пластины, звучащие одновременно, слегка расстроенные относительно друг друга, за счет этого создается тремоло-эффект. На каждую ноту приходится два язычка, в результате чего звук получается более насыщенным.

Тремоло-гармоника

Эта губная гармоника довольно проста, и на ней очень легко научиться играть практически любому даже с минимальными музыкальными способностями. Но нужно помнить, данный вид довольно ограничен в возможностях, что связано с недостающими нотами. На тремоло-гармонике можно играть простые детские мелодии, русские и украинские народные песни, другие композиции.Тремоло-гармоника позволяет интерпретировать мелодии более эмоционально, создавая полновесное звучание.

Октавная гармоника

Октавная гармоника является разновидностью диатонической и представляет собой две звуковые пластины, звучащие одновременно и настроенные точно в октаву относительно друг друга. Это придает большую громкость и иной тембр звука.

Октавная гармоника

Басовая гармоника

В басовой гармонике каждое отверстие играет только на выдох, на каждую ноту приходится по две звуковые пластины, настроенные в октаву.

Басовая гармоника

Аккордовая гармоника

Аккордовая гармоника состоит из двух подвижно закрепленных пластин, сдвоенные язычки которых настроены в октаву. Имеет ноты и на выдох, и на вдох, что позволяет использовать различные аккорды.

Снижение полного сопротивления распределительной сети

Это один из эффективных методов снижения нелинейных искажений. Кабели и сборные шины имеют полное сопротивление, которое прямо связано с длиной линий. Увеличение сечения кабелей (проводов) снижает активное сопротивление распределительной сети, но не снижает ее индуктивность. Максимальное эффективное сечение жил кабелей (проводов) составляет приблизительно 95 кв. мм. С дальнейшим увеличением сечения кабелей их индуктивность остается относительно постоянной. Очевидно, что более эффективным будет использование параллельно соединенных кабелей (проводов). При возможности использования децентрализованной системы бесперебойного питания следует рассмотреть разделение всего инсталлируемого оборудования (т.е. устройств, входящих в состав защищаемой нагрузки) на секции, каждая из которых будет запитана от отдельного источника бесперебойного питания (ИБП).

Следует помнить о том, что во время профилактических, ремонтных и т.п. работ системы бесперебойного питания должны и могут быть переключены в режим обхода (Bypass). При этом возможно возрастание уровня искажений, т.к. нелинейная нагрузка напрямую будет подключена к первичному источнику переменного напряжения (генератор, трансформатор подстанции и т. п.). Форма напряжения сетевого электропитания часто бывает искажена из-за других нагрузок, не относящихся к критическим, но имеющих характеристики, подобные компьютерному и офисному оборудованию. Искажения формы напряжения электропитания, сгенерированные другим оборудованием, добавятся к искажениям от компьютерной нагрузки, которая была переключена на питание непосредственно от сети (на время профилактики или ремонта ИБП), создавая, таким образом, более высокие уровни искажений.

Литература

1. ГОСТ 13109 — 97. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.
2. Капустин В.М., Лопухин А.А. Компьютеры и трехфазная электрическая сеть // Современные технологии автоматизации — СТА, №2, 1997, стр. 104-108.
3. Dugan R.C., McGranaghan M.F., Beaty H.W. Electrical Power Systems Quality. McGraw-Hill, 1996. — 265 стр.
4. Fiorina J.N. Inverters and Harmonics // Cahier Technique Merlin Gerin, no 159. — 19 стр.
5. Yacamini R. Power System Harmonics. Part 3 — Problems caused by distorted supplies // Power Engineering Jounal, Oct., 1995, стр. 233-238.
6. Harmonic Disturbances in Networks and Their Treatment // Cahier Technique Schneider Electric, no 152. — 25 стр.
7. Forrester W. Networking in Harmony // Electrical Contractor, Nov. / Dec., 1996, стр. 38-39.

Сложные формы волны

Обратите внимание, что красные формы волны, приведенные выше, являются фактическими формами сигналов, видимыми нагрузкой, из-за гармонического содержания, добавляемого к основной частоте. Основной сигнал также можно назвать сигналом 1й гармоники. Поэтому вторая гармоника имеет частоту, в два раза превышающую частоту основной, третья гармоника имеет частоту, в три раза превышающую основную, а четвертая гармоника имеет частоту, в четыре раза превышающую основную, как показано в левом столбце. Основной сигнал также можно назвать сигналом 1й гармоники. Поэтому вторая гармоника имеет частоту, в два раза превышающую частоту основной, третья гармоника имеет частоту, в три раза превышающую основную, а четвертая гармоника имеет частоту, в четыре раза превышающую основную, как показано в левом столбце

Основной сигнал также можно назвать сигналом 1й гармоники. Поэтому вторая гармоника имеет частоту, в два раза превышающую частоту основной, третья гармоника имеет частоту, в три раза превышающую основную, а четвертая гармоника имеет частоту, в четыре раза превышающую основную, как показано в левом столбце.

Правый столбец показывает сложную форму волны, сгенерированную в результате эффекта между добавлением основной формы волны и форм гармонических колебаний на разных частотах гармоник

Обратите внимание, что форма результирующего сложного сигнала будет зависеть не только от количества и амплитуды присутствующих частот гармоник, но также и от соотношения фаз между основной или базовой частотой и отдельными частотами гармоник

Мы можем видеть, что сложная волна состоит из основной формы волны плюс гармоники, каждая из которых имеет свое пиковое значение и фазовый угол. Например, если основная частота задана как: E = V MAX (2πƒt) или V MAX (ωt) , значения гармоник будут заданы:

Для второй гармоники:

Е 2  = V 2max (2 * 2πƒt) = V 2max (4πƒt) = V 2max (2ωt)

Для третьей гармоники:

E 3  = V 3max (3 * 2πƒt) = V 3max (6πƒt), = V 3max (3ωt)

Для четвертой гармоники:

E 4  = V 4max (4 * 2πƒt) = V 4max (8πƒt), = V 4max (4ωt)

и так далее.

Тогда уравнение, данное для значения сложной формы волны, будет иметь вид:

Гармоники обычно классифицируются по их названию и частоте, например, 2- й гармонике основной частоты при 100 Гц, а также по их последовательности. Гармоническая последовательность относится к векторному вращению гармонических напряжений и токов по отношению к основной форме волны в сбалансированной 3-фазной 4-проводной системе.

Гармоника прямой последовательности (4-й, 7-й, 10-й,…) будет вращаться в том же направлении (вперед), что и основная частота. Тогда как гармоника обратной последовательности (2-й, 5-й, 8-й,…) вращается в противоположном направлении (обратном направлении) основной частоты.

Как правило, гармоники прямой последовательности нежелательны, поскольку они ответственны за перегрев проводников, линий электропередач и трансформаторов из-за добавления сигналов.

С другой стороны, гармоники обратной последовательности циркулируют между фазами, создавая дополнительные проблемы с двигателями, поскольку противоположное вращение вектора ослабляет вращательное магнитное поле, необходимое для двигателей, и особенно асинхронных двигателей, заставляя их создавать меньший механический крутящий момент.

Другой набор специальных гармоник, называемых «тройками» (кратными трем), имеют нулевую последовательность вращения. Тройки — это кратные третьей гармоники (3-й, 6-й, 9-й, …) и т.д., отсюда и их название, и поэтому они смещены на ноль градусов. Гармоники нулевой последовательности циркулируют между фазой и нейтралью или землей.

В отличие от гармонических токов прямой и обратной последовательностей, которые взаимно компенсируют друг друга, гармоники третьего порядка не компенсируются. Вместо этого сложите арифметически в общем нейтральном проводе, который подвергается воздействию токов всех трех фаз.

В результате амплитуда тока в нейтральном проводе из-за этих тройных гармоник может быть в 3 раза больше амплитуды фазового тока на основной частоте, что делает его менее эффективным и перегретым.

Затем мы можем суммировать эффекты последовательности, кратные основной частоте 50 Гц:

Обратите внимание, что та же самая гармоническая последовательность также применяется к основным сигналам 60 Гц

Гитара

Фундаментальные, а также двух- и трехчастотные обертоны гитарной струны.

Есть несколько уникальных для гитары гармонических техник.

Пинч-гармоники

Пинч-гармоники, исполняемые на акустической гитаре

Пинч-гармоника (также известная как шумоподавляющий звук, пик-гармоника или визг) — это гитарная техника для достижения искусственных гармоник, при которой большой или указательный палец игрока на руке для звукоснимателя слегка захватывает струну после того, как она взята, отменяя (заглушая) основную. частота струны, и позволяя одному из обертонов доминировать. Это приводит к высокому звуку, который особенно заметен на гитаре с электрическим усилением в виде «визга».

Отрезанные гармоники

Эдди ван Хален популяризировал прослушиваемые гармоники . Эта техника является продолжением техники постукивания . Нота звучит как обычно, но вместо ударов по струне энергия возбуждения, необходимая для звучания ноты, достигается путем постукивания по гармонической узловой точке. Постукивающий палец слегка отскакивает от лада. Технику открытой струны можно распространить на искусственные гармоники. Например, для октавной гармоники (узловая точка на 12 ладов) нажмите на третьем ладу и нажмите на пятнадцатый лад, как 12 + 3 = 15 .

Гармоники струны под действием магнитного поля

Этот метод используется в устройствах эффектов, создающих магнитное поле, которое может возбуждать основы и гармоники стальных струн. Есть переключатели гармонического режима, которые предусмотрены в более новых версиях EBow и встроенными в гитарные сустейны, такими как Fernandes Sustainer и Moog Guitar. Регулировка гармоник посредством переключения гармонических режимов и техники игры применяется гитарным резонатором, где гармоники можно чередовать, изменяя положение струнного динамика на грифе во время игры.

Использование фильтров подавления гармоник

Третья гармоника является доминирующей по своему наиболее неблагоприятному воздействию в однофазных цепях. Включение в схему фильтра, который имеет низкое полное сопротивление на частоте этой гармоники, понижает генерируемое нелинейной нагрузкой напряжение. Применение таких фильтров в случае систем бесперебойного питания наиболее успешно для компенсации эффекта несбалансированных нагрузок, которые имеют тенденцию генерировать высокие уровни гармоник. Фильтры могут быть установлены как внутри ИБП, так и расположены на выходном конце кабеля (т.е. на стороне нагрузки). Тогда токи третьей гармоники циркулируют между нагрузкой и фильтром, частично снижая суммарный ток в проводнике нейтрали.

Однако такое подключение не дает окончательного решения проблемы, если на выходе ИБП подключены распределенные нагрузки. Установленный таким образом фильтр защищает только часть нагрузки, к которой он непосредственно подключен. Поэтому схема подключения должна быть такой, чтобы фильтр защищал всю нагрузку, а не только ее часть. Это может вызвать затруднения по стоимости оборудования и необходимой занимаемой площади при расстановке дополнительных устройств в нескольких участках распределительной сети на различных этажах здания.

Особое значение имеют фильтры, устанавливаемые на входе ИБП. Шестиполупериодные выпрямители, применяемые в трехфазных ИБП, создают высокий уровень пятой гармоники тока в питающей сети. Для снижения гармонического состава потребляемого тока и повышения коэффициента мощности системы в фазные провода включают индуктивные сопротивления (дроссели). Повышением эффективности подавления высших гармоник тока является включение входного фильтра ИБП, настроенного на пятую гармонику.

Конструкция

Какой бы разновидности ни была гармошка, по типу звукоизвлечения все виды являются язычковыми музыкальными инструментами, то есть звук извлекается под действием воздушной струи, которая оказывает влияние на язычок. Внешне устройство гармоники выглядит следующим образом:

• левый полукорпус с собственной клавиатурой;
• правый полукорпус с клавиатурой, расположенной на грифе;
• меховая камера с разным количеством барин (складок).

Внутреннее устройство имеет главный элемент – голосовую планку, к которой крепятся язычки. Их два. Один колеблется при разжиме мехов, другой при сжиме. Это особенность ручных гармоник основывается на том, что при растягивании мехов и возвращении их в исходное положение направление воздуха меняется.

Гармошка имеет диатонический звукоряд. Это одно из главных отличий от родственников гармоники баяна и аккордеона с хроматическим или смешанным.

Работа гармоники основывается на принципе рычажного клавишного механизма, как у фортепиано. При нажатии на клавишу происходит открытие в деке, через которую поступает воздух в резонаторную камеру, где расположены язычки.

Елецкая рояльная гармоника

Что такое гармоники в электричестве

Корректная работа электроприборов, будь то бытовая техника или производственное оборудование, зависит от качества электроэнергии, о котором мы привыкли судить по стабильности напряжения и частоты, отсутствию резких скачков напряжения. При этом априори принято считать, что напряжение сети переменного тока изменяется строго по гармоническому закону и представляет собой идеальную синусоиду, однако это далеко не так.

На практике синусоидальные напряжения электрических сетей подвержены искажениям и вместо идеальной синусоиды на экране осциллографа мы видим искаженный, испещренный провалами, зазубринами и всплесками сигнал. Эти искажения следствие влияния гармоник – паразитных колебаний кратных основной частоте сигнала, вызванных включением в сеть нелинейных нагрузок.

Таким образом, реальное напряжение в сети представляет собой сумму основного сигнала и его гармонических составляющих. Для определения величин гармоник используют преобразование Фурье, при помощи которого исходный сигнал разлагается на сумму гармонических сигналов. Уровень гармоник или уровень влияния нелинейных искажений принято характеризовать коэффициентом нелинейных искажений.

Типы и источники появления гармоник

Для определения уровня искажения обычно рассматривают диапазон частот от 100 Гц (частота 2 гармоники) до 2000 Гц. Гармоническое искажение синусоидальных сигналов происходит благодаря двум типам паразитных колебаний:

• гармониками, как уже упоминалось колебаниями частот кратных основной частоте 5 Гц, которые состоят из четных (100, 200, … Гц) и нечетных гармоник (150, 250 …);
• интергармоникам, колебаниям, частоты которых не кратны основной частоте.

Порожденные гармониками искажения происходят из-за нелинейных потребителей, вызывающих искажение фазных токов и, как следствие приводящих к нежелательным изменениям в фазных напряжениях. Типичным примером могут служить трехфазные трансформаторы, у которых длины магнитных путей для различных фаз отличаются почти вдвое, что требует различных величин (в полтора раза) токов намагничивания.

Другими источниками гармоник выступают электродвигатели, которые находят широкое применение как в трехфазных сетях питающих производственное оборудование, так и в бытовых однофазных (стиральные машины, кухонная бытовая техника, электроинструмент).

К источникам интергармоник можно отнести многочисленные импульсные блоки питания, оснащенные преобразователями частоты. Их сегодня используют повсеместно:

• в маломощных зарядных устройствах для гаджетов;
• в телевизорах и компьютерах;
• в мощных инверторных сварочных аппаратах.

Они «насыщают» электрическую сеть колебаниями с частотами 20 кГц и даже выше, частоты некоторых современных ИБП могут достигать 150 кГц. Суммарное влияние интергармоник и высших гармонических колебаний вызывает появление помех.

Негативное воздействие и способы защиты

Появление гармоник в питающей сети не столь безобидно и может повлечь за собой вполне ощутимые последствия. Так они ведут к увеличению нагрева:

• обмоток электродвигателей, что может обернуться пробоем на корпус;
• обмоток трансформаторов с возможным разрушением изоляции и замыканием проводов;
• питающих проводов с постепенной утратой изоляцией диэлектрических свойств.

При возникновении гармоники на одной из фаз трехфазной сети, она может вызвать асимметрию, что отразится на корректной работе оборудования. Гармоники приводят к ложным срабатываниям распределительной и защитной аппаратуры (УЗО, автоматы, пускатели), что угрожает технологическим процессам и безопасности персонала. От возникновения высших гармоник страдает качество связи. Основным средством борьбы с гармониками является фильтрация, причем схему фильтра выбирают исходя из конкретных требований. Это могут быть фильтры, пропускающие только основную частоту, а могут быть последовательные LC цепочки, настроенные на определенные гармоники (например, на пятую гармонику) и подавляющие их.

Измерение качества электрической энергии

Для проведения измерений используем современное и высокоточное оборудование от компании METREL. По результатам работ вы получите полный отчет в соответствии с ГОСТ 32144-2013. Благодаря этому вы сможете оптимизировать не только сами электросети, но и работающее от них оборудование.

Подробнее…

Гармоники кратные 3-м

Гармоники образуют импульсные источники питания бесчисленной электробытовой техники, источники бесперебойного питания, энергосберегающие люминесцентные лампы и т.д. Характерной чертой симметричной трехфазной сети при сбалансированных нагрузках является сдвиг токов на 120°. Подробнее…

Похожие записи:

Принцип работы и схема подключения переключателей фаз Как включить блок питания без компьютера Cxem net Что такое короткое замыкание: определение, объяснение для «чайников» Топ-10 альтернативных источников энергии Автомат защиты двигателя обозначение на схеме