какую форму имеет гармонический сигнал
Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ). Спектр сигнала.
При обсуждении переменного тока в одной из предыдущих статей (ссылка) мы познакомились с понятием гармонической (синусоидальной) функции. А бывают ли негармонические функции и сигналы и как с ними работать? В этом нам и предстоит сегодня разобраться 🙂 Кроме того, мы рассмотрим важнейшее понятие — амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) сигналов.
Гармонические и негармонические сигналы.
Здесь A — амплитуда сигнала, w — циклическая частота, а \phi — начальная фаза. Вы спросите — а как же синус? Разве синусоидальный сигнал не является гармоническим? Конечно, является, дело в том, что sin\alpha = cos(\frac<\pi><2>\medspace-\medspace \alpha) — то есть сигналы отличаются начальной фазой, соответственно, синусоидальный сигнал не противоречит определению, которое мы дали для гармонических колебаний 🙂
Вторым подклассом периодических сигналов являются негармонические колебания. Вот пример негармонического сигнала:
Как видите, несмотря на «нестандартную» форму, сигнал остается периодическим, то есть его форма повторяется через интервал времени, равный периоду.
Для работы с такими сигналами и их исследования существует определенная методика, которая заключается в разложении сигнала в ряд Фурье. Суть методики состоит в том, что негармонический периодический сигнал (при выполнении определенных условий) можно представить в виде суммы гармонических колебаний с определенными амплитудами, частотами и начальными фазами. Важным нюансом является то, что все гармонические колебания, которые участвуют в суммировании, должны иметь частоты, кратные частоте исходного негармонического сигнала. Возможно это пока не совсем понятно, так что давайте рассмотрим практический пример и разберемся чуть подробнее 🙂 Для примера используем сигнал, который изображен на рисунке чуть выше. Его можно представить следующим образом:
Давайте изобразим все эти сигналы на одном графике:
В этой формуле U_k — амплитуда, а \phi_k — начальная фаза k-ой гармоники. Как мы уже упомянули чуть ранее, частоты всех гармоник кратны частоте первой гармоники, собственно, это мы и видим в этой формуле 🙂 U_0 — это нулевая гармоника, ее частота равна 0, она равна среднему значению функции за период. Почему среднему? Смотрите — среднее значения функции синуса за период равно 0, а значит при усреднении в этой формуле все слагаемые, кроме U_0 будут равны 0.
Амплитудный спектр сигнала.
Совокупность всех гармонических составляющих негармонического сигнала называют спектром этого сигнала. Различают фазовый и амплитудный спектр сигнала:
Давайте рассмотрим амплитудный спектр поподробнее. Для визуального изображения спектра используют диаграммы, представляющие из себя набор вертикальных линий определенной длины (длина зависит от амплитуды сигналов). На горизонтальной оси диаграммы откладываются частоты гармоник:
По горизонтальной оси могут откладываться как частоты в Гц, так и просто номера гармоник, как в данном случае. А по вертикальной оси — амплитуды гармоник, тут все понятно. Давайте построим амплитудный спектр сигнала для негармонического колебания, которое мы рассматривали в качестве примера в самом начале статьи. Напоминаю, что его разложение в ряд Фурье выглядит следующим образом:
У нас есть две гармоники, амплитуды которых равны, соответственно, 2 и 1.5. Поэтому на диаграмме две линии, длины которых соответствуют амплитудам гармонических колебаний. Фазовый спектр сигнала строится аналогично, за той лишь разницей, что используются начальные фазы гармоник, а не амплитуды.
Итак, с построением и анализом амплитудного спектра сигнала мы разобрались! Давайте перейдем к следующей теме сегодняшней статьи — к понятию амплитудно-частотной характеристики.
Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ).
АЧХ является важнейшей характеристикой многих цепей и устройств — фильтров, усилителей звука и т. д. Даже простые наушники имеют свою собственную амплитудно-частотную характеристику. Что же она показывает?
АЧХ — это зависимость амплитуды выходного сигнала от частоты входного сигнала. Как мы выяснили в первой части статьи, негармонический периодический сигнал можно разложить в ряд Фурье. Но нас сейчас интересует, в первую очередь, аудио-сигнал, и выглядит он следующим образом:
Как видите, ни о какой периодичности здесь не идет и речи! Но, к счастью, существуют специальные алгоритмы, которые позволяют представить звуковой сигнал в виде спектра входящих в него частот. Мы сейчас не будем подробно разбирать эти алгоритмы, это тема для отдельной статьи 🙂 Просто примем тот факт, что они позволяют нам осуществить такое преобразование с аудио-сигналом.
Соответственно, мы можем построить диаграмму амплитудного спектра звукового сигнала. А пройдя через какую-либо цепь (к примеру, через наушники при воспроизведении звука) сигнал будет изменен. Так вот амплитудно-частотная характеристика как раз и показывает, какие изменения будет претерпевать входной сигнал при прохождении через ту или иную цепь. Давайте обсудим этот момент чуть поподробнее…
Итак, на входе мы имеем ряд гармоник. Амплитудная-частотная характеристика показывает, как изменится амплитуда той или иной гармоники при прохождении через цепь. Рассмотрим пример АЧХ:
Разберемся поэтапно, что же тут изображено… Начнем с осей графика АЧХ. По оси y мы откладываем величину выходного напряжения (или коэффициента усиления, как на данном рисунке). Коэффициент усиления мы откладываем в дБ, соответственно величина, равная 0 дБ, соответствует усилению в 1 раз, то есть амплитуда сигнала остается неизменной.
По оси x откладываются частоты входного сигнала. Таким образом, в рассматриваемом случае для всех гармоник, частоты которых лежат в интервале от 100 до 10000 Гц, амплитуда не изменится. А сигналы всех остальных гармоник будут ослаблены.
Практические примеры АЧХ аудио-устройств.
Частотный диапазон аудио-устройств обычно разбивают на низкие, средние и высокие частоты. Приблизительно это выглядит так:
Именно такую терминологию обычно можно встретить в разных программах-эквалайзерах, используемых для настройки звука. Теперь вы знаете, что красивые графики из таких программ являются именно амплитудно-частотными характеристиками, с которыми мы познакомились в сегодняшней статье 🙂
В завершении статьи посмотрим на пару АЧХ, полученных в программном эквалайзере:
Здесь мы можем видеть амплитудно-частотную характеристику усилителя. Причем усилены будут преимущественно средние частоты диапазона.
А здесь ситуация совсем другая — низкие и верхние частоты усиливаются, а в области средних частот для гармоник с частотой 500 Гц мы наблюдаем значительное ослабление.
А здесь усиливаются только низкие частоты. Аудио-аппаратура с такой АЧХ будет обладать высоким уровнем басов 🙂
На этом мы заканчиваем нашу сегодняшнюю статью… Спасибо за внимание и ждем вас на нашем сайте снова!
Гармонические составляющие сети. Что это такое и как с ними быть
2020-12-17 
Статьи 
2 комментария
Как нам хорошо известно, сетевое напряжение имеет синусоидальную форму и частоту равную 50 Гц. Это в идеале, но на практике так бывает далеко не всегда. И дело здесь в гармонических составляющих сети — высших гармониках, представляющих из себя частотные сигналы, отличающиеся от основной частоты, и вносящих искажения в синусоидальную форму питающего напряжения, а это в свою очередь становится причиной ухудшения качества электроэнергии, нарушению нормальной работы электропотребителей и т.д.
Откуда же берутся эти гармонические составляющие?
Дело в том, что в цепях с линейной нагрузкой, к которым можно отнести сопротивление, индуктивность, емкость, протекающий через нагрузку ток пропорционален прикладываемому напряжению и следовательно синусоидальной форме сигнала напряжения соответствует токовая синусоида, поэтому разность фаз между ними равна нулю. А вот в случае, если наблюдается нелинейная зависимость протекающего тока от приложенного напряжения, синусоидальная форма сигнала искажается.
Связано это в первую очередь с ростом количества электрооборудования, имеющего нелинейные характеристики, вызванные наличием в схемотехнике полупроводниковых элементов. Наиболее «проблемными» в этом плане являются тиристорные регуляторы, преобразователи частоты, источники бесперебойного питания, электронные балласты, сварочные аппараты, электродуговые печи и другое оборудование с импульсными источниками питания.
Это приводит к возникновению импульсных токов, содержащих большое количество гармонических составляющих, так называемых высших гармоник, отличающихся от основной гармоники, которые затем попадают в электрические сети и вносят искажения. Гармоники образуются на частотах, кратных основной. Так, первая (основная) гармоника имеет частоту 50 Гц, частота гармоники 3-го порядка будет равна 150 Гц, частота гармоники 5-го порядка – 250 Гц и т.д. Получается, что реальное напряжение в сети представляет собой сумму основного синусоидального сигнала и его гармонических составляющих.
Надо учитывать, что полностью избавиться от влияния гармонических составляющих невозможно, и пока уровень гармоник не превышает допустимых норм, в принципе можно не беспокоиться о каких-то серьезным последствиях. Согласно ГОСТ 13109-97, нормально допустимое значение коэффициентов гармонических составляющих напряжения для сетей 0,38 кВ составляет 8 %, а предельно допустимое — 12 %. Также в этом ГОСТ приведены допустимые значения для каждой n-ой гармонической составляющей, например для 3-ей гармоники это 5%, для 5-ой гармоники – 6,0 %, для 7-ой гармоники – 5 % и т.д. Считается, что наибольшие искажения в синусоидальный сигнал вносят гармоники 3, 5, 7 порядка.
Немного расчётов
Параметр, указывающий на уровень влияния нелинейных искажений, или по другому степень отличия формы сигнала от синусоидальной, называется коэффициентом нелинейных искажений Ku (THD — Total Harmonic Distorsions).
U (1) – действующее значение напряжения 1-ой гармоники
U (2), U (3) … U (40) – действующие значения напряжения высших гармоник.
Таким образом можно определить общую долю суммарного напряжения высших гармоник по отношению к напряжению основной частоты.
Еще одним параметром является коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения
n — номер гармонической составляющей, кратной основной частоте
По этой формуле вычисляется вклад конкретной гармоники в общие искажения.
Основные характеристики гармоник
Все гармоники можно разделить по трем основным характеристикам — порядковому номеру, частоте и типу последовательности.
Последствия возникновения
Какие же проблемы приносят гармонические составляющие в случае отклонения от предельно допустимых показателей?
На самом деле негативных воздействий немало, это увеличение потерь в сетях, перегрев трансформаторов,перегрузки на нейтральных проводах, гармонические шумы, искажение формы синусоидальной кривой, перегрузка и следовательно уменьшение срока службы конденсаторов коррекции коэффициента мощности, поверхностный эффект. И это еще перечислены не все негативные последствия данного эффекта. Все эти факторы приводят в конечном итоге к экономическим, энергетическим потерям и сокращению срока службы оборудования.
Измерение показателей гармоник в сети
Для анализа качества электросети и выявления высших гармоник применяются, в частности, многофункциональные измерительные приборы или по другому анализаторы качества электроэнергии.
Они позволяют получать подробную информацию по всем основным характеристикам качества электроэнергии, таким как:
И целый ряд других параметров, которые по совокупности позволяют получить точную оценку не только гармонических величин, но и провести полный анализ состояния сетей.
Кроме этого, анализаторы имеют дополнительные функции, такие как ведение журнала событий, проверка последовательности чередования фаз, передача данных на верхний уровень по интерфейсу RS-485 или Ethernet, светодиодная индикация, дискретные входы и выходы.
Способы уменьшения гармонических составляющих
На основании полученных данных можно принимать решения о внедрении средств, направленных на уменьшение гармонических составляющих.
К основным способам уменьшения гармоник относятся разделение линейных и нелинейных нагрузок, обеспечение симметричного режима работы трехфазной системы, снижение полного сопротивления распределительной сети за счет увеличения сечения кабелей, применение линейных дросселей, применение изолирующих трансформаторов с обмотками «треугольник» и «звезда», применение пассивных и активных фильтров.
Одним из наиболее простых способов снижения уровня высших гармоник является установка линейных дросселей переменного тока. В частности, такой способ фильтрации широко применяется для подавления помех, возникающих при работе частотных преобразователей.
Дроссель имеет малое значение индуктивного сопротивления на основной частоте 50 Гц и большое значение сопротивления для высших гармоник, что приводит к их ослаблению. Помимо дросселей переменного тока, для частотных преобразователей могут применяться и дроссели звена постоянного тока.
Помимо дросселей широко применяются пассивные и активные фильтры.
Пассивный фильтр гармоник
Пассивные фильтры строятся на основе индуктивно-емкостной схемы (LC-фильтры), состоящей из продольных индуктивностей и поперечной цепи, состоящей из последовательно включенных индуктивности и емкости которые образуют последовательный колебательный контур, настроенный на определенную гармонику. Если необходимо уменьшение коэффициента искажения по нескольким гармоникам, можно использовать несколько параллельно включенных фильтров. Такой метод часто используется в цепях с источниками бесперебойного питания ( UPS).
Недостатком такого метода является его ограниченный только определенными гармониками эффект, поэтому для подавления всего спектра гармонических составляющих в сети используются активные фильтры.
Активный фильтр гармоник
Активный фильтр гармоник (АФГ) представляет собой электронное устройство, можно сказать является управляемым источником тока, подключаемым параллельно с нагрузкой, генерирующей высшие гармоники. Принцип действия основан на анализе гармоник нелинейной нагрузки и генерировании в распределительную сеть таких же гармоник, но противофазе. В результате высшие гармонические составляющие нейтрализуются в точке подключения фильтра и на выходе получается почти синусоидальная форма.
Такой метод благодаря своей эффективности является одним из наиболее действенных способов подавления высших гармоник, но не самым дешевым. Его применение оправдано там, где наблюдается большой уровень искажений.
Гармоники в электрических сетях: причины, источники, защита
Работа большинства электрических приборов обеспечивается качеством поступающей на них электрической энергии. Но даже в условиях безаварийной работы в системе возникают процессы, обуславливающие возникновение гармоник в электрических сетях. При этом никаких отключений или нарушений может и не происходить, большинство гармоник спокойно вырабатываются во всех цепях, независимо от рода нагрузки. Однако с возрастанием их величины, возможен ряд негативных последствий, как для потребителей, так и для энергосистемы в целом.
Что такое гармоники?
Если напряжение и ток, вырабатываемые источником, максимально приближается к форме идеальной синусоиды, то из-за нелинейных нагрузок, подключенных к электрической цепи, форма начального сигнала получает искажение. Гармоники представляют собой производные по частоте от основной синусоиды в 50 Гц и являются кратными ее величине.
Гармоники и их сложение
Посмотрите на рисунок выше, здесь вы видите детальный пример разложения синусоиды на гармоники и их влияние на форму синусоидального напряжения. В первой позиции изображены результирующая функция с нелинейными искажениями, которые обусловлены показанными ниже нечетными гармониками и подобными им с большей частотой. Величина этих гармоник будет определять величину скачков и провалов на результирующем сигнале. Поэтому, чем больше проявляется та или иная гармоника, тем больше кривая будет отличаться от синусоиды.
По сути, гармоника представляет собой паразитную ЭДС, которая никак не поглощается существующими потребителями или поглощается только частично. Из-за чего возникает негативное влияние на все силовые сети. Естественное поглощение осуществляют лишь активные сопротивления, но в размере пропорциональном потребляемой ими мощности. В то же время, сами потребители можно рассматривать как источники, активно генерирующие искаженный сигнал.
Причины и источники гармоник в электрических сетях
Главной причиной гармонического искажения является протекание каких-либо переходных процессов в электрических сетях. Независимо от характера созданной нагрузки, переходной процесс можно наблюдать в работе той же лампы накаливания, которая, казалось бы, характеризуется исключительно активными потерями. Так, разница между сопротивлением нити лампы в холодном и нагретом состоянии создает переходной процесс, который привносит скачок. Но из-за низкого уровня искажения и относительно кратковременного протекания, влияние на всю систему получается ничтожным.
Поэтому можно смело сказать, что и активные, и реактивные сопротивления в сетях электропитания могут способствовать генерации гармоник. Тем не менее, существует ряд устройств, обуславливающих весомую величину искажения, которая способна нанести существенный ущерб приборам. На практике к источникам искажения относят такие виды оборудования:
Среди бытовых приборов значительный вклад в генерацию несинусоидальных составляющих вносят те же микроволновые печи. Обратите внимание, что из-за особенностей режима работы одна такая печь способна кратковременно снижать уровень напряжения в сети на 2 – 4%, и, что куда более существенно, повышать коэффициент искажения его кривой на 6 – 18%.
Категории и принцип разделения
В соответствии с особенностями протекания процесса в сетях и источниках электропитания, все гармонические составляющие условно разделяются по таким параметрам:
Так, импульсные возмущения обуславливаются единичными коммутациями в питающей сети, короткими замыканиями, перенапряжениями, которые после их отключения потребовали бы ручного включения. А в случае срабатывания АПВ, в основной гармонике появляются уже прогнозируемые изменения, наблюдающиеся в нескольких периодах.
Длительные изменения обуславливаются какой-либо циклической нагрузкой, подаваемой мощными потребителями. Для возникновения таких высших гармоник, как правило, необходима ограниченная мощность сети и относительно большие нелинейные нагрузки, обуславливающие генерацию реактивной мощности.
Возможные последствия
В случае постоянно присутствующего фактора, генерирующего гармоники, их воздействие может обуславливать различные негативные последствия в электрической сети. Из которых особо следует выделить:
Рассмотрите на примере негативное влияние на работу трехфазных цепей. В идеальном варианте, когда каждая из фаз запитывает линейную нагрузку, система находится в равновесии. Это означает, что в сети отсутствуют гармоники, а в нулевом проводе ток, так как все токи при симметричной нагрузке смещены на 120º и компенсируют друг друга в нейтрали.
Если в схеме электроснабжения на одной из фаз возникает потребитель или фактор, искривляющий переменный ток, то возникает автоматическое изменение остальных фазных токов, их смещение относительно начальной величины и угла. Из-за нарушения симметрии и отсутствия компенсации в нулевом проводе начинает протекать ток.
Рис. 2. Развитие тока в нейтрали
Как показано на рисунке 2, нечетные гармоники кратные 3-ей обладают тем же направлением, что и основной ток. Но в связи с нарушением компенсирующего эффекта симметричной системы, они накладываются друг на друга и способны выдать в нейтраль ток, значительно превышающий номинальный для этой цепи. Из-за чего возникает перегрев, который может вызвать аварийные ситуации.
Все вышеперечисленные последствия ведут к снижению качества электрической энергии, чрезмерным перегрузкам и последующему падению фазного напряжения. В частных случаях, последствия протекания гармоник могут создавать угрозу для персонала и потребителей. С целью предотвращения таких последствий на электростанциях, трехфазных кабелях и прочем оборудовании устанавливается защита от гармоник.
Защита от гармоник
Для защиты применяются устройства с активными и пассивными элементами, действие которых направлено на поглощение или компенсацию гармоник в сети. Наиболее простым вариантом являются LC-фильтры, состоящие из линейного дросселя и конденсатора.
Рис. 3. Схема LC-фильтра
Посмотрите на рисунок 3, здесь изображена принципиальная схема фильтра. Его работа основана на индуктивном сопротивлении катушки L, которое не позволяет току мгновенно набирать или терять величину. И на емкости конденсатора C, которая обеспечивает постепенное нарастание или падение напряжения. Это означает, что гармоники не могут резко изменить форму синусоиды и обеспечивают ее плавное нарастание и спад на нагрузке RН.
При последовательном включении катушки и конденсатора с конкретной подборкой параметров, их комплексное сопротивление будет равно нулю для какой-то гармоники. Недостатком такого пассивного фильтра является необходимость формирования отдельной цепи для каждой составляющей в сети. При этом необходимо учитывать их взаимодействие. Так, к примеру, при гашении пятой гармоники происходит усиление седьмой, поэтому на практике устанавливаются несколько фильтров подряд, как показано на рисунке 4.
Рис. 4. Шунтирующий фильтр
За счет того, что каждая цепочка L1-C1, L2-C2, L3-C3 шунтирует соответствующую составляющую, фильтр получил название шунтирующего. Помимо этого, в качестве входного фильтра могут применяться устройства с активным подавлением гармоник.
Рис. 5 Принцип действия активного кондиционера гармоник
Посмотрите на рисунок 5, здесь изображен активный фильтр. Источник питания генерирует ток ips, на который оказывает влияние нелинейная нагрузка, из-за чего в сети получается несинусоидальная кривая in. Активный кондиционер гармоник (АКГ) измеряет величину всех нелинейных токов iahc и выдает в сеть такие же токи, но с противоположным углом. Что позволяет нейтрализовать гармоники и выдать потребителю ток первой гармоники максимально приближенный к синусоиде.
Установка любого из существующих видов защиты требует детального анализа гармонических составляющих, нагрузок, коэффициентов амплитуды и коэффициентов мощности для конкретной сети. Чтобы подобрать наиболее эффективный способ удаления и выполнить соответствующие настройки.