Откуда на входе нелинейного сигнала взялась гармоника

Форумы сайта «Отечественная радиотехника ХХ века»

Привет обитателям форума. Не совсем самоделка, так как делал я её не 100% сам, моей тут работы может около 40%.

Предыстория. Достался мне RRR Т101 первой ревизии, с УКВ 1-03С. Перестроил на 88-108 по многочисленным инструкциям в интернете. Все было хорошо до момента, пока не своял стереодекодер. Поперли дикие и непереносимые шумы. На RRR Т7111 с 88-108 тот же стереодекодер работает хорошо. В общем, подозрения пали на УКВ 1-03С. Из за отсутствия времени, ибо учеба, решил особо не заморачиваться (хаха. ) и сделать УКВ 1-05. В оригинальных пропорциях, как оригинал. Срисовывал с фотографий, какие смог найти на просторах интернета и этого форума.

Обратную сторону показывать стыдно, ибо много ковырялся в ней, пока искал свою ошибку (перепутал коллектор и эмиттер на шелкографии у транзисторов). Поэтому покажу другую плату, где не так стыдно

Как мотал катушки. Катушки (L1-L3) диаметром ~5мм, провод 0.5. Наматывал по статье в журнале Радио 1995 №5 стр.21. L4 и C12 выпаял из нерабочего RRR Т7111.

Настройка. В БП я поменял R3 c 10k на 6,8k, сделал по рекомендации из Радио 1997 №2. На плате AM, R1 повернул в крайнее правое положение (если смотреть со стороны лицевой панели). Покрутил немного С15 и уложил весь 88-108, даже слегка запас остался. Без антенны на самую слабую станцию с помощью C3 и C8 на слух (да простят меня профессионалы) настраивал чувствительность.

Качество приема. Можно назвать хорошим. Но точно сказать я не смогу по этому поводу. В аппарате не работает АПЧ (времени чинить нету, работа ), так как до меня он был слегка копан, была попытка перестройки. И у УКВ блока нет экрана. Если настроиться на самую мощную станцию, держит он её вполне стабильно, ничего никуда не уплывает, проверял по несколько часов. Как работает стерео

Планы на будущее. Возможно, часть платы перевести на SMD, где возможно. Исправить косяки прошлой ревизии платы. Думать что нибудь с экраном. Купить C1-99. Купить генератор

Прошу тапками не пинать, первый опыт в проектировании ВЧ, всё тока впереди, всё познается на опыте

Ну, ты знаешь старую формулу: комедия — это трагедия плюс время Ты проспала немало времени. Так что, если посчитать, ты в очень забавной ситуации
Оцифровки ГДРЗ: https://audio.retro-archive.ru/

BillyDOS

Pavlik Сообщения: 2460 Зарегистрирован: 08 май 2014, 17:55 Откуда: Село Кубинка ( МО ) Благодарил (а): 11 раз Поблагодарили: 34 раза

Re: Почти самодельный УКВ 1-05

Каким боком УКВ блок виновен в плохой работе стереодекодера? Это что то новое. Улыбнуло, если честно.
Если по конструкции, то хорошо сделано, но неграмотно. Плюс «натыканы» повсюду китайские жёлтые конденсаторы, которые меняют свои параметры даже от небольшого «пука» рядом с ними.

Ищу 20 ГДС-2-8

Pavlik

BillyDOS Сообщения: 3216 Зарегистрирован: 01 май 2018, 19:06 Откуда: Самара Благодарил (а): 27 раз Поблагодарили: 150 раз

Re: Почти самодельный УКВ 1-05

Pavlik писал(а): Каким боком УКВ блок виновен в плохой работе стереодекодера? Это что то новое. Улыбнуло, если честно.

Не могу объяснить. СД собран на AN7420, в Т7111 работает хорошо, в RRR Т101 с УКВ 1-03 шумит. Все остальные блоки ЧМ тракта не копаные, пайка заводская, шапка на подстроечных катушках не слизана. Ну, а УКВ 1-03 был копаный, отматывались витки, подстроечники крутились (парафина нету). Что то вроде как даже и перепаивалось. Ну. я и сделал вывод что виновен он.

Pavlik писал(а): Если по конструкции, то хорошо сделано, но неграмотно. Плюс «натыканы» повсюду китайские жёлтые конденсаторы, которые меняют свои параметры даже от небольшого «пука» рядом с ними.

Других нету, чем богаты. Было у меня несколько кондеров на 10pf от Мурата, их впаял, но стоят они денег. Была пара красных флажков, тоже пошли в дело.

Можете прокомментировать, где наплошал в сборке, кроме плохих китайских кондеров? Возьму себе на заметку, всеравно собирать второй такой же

Ну, ты знаешь старую формулу: комедия — это трагедия плюс время Ты проспала немало времени. Так что, если посчитать, ты в очень забавной ситуации
Оцифровки ГДРЗ: https://audio.retro-archive.ru/

BillyDOS

2vlad Сообщения: 9271 Зарегистрирован: 11 мар 2011, 10:10 Откуда: Москва Благодарил (а): 189 раз Поблагодарили: 209 раз

Re: Почти самодельный УКВ 1-05

BillyDOS
Если что-то не так, то коллега Pavlik меня поправит и добавит свои соображения. Давным-давно известны требования к разработке печатных плат ВЧ и УКВ блоков, В.Т. Поляков сформулировал их достаточно кратно и четко:

Это «выдернуто» из одной его книжки, можете самостоятельно проверить насколько Ваша плата соответствует этим требованиям. Что касается собственно сборки: аккуратно собрано, длина выводов некоторых конденсаторов великовата на мой взгляд, добудьте старенькие СКМ и СКД от советских телевизоров и посмотрите как там всё собрано.

2vlad

BillyDOS Сообщения: 3216 Зарегистрирован: 01 май 2018, 19:06 Откуда: Самара Благодарил (а): 27 раз Поблагодарили: 150 раз

Re: Почти самодельный УКВ 1-05

2vlad
Спасибо, учту в будущих ревизиях. Выводы конденсаторов буду укорачивать.

Да, косяков достаточно. Чего только стоит разводка земли. Со стороны шелкографии находится земляной слой на всю плату, что то вроде экрана. Но с землёй на обратной стороне он соединен только через 3 и 8 ноги на разъеме. Надо будет проработать этот момент, да и вообще подумать над строением земли на плате. Возможностей много, ибо китайцы дают мне возможность по одной цене делать двухсторонние платы.

Первоначально, цель была одна — точно, или как можно точнее скопировать УКВ 1-05. Ну, точное копирование, думаю, удалось на ура. Теперь оптимизация и доведение до ума

Ну, ты знаешь старую формулу: комедия — это трагедия плюс время Ты проспала немало времени. Так что, если посчитать, ты в очень забавной ситуации
Оцифровки ГДРЗ: https://audio.retro-archive.ru/

BillyDOS

2vlad Сообщения: 9271 Зарегистрирован: 11 мар 2011, 10:10 Откуда: Москва Благодарил (а): 189 раз Поблагодарили: 209 раз

Re: Почти самодельный УКВ 1-05

BillyDOS
Ну и хорошо!
А «копировали» как? В смысле: что отправляли в качестве исходной информации для изготовления плат?

2vlad

Самый ! Сообщения: 19773 Зарегистрирован: 18 дек 2009, 19:19 Откуда: дер. Новое Девяткино Благодарил (а): 409 раз Поблагодарили: 836 раз Контактная информация:

Re: Почти самодельный УКВ 1-05

1) «Достался мне RRR Т101 первой ревизии, с УКВ 1-03С» — во-ощето этот вариант- лучше, чем с 05С: он нормально принимает те станции, о которых 05С и не догадывается.
Так что имеет смысл поискать более целый 03С. Лучше него вряд ли что будет работать.
Блоки в принципе взаимозаменяемы — там незначительная разница в разъёме.
2) В самом тюнере есть заводской косяк: коммутация входа УКВ через «усилитель» и «прямо» происходит транзистором КТ 315, что сильно ухудшает приём в обеих вариантах. Он исключается, либо меняется на любое реле.
3) SMD использовал- ИМХО наиоптимальный вариант. Китайские-желтые реально нестабильны.

По почте на тех. вопросы не отвечаю в 2023 году тоже, прошу сюда : viewtopic.php?f=3&t=93525

Самый !

BillyDOS Сообщения: 3216 Зарегистрирован: 01 май 2018, 19:06 Откуда: Самара Благодарил (а): 27 раз Поблагодарили: 150 раз

Re: Почти самодельный УКВ 1-05

2vlad
Gerber файлы. Платы разводил в Sprint Layout. В Gerber экспортировал два слоя меди, два слоя паяльной маски, два слоя шелкографии, слой границ (Outline зовётся в англ. версии программы) и отправлял ZIP архив китайцам. А, и сверловка конечно же.

Китайцам не понравилось как SL называл Gerber файлы, не понимали где верхний а где нижний слой. Назывались они по умолчанию Copper_Top, Copper_Bottom, и так далее для остальных слоев. Пришлось им очень явно писать названия слоев 1_layer, 2_layer

Копировал просто и тупо — по фото. Штангенциркулем с УКВ 1-03 взял мерки платы, положение разъема, а по фото из интернета и с форума брал фото печатной платы. Конечно же, опирался и на принципиальную схему

Ну, ты знаешь старую формулу: комедия — это трагедия плюс время Ты проспала немало времени. Так что, если посчитать, ты в очень забавной ситуации
Оцифровки ГДРЗ: https://audio.retro-archive.ru/

BillyDOS

Pavlik Сообщения: 2460 Зарегистрирован: 08 май 2014, 17:55 Откуда: Село Кубинка ( МО ) Благодарил (а): 11 раз Поблагодарили: 34 раза

Re: Почти самодельный УКВ 1-05

BillyDOS

По изготовленной плате:
Очень длинные дорожки — на УКВ это неприемлемо, так как это уже паразитные индуктивности и даже ёмкости (между теми же дорожками) из-за которых может быть что угодно, но только не хорошее.

Да, косяков достаточно. Чего только стоит разводка земли. Со стороны шелкографии находится земляной слой на всю плату, что то вроде экрана. Но с землёй на обратной стороне он соединен только через 3 и 8 ноги на разъеме

Хорошо что Вы это понимаете. Если так делать как сейчас у Вас, то земляной слой фольги будет служить не экраном, а обкладкой конденсатора. Что из этого выйдет, думаю объяснять не надо

точное копирование, думаю, удалось на ура. Теперь оптимизация и доведение до ума

В высокочастотной технике точное копирование подразумевает не только копирование схемы, а и расположения узлов, экранировки и разводки. Точного копирования у Вас нет, так как в исходном варианте вся плата экранирована, а на ВЧ это даёт многое.
Конечно и в исходном заводском варианте блока УКВ 1-05С косяков хоть отбавляй. К примеру, блок УКВ-1-03С и то грамотнее сделан, по крайней мере гетеродин отгорожен экраном от остальных блоков, а это исключает наводки от гетеродина на другие узлы и наводки с других кузлов на гетеродин. В 05С на это уже забили и это очень «жирный косяк». Да, в том блоке разводка другая, но ВЧ есть ВЧ. Другое дело был бы гетеродин реализован на кристалле ПС1, но он то всё равно внешний и излучает и ловит наводки так же как и в том же 03С.
Так что мой совет такой. Если хотите делать 05С, то полностью другую разводку. Исключение всех выводных компонентов, дорожки, особенно сигнальные как можно короче, компоненты лучше всего SMD 0805. Не знаю как у Вас в Самаре, в нашей же деревне именно это самый «крупный» типоразмер с самым широким выбором номиналов резисторов, индуктивностей, конденсаторов, причём группы NP0, какие как раз и необходимо устанавливать в частотозадающие цепи.
Если по разводке, то общим проводом (экраном) необходимо закрывать как можно бОльшую площадь ПП, я говорю о слое с разводкой. Со вторым экранирующем слоем как можно больше металлизированных перемычек с этого общего слоя. Как то так.
Но в первую очередь я бы проанализировал работу схемы с блоком УКВ 1-03С, так как чудес не бывает. Приборы то какие есть? Здесь одним тестером и отвёрткой не обойдёшься. Заставить «хорошо» работать подобные схемы на первый взгляд можно и при помощи танцев с бубнами и отвёртки, но это только на первый взгляд, да и недаром я написАл слово хорошо в кавычках. Здесь всё не так просто, чтобы спаял, крутнул, включил и работает. Без тщательной настройки никак. Из специализированных приборов нужны хотя бы генератор ВЧ и осциллограф. Это минимум. Если есть измеритель АЧХ, то всё дело даже упрощается.
Пример как я делал ВЧ монтаж на СМД

УКВ блок. УВЧ и смеситель пока не закрыты экраном. Гетеродин под экраном (видно на фото)

Откуда на входе нелинейного сигнала взялась гармоника

Гармоники – это длительно существующие в энергосистеме синусоидальные волны, которые суммируются с основной частотой 50 Гц, искажая исходную форму сигнала всплесками, провалами и постоянным присутствием шумов. Номер гармоники означает во сколько раз её частота выше основной частоты. Например, 3-я гармоника обладает частотой 150 Гц, а 25-я – частотой 1250 Гц. Любая форма кривой тока или напряжения, насколько сложной бы она не была, всегда может быть разложена только на составляющие её гармонические синусоиды с частотами, кратными 50 Гц.

Гармоники: от чего и почему?

Основными источниками гармоник являются нелинейные нагрузки. Это означает, что полное сопротивление нелинейных нагрузок изменяется в зависимости от величины потребляемого тока, отклоняя тем самым его форму от синусоидальной. Наличие гармоник в потребляемом нагрузкой токе обуславливает возникновение гармоник в напряжении для других нагрузок, подключенных к этому же источнику питания. Ток, потребляемый нелинейными нагрузками, протекает через все сопротивления (проводов, кабелей, переходные в местах контактов, обмоток трансформаторов) питающей сети, вносит свой вклад в падения напряжений на этих сопротивлениях. Характер падения этих напряжений также является нелинейным, т. к. полностью повторяет форму нелинейного тока на простых резистивных нагрузках. Именно из-за такого рода падений напряжений, формы кривых напряжений для других потребителей становятся искаженными. В качестве примера, на рис. 1 представлена однолинейная схема участка распределенной сети с нелинейной нагрузкой Z_НЛ, вызывающей протекание нелинейного тока I_НЛ, который, в свою очередь, вносит вклад в падения напряжений для различных точек подключения других потребителей. Гармонические искажения напряжений, вызванные током I_НЛ, будут сильно отличаться для чувствительных к качеству электропитания потребителей Z_ЧП1, Z_ЧП2, Z_ЧП3, получающих питание соответственно от точек подключения 1, 2 и 3. Гармонические искажения в форме кривой напряжения будут наибольшими для точки подключения 1, поскольку падение напряжения от тока I_НЛ будет происходить на сопротивлениях вторичной обмотки трансформатора T₁ и проводников, а также большем количестве контактных соединений. Для точки подключения 2 гармонические искажения напряжения будут заметно ниже, т. к. падения напряжений от тока I_НЛ будут в основном на вторичной обмотке трансформатора T₁. Точка подключения 3 будет практически вне влияния гармоник от нагрузки Z_НЛ.

Рис. 1. Однолинейная схема участка распределенной сети с нелинейной нагрузкой.

Также причинами возникновения гармоник в энергосистеме могут служить возникающие в ней переходные процессы. На практике это бывает в случаях, когда осуществляются частые коммутации ощутимого по мощности электрооборудования или прямые пуски асинхронных электродвигателей.

Наибольший вклад в гармонический состав токов и напряжений вносят неуправляемые выпрямители, которые обычно являются частью блоков питания бытовых электроприборов или промышленного оборудования.

Наличие следующих типов электрооборудования позволяет заранее предсказать присутствие гармоник в системе электроснабжения, к которой они подключены (т. к. их нагрузки нелинейны):

• электроприводы с регулируемой скоростью вращения;
• источники бесперебойного питания;
• компьютеры;
• печатающие и фотокопирующие машины;
• телевизоры;
• микроволновые печи;
• люминесцентные лампы;
• газоразрядные лампы;
• индукционные варочные поверхности;
• сварочное оборудование;
• диммеры;
• зарядные устройства;
• трансформаторы, работающие в зоне магнитного насыщения.

Особенности, свойства и последствия гармоник

Если нагрузки из вышеуказанного перечня потребляют значительную долю мощности, то возникающие от них гармоники в системе электроснабжения могут приводить к следующим негативным последствиям:

• более низкому коэффициенту мощности при той же полезной мощности (увеличению протекающего тока);
• помехам для оборудования, чувствительного к форме кривой напряжения;
• увеличенному току и, как следствие, чрезмерному нагреву нейтральных проводников;
• чрезмерному нагреву асинхронных двигателей;
• повышенному акустическому шуму от трансформаторов, шин, распределительных устройств и т. д.;
• ненормальному нагреву трансформаторов и сопутствующего оборудования;
• повреждению конденсаторов устройств компенсации коэффициента мощности;
• снижению срока службы люминесцентных ламп;
• ложным срабатываниям автоматических выключателей и предохранителей;
• необходимости увеличения сечений проводников;
• неверным показаниям контрольно-измерительных приборов;
• повреждениям электрооборудования, чувствительного к форме питающего напряжения;
• асимметрии фазных напряжений;
• ускорению процессов старения изоляции проводников.

Важным свойством гармоник является то, что они, как правило, накапливаются в энергосистеме. Вклад различных источников гармоник в некоторой степени суммируется. Этим гармоники сильно отличаются от эффектов высокочастотной электромагнитной совместимости. Высокочастотные помехи, протекая через образовавшиеся паразитные контуры, наибольшее влияние оказывают на линии данных и измерительные цепи. Они имеют тенденцию быть локализованными и незначительно кумулятивными. Важно понимать, что, за редкими исключениями, если гармоники вызывают помехи, то это происходит через прямое электрическое соединение, а не через паразитные пути. Экранирование проводников очень редко является средством устранения гармонических проблем.

Еще одной важной особенностью гармоник является то, что в смеси однофазных и трехфазных нагрузок некоторые из важных гармоник, таких как пятая и седьмая, не совпадают по фазе и фактически взаимно компенсируются. Иногда эта информация может быть очень полезной, даже если нет уверенности в том, что нагрузки будут работать одновременно. Например, установка трехфазных частотно-регулируемых приводов, безусловно, не ухудшит пятую и седьмую гармоники и может даже их уменьшить в офисном здании, которое близко к своему пределу для пятой и седьмой гармоник из-за большого количества однофазных компьютерных нагрузок.

Во входных цепях широкого спектра однофазного электрооборудования, которое характеризуется нелинейными нагрузками, используются неуправляемые выпрямители (диодные мосты). Всё это оборудование вызывает аналогичные гармонические искажения в кривых потребляемого тока. Как уже упоминалось ранее, эффект от гармоник накапливается от всех потребителей с нелинейными характеристиками, подключенных к одной и той же энергосистеме. В этом случае для оценки общего тока гармоник можно прибегнуть к процедуре прямого суммирования токов от всех однофазных устройств с выпрямителями.

На рис. 2 показана форма кривой напряжения, когда распределительный трансформатор (или вся энергосистема) нагружен на 50% своей мощности однофазными выпрямителями. Нелинейные нагрузки в этом случае вызывают характерный эффект плоской вершины.

Рис. 2. Форма кривой напряжения питания при однофазной выпрямительной нагрузке, составляющей 50% мощности.

Несмотря на то, что форма кривой выглядит существенно искаженной, указанное гармоническое влияние не отразится на работоспособности большинства современных электронных устройств, запитанных таким напряжением. Однако, содержание гармоник может вызвать перенапряжение на компонентах электроприборов, особенно на конденсаторах, подключенных непосредственно к источнику питания. Также это приводит к токовым перегрузкам нейтральных проводников, вызванным суммированием гармоник тока, кратных трем. Подобная проблема на практике чаще всего встречается в зданиях с высокой концентрацией компьютеров и аналогичного IT-оборудования.

Измеряем и анализируем показатели

Однако, далеко не всегда характер гармонических искажений от различных нагрузок с нелинейными характеристиками однообразен. Очень часто в энергосистеме встречается большой спектр различных гармоник. Чтобы оценить суммарный эффект влияния гармоник на энергосистему, необходимо прибегнуть к сложным математическим вычислениям, построенным на основе теории рядов Фурье. Для количественной оценки влияния гармоник от отдельно взятой нелинейной нагрузки, суммарного результирующего влияния на энергосистему или её участка, пользуются коэффициентом нелинейных искажений Total Harmonic Distortion (THD). Коэффициент нелинейных искажений равен отношению среднеквадратичной суммы спектральных компонент выходного сигнала, отсутствующих в спектре входного сигнала, к среднеквадратичной сумме всех спектральных компонент входного сигнала. Коэффициент THD выражен в процентах. Чем большее значение принимает THD, тем существеннее негативное влияние гармоник на энергосистему. Признанный на международном уровне максимально допустимый THD составляет 8%. Следует отметить, что на этапе проектирования значение максимально допустимого уровня THD обычно принимают равным 5%, оставляя необходимый запас при непосредственной реализации проекта.

На практике не рекомендуется допускать превышения 8-процентного уровня коэффициента THD, т. к. большинство выпускаемого оборудования рассчитано только до этого уровня. Вычисление коэффициента THD может быть очень трудоемким процессом, требующим значительного набора достоверных данных, как самих нелинейных нагрузок, так и параметров энергосистемы. Чтобы проанализировать реальную энергосистему и оценить предполагаемый в ней коэффициент THD, необходимо объединить данные по гармоническому составу всех нелинейных нагрузок. Все известные гармонические данные неуправляемых выпрямителей и других искажающих нагрузок должны быть объединены, чтобы предсказать общий ток. Только подробный и точный анализ позволяет получить достоверный результат. Важно понимать, что каждая гармоника является векторной величиной, которая может быть добавлена к другим только путем сложения векторов.

Лишь для неуправляемых выпрямителей фазовые углы доминирующих гармоник будут одинаковыми, что позволяет осуществить несложный расчет с достаточной точностью. Очень часто фазовый угол бывает неизвестен или он зависит от условий и режима эксплуатации электрооборудования. На практике обычно не прибегают к столь сложным теоретическим расчетам. В случаях, когда коэффициент THD все же требуется определить (присутствие гармоник в энергосистеме может негативно сказываться на работоспособности других потребителей), его измеряют соответствующими приборами. Например, очень удобно получить реальные значения коэффициентов THD для токов и напряжений по фазам в энергосистеме многофункциональными измерительными приборами EKF: SMH или G33H. Возможности этих измерительных приборов не ограничены лишь указанными выше параметрами, они позволяют получить детальную информацию по всем основным характеристиками качества электроснабжения.

Как снизить влияние гармоник?

Учитывая степень распространения оборудования с нелинейными характеристиками, можно с уверенностью утверждать, что в той или иной степени гармоники присутствуют в любой электросети. Чаще всего их негативное влияние на других потребителей электроэнергии ограничено и не требует дополнительных мер по снижению этого влияния. Однако, если суммарная доля нелинейных нагрузок превышает 40% мощности энергосистемы, могут потребоваться специальные мероприятия, направленные на снижение негативного влияния гармоник на других потребителей. К аналогичным мерам стоит также прибегать, когда измеренное значение коэффициента THD превышает 8% или прослеживаются очевидные негативные последствия гармоник, указанные ранее.

В случае, когда гармоники становятся проблемой для чувствительного к ним оборудования можно воспользоваться методами, нивелирующими это негативное влияние.

Часто решением может стать выбор правильной точки подключения для нелинейных нагрузок. Например, они могут быть подключены к основным шинам, а не к длинным кабелям или проводам, используемым также другим оборудованием (это характерно точке подключения 2 на рис. 1).

Очень действенный метод борьбы с гармониками – применение гальванически развязывающих трансформаторов для нелинейных нагрузок или, наоборот, для чувствительного к гармоникам оборудования (например, точка подключения 3 на рис. 1).

Меры, снижающие переходные сопротивления (улучшение качества соединений) и сопротивления проводников (увеличение сечений), через которые получают питание нелинейные нагрузки, бывают достаточно эффективными на практике.

Применение трехфазных преобразователей частоты, вместо однофазных, где это возможно, снижает токи гармоник примерно на 70% при одинаковой заданной полезной мощности, а также не создает дополнительный ток в нейтральном проводнике.

Для ряда нелинейных нагрузок эффективной мерой снижения гармоник может служить установка сглаживающих реакторов (дополнительной индуктивности) на их входе.

Следует также учитывать, что чем выше пульсность схемы выпрямления, тем меньшее гармоническое влияние оказывает на энергосистему такой выпрямитель.

Применение электрооборудования с активными выпрямителями, вместо неуправляемых, позволяет значительно снизить гармоники в энергосистеме.

В особенно сложных случаях, когда энергосистема сильно перегружена гармониками, могут потребоваться дорогостоящие фильтрокомпенсирующие устройства. Их применение можно рекомендовать, если только не удаётся решить проблемы, вызванные гармониками, другими более доступными способами. К тому же следует учитывать, что применение фильтрокомпенсирующих устройств требует очень тщательного подбора и настройки, а в некоторых случаях может приводить к потенциально опасным условиям возникновения резонансных явлений в сети.

Александр Панов, Руководитель технической дирекции EKF, к.т.н.

Использованная литература:

1. Drives and Controls Handbook, W. Drury, The Institution of Electrical Engineers, UK, 2001

2. AC-DC Power System Analysis, J. Arillaga and B. Smith, University of Canterbury, New Zealand,1998

3. Power system harmonics. Part 1: Harmonic sources, R. Yacamini, Dept. of Eng., Aberdeen University, UK, 1994

4. Григорьев О.А., Петухов В.С., Меркулов А.В. Магнитное поле промышленной частоты в условиях непроизводственного воздействия: источники и методология инструментального контроля // Ежегодник Российского национального комитета по защите от неионизирующих излучений: Сб. тр. – М.: Издательство РУДН, 2003. – с. 85-105.

Откуда берутся гармоники

Гармоники – это дополнительные частоты, которые возникают в сигнале искаженной формы. Они представляют собой кратные множители основной частоты сигнала и могут создавать различные звуковые эффекты. Изучение причин и механизмов появления гармоник имеет большое практическое значение в различных областях науки и техники.

Одной из основных причин появления гармоник является нелинейность среды, в которой распространяется сигнал. Нелинейность означает, что отклик системы на входной сигнал не является пропорциональным входному сигналу. Это может быть вызвано, например, нелинейной электрической проводимостью в проводниках или нелинейным магнитным материалом в дросселях и трансформаторах.

Когда нелинейный искаженный сигнал проходит через систему с нелинейностью, он порождает новые частоты, составляющие гармоники. Это происходит из-за процесса суммирования различных гармоник в нелинейной системе. Чем более высокая нелинейность, тем больше гармоник возникнет при искажении сигнала.

Механизмы появления гармоник

Гармоники появляются в системах, где есть нелинейное взаимодействие между различными частотными компонентами сигнала. Это может происходить из-за различных физических причин и механизмов.

Одной из основных причин появления гармоник является наличие нелинейных элементов или процессов в системе. Нелинейность означает, что выходной сигнал не пропорционален входному сигналу или имеет искажения. Нелинейность может быть обусловлена различными факторами, такими как неидеальные элементы, насыщение, нелинейная реакция материалов и другие.

Еще одним механизмом появления гармоник является наложение различных сигналов или частот в системе. Когда сигналы различных частот смешиваются, их сложение может создать новые частотные компоненты, которые являются гармониками исходных сигналов.

Также гармоники могут возникать из-за резкого изменения сигнала или его формы. Когда сигнал быстро меняется или имеет резкие перепады, это может привести к появлению дополнительных частотных компонентов, которые являются гармониками исходного сигнала.

Одним из наиболее распространенных причин появления гармоник является неидеальность оборудования или системы. Например, некачественные элементы или дефекты могут вызвать искажения сигнала и появление дополнительных частотных компонентов.

Также следует отметить, что появление гармоник может быть как нежелательным эффектом, так и намеренно созданным явлением в некоторых технических системах. Например, гармоники могут использоваться в музыкальных инструментах для создания различных звуковых эффектов.

Примеры механизмов появления гармоник:

• Нелинейные элементы в электрических цепях, такие как диоды и транзисторы, могут создавать гармоники в электрических сигналах.
• Акустические инструменты, такие как струнные и духовые, могут производить гармоники в результате нелинейной реакции материалов и формы инструмента.
• При передаче сигнала по некачественным аудио- и видео-кабелям или при искажении сигнала в аудио- и видео-системах может происходить появление гармоник.
• В системах электропитания гармоники могут возникать из-за нелинейного поведения нагрузок, например, при работе электромоторов или световых приборов.

В целом, механизмы появления гармоник разнообразны и могут быть обусловлены различными физическими, электрическими и акустическими процессами. Понимание этих механизмов является важным для управления гармониками и предотвращения их влияния на качество сигнала и работу системы.

Физические процессы, приводящие к образованию гармоник

Гармоники — это кратные частоты основной (фундаментальной) частоты сигнала. Они образуются в результате взаимодействия различных физических процессов. Рассмотрим основные процессы, которые могут приводить к образованию гармоник:

1. Нелинейные искажения В нелинейных системах, в которых частота сигнала превышает естественную частоту колебаний, возникают нелинейные искажения. Искажения могут быть вызваны различными факторами, включая нелинейные характеристики элементов схемы или нарушения линейности процессов передачи и обработки сигнала.
2. Резонансные явления При наличии резонансных частот в системе возникают резонансные явления, которые могут привести к образованию гармоник. Резонанс — это явление усиления колебаний при совпадении частот внешнего воздействия и собственной частоты системы.
3. Взаимодействие с другими системами Взаимодействие с другими системами или средой может способствовать образованию гармоник. Например, при передаче электромагнитных сигналов по проводникам может возникать электромагнитное взаимодействие, которое приводит к возникновению дополнительных частот.
4. Отражение сигналов Отражение сигналов в линиях передачи, кабелях или волноводах может вызывать интерференцию и, в результате, образование дополнительных частот.

Эти физические процессы являются лишь некоторыми из возможных причин образования гармоник. Различные системы и устройства могут демонстрировать уникальные механизмы образования гармоник, что требует более детального исследования и анализа.

Вопрос-ответ

Почему гармоники возникают в электрической сети?

Гармоники возникают в электрической сети из-за различных электронных устройств, которые потребляют энергию и имеют нелинейное сопротивление. Это приводит к искажению синусоидальной формы тока и напряжения в сети, что вызывает появление гармоник.

Какие устройства являются источниками гармоник?

Источниками гармоник являются различные электронные устройства, такие как компьютеры, телевизоры, холодильники и прочая бытовая техника. Также гармоники могут генерироваться промышленными установками, такими как фабрики и заводы.

Какие механизмы лежат в основе появления гармоник?

Основными механизмами появления гармоник являются нелинейность потребителей электроэнергии и искажение синусоидальной формы тока и напряжения. Нелинейность приводит к появлению компонентов с частотами, кратными частоте основной гармоники.

Какое воздействие оказывают гармоники на электрическую сеть?

Гармоники могут вызывать много проблем в электрической сети. Они могут приводить к перегрузкам и повреждениям оборудования, увеличению потерь энергии, деградации системы защиты, неправильной работе счетчиков и другим нежелательным эффектам.

Как можно бороться с гармониками в электрической сети?

Существует несколько способов борьбы с гармониками в электрической сети. Возможными решениями является установка фильтров гармоник, использование специальных устройств для компенсации гармоник и увеличение емкости конденсаторов. Также можно применять технологии активной фильтрации для подавления гармоник.

Вопрос — ответ|Гармоники

В процессе работы этого оборудования возникает паразитная ЭДС, которая накладывается на синусоидальный сигнал. В результате появляются провалы, скачки и другие искажения.

Влияние гармоник на электрооборудование

Гармонические колебания в сети оказывают негативное влияние на работу электрооборудования. К ним относятся:

• Асимметрия в трехфазных сетях при возникновении искажений на одной или двух фазах. Это вызывает ненормальные режимы работы двигателей, другой электротехники.
• Ложное срабатывание защиты. На гармоники реагируют автоматические выключатели, релейные схемы защиты, отключающие напряжение в распределительной сети.
• Избыточный нагрев обмоток электрических машин, трансформаторов, проводов.
• Увеличение уровня шума в слаботочных сетях. Про частом переходе синусоиды через ноль в соседних контрольных кабелях возникают наводки, искажающие сигнал.
• Увеличение тока нейтрали. Гармонические искажения вызывают падение напряжения в нейтральном и фазных проводах, нагреву нулевого проводника.

Последствия влияния гармоник

Искажения формы переменного тока и напряжения снижают срок службы изоляции, конденсаторов, качество напряжения в сети, увеличиваиют погрешности средств измерений. Это приводит:

• К уменьшению межремонтных промежутков электрооборудования и увеличению эксплуатационных затрат.
• К частым остановкам технологического оборудования. В результате ложного срабатывания схем защиты прерываются производственные процессы.
• К авариям электроустановок. В результате падений напряжения и избыточного нагрева возникает пробой изоляции и короткие замыкания.

Высшие гармоники вызывают значительные экономические убытки.

Способы защиты от высших гармоник для частотных преобразователей

Преобразователи частоты содержат инверторы и ШИМ-модуляторы, которые являются источниками искажения напряжения в сети. Это отрицательно сказывается как на работе электродвигателей, так и на качестве электроэнергии в сети. Для защиты от этого явления используют различные фильтры.

Эти устройства устанавливают во входной и выходной цепях преобразователей частоты. Для защиты от искажений формы напряжения и тока применяют:

• Сетевые дроссели. Эти устройства защищают от импульсных перепадов напряжения, несимметричной нагрузке, продлевают срок службы конденсаторов звена постоянного тока.
• Электромагнитные фильтры. Устанавливаются во входной силовой цепи преобразователя. Защищают сеть от гармоник, генерируемых инвертором ПЧ.
• Синусные и dU/dt фильтры. Эти устройства устанавливают в частотно-регулируемом приводе с возможностью рекупации электроэнергии, в цепях электрических машин с частыми пусками, отключениями и реверсами, при использовании для подключения неэкранирумых кабелей.

При выборе фильтра необходимо убедиться, что конкретная модель преобразователя частоты совместима с типом защитного устройства. Эта информация указана в технической документации ПЧ. Компания «Данфосс» выпускает несколько линеек частотных преобразователей со встроенными фильтрами высших гармоник. Это избавляет от необходимости рассчитывать характеристики устройств и расходов на покупку дополнительного оборудования.

FAQ по гармоникам

Что такое гармоники?

Гармоники – это синусоидальные волны суммирующиеся с фундаментальной. Гармоники – есть продолжительные возмущения или искажения в электрической сети, имеющие различные источники и проявления такие как импульсы, перекосы фаз, броски и провалы, которые могут быть категоризованы как переходные возмущения.

Основной частотой 50 Гц(т.е. 1-я гармоника = 50 Гц 5-я гармоника = 250 Гц). Любая комплексная форма синусоиды может быть разложена на составляющие частоты, таким образом комплексная синусоида есть сумма определенного числа четных или нечетных гармоник с меньшими или большими величинами.

Когда возникают гармоники?

Гармонические искажения возникают при работе нелинейных потребителей тока (в том числе частотных преобразователей).

Какие гармоники не появляются от работы ПЧ?

При работе от преобразователя частоты не появляются четные гармоники.

Чем опасны гармоники по току?

Гармонические искажения тока вызывают перегрев силового трансформатора, повышенное потребление реактивной мощности, увеличение потерь в меди силовых проводов и трансформатора. Они являются причиной появления гармоник по напряжению.

Чем опасны гармоники по напряжению?

Наличие гармонических искажений по напряжению приводят к выходу из строя оборудования.

Как бороться с гармониками?

Гармонические искажения можно уменьшать при помощи входных фильтров. Например, в серии VLT HVAC Basic FC 101 имеется встроенный фильтр гармоник на звене постоянного тока.