гармоники что это такое
Максимально просто о гармониках и проблемах, возникающих от них
Анонс: Что такое гармонические искажения, гармоники и как они влияют на стабильность электроснабжения и качество электроэнергии в сети. Эмиссия гармонических искажений силовым оборудованием, проблемы технических средств компенсации реактивной мощности и фильтров гармоник.
В идеале любой источник питания, в том числе ТП распределительной сети, должен стабильно давать ток идеально синусоидального напряжения в каждом месте силовой сети абонента-потребителя, однако по ряду причин электросетевым компаниям часто бывает трудно обеспечить такие условия из-за эмиссии и трансмиссии гармонических искажений. Гармонические искажения тока, напряжения далеко не новость, но в настоящее время они представляют собой одну из основных проблем, вызывающих нарушения стабильности электроснабжения и качества электроэнергии в электроэнергетике.
В первых электроэнергетических системах гармонические искажения в основном вызывались насыщением трансформаторов, промышленных дуговых печей, мощных электросварочных аппаратов и т. п., а сами гармоники представляли сравнительно небольшую проблему из-за консервативной конструкции силового оборудования. Сегодня все более широкое использование нелинейных нагрузок в силовых сетях промышленных и непромышленных объектов обуславливает увеличение объемов гармонических искажений в распределительных сетях, причем именно через распределительные сети из-за «перегенерации» искажений трансформаторами ТП электросетевой компании силовые сети абонентов обмениваются гармониками между собой, (трансмиссия).
Наиболее часто используемой нелинейной нагрузкой является, пожалуй, ШИМ-преобразователь, широко используемый в сталелитейной, бумажной и текстильной промышленности, в приводах управление скоростью электродвигателя.
Гистограмма амплитуд гармоник, генерируемых в шестипульсном ШИМ-преобразователе
Наряду с этим, свой вклад в засорение сетей гармониками вносят системы энергосберегающего освещения, электроника центров обработки данных, программно-технических комплексов АСУ, электрические транспортные системы, бытовые электроприборы и т. д. К 2000 году было зафиксировано, что на электронные нагрузки приходилось около половины спроса на электроэнергию в США и развитых странах мира, а за два десятка лет нового века эта доля возросла до 70-80 %, и это вывело проблему гармонических искажений в перечень приоритетных и критических.
Для справки
Упрощенно, нелинейные нагрузки — это нагрузки, в которых форма волны тока не похожа на форму волны приложенного напряжения по ряду причин, например, из-за использования электронных переключателей, которые проводят ток только в течение части периода промышленной частоты и, следовательно, здесь закон Ома не может описать связь между напряжением и током. Среди наиболее распространенных нелинейных нагрузок — все типы выпрямительных устройств, в том числе источники бесперебойного питания, преобразователи напряжения компьютеров, частотно-регулируемые приводы, электрические печи, люминесцентные лампы и т. д. Нелинейные нагрузки вызывают искажение формы сигнала напряжения, перегрев трансформаторов и других силовых устройств, перегрузку по току проводов и клемм соединения оборудования, телефонные помехи, сбои в управлении микропроцессорами и пр.
Сам термин «гармоники» заимствован из области акустики, где он был связан с вибрацией струны или молекул воздуха с частотой, кратной базовой частоте, а гармоническая составляющая в системе питания переменного тока определяется как синусоидальная составляющая периодической формы волны, частота которой равна целому кратному основной частоте системы. Тогда гармоники в формах волны напряжения или тока можно представить, как идеально синусоидальные составляющие частот, кратных основной частоте: fn=(n)·f1, где n — порядок гармоники. Т. е. для наших сетей с f1=50 Гц частота третьей (n = 3) гармоники будет f3=3·50=150 Гц, пятой (n=5) f5=5·50=250 Гц, седьмой (n=7) f7=7·50=350 Гц и т. д. Хотя кривые зависимости тока на фундаментальной частоте и токов гармоник имеют форму синусоиды, результирующая кривая искажена из-за взаимного влияния токов разных частот (см. на рис. ниже).
Синусоиды тока фундаментальной частоты и токов 3, 5 и 7-й гармоник (сверху), результирующая кривая тока в силовой сети из-за взаимного влияния токов разных частот (снизу
Ситуация стала более сложной с применением конденсаторных батарей, используемых на промышленных предприятиях для коррекции коэффициента мощности, и энергокомпаниями для стабилизации напряжения вдоль распределительных линий. Результирующее реактивное сопротивление емкости образует колебательный контур с индуктивным реактивным сопротивлением системы на определенной (резонансной) частоте, которая может совпадать с одной из характеристических гармоник нагрузки, что обуславливает значительный наброс токов гармоник, перенапряжения, способные повредить изоляцию. По факту далеко не решает проблему в полном объеме использование активных фильтров гармоник (АФГ), по сути, тех же ШИМ-преобразователей (инвертеров), которые демпфируют гармоники противофазными токами «ниже» места присоединения, а для силовой сети «выше» остаются источниками эмиссии гармонических искажений.
Такая ситуация ставит перед инженерами сложную задачу по выявлению и исправлению чрезмерных уровней гармонических искажений формы сигналов тока и напряжения от стадии планирования до стадии проектирования энергетических и промышленных установок, что позволит не только поддерживать сети и оборудование в оптимальных условиях эксплуатации, но и предвидеть потенциальные проблемы с интеграцией, модернизацией нелинейных нагрузок, а также технических средств для нивелирования перетоков реактивной мощности и/или фильтров гармоник.
Значение слова «гармоника»
1. Духовой музыкальный инструмент, состоящий из двух дек, снабженных сквозными металлическими язычками и клавиатурой к ним и соединенных складчатыми раздвижными мехами. Вот из темноты беспорядочно зазвучала гармоника: Махнин снова растянул мехи, подбирая «страдание». Авдеев, Гвардии сержант.
3. Разг. Раздвижной складчатый кожух, служащий для безопасного перехода из одного вагона поезда в другой.
Источник (печатная версия): Словарь русского языка: В 4-х т. / РАН, Ин-т лингвистич. исследований; Под ред. А. П. Евгеньевой. — 4-е изд., стер. — М.: Рус. яз.; Полиграфресурсы, 1999; (электронная версия): Фундаментальная электронная библиотека
Гармоника — в Древней Греции и Древнем Риме, в Средние века и в эпоху Возрождения учение о звуковысотной структуре музыки, прообраз современной дисциплины гармонии.
Гармоника — система из основного тона и его гармонических обертонов, образующая натуральный звукоряд.
Гармоника — общее название для различных видов язычковых пневматических музыкальных инструментов.
Губная гармоника — язычковый музыкальный инструмент.
Стеклянная гармоника — музыкальный инструмент из стекла.
Гармоника в акустике, радио- и электротехнике, гармоническом анализе — элементарная составляющая сложного гармонического колебания.
Гармоника — функция-решение краевой задачи, обычно в совокупности образуют базис.
ГАРМО’НИКА, и, ж. [нем. Harmonika]. 1. Духовой музыкальный инструмент, состоящий из двух дощечек с клавиатурой, соединенных раздвижными мехами. Г., г., эй, пой, визжи и жги! Блок. 2. Раздвижной складчатый кожух, служащий крытым проходом между двумя ж.-д. вагонами. 3. Ряд частых параллельных складок (на бумаге, материи и т. п.). Сложить лист гармоникой. || То же в знач. неизмен. прил. Плиссе-г.
Источник: «Толковый словарь русского языка» под редакцией Д. Н. Ушакова (1935-1940); (электронная версия): Фундаментальная электронная библиотека
гармо́ника I
1. муз. язычковый пневматический музыкальный инструмент, представляющий собою подвижные меха с растягивающимися складчатыми стенками и с планками по обеим сторонам, снабжёнными клавиатурой
гармо́ника II
1. физ. простейшая периодическая функция, характеризующая гармоническое колебание
Делаем Карту слов лучше вместе
Привет! Меня зовут Лампобот, я компьютерная программа, которая помогает делать Карту слов. Я отлично умею считать, но пока плохо понимаю, как устроен ваш мир. Помоги мне разобраться!
Спасибо! Я стал чуточку лучше понимать мир эмоций.
Вопрос: смышлять — это что-то нейтральное, положительное или отрицательное?
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.
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.
Значение слова гармоника
Словарь Ушакова
гарм о ника, гармоники, жен. (нем. Harmonika).
2. Раздвижной складчатый кожух, служащий крытым проходом между двумя ж.-д. вагонами.
3. Ряд частых параллельных складок (на бумаге, материи и т.п.). Сложить лист гармоникой.
| То же в знач. неизм. прил. Плиссе-гармоника.
Словарь музыкальных терминов
1. Общее название группы пневматических музыкальных инструментов, в которых источником звука являются металлические язычки, закрепленные одним концом на специальных пластинках, соединенных с мехом клапанами, открывающимися при нажатии на кнопки или клавиши.
2. В акустике — тон, возникающий в результате одновременного колебания всей массы звучащего тела и его частей (половины, трети, четверти и т. д.). Колебание всего тела дает основной тон, колебание его частей — обертоны. Музыкальный звук является одновременным сочетанием основного тона и всех обертонов вибратора.
Тезаурус русской деловой лексики
Syn: колебание, частота
Энциклопедический словарь
Словарь Ожегова
ГАРМОНИКА, и, ж.
1. Духовой язычковый музыкальный инструмент подвижные меха с двумя дощечками, снабжёнными клавиатурой.
2. перен. Ряд частых расходящихся параллельных складок (разг.). Сложить бумагу гармоникой.
• Губная гармоника музыкальный инструмент в виде небольшой продолговатой коробочки с металлическими язычками и отверстиями для вдувания воздуха.
Словарь Ефремовой
ж.
Общее наименование некоторых духовых музыкальных инструментов (гармони,
аккордеона и т.п.), снабженных мехами с растягивающимися складчатыми стенками и
кнопочной клавиатурой.
Энциклопедия Брокгауза и Ефрона
— состоит из нескольких стаканов различной величины, поставленных на стол и настраиваемых в разные тоны вливанием в них воды. Смочив слегка водой пальцы, трут ими верхние края стаканов, чем и извлекают из них нежные звуки. Г. называют также русский народный музыкальный инструмент гармонию (см.).
Что такое гармоники или обертона?
В этой статье я хочу рассказать о том, что такое гармоники или обертона.
Любой музыкальный звук состоит из основного тона и дополнительных гармоник (обертонов).
Основной тон – это основа звука, отправная точка строения обертонов. Мы воспринимаем именно этот тон с точки зрения его высотности.
Гармоники – это производные основного тона. Причем, кратные производные.
Это значит, что если основной тон ноты «до» малой октавы имеет частоту приблизительно 130 Гц, то его обертона будут иметь частоту 260 Гц, 390 Гц, 520 Гц и т.д. То есть все эти гармоники можно разделить на 130 и получится целое число. Поэтому говорят вторая гармоника, третья гармоника и т.д. За счет этих гармоник и формируется окраска звука. Мы не можем воспринимать каждую гармонику разрозненно. Мы лишь слышим результат сочетания гармоник с основным тоном.
Основной тон всегда лежит ниже гармоник и является более громким, что и определяет его выраженность.
Гармоники – это основа окраски звука. Любой инструмент имеет свой неповторимый тембр, порождённый гармониками. Поэтому мы и слышим различия в звучании фортепиано, гитары и саксофона. Всё дело в гармониках.
Что такое гармоники
Для того чтобы наглядно продемонстрировать вам гармоники, я проведу один простой эксперимент. Для этого мне понадобятся синтезатор Sylenth1 в комплексе с плагином iZotope Ozone 4. C помощью синтезатора я буду генерировать различные звуки и анализировать результаты используя анализатор спектра в iZotope Ozone 4.
1. Выберу пустой пресет, включу один осциллятор, выберу синусоидальную форму волны и сгенерирую звук ноты «Ля» большой октавы.
Как видно из скриншота, я сгенерировал основной тон ноты «Ля» 110 Гц. Кроме него никаких гармоник в сигнале нет.
2. Изменю форму волны на пилообразную.
Из скриншота видно, что у основного тона ноты «Ля» появились гармоники кратные 110.
3. Теперь выберу какой-нибудь пресет. Например, 44. LD Cello.
На скриншоте отчётливо видно, что тембр этого звука сформирован большим количеством дополнительных обертонов.
Из всего вышесказанного следует, что гармоники являются неотъемлемой составляющей любого звука. Без наличия обертонов музыка бы потеряла всю свою колоритность. Все инструменты звучали бы одинаково и примитивно.
Благодаря гармоникам мы имеем огромную палитру разнообразных тембров. Их число бесконечно велико. Это даёт возможность музыкантам и саунд продюсерам постоянно экспериментировать и синтезировать новые более интересные и насыщенные тембры.
В этой статье я рассказал о том, что такое гармоники.
Если есть вопросы, задавайте их в комментариях.