В ідеальному випадку в електричній мережі повинно бути змінна напруга, яке змінюється за синусоїдальним законом з частотою 50 Гц (50 раз в секунду), якщо мова йде про вітчизняні мережах. На практиці справа йде інакше - напруга далеко від синусоїдальної форми, воно спотворене, не тільки по фронтах, але і по всій довжині наповнене різними сплесками і перешкодами. Дане явище називається гармоніки в електричних мережах. У цій статті ми докладніше розглянемо, що це таке і чим небезпечні гармоніки для обладнання, підключеного до мережі.
Визначення гармонік
Графік сигналу, який змінюється за синусоїдальним законом, має вигляд:
Але це значно відрізняється від реальної форми напруги в електричній мережі:
Ці щербини і сплески і викликані гармоніками. Ми спробуємо розповісти про це явище простими словами. Зображений вище графік можна уявити як суму сигналів різної частоти і величини. Якщо все це скласти, то в результаті вийде саме такий сигнал. Приклад і результат складання сигналів зображений на графіку нижче:
Гармоніки розрізняють за номерами, де перша гармоніка - це та складова, у якій найбільша величина. Однак такий опис занадто коротко. Тому давайте наведемо формулу визначення величини гармоніки. Це можливо при гармонійному аналізі і розкладанні в ряд Фур'є:
З цієї формули можна виділити і величини частот і фаз гармонічних складових електричної мережі і будь-якого іншого синусоїдального сигналу.
Джерела перешкод
Гармоніки в електричній мережі змінного струму виникають через особливості електрообладнання, наприклад через нелінійність їх характеристик, або характер споживання струму.
Наприклад, в трифазних мережах в магнитопроводах трансформаторів довжини магнітних шляхів середніх і крайніх фаз відрізняються майже в 2 рази, тому і струми їх намагнічування розрізняються до півтора разів. Звідси виникають гармоніки в трифазних мережах.
Інше джерело перешкод в електротехніці - це електродвигуни, як трифазні синхронні і асинхронні, так і однофазні, в тому числі і універсальні колекторні двигуни. Останній тип двигунів використовується в більшій частині побутової техніки, наприклад:
- пральні машини;
- кухонні комбайни;
- дрилі, болгарки, перфоратори та ін.
В результаті роботи імпульсних блоків живлення виникають високочастотні гармоніки (перешкоди) в електричній мережі. Щоб зрозуміти як вони утворюються, потрібно мати відомості про їх внутрішній устрій. Це пов'язано з тим, що струм первинної обмотки ДБЖ відрізняється від безперервного, він протікає тільки тоді, коли відкрито силовий напівпровідниковий ключ. А останній відкривається і закривається з частотою вище 20 кГц.
Цікаво: Робоча частота деяких сучасних імпульсних блоків живлення досягає 150 кГц.
Для зменшення цих гармонік використовують фільтри електромагнітних завад, наприклад, синфазний дросель і конденсатори. Для поліпшення графіка споживання струму щодо напруги однофазного напруги використовують активні коректори коефіцієнта потужності (рус. ККМ, англ. PFC).
Такі блоки живлення встановлені в:
- світлодіодних лампах;
- ЕПРА для люмінесцентних ламп;
- комп'ютерні блоки живлення;
- сучасні зарядні пристрої для мобільних телефонів;
- телевізори та інша техніка.
Також до цих джерел живлення можна віднести і перетворювачі частоти.
Наслідки гармонійних перешкод
Наявність гармонік в електричній мережі змінного струму викликає певні проблеми. Серед них - підвищене нагрівання електродвигунів і живильних проводів. Наслідки впливу гармонік - це вібрація двигунів. Подальші наслідки можуть бути різними - починаючи від прискореного зношування підшипників ротора двигуна, закінчуючи пробоєм на корпус обмоток від підвищеного нагріву.
В електриці зустрічаються помилкові спрацьовування комутаційної і захисної апаратури - автоматичних вимикачів, контакторів і магнітних пускачів. У звуковій апаратурі і техніці для зв'язку через гармонік виникають перешкоди. З ними борються аналогічно - установкою фільтрів електромагнітних завад.
На відео нижче розповідається, що таке гармоніки і інтергармонік в електромережі:
На закінчення хотілося б відзначити, що гармоніки в електричних мережах в принципі не несуть ніякої користі. Вони лише викликають несправності, помилкові спрацьовування комутаційної апаратури та інші прояви нестабільності в роботі. Це може нести не тільки незручності в експлуатації, але і економічні проблеми, збитки і аварійні ситуації, які можуть бути небезпечні для життя.
Матеріали по темі:
- Чому спрацьовує автоматичний вимикач?
- Як перепрограмувати лічильник електроенергії?
- Вибираємо світлодіодні лампи для дому