Откуда на входе нелинейного сигнала взялась гармоника

Откуда на входе нелинейного сигнала взялась гармоника

Понимаю, что лучшее подавление это выбор ПЧ где их нету. Но не всегда возможно выбрать такую ПЧ.
Например если программа if_select показывает пораженную точку 3*RF-2*LO, то как ее подавить? Может не пустить на смеситель третью гармонику входного сигнала или вторую гармонику гетеродина? А откуда эти гармоники вообще берутся? Входной сигнал обычно невелик и его гармоники тем более мизерны. Гармоники гетеродина обычно на >30дб меньше основной частоты. И все-равно пораженная точка слышна. Особенно если антенну вытащить. Где бы про это почитать доступным языком. В «Преобразовании частоты» Изюмова на эту тему не пишется почти.

Евгений240
09.07.2013, 16:31

Входной сигнал обычно невелик и его гармоники тем более мизерны. Гармоники гетеродина обычно на >30дб меньше основной частоты. И все-равно пораженная точка слышна. Особенно если антенну вытащить.А если антенну вытащили, тогда при чём здесь входной сигнал? Немного информации есть в «Справочнике радиолюбителя — коротковолновика» , Бунина и Яйленко за 1984год, стр 31 и далее.

09.07.2013, 17:02

По моему опыту снизить уровень (громкость) поражённой частот помогает только два способа: 1. Фильтрация (ставить доп. ФНЧ) сигнала ГПД непосредственно перед подачей на смеситель (после усилителя ГПД). Причём ФНЧ нужно ставить и перед детектором.
2. Хорошая развязка от всевозможных каскадов сигнала ГПД и опорника (имеется ввиду ЦШ и так далее). Экранировка плат, само собой разумеется, должна быть достаточной хорошей. Мнение, что помеха пролезает по цепям питания, у меня не подтвердилась.

09.07.2013, 17:03

Может не пустить на смеситель третью гармонику входного сигнала или вторую гармонику гетеродина?
Применить на входе узкополосный преселектор или трёхконтурный ДПФ, на выходе ГПД поставить LC-фильтр,который будет давить гармоники и экранировка каскадов ГПД, КГ, УПЧ. Вот таким способом устранялся «паразитный» приём по ПЧ 6-6.5МГц в UW3DI http://www.qrz.ru/schemes/contribute/technology/ur3id-cutout.shtml

Nick UA3TW
09.07.2013, 18:30

Если даже сигнал гетеродина — идеальный синус, всё равно в смесителе будет преобразование на гармониках гетеродина, так как сам смеситель — нелинейный элемент. Поэтому зависит от того, какой смеситель, т.е. чтобы не было продуктов на гармониках гетеродина, условие, чтобы гетеродин был чисто синусоидальным, необходимое, но не достаточное. Еще надо, чтобы смеситель был чистым перемножителем, без малейшего ключевого эффекта.

09.07.2013, 19:21

Проблема состоит в том, что чувствительность современных приёмников настолько велика, по отношению к слабым и далёким любительским радиостанциям, что уровень гармоники гетеродина или его производные преобразования являются встроенными в супергетеродин мощными передатчиками.

09.07.2013, 21:40

А если антенну вытащили, тогда при чём здесь входной сигнал?Так что именно тогда свистит? То что свист гармониковый слышно. При медленном вращении ручки настройки его тональность меняется в разы быстрее чем если бы была обычная несущая. Первый смеситель — кольцевой из восьми диодов КД521. Выходного фильтра на ГПД пока нету, да и модернизация действующего приемника не планируется пока, там очень специфические галеты в ГПД, пока нечем сделать переключение выходных фильтров. Это я для новой конструкции почву нащупываю. А поскольку в новой конструкции программа показала гораздо больше пораженных точек чем в старой, то я и озаботился заранее. Лучше принять меры сразу, чем потом репу чесать. А откуда берется на входе смесителя 2-3-4. -гармоника входного сигнала, если на входе УРЧ с 2 настраиваемыми контурами? (по-старинке не применяю ДПФ вообще)

Схему с переменной ПЧ как в UW3DI не применяю, там от этих свистов вообще покоя не будет.

Еще надо, чтобы смеситель был чистым перемножителем, без малейшего ключевого эффекта.А как это реализовать на практике? Есть в заначке SRA-1, или вообще от диодного смесителя надо отказываться? Лет надцать назад считалось, что кольцевые диодные отвечают всем требованиям качества. Может кроме фильтра на выходе ГПД надо подстроечный резистор ставить чтоб в каждом диапазоне оптимальный уровень гетеродинного напряжения выставлять? На барабане от Казахстана есть такая возможность.

09.07.2013, 21:46

Отказываться. Диодные имеют самый грязный спектр, и при это большое количество «грязи» создаётся именно в самом смесителе.

US7AW Mihail
09.07.2013, 22:17

Меньше всего «грязи» от смесителей имеющих чисто синусоидальный сигнал по входам сигнала и гетеродина. Пораженки прослушиваются в основном в приемниках с тройным преобразованием частоты . В базовом приемнике UA1FA при 1 ПЧ 5,5мгц и 2 ПЧ 500 кгц у меня была только одна пораженка на частоте точно 21 Мгц. Ее уровень зависит от качества ФСС на промежуточной частоте 5,5 Мгц ЭМФ на 500 кгц и качества всех смесителей и гетеродинов.

09.07.2013, 22:42

Первый смеситель — кольцевой из восьми диодов КД521
Есть такие диодные «балансные» :ржач: смесители, через которые сигнал ПЧ прёт напрямую, что создаёт большие проблемы при неоптимальной ПЧ.

09.07.2013, 23:09

При медленном вращении ручки настройки его тональность меняется в разы быстрее чем если бы была обычная несущая

Это «пораженка» возникает как комбинация сигнала ГПД и, надо полагать, с каким-то ещё гетеродином Вашего приёмника, а никак не с внешнем сигналом. По скорости её «перестройки» можно вычислить номер гармоники ГПД (например, «бежит» в три раза быстрее, значит третья гармоника) и понять, что чистить.

10.07.2013, 07:00

Если при перестройке валкодером скорость тональности биений изменяетя в несколько раз в сравнении с несущей из эфира, то природа такого «передатчика» кроется в паразитной гармонике перестраиваемого гетеродина.

10.07.2013, 07:53

Применить на входе узкополосный преселектор или трёхконтурный ДПФ, на выходе ГПД поставить LC-фильтр,который будет давить гармоники и экранировка каскадов ГПД, КГ, УПЧ. Вот таким способом устранялся «паразитный» приём по ПЧ 6-6.5МГц в UW3DI http://www.qrz.ru/schemes/contribute/technology/ur3id-cutout.shtml

А это причём? напоминает изречение одного из коллег, что помехи разных типов можно устронять если на входе установить кварцевые фильтры на каждый диапазон отдельно.все постулаты ошибочны, что бы избавится от поражёнок или занизить их наличие, думаю делать нужно следущее:
1. синтезатор частот должен быть очень «тихим» -самый критический предел до +/-3 килогерц около сигнала. по возможности выбрать самый чистый спектр с полосой 30 мегагерц, без спуров в РАБОЧЕМ спектре. это реально, т.к. помимо ДДС на сегодня есть очень много доступных методов «на коленках», что бы сделать синтез частот (SRD, YIG. ).
2. смеситель — частота преобразования в середине рабочего отрезка. изоляция между портами и показатель интрермодулязионной точки третьего порядка выше +40 дбм. можно применять диодные сборки и хорошие ВЧ-трансформаторы от Минисиркит или Коилкрафт. главное что бы линейный участок у трафо был как можно длинней. такими качествами обладают трансформаторы со средней точкой в обоих обмотках. материал тут: http://martein.home.xs4all. nl/pa3ake/hmode/hmode_intro.html , http://martein.home.xs4all. nl/pa3ake/hmode/switches.html , http://martein.home.xs4all. nl/pa3ake/hmode/hmode_transformers.h tml
3. Фильтрация каскадов ПЧ только кварцевыми фильтрами. полоса первого фильтра ФСС 11~18 килогерц. далее -коммутатия между фильтрами для одной боковой (2,25килогерц), AM и телеграфа. уместным будет подчистной кварцевый фильтр-«ворота» после второй ПЧ (8~10килогерц), он же может быть применён в качестве фильтрра для приёма вещательных станций АМ. тут уместным будет сдвиг частоты второго гетеродина (+/- 2 килогерца) ака IF SHIFT , очень эффективное средство.
4. преобразование вверх и только. поднять первую ПЧ выше отметки 68 мегагерц.
5. вторая ПЧ — от 8 до 12 мегагерц, третья — можно ниже 200 килогерц. фильтр не нужен, т.к. нагрузка усилительных каскадов последней ПЧ индуктивная, которая позволяет получить резонанс на частоте последней ПЧ. керамический или кварцевый фильтры уже не уместны или просто лишние. если взять готовые контрукции приёмников, обычно в последней ПЧ стоит замый узкополосный фильтр, т.к. дешевле применить керамику на 450 килогерц, чем создать ускополосный фильтр в массовом производстве на 8~12 мегагерц.
6. аттенюатор на входе и для приличия простенький НЧ-фильтр со срезом 32 мегагерца.
такой расклад может обещать менее 10 побочных.
я более чем уверен, что начнут камни кидать, но НЕТ УМЕНЕЕ ОПЫТНЫХ.

10.07.2013, 08:59

Спасибо, я понял. Перестраивается ГПД, значит его гармоника свистит. Остальные генераторы кварцевые или не перестраиваются в данный момент. А кварцевые генераторы тоже надо по выходу фильтровать? Мои все эмитерные повторители на выходе имеют. Может в повторителе и появляются гармоники?

10.07.2013, 09:09

При медленном вращении ручки настройки его тональность меняется в разы быстрее чем если бы была обычная несущая.
Для случая с одним преобразованием, так получается если комбинация возникает между гармоникой ннго порядка второго гетеродина, минус частотой (или гармоникой) первого.Тогда частоты приема и комбинашка,бегут навстречу.

10.07.2013, 09:29

«Бежит» только частота ГПД, отальные зафиксировны намертво.
Другое дело, двухпетлевой синтезатор частоты — здесь есть где разгуляться комбинашкам.

10.07.2013, 09:30

Перестраивается ГПД, значит его гармоника свистит. Остальные генераторы кварцевые или не перестраиваются в данный момент. А кварцевые генераторы тоже надо по выходу фильтровать?
Вы бы для дальнешей дискуссии рассказали бы какая ПЧ, какие кварцы стоят в КГ, частоту перестройки ГПД будет проще давать советы.

10.07.2013, 09:34

Спасибо, я понял. Перестраивается ГПД, значит его гармоника свистит. Остальные генераторы кварцевые или не перестраиваются в данный момент. А кварцевые генераторы тоже надо по выходу фильтровать? Мои все эмитерные повторители на выходе имеют. Может в повторителе и появляются гармоники?

ну почему же свистит? может быть просто биение, в звисимости от того, что смеситель пропустит. свист это либо возбуд на какойто гармошке или совподает с полезным сигналом. кварцевые генераторы по выходу фильтровать не нужно, нужно строить схему правильно. эмиттерный повторитель служит обычно для согласованя.

10.07.2013, 09:59

А кварцевые генераторы тоже надо по выходу фильтровать? Если схема КГ на основе цифровой логики, то наличие колебательного контура на входе эммитерного повторителя обязательно.
Если обычная кварцевая трёхточка, то, как и в первом случае, необходима экранировка ОГ.

10.07.2013, 12:09

Обычная трехточка с повторителем на выходе. А экранировки то и нет. И в новом приемнике пока не заложено. Вот картинки по преобразованию на старый и новый приемник. Что интересно в старом приемнике единственный свисток реально есть в диапазоне 15100-15800 примерно посередине шкалы, а програмка его не видит. Зато я не слышу никаких свистков на диапазонах в картинке. Особо непонятно на картинке диапазон 25м, показывает сплошную пораженную точку. У меня ничего не свистит. Может я неправильно понимаю эту картинку?

А вот вторая картинка это на проектируемую схему. Пораженных точек гораздо больше, почему и затеяна тема.144736144737

Кукин Николай Николаевич
10.07.2013, 15:22

Может я неправильно понимаю эту картинку?
Да , неправильно понимаете. Не с тем сравниваете.

Возьмем к примеру комбинацию 2LO-RF для 25 м диапазона с Вашей картинки.

В режиме приема получаем побочную частоту приема 2*7900-4200=11600, при этом на шкале частоты приема будет показана цифра 7900+4200=12100 — основной канал приема.

Если в этот момент на вход приемника будет подан сигнал с частотой 11600, Вы его воспримете как сигнал 12100, но с обратной полосой ( так как в формуле вычитание ПЧ, а не сложение с частотой гетеродина) ,а скорость изменения частоты при вращении ручки настройки будет в 2 раза выше, так как это вторая гармоника ГПД. Разница между частотами приема 12100-11600=500 кГц, поэтому если поставить хороший фильтр по входу, который бы резал сигнал на частотах ниже 11600, когда приемник настроен на 12100, то пораженку можно ослабить значительно.

Если на входе приемника НЕ будет сигнала на побочной или основной частоте приема, то Вы НИЧЕГО и не услышите.

А “свистки” , про которые Вы говорите, которые слышно при отключенной антенне, это есть комбинации всего разнообразия основных частот колебаний и гармоник внутренних гетеродинов приемника, которые попадают либо в основной приемный канал или в один из побочных каналов приема, вычисленных по этим формулам. С отключенной антенной слышны только свистки,составленные из частот гетеродинов, имеющихся в приемнике и их гармоник. На основной приемной частоте на входе приемника при этом колебаний НЕТ. Поэтому в формулу надо закладывать частоты гетеродинов, смотреть, чему равны их комбинашки, и сравнивать их либо с основной частотой приема, либо с ПЧ, либо с n*LO+/-RF, либо с n*LO+/-IF.

Учитывая то, что в режиме приема основной принимаемый сигнал имеет небольшую величину, все комбинашки, имеющие коэффициент при основной приемной частоте больше 1, можно вычеркнуть из рассмотрения, и рассматривать только каналы вида n*LO+/-RF. Побочные приемные каналы на гармониках основной приемной частоты будут возникать только, когда на вход будет идти ломовой сигнал рабочего приемного диапазона, соизмеримый с напряжением первого гетеродина, и его гармоники (принимаемого сигнала), образовавшиеся на нелинейностях цепей ДО смесителя, будут ВЫШЕ порога чувствительности приемника. Кроме того, в самом смесителе также могут образоваться гармоники основного канала приема имеющие величину ВЫШЕ порога чувствительности приемника при значительной величине входного сигнала. Если их комбинашки с гармониками гетеродина попадают на частоту ПЧ или побочного канала приема, то они также будут услышаны.

В случае с режимом ТХ все несколько иначе, так как на вход смесителя подаютя сигналы двух гетеродинов, вдобавок соизмеримые по амплитуде, поэтому в выходном сигнале эти пораженные частоты обязательно будут присутствовать, но, как говорилось в очень известном фильме, “Вы их не услышите”. А вот даже дальние корреспонденты при соответствующем энергетическом потенциале Вашего сетапа будут слышать , и очень хорошо.

Измерение нелинейных искажений

Из курсов ТЭЦ и ТЭС мы знаем, что электрические цепи делятся на линейные, нелинейные и параметрические. Последние два типа цепей отличаются от линейных тем свойством, что могут создавать новые гармонические составляющие в спектре отклика по сравнению со спектром входного сигнала.

Нелинейное преобразование сигнала может быть желательным и полезным (например, при детектировании), а может быть вредным, сопутствующим (например, в усилителях). В этом случае, когда это явление не используется в устройстве, содержащем данную цепь, оно весьма нежелательно, так как часто создает вредные побочные эффекты. Поэтому форма сигнала на выходе этих устройств будет отличаться от формы сигнала на их входе. Изменение формы сигнала называется нелинейным искажением.

Причина нелинейных искажений заключается в том, что при подаче на вход гармонического сигнала частотой f на выходе появляется сигнал, содержащий постоянную составляющую, основную частоту и высшие гармоники с частотами 2f, 3f, 4f и т.д. Амплитуды высших гармоник с увеличением их номеров быстро убывают. Определяющими обычно бывают вторая и третья гармоники.

Источником нелинейных искажений являются элементы цепей, у которых ток не пропорционален приложенному напряжению, т.е. имеющие нелинейную вольтамперную характеристику. Это, как правило, электронные лампы, транзисторы, диоды, катушки c ферромагнитными сердечниками.

Необходимость измерения нелинейных искажений связана с исследованием параметров усилителей и генераторов синусоидальных колебаний.

Нелинейные искажения представляют собой сложной явление, зависящее от многих параметров: состава электрической цепи, ее амплитудно-частотной характеристики, формы сигнала, его амплитуды и т. п. С увеличением амплитуды нелинейные искажения увеличиваются. Обычно при увеличении частоты нелинейные искажения в усилителе также увеличиваются.

Нелинейные искажения оцениваются коэффициентом гармоник К _Г , а также коэффициентом нелинейных искажений К _Н .

Коэффициент гармоник К _Г определяется как отношение среднеквадратического (действующего) значения напряжения суммы всех гармоник сигнала, кроме первой, к среднеквадратическому (действующему) значению напряжения первой гармоники по формуле (34):

где U ₁ , U ₂ , U ₃ , … Un – среднеквадратические значения напряжения отдельных гармоник выходного сигнала.

Коэффициент К _Г характеризует отличие формы данного периоди­ческого сигнала от гармонической.

Нетрудно увидеть, что при отсутствии в выходном сигнале высших гармоник, К _Г = 0, т.е. синусоидальный сигнал со входа на выход передается без искажений.

Коэффициент нелинейных искажений Кн определяется, как отношение среднеквадратического (действующего) значения напряжения высших гармоник к среднеквадратическому (действующему) значению всего сигнала по формуле (35):

Самыми распространенными одночастотными методами измерения являются:

1. Метод подавления основной гармоники.

2. Метод анализа напряжений.

Измерение нелинейных искажений методом подавления основной гармоники

В соответствии с формулой для определения коэффициента нелинейных иска­жений необходимо измерить действующее значение исследуемого сигнала и дейст­вующее значение высших гармонических составляющих.

Существуют специальные приборы, измеряющие коэффициент нелинейных искажений, называемые измерителями нелинейных искажений.

Упрощенная структурная схема аналогового измерителя нелинейных искажений приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Упрощенная структурная схема аналогового измерителя нелинейных искажений

Схема прибора сод ержит входное устройство, перестраиваемый режекторный фильтр и квадратичный вольтметр с аттенюатором.

Принцип действия прибора основан на раздельном измерении среднеквадратического значения напряжения исследуемого сигнала и среднеквадратического значения напряжения высших гармоник этого же сигнала.

Входное устройство обеспечивает необходимую величину входного сопротивления и служит для согласования измерительного прибора с источником исследуемого сигнала.

Режекторный фильтр в идеальном случае должен иметь бесконечно большое затухание на частоте первой (основной) гармоники и нулевое затухание на частотах высших гармоник. Обычно режекторный фильтр реализуется с помощью мостовой схемы Вина, состоящей из резисторов и конденсаторов (см. рисунок 2).

Измерение нелинейных искажений методом анализа напряжений

Измерение нелинейных искажений методом анализа напряжений (по отдельным гармоникам) осуществляется с помощью избирательного измерителя уровней (ИИУ).

Схема измерения коэффициента гармоник с помощью ИИУ приведена на рисунке 3, и состоит из генератора, ФНЧ, исследуемого четырехполюсника, ИИУ.

Рисунок 3 – Измерение коэффициента гармоник методом анализа напряжения

ИИУ подключается к выходу исследуемого объекта. При одночастотном синусоидальном сигнале для контроля напряжения любой частоты, оказавшейся в нем в результате нелинейных искажений. При этом ИИУ последовательно настраивается на первую, вторую, третью гармоники (а при необходимости и на более высокие), напряжение (уровень) которых нужно проконтролировать. Таким образом, отдельно измеряются уровни всех интересующих гармоник исследуемого сигнала, и находится затухание нелинейности для каждой из них, при этом берется разность уровня первой гармоники и каждой из контролировавшихся частот:

9.1.2 Спектр выходного тока при гармоническом сигнале на входе

Для работы с отсечкой напряжение смещения и амплитуда входного сигнала должны быть такими, чтобы мгновенное значение выходного напряжения попадали бы и на левый горизонтальный участок ДПХ. Угол , при котором ток достигает нуля, называется углом отсечки. При этом напряжение на базе равно напряжению смещения, т.е. , откуда угол отсечки определяется как

Таким образом, обеспечить заданный угол отсечки можно соответствующим образом выбранными напряжением смещения и амплитуды входного сигнала. Если гармонический сигнал целиком попадает на линейный участок (как на рис.2,а), то такой режим соответствует углу отсечки 180 0 , при этом амплитуда входного сигнала равна сумме напряжений отсечки и смещения. Это режим класса «А». Если напряжение смещения равно напряжению отсечки, то угол отсечки равен 90 0 . Такой режим называют режимом класса «В».
В общем случае мгновенное значение импульсов тока на периоде описывается выражением:

Такую периодическую (с периодом ) последовательность косинусоидальных импульсов можно разложить в ряд Фурье:

где I_к,0— амплитуда n-ой гармоники тока, определяемая выражениями для тригонометрического ряда Фурье как:

называются коэффициентами гармоник или коэффициентами Берга. Часто используют графики зависимостей коэффициентов Берга от угла отсечки, представленными на рис.4.

При все коэффициенты гармоник равны нулю (ток в этом случае вообще равен нулю), при отсечка тока отсутствует и режим работы становится линейным, все гармоники, за исключением первой, равны нулю.
Спектр входного напряжения и выходного тока представлены на рис.5.

С уменьшением угла отсечки импульсы тока сужаются, количество гармоник с заметными амплитудами растет, максимумы амплитуд смещаются в область малых значений углов отсечки и соответствуют углам, примерно равным 120 0 /n. Нелинейный режим работы с отсечкой тока используется в усилителях мощности, умножении частоты, амплитудном детектировании и др. преобразованиях.

© Андреевская Т.М., РЭ, МГИЭМ, 2004

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.