Что такое гармоника в электричестве: Гармонические составляющие тока и напряжения — Topsamoe.ru — Мир Антенн

Содержание

Гармонические составляющие тока и напряжения — Topsamoe.ru

Гармонические колебания – искажения синусоидальной формы напряжения и тока. Эти явления возникают в сетях переменного тока при переходных процессах, подключении нелинейной нагрузки. Появление гармоник вызывают:

Мощные промышленные выпрямители.
Индукционные и дуговые плавильные печи.
Люминесцентные и газоразрядные лампы.
Трансформаторы.
Оборудование для электросварки.
Источники бесперебойного электропитания.
Электродвигатели.
Микроволновые печи и другая бытовая техника.
Преобразователи частоты.

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.

В данной статье мы рассмотрим что такое гармоники, фундаментальную частоту и сложные формы волны из-за гармоник, в конце статьи подведем краткие итоги по этой теме.

Что такое гармоники

Гармоники — это нежелательные более высокие частоты, которые накладываются на основную форму волны, создавая искаженную волновую картину.

В цепи переменного тока сопротивление ведет себя точно так же, как в цепи постоянного тока. То есть ток, протекающий через сопротивление, пропорционален напряжению на нем. Это связано с тем, что резистор является линейным устройством, и если приложенное к нему напряжение представляет собой синусоидальную волну, ток, протекающий через него, также является синусоидальной, поэтому разность фаз между двумя синусоидами равна нулю.

Как правило, при работе с переменными напряжениями и токами в электрических цепях предполагается, что они имеют чистую и синусоидальную форму с присутствием только одного значения частоты, называемого «основной частотой», но это не всегда так.

В электрическом или электронном устройстве или цепи, которая имеет вольт-амперную характеристику,

Гармоники в силовой электронике | Техника и Программы

Гармоники известны музыкантам как обертоны основного звука музыкального инструмента. Они возникают вследствие появления серии стоячих волн разного порядка в музыкальном инструменте, а их частоты равны фундаментальной (основной) частоте звука, умноженной на целочисленный множитель. Точное математическое описание этого явления представлено в Табл. 14.1.

Таблица 14.1. Равномерно темперированный хроматический музыкальный строй (АЗ = 440 Гц)

Обозначение	Частота	Обозначение	Частота	Обозначение	Частота
A2	220. 00	АЗ	440.00	A4	880.00
A#2	233.08	A#3	466.16	A3#	932.32
B2	246.94	B3	493.88	B4	987.77
C3	261.63	C4	523.25	C5	1046.50
C#3	277.18	C#4	554.37	C#5	1108. 73
D3	293.66	D4	587.33	D5	1174.66
D#3	311.13	D#4	622.25	D#5	1244.51
E3	329.63	E4	659.26	E5	1318.51
F3	349.23	F4	698.46	F5	1396.91
F#3	369.99	F#4	739. 99	F5#	1479.98
G3	392.00	G4	783.99	G5	1567.98
G#3	415.30	G#4	830.61	G#5	1661.22

Примечание. Частота каждой ноты связана со следующей частотой соотношением, равным корню 12-й степени из 2, т.е. 1.05946. Таким образом, D#4(622.25) = D4(587.33)x 1.05946. В каждой октаве частоты нот являются удвоенными относительно предыдущей октавы.

Точно такие же вещи происходят и в электрических цепях, когда нелинейная нагрузка возбуждает гармоники в токе потребления, частоты которых кратны основной частоте. Быстрый рост твердотельной силовой электроники привел к значительному увеличению и числа, и размеров таких нагрузок, и упор в этой главе сделан на изучение их происхождения, взаимодействия с сетью и управления ими.

В гл. 6 мы касались несинусоидальных токов, возникающих в схемах с фазовым управлением. Основы механизма образования несинусоидального напряжения из-за взаимодействия гармоник проиллюстрированы на Рис. 14.3. На нем показаны результаты взаимодействия основной частоты с ее третьей гармоникой, амплитуда которой составляет */з от основной. Этот процесс обратим, т. e. несинусоидальные сигналы можно разложить на их гармонические составляющие. На Рис. 14.3 (вверху) показана третья гармоника в фазе с основной, что в результате дает близкую к прямоугольной форму тока, характерную для большинства однофазных преобразователей с индуктивной нагрузкой. Внизу показан результат сложения основной частоты с ее третьей гармоникой, сдвинутой на 180°, в результате чего получается форма тока, близкая к току намагничивания в трансформаторах.

Рис. 14.3. Результаты сложения основной частоты и ее третьей гармоники при разных фазах

Токи намагничивания в трансформаторах, дуговые печи, схемы управления на тиристорах, выпрямители и множество других видов нагрузок создают гармоники в токе потребления от сети электроснабжения. В большинстве сетей электроснабжения допустимый уровень гармоник тока ограничен значениями, приведенными в документе lEEE 519. Эти уровни являются функциями соотношения тока нагрузки и допустимого тока короткого замыкания фидера электропитания (отношение короткого замыкания), а целью введения ограничения на гармоники потребляемого тока является уменьшение искажений напряжения на выходе фидера, которые могут помешать работе другого оборудования. «Крепкий» фидер, способный обеспечить большой ток короткого замыкания, будет создавать меньшие возмущения напряжения под воздействием заданных уровней гармонических составляющих, чем «тощий» фидер, с низким отношением короткого замыкания.

Трехфазный тиристорный преобразователь с индуктивной нагрузкой потребляет из сети практически прямоугольные импульсы тока, сдвинутые на 120°. Их фазовые сдвиги относительно напряжения зависят от угла задержки включения тиристоров, и их легко уяснить на примере тиристорной схемы управления двигателем постоянного тока. Графики напряжения и тока слева на Рис. 14.4 соответствуют максимальной скорости вращения вала двигателя при полном входном напряжении. Невооруженным глазом видно, что в этом случае напряжение фаза-нейтраль совпадает по фазе с основной гармоникой тока потребления. Для половинных напряжения и скорости, когда угол задержки включения тиристоров равен 60°, графики показаны в центре. И наконец, при угле задержки включения тиристоров 90°, когда ток течет при нулевом напряжении, а вал не вращается, графики приведены справа.

Рис. 14.4. Графики напряжений и токов при разныхуглахзадержки включения тиристоров в схеме управления двигателем постоянного тока

Если вернуться к рассмотрению коэффициента мощности, дело станет сложнее. Легко математически показать, что при синусоидальном напряжении в создании активной мощности участвует только основная частотная компонента тока и ее фазовый сдвиг относительно напряжения. Короче,

где 0 — сдвиг фаз между напряжением и первой гармоникой тока. Таким образом, получается, что мощность точно определяется значением 9, a cos(9) является коэффициентом мощности. Однако вот тут-то проблемы и возникают. Ток, кроме первой гармоники, содержит и другие, и его среднеквадратичное значение больше, чем среднеквадратичное значение только первой гармоники. Но угол 0 относится только к первой гармонике, и активная мощность окажется меньшей частью произведения напряжения на ток с учетом всех гармоник тока. А еще ведь существует основное определение коэффициента мощности, ватты, деленные на вольт-амперы. Единственный путь выпутаться из этого клубка, это принять, что, когда в токе есть гармоники, имеются два коэффициента мощности. Один из них, определяемый как ватты, деленные на вольт-амперы, принято называть «истинным», «реальным» или «очевидным» коэффициентом мощности. Другой, называемый коэффициентоммощности смещгнш, рассчитывается по значениям только первой гармоники тока и сдвига фазы между ней и напряжением. Коэффициент мощности смещения всегда больше, чем «истинный», «реальный» или «очевидный» коэффициент мощности. Ваттметры и измерители ватт-часов обычно не учитывают гармоники в токе и работают с коэффициентом мощности смещения.

Если схема управления двигателем постоянного тока работает при постоянном значении тока (Рис. 14.4), то можно построить график изменения коэффициента мощности от угла задержки включения тиристоров. На Рис. 14.5 приведены графики, показывающие, что коэффициент мощности смещения пропорционален мощности и скорости вращения вала. При построении этих графиков влияние реактанса и потерь не учитывалось.

Рис. 14.5. Характеристики схемы управления двигателем постоянного тока

па тиристорах

Следует отметить, что если из-за гармоник в потребляемом токе появляются искажения и в напряжении, то возможно появление реальных потерь мощности. Однако предположение о синусоидальности напряжении сети является справедливым при большинстве расчетов в силовой электронике.

Источник: Сукер К. Силовая электроника. Руководство разработчика. — М.: Издательский дом «Додэка-ХХI, 2008. — 252 c.: ил. (Серия «Силовая электроника»).

Высшие гармоники и их влияние на сети переменного тока

В трехфазных сетях, как правило, кривые напряжения во второй и третьей фазе со сдвигом на треть периода в точности воспроизводят форму кривой напряжения в первой фазе. Например, в фазе А напряжение u_A может быть представлено некоторой функцией времени:

Где Т – это период основной частоты.

Давайте рассмотрим гармонику порядка k функции f(t) во всех трех фазах.

Учитывая, что ωТ = 2π и вместо t подставляя t – T/3 и t + T/3 получим:

Если сравнить полученные выражения для различных значений k, можно заметить, что напряжение гармоник, кратных трем (k = 3n), где n – любое целое число, во всех фазах имеют одно и то же направление и значение. Гармоники трех фаз при k = 3n + 1 образуют симметричную систему напряжений с последовательностью, совпадающей с последовательностью фаз первой гармоники. В случае k = 3n – 1 гармоники образуют симметричную систему напряжений с последовательностью, обратной основной.

Отсюда следует, что гармоники порядка 1, 4, 7, 10, 13 и так далее образуют системы напряжений прямой последовательности, а гармоники 2, 5, 8, 11, 14 и так далее образуют системы напряжений обратной последовательности. Системы напряжений нулевой последовательности образуют гармоники 3, 6, 9, 12 и так далее.

Если в напряжении каждой из фаз присутствует постоянная составляющая, она может рассматриваться как нулевая гармоника, кратная трем (k = 3·0), то есть образующая нулевую последовательность.

В большинстве случаев, которые важны при практическом применении, в напряжении отсутствуют как все четные гармоники, так и постоянная составляющая, поэтому при дальнейшем рассмотрении ограничимся только нечетными гармониками. Рассмотрим различные схемы соединения трехфазных систем.

Если фазы генератора соединены в звезду, то при несинусоидальном фазном напряжении линейные напряжения (равные разности напряжений двух смежных фаз) не будут содержать в себе гармоник порядка, кратного трем, так как последние образуют системы нулевой последовательности.

Отсутствие гармоник порядка, кратного трем, в линейных напряжениях приводит к тому, что при несинусоидальных напряжениях отношение линейного напряжения к фазному будет меньше . Действительное фазное напряжение будет равно:

А линейное напряжение:

Отсюда следует, что:

Все высшие гармоники и фазные токи основной частоты при симметричной нагрузке, за исключением высших гармоник порядка, кратного трем, образуют систему обратной и прямой последовательностей, которые в сумме дают нуль. Высшие гармоники порядка, кратного трем, образуют систему нулевой последовательности, то есть имеют одну и ту же величину и направление. Поэтому ток в нейтральном проводнике будет равен утроенной сумме тока высших гармоник нулевой последовательности:

В случае отсутствия нейтрального провода токи в каждой из фаз не могут иметь высших гармоник с порядком кратным трем. Это связано с тем, что в такой системе сумма токов в любой момент времени должна быть равна нулю, что невозможно при наличии высших гармоник порядка, кратного трем. Так как в этом случае в нагрузке нет напряжений от токов нулевой последовательности, то между нулевыми точками генератора и симметричной нагрузкой может появиться значительное напряжение, содержащее только гармоники, кратные трем.

При соединении фаз генератора треугольником при несинусоидальных фазных ЭДС, сумма ЭДС, действующих в замкнутом контуре генератора, не будет всегда равна нулю, что имело бы место при синусоидальных ЭДС, а будет равна тройной сумме высших гармоник порядка, кратного трем. Если включить вольтметр в рассечку треугольника (рисунок ниже):

гармоник и их эффекты | Электротехнические примечания и статьи

Что такое гармоники ?.

Гармоники — это синусоидальные напряжения или токи, частоты которых кратны частоте, на которую рассчитана работа системы питания (например, 50 Гц или 60 Гц).
Гармоники — это просто метод анализа тока, потребляемого компьютерами, электронными балластами, частотно-регулируемыми приводами и другим оборудованием, имеющим модемные «бестрансформаторные» источники питания.
При рассмотрении гармоник энергосистемы следует помнить о двух важных концепциях.
Первый — это характер нагрузок, вызывающих гармонические токи (нелинейные нагрузки), а второй — способ протекания гармонических токов и формирование результирующих гармонических напряжений.
В электротехнике существует закон, называемый законом Ома. Этот основной закон гласит, что при приложении напряжения к сопротивлению течет ток. Так работает все электрооборудование.Напряжение, которое мы прикладываем к нашему оборудованию, представляет собой синусоидальную волну с частотой 60 Гц (циклов в секунду).

Для генерации этой синусоидальной волны напряжения. Он имеет (относительно) постоянную амплитуду и постоянную частоту.
Когда это напряжение подается на устройство, срабатывает закон Ома. Закон Ома гласит, что ток равен напряжению, деленному на сопротивление. Выражается математически I = V / R
Графически выраженный ток становится еще одной синусоидальной волной, поскольку сопротивление — постоянное число. Закон Ома гласит, что частота волны тока также составляет 60 Гц. В реальном мире это правда; хотя две синусоидальные волны могут не совпадать идеально (как коэффициент мощности), текущая волна действительно будет синусоидальной волной 60 Гц.

Так как синусоидальная волна приложенного напряжения будет вызывать синусоидальный ток, системы, которые демонстрируют такое поведение, называются линейными системами. Лампы накаливания, нагреватели и двигатели представляют собой линейные системы.
Однако часть нашего модемного оборудования не подходит к этой категории.Компьютеры, частотно-регулируемые приводы, электронные балласты и системы бесперебойного питания — это нелинейные системы. В этих системах сопротивление не является постоянным и фактически изменяется в течение каждой синусоидальной волны. Это происходит потому, что сопротивление устройства не является постоянным. Фактически сопротивление изменяется во время каждой синусоидальной волны

Линейные и нелинейные нагрузки (двигатели, нагреватели и лампы накаливания):

Линейный элемент в энергосистеме — это компонент, в котором ток пропорционален напряжению.
В общем, это означает, что форма волны тока будет такой же, как и напряжение (см. Рисунок 1). Типичные примеры линейных нагрузок включают двигатели, нагреватели и лампы накаливания.

Рис. 1. Осциллограммы напряжения и тока для линейного

Нелинейная система (компьютеры, VFDS, электронные балласты):

Как показано на рисунке Когда мы подаем напряжение на твердотельный источник питания, потребляемый ток равен (приблизительно) нулю до тех пор, пока на синусоиде не будет достигнуто критическое «напряжение зажигания».При таком напряжении зажигания транзистор (или другое устройство) закрывается или пропускает ток.
Этот ток обычно увеличивается со временем до пика синусоидальной волны и уменьшается до тех пор, пока не будет достигнуто критическое напряжение зажигания на «нисходящей стороне» синусоидальной волны. Затем устройство отключается, и ток падает до нуля. То же самое происходит на отрицательной стороне синусоидальной волны со вторым отрицательным импульсом тока. В этом случае потребляемый ток представляет собой серию положительных и отрицательных импульсов, а не синусоидальную волну, подаваемую линейными системами.
Некоторые системы имеют сигналы различной формы, например прямоугольные. Эти типы систем часто называют нелинейными системами. Источники питания, которые потребляют этот тип тока, называются импульсными источниками питания. Как только эти импульсные токи сформированы, нам трудно анализировать их влияние. Энергетиков учат анализировать влияние синусоидальных волн на энергосистемы. Анализировать влияние этих импульсов намного сложнее.

Рисунок 2.Осциллограммы напряжения и тока для линейного

Ток, потребляемый нелинейными нагрузками, не синусоидальный, а периодический, что означает, что волна тока выглядит одинаково от цикла к циклу. Периодические сигналы можно математически описать как серию синусоидальных сигналов, которые были суммированы.

Рис. 3. Форма сигнала с симметричными гармоническими составляющими

Синусоидальные составляющие являются целыми числами, кратными основной гармонике, в то время как основная гармоника в США составляет 60 Гц. Единственный способ измерить напряжение или ток, содержащие гармоники, — это использовать измеритель истинного среднеквадратичного значения. Если используется усредняющий измеритель, который является наиболее распространенным типом, ошибка может быть значительной.
Каждый член в ряду называется гармоникой основной гармоники. Третья гармоника будет иметь трехкратную частоту 60 Гц или 180 Гц. Симметричные волны содержат только нечетные гармоники, а несимметричные волны содержат четные и нечетные гармоники.
Симметричная волна — это волна, в которой положительная часть волны идентична отрицательной части волны.Несимметричная волна содержит составляющую постоянного тока (или смещение), или нагрузка такова, что положительная часть волны отличается от отрицательной части. Примером несимметричной волны может быть полуволновой выпрямитель.
Большинство элементов энергосистемы симметричны. Они производят только нечетные гармоники и не имеют смещения постоянного тока.

Гармонический ток

Когда нелинейная нагрузка потребляет ток, этот ток проходит через весь импеданс между нагрузкой и источником системы (см. Рисунок 4).В результате протекания тока гармонические напряжения создаются импедансом в системе для каждой гармоники.

Рисунок 4 — Искажение напряжения, вызванное искаженным током

Сумма этих напряжений, добавленная к номинальному напряжению, вызывает искажение напряжения. Величина искажения напряжения зависит от полного сопротивления источника и создаваемых гармонических напряжений.
Если сопротивление источника низкое, искажение напряжения будет низким. Если значительная часть нагрузки становится нелинейной (возрастают гармонические токи) и / или когда преобладает резонансное состояние (увеличивается полное сопротивление системы), напряжение может резко возрасти.

Гармонические токи могут вызвать ряд проблем:

Оборудование отопительное
Неисправность оборудования
Отказ оборудования
Помехи связи
Неисправность предохранителя и прерывателя
Проблемы процесса
Проводник нагревательный.

Как генерируются гармоники

В идеальной чистой энергосистеме формы сигналов тока и напряжения представляют собой чистые синусоиды .На практике несинусоидальные токи доступны из-за того, что ток, протекающий в нагрузке, не связан линейно с приложенным напряжением.
В простой цепи, содержащей только элементы линейной цепи сопротивления, индуктивности и емкости. Протекающий ток пропорционален приложенному напряжению (при определенной частоте), поэтому, если приложено синусоидальное напряжение, будет течь синусоидальный ток. Обратите внимание, что там, где есть реактивный элемент, будет фазовый сдвиг между формами волны напряжения и тока, коэффициент мощности уменьшается, но схема все еще может быть линейной.
Но в ситуации, когда нагрузка представляет собой простой двухполупериодный выпрямитель и конденсатор, такой как входной каскад типичного импульсного источника питания (SMPS). В этом случае ток течет только тогда, когда напряжение питания превышает напряжение, хранящееся на накопительном конденсаторе, то есть близко к пику синусоидальной волны напряжения, как показано формой линии нагрузки.
Любая циклическая форма волны может быть преобразована в синусоиду на основной частоте плюс ряд синусоид на гармонических частотах.Таким образом, искаженная форма волны тока на рисунке может быть представлена основной гармоникой плюс процент второй гармоники плюс процент третьей гармоники и так далее, возможно, вплоть до тридцатой гармоники.
Для симметричных сигналов, т. Е. Когда положительный и отрицательный полупериоды имеют одинаковую форму и величину, все гармоники с четными номерами равны нулю. Четные гармоники сейчас относительно редки, но были обычным явлением, когда широко использовалось полуволновое выпрямление.
Частоты, которые мы используем, кратны основной частоте, 60 Гц.Мы называем эти множественные частоты гармониками. Вторая гармоника составляет два раза по 60 Гц или 120 Гц. Третья гармоника — 180 Гц и так далее. В наших трехфазных энергосистемах «четные» гармоники (вторая, четвертая, шестая и т. Д.) Отменяются, поэтому нам нужно иметь дело только с «нечетными» гармониками.

На этом рисунке показаны основная и третья гармоники. На каждый цикл основной гармоники приходится три цикла третьей гармоники. Если мы сложим эти две формы волны, мы получим несинусоидальную форму волны.
Теперь этот результат начинает формировать пики, которые указывают на импульсы, потребляемые импульсными источниками питания. Если мы добавим другие гармоники, мы сможем смоделировать любую искаженную периодическую форму волны, такую как прямоугольные волны, генерируемые ИБП систем VFD. Важно помнить, что эти гармоники — просто математическая модель. Импульсы, прямоугольные волны или другие искаженные формы сигналов — это то, что мы на самом деле увидим, если бы поместили осциллограф на систему электропроводки здания.
Эти импульсы тока из-за закона Ома также начинают искажать формы волны напряжения в здании.Это искажение напряжения может вызвать преждевременный выход из строя электронных устройств.
В трехфазных системах три фазы энергосистемы сдвинуты по фазе на 120 футов. Ток в фазе B возникает на 120 градусов (1/3 цикла) после тока в A. Аналогично, ток в фазе C возникает через 120 минут после тока в фазе B. Из-за этого наши токи 60 Гц (основной) фактически отменить на нейтрали. Если мы сбалансировали токи 60 Гц на трех фазных проводниках, ток нейтрали будет равен нулю.Математически можно показать, что ток нейтрали (при условии наличия только 60 Гц) никогда не превысит фазный провод с наибольшей нагрузкой. Таким образом, наша защита от перегрузки по току на наших фазных проводниках также защищает нейтральный провод, даже если мы не устанавливаем устройство защиты от перегрузки по току в нейтральный провод. Мы защищаем нейтральных с помощью математики. Когда присутствуют гармонические токи, эта математика не работает. Третья гармоника каждого из трех фазных проводов точно совпадает по фазе.Когда эти гармонические токи сходятся на нейтрали, а не отменяются, они фактически складываются, и мы можем иметь больше тока на нейтральном проводе, чем на фазных проводниках. Наши нейтральные проводники больше не защищены математикой!
Эти гармонические токи создают тепло. Это тепло с течением времени повысит температуру нейтрального проводника. Это повышение температуры может привести к перегреву окружающих проводов и нарушению изоляции. Эти токи также приведут к перегреву источников трансформатора, питающего энергосистему.Это наиболее очевидный симптом проблем с гармониками; перегрев нейтральных проводов и трансформаторов. Другие симптомы включают:

Моментальное отключение выключателей
Неисправность систем ИБП и систем генераторов
Проблемы с измерением
Неисправности компьютера
Проблемы с перенапряжением

Типы оборудования, генерирующего гармоники:

Гармонические токи нагрузки генерируются всеми нелинейными нагрузками.К ним относятся:
Для однофазных нагрузок, например

Импульсные источники питания (SMPS)
ПРА электронные люминесцентные
Компактные люминесцентные лампы (КЛЛ)
Малые источники бесперебойного питания (ИБП)

Для трехфазных нагрузок, например

Частотные преобразователи
Большие ИБП

Однофазные нагрузки

(A) Импульсные источники питания (SMPS)

В большинстве современных электронных блоков используются импульсные источники питания (ИИП).
Они отличаются от более старых блоков тем, что традиционные понижающие трансформатор и выпрямитель заменены прямым управляемым выпрямителем источника питания для зарядки накопительного конденсатора, из которого постоянный ток для нагрузки выводится методом, соответствующим выходному напряжению и току. обязательный.
Преимущество — для производителя оборудования — в том, что размер, стоимость и вес значительно уменьшены, а блок питания может быть выполнен практически в любом требуемом форм-факторе.
Недостаток — для всех остальных — в том, что вместо того, чтобы потреблять постоянный ток от источника питания, блок питания потребляет импульсы тока, которые содержат большое количество третьей и высшей гармоник и значительные высокочастотные составляющие.
На входе источника питания установлен простой фильтр для обхода высокочастотных составляющих от линии и нейтрали к земле, но он не влияет на гармонические токи, которые текут обратно в источник питания.

(B) Однофазные ИБП имеют характеристики, очень похожие на ИБП.

Для блоков большой мощности в последнее время наблюдается тенденция к использованию так называемых входов с коррекцией коэффициента мощности.
Цель состоит в том, чтобы сделать нагрузку источника питания похожей на резистивную нагрузку, чтобы входной ток выглядел синусоидальным и совпадал по фазе с приложенным напряжением. Это достигается за счет подачи входного тока в виде высокочастотного треугольного сигнала, который усредняется входным фильтром до синусоиды.
Этот дополнительный уровень сложности еще не всегда применим к недорогим устройствам, которые составляют большую часть нагрузки в коммерческих и промышленных установках.Еще неизвестно, с какими проблемами может столкнуться широкомасштабное применение этой технологии!

(C) Балласт люминесцентного освещения

Электронные пускорегулирующие устройства для освещения стали популярными в последние годы после заявлений о повышении эффективности. В целом они лишь немного более эффективны, чем лучшие магнитные балласты, и на самом деле большая часть усиления связана с тем, что лампа более эффективна при работе на высокой частоте, а не на самом электронном балласте.
Их главное преимущество заключается в том, что уровень освещенности может поддерживаться в течение длительного срока службы за счет управления текущим током с обратной связью — практика, которая снижает общую эффективность срока службы.
Их большой недостаток в том, что они генерируют гармоники в питающем токе. Доступны так называемые типы с коррекцией коэффициента мощности с более высокими номинальными характеристиками, которые уменьшают проблемы с гармониками, но с меньшими затратами. Меньшие блоки обычно не исправляются.

(D) Компактные люминесцентные лампы (CFL)

CFL теперь продаются для замены вольфрамовых ламп накаливания.Миниатюрный электронный балласт, расположенный в корпусе разъема, управляет свернутой люминесцентной лампой диаметром 8 мм.
мощностью 11 Вт продаются в качестве замены лампы накаливания на 60 Вт и имеют ожидаемый срок службы 8000 часов.
Спектр гармонических токов показан на рисунке. Эти лампы широко используются для замены ламп накаливания в жилых домах и особенно в отелях, где серьезные проблемы с гармониками внезапно становятся обычным явлением.

Трехфазные нагрузки

(A) Преобразователи частоты / ИБП:

Контроллеры переменной скорости, блоки ИБП и преобразователи постоянного тока в целом обычно основаны на трехфазном мосте, также известном как шестиимпульсный мост, потому что на выходе постоянного тока имеется шесть импульсов на цикл (один на половину цикла на фазу) .
Шестиимпульсный мост генерирует гармоники с частотой 6n +/- 1, то есть на единицу больше и на одну меньше, чем каждая кратная шести. Теоретически величина каждой гармоники обратна номеру гармоники, поэтому будет 20% пятой гармоники, 9% одиннадцатой гармоники и т. Д.
Величина гармоник значительно снижена за счет использования двенадцатиимпульсного моста. Фактически это два шестиимпульсных моста, питаемых от обмотки трансформатора по схеме звезда и треугольник, обеспечивающие сдвиг фаз между ними на 30 градусов.
Гармоники 6n теоретически удаляются, но на практике величина уменьшения зависит от согласования преобразователей и обычно составляет от 20 до 50 раз. Гармоники 12n остаются неизменными. Уменьшается не только общий гармонический ток, но и оставшиеся более высокого порядка, что значительно упрощает конструкцию фильтра.
Часто производитель оборудования предпринимал некоторые шаги для уменьшения величин гармонических токов, возможно, путем добавления фильтра или последовательных катушек индуктивности.В прошлом это приводило к тому, что некоторые производители заявляли, что их оборудование соответствует стандарту «G5 / 3». Поскольку G5 / 3 является стандартом планирования, применимым к полной установке, нельзя сказать, что он был соблюден без знания каждого элемента оборудования на объекте.
Дальнейшее увеличение количества импульсов до 24, достигнутое за счет использования двух параллельных двенадцатиимпульсных блоков с фазовым сдвигом 15 градусов, снижает общий гармонический ток примерно до 4,5%. Конечно, из-за изощренности увеличивается стоимость, поэтому контроллер этого типа будет использоваться только в случае крайней необходимости для соблюдения ограничений, установленных поставщиками электроэнергии.

Проблемы, вызванные гармониками

Гармонические токи вызывают проблемы как в системе питания, так и внутри установки.
Эффекты и решения очень разные и требуют отдельного рассмотрения; меры, которые подходят для управления эффектами гармоник внутри установки, не обязательно могут уменьшить искажения, вызываемые питанием, и наоборот.
Гармонические проблемы в установке
Проблемы, вызванные гармоническими токами:

перегрузка нейтралей
перегрев трансформаторов
ложное срабатывание выключателей
перенапряжение конденсаторов коррекции коэффициента мощности
скин-эффект

Проблемы, вызванные гармоническими напряжениями:

искажение напряжения
асинхронные двигатели
шум перехода через нуль
Проблемы, возникающие при достижении гармоническими токами источника питания

Проблемы, вызванные гармоническими токами

(1) Перегрев нейтрали

В трехфазной системе форма волны напряжения от каждой фазы к нейтрали, так что, когда каждая фаза одинаково нагружена, точка звезды ° смещается на 120 единиц комбинированного тока в нейтрали.
Когда нагрузки не сбалансированы, в нейтрали течет только чистый несбалансированный ток. В прошлом установщики (с одобрения органов стандартизации) воспользовались этим фактом, установив нейтральные проводники половинного размера. Однако, хотя основные токи компенсируются, гармонические токи нет — фактически те, которые нечетно кратны трехкратным основным гармоникам, «тройным N» гармоникам, добавляют нейтраль.
Фазные токи третьего °, вводимые при 120 гармониках каждой фазы, идентичны, что в три раза превышает частоту и одну треть (основного) смещения цикла.
Внизу показан эффективный нейтральный ток третьей гармоники. В этом случае 70% тока третьей гармоники в каждой фазе дает 210% тока в нейтрали.
Примеры использования в коммерческих зданиях обычно показывают токи нейтрали между 150% и 210% фазных токов, часто в проводе половинного размера!
Есть некоторая путаница относительно того, как дизайнеры должны решать эту проблему.
Простым решением при использовании одножильных кабелей является установка нейтрали двойного размера, либо в виде двух отдельных проводников, либо в виде одного большого проводника.
Ситуация, когда используются многожильные кабели, не так проста. Характеристики многожильных кабелей (например, приведенные в IEC 60364–5-523, таблица 52 и BS 7671, приложение 4) предполагают, что нагрузка сбалансирована, а нейтральный проводник не пропускает ток, другими словами, только три из четырех или пять жил проводят ток и выделяют тепло. Поскольку допустимая нагрузка кабеля по току определяется исключительно количеством тепла, которое он может рассеять при максимально допустимой температуре, из этого следует, что кабели, пропускающие тройные токи N, должны быть снижены.
В примере, показанном выше, кабель пропускает пять единиц тока — три в фазах и два в нейтрали, тогда как он был рассчитан на три единицы. Его следует снизить примерно до 60% от нормального.
IEC 60364-5-523, приложение C (справочное) предлагает ряд факторов снижения номинальных характеристик в зависимости от присутствующего гармонического тока тройного N. На рисунке 13 показан коэффициент снижения номинальных характеристик по отношению к содержанию гармоник тройного N для снижения номинальных значений, описанного в IEC 60364-5-523, приложение C, и для теплового метода, использованного выше.

(2) Воздействие на трансформаторы

На трансформаторы гармоники влияют двояко.
Во-первых, потери на вихревые токи , обычно около 10% потерь при полной нагрузке, увеличиваются пропорционально квадрату номера гармоники.
На практике для полностью нагруженного трансформатора, питающего нагрузку, состоящую из оборудования IT, общие потери в трансформаторе будут вдвое выше, чем для эквивалентной линейной нагрузки.
Это приводит к гораздо более высокой рабочей температуре и более короткому сроку службы.Фактически, при таких обстоятельствах срок службы сократится примерно с 40 лет до примерно 40 дней! К счастью, несколько трансформаторов полностью загружены, но при выборе установки необходимо учитывать этот эффект.
Второй эффект касается гармоник тройного N . При отражении обратно в обмотку треугольником все они находятся в фазе, поэтому в обмотке циркулируют гармонические токи тройного N.
Гармоники тройного N эффективно поглощаются обмоткой и не распространяются на источник питания, поэтому трансформаторы с треугольной обмоткой полезны в качестве изолирующих трансформаторов.Обратите внимание, что все другие гармоники, не являющиеся тройными N, проходят. При оценке трансформатора необходимо учитывать циркулирующий ток.

(3) Непредвиденное срабатывание выключателей

Автоматические выключатели остаточного тока (RCCB) работают путем суммирования тока в фазном и нейтральном проводниках и, если результат выходит за пределы номинального значения, отключения питания от нагрузки. Мешающее отключение может происходить при наличии гармоник по двум причинам.
Во-первых, RCCB, будучи электромеханическим устройством, может неправильно суммировать высокочастотные составляющие и, следовательно, срабатывать ошибочно.
Во-вторых, оборудование, генерирующее гармоники, также генерирует коммутационные шумы, которые необходимо фильтровать при подключении питания оборудования. Фильтры, обычно используемые для этой цели, имеют конденсатор, соединяющий линию и нейтраль с землей, и поэтому пропускают небольшой ток на землю.
Этот ток ограничен стандартами до менее 3.5 мА и обычно намного ниже, но когда оборудование подключено к одной цепи, тока утечки может быть достаточно для отключения ВДТ. Ситуацию легко преодолеть, предоставив больше цепей, каждая из которых обеспечивает меньшее количество нагрузок.
Мешающее срабатывание автоматических выключателей (MCB) обычно возникает из-за того, что ток, протекающий в цепи, превышает ожидаемый из расчетов или простых измерений из-за наличия гармонических токов.
Большинство портативных измерительных приборов не измеряют истинные среднеквадратичные значения и могут недооценивать несинусоидальные токи на 40%.

(4) Перенапряжение конденсаторов коррекции коэффициента мощности

Конденсаторы коррекции коэффициента мощности предназначены для того, чтобы потреблять ток с опережающим фазовым углом для компенсации запаздывающего тока, потребляемого индуктивной нагрузкой, такой как асинхронные двигатели.
Эффективная схема замещения конденсатора PFC с нелинейной нагрузкой. Импеданс конденсатора PFC уменьшается с ростом частоты, в то время как полное сопротивление источника обычно индуктивно и увеличивается с увеличением частоты.Следовательно, конденсатор может пропускать довольно высокие гармонические токи, и, если он не был специально разработан для их обработки, это может привести к повреждению.
Потенциально более серьезная проблема заключается в том, что конденсатор и паразитная индуктивность системы питания могут резонировать на одной из частот гармоник или около нее (что, конечно, происходит с интервалами 100 Гц). Когда это происходит, могут возникать очень большие напряжения и токи, часто приводящие к катастрофическому отказу конденсаторной системы.
Резонанса можно избежать, добавив индуктивность последовательно с конденсатором, так что комбинация будет просто индуктивной на самой низкой значимой гармонике. Это решение также ограничивает гармонический ток, который может протекать в конденсаторе. Физический размер индуктора может быть проблемой, особенно при наличии гармоник низкого порядка.

(5) Скин-эффект

Переменный ток имеет тенденцию течь по внешней поверхности проводника.Это известно как скин-эффект и более выражено на высоких частотах.
Скин-эффект обычно игнорируется, потому что он очень мало влияет на частотах источника питания, но выше примерно 350 Гц, то есть седьмой гармоники и выше, скин-эффект станет значительным, вызывая дополнительные потери и нагрев. Там, где присутствуют гармонические токи, проектировщики должны учитывать скин-эффект и соответственно снижать номиналы кабелей.
Для решения этой проблемы можно использовать несколько жил кабеля или многослойные шины.Также обратите внимание, что монтажные системы сборных шин должны быть спроектированы так, чтобы избежать механического резонанса на гармонических частотах.

Проблемы, вызванные гармоническими напряжениями

(1) искажение напряжения

Поскольку источник питания имеет полное сопротивление, гармонические токи нагрузки вызывают гармонические искажения напряжения на форме волны напряжения (это причина «плоской вершины»).
Импеданс состоит из двух элементов: внутренней кабельной разводки от точки общего соединения (PCC) и элемента питания на PCC, т.е.г. трансформатор местного питания.
Искаженный ток нагрузки, потребляемый нелинейной нагрузкой, вызывает искаженное падение напряжения на импедансе кабеля. Результирующая искаженная форма волны напряжения применяется ко всем другим нагрузкам, подключенным к той же цепи, в результате чего в них протекают гармонические токи, даже если они являются линейными нагрузками.
Решение: Решение состоит в том, чтобы отделить цепи, питающие нагрузки, генерирующие гармоники, от тех, которые питают нагрузки, чувствительные к гармоникам, как показано на рисунке 16.Здесь отдельные цепи питают линейные и нелинейные нагрузки от точки общей связи, так что искажение напряжения, вызванное нелинейной нагрузкой, не влияет на линейную нагрузку.
При рассмотрении величины гармонических искажений напряжения следует помнить, что при переключении нагрузки на ИБП или резервный генератор во время сбоя питания полное сопротивление источника и результирующее искажение напряжения будут намного выше.
Если установлены местные трансформаторы, их следует выбирать так, чтобы они имели достаточно низкий выходной импеданс и достаточную мощность, чтобы выдерживать дополнительный нагрев, другими словами, путем выбора трансформатора соответствующего размера.
Обратите внимание, что нецелесообразно выбирать конструкцию трансформатора, в которой увеличение мощности достигается просто за счет принудительного охлаждения — такой блок будет работать при более высоких внутренних температурах и иметь сокращенный срок службы. Принудительное охлаждение следует использовать только в аварийных ситуациях и никогда не полагаться на нормальную работу.

(2) Асинхронные двигатели

Гармоническое искажение напряжения вызывает повышенные потери на вихревые токи в двигателях так же, как и в трансформаторах.Однако дополнительные потери возникают из-за генерации гармонических полей в статоре, каждое из которых пытается вращать двигатель с разной скоростью вперед или назад. Наведенные в роторе токи высокой частоты дополнительно увеличивают потери.
При наличии гармонических искажений напряжения двигатели должны быть снижены в номинальных значениях для учета дополнительных потерь.

(3) Шум перехода через ноль

Многие электронные контроллеры определяют точку, в которой напряжение питания пересекает ноль вольт, чтобы определить, когда следует включить нагрузку.Это происходит потому, что переключение индуктивных нагрузок при нулевом напряжении не вызывает переходных процессов, что снижает электромагнитные помехи (EMI) и нагрузку на полупроводниковые коммутационные устройства.
Когда в источнике питания присутствуют гармоники или переходные процессы, скорость изменения напряжения на переходе становится быстрее и труднее идентифицировать, что приводит к неустойчивой работе. Фактически может происходить несколько переходов через ноль за полупериод.

(4) Гармонические проблемы, влияющие на питание

Когда гармонический ток поступает из источника питания, он вызывает падение гармонического напряжения, пропорциональное импедансу источника в точке общей связи (PCC) и току.
Поскольку сеть питания обычно индуктивна, полное сопротивление источника выше на более высоких частотах. Конечно, напряжение на PCC уже искажено гармоническими токами, потребляемыми другими потребителями, и искажениями, присущими трансформаторам, и каждый потребитель вносит дополнительный вклад.

Средства для уменьшения гармонических проблем:

(1) Нейтральные проводники большего размера

В трехфазных цепях с общей нейтралью обычно увеличивается размер нейтрального проводника до 200%, когда обслуживаемая нагрузка состоит из нелинейных нагрузок.Например, большинство производителей системной мебели предоставляют провод 10 AWG с клеммами на 35 А для нейтрали, совместно используемой с тремя фазными проводниками 12 AWG.
В фидерах с большой нелинейной нагрузкой нейтральный провод фидера и шина панели управления также должны быть большего размера.

(2) Использование отдельных нейтральных проводников

В трехфазных ответвленных цепях другая философия заключается в том, чтобы не объединять нейтрали, а прокладывать отдельные нейтральные проводники для каждого фазного провода. Это увеличивает использование меди на 33%. Несмотря на то, что это успешно устраняет добавление гармонических токов в нейтралах ответвленной цепи, номинальная шина нейтрали панели управления и нейтральный провод фидера все же должны быть большего размера.
Увеличенный размер трансформаторов и генераторов: Увеличенный размер оборудования для увеличения тепловой мощности должен также использоваться для трансформаторов и генераторов, которые обслуживают нагрузки, генерирующие гармоники. Более крупное оборудование содержит больше меди.

(3) Пассивные фильтры

Пассивные фильтры используются для обеспечения низкоомного пути для гармонических токов, так что они протекают в фильтре, а не в источнике питания.
Фильтр может быть разработан для одиночной гармоники или для широкой полосы в зависимости от требований.
Иногда предлагаются простые серийные полосовые заградительные фильтры либо в фазе, либо в нейтрали. Последовательный фильтр предназначен для блокирования гармонических токов, а не для обеспечения их контролируемого пути, поэтому на нем возникает большое падение гармонического напряжения.
Эта гармоника напряжения появляется в цепи питания со стороны нагрузки. Поскольку напряжение питания сильно искажено, оно больше не соответствует стандартам, для которых оборудование было разработано и на которое распространяется гарантия.Некоторое оборудование относительно нечувствительно к этим искажениям, но некоторые очень чувствительны. Серийные фильтры могут быть полезны в определенных обстоятельствах, но их следует применять осторожно; их нельзя рекомендовать как решение общего назначения.

(4) Изолирующие трансформаторы

Как упоминалось ранее, тройные токи N циркулируют в обмотках трансформаторов, соединенных треугольником. Хотя это является проблемой для производителей трансформаторов и спецификаций, необходимо учитывать дополнительную нагрузку, это выгодно для проектировщиков систем, поскольку изолирует гармоники тройного N от источника питания.
Такой же эффект можно получить, используя трансформатор с зигзагообразной обмоткой. Зигзагообразные трансформаторы — это автотрансформаторы звездообразной конфигурации с определенным соотношением фаз между обмотками, которые соединены шунтом с источником питания.

(5) Активные фильтры

Упомянутые до сих пор решения подходят только для определенных гармоник, разделительный трансформатор используется только для гармоник с тройным N, а пассивные фильтры — только для их расчетной гармонической частоты.В некоторых установках содержание гармоник менее предсказуемо.
Например, во многих ИТ-установках состав и расположение оборудования постоянно меняются, так что гармоническая культура также постоянно меняется. Удобное решение — активный фильтр или активный кондиционер.
Активный фильтр — это шунтирующее устройство. Трансформатор тока измеряет гармонический состав тока нагрузки и управляет генератором тока, чтобы создать точную копию, которая возвращается в источник питания в следующем цикле.Поскольку гармонический ток исходит от активного стабилизатора, от источника питания потребляется только основной ток. На практике величины гармонических токов уменьшаются на 90%, и, поскольку сопротивление источника на гармонических частотах уменьшается, искажения напряжения уменьшаются.

(6) Трансформаторы с рейтингом K

Специальные трансформаторы были разработаны для компенсации дополнительного нагрева, вызываемого этими гармоническими токами. Эти типы трансформаторов теперь обычно используются для новых компьютерных залов и компьютерных лабораторий.

(7) Специальные трансформаторы

Существует несколько специальных типов трансформаторных соединений, которые могут подавлять гармоники. Например, традиционное соединение трансформатора «треугольник-звезда» улавливает все тройные гармоники (третья, девятая, пятнадцатая, двадцать первая и т. Д.) В треугольнике.
Дополнительные специальные соединения обмоток могут использоваться для подавления других гармоник на сбалансированных нагрузках. В этих системах также используется больше меди. Эти специальные трансформаторы часто используются в компьютерных залах с хорошо сбалансированными нагрузками, производящими гармоники, такими как универсальные блоки с несколькими входами или согласованные периферийные устройства DASD.

(8) Фильтрация

Хотя многие фильтры не работают особенно хорошо в этом диапазоне частот, специальные электронные следящие фильтры могут очень хорошо устранить гармоники.
Эти фильтры в настоящее время относительно дороги, но их следует учитывать для тщательного устранения гармоник.

(9) Специальные замеры

Стандартные клещи-клещи чувствительны только к току 60 Гц, поэтому они рассказывают только часть истории.Новые измерители «истинного среднеквадратичного значения» будут определять ток в диапазоне до килогерц. Эти измерители следует использовать для обнаружения гармонических токов. Разница между показаниями клещевого амперметра старого образца и истинного среднеквадратичного значения амперметра вам покажет. указание количества присутствующего гармонического тока.
Описанные выше меры устраняют только симптомы проблемы. Для решения проблемы необходимо указать оборудование с низким уровнем гармоник. Это проще всего сделать при указании электронных балластов. Некоторые производители выпускают электронные балласты, которые производят менее 15% гармоник.Эти балласты следует учитывать при любой модернизации балласта или любом новом проекте. До тех пор, пока не будут доступны компьютеры с низким уровнем гармоник, следует рассмотреть возможность разделения этих гармонических нагрузок на разные цепи, разные панели управления или использование трансформаторов. Это разделение «грязных» и «чистых» нагрузок является фундаментальным в современном электрическом проектировании. Это равносильно большему количеству ответвленных цепей и большему количеству панельных плат, следовательно, большему использованию меди.

Нравится:

Нравится Загрузка …

Связанные

О Джинеше.Пармар (B.E, Mtech, MIE, FIE, CEng)
Джигнеш Пармар закончил M.Tech (Power System Control), B.E (Electric). Он является членом Института инженеров (MIE) и CEng, Индия. Членский номер: M-1473586. Он имеет более чем 16-летний опыт работы в сфере передачи, распределения, обнаружения кражи электроэнергии, технического обслуживания и электротехнических проектов (планирование-проектирование-технический обзор-координация-выполнение). В настоящее время он является сотрудником одной из ведущих бизнес-групп в качестве заместителя менеджера в Ахмедабаде, Индия.Он опубликовал ряд технических статей в журналах «Электрическое зеркало», «Электрическая Индия», «Освещение Индии», «Умная энергия», «Industrial Electrix» (Австралийские публикации в области энергетики). Он является внештатным программистом Advance Excel и разрабатывает полезные базовые электрические программы Excel в соответствии с кодами IS, NEC, IEC, IEEE. Он технический блоггер и знает английский, хинди, гуджарати, французский языки. Он хочет поделиться своим опытом и знаниями и помочь техническим энтузиастам найти подходящие решения и обновиться по различным инженерным темам.

ЕДИНИЦА 9. Текст: «Энергия».

I. Найдите слова в словаре. Запишите их и узнайте.

тепло, звук, лучистая энергия, ядерная энергия, в силу, равняться, увеличивать, уменьшать, поступательное, вращательное, вращать, Рентгеновские лучи, упругие, давление, среда, расщеплять, ядерное деление, синтез, продольный, поперечный, длина волны

II.Прочитай текст. При необходимости воспользуйтесь словарем.

Текст: «Энергия».

Энергия можно определить как способность выполнять работу. Физики подразделяют энергию на несколько типов: кинетическую, потенциальную, тепловую, звуковую, лучистую (например, световую), а также электрическую, химическую и ядерную энергию.

Кинетическая энергия передается движущемуся объекту в силу его движения. Он равен работе, проделанной для ускорения объекта до определенной скорости; он также равен работе, проделанной для остановки движущегося объекта.Две основные формы кинетической энергии известны как поступательная и вращательная. Первым обладает объект, перемещающийся из одного положения в другое. Второй — это вращающиеся объекты, которые вращаются вокруг оси и поэтому периодически возвращаются в одно и то же положение.

Объект обладает потенциальной энергией в силу своего положения. Два общих типа — это гравитационная и упругая потенциальная энергия.

Объект обладает теплотой или тепловой энергией в силу своей температуры.Фактически, это просто форма кинетической энергии, потому что температура вещества зависит от движения составляющих его атомов или молекул; чем выше его температура, тем быстрее движутся молекулы.

Энергия излучения состоит из электромагнитного излучения и включает радиоволны, видимый свет, ультрафиолетовое и инфракрасное излучение и рентгеновские лучи. Единственная форма энергии, которая может существовать в отсутствие материи, состоит из волнового движения в электрическом и магнитном полях. Лучистая энергия излучается, когда электроны внутри атомов падают с более высокого на более низкий энергетический уровень и высвобождают «избыточную» энергию в виде излучения.

Звуковая энергия состоит из движущихся волн давления в такой среде, как воздух, вода или металл. Они состоят из колебаний молекул среды.

Материя, которая приобрела или потеряла электрический заряд, имеет электрическую энергию. Движение зарядов представляет собой электрический ток, который течет между двумя объектами с разными потенциалами, когда они соединяются проводником.

Химической энергией обладают вещества, которые подвергаются химической реакции, например горению.Он хранится в химических связях между атомами, составляющими молекулы вещества.

Ядерная энергия вырабатывается, когда ядра атомов изменяются в результате расщепления или соединения вместе. Процесс расщепления известен как ядерное деление, а соединение — как ядерный синтез. Такие изменения могут сопровождаться высвобождением огромного количества энергии в форме тепла, света и радиоактивности (излучение атомных частиц или гамма-излучение, или и то, и другое).

Когда объект теряет или приобретает один тип энергии, другой вид соответственно приобретается или теряется.Общее количество энергии, которым обладает объект, остается неизменным. Это явление является принципом сохранения энергии, который гласит, что энергия не может быть ни создана, ни уничтожена, а только преобразована в другие формы.

Если рассматривать массу и энергию вместе, общее количество массы и энергии остается неизменным. Следовательно, принцип сохранения массы был преобразован в так называемый принцип сохранения массы-энергии. Теория относительности показывает, что масса и энергия могут считаться полностью взаимопревращаемыми, а количество энергии, производимой при разрушении материи, определяется хорошо известным уравнением E = mc ² ( E равно высвобожденная энергия, м, — разрушенная масса, а c — скорость света).

Передача энергии. Энергия часто передается посредством волновых движений, и по этой причине изучение волн имеет решающее значение в физике — от волновой механики атома до изучения гравитационных волн, создаваемых черными дырами. В общем, бегущая волна — это движение возмущения от источника, и энергия переносится, когда возмущение движется наружу.

Если создаваемое возмущение параллельно направлению движения энергии, волна называется продольной; звуковые волны относятся к этому типу.Если возмущение перпендикулярно направлению движения энергии — как в электромагнитном излучении и волнах на поверхности воды — тогда волна будет поперечной.

Четыре свойства волны можно выделить и математически описать: длину волны, частоту, скорость и амплитуду.

III. Найдите существительное в каждой строке и переведите его. Переведите также подчеркнутые слова.

а) Электрические, тепловые, состоят, претерпевают, поперечные;

б) Частота нормальная, следовательно, включить, изменить;

c) конвертируемый, обладающий, термический, длина волны, определяемый;

г) Продольное, математически, наружу, умножение, уравнение;

д) Возмущение, ненормальное, просто испускающее, огромное;

f) Ускорение, в частности, вращательное, осевое, невидимое;

г) Перевод, вращение, периодически, нечасто, дирижер.

IV. Практикуйте следующие модели речи.

Шаблон 1. Энергия определяется как способность выполнять работу.

1. электрон — точечное электрическое изменение

2. плазма — четвертое состояние материи

3. сила — агент, который способен изменять состояние покоя или движения объекта

4. масса — сопротивление объекта любому изменению его состояния под действием силы.

5. гравитация — сила взаимного притяжения между объектами, имеющими массу

Образец

2. Физики классифицируют энергию на несколько типов: кинетическая, потенциальная, тепловая, звуковая, лучистая, электрическая, химическая и ядерная.

1. Физические науки в нескольких областях: механика, звук, тепло, электричество и т. Д.

2. частицы на несколько типов: электроны, протоны, нейтроны и т. Д.

3. состояния вещества на несколько типов: твердое, жидкое, газовое, плазменное

4.твердые тела на два типа: «истинные» и аморфные

5. Вещества в растворах двух типов: кристаллоиды и коллоиды

6. различные типы движения: линейное, круговое и простое гармоническое движение

Паттерн 3. Две основные формы кинетической энергии известны как поступательная и вращательная.

1. Два раздела физики — экспериментальная и теоретическая физика

2. Четыре состояния материи — твердое, газовое, жидкое и плазменное

3.три основных типа сил — силы тяжести, трения и вязкости

4. Два основных типа веществ в растворах — коллоиды и кристаллоиды

5. два типа твердых тел — «истинные» и аморфные

Паттерн 4. Кинетическая энергия объекта достигается благодаря его движению.

1. поступательная энергия — ее движение из одного положения в другое

2. энергия вращения — его вращение вокруг оси

3.потенциальная энергия — ее позиция

4. тепловая энергия — ее температура

5. электрическая энергия — получение или потеря электрического заряда

6. Химическая энергия — химическая реакция

Шаблон 5. Изучение волн имеет решающее значение в физике.

1. гравитация

2. частицы

3. энергия

4. состояния вещества

5.необычные состояния вещества

6. 7. твердые тела

8. жидкости

9. газы

V. Найдите предложения, которых нет в тексте.

VI. Найдите в тексте английские эквиваленты.

VII. Найдите в тексте русские эквиваленты следующих выражений.

VIII.Заполнить недостающие слова.

IX. При необходимости введите предлоги.

X. Определите, истинны ли предложения или нет.

XI. Ответь на вопрос.

XII. Задайте вопрос к следующим предложениям.

XIII. Продиктуйте своим однокурсникам следующие предложения на английском языке. Проверьте их вместе.

XIV. Диктант-перевод.

Электрический заряд — Простая английская Википедия, бесплатная энциклопедия

Электрический заряд — это основное свойство электронов, протонов и других субатомных частиц.Электроны заряжены отрицательно, а протоны — положительно. Вещи, заряженные отрицательно, и предметы, заряженные положительно, притягивают (притягивают) друг друга. Это заставляет электроны и протоны слипаться, образуя атомы. Вещи с одинаковым зарядом отталкивают друг друга ( они отталкивают ). Это называется «Закон о сборах » . Его открыл Шарль-Огюстен де Кулон. Закон, который описывает, насколько сильно заряды притягивают и толкают друг друга, называется законом Кулона.^[1]

Вещи с одинаковым количеством электронов и протонов нейтральные . Вещи, в которых электронов больше, чем протонов, заряжены отрицательно, а предметы, в которых электронов меньше, чем протонов, заряжены положительно. Вещи с одинаковым зарядом отталкивают друг друга. Вещи с разным зарядом притягиваются друг к другу. Если возможно, тот, у которого слишком много электронов, даст достаточно электронов, чтобы соответствовать количеству протонов в том, у которого слишком много протонов для его нагрузки электронов.Если электронов достаточно, чтобы соответствовать дополнительным протонам, то эти две вещи больше не будут притягивать друг друга. Когда электроны перемещаются из места, где их слишком много, в место, где их слишком мало, это называется электрическим током.

Когда человек шаркает ногами по ковру, а затем касается латунной дверной ручки, он может получить удар электрическим током. Если есть достаточно дополнительных электронов, тогда силы, с которой эти электроны отталкивают друг друга, может быть достаточно, чтобы заставить некоторые электроны прыгнуть через зазор между человеком и дверной ручкой.Длина искры является мерой напряжения или «электрического давления». Число электронов, которые перемещаются из одного места в другое за единицу времени, измеренное как сила тока или «скорость потока электронов».

Если человек получает положительный или отрицательный заряд, это может заставить его волосы встать дыбом, потому что заряды в каждом волосе отталкивают их от других.

Электрический заряд, ощущаемый при ударе дверной ручкой или другим предметом, обычно составляет от 25 тысяч до 30 тысяч вольт.Однако электрический ток протекает недолго, поэтому поток электронов через тело человека не причиняет физического вреда. С другой стороны, когда облака приобретают электрические заряды, они имеют еще более высокое напряжение, а сила тока (количество электронов, которые будут течь при ударе молнии) может быть очень высокой. Это означает, что электроны могут прыгать с облака на землю (или с земли на облако). Если эти электроны проходят через человека, поражение электрическим током может вызвать ожог или смерть.

Следующий эксперимент описан Джеймсом Клерком Максвеллом в его работе Трактат об электричестве и магнетизме (1873).Обычно стекло и смола заряжены нейтрально. Однако, если их потереть друг о друга, а затем разделить, они смогут притягиваться друг к другу.

Если протереть второй кусок стекла вторым куском смолы, можно будет увидеть следующее:

Два куска стекла отталкиваются друг от друга.
Каждый кусок стекла притягивает каждый кусок смолы.
Два куска смолы отталкиваются друг от друга.

Если соединить заряженный и незаряженный предметы, притяжение будет очень слабым.

Тела, которые способны притягивать или отталкивать предметы таким образом, называются «наэлектризованными» или «заряженными электричеством». Когда два разных вещества трутся друг о друга, возникает электрический заряд, потому что одно из них отдает электроны другому. Причина в том, что атомы в двух веществах обладают неодинаковой способностью притягивать электроны. Таким образом, тот, кто более способен притягивать электроны, будет забирать электроны у того, у которого сила притяжения ниже. Если стекло трется о что-то еще, оно может отдавать или принимать электроны.Что произойдет, зависит от другого.

Вещи, которые приняли электроны, называются «отрицательно заряженными», а вещи, которые потеряли электроны, называются «положительно заряженными». Для этих имен нет особого смысла. Это просто произвольное (случайный выбор) соглашение (соглашение).

Тела наэлектризованы не только трением, но и другими способами.

↑ Перселл, Эдвард М. и Дэвид Дж. Морин 2013. Электричество и магнетизм .3-е изд., Cambridge University Press. ISBN 978-1-107-01402-2

Общие сведения об электричестве — Узнайте об электричестве, токе, напряжении и сопротивлении

Дом > Поддержка> Общие сведения об электричестве

Общие сведения об электричестве

Что такое электричество? Любая бытовая техника, которую мы используем в нашей повседневной жизни, например, бытовая техника, оргтехника и промышленное оборудование, почти все это требует электричества.Следовательно, мы должны понимать электричество. Первый вопрос, который мы узнаете ответ « где электричество родом из? «
Все вопросы состоят из атомы. Затем задайте следующий вопрос: « Что такое атомы? ». Атомы — это самая маленькая часть элемента.Они состоят ядра и электронов, электроны окружают ядро. Элементы идентифицируются по количеству электронов на орбите вокруг ядра атомов и числом протонов в ядре.
Ядро состоит из протонов и нейтронов, а количество протоны и нейтроны уравновешены. У нейтронов нет электрического заряда, протоны имеют положительный заряд (+), а электроны — отрицательный заряды (-).Положительный заряд протона равен отрицательному заряду электрона. Электроны связаны по своей орбите за счет притяжения протонов, но электроны во внешней зоне могут покинуть свою орбиту путем некоторые внешние силы. Их называют свободными электронами, которые движутся от одного атома к другому, возникают потоки электронов. Это основа электричества. Материалы, позволяющие свободно перемещающиеся электроны называются проводниками а материалы, которые позволяют перемещаться небольшому количеству свободных электронов, называются изоляторы . Все вещества состоят из атомов, имеющих электрические заряды. Следовательно, у них есть электрические заряды. Что касается сбалансированного количество протонов и электронов, сила положительного заряда и сила отрицательного заряда сбалансирована. Это называется нейтральным состоянием. атома. (Число протонов и электронов остается равным.) « Статическое электричество » представляет собой ситуацию, когда все вещи состоят из электрических обвинения.Например, трение материала о другой может вызвать статическое электричество. Свободные электроны одного материала двигаться с силой, пока они не освободятся от своих орбит вокруг ядра и перейти к другому. Электроны одного материала уменьшаются, он представляет собой положительный заряд. В то же время электроны другого увеличиваются, он имеет отрицательные заряды. В общем, заряд производство материи означает, что материя имеет электрические заряды.Он имеет положительный и отрицательный заряды, что выражается в кулон.

Ток, Напряжение и сопротивление
Что сейчас? Электрическое явление вызвано потоком свободные электроны от одного атома к другому.Характеристики из текущей электроэнергии противоположны тем статического электричества. Провода состоят из проводников, например медных. или алюминий. Атомы металла состоят из свободных электронов, которые свободно переходить от одного атома к другому. Если добавлен электрон в проводе свободный электрон притягивается к протону, чтобы оставаться нейтральным. Вытеснение электронов с их орбит может вызвать недостаток электронов.Электроны, которые непрерывно движутся по проволоке, называются Electric. Текущий .
		Для одножильных проводов электрический ток относится к направленным от отрицательного к положительному электрону от одного атома к другому. Жидкость проводники и газопроводы, электрический ток относится к электронам а протоны текут в обратном направлении. Ток — это поток электронов, но ток и электроны текут в противоположное направление. Ток течет от положительного к отрицательному и потоки электронов от отрицательного к положительному.
Ток определяется количеством электронов, проходящих через сечение проводника за одну секунду. Ток измеряется в Ампер , что сокращенно « Ампер ».Обозначение усилителя — буква « A ». А ток в один ампер означает что ток проходит через поперечное сечение двух проводников, которые расположены параллельно на расстоянии 1 метра друг от друга с 2×10 ^-7 Ньютон сила на метр возникает в каждом проводнике. Это также может означать сборы одного кулона (или 6,24х10 ¹⁸ электронов), проходящего через поперечное сечение проводника за одну секунду.
Что такое напряжение? Электрический ток — это поток электронов в проводнике. Сила необходим для протекания тока через проводник, называется напряжение и потенциал является другой срок напряжения. Например, у первого элемента больше положительные заряды, поэтому он имеет более высокий потенциал. С другой стороны, второй элемент имеет более отрицательные заряды, поэтому он имеет более низкий потенциал.Разница между двумя точками называется разность потенциалов . Электродвижущая сила означает силу, которая заставляет ток непрерывно течь через дирижер. Эта сила может создаваться генератором энергии, аккумулятор, аккумулятор фонарика и топливный элемент и т. д. Вольт, сокращенно « В », это единица измерения измерения взаимозаменяемо для напряжения, потенциала, и электродвижущая сила.Один вольт означает силу, которая заставляет ток в один ампер проходит через сопротивление в один Ом.
Что такое сопротивление? Электроны движутся через проводник при протекании электрического тока. Все материалы мешают протекание электрического тока до некоторой степени. Эта характеристика называется , сопротивление .Сопротивление увеличивается с увеличением длины или уменьшением поперечного сечения материал. Единица измерения сопротивления Ом и его символ — греческая буква омега ( Ω ). Сопротивление в один Ом означает, что проводник пропускает ток. на один ампер течь с напряжением один вольт. Все материалы имеют различие в пропускании электронов.Материалы которые позволяют свободно перемещаться большому количеству электронов, называются проводниками такие как медь, серебро, алюминий, раствор хлористоводородной, серной кислота и соленая вода. Напротив, материалы, пропускающие мало электронов для протекания называются изоляторы типа пластмассовые, резина, стекло и сухая бумага. Другой тип материалов, полупроводники имеют характеристики как проводников, так и изоляционных

Узнать | OpenEnergyMonitor

Введение в питание переменного тока

Общие сведения о питании переменного тока

Энергомонитор всего дома измеряет энергию, потребляемую приборами, подключенными к домашней электросети.Чтобы понять, как это происходит, полезно знать кое-что о том, как приборы взаимодействуют с электрической системой.

Не все устройства взаимодействуют с электросетью одинаково. В этой статье сначала будут обсуждаться резистивные нагрузки и расчет потребляемой мощности. Затем мы переходим к обсуждению реактивных нагрузок и немного о нелинейных нагрузках. Наконец, он покажет, как мы измеряем направление потока энергии, что важно, если энергия вырабатывается, а также потребляется.

Резистивные нагрузки

Лампы накаливания, чайники, утюги, электрические водонагреватели, электрические плиты — все довольно просто. Они используют всю отданную им энергию. Это резистивные нагрузки, что означает, что их потребляемый ток равен напряжению, деленному на их сопротивление (закон Ома). Чисто резистивная нагрузка дает выходные сигналы напряжения и тока, подобные приведенным ниже:

Диаграмма 1 — Соотношение фаз напряжения и тока в резистивной нагрузке

Желтая линия — мощность в данный момент времени (в любой данный момент она называется мгновенной мощностью ), которая равна произведению напряжения и тока в данный момент времени.Обратите внимание, сила всегда положительная. В этом случае положительное направление — это энергия, текущая к нагрузке.

Частично реактивные нагрузки

Однако такие вещи, как холодильники, стиральные машины, сверлильные станки и аппараты для дуговой сварки, не так просты, поскольку эти устройства потребляют определенное количество энергии, а затем возвращают часть энергии обратно в сеть. Они имеют индуктивные (например, двигатели) или емкостные (например, сварочные аппараты) компоненты в дополнение к резистивному компоненту. Частично индуктивная нагрузка дает выходные сигналы напряжения и тока, подобные приведенным ниже:

Диаграмма 2 — Соотношение фаз напряжения и тока в частично реактивной нагрузке

Обратите внимание, что желтая линия теперь на некоторое время становится отрицательной, положительный бит — это энергия, текущая к нагрузке, а отрицательный бит — энергия, текущая обратно от нагрузки.

Еще одна вещь, которую следует учитывать, — это то, что формы сигналов напряжения и тока смещены друг от друга. Представьте, что вы заряжаете довольно большой конденсатор с помощью резистора последовательно (так, чтобы он не мог заряжаться мгновенно): для начала конденсатор разряжается. Напряжение питания возрастает и превышает напряжение на конденсаторе, поэтому ток течет в конденсатор (положительное направление на графике), что вызывает повышение напряжения на конденсаторе. Напряжение питания падает. Теперь напряжение на заряженном конденсаторе выше, чем напряжение питания.Ток начинает течь обратно в направлении источника питания (отрицательное направление на графике). Это приводит к тому, что текущая форма волны выглядит так, как будто она смещена, как показано на графике. (Это называется фазовым сдвигом).

Реальная мощность, реактивная мощность и полная мощность

Если посмотреть на приведенные выше графики напряжения, тока и мощности при частоте сети, потребляемая мощность колеблется 50/60 раз в секунду. Мы не можем угнаться за изменениями на этой скорости, поэтому у нас есть более полезное значение мощности: среднее значение мгновенной мощности, которое мы называем реальной мощностью или активной мощностью .

Реальная мощность часто определяется как мощность, используемая устройством для выполнения полезной работы. Ссылаясь на график выше, положительные биты — это мощность, поступающая на нагрузку от источника питания, а отрицательные биты — это мощность, возвращающаяся к источнику питания от нагрузки. Мощность, которая фактически использовалась нагрузкой, то есть мощность, которая была включена, за вычетом мощности, возвращаемой обратно, является реальной мощностью.

Реактивная или мнимая мощность — это мера мощности, передаваемой между нагрузкой и источником питания, которая не выполняет полезной работы.

Еще одним полезным показателем мощности является Полная мощность , которая является произведением среднеквадратичного (RMS) напряжения и RMS-тока. Для чисто резистивных нагрузок активная мощность равна полной мощности. Но для всех остальных нагрузок реальная мощность меньше полной мощности. Полная мощность является мерой реальной и реактивной мощности, но не является суммой двух, так как сумма двух не учитывает разности фаз.

Соотношение между реальной, реактивной и полной мощностью для ИДЕАЛЬНЫХ синусоидальных нагрузок:

Действительная мощность = Полная мощность x cos Φ

Реактивная мощность = Полная мощность x sin Φ

cosΦ также известен как коэффициент мощности.

Однако примечание о нелинейных нагрузках:

Это соотношение коэффициента мощности действительно только для линейных синусоидальных нагрузок. Большинство источников питания для устройств постоянного тока, таких как портативные компьютеры, представляют нелинейную нагрузку на сеть. Их текущий розыгрыш часто выглядит так:

Мы все еще можем рассчитать коэффициент мощности по следующему уравнению:

Коэффициент мощности = фактическая мощность / полная мощность

но отношение

(полная мощность) ² = (активная мощность) ² + (реактивная мощность) ²

, что верно для чистых синусоидальных волн, больше не является правильным.Кроме того, коэффициент мощности = cosΦ , поскольку необходимо учитывать влияние гармоник более высокого порядка на формы сигналов как напряжения, так и тока.

Значение коэффициента мощности измеряет, насколько эффективность сети зависит от ОБОИХ фазовой задержки φ И содержания гармоник входного тока.

Ref: понимание коэффициента мощности от L Wuidart

Определение направления потока мощности

До сих пор в этой статье предполагалось, что нагрузка потребляет мощность.Однако если мы генерируем электроэнергию, то направление тока меняется на противоположное. Но поскольку ток переменный, направление все равно меняется на противоположное, 50 (или 60) раз в секунду. Нам нужна ссылка для сравнения текущего направления. К счастью, у нас есть это в виде напряжения. На диаграмме 1 волны напряжения и тока нарастали и падали вместе. Когда напряжение было положительным (выше оси X), ток был положительным, а когда напряжение было отрицательным (ниже оси x), ток был отрицательным.Мощность равна произведению напряжения и тока, поэтому мощность всегда была положительной — вся кривая мощности находится выше оси X.

Если дом вырабатывает электроэнергию, направление тока меняется на противоположное по сравнению с нашим предыдущим примером. Теперь, когда напряжение положительное (выше оси X), ток отрицательный (ниже оси X), а когда напряжение отрицательное, ток положительный.