Как найти первую гармонику напряжения

Гармоники в электрических сетях: причины, источники, защита

Работа большинства электрических приборов обеспечивается качеством поступающей на них электрической энергии. Но даже в условиях безаварийной работы в системе возникают процессы, обуславливающие возникновение гармоник в электрических сетях. При этом никаких отключений или нарушений может и не происходить, большинство гармоник спокойно вырабатываются во всех цепях, независимо от рода нагрузки. Однако с возрастанием их величины, возможен ряд негативных последствий, как для потребителей, так и для энергосистемы в целом.

Что такое гармоники?

Если напряжение и ток, вырабатываемые источником, максимально приближается к форме идеальной синусоиды, то из-за нелинейных нагрузок, подключенных к электрической цепи, форма начального сигнала получает искажение. Гармоники представляют собой производные по частоте от основной синусоиды в 50 Гц и являются кратными ее величине.

По кратности гармоники подразделяются на четные и нечетные. То есть гармоника №1 – это 50 Гц, 2 – 100 Гц, 3 -150 Гц и т.д. Каждая из них является одной из составляющих результирующей формы напряжения и тока. А значит, что напряжение и ток в сети можно свободно разложить на гармонические составляющие.

Посмотрите на рисунок выше, здесь вы видите детальный пример разложения синусоиды на гармоники и их влияние на форму синусоидального напряжения. В первой позиции изображены результирующая функция с нелинейными искажениями, которые обусловлены показанными ниже нечетными гармониками и подобными им с большей частотой. Величина этих гармоник будет определять величину скачков и провалов на результирующем сигнале. Поэтому, чем больше проявляется та или иная гармоника, тем больше кривая будет отличаться от синусоиды.

По сути, гармоника представляет собой паразитную ЭДС, которая никак не поглощается существующими потребителями или поглощается только частично. Из-за чего возникает негативное влияние на все силовые сети. Естественное поглощение осуществляют лишь активные сопротивления, но в размере пропорциональном потребляемой ими мощности. В то же время, сами потребители можно рассматривать как источники, активно генерирующие искаженный сигнал.

Причины и источники гармоник в электрических сетях

Главной причиной гармонического искажения является протекание каких-либо переходных процессов в электрических сетях. Независимо от характера созданной нагрузки, переходной процесс можно наблюдать в работе той же лампы накаливания, которая, казалось бы, характеризуется исключительно активными потерями. Так, разница между сопротивлением нити лампы в холодном и нагретом состоянии создает переходной процесс, который привносит скачок. Но из-за низкого уровня искажения и относительно кратковременного протекания, влияние на всю систему получается ничтожным.

Поэтому можно смело сказать, что и активные, и реактивные сопротивления в сетях электропитания могут способствовать генерации гармоник. Тем не менее, существует ряд устройств, обуславливающих весомую величину искажения, которая способна нанести существенный ущерб приборам. На практике к источникам искажения относят такие виды оборудования:

Силовое электрооборудование – приводы постоянного и переменного тока, высокочастотные плавильные печи, полупроводниковые преобразователи, источники бесперебойного питания (ИБП), преобразователи частоты.
Устройства, работающие по принципу формирования электрической дуги – электросварочные установки, дуговые печи, лампы освещения (ДРЛ, люминесцентные и другие).
Насыщаемые приборы – двигатели, трансформаторы, обладающие магнитопроводом, который может достигнуть насыщения петли гистерезиса. Без такового насыщения их вклад в формирование гармонической составляющей будет незначительным.

Среди бытовых приборов значительный вклад в генерацию несинусоидальных составляющих вносят те же микроволновые печи. Обратите внимание, что из-за особенностей режима работы одна такая печь способна кратковременно снижать уровень напряжения в сети на 2 – 4%, и, что куда более существенно, повышать коэффициент искажения его кривой на 6 – 18%.

Категории и принцип разделения

В соответствии с особенностями протекания процесса в сетях и источниках электропитания, все гармонические составляющие условно разделяются по таким параметрам:

по пути распространения выделяют пространственные либо кондуктивные;
по прогнозируемости времени возникновения выделяют случайные либо систематические;
по продолжительности могут быть кратковременными (импульсными) либо длительными.

Так, импульсные возмущения обуславливаются единичными коммутациями в питающей сети, короткими замыканиями, перенапряжениями, которые после их отключения потребовали бы ручного включения. А в случае срабатывания АПВ, в основной гармонике появляются уже прогнозируемые изменения, наблюдающиеся в нескольких периодах.

Длительные изменения обуславливаются какой-либо циклической нагрузкой, подаваемой мощными потребителями. Для возникновения таких высших гармоник, как правило, необходима ограниченная мощность сети и относительно большие нелинейные нагрузки, обуславливающие генерацию реактивной мощности.

Возможные последствия

В случае постоянно присутствующего фактора, генерирующего гармоники, их воздействие может обуславливать различные негативные последствия в электрической сети. Из которых особо следует выделить:

Сопутствующий нагрев, выводящий из строя изоляцию двигателей, обмоток трансформаторов, снижающий сопротивление конденсаторов и.т. При нагревании фазного провода или других токопроводящих элементов в диэлектриках возникают необратимые процессы, снижающие их изоляционные свойства.
Ложное срабатывание в распределительных сетях – приводит к отключению автоматов, высоковольтных выключателей и прочих устройств, реагирующих на изменение режима, обусловленное гармониками.
Вызывает асимметрию в промышленных сетях с трехфазными источниками при возникновении гармоники на одной фазе. От чего может нарушаться нормальная работа трехфазных выпрямителей, силовых трансформаторов, трехфазных ИБП и прочего оборудования.
Возникновение шума в сетях связи, влияние на смежные слаботочные и силовые кабели за счет наведенной ЭДС. На величину гармоники ЭДС влияет как расстояние между проводниками, так и продолжительность их приближения.
Приводит к преждевременному электрическому старению оборудования. За счет разрушения чувствительных элементов, высокоточные приборы утрачивают класс точности и подвергаются преждевременному изнашиванию.
Обуславливает дополнительные финансовые расходы, обуславливаемые потерями от индуктивных нагрузок, остановкой производства, внеочередными ремонтами и преждевременной поломкой.
Потребность увеличения сечения нулевых проводов в связи с суммированием гармоник кратных 3-ей в трехфазных сетях.

Рассмотрите на примере негативное влияние на работу трехфазных цепей. В идеальном варианте, когда каждая из фаз запитывает линейную нагрузку, система находится в равновесии. Это означает, что в сети отсутствуют гармоники, а в нулевом проводе ток, так как все токи при симметричной нагрузке смещены на 120º и компенсируют друг друга в нейтрали.

Если в схеме электроснабжения на одной из фаз возникает потребитель или фактор, искривляющий переменный ток, то возникает автоматическое изменение остальных фазных токов, их смещение относительно начальной величины и угла. Из-за нарушения симметрии и отсутствия компенсации в нулевом проводе начинает протекать ток.

Как показано на рисунке 2, нечетные гармоники кратные 3-ей обладают тем же направлением, что и основной ток. Но в связи с нарушением компенсирующего эффекта симметричной системы, они накладываются друг на друга и способны выдать в нейтраль ток, значительно превышающий номинальный для этой цепи. Из-за чего возникает перегрев, который может вызвать аварийные ситуации.

Все вышеперечисленные последствия ведут к снижению качества электрической энергии, чрезмерным перегрузкам и последующему падению фазного напряжения. В частных случаях, последствия протекания гармоник могут создавать угрозу для персонала и потребителей. С целью предотвращения таких последствий на электростанциях, трехфазных кабелях и прочем оборудовании устанавливается защита от гармоник.

Защита от гармоник

Для защиты применяются устройства с активными и пассивными элементами, действие которых направлено на поглощение или компенсацию гармоник в сети. Наиболее простым вариантом являются LC-фильтры, состоящие из линейного дросселя и конденсатора.

Посмотрите на рисунок 3, здесь изображена принципиальная схема фильтра. Его работа основана на индуктивном сопротивлении катушки L, которое не позволяет току мгновенно набирать или терять величину. И на емкости конденсатора C, которая обеспечивает постепенное нарастание или падение напряжения. Это означает, что гармоники не могут резко изменить форму синусоиды и обеспечивают ее плавное нарастание и спад на нагрузке R_Н.

При последовательном включении катушки и конденсатора с конкретной подборкой параметров, их комплексное сопротивление будет равно нулю для какой-то гармоники. Недостатком такого пассивного фильтра является необходимость формирования отдельной цепи для каждой составляющей в сети. При этом необходимо учитывать их взаимодействие. Так, к примеру, при гашении пятой гармоники происходит усиление седьмой, поэтому на практике устанавливаются несколько фильтров подряд, как показано на рисунке 4.

За счет того, что каждая цепочка L1-C1, L2-C2, L3-C3 шунтирует соответствующую составляющую, фильтр получил название шунтирующего. Помимо этого, в качестве входного фильтра могут применяться устройства с активным подавлением гармоник.

Посмотрите на рисунок 5, здесь изображен активный фильтр. Источник питания генерирует ток i_ps, на который оказывает влияние нелинейная нагрузка, из-за чего в сети получается несинусоидальная кривая i_n. Активный кондиционер гармоник (АКГ) измеряет величину всех нелинейных токов i_ahc и выдает в сеть такие же токи, но с противоположным углом. Что позволяет нейтрализовать гармоники и выдать потребителю ток первой гармоники максимально приближенный к синусоиде.

Установка любого из существующих видов защиты требует детального анализа гармонических составляющих, нагрузок, коэффициентов амплитуды и коэффициентов мощности для конкретной сети. Чтобы подобрать наиболее эффективный способ удаления и выполнить соответствующие настройки.

Список использованной литературы

Арриллага Дж., Брэдли Д., Боджер П. «Гармоники в электрических системах» 1990
Бржезицкий В.А., Найдовский А. В., Бутов С. В. «О влиянии высших гармонических составляющих напряжения на характеристики измерительных трансформаторов» 1983
Волков А.И., Макарова ТМ., Полевая В.П., Рыжов ЮМ., Федченко В.Г. «О влиянии долевого участия выпрямительной нагрузки на гармонический состав напряжения автономной системы» 1974
Жаркий А.Ф., Каплычный Н.Н. «Анализ высших гармоник в низковольтных сетях с помощью традиционных моделей» 2001
Шидловский А.К., Драбович Ю.И., Комаров Н.С., Москаленко ГА., Козлов А.В. «Анализ гармонического состава потребляемого тока преобразователя переменного напряжения в постоянное с улучшенной электромагнитной совместимостью» 1987

Гармонические колебания

На хабре было несколько статей по преобразованию Фурье и о всяких красивостях типа Цифровой Обработки Сигналов (ЦОС), но неискушённому пользователю совершенно не понятно, зачем всё это нужно и где, а главное как это применить.

АЧХ шума.

Лично мне после прочтения этих статей (например, этой ) не стало понятно, что это и зачем оно нужно в реальной жизни, хотя было интересно и красиво.
Хочется не просто поглядеть красивые картинки, а так сказать, ощутить нутром, что и как работает. И я приведу конкретный пример с генерацией и обработкой звуковых файлов. Можно будет и послушать звук, и поглядеть его спектр, и понять, почему это так.
Статья не будет интересна тем, кто владеет теорией функций комплексной переменной, ЦОС и прочими страшными темами. Она скорее для любопытствующих, школьников, студентов и им сочувствующих :).

Сразу оговорюсь, я не математик, и многие вещи могу даже сказать неправильно (поправляйте личным сообщением), и данную статью пишу, опираясь на собственный опыт и собственное понимание текущих процессов. Если вы готовы, то поехали.

Пару слов о матчасти

Если мы вспомним школьный курс математики, то для построения графика синуса мы использовали круг. В общем-то так и получается, что вращательное движение можно превратить в синусоиду (как и любое гармоническое колебание). Самое лучшая иллюстрация этого процесса приведена в википедии

Гармонические колебания

Т.е. фактически график синуса получается из вращения вектора, который описывается формулой:

f(x) = A sin (ωt + φ),

где A — длина вектора (амплитуда колебаний), φ — начальный угол (фаза) вектора в нулевой момент времени, ω — угловая скорость вращения, которая равна:

ω=2 πf, где f — частота в Герцах.

Как мы видим, что зная частоту сигнала, амплитуду и угол, мы можем построить гармонический сигнал.

Магия начинается тогда, когда оказывается, что представление абсолютно любого сигнала можно представить в виде суммы (зачастую бесконечной) различных синусоид. Иначе говоря, в виде ряда Фурье.
Я приведу пример из английской википедии. Для примера возьмём пилообразный сигнал.

Пилообразный сигнал

Его сумма будет представлена следующей формулой:

Если мы будем по очерёдно суммировать, брать сначала n=1, затем n=2 и т.д., то увидим, как у нас гармонический синусоидальный сигнал постепенно превращается в пилу:

Наверное красивее всего это иллюстрирует одна программа, найденная мной на просторах сети. Выше уже говорилось, что график синуса является проекцией вращающегося вектора, а как же быть в случае более сложных сигналов? Это, как ни странно, проекция множества вращающихся векторов, а точнее их суммы, и выглядит это всё так:

Вектора рисуют пилу.

Вообще рекомендую сходить самим по ссылке и попробовать самим поиграться с параметрами, и посмотреть как меняется сигнал. ИМХО более наглядной игрушки для понимания я ещё не встречал.

Ещё следует заметить, что есть обратная процедура, позволяющая получить из данного сигнала частоту, амплитуду и начальную фазу (угол), которое называется Преобразование Фурье.

Разложение в ряд Фурье некоторых известных периодических функций (отсюда)

Я детально на нём останавливаться не буду, но покажу, как это можно применить по жизни. В списке литературы порекомендую то, где можно почитать подробнее о матчасти.

Переходим к практическим упражнениям!

Мне кажется, что каждый студент задаётся вопросом, сидя на лекции, например по матану: зачем мне весь этот бред? И как правило, не найдя ответа в обозримом будущем, к сожалению, теряет интерес к предмету. Поэтому я сразу покажу практическое применение данных знаний, а вы эти знания уже будете осваивать сами :).

Всё дальнейшее я буду реализовывать на сях. Делал всё, конечно, под Linux, но никакой специфики не использовал, по идее программа будет компилироваться и работать под другими платформами.

Для начала напишем программу для формирования звукового файла. Был взят wav-файл, как самый простой. Прочитать про его структуру можно тут.
Если кратко, то структура wav-файла описывается так: заголовок, который описывает формат файла, и далее идёт (в нашем случае) массив 16-ти битных данных (остроконечник) длиной: частота_дискретизации*t секунд или 44100*t штук.

Для формирования звукового файла был взят пример здесь. Я его немного модифицировал, исправил ошибки, и окончательная версия с моими правками теперь лежит на гитхабе тут

Сгенерируем двухсекундный звуковой файл с чистым синусом частотой 100 Гц. Для этого модифицируем программу таким образом:

#define S_RATE (44100) //частота дискретизации #define BUF_SIZE (S_RATE*10) /* 2 second buffer */ …. int main(int argc, char * argv[]) < . float amplitude = 32000; //берём максимальную возможную амплитуду float freq_Hz = 100; //частота сигнала /* fill buffer with a sine wave */ for (i=0; iwrite_wav("test.wav", BUF_SIZE, buffer, S_RATE); return 0; >

Обращаю внимание, что формула чистого синуса соответствует той, о которой мы говорили выше. Амплитуда 32000 (можно было взять 32767) соответствует значению, которое может принимать 16-ти битное число (от минус 32767 до плюс 32767).

В результате получаем следующий файл (можно его даже послушать любой звуковоспроизводящей программой). Откроем данный файл audacity и увидим, что график сигнала в действительности соответствует чистому синусу:

Чистый ламповый синус

Поглядим спектр этого синуса (Анализ->Построить график спектра)

График спектра

Виден чистый пик на 100 Гц (логарифмический масштаб). Что такое спектр? Это амплитудно-частотная характеристика. Существует ещё фазочастотная характеристика. Если помните, выше я говорил, что для построения сигнала надо знать его частоту, амплитуду и фазу? Так вот, можно из сигнала получить эти параметры. В данном случае у нас график соответствий частот амплитуде, при чём амплитуда у нас не в реальных единицах, а в Децибелах.

Величина, выраженная в децибелах, численно равна десятичному логарифму безразмерного отношения физической величины к одноимённой физической величине, принимаемой за исходную, умноженному на десять.

В данном случае просто логарифм амплитуды, умноженный на 10. Логарифмический масштаб удобно использовать при работе с сигналами.

Мне, честно говоря, не очень нравится анализатор спектра в этой программе, поэтому я решил написать свой ~~с блекджеком и шлюхами~~, тем более, что это несложно.

Пишем свой анализатор спектра

Здесь может быть скучно, поэтому можете перейти сразу к следующей главе.

Поскольку я прекрасно понимаю, что тут портянки кода размещать нет смысла, те, кому реально интересно — сами найдут и поковыряют, а тем, кому это неинтересно, будут скучать, то я остановлюсь только на основных моментах написания анализатора спектра wav-файла.

Во-первых, нам wav-файл необходимо читать. Там необходимо прочитать заголовок, чтобы понять, что содержит данный файл. Я не стал реализовывать море вариантов чтения данного файла, а остановился только на одном. Пример чтения файла был взят отсюда практически без изменений, ИМХО — отличный пример. Там же есть реализация на питоне.

Следующее, что нам нужно, это быстрое преобразование Фурье. Это то самое преобразование, которое позволяет получить из конечного набора точек вектора исходных сигналов. Пусть вас пока это не пугает, дальше я объясню.
Опять же, велосипед изобретать не стал, а взял готовый пример отсюда.

Я понимаю, что чтобы объяснить, как работает программа, надо объяснить, что такое быстрое преобразование Фурье, а это как минимум ещё на одну некислую статью.

Для начала алокируем массивы:

 c = calloc(size_array*2, sizeof(float)); // массив поворотных множителей in = calloc(size_array*2, sizeof(float)); //входный массив out = calloc(size_array*2, sizeof(float)); //выходной массив

Скажу лишь, что в программе мы читаем данные в массив длиной size_array (которое берём из заголовка wav-файла).

 while( fread(&value,sizeof(value),1,wav) ) < in[j]=(float)value; j+=2; if (j >2*size_array) break; >

Массив для быстрого преобразования Фурье должен представлять собой последовательность , где fft_size=1 это массив комплексных чисел. Я даже боюсь представить, где используется комплексное преобразование Фурье, но в нашем случае мнимая часть у нас равна нулю, а действительная равна значению каждой точке масива.
Ещё одна особенность именно быстрого преобразования Фурье, что оно обсчитывает массивы, кратные только степени двойки. В результате мы должны вычислить минимальную степень двойки:

int p2=(int)(log2(header.bytes_in_data/header.bytes_by_capture));

Логарифм от количество байт в данных, делённых на количество байт в одной точке.

После этого считаем поворотные множители:

fft_make(p2,c);// функция расчёта поворотных множителей для БПФ (первый параметр степень двойки, второй алокированный массив поворотных множителей).

И скармливаем наш считанный массив в преобразователь Фурье:

fft_calc(p2, c, in, out, 1); //(единица означает, что мы получаем нормализованный массив).

На выходе мы получаем комплексные числа вида . Для тех, кто не знает, что такое комплексное число, поясню. Я не зря начал эту статью с кучи вращающихся векторов и кучи гифок. Так вот, вектор на комплесной плоскости определяется действительной координатой a1 и мнимой координатой a2. Или длиной (это у нас амплитуда Am) и углом Пси (фаза).

Вектор на комплексной плоскости

Обратите внимание, что size_array=2^p2. Первая точка массива соответствует частоте 0 Гц (постоянная), последняя точка соответствует частоте дискретизации, а именно 44100 Гц. В результате мы должны рассчитать частоту, соответствующей каждой точке, которые будут отличаться на частоту дельта:

double delta=((float)header.frequency)/(float)size_array; //частота дискретизации на размер массива.

Алокируем массив амплитуд:

 double * ampl; ampl = calloc(size_array*2, sizeof(double));

И смотрим на картинку: амплитуда — это длина вектора. А у нас есть его проекции на действительную и мнимую ось. В результате у нас будет прямоугольный треугольник, и тут мы вспоминаем теорему Пифагора, и считаем длину каждого вектора, и сразу пишем её в текстовый файл:

for(i=0;i

В результате получаем файл примерно такого вида:

… 11.439514 10.943008 11.607742 56.649738 11.775970 15.652428 11.944199 21.872342 12.112427 30.635371 12.280655 30.329171 12.448883 11.932371 12.617111 20.777617 .

Окончательная версия программы обитает на гитхабе вот тут:
github.com/dlinyj/fft

Пробуем!

Теперь скармливаем получившейся программе тот звуковой файл синуса

./fft_an ../generate_wav/sin\ 100\ Hz.wav format: 16 bits, PCM uncompressed, channel 1, freq 44100, 88200 bytes per sec, 2 bytes by capture, 2 bits per sample, 882000 bytes in data chunk=441000 log2=18 size array=262144 wav format Max Freq = 99.928 , amp =7216.136

И получаем текстовый файл АЧХ. Строим его график с помощью гнуплота

Скрипт для построения:

#! /usr/bin/gnuplot -persist set terminal postscript eps enhanced color solid set output "result.ps" #set terminal png size 800, 600 #set output "result.png" set grid xtics ytics set log xy set xlabel "Freq, Hz" set ylabel "Amp, dB" set xrange [1:22050] #set yrange [0.00001:100000] plot "test.txt" using 1:2 title "AFC" with lines linestyle 1

Обратите внимание на ограничение в скрипте на количество точек по X: set xrange [1:22050]. Частота дискретизации у нас 44100, а если вспомнить теорему Котельникова, то частота сигнала не может быть выше половины частоты дискретизации, следовательно сигнал выше 22050 Гц нас не интересует. Почему так, советую прочитать в специальной литературе.
Итак (барабанная дробь), запускаем скрипт и лицезреем:

Спектр нашего сигнала

Обратите внимание на резкий пик на частоте 100 Гц. Не забывайте, что по осям — логарифмический масштаб! Шерсть справа, как я думаю, ошибки преобразования Фурье (тут на память приходят окна).

А давайте побалуем?

А давайте! Давайте поглядим спектры других сигналов!

Вокруг шум…

Для начала построим спектр шума. Тема про шумы, случайные сигналы и т.п. достойна отдельного курса. Но мы её коснёмся слегка. Модифицируем нашу программу генерации wav-файла, добавим одну процедуру:

double d_random(double min, double max) < return min + (max - min) / RAND_MAX * rand(); >

она будет генерировать случайное число в заданном диапазоне. В результате main будет выглядеть так:

int main(int argc, char * argv[]) < int i; float amplitude = 32000; srand((unsigned int)time(0)); //инициализируем генератор случайных чисел for (i=0; iwrite_wav("test.wav", BUF_SIZE, buffer, S_RATE); return 0; >

Сгенерируем файл, (рекомендую к прослушиванию). Поглядим его в audacity.

Сигнал в audacity

Поглядим спектр в программе audacity.

Спектр

И поглядим спектр с помощью нашей программы:

Наш спектр

Хочу обратить внимание на очень интересный факт и особенность шума — он содержит в себе спектры всех гармоник. Как видно из графика, спектр вполне себе ровный. Как правило, белый шум используется для частотного анализа пропускной способности, например, аудиоаппаратуры. Существуют и другие виды шумов: розовый, синий и другие. Домашнее задание — узнать, чем они отличаются.

А компот?

А теперь давайте посмотрим другой интереснейший сигнал — меандр. Я там выше приводил табличку разложений различных сигналов в ряды Фурье, вы поглядите как раскладывается меандр, выпишите на бумажку, и мы продолжим.

Для генерации меандра с частотой 25 Гц мы модифицируем в очередной раз наш генератор wav-файла:

int main(int argc, char * argv[]) < int i; short int meandr_value=32767; /* fill buffer with a sine wave */ for (i=0; ielse < meandr_value=32767; >> buffer[i]=meandr_value; > write_wav("test.wav", BUF_SIZE, buffer, S_RATE); return 0; >

В результате получим звуковой файл (опять же, советую послушать), который сразу надо посмотреть в audacity

Его величество — меандр или меандр здорового человека

Не будем томиться и поглядим его спектр:

Спектр меандра

Пока не очень что-то понятно, что такое… А давайте поглядим несколько первых гармоник:

Первые гармоники

Совсем другое дело! Ну-ка поглядим табличку. Смотрите-ка, у нас есть только 1, 3, 5 и т.д., т.е. нечётные гармоники. Мы так и видим, что у нас первая гармоника 25 Гц, следующая (третья) 75 Гц, затем 125 Гц и т.д., при этом у нас амплитуда постепенно уменьшается. Теория сошлась с практикой!
А теперь внимание! В реальной жизни сигнал меандра у нас имеет бесконечную сумму гармоник всё более и более высокой частоты, но как правило, реальные электрические цепи не могут пропускать частоты выше какой-то частоты (в силу индуктивности и ёмкости дорожек). В результате на экране осциллографа можно часто увидеть вот такой сигнал:

Меандр курильщика

Эта картинка прям как картинка из википедии, где для примера меандра берутся не все частоты, а только первые несколько.

Сумма первых гармоник, и как меняется сигнал

Меандр так же активно используется в радиотехнике (надо сказать, что — это основа всей цифровой техники), и стоит понимать что при длинных цепях его может отфильтровать так, что, родная мама не узнает. Его так же используют для проверки АЧХ различных приборов. Ещё интересный факт, что глушилки телевизоров работали именно по принципу высших гармоник, когда сама микросхема генерировала меандр десятки МГц, а его высшие гармоники могли иметь частоты сотни МГц, как раз на частоте работы телевизора, и высшие гармоники успешно глушили сигнал вещания телевизора.

Вообще тема подобных экспериментов бесконечная, и вы можете теперь сами её продолжить.

Заключение

В заключении хочу сказать, что математика — царица наук, но без реального применения многие люди теряют к ней интерес. Надеюсь, данный пост подстегнёт вас к изучению такого замечательного предмета, как обработка сигналов, и вообще аналоговой схемотехнике (затыкайте уши, чтобы не вытекали мозги!). 🙂
Удачи!

Гармонические напряжения и токи

В предыдущих лекциях рассматривались электрические цепи при условии, что они находятся под воздействием постоянных напряжений и токов. В действительности же действующие в электрических цепях токи и напряжения являются переменными, т. е. представляют собой электрические колебания. Напомним, что колебаниями называются процессы, которые характеризуются определенной повторяемостью во времени. Различают непериодические и периодические колебания.

Простейшим и в то же время наиболее важным типом периодических колебаний являются гармонические, когда колеблющаяся величина

Исключительная роль гармонических колебаний в теории и практике радиотехники объясняется следующими обстоятельствами:

они широко используются для передачи сигналов и электрической энергии (например, промышленный ток с частотой 50 Гц);
применяются как простейший испытательный сигнал;
являются единственным типом колебаний, форма которых не изменяется при прохождении через любую линейную систему;
любое периодическое негармоническое колебание может быть представлено в виде суммы (наложения) различных гармонических колебаний (такое представление называют спектром негармонического колебания).

Если временной интервал ограничен то имеет место отрезок гармонического колебания, который уже будет обладать отличными от гармонического колебания свойствами; при этом чем больше временной интервал, тем ближе свойства отрезка к свойствам самого гармонического колебания; во всём курсе лекций предполагается, что временной интервал исчисляется от нуля до бесконечности:

Определение гармонических напряжений и токов

Электрическое гармоническое колебание аналитически записывают в виде функции:

Традиционно в электротехнике используют синусную форму записи, а в теории электрических цепей (радиотехнике) — косинусную, которой, если это не оговаривается особо, и будем пользоваться в дальнейшем:

(7.1)

Если под колебанием понимать ток или напряжение то (7.1) будет представлять собой соответственно гармонический ток или гармоническое напряжение, причём

Гармоническое колебание определено полностью, если заданы все три его параметра: — амплитуда, — круговая частота, — начальная фаза.

Рассмотрим смысл указанных параметров (рис. 7.1):

— амплитуда колебания — наибольшее по абсолютному значению отклонение колеблющейся величины; размерность амплитуды совпадает с размерностью колебания

— периодически изменяющийся аргумент функции называемый мгновенной фазой или просто фазой колебания; выражается в радианах (рад);

— начальная фаза (рад) — значение мгновенной фазы при , т. е. начальная фаза может быть как положительной, так и отрицательной; начальная фаза определяет значение гармонического колебания в момент и пропорциональна расстоянию от ближайшего максимума до оси ординат. При максимум смещён влево от оси, а при — вправо; при максимум располагается на оси ординат;

— круговая частота (угловая скорость) — определяет скорость изменения фазы, выражается в радианах в секунду (рад/с),
т. е. круговая частота численно равна изменению мгновенной фазы за единицу времени (секунду).

Введём ещё два характерных для периодических колебаний параметра: период и частоту.

Т — период колебания — наименьший интервал времени, через который процесс повторяется, а именно:

(7.2)

этому периоду соответствует изменение фазы на радиан

(7.3)

(7.4)

называется циклической частотой и измеряется в герцах (Гц).

В ряде практических задач требуется знать фазовые соотношения между гармоническими колебания одинаковой частоты. Фазовые соотношения характеризуют разностью фаз сравниваемых колебаний.

Пусть рассматриваются два колебания

(7.5)

называется разностью фаз или сдвигом фаз этих колебаний. Если то колебание отстаёт от колебания по фазе на угол ; если то колебание опережает колебание на угол

Если сдвиг фаз между двумя колебаниями равен 0, или радиан, то говорят, что колебания происходят в фазе, противофазе или находятся в квадратуре соответственно.

При практических расчётах часто начальную фазу выражают в градусах (°). Поскольку соответствует 180°, то нетрудно получить соотношение

(7.6)

Линейные операции над гармоническими колебаниями

К линейным операциям над гармоническими колебаниями относятся: умножение на постоянное число (константу), дифференцирование, интегрирование и алгебраическое сложение гармонических колебаний одинаковой частоты. Результатом таких операций являются новые гармонические колебания той же частоты. Рассмотрим эти операции.

1. Умножение на константу

даёт новое гармоническое колебание, амплитуда которого отличается от амплитуды исходного колебания в раз

а фаза остаётся неизменной.

Из полученного результата следует, что при дифференцировании получается гармоническое колебание той же частоты; однако амплитуда и начальная фаза изменяются и оказываются равными

даёт гармоническое колебание той же частоты, но амплитуда и начальная фаза изменяются и оказываются равными:

соответственно при условии равенства нулю постоянной интегрирования.

4. Сложение (наложение, суперпозиция) гармонических колебаний одинаковой частоты

Воспользуемся известной формулой сложения аргументов

и представим гармонические колебания в виде:

Складывая и группируя слагаемые, получаем:

(7.7)

(7.8)

Подставляя (7.8) в (7.7)

(7.8)

где при условии (7.8)

(7.9)

Остаётся найти амплитуду Для этого возведём в квадрат оба равенства (7.8) и извлечём корень из их суммы

(7.10)

Помня, что исследуем результат (7.10) в зависимости от соотношения и

• т. е. колебания находятся в фазе: амплитуда результирующего колебания максимальна и равна сумме амплитуд составляющих колебаний

• т. е. колебания находятся в противофазе: амплитуда результирующего колебания минимальна и равна абсолютному значению разности амплитуд составляющих колебаний

• т. е. колебания находятся в квадратуре: амплитуда результирующего колебания равна корню квадратному из суммы квадратов амплитуд составляющих колебаний

Выводы:

линейные операции над гармонической функцией приводят лишь к изменению её амплитуды и начальной фазы;
наложение двух гармонических колебаний равных частот образует гармоническое колебание той же частоты; амплитуда результирующего колебания зависит от соотношения начальных фаз слагаемых колебаний и лежит в пределах

наложение любого числа гармонических колебаний одной частоты образует гармоническое колебание той же частоты

амплитуду и начальную фазу результирующего колебания можно найти, последовательно применяя формулы сложения гармонических колебаний для каждой пары колебаний.

Энергетические характеристики гармонических колебаний

Кроме указанных в разд. 7.1.1 параметров, гармонические колебания описываются энергетическими характеристиками:

мгновенной мощностью,
средней мощностью,
действующими (эффективными) значениями амплитуд напряжения и тока.

Мгновенная мощность гармонических колебаний при согласном выборе положительных направлений тока и напряжения определяется как произведение мгновенных значений тока и напряжения

Заменив произведение косинусов на полусумму косинусов разности и суммы аргументов, получаем

(7.11)

откуда следует, что потребляемая мгновенная мощность содержит постоянную составляющую (первое слагаемое, на графике Рср), относительно которой она колеблется с удвоенной частотой (рис. 7.2).

Положительным значениям мощности соответствует потребление цепью электрической энергии, а отрицательным значениям — отдача электрической энергии. В пассивных цепях это происходит за счёт энергии, запасаемой в конденсаторах (энергия электрического поля) и/или в индуктивностях (энергия магнитного поля). Для цепей, содержащих активные элементы, это означает, что цепь генерирует электрическую энергию.

Средняя (активная) мощность произвольных колебаний определяется как отношение энергии, подведённой к цепи за некоторый промежуток времени, к длительности этого промежутка при условии, что

(7.12)

Для гармонических колебаний пределы интегрирования в (7.12) можно ограничить периодом колебания Т, полагая . При этих условиях из (7.12) и (7.11) имеем:

(7.13)

Левый интеграл в полученной сумме равен:

Обратимся к правому интегралу конечного выражения (7.13), представляющему собой интеграл от функции косинуса на периоде:

Найдём этот интеграл:

Числитель дроби равен нулю, поскольку, во-первых,

и, во-вторых, в силу периодичности функции синуса справедливы равенства:

Таким образом, правый интеграл в (7.13) равен нулю, т. е. попутно доказано, что интеграл от функции косинуса за период равен нулю (это справедливо и для функции синуса).

Следовательно, средняя мощность гармонического колебания равна:

(7.14)

где ; — разность фаз напряжения и тока на входе цепи, и является постоянной составляющей мгновенной мощности (7.11). Выражение (7.14) означает, что:

средняя, или активная мощность пропорциональна амплитудам напряжения и тока и косинусу сдвига фазы между ними;
чем меньше разность фаз, тем больше активная мощность;
для пассивных цепей согласно принципу сохранения энергии при наличии зависимых источников это неравенство может не иметь силы;
средняя мощность, потребляемая цепью, должна быть равна арифметической сумме средних мощностей, потребляемых в каждом элементе цепи

где — количество элементов в цепи, — средняя мощность, потребляемая -ым элементом.

На практике необходимо также знать среднеквадратичные значения произвольных напряжений и токов, которые определяются по формулам:

(7.15)

Отсюда для периодических, в том числе и гармонических, колебаний в соответствии с (7.13) имеем:

(7.16)

Подставляя в (7.16) выражения для мгновенных напряжений и токов

(7.17)

Среднеквадратические значения напряжений и токов называют действующими (эффективными). Они меньше амплитуд соответствующих колебаний в раз.

Покажем вывод формул (7.17) на примере напряжения:

подкоренное выражение примет вид:

поскольку по доказанному ранее второй интеграл последней суммы равен нулю.

Действующие значения напряжения и тока позволяют записать среднюю мощность в форме:

Символическое изображение гармонических колебаний

Гармонические напряжения и токи в линейной цепи находятся в результате решения задач анализа, которые даже для относительно простых цепей, как это будет видно из дальнейшего, оказываются достаточно трудоёмкими. На практике используются функциональные преобразования, в результате которых операции над исходными функциями заменяются более простыми операциями над некоторыми новыми функциями. Исходные функции называются оригиналами, а соответствующие им новые функции — изображениями или символами.

Решение любой задачи методом функционального преобразования состоит из трёх следующих основных этапов:

Прямого преобразования оригиналов к их изображениям (символам).
Вычисления изображений искомых функций по правилам операций над изображениями.
Обратного преобразования полученных изображений искомых функций к их оригиналам.

Рассматриваемое здесь функциональное преобразование, получившее название символического изображения гармонических колебаний, не является единственным; в лекции 16 будет рассмотрено более общее преобразование — преобразование Лапласа.

Идея символического изображения гармонических колебаний состоит в замене гармонических функций комплексными числами. Возможность такого изображения гармонических функций заложена в том, что в режиме гармонических колебаний все колебания имеют одну и ту же заранее известную частоту равную частоте внешнего воздействия. Тогда гармоническое колебание

достаточно охарактеризовать только двумя вещественными числами: которые можно объединить в одно комплексное число и рассматривать его как символическое изображение гармонического колебания. А операции над числами проще операций над функциями.

Представим гармоническое колебание в виде действительной части новой комплексной функции, опустив для простоты записи индекс 0 при

(7.18)

Тогда комплексная функция, стоящая в правой части равенства, может быть представлена как произведение некоторой комплексной функции на комплексную экспоненту

Определение:

(7.19)

называется комплексной амплитудой или символическим изображением гармонического колебания: её модуль равен амплитуде а аргумент — начальной фазе гармонического колебания.

Восстановление по символическому изображению ясно из соотношений (7.18) и (7.19). Например, гармоническое напряжение

имеет комплексную амплитуду (символическое изображение) вида:

Соответствия между линейными операциями над гармоническими колебаниями и операциями над их символическими изображениями

1. Умножение на константу:

Полученная формула показывает, что умножению гармонического колебания на константу соответствует умножение на константу его комплексной амплитуды.

2. Сложение: пусть гармоническое колебание представляет собой сумму N гармонических колебаний одинаковой частоты со, но имеющих разные амплитуды и начальные фазы

Применим к обеим частям данного равенства преобразование (7.41) с учётом того, что суммируемые колебания имеют одну и ту же частоту. Тогда получим:

Следовательно, операции сложения (суммирования) гармонических колебаний соответствует операция сложения их комплексных амплитуд.

3. Дифференцирование: дифференцируя функцию

Комплексная амплитуда, т. е. символическое изображение найденной функции, оказывается такой:

поскольку согласно формуле Эйлера (7.40)

Следовательно, операции дифференцирования гармонического колебания соответствует операция умножения его комплексной амплитуды на оператор

4. Интегрирование: интегрируя функцию

Символическое изображение этой функции имеет вид:

Следовательно, операции интегрирования гармонического колебания соответствует операция деления символического изображения на оператор

Заметим, что комплексные амплитуды напряжения и тока имеют вид:

Например, мгновенному значению гармонического напряжения

В соответствует комплексная амплитуда напряжения

а комплексной амплитуде тока

при известной круговой частоте соответствует мгновенное значение гармонического тока:

Законы Ома и Кирхгофа для комплексных амплитуд

комплексную амплитуду тока
комплексную амплитуду напряжения

Покажем, что изученные ранее законы Ома и Кирхгофа справедливы и для комплексных амплитуд.

Закон Ома в символической форме:
для определения закона Ома необходимо установить связи между комплексными токами и напряжениями, действующими в некотором двухполюснике (рис. 7.3).

Введём следующие определения:

Комплексным сопротивлением двухполюсника называется отношение комплексных амплитуд напряжения и тока на входе двухполюсника

(7.20)

Комплексное сопротивление называют также комплексом полного сопротивления, или импедансом.

Комплексной проводимостью двухполюсника называется отношение комплексных амплитуд тока и напряжения на входе двухполюсника

(7.21)

Комплексную проводимость называют также комплексом полной проводимости, или адмитансом.

Из определений следует соотношение:

(7.22)

откуда вытекает, что комплексные амплитуды напряжений и токов на входе двухполюсника формально удовлетворяют закону Ома:

(7.23)

Комплексные сопротивления и проводимости двухполюсников представляют собой в общем случае комплексные величины, зависящие как от параметров цепи, так и от частоты воздействия.

Первый закон Кирхгофа в символической форме:
сумма комплексных амплитуд токов всех N ветвей, подключённых к каждому из узлов электрической цепи, равна нулю.

Действительно, для мгновенных значений токов имеем:

где — номер ветви, подключённой к рассматриваемому узлу. Тогда, заменяя мгновенные значения токов их комплексными амплитудами, согласно правилу сложения комплексных амплитуд получаем:

Второй закон Кирхгофа в символической форме.
сумма комплексных амплитуд напряжений на всех N ветвях, входящих в любой контур цепи, равна нулю.

Это показывается так же, как и для первого закона:

Комплексные сопротивления и проводимости

Поставим задачу установить связь между активными и реактивными составляющими комплексных сопротивлений и проводимостей, для чего подробнее рассмотрим комплексные амплитуды напряжения и тока (7.45).

Из комплексной амплитуды напряжения имеем:

(7.24)

называется модулем комплексного сопротивления, или полным сопротивлением двухполюсника. Таким образом, полное сопротивление двухполюсника равно отношению амплитуды гармонического напряжения на зажимах двухполюсника к амплитуде гармонического тока, протекающего через эти зажимы.

Аналогично из соотношения

можно выделить модуль комплексной проводимости, или полную проводимость двухполюсника:

Аргументы комплексного сопротивления и комплексной проводимости у пассивных двухполюсников могут меняться только в пределах:

Для решения поставленной задачи представим комплексное сопротивление и комплексную проводимость в алгебраической форме:

— активная составляющая,

— реактивная составляющая комплексного сопротивления. Подобным образом для комплексной проводимости

(7.27)

— активная составляющая,

— реактивная составляющая комплексной проводимости.

Наконец, установим связь между активными и реактивными составляющими комплексных сопротивлений и проводимостей:

(7.28)

Аналогично получаем соотношения:

(7.29)

Выводы:

активные составляющие комплексных сопротивлений и проводимостей пассивных двухполюсников не могут принимать отрицательных значений;
реактивные составляющие могут принимать как положительные, так и отрицательные значения: если и сопротивление (проводимость) имеет индуктивный характер, в противном случае — ёмкостной;
если колебания напряжения и тока происходят в фазе двухполюсник обладает чисто активным сопротивлением (проводимостью).

Комплексные числа и операции над ними

Рассмотрим всевозможные пары действительных (обычных) чисел, взятых в определённом порядке. Каждую такую упорядоченную пару называют комплексным числом, обозначают одной буквой (например, ) и записывают в виде

где символ отделяет одно число из пары от другого; знаки ± указывают на то, что два действительных числа объединяются в нечто единое. Число а называется действительной частью число — мнимой частью комплексного числа. Комплексные числа можно записывать как соответственно. При этом:

комплексное число вида называется действительным (вещественным);
комплексное число вида называется чисто мнимым;
число 0— единственное комплексное число, которое является одновременно и действительным, и мнимым;
два комплексных числа, которые отличаются только знаком мнимой части, называются комплексно-сопряжёнными; число, комплексно-сопряжённое с числом обозначают таким образом, если

Запишем формулы для натуральных степеней числа

Из (7.30) видно, что при возведении числа j в степень п наблюдается периодичность значений степени, а именно: из равенства следует, что если Иными словами: чтобы найти достаточно возвести в степень, показатель которой равен остатку от деления на 4.

Арифметические действия над комплексными числами

Два комплексных числа считаются равными, если равны их действительные и мнимые части.
Сложение, вычитание и умножение комплексных чисел следует производить так, словно это многочлены относительно буквы при этом произведение заменяется на -1.

Пусть тогда на основании записанных правил получаем:

• равенство если

• сумму или в общей форме:

(7.31)

• разность:

(7.32)

• произведение:

или в общей форме

(7.33)

3. Деление комплексных чисел определяется как действие, обратное умножению: частным от деления комплексного числа на число называют такое число , что т. е.

(7.34)

4. Полезные тождества:

(7.35)

Геометрический смысл комплексных чисел

Как известно, положение точки Z на координатной плоскости задаётся двумя действительными числами, являющимися координатами этой точки, что записывается в виде , но точно так же задаётся и комплексное число z. Таким образом, между координатами точки и комплексным числом существует однозначное соответствие, а именно: точке на плоскости соответствует комплексное число ; это комплексное число назовём комплексной координатой, а саму плоскость — комплексной плоскостью, по оси абсцисс которой откладываются значения действительной части а по оси ординат — значения мнимой части комплексного числа Эти оси комплексной плоскости называются действительной и мнимой соответственно (рис. 7.4, а). Комплексной координатой начала координат О является число 0 (нуль).

С другой стороны, на той же комплексной плоскости выберем произвольный радиус-вектор для простоты выходящий из начала координат. Тогда конец его будет иметь координату Комплексное число называется комплексной координатой вектора А. Длина этого вектора (расстояние от начала координат до точки называется модулем комплексного числа .

Угол наклона вектора к действительной оси называется аргументом числа

где называется главным значением аргумента (главным аргументом); главное значение аргумента удовлетворяет неравенствам:

(7.37)

Из рис. 7.4, б следует, что

(7.38)

Аргумент считается положительным при отсчёте против часовой стрелки и отрицательным — при отсчёте в противоположном направлении.

Формулы Эйлера и Муавра

Вновь обратимся к рис. 7.4, б и найдём значения и через значения

которые позволяют записать комплексное число в тригонометрической форме:

(7.39)

В 1743 году Эйлер предложил обозначить

(7.40)

и назвать полученное соотношение мнимой экспонентой. Тогда комплексное число z можно записать в показательной (полярной) форме

(7.41)

Из (7.40) следуют две формулы, выражающие через и мнимые экспоненты. Заменяя в (7.40) на , имеем:

(7.42)

Складывая и вычитая почленно (7.40) и (7.42), получаем:

(7.43)

откуда следуют интересующие нас формулы:

Заметим также, что модуль комплексной экспоненты равен единице; действительно:

(7.44)

Найдём выражение, соответствующее степени мнимой экспоненты (7.40):

(7.45)

(7.46)

Формулы (7.45) и (7.2) называются формулами Муавра.

Электротехника
Основы теории цепей

Энергетические характеристики двухполюсников
Комплексные функции электрических цепей
Гармонические колебания в колебательном контуре
Частотные характеристики линейных электрических цепей
Электрические цепи несинусоидального тока
Несинусоидальный ток
Электрические цепи с распределенными параметрами
Резистивные электрические цепи и их расчёт

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Telegram и логотип telegram являются товарными знаками корпорации Telegram FZ-LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.

источники:

https://www.asutpp.ru/garmoniki-v-elektricheskih-setyah.html

https://habr.com/ru/post/219337/

https://www.evkova.org/garmonicheskie-napryazheniya-i-toki