Негативные эффекты, измерения и расчет интергармоник

Анонс: Негативы и эффекты интергармоник, аналогичные гармоникам и индивидуальные. Измерения и расчеты гармоник и интергармоник по требованиям стандартов.

Негативы и эффекты интергармоник, аналогичные гармоникам, вызваны дополнительным сигналом, наложенным на фундаментальный и их можно разделить на три категории: перегрузки, колебания и искажения. Последствия перегрузок включают дополнительные потери энергии, которые могут привести к нагреву оборудования, кабелей, соединений, отключению фильтров или других компонентов системы и насыщению трансформатора тока. В зависимости от частоты эти дополнительные искажения вызывают колебания в механических системах, акустические помехи или мешать телекоммуникационным сигналам. Искажение основной формы сигнала частоты может мешать работе электронного оборудования, систем освещения, устройств синхронизации и пр.

Двумя наиболее распространенными эффектами интергармоник, которые не аналогичны гармоническим искажениям, являются мерцание света (фликер) и помехи связи при передаче информации по силовой сети.

Мерцание света вызвано изменениями среднеквадратичной величины напряжения, а субъективное восприятие фликера зависит от частоты и величины этих изменений. Зависимость изменения среднеквадратического значения напряжения от частоты постоянной интергармонической амплитуды 0,2% показана на рисунке ниже, где видно, что влияние на мерцание интергармонических частот выше второй гармоники минимально. Причем практически все типы систем освещения могут быть восприимчивы к мерцанию, но интенсивность фликера может варьироваться для разных типов в зависимости от отклонений напряжения и частоты.

Связь по линиям электропередач рассматривалась в предыдущем материале цикла, как источник интергармоник, поскольку информационные и управляющие сигналы типично подаются импульсами и посылаются на интергармонической частоте. На такие сигналы обычно не влияют другие интергармоники, которые имеют меньшую амплитуду или не соответствуют по частоте, однако двусторонняя связь формируется из нескольких интергармонических частот.

Интергармонические искажения, создаваемые линиями электропередач, несут информацию, которую после удаления сигнала 50 Гц и его гармоник можно интерпретировать, однако если интергармоники от других источников находятся в том же диапазоне частот, что и сигналы связи, то они будут мешать интерпретации и затруднять передачу данных. Сигналы связи линии электропередач также могут вызывать мерцание в системах освещения и одним из решений проблемы является увеличение амплитуды сигнала.

Измерения и расчеты гармоник и интергармоник.

Методы, обычно используемые для измерения частотных составляющих формы сигнала, используют петлю фазовой автоподстройки частоты для синхронизации измерения с основной частотой. Затем сигнал анализируется с использованием преобразования Фурье (Fourier Transformation - FT) одного или нескольких циклов, но достаточно точно представляет форму сигнала только в том случае, если не содержит каких-либо непериодических (интергармонических) компонентов. FT использует определенный временной период измерения (период времени - T, 1 / T = частота) и ограниченное количество выборок (M) этого периода. Для энергосистемы периодические сигналы на основной частоте 1/T составляют 50 Гц, а выборка в 16,67 миллисекунды достаточна для полного анализа гармонических частотных составляющих. Измерение интергармоник, которые являются нецелыми числами, кратными основной частоте и могут изменяться со временем, является более сложным.

Чтобы упростить процесс измерения и получить воспроизводимые результаты, IEC 61000-4-76 использует метод, основанный на концепции группировки. Для системы с частотой 60 Гц его основой является анализ Фурье с базисом из 12 фундаментальных циклов, в котором используется петля фазовой автоподстройки частоты, синхронизированная с основной частотой. В результате получается спектр с разрешением 5 Гц.

Этот анализ показывает гармоники на частотах, кратных основным и интергармоническим частотам каждые 5 Гц между гармоническими частотами. Затем и гармонические и интергармонические компоненты могут быть сгруппированы в гармонические группы, интергармонические группы, гармонические подгруппы и интергармонические подгруппы (рис. ниже). Величина каждой группы или подгруппы вычисляется путем извлечения квадратного корня из суммы квадратов компонентов каждой группы или подгруппы. В соответствии со стандартом IEC 61000-4-7 интергармоническая группа ниже основной частоты (субгармоника) называется интергармоникой 0 (interharmonic 0), интергармоническая группа между основной и второй гармоникой -интергармоникой 1 (Interharmonic 1) и т. д. Те же расчеты используются как для напряжения, так и для тока.

Величина любой интергармонической группы (Interharmonic Group - IG) представляет собой квадратный корень из суммы квадратов величин интергармоник в этой группе, например, величина второй группы (или, проще - второй интергармоники), показанная на рис. выше, представляет собой квадратный корень из суммы квадратов величин интергармонических составляющих от 125 Гц до 175 Гц.

Для расчета величины интергармонической группы IGN из 11 величин интергармонических компонент (Y) между частотами N и (N+1) порядка используется уравнение:

При расчете величины интергармонической подгруппы (Interharmonic Subgroup - ISGN) из формулы расчета группы убираются интергармонические компоненты, ближайшие к каждой из гармоник:

Расчет величины группы гармоник (Harmonic Group - HGN) включает гармоническую частоту и все ближайшие к ней интергармонические компоненты, а поскольку они в полосе на 30 Гц выше и 30 Гц ниже находятся на равном расстоянии от каждой гармоники, в расчет включается половина величины обеих этих составляющих:

Расчет величины гармонической подгруппы (Harmonic Subgroup - HSGN) включает только гармоническую частоту и интергармонические компоненты, непосредственно примыкающие к гармонической частоте:

Полное гармоническое искажение вычисляется как квадратный корень из суммы квадратов всех отдельных гармонических составляющих, имеющих значимую амплитуду, и точно так же можно вычислить полное интергармоническое искажение.