Гармоники — составляющие напряжения или тока с частотами, кратными основной частоте сети. Они появляются, когда нелинейная нагрузка потребляет ток несинусоидально, и влияют на нагрев, потери, ток нейтрали, двигатели и работу компенсации реактивной мощности.
Оценивать гармоники нужно раздельно по напряжению и току, номеру составляющей и точке измерения. Один показатель THD без спектра, режима нагрузки и области нормирования часто недостаточен для технического вывода.
- Основная частота
- 50 Гц; 5-я гармоника — 250 Гц, 7-я — 350 Гц.
- Два разных показателя
- Искажение напряжения характеризует питание, токовые гармоники — нагрузку и её влияние на сеть.
- Правильный диагноз
- Спектр, THD, действующие значения, мощность и длительный профиль измеряют одновременно.
Что такое гармоники в электросети
Периодический несинусоидальный сигнал можно представить как основную синусоиду и сумму гармоник. Номер гармоники показывает отношение её частоты к основной: для сети 50 Гц третья составляющая имеет 150 Гц, пятая — 250 Гц.
Гармоники не следует смешивать с провалом, перенапряжением, несимметрией или переходным импульсом. Эти явления могут возникать одновременно, но измеряются и нормируются по-разному.
Как гармоники меняют форму напряжения
Переключите режим. Показаны два периода сети 50 Гц; масштаб напряжения указан в относительных единицах.
Нечётные
3-я, 5-я, 7-я и следующие часто заметны у силовой электроники и преобразователей.
Чётные
Могут указывать на асимметрию формы сигнала или особенности конкретного оборудования.
Интергармоники
Имеют частоты, не являющиеся целым кратным основной, и анализируются отдельно.
Высокочастотные составляющие
Не вся помеха выше 50 Гц относится к гармоникам в одном и том же нормативном диапазоне.
Какие нагрузки создают искажение
Основные источники — выпрямители, частотные преобразователи, ИБП, импульсные блоки питания, светодиодные драйверы, зарядные устройства и дуговые установки. Форма тока зависит от схемы входа, режима и наличия коррекции коэффициента мощности.
Трансформатор и сеть имеют конечное сопротивление, поэтому гармонический ток вызывает гармонические составляющие напряжения. Чем «слабее» точка питания и больше суммарная нелинейная нагрузка, тем заметнее взаимное влияние потребителей.
Офис и дата-центр
Большое число однофазных блоков питания формирует токовые гармоники и нагрузку нейтрали.
Привод
Выпрямитель частотного преобразователя создаёт характерный спектр, меняющийся с режимом.
Освещение
Драйверы разных конструкций имеют разные коэффициент мощности и форму тока.
ИБП и зарядная система
Искажение зависит от выпрямителя, уровня заряда и работы байпаса.
Почему THD напряжения и тока — не одно и то же
THDU показывает отношение гармонических составляющих напряжения к основной, а THDI — аналогичное отношение для тока. Высокий THD тока у маломощной нагрузки не обязательно означает нарушение качества напряжения в точке общего присоединения.
При малом основном токе процент THDI способен резко вырасти, хотя абсолютные гармонические амперы невелики. Поэтому вместе с процентом смотрят отдельные составляющие, действующий ток, мощность и режим.
Качество питания в заданной точке
Сопоставляют с нормами для систем общего назначения и условиями договора.
Эмиссия и нагрузка оборудования
Критерий зависит от типа устройства, мощности и точки присоединения.
Полный энергетический показатель
Учитывает не только фазовый сдвиг, но и искажение; измеряется отдельно.
Нельзя оценивать соответствие по скриншоту одного мгновенного THD. Нужны класс прибора, схема подключения, период агрегирования, режим объекта и применимый предел.
К чему приводят гармоники
Дополнительные частоты увеличивают потери в кабелях, трансформаторах и двигателях, могут вызывать вибрацию, шум и нагрев. Пятая гармоника создаёт составляющую обратной последовательности и способна ухудшать режим вращающихся машин.
Гармоники, кратные трём, в четырёхпроводной сети складываются в нейтрали; этому посвящён отдельный материал о triplen-гармониках. Повреждение нейтрали и перекос фаз — другие причины проблем, которые нужно исключить при диагностике.
- Нейтраль и контактыПроверяют действующий ток, спектр, сечение, соединения и нагрев.
- ТрансформаторыУчитывают дополнительные потери и допустимую нагрузку при несинусоидальном токе.
- ДвигателиОценивают нагрев, момент, вибрацию и работу преобразователя.
- КонденсаторыПроверяют гармонические токи и риск резонанса; обычная установка компенсации не является фильтром.
Как измеряют гармоники
Анализатор качества электроэнергии подключают по правильной схеме, задают коэффициенты трансформаторов и регистрируют напряжения, токи, мощность, THD и спектр. Период должен охватывать рабочие циклы, пиковую и минимальную нагрузку.
Измерение качества электроэнергии оценивает питание и гармоники, замер потребляемой мощности связывает их с нагрузкой, а измерение коэффициента мощности уточняет энергетический режим.
Определяют задачу
Ищут нарушение напряжения, источник токовой эмиссии, перегрев или данные для проекта фильтра.
Выбирают точки
Измеряют на вводе и отходящих линиях, чтобы локализовать вклад потребителей.
Записывают профиль
Синхронно фиксируют спектр и режимы оборудования.
Сопоставляют
Применяют норматив именно к своей точке, мощности и категории оборудования.
Как уменьшить гармонические искажения
После локализации источника рассматривают входные дроссели, многопульсные схемы, активные выпрямители, пассивные или активные фильтры, перераспределение нагрузки и усиление сети. Метод выбирают расчётом по спектру, мощности и изменению режимов.
Конденсаторная установка для компенсации реактивной мощности без проверки способна попасть в резонанс. Потери от гармонических токов входят в общий баланс, но не совпадают со всеми потерями при передаче электроэнергии. После внедрения повторяют измерения и тепловой контроль.
Нейтраль, трансформатор или фильтр нельзя выбирать по одному усреднённому THD. Нужны абсолютные гармонические токи, спектр, расчётный режим и допустимые характеристики оборудования.
Разберём вашу задачу
Инженер уточнит исходные данные и предложит подходящее техническое решение.
