2.2. Природа гармонік

Термін "гармоніка" походить з акустики, де він використовується для позначення коливання струни або стовпа повітря з частотою, кратній основній частоті коливань. Так само як і в області електричних сигналів, гармоніка визначається як значення сигналу з частотою, кратній фактичній частоті мережі, наприклад основній частоті сигналу, виробляючого генератором.

Якщо складний сигнал спостерігати на осцилографі, то його форма є видимою на деякому інтервалі часу, а миттєве значення сигналу визначене для кожного моменту часу. Якщо ж той самий сигнал пропустити через високоякісний підсилювач, то на слух він сприйматиметься як суміш сигналів різних частот. Звідси витікає, що форма кривої сигналу може бути описана або в тимчасовій, або в частотній області.

Слід зазначити, що теоретично подібне уявлення можливе лише у разі, коли хвиля складається з нескінченного числа циклів. На практиці такого не існує, оскільки зміна навантаження приводить до зміни змісту гармонік. Якщо ж досліджувані гармоніки залишаються незмінними, то процес аналізу істотно спрощується. Тому слід розрізняти гармоніки в сталих режимах, коли форма кривої не змінюється, і гармоніки в перехідних режимах, коли форма кривої істотно міняється від циклу до циклу.

Істотною характеристикою, що визначає форму кривої, є фазовий кут (кут зсуву) гармоніки по відношенню до основної частоти. У акустиці прийнято вважати, що цей кут не впливає на звуковий ефект. Це не відноситься до електричних сигналів, де одні і ті ж гармоніки від різних джерел можуть створювати різний вплив залежно від їх відносного положення.

2.3. Актуальність проблеми

Як і багато інших форм спотворень, гармоніки впливають на всі види електричного устаткування, що знаходиться на досить великій відстані від місця генерації гармонік.

Найбільше відчувається вплив гармонік, що виникають в силових лініях, на якість звуку телефонного зв'язку, який знижується через наведення силовими гармоніками гармонічного шуму. Проте існують та інші, менш чутні, але часто небезпечніші дії, що виражаються в помилковому спрацюванні відповідальної управляючої і захисної апаратури, перевантаженні силових апаратів і систем. Дуже часто тривале існування спотвореної кривої напруги приводить до руйнування силових конденсаторів. Крім того, при незадовільному стані електричної мережі доводиться частіше ремонтувати або замінювати елементи, що виходять з ладу. В цьому випадку застосування навіть елементарних мір захисту устаткування у вигляді фільтрів, що встановлюються у споживача, приводить до істотного поліпшення кривої напруги.

За останні роки великий розвиток отримали технології, засновані на використанні керованих випрямлячів, що привело до збільшення гармонік струму в мережах. Разом з тим при розробці такого устаткування зазвичай припускають, що напруга в точці приєднання синусоїдальна. Це можливо лише у випадку, якщо енергетична система, що живить устаткування, має малий гармонічний опір. Отже, малопотужні споживачі, що живляться від такої мережі, піддаються додатковим небезпекам, пов'язаним з впливом гармонік на керуюче устаткування, встановлене в цих мережах.

Енергопостачаючі організації зазвичай знімають з себе відповідальність за причини виникнення гармонік, вводячи стандарти або рекомендації по обмеженню рівнів гармонічних складових в точках загального приєднання споживачів.

Проте визначення допустимих рівнів гармонік не є простим і однозначним завданням. Знання про струми гармонік різних джерел недостатні для того, щоб встановити межі, в яких забезпечувалася б електромагнітна сумісність устаткування в будь-якій енергосистемі. Тому якщо знання про гармоніки струму виходять в основному з фізичної суті явища, то розроблені стандарти і рекомендації є, результатом аналізу попереднього практичного досвіду, використаного для того, щоб уникнути появи подібних проблем в майбутньому.

До тих пір, поки не буде досягнуто достатнє розуміння характеру гармонійних явищ в складних системах, енергопостачання залишатиметься під загрозою підвищеної небезпеки і енергопостачальні організації і споживачі будуть часто вимушені приймати заходи вже після аварій. Для вирішення цієї проблеми необхідно в першу чергу вирішити питання проведення точних вимірювань і моделювання живлячих мереж, що дозволяє проводити глибокий аналіз складних процесів розповсюдження гармонік в мережах.