Почему говорят, что только компонент основной частоты дает полезную мощность?

20

В большинстве книг говорится, что содержание гармоник в линии переменного тока не передает мощность (только основная частота), но не дает объяснения. Это кажется интуитивно понятным, но почему это так?

Изменить: в контексте электроэнергии, так что я представляю себе искаженную форму волны тока и синусоидального напряжения.

k_orolev
источник
гармоническое содержание? Вы имеете в виду гармонический ток?
Ясен
4
Книга не так проста. Это еще более неправильно сегодня, потому что большинство устройств выпрямляют вход переменного тока в постоянный ток перед его использованием.
Навин
1
Гармонический ток в линии переменного тока с одночастотным синусоидальным напряжением обеспечивает полезную мощность для нагрузки. выпрямитель не собирается это менять.
Ясен

Ответы:

4

Это правда, потому что напряжение является синусоидальным и

sin (a) .sin (b) = 1/2 (cos (ab) + cos (a + b))

И только в случае, когда a = b, результат имеет среднее значение, которое не равно нулю.

поэтому все гармоники дают результат, который не влияет на реальную мощность

Jasen
источник
1
Да, вы поняли, проще говоря, гармоники ортогональны друг другу
Карлок
да, это лишь несколько волнообразное доказательство этого.
Ясен
28

Это слишком общее утверждение. Очевидно, что при резистивной нагрузке все частоты передают мощность.

Это действительно утверждение о вращающемся оборудовании (двигатели и генераторы). Для этих устройств энергия на частотах, отличных от фундаментальных, с той же вероятностью будет противодействовать выполняемой работе, чем помочь ей. Кроме того, энергия высоких частот часто теряется в виде нежелательных вихревых токов и т. Д.

Дэйв Твид
источник
Кроме того, в нормальных ситуациях (кроме использования инвертора) в гармониках сравнительно очень мало энергии для начала, да?
Очаг
2
@Hearth: Ну да, но вопрос в том, полезна эта энергия или нет.
Дэйв Твид
16

Это верно только в том случае, если ток искажается нагрузкой, а не из-за искажения формы волны напряжения линии переменного тока.

Если вы умножите мгновенные значения, точка за точкой, двух синусоидальных волн различной частоты, вы получите форму волны, которая имеет среднее значение нуля. У вас есть положительная сила в некоторых интервалах и отрицательная сила в других интервалах. Это показывает, что энергия передается взад и вперед, а не передается от источника к нагрузке.

введите описание изображения здесь

Если напряжение в сети переменного тока искажено, гармоническая мощность передается, но это может быть бесполезной мощностью. В двигателях переменного тока гармонический ток будет пытаться заставить двигатель работать на более высокой скорости, что противоречит основному. Некоторые из гармоник будут пытаться привести двигатель в обратном направлении. В результате вся передаваемая чистая гармоническая мощность теряется в виде тепла, шума и вибрации. Некоторая гармоническая мощность будет передаваться между источником и нагрузкой так же, как циркулирует реактивная постановка задачи.

Гармоническая мощность будет полезна в той степени, в которой она вызывает нагрев, где нагрев является желаемым использованием энергии. Существует некоторая вероятность того, что сила гармоники может быть полезна в универсальном двигателе. Это также может быть полезно при исправлении и фильтрации. Хотя можно сказать, что некоторая часть передаваемой энергии полезна, нежелательные эффекты перевешивают ее полезность.

Чарльз Коуи
источник
1
Это красивое изображение, но я думаю, что можно использовать более подробное объяснение. По крайней мере, мне потребовалось некоторое время, чтобы понять, что, я думаю, вы пытаетесь проиллюстрировать этим. Сначала я подумал, что вы пытаетесь утверждать, что «форма волны со средним нулем» не может передавать полезную мощность, что кажется разумным ... пока не осознается, что любая несмещенная периодическая форма волны, включая чистую синусоидальную волну, также имеет в среднем ноль, но передача переменного тока, очевидно, все еще работает.
Илмари Каронен
... Я предполагаю, что вы на самом деле пытаетесь сказать, что если ток, потребляемый нагрузкой, имеет некоторые частотные составляющие, которые ортогональны к форме сигнала линейного напряжения (или наоборот), то эти частоты не могут передавать полезную мощность (если только конечно, происходит некоторое исправление или другие нелинейные вещи). Но я понял это только тогда, когда заметил «V» и «I» в легенде изображения. И я до сих пор не совсем уверен, о чем на самом деле спрашивает ОП.
Ильмари Каронен
@Ilmari Karonen ОП спрашивает о том, что сказано «в большинстве книг». Я пытаюсь объяснить, что может быть правдой об этом.
Чарльз Коуи
ОП здесь, я спрашивал об электроэнергии, поэтому я предположил, что ток был искажен, а сетевое напряжение было чистым. Извините за отсутствие ясности.
к_оролев
6

Для синусоидальной сетки это верно, так как гармоники происходят из-за любого «нелинейного устройства».

Например, частичное насыщение магнитного сердечника контролируется пиковым напряжением возбуждения.

Однако это утверждение противоречит недорогим инверторам с источниками прямоугольных импульсов, оцененными в среднеквадратичных значениях. Гармоники в этой форме волны напряжения могут генерировать одинаковую мощность в резистивных нагрузках. Но тогда гармоники могут увеличить потери на вихревые токи в двигателях, поэтому они менее эффективны.

Поэтому, если вы понимаете источник гармоник и импеданс нагрузки, вы можете понять исключения из правила . Электрический нагреватель, будучи в основном резистивным, может использовать источники синусоидальной или прямоугольной формы.

введите описание изображения здесь

Единственная разница между реальной (использованной) мощностью и реактивной (накопленной) мощностью заключается в сдвиге фазы на 90 градусов относительно тока относительно напряжения, независимо от того, является ли он основным или гармоническим.

Тони Стюарт Sunnyskyguy EE75
источник
5
Электрический нагреватель может использовать постоянный ток, даже. Поскольку он не имеет памяти, он заботится только о мгновенном напряжении, а не о каком-либо предыдущем напряжении - за исключением теплоемкости. Температура нагревателя, очевидно, зависит от предыдущего напряжения.
MSalters
Кроме того, если ваш источник питания полон искажений и вы подаете питание на импульсный источник питания (SMPS), например блок питания ноутбука, он БУДЕТ передавать эту дополнительную мощность. Если SMPS имеет пассивный фильтр на входе, большая часть этой неосновной энергии будет преобразована в тепло, намного больше, чем инвертор чистого синуса. В худшем случае переходные процессы проходят через фильтры и могут даже повредить схему. Но более сложные расходные материалы (например, Buck-Buck-Boost) могут выдержать и даже очистить коэффициент мощности. Так что да, власть определенно передает.
DeusXMachina
Емкостная нагрузка в кирпичах в большей степени уступает инверторам прямоугольных импульсов, так как индуктивна в двигателях с потерями на вихревые токи, но теперь из-за высоких пиковых токов I² * ESR и добавляет шумовую пульсацию в звук. Таким образом, хороший активный интерфейс PFC также лучше представлять резистивную нагрузку. @DeusXMachina, так что я согласен
Тони Стюарт Sunnyskyguy EE75
0

В контексте энергосистемы мощность переменного тока генерируется и передается через трансформаторы в трех фазах с интервалом 120 градусов. Третья гармоника (тройная частота) одинакова для всех трех фаз, что вы можете проверить, построив график синусоидальных волн. Когда вы подключаете нагрузку между любыми двумя фазами, напряжение третьей гармоники одинаково на обоих проводах, поэтому ваша нагрузка ничего не видит. (Тем не менее, вы увидите третью гармонику от любой фазы до земли.). Поскольку трехфазный трансформатор подключается только между фазами, он не может получать мощность третьей гармоники. Эта блокировка применяется для любой 3n гармоники. Это происходит только при трехфазной передаче мощности, но никогда, когда к нагрузке подключена одна сигнальная линия.

richard1941
источник