Термины
При анализе формы синусоиды переменного тока гармоники и интергармоники определяются как компоненты спектра в квазиустойчивом состоянии в неком диапазоне частот. В таблице представлены их математические определения.

* f1 – основная частота по напряжению

Термин «субгармонический» не имеет официального определения – это лишь частный случай интергармоники, когда частота интергармоники меньше частоты базовой частоты. Тем не менее, этот термин часто встречается в текстах и употребляем в профессиональном обороте.

Стандарт МЭК 6100021 2 дает следующее определение интергармоники:

м. гармониками базовой (силовой) частоты и тока могут наблюдаться иные частотные составляющие, которые не кратны базовой частоте. Они могут проявляться как обособленные частотные составляющие, так и совмещенные3.

Для лучшего понимания необходимо рассмотреть следующие понятия.

Интергармоническая частота
Любая частота, не кратная базовой частоте. По аналогии с порядком кратности гармоник порядок интергармонической частоты основан на отношении к базовой частоте. Если это отношение меньше единицы, то такую гармоническую частоту называют субгармонической. В соответствии с рекомендацией МЭК порядок интергармонических частот обозначается буквой «m» (МЭК 610002 4.

Интергармоническое напряжение (аналогично и для тока)
Синусоидальное напряжение, имеющее промежуточную частоту м. двумя гармониками, т. е. частоту, не кратную базовой частоте.

Источники
Два механизма приводят к появлению интергармоник. Первый заключается в возникновении составляющих в частоте питающего напряжения и его гармониках в результате изменения их амплитуд и/или углов фаз. Это вызывается быстрым изменением значений тока в электроустановках и оборудовании, которые могут быть причиной перепада напряжения. Возмущения вызываются нагрузками в переходных режимах постоянно или временно или во множественных случаях при возникновении модуляции токов и напряжений. Эти возмущения носят случайный характер и зависят от оборудования и действующих циклов.

Вторым механизмом является асинхронное переключение (т. е. несинхронизированное с частотой питания) полупроводниковых устройств статических преобразователей. Типичным примером являются преобразователи частоты и устройства с широтноимпульсной модуляцией. Производимые ими интергармоники можно обнаружить практически в любой части спектра питания.

В некоторых изделиях имеют место оба механизма появления интергармоник.

Интергармоники могут появляться при любых значениях напряжения и перетекать из одних систем в другие. Так, интергармоники, образовавшиеся в сетях высокого и среднего напряжения, переходят в сети низкого напряжения и наоборот. Амплитуда интергармоник редко превышает 0,5 % значения амплитуды базовой частоты, но в условиях резонанса могут возникнуть и большие значения.

Основные источники возмущений включают:

дуговые нагрузки;

электроприводы с переменной нагрузкой;

статические преобразователи, в частности преобразователи частот с прямым и косвенным управлением;

устройства управления фазами.

Интергармоники могут также вызываться колебательными явлениями, возникающими, например, в системах с сериями или параллельно установленными конденсаторами или специфическими режимами работы силовых трансформаторов.

В системе питания присутствует фоновый гауссов шум во всем спектре частот. Типичные возмущения составляют (МЭК 10002 :

40–50 мВ (около 0,02 % Un) при измерении в полосе частот 10 Гц;

20–25 мВ (около 0,01 % Un) при измерении в полосе частот 3 Гц,

где Un соответствует номинальному напряжению (230 В).

Дуговые нагрузки
Эта группа включает дуговые печи и сварочные аппараты. Дуговые печи обычно не производят значительные интергармоники, кроме тех случаев, когда в результате резонанса происходит их усиление. Переходные циклы – ист. интергармоник – практически возникают в начале режима плавления ( .

Сварочные аппараты производят непрерывные по спектру частот составляющие, для каждого режима свои. Длительность каждого цикла варьируется от одной до нескольких секунд в зависимости от типа сварочного аппарата.

Электродвигатели
Индуктивные электродвигатели могут быть источником интергармоник изза щелей м. металлом в роторе и статоре, особенно при насыщении магнитного контура (так называемые щелевые гармоники). При постоянной скорости вращения частоты возмущающих компонентов обычно находятся в пределах 500–2 000 Гц, но в период пуска и разгона двигателя их значения могут быть шире. Естественные элементы асимметрии конструкции электропривода (отклонения от детальных чертежных геометрических размеров, несоосность, например) могут также являться причиной возникновения интергармоник ( .

Статические преобразователи частоты
Преобразователи с прямым управлением
Преобразователи с прямым управлением имеют контур обратной связи постоянного тока с входным преобразователем на стороне питания и выходной преобразователь (обычно функционирующий как инвертер) на стороне нагрузки. И в конфигурации преобразования напряжения, и тока контур постоянного тока имеет фильтр, который разъединяет ток или напряжения по питанию от выходного. Но поскольку идеальных фильтров просто не существует, все равно некая связь остается. В результате, компоненты тока, связанные с нагрузкой, присутствуют и в связующей цепи постоянного тока и, соответственно, передаются на сторону питания. Эти компоненты по отношению в базовой частоте являются субгармониками и интергармониками.

Инверторы с управлением по току нагрузки
Изза техники переключения, свойственной полупроводниковым приборам, их так же называют преобразователями частоты с косвенным управлением (line commutated indirect frequency converters). Частотный преобразователь состоит из двух трехфазных мостов P1 и P2 и контура обратной связи постоянного тока со стабилизатором (c индуктивностью Ld, . Один из мостов работает в режиме выпрямителя, а другой – в режиме инвертера, хотя их функции могут взаимозаменяться.

Присутствие двух мостоввыпрямителей обеспечило наличие в контуре обратной связи различных частот от двух систем – f1 и f Каждый из преобразователей передаст в этот контур неспецифические составляющие, которые появятся в виде нетипичных гармоник в цепях переменного тока, как на стороне питания, так и нагрузки.

Составляющие в контуре постоянного тока:

от системы 1: fd1 = p1kf1 k = 0, 1, 2…

от системы 2: fd2 = p2nf2 n = 0, 1, 2…

где p1, p2 – номер импульса от преобразователей P1 и P2 соответственно;

f1 – основная частота системы 1 (питание), Гц;

f2 – основная частота системы 2 (нагрузка), Гц.

Преобразователь P1 повлечет специфические гармоники тока в цепи питания на следующих частотах:

Fhh,char = (p1k ± f1 k = 1, 2...

В дополнение к этому возникнут составляющие от составляющих, появившихся в контуре P2.

Полный набор частотных составляющих на стороне питания можно выразить следующим образом:

частотные составляющие тока в цепи питания (система = (kp1 ± f1 ± p2nf2,

где k = 0, 1, 2... и n = 0, 1, 2…

Представив, что n = 0 для k = 0, 1, 2... мы получим порядки специфических гармоник для приведенной конфигурации преобразователя P Составляющие, определенные для k = const и n = 0, являются ближайшими боковыми частот инвертера. Таким образом, каждая специфическая гармоника, например, для шестиимпульсного моста порядка n1 = 1, 5, 7… имеет собственные боковые неспецифические составляющие, как наглядно видно на 4 для пятой гармоники.

Первая пара интергармоник, возникающих вблизи базовой частоты, например, с частотами f1 ± p2f2, имеет наибольшую амплитуду. Индуктивность стабилизатора в контуре постоянного тока имеет значительное влияние на уровень интергармоник. Примером конфигурации электропривода с инвертором тока может служить асинхронный привод с субсинхронным выпрямительным каскадом (с восстановлением соскальзывания скорости).

Преобразователи с управлением по напряжению
Для преобразователей частоты с управлением по напряжению ( также доминируют характерные гармоники преобразователя P Боковые частоты, определяемые числом импульсов преобразователя P2, возникают вокруг этих характерных частот P1, а именно: (kp1 ± f1 ± np2f2 для k = 0, 1, 2, 3… n = 0, 1, 2… В большинстве случаев нехарактерные составляющие представляют весьма малую долю тока питания. Численное определение гармоник по току питания и значений интергармоник требует точного анализа характеристик каждого конкретного преобразователя вместе с характеристиками нагрузки или хотя бы заявляемые в этой связи сведения производителя.

Некоторые преобразователи включают активный выпрямитель сетевого тока с частотой переключения, не являющейся кратной частоте питания. Эта частота может быть постоянной или меняться в зависимости от конкретной модели устройства.

Преобразователи, меняющие сетевое напряжение в напряжение с регулируемой амплитудой и частотой, построенные по схеме с выпрямителем с ШИМмодуляцией, излучают составляющие тока на управляющей частоте микроциклора, равно как и соответствующие гармоники, не синхронизированные с частотой сети. Их диапазон обычно лежит в пределах от нескольких сотен герц до десятков килогерц.