Гармоники — это напряжения или токи, вызываемые нелинейными нагрузками на источник питания. Гармонические частоты возникают на частотах кратных основной частоте, и накладываются на основную форму сигнала напряжения или тока, создавая искаженную форму сигнала. Гармоники классифицируются в первую очередь по их порядку, или целому числу, кратному основной частоте. Например, для основной частоты 50 Гц гармоника 3-го порядка была бы равна 150 Гц, гармоника 4-го порядка была бы равна 200 Гц и так далее.

Также называемая 1-й гармоникой, основная частота — это форма сигнала, которая имеет частоту питания (50 Гц в большинстве стран остального мира и 60 Гц в Северной Америке и некоторых частях Южной Америки).

Нагрузки на источник питания могут быть линейными или нелинейными, что говорит о способе, которым нагрузка потребляет ток. Линейные нагрузки потребляют ток, пропорционально напряжению, что приводит к синусоидальной зависимости между формами сигналов тока и напряжения. Нелинейные нагрузки, с другой стороны, потребляют ток только по мере необходимости, создавая искаженную форму сигнала тока, содержащую гармоники. Это, в свою очередь, искажает форму сигнала питающего напряжения, вызывая гармоники напряжения.

В дополнение к порядку, или кратности основной частоте, гармоники также классифицируются по их последовательности, которая относится к вращению гармоники относительно основной формы сигнала. Гармоники положительной последовательности являются 4-я, 7-я, 10-я и так далее и вращаются в том же направлении, что и основная частота. Гармоники отрицательной последовательности включают в себя 2-ю, 5-ю, 8-ю и так далее. Эти гармоники вращаются в направлении, противоположном основной частоте.

Поскольку они вращаются в противоположном основной частоте направлении, гармоники отрицательной последовательности препятствуют работе двигателя, ослабляя вращающееся магнитное поле двигателя, что уменьшает величину создаваемого крутящего момента. И хотя гармоники положительной последовательности вращаются в том же направлении, что и основная частота, они могут вызвать чрезмерный нагрев, который наносит ущерб двигателям, кабелям и другому оборудованию.

Обратите внимание, что ни положительная, ни отрицательная гармоники последовательности не содержат значений, кратных трем. Нечетные целые числа, кратные 3-й гармонике — 3-я, 9-я, 15-я и так далее — называются трипленами и не имеют вращения. Тройки циркулируют между фазой и нейтралью или заземлением, складываясь в общем нейтральном проводе. Это может привести к тому, что ток в нейтральном проводе будет иметь амплитуду, в три раза превышающую амплитуду фазного тока на основной частоте, что приведет к перегреву нейтрального провода.

Энергетические системы обычно несодержат четные гармоники (2, 4, 6, 8 и так далее), а трехфазные системы не содержат трипленов или гармоник в нечетных целых числах, кратных трем (3, 9, 15, 21 и так далее). Таким образом, при отсутствии четных или тройных гармоник системы управления движением в основном испытывают гармоники 5-го, 7-го, 11-го и 13-го порядков.

Полное гармоническое искажение (THD) — это степень, в которой форма сигнала напряжения или тока отклоняется от своей чистой синусоидальной формы из-за сочетания всех гармонических элементов. Математически полное гармоническое искажение — это отношение среднеквадратичного значения (RMS) частот гармоник (от 2-й гармоники до n-й гармоники) к среднеквадратичному значению основной (первой) частоты.

THD = общее гармоническое искажение (%)

h = порядок гармоники

I_n = гармоника тока или напряжения n-го порядка*

I₁ = гармоника тока или напряжения первого порядка (основная частота)

*THD для электроприводов и других промышленных систем обычно рассчитывается для гармоник до 40-го или 50-го порядка.

Гармоники тока и напряжения могут отрицательно сказываться на обслуживаемых нагрузках и на системе электроснабжения, особенно на трансформаторах. Для двигателей, приводимых в действие ЧРП или сервоусилителями, более высокие частоты гармоник тока приводят к увеличению основных потерь (которые зависят от частоты) в двигателе. А гармоники тока используют мощность источника питания, не обеспечивая активную мощность в подключенных нагрузках, тем самым снижая коэффициент мощности объекта электроснабжения в целом (напомним, что питание подается на нагрузку только током основной частоты).

Гармоники напряжения особенно вредны для чувствительного электронного оборудования, а гармоники напряжения с отрицательной последовательностью (например, гармоники напряжения 5-го и 11-го порядков) уменьшают величину крутящего момента, который может выдавать двигатель.

К счастью, существуют способы уменьшить гармонические искажения и свести к минимуму их воздействие на энергосистему и подключаемые нагрузки. Для частотных преобразователей, использующих стандартный диодный выпрямитель, добавляя импеданс через линейный реактор или Дроссель шины постоянного тока можно добиться уменьшение THD. Другой вариант заключается в использовании активных выпрямителей (AFE), которые используют IGBT, а не диоды, для преобразования входящего переменного тока в постоянный. Кроме этого, ЧРП, которые используют 12-, 18- или 24-импульсные выпрямители могут значительно уменьшить или даже устранить определенные гармоники и снизить THD.