Într-un circuit AC, o rezistență se comportă exact în același mod ca într-un circuit DC. Adică, curentul care străbate rezistența este proporțional cu tensiunea pe aceasta.

Acest lucru se datorează faptului că un rezistor este un dispozitiv liniar și dacă tensiunea aplicată pe el este o undă sinus, curentul care trece prin el este, de asemenea, o undă sinus astfel încât diferența de fază dintre cele două sinusoide este zero.

În general, atunci când se lucrează cu tensiuni și curenți alternativi în circuitele electrice se presupune că ele sunt pure și sinusoidale, având doar o singură valoare de frecvență, numită "frecvența fundamentală", dar acest lucru nu este în toate cazurile.

Într-un dispozitiv electric sau electronic sau un circuit care are o caracteristică de tensiune-curent care nu este liniară, curentul care trece prin el nu este proporțional cu tensiunea aplicată. Formele de undă alternative asociate cu dispozitivul vor fi diferite într-o măsură mai mare sau mai mică decât cele ale unei forme de undă sinusoidale ideale. Aceste tipuri de forme de undă sunt în mod obișnuit denumite forme de undă nesinusoidale sau complexe.

Formele de undă complexe sunt generate de dispozitive electrice comune, cum ar fi inductorii cu miez de fier, transformatoarele de comutare, balasturile electronice în lămpile fluorescente și alte sarcini puternic inductive, precum formele de undă de tensiune și curent la ieșirea alternatoarelor AC, generatoarelor și altor astfel de mașini electrice. Rezultatul este că forma de undă de curent poate să nu fie sinusoidală, chiar dacă forma de undă de tensiune este.

De asemenea, majoritatea circuitelor electronice de comutare a alimentării cu energie, cum ar fi redresoarele, redresoarele comandate cu siliciu (SCR), tranzistoarele de putere, convertizoarele de putere și alte astfel de întrerupătoare solid-state care taie alimentările de energie sinusoidală pentru a controla puterea motorului sau pentru a transforma alimentarea sinusoidală AC la DC. Aceste circuite de comutare tind să consume curentul numai la valorile de vârf ale alimentării cu curent alternativ și deoarece forma de undă a curentului de comutare este nesinusoidală, curentul de sarcină rezultat se spune că are Armonici.

Formele de undă complexe nesinusoidale sunt construite prin "adunarea" împreună a unei serii de frecvențe de unde sinusoidale cunoscute sub numele de "armonice". Armonica este termenul generalizat utilizat pentru a descrie distorsiunea unei forme de undă sinusoidale prin forme de undă de frecvențe diferite.

Atunci, indiferent de forma sa, o formă de undă complexă poate fi divizată matematic în componentele sale individuale numite frecvența fundamentală și un număr de "frecvențe armonice". Dar ce înțelegem printr-o "frecvență fundamentală".

Frecvența fundamentală

O formă de undă fundamentală (sau prima armonică) este forma de undă sinusoidală care are frecvența de alimentare. Frecvența fundamentală este frecvența minimă sau de bază ƒ pe care este construită forma de undă complexă și, ca atare, perioada T a formei de undă complexe rezultante va fi egală cu perioada frecvenței fundamentale.

Să luăm în considerare forma de undă de bază fundamentală sau prima armonică AC, după cum se arată.

unde: Vmax este valoarea maximă în volți și ƒ este frecvența formei de undă în Hertz (Hz).

Putem vedea că o formă de undă sinusoidală este o tensiune alternativă (sau curent), care variază ca o funcție sinus de unghi 2πƒ. Frecvența formei de undă ƒ este determinată de numărul de cicluri pe secundă. În Europa, această frecvență fundamentală este stabilită la 50 Hz, în timp ce în Statele Unite este de 60 Hz.

Armonicile sunt tensiuni sau curenți care funcționează la o frecvență care este un număr întreg, multiplu al frecvenței fundamentale. Deci, dată fiind o formă de undă fundamentală de 50 Hz, aceasta înseamnă că armonica a doua ar fi 100Hz (2 x 50Hz), armonica a treia ar fi 150Hz (3 x 50Hz), a 5-a - 250Hz, a 7-a - 350Hz și așa mai departe. De asemenea, dată fiind o formă de undă fundamentală de 60 Hz, frecvențele armonice a doua, a treia, a patra și a cinci ar fi la 120Hz, 180Hz, 240Hz și respectiv 300Hz.

Deci, putem spune că "armonicile" sunt multipli ai frecvenței fundamentale și pot fi, prin urmare, exprimate ca: 2ƒ, 3ƒ, 4ƒ, etc. așa cum este arătat.

Forme de undă complexe datorate armonicilor

Rețineți că formele de undă roșii, de mai sus, sunt formele reale ale formelor de undă văzute de o sarcină datorată conținutului armonic adăugat la frecvența fundamentală.

Forma de undă fundamentală poate fi numită și prima armonică. Prin urmare, o a doua armonică are o frecvență de două ori mai mare decât cea fundamentală, cea de-a treia armonică are o frecvență de trei ori mai mare decât cea fundamentală, iar a patra armonică are o valoare de patru ori mai mare decât cea prezentată în coloana din stânga.

Coloana din dreapta afișează forma complexă a undelor generată ca urmare a efectului dintre adunarea formei de undă fundamentale și a formelor de undă armonice la diferite frecvențe armonice. Rețineți că aspectul formei de undă complexe rezultată va depinde nu numai de numărul și amplitudinea frecvențelor armonice prezente, ci și de relația de fază dintre frecvența fundamentală și frecvențele armonice individuale.

Putem vedea că o undă complexă este alcătuită dintr-o formă de undă fundamentală plus armonici, fiecare având valoarea sa de vârf proprie și unghiul de fază. De exemplu, dacă frecvența fundamentală este dată ca: E = Vmax (2πft), valorile armonicelor vor fi date ca:

Pentru a doua armonică:

E2 = V2max (2 × 2π f t) = V2max (4πft), = V2max (2ωt)

Pentru a treia armonică:

E3 = V3max (3 × 2π f t) = V3max (6π ft), = V3max (3ωt)

Pentru a patra armonică:

E4 = V4max (4x2 π f t) = V4max (8π ft), = V4max (4ωt)

și așa mai departe.

Atunci, ecuația dată pentru valoarea unei forme de undă complexe va fi:

Armonicile sunt în general clasificate în funcție de numele și frecvența acestora, de exemplu, armonica a doua a frecvenței fundamentale la 100 Hz, și, de asemenea, prin succesiunea lor. Secvența armonică se referă la rotația fazorială a tensiunilor și curenților armonici în raport cu forma de undă fundamentală într-un sistem trifazat, echilibrat, cu 4 fire.

O secvență pozitivă de armonici (a 4-a, a 7-a, a 10-a, ...) se va roti în aceeași direcție (înainte) ca frecvența fundamentală. Pe când o secvență negativă de armonici (a 2-a, a 5-a, a 8-a, ...) se rotește în direcția opusă (inversă) a frecvenței fundamentale.

În general, armonicile secvenței pozitive sunt nedorite deoarece sunt responsabile pentru supraîncălzirea conductorilor, a liniilor electrice și a transformatoarelor datorită adăugării formelor de undă.

Armonicile secvenței negative, pe de altă parte, circulă între faze ceea ce creează probleme suplimentare cu motoarele, în timp ce rotația fazorului opus slăbește câmpul magnetic de rotație, solicitat de motoare și, în special, de motoarele de inducție, determinându-le să producă un cuplu mecanic mai mic.

Un alt set special de armonici, numit "triplens" (multiplu de trei) au o secvență de rotație zero. Triplens sunt multipli ai celei de-a treia armonici (a treia, a șasea, a noua, ...), etc, de aici numele lor și, prin urmare, sunt deplasați cu zero grade. Armonicile secvenței zero circulă între fază și neutru sau masă.

Spre deosebire de curenții armonici ai secvenței pozitive și negative care se anulează reciproc, armonicele de ordinul trei sau triplen nu se anulează. În loc să se adune aritmetic în firul neutru comun este supus curenților din toate cele trei faze.

Rezultatul este că amplitudinea curentului din firul neutru, datorată acestor armonici triplen ar putea fi de până la de 3 ori mai mare decât amplitudinea curentului de fază la frecvența fundamentală, determinând-o să devină mai puțin eficientă și supraîncălzită.

Atunci, putem rezuma efectele secvenței ca multipli ai frecvenței fundamentale de 50Hz ca:

Secvențierea armonicilor

Rețineți că aceeași secvență armonică se aplică și pentru formele de undă fundamentale de 60 Hz.

Rezumat Armonici

Armonicile s-au aflat în cantități suficiente în ultimele decenii de la introducerea mecanismelor electronice de acționare pentru motoare, ventilatoare și pompe, circuite de comutare a alimentării cu energie, cum ar fi redresoare, convertoare de putere și regulatoare cu tiristor, sarcini și lămpi fluorescente de înaltă frecvență (de economisire a energiei). Acest lucru se datorează în principal faptului că curentul controlat tras de sarcină nu urmărește cu fidelitate formele de undă sinusoidale de alimentare ca în cazul redresoarelor sau circuitelor de comutare cu semiconductoare de putere.

Armonicile din sistemul de distribuție a energiei electrice se combină cu alimentarea fundamentală (50Hz sau 60Hz) pentru a crea distorsiuni ale formelor de undă de tensiune și/sau curent. Această distorsiune creează o formă de undă complexă formată dintr-un număr de frecvențe armonice care pot avea un efect advers asupra echipamentelor electrice și a liniilor electrice.

Cantitatea prezentă de distorsiuni a formei de undă, ce dă un aspect distinct formei de undă complexă, este direct legată de frecvențele și magnitudinile celor mai dominante componente armonice ale căror frecvențe armonice sunt multipli (întregi întregi) ai frecvenței fundamentale. Componentele armonice cele mai dominante sunt armonicile de ordin mic de la a 2-a la a 19-a cu triplens fiind cel mai rău.