Электрическая цепь. Линейные и нелинейные электрические цепи и нагрузки.

Электрической цепью называют совокупность соединённых друг с другом источников эл энергии и нагрузок, по которым может протекать электрический ток.

Линейной цепью называется цепь, все элементы которой – резистивные, индуктивные, ёмкостные – линейны, тоесть не зависят от величины тока в цепи.

Замечание: не путать этот термин с таким же термином в математике. Термин «линейный элемент» не означает что его ток и напряжение являются функциями зависящими линейно согласно мат. определения. [10]

Пример: “...периодические несинусоидальные токи ...возникают...когда источник ЭДС даёт несинусоидальную ЭДС, а все элементы цепи (все нагрузки) – резистивные, индуктивные и ёмкостные – линейны т.е. от тока величины (т.е. величины L,C, R) не зависят” [10] Тоесть термин «линейность» характеризует только сопротивление (активное R или реактивное L,C) и не связан с формой тока или напряжения

Итого: Линейная нагрузка – это нагрузка содержащая только линейные элементы тоесть R L C* не зависящие от тока, например лампа накаливания или фазный конденсатор имеют примерно стабильные R, C не зависящие от (величины) тока.

Нелинейная нагрузка – это нагрузка содержащая нелинейные элементы тоесть элементы сопротивление которых (R, L, C) зависит от тока (т.е. от его величины и направления) или от напряжения в цепи этой нагрузки, например диод при положительном токе имеет R~=0, а при отрицательном токе R~=∞.

Термин отечественный правильный и при условии синусоидальности напряжения в сети (что соответствует большинству случаев) соответствует терминам используемым в тех данных ИБП и стабилизаторов. *исключением является комбинация реакт. нагрузок L и C дающая колебательный контур(контуры) который может породить нелинейность возбуждаясь на собственной частоте(частотах).

Зарубежные термины.
Встречается разные определения линейной и нелинейной нагрузки:
1_ Почти Правильное определение: Linear Load=AC electrical loads where the voltage and current waveforms are sinusoidal. [11]
Правильное определение: Linear Load=AC electrical loads where the current waveform is sinusoidal when load feeds from clear sinusoidal voltage source.

Это более распространённое и правильное определение. (Используется в тех данных стабилизаторов, ИБП.). Соответствует отечественному определению. Пример – конденсаторы фазные, лампы накаливания, нагреватели и др.

Пример – газоразрядные лампы с насыщающимися балластами, нагрузки имеющие на входе тиристорные или диодные выпрямители или преобразователи, PLC и др.. Современные газор. лампы с электронным балластом, SMPS, компьютеры и др. оборудование имеют внутренние блоки устранения гармонических искажений потребляемого тока (АККМ, THDфильтры), но всё равно вносят искажения в сеть и в больших количествах являются нелинейной нагрузкой.

2_ Пример неправильного определения Linear Load =An AC electrical load in which both current and voltage waves reach their peak simultaneously. Also referred to as "in phase", linear loads are necessary to achieve maximum efficiency.[12] Линейная нагрузка – это нагрузка в цепи питания которой ток и напряжение синфазны. Это определение неправильно т.к. включает нагрузки порождающие гармоники.

3_ Пример неправильного определения Linear Load =AC electrical loads where the voltage and current waveforms are sinusoidal. The current at any time is proportional to voltage. Линейная нагрузка - это нагрузка в цепи питания которой ток и напряжение синусоидальны и кроме того ток пропорционален напряжению в любой момент. [11] Это определение неправильно т.к. : Даже если было бы указано что " СКЗ тока пропорционально СКЗ напряжения " всё равно определение будет неправильно т.к. на любую нелинейную нагрузку м.б. подано и несинусоидальное напряжение. (Вот так правильно - "Линейная нагрузка - это нагрузка в цепи питания которой ток синусоидален и кроме того ток (СКЗ) пропорционален напряжению (СКЗ) при условии питания от источника с синусоидальным напряжением")

На любую линейную нагрузку (например лампа накаливания) м.б. подано и несинусоидальное напряжение. Нагрузка всё равно остаётся линейной при этом. Кроме того мгновенное значение сигнала тока и напряжения непропорциональны для линейной реактивной нагрузки (ток сдвинут от напряжения на угол Ф).

В идеальном случае электрические генераторы генерируют синусоидальный сигнал напряжения. Так же
в идеальном случае активная нагрузка потребляет чисто синусоидальный ток синфазный с
напряжением, или чисто реактивная нагрузка потребляет чисто синусоидальный ток несинфазный с
сигналом напряжения. Главные мировые стандарты частоты 50Гц или 60Гц. Практически сигналы
напряжений и токов в линиях переменного тока не синусоидальны, особенно когда присутствует
нелинейная нагрузка(и), но искажены по причине присутствия высших гармоник тоесть сигналов с
частотами кратными основной частоте (например 100Гц 150Гц 200Гц и тд.).

Гармоники это компоненты сигнала периодической формы, осциллирующие с частотой равной
основной (главной) частоте умноженной на целое число. Так для электрической силовой системы с
основной частотой 60Гц, вторая гармоника это 120Гц, третья - 180Гц, и так далее.
Компоненты с частотами находящимися между этими гармониками называются интергармоники.
Так например для 60Гц системы, компонент с частотой 150Гц - это интергармоника которая существует
между 2й и 3й гармониками.

Разложение Фурье позволяет разложить любой периодический сигнал (функцию) на сумму гармоник
кратных основной. С этой точки зрения термин "интергармоники" является бессмысленным. Или, если
существуют интергармоники, следовательно сигнал апериодический или представляет собой сумму 2х
(или более) периодических сигналов с разными фундаментальными частотами, таким образом следует
признать существование 2х (или более) генераторов AC энергии в системе - примером может быть
наверное мотор промстанка в режиме рекуперации.

Субгармонические частоты - это частоты ниже фундаментальной (главной) частоты колебаний, их
частоты равны основной (главной) частоте умноженной на 1/n где n-целое число.

Обычными представителями класса устройств (нагрузок) пораждающих гармоники являются
выпрямители и другие типы AC/DC, AC/AC преобразователей и др устройств собранных на
полупроводниках. А так же сварочные аппараты и дуговое оборудование, печи индукционного нагрева,
частотные приводы моторов, флуоресцентное освещение, и др. Такие устройства также могут вести к
вариациям амплитуды и/или фазы фундаментальной и гармонических компонент, а так же приводить к
росту интергармоник. Гармоники могут рассеивать электроэнергию превращая её в тепло. Гармоники
на высоких частотах также ведут к большим потерям (поглащениям) мощности, которые могут
привести к немедленному повреждению электрических компонентов.

Интергармоники могут вести к прерыванию/нарушению работы устройств с импульсным управлением
(ripple control devices) которые используют сигнальные импульсы напряжений с интергармоническими
частотами. Интергармоники могут также вызвать рост шума, особенно в аудиооборудовании, и к
стрессам (перегрузочным режимам) моторов и генераторов.

В четырёхпроводной системе (3фазы+нейтраль), фундаментальные токи (т.е. токи основной
частоты/гармоники 50Гц) всегда складываются в нейтрали и дают в сумме ноль. Но для гармоник более
высоких порядков это не так. Например, третьи гармоники тока всегда синфазны во всех трёх фазных
проводниках, поэтому при сложении в нейтрали они дадут утроенную амлитуду, что ведёт к серьёзным
проблемам. Например: трёхфазная система питает нагрузку с током потребления 100А, и в токе каждой
до 30% гармонического состава тока сконцентрировано в третьей гармонике. Гармонический ток (на
третьей гармонике 150Гц) текущий через нейтраль утроится, тоесть составит 0,30*100А*3=90Ампер.
См. рисунок. выше и ниже.

Поэтому (для гармонических нагрузок //например датацентры и тп) рекомендуется использовать
нейтраль с увеличенным в 1,5-2 раза сечением (по сравнению с номинальным сечением фазного
проводника) для возможности питать нагрузки обоих видов – линейную и нелинейную.
Другие решения проблемы:

• Использовать 1 фазные ИБП /нагрузки с индивидуальной нейтралью.
• Из-за высоких частот гармоник, скин эффект вытесняет ток к поверхности что снижает рабочее сечение нейтрали, поэтому рекомендуется набирать нейтраль из нескольких проводников в параллели для увеличения площади поверхности, и следовательно рабочего сечения нейтрали.
• Использование 3ф трансформаторов (в т.ч. встроенных в ИБП, стаб.) блокирует гармоники кратные 3 на стороне обмотки "дельта или треугольник".

Triplen harmonics are odd integer multiples of the 3rd harmonic: 3rd, 9th, 15th, 21st, and so on. In a threephase
electrical power system, where there is a 120 degrees phase difference, triplen harmonics are additive in
the neutral conductor, as shown in the following figure.
В то время как основные гармоники отдельных фаз будут сдвинуты относительно друг друга на 120°,
третьи гармоники будут сдвинуты на 3*120°=360° или 0°, пятые — на 5*120° = 600° или 240°, седьмые
— на 7*120° = 840° или 120°, девятые — на 9*120°= 3*360° или 0° и т. д.
Таким образом, гармоники, кратные трем (v = 3, 9, 15...), в отдельных фазах обмотки будут совпадать
по фазе. А значит складываться/суммироваться/взаимоусиливаться в нейтрали. См рис. ниже:

Triplen harmonics can lead to large currents in the neutral conductor, resulting in significant overheating of
wires and components, especially three-phase delta transformers.
Гармоники кратные трём могут вести к большим токам в проводнике нейтрали, что приводит к
значительному перегреву проводов и компонентов, особенно трёхфазных дельта трансформаторов. Это
связано с тем что гармоника кратная 3м будет циркулировать только внутри дельта(треугольной)
обмотки трансформатора но попасть в другую обмотку трансформатора не может, тоесть третья
гармоника поглащается трансформатором. Таким образом дельта трансформатор является фильтром
гармоник кратных 3м. Но он же вынужден их и рассеивать на себе.

То же самое из др. источника:
По этой причине в линейных токах, которые представляют собой разность токов
соответствующих фаз, гармоники, кратные трем, будут отсутствовать. Поэтому токи этих гармоник
будут циркулировать внутри замкнутого треугольника, причем, будучи равными по величине и
совпадая по фазе, они образуют общий замкнутый циркуляционный ток.

Из изложенного следует, что в случае соединения одной из обмоток трансформатора в треугольник
магнитные потоки, э. д. с. и напряжения фаз остаются синусоидальными. Это обстоятельство составляет
существенное преимущество трехфазных трансформаторов, у которых одна из обмоток соединена в
треугольник.

Таким образом ИБП или стабилизатор имеющий трансформатор Δ/Υ устраняет гармонику (тока
потребления) кратную 3м. Но оборудование может пропускать энергию через трансформатор всегда
или не во всех режимах -например кроме случая Байпасного режима -зависит от типа оборудования.

Сказанное в равной степени относится как к групповым трехфазным трансформаторам, так и к
трехфазным трансформаторам с общим сердечником.

[10] Теоретические основы электротехники Электрические цепи Учебник Л.А.Бессонов Москва
Гардарики 2007 стр 209
[11] A. P. Singhal V. P. Operations TRICOLITE // [PDF] DEFFERANCE BETWEEN LINEAR LOADS
AND NON-LINEAR LOADS
y - what is linear load
[12] http://www.toolingu.com/definition-550210-76422-linear-load.html What is the definition of "linear
load"?
[13] Harmonics and Interharmonics (Electrical Power Suite) http://zone.ni.com/reference/en-
XX/help/373375B-01/lveptconcepts/ep_harm_interharm/
[14] Вольдек А.И. Электрические машины
http://servomotors.ru/documentation/electromotor/book47/book47content.html