В машинах постоянного тока и коллекторных машинах переменного тока наличие коллектора приводит к появлению высших гармонических токов и напряжений. Они вызываются тем, что отдельные пластины коллектора последовательно пробегают под щетками, причем при закорачивании двух соседних пластин одной щеткой между ними образуются токи короткого замыкания. Ввиду конечного числа пластин коллектора при вращении ротора непрерывно возникают небольшие несимметрии в электрической цепи, которые проявляются в быстрых колебаниях напряжения и тока. Частота этих колебаний определяется числом пластин коллектора и частотой его вращения.
Далее, поскольку во всех машинах постоянного и переменного тока активные проводники размещаются по окружности ротора или статора в пазах, разделенных между собой зубцами, так что поверхности оказываются неравномерными, то помимо желаемого напряжения возникают также колебания напряжения, называемые зубцовыми или пазовыми пульсациями, обусловленные конечным числом пазов; их частота определяется числом пазов и частотой вращения машины.
Эти помехи можно значительно сократить, предусмотрев увеличенное число узких пазов или соответствующий скос зубцов.
На рис. 5 приведена осциллограмма напряжения холостого хода генератора постоянного тока с характерной волнистостью, вызванной коллектором. На рис. 6 воспроизведена кривая напряжения одноякорного синхронного преобразователя при работе с нормальной нагрузкой. Рис. 7 показывает кривую напряжения, наведенного в асинхронном двигателе, а рис. 8 дает изменение тока и напряжения однофазного тягового коллекторного двигателя при полной нагрузке. Из всех приведенных кривых видно, что, кроме апериодических составляющих или основных колебаний, возникают также и высшие гармонические, искажающие плавный ход кривой.
Весьма значительны высшие гармонические, образующиеся в преобразователях тока, особенно если они выполняются с малым числом фаз. Поскольку такие преобразователи работают с прерываемыми токами, их неравномерность проявляется не только на стороне постоянного, но и на стороне переменного тока.
На рис. 9 изображена кривая напряжения на стороне постоянного тока, а на рис. 10 приведены кривые тока и напряжения на стороне переменного тока шестифазного выпрямителя трехфазного тока при полной нагрузке. На стороне постоянного тока возникают прежде всего шестые и кратные им гармонические, а на стороне переменного тока — гармонические пятого и седьмого, а также одиннадцатого и тринадцатого порядков. Поскольку ток каждого анода в отдельности имеет почти прямоугольную форму, амплитуды гармонических обратно пропорциональны их порядковым числам п. Однако в трехфазных системах исчезают все гармонические с порядковыми числами п, кратными трем, а если выпрямитель имеет т анодов, то отсутствуют также и все гармонические, порядок которых ниже n = m±1. Поэтому выпрямитель с 12 анодами создает на стороне переменного тока гармонические одиннадцатого, тринадцатого и, как правило, более высокого нечетного порядка.
Высшие гармонические приобретают особенно большое значение, когда управление электрической дугой производится извне, например путем искусственной задержки ее зажигания или ее гашения с опережением в течение каждого периода горения. Кривая тока электрической дуги таких управляемых выпрямителей или инверторов характеризуется резкими скачками, которые почти нарушают непрерывность кривой тока, так что приходится предусматривать специальные сглаживающие контуры для того, чтобы избежать соответствующих скачков в кривой напряжения сети. Вышесказанное в равной мере относится также и к управляемым полупроводниковым выпрямителям (тиристорам), применение которых в настоящее время расширяется.
В синхронных машинах, служащих для генерирования переменного тока, для получения синусоидальной формы кривой напряжения требуется, чтобы пространственное изменение плотности магнитного потока по активной окружности ротора также происходило по закону синуса. Даже если путем придания соответствующей формы магнитным полюсам удается добиться синусоидального характера изменения индукции по окружности ротора на холостом ходу, то при нагрузке в машине образуются поля, вызываемые реакцией якоря, которые при трехфазном и особенно при однофазном токе обусловливают значительное искажение индукции холостого хода. Сильные искажения возникают также при коротких замыканиях, особенно однополюсных, а также при удаленных коротких замыканиях на таких расстояниях от электростанции, что напряжение на зажимах проваливается не полностью. Только путем соответствующего исполнения обмоток, при котором они не поддаются влиянию искажения пространственного изменения индукции, удается добиться практически синусоидальной формы кривых напряжения как на холостом ходу, так и при нагрузках и перегрузках. Если индукция изменяется в пространстве не синусоидально, а также при неблагоприятном расположении обмоток синхронных генераторов, могут создаваться высшие гармонические со значительными амплитудами. При гармоническом анализе они имеют частоты, которые в случае симметричных магнитных полюсов всегда являются только нечетными кратными по отношению к основной частоте.
На рис. 11—16 приведен ряд осциллограмм, характеризующих пространственное изменение индукции В, а также фазные и линейные напряжения различных генераторов трехфазного тока. Кривые на рис. 11 относятся к турбогенератору, имеющему ротор с большим числом пазов, что является причиной появления ряда высших гармонических напряжения. На рис. 12 показаны кривые при холостом ходе турбогенератора с малым числом пазов на роторе, который имеет настолько удачно выбранную схему обмотки, что его междуфазное напряжение сохраняет, как показывает рис. 13, синусоидальную форму даже при нагрузке машины сильно искаженным током i и при большом отклонении пространственного изменения индукции от синусоидального характера. На рис. 14 изображено неблагоприятное, на рис. 15 — несколько лучшее и на рис. 16 — почти синусоидальное изменение индукции в явнополюсных генераторах трехфазного тока. Соответствующие фазные и линейные напряжения удовлетворяют только в последнем случае тем строгим требованиям, которые предъявляются к ним в отношении синусоидальной формы.
Из приведенных осциллограмм видно, что кривые напряжений содержат значительные высшие гармонические, если машина спроектирована и изготовлена недостаточно тщательно.
Рис. 15 Рис. 16
При этом высшие гармонические появляются как в двигателях, так и в генераторах. Возникнув в машинах, они попадают в сеть и накладываются на постоянное напряжение или на основные колебания напряжения. Мы уже видели ранее, что высшие гармонические могут стать причиной серьезных помех.
Рис. 17 показывает, до какой степени искажения иногда доходят кривые напряжения и тока некоторых потребителей. На рис. 18 и 19 приведены осциллограммы напряжений и токов, снятые в двух сетях передачи трехфазного тока. Высшие гармонические здесь настолько сильны, что в емкости высоковольтных линий возникают высшие гармонические тока, амплитудные значения которых частично превышают соответствующие значения основных колебаний и вызывают бесполезные джоулевы потери мощности в сети.
В результате несимметрии обмоток электрических машин пространственное изменение индукции может содержать также субгармонические колебания. Они создают напряжения и токи с частотами, равными лишь некоторой части основной частоты, и могут вызывать пульсирующие механические силы. Поэтому все машины ответственного назначения принято выполнять с симметричными обмотками.
Рис. 19
