Por que apenas se diz que o componente de frequência fundamental fornece energia útil?

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Na maioria dos livros, diz-se que o conteúdo harmônico de uma linha CA não transfere energia (apenas a frequência fundamental), mas não explica. Parece intuitivo, mas por que isso é verdade?

Edit: No contexto da energia elétrica, estou imaginando uma forma de onda de corrente distorcida e uma tensão de onda senoidal.

k_orolev
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conteúdo harmônico? você quer dizer corrente harmônica?
Jasen 4/06
4
O livro está errado, simples assim. Hoje está ainda mais errado, porque a maioria dos dispositivos retifica a entrada CA para CC antes de usá-la.
Navin
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A corrente harmônica em uma linha CA com tensão sinusoidal de frequência única fornece energia útil à carga. um retificador não vai mudar isso.
Jasen

Respostas:

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É verdade porque a tensão é sinusoidal e

(a) b (s) (b) = 1/2 (cos (ab) + cos (a + b))

E somente no caso em que a = b o resultado tem um valor médio que não é zero.

então todos os harmônicos dão um resultado que não afeta o poder real

Jasen
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Sim, você entendeu, em palavras mais simples, as harmônicas são ortogonais entre si
carloc
Sim, é apenas uma prova disso.
Jasen
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É uma afirmação excessivamente geral. Obviamente, com uma carga resistiva, todas as frequências transferem energia.

É realmente uma afirmação sobre máquinas rotativas especificamente (motores e geradores). Para esses dispositivos, a energia em frequências diferentes da fundamental tem a mesma probabilidade de se opor ao trabalho que está sendo feito do que a ajuda. Além disso, a energia das altas frequências é freqüentemente desperdiçada na forma de correntes indesejadas, etc.

Dave Tweed
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Além disso, em situações normais (além de usar um inversor), há relativamente pouca energia nos harmônicos, para começar, sim?
Hearth
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@ Hearth: Bem, sim, mas a questão é se essa energia é útil ou não.
Dave Tweed
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Isso é verdade apenas se a corrente estiver sendo distorcida pela carga e não devido à distorção da forma de onda de tensão da linha CA.

Se você multiplicar os valores instantâneos, ponto a ponto, de duas ondas senoidais de diferentes frequências, obtém uma forma de onda que tem uma média de zero. Você tem poder positivo durante alguns intervalos e poder negativo em outros intervalos. Isso mostra que a energia está passando de um lado para o outro em vez de ser transferida da fonte para a carga.

insira a descrição da imagem aqui

Se a tensão da linha CA estiver distorcida, a energia harmônica é transferida, mas pode não ser uma energia útil. Nos motores de corrente alternada, a corrente harmônica estaria tentando fazer o motor operar a uma velocidade mais alta em conflito com o fundamental. Alguns dos harmônicos estariam tentando acionar o motor na direção reversa. Como resultado, toda a energia harmônica líquida transferida é perdida como calor, ruído e vibração. Alguma energia harmônica seria circulada entre a fonte e a carga, assim como o poser reativo é circulado.

A energia harmônica seria útil na medida em que causa aquecimento onde o aquecimento é o uso desejado de energia. Existe alguma possibilidade de que a energia harmônica possa ser útil em um motor universal. Também pode ser útil quando retificado e filtrado. Embora se possa dizer que parte da energia transferida é útil, os efeitos indesejáveis ​​superariam a utilidade.

Charles Cowie
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Essa é uma imagem bonita, mas acho que poderia usar uma explicação mais detalhada. Pelo menos, demorei um pouco para descobrir o que acho que você está tentando ilustrar. No começo, pensei que você estivesse tentando argumentar que "uma forma de onda que tem uma média de zero" não pode transferir energia útil, o que parece meio razoável ... até que se perceba que qualquer forma de onda periódica imparcial, incluindo uma onda senoidal pura, também tem uma média de zero, mas a transmissão de energia CA obviamente ainda funciona.
Ilmari Karonen
... Acho que o que você está realmente tentando dizer é que, se a corrente consumida pela carga tiver alguns componentes de frequência ortogonais à forma de onda da tensão de linha (ou vice-versa), essas frequências não poderão transferir energia útil (a menos que, claro, há alguma retificação ou outras coisas não lineares acontecendo). Mas eu só descobri isso quando notei o "V" e o "I" na legenda da imagem. E ainda não tenho certeza de que é o que o OP está realmente perguntando.
Ilmari Karonen
@Ilmari Karonen O OP está perguntando sobre o que é dito "na maioria dos livros". Estou tentando explicar o que pode ser verdade sobre isso.
Charles Cowie
OP aqui, eu estava perguntando sobre energia elétrica, então assumi que a corrente estava distorcida e a tensão da linha estava limpa. Desculpe a falta de clareza.
k_orolev 6/06
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Em uma grade de ondas senoidais, isso é verdade, pois os harmônicos são devidos a qualquer "dispositivo não linear".

Por exemplo, a saturação parcial do núcleo magnético controlada pelo pico de tensão de excitação.

No entanto, essa afirmação contradiz inversores baratos com fontes de ondas quadradas classificadas em V-rms. Os harmônicos nessa forma de onda de tensão podem gerar a mesma potência em cargas resistivas. Porém, os harmônicos podem aumentar as perdas de correntes de Foucault nos motores, tornando-os menos eficientes.

Portanto, se você entender a fonte dos harmônicos e da impedância de carga, poderá entender as exceções à regra . Um aquecedor elétrico, sendo principalmente resistivo, pode usar fontes de onda senoidal ou quadrada.

insira a descrição da imagem aqui

A única diferença entre a potência real (usada) e a reativa (armazenada) é o componente de mudança de fase de 90 graus da corrente em relação à tensão, independentemente de fundamental ou harmônica.

Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
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Um aquecedor elétrico pode usar DC, mesmo. Como não possui memória, preocupa-se apenas com a tensão instantânea, e não com a tensão anterior - exceto a capacidade de aquecimento. A temperatura do aquecedor obviamente depende da tensão anterior.
MSalters
Além disso, se a sua fonte de alimentação estiver cheia de distorção e você estiver alimentando uma fonte de alimentação de modo comutado (SMPS), como uma fonte de alimentação para laptop, ela transferirá essa energia extra. Se o SMPS tiver um filtro passivo na entrada, a maior parte dessa energia não fundamental será convertida em calor, muito mais do que um inversor de seno puro. No pior cenário, os transientes passam pelos filtros e podem até danificar os circuitos. Porém, suprimentos mais sofisticados (por exemplo, buck-buck-boost) podem tolerar e até limpar o fator de potência. Então, sim, o poder está definitivamente transferindo.
DeusXMachina
A carga capacitiva em tijolos é mais prejudicial para os inversores de onda quadrada do que os motores com perdas de correntes de Foucault, mas agora devido às altas correntes de pico I² * ESR e adiciona ondulação de ruído ao áudio. Portanto, um bom front end ativo do PFC também é melhor para apresentar uma carga resistiva. @DeusXMachina então eu concordo
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
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No contexto da rede elétrica, a energia CA é gerada e transmitida através de transformadores em três fases separadas por 120 graus. O terceiro harmônico (triplo da frequência) é idêntico para as três fases, que você pode verificar plotando as ondas senoidais. Quando você conecta uma carga entre duas fases, a tensão do terceiro harmônico é a mesma nos dois fios, portanto sua carga não vê nada. (No entanto, você verá o terceiro harmônico de qualquer fase até o solo.). Como um transformador trifásico se conecta apenas entre fases, não pode receber energia de terceira harmônica. Esse bloqueio se aplica a qualquer harmônica 3n. Isso acontece apenas na transmissão de energia trifásica, nunca quando uma única linha de sinal é conectada a uma carga.

richard1941
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