Introducción a la distorsión armónica
La distorsión armónica (THD) se refiere a interferencias dañinas en varios múltiplos de la frecuencia original.
Al amplificar una señal de frecuencia de 1kHZ, se generará el segundo armónico de 2kHZ y 3kHZ y muchos armónicos superiores. En teoría, cuanto menor sea este valor, menor será la distorsión.
Debido a que el amplificador no es lo suficientemente ideal, la señal de salida no solo contiene los componentes de entrada amplificados, sino que también agrega algunos componentes de frecuencia nuevos (armónicos) que son 2, 3, 4 o incluso más altos que la señal original. ), provocando que la forma de onda de salida se distorsione.
Este tipo de distorsión causada por armónicos se llama distorsión armónica.
Análisis de distorsión armónica
La distorsión armónica total se refiere a los componentes armónicos adicionales en la señal de salida que son mayores que la señal de entrada debido a componentes no lineales cuando la fuente de señal de audio pasa por la fuente de alimentación. amplificador.
La distorsión armónica se debe a que el sistema no es completamente lineal. Usamos la relación entre la raíz cuadrática media del componente armónico total recién agregado y el valor efectivo original de la señal para expresarlo.
Por ejemplo, cuando un amplificador emite 10 V de 1000 Hz y agrega Lv de 2000 Hz, habrá un 10 % de distorsión de segundo armónico.
La suma de todos los niveles armónicos adicionales se denomina distorsión armónica total.
En términos generales, la distorsión armónica total a la frecuencia de 1000 Hz es la más pequeña, por lo que muchos productos utilizan la distorsión a esta frecuencia como indicador.
Pero la distorsión armónica total está relacionada con la frecuencia, por lo que la Comisión Federal de Comercio de EE. UU. estipuló en 1974 que la distorsión armónica total debe medirse dentro del rango completo de audio de 20 a 20.000 Hz, y la potencia máxima del amplificador debe medirse bajo la condición de que la carga sea un altavoz de 8 ohmios y la distorsión armónica total sea inferior al 1%.
Los requisitos mínimos de distorsión armónica total estipulados por la Comisión Electrotécnica Internacional son: 0,5% para el preamplificador, y menor o igual a 0,7% para el amplificador combinado, pero en realidad se puede conseguir por debajo de 0,1 %: Sintonizador estéreo FM Inferior o igual al 1,5%, de hecho puede ser inferior al 0,5%; el tocadiscos láser puede incluso ser inferior al 0,01%.
1. Campo de potencia eléctrica
En el campo de potencia eléctrica, la relación entre el valor cuadrático medio de cada armónico y el valor cuadrático medio de la onda fundamental se llama armónico. contenido de ese armónico.
La relación entre la suma de los cuadrados de los valores cuadráticos medios de todos los armónicos y el valor cuadrático medio de la onda fundamental se llama distorsión armónica total.
La distorsión armónica suele ser igual a la distorsión armónica total.
2. Campo de audio
La distorsión armónica total se refiere a los componentes armónicos adicionales en la señal de salida que son mayores que la señal de entrada debido a componentes no lineales cuando la fuente de la señal de audio pasa a través del amplificador de potencia.
La distorsión armónica se debe a que el sistema no es completamente lineal. Usamos la relación entre la raíz cuadrática media del componente armónico total recién agregado y el valor efectivo original de la señal para expresarlo.
Por ejemplo, cuando un amplificador genera 10 V a 1000 Hz y agrega 1 V a 2000 Hz, habrá un 10 % de distorsión de segundo armónico.
La suma de todos los niveles armónicos adicionales se denomina distorsión armónica total.
En términos generales, la distorsión armónica total a la frecuencia de 1000 Hz es la más pequeña, por lo que muchos productos utilizan la distorsión a esta frecuencia como indicador.
Pero la distorsión armónica total está relacionada con la frecuencia, por lo que la Comisión Federal de Comercio de EE. UU. estipuló en 1974 que la distorsión armónica total debe medirse dentro del rango completo de audio de 20 a 20.000 Hz, y la potencia máxima del amplificador debe medirse bajo la condición de que la carga sea un altavoz de 8 ohmios y la distorsión armónica total sea inferior al 1%.
Los requisitos mínimos de distorsión armónica total estipulados por la Comisión Electrotécnica Internacional son: 0,5% para el preamplificador, y menor o igual a 0,7% para el amplificador combinado, pero en realidad se puede conseguir por debajo de 0,1 %: Sintonizador estéreo FM Inferior o igual al 1,5%, de hecho puede ser inferior al 0,5%; el tocadiscos láser puede incluso ser inferior al 0,01%.
Dado que el método actual para medir la distorsión es una única onda sinusoidal, no puede reflejar la imagen completa del amplificador.
La señal musical real es una variedad de ondas complejas con diferentes velocidades, incluidos indicadores dinámicos como conversión de frecuencia y respuesta transitoria.
Por lo tanto, los amplificadores de alta calidad a veces también indican parámetros como distorsión de intermodulación, distorsión transitoria y distorsión de intermodulación transitoria.
(l) Distorsión de intermodulación (IMD): las ondas de señal armónica simple de 125 Hz y 1 kHz emitidas por el medidor de distorsión de intermodulación se ingresan al amplificador y se miden con una amplitud de 4:1. El coeficiente de distorsión de intermodulación. se mide en la carga.
(2) Distorsión transitoria (TIM): después de que la señal de onda cuadrada ingresa al amplificador, su envolvente de forma de onda de salida se expresa por su capacidad para mantener su envolvente.
Si la velocidad de respuesta del amplificador no es suficiente, la señal de onda cuadrada se deformará y provocará una distorsión transitoria.
Se refleja principalmente en señales de mutación musical rápida, como instrumentos de percusión, pianos, xilófonos, etc. Si la distorsión transitoria es grande, la música nítida se volverá ambigua.
(3) Distorsión de intermodulación transitoria: mezcle la señal de onda cuadrada de 3,15 kHz y la señal de onda sinusoidal de 15 kHz en una relación de amplitud máxima de 4:1. Después de amplificarse, todos los productos de distorsión de intermodulación se agregan nuevamente. valor como porcentaje de la amplitud sinusoidal original.
Si el amplificador utiliza retroalimentación negativa profunda de bucle grande, la distorsión de intermodulación transitoria es generalmente mayor, lo que refleja específicamente que el sonido es lento, rígido y sin sensación de presencia; suave, delicado y natural.
Control de distorsión armónica
En una planta de tratamiento de agua, conectar equipos distorsionados a un generador de respaldo puede crear corrientes de interferencia.
Primero se puede adoptar una solución temporal y luego utilizar un filtro de armónicos activo.
El variador de frecuencia (VFD) tiene muchas ventajas a la hora de regular la velocidad de motores clave y optimizar el consumo de energía, pero también puede causar fácilmente distorsión armónica en sistemas de distribución de energía adyacentes.
El sistema de distribución de energía puede absorber cierta distorsión, pero cuando el VFD está conectado directamente al circuito impulsado por el generador, la interferencia generada también puede afectar la confiabilidad de la operación.
Normalmente, las plantas de tratamiento de agua están equipadas con VFD, generadores de ozono y otras cargas que pueden causar distorsión armónica.
La mayoría de las fábricas también están equipadas con generadores de respaldo de emergencia para proporcionar energía a equipos importantes en caso de que el suministro de energía externo se detenga o sea anormal.
Las plantas desalinizadoras por ósmosis inversa como esta siempre están preocupadas por los efectos a largo plazo de los armónicos y por si sus generadores de respaldo de 938 kVA pueden funcionar de manera confiable cuando las grandes bombas de frecuencia variable causan distorsión armónica.
A los trabajadores de la fábrica les preocupa que el generador pueda funcionar mal si se extiende el tiempo de operación de emergencia.
Para determinar el alcance de la falla, los operadores compilaron mediciones de armónicos, compararon los niveles de distorsión durante el uso normal y cuando se usa un generador de respaldo, y utilizaron análisis de ingeniería para evaluar técnicas de supresión de armónicos basadas en los datos medidos.
Schneider Electric detecta distorsión armónica en el extremo de entrada del cuadro de distribución de la fábrica.
El equipo de prueba es un monitor de circuito portátil capaz de medir más de 200 parámetros del sistema eléctrico.
La medición de la distorsión armónica adopta una frecuencia de muestreo de 512 puntos por ciclo para garantizar la precisión del armónico número 250.
Las pruebas de carga mostraron que, dadas las circunstancias, el generador de respaldo de la planta estaba funcionando cerca del 53% de su carga nominal.
Los picos de carga durante la prueba fueron 403kW y 431kVA.
La corriente RMS promedio en la prueba muestra el impacto de diferentes operaciones de la máquina.
Durante la prueba, el voltaje cayó ligeramente cuando se usó un generador como suministro de energía, pero fue capaz de mantener un rango de voltaje estable aceptable: 100% de 480 V, ya sea en uso normal o con energía del generador. suministro ~103%.
El desequilibrio de voltaje también es inferior al 1%, lo que está dentro del rango aceptable.
Las pruebas de carga muestran que el factor de potencia es más bajo cuando la carga es mínima y el factor de potencia es más alto cuando todos los equipos están funcionando al mismo tiempo.
Debido a las características inherentes de mejora del factor de potencia de los armónicos, es difícil para los filtros de armónicos convencionales atenuar los armónicos en este circuito.
Las pruebas de carga también muestran que la amplitud de distorsión de voltaje en el bus de 480 V puede alcanzar un valor máximo máximo de aproximadamente 6,5 % durante el uso normal y aproximadamente 10 % cuando se usa un generador de respaldo (como se muestra en el diagrama de distorsión armónica). ).
Cuando una unidad de 60hp se opera con una unidad de 250hp, la distorsión de corriente se reduce debido al efecto de cancelación producido por la combinación del transformador ΔY y el reactor lineal.
El coeficiente de distorsión de demanda de corriente total TDD (distorsión de demanda total) se obtiene dividiendo el 80% de la corriente nominal del generador entre la corriente armónica, o tomando directamente 900 amperios.
El estándar IEEE519-1992 "Procedimientos y requisitos recomendados para el control de armónicos en sistemas de energía" proporciona algunas pautas sobre "qué grado de distorsión armónica es aceptable".
Inicialmente, este estándar se utilizó como un procedimiento recomendado para proporcionar referencia a los usuarios avanzados y sus clientes. Ahora, este estándar ha sido popularizado y utilizado por una gran cantidad de fábricas y empresas como un documento guía para la medición; corriente armónica de los equipos existentes.
Las pruebas realizadas sobre el uso normal de energía en la planta desalinizadora y sobre la energía del generador de respaldo mostraron que los parámetros clave del sistema de energía, incluida la calibración y el desequilibrio de voltaje y corriente, estaban dentro de límites aceptables.
Aunque el grado de distorsión armónica no es lo suficientemente grave como para tener un impacto significativo en el funcionamiento normal de la producción de la fábrica, reducir aún más los armónicos sigue siendo una tarea que no se puede ignorar.
Los operadores están preocupados por los efectos a largo plazo de los armónicos. Dado que los armónicos cuando se utilizan generadores de reserva a menudo exceden el rango de armónicos especificado por el estándar IEEE519-1992, están aún más preocupados por la extensión del funcionamiento de emergencia. ¿Puede el generador seguir funcionando de forma estable y fiable?
Además, la tecnología de reducción de armónicos también puede extender la vida útil de los equipos y mejorar la confiabilidad del sistema.
La tabla de límites armónicos muestra los resultados de las pruebas en comparación con los límites armónicos estándar IEEE519-1992 comúnmente utilizados para equipos de generación de energía.
Como se ha demostrado, los datos medidos online superan este límite.
Además, Schneider Electric también realizó simulaciones por ordenador de diferentes tecnologías de supresión de ondas.
Schneider Electric puede estimar la reducción de corriente armónica en diferentes situaciones mediante simulación de armónicos.
Como se mencionó anteriormente, el efecto de eliminación de armónicos de las corrientes de 5º y 7º armónico se ha logrado cuando el equipo de 250hp y el equipo de 60hp trabajan simultáneamente.
El sistema requiere que la corriente del 5º armónico se reduzca en un 27% y la corriente del 7º armónico se reduzca en un 16%. Sin embargo, esto hace que la corriente RMS total aumente en un 19%.
El peor de los casos es el pico armónico más alto, que ocurre cuando solo están funcionando equipos de 250 hp.
En general, existen 4 soluciones:
1. Omitir un transformador de aislamiento ΔY: cada equipo de 250 hp tiene un transformador de aislamiento ΔY.
Pasar por alto uno de los transformadores de aislamiento ΔY puede lograr buenos resultados, es decir, reducir la cantidad de distorsión armónica de la corriente.
Junto con el método mencionado anteriormente de utilizar equipos de 250 hp y 60 hp al mismo tiempo, las corrientes armónicas 5 y 7 se debilitan.
Si bien las corrientes armónicas 5.° y 7.° en el circuito de derivación permanecen sin cambios, habrá una eliminación adicional una vez que se pongan en funcionamiento una o dos unidades más de 250 hp.
Sin embargo, esta tecnología sólo es adecuada para modificaciones temporales donde no se dispone de una solución más eficaz.
2. Reemplace un transformador de aislamiento ΔY: una técnica de reducción de armónicos más efectiva es reemplazar uno de los transformadores de aislamiento ΔY con un transformador de devanado entrelazado ΔY en lugar de puentearlo.
Debido a que la corriente armónica no se mueve a través del transformador de devanado entrelazado ΔY, dicha mejora también mejora el efecto de eliminación de las corrientes de quinto y séptimo orden.
Este enfoque también preserva los efectos positivos de la atenuación armónica.
3. Filtro de armónicos pasivo: se puede instalar un filtro de armónicos pasivo de quinto orden en el circuito principal de 480 V, pero dado que el filtro de armónicos pasivo también aumentará el factor de potencia básico, este método no es práctico.
Dado que el factor de potencia del equipo ya es muy alto (hasta 94% a plena carga), el sistema no puede tolerar más carga sin que la fábrica alcance un factor de potencia de última generación.
4. Filtro de armónicos activo: la mejor solución de fábrica es reducir la corriente de armónicos instalando un filtro activo en el circuito principal de 480 V.
El filtro activo puede medir la cantidad de corriente armónica requerida por la carga y provocar un cambio de fase de 180° en la corriente.
Este método puede reducir en gran medida el grado de distorsión armónica y suele utilizarse en situaciones en las que se deben respetar estrictamente los límites armónicos.
Además, Schneider Electric recomienda la instalación de equipos de monitoreo de energía en el sitio que puedan rastrear el rendimiento del equipo, la calidad del voltaje, las interferencias y los gastos en distorsión armónica.
Soluciones transitorias y permanentes
La fábrica reduce el nivel de distorsión armónica al puentear temporalmente el transformador de aislamiento, aumentando así la cancelación de armónicos.
Este enfoque poco convencional ayudó a la planta a sobrevivir la temporada alta de verano.
Luego, el equipo instaló filtros de armónicos activos en el cuadro principal.
Este dispositivo elimina finalmente los efectos de la distorsión armónica.
Los resultados de la medición después de instalar el filtro activo muestran que la distorsión de corriente es inferior al 8% y la distorsión de voltaje es inferior al 2%.
Una breve discusión sobre la distorsión armónica
Ya en la década de 1930, los once ítems de prueba de F.H. Brittain para la evaluación del hablante incluían la distorsión armónica. En la década de 1950, el altavoz propuesto por L.L. Brenek es. entre las ocho características más importantes de todo sistema de prueba electroacústica actual.
Desde los sistemas BK que cuestan cientos de miles hasta los sistemas de prueba nacionales que cuestan varios miles de yuanes, todos lo consideran un importante objeto de medición.
Se puede comprobar que la distorsión armónica siempre ha sido un parámetro muy importante en el mundo electroacústico.
Distorsión armónica: cuando una señal sinusoidal con una frecuencia fundamental de f ingresa a un altavoz, la salida del altavoz, además de f, se produce por la distorsión no lineal del altavoz, y cada armónico es un múltiplo entero de f. Componentes: 2f.3fnf, lo llamamos distorsión armónica.
La distorsión armónica se divide en tres categorías, y las que utilizamos comúnmente son THD (TOTALHARMONICDISTORTION) distorsión armónica total, distorsiones armónicas varias (HARMONICDISTORTION) y distorsión armónica total característica (también en mediciones reales). subdividido en distorsión armónica de orden par, distorsión armónica de orden impar y SUB-armónicos. Sus características respectivas se especifican como: la relación entre el valor efectivo de la presión sonora armónica total generada por la distorsión y el valor efectivo de la salida total. presión sonora Pt La relación entre el valor efectivo de la presión sonora armónica producida por la distorsión y el valor efectivo de la presión sonora de salida total Pt la relación entre el valor efectivo de la presión sonora armónica total producida por la distorsión y el sonido característico promedio; presión Pm.
En la clasificación de la distorsión, se clasifica como distorsión no lineal del hablante.
Para tratar la distorsión armónica, podemos utilizar el existencialismo de Sartre, un famoso maestro de filosofía francés, para verlo objetivamente. Ahora tomemos el altavoz cónico como ejemplo: a bajas frecuencias o durante movimientos de gran amplitud, el sistema de soporte compuesto por el anillo del altavoz y la onda elástica (pieza de soporte central) ya no se ajusta a la ley lineal de Hooke (o ley de Hooke). ) Por ejemplo, cuando se realiza una prueba de tono puro en un altavoz, el sonido "pop" producido por el borde del anillo doblado se conoce comúnmente como "golpe". Esta es una manifestación extrema de no linealidad cuando el altavoz tiene un borde doblado; de la tela tiene una gran amplitud (cerca de fo, no todos los altavoces tienen la amplitud máxima de vibración en fo). Al movernos, podemos ver claramente la distorsión del borde de la tela.
El pegamento amortiguador a menudo se "aplica" al anillo plegable del borde de la tela. El pegamento amortiguador se divide en "a base de aceite" y "a base de agua" y se usa principalmente en los altavoces PA. pero en productos de fábrica de alta gama, a menudo podemos ver pegamento amortiguador a base de agua transparente y brillante "aplicado" en el anillo plegable de goma. Generalmente, el pegamento "aplicado" no excede la mitad del anillo plegable, pero este tipo de. el método de aplicación del pegamento y la cantidad de pegamento son difíciles de controlar; para mejorar el anillo plegable de caucho (ahora se usa principalmente caucho de nitrilo-butadieno NBR), la forma del anillo plegable a menudo se procesa. Sin embargo, China no ha hecho lo suficiente. En este aspecto, en el diseño doméstico de los monómeros de los altavoces, a menudo se enfatiza la calidad del anillo plegable. es especialmente en bajas frecuencias, pero ¿consideramos todos los altavoces de cono como subwoofers y bajos? En este momento, la distorsión armónica tiene una sutil relación con Qm (factor de calidad mecánica) en los Thille-SmallDepartments.
La no uniformidad de la densidad de inducción magnética entre la arandela (placa conductora superior) y el soporte de hierro del hierro T a lo largo de la dirección axial (la dirección de vibración de la bobina móvil) es otra causa de distorsión armónica. .
El método comúnmente utilizado en China ahora es utilizar circuitos magnéticos simétricos para mejorarlo (como se muestra en la figura, quienes lo conocen lo han hecho, pero nunca lo han visto). Piénselo detenidamente. ¡La razón es que "el dinero causa problemas"! PELESS de Dinamarca agrega un anillo de aluminio en el interior del monómero para mejorarlo (como se muestra en la imagen). ¡Por supuesto, este método es el más fácil de descubrir!
La frecuencia es el aumento de BL (coeficiente magnético).
Desde una perspectiva, la distorsión armónica en frecuencias medias a altas y la distorsión armónica en frecuencias bajas están determinadas por dos cantidades diferentes. En los altavoces de cono, la distorsión armónica existe objetivamente. Sólo se puede mejorar, no eliminar. .
Para resolver la distorsión armónica de los altavoces de cono, debemos adoptar un principio de generación de sonido alternativo, pero este es un largo camino por recorrer para toda la industria. La distorsión es como un error de medición. Depende del extranjero. fabricantes el anuncio "HALCRO------el amplificador con la distorsión más baja del mundo", pero en China vi un anuncio de producto de cierta marca de una empresa china: "¡Resuelva completamente la distorsión de intermodulación del altavoz!" , Me reí, ¡esto es engañoso y engañar al pueblo chino demuestra aún más la irresponsabilidad e ignorancia de la empresa!
La existencia objetiva de distorsión armónica es "razonable".
Los resultados de la prueba objetiva son consistentes con el sentimiento subjetivo A partir del análisis del mecanismo auditivo del oído humano, el oído humano solo puede distinguir los primeros seis a siete armónicos (armónicos), y esto. Es muy difícil distinguir los armónicos por encima del sexto. Es difícil separarlos entre sí perceptivamente, porque después del sexto orden de armónicos, las dos áreas correspondientes donde caen dos armónicos adyacentes en la membrana basilar del oído humano están cerca. entre sí y cubrirse dentro de una banda crítica. Es difícil separarlos entre sí en cuanto a sensación.
Sin embargo, no se puede ignorar el impacto de los armónicos de alto orden en la calidad del sonido. A través de experimentos, se descubrió que el ruido anormal proviene de armónicos de alto orden.
Según el "orden" de la distorsión armónica, se puede dividir en "distorsión suave" y "distorsión dura".
Pero para los parlantes, la distorsión armónica de "orden par" y la distorsión armónica de "orden impar" son más instructivas para mejorar la calidad del sonido, especialmente en términos de escucha.
Es la “contribución” a la popularidad de los amplificadores de válvulas entre los audiófilos.
Desde la perspectiva de la acústica musical, la frecuencia fundamental de un instrumento no suena armoniosa con respecto a cada armónico. Si hay más componentes armónicos en la música, el tono será rico, puro y agradable. , y no sonará armonioso. Si hay demasiados armónicos, la música será áspera y áspera. Los armónicos extraños por encima del séptimo orden harán que el sonido sea áspero y áspero.
HALCRO------El amplificador de distorsión más baja del mundo
La distorsión del altavoz en la banda de frecuencia de cruce medio es causada principalmente por la no linealidad del circuito magnético. (Núcleo). Para eliminar la distorsión no lineal causada por el núcleo de hierro, actualmente se usa a menudo en una estructura llamada "circuito magnético lineal". La característica de esta estructura de circuito magnético es que la parte superior del núcleo de hierro tiene forma cóncava. forma de modo que mire hacia la placa conductora magnética. La parte de la bobina móvil está cerca del estado de saturación magnética debido a la reducción del área de la sección transversal del núcleo. En este momento, la bobina móvil es equivalente a una bobina con núcleo de aire. , evitando así la influencia del núcleo y reduciendo la distorsión no lineal.
Cuando la bobina móvil realiza un movimiento de carrera larga.
El cable de la bobina móvil salta del área uniforme del medio campo magnético del entrehierro, de modo que el coeficiente de conversión electromecánica BT no puede mantener un efecto electrodinámico constante F = BTI y el lineal La relación se destruye, lo que resulta en una distorsión no lineal.
Para mejorar la distorsión causada por este motivo, generalmente se usan dos métodos: uno es usar una bobina móvil corta y el otro es usar una bobina móvil larga. Los llamados medios de bobina móvil corta. que la longitud de la bobina móvil sea menor que El espesor de la placa conductora magnética es pequeño, como se muestra en la figura, de modo que la bobina móvil no salte fuera del área uniforme del campo magnético durante la vibración, por lo que evitando la distorsión no lineal.
Este método provoca una presentación de costes y no se utiliza habitualmente. La llamada bobina móvil larga se refiere a la longitud de la bobina móvil, que se hace más larga que el grosor de la arandela, de modo que la bobina móvil. interactúa con todos los componentes magnéticos durante la vibración A través del acoplamiento de fases (incluyendo el área uniforme y el área no uniforme), la densidad de inducción magnética promedio B permanece generalmente constante para evitar la distorsión no lineal, pero este método inevitablemente hará que el altavoz tenga un espesor más alto. sonido bajo la misma resistencia de CC, la sensibilidad del cable de la bobina disminuye porque aumenta la amplitud de rotación de la bobina móvil y la vibración masiva de la bobina móvil aumenta BT, su espacio magnético se vuelve más grande debido al engrosamiento del cable de la bobina móvil. , B se vuelve más pequeño y B2T2MD.