20 ELEKTRO 10/2014 elektrotechnická praxe Nelineární zkreslení harmonického signálu (THD nebo THF)Úvod Po mnoho staletí nebyl problém si předsta-vit, co měříme. Palec nebo stopa pro jednot-ku délky byl pojem pro každého snadno sro-zumitelný. Problémy začaly až při zavádění elektrických veličin. Ještě metrická konven-ce, která zavedla např. metr a kilogram, ne-počítala s elektrickými veličinami. Po zave-dení elektrických veličin, kterých se používá několik desítek, se jejich definice mnoho-krát měnily a upravovaly. Elektrické veliči-ny, charakterizující vlastnosti elektrických prvků, jsou lépe pochopitelné a jednodušeji definované než veličiny popisující vlastnosti elektrických signálů. Jednou z veličin popi-sujících vlastnosti elektrických signálů je ne-lineární zkreslení. Nelineární zkreslení har-monického signálu má v současné době dvě platné a používané definice. Proč tomu tak je a jaký to má význam pro praxi, se snaží vy-světlit tento článek.Význam zkreslení v energetice V počátečních letech zavádění elektrické energie do běžného života byla velmi ostře diskutována otázka vhodnosti použití stej-nosměrného nebo střídavého elektrického proudu. Edison byl stoupencem rozvodu stej-nosměrného napětí, Nikola Tesla a George Westinghouse propagovali střídavé napětí. V roce 1896 byla firmou Westinghouse Elect-ric Corporation uvedena do provozu elekt-rárna na Niagarských vodopádech vyrábějící střídavý harmonický proud o frekvenci 60 Hz s rozvodným systémem využívajícím trans-formátory napětí. Tím začalo používání har-monického napětí o frekvenci 60 Hz (60 Hz v USA nebo 50 Hz v Evropě) a vítězné taže-ní střídavého napětí po světě. Současně s tím vznikla i první potřeba kontrolovat zkreslení signálu v rozvodných sítích.V elektrické síti nízkého napětí nalezneme střídavé harmonické napětí o frekvenci 50 Hz a efektivním napětím 230 V. Ve Spojených státech a v několika dalších zemích se použí-vá v rozvodné soustavě frekvence 60 Hz. Na-víc je napětí v domácnostech např. ve Spoje-ných státech zhruba poloviční (120 V) oproti Evropě (230 V), ale problémy se zkreslením tvaru sítového napětí jsou obecné. V první polovině dvacátého století převládaly lineár-ní zátěže a nebyl velký problém udržet zkres-lení sítě pod 3 %.Růst hospodářství má vliv ve výkonové elektronice na zatížení sítě, které bylo dříve tradičně považováno za lineární. V důsled-ku modernizace se zvýšil počet nelineárních zátěží a očekává se, že se dále výrazně zvý-ší. Proto je nutné zkreslení v síti sledovat a měřit. Tyristorová (pulzní) regulace výko-nu začala být v Československu používána od 70. let a používá se v podstatě dodnes. Vyso-ký obsah harmonických složek je považován za nežádoucí, ale vždy je to otázka přípustné míry. I když některé z harmonických složek mohou být tolerovány, je třeba se vyvarovat jejich příliš velkého množství i velké ampli-tudy. Stále větší počet jednofázových zaříze-ní má nyní nelineární odběr proudu ze sítě. Spínané napájecí zdroje se nacházejí v mno-ha různých zařízeních, jako jsou počítače, televizory, videorekordéry, kompaktní zářiv-ky s elektronickými předřadníky atd. Plynu-lá regulace otáček se v domácnosti vyskytuje např. v pračce, sušičce, vytápění a klimatiza-ci, v nářadí pro kutily a jinde. Nabíječky jsou vyvíjeny pro elektrické a hybridní spotřebiče, počínaje mobilními telefony až po elektric-ká vozidla a stále se rozšiřuje sortiment ne-lineárních zátěží. Doporučené současné li-mity zkreslení pro odběr proudu v nízkona-pěťových soustavách jsou popsány podrobně v řadě norem.Význam zkreslení v elektronice a akustice Po vynalezení rozhlasu, telefonu a gramo-fonu vznikla druhá oblast, kde bylo potřeba kontrolovat zkreslení signálu, to je v elektro-nice a elektroakustice. Čím menší je zkres-lení, tím věrnější je signál zachycený nebo předávaný pomocí mikrofonu, reproduktoru nebo zesilovače.V praxi není v této oblasti zajímavé měřit velké hodnoty nelineárního zkreslení, ale velmi často je třeba měřit malé zkreslení (např. CD přehrávače s 16 bitovými D/A převodníky mají zkreslení kolem 0,003 %). Pro akustiku je nej-výhodnější měřit zkreslení THF, včetně ostat-ních zbytkových složek, jako je šum.V audio a hi-fi technice – 10 % (–20dB) – úroveň zkreslení je jasně patrná a v podstatě audio zařízení diskva-lifikuje,– 1 % (–40dB) – přijatelná úroveň v jedno-duchých systémech pro přehrávání audio-signálů, ale posluchači s vytříbeným hu-debním sluchem již zkreslení poznají,– 0,1 % (–60dB) – úroveň všeobecně přijí-maného zkreslení (s výjimkou high-end hi-fi systémů),– 0,01 % (–80dB) – úroveň high-end hi-fi za-řízení (např. CD-ROM přehrávače), přija-telné pro milovníky audio,– 0,001 % (–100dB) – úroveň podstatně pře-sahuje obvyklé zvukové systémy, ale exis-tuje v praxi např. i v kvalitních rozhlaso-vých přijímačích,– 0,0001 % (–120dB) – úroveň blízko nej-nižších úrovní možné hodnoty zkreslení pro audiosignály a pro měření za nejvý-hodnějších podmínek.Význam zkreslení v elektronice Při průchodu analogového signálu neli-neárním zařízením jsou k původnímu signá-lu přimíchány další frekvence. Měření neli-neárního zkreslení je způsobem posouzení rozsahu zkreslení.Doc. Ing. Jiří Horský, CSc., doc. Dr. Ing. Pavel Horský, Ing. Jana Horská, Ph.D.Obr. 1. Při odporové zátěži (vlevo) v síti napájené harmonickým napětím (červeně) je proud do zátěže také harmonický (modře) a nelineární zkreslení proudu vlivem zátěže nevzniká; při zátěži s usměrňovačem (vpravo) je odběr proudu jen v krátké době, kdy usměrňovač nabíjí výstupní konden-zátor a energii ze sítě odebírá (modře) a vlivem nelineární zátěže vzniká nelineární zkreslení proudu Uin Iin Uin Iin