諧波的產(chǎn)生與危害和抑制

一、諧波的概念

1、諧波

非正弦波實際上由許多不同頻率，不同幅值的正弦波組成。非正弦交流可通過數(shù)學(xué)分析，分解成許多頻率不同、幅值不同的正弦波。這些大于基波頻率整數(shù)倍的不同頻率、不同幅值的正弦波稱為諧波。

**2、矩形波和三角形波中包含的諧波 **

根據(jù)數(shù)學(xué)分析，矩形波與三角形波可分別用以下兩式表示:

矩形波

u=4Um/π (sinωt+1/3sin3ωt+1/5sin5ωt+…)

三角形波

u=8Um/π (sinωt+1/9sin3ωt+1/25sin5ωt+…)

4Um/πsinωt、8Um/πsinωt 部分稱為基波，其角頻率為ω，其幅值分別為4Um/π、8Um/π；

4Um/3πsin3ωt、8Um/9πsin3ωt部分稱為三次諧波，其角頻率是基波角頻率的三倍(3ω)，其幅值分別為4Um/3π、8Um/9π；

4Um/5πsin5ωt、8Um/25πsin5ωt部分稱為五次諧波，其角頻率是基波角頻率的五倍(5ω)，其幅值分別為4Um/5π、8Um/25π。

除上述幾個諧波分量外，還有許多頻率更高的諧波分量。這些諧波分量的特點是其幅值隨角頻率的增高而減小，且與非正弦波的波形形狀有關(guān)。

二、諧波的產(chǎn)生

1、發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波

由于發(fā)電機三相繞組在制造過程中很難做到完全對稱，鐵芯也很難做到絕對均勻一致等原因，發(fā)電時多少會產(chǎn)生一些諧波，總體來說數(shù)量較小。

2、變電系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波

由于電力變壓器鐵芯飽和，磁化曲線的非線性，加上設(shè)計時要考慮經(jīng)濟性，其工作磁密選擇在磁化曲線上接近于飽和段，就使磁化電流呈現(xiàn)尖頂波形，從而含有了奇次諧波。其大小與磁路的結(jié)構(gòu)形式、鐵芯飽和度相關(guān)。飽和度越高，變壓器的工作點就會越遠地偏離線性，造成的諧波電流越大。

3、供電系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波

由于供電系統(tǒng)中存在著非線性負荷，當電流流過和所加的電壓不是線性關(guān)系時，就會發(fā)生非正弦電流，這就是諧波電流。非線性負荷設(shè)備有開關(guān)電源、不間斷電源、變頻調(diào)速裝置、電子熒光燈鎮(zhèn)流器、包含磁性鐵芯設(shè)備以及部分家用電器如電視機、計算機等。

1）半導(dǎo)體整流設(shè)備

由于半導(dǎo)體廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源、不間斷電源等許多方面，由其產(chǎn)生的諧波給電網(wǎng)造成大量的電污染。半導(dǎo)體整流裝置是采用移相控制，從電網(wǎng)吸收了缺角的正弦波，從而給電網(wǎng)剩下的是另一部分缺角正弦波，在剩下部分中就會含有大量諧波。據(jù)統(tǒng)計，由整流裝置所產(chǎn)生的諧波占電網(wǎng)所有諧波的40%左右，是最大的諧波源。

2）變頻調(diào)速裝置

由于變頻調(diào)速裝置的逆變電路開關(guān)特性，對所供電電源形成一個典型的非線性負載。更由于采用相位控制，諧波成分復(fù)雜，除含有較多整數(shù)次諧波，還有分數(shù)次諧波，這類裝置功率一般較大，隨著變頻調(diào)速廣泛的應(yīng)用，對電網(wǎng)造成諧波也會越來越多。變頻器產(chǎn)生諧波主要是5次、7次諧波。

3）非線性照明裝置

非線性照明裝置主要有熒光燈、高壓氣體放電燈、金屬鹵化物燈等。通過測量和分析這些裝置的伏安特性，可知其非線性十分嚴重，個別還具有負的伏安特性，它們都會給電網(wǎng)造成奇次諧波電流。

4）家用電器

電磁爐、電視機、錄像機、計算機等設(shè)備，因內(nèi)部有調(diào)壓整流裝置，就會產(chǎn)生較多的奇次諧波。在這些有繞組的設(shè)備中，不平衡電流的變化也可能造成波形改變。這些家用電器盡管功率較小，但數(shù)量較大，也是諧波的主要來源。

三、諧波的危害

在非正弦交流中，除含有角頻率為ω的基波以外，其它不同角頻率的諧波分量均為高次諧波。這些高次諧波如不采取措施加以抑制，將竄入系統(tǒng)和其它用戶，引起許多不良后果。

1、使電網(wǎng)的電壓和電流波形發(fā)生畸變，致使電能品質(zhì)變壞，甚至使某些精密儀器無法使用。

2、使電器設(shè)備如變壓器、電動機的鐵耗、銅耗增加，造成電器設(shè)備在運行期間過熱，降低正常出力，引起噪音變大。

3、影響控制、保護及檢測裝置的工作精度和可靠性，電磁式繼電器、晶體管繼電器和感應(yīng)式繼電器非常容易受到諧波影響，會產(chǎn)生相應(yīng)誤動或拒動。

4、使某些具有容性的電氣設(shè)備如電容器和電氣材料如電纜的絕緣層發(fā)生過熱而燒毀，諧波會使電容器后端電壓增大，電容器電流增幅更大，電容器損耗的功率增加，從而異常發(fā)熱，加速絕緣介質(zhì)老化，在諧波嚴重情況時會發(fā)生電容器被擊穿甚至爆炸。

5、對弱電系統(tǒng)如通訊線路及控制電路造成嚴重干擾，使信號失真，甚至使弱電系統(tǒng)無法正常工作。相線和中性線之間非線性負荷會形成三次諧波電流，并在中性線上疊加。因為三次諧波電流和其倍數(shù)次諧波是呈零序特征的，所以在中性線上的三次諧波電流是三相中所有三次諧波電流的總和，會引起電流和電壓畸變，并產(chǎn)生150HZ的電磁場，對周圍通信設(shè)備及通信系統(tǒng)、電子控制、保護設(shè)備產(chǎn)生干擾。

6、更為嚴重的是可能在某一高次諧波的條件下引起網(wǎng)路并聯(lián)或串聯(lián)諧振，產(chǎn)生諧振過電壓或過電流，則破壞性更大，后果極為嚴重。

四、諧波的抑制

1、改善供電環(huán)境

1）改變供電結(jié)構(gòu)

把能產(chǎn)生大量諧波的非線性負荷和不產(chǎn)生諧波的用電設(shè)備分布在不同供電母線上，使諧波相互補償并抵消，可降低電網(wǎng)中諧波的含量。

2）增大中性線容量

單相供電配電中，中性線的截面積應(yīng)不小于相線的截面積，在電視機、計算機、電磁設(shè)備等電子設(shè)備密集使用場合，TN系統(tǒng)配電回路的N線截面積應(yīng)不小于相線截面積的2倍，從而增大N線的載流量，就會避免導(dǎo)線過載發(fā)熱而損壞。

2、減少諧波的波源

1）通過增加整流器脈動數(shù)，諧波電流會減少，也就減少了諧波。

2）采用脈寬調(diào)制方法，把電流、電壓調(diào)成等幅但不等寬的一系列交流輸出電壓脈沖，從而達到抑制諧波。

3）在三相整流變壓器處采用Y，d或采用D，y的接線方式，可以有效消除3的倍數(shù)次諧波。

3、在諧波波源處吸收諧波

利用濾波設(shè)備在諧波波源處吸收諧波電流，可以有效抑制諧波。