谐波的介绍

1谐波的起源及危害VAVOInformation21、前言数据业务（IDC）的迅猛发展；大型UPS的使用；空调变频技术的推广；－－－这些都导致了供电系统中的谐波含量不断增大。－－－不讨论谐波治理，只讨论谐波的起源和具有的危害。VAVOInformation32、谐波的起源什么叫谐波？在电力系统中，可以认为除基本波(50Hz)外，任一周期性的讯号，皆称为谐波。频率低于50Hz的称为次谐波，高于50Hz的为高次谐波。使用电力电子技术的设备是产生谐波的主要原因。开关型的电源主要是由半导体元件组成的，这些元件轮回地导通和关断，尽管由于电感的存在使这一过程并未产生突变，但造成了交流电源回路的波形强行发生了变化，使得正弦波产生畸变，电流波形不再是正弦波形，造成正弦波电流的失真并从市电电网吸收谐波电流。例如计算机、变频调速器，等等。其它负载造成的电流失真，主要是因为它们的工作原理，并且也会产生谐波。例如荧光灯、放电灯、电焊机和其它带有磁饱和铁芯的装置。VAVOInformation42、谐波的起源供电电源为负载提供的是50Hz的正弦波电压，但负载所需要的、由电源提供的电流波形却取决于负载的类型。1、线性负载负载吸收的电流是与电压频率相同的正弦波电流，电流与电压之间可能存在着相位差(角度为)；欧姆定律定义了线性负载的电压与电流的比值为一个常系数——负载的阻抗，电流和电压之间的关系是线性的。例如：标准的白炽灯泡、电加热器、电阻负载、变压器，等等。这类负载中没有任何有源电子器件，只有电阻(R)、电感(L)和电容(C)。VAVOInformation52、谐波的起源供电电源为负载提供的是50Hz的正弦波电压，但负载所需要的、由电源提供的电流波形却取决于负载的类型。2、非线性负载负载吸收的电流为周期性的，但不是正弦波电流，电流中因含有谐波而造成波形失真；欧姆定律中定义的电压和电流之间的关系不再有效，因为负载的阻抗在一个周期内是变化的，电流和电压之间的关系不再是线性的了。VAVOInformation62、谐波的起源供电电源为负载提供的是50Hz的正弦波电压，但负载所需要的、由电源提供的电流波形却取决于负载的类型。2、非线性负载负载吸收的电流为周期性的，但不是正弦波电流，电流中因含有谐波而造成波形失真；欧姆定律中定义的电压和电流之间的关系不再有效，因为负载的阻抗在一个周期内是变化的，电流和电压之间的关系不再是线性的了。事实上，负载吸收的电流是以下电流的合成：l1）频率为50或60Hz正弦波电流，称为基波电流；2）各次谐波电流，它们都是正弦波电流，幅值比基波小，但频率是基波频率的整数倍，这个倍数就定义为谐波的次数(例如，三次谐波的频率为3x50Hz)。VAVOInformation72、谐波的起源RCD负载(电阻、电容、二极管)就是一个例子，大多数电子设备的电源部分都是图中这种电路。在稳定条件下，只有当瞬时电压超过电容两端的电压后才对电容充电；从这时起，负载的阻抗很低(二极管导通)，在此之前，阻抗非常高(二极管截止)；由此可见，非线性负载的阻抗是随电容两端的电压变化的；阻抗不是恒定不变的，且电压和电流也不再是正弦波；电流的波形非常复杂，可以用傅立叶定理描述为以下项之和：—一个频率与电压频率f相同的电流，称为基波电流；—其它频率为kf的电流(k为1的整数)，这些电流称为谐波电流；图提供了电流的大致形状，但只给出了两个谐波电流成份：IH3和IH5(三次谐波电流和五次谐波电流)，其实实际上还有更多的谐波电流成分。VAVOInformation83、谐波的特征1）谐波的有效值(rms)由于各次谐波电流都是正弦波，因此可以测量每次谐波的有效值，但这些正弦波的频率各不相同，为基波频率的整数倍：IH1为基波成分(50Hz)；IHk为谐波成分，其中k为谐波次数(50Hz的k倍)。谐波分析就是要确定这些数值。VAVOInformation93、谐波的特征2）总电流有效值3）各次谐波的含量每次谐波的含量都可以用一个百分数来表示，即该次谐波电流的有效值与基波电流有效值之比，这个比率就代表了各次谐波的含量水平：VAVOInformation103、谐波的特征4电压和电流的谐波失真度非线性负载同时产生电流和电压的失真，这是因为每次谐波电流都会产生同频率的电压谐波，结果谐波也会造成电压的失真。正弦波的总失真度用百分数来表示：总电压谐波失真度TDHU%，基于电压谐波的度量；总电流谐波失真度TDHI%，基于电流谐波的度量。THDI(或者THDU用UHk表示各次谐波)可以用各次谐波的有效值的方程式表示：THDI(或THDU)也可以用各次谐波的含量来表示：VAVOInformation113、谐波的特征5）峰值因数(CrestFactor)峰值因数(Fc)定义为峰值与有效值的比率，用来表示信号(电流或电压)形状的特征。下面是不同负载的典型峰值因数：线性负载：Fc=SQRT(2)=1.414；计算机主机：Fc=2～2.5；微机：Fc=2～3。VAVOInformation123、谐波的特征6）谐波电流的频谱定义谐波电流的频谱是为了确定电流的波形和各次谐波的含量，以及某些数值，例如THDI和Fc。各次谐波：H5=33%，H7=2.7%，H11=7.3%，H13=1.6%，H17=2.6%，H19=1.1%，H23=1.5，H25=1.3%。THDI=35%，Fc=1.45谐波频谱和对应的THDIVAVOInformation133、谐波的特征7）功率因数（1）功率因数(PowerFactor)功率因数为给定非线性负载两端的有功功率(kW)和视在功率(kVA)之比：它不是电压和电流之间的相移，因为此时电压和电流均不是正弦波了。（2）基波电流和基波电压之间的相移只有基波电压和基波电流为正弦波时，它们之间的相移可以定义为：其中P1和S1分别为基波的有功功率和视在功率。VASkWPkkVAkcos111SWP＝VAVOInformation143、谐波的特征7）功率因数（3）失真因数(DistortionFactor)失真因数定义为：其中，按照标准IEC60146的定义。在没有谐波时，失真因数等于1，这时功率因数可以简单地表示为。12cos1＝＋＝THDIDcosVAVOInformation153、谐波的特征8）功率在一个平衡的三相线性负载上施加线电压U，流过的线电流为I，U和I之间的相移为，则该负载消耗的功率为：单位为kVA；单位为kW；单位为kVAr。UISP3＝＝视在cosSP＝有功sinSP＝无功22QPSVAVOInformation163、谐波的特征8）功率在一个平衡的三相非线性负载上施加线电压U，流过的线电流为I，这时负载消耗的功率的方程式要复杂得多，因为U和I中都含有谐波。但是，仍然可以简单地表示为：(λ=功率因数)对基波电压U1和基波电流I1，它们之间的相移为：，其中D为由谐波引起的失真功率。1SP1113IUSP基波视在111cosSPP基波有功111sinSQP基波无功22121DQPSVAVOInformation174、谐波的危害1）视在功率的损失图中，上图表示了在一个正弦周期内正弦电压与基波电流的乘积(U×I)为正；而下图则表示在一个正弦周期内正弦电压与3次谐波电流的乘积为零(U×IH3=0)，无论谐波的相位和谐波次数为多少，这种现象都存在。这可以用关系式表示为：一部分视在功率被谐波消耗掉了而没有产生任何作用：如果负载是一个旋转机械，谐波电流产生的合成转矩为零，即只会形成一个寄生的脉动转矩，而产生振动；由谐波电流产生的功率（rIHk)同时在电阻为r的导体中产生一个电压降。对各种电气装置，谐波电流既不会产生有功功率也不会产生无功功率，只是通过焦耳效应产生损耗，即转变为焦耳热(ri2)。22121DQPSVAVOInformation184、谐波的危害2）电缆中的温度升高电缆导体中的温升表示为：即电缆中的温升为基波电流产生的温升与各次谐波电流产生的温升之和。1n2nrIH损耗＝VAVOInformation194、谐波的危害3）中线电流增大所有3次及3的整数倍次谐波电流在中线上相迭加。它们的位移可以计算为或(4π/3)，并且它们之和为零。中线上的电流可以达到相线上的电流的1.7倍。这样将会在中线上产生巨大的损耗：因此，中线必须加粗来考虑3次及3的整数倍次谐波电流。）（3/23k＝中线上的温升中线2rIVAVOInformation204、谐波的危害4）自污染负载由非线性负载引起的电流失真度THDI，经过电源及以后的各种阻抗产生电压失真度THDU。图5中表示了在一个常见的电气系统中的各种电压失真度逐级变化的波形。注：电压失真度反映出了电流的失真度，并且随着非线性负载上线的阻抗累积而逐步增大。VAVOInformation214、谐波的危害5）损坏电容电容中的电流值表示为：对第k次谐波，角频率为，因此k次谐波电流等于：其中，。由此可见电容中的电流随k的增大而增大。这将导致的后果是：电容受到损坏的威胁；由于电路中存在电感，电容可能受到谐振的威胁。结果是，加在电容两端的电压中的高次谐波成分越多，则电容运行的环境就越恶劣，通常需要使用增强型的电容。因此，电容的使用必须受到以下的限制：UCIkf2kfUCI2基波的频率f谐波次数kVAVOInformation224、谐波的危害5）损坏电容这将导致的后果是：（1）电容受到损坏的威胁；（2）由于电路中存在电感，电容可能受到谐振的威胁。结果是，加在电容两端的电压中的高次谐波成分越多，则电容运行的环境就越恶劣，通常需要使用增强型的电容。因此，电容的使用必须受到以下的限制：电容器类型的选择取决于其使用的实际条件，必须采用标准型h级(增强的绝缘等级)，且配有谐波电抗器。nUU1.1max＝nII3.1max＝%8max＝THDUVAVOInformation234、谐波的危害6）变压器降容谐波对变压器的影响为以下几个方面的总和：（1）由于存在集肤效应，变压器绕组的阻抗随谐波次数的增大而增大；（2）磁滞损耗与谐波频率成正比；（3）涡流损耗与谐波频率的平方成正比。（4）因此，为了满足要求，变压器必须降容使用。一般来说，谐波必然会造成电源降容，它与负载的功率因数成反比。即负载的功率因数越低，电源的降容必须越多。VAVOInformation244、谐波的危害7）骚扰发电机的运行与变压器相似，磁滞现象和涡流现象也会由于谐波的作用造成发电机的损耗大增。亚瞬态电抗Xd是频率的函数，随频率的升高而增大；“谐波”旋转磁场是以kf的频率与转子相切割，而不是以同步频率(50Hz)相切割。这样产生的后果就是：（1）产生寄生转矩，降低了机械能向电能转换的效率；（2）在线圈绕组和转子阻尼线圈中产生额外的损耗；（3）产生振动和发出异常的噪音。事实上，发电机中的电流谐波失真度THDI必须小于等于20%，否则发电机的功率也必须折算。VAVOInformation254、谐波的危害8）异步电动机损耗增大谐波在异步电动机中产生以下的影响：（1）增大焦耳损耗和铁损耗(定子损耗)；（2）脉动力矩(转子损耗，降低机械效率)。（3）因此异步电动机上的THDU必须限定在10%以下，以避免上述现象的发生。VAVOInformation264、谐波的危害9）对其它设备的影响谐波还会骚扰下述设备的正常运行：（1）非有效值脱扣装置，造成断路器令人烦恼的异常脱扣；（2）自动电话交换机；（3）报警系统；（4）敏感性的电子设备；（5）远程控制系统。VAVOInformation274、谐波的危害10）对UPS系统的影响在UPS系统中，广泛采用了高频斩波PWM技术，使逆变器具有较低的输出阻抗(相当于变压器输出阻抗的五分之一)。当遇到谐波时，这种UPS能够：（1）限制输出损耗；（2）以限流方式运行；（3）只产生非常低的电压失真度(THDU3%)。（4）因此UPS是非线性负载供电的最好方式。