諧波的產生和抑制詳細介紹

2020-11-24 電子發燒友

隨著現代電氣化程度的不斷提高，人們對配電質量的要求越來越高。目前，雖然各類穩壓設備正逐步更新換代，但是仍然沒有阻攔住諧波的恣意破壞；相 反，隨之而來的諧波危害卻越來越不可忽視。因此，很有必要對諧波的產生和危害性進行定性分析，以便加深認識，揚棄並舉，在抑制諧波危害的同時，充分發揮其 有利方面。

1諧波的危害

諧波的危害要從我國的配電體制談起。我國一直採用50Hz交流供電制式，在穩壓保護的過程中，很少考慮到諧波的危害。這樣一來為諧波的產生和延 續提供了條件，使得諧波相互作用，一方面損壞電器，另一方面消耗大量電能。表1為50Hz交流供電體制下的正序、負序和零序諧波的分類。

表1諧波分類

諧波次數 2 3 4 5 6 7 8 9 10

頻率（Hz） 100 150 200 250 300 350 400 450 500

相序 － 0 ＋ － 0 ＋ － 0 ＋

正是由於各種諧波的存在，使50Hz的正弦交流電發生波形畸變，影響了正常的工作。在三相四線供電變壓器中，3次整數倍的諧波代數疊加，感應到 變壓器一次側，造成線圈過熱，同時使中線電流過大，發熱，甚至燒壞。在電機運行過程中，諧波使交流電壓波形嚴重失真，燒壞電機。在無功補償電路中，諧波會 形成諧振，燒壞電容櫃。在日常生活中，日光燈燈管被燒壞，起輝器無法啟動等情況都是由諧波造成的。

除了對電路造成危害之外，諧波的存在，也使配電功率因數的提高受到制約。利用電容補償電路提高功率因數時，不可避免地帶來諧波的負面影響。如果諧波次數較高，無功補償電容很可能被擊穿。

2諧波的定性分析

各次諧波在電路中的作用是不相同的，現對諧波常見的兩種作用效果進行定性分析，找出原因，加以抑制。

2.1諧波的疊加特性

諧波的疊加與相序有關。在同一電路中，有些諧波相互作用時，相互減弱或相互抵消，但是，更多的場合往往相互疊加，使波形發生明顯的畸變。例如，僅有3次諧波出現時，波形如圖1所示；當3次、5次諧波同時出現時，就會使正弦波明顯地發生了變化，如圖2所示。

圖1u1、u3及其疊加波形

圖2u1、u3、u5及其疊加波形

如果繼續疊加，正弦波就會發生質的變化。方波可用傅立葉級數展開如下式。

ui=4Um［sin2πft＋（sin6πft）/3＋（sin10πft）/5

＋…＋（sin2kπft）/k〗/π（1）

其中，ui為疊加之後的電壓，Um為基波振幅，f為基波的頻率50Hz，k=1、3、5……為奇數。

當然，其它種類的諧波疊加的情況也很多，如鋸齒波就含有一系列的偶次諧波（見圖3）

圖3鋸齒波波形

其傅立葉級數表達式為

ui=A/2－A［sin2πft＋（sin4πft）/2＋（sin6πft）/3＋…（sin2kπft）/k〗/π（2）

其中，ui為疊加之後的電壓，A為鋸齒波電壓幅值，f為基波頻率50Hz，k為自然數。

從以上分析可看出，諧波的疊加作用是不可忽視的，這一點在三相四線供電制中表現得最明顯。由於諧波相互疊加，中線會因電流過大而發熱，如圖4所示。另外，配電線路中的中性母線和接線板過載過熱等現象也是由於諧波疊加造成的。

圖4三相四線供電制中的中線電流

2.2高次諧波的特性

高次諧波也和基波一樣，總是選擇低阻抗路徑通過，但與基波不同的是，高次諧波優先選擇容性電路。因為電容具有通高頻阻低頻的特性。可用數學表達 式Xc=1/2πfC來分析，諧波電路中電抗Xc的大小與諧波頻率f、電容容量C的乘積成反比，因此諧波頻率越高，容抗Xc越小，諧波電流就越大，危害性 就越大。這點在無功補償電路中表現得最明顯。如果不注重分析和測量諧波的含量，而一味地依靠無功補償來提高功率因數，高次諧波就會燒壞補償電容。另外高次 諧波的危害性，在日常生活中常見的例子就是日光燈的壽命不長和起輝器的損壞。

當然諧波的危害，遠遠不止這兩種作用。象負序諧波含量過高會使電機產生反向旋轉磁場，使線圈發熱；高次諧波會產生電磁場，使配電盤產生機械諧振，發出噪聲；使控制電路誤動作等等各種危害。

3諧波的產生和抑制

除電源本身之外，諧波會由非線性負載所引起。在電路中非線性負載被激勵，產生各種各樣的諧波，並且相互作用，延伸到整個電路中。例如在含有列印 機、電動機、整流器等電路中，諧波表現得異常活躍。即使它們各自存在於不同的電路中，仍會相互疊加，產生危害，這點可用諧波測試儀測試出。那麼怎樣進行有 效地抑制呢？根據不同危害可採取有針對性的措施。

（1）增裝保護元件，改變電路性質。例如，諧波危害電容器，使無功補償難以發揮更大作用，可以採用安裝電抗元件，或者其它無功補償電路，讓其失諧，難以通過，起到兵來將擋的作用。如圖5，在負載前加裝電抗器就能阻止諧波的進入。

圖5負載前加裝電抗器抑制諧波

目前常用的開關電源，大部分在交流輸入端加裝了低頻電抗器。對於日光燈，安裝低諧鎮流器，會使燈管壽命明顯延長。

（2）諧波疊加常常使配電系統電流過載嚴重，可以重新分配電路，平衡負載，減輕危害，還可增加變壓器的容量。

4諧波的利用

諧波的危害是由於我們對它沒有進行有效地防止和抑制，當然它有利的方面也是不可替代的。從分析可知，諧波電壓幅值都很小，僅為基波的幾分之一或幾十分之一，在發電機勵磁電路中正需要這種特性來勵磁。

例如，在輸出380V的三相四線制發電機組中，勵磁線圈所需電壓只要26伏左右就足夠了。這個電壓就是由3次諧波提供的。它是通過在發電機定子鐵心槽中埋設的輔助繞組而產生的，再經橋式整流送給勵磁電路。原理見圖6，LF為諧波繞組，U、V、W、N為三相輸出。

圖6三次諧波電壓經整流後給勵磁繞組供電

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