諧波抑製與利用
發布時間：2011-08-23 來源：21IC電子網
中心議題：
隨(sui)著(zhe)現(xian)代(dai)電(dian)氣(qi)化(hua)程(cheng)度(du)的(de)不(bu)斷(duan)提(ti)高(gao)，人(ren)們(men)對(dui)配(pei)電(dian)質(zhi)量(liang)的(de)要(yao)求(qiu)越(yue)來(lai)越(yue)高(gao)。目(mu)前(qian)，雖(sui)然(ran)各(ge)類(lei)穩(wen)壓(ya)設(she)備(bei)正(zheng)逐(zhu)步(bu)更(geng)新(xin)換(huan)代(dai)，但(dan)是(shi)仍(reng)然(ran)沒(mei)有(you)阻(zu)攔(lan)住(zhu)諧(xie)波(bo)的(de)恣(zi)意(yi)破(po)壞(huai)；相(xiang)反(fan)，隨(sui)之(zhi)而(er)來(lai)的(de)諧(xie)波(bo)危(wei)害(hai)卻(que)越(yue)來(lai)越(yue)不(bu)可(ke)忽(hu)視(shi)。因(yin)此(ci)，很(hen)有(you)必(bi)要(yao)對(dui)諧(xie)波(bo)的(de)產(chan)生(sheng)和(he)危(wei)害(hai)性(xing)進(jin)行(xing)定(ding)性(xing)分(fen)析(xi)，以(yi)便(bian)加(jia)深(shen)認(ren)識(shi)，揚(yang)棄(qi)並(bing)舉(ju)，在(zai)抑(yi)製(zhi)諧(xie)波(bo)危(wei)害(hai)的(de)同(tong)時(shi)，充(chong)分(fen)發(fa)揮(hui)其(qi)有(you)利(li)方(fang)麵(mian)。
1諧波的危害
諧波的危害要從我國的配電體製談起。我國一直采用50Hzjiaoliugongdianzhishi，zaiwenyabaohudeguochengzhong，henshaokaolvdaoxiebodeweihai。zheyangyilaiweixiebodechanshengheyanxutigongletiaojian，shidexieboxianghuzuoyong，yifangmiansunhuaidianqi，lingyifangmianxiaohaodaliangdianneng。biao1為50Hz交流供電體製下的正序、負序和零序諧波的分類。
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(ci)整(zheng)數(shu)倍(bei)的(de)諧(xie)波(bo)代(dai)數(shu)疊(die)加(jia)，感(gan)應(ying)到(dao)變(bian)壓(ya)器(qi)一(yi)次(ci)側(ce)，造(zao)成(cheng)線(xian)圈(quan)過(guo)熱(re)，同(tong)時(shi)使(shi)中(zhong)線(xian)電(dian)流(liu)過(guo)大(da)，發(fa)熱(re)，甚(shen)至(zhi)燒(shao)壞(huai)。在(zai)電(dian)機(ji)運(yun)行(xing)過(guo)程(cheng)中(zhong)，諧(xie)波(bo)使(shi)交(jiao)流(liu)電(dian)壓(ya)波(bo)形(xing)嚴(yan)重(zhong)失(shi)真(zhen)，燒(shao)壞(huai)電(dian)機(ji)。在(zai)無(wu)功(gong)補(bu)償(chang)電(dian)路(lu)中(zhong)，諧(xie)波(bo)會(hui)形(xing)成(cheng)諧(xie)振(zhen)，燒(shao)壞(huai)電(dian)容(rong)櫃(gui)。在(zai)日(ri)常(chang)生(sheng)活(huo)中(zhong)，日(ri)光(guang)燈(deng)燈(deng)管(guan)被(bei)燒(shao)壞(huai)，起(qi)輝(hui)器(qi)無(wu)法(fa)啟(qi)動(dong)等(deng)情(qing)況(kuang)都(dou)是(shi)由(you)諧(xie)波(bo)造(zao)成(cheng)的(de)。
除chu了le對dui電dian路lu造zao成cheng危wei害hai之zhi外wai，諧xie波bo的de存cun在zai，也ye使shi配pei電dian功gong率lv因yin數shu的de提ti高gao受shou到dao製zhi約yue。利li用yong電dian容rong補bu償chang電dian路lu提ti高gao功gong率lv因yin數shu時shi，不bu可ke避bi免mian地di帶dai來lai諧xie波bo的de負fu麵mian影ying響xiang。如ru果guo諧xie波bo次ci數shu較jiao高gao，無wu功gong補bu償chang電dian容rong很hen可ke能neng被bei擊ji穿chuan。
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，加以抑製。
2.1諧波的疊加特性
xiebodediejiayuxiangxuyouguan。zaitongyidianluzhong，youxiexieboxianghuzuoyongshi，xianghujianruohuoxianghudixiao，danshi，gengduodechanghewangwangxianghudiejia，shiboxingfashengmingxiandejibian。liru，jinyou3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。
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圖1u1、u3及其疊加波形
圖2u1、u3、u5及其疊加波形
圖3鋸齒波波形
圖4三相四線供電製中的中線電流
（1）增zeng裝zhuang保bao護hu元yuan件jian，改gai變bian電dian路lu性xing質zhi。例li如ru，諧xie波bo危wei害hai電dian容rong器qi，使shi無wu功gong補bu償chang難nan以yi發fa揮hui更geng大da作zuo用yong，可ke以yi采cai用yong安an裝zhuang電dian抗kang元yuan件jian，或huo者zhe其qi它ta無wu功gong補bu償chang電dian路lu，讓rang其qi失shi諧xie，難nan以yi通tong過guo，起qi到dao兵bing來lai將jiang擋dang的de作zuo用yong。如ru圖tu5，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製諧波
例如，在輸出380V的三相四線製發電機組中，勵磁線圈所需電壓隻要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
- 討論諧波抑製與利用
- 在交流輸入端加裝了低頻電抗器
- 發電機勵磁電路利用勵磁線圈
隨(sui)著(zhe)現(xian)代(dai)電(dian)氣(qi)化(hua)程(cheng)度(du)的(de)不(bu)斷(duan)提(ti)高(gao)，人(ren)們(men)對(dui)配(pei)電(dian)質(zhi)量(liang)的(de)要(yao)求(qiu)越(yue)來(lai)越(yue)高(gao)。目(mu)前(qian)，雖(sui)然(ran)各(ge)類(lei)穩(wen)壓(ya)設(she)備(bei)正(zheng)逐(zhu)步(bu)更(geng)新(xin)換(huan)代(dai)，但(dan)是(shi)仍(reng)然(ran)沒(mei)有(you)阻(zu)攔(lan)住(zhu)諧(xie)波(bo)的(de)恣(zi)意(yi)破(po)壞(huai)；相(xiang)反(fan)，隨(sui)之(zhi)而(er)來(lai)的(de)諧(xie)波(bo)危(wei)害(hai)卻(que)越(yue)來(lai)越(yue)不(bu)可(ke)忽(hu)視(shi)。因(yin)此(ci)，很(hen)有(you)必(bi)要(yao)對(dui)諧(xie)波(bo)的(de)產(chan)生(sheng)和(he)危(wei)害(hai)性(xing)進(jin)行(xing)定(ding)性(xing)分(fen)析(xi)，以(yi)便(bian)加(jia)深(shen)認(ren)識(shi)，揚(yang)棄(qi)並(bing)舉(ju)，在(zai)抑(yi)製(zhi)諧(xie)波(bo)危(wei)害(hai)的(de)同(tong)時(shi)，充(chong)分(fen)發(fa)揮(hui)其(qi)有(you)利(li)方(fang)麵(mian)。
1諧波的危害
諧波的危害要從我國的配電體製談起。我國一直采用50Hzjiaoliugongdianzhishi，zaiwenyabaohudeguochengzhong，henshaokaolvdaoxiebodeweihai。zheyangyilaiweixiebodechanshengheyanxutigongletiaojian，shidexieboxianghuzuoyong，yifangmiansunhuaidianqi，lingyifangmianxiaohaodaliangdianneng。biao1為50Hz交流供電體製下的正序、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(ci)整(zheng)數(shu)倍(bei)的(de)諧(xie)波(bo)代(dai)數(shu)疊(die)加(jia)，感(gan)應(ying)到(dao)變(bian)壓(ya)器(qi)一(yi)次(ci)側(ce)，造(zao)成(cheng)線(xian)圈(quan)過(guo)熱(re)，同(tong)時(shi)使(shi)中(zhong)線(xian)電(dian)流(liu)過(guo)大(da)，發(fa)熱(re)，甚(shen)至(zhi)燒(shao)壞(huai)。在(zai)電(dian)機(ji)運(yun)行(xing)過(guo)程(cheng)中(zhong)，諧(xie)波(bo)使(shi)交(jiao)流(liu)電(dian)壓(ya)波(bo)形(xing)嚴(yan)重(zhong)失(shi)真(zhen)，燒(shao)壞(huai)電(dian)機(ji)。在(zai)無(wu)功(gong)補(bu)償(chang)電(dian)路(lu)中(zhong)，諧(xie)波(bo)會(hui)形(xing)成(cheng)諧(xie)振(zhen)，燒(shao)壞(huai)電(dian)容(rong)櫃(gui)。在(zai)日(ri)常(chang)生(sheng)活(huo)中(zhong)，日(ri)光(guang)燈(deng)燈(deng)管(guan)被(bei)燒(shao)壞(huai)，起(qi)輝(hui)器(qi)無(wu)法(fa)啟(qi)動(dong)等(deng)情(qing)況(kuang)都(dou)是(shi)由(you)諧(xie)波(bo)造(zao)成(cheng)的(de)。
除chu了le對dui電dian路lu造zao成cheng危wei害hai之zhi外wai，諧xie波bo的de存cun在zai，也ye使shi配pei電dian功gong率lv因yin數shu的de提ti高gao受shou到dao製zhi約yue。利li用yong電dian容rong補bu償chang電dian路lu提ti高gao功gong率lv因yin數shu時shi，不bu可ke避bi免mian地di帶dai來lai諧xie波bo的de負fu麵mian影ying響xiang。如ru果guo諧xie波bo次ci數shu較jiao高gao，無wu功gong補bu償chang電dian容rong很hen可ke能neng被bei擊ji穿chuan。
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，加以抑製。
2.1諧波的疊加特性
xiebodediejiayuxiangxuyouguan。zaitongyidianluzhong，youxiexieboxianghuzuoyongshi，xianghujianruohuoxianghudixiao，danshi，gengduodechanghewangwangxianghudiejia，shiboxingfashengmingxiandejibian。liru，jinyou3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。
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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。方波可用傅裏葉級數展開如下式。
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，如鋸齒波就含有一係列的偶次諧波（見圖3）
圖3鋸齒波波形
其傅裏葉級數表達式為
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(cong)以(yi)上(shang)分(fen)析(xi)可(ke)看(kan)出(chu)，諧(xie)波(bo)的(de)疊(die)加(jia)作(zuo)用(yong)是(shi)不(bu)可(ke)忽(hu)視(shi)的(de)，這(zhe)一(yi)點(dian)在(zai)三(san)相(xiang)四(si)線(xian)供(gong)電(dian)製(zhi)中(zhong)表(biao)現(xian)得(de)最(zui)明(ming)顯(xian)。由(you)於(yu)諧(xie)波(bo)相(xiang)互(hu)疊(die)加(jia)，中(zhong)線(xian)會(hui)因(yin)電(dian)流(liu)過(guo)大(da)而(er)發(fa)熱(re)，如(ru)圖(tu)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4三相四線供電製中的中線電流
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2.2高次諧波的特性
高(gao)次(ci)諧(xie)波(bo)也(ye)和(he)基(ji)波(bo)一(yi)樣(yang)，總(zong)是(shi)選(xuan)擇(ze)低(di)阻(zu)抗(kang)路(lu)徑(jing)通(tong)過(guo)，但(dan)與(yu)基(ji)波(bo)不(bu)同(tong)的(de)是(shi)，高(gao)次(ci)諧(xie)波(bo)優(you)先(xian)選(xuan)擇(ze)容(rong)性(xing)電(dian)路(lu)。因(yin)為(wei)電(dian)容(rong)具(ju)有(you)通(tong)高(gao)頻(pin)阻(zu)低(di)頻(pin)的(de)特(te)性(xing)。可(ke)用(yong)數(shu)學(xue)表(biao)達(da)式(shi)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yue小xiao，諧xie波bo電dian流liu就jiu越yue大da，危wei害hai性xing就jiu越yue大da。這zhe點dian在zai無wu功gong補bu償chang電dian路lu中zhong表biao現xian得de最zui明ming顯xian。如ru果guo不bu注zhu重zhong分fen析xi和he測ce量liang諧xie波bo的de含han量liang，而er一yi味wei地di依yi靠kao無wu功gong補bu償chang來lai提ti高gao功gong率lv因yin數shu，高gao次ci諧xie波bo就jiu會hui燒shao壞huai補bu償chang電dian容rong。另ling外wai高gao次ci諧xie波bo的de危wei害hai性xing，在zai日ri常chang生sheng活huo中zhong常chang見jian的de例li子zi就jiu是shi日ri光guang燈deng的de壽shou命ming不bu長chang和he起qi輝hui器qi的de損sun壞huai。
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；使控製電路誤動作等等各種危害。
3諧波的產生和抑製
除chu電dian源yuan本ben身shen之zhi外wai，諧xie波bo會hui由you非fei線xian性xing負fu載zai所suo引yin起qi。在zai電dian路lu中zhong非fei線xian性xing負fu載zai被bei激ji勵li，產chan生sheng各ge種zhong各ge樣yang的de諧xie波bo，並bing且qie相xiang互hu作zuo用yong，延yan伸shen到dao整zheng個ge電dian路lu中zhong。例li如ru在zai含han有you打da印yin機ji、電動機、整(zheng)流(liu)器(qi)等(deng)電(dian)路(lu)中(zhong)，諧(xie)波(bo)表(biao)現(xian)得(de)異(yi)常(chang)活(huo)躍(yue)。即(ji)使(shi)它(ta)們(men)各(ge)自(zi)存(cun)在(zai)於(yu)不(bu)同(tong)的(de)電(dian)路(lu)中(zhong)，仍(reng)會(hui)相(xiang)互(hu)疊(die)加(jia)，產(chan)生(sheng)危(wei)害(hai)，這(zhe)點(dian)可(ke)用(yong)諧(xie)波(bo)測(ce)試(shi)儀(yi)測(ce)試(shi)出(chu)。那(na)麼(me)怎(zen)樣(yang)進(jin)行(xing)有(you)效(xiao)地(di)抑(yi)製(zhi)呢(ne)？根(gen)據(ju)不(bu)同(tong)危(wei)害(hai)可(ke)采(cai)取(qu)有(you)針(zhen)對(dui)性(xing)的(de)措(cuo)施(shi)。
（1）增zeng裝zhuang保bao護hu元yuan件jian，改gai變bian電dian路lu性xing質zhi。例li如ru，諧xie波bo危wei害hai電dian容rong器qi，使shi無wu功gong補bu償chang難nan以yi發fa揮hui更geng大da作zuo用yong，可ke以yi采cai用yong安an裝zhuang電dian抗kang元yuan件jian，或huo者zhe其qi它ta無wu功gong補bu償chang電dian路lu，讓rang其qi失shi諧xie，難nan以yi通tong過guo，起qi到dao兵bing來lai將jiang擋dang的de作zuo用yong。如ru圖tu5，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製諧波
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係統電流過載嚴重，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xie波bo的de危wei害hai是shi由you於yu我wo們men對dui它ta沒mei有you進jin行xing有you效xiao地di防fang止zhi和he抑yi製zhi，當dang然ran它ta有you利li的de方fang麵mian也ye是shi不bu可ke替ti代dai的de。從cong分fen析xi可ke知zhi，諧xie波bo電dian壓ya幅fu值zhi都dou很hen小xiao，僅jin為wei基ji波bo的de幾ji分fen之zhi一yi或huo幾ji十shi分fen之zhi一yi，在zai發fa電dian機ji勵li磁ci電dian路lu中zhong正zheng需xu要yao這zhe種zhong特te性xing來lai勵li磁ci。
例如，在輸出380V的三相四線製發電機組中，勵磁線圈所需電壓隻要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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