谐波

编辑 锁定 讨论
谐波是指对周期性非正弦交流量进行傅里叶级数分解所得到的大于基波频率整数倍的各次分量,通常称为高次谐波,而基波是指其频率工频(50Hz)相同的分量。高次谐波的干扰是当前电力系统中影响电能质量的一大“公害”,亟待采取对策。 [1] 
中文名
谐波
外文名
harmonic wave
时    间
20世纪20年代和30年代
相关人物
傅里叶、J.C.Read
属    性
一个数学或物理学概念
所属学科
通信科技

谐波历史

编辑
“谐波”一词起源于声学
电力系统的谐波问题早在20世纪20年代和30年代就引起了人们的注意。当时在德国,由于使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变。1945年J.C.Read发表的有关变流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经典论文。

谐波定义

编辑
谐波 (harmonic wave),从严格的意义来讲,谐波是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量,一般是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解,其余大于基波频率的电流产生的电量。从广义上讲,由于交流电网有效分量为工频单一频率,因此任何与工频频率不同的成分都可以称之为谐波,这时“谐波”这个词的意义已经变得与原意有些不符。正是因为广义的谐波概念,才有了“分数谐波”、“间谐波”、“次谐波”等等说法。
谐波产生的原因主要有:由于正弦电压加压于非线性负载,基波电流发生畸变产生谐波。主要非线性负载有UPS、开关电源整流器变频器逆变器等。
泛音是物理学上的谐波,但次数的定义稍许有些不同,基波频率2倍的音频称之为一次泛音,基波频率3倍的音频称之为二次泛音,以此类推。
谐波的频率必然也等于基波的频率的整数倍,基波频率3倍的波称之为三次谐波,基波频率5倍的波称之为五次谐波,以此类推。不管几次谐波,他们都是正弦波

谐波产生

编辑
电网谐波主要由发电设备(电源端)、输配电设备以及电力系统非线性负载等三个方面引起的。
(1)电源端产生的谐波
发电机的三相绕组在制作上很难做到绝对对称,由于制作工艺影响,其铁心也很难做到绝对的均匀一致,加上发电机的稳定性等其他一些原因,会产生一些谐波,但一般来说相对较少。
(2)输配电过程产生的谐波
电力变压器是输配电过程中主要的谐波来源,由于变压器的设计需要考虑经济性,其铁心的磁化曲线处于非线性的饱和状态,使得工作时的磁化电流为尖顶型的波形,因而产生奇次谐波。较高的变压器铁心饱和程度使得其工作点偏离了线性曲线,产生了较大的谐波电流,其奇次谐波电流的比例可以达到变压器额定电流的0.5%以上。
(3)电力设备产生的谐波
1)整流晶闸管设备。由于整流晶闸管广泛应用在开关电源、机电控制、充电装置等许多方面,给电网带来了相当多的谐波。据统计,由整流设备引起的谐波将近达到全部谐波的40%,是谐波的一个主要来源。
2)变频设备。电动机电梯水泵、风机等机电设备中常用的变频设备,因为大部分是相位控制,其谐波成分比较复杂,除了整数次的谐波成分外,还含有一定分数次的谐波成分,变频设备的功率一般较大,其广泛应用对电网造成的谐波也越来越多。
3)气体放电类电光源。气体放电类电光源如高压钠灯、高压汞灯、荧光灯以及金属卤化物灯等,其伏安特性的非线性相当严重,有的电光源还具有负伏安特性,这些都会给输电网带来奇次谐波成分。
4)家用电器设备。在空调器、冰箱、洗衣机、电风扇等含有绕组的用电设备中,由于不平衡电流的变化也能使电源波形发生改变。另外,计算机、电视机、温控炊具、调光灯具等,因其具有一定的调压整流功能,也会产生高次的奇次谐波成分。这些家用电器设备也成为谐波的一个主要来源。
5)其他用电设备。 [2] 

谐波相关概念

编辑
谐波电流
谐波电流是由设备或系统引入的非正弦特性电流。谐波电流叠加在主电源上
谐波电压
谐波电压是由谐波电流和配电系统上产生的阻抗导致的电压降
阻抗
阻抗是在特定频率下配电系统某一点产生的电阻。阻抗取决于变压器和连在系统上的用电设备,以及所采用导体的截面积和长度。
阻抗系数
阻抗系数是AF (载波)阻抗相对于50Hz (基波)阻抗的比率。
谐振
在配电系统里的设备,与它们存在的电容( 电缆,补偿电容器等) 和电感( 变压器,电抗线圈等) 形成共振电路。后者能够被系统谐波激励而成为谐振。配电系统谐波的一个原因是变压器铁芯非线性磁化的特性。在这种情况下主要的谐波是3 次的;它在全部导体内与单相分量具有相同的长度,因而在星形点上不能消除。
谐振频率
每个电感和电容的连接形成一个具有特定共振频率谐振电路。一个网络有几个电感和电容就有几个谐振频率
并联谐振频率
网络阻抗达到最大值的频率。在并联谐振电路中,电流分量I L 和I C 大于总电流I 。
串联谐振频率
网络的阻抗水平达到最小的频率。在串联谐振电路内分路电压U L 和U C 大于总电压U 。
串联谐振谐电路
由电感(电抗器)和电容(电容器)串联的电路。
无功功率
电动机和变压器的磁能部分,以及用于能量交换目的的功率转换器等处需要无功功率Q 。与有功功率不同,无功功率并不做功。计量无功功率的单位是Var 或 kvar 。
无功功率补偿
供电部门规定一个最小功率因数以避免电能浪费。如果一个工厂的功率因数小于这个最小值,它要为无功功率的部分付费。否则它就应该用电容器提高功率因数,这就必须在用电设备上并联安装电容器。

谐波分类

编辑
谐波是正弦波,每个谐波都具有不同的频率,幅度与相角
谐波频率是基波频率的整倍数,根据法国数学家傅立叶(M.Fourier)分析原理证明,任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。
根据谐波频率的不同,可以分为:
1、奇次谐波
额定频率为基波频率奇数倍的谐波,被称为“奇次谐波”,如3、5、7次谐波
2、偶次谐波
额定频率为基波频率偶数倍的谐波,被称为“偶次谐波”,如2、4、6、8次谐波。
一般地讲,奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。
在平衡的三相系统中,由于对称关系,偶次谐波已经被消除了,只有奇次谐波存在。对于三相整流负载,出现的谐波电流是6n±1次谐波,例如5、7、11、13、17、19等。
变频器主要产生5、7次谐波。
3、分数次谐波
频率为基波非整数倍的分量称为间谐波(interharmonics),有时候也将低于基波的间谐波称为次谐波(sub-harmonics),次谐波可看成直流与工频之间的间谐波。详细请参考GB/T 24337--2009.

谐波危害

编辑
1)对旋转的发电机、电动机而言,由于谐波电流或谐波电压在定子绕组、转子回路及铁心中产生附加损耗,从而降低发电、输电及用电设备的效率。更为严重的是,谐波振荡容易使汽轮发电机产生振荡力矩,可能引起机械共振,造成汽轮机叶片扭曲及产生疲劳破坏。
2)谐波电压在许多情况下能使正弦波变得更尖,不仅导致电机、变压器、电容器等电气设备的磁滞及涡流损耗增加,而且使绝缘材料承受的电应力增大。谐波电流能使变压器的铜耗增加,所以电机、变压器在严重的谐波负载下将产生局部过热、振动和噪声增大、温升增加,从而加速绝缘老化、缩短变压器等电气设备的使用寿命、浪费日趋宝贵的能源、降低供电可靠性。
3)由于电机、变压器电力电容器电缆等负载处于经常的变动之中,极易与电网中含有的大量谐波源构成串联或并联的谐振条件,形成谐波振荡,产生过电压或过电流,危及电机、变压器等负载及电力系统的安全运行,引发输配电事故的发生。
4)电网谐波将使测量仪表、计量装置产生误差,达不到正确指示及计量。断路器开断谐波含量较高的电流时,断路器的开断能力将大大降低,造成电弧重燃,发生短路,甚至断路器爆炸。
5)另外,由于谐波的存在,易使电网的各类保护及自动装置产生误动或拒动以及在通信系统内产生声频干扰,严重时将威胁通信设备及人身安全等。 [3] 

谐波抑制

编辑
1.抑制谐波的基本原则
抑制变频器在运行中产生谐波的方法是进行谐波补偿,也就是增加谐波补偿装置,使输入的电流成为正弦波
2.方法
传统的谐波补偿装置多采用设置LC调谐滤波器的方法来抑制谐波,这种抑制方法既可以抑制谐波,又可以补偿无功功率。不足之处是其补偿特性易受电网阻抗与运行状态的影响,容易与系统产生并联谐振,进而造成谐波放大,容易导致LC调谐滤波器过载,甚至烧坏。
另一方面,LC调谐滤波器仅能补偿固定频率的谐波且补偿效果不甚理想。不过,由于LC调谐滤波器的结构简单、成本较低、设置容易,故仍然被广泛应用。 [4] 
参考资料
  • 1.    庞清乐,郭文,李希年等编著.供电技术=POWER SUPPLY TECHNOLOGY:清华大学出版社,2015.10
  • 2.    戴卫力,费峻涛编著.电力电子技术在电力系统中的应用:机械工业出版社,2015.06
  • 3.    武建文,李德成等编著.电机现代测试技术 第2版:机械工业出版社,2015.10
  • 4.    孙余凯,吴鸣山.项绮明等编著,变频器选型、安装与维修:中国电力出版社,2015.08
词条标签:
科学百科信息科学分类 科学 学科