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            諧波

            • 瀏覽次數:25898次
            • 發布時間:2013/9/18 15:57:34
            • 作者:hb-_yinhe

            諧波相關定義

              諧波的英文為:harmonic,

              《GB/T2900.1-2008 電工術語 基本術語》對諧波的定義是:

              周期量的傅里葉級數式中階次大于1的分量。

              根據傅立葉等人提出的諧波分析方法——傅里葉變換,滿足Dirichlet條件的、以T為周期的周期函數f(t),在連續點處,可以展開為常數與一組具有共同周期的正弦函數和余弦函數之和,并可用下述三角函數的線性組合來表示:

              

              上式稱為f(t)的傅里葉級數,其中,ω=2π/T。

              

              n為整數,n≥0。

              

              n為整數,n≥1。

              在間斷點處,下式成立:

              

              a0/2為信號f(t)的直流分量。

              令

              

              c1為基波幅值,cn為n次諧波的幅值。c1有時也稱一次諧波的幅值。a0/2有時也稱0次諧波的幅值。

              諧波的頻率等于基波的頻率的整數倍,基波頻率3倍的波稱之為三次諧波,基波頻率5倍的波稱之為五次諧波,以此類推。不管幾次諧波,他們都是正弦波。

              采用傅里葉變換,方波可以分解為基波和3、5、7、11、13……次諧波的組合,n次諧波含量是基波的1/n。

              下圖形象的再現了通過基波、3、5、7次諧波合成近似方波的過程。

              諧波構成方波的動畫演示

            諧波構成方波的動畫演示

            諧波產生原因

              要理解諧波產生的原因,首先要理解什么才叫不含諧波?

              在理想的干凈供電系統中,電壓是純正的正弦波的。連接在電網上的線性負荷穩定運行時,流過的電流是正弦波。連接在電網上的非線性負荷中流過的電流是非正弦波。

            01諧波電流產生原因

              只要不是單一頻率的正弦波,就包含諧波。

              而單一頻率的正弦波,頻率和幅值都是恒定的。換言之,只要頻率和幅值之一發生變化,就說明產生了諧波。

              最簡單線性負荷的例子是白熾燈,因為白熾燈相當于一個電阻。白熾燈穩定運行時,流過的電流是正弦波。但是,白熾燈關閉時,流過的電流是零。也就是說白熾燈打開或關閉的瞬間,電流發生了變化,產生了變化,就產生了諧波!

            02諧波電壓產生原因

              那么,諧波電壓是如何產生的呢?

              還以白熾燈為例,小明在白熾燈下讀書寫字時,小明的白熾燈流過正弦波電流,不產生諧波。但是,同一時間,有千千萬萬的白熾燈在開啟或關閉,這些白熾燈產生了諧波電流。如果這些白熾燈和小明的白熾燈連接在同一個電網。由于供電線路有阻抗,這些白熾燈產生的諧波電流流經供電線路時,會產生諧波電壓降,諧波電壓降疊加在原先的正弦波電壓上,使電網的電壓產生諧波,現在,給小明的白熾燈供電的電網也有諧波了!這就是電網諧波電壓產生的原因!

              諧波電流是因、諧波電壓是果,諧波電壓通過污染電網,對電網上的設備產生各種影響和危害!

              當然,白熾燈開啟或關閉對電網的諧波影響是比較小的。但是,某些大功率沖擊負荷,如電弧煉鋼爐、軋鋼機等,一般出現最大負荷的時間很短,但其峰值可能是其平均負荷的數倍或數十倍。沖擊負荷沖擊瞬間,會產生較大的諧波,而大量沖擊負荷的運行,會產生持續的諧波。

              就持續影響而言,大功率非線性設備是主要的諧波源。變頻器、整流電源等運行時產生較大的諧波電流,諧波電流與整流脈沖數有關。N脈沖整流會產生Nk+1次的諧波,就是說:6脈沖整流會產生6k±1次的諧波,諧波序列為5、7、11、13……,12脈沖整流會產生12k±1次的諧波,諧波序列為11、13、23、25……

              如果假設交流側電抗為零,直流電感無窮大的理想情況,這時M次諧波電流的理論相對值為1/M,就是說11次諧波的理論值是1/11,約9%。

              如果沒有安裝輸入電抗器,12脈整流的主要諧波為11、13、17、19次,總諧波含量約15%。

              6脈整流輸入電流包含6N±1次諧波,主要為5、7、11、13次,5次諧波約20%,7次約14%、11次約9%,13次約8%??傊C波含量約30%。

              大功率的或數量繁多的非線性設備和沖擊負荷,是主要的諧波源。

            諧波分類

              諧波頻率是基波頻率的整倍數,法國數學家傅立葉證明,任何重復的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數的諧波的正弦波分量。

              諧波含量及波形

            波形及諧波含量

              根據諧波頻率的不同,可以分為:

            01偶次諧波

              額定頻率為基波頻率偶數倍的諧波,被稱為“偶次諧波”,如2、4、6、8次諧波。

            02奇次諧波

              額定頻率為基波頻率奇數倍的諧波,被稱為“奇次諧波”,如3、5、7次諧波

              一般地講,奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多更大。

              在平衡的三相系統中,由于對稱關系,偶次諧波已經被消除了,奇次諧波占主導地位。對于三相整流負載,出現的諧波電流是6n±1次諧波,例如5、7、11、13、17、19等。六脈整流的三相變頻器主要產生5、7次諧波。

            03分數次諧波

              當正弦波分量的頻率是原交流信號的頻率的非整數倍時,稱為分數次諧波,當分數大于1時稱為間諧波,當分數小于1時,也稱次諧波。

              嚴格講,基于傅里葉變換的諧波分析方法中,不存在分數次諧波。關于分數次諧波與傅里葉變換的關系,請參考”光伏發電站諧波及間諧波相關概念詳解“。

            諧波危害

              理想的公用電網所提供的電壓應該是單一而固定的頻率以及規定的電壓幅值。諧波電流的出現,會在不同程度上產生諧波電壓,對公用電網是一種污染,它使用電設備所處的環境惡化,也對周圍的其它設備產生干擾。

              在電力電子設備廣泛應用以前,人們對諧波及其危害就進行過一些研究,并有一定認識,但沒有對諧波污染引起足夠的重視。
              二十世紀八十年代之后,各種電力電子裝置的迅速發展使得公用電網的諧波污染日趨嚴重,由諧波引起的各種故障和事故也不斷發生,諧波危害的嚴重性引起人們高度的關注。
              諧波對公用電網和其它系統的危害大致有以下幾個方面:

            01加大企業的電力運行成本

              諧波降低了供電線路的功率因數,增大了電力運行成本。

            02降低了供電的可靠性

              諧波電壓在許多情況下能使正弦波變得更尖,不僅導致變壓器、電容器等電氣設備的磁滯及渦流損耗增加,而且使絕緣材料承受的電應力增大。諧波電流能使變壓器的銅耗增加,所以變壓器在嚴重的諧波負荷下將產生局部過熱,噪聲增大,從而加速絕緣老化,大大縮短了變壓器、電動機的使用壽命,降低供電可靠性,極有可能在生產過程中造成斷電的嚴重后果。

            03引發供電事故的發生

              電網中含有大量的諧波源以及電力電容器、變壓器、電纜、電動機等負荷,這些電氣設備處于經常的變動之中,極易構成串聯或并聯的諧振條件。當電網參數配合不利時,在一定的頻率下,形成諧波振蕩,產生過電壓或過電流,危及電力系統的安全運行,如不加以治理極易引發輸配電事故的發生。

            04導致設備無法正常工作

              對旋轉的發電機、電動機,由于諧波電流或諧波電壓在定子繞組、轉子回路及鐵芯中產生附加損耗,從而降低發輸電及用電設備的效率,更為嚴重的是諧波振蕩容易使汽輪發電機產生震蕩力矩,可能引起機械共振,造成汽輪機葉片扭曲及產生疲勞循環,導致設備無法正常工作。

            05引發惡性事故

              繼電保護自動裝置對于保證電網的安全運行具有十分重要的作用。但是,由于諧波的大量存在,易使電網的各類保護及自動裝置產生誤動或拒動,特別在廣泛應用的微機保護、綜合自動化裝置中表現突出,引起區域(廠內)電網瓦解,造成大面積停電等惡性事故。

            06導致線路短路

              大部分測量儀表和計量裝置針對正弦波電壓、電流設計,電網諧波將使這類測量儀表、計量裝置產生附加誤差,達不到正確指示及計量。斷路器分斷諧波含量較高的電流時,分斷能力將大大降低,可能造成電弧重燃,發生短路,甚至斷路器爆炸。

            07降低產品質量

              諧波增大了電機等設備運行的振動,使生產誤差加大,降低產品的加工精度,降低產品質量。

            08影響通訊系統的正常工作

              當輸電線路與通訊線路平行或相距較近時,由于兩者之間存在靜電感應和電磁感應,形成電場耦合和磁場耦合,諧波將在通訊系統內產生音頻干擾,從而降低信號的傳輸質量,破壞信號的正常傳輸,不僅影響通話的清晰度,嚴重時將威脅通訊設備及人身安全。

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