11、前言

數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)（IDC）的迅猛發(fā)展；大型UPS的使用；空調(diào)變頻技術(shù)的推廣；－－－這些都導(dǎo)致了供電系統(tǒng)中的諧波含量不斷增大。－－－不討論諧波治理，只討論諧波的起源和具有的危害。第1頁/共29頁22、諧波的起源

什么叫諧波？在電力系統(tǒng)中，可以認(rèn)為除基本波(50Hz)外，任一周期性的訊號(hào)，皆稱為諧波。頻率低于50Hz的稱為次諧波，高于50Hz的為高次諧波。使用電力電子技術(shù)的設(shè)備是產(chǎn)生諧波的主要原因。開關(guān)型的電源主要是由半導(dǎo)體元件組成的，這些元件輪回地導(dǎo)通和關(guān)斷，盡管由于電感的存在使這一過程并未產(chǎn)生突變，但造成了交流電源回路的波形強(qiáng)行發(fā)生了變化，使得正弦波產(chǎn)生畸變，電流波形不再是正弦波形，造成正弦波電流的失真并從市電電網(wǎng)吸收諧波電流。例如計(jì)算機(jī)、變頻調(diào)速器，等等。其它負(fù)載造成的電流失真，主要是因?yàn)樗鼈兊墓ぷ髟?，并且也?huì)產(chǎn)生諧波。例如熒光燈、放電燈、電焊機(jī)和其它帶有磁飽和鐵芯的裝置。第2頁/共29頁32、諧波的起源

供電電源為負(fù)載提供的是50Hz的正弦波電壓，但負(fù)載所需要的、由電源提供的電流波形卻取決于負(fù)載的類型。

1、線性負(fù)載負(fù)載吸收的電流是與電壓頻率相同的正弦波電流，電流與電壓之間可能存在著相位差(角度為)；歐姆定律定義了線性負(fù)載的電壓與電流的比值為一個(gè)常系數(shù)——負(fù)載的阻抗，電流和電壓之間的關(guān)系是線性的。例如：標(biāo)準(zhǔn)的白熾燈泡、電加熱器、電阻負(fù)載、變壓器，等等。這類負(fù)載中沒有任何有源電子器件，只有電阻(R)、電感(L)和電容(C)。第3頁/共29頁42、諧波的起源

供電電源為負(fù)載提供的是50Hz的正弦波電壓，但負(fù)載所需要的、由電源提供的電流波形卻取決于負(fù)載的類型。

2、非線性負(fù)載負(fù)載吸收的電流為周期性的，但不是正弦波電流，電流中因含有諧波而造成波形失真；歐姆定律中定義的電壓和電流之間的關(guān)系不再有效，因?yàn)樨?fù)載的阻抗在一個(gè)周期內(nèi)是變化的，電流和電壓之間的關(guān)系不再是線性的了。第4頁/共29頁52、諧波的起源

供電電源為負(fù)載提供的是50Hz的正弦波電壓，但負(fù)載所需要的、由電源提供的電流波形卻取決于負(fù)載的類型。

2、非線性負(fù)載負(fù)載吸收的電流為周期性的，但不是正弦波電流，電流中因含有諧波而造成波形失真；歐姆定律中定義的電壓和電流之間的關(guān)系不再有效，因?yàn)樨?fù)載的阻抗在一個(gè)周期內(nèi)是變化的，電流和電壓之間的關(guān)系不再是線性的了。事實(shí)上，負(fù)載吸收的電流是以下電流的合成：l

1）頻率為50或60Hz正弦波電流，稱為基波電流；

2）各次諧波電流，它們都是正弦波電流，幅值比基波小，但頻率是基波頻率的整數(shù)倍，這個(gè)倍數(shù)就定義為諧波的次數(shù)(例如，三次諧波的頻率為3x50Hz)。第5頁/共29頁62、諧波的起源

RCD負(fù)載(電阻、電容、二極管)就是一個(gè)例子，大多數(shù)電子設(shè)備的電源部分都是圖中這種電路。

在穩(wěn)定條件下，只有當(dāng)瞬時(shí)電壓超過電容兩端的電壓后才對(duì)電容充電；從這時(shí)起，負(fù)載的阻抗很低(二極管導(dǎo)通)，在此之前，阻抗非常高(二極管截止)；由此可見，非線性負(fù)載的阻抗是隨電容兩端的電壓變化的；阻抗不是恒定不變的，且電壓和電流也不再是正弦波；電流的波形非常復(fù)雜，可以用傅立葉定理描述為以下項(xiàng)之和：—一個(gè)頻率與電壓頻率f相同的電流，稱為基波電流；—其它頻率為kf的電流(k為>1的整數(shù))，這些電流稱為諧波電流；圖提供了電流的大致形狀，但只給出了兩個(gè)諧波電流成份：IH3和IH5(三次諧波電流和五次諧波電流)，其實(shí)實(shí)際上還有更多的諧波電流成分。第6頁/共29頁73、諧波的特征

1）諧波的有效值(rms)

由于各次諧波電流都是正弦波，因此可以測(cè)量每次諧波的有效值，但這些正弦波的頻率各不相同，為基波頻率的整數(shù)倍：

IH1

為基波成分(50Hz)；

IHk

為諧波成分，其中k為諧波次數(shù)(50Hz的k倍)。諧波分析就是要確定這些數(shù)值。第7頁/共29頁83、諧波的特征

2）總電流有效值

3）各次諧波的含量每次諧波的含量都可以用一個(gè)百分?jǐn)?shù)來表示，即該次諧波電流的有效值與基波電流有效值之比，這個(gè)比率就代表了各次諧波的含量水平：

第8頁/共29頁93、諧波的特征

4電壓和電流的諧波失真度非線性負(fù)載同時(shí)產(chǎn)生電流和電壓的失真，這是因?yàn)槊看沃C波電流都會(huì)產(chǎn)生同頻率的電壓諧波，結(jié)果諧波也會(huì)造成電壓的失真。正弦波的總失真度用百分?jǐn)?shù)來表示：

總電壓諧波失真度TDHU%，基于電壓諧波的度量；總電流諧波失真度TDHI%，基于電流諧波的度量。

THDI(或者THDU用UHk

表示各次諧波)可以用各次諧波的有效值的方程式表示：

THDI(或THDU)也可以用各次諧波的含量來表示：

第9頁/共29頁103、諧波的特征

5）峰值因數(shù)(CrestFactor)

峰值因數(shù)(Fc)定義為峰值與有效值的比率，用來表示信號(hào)(電流或電壓)形狀的特征。下面是不同負(fù)載的典型峰值因數(shù)：

線性負(fù)載：Fc=SQRT(2)=1.414；計(jì)算機(jī)主機(jī)：Fc=2～2.5；微機(jī)：Fc=2～3。

第10頁/共29頁113、諧波的特征

6）諧波電流的頻譜定義諧波電流的頻譜是為了確定電流的波形和各次諧波的含量，以及某些數(shù)值，例如THDI和Fc。

各次諧波：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%，F(xiàn)c=1.45

諧波頻譜和對(duì)應(yīng)的THDI

第11頁/共29頁123、諧波的特征

7）功率因數(shù)（1）功率因數(shù)(PowerFactor)

功率因數(shù)為給定非線性負(fù)載兩端的有功功率(kW)和視在功率(kVA)之比：它不是電壓和電流之間的相移，因?yàn)榇藭r(shí)電壓和電流均不是正弦波了。（2）基波電流和基波電壓之間的相移只有基波電壓和基波電流為正弦波時(shí)，它們之間的相移可以定義為：其中P1

和S1

分別為基波的有功功率和視在功率。第12頁/共29頁133、諧波的特征

7）功率因數(shù)（3）失真因數(shù)(DistortionFactor)失真因數(shù)定義為：其中，按照標(biāo)準(zhǔn)IEC60146的定義。在沒有諧波時(shí)，失真因數(shù)等于1，這時(shí)功率因數(shù)可以簡(jiǎn)單地表示為。第13頁/共29頁143、諧波的特征

8）功率在一個(gè)平衡的三相線性負(fù)載上施加線電壓U，流過的線電流為I，U和I之間的相移為，則該負(fù)載消耗的功率為：?jiǎn)挝粸閗VA；單位為kW；單位為kVAr。

第14頁/共29頁153、諧波的特征

8）功率在一個(gè)平衡的三相非線性負(fù)載上施加線電壓U，流過的線電流為I，這時(shí)負(fù)載消耗的功率的方程式要復(fù)雜得多，因?yàn)閁和I中都含有諧波。但是，仍然可以簡(jiǎn)單地表示為：

(λ=功率因數(shù))

對(duì)基波電壓U1

和基波電流I1，它們之間的相移為：，其中D為由諧波引起的失真功率。

第15頁/共29頁164、諧波的危害

1）視在功率的損失

圖中，上圖表示了在一個(gè)正弦周期內(nèi)正弦電壓與基波電流的乘積(U×I)為正；而下圖則表示在一個(gè)正弦周期內(nèi)正弦電壓與3次諧波電流的乘積為零(U×IH3=0)，無論諧波的相位和諧波次數(shù)為多少，這種現(xiàn)象都存在。這可以用關(guān)系式表示為：

一部分視在功率被諧波消耗掉了而沒有產(chǎn)生任何作用：如果負(fù)載是一個(gè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械，諧波電流產(chǎn)生的合成轉(zhuǎn)矩為零，即只會(huì)形成一個(gè)寄生的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，而產(chǎn)生振動(dòng)；由諧波電流產(chǎn)生的功率（rIHk)同時(shí)在電阻為r的導(dǎo)體中產(chǎn)生一個(gè)電壓降。對(duì)各種電氣裝置，諧波電流既不會(huì)產(chǎn)生有功功率也不會(huì)產(chǎn)生無功功率，只是通過焦耳效應(yīng)產(chǎn)生損耗，即轉(zhuǎn)變?yōu)榻苟鸁?ri2)。

第16頁/共29頁174、諧波的危害

2）電纜中的溫度升高

電纜導(dǎo)體中的溫升表示為：

即電纜中的溫升為基波電流產(chǎn)生的溫升與各次諧波電流產(chǎn)生的溫升之和。

第17頁/共29頁184、諧波的危害

3）中線電流增大

所有3次及3的整數(shù)倍次諧波電流在中線上相迭加。它們的位移可以計(jì)算為或(4π/3)，并且它們之和為零。中線上的電流可以達(dá)到相線上的電流的1.7倍。這樣將會(huì)在中線上產(chǎn)生巨大的損耗：因此，中線必須加粗來考慮3次及3的整數(shù)倍次諧波電流。

第18頁/共29頁194、諧波的危害

4）自污染負(fù)載

由非線性負(fù)載引起的電流失真度THDI，經(jīng)過電源及以后的各種阻抗產(chǎn)生電壓失真度THDU。圖5中表示了在一個(gè)常見的電氣系統(tǒng)中的各種電壓失真度逐級(jí)變化的波形。注：電壓失真度反映出了電流的失真度，并且隨著非線性負(fù)載上線的阻抗累積而逐步增大。

第19頁/共29頁204、諧波的危害

5）損壞電容電容中的電流值表示為：對(duì)第k次諧波，角頻率為，因此k次諧波電流等于：其中，。由此可見電容中的電流隨k的增大而增大。

這將導(dǎo)致的后果是：電容受到損壞的威脅；由于電路中存在電感，電容可能受到諧振的威脅。結(jié)果是，加在電容兩端的電壓中的高次諧波成分越多，則電容運(yùn)行的環(huán)境就越惡劣，通常需要使用增強(qiáng)型的電容。因此，電容的使用必須受到以下的限制：

第20頁/共29頁214、諧波的危害

5）損壞電容

這將導(dǎo)致的后果是：（1）電容受到損壞的威脅；（2）由于電路中存在電感，電容可能受到諧振的威脅。結(jié)果是，加在電容兩端的電壓中的高次諧波成分越多，則電容運(yùn)行的環(huán)境就越惡劣，通常需要使用增強(qiáng)型的電容。因此，電容的使用必須受到以下的限制：電容器類型的選擇取決于其使用的實(shí)際條件，必須采用標(biāo)準(zhǔn)型h級(jí)(增強(qiáng)的絕緣等級(jí))，且配有諧波電抗器。

第21頁/共29頁224、諧波的危害

6）變壓器降容諧波對(duì)變壓器的影響為以下幾個(gè)方面的總和：（1）由于存在集膚效應(yīng)，變壓器繞組的阻抗隨諧波次數(shù)的增大而增大；（2）磁滯損耗與諧波頻率成正比；（3）渦流損耗與諧波頻率的平方成正比。（4）因此，為了滿足要求，變壓器必須降容使用。一般來說，諧波必然會(huì)造成電源降容，它與負(fù)載的功率因數(shù)成反比。即負(fù)載的功率因數(shù)越低，電源的降容必須越多。

第22頁/共29頁234、諧波的危害

7）騷擾發(fā)電機(jī)的運(yùn)行

與變壓器相似，磁滯現(xiàn)象和渦流現(xiàn)象也會(huì)由于諧波的作用造成發(fā)電機(jī)的損耗大增。亞瞬態(tài)電抗X"d是頻率的函數(shù)，隨頻率的升高而增大；“諧波”旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)是以kf的頻率與轉(zhuǎn)子相切割，而不是以同步頻率(50Hz)相切割。

這樣產(chǎn)生的后果就是：（1）產(chǎn)生寄生轉(zhuǎn)矩，降低了機(jī)械能向電能轉(zhuǎn)換的效率；（2）在線圈繞組和轉(zhuǎn)子阻尼線圈中產(chǎn)生額外的損耗；（3）產(chǎn)生振動(dòng)和發(fā)出異常的噪音。事實(shí)上，發(fā)電機(jī)中的電流諧波失真度THDI必須小于等于20%，否則發(fā)電機(jī)的功率也必須折算。

第23頁/共29頁244、諧波的危害

8）異步電動(dòng)機(jī)損耗增大諧波在異步電動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生以下的影響：（1）增大焦耳損耗和鐵損耗(定子損耗)；（2）脈動(dòng)力矩(轉(zhuǎn)子損耗，降低機(jī)械效率)。（3）因此異步電動(dòng)機(jī)上的THDU必須限定在10%