一、諧波的概念

1、諧波

非正弦波實際上由許多不同頻率，不同幅值的正弦波組成。非正弦交流可通過數學分析，分解成許多頻率不同、幅值不同的正弦波。這些大于基波頻率整數倍的不同頻率、不同幅值的正弦波稱為諧波。

2、矩形波和三角形波中包含的諧波

根據數學分析，矩形波與三角形波可分別用以下兩式表示:

矩形波

u=4Um/π (sinωt+1/3sin3ωt+1/5sin5ωt+…)

三角形波

u=8Um/π (sinωt+1/9sin3ωt+1/25sin5ωt+…)

4Um/πsinωt、8Um/πsinωt 部分稱為基波，其角頻率為ω，其幅值分別為4Um/π、8Um/π；

4Um/3πsin3ωt、8Um/9πsin3ωt部分稱為三次諧波，其角頻率是基波角頻率的三倍(3ω)，其幅值分別為4Um/3π、8Um/9π；

4Um/5πsin5ωt、8Um/25πsin5ωt部分稱為五次諧波，其角頻率是基波角頻率的五倍(5ω)，其幅值分別為4Um/5π、8Um/25π。

除上述幾個諧波分量外，還有許多頻率更高的諧波分量。這些諧波分量的特點是其幅值隨角頻率的增高而減小，且與非正弦波的波形形狀有關。

二、諧波的產生

1、發電系統產生的諧波

由于發電機三相繞組在制造過程中很難做到完全對稱，鐵芯也很難做到絕對均勻一致等原因，發電時多少會產生一些諧波，總體來說數量較小。

2、變電系統產生的諧波

由于電力變壓器鐵芯飽和，磁化曲線的非線性，加上設計時要考慮經濟性，其工作磁密選擇在磁化曲線上接近于飽和段，就使磁化電流呈現尖頂波形，從而含有了奇次諧波。其大小與磁路的結構形式、鐵芯飽和度相關。飽和度越高，變壓器的工作點就會越遠地偏離線性，造成的諧波電流越大。

3、供電系統產生的諧波

由于供電系統中存在著非線性負荷，當電流流過和所加的電壓不是線性關系時，就會發生非正弦電流，這就是諧波電流。非線性負荷設備有開關電源、不間斷電源、變頻調速裝置、電子熒光燈鎮流器、包含磁性鐵芯設備以及部分家用電器如電視機、計算機等。

1）半導體整流設備

由于半導體廣泛應用于開關電源、不間斷電源等許多方面，由其產生的諧波給電網造成大量的電污染。半導體整流裝置是采用移相控制，從電網吸收了缺角的正弦波，從而給電網剩下的是另一部分缺角正弦波，在剩下部分中就會含有大量諧波。據統計，由整流裝置所產生的諧波占電網所有諧波的40%左右，是最大的諧波源。

2）變頻調速裝置

由于變頻調速裝置的逆變電路開關特性，對所供電電源形成一個典型的非線性負載。更由于采用相位控制，諧波成分復雜，除含有較多整數次諧波，還有分數次諧波，這類裝置功率一般較大，隨著變頻調速廣泛的應用，對電網造成諧波也會越來越多。變頻器產生諧波主要是5次、7次諧波。

3）非線性照明裝置

非線性照明裝置主要有熒光燈、高壓氣體放電燈、金屬鹵化物燈等。通過測量和分析這些裝置的伏安特性，可知其非線性十分嚴重，個別還具有負的伏安特性，它們都會給電網造成奇次諧波電流。

4）家用電器

電磁爐、電視機、錄像機、計算機等設備，因內部有調壓整流裝置，就會產生較多的奇次諧波。在這些有繞組的設備中，不平衡電流的變化也可能造成波形改變。這些家用電器盡管功率較小，但數量較大，也是諧波的主要來源。

三、諧波的危害

在非正弦交流中，除含有角頻率為ω的基波以外，其它不同角頻率的諧波分量均為高次諧波。這些高次諧波如不采取措施加以抑制，將竄入系統和其它用戶，引起許多不良后果。

1、使電網的電壓和電流波形發生畸變，致使電能品質變壞，甚至使某些精密儀器無法使用。

2、使電器設備如變壓器、電動機的鐵耗、銅耗增加，造成電器設備在運行期間過熱，降低正常出力，引起噪音變大。

3、影響控制、保護及檢測裝置的工作精度和可靠性，電磁式繼電器、晶體管繼電器和感應式繼電器非常容易受到諧波影響，會產生相應誤動或拒動。

4、使某些具有容性的電氣設備如電容器和電氣材料如電纜的絕緣層發生過熱而燒毀，諧波會使電容器后端電壓增大，電容器電流增幅更大，電容器損耗的功率增加，從而異常發熱，加速絕緣介質老化，在諧波嚴重情況時會發生電容器被擊穿甚至爆炸。

5、對弱電系統如通訊線路及控制電路造成嚴重干擾，使信號失真，甚至使弱電系統無法正常工作。相線和中性線之間非線性負荷會形成三次諧波電流，并在中性線上疊加。因為三次諧波電流和其倍數次諧波是呈零序特征的，所以在中性線上的三次諧波電流是三相中所有三次諧波電流的總和，會引起電流和電壓畸變，并產生150HZ的電磁場，對周圍通信設備及通信系統、電子控制、保護設備產生干擾。

6、更為嚴重的是可能在某一高次諧波的條件下引起網路并聯或串聯諧振，產生諧振過電壓或過電流，則破壞性更大，后果極為嚴重。

四、諧波的抑制

1、改善供電環境

1）改變供電結構

把能產生大量諧波的非線性負荷和不產生諧波的用電設備分布在不同供電母線上，使諧波相互補償并抵消，可降低電網中諧波的含量。

2）增大中性線容量

單相供電配電中，中性線的截面積應不小于相線的截面積，在電視機、計算機、電磁設備等電子設備密集使用場合，TN系統配電回路的N線截面積應不小于相線截面積的2倍，從而增大N線的載流量，就會避免導線過載發熱而損壞。

2、減少諧波的波源

1）通過增加整流器脈動數，諧波電流會減少，也就減少了諧波。

2）采用脈寬調制方法，把電流、電壓調成等幅但不等寬的一系列交流輸出電壓脈沖，從而達到抑制諧波。

3）在三相整流變壓器處采用Y，d或采用D，y的接線方式，可以有效消除3的倍數次諧波。

3、在諧波波源處吸收諧波

利用濾波設備在諧波波源處吸收諧波電流，可以有效抑制諧波。



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