諧波歷史

“諧波”一詞起源于物理電磁學(xué)。

電力系統(tǒng)的諧波問(wèn)題早在20世紀(jì)20年代和30年代就引起了人們的注意。當(dāng)時(shí)在德國(guó)，由于使用靜止汞弧變流器而造成了電壓、電流波形的畸變。1945年J.C.Read發(fā)表的有關(guān)變流器諧波的論文是早期有關(guān)諧波研究的經(jīng)典論文。

諧波 (harmonic wave)，從嚴(yán)格的意義來(lái)講，諧波是指電流中所含有的頻率為基波的整數(shù)倍的電量，一般是指對(duì)周期性的非正弦電量進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)分解，其余大于基波頻率的電流產(chǎn)生的電量。從廣義上講，由于交流電網(wǎng)有效分量為工頻單一頻率，因此任何與工頻頻率不同的成分都可以稱之為諧波，這時(shí)“諧波”這個(gè)詞的意義已經(jīng)變得與原意有些不符。正是因?yàn)閺V義的諧波概念，才有了“分?jǐn)?shù)諧波”、“間諧波”、“次諧波”等等說(shuō)法。

諧波產(chǎn)生的原因主要有：由于正弦電壓加壓于非線性負(fù)載，基波電流發(fā)生畸變產(chǎn)生諧波。主要非線性負(fù)載有UPS、開(kāi)關(guān)電源、整流器、變頻器、逆變器等。

諧波的頻率必然也等于基波的頻率的整數(shù)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。

電網(wǎng)諧波主要由發(fā)電設(shè)備(電源端)、輸配電設(shè)備以及電力系統(tǒng)非線性負(fù)載等三個(gè)方面引起的。

(1)電源端產(chǎn)生的諧波

發(fā)電機(jī)的三相繞組在制作上很難做到絕對(duì)對(duì)稱，由于制作工藝影響，其鐵心也很難做到絕對(duì)的均勻一致，加上發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定性等其他一些原因，會(huì)產(chǎn)生一些諧波，但一般來(lái)說(shuō)相對(duì)較少。

(2)輸配電過(guò)程產(chǎn)生的諧波

電力變壓器是輸配電過(guò)程中主要的諧波來(lái)源，由于變壓器的設(shè)計(jì)需要考慮經(jīng)濟(jì)性，其鐵心的磁化曲線處于非線性的飽和狀態(tài)，使得工作時(shí)的磁化電流為角頂型的波形，因而產(chǎn)生奇次諧波。較高的變壓器鐵心飽和程度使得其工作點(diǎn)偏離了線性曲線，產(chǎn)生了較大的諧波電流，其奇次諧波電流的比例可以達(dá)到變壓器額定電流的0.5%以上。

(3)電力設(shè)備產(chǎn)生的諧波

1)整流晶閘管設(shè)備。由于整流晶閘管廣泛應(yīng)用在開(kāi)關(guān)電源、機(jī)電控制、充電裝置等許多方面，給電網(wǎng)帶來(lái)了相當(dāng)多的諧波。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由整流設(shè)備引起的諧波將近達(dá)到全部諧波的40%，是諧波的一個(gè)主要來(lái)源。

2)變頻設(shè)備。電動(dòng)機(jī)、電梯、水泵、風(fēng)機(jī)等機(jī)電設(shè)備中常用的變頻設(shè)備，因?yàn)榇蟛糠质窍辔豢刂?，其諧波成分比較復(fù)雜，除了整數(shù)次的諧波成分外，還含有一定分?jǐn)?shù)次的諧波成分，變頻設(shè)備的功率一般較大，其廣泛應(yīng)用對(duì)電網(wǎng)造成的諧波也越來(lái)越多。

3)氣體放電類電光源。氣體放電類電光源如高壓鈉燈、高壓汞燈、熒光燈以及金屬鹵化物燈等，其伏安特性的非線性相當(dāng)嚴(yán)重，有的電光源還具有負(fù)伏安特性，這些都會(huì)給輸電網(wǎng)帶來(lái)奇次諧波成分。

4)家用電器設(shè)備。在空調(diào)器、冰箱、洗衣機(jī)、電風(fēng)扇等含有繞組的用電設(shè)備中，由于不平衡電流的變化也能使電源波形發(fā)生改變。另外，計(jì)算機(jī)、電視機(jī)、溫控炊具、調(diào)光燈具等，因其具有一定的調(diào)壓整流功能，也會(huì)產(chǎn)生高次的奇次諧波成分。這些家用電器設(shè)備也成為諧波的一個(gè)主要來(lái)源。

5)其他用電設(shè)備。

諧波電流

諧波電流是由設(shè)備或系統(tǒng)引入的非正弦特性電流。諧波電流疊加在主電源上

諧波電壓

諧波電壓是由諧波電流和配電系統(tǒng)上產(chǎn)生的阻抗導(dǎo)致的電壓降

阻抗

阻抗是在特定頻率下配電系統(tǒng)某一點(diǎn)產(chǎn)生的電阻。阻抗取決于變壓器和連在系統(tǒng)上的用電設(shè)備，以及所采用導(dǎo)體的截面積和長(zhǎng)度。

阻抗系數(shù)

阻抗系數(shù)是AF （載波）阻抗相對(duì)于50Hz （基波）阻抗的比率。

諧振

在配電系統(tǒng)里的設(shè)備，與它們存在的電容( 電纜，補(bǔ)償電容器等) 和電感( 變壓器，電抗線圈等) 形成共振電路。后者能夠被系統(tǒng)諧波激勵(lì)而成為諧振。配電系統(tǒng)諧波的一個(gè)原因是變壓器鐵芯非線性磁化的特性。在這種情況下主要的諧波是3 次的；它在全部導(dǎo)體內(nèi)與單相分量具有相同的長(zhǎng)度，因而在星形點(diǎn)上不能消除。

諧振頻率

每個(gè)電感和電容的連接形成一個(gè)具有特定共振頻率的諧振電路。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)有幾個(gè)電感和電容就有幾個(gè)諧振頻率。

并聯(lián)諧振頻率

網(wǎng)絡(luò)阻抗達(dá)到最大值的頻率。在并聯(lián)諧振電路中，電流分量I L 和I C 大于總電流I 。

串聯(lián)諧振頻率

網(wǎng)絡(luò)的阻抗水平達(dá)到最小的頻率。在串聯(lián)諧振電路內(nèi)分路電壓U L 和U C 大于總電壓U 。

串聯(lián)諧振諧電路

由電感（電抗器）和電容（電容器）串聯(lián)的電路。

無(wú)功功率

電動(dòng)機(jī)和變壓器的磁能部分，以及用于能量交換目的的功率轉(zhuǎn)換器等處需要無(wú)功功率Q 。與有功功率不同，無(wú)功功率并不做功。計(jì)量無(wú)功功率的單位是Var 或 kvar 。

無(wú)功功率補(bǔ)償

供電部門規(guī)定一個(gè)最小功率因數(shù)以避免電能浪費(fèi)。如果一個(gè)工廠的功率因數(shù)小于這個(gè)最小值，它要為無(wú)功功率的部分付費(fèi)。否則它就應(yīng)該用電容器提高功率因數(shù)，這就必須在用電設(shè)備上并聯(lián)安裝電容器。

諧波是正弦波，每個(gè)諧波都具有不同的頻率，幅度與相角。

諧波頻率是基波頻率的整倍數(shù)，根據(jù)法國(guó)數(shù)學(xué)家傅立葉(M．Fourier)分析原理證明，任何重復(fù)的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數(shù)的諧波的正弦波分量。

根據(jù)諧波頻率的不同，可以分為：

1、奇次諧波

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

2、偶次諧波

額定頻率為基波頻率偶數(shù)倍的諧波，被稱為“偶次諧波”，如2、4、6、8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(tǒng)中，由于對(duì)稱關(guān)系，偶次諧波已經(jīng)被消除了，只有奇次諧波存在。對(duì)于三相整流負(fù)載，出現(xiàn)的諧波電流是6n±1次諧波，例如5、7、11、13、17、19等。

變頻器主要產(chǎn)生5、7次諧波。

3、分?jǐn)?shù)次諧波

頻率為基波非整數(shù)倍的分量稱為間諧波（interharmonics），有時(shí)候也將低于基波的間諧波稱為次諧波（sub-harmonics),次諧波可看成直流與工頻之間的間諧波。詳細(xì)請(qǐng)參考GB/T 24337--2009.

1)對(duì)旋轉(zhuǎn)的發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)而言，由于諧波電流或諧波電壓在定子繞組、轉(zhuǎn)子回路及鐵心中產(chǎn)生附加損耗，從而降低發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率。更為嚴(yán)重的是，諧波振蕩容易使汽輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)生振蕩力矩，可能引起機(jī)械共振，造成汽輪機(jī)葉片扭曲及產(chǎn)生疲勞破壞。

2)諧波電壓在許多情況下能使正弦波變得更不平滑，不僅導(dǎo)致電機(jī)、變壓器、電容器等電氣設(shè)備的磁滯及渦流損耗增加，而且使絕緣材料承受的電應(yīng)力增大。諧波電流能使變壓器的銅耗增加，所以電機(jī)、變壓器在嚴(yán)重的諧波負(fù)載下將產(chǎn)生局部過(guò)熱、溫升增加，從而加速絕緣老化、縮短變壓器等電氣設(shè)備的使用壽命、浪費(fèi)日趨寶貴的能源、降低供電可靠性。

3)由于電機(jī)、變壓器、電力電容器、電纜等負(fù)載處于經(jīng)常的變動(dòng)之中，極易與電網(wǎng)中含有的大量諧波源構(gòu)成串聯(lián)或并聯(lián)的諧振條件，形成諧波振蕩，產(chǎn)生過(guò)電壓或過(guò)電流，危及電機(jī)、變壓器等負(fù)載及電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，引發(fā)輸配電事故的發(fā)生。

4)電網(wǎng)諧波將使測(cè)量?jī)x表、計(jì)量裝置產(chǎn)生誤差，達(dá)不到正確指示及計(jì)量。斷路器開(kāi)斷諧波含量較高的電流時(shí)，斷路器的開(kāi)斷能力將大大降低，造成電弧重燃，發(fā)生短路，甚至斷路器爆炸。

5)另外，由于諧波的存在，易使電網(wǎng)的各類保護(hù)及自動(dòng)裝置產(chǎn)生誤動(dòng)或拒動(dòng)以及在通信系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生干擾，嚴(yán)重時(shí)將威脅通信設(shè)備及人身安全等。

1．抑制諧波的基本原則

抑制變頻器在運(yùn)行中產(chǎn)生諧波的方法是進(jìn)行諧波補(bǔ)償，也就是增加諧波補(bǔ)償裝置，使輸入的電流成為正弦波。

2．方法

傳統(tǒng)的諧波補(bǔ)償裝置多采用設(shè)置LC調(diào)諧濾波器的方法來(lái)抑制諧波，這種抑制方法既可以抑制諧波，又可以補(bǔ)償無(wú)功功率。不足之處是其補(bǔ)償特性易受電網(wǎng)阻抗與運(yùn)行狀態(tài)的影響，容易與系統(tǒng)產(chǎn)生并聯(lián)諧振，進(jìn)而造成諧波放大，容易導(dǎo)致LC調(diào)諧濾波器過(guò)載，甚至燒壞。

另一方面，LC調(diào)諧濾波器僅能補(bǔ)償固定頻率的諧波且補(bǔ)償效果不甚理想。不過(guò)，由于LC調(diào)諧濾波器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、設(shè)置容易，故仍然被廣泛應(yīng)用。 2100433B

音頻信號(hào)源通過(guò)功率放大器時(shí)，由于非線性元件所引起的輸出信號(hào)比輸入信號(hào)多出的額外諧波成分。諧波失真是由于系統(tǒng)不是完全線性造成的，用新增加總諧波成份的均方根與原來(lái)信號(hào)有效值的百分比來(lái)表示。例如，一個(gè)放大器在輸出10V的1000Hz時(shí)又加上 Lv的2000Hz，這時(shí)就有10%的二次諧波失真。所有附加諧波電平之和稱為總諧波失真。一般說(shuō)來(lái)，1000Hz頻率處的總諧波失真最小，因此不少產(chǎn)品均以該頻率的失真作為它的指標(biāo)。但總諧波失真與頻率有關(guān)，因此美國(guó)聯(lián)邦貿(mào)易委員會(huì)于1974年規(guī)定，總諧波失真必須在20～20000Hz的全音頻范圍內(nèi)測(cè)出，而且放大器的最大功率必須在負(fù)載為8歐揚(yáng)聲器、總諧波失真小于1%條件下測(cè)定。國(guó)際電工委員會(huì)規(guī)定的總諧波失真的最低要求為：前級(jí)放大器為0.5%，合并放大器小于等于0.7%，但實(shí)際上都可做到0.1%以下：FM立體聲調(diào)諧器小于等于1.5%，實(shí)際上可做到0.5%以下；激光唱機(jī)更可做到0.01%以下 。

“噪聲”描述的是由放大器產(chǎn)生的隨機(jī)電信號(hào)。諧波是頻率為輸入信號(hào)頻率整數(shù)倍的信號(hào)?？傊C波失真和噪聲技術(shù)規(guī)格通過(guò)比較失真諧波的電平?(V<**>i)?和RMS噪聲電壓?(V<**>n)?與輸入信號(hào)的電平?(Vf)?來(lái)量化這些因素 。

（1）諧波使公用電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生了附加的諧波損耗，降低了發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率，大量的3次諧波流過(guò)中性線時(shí)會(huì)使線路過(guò)熱甚至發(fā)生火災(zāi)。

（2）諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作。諧波對(duì)電機(jī)的影響除引起附加損耗外，還會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)、噪聲和過(guò)電壓，使變壓器局部嚴(yán)重過(guò)熱。諧波使電容器、電纜等設(shè)備過(guò)熱、絕緣老化、壽命縮短，以至損壞。

（3）諧波會(huì)引起公用電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，這就使上述（1）和（2）的危害大大增加，甚至引起嚴(yán)重事故。

（4）諧波會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的誤動(dòng)作，并會(huì)使電氣測(cè)量?jī)x表計(jì)量不準(zhǔn)確。

（5）諧波會(huì)對(duì)鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量；重者導(dǎo)致住處丟失，使通信系統(tǒng)無(wú)法正常工作。