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1、VAVO Information谐波的介波的介绍VAVO Information2、谐波的起源、谐波的起源 什么叫谐波？什么叫谐波？在电力系统中，可以认为除基本波在电力系统中，可以认为除基本波(50Hz)外，任一周期性的讯外，任一周期性的讯号，皆称为谐波。频率低于号，皆称为谐波。频率低于50Hz的称为次谐波，高于的称为次谐波，高于50Hz的为高次的为高次谐波。谐波。使用电力电子技术的设备是产生谐波的主要原因。使用电力电子技术的设备是产生谐波的主要原因。开关型的电源主要是由半导体元件组成的，这些元件轮回地导开关型的电源主要是由半导体元件组成的，这些元件轮回地导通和关断，尽管由于电感的存在使这一过
2、程并未产生突变，但造成通和关断，尽管由于电感的存在使这一过程并未产生突变，但造成了交流电源回路的波形强行发生了变化，使得正弦波产生畸变，电了交流电源回路的波形强行发生了变化，使得正弦波产生畸变，电流波形不再是正弦波形，造成正弦波电流的失真并从市电电网吸收流波形不再是正弦波形，造成正弦波电流的失真并从市电电网吸收谐波电流。例如计算机、变频调速器，等等。谐波电流。例如计算机、变频调速器，等等。其它负载造成的电流失真，主要是因为它们的工作原理，并且其它负载造成的电流失真，主要是因为它们的工作原理，并且也会产生谐波。例如荧光灯、放电灯、电焊机和其它带有磁饱和铁也会产生谐波。例如荧光灯、放电灯、电焊机和
3、其它带有磁饱和铁芯的装置。芯的装置。2VAVO Information2、谐波的起源、谐波的起源 供电电源为负载提供的是供电电源为负载提供的是50Hz 的正弦波电压，但负载所需要的、的正弦波电压，但负载所需要的、由电源提供的电流波形却取决于负载的类型。由电源提供的电流波形却取决于负载的类型。1、线性负载、线性负载负载吸收的电流是与电压频率相同的正弦波电流，电流与电压负载吸收的电流是与电压频率相同的正弦波电流，电流与电压之间可能存在着相位差之间可能存在着相位差(角度为角度为)；欧姆定律定义了线性负载的电压与；欧姆定律定义了线性负载的电压与电流的比值为一个常系数电流的比值为一个常系数负载的阻抗，电
4、流和电压之间的关系负载的阻抗，电流和电压之间的关系是线性的。是线性的。例如：标准的白炽灯泡、电加热器、电阻负载、变压器，等例如：标准的白炽灯泡、电加热器、电阻负载、变压器，等等。等。这类负载中没有任何有源电子器件，只有电阻这类负载中没有任何有源电子器件，只有电阻(R)、电感、电感(L)和和电容电容(C)。3VAVO Information2、谐波的起源、谐波的起源 供电电源为负载提供的是供电电源为负载提供的是50Hz 的正弦波电压，但负载所需要的、的正弦波电压，但负载所需要的、由电源提供的电流波形却取决于负载的类型。由电源提供的电流波形却取决于负载的类型。2、非线性负载、非线性负载负载吸收的电
5、流为周期性的，但不是正弦波电流，电流中因含负载吸收的电流为周期性的，但不是正弦波电流，电流中因含有谐波而造成波形失真；欧姆定律中定义的电压和电流之间的关系有谐波而造成波形失真；欧姆定律中定义的电压和电流之间的关系不再有效，因为负载的阻抗在一个周期内是变化的，电流和电压之不再有效，因为负载的阻抗在一个周期内是变化的，电流和电压之间的关系不再是线性的了。间的关系不再是线性的了。4VAVO Information2、谐波的起源、谐波的起源 供电电源为负载提供的是供电电源为负载提供的是50Hz 的正弦波电压，但负载所需要的、的正弦波电压，但负载所需要的、由电源提供的电流波形却取决于负载的类型。由电源提
6、供的电流波形却取决于负载的类型。2、非线性负载、非线性负载负载吸收的电流为周期性的，但不是正弦波电流，电流中因含负载吸收的电流为周期性的，但不是正弦波电流，电流中因含有谐波而造成波形失真；欧姆定律中定义的电压和电流之间的关系有谐波而造成波形失真；欧姆定律中定义的电压和电流之间的关系不再有效，因为负载的阻抗在一个周期内是变化的，电流和电压之不再有效，因为负载的阻抗在一个周期内是变化的，电流和电压之间的关系不再是线性的了。间的关系不再是线性的了。事实上，负载吸收的电流是以下电流的合成：事实上，负载吸收的电流是以下电流的合成：l l1）频率为）频率为50 或或60 Hz 正弦波电流，称为基波电流；正
7、弦波电流，称为基波电流；2）各次谐波电流，它们都是正弦波电流，幅值比基波小，但频率）各次谐波电流，它们都是正弦波电流，幅值比基波小，但频率是基波频率的整数倍，这个倍数就定义为谐波的次数是基波频率的整数倍，这个倍数就定义为谐波的次数(例如，三次谐例如，三次谐波的频率为波的频率为3 x 50 Hz)。5VAVO Information2、谐波的起源、谐波的起源 RCD 负载负载(电阻、电容、二极管电阻、电容、二极管)就是一个例子，大多数电子设就是一个例子，大多数电子设备的电源部分都是图中这种电路。备的电源部分都是图中这种电路。在在稳稳定定条条件件下下，只只有有当当瞬瞬时时电电压压超超过过电电容容两
8、两端端的电压后才对电容充电；的电压后才对电容充电；从从这这时时起起，负负载载的的阻阻抗抗很很低低(二二极极管管导导通通)，在在此之前，阻抗非常高此之前，阻抗非常高(二极管截止二极管截止)；由由此此可可见见，非非线线性性负负载载的的阻阻抗抗是是随随电电容容两两端端的的电电压压变变化化的的；阻阻抗抗不不是是恒恒定定不不变变的的，且且电电压压和和电电流流也不再是正弦波；也不再是正弦波；电电流流的的波波形形非非常常复复杂杂，可可以以用用傅傅立立叶叶定定理理描描述述为以下项之和：为以下项之和：一一个个频频率率与与电电压压频频率率f f 相相同同的的电电流流，称称为为基基波波电电流；流；其其它它频频率率为
9、为kf kf 的的电电流流(k(k 为为1 1 的的整整数数)，这这些些电电流称为谐波电流；流称为谐波电流；图图提提供供了了电电流流的的大大致致形形状状，但但只只给给出出了了两两个个谐谐波波电电流流成成份份：IH3 IH3 和和IH5(IH5(三三次次谐谐波波电电流流和和五五次次谐谐波波电流电流)，其实实际上还有更多的谐波电流成分。，其实实际上还有更多的谐波电流成分。6VAVO Information3、谐波的特征、谐波的特征 1）谐波的有效值谐波的有效值(rms)由于各次谐波电流都是正弦波，因此可以测量每次谐波的有由于各次谐波电流都是正弦波，因此可以测量每次谐波的有效值，但这些正弦波的频率各
10、不相同，为基波频率的整数倍：效值，但这些正弦波的频率各不相同，为基波频率的整数倍：IH1 为基波成分为基波成分(50 Hz)；IHk 为谐波成分，其中为谐波成分，其中k 为谐波次数为谐波次数(50 Hz 的的k 倍倍)。谐波分析就是要确定这些数值。谐波分析就是要确定这些数值。7VAVO Information3、谐波的特征、谐波的特征 2）总电流有效值总电流有效值3）各次谐波的含量）各次谐波的含量每次谐波的含量都可以用一个百分数来表示，即该次谐波电流每次谐波的含量都可以用一个百分数来表示，即该次谐波电流的有效值与基波电流有效值之比，这个比率就代表了各次谐波的含的有效值与基波电流有效值之比，这个
11、比率就代表了各次谐波的含量水平：量水平：8VAVO Information3、谐波的特征、谐波的特征 4电压和电流的谐波失真度电压和电流的谐波失真度非线性负载同时产生电流和电压的失真，这是因为每次谐波非线性负载同时产生电流和电压的失真，这是因为每次谐波电流都会产生同频率的电压谐波，结果谐波也会造成电压的失真。电流都会产生同频率的电压谐波，结果谐波也会造成电压的失真。正弦波的总失真度用百分数来表示：正弦波的总失真度用百分数来表示：总电压谐波失真度总电压谐波失真度TDHU%，基于电压谐波的度量；，基于电压谐波的度量；总电流谐波失真度总电流谐波失真度TDHI%，基于电流谐波的度量。，基于电流谐波的度
12、量。THDI(或者或者THDU 用用UHk 表示各次谐波表示各次谐波)可以用各次谐波的有可以用各次谐波的有效值的方程式表示：效值的方程式表示：THDI(或或THDU)也可以用各次谐波的含量来表示：也可以用各次谐波的含量来表示：9VAVO Information3、谐波的特征、谐波的特征 5）峰值因数峰值因数(CrestFactor)峰值因数峰值因数(Fc)定义为峰值与有效值的比率，用来表示信号定义为峰值与有效值的比率，用来表示信号(电电流或电压流或电压)形状的特征。形状的特征。下面是不同负载的典型峰值因数：下面是不同负载的典型峰值因数：线性负载：线性负载：Fc=SQRT(2)=1.414；计算
13、机主机：计算机主机：Fc=22.5；微机：微机：Fc=2 3。10VAVO Information3、谐波的特征、谐波的特征 6）谐波电流的频谱）谐波电流的频谱定义谐波电流的频谱是为了确定电流的波形和各次谐波的含量，定义谐波电流的频谱是为了确定电流的波形和各次谐波的含量，以及某些数值，例如以及某些数值，例如THDI 和和Fc。各次谐波：各次谐波：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%，Fc=1.45谐波频谱和对应的谐波频谱和对应的THDI11VAVO Information3、谐波
14、的特征、谐波的特征 7）功率因数）功率因数（1）功率因数）功率因数(Power Factor)功率因数为给定非线性负载两端的有功功率功率因数为给定非线性负载两端的有功功率(kW)和视在功率和视在功率(kVA)之比：之比：它不是电压和电流之间的相移，因为此时电压和电流均不是它不是电压和电流之间的相移，因为此时电压和电流均不是正弦波了。正弦波了。（2）基波电流和基波电压之间的相移）基波电流和基波电压之间的相移只有基波电压和基波电流为正弦波时，它们之间的相移可以只有基波电压和基波电流为正弦波时，它们之间的相移可以定义为：定义为：其中其中P1 和和S1 分别为基波的有功功率和视在功率。分别为基波的有功
15、功率和视在功率。12VAVO Information3、谐波的特征、谐波的特征 7）功率因数）功率因数（3）失真因数）失真因数(Distortion Factor)失真因数定义为：失真因数定义为：其中，其中，按照标准按照标准IEC60146的定义。的定义。在没有谐波时，失真因数等于在没有谐波时，失真因数等于1，这时功率因数可以简单地表示，这时功率因数可以简单地表示为为。13VAVO Information3、谐波的特征、谐波的特征 8）功率）功率在一个平衡的三相线性负载上施加线电压在一个平衡的三相线性负载上施加线电压U，流过的线电流为，流过的线电流为I，U 和和I 之间的相移为之间的相移为，则
16、该负载消耗的功率为：，则该负载消耗的功率为：单位为单位为kVA；单位为单位为kW；单位为单位为kVAr。14VAVO Information3、谐波的特征、谐波的特征 8）功率）功率在一个平衡的三相非线性负载上施加线电压在一个平衡的三相非线性负载上施加线电压U，流过的线电流，流过的线电流为为I，这时负载消耗的功率的方程式要复杂得多，因为，这时负载消耗的功率的方程式要复杂得多，因为U 和和I 中都含中都含有谐波。但是，仍然可以简单地表示为：有谐波。但是，仍然可以简单地表示为：(=功率因数功率因数)对基波电压对基波电压U1 和基波电流和基波电流I1，它们之间的相移为，它们之间的相移为：，其中，其中
17、D为由谐波引起的失真功率。为由谐波引起的失真功率。15VAVO Information4、谐波的危害、谐波的危害 1）视在功率的损失）视在功率的损失图中，上图表示了在一个正弦周期内正弦电压与基图中，上图表示了在一个正弦周期内正弦电压与基波电流的乘积波电流的乘积(UI)为正；而下图则表示在一个正弦为正；而下图则表示在一个正弦周期内正弦电压与周期内正弦电压与3 次谐波电流的乘积为零次谐波电流的乘积为零(UIH3=0)，无论谐波的相位和谐波次数为多少，这，无论谐波的相位和谐波次数为多少，这种现象都存在。种现象都存在。这可以用关系式表示为：这可以用关系式表示为：一部分视在功率被谐波消耗掉了而没有产生任
18、何作一部分视在功率被谐波消耗掉了而没有产生任何作用：用：如果负载是一个旋转机械，谐波电流产生的合如果负载是一个旋转机械，谐波电流产生的合成转矩为零，即只会形成一个寄生的脉动转矩，而成转矩为零，即只会形成一个寄生的脉动转矩，而产生振动；产生振动；由由谐谐波波电电流流产产生生的的功功率率（rIHk)同同时时在在电电阻阻为为r 的导体中产生一个电压降。的导体中产生一个电压降。对对各各种种电电气气装装置置，谐谐波波电电流流既既不不会会产产生生有有功功功功率率也也不不会会产产生生无无功功功功率率，只只是是通通过过焦焦耳耳效效应应产产生生损损耗，即转变为焦耳热耗，即转变为焦耳热(ri(ri2 2)。16V
19、AVO Information4、谐波的危害、谐波的危害 2）电缆中的温度升高）电缆中的温度升高电缆导体中的温升表示为：电缆导体中的温升表示为：即电缆中的温升为基波电流产生的温升与各次谐波电流产生即电缆中的温升为基波电流产生的温升与各次谐波电流产生的温升之和。的温升之和。17VAVO Information4、谐波的危害、谐波的危害 3）中线电流增大）中线电流增大所有所有3次及次及3的整数倍次谐波电流在中线上相的整数倍次谐波电流在中线上相迭加。它们的位移可以计算为迭加。它们的位移可以计算为 或或(4/3)，并且它们之和为零。，并且它们之和为零。中线上的电流可以达到相线上的电流的中线上的电流可以
20、达到相线上的电流的1.7 倍。倍。这样将会在中线上产生巨大的损耗：这样将会在中线上产生巨大的损耗：因此，中线必须加粗来考虑因此，中线必须加粗来考虑3 3 次及次及3 3 的整数的整数倍次谐波电流。倍次谐波电流。18VAVO Information4、谐波的危害、谐波的危害 4）自污染负载）自污染负载由非线性负载引起的电流失真度由非线性负载引起的电流失真度THDI，经过电源及以后的各种，经过电源及以后的各种阻抗产生电压失真度阻抗产生电压失真度THDU。图。图5中中表示了在一个常见的电气系表示了在一个常见的电气系统中的各种电压失真度逐级变化统中的各种电压失真度逐级变化的波形。的波形。注：电压失真度
21、反映出了电流的注：电压失真度反映出了电流的失真度，并且随着非线性负载上失真度，并且随着非线性负载上线的阻抗累积而逐步增大。线的阻抗累积而逐步增大。19VAVO Information4、谐波的危害、谐波的危害 5）损坏电容）损坏电容电容中的电流值表示为：电容中的电流值表示为：对第对第k次谐波，角频率为次谐波，角频率为，因此，因此k次谐波电流等于：次谐波电流等于：其中其中，。由此可见电容中的电流随由此可见电容中的电流随k的增大而增大。的增大而增大。这将导致的后果是：这将导致的后果是：电容受到损坏的威胁；电容受到损坏的威胁；由于电路中存在电感，电容可能受到谐振的威胁。由于电路中存在电感，电容可能受
22、到谐振的威胁。结果是，加在电容两端的电压中的高次谐波成分越多，则电容结果是，加在电容两端的电压中的高次谐波成分越多，则电容运行的环境就越恶劣，通常需要使用增强型的电容。运行的环境就越恶劣，通常需要使用增强型的电容。因此，电容的因此，电容的使用必须受到以下的限制：使用必须受到以下的限制：20VAVO Information4、谐波的危害、谐波的危害 5）损坏电容）损坏电容这将导致的后果是：这将导致的后果是：（1）电容受到损坏的威胁；）电容受到损坏的威胁；（2）由于电路中存在电感，电容可能受到谐振的威胁。）由于电路中存在电感，电容可能受到谐振的威胁。结果是，加在电容两端的电压中的高次谐波成分越多，
23、则电容结果是，加在电容两端的电压中的高次谐波成分越多，则电容运行的环境就越恶劣，通常需要使用增强型的电容。运行的环境就越恶劣，通常需要使用增强型的电容。因此，电容的因此，电容的使用必须受到以下的限制：使用必须受到以下的限制：电容器类型的选择取决于其使用的实际条件，必须采用标准型电容器类型的选择取决于其使用的实际条件，必须采用标准型h 级级(增强的绝缘等级增强的绝缘等级)，且配有谐波电抗器。，且配有谐波电抗器。21VAVO Information4、谐波的危害、谐波的危害 6）变压器降容变压器降容谐波对变压器的影响为以下几个方面的总和：谐波对变压器的影响为以下几个方面的总和：（1）由于存在集肤效
24、应，变压器绕组的阻抗随谐波次数的增大）由于存在集肤效应，变压器绕组的阻抗随谐波次数的增大而增大；而增大；（2）磁滞损耗与谐波频率成正比；）磁滞损耗与谐波频率成正比；（3）涡流损耗与谐波频率的平方成正比。）涡流损耗与谐波频率的平方成正比。（4 4）因此，为了满足要求，变压器必须降容使用。）因此，为了满足要求，变压器必须降容使用。一般来说，谐波必然会造成电源降容，它与负载的功率因数成一般来说，谐波必然会造成电源降容，它与负载的功率因数成反比。即负载的功率因数越低，电源的降容必须越多。反比。即负载的功率因数越低，电源的降容必须越多。22VAVO Information4、谐波的危害、谐波的危害 7）
25、骚扰发电机的运行）骚扰发电机的运行与变压器相似，磁滞现象和涡流现象也会由于谐波的作用造与变压器相似，磁滞现象和涡流现象也会由于谐波的作用造成发电机的损耗大增。亚瞬态电抗成发电机的损耗大增。亚瞬态电抗Xd 是频率的函数，随频率的升是频率的函数，随频率的升高而增大；高而增大；“谐波谐波”旋转磁场是以旋转磁场是以kf 的频率与转子相切割，而不是以的频率与转子相切割，而不是以同步频率同步频率(50Hz)相切割。相切割。这样产生的后果就是：这样产生的后果就是：（1）产生寄生转矩，降低了机械能向电能转换的效率；）产生寄生转矩，降低了机械能向电能转换的效率；（2）在线圈绕组和转子阻尼线圈中产生额外的损耗；）
26、在线圈绕组和转子阻尼线圈中产生额外的损耗；（3）产生振动和发出异常的噪音。）产生振动和发出异常的噪音。事实上，发电机中的电流谐波失真度事实上，发电机中的电流谐波失真度THDI THDI 必须小于等于必须小于等于20%20%，否则发电机的功率也必须折算。否则发电机的功率也必须折算。23VAVO Information4、谐波的危害、谐波的危害 8）异步电动机损耗增大）异步电动机损耗增大谐波在异步电动机中产生以下的影响：谐波在异步电动机中产生以下的影响：（1）增大焦耳损耗和铁损耗）增大焦耳损耗和铁损耗(定子损耗定子损耗)；（2）脉动力矩）脉动力矩(转子损耗，降低机械效率转子损耗，降低机械效率)。（
27、3 3）因此异步电动机上的）因此异步电动机上的THDU THDU 必须限定在必须限定在10%10%以下，以避免上述以下，以避免上述现象的发生。现象的发生。24VAVO Information4、谐波的危害、谐波的危害 9）对其它设备的影响）对其它设备的影响谐波还会骚扰下述设备的正常运行：谐波还会骚扰下述设备的正常运行：（1）非有效值脱扣装置）非有效值脱扣装置，造成断路器令人烦恼的异常脱扣；，造成断路器令人烦恼的异常脱扣；（2）自动电话交换机；）自动电话交换机；（3）报警系统；）报警系统；（4）敏感性的电子设备；）敏感性的电子设备；（5）远程控制系统。）远程控制系统。25VAVO Informa
28、tion4、谐波的危害、谐波的危害 10）对）对UPS系统的影响系统的影响在在UPS 系统中，广泛采用了高频斩波系统中，广泛采用了高频斩波PWM 技术，使逆变器技术，使逆变器具有较低的输出阻抗具有较低的输出阻抗(相当于变压器输出阻抗的五分之一相当于变压器输出阻抗的五分之一)。当遇到谐。当遇到谐波时，这种波时，这种UPS 能够：能够：（1）限制输出损耗；）限制输出损耗；（2）以限流方式运行；）以限流方式运行；（3）只产生非常低的电压失真度）只产生非常低的电压失真度(THDU3%)。（4 4）因此）因此UPSUPS是非线性负载供电的最好方式。是非线性负载供电的最好方式。26VAVO Informa
29、tion5、结论、结论 谐波可能对电气设备及其运行质量产生破坏性的副作用，这也谐波可能对电气设备及其运行质量产生破坏性的副作用，这也是为什么国际标准中对设备的谐波兼容性等级的规定日益精确，并是为什么国际标准中对设备的谐波兼容性等级的规定日益精确，并明确规定了公用电网中谐波成份的限值。但谐波到底对电信系统的明确规定了公用电网中谐波成份的限值。但谐波到底对电信系统的设备供电危害有多大，影响到什么程度时才需要投大量的成本进行设备供电危害有多大，影响到什么程度时才需要投大量的成本进行谐波治理，这都是需要继续探讨的问题。谐波治理，这都是需要继续探讨的问题。27VAVO Information 28VAVO Information此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢