諧波抑制與利用
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1諧波的危害
諧波的危害要從我國的配電體制談起。我國一直采用50Hz交流供電制式，在穩壓保護的過(guò)程中，很少考慮到諧波的危害。這樣一來(lái)為諧波的產(chǎn)生和延續提供了條件，使得諧波相互作用，一方面損壞電器，另一方面消耗大量電能。表1為50Hz交流供電體制下的正序、負序和零序諧波的分類(lèi)。
表1諧波分類(lèi)
| 諧波次數 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 頻率(Hz) | 100 | 150 | 200 | 250 | 300 | 350 | 400 | 450 | 500 |
| 相序 | － | 0 | ＋ | － | 0 | ＋ | － | 0 | ＋ |
正是由于各種諧波的存在，使50Hz的正弦交流電發(fā)生波形畸變，影響了正常的工作。在三相四線(xiàn)供電變壓器中，3次整數倍的諧波代數疊加，感應到變壓器一次側，造成線(xiàn)圈過(guò)熱，同時(shí)使中線(xiàn)電流過(guò)大，發(fā)熱，甚至燒壞。在電機運行過(guò)程中，諧波使交流電壓波形嚴重失真，燒壞電機。在無(wú)功補償電路中，諧波會(huì )形成諧振，燒壞電容柜。在日常生活中，日光燈燈管被燒壞，起輝器無(wú)法啟動(dòng)等情況都是由諧波造成的。
除了對電路造成危害之外，諧波的存在，也使配電功率因數的提高受到制約。利用電容補償電路提高功率因數時(shí)，不可避免地帶來(lái)諧波的負面影響。如果諧波次數較高，無(wú)功補償電容很可能被擊穿。
2諧波的定性分析
各次諧波在電路中的作用是不相同的，現對諧波常見(jiàn)的兩種作用效果進(jìn)行定性分析，找出原因，加以抑制。
2.1諧波的疊加特性
諧波的疊加與相序有關(guān)。在同一電路中，有些諧波相互作用時(shí)，相互減弱或相互抵消，但是，更多的場(chǎng)合往往相互疊加，使波形發(fā)生明顯的畸變。例如，僅有3次諧波出現時(shí)，波形如圖1所示；當3次、5次諧波同時(shí)出現時(shí)，就會(huì )使正弦波明顯地發(fā)生了變化，如圖2所示。
圖1u1、u3及其疊加波形
圖2u1、u3、u5及其疊加波形
如果繼續疊加，正弦波就會(huì )發(fā)生質(zhì)的變化。方波可用傅里葉級數展開(kāi)如下式。
ui=4Um[sin2πft＋(sin6πft)/3＋(sin10πft)/5
＋…＋(sin2kπft)/k〗/π（1）
其中，ui為疊加之后的電壓，Um為基波振幅，f為基波的頻率50Hz，k=1、3、5……為奇數。
當然，其它種類(lèi)的諧波疊加的情況也很多，如鋸齒波就含有一系列的偶次諧波（見(jiàn)圖3）
圖3鋸齒波波形
其傅里葉級數表達式為
ui=A/2－A[sin2πft＋(sin4πft)/2＋(sin6πft)/3＋…(sin2kπft)/k〗/π（2）
其中，ui為疊加之后的電壓，A為鋸齒波電壓幅值，f為基波頻率50Hz，k為自然數。
從以上分析可看出，諧波的疊加作用是不可忽視的，這一點(diǎn)在三相四線(xiàn)供電制中表現得最明顯。由于諧波相互疊加，中線(xiàn)會(huì )因電流過(guò)大而發(fā)熱，如圖4所示。另外，配電線(xiàn)路中的中性母線(xiàn)和接線(xiàn)板過(guò)載過(guò)熱等現象也是由于諧波疊加造成的。
圖4三相四線(xiàn)供電制中的中線(xiàn)電流
2.2高次諧波的特性
高次諧波也和基波一樣，總是選擇低阻抗路徑通過(guò)，但與基波不同的是，高次諧波優(yōu)先選擇容性電路。因為電容具有通高頻阻低頻的特性?？捎脭祵W(xué)表達式Xc=1/2πfC來(lái)分析，諧波電路中電抗Xc的大小與諧波頻率f、電容容量C的乘積成反比，因此諧波頻率越高，容抗Xc越小，諧波電流就越大，危害性就越大。這點(diǎn)在無(wú)功補償電路中表現得最明顯。如果不注重分析和測量諧波的含量，而一味地依靠無(wú)功補償來(lái)提高功率因數，高次諧波就會(huì )燒壞補償電容。另外高次諧波的危害性，在日常生活中常見(jiàn)的例子就是日光燈的壽命不長(cháng)和起輝器的損壞。
當然諧波的危害，遠遠不止這兩種作用。象負序諧波含量過(guò)高會(huì )使電機產(chǎn)生反向旋轉磁場(chǎng)，使線(xiàn)圈發(fā)熱；高次諧波會(huì )產(chǎn)生電磁場(chǎng)，使配電盤(pán)產(chǎn)生機械諧振，發(fā)出噪聲；使控制電路誤動(dòng)作等等各種危害。
3諧波的產(chǎn)生和抑制
除電源本身之外，諧波會(huì )由非線(xiàn)性負載所引起。在電路中非線(xiàn)性負載被激勵，產(chǎn)生各種各樣的諧波，并且相互作用，延伸到整個(gè)電路中。例如在含有打印機、電動(dòng)機、整流器等電路中，諧波表現得異?；钴S。即使它們各自存在于不同的電路中，仍會(huì )相互疊加，產(chǎn)生危害，這點(diǎn)可用諧波測試儀測試出。那么怎樣進(jìn)行有效地抑制呢？根據不同危害可采取有針對性的措施。
?。?）增裝保護元件，改變電路性質(zhì)。例如，諧波危害電容器，使無(wú)功補償難以發(fā)揮更大作用，可以采用安裝電抗元件，或者其它無(wú)功補償電路，讓其失諧，難以通過(guò)，起到兵來(lái)將擋的作用。如圖5，在負載前加裝電抗器就能阻止諧波的進(jìn)入。
圖5負載前加裝電抗器抑制諧波
目前常用的開(kāi)關(guān)電源，大部分在交流輸入端加裝了低頻電抗器。對于日光燈，安裝低諧鎮流器，會(huì )使燈管壽命明顯延長(cháng)。
?。?）諧波疊加常常使配電系統電流過(guò)載嚴重，可以重新分配電路，平衡負載，減輕危害，還可增加變壓器的容量。
4諧波的利用
諧波的危害是由于我們對它沒(méi)有進(jìn)行有效地防止和抑制，當然它有利的方面也是不可替代的。從分析可知，諧波電壓幅值都很小，僅為基波的幾分之一或幾十分之一，在發(fā)電機勵磁電路中正需要這種特性來(lái)勵磁。
例如，在輸出380V的三相四線(xiàn)制發(fā)電機組中，勵磁線(xiàn)圈所需電壓只要26伏左右就足夠了。這個(gè)電壓就是由3次諧波提供的。它是通過(guò)在發(fā)電機定子鐵心槽中埋設的輔助繞組而產(chǎn)生的，再經(jīng)橋式整流送給勵磁電路。原理見(jiàn)圖6，LF為諧波繞組，U、V、W、N為三相輸出。
圖6三次諧波電壓經(jīng)整流后給勵磁繞組供電
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