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(wěn)壓保護(hù)的過程中，很少考慮到諧波的危害。這樣一來為諧波的產(chǎn)生和延續(xù)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(fù)序和零序諧波的分類。
表1諧波分類
| 諧波次數(shù) | 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。在三相四線供電變壓器中，3次整數(shù)倍的諧波代數(shù)疊加，感應(yīng)到變壓器一次側(cè)，造成線圈過熱，同時(shí)使中線電流過大，發(fā)熱，甚至燒壞。在電機(jī)運(yùn)行過程中，諧波使交流電壓波形嚴(yán)重失真，燒壞電機(jī)。在無功補(bǔ)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，起輝器無法啟動(dòng)等情況都是由諧波造成的。
除了對(duì)電路造成危害之外，諧波的存在，也使配電功率因數(shù)的提高受到制約。利用電容補(bǔ)償電路提高功率因數(shù)時(shí)，不可避免地帶來諧波的負(fù)面影響。如果諧波次數(shù)較高，無功補(bǔ)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(xiàn)對(duì)諧波常見的兩種作用效果進(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(xiàn)時(shí)，波形如圖1所示；當(dāng)3次、5次諧波同時(shí)出現(xiàn)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(xù)疊加，正弦波就會(huì)發(fā)生質(zhì)的變化。方波可用傅里葉級(jí)數(shù)展開如下式。
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(shù)。
當(dāng)然，其它種類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（見圖3）
圖3鋸齒波波形
其傅里葉級(jí)數(shù)表達(dá)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(shù)。
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)在三相四線供電制中表現(xiàn)得最明顯。由于諧波相互疊加，中線會(huì)因電流過大而發(fā)熱，如圖4所示。另外，配電線路中的中性母線和接線板過載過熱等現(xiàn)象也是由于諧波疊加造成的。
圖4三相四線供電制中的中線電流
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，但與基波不同的是，高次諧波優(yōu)先選擇容性電路。因?yàn)殡娙菥哂型ǜ哳l阻低頻的特性?？捎脭?shù)學(xué)表達(dá)式Xc=1/2πfC來分析，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)在無功補(bǔ)償電路中表現(xiàn)得最明顯。如果不注重分析和測(cè)量諧波的含量，而一味地依靠無功補(bǔ)償來提高功率因數(shù)，高次諧波就會(huì)燒壞補(bǔ)償電容。另外高次諧波的危害性，在日常生活中常見的例子就是日光燈的壽命不長(zhǎng)和起輝器的損壞。
當(dāng)然諧波的危害，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這兩種作用。象負(fù)序諧波含量過高會(huì)使電機(jī)產(chǎn)生反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使線圈發(fā)熱；高次諧波會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)，使配電盤產(chǎn)生機(jī)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)由非線性負(fù)載所引起。在電路中非線性負(fù)載被激勵(lì)，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(jī)、電動(dòng)機(jī)、整流器等電路中，諧波表現(xiàn)得異常活躍。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(cè)試儀測(cè)試出。那么怎樣進(jìn)行有效地抑制呢？根據(jù)不同危害可采取有針對(duì)性的措施。
?。?）增裝保護(hù)元件，改變電路性質(zhì)。例如，諧波危害電容器，使無功補(bǔ)償難以發(fā)揮更大作用，可以采用安裝電抗元件，或者其它無功補(bǔ)償電路，讓其失諧，難以通過，起到兵來將擋的作用。如圖5，在負(fù)載前加裝電抗器就能阻止諧波的進(jìn)入。
圖5負(fù)載前加裝電抗器抑制諧波
目前常用的開關(guān)電源，大部分在交流輸入端加裝了低頻電抗器。對(duì)于日光燈，安裝低諧鎮(zhèn)流器，會(huì)使燈管壽命明顯延長(zhǎng)。
?。?）諧波疊加常常使配電系統(tǒng)電流過載嚴(yán)重，可以重新分配電路，平衡負(fù)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(duì)它沒有進(jìn)行有效地防止和抑制，當(dāng)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(jī)勵(lì)磁電路中正需要這種特性來勵(lì)磁。
例如，在輸出380V的三相四線制發(fā)電機(jī)組中，勵(lì)磁線圈所需電壓只要26伏左右就足夠了。這個(gè)電壓就是由3次諧波提供的。它是通過在發(fā)電機(jī)定子鐵心槽中埋設(shè)的輔助繞組而產(chǎn)生的，再經(jīng)橋式整流送給勵(lì)磁電路。原理見圖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(lì)磁繞組供電
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