諧波的抑制與利用

Restraint and Use of Harmonic

摘要：針對諧波的危害性，利用數(shù)學(xué)理論對諧波的疊加作用和高次諧波的特性進行定性分析，并

在此基礎(chǔ)上給出抑制諧波危害的辦法。同時，也具體地分析對諧波的利用方法。

關(guān)鍵詞：諧波疊加作用高次諧波

　　隨著現(xiàn)代電氣化程度的不斷提高，人們對配電質(zhì)量的要求越來越高。目前，雖然各類穩(wěn)壓設(shè)備正逐步更新?lián)Q代，但是仍然沒有阻攔住諧波的恣意破壞；相反，隨之而來的諧波危害卻越來越不可忽視。因此，很有必要對諧波的產(chǎn)生和危害性進行定性分析，以便加深認識，揚棄并舉，在抑制諧波危害的同時，充分發(fā)揮其有利方面。

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、負序和零序諧波的分類。

　　表1諧波分類

　　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，同時使中線電流過大，發(fā)熱，甚至燒壞。在電機運行過程中，諧波使交流電壓波形嚴重失真，燒壞電機。在無功補償電路中，諧波會形成諧振，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(shù)的提高受到制約。利用電容補償電路提高功率因數(shù)時，不可避免地帶來諧波的負面影響。如果諧波次數(shù)較高，無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(xiàn)對諧波常見的兩種作用效果進行定性分析，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，相互減弱或相互抵消，但是，更多的場合往往相互疊加，使波形發(fā)生明顯的畸變。例如，僅有3次諧波出現(xiàn)時，波形如圖1所示；當3次、5次諧波同時出現(xiàn)時，就會使正弦波明顯地發(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，正弦波就會發(fā)生質(zhì)的變化。方波可用傅里葉級數(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

　　其傅里葉級數(shù)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(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。因為電容具有通高頻阻低頻的特性?？捎脭?shù)學(xué)表達式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。這點在無功補償電路中表現(xiàn)得最明顯。如果不注重分析和測量諧波的含量，而一味地依靠無功補償來提高功率因數(shù)，高次諧波就會燒壞補償電容。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。象負序諧波含量過高會使電機產(chǎn)生反向旋轉(zhuǎn)磁場，使線圈發(fā)熱；高次諧波會產(chǎn)生電磁場，使配電盤產(chǎn)生機械諧振，發(fā)出噪聲；使控制電路誤動作等等各種危害。

3諧波的產(chǎn)生和抑制

　　除電源本身之外，諧波會由非線性負載所引起。在電路中非線性負載被激勵，產(chǎn)生各種各樣的諧波，并且相互作用，延伸到整個電路中。例如在含有打印機、電動機、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，仍會相互疊加，產(chǎn)生危害，這點可用諧波測試儀測試出。那么怎樣進行有效地抑制呢？根據(jù)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，或者其它無功補償電路，讓其失諧，難以通過，起到兵來將擋的作用。如圖5，在負載前加裝電抗器就能阻止諧波的進入。

圖5負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。對于日光燈，安裝低諧鎮(zhèn)流器，會使燈管壽命明顯延長。

　?。?）諧波疊加常常使配電系統(tǒng)電流過載嚴重，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有進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勵磁。

　　例如，在輸出380V的三相四線制發(fā)電機組中，勵磁線圈所需電壓只要26伏左右就足夠了。這個電壓就是由3次諧波提供的。它是通過在發(fā)電機定子鐵心槽中埋設(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)整流后給勵磁繞組供電

參考文獻

吳承甲，《電路基礎(chǔ)》，人民郵電出版社。