非線(xiàn)性设备和谐波：检查对電(diàn)力系统的影响

2020-05-22

谐波存在于各个领域，并且根据关注的领域，定义会有(yǒu)所不同。例如，我们将谐波定义為(wèi)以固定间隔伴随一次音调的泛音，该泛音是由一串或一列空气沿其長(cháng)度的精确分(fēn)数振动产生的。

但是，在物(wù)理(lǐ)學(xué)领域，我们将谐波定义為(wèi)振荡或波的成分(fēn)频率。如果我们更彻底地研究这个定义，我们会发现它有(yǒu)点复杂。因此，在接下来的几段中，我们将讨论谐波以及非線(xiàn)性设备如何产生谐波。

什么是谐波以及谐波对设备的影响

根据定义，谐波是指频率為(wèi)参考波或信号频率的整数倍（整数倍）的信号或波。我们可(kě)以进一步定义谐波，即信号或波的频率与参考信号或波的频率之比。

几乎所有(yǒu)信号都由谐波频率的能(néng)量以及基频的能(néng)量组成。在无線(xiàn)通信领域，他(tā)们设计了发射器以谐波频率发射名义上的能(néng)量。通常，无線(xiàn)设备的设计是针对单个频率的。例如，智能(néng)手机的无線(xiàn)電(diàn)只能(néng)连接到2.4 GHz频段。

 

二极管，晶體(tǐ)管和其他(tā)组件通常是非線(xiàn)性的，可(kě)能(néng)导致必要的谐波计算

谐波频率的信号输出可(kě)能(néng)会干扰其他(tā)广播或通信。例如，在92.3 MHz（FM频带）的广播信号将在184.6 MHz处具有(yǒu)二次谐波，在276.9 MHz处具有(yǒu)三次谐波。而且，如果足够强，那么所有(yǒu)或至少一些谐波信号可(kě)能(néng)会干扰其他(tā)无線(xiàn)服務(wù)。

非線(xiàn)性设备和谐波

在電(diàn)力系统中，谐波是電(diàn)流或電(diàn)压，是系统基频的倍数。非線(xiàn)性设备或负载（例如饱和磁设备，放電(diàn)灯和整流器）通过其作用(yòng)产生这些谐波。

電(diàn)网中的谐波频率通常会影响系统功能(néng)，这会转化為(wèi)产生的電(diàn)能(néng)的整體(tǐ)质量问题。電(diàn)力系统中的谐波会转化為(wèi)電(diàn)动机中的转矩脉动，变速驱动器中的失火以及导體(tǐ)和设备中的发热。

当前電(diàn)力系统谐波

在典型的交流電(diàn)源系统中，電(diàn)流以特定频率（通常為(wèi)50或60赫兹）以正弦形式波动。当我们将線(xiàn)性電(diàn)气设备或负载连接到系统时，它将以与電(diàn)压相同的频率汲取電(diàn)流（正弦波），通常是异相的。但是，当您将非線(xiàn)性设备或负载连接到電(diàn)力系统时，情况并非如此。

这是因為(wèi)非線(xiàn)性负载会通过其作用(yòng)产生電(diàn)流谐波。而且，当我们将非線(xiàn)性器件（如整流器）连接到系统时，它将吸收通常不是正弦波的電(diàn)流。更重要的是，取决于電(diàn)流波形与系统中其他(tā)组件的相互作用(yòng)以及设备或负载的类型，電(diàn)流波形会变得有(yǒu)些复杂。无论复杂度如何，根据Fourier级数分(fēn)析，電(diàn)流波形都可(kě)以分(fēn)解為(wèi)基本正弦波。这些正弦波从電(diàn)力系统的基频开始，并以基频的整数倍出现。

非線(xiàn)性设备或负载的其他(tā)示例包括：

印表机、電(diàn)脑、荧光灯、变速驱动器、電(diàn)池充電(diàn)器

電(diàn)力系统谐波的介绍

我们将谐波定义為(wèi)基频的正整数倍。基频的三次倍数称為(wèi)三次谐波。正是这种确切的谐波类型是非線(xiàn)性设备或负载的作用(yòng)的产物(wù)。这些类型的非線(xiàn)性器件包括半导體(tǐ)器件，即MOSFET，晶體(tǐ)管，二极管和IGBT（绝缘栅双极晶體(tǐ)管）。

尽管半导體(tǐ)是谐波的主要提供者，但饱和变压器也会产生谐波。就電(diàn)动机而言，除非达到饱和水平，否则它们不会产生谐波。非線(xiàn)性设备或负载会引起基本谐波的干扰，从而产生其他(tā)类型的谐波。但是，我们将关注的谐波类型是三次谐波，因為(wèi)它具有(yǒu)影响電(diàn)力系统性能(néng)和功能(néng)的特定特性。

如您所知，電(diàn)力系统通过相隔120度的三相系统来供電(diàn)。当然，这种设计提供了更高的效率。通过设计為(wèi)其负载供電(diàn)后，它可(kě)以将相添加到中性線(xiàn)，从而彼此抵消。总體(tǐ)而言，该设计也具有(yǒu)成本效益。但是，如果三相中存在三次谐波，它们将不会相互抵消。

通常，这种情况会在中性線(xiàn)中产生振荡電(diàn)流，这当然是非常危险的。此外，这种危险是由于中性線(xiàn)的设计采用(yòng)了较小(xiǎo)（尺寸）的导體(tǐ)而只能(néng)承载最小(xiǎo)的電(diàn)流。因此，為(wèi)了抵消三阶谐波的影响，我们使用(yòng)三角形连接。最后，这允许電(diàn)流在连接周围循环，而不是允许三相在中性線(xiàn)上合并。

注意：三角形连接是三相電(diàn)气绕组的三角形排列，其中電(diàn)路的三根导線(xiàn)中的每一根都连接到两个绕组的结点。

電(diàn)压谐波的影响

電(diàn)流谐波是電(diàn)压谐波的主要贡献者。電(diàn)压源及其提供的電(diàn)压会由于来自電(diàn)源阻抗的電(diàn)流谐波而失真。您可(kě)以限制電(diàn)压源的源阻抗。然后，電(diàn)流谐波也会产生降低的電(diàn)压谐波。通常，与電(diàn)流谐波相比，電(diàn)压谐波通常最小(xiǎo)。

出于这个原因，我们可(kě)以使用(yòng)電(diàn)压的基频来近似電(diàn)压波形。请记住，如果使用(yòng)此近似值，则電(diàn)流谐波不会影响传输到负载的有(yǒu)功功率。

 

在整个電(diàn)路设计过程中，尽量避免使晶體(tǐ)管挑战变得不那么困难

使用(yòng)非線(xiàn)性设备或负载时，谐波是不可(kě)避免的。它对電(diàn)源系统的影响包括性能(néng)降低，效率降低，成本增加以及安全隐患。请记住，当涉及電(diàn)力系统时，我们必须解决两种形式的谐波。通常，在无線(xiàn)通信领域，谐波不仅会对所讨论的设备产生负面影响，还会对其他(tā)服務(wù)产生负面影响。