工业应用中电源谐波问题讨论

工业应用中电源谐波问题讨论谐波的定义 任何重复周期性波形都可分解成一系列不同频率和相位的正弦波，我们将频率与工频相同的分量称作为基波，其频率称作为基频。其它次数的正弦波分量称作为谐波，它们的频率具有与基频成整数倍关系。周期性波形的谐波分量的计算所涉及的数学公式称作傅立叶级数分析。 在三相平衡系统中，周期性波形以横坐标上下均匀分布，谐波频率是基频的奇数倍。对于矩形波或准矩形波的波形来说，各次谐波的幅值大小与其谐波次数成反比，即频率越高，幅值越低。例如，针对矩形波，用傅立叶级数分析表明，除了50Hz基波外，还具有其他高次谐波分量，其组成如下：表 1 ：矩形波的谐波含量谐波次数频率幅值基波50HZ100% 3次谐波150HZ33% 5次 谐波250HZ20% 7次谐波350HZ14% 9次谐波450HZ11% N次谐波(n为奇数 )50n HZ100/n% 图1 表明矩形波是由基波和一系列谐波组成。在大多数工业化国家，其国家电力系统都是三相交流电，电压波形是标准正弦波， 即不含有与其相关的谐波。但是，在某些负载状况下，会引起电压波形畸变，从而产生谐波，对连接的某些负载产生不利的影响。谐波引起的原因 当用电负荷接到三相交流电源时，将产生电流。对于某些类型的负载，产生的电流也是正弦波。我们将这类负载称为线性负载。产生的电流与电源电压相位相同（阻性负载），超前（容性负载）或滞后（感性负载）。 也有些其他类型的负载产生的电流不是正弦波形，即输入电流波形带有许多谐波成份，我们将这类负载简称为非线性负载。通常我们所碰到的非线性负载如整流器，它通过二极管或可控硅(SCRs)整流桥将输入的交流电转换成直流电源。人们在许多电源转换装置中均采用整流桥，如交直流传动装置、电池充电器、电化学整流器和UPS系统等输入电路。 在电源转换装置中，最常用的输入电路是带感性滤波器的六脉动不可控整流器。这种整流器的典型电路图如图2所示: 整流器输出侧的电抗器或轭流线圈的作用是使进线电流（ia, ib, ic）的波形成准矩形波， 如图 3 所示。可以想象这种波形的形成是由于电抗器具有很高的电感值。随着电感值的减少或在负荷降低的情况下，电流波形会变得越来越尖，如图 3 虚线所示。准方波相关谐波分量如表2所示，对于电感值较小或负荷较轻的负载，各种谐波分量比表2所示的要高。有些整流电路在三相交流输入侧安装电抗器，这类电抗称为进线电抗器，输入电流波形与图 3 所示的波形相似，但谐波大小略有不同。图 3 所示线路电流的谐波分量大小见表2。 这些数据是假定在使用一定大小直流电抗器的情况下预期得到的典型值。注意：3的奇数倍次数的谐波（即谐波次数为3的奇数倍）的幅值为零。表2 ：次矩形波电流波形的谐波含量（前 15 个谐波）谐波号频率相关振幅基波50HZ100%3rd,9th,15th 谐波0%5th谐波250HZ32%7th谐波350HZ14%11th谐波550HZ7%13th谐波650HZ4% 总谐波畸变率(THD)的定义为周期性交流量中谐波含量的方均根值与基波分量的方均根之比（用百分数表示）， 例如，对上面提到的准矩形波的总电流谐波畸变率，计算如下： THD = (In/I1)2这里： n = 谐波次数 (n1) , I1= 基波部分的有效幅值 THD = 0.32 2+ 0.142 + 0.072 + 0.04 2+ 畸变波形的总有效值可由所有组成部分（包括基波和所有谐波）的RMS幅值方均根值计算得到。 RMS值 = I1 * (1+(In/I1)2) (n1)上例中， IRMS=I1*1.062失真因子定义为基波部分的RMS值除以RMS总值即 失真因数= I1/IRMS上例中， 失真因子 = 1/1.062 = 0.941 某些类型的电源转换装置在输出侧合成交流电压，这类变换器包括交流变频调速装置以及UPS系统中固定频率逆变器。此类交流输出电压带有谐波分量，此谐波分量与该变换器输入侧谐波电流无关，但受所用波形生成技术所控制。输出电压的谐波畸变会影响到所连接的负载，从而导致其电流波形产生畸变。在这种情况下，如交流变频调速装置将使电动机产生额外温升。输入侧谐波电流的影响 首先，输入谐波电流会引起该电流有效分量（RMS）的增加。对于三相四线制中性线接地系统来说，连接的单相负载会引起谐波电流，配电盘中性点和变压器星形连接点之间的的总中性线线路电流可能比预期的高得多，因此有必要加大中性线导线的规格。其次，将会引起输入电压波形畸变。其失真量不易计算，因为这需要变压器和线路阻抗方面的资料。这种影响如图 4所示，从图中可以看出，由准矩形电流波形所引起的电压失真量是线路阻抗的函数。 参考图 4, 在11KV连接点处，由于11KV供电的阻抗很低，所以电压失真量是最小的。在主供变压器的次级输出端，电压失真量是很显著的。电压正弦波的“平顶”是由变压器的阻抗（绕组电阻和电抗）引起的。在负载的输入端，电压失真更为严重，同时在变压器和负载之间由于存在配电线路阻抗将会使情况变得更糟。配电系统电压失真的影响 电压波形的“平顶”造成的影响如下： 首先，任何依赖于峰值电压正确程度才能正常运行的负载将受到影响。例如，使用单相电源的计算机和其他低功耗的家用电器等。 其次，这种电压失真会增加电动机和其他电磁装置的损耗，如功率因数校正电容器的阻抗也会随频率的增加而减少，失真电压包含基频倍数的谐波，电容器电流要比预期的高得多，因此可能使电容器过载，从而导致电容器过热和损坏。 在配电系统中，由于系统电抗（变压器漏电感，输电线路）和系统电容（功率因数校正电容器）的存在，电抗和电容的相互作用可能会出现意想不到的谐振现象。一旦谐振频率接近于系统电压谐波频率， 则会出现谐振，这将引起该频率的电流分量和电压失真增加，造成电容器和配电系统的过载。谐波抑制的合理要求 假设上面讨论的电压失真仅发生在个别消费者身上，则问题是该消费者自己的问题，而不会影响其他消费者。但对接到主变压器的一次侧（11KV）的客户来说，则可能会受到影响。这个连接点叫做共耦点（PCC）。 但是，如果共耦点（PCC）在主变压器的二次侧（400V），那么，任何用户负载引起的电压失真都会影响其他用户。现行法规规定了共耦点（PCC）所允许的电压失真量，可以通过估算得出。为进行计算，需要了解负载总电流、电流总谐波畸变率（THD）和主变压器阻抗。 如果估算出的电压失真量超过允许值，则必须找到抑制谐波的解决方案。如何降低配电系统的谐波？1. 确保较低的线路阻抗 采用低阻抗的变压器，在输配线路的尺寸规格选择和安装方面使线路电阻和电感尽可能小，这样同样的谐波电流在整个线路阻抗上产生电压降相对较小，从而，电压波形的THD也维持在较低水平上。2分散安装产生谐波的负载 不要将所有的电源转换装置都连接在一个配电盘上。通过对线性负载和非线性负载混合安装，每个配电盘的电压失真都会相应降低。 虽然电源侧总的谐波畸变不一定小，但通过将非线性负载分散接在不同的配电盘上，这样每个配电盘的电压失真将相应降低。3. 确保所有的整流装置都配有轭流线圈 如安装合适的滤波轭流线圈，则输入电流波形将变成准矩形波。有些进口的交流传动装置没有按标准安装轭流线圈， 因此，这些机器所产生的谐波是很高的。如果在直流侧无法安装轭流线圈，则应在交流侧安装，这种轭流线圈的电抗应控制在3% - 5%之间。4. 考虑安装12 脉冲电源系统 如果电源转换装置其输入整流部分分成两个桥堆整流，那么，到每路整流桥的线电压之间相位错开30度电角度，理论上11次以下的谐波均可消除， 参见图 5。因此，要求变压器有两个次级绕组， 一个为星形连接，另一个为三角形连接。每个次级绕组提供一半的负载， 但电流波形会错开30度电角度，这些电流在变压器的初级侧汇总，其波形如图6 所示，我们将此称作 12脉动波形。从图中可以看出，5次 和 7次谐波得到很好抑制，而最主要的谐波将是11次谐波。如果负载是由许多配有标准整流器的小负载组成（如电机传动装置），则将一半传动装置与星形绕组连接，将另一半连接到三角绕组。如果负载平衡合理， 则5th 和 7th谐波可被抑制。5考虑安装滤波电路谐波滤波电路是由一组LC（电感电容）电路组成，通过调节使LC电路在相对影响较大的谐波频率时产生谐振，从而有效地消除母排上相应次数的谐波。为使谐振造成的陡峰得到充分的抑制而不至于使滤波电路元件过载，必须小心选择网络的Q 因子，一般情况下考虑5次和7次谐波就足够了。值得一提的是滤波电路也会吸收系统中非线性负载引起的谐波。小结谐波是一系列频率为基波频率整数倍的电流或电压正弦波。非线性负载如将交流转换成直流的整流器会引起谐波电流，每种谐波电流幅值都与负载的基波电流成一定的比例。对交流电机驱动装置来说，无论是哪家制造商，假设都使用带有感性滤波电路的三相桥式整流器，那么所引起的谐波电流都与基波电流有相似的比例。但是，如果在直流侧或交流侧不带电抗器的话，整流电路引起的谐波电流相对就要高很多。对交流配电系统来说，首先,谐波将引起线路和变压器有效电流（RMS）的增加。谐波电流虽不是有功电流，但为了防止变压器和导体过热，有必要加大的它们尺寸规格。其次，谐波将会引起系统电压失真