諧波抑製與利用
發布時間:2011-08-23 來源:21IC電子網
中心議題:
隨(sui)著(zhe)現(xian)代(dai)電(dian)氣(qi)化(hua)程(cheng)度(du)的(de)不(bu)斷(duan)提(ti)高(gao),人(ren)們(men)對(dui)配(pei)電(dian)質(zhi)量(liang)的(de)要(yao)求(qiu)越(yue)來(lai)越(yue)高(gao)。目(mu)前(qian),雖(sui)然(ran)各(ge)類(lei)穩(wen)壓(ya)設(she)備(bei)正(zheng)逐(zhu)步(bu)更(geng)新(xin)換(huan)代(dai),但(dan)是(shi)仍(reng)然(ran)沒(mei)有(you)阻(zu)攔(lan)住(zhu)諧(xie)波(bo)的(de)恣(zi)意(yi)破(po)壞(huai);相xiang反fan,隨sui之zhi而er來lai的de諧xie波bo危wei害hai卻que越yue來lai越yue不bu可ke忽hu視shi。因yin此ci,很hen有you必bi要yao對dui諧xie波bo的de產chan生sheng和he危wei害hai性xing進jin行xing定ding性xing分fen析xi,以yi便bian加jia深shen認ren識shi,揚yang棄qi並bing舉ju,在zai抑yi製zhi諧xie波bo危wei害hai的de同tong時shi,充chong分fen發fa揮hui其qi有you利li方fang麵mian。
1諧波的危害
諧波的危害要從我國的配電體製談起。我國一直采用50Hz交jiao流liu供gong電dian製zhi式shi,在zai穩wen壓ya保bao護hu的de過guo程cheng中zhong,很hen少shao考kao慮lv到dao諧xie波bo的de危wei害hai。這zhe樣yang一yi來lai為wei諧xie波bo的de產chan生sheng和he延yan續xu提ti供gong了le條tiao件jian,使shi得de諧xie波bo相xiang互hu作zuo用yong,一yi方fang麵mian損sun壞huai電dian器qi,另ling一yi方fang麵mian消xiao耗hao大da量liang電dian能neng。表biao1為50Hz交流供電體製下的正序、負序和零序諧波的分類。
正是由於各種諧波的存在,使50Hz的正弦交流電發生波形畸變,影響了正常的工作。在三相四線供電變壓器中,3cizhengshubeidexiebodaishudiejia,ganyingdaobianyaqiyicice,zaochengxianquanguore,tongshishizhongxiandianliuguoda,fare,shenzhishaohuai。zaidianjiyunxingguochengzhong,xieboshijiaoliudianyaboxingyanzhongshizhen,shaohuaidianji。zaiwugongbuchangdianluzhong,xiebohuixingchengxiezhen,shaohuaidianronggui。zairichangshenghuozhong,riguangdengdengguanbeishaohuai,qihuiqiwufaqidongdengqingkuangdoushiyouxiebozaochengde。
除chu了le對dui電dian路lu造zao成cheng危wei害hai之zhi外wai,諧xie波bo的de存cun在zai,也ye使shi配pei電dian功gong率lv因yin數shu的de提ti高gao受shou到dao製zhi約yue。利li用yong電dian容rong補bu償chang電dian路lu提ti高gao功gong率lv因yin數shu時shi,不bu可ke避bi免mian地di帶dai來lai諧xie波bo的de負fu麵mian影ying響xiang。如ru果guo諧xie波bo次ci數shu較jiao高gao,無wu功gong補bu償chang電dian容rong很hen可ke能neng被bei擊ji穿chuan。
2諧波的定性分析
各次諧波在電路中的作用是不相同的,現對諧波常見的兩種作用效果進行定性分析,找出原因,加以抑製。
2.1諧波的疊加特性
xiebodediejiayuxiangxuyouguan。zaitongyidianluzhong,youxiexieboxianghuzuoyongshi,xianghujianruohuoxianghudixiao,danshi,gengduodechanghewangwangxianghudiejia,shiboxingfashengmingxiandejibian。liru,jinyou3次諧波出現時,波形如圖1所示;當3次、5次諧波同時出現時,就會使正弦波明顯地發生了變化,如圖2所示。
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圖1u1、u3及其疊加波形

圖2u1、u3、u5及其疊加波形

圖3鋸齒波波形

圖4三相四線供電製中的中線電流
(1)zengzhuangbaohuyuanjian,gaibiandianluxingzhi。liru,xieboweihaidianrongqi,shiwugongbuchangnanyifahuigengdazuoyong,keyicaiyonganzhuangdiankangyuanjian,huozheqitawugongbuchangdianlu,rangqishixie,nanyitongguo,qidaobinglaijiangdangdezuoyong。rutu5,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製諧波
例如,在輸出380V的三相四線製發電機組中,勵磁線圈所需電壓隻要26伏左右就足夠了。這個電壓就是由3次諧波提供的。它是通過在發電機定子鐵心槽中埋設的輔助繞組而產生的,再經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6三次諧波電壓經整流後給勵磁繞組供電
- 討論諧波抑製與利用
- 在交流輸入端加裝了低頻電抗器
- 發電機勵磁電路利用勵磁線圈
隨(sui)著(zhe)現(xian)代(dai)電(dian)氣(qi)化(hua)程(cheng)度(du)的(de)不(bu)斷(duan)提(ti)高(gao),人(ren)們(men)對(dui)配(pei)電(dian)質(zhi)量(liang)的(de)要(yao)求(qiu)越(yue)來(lai)越(yue)高(gao)。目(mu)前(qian),雖(sui)然(ran)各(ge)類(lei)穩(wen)壓(ya)設(she)備(bei)正(zheng)逐(zhu)步(bu)更(geng)新(xin)換(huan)代(dai),但(dan)是(shi)仍(reng)然(ran)沒(mei)有(you)阻(zu)攔(lan)住(zhu)諧(xie)波(bo)的(de)恣(zi)意(yi)破(po)壞(huai);相xiang反fan,隨sui之zhi而er來lai的de諧xie波bo危wei害hai卻que越yue來lai越yue不bu可ke忽hu視shi。因yin此ci,很hen有you必bi要yao對dui諧xie波bo的de產chan生sheng和he危wei害hai性xing進jin行xing定ding性xing分fen析xi,以yi便bian加jia深shen認ren識shi,揚yang棄qi並bing舉ju,在zai抑yi製zhi諧xie波bo危wei害hai的de同tong時shi,充chong分fen發fa揮hui其qi有you利li方fang麵mian。
1諧波的危害
諧波的危害要從我國的配電體製談起。我國一直采用50Hz交jiao流liu供gong電dian製zhi式shi,在zai穩wen壓ya保bao護hu的de過guo程cheng中zhong,很hen少shao考kao慮lv到dao諧xie波bo的de危wei害hai。這zhe樣yang一yi來lai為wei諧xie波bo的de產chan生sheng和he延yan續xu提ti供gong了le條tiao件jian,使shi得de諧xie波bo相xiang互hu作zuo用yong,一yi方fang麵mian損sun壞huai電dian器qi,另ling一yi方fang麵mian消xiao耗hao大da量liang電dian能neng。表biao1為50Hz交流供電體製下的正序、負序和零序諧波的分類。
表1諧波分類
| 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 | + |
正是由於各種諧波的存在,使50Hz的正弦交流電發生波形畸變,影響了正常的工作。在三相四線供電變壓器中,3cizhengshubeidexiebodaishudiejia,ganyingdaobianyaqiyicice,zaochengxianquanguore,tongshishizhongxiandianliuguoda,fare,shenzhishaohuai。zaidianjiyunxingguochengzhong,xieboshijiaoliudianyaboxingyanzhongshizhen,shaohuaidianji。zaiwugongbuchangdianluzhong,xiebohuixingchengxiezhen,shaohuaidianronggui。zairichangshenghuozhong,riguangdengdengguanbeishaohuai,qihuiqiwufaqidongdengqingkuangdoushiyouxiebozaochengde。
除chu了le對dui電dian路lu造zao成cheng危wei害hai之zhi外wai,諧xie波bo的de存cun在zai,也ye使shi配pei電dian功gong率lv因yin數shu的de提ti高gao受shou到dao製zhi約yue。利li用yong電dian容rong補bu償chang電dian路lu提ti高gao功gong率lv因yin數shu時shi,不bu可ke避bi免mian地di帶dai來lai諧xie波bo的de負fu麵mian影ying響xiang。如ru果guo諧xie波bo次ci數shu較jiao高gao,無wu功gong補bu償chang電dian容rong很hen可ke能neng被bei擊ji穿chuan。
2諧波的定性分析
各次諧波在電路中的作用是不相同的,現對諧波常見的兩種作用效果進行定性分析,找出原因,加以抑製。
2.1諧波的疊加特性
xiebodediejiayuxiangxuyouguan。zaitongyidianluzhong,youxiexieboxianghuzuoyongshi,xianghujianruohuoxianghudixiao,danshi,gengduodechanghewangwangxianghudiejia,shiboxingfashengmingxiandejibian。liru,jinyou3次諧波出現時,波形如圖1所示;當3次、5次諧波同時出現時,就會使正弦波明顯地發生了變化,如圖2所示。
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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,正弦波就會發生質的變化。方波可用傅裏葉級數展開如下式。
ui=4Um[sin2πft+(sin6πft)/3+(sin10πft)/5
+…+(sin2kπft)/k〗/π(1)
其中,ui為疊加之後的電壓,Um為基波振幅,f為基波的頻率50Hz,k=1、3、5……為奇數。
當然,其它種類的諧波疊加的情況也很多,如鋸齒波就含有一係列的偶次諧波(見圖3)

圖3鋸齒波波形
其傅裏葉級數表達式為
ui=A/2-A[sin2πft+(sin4πft)/2+(sin6πft)/3+…(sin2kπft)/k〗/π(2)
其中,ui為疊加之後的電壓,A為鋸齒波電壓幅值,f為基波頻率50Hz,k為自然數。
congyishangfenxikekanchu,xiebodediejiazuoyongshibukehushide,zheyidianzaisanxiangsixiangongdianzhizhongbiaoxiandezuimingxian。youyuxieboxianghudiejia,zhongxianhuiyindianliuguodaerfare,rutu4所示。另外,配電線路中的中性母線和接線板過載過熱等現象也是由於諧波疊加造成的。

圖4三相四線供電製中的中線電流
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2.2高次諧波的特性
gaocixieboyehejiboyiyang,zongshixuanzedizukanglujingtongguo,danyujibobutongdeshi,gaocixieboyouxianxuanzerongxingdianlu。yinweidianrongjuyoutonggaopinzudipindetexing。keyongshuxuebiaodashiXc=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Xcyuexiao,xiebodianliujiuyueda,weihaixingjiuyueda。zhedianzaiwugongbuchangdianluzhongbiaoxiandezuimingxian。ruguobuzhuzhongfenxiheceliangxiebodehanliang,eryiweidiyikaowugongbuchanglaitigaogonglvyinshu,gaocixiebojiuhuishaohuaibuchangdianrong。lingwaigaocixiebodeweihaixing,zairichangshenghuozhongchangjiandelizijiushiriguangdengdeshoumingbuchangheqihuiqidesunhuai。
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生反向旋轉磁場,使線圈發熱;高次諧波會產生電磁場,使配電盤產生機械諧振,發出噪聲;使控製電路誤動作等等各種危害。
3諧波的產生和抑製
chudianyuanbenshenzhiwai,xiebohuiyoufeixianxingfuzaisuoyinqi。zaidianluzhongfeixianxingfuzaibeijili,chanshenggezhonggeyangdexiebo,bingqiexianghuzuoyong,yanshendaozhenggedianluzhong。liruzaihanyoudayinji、電動機、整zheng流liu器qi等deng電dian路lu中zhong,諧xie波bo表biao現xian得de異yi常chang活huo躍yue。即ji使shi它ta們men各ge自zi存cun在zai於yu不bu同tong的de電dian路lu中zhong,仍reng會hui相xiang互hu疊die加jia,產chan生sheng危wei害hai,這zhe點dian可ke用yong諧xie波bo測ce試shi儀yi測ce試shi出chu。那na麼me怎zen樣yang進jin行xing有you效xiao地di抑yi製zhi呢ne?根gen據ju不bu同tong危wei害hai可ke采cai取qu有you針zhen對dui性xing的de措cuo施shi。
(1)zengzhuangbaohuyuanjian,gaibiandianluxingzhi。liru,xieboweihaidianrongqi,shiwugongbuchangnanyifahuigengdazuoyong,keyicaiyonganzhuangdiankangyuanjian,huozheqitawugongbuchangdianlu,rangqishixie,nanyitongguo,qidaobinglaijiangdangdezuoyong。rutu5,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製諧波
目前常用的開關電源,大部分在交流輸入端加裝了低頻電抗器。對於日光燈,安裝低諧鎮流器,會使燈管壽命明顯延長。
(2)諧波疊加常常使配電係統電流過載嚴重,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(xie)波(bo)的(de)危(wei)害(hai)是(shi)由(you)於(yu)我(wo)們(men)對(dui)它(ta)沒(mei)有(you)進(jin)行(xing)有(you)效(xiao)地(di)防(fang)止(zhi)和(he)抑(yi)製(zhi),當(dang)然(ran)它(ta)有(you)利(li)的(de)方(fang)麵(mian)也(ye)是(shi)不(bu)可(ke)替(ti)代(dai)的(de)。從(cong)分(fen)析(xi)可(ke)知(zhi),諧(xie)波(bo)電(dian)壓(ya)幅(fu)值(zhi)都(dou)很(hen)小(xiao),僅(jin)為(wei)基(ji)波(bo)的(de)幾(ji)分(fen)之(zhi)一(yi)或(huo)幾(ji)十(shi)分(fen)之(zhi)一(yi),在(zai)發(fa)電(dian)機(ji)勵(li)磁(ci)電(dian)路(lu)中(zhong)正(zheng)需(xu)要(yao)這(zhe)種(zhong)特(te)性(xing)來(lai)勵(li)磁(ci)。
例如,在輸出380V的三相四線製發電機組中,勵磁線圈所需電壓隻要26伏左右就足夠了。這個電壓就是由3次諧波提供的。它是通過在發電機定子鐵心槽中埋設的輔助繞組而產生的,再經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6三次諧波電壓經整流後給勵磁繞組供電
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