谐波简介：第 1 部分

Control Techniques 的首席工程师 Colin Hargis 在这篇由两部分组成的博客中介绍了谐波。第二部分可在此处获得。

这篇博客是对电力谐波主题的介绍，特别是变速逆变器驱动器。它旨在直截了当地解释它们是什么以及它们的作用，并将它们与其他电磁兼容性 (EMC) 影响区分开来，例如射频干扰和电“噪声”。

为简单起见，示例大多假设电源频率为 50 Hz。如果您在使用 60 Hz 的区域工作，则需要适当调整频率。

谐波简介？

周期函数的谐波的频率是函数（即基波）频率的整数倍。在电力工程中，这个想法主要用于帮助理解非线性电力负载的影响，其中电压源是正弦波但电流失真，尽管仍具有相同的周期。使用傅里叶级数的概念，我们可以将失真的周期性波形表示为多个谐波的总和。

例如，一个简单的单相桥式整流器在电压峰值处吸收一系列短脉冲的电流，如图1所示；

图1：简单单相桥式整流器的电流波形

可以将电流分析为其组成频率。它由一系列奇次谐波组成，如图2所示；

图2：图1中电流频率分析

这种分析的好处是电气元件的行为最容易根据特定的正弦频率来理解和定义。

在这种情况下，当电源频率为 50 Hz 时，您可以看到高达约 30 次的谐波电流，即 1500 Hz，非常重要。除此之外，它们会迅速减少。 3、5、7 和 9 次的低次谐波幅度非常高，并且不低于基波（50 Hz）。

如果负半周期和正半周期具有相同的形状，则仅存在奇次谐波。在三相电源电路中，也没有三次谐波（3、6、9、12 等），因为它们是同相的，而同相电流在三线电路中被阻断。

谐波的严格定义和工作定义。间谐波。

真正的谐波只能有一个频率是基频的精确整数倍。大多数简单的非线性设备，如整流器和铁芯磁性元件都会产生真正的谐波电流。

在使用可能与电源频率不同步的有源开关的现代电力电子电路中，可能会出现不是真正谐波的新频率。例如，正如我在关于再生驱动器的第 4 和第 5 博客中所说明的那样，以 4 kHz 开关频率和 60 Hz 电源运行的逆变器会产生频率为 3880 Hz 和 4120 Hz 以及许多其他频率的电流，这些电流是不是 60 Hz 的整数倍，因此不是真正的谐波。这些的正确术语是间谐波 .它们仍然是不需要的频率，并且它们的某些效果与谐波相同，因此在一般讨论中它们可能被简称为“谐波”。这可能会引起混淆，所以最好弄清楚我们是在谈论真正的谐波还是各种失真。

它们有什么作用？

再次参考图 1 和图 2，我们有一个连接到主电源的整流器。电源是正弦的，单一频率为 50 Hz。整流器产生在电源中流动的谐波电流。 整流器是谐波频率的电流源，它被发射回电源并在电力系统中传播。 图 3 说明了这一点。谐波电流由负载发出，并在电源的源阻抗中产生谐波电压。连接到同一公共耦合点 (PCC) 的其他电力用户会承受该电压。

图 3：谐波在电网中的传播

谐波的频率范围从 100 Hz 到大约 2500 Hz（我们通常停止在 50 次左右，但有些权威认为是 100 甚至 200。谐波测量的标准停止在 9 kHz）。第一个有趣的点是，这些是电磁频谱中非常低的频率。这在图4所示的光谱中得到了说明；

图4：显示功率谐波位置的简化电磁波谱

“无线电频率”通常被认为是从 9 kHz 开始的，实际上在 100 kHz 以下的无线电应用很少，因为很难产生有用的电磁波。这意味着谐波不会以波的形式传播，它们仅通过电力系统布线周围的传导传播。它们不会通过杂散耦合造成干扰，只会通过电源线传导到其他设备中。必须考虑它们的原因是它们是累积的——因此电视机中的一个整流器具有微不足道的效果，但是当数百万台电视机同时运行时，它们的谐波具有相同的频率和相位，因此它们加起来电力系统。总体效果是使正弦电压波形失真。图5说明了整流器引起的那种“平顶”失真；

图5：整流器谐波引起的电压畸变

电力系统中适度的谐波电流是无关紧要的，但如果它变得过大，就会导致麻烦。下面列出了电力系统中谐波过多的一些可能影响。所有这些都是非常不寻常的，但如果它们确实发生了，纠正起来会很困难且代价高昂。