谐波简介：第 2 部分
在这个迷你系列的第二部分，Colin Hargis 着眼于谐波的有效管理。第一部分在这里可用。
谐波测量
可以测量单个谐波电流或电压并以 r.m.s. 为单位引用。数量。它们通常可以表示为基本面的百分比。默认情况下，谐波测量仪器以百分比形式给出谐波是很常见的。
在评估谐波数据时必须小心，尤其是电流数据。如果基波电流低，因为负载功率低，那么以百分比表示的谐波就会显得高。这可能会产生误导。为驱动器提供的数据将在定义的负载功率下。在降低负载时，谐波电流的绝对值会降低，但作为基波的百分比，它们会增加。
这在图 7 中进行了说明。图 7(a) 显示了电流和主要谐波（例如 5 th 和 11 th 随着功率的增加而增加。图 7(b) 显示了主谐波和 THD（以基波的百分比表示）如何随着负载功率的增加而下降。
图 7：电流和谐波随负载功率的变化，表示为 (a) 绝对量和 (b) 基波电流百分比
在驱动器中，如果用户未能意识到输入电流是功率的函数，即轴处的扭矩和速度的乘积，那么这可能会特别容易产生误导。如果驱动器以降低的速度提供额定扭矩，那么它可能看起来“正在努力工作”，因为输出电流接近其最大额定值，并且逆变器级正在承载该电流并产生预期的功率损耗作为热量。但实际功率吞吐量较低，因此输入电流也会较低。
THD、VTHD、ITHD、失真因数和功率因数
测量谐波整体效果的一个简单参数是总谐波失真，THD。这是 r.m.s 之间的比率（以 % 为单位）。所有谐波和基波的值。电压和电流可以分别称为VTHD和ITHD。
再次注意 ITHD，因为在减少负载时它会显得很高。
在电力工程中，功率因数通常用于衡量交流电与电压不同相时所传递的有用功率的减少情况。
当电流和电压为正弦曲线时，这等于 cos o。
在谐波电流存在的情况下，假设电压保持正弦波，功率因数可以分解为两个因素：
其中失真因数衡量因失真引起的有用电流的减少：
而位移因子衡量的是相移引起的减少：
这些因素的含义可以通过考虑直接从电源线或驱动器运行的电机来说明：
因此，电机在两种情况下的功率因数非常相似，这意味着从主电源汲取的满载电流非常相似。然而，单独使用电机时，电流增加完全是因为电流滞后于电压相位，而对于电机和驱动器，这主要是因为存在谐波电流。
失真因数和 THD 是失真水平或总谐波的替代量度。它们通过以下函数关联：
（其中 THD 表示为分数，而不是百分比）
谐波管理。产品的谐波电流数据。
电力供应公用事业运营规则以保护电力系统和电力用户免受过度谐波的影响。每个高级用户都有责任确保他们遵守规则。在某些地区，例如欧盟，大量使用的电气产品的谐波发射是作为 EMC 法律的一部分进行监管的。这意味着国内和小企业用户不必作任何特殊规定。专业设备的大型工业用户必须自己确保其谐波发射不过量。最常见的情况是，当提出需要从公用事业公司提供新电源的新安装时，将应用这些规则，作为提供该电源的条件。
各国的规则不同，但原则是一样的。关键阶段如下所示：
- 电力公司最终必须确保其电源中的谐波电压达到可接受的水平。例如，在欧盟，电能质量由标准 EN 50160 管理。通常它为每个用户分配一个谐波电压“预算”。如前所述，谐波电压是由与电源阻抗和现有谐波相互作用的谐波电流引起的，每个位置都是独一无二的。它需要一些复杂的计算和测量来预测它，这对于典型的工业装置来说是不合理的。
- 因此，公用事业公司通常有一些简化的规则，允许接受最高限度的谐波电流，这可能取决于电源连接的容量，或者用户的峰值或平均电流需求。通过添加连接到特定电源点的所有相关设备的谐波电流数据，估算电流比估算电压要简单得多。因此，产生大量谐波电流的驱动器等专业设备需要向用户提供谐波电流数据。 Control Techniques 在 EMC 数据表中为其所有驱动产品提供此数据，可根据要求免费提供。
- 对于给定的安装，如果电流超过允许的限制，则必须采取技术措施来降低电流，或者必须进行更复杂的调查以评估安装引起的谐波电压。
- 同时，如果所有设备都符合欧盟等单一市场的统一标准，则无需进行上述任何工作。
标准
对于安装，许多公用事业公司都有自己的规定，因此有很多国家标准。一个特别著名的标准是 IEEE 519。
电能质量标准包括 IEC 61000-2-4，它定义了“兼容性水平”，即最大允许谐波水平，在这种情况下适用于工业 LV 电源。 IEC 标准不是强制性的，但公用事业公司经常将 IEC 标准中给出的限制作为自己法规的起点。
对于最终产品，IEC 61000-3-2 标准适用于每相电流高达 16A 的设备，IEC 61000-3-12 标准适用于每相高达 75A 的设备。欧洲版本（例如 EN 61000-3-12）对于投放到欧洲经济区市场的最终产品实际上是强制性的。
如果驱动器内置在这些标准之一范围内的设备中，那么它很可能是谐波发射的主要贡献者。对于 Control Techniques 驱动器，必须使用小的附加输入扼流圈以满足 EN 61000-3-12 的要求。信息在 EMC 数据表中给出。
负载的影响
检查包含驱动器的机械的谐波合规性时遇到的一个常见问题是正确的额定负载功率问题。我们曾抱怨产品未能通过测试，结果证明测试负载低于额定负载。这可能是因为应用程序没有使用驱动器的全部功能，或者因为无法在 EMC 测试实验室中完全加载机器。在测试实验室中创建实际负载通常很困难，因为机器通常用于处理无法带入实验室的大型、肮脏或困难的材料。为了确保达到要求的标准，必须遵守以下要求：
- 必须选择额外的输入扼流圈，以便在应用的预期最大连续负载功率下正确，这不一定是驱动器额定值。
- 必须考虑机器中的任何其他产生谐波的设备。
- 测试时的负载必须等于额定负载。如有必要，必须在测试夹具中提供某种临时制动或其他负载装置。
减少谐波
通过增加电感可以大大降低由简单整流器产生的自然谐波水平。这可以在驱动器直流链路或交流输入线路中。大多数额定功率高于 2.2 kW 的驱动器使用三相电源并包含扼流圈来提供电感。图 8 显示了这种驱动器的典型电流波形。您可以看到波形比图 1 中的要好得多，尽管它远非正弦曲线。在这种情况下，ITHD 约为 50%，最差谐波为五次谐波，约为 40%。
图 8：三相电源和输入扼流圈驱动的典型输入电流波形。
这种谐波水平适用于功率范围从 3 kW 到数百千瓦的大多数应用。对于敏感应用，并且总驱动功率开始接近电源容量，可能需要进一步降低谐波。下表列出了可用的主要技术，并说明了它们的相对优势。
摆动扼流圈
一些驱动器制造商提倡使用“摆动扼流圈”。摆动扼流圈是 1920 年代的一项发明，在某些无线电设备中用于直流平滑。扼流圈设计有阶梯式或异形气隙，以便随着直流电流的增加，部分磁路饱和，电感降低。结果是在低电流时电感增加，这有助于解决上述问题，即在负载功率范围内满足谐波限制。这是因为电感值会自行适应负载。
摆动扼流圈可以使驱动器制造商受益，因为它可以减少用于各种驱动器额定值的不同扼流圈值的库存。它可以使驱动器在减少负载的情况下满足谐波标准而不需要额外的扼流圈，从而使用户受益。在实践中，设计一个在宽负载范围内工作的摆动扼流圈是相当困难的，因此真正的好处是很小的。
工业技术