高级谐波管理：第二部分——有效策略与测量
本迷你系列第二部分，Colin Hargis 探讨谐波有效管理。第一部分见此处。
谐波测量
个别谐波电流或电压可用有效值量测并报价。常以基波百分比表示。谐波测量仪器默认常以百分比给出谐波。
评估谐波数据时须谨慎，尤其是电流数据。若基波电流因负载功率低而偏小，谐波百分比会显得偏高，具有误导性。驱动器提供的数据基于定义负载功率。降低负载时，谐波电流绝对值减小，但作为基波百分比却增大。
图 7 说明此点。图 7(a) 显示电流和 5 次、11 次等主要谐波随功率增加而增大。图 7(b) 显示主要谐波和 THD 作为基波百分比随负载功率增加而下降。
图 7：电流与谐波随负载功率变化，以 (a) 绝对量和 (b) 基波电流百分比表示
驱动器中这点极易误导：用户若未意识到输入电流是功率函数 (即轴端转矩与转速乘积)。驱动器输出额定转矩但降低转速时，输出电流接近最大额定值，逆变器级承载该电流产生预期热损耗，看似“负载很重”。但实际吞吐功率低，故输入电流也低。
THD、VTHD、ITHD、畸变因数与功率因数
衡量谐波整体效应的简单单参数是总谐波畸变率 THD。即所有谐波有效值之和与基波之比 (百分比)。电压电流分别称 VTHD 和 ITHD。
同样须谨慎对待 ITHD，因轻载时会显偏高。
电力工程常用功率因数衡量交流电流不与电压同相导致有用功率降低程度。
电流电压均为正弦波时，功率因数等于 cos φ。
存在谐波电流且假设电压保持正弦时，功率因数可分解为两因子：
其中畸变因数度量畸变导致有用电流减少：
位移因数度量相移导致减少：
通过考察电机直接上线或配驱动器运行来说明这些因数含义：
电机两种情况功率因数极相似，意味着从市电汲取的满载电流极相似。但单独电机电流增加完全因电流滞后电压相位，而配驱动器主要因谐波电流。
畸变因数与 THD 是畸变水平或总谐波的替代度量，二者关系函数为：
(THD 为分数非百分比)
谐波管理. 产品谐波电流数据
电力公司运行规则保护电力系统和用户免受过度谐波危害。每个用电户负责确保合规。欧盟等地区将大量使用电气产品的谐波辐射纳入 EMC 法律管控。这意味着家庭和小企业用户无需特殊措施。大型工业特种设备用户须自行确保谐波辐射不过度。最常见的是新装置申请新电源接入时，作为供电条件应用规则。
规则因国异异，原则相同。关键阶段：
- 电力公司最终须确保供电谐波电压达可接受水平。如欧盟电能质量依标准 EN 50160 管控。通常向每用户分配谐波电压“预算”。如前所述，谐波电压由谐波电流与供电阻抗及现有谐波相互作用产生，每位置独特。预测需复杂计算测量，对典型工业装置不切实际。
- 因此电力公司通常有简化规则，允许谐波电流至某限值，可能取决于供电接入容量或用户峰值/平均电流需求。估算电流比电压简单，将特定供电点所有相关设备谐波电流数据相加即可。因此产生显著谐波电流的专业设备 (如驱动器) 需向用户提供谐波电流数据。Control Techniques 为所有驱动器产品提供 EMC 数据表，免费按需获取。
- 给定装置若电流超许可限值，须采取技术措施降低，或进行更复杂调查评估装置引起的谐波电压。
- 同时，若所有设备满足单一市场 (如欧盟) 协调标准，上述工作均无需进行。
标准
装置方面，许多电力公司执行自有法规，存在众多国家标准。一知名标准为 IEEE 519。
电能质量标准含 IEC 61000-2-4，定义“相容电平”即最大允许谐波电平 (本例为工业低压供电)。IEC 标准非强制，但电力公司常以 IEC 标准限值为自有法规起点。
最终产品有 IEC 61000-3-2 (≤16A/相) 和 IEC 61000-3-12 (≤75A/相) 标准。欧盟版如 EN 61000-3-12 对欧盟市场投放最终产品实质强制。
若驱动器内置于属于上述标准范围的设备中，极可能成为谐波辐射主要贡献者。Control Techniques 驱动器需额外小型输入电抗器以满足 EN 61000-3-12。详情见 EMC 数据表。
负载影响
含驱动器机械谐波合规检查常遇正确额定负载功率问题。曾接到产品测试失败投诉，实为测试负载低于额定负载。可能因应用未用驱动器全能力，或 EMC 实验室无法全负载测试机器。在实验室创建真实负载常困难，因机器常针对大型/脏污/困难材料设计，无法带入实验室。为确保达标须遵守：
- 额外输入电抗器须按应用预期最大连续负载功率正确选型，不一定是驱动器额定值。
- 须考虑机器内其他谐波源设备。
- 测试负载必须等于额定负载。必要时在测试夹具提供临时制动器或其他负载装置。
降低谐波
简单整流器产生的天然谐波电平可通过增加电感大幅降低。可在驱动器直流母线或交流输入侧。约 2.2 kW 以上驱动器多用三相供电并含电抗器提供电感。图 8 显示此类驱动器典型输入电流波形。波形远优于图 1，虽非正弦波。此时 ITHD 约 50%，最差谐波为 5 次约 40%。
图 8：三相供电带输入电抗器驱动器典型输入电流波形
此谐波水平适用于 3 kW 至数百 kW 多数应用。敏感应用或驱动器总功率接近供电容量时，可能需进一步降低谐波。下表给出主要技术及相对优势备注。
摆动电抗器
部分驱动器厂商推广“摆动电抗器”。摆动电抗器为 1920 年代发明，早用于收音机直流滤波。其设计有分级或剖面气隙，直流电流增大时部分铁芯饱和导致电感减小。结果：低电流时电感增大，有助于抵消上述问题——在各负载功率下满足谐波限值。因电感值自适应负载。
摆动电抗器有利驱动器厂商，可减少不同驱动器额定值所需各电抗器库存。可能让驱动器在轻载下满足谐波标准而无需额外电抗器。实践中设计宽负载范围工作的摆动电抗器颇难，实际收益较小。
工业技术