理解电气谐波：第一部分——基础与影响

Control Techniques 首席工程师 Colin Hargis 在这两部分博客中介绍谐波基础。第二部分见此处。

本文介绍电力谐波主题，特别针对变频逆变器驱动器。旨在用通俗语言解释谐波是什么、有何作用，并将其与射频干扰和电“声”等其他电磁兼容 (EMC) 效应区分。

为简化示例多假设 50 Hz 供电频率。60 Hz 地区读者需适当缩放频率。

谐波简介

周期函数的谐波频率为该函数频率 (基波) 的整数倍。电力工程中，此概念主要用于理解非线性功率负载效应：电压源为正弦波但电流畸变，周期不变。利用傅里叶级数，可将畸变周期波形表示为若干谐波之和。

例如，简单单相桥式整流器在电压峰值处汲取一系列短脉冲电流，如图 1 所示；

图 1：简单单相桥式整流器电流波形

电流可分析为频率分量。包含如图 2 所示一系列奇次谐波；

图 2：图 1 电流频谱分析

此分析优势在于电气元件行为在特定正弦频率下最易理解定义。

此例中，50 Hz 市电频率下，约 30 次即 1500 Hz 以内谐波电流相当显著。此后迅速衰减。3、5、7、9 次低次谐波幅值极高，不远低于基波 (50 Hz)。

若正负半周波形相同则仅存在奇次谐波。三相电路中三次谐波 (3, 6, 9, 12 等) 也缺失，因它们同相位，三线制电路阻断同相电流。

谐波严格定义与工作定义. 间谐波

真谐波频率只能是基波精确整数倍。简单非线性器件如整流器和铁芯磁性元件产生真谐波电流。

现代功率电子电路采用主动开关，可能不同步于供电频率，会出现非真谐波新频率。例如，我在第 4、5 篇再生驱动器博客所示，开关频率 4 kHz、供电 60 Hz 的逆变器产生 3880 Hz 和 4120 Hz 等频率电流，非 60 Hz 整数倍，故非真谐波。正确术语为 间谐波。它们仍为不需要频率，部分效应同谐波，一般讨论常简称为“谐波”。这易混淆，最好明确区分真谐波还是广义畸变。

谐波有何影响？

重温图 1、2，整流器接市电。供电为单频 50 Hz 正弦波。整流器产生谐波电流流入电网。整流器是谐波频率电流源，电流辐射回电网并扩散至电力系统。 图 3 说明。谐波电流由负载发射，在电源阻抗产生谐波电压，由同一公共耦合点 (PCC) 连接的其他用电户承受。

图 3：谐波在电力网络中传播

谐波频率 100 Hz 至约 2500 Hz (通常至 50 次，某机构看 100 或 200 次。谐波测量标准止于 9 kHz)。第一个有趣的是这些在电磁频谱属极低频。图 4 简化频谱显示功率谐波位置；

图 4：简化电磁频谱显示功率谐波位置

“射频”通常认为从 9 kHz 开始，实际上很少有无线电应用在 100 kHz 以下，因难产生有用电磁波。这意味着谐波不作为波传播，仅沿电力系统布线传导。不通过杂散耦合干扰，只通过电源线传导进入其他设备。之所以须考虑谐波是因其累积性——一台电视整流器影响微乎其微，但数百万台同步运行，谐波同频同相在电力系统叠加。整体效果是扭曲正弦电压波形。图 5 说明整流器谐波导致的“平顶”畸变；

图 5：整流器谐波导致的电压畸变

适度谐波电流无担忧，过度则生麻烦。过度谐波可能效应列举如下。均罕见，但发生则难且昂贵修正。