谐波的探讨.docx

谐波介绍谐波，从字面解释，谐，有“多部分”的意思，谐和，指多部分协调有致。波，指的是波形（Wave）。合起来形容，就是有很多种波形合成的波形。从高等数学中分析可知：任何周期性波形均可分解为一个基频正弦波加上许多高次频率的正弦波，高次频率是基频的整倍数（N，只能为整数），直流成分称为0次谐波，基波称为1次谐波，二次以上的波形称为高次谐波，其中偶次频率的波形称为偶次谐波，奇次频率的波形称为奇次谐波。例如一个基频为200 HZ的波形，其基波为200HZ，当它的波形不是纯正的正弦波时，便有失真存在，其200HZ以上的波形称为高次谐波，400HZ为二次谐波，600HZ为三次谐波，如此类推。下面的图片形象地合成了这个波形，是以一个200HZ的正弦基波和2-5次高次谐波组成。当然，在这里需简单说明，为什么高次谐波一定要倍频率？而且必须为整数？难道不能为小数吗？这也是笔者在学习谐波分析时的疑问。后来翻查资料得知，其实我们应用离散数学在谐波的分析过程中只需用到整数谐波就足够了，没有必要用小数谐波，用小数谐波会令计算过程更加复杂。其实小数谐波是真实存在的，在这里我们轻轻带过，不再详述。在理想的供电系统中，电流和电压的波形都是正弦波的。在只含线性元件电阻、电感及电容的电路里，流过的电流与施加的电压成正比，流过的电流便是正弦波。但现实跟理想总是存在距离，在实际的供电系统中，由于存在非线性负荷，当电流流过与所加电压不呈线性关系的负载时，就形成非正弦电流。例如基频为50Hz，二次谐波为100Hz，三次谐波则为150Hz。因此畸变的电流波形可能有二次谐波、三次谐波……可能直到第几百次谐波组成。? ??? 电力谐波分为电压谐波和电流谐波，电压谐波与基波的比值远比电流谐波与基波的要小。影响电压谐波的主要因素为负载瞬间出现的尖峰电流，因为供电线路存在电阻值，电流流过时产生电压压降，此电阻与负载串联，导致负载电压波形有瞬间噪音波形出现，形成谐波。电流谐波则由负荷的特性产生，所有的非线性负荷都能产生谐波电流，产生谐波的设备有很多种类型，列举我们熟知的部分设备类型有：开关电源(SMPS)、电子镇流器、调速传动装置、不间断电源、磁性铁芯设备及某些家用电器如电视机等。谐波的危害是比较严重的。使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘层加速老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。高次谐波对于电力系统外部，对通信设备和电子设备会产生严重干扰，特别是对于一些医用仪器设备，我们必须加以重视，防止测量、控制错误。频率较低的谐波主要通过电源线传导干扰影响外部设备，而频率较高的谐波不仅通过电源线传导干扰，还通过空间辐射影响外部设备。现在，对于中小功率的用电设备，通常有两种方法改善谐波，一种是无源修正法，也称被动修正法，这种修正法采用普通的LCR元件，通过谐振，滤波的方式提高功率因数，减小高次谐波，这种修正法的特点是成本低廉，在功率不高、性能要求不高的场合可以使用。另一种为有源修正法，也称主动修正法（Active Power Factor Corrector简称APFC），这种修正法使用专用的功率因数校正IC、开关元件、储能器件等，将交流输入的电流进行整形，而保持与电压波形一致，使功率因数最大，并使谐波成分尽可能小，这种修正法的特点是可实现的指标高，性能好。测量原理：通常，我们用来测量电力谐波的设备其实就是一台加了快速傅里叶变换算法（fast fourier transform algorithm 简称FFT）的功率计，我们先将电流和电压的信号进行离散数字化采样，经内部的微处理器执行谐波计算功能，计算出0-N次谐波，并通过显示单元与人沟通，或通过通讯接口与其他系统交换数据。快速傅里叶变换算法是基于复数运算的，有按时域抽取样本和按频域抽取样本两种算法，其运算结果是一样的，只是排序不一样。限于篇幅，在这里不再详述，有兴趣的读者可在互联网上找到更多关于FFT的信息。表征谐波的参数有：谐波次数（频率）、幅值（峰值）、绝对含量值、相对含量值（与基波的比值或与总含量的比值）、初相角等。相对含量值有两种计算方式：1. ％f：以基波电流（或电压，功率）百分比的方式显示谐波。2. ?％r：以包含所有谐波的整个电流的幅值的百分比方式显示谐波。%r 是在一个信号中以相对整个有效值（基波＋谐波分量）的谐波数量百分比表示； %f 是相对基波的百分比表示。不同的标准将需要 %r 或 %f。在实际中，两个读数是接近的。THD（Total Harmonic Distortion）的基本概念THD为总谐波失真的英文简写，是谐波计算的引申，表征被输入波形