非線(xiàn)性設備和諧波：檢查對電力系統的影響

2020-05-22

諧波存在于各個(gè)領(lǐng)域，并且根據關(guān)注的領(lǐng)域，定義會(huì )有所不同。例如，我們將諧波定義為以固定間隔伴隨一次音調的泛音，該泛音是由一串或一列空氣沿其長(cháng)度的精確分數振動(dòng)產(chǎn)生的。

但是，在物理學(xué)領(lǐng)域，我們將諧波定義為振蕩或波的成分頻率。如果我們更徹底地研究這個(gè)定義，我們會(huì )發(fā)現它有點(diǎn)復雜。因此，在接下來(lái)的幾段中，我們將討論諧波以及非線(xiàn)性設備如何產(chǎn)生諧波。

什么是諧波以及諧波對設備的影響

根據定義，諧波是指頻率為參考波或信號頻率的整數倍（整數倍）的信號或波。我們可以進(jìn)一步定義諧波，即信號或波的頻率與參考信號或波的頻率之比。

幾乎所有信號都由諧波頻率的能量以及基頻的能量組成。在無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域，他們設計了發(fā)射器以諧波頻率發(fā)射名義上的能量。通常，無(wú)線(xiàn)設備的設計是針對單個(gè)頻率的。例如，智能手機的無(wú)線(xiàn)電只能連接到2.4 GHz頻段。

 

二極管，晶體管和其他組件通常是非線(xiàn)性的，可能導致必要的諧波計算

諧波頻率的信號輸出可能會(huì )干擾其他廣播或通信。例如，在92.3 MHz（FM頻帶）的廣播信號將在184.6 MHz處具有二次諧波，在276.9 MHz處具有三次諧波。而且，如果足夠強，那么所有或至少一些諧波信號可能會(huì )干擾其他無(wú)線(xiàn)服務(wù)。

非線(xiàn)性設備和諧波

在電力系統中，諧波是電流或電壓，是系統基頻的倍數。非線(xiàn)性設備或負載（例如飽和磁設備，放電燈和整流器）通過(guò)其作用產(chǎn)生這些諧波。

電網(wǎng)中的諧波頻率通常會(huì )影響系統功能，這會(huì )轉化為產(chǎn)生的電能的整體質(zhì)量問(wèn)題。電力系統中的諧波會(huì )轉化為電動(dòng)機中的轉矩脈動(dòng)，變速驅動(dòng)器中的失火以及導體和設備中的發(fā)熱。

當前電力系統諧波

在典型的交流電源系統中，電流以特定頻率（通常為50或60赫茲）以正弦形式波動(dòng)。當我們將線(xiàn)性電氣設備或負載連接到系統時(shí)，它將以與電壓相同的頻率汲取電流（正弦波），通常是異相的。但是，當您將非線(xiàn)性設備或負載連接到電力系統時(shí)，情況并非如此。

這是因為非線(xiàn)性負載會(huì )通過(guò)其作用產(chǎn)生電流諧波。而且，當我們將非線(xiàn)性器件（如整流器）連接到系統時(shí)，它將吸收通常不是正弦波的電流。更重要的是，取決于電流波形與系統中其他組件的相互作用以及設備或負載的類(lèi)型，電流波形會(huì )變得有些復雜。無(wú)論復雜度如何，根據Fourier級數分析，電流波形都可以分解為基本正弦波。這些正弦波從電力系統的基頻開(kāi)始，并以基頻的整數倍出現。

非線(xiàn)性設備或負載的其他示例包括：

印表機、電腦、熒光燈、變速驅動(dòng)器、電池充電器

電力系統諧波的介紹

我們將諧波定義為基頻的正整數倍?；l的三次倍數稱(chēng)為三次諧波。正是這種確切的諧波類(lèi)型是非線(xiàn)性設備或負載的作用的產(chǎn)物。這些類(lèi)型的非線(xiàn)性器件包括半導體器件，即MOSFET，晶體管，二極管和IGBT（絕緣柵雙極晶體管）。

盡管半導體是諧波的主要提供者，但飽和變壓器也會(huì )產(chǎn)生諧波。就電動(dòng)機而言，除非達到飽和水平，否則它們不會(huì )產(chǎn)生諧波。非線(xiàn)性設備或負載會(huì )引起基本諧波的干擾，從而產(chǎn)生其他類(lèi)型的諧波。但是，我們將關(guān)注的諧波類(lèi)型是三次諧波，因為它具有影響電力系統性能和功能的特定特性。

如您所知，電力系統通過(guò)相隔120度的三相系統來(lái)供電。當然，這種設計提供了更高的效率。通過(guò)設計為其負載供電后，它可以將相添加到中性線(xiàn)，從而彼此抵消?？傮w而言，該設計也具有成本效益。但是，如果三相中存在三次諧波，它們將不會(huì )相互抵消。

通常，這種情況會(huì )在中性線(xiàn)中產(chǎn)生振蕩電流，這當然是非常危險的。此外，這種危險是由于中性線(xiàn)的設計采用了較?。ǔ叽纾┑膶w而只能承載最小的電流。因此，為了抵消三階諧波的影響，我們使用三角形連接。最后，這允許電流在連接周?chē)h(huán)，而不是允許三相在中性線(xiàn)上合并。

注意：三角形連接是三相電氣繞組的三角形排列，其中電路的三根導線(xiàn)中的每一根都連接到兩個(gè)繞組的結點(diǎn)。

電壓諧波的影響

電流諧波是電壓諧波的主要貢獻者。電壓源及其提供的電壓會(huì )由于來(lái)自電源阻抗的電流諧波而失真。您可以限制電壓源的源阻抗。然后，電流諧波也會(huì )產(chǎn)生降低的電壓諧波。通常，與電流諧波相比，電壓諧波通常最小。

出于這個(gè)原因，我們可以使用電壓的基頻來(lái)近似電壓波形。請記住，如果使用此近似值，則電流諧波不會(huì )影響傳輸到負載的有功功率。

 

在整個(gè)電路設計過(guò)程中，盡量避免使晶體管挑戰變得不那么困難

使用非線(xiàn)性設備或負載時(shí)，諧波是不可避免的。它對電源系統的影響包括性能降低，效率降低，成本增加以及安全隱患。請記住，當涉及電力系統時(shí)，我們必須解決兩種形式的諧波。通常，在無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域，諧波不僅會(huì )對所討論的設備產(chǎn)生負面影響，還會(huì )對其他服務(wù)產(chǎn)生負面影響。