科普:在电子电路中谐波的产生及危害

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在电子电路中谐波的产生及危害

作者:扬兴晶振
日期:2021年01月20日 15:09
浏览量:1420

  随着科技时代快速发展,电力电子技术越来越广泛的应用到各种工控、安防、基站、通讯、智能设备等领域中,由此产生的谐波危害也越来越严重。

  1、什么是谐波

  在电力系统中谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时,与所加的电压不呈线性关系,就形成非正弦电流,即电路中有谐波产生。谐波频率是基波频率的整倍数,根据法国数学家傅立叶(M.Fourier)分析原理证明,任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。谐波是正弦波,每个谐波都具有不同的频率,幅度与相角。谐波可以区分为偶次与奇次性,第3、5、7次编号的为奇次谐波,而2、4、6、8等为偶次谐波,如基波为50Hz时,2次谐波为100Hz,3次谐波则是150Hz。
 

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  2、无功功率和谐波是怎样产生的呢

  在工业和生活用电负载中,阻感负载占有很大的比例。异步电动机、变压器、荧光灯等都是典型的阻感负载。异步电动机和变压器所消耗的无功功率在电力系统所提供的无功功率中占有很高的比例。电力系统中的电抗器和架空线等也消耗一些无功功率。阻感负载必须吸收无功功率才能正常工作,这是由其本身的性质所决定的。

  电力电子装置等非线性装置也要消耗无功功率,特别是各种相控装置。如相控整流器、相控交流功率调整电路和周波变流器,在工作时基波电流滞后于电网电压,要消耗大量的无功功率。另外,这些装置也会产生大量的谐波电流,谐波源都是要消耗无功功率的。二极管整流电路的基波电流相位和电网电压相位大致相同,所以基本不消耗基波无功功率。但是它也产生大量的谐波电流,因此也消耗一定的无功功率。

  近30年来,电力电子装置的应用日益广泛,也使得电力电子装置成为最大的谐波源。在各种电力电子装置中,整流装置所占的比例最大。目前,常用的整流电路几乎都采用晶闸管相控整流电路或二极管整流电路,其中以三相桥式和单相桥式整流电路为最多。带阻感负载的整流电路所产生的谐波污染和功率因数滞后已为人们所熟悉。直流侧采用电容滤波的二极管整流电路也是严惩的谐波污染源。这种电路输入电流的基波分量相位与电源电压相位大体相同,因而基波功率因数接近1。但其输入电流的谐波分量却很大,给电网造成严重污染,也使得总的功率因数很低。另外,采用相控方式的交流电力调整电路及周波变流器等电力电子装置也会在输入侧产生大量的谐波电流。

  无功功率的影响和谐波的危害

  

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  1.无功功率的影响

  (1)无功功率的增加,会导致电流增大和视在功率增加,从而使发电机、变压器及其他电气设备容量和导线容量增加。同时,电力用户的起动及控制设备、测量仪表的尺寸和规格也要加大。

  (2)无功功率的增加,使总电流增大,因而使设备及线路的损耗增加,这是显而易见的。

  (3)使线路及变压器的电压降增大,如果是冲击性无功功率负载,还会使电压产生剧烈波动,使供电质量严重降低。

  2. 谐波的危害

  理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅值。谐波电流和谐波电压的出现,对公用电网是一种污染,它使用电设备所处的环境恶化,也对周围的能耐电力电子设备广泛应用以前,人们对谐波及其危害就进行过一些研究,并有一定认识,但那时谐波污染还没有引起足够的重视。近三四十年来,各种电力电子装置的迅速发展使得公用电网的谐波污染日趋严重,由谐波引起的各种故障和事故也不断发生,谐波危害的严重性才引起人们高度的关注。谐波对公用电网和其他系统的危害大致有以下几个方面。

  (1)谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗,降低了发电、输电及用电设备的效率,大量的3次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。

  (2)谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗外,还会产生机械振动、噪声和过电压,使变压器局部严重过热。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短,以至损坏。

  (3)谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振,从而使谐波放大,这就使上述(1)和(2)的危害大大增加,甚至引起严重事故。

  (4)谐波会导致继电保护和自动装置的误动作,并会使电气测量仪表计量不准确。

  (5)谐波会对邻近的通信系统产生干扰,轻者产生噪声,降低通信质量;重者导致住处丢失,使通信系统无法正常工作。

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