高次諧波

高次諧波從設(shè)計(jì)制造角度

選用IGBT功率元件，空間電壓矢量控制，多相疊加，例如六相，十二相，多重化移相，調(diào)制過程中選擇合理的參數(shù)值等。一般以高品位，名牌和采用新技術(shù)的產(chǎn)品為好。

高次諧波從使用安裝角度

1、采用進(jìn)線AC電抗器，出線采用DC電抗器或正弦濾波器；

2、不共用地線，分開供電電源（變頻器，受干擾設(shè)備分開供電）；

3、易受干擾的設(shè)備采用隔離電感器供電；

4、變頻器出線與進(jìn)線采用屏蔽線并接地，且分開一定距離；進(jìn)、出線穿金屬管并接地；輸出使用四芯電纜（一芯接地），電機(jī)外殼接地，變頻器單獨(dú)接地；

5、采用絕緣型電源變壓器（中性點(diǎn)不接地）；

6、縮短線路長(zhǎng)度；

7、電源線和信號(hào)線單獨(dú)敷設(shè)，避免交叉，不能避免時(shí)，必須垂直交叉，絕對(duì)不能平等敷設(shè)；

8、信號(hào)線屏蔽層不接到電機(jī)或變頻器的地，而應(yīng)該接到控制線路的公共端；

9、必要時(shí)可采用零序電抗器、電涌吸收器、電涌抑制器，輸入抑制電抗器；使用絞線布線。亦可降低變頻器的載波頻率來消除干擾的影響。一般頻率降低干擾會(huì)下降，但噪音可能要大些，電流波形平滑性要差些。具體可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試而定，必須時(shí)采用專用的變頻電機(jī)。

采用以上對(duì)策后，基本可消除高次諧波的干擾或大大減弱高次諧波的影響。以上諸多措施，只是選其中幾項(xiàng)即可，按現(xiàn)場(chǎng)具體條件、情況而定。

法國(guó)數(shù)學(xué)家傅里葉在1807年就寫成關(guān)于熱傳導(dǎo)的基本論文《熱的傳播》，向巴黎科學(xué)院呈交，但經(jīng)拉格朗日、拉普拉斯和勒讓德審閱后被科學(xué)院拒絕，1811年又提交了經(jīng)修改的論文，該文獲科學(xué)院大獎(jiǎng)，卻未正式發(fā)表。傅里葉在論文中推導(dǎo)出著名的熱傳導(dǎo)方程 ，并在求解該方程時(shí)發(fā)現(xiàn)解函數(shù)可以由三角函數(shù)構(gòu)成的級(jí)數(shù)形式表示，從而提出任一函數(shù)都可以展成三角函數(shù)的無窮級(jí)數(shù)。傅里葉級(jí)數(shù)（即三角級(jí)數(shù)）、傅里葉分析等理論均由此創(chuàng)始。

1822年，傅里葉出版了專著《熱的解析理論》（Theorieanalytique de la Chaleur,Didot,Paris,1822）。這部經(jīng)典著作將歐拉、伯努利等人在一些特殊情形下應(yīng)用的三角級(jí)數(shù)方法發(fā)展成內(nèi)容豐富的一般理論，三角級(jí)數(shù)后來就以傅里葉的名字命名。傅里葉應(yīng)用三角級(jí)數(shù)求解熱傳導(dǎo)方程，為了處理無窮區(qū)域的熱傳導(dǎo)問題又導(dǎo)出了當(dāng)前所稱的“傅里葉積分”，這一切都極大地推動(dòng)了偏微分方程邊值問題的研究。然而傅里葉的工作意義遠(yuǎn)不止此，它迫使人們對(duì)函數(shù)概念作修正、推廣，特別是引起了對(duì)不連續(xù)函數(shù)的探討；三角級(jí)數(shù)收斂性問題更刺激了集合論的誕生。因此，《熱的解析理論》影響了整個(gè)19世紀(jì)分析嚴(yán)格化的進(jìn)程。傅立葉1822年成為科學(xué)院終身秘書。

根據(jù)傅里葉級(jí)數(shù)的原理，周期函數(shù)都可以展開為常數(shù)與一組具有共同周期的正弦函數(shù)和余弦函數(shù)之和。

上式稱為f(t)的傅里葉級(jí)數(shù)，其中，ω=2π/T。

n=0，1，2，3，…。

n=1，2，3，4，…。

在間斷點(diǎn)處，下式成立：

a₀/2為信號(hào)f(t)的直流分量。

令

c₁為基波幅值，c_n為n次諧波的幅值。c₁有時(shí)也稱一次諧波的幅值。a₀/2有時(shí)也稱0次諧波的幅值。

諧波的頻率必然也等于基波的頻率的整數(shù)倍，基波頻率3倍的波稱之為三次諧波，基波頻率5倍的波稱之為五次諧波，以此類推。不管幾次諧波，他們都是正弦波。

高于基波頻率的諧波，稱為高次諧波，高次諧波的頻率是基波頻率的整數(shù)倍。或者說頻率為基波頻率2倍以上的正弦波均為高次諧波。

與一般無線電電磁干擾一樣，變頻器產(chǎn)生的高次諧波通過傳導(dǎo)、電磁輻射和感應(yīng)耦合三種方式對(duì)電源及鄰近用電設(shè)備產(chǎn)生諧波污染。傳導(dǎo)是指高次諧波按著各自的阻抗分流到電源系統(tǒng)和并聯(lián)的負(fù)載，對(duì)并聯(lián)的電氣設(shè)備產(chǎn)生干擾。感應(yīng)耦合是指在傳導(dǎo)的過程中，與變頻器輸出線平行敷設(shè)的導(dǎo)線又會(huì)產(chǎn)生電磁耦合形成感應(yīng)干擾。電磁輻射是指變頻器輸出端的高次諧波還會(huì)產(chǎn)生輻射作用，對(duì)鄰近的無線電及電子設(shè)備產(chǎn)生干擾。

高次諧波的危害具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

高次諧波變壓器

電流和電壓諧波將增加變壓器銅損和鐵損，結(jié)果使變壓器溫度上升，影響絕緣能力，造成容量裕度減小。諧波還能產(chǎn)生共振及噪聲。

高次諧波感應(yīng)電動(dòng)機(jī)

電流和電壓諧波同樣使電動(dòng)機(jī)銅損和鐵損增加，溫度上升。同時(shí)諧波電流會(huì)改變電磁轉(zhuǎn)距，產(chǎn)生振動(dòng)力矩，使電動(dòng)機(jī)發(fā)生周期性轉(zhuǎn)速變動(dòng)，影響輸出效率，并發(fā)出噪聲。

高次諧波電力電容器

當(dāng)高次諧波產(chǎn)生時(shí)，由于頻率增大，電容器阻抗瞬間減小，涌入大量電流，因而導(dǎo)致過熱、甚至損壞電容器，還有可能發(fā)生共振，產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，甚至爆炸。

高次諧波開關(guān)設(shè)備

由于諧波電流使開關(guān)設(shè)備在起動(dòng)瞬間產(chǎn)生很高的電流變化率，使暫態(tài)恢復(fù)峰值電壓增大，破壞絕緣，還會(huì)引起開關(guān)跳脫、引起誤動(dòng)作。

高次諧波保護(hù)電器

電流中含有的諧波會(huì)產(chǎn)生額外轉(zhuǎn)矩，改變電器動(dòng)作特性，引起誤動(dòng)作，甚至改變其操作特性，或燒毀線圈。

高次諧波計(jì)量?jī)x表

計(jì)量?jī)x表因?yàn)橹C波會(huì)造成感應(yīng)盤產(chǎn)生額外轉(zhuǎn)矩，引起誤差，降低精度，甚至燒毀線圈。

高次諧波電力電子設(shè)備

電力電子設(shè)備通?？烤_電源零交叉原理或電壓波形的形態(tài)來控制和操作，若電壓有諧波成分時(shí)，零交叉移動(dòng)、波形改變、以致造成許多誤動(dòng)作。

高次諧波其它

高次諧波還會(huì)對(duì)電腦、通信、設(shè)備電視及音響設(shè)備、載波遙控設(shè)備等產(chǎn)生干擾，使通信中斷，產(chǎn)生雜訊，甚至發(fā)生誤動(dòng)作，另外還會(huì)對(duì)照明設(shè)備產(chǎn)生影響。

高次諧波考慮

供電部門在確定新接入用戶的諧波含量允許值時(shí)，除考慮系統(tǒng)中原有的諧波含量外，還應(yīng)為以后接入系統(tǒng)的負(fù)荷留有裕度。

高次諧波措施

在產(chǎn)生諧波含量較大的負(fù)荷點(diǎn)裝設(shè)電力濾波器是抑制諧波電流流入電網(wǎng)而造成危害的一個(gè)重要措施。電力濾波器的另一個(gè)作用是提供部分以至全部容量的無功補(bǔ)償以改善負(fù)荷的功率因數(shù)。對(duì)于無功沖擊較大的負(fù)荷,如粗軋機(jī)等,往往需要安裝快速動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置（如靜止無功補(bǔ)償器）和電力濾波器。單調(diào)諧濾波器對(duì)某次諧波呈低電阻，因而僅對(duì)某次諧波調(diào)諧。單調(diào)諧濾波器的品質(zhì)因數(shù),一般為30～60。

雙調(diào)諧濾波器的阻抗特性與兩個(gè)并聯(lián)的單調(diào)諧濾波器的阻抗特性相近似，因此它比較經(jīng)濟(jì)，但調(diào)諧較難。

高通濾波器在高于某一頻率的很寬的頻率范圍內(nèi)呈低阻抗Z_h≈R。高通濾波器的品質(zhì)因數(shù),一般為0.7～1.4。

有源濾波器是一種更有效抑制諧波的措施。將諧波源電流i(t)在時(shí)域內(nèi)分解成與電源電壓波形一致并同相位的有功電流 i_p(t)和無功電流i_q(t)（圖3），i_q(t)=i(t)-i_p(t)。由有源濾波器(又稱靜止無功電源)產(chǎn)生無功電流i_q(t)，注入系統(tǒng)，實(shí)時(shí)補(bǔ)償了負(fù)荷電流中的無功電流，因而電源網(wǎng)絡(luò)只提供有功電流i_p(t)。當(dāng)電源網(wǎng)絡(luò)電壓為正弦波形的情況下，i_p(t)亦為正弦波形，而i_q(t)包含了基波無功電流和全部諧波電流。2100433B

為了防治電力系統(tǒng)諧波的危害，許多國(guó)家制訂了諧波管理標(biāo)準(zhǔn)。中國(guó)原水利電力部曾于1984年頒行了《電力系統(tǒng)諧波管理暫行規(guī)定》。有的國(guó)家對(duì)諧波源負(fù)荷實(shí)行分級(jí)限制：首先限制小容量換流裝置和交流電壓調(diào)整裝置的最大容量；當(dāng)超過限定的最大容量時(shí)，則應(yīng)限制單個(gè)換流裝置注入電網(wǎng)聯(lián)接點(diǎn)的各次諧波電流；如不滿足此二條件，則應(yīng)要求聯(lián)接點(diǎn)的電壓畸變率和諧波含量不超過規(guī)定的限值。中國(guó)暫行規(guī)定(SD126-84)的電網(wǎng)電壓畸變率和諧波含量如表。

諧波分析是信號(hào)處理的一種基本手段。在電力系統(tǒng)的諧波分析中，主要采用各種諧波分析儀分析電網(wǎng)電壓、電流信號(hào)的諧波，該類儀表的諧波分析次數(shù)一般在40次以下。對(duì)于變頻器而言，其諧波分布與電網(wǎng)不同，電網(wǎng)諧波主要為低次諧波，而變頻器的諧波主要為集中在載波頻率整數(shù)倍附近的高次諧波，一般的諧波分析設(shè)備只能分析50次以下的諧波，不能測(cè)量變頻器輸出的高次諧波。對(duì)于PWM波，當(dāng)載波頻率固定時(shí)，諧波的頻率范圍相對(duì)固定，而所需分析的諧波次數(shù)，與基波頻率密切相關(guān)，基波頻率越低，需要分析的諧波次數(shù)越高。一般宜采用寬頻帶的，運(yùn)算能力較強(qiáng)、存儲(chǔ)容量較大的變頻功率分析儀，根據(jù)需要，其諧波分析的次數(shù)可達(dá)數(shù)百甚至數(shù)千次。例如，當(dāng)載波頻率為2kHz，基波頻率為50Hz時(shí)，其40次左右的諧波含量最大；當(dāng)基波頻率為5Hz時(shí)，其400次左右的諧波含量最大，需要分析的諧波次數(shù)一般至少應(yīng)達(dá)到2000次。

同時(shí)，選擇儀表的同時(shí)，還應(yīng)選擇合適帶寬的傳感器，因?yàn)閭鞲衅鞯膸拰⑾拗七M(jìn)入二次儀表的信號(hào)的有效帶寬。一般用選擇寬頻帶的變頻電壓傳感器、變頻電流傳感器或電壓、電流組合式的變頻功率傳感器。

高次諧波綜述

為了便于諧波的計(jì)量和管理，在實(shí)際工作中常需用數(shù)字來集中表征畸變波形的某種特性,因此定義了一些特征量,諸如畸變率、諧波含量、通信干擾指標(biāo)(TIF)、波幅系數(shù)、波形系數(shù)等,其中畸變率和諧波含量應(yīng)用最廣泛。

高次諧波畸變率

表征波形畸變的程度。它是衡量電能質(zhì)量的一個(gè)指標(biāo)。各次諧波電壓的有效值的均方根值與額定電壓或其基波電壓有效值的百分比，稱為電壓正弦波形畸變率，簡(jiǎn)稱畸變率DφU，即(%)許多國(guó)家規(guī)定低壓供電電壓的畸變率不許超過5%。

高次諧波諧波含量

工程上常要求給出電壓或電流畸變波形中某次諧波的含量，以便于監(jiān)測(cè)和采取防治措施。定義電壓（或電流）畸變波形的第n次諧波含量等于第n次諧波電壓（或電流）有效值 U_n（或I_n）與其基波電壓(或電流)有效值U₁（或I₁）的百分比。

無論是裸堆還是帶反射層的堆，在次臨界狀態(tài)下都存在著高次諧波。如前所指出的，堆內(nèi)的中子通量

各階高次諧波的空間分布

例如，對(duì)于一個(gè)高H半徑為R的圓柱形裸堆，將源可放在堆的頂部中央

電力牽引高次諧波(harmonics of electric traction) 是指整流式交流電力機(jī)車在整流過程中將引起交流側(cè)電流、電壓波形畸變，按傅立葉級(jí)數(shù)分析該畸變波形可分解成頗率為基波頻率整數(shù)倍的一系列高次諧波分量的疊加 。

高次諧波電流、電壓可引起下列不良影響：

(1)對(duì)通信線產(chǎn)生雜音干擾影響；

(2)引起電力系統(tǒng)中其他電力電容器設(shè)備的過負(fù)荷；

(3)當(dāng)電氣化鐵路負(fù)荷某次諧波電流頻率與電力系統(tǒng)自身諧振頻率相近時(shí)，可產(chǎn)生電流諧振，使該次諧波電流在電力系統(tǒng)中放大，危及系統(tǒng)安全運(yùn)行；

(4)使旋轉(zhuǎn)電機(jī)、變壓器、電力電纜的出力減少并產(chǎn)生過熱，影響電氣設(shè)備壽命；

(5)造成繼電保護(hù)誤動(dòng)或儀表讀數(shù)誤差；

(6)使半導(dǎo)體開關(guān)元件換相失靈 。