谐波源总结

谐波源及其相关知识

一、谐波概述

谐波是指对周期性非正弦交流量进行傅立叶级数分解所得到的大于基波频率整数倍的各次分量，通常也称为高次谐波，而基波是指其频率与工频相同的分量。

谐波源是指向公用电网注入谐波电流或在公用电网产生谐波电压的电气设备。

二、主要的谐波源

电力系统中的谐波来自电气设备，也就是说来自发电设备和用电设备。

电弧加热设备：如电弧炉、电焊机等。

感应加热设备：如中频炉等。

交流整流的直流用电设备：如电力机车、电解、电镀等。

交流整流再逆变用电设备：如变频调速、变频空调等。

开关电源设备：如、彩色电视机、电脑、电子整流器等。

1、发电机、变压器等

由于发电机的转子产生的磁场不可能是完善的正弦波，因此发电机发出的电压波形不可能是一点不失真的正弦波。

2、变频器

（1）变频器工作原理简介

变频器是工业调速传动领域中应用较为广泛的设备之一。变频器是利用电力半导体器件的通断作用把工频（50Hz）变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备。现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，整流电路将交流电转换成直流电；逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，逆变电路将直流电再逆变成交流电，且输出为PWM波形；中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率直流，中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波；控制电路完成对主电路的控制。其中由于变频器逆变电路的开关特性，对其供电电源形成了一个典型的非线性负载。因此，以变频器为代表的电力电子装置是供用电网中最主要的谐波源之一。

（2）变频器产生谐波的机理

交直交变频器产生谐波的机理

变频器输出侧产生谐波的机理是：凡是在电源侧有整流回路的都产生因其非线性引起的谐波。

在逆变电路中，对于电压型电路来说，输出电压是矩形波。对电流型电路来说，输出电流是矩形波。矩形波中含有较多的谐波。

（3）变频器的谐波治理

加装无源滤波器：将无源滤波器安装在变频器的交流侧，无源滤波器由L、C、R元件构成谐波共振回路，当LC回路的谐波频率和某一次谐波电流频率相同时，即可阻止高次谐波流入电网。无源滤波器的特点是投资少、频率高、结构简单、运行可靠及维护方便。其缺点是滤波易受系统参数的影响，对某些次谐波有放大的可能、体积大。

加装有源滤波器：早在70年代初，日本学者就提出有源滤波器的概念，有源滤波器通过对电流中高次谐波进行检测，根据检测结果输入与高次谐波成分具有相反相位电流，达到

实时补偿谐波电流的目的。与无源滤波器相比具有高度可控性和快速响应性，有一机多能特点。切可消除与系统阻抗发生谐振的危险。也可自动跟踪补偿变化的谐波。但存在容量大？，价格高等缺点。

（4）工厂、企业中常用到变频器的设备

变频器广泛应用于机械、石化、水泥、纺织、印染、造纸、塑胶、供水、冶金、电力、暖通、水工业、交通等行业。

暖通行业（风机、水泵）、塑胶行业（注塑机）、纺织行业（纺机）、变频器应用于臭氧生产线、电力行业（锅炉控制系统）、机械行业（煤场桥式起重机、电梯）、变频器应用于水平线同步控制系统、造纸行业（拖动系统）

3、家用电器

由低压电网供给电源的各种电器设备，在市政生活和企事业单位应用十分广泛，在这些家用电器中，有不少家用电器含有非线性元件，会产生谐波电流，主要有电视机、各种节能灯、电冰箱、洗衣机、微波炉、电磁炉、计算机、激光打印机、充电器、各种医疗和科研用的仪器和设备、调速驱动例如空调用压缩机、高层建筑用的大型电梯等，它们大都是用晶闸管、小功率的整流装置等电力电子元件，有的电器带小容量变压器。其励磁电流所占比例较大，虽然其单个容量小（数十瓦到数千瓦），但数量较多且分布很广，它们产生的高次谐波也会对电力系统造成影响，加重电力网的谐波污染。

4、电焊机

电焊机是将电能焊接能量，使金属或非金属工件的焊接部分熔融或塑性挤压，达到原子间的结合，从而实现焊接的一种热加工设备。

电焊机按焊接能源和不同的焊接原理可分为三种基本类型，即电弧焊机、电阻焊机、特种焊机。

①电弧焊是通过电弧产生的热量熔化工件结合处，而实现焊接的过程；电阻焊是使大电流通过工件结合处，产生电阻热，达到塑熔，并加压，而实现焊接的过程；特种焊是利用电能转换为其他能量，如电子束、等离子体、激光、摩擦热、超声波，或使工件直接施加压力，而实现焊接的过程。应用得最为广泛的是电弧焊和电阻焊。

焊接电弧的静态伏安特性：一定长度的电弧在稳定状态下，电弧电压与电弧电流之间的关系，称为其静态伏安特性。焊接电弧为一非线性负载、当电弧电流从小到大在很大范围内变化时，焊接电弧的伏安特性近似U形曲线。

5、UPS电源系统

UPS电源系统由4部分组成：整流、储能、变换和开关控制。其系统的稳压功能通常是由整流器完成的，整流器件采用可控硅或高频开关整流器，本身具有可根据外电的变化控制输出幅度的功能，从而当外电发生变化时（该变化应满足系统要求），输出幅度基本不变的整流电压。净化功能由储能电池来完成，由于整流器对瞬时脉冲干扰不能消除，整流后的电压仍存在干扰脉冲。储能电池除可存储直流直能的功能外，对整流器来说就象接了一只大容器电容器，其等效电容量的大小，与储能电池容量大小成正比。由于电容两端的电压是不能突变的，即利用了电容器对脉冲的平滑特性消除了脉冲干扰，起到了净化功能，也称对干扰的屏蔽。频率的稳定则由变换器来完成，频率稳定度取决于变换器的振荡频率的稳定程度。

6、电解、电镀

电镀(electroplating)是一种电离子沉积过程(electrodepos- ition process)，是利用电极(electrode)通过电流，使金属附着在物体表面上，其目的为改变物体表面的特性或尺寸。电镀大部分是在液体(solution)下进行，在电解的过程中，电流方向改变会影响反应正常进