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电源技术之交流电路的谐波

2020-9-24 09:27:54  352 电源 谐波 频率
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在电压或电流特性不是线性的电气或电子设备或电路中,即流过它的电流与施加的电压不成比例。与设备关联的交变波形或多或少会与理想正弦波形的交变波形不同。这些类型的波形通常称为非正弦复杂波形

复杂的波形是由常见的电气设备生成的,例如铁芯电感器开关变压器,荧光灯中的电子镇流器以及其他此类重感性负载,以及交流发电机,发电机和其他此类电机的输出电压和电流波形。结果是即使电压波形是电流波形也可能不是正弦波。

同样,大多数电子电源开关电路,例如整流器,可控硅整流器(SCR),功率晶体管,功率转换器和其他此类固态开关,可切断和斩波电源正弦波形以控制电动机功率或转换正弦AC电源到直流。这些开关电路趋向于仅在交流电源的峰值处汲取电流,并且由于开关电流波形是非正弦的,因此所产生的负载电流被称为包含谐波

通过将一系列称为“谐波”的正弦波频率“相加”在一起,可以构造非正弦复数波形。谐波是广义术语,用于通过不同频率的波形来描述正弦波形的失真。然后,无论其形状如何,都可以将复杂的波形从数学上分为其各个组成部分,分别称为基本频率和多个“谐波频率”。但是,“基本频率”是什么意思。
基本频率基本波形(或一次谐波)是具有电源频率的正弦波形。基频是构建复数波形的最低频率或基频ƒ,因此,周期时间,所得复数波形的Τ将等于基频的周期时间。
让我们考虑如图所示的基本基波或一阶谐波AC波形。

其中:Vmax是以伏特为单位的峰值,ƒ是以赫兹(Hz)为单位的波形频率。
我们可以看到正弦波形是交流电压(或电流),它随角度2πƒ的正弦函数而变化。波形频率ƒ由每秒的循环数确定。在英国,该基本频率设置为50Hz,而在美国,则为60Hz。

谐波是指以基本频率的整数倍(整数)工作的电压或电流。因此,给定50Hz基本波形,这意味着二次谐波频率为100Hz(2 x 50Hz),三次谐波频率为150Hz(3 x 50Hz),在250Hz处为5次,在350Hz处为7次,依此类推。同样,在给定60Hz基本波形的情况下,第二,第三,第四和第五谐波频率分别为120Hz,180Hz,240Hz和300Hz。因此,换句话说,我们可以说“谐波”是基频的倍数,因此可以表示为:2ƒ,3ƒ,4ƒ等。
谐波导致的复杂波形

注意,上面的红色波形是由于谐波含量被添加到基频而在负载下看到的实际波形。基本波形也被称为一次谐波波形。因此,如左栏中所示,二次谐波的频率是基波频率的两倍,三次谐波的频率是基波频率的三倍,三次谐波的频率是基波频率的四倍。右侧栏显示了由于基波与不同谐波频率下的谐波波形相加而产生的复杂波形。注意,最终的复合波形的形状不仅取决于存在的谐波频率的数量和幅度,而且还取决于基频或基频与各个谐波频率之间的相位关系。

我们可以看到,复杂的波由基本波形和谐波组成,每个谐波都有自己的峰值和相位角。例如,如果基频为:E = Vmax(2πƒt),谐波值将给出为:
对于二次谐波:
E 2  = V 2max(2 *2πƒt)= V 2max(4πƒt),= V 2max(2πt)
对于三次谐波:
E 3  = V 3max(3 *2πƒt)= V 3max(6πƒt),= V 3max(3ωπt)
对于四次谐波:
E 4  = V 4max(4 *2πƒt)= V 4max(8πƒt),= V 4max(4πt)
等等。
那么,给出的复数波形值的公式为:

谐波通常通过他们的名字和频率进行分类,例如,2 次谐波的基本频率为100Hz,并且还可以通过序列的。谐波序列是指在平衡的三相4线制系统中,谐波电压和电流相对于基本波形的相量旋转。

正序谐波(4、7、10,…)将以与基频相同的方向(正向)旋转。其中,作为负序的谐波(第二,第五,第八,…)在基频的相反方向(反向)上旋转。
通常,正序谐波是不希望有的,因为它们会由于波形的增加而导致导体,电源线和变压器过热。

另一方面,负序谐波在各相之间循环,这会给电动机带来其他问题,因为相量旋转会削弱电动机(尤其是感应电动机)所需的旋转磁场,从而导致它们产生较小的机械转矩。

另一组称为“三重奏”(三倍数)的特殊谐波的旋转序列为零。三倍频是三次谐波(3rd,6th,9th等)的倍数,以此类推,因此得名,因此偏移了零度。零序谐波在相线和中线或地线之间循环。

与彼此抵消的正序和负序谐波电流不同,三阶或三次谐波不会抵消。取而代之的是在公用中性线中算术加总,该中性线要承受来自所有三相的电流。结果是,由于这些三次谐波,中性线中的电流幅度可能高达基频处相电流幅度的3倍,从而导致效率降低和过热。然后,我们可以将序列效应总结为50Hz基频的倍数:
谐波排序
名称基金。第二名第三名第四名第五名第六名第七名第八名第九名
频率Hz50100150200250300350400450
序列+0+0+0
请注意,相同的谐波序列也适用于60Hz基本波形。
序列回转谐波效应
+前锋过热效应
逆转电机扭矩问题
0没有在中性线中增加电压和/或电流,从而导致发热
谐波摘要谐波是叠加在基频(即电路的频率)上的高频波形,足以使它的波形失真。施加到基波的失真量将完全取决于存在的谐波的类型,数量和形状。

自从引入用于电动机,风扇和泵的电子驱动器,整流器,功率转换器和晶闸管功率控制器之类的电源开关电路以及大多数非线性电子相位控制以来,谐波在过去几十年中才出现了足够的数量。负载和高频(节能)荧光灯。这主要是由于这样的事实,即负载所汲取的受控电流没有如整流器或功率半导体开关电路那样忠实地遵循正弦波形。
配电系统中的谐波与基频电源(50Hz或60Hz)结合在一起会产生电压和/或电流波形的失真。这种失真会产生由多个谐波频率组成的复杂波形,这可能会对电气设备和电力线产生不利影响。

赋予复杂波形其独特形状的波形失真量与最主要的谐波分量的频率和幅度直接相关,这些谐波分量的谐波频率是基频的倍数(整数)。最主要的谐波分量是从2ND到19 ND是最差的。

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王栋春 2020-9-24 22:03:27
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