谐波工程师开发指南

谐波会降低电能质量，缩短设备的使用寿命，并可能损害系统稳定性。本常见问题解答提供了谐波、其主要来源以及为其控制而制定的行业标准的技术概述。

电气系统中的谐波是如何定义的？

理想的交流电源以基频（例如 50 Hz 或 60 Hz）提供纯正弦波形。在实践中，现代电子设备的使用越来越多地导致了这种波形的失真。这种失真是由称为谐波的更高频波形引起的。

失真电波形是由不同频率的多个正弦波相加形成的复合信号。主要的、预期的波形是基频。谐波是频率为基频整数倍的正弦波形。

图1通过将失真电流波形I（t）解构为基波分量及其随后的奇谐波来说明这一概念。

图 1.失真电流波形 I（t） 是第一基频及其奇谐波（第三次、第五次和第七次）的总和。（图片：IEEE)

对于 50 Hz 系统，关系如下：

• 1次谐波（基波）= 50 Hz

• 三次谐波：3 x 50 Hz = 150 Hz

• 五次谐波：5 x 50 Hz = 250 Hz

• 7次谐波：7 x 50 Hz = 350 Hz

在三相电力系统中，奇谐波（三次、五次、七次等）是最普遍和最具破坏性的。它们的累积效应将干净的正弦波转换为失真、效率较低的波形，从而导致作问题。

谐波的主要来源是什么？

谐波的主要原因是非线性负载的运行。与响应正弦电压而消耗正弦电流的线性负载（例如白炽灯泡、电阻加热器）不同，非线性负载以短而突然的脉冲消耗电流。此过程将谐波电流注入电力系统。

工业和商业设施中的非线性负载数量显着增长。图 2 绘制了电网中最常见的谐波源。

图 2.电力系统谐波失真的主要来源。（图片：Wiley)

如图所示，电力电子转换器是主要来源。此类别包括：

• 变速驱动器用于工业和暖通空调系统中的电机控制。

• 光伏逆变器，将太阳能电池板的直流电转换为交流电以供电网使用。

• 开关模式电源，是计算机、充电器和大多数电子产品不可或缺的一部分。

其他重要来源包括电动汽车充电站、荧光灯和 LED 照明以及电弧炉等工业设备。

谐波和相关标准有什么影响？

谐波的存在会对电气系统产生明显的负面影响。这些包括：

• 过热：谐波电流会增加 I²R 损耗，导致接线、变压器和电机过热，从而降低效率并缩短设备寿命。

• 设备故障：电压失真会破坏敏感电子设备的运行，导致数据错误、控制系统故障或断路器误跳闸。

• 能量损失：谐波代表不执行有用功的能量，只会导致系统损失并增加运营成本。

由于这些不利影响，电气和电子工程师协会 （IEEE） 和国际电工委员会 （IEC） 等国际机构制定了限制谐波失真的标准。图 3 显示了这些标准中最突出的标准。

图 3.主要国际谐波标准概述。（图片来源：IEEE)

这些标准定义了谐波注入的可接受限值，以确保电能质量和系统稳定性。它们涵盖了几个关键领域：

• 消费者限制（例如 IEEE 519）：指定允许设施注入公用电网的最大失真。

• 设备限制（例如 IEC 61000-3-2）：对特定类型设备产生的谐波电流设置限制。

• 测量协议（例如 IEC 1000-4-7）：标准化谐波测量方法。

这些标准的主要目标是将总谐波失真保持在指定阈值以下，对于一般应用来说通常为 5%。这是量化整体波形失真的关键指标。

总结

谐波是电力电子负载的固有副产品。它们对系统效率、可靠性和成本的影响是巨大的。通过了解谐波的原理、其来源和管理标准，工程师可以设计、分析和维护更强大、更高效的电气系统。