谐波

谐波是不需要的较高频率,叠加在基波上,产生失真的波形

在 AC 电路中,电阻的行为与在 DC 电路中的行为完全相同。也就是说,流过电阻的电流与其两端的电压成比例。这是因为电阻器是线性器件,并且如果施加到其上的电压是正弦波,则流过它的电流也是正弦波,因此两个正弦波之间的相位差为零。

通常,当处理电路中的交流电压和电流时,假设它们是纯的和正弦形状,只有一个频率值,称为“基频”,但情况并非总是如此。

在具有非线性的电压 - 电流特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。与器件相关的交流波形将或多或少地与理想正弦波形的波形不同。这些类型的波形通常称为非正弦波或复杂波形。

复杂的波形由常见的电气设备产生,例如铁芯电感器,开关变压器,荧光灯中的电子镇流器和其他这样的大电感负载以及 AC 交流发电机,发电机和其他这样的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。

大多数电子电源开关电路,如整流器,可控硅整流器(SCR),功率晶体管,电源转换器和其他这样的固态开关,它们切断和切断电源正弦波形以控制电机功率,或转换正弦交流电源到 DC。这些开关电路倾向于仅在 AC 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,因此所得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“加”在一起来构造非正弦复合波形。谐波是用于描述不同频率波形的正弦波形失真的通用术语。

然后无论其形状如何,复杂的波形都可以在数学上分成它的各个分量,称为基频和许多“谐波频率”。但是,“基频”是什么意思呢?

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。基波是建立复杂波形的最低频率或基频 ƒ ,因此产生的复杂波形的周期时间 τ 将等于基频的周期时间。

让我们考虑基本的基波或一次谐波交流波形,如图所示。

基波

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),其作为角度的正弦函数 2π 变化。波形频率 ƒ 由每秒的周期数决定。在英国,这个基频设置为 50Hz,而在美国则为 60Hz。

谐波是以基频的整数(整数)倍频运行的电压或电流。因此,给定 50Hz 基波波形,这意味着二次谐波频率为 100Hz(2×50Hz),三次谐波为 150Hz(3×50Hz),第五次为 250Hz,第三次为 350Hz,依此类推。同样,给定 60Hz 基波,第 2,第 3,第 4 和第 5 谐波频率分别为 120Hz,180Hz,240Hz 和 300Hz。

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,如图所示。

谐波引起的复杂波形

谐波和谐波波形

注意,上面的红色波形是由于谐波含量被添加到基频而由负载看到的波形的实际形状。

基本波形也被称为 1 谐波波形。因此,二次谐波的频率是基波的两倍,三次谐波的频率是基波的三倍,四次谐波的一次是基频的四倍,如左侧列所示。

右侧列显示了由于在不同谐波频率下添加基波波形和谐波波形之间的影响而产生的复杂波形。注意,所得到的复杂波形的形状不仅取决于存在的谐波频率的数量和幅度,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,复杂波由基波和谐波组成,每个谐波都有自己的峰值和相位角。例如,如果基频给定为; E = Vmax(2πƒt) ,谐波值将给出如下:

对于二次谐波:

E2 = V2max (2 *2πtt)= V2max (4πƒt),= V2max (2πt)

对于三次谐波:

E3 = V3max (3 *2πtt)= V3max (6πƒt),= V3max (3ωπt)

对于四次谐波:

E4 = V4max (4 *2πtt)= V4max (8πƒt),= V4max (4πt)

等等。

那么给出的复数波形值的等式将是:

谐波频率谐波方程

谐波通常通过他们的名字和频率进行分类,例如,2,在 100 赫兹的基频的谐波,并且还可以通过序列。谐波序列是指在平衡的 3 相 4 线系统中谐波电压和电流相对于基波波形的相量旋转。

正序谐波(第 4,第 7,第 10,……)将以与基频相同的方向(向前)旋转。其中负序谐波(2nd,5th,8th,…)在基频的相反方向(反向)旋转。

通常,正序谐波是不期望的,因为它们由于添加波形而导致导体,电力线和变压器的过热。

另一方面,负序谐波在相之间循环,从而产生电机的附加问题,因为相反的相量旋转削弱了电机,尤其是感应电机所需的旋转磁场,导致它们产生较小的机械扭矩。

另一组称为“三重”的特殊谐波(三个中的多个)具有零旋转序列。Triplens 是三次谐波的倍数(3rd,6th,9th,…)等,因此它们的名称,因此被移位零度。零序谐波在相和中性点或地之间循环。

与相互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。而是在公共中性线中算术计算,该中性线受到来自所有三相的电流。

结果是,由于这些三次谐波引起的中性线中的电流幅度可能高达基频处相电流幅度的 3 倍,从而导致其效率降低和过热。

然后我们可以将序列效应概括为 50Hz 的基频的倍数:

谐波测序

名称 基金。 第 2 第 3 第四 第 5 第 6 7 日 第八 9 日
频率,Hz 50 100 150 200 250 300 350 400 450
序列 + - 0 + - 0 + - 0

注意,相同的谐波序列也适用于 60Hz 基波。

| | | | | – | – | —————— | | 序列 | 回转 | 谐波效应 | | + | 前锋 | 过热效应 | | - | 相反 | 电机扭矩问题 | | 0 | 没有 | 在中性线中添加电压和/或电流导致加热 |

谐波总结

谐波是叠加在基频上的高频波形,即电路的频率,足以扭曲其波形。应用于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。

自从引入用于电机,风扇和泵的电子驱动器,电源开关电路(如整流器,电源转换器和晶闸管功率控制器)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仅存在足够的数量。负载和高频(节能)荧光灯。这主要是由于负载汲取的受控电流不忠实地遵循正弦电源波形,如整流器或功率半导体开关电路的情况。

电力分配系统中的谐波与基频(50Hz 或 60Hz)电源相结合,以产生电压和/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,这可能对电气设备和电力线产生不利影响。

给出复杂波形其独特形状的波形失真量与谐波频率是基频的倍数(整数)的最主要谐波分量的频率和幅度直接相关。最主要的谐波分量是从 2 低次谐波ND 到 19 与 triplens 是最差的。