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谐波的危害和治理。

发布日期:2018-05-15 23:44:12 点击量:492

谐波的基本概念
谐波频率是基波频率的整倍数,任何周期性非正弦波都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。
一般地讲,奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。在平衡的三相系统中,由于对称关系,偶次谐波已经被消除了,只有奇次谐波存在。对于三相整流负载,出现的谐波电流是6n±1次谐波,例如5、7、11、13、17、19等。变频器主要产生5、7次谐波。
频率为基波非整数倍的分量称为间谐波,有时候也将低于基波的间谐波称为次谐波。

 基波与3次谐波、5次谐波的波形图如图1、图2所示

  图1   基波与3次谐波的波形图

  图2    基波与5次谐波的波形图
 谐波的产生
(1)具有铁磁饱和特性的铁心设备
主要为变压器、电抗器等,此种设备产生的谐波较少。理论上,变压器正常运行时,本身不产生谐波,但是变压器磁通达到饱和时,主要会产生3次谐波。


(2)以电弧为工作介质的设备
 如气体放电灯、交流弧焊机、炼钢电弧炉等。这类负荷谐波含量大,且有低次、偶次谐波。

(3)以电子元件为基础的开关电源设备
如整流器、逆变器、变频器、相控调速和调压装置、大容量的晶闸管可控开关设备等。

(4)不间断电源系统(UPS)
大功率UPS是通信电源系统中主要的谐波源,采用可控硅整流是UPS产生谐波的主要原因。UPS生产厂家提供的谐波指标通常是满载输出时的数据,而实际情况中UPS不可能运行在满载状态下。

谐波的治理
谐波的治理应当首先考虑预防,控制好谐波产生的源头,使系统中产生的谐波尽量减小,就可以更方便的治理或者不用再进行进一步的治理。因此,在选择设备和构建系统时,就应该将减小谐波做为一项重要的条件来考虑。对于交流和直流两大类通信电源设备:在其他条件同等或类似的情况下,UPS系统应该优先选择12脉冲或者Delta变换的设备,直流系统应优先选择有更好的整流电路和完善的滤波措施的产品。
在通信领域,为了使谐波尽量不对油机等设备的运行产生干扰,为了使整个供电系统更安全可靠,将整个系统中各点的电流谐波含量均控制在5%以内是最佳的选择。因此,在新建系统时,应对各种设备专门提出谐波指标相关的要求,以保证系统中的谐波在建设时就得到控制。
对于既有的用户低压系统来说,由于系统结构已经基本固定,谐波问题的解决只能通过加装电抗器、滤波器等补救措施得以控制。
(1)无源滤波
 无源电力滤波器是传统的补偿无功和抑制谐波的主要手段。
无源电力滤波器由电力电容器、电抗器和电阻器适当组合而成。
滤波装置通常由若干个无源滤波器并联而成,每个滤波器在一个谐波频率附件或在某一个频带内呈现低阻特性,从而吸收谐波电流,使流入交流系统的谐波电流减小,达到抑制谐波的目的。
滤波器投入电网中工作时,往往与谐波源并联滤除特定次谐波电流。在基波下,滤波器通常呈容性,除了起滤波作用外,还可兼顾无功补偿的需要。
工程上使用的无源滤波装置一般由一组或数组单调谐滤波器组成,每组单调谐滤波器调谐于需要滤除的谐波频率上,或者谐波频率附近。当需要滤除更高频率的谐波电流而幅值又较小时,可以再加一组高通滤波器。

无源滤波的优点如下:
1)其结构简单,电压和容量可以做的很大。
2)在吸收谐波的基础上还可以补偿无功,改善功率因素。
3)设计制造经验成熟,维护方便,造价低,运行费用也低。
4)对某一次高次谐波的吸收效果明显。
无源滤波器是通过在系统中为谐波提供一条并联的低阻通路,其滤波特性由系统和滤波器的阻抗比所决定,因而存在以下缺点:
1)滤波器一旦制成,性能参数难以变动,滤波特性受系统参数的影响较大。当系统参数改变,则滤波装置有可能失效甚至会引起谐振。因此当电网谐波阻抗降低时,滤波效果将随之降低;当电网参数不变而谐波电流增加时,可能使滤波器过载。此外,滤波器的电抗电容值通常也会有容差,也会降低滤波效果。
2)只能消除特定的几次谐波,由于无源元件本身的特性,会与电网阻抗一起作用引起谐振,而对某些次谐波会产生放大作用。当电网短路容量大(即电源阻抗小)时,则要求滤波器阻抗还要更小,即要求滤波器是精确调谐(锐调谐),但由于部件性能的容差和变动使滤波器的设计有很大困难。
3)谐波电流增大时,滤波器负担随之加重,可能造成滤波器过载。另一方面,由于滤波支路表现出电容特性,会产生超前的无功电流,如果系统原有的无功含量不大,就会出现无功功率过补偿,功率因数可能因此下降,而且会提升电网电压,这对某些设备也是不安全的。
(2)有源滤波
有源电力滤波器,是采用现代电力电子技术和基于高速DSP器件的数字信号处理技术制成的电力谐波治理专用设备。它由指令电流运算电路和补偿电流发生电路两个主要部分组成。指令电流运算电路实时监视线路中的电流,并将模拟电流信号转换为数字信号,送入高速数字信号处理器(DSP)对信号进行处理,将谐波与基波分离,并以脉宽调制(PWM)信号形式向补偿电流发生电路送出驱动脉冲,驱动IGBT或IPM功率模块,生成与电网谐波电流幅值相等、极性相反的补偿电流注入电网,对谐波电流进行补偿或抵消,主动消除电力谐波。
有源滤波的优点如下:
1)实现了动态补偿,可对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功功率进行补偿,对补偿对象的变化有极快的响应。
2)可同时对谐波和无功功率进行补偿,补偿无功功率时不需要储能元件,补偿谐波时所需要储能元件容量也不大,且补偿无功功率的大小可做到连续调节。
3)即使补偿电流过大,有源电力滤波器也不会发生过载,并能正常发挥补偿作用。
4)受电网阻抗的影响不大,不容易和电网阻抗发生谐振,并能正常发挥补偿作用。
5)能跟踪电网频率的变化,故补偿性能不受电网频率变化的影响。
6)既可对一个谐波和无功源单独补偿,也可对多个谐波和无功源集中补偿。
   谐波治理几种方法比较如下图所示。


谐波的

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