谐波电流和谐波阻抗的估算

谐波电流的估算有时是很困难的，因为影响谐波电流大小的因素很多，例如有功负荷的大小，变流器的类别和控制要求等等，而某些情况，甚至无法估算，例如电弧炉、弧焊机等，这就只有等待设备运行后的谐波测量。但从下面的分析中可以看出变流器发射的谐波电流还是有一定的规律的。如果变电所的负荷中，变流设备占了一定的比重，估算出谐波骚扰量和系统阻抗，就可以考虑谐波治理的予案；又如民用建筑中，单相负荷电流若包含有零序谐波成分（3次及3的倍数次谐波），可能对中性及开关的第4级带来麻烦。总之，估算可能并不准确，但它是谐波治理的基础。

2.谐波源分类

2.2谐波源分类

（1）半导体变流器

半导体器件是可控的，例如晶闸管（SCR），也可以是不可控，例如二级管，这些变流器又可分为三类，它们有各自单独的谐波发射规律。移相调压，输出仍是交流，正弦波被切出一部分，因而输出不是正弦波，有效值随移相角增大而变小，白炽灯调光器，取暖炉和电炊具控制器输出电流。典型设备如软A启动器，白炽灯调光器，取暧炉和电炊具控制器等，有三相也有单相的，常用电功率器件为晶闸管反并联或双向晶闸管。

另外还有一种是通断调压，输出的每个交流正弦波是完整的，但不足50HZ，按比例被切去了一部分周波，例如剩下的周波数若为40HZ，则输出电功率为80％，可用于控制电阻炉加热的温度。输入线电流的谐波成分减少，但50HZ附近的间谐波量增加，本文对此不讨论。

直流输出用电感滤波的整流桥，从交流侧发射出的谐波具有电流源的性质，也可称为电流型谐波源。整流桥可以是不可控的二级管，也可为晶闸管，*常见的设备为电冶金电化学直流电源、直流调速装置等。

直流输出用大电容滤波的整流桥，则交流侧谐波具有电压源的性质，也可称为电压型谐波源，*常见的设备为PWM变频器（逆变器的输入整流桥为大电容滤波），UPS以及大量的要用上直流日用电器，它们大都是用交流电源经整流（大电容滤波），再经PWM变成各种不同直流电压且可以稳压的直流电源。

（2）电阻决定于电流的非线性阻抗

典型设备为交流电弧炉，交流弧焊机，荧光灯（直接接入交流电源的），气体放电灯。

（3）饱和电抗的投入

可产生瞬态谐波，例如电动机，变压器的投入，有电容时也可产生瞬态谐波。

3.变流器谐波发射量的计算

直流整流装置已有较长的应用历史，电冶金电化学用大功率整流装置屡见不鲜，因此电流源谐波量的计算技术应该比较成熟。移相调压交流控制器电路及其原理相对较简单，谐波量的计算也较容易。但采用大电容在直流侧滤波的整流装置由于采用PWM技术的变频调速大量应用致使其用电容量的比重逐步增加，电压源谐波的计算才受到了重视，同时在商、住、办公楼的建筑中也有数量很多（虽然单台功率很小）的电压型谐波源，而且是单相交流220V，它带来了不少新问题。总之，电压型谐波量的计算在国内发表的论文，笔者知之甚少。它需要复杂的理论分析和试验验证，可能就是难点所在。

3.1移相调压型交流控制器

（1）单相

由表2可直接查得交流输入侧谐波电流相对值

表2中IHMAX—可能的谐波电流*大值，因为谐波电流的大小和移相角α有关，以3次谐波为例，在移相角α＝90°*大，达到0.318。但此次的基波电流不是*大值而是0.6左右（表中未示出，可查文献【2】的曲线）。

（2）三相

如果负载电压是220V且不平衡，那么，中性线上就会流过基波的三相不平衡电流和三相的3次的和3的倍数次谐波电流之和，而ABC各相的线电流和单相时是一样的规律。

如果三相负载是平衡的，负载作三角形联接时，输入线电流中没有3次及3的倍数次谐波电流，但可以在负载中流通；如果星形连接且不引出中性点，则输入线电流和负载电流都没有3及3的倍数次谐波。

3.2电流型谐波源（直流用大电感滤波）

如前所述，谐波电流计算已有一段历史，故简要介绍如下：（一般只涉及到三相电路）

如果输出直流是平滑的，而且忽略整流时的换流现象，则谐波电流相对值为

IH／II＝1／H（3）

式中：IH—谐波电流；

I1—基波电流，决定于负载；

H—谐波次数。

当整流脉动数为6（例如三相全桥），则谐波次数为5、7、11、13等奇数次谐波即H＝6N±1。脉动数为12时，则没有5次和7次谐波。

下面一些因素，会使谐波电流偏离1／H规律：

（1）移相角控制增加时，谐波电流略有增加；

（2）系统阻抗增加，短路容量减少，换流重叠角增加，则谐波电流略有减少；

（3）直流电流平滑度降低时，对6脉动电路而言5次谐波会显著增加，更高次谐波变化不大；

（4）由于线路电压或阻抗或移相角不平衡时，将出现整数次的非特征谐波次数如下：

H≠6N±1（4）

详情如理论分析和曲线见文献【2】，数据表格见文献【1】，但是已可看出明显的规律，那就是整流的相数决定了脉动数的多少，因而就决定了谐波的次数的高低和谐波量的大小，这是要的，其次是直流电流平滑度的影响。

3.3电压型谐波源

常见之于通用PWM变频器调速装置，其前端为三相桥式整流带大电容滤波，其谐波电流相对值如表3【1】。

很明显的可以看出，变频装置接入电网点和短路功率大，即系统阻抗愈小，谐波电流愈大，限制谐波电流的选实用办法就是在变频交流侧串入一个交流电抗器。

对本问题，文献【2】内信息很少，笔者曾有一文献【3】，欲知详情，也可以参考。

4.其它谐波源简介

（1）电弧炉

谐波电流的大小与许多因素例如运行方式，炉料种类，炉内温度、电极的情况有关，谐波的大小变化无规律。

（2）气体放电灯和交流直接供电的荧光灯

文献【4】《工程设计中气体放电光源谐波估算方法的研究》是在谐波测试的基础上的研究结论。遗憾的是所见资料不全，因为气体放电灯还有其它的品种规格，也未包括荧光灯。据测试结果，高压汞钠灯三次谐波约为总电流的14％左右，而5次7次分量小，只有2％左右，不知此数据能否适用其它光源，也不清楚国内是否还有学者在测定光源本身的谐波发射量。

另外，要注意气体放电灯光源的谐波和白炽灯用移相调压产生的谐波是两种不同的性质。

（3）微机、电视机和通过电子装置供电的荧光灯

其特点为二极管整流桥（用大电容滤波）接在单相220V电源上，也是电压压型谐波源，奇数次谐波从3次到5次的谐波含量均很大，其中3次与5次可达到基波的90％左右，随着负载RC乘积的增大而增加，R为输出侧的等值电阻，C为滤波电容。文献【2】有详细分析与曲线可参考，未见IEC提供有关信息。本文在*后一节中将会介绍。

如前所述，此类设备单台功率很小，但数量大，在商、住、办公楼中会引起麻烦。