諧波電流和諧波阻抗的估算

諧波電流的估算有時是很困難的，因為影響諧波電流大小的因素很多，例如有功負荷的大小，變流器的類彆和控製要求等等，而某些情況，甚至無法估算，例如電弧爐、弧焊機等，這就隻有等待設備運行後的諧波測量。但從下麵的分析中可以看出變流器發射的諧波電流還是有一定的規律的。如果變電所的負荷中，變流設備占了一定的比重，估算出諧波騷擾量和係統阻抗，就可以考慮諧波治理的予案；又如民用建築中，單相負荷電流若包含有零序諧波成分（3次及3的倍數次諧波），可能對中性及開關的第4級帶來麻煩。總之，估算可能並不準確，但它是諧波治理的基礎。

2.諧波源分類

2.2諧波源分類

（1）半導體變流器

半導體器件是可控的，例如晶閘管（SCR），也可以是不可控，例如二級管，這些變流器又可分為三類，它們有各自單獨的諧波發射規律。移相調壓，輸出仍是交流，正弦波被切出一部分，因而輸出不是正弦波，有效值隨移相角增大而變小，白熾燈調光器，取暖爐和電炊具控製器輸出電流。典型設備如軟A啟動器，白熾燈調光器，取曖爐和電炊具控製器等，有三相也有單相的，常用電功率器件為晶閘管反並聯或雙向晶閘管。

另外還有一種是通斷調壓，輸出的每個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，例如剩下的周波數若為40HZ，則輸出電功率為80％，可用於控製電阻爐加熱的溫度。輸入線電流的諧波成分減少，但50HZ附近的間諧波量增加，本文對此不討論。

直流輸出用電感濾波的整流橋，從交流側發射出的諧波具有電流源的性質，也可稱為電流型諧波源。整流橋可以是不可控的二級管，也可為晶閘管，*常見的設備為電冶金電化學直流電源、直流調速裝置等。

直流輸出用大電容濾波的整流橋，則交流側諧波具有電壓源的性質，也可稱為電壓型諧波源，*常見的設備為PWM變頻器（逆變器的輸入整流橋為大電容濾波），UPS以及大量的要用上直流日用電器，它們大都是用交流電源經整流（大電容濾波），再經PWM變成各種不同直流電壓且可以穩壓的直流電源。

（2）電阻決定於電流的非線性阻抗

典型設備為交流電弧爐，交流弧焊機，熒光燈（直接接入交流電源的），氣體放電燈。

（3）飽和電抗的投入

可產生瞬態諧波，例如電動機，變壓器的投入，有電容時也可產生瞬態諧波。

3.變流器諧波發射量的計算

直流整流裝置已有較長的應用曆史，電冶金電化學用大功率整流裝置屢見不鮮，因此電流源諧波量的計算技術應該比較成熟。移相調壓交流控製器電路及其原理相對較簡單，諧波量的計算也較容易。但采用大電容在直流側濾波的整流裝置由於采用PWM技術的變頻調速大量應用致使其用電容量的比重逐步增加，電壓源諧波的計算才受到了重視，同時在商、住、辦公樓的建築中也有數量很多（雖然單台功率很小）的電壓型諧波源，而且是單相交流220V，它帶來了不少新問題。總之，電壓型諧波量的計算在國內發表的論文，筆者知之甚少。它需要複雜的理論分析和試驗驗證，可能就是難點所在。

3.1移相調壓型交流控製器

（1）單相

由表2可直接查得交流輸入側諧波電流相對值

表2中IHMAX—可能的諧波電流*大值，因為諧波電流的大小和移相角α有關，以3次諧波為例，在移相角α＝90°*大，達到0.318。但此次的基波電流不是*大值而是0.6左右（表中未示出，可查文獻【2】的曲線）。

（2）三相

如果負載電壓是220V且不平衡，那麼，中性線上就會流過基波的三相不平衡電流和三相的3次的和3的倍數次諧波電流之和，而ABC各相的線電流和單相時是一樣的規律。

如果三相負載是平衡的，負載作三角形聯接時，輸入線電流中冇有3次及3的倍數次諧波電流，但可以在負載中流通；如果星形連接且不引出中性點，則輸入線電流和負載電流都冇有3及3的倍數次諧波。

3.2電流型諧波源（直流用大電感濾波）

如前所述，諧波電流計算已有一段曆史，故簡要介紹如下：（一般隻涉及到三相電路）

如果輸出直流是平滑的，而且忽略整流時的換流現象，則諧波電流相對值為

IH／II＝1／H（3）

式中：IH—諧波電流；

I1—基波電流，決定於負載；

H—諧波次數。

當整流脈動數為6（例如三相全橋），則諧波次數為5、7、11、13等奇數次諧波即H＝6N±1。脈動數為12時，則冇有5次和7次諧波。

下麵一些因素，會使諧波電流偏離1／H規律：

（1）移相角控製增加時，諧波電流略有增加；

（2）係統阻抗增加，短路容量減少，換流重疊角增加，則諧波電流略有減少；

（3）直流電流平滑度降低時，對6脈動電路而言5次諧波會顯著增加，更高次諧波變化不大；

（4）由於線路電壓或阻抗或移相角不平衡時，將出現整數次的非特征諧波次數如下：

H≠6N±1（4）

詳情如理論分析和曲線見文獻【2】，數據表格見文獻【1】，但是已可看出明顯的規律，那就是整流的相數決定了脈動數的多少，因而就決定了諧波的次數的高低和諧波量的大小，這是要的，其次是直流電流平滑度的影響。

3.3電壓型諧波源

常見之於通用PWM變頻器調速裝置，其前端為三相橋式整流帶大電容濾波，其諧波電流相對值如表3【1】。

很明顯的可以看出，變頻裝置接入電網點和短路功率大，即係統阻抗愈小，諧波電流愈大，限製諧波電流的選實用辦法就是在變頻交流側串入一個交流電抗器。

對本問題，文獻【2】內信息很少，筆者曾有一文獻【3】，欲知詳情，也可以參考。

4.其它諧波源簡介

（1）電弧爐

諧波電流的大小與許多因素例如運行方式，爐料種類，爐內溫度、電極的情況有關，諧波的大小變化無規律。

（2）氣體放電燈和交流直接供電的熒光燈

文獻【4】《工程設計中氣體放電光源諧波估算方法的研究》是在諧波測試的基礎上的研究結論。遺憾的是所見資料不全，因為氣體放電燈還有其它的品種規格，也未包括熒光燈。據測試結果，高壓汞鈉燈三次諧波約為總電流的14％左右，而5次7次分量小，隻有2％左右，不知此數據能否適用其它光源，也不清楚國內是否還有學者在測定光源本身的諧波發射量。

另外，要注意氣體放電燈光源的諧波和白熾燈用移相調壓產生的諧波是兩種不同的性質。

（3）微機、電視機和通過電子裝置供電的熒光燈

其特點為二極管整流橋（用大電容濾波）接在單相220V電源上，也是電壓壓型諧波源，奇數次諧波從3次到5次的諧波含量均很大，其中3次與5次可達到基波的90％左右，隨著負載RC乘積的增大而增加，R為輸出側的等值電阻，C為濾波電容。文獻【2】有詳細分析與曲線可參考，未見IEC提供有關信息。本文在*後一節中將會介紹。

如前所述，此類設備單台功率很小，但數量大，在商、住、辦公樓中會引起麻煩。