电力系统间谐波表明没有一个电力系统是完美的

关键的外卖

• 真正的交流电源，如现代电网，将提供谐波失真的输入电源。

• 谐波间是由三个可能的来源产生的失真的一种形式。

• 行业标准规定了允许的总谐波畸变，包括电力系统间谐波。

没有一个电力系统是完美的，包括民用电力系统。

只要交流电力系统被用于民用和工业电力，电力系统间谐波就会产生噪声和效率问题。这些出现在电机驱动系统和任何交流系统中，在信号中有非线性负载或非线性功率转换组件(例如，铁氧体变压器和EMI滤波器)。尽管我们喜欢认为交流电源是一个干净的正弦信号，但真正的交流电源是有噪声的，必须清除，在配电端和终端设备。

插入交流市电的设备不应超出一定的限制干扰输入电源。这些干扰产生谐波失真，它由所需的基频(50hz或60hz)、高阶整数谐波和非整数间谐波组成。这些电力系统间谐波在现代电力系统中是不可避免的，但您可以采取一些简单的设计步骤来抑制这种电力失真的来源。

什么是电力系统间谐波?

任何交流波都有特定的振幅和频率。我们可以把波的谐波定义为波的频率的整数倍。类似地，我们可以将波的次间谐波定义为波频率的非整数倍(大于1)。当这些间谐波出现在电力系统中时，我们称之为电力系统间谐波。注意也有次谐波，这是波的频率的分数倍。这些不同的频率如下图所示。

显示真实电力系统中谐波含量范围的图表。

在上图中，基频的所有谐波都以指数n编号。次谐波和间谐波内容可以跨越这些频率之间的任何位置。当把高次谐波内容(n > 1)，次谐波内容和间谐波内容结合在一起产生总谐波失真(THD)。

THD是一个重要的综合指标，以评估电力交付到负载的质量。该指标用于在IEC 61000-3标准下指定电力系统中总谐波失真的允许限值。本标准中定义了低、中、高电压，每一种电压都有允许的THD限值(见下表)，以及个别奇偶谐波。这些限制是为了确保连接到电网的其他电力用户的整体效率较高。

电力系统间谐波产生的原因

理想情况下，电力系统携带一个频率确定的波(对于单相电源)，或多个波(对于多相电源)被特定的相位排列分开。除了这些所需的组件之外，连接到电网的系统或设备的各个部分还可以产生额外的谐波或间谐波，其中间谐波组通常可以连接到特定的源。电力系统间谐波通常由四种来源产生:

• 瞬变。当系统组件突然改变状态(例如，接通或关闭)时，它将产生一些瞬态电流，并在整个系统中传播。这些暂态可以随机发生，也可以以与交流电源频率无关的周期间隔发生。可变负载驱动器就是一个例子。

• 通信信号。这些信号通过电网发送，以便各种组件(如仪表和报警器)可以相互通信。这些信号的频率分量与所需的交流电源频率无关。

• 异步切换。变电站的静态变流器的开关时间和频率可能与所需的交流电源频率无关。

• 非线性负载。任何非线性负载都会从电源产生失真的电流波形，从而增加THD。饱和铁氧体磁芯和切换监管机构都是很好的例子，两者都可以从电源中获得严重扭曲的电流脉冲。

• 互调。非线性负载下的混频在间谐波之间，或在基音和任何间谐波之间，也产生新的间谐波。

这些源产生的谐波和间谐波可以跨越非常高的n值。对于交流市电来说，测量谐波/间谐波含量达到几十千赫是很常见的。类似地，亚谐波成分会产生低频直流漂移，这可能无法由整流器上的滤波电容补偿。这激发了许多从电力系统中去除间谐波内容的方法。

抑制和去除间谐波

每一个问题都必须以自己的方式解决;没有一个单一的解决方案可以解决电力系统中谐波内容的整个广度。美国和欧洲的现代电网通常具有低水平的谐波间失真，因为目前系统中很少有大型的谐波间源。然而，在工业环境或发展中地区，可能需要其他方法将谐波失真降低到可接受的水平:

• 过滤。使用宽带低通或带通滤波器是在非常宽的频率范围内去除不必要谐波的最简单方法。高阶滤波器也可用于提供更高的滚转。这是用于位于网格上的组件或子系统的常用策略。

• 功率因数校正。这是通过墙壁插座连接到交流电源的产品中平滑电流的常用方法。一个PFC电路使用LC电路中的瞬态充电/放电电流来调节电流绘制，并在输入端重新创建所需的理想电流波形。这是开关稳压器吸引大电流的常见策略。

无论您想使用哪种策略来消除电力系统间谐波，您都需要一套集成到电路设计软件中的模拟工具。这有助于在进行物理布局之前对前端设计进行评估。您还可以迭代不同的组件值，以确定适合您的系统的最佳设计。