關(guān)于“諧波干擾”問題的分析

魯義寬（鄂爾多斯職業(yè)學(xué)院,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯017000）

關(guān)于“諧波干擾”問題的分析

魯義寬
（鄂爾多斯職業(yè)學(xué)院,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯017000）

本文主在諧波概念的基礎(chǔ)上，結(jié)合諧波數(shù)學(xué)分析，得出了諧波干擾的機(jī)理，然后從低通濾波器、帶阻濾波器等方面，對(duì)消除諧波干擾的方法，進(jìn)行了簡(jiǎn)要的研究。

諧波干擾;濾波器;頻率

我們討論供配電的問題時(shí)，把電源電壓、電源頻率、諧波干擾（波形）作為衡量電源質(zhì)量的主要要素，而隨著高科技產(chǎn)品和弱電產(chǎn)品的大量出現(xiàn)，“諧波干擾”就更提到十分重要的地位?？墒?，有許多從事供電和用電行業(yè)的技術(shù)人員，都不太清楚“諧波干擾”的產(chǎn)生機(jī)理、危害和如何消除，本文即來回答這些問題。

1 什么是諧波

（1）對(duì)于優(yōu)質(zhì)的單相供電電壓，是一個(gè)頻率f=50HZ，周期T=0.02s的標(biāo)準(zhǔn)正弦波 如圖1：

圖1 標(biāo)準(zhǔn)工頻電壓波形

表達(dá)式：u=UmSin（ωt+φ）

有三要素：1、最大值Um:Um=U；U—有效值

2、角頻率ω；ω=2πf; f==50HZ

3、初相位：φ：上圖中：φ=00

標(biāo)準(zhǔn)正弦波中無有諧波成份。

（2）若供電的電壓波形,由于某種原因使它成為非正弦周期波，假設(shè)變?yōu)榫匦尾?，如圖2：

圖2 矩形波

就會(huì)產(chǎn)生十分豐富的諧波成分，對(duì)用電設(shè)備產(chǎn)生“諧波干擾”。

由數(shù)學(xué)中講授的付里葉級(jí)數(shù)可知；該矩形波電壓u可以表示為：

u=um1Sinωt +Um3Sin3ωt +Um5Sin5ωt +．．．．．．+UmnSinnωt

其中: um1Sinωt 稱為基波成分，為標(biāo)準(zhǔn)正弦波；Um1= ; Um為矩形波幅度,后面所有的不同頻率有：3ω；5ω；7ω；．．．．．．；nω等正弦電壓，就稱為“諧波”成份，

項(xiàng)數(shù)越多，“諧波”成份越多，頻率越高，但諧波的幅度會(huì)越來越小。Um3=;Um5=;Um7=; ．．．．．．， ω稱為基波頻率。ω=2πf; f==50HZ

我們可以畫出基波和前幾次諧波的波形，如圖3：

圖3 基波與3次、5次諧波

由圖可見：高次諧波的頻率越高，幅度越小。（在電子技術(shù)課程中，我們用頻譜圖來分析這種情況）。

將不同頻率的正弦波疊加起來，如圖4：也就基本接近矩形波了。

圖4 基波與諧波疊加

若將后面的高次諧波u7:u9:u11；．．．．．．un疊加上去，當(dāng)n其波形就完全為矩形波了，而且矩形波的前沿越陡峭，其高次諧波的頻率就越高，即n越大，但此時(shí)的諧波幅度也會(huì)很小，對(duì)設(shè)備的干擾強(qiáng)度不大， 可忽略不計(jì)。

這里就有一個(gè)規(guī)律：在非正弦周期波中，前沿越陡峭的交流波，其諧波成份就越多。如圖5的波形：

其諧波成份就不多。因?yàn)樗菍⒄也ń?jīng)雙向限幅而得到的，其波形前沿不陡峭。如圖6：

圖6 尖峰脈沖

如圖6的尖脈沖（微分脈沖），波形的前沿就很陡峭，諧波成份就十分豐富。

這是因?yàn)椴ㄐ卧蕉盖停?就越大，或dt很小， 頻率就很高，因?yàn)轭l率f ,頻率f會(huì)很大。

2 諧波的數(shù)學(xué)分析：

2.1 付里葉級(jí)數(shù)

法國(guó)數(shù)學(xué)家付里葉經(jīng)過多年研究，得出如下結(jié)論：

對(duì)于非正弦的周期函數(shù)，只要符合條件，都可展開成正弦和余弦函數(shù)的無群級(jí)數(shù)：

式中：=dt; =; bn=

例如：對(duì)于矩形波，如圖7：

圖7 矩形波

3 “諧波干擾”的機(jī)理：

對(duì)于任何一個(gè)無線電設(shè)備，接收電信號(hào)時(shí)都會(huì)有一個(gè)諧振頻率，利用LC并聯(lián)諧振時(shí)，兩端電壓最大的特點(diǎn)進(jìn)行選頻接收，若在它的諧振頻率點(diǎn)上有一個(gè)干擾頻率（諧波干擾）的信號(hào)，也就會(huì)接收進(jìn)來，造成對(duì)有用信號(hào)的“干擾”。若接收設(shè)備為收音機(jī)，它產(chǎn)生一種雜音。若為更高級(jí)的接收設(shè)備，干擾會(huì)造成更加嚴(yán)重的不良后果，應(yīng)堅(jiān)決予以濾除。若這個(gè)干擾頻率正好是我們電源頻率（50Hz）的諧波，則稱為“諧波干擾”。若電源功率很大的話，干擾會(huì)很嚴(yán)重，我們一定要設(shè)法濾除。

圖8 低通濾波器

圖9 帶阻濾波器

4 濾除“諧波干擾”的方法：

為了消除“諧波干擾”，我們采用多種方法，典型方法有：

4.1 低通濾波器

如圖8：

它可以利用電容、電感的阻抗隨頻率變化的的特點(diǎn)，通低頻，阻高頻。

4.2 帶阻濾波器

如圖9：

并聯(lián)和串聯(lián)諧振在圖一頻率點(diǎn)上：使該頻率f0的信號(hào)通不過去。

4.3 其它方法：

（1）三相整流變壓器采用Yd或Dy聯(lián)接。

（2）增加整流變壓器二次側(cè)的相數(shù)。

（3）使各臺(tái)整流變壓器二次測(cè)互有相角差。

（4）裝設(shè)分流濾波器，利用LC串聯(lián)阻抗小的特點(diǎn)。

（5）選用Dyn11聯(lián)接組三相配電變壓器。

（6）減少大容量的非線性用電設(shè)備。

以上幾種方法的實(shí)質(zhì)是減小低次（如3次）諧波分量。因?yàn)榈痛沃C波的強(qiáng)度大，而高次諧波的強(qiáng)度小。減少“諧波干擾”。

[1]王立群,陳健.變頻器諧波干擾的分析與對(duì)策[J].華東電力, 2013,41（08）：1760-1763.

[2]劉兆銀.信息業(yè)務(wù)樓諧波干擾問題的探討[J].廣播與電視技術(shù), 2013,40（05）:97-99.

[3]史琳蕓.淺析變頻器諧波干擾及抗干擾措施[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)月刊,2013,32（07）:85-86.

魯義寬（1958-）,男,內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗人,鄂爾多斯職業(yè)學(xué)院自動(dòng)化與信息系副教授,研究方向：供用電。