梅英格之谐波与无功

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1、谐波和无功功率的产生在工业和生活用电负荷中，电感性负荷占有很大的比例。感应电动机、变压器、日光灯等都是典型的电感性负荷。感应电动机和变压器所消耗的无功功率在电力系统所提供的无功功率中占有很高的比例。电力系统中的电抗器和架空线等也消耗一些无功功率。电感性负荷必须吸收无功功率才能正常工作，这是由其本身的性质所决定的。电力电子装置等非线性装置也要消耗无功功率，特别是各种相控装置。如相控整流器、相控交流功率调整电路和周波变流器，在工作时基波电流滞后于电网电压，要消耗大量的无功功率。另外，这些装置也会产生大量的谐波电流，从上一节的讨论可以看出，谐波源都是要消耗无功功率的。非相控的二极管整流电路的基波

2、电流相位和电网电压相位大致相同，所以不消耗基波无功功率。但是它也产生大量的谐波电流，因此也消耗一定的无功功率。工业用电弧炉在工作时电极处于短路状态，不但消耗大量的无功功率，且因电弧不稳定，其所消耗的无功功率波动也很大。同时，它也产生大量的谐波电流，且谐波频谱不规则，几乎是连续频谱。公用电网中的谐波源主要是各种电力电子装置（含家用电器、计算机等的电源部分）、变压器、发电机、电弧炉和荧光灯等。在电力电子装置大量应用之前，最主要的谐波源是电力变压器的励磁电流，其次是发电机。在电力电子装置大量应用之后，它成为最主要谐波源。发电机是公用电网的电源，当在发电机励磁绕组中通以直流电流，并在磁极下产生按正

3、弦分布的磁场时，定子绕组中将感应出正弦电势，发电机输出电压波形为正弦波。但这只是理想的情况。实际电机中，磁极磁场并非完全按照正弦规律分布，因此感应电势就不是理想的正弦波，输出电压中也就包含一定的谐波。这种谐波电势的频率和幅值只取决于发电机本身的结构和工作情况，基本与外接负荷无关，可以看成谐波电压源。在设计发电机时，采取了许多削弱谐波电势的措施，因此其输出电压的谐波含量是很小的。国际电工委员会（IEC）规定发电机的端电压波形在任何瞬间与其基波波形之差不得大于基波幅值的5%。因此，在分析公用电网的谐波时，可以认为发电机电势为纯正弦波形，不考虑其谐波分量。变压器的谐波电流是由其励磁回路的非线性引

4、起的。加在变压器上的电压通常是正弦波电压，该电压和铁芯磁通是微分关系，即(1-47)图1-6不考虑磁滞影响时的电压、磁通和励磁电流波形因此铁芯中磁通也是按正弦规律变化的，只是其相位滞后于电压p/2。励磁电流和磁通的关系是由铁芯的磁化曲线决定的。由于磁化曲线是非线性的，所以产生正弦磁通的励磁电流只能是非正弦的。图1-6给出了电压和磁通为正弦波时励磁电流的波形，这里未考虑磁滞的影响。可以看出，图中的励磁电流已变成具有1/4周期对称特点的尖顶波了。对其波形进行傅里叶级数分析可知，其中含有全部的奇次谐波，以3次谐波分量为最大。考虑磁滞影响时的电压、磁通和励磁电流的波形如图1-7所示。和图1-6的波

5、形相比，励磁电流波形发生扭曲，已不再是1/4周期对称波形，但仍是正负半周对称的波形，从第1.1节的分析可知，其中仍只含有以3次谐波为主的奇次谐波。图1-7考虑磁滞影响时的电压、磁通和励磁电流波形对于三相变压器来说，其励磁电流和铁芯结构、变压器接线方式都有关。若变压器有一侧采用D接线，则可以为3的倍数次谐波提供通路，使磁通和电动势都很接近正弦波。3的倍数次谐波电流只在D回路中流通，而不流入公用电网，流入电网的只是6k±1（k为正整数）次谐波。若变压器没有D接线，则励磁电流中就没有3的倍数次谐波电流，这时由于磁化曲线的非线性就会在磁通中产生3的倍数次谐波，使磁通变为平顶波。在三柱变压器中磁动势

6、里3的倍数次谐波是各相同相位的，因此这些谐波磁通的路径必须是由空气、油和变压器外壳构成的回路。而这种路径磁阻很大，使3的倍数次谐波的磁通仅为独立铁芯时的10%左右。因此磁通和电动势仍接近正弦波。变压器励磁电流的谐波含量和铁芯饱和程度直接相关，即和其所加的电压有关。正常情况下，所加电压为额定电压，铁芯基本工作在线性范围内，谐波电流含量不大。但在轻载时电压升高，铁芯工作在饱和区，谐波电流含量就会大大增加。另外，在变压器投入运行过程、暂态扰动、负荷剧烈变化及非正常状态运行时，都会产生大量的谐波。电弧炉的谐波主要是由起弧的时延和电弧的严重非线性引起的。电弧长度的不稳定性和随机性使得其电流谐波频谱十

7、分复杂，其谐波频率分布范围主要在0.1~30Hz。电炉工作在熔炼期间谐波电流很大，当工作在精炼期间时由于电弧特性较稳定，谐波电流较小。电弧炉谐波电流随时间的变化很大。表1-5给出了不同资料所给的由电弧炉引起的平均谐波电流。可以看出，2次、3次和5次谐波最为严重。表1-5电弧炉引起的平均谐波电流谐波谐波电流（以基波百分数表示）次数资料1资料2资料323.24.14.534.04.54.741.11.82.853.22.14