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      關于電力系統中的諧波問題解析

      來源:UPS應用 作者:小柯編輯 更新時間:2012-1-19 16:51:03

      摘要:多數配電系統上的大部分非線性電力負載來自SMPS設備。比如,所有計算機系統使用SMPS把市電交流電壓轉換為供內部電子設備使用的穩定低壓直流電。這些非線性電源會產生高振幅短脈沖電流,造成電流和電壓波形嚴重失真——諧波失真,一般按總諧波失真(THD)衡量。該失真向后傳播回到電源系統,將影響連接在同一電源上的其他設備。

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        1引言
        
        正常電流波形的一種失真稱為諧波,一般是由非線性負載發射的。非線性負載包括開關模式電源(SMPS)、調速電機及驅動、復印機、個人電腦、激光打印機、傳真機、電池充電器以及UPS等。單相非線性負載在現代辦公大樓中較為常見,而三相非線性負載則普遍存在于工廠和工業車間里。
        
        多數配電系統上的大部分非線性電力負載來自SMPS設備。比如,所有計算機系統使用SMPS把市電交流電壓轉換為供內部電子設備使用的穩定低壓直流電。這些非線性電源會產生高振幅短脈沖電流,造成電流和電壓波形嚴重失真——諧波失真,一般按總諧波失真(THD)衡量。該失真向后傳播回到電源系統,將影響連接在同一電源上的其他設備。
        
        大部分電力系統可以容忍一定程度的諧波電流,但當諧波在總負載中所占比例較為明顯時就會出現問題。隨著這些頻率較高的電流流經電力系統,它們會造成通信錯誤、過熱和硬件受損,比如:
        
        配電設備、電纜、變壓器、備用發電機等過熱  
        諧波阻抗造成的高電壓和環流   
        發熱并浪費電能的高中性線電   
        因電壓失真嚴重導致設備故障   
        增大了連接設備中的內部能耗,造成元器件失效并縮短使用壽命  
        支路斷路器偽跳閘   
        計量錯誤  
        配線和配電系統失火   
        發電機失效   
        高振幅系數及有關問題   
        降低系統功率因數,導致可用功率減小(kW對kVA)和每月電費處罰
        
        2諧波技術概覽
        
        諧波是頻率達基頻整數倍的電流或電壓。如果基頻為60Hz,那么第2諧波為120Hz,第3諧波為180Hz等(見圖1)。當諧波頻率占主導時,配電盤和變壓器會與高頻諧波產生的磁場形成機械共振。發生這種情況時,配電盤或變壓器會振動并針對不同諧波頻率發出蜂鳴聲。第3到第25諧波頻率是配電系統中最為常見的頻率范圍。


        圖1電流波形的諧波失真

        所有周期波都會隨各種頻率的正弦波產生。傅里葉定律把一個周期波分解為其分量頻率。
        
        諧波分量:較大的第1諧波(基頻)較小的第5諧波略大的第7諧波

       
        圖2由基頻、第5和第7諧波組成的失真波形

        信號的總諧波失真是衡量諧波失真的指標,它被定義成所有諧波分量的功率總和與基頻的功率之比。它描述了電壓或電流信號的失真程度(見圖3)。

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