关于“谐波干扰”问题的分析
2015-07-27鲁义宽鄂尔多斯职业学院内蒙古鄂尔多斯017000
鲁义宽(鄂尔多斯职业学院,内蒙古 鄂尔多斯017000)
关于“谐波干扰”问题的分析
鲁义宽
(鄂尔多斯职业学院,内蒙古 鄂尔多斯017000)
本文主在谐波概念的基础上,结合谐波数学分析,得出了谐波干扰的机理,然后从低通滤波器、带阻滤波器等方面,对消除谐波干扰的方法,进行了简要的研究。
谐波干扰;滤波器;频率
我们讨论供配电的问题时,把电源电压、电源频率、谐波干扰(波形)作为衡量电源质量的主要要素,而随着高科技产品和弱电产品的大量出现,“谐波干扰”就更提到十分重要的地位。可是,有许多从事供电和用电行业的技术人员,都不太清楚“谐波干扰”的产生机理、危害和如何消除,本文即来回答这些问题。
1 什么是谐波
(1)对于优质的单相供电电压,是一个频率f=50HZ,周期T=0.02s的标准正弦波 如图1:
图1 标准工频电压波形
表达式:u=UmSin(ωt+φ)
有三要素:1、最大值Um:Um=U;U—有效值
2、角频率ω;ω=2πf; f==50HZ
3、初相位:φ:上图中:φ=00
标准正弦波中无有谐波成份。
(2)若供电的电压波形,由于某种原因使它成为非正弦周期波,假设变为矩形波了,如图2:
图2 矩形波
就会产生十分丰富的谐波成分,对用电设备产生“谐波干扰”。
由数学中讲授的付里叶级数可知;该矩形波电压u可以表示为:
u=um1Sinωt +Um3Sin3ωt +Um5Sin5ωt +......+UmnSinnωt
其中: um1Sinωt 称为基波成分,为标准正弦波;Um1= ; Um为矩形波幅度,后面所有的不同频率有:3ω;5ω;7ω;......;nω等正弦电压,就称为“谐波”成份,
项数越多,“谐波”成份越多,频率越高,但谐波的幅度会越来越小。Um3=;Um5=;Um7=; ......, ω称为基波频率。ω=2πf; f==50HZ
我们可以画出基波和前几次谐波的波形,如图3:
图3 基波与3次、5次谐波
由图可见:高次谐波的频率越高,幅度越小。(在电子技术课程中,我们用频谱图来分析这种情况)。
将不同频率的正弦波叠加起来,如图4:也就基本接近矩形波了。
图4 基波与谐波叠加
若将后面的高次谐波u7:u9:u11;......un叠加上去,当n其波形就完全为矩形波了,而且矩形波的前沿越陡峭,其高次谐波的频率就越高,即n越大,但此时的谐波幅度也会很小,对设备的干扰强度不大, 可忽略不计。
这里就有一个规律:在非正弦周期波中,前沿越陡峭的交流波,其谐波成份就越多。如图5的波形:
其谐波成份就不多。因为它是将正弦波经双向限幅而得到的,其波形前沿不陡峭。如图6:
图6 尖峰脉冲
如图6的尖脉冲(微分脉冲),波形的前沿就很陡峭,谐波成份就十分丰富。
这是因为波形越陡峭, 就越大,或dt很小, 频率就很高,因为频率f ,频率f会很大。
2 谐波的数学分析:
2.1 付里叶级数
法国数学家付里叶经过多年研究,得出如下结论:
对于非正弦的周期函数,只要符合条件,都可展开成正弦和余弦函数的无群级数:
式中:=dt; =; bn=
例如:对于矩形波,如图7:
图7 矩形波
3 “谐波干扰”的机理:
对于任何一个无线电设备,接收电信号时都会有一个谐振频率,利用LC并联谐振时,两端电压最大的特点进行选频接收,若在它的谐振频率点上有一个干扰频率(谐波干扰)的信号,也就会接收进来,造成对有用信号的“干扰”。若接收设备为收音机,它产生一种杂音。若为更高级的接收设备,干扰会造成更加严重的不良后果,应坚决予以滤除。若这个干扰频率正好是我们电源频率(50Hz)的谐波,则称为“谐波干扰”。若电源功率很大的话,干扰会很严重,我们一定要设法滤除。
图8 低通滤波器
图9 带阻滤波器
4 滤除“谐波干扰”的方法:
为了消除“谐波干扰”,我们采用多种方法,典型方法有:
4.1 低通滤波器
如图8:
它可以利用电容、电感的阻抗随频率变化的的特点,通低频,阻高频。
4.2 带阻滤波器
如图9:
并联和串联谐振在图一频率点上:使该频率f0的信号通不过去。
4.3 其它方法:
(1)三相整流变压器采用Yd或Dy联接。
(2)增加整流变压器二次侧的相数。
(3)使各台整流变压器二次测互有相角差。
(4)装设分流滤波器,利用LC串联阻抗小的特点。
(5)选用Dyn11联接组三相配电变压器。
(6)减少大容量的非线性用电设备。
以上几种方法的实质是减小低次(如3次)谐波分量。因为低次谐波的强度大,而高次谐波的强度小。减少“谐波干扰”。
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鲁义宽(1958-),男,内蒙古准格尔旗人,鄂尔多斯职业学院自动化与信息系副教授,研究方向:供用电。