起因和影响
本章介绍了谐波电流的来源和它们对电气系统的影响。抑制办法将在“谐波解决方案”一章进行详细讨论。 谐波频率是电源基波频率的整数倍，即基波为50Hz，3次谐波为150Hz，5次谐波为
250Hz。图1给出了含有3次和5次谐波的基波正弦波形。
图1：含有3次和5次谐波的基波
FUNDAMENTAL：基波
3RD HARMONIC：3次谐波
5TH HARMONIC：5次谐波
图2显示了叠加了70%3次谐波和50%5次谐波的基波波形。在实际中大部分畸变电流的波形比图2所示的更为复杂，含有多次谐波，具有更复杂的相位关系。
图2—畸变电流波形
很明显这个波形不是正弦波，这意味着通常测量设备，如平均读数、按有效值刻度的万用表不能给出正确的测量值。在每个周波内有六个过零点，而不是纯正弦波的两个，因此许多采用过零点作为基准的设备将不能正常使用。波形包含了非基波频率，应该进行相应地处理。连续供墨打印机
在谈论电力装置中的谐波时，最关心的是电流谐波，因为谐波源于电流，大多数不良影响都是由于这些电流。如果不知道电流谐波的频谱，就不会得出任何有用的结论，但通常可提供的数字只有总谐波畸变率（THD）。如果谐波在一个配电系统中扩散，也就是说扩散到与携带的谐 波电流无关的分支回路，作用就象电压一样。同时测量电压和电流值且明确地表示给出值为电压和电流值是非常重要。习惯地将电流畸变测量值加后缀“I”，例如35% THDI；电压畸变值加后缀“V”，例如4% THDV。 谐波电流在供电系统中存在已经有好多年了。一开始它们是由在电气化铁路中将交流转变成直流的汞弧整流器和工业中的直流传动装置所产生的。最近，产生谐波的设备种类和数量直线上升，还在不断增长，因此设计师和专业人员现在必须仔细考虑谐波和它们的副作用。
本章讲述了谐波是怎样和为什么产生的，谐波的存在会怎样影响电气系统和设备以及怎样抑制这些影响。
产生谐波的设备类型
单相负荷，如：
•开关型电源（SMPS）
•荧光灯电子镇流器
•小型UPS装置
三相负荷，如：
手动提升机
•变速传动装置
•大型UPS装置
单相负荷
开关型电源（SMPS）
大多数现代电子装置都采用开关型电源（SMPS）。与老式装置的区别在于传统的降压变压器和整流器由直接控制的整流装置所替代，整流装置为蓄能电容器充电，供给负荷的直流电流是适合输出电压和所需电流电源得出的。对设备制造商的优点是体积、成本和重量显著降低，电源装置几乎可以制造成任何需要的式样。对所有其他人而言缺点是不能从电源获得连续的电流，电源装置产生了含有大量3次及以上谐波的电流脉动和显著的高频分量（见图3）。在电源输入端安装一个简单的滤波器可将高频分量从相线和中线旁通到地中，但它对回流到电源的谐波电流不起作用。这些滤波器的漏电效应将在第六章进行讨论。
单相UPS装置的特性与SMPS很类似。
金纳米颗粒1 3 5 7 9 11 13 15 17
谐波次数
图3—典型PC机的谐波频谱
% MAGNITUDE WRT FUNDAMENTAL：相对于基波的%幅值
HARMONIC NUMBER：谐波次数
对于大功率装置，当前有一个所谓的功率因数校正输入的发展趋势。目的是使电源负荷更象一个电阻性负荷，以便输入电流更象正弦波，与所施加的电压同相。通过将输入电流生成为高频三角波、然后由输入滤波器成正弦波的方法来实现。这种高度复杂性做法尚不适合用于在商业和工业装置中构成大多数负荷的低成本单元。广泛应用这种技术会产生什么问题还有待观察。
荧光灯镇流器
电子灯光镇流器在近些年得到了广泛的应用，其目的是为了提高效率。总的来说，它们仅比最好的电感镇流器效率高一点点，事实上，大部分效率的提高源于在高频驱动时灯管的高效率，而不是电子镇流器本身。其主要优点是通过对运行电流的反馈控制在整个延长的寿命内保持照度（运行电流是降低
整个寿命效率的实际原因）。它们最大的缺点是在供电电流中产生谐波。所谓的功率因数校正类型在较大容量时有提供，以使谐波问题得以减小，但成本相当高。小型装置通常不校正。
现在紧凑型荧光灯管（节能灯管）（CFL）在逐步替代钨丝灯泡。安装在接线盒中的微型电子镇流器控制8mm 直径U形荧光灯管。11W的CFL相当于60W的钨丝灯泡，预期寿命高达8000小时。在图4中给出了谐波电流频谱。这种光源现已广泛应用在家庭和宾馆，逐步取代了钨丝灯泡，严重的谐波问题突然变得随处可见。
图4--典型CFL的谐波频谱
炒茶机% MAGNITUDE WRT FUNDAMENTAL：相对于基波的%幅值
HARMONIC NUMBER：谐波次数
三相负荷
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变速控制器，UPS装置和直流变换器通常是基于三相桥式电路，也被称为六脉动桥式电路，因为在直流输出端每个周波有六个脉动（每相每半周一个）。
图5—三相，或6脉动桥式电路
图6--典型6脉动桥式电路的谐波频谱
% MAGNITUDE WRT FUNDAMENTAL：相对于基波的%幅度
HARMONIC NUMBER：谐波次数
图7—12脉动桥式电路
图8--典型12脉动桥式电路的谐波频谱
% MAGNITUDE WRT FUNDAMENTAL：相对于基波的%幅度HARMONIC NUMBER：谐波次数
图9—线性负荷的电流波形
CURRENT WAVEFORM：电流波形
LOAD LINE：负荷曲线
VOLTAGE WAVEFORM：电压波形
图10—非线性负荷的电流波形
CURRENT WAVEFORM：电流波形
LOAD LINE：负荷曲线
VOLTAGE WAVEFORM：电压波形
图11—非线性负荷的等效电路
SOURCE IMPEDANCE：电源阻抗
SUPPLY：电源
LINEAR LOAD IMPEDANCE：线性负荷阻抗
INSTALLATION：装置
6脉动桥式电路在6n ±1处，即在6的倍数加一和减一处产生谐波。理论上，每次谐波的大小是谐波次数的倒数，即20%的5次谐波和9%的11次谐波等。
图6所示为一个典型的谐波频谱图。
使用12脉动桥式电路，谐波的大小显著降低。这实际上就是两个6脉动桥式电路，从一个星形和一个三角形变压器绕组供电，在它们之间提供一个30度的移相角。
6n次谐波理论上被消除，但实际上，降低量取绝于变换器的匹配程度，通常的系数在20到50之间。12n次谐波保持不变。不仅仅是总谐波电流降低了，而且更高次谐波也减少了，使设计滤波器更加容易。
设备制造商经常会采取一些措施，如增加一个滤波器或串联电抗器降低谐波电流含量。过去一些制造商常常宣称它们的设备符合“G5/3”标准。因为G5/3是一个适用于整个装置的规划标准，在未了解现场所有其它设备的前提下很难说符合。
采用两个具有15度移相角的并列12脉动单元可将脉动数提高到24，总谐波电流下降到大约4.5%。系统越复杂，成本就越高，当然，这种类型的控制器只有在必须绝对符合电力供应商的限值时才采用。
理论背景—谐波是怎样产生的
在一个理想的清洁电力系统，电流和电压波形是纯正的正弦波。实际上，当在负荷中流过的电流与施加的电压不呈线性关系时就导致了非正弦波电流的产生。在一个只含有线性元件—电阻、电感和电容的简单电路中，流过的电流与施加的电压成正比（在一特定频率），因此，如果施加正弦电压，产生的电流也为正弦波形，如图9所示。负荷曲线描述了施加的电压和在负荷中产生的电流之间的关系，图9所示为一个线性负荷。如果是一个电抗元件，电压和电流波形之间将产生一个移相；功率因数降低了，但电路仍是线性。
图10描述了负载是一个简单的全波整流器和电容器的情况，例如典型开关型电源的输入状态。在这种情况下，只有供电电压超过了储存在储能电容器上的电压，即接近了电压正弦波的尖峰才产生电流，如负荷曲线的形状所示。得到训练
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