理想的交流电源在北美（其他大多数国家为 50 Hz）提供 60 Hz 的纯净正弦波。然而，许多现代负载所汲取的电流并非正弦波。其畸变电流可描述为基波与电源频率整数倍的其他正弦波之和。这些额外成分称为谐波。本文将解释什么是谐波、总谐波畸变（THD）是如何定义的，以及哪些设备会产生谐波。对变压器、电机、电容器和保护装置的影响在谐波对电气设备的影响中有所阐述。
线性与非线性负载
线性负载在每一时刻所汲取的电流都与施加的电压成正比。电阻加热器、白炽灯和直接接线的感应电机接近线性：即使电流在时间上相对于电压有所偏移，其电流仍为正弦波。
非线性负载所汲取的电流不遵循电压的波形。典型例子是连接电容器的二极管整流器：电流仅在每个电压半周的峰值附近流动，即电源电压高于电容器电压时。结果是一系列短促、高耸的电流脉冲。从数学上讲（通过傅里叶分析），任何此类重复波形都可以分解为基波与谐波之和。
在基波中加入单一的 5 次谐波（计算得出）。
谐波次数、频率与序列
谐波次数 h 是基波频率的整数倍。在平衡三相系统中，每个次数也具有相位序列，这关系到其在电机和零线中的表现：
| 次数 (h) | 60 Hz 下的频率 | 50 Hz 下的频率 | 序列（平衡三相） |
|---|---|---|---|
| 1（基波） | 60 Hz | 50 Hz | 正序 |
| 3 | 180 Hz | 150 Hz | 零序（三倍频） |
| 5 | 300 Hz | 250 Hz | 负序 |
| 7 | 420 Hz | 350 Hz | 正序 |
| 9 | 540 Hz | 450 Hz | 零序（三倍频） |
| 11 | 660 Hz | 550 Hz | 负序 |
| 13 | 780 Hz | 650 Hz | 正序 |
参考值：频率 = h × 基波频率；序列由次数除以 3 得出（余数为 1 为正序，2 为负序，0 为零序）。
大多数负载仅产生奇数次谐波，因为其电流在正半周和负半周之间是对称的。偶数次谐波通常意味着半波整流、故障或变压器励磁突入。三倍频谐波（3 的倍数）在三相中同相位，因此它们会在四线制系统的零线中叠加，而不是相互抵消。
谐波次数、频率与序列。
总谐波畸变（THD）
THD 用一个数值概括了所有谐波。它是谐波成分的有效值之和除以基波成分：
THD = √(V2² + V3² + V4² + ...) ÷ V1
其中 Vn 是第 n 次谐波的有效值，V1 是基波。相同的公式也适用于电流（THDi），使用电流值计算：
- 电压 THD 与电流 THD。 单个变频器可能会汲取 THDi 极高的电流，而由于电源阻抗小，总母线上的电压 THD 仍保持在较低水平。电压畸变才会影响同一母线上的其他设备。
- THD 与 TDD。 THD 是相对于测量时刻的基波而言的，因此即使谐波电流较小，轻载变频器也可能显示出较高的电流 THD。总需求畸变（TDD）使用最大需求电流作为参考，从而更客观地反映对系统的影响。
电压谐波主要源于电流谐波：谐波电流流经变压器和电缆的阻抗时会产生谐波电压降。因此，对于相同的负载，较弱的电源（小型变压器、长馈线、发电机）会表现出更大的电压畸变。
谐波的来源
六脉冲整流器和变频器
大多数标准交流变频器都采用三相二极管桥和直流母线电容器。具有 p 个脉冲的桥式电路会产生次数为 h = kp ± 1（k = 1, 2, 3...）的特征谐波。对于六脉冲桥，会产生 5、7、11、13、17、19 等次谐波；其中 5 次和 7 次通常最大。12 脉冲配置（由移相变压器绕组供电的两个桥式电路）会抵消 5 次和 7 次谐波，剩下 11、13、23、25 次...
直流变频器和晶闸管控制器
直流变频器、软启动器（在软启动阶段）和加热器控制器中的相控晶闸管桥也会产生谐波，并可能导致电源电压出现缺口。
开关电源和单相电子设备
计算机、PLC 机架、LED 驱动器和许多DIN 导轨电源都使用带有电容器的单相整流器。在没有功率因数校正的情况下，其电流中含有丰富的 3 次谐波，这就是为什么布满电子设备的建筑会出现较高的零线电流。许多电源包含主动功率因数校正，可大幅减少此类问题。
其他来源
- UPS 系统和电池充电器。
- 电弧炉和焊接设备（不规则、变化的谐波）。
- 使用电子式或磁性镇流器的荧光灯。
- 在额定电压以上运行的饱和变压器和电抗器。
标准与限制
在北美，IEEE 519 是最常用于规定设施与公用事业交接点谐波限制的文件。它规定了根据系统电压设定的电压畸变限制，以及根据可用短路电流与负载电流之比设定的电流畸变限制。在其他地区，IEC 61000 系列涵盖了谐波发射和兼容性水平。不同版本之间的限制有所不同，因此请务必参考最新版本的标准和您所在地区的公用事业要求，而不是使用网上找到的数据。
测量谐波
- 至少使用真有效值（true-RMS）仪表；平均响应仪表可能会低估畸变电流。
- 电力质量分析仪可显示谐波频谱（每个次数以柱状图表示）、THD 和 TDD，并记录其随时间的变化。
- 在正常生产负载下，在总配电入口、变压器二次侧和大型变频器控制柜处进行测量。
- 在为电子负载供电的四线制系统中测量零线电流。
在带电控制柜内连接测试设备必须由具备资质的人员按照适用的电气规范和制造商说明进行。
关键要点
- 谐波是电源频率整数倍的电流和电压，由非线性负载产生。
- THD 是谐波有效值之和除以基波；TDD 则使用最大需求电流。
- 六脉冲变频器主要产生 5 次和 7 次谐波；单相电子设备主要产生 3 次谐波。
- 电流谐波通过电源阻抗产生电压谐波。
- IEEE 519 和 IEC 61000 规定了限制条件；请查看最新版本并咨询您所在地区的公用事业公司。
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