試析建筑電氣設計中的電源諧波問題

摘要：電源諧波是影響電能質量的重要因素，它嚴重污染了電力系統，降低了電力電子設備的性能。本文對電源諧波的來源和危害進行了分析和探討，且提出了抑制建筑電氣設計中電源諧波的方法。

關鍵詞：電源諧波，電力系統，電能污染，諧波抑制

在建筑電氣設計時，為了給人類提供健康舒適的生活空間，電氣設計人員開始對供電質量和可靠性有了越來越嚴格的要求，然而供電系統的諧波是影響電能質量的一個重要原因，它給建筑電力系統造成了電能污染，對智能建筑功能產生了重要影響，還會降低電子設備的性能，對于建筑電氣設計中的電源諧波問題，本文進行了初步探討和分析，并提出了電源諧波的抑制方法。

1電源諧波產生的原因

1.1變壓器

變壓器是利用電磁感應的原理來改變交流電壓的裝置，主要構件是初級線圈、次級線圈和鐵心（磁芯）。一般情況下，變壓器的諧波主要是磁路非線性引發的，因為非正弦波形是變壓器的勵磁電流具備的特征，無論是平頂波還是尖頂波都含有奇次諧波，并且這兩種波形含有的次諧波量是最大的，但是，變壓器不是任何工作狀態下都產生電源諧波的，變壓器在正常工作的狀態下產生的諧波含量是比較小的，因為在額定負載下，電流波形接近正弦波，而波形畸變是可以忽略的。然而當額定電壓空載或輕載時，鐵心工作就進入了飽和區，變壓器的感應電動勢就會在勵磁電流產生壓降的情形下包含諧波分量。

1.2電力電子變流裝置

電力電子裝置由各類電力電子電路組成的裝置。電力電子變流裝置的諧波是當諧波電流進入電力系統后在電力系統內被壓降，使電力系統中電壓產生畸變。而隨著家用電器和電力電子設備的廣泛使用，這便給電力系統帶來了恒定的諧波，因為電力電子設備本身的工作性質決定設備會產生諧波含量，而且當電機負載的電感量比較少時，變頻器流入的電流就是電流尖峰，這尖峰中的諧波含量更高。

1.3交流調壓電器

交流調壓電器可分為通斷控制調壓稱交流調功器和移相控制調壓稱交流調壓器。通斷控制的調壓器稱交流調功器是將晶閘管作為開關，將負載與電源間接通幾個周波，又斷開幾個周波，循環如此，這種控制方式就會使輸入電流出現了含量很高的分數次特征諧波。移相控制調壓稱交流調壓器是通過控制晶閘管來調壓，所以調壓器的輸入電流同樣出現諧波。

1.4低壓電器

現代建筑中使用的電器基本上都是由低壓電網供給電源的，由于電器都有小容量的變壓器和整流裝置，于是電器中的勵磁電流在總電流中占的比例就很大，雖然單個電器的容量小，但是數量很多，也會產生很多高次諧波造成影響。

2 諧波對電力系統的危害

諧波會給電力系統電磁環境帶來嚴重的電能污染，而且也會給電纜、變壓器及電動機帶來危害，甚至引發事故，危及到建筑電力系統本身和用電居民的用電安全。

2.1使變壓器升溫產生大量附加諧波損耗

諧波可以使變壓器發熱升溫，主要是因為諧波電流增加了變壓器銅損、鐵損以及漏磁損耗，于是隨著損耗的增加，變壓器就會開始發熱，如果變壓器的接法是三角形的，那么變壓器發熱的效果就更加明顯，因為三角形的接法會產生三倍次諧波環流。并且諧波電流會使運行中的點擊發出強烈振動而產生高頻噪音，這不僅嚴重損壞電機設備，還會產生更多的附加諧波損耗。

2.2使母線溫度過高，可能引發火災

諧波電流在經過電纜的時候能加重集膚效應，放大諧波，從而增加了電能的附加損耗，同時電纜升溫而過熱會損壞電纜，再如果電纜發生接地短路的問題，那么就會存在火災隱患，因為很多建筑中使用的都是節能氣體照明燈，當中性線電流達到相線電流的兩倍，那么中性線電流就會升溫導致過熱燒毀，甚至引發火災。

2.3對生活辦公產生嚴重影響

生活辦公的建筑中都會存在打印機、電腦、家用電器等，而諧波會對電腦產生影響而使得程序出錯，數據丟失甚至損壞，不僅如此，燈具也是小型的諧波源，并且也是受諧波影響的電器。除此之外，諧波對電力系統的危害可不止這些，它還可以降低開關設備的開關能力，導致各類繼電保護和自動控制裝蓋拒動和誤動，嚴重影響用電用戶生活辦公的正常運行。

3抑制諧波的方法

3.1選取LC組成的無源調諧濾波器

諧波的補償一般都采用LC組成的無源調諧濾波器，它主要是由濾波電容器，電抗器以及電阻器組合而成的，具有結構簡單、前期投入少、技術成熟、功率容量大等優點，運行時產生的費用也比較低，所以一直都被用作解決諧波問題。它對諧波的作用就是給諧波提供入地的低阻通路，將諧波導入到大地而不是進入電力系統，還能補償電網中感性的無功功率，不過，它也有一些缺點，如容易和系統產生并聯諧振導致諧波放大甚至燒毀設備。

3.2選取有源濾波器

有源濾波器是源于二十世紀八十年代的諧波抑制方法，目前已成為諧波抑制的趨勢。它相比無源濾波器有幾個優點，不會受到電力系統阻抗干擾，不會發生共振現象，就算電力系統結構發生變化也不會對諧波和無功補償產生影響。所以有源濾波器能彌補無源濾波器的缺點，對諧波的抑制效果比無源濾波器更理想。這種有源濾波器分為并聯型有源濾波器和串聯型有源濾波器兩種，當使用并聯型濾波器時，它的電壓和交流電壓相同，所以可以補充電流決定裝置容量，同時還可以使用串聯型有源濾波器作為電力網的一個電阻，對諧波進行阻礙讓其無法進入電力網。當單獨使用串聯型有源濾波器時，就可以將其看作一個串入電網的電阻，它可對諧波進行高阻，對基波進行低阻，使得諧波電流無法進入電力網。但是如果有源濾波器的負載阻抗變大時就可以視作電流源，而串聯型有源濾波器補償效果就會變差。而當單獨使用并聯型有源濾波器時，就相當于在電網中并聯入一個電阻，而它對基波進行高阻，對諧波反而進行低阻，并且將諧波電流旁路降低電網諧波含量，從而濾波補償效果也會受到影響。？采用高功率因數變流器。高功率因數變流器是對整流裝置改進，讓其盡量減產或不產生諧波，并且電流電壓同相位的設備。？整流電路的多重化。整流電路的多重化是一種傳統減少諧波的方法，它的工作原理是將多個橋式整流電路用串聯的方式多重聯結，這樣就可以減少輸入電流中的諧波，這種整流器雖然對抑制諧波有比較好的效果，但是不能明顯提高功率因數。？PWM整流電路。PWM整流電路分為電壓型和電流型這兩種，而電壓型的使用相對來說更多。它的工作原理是對PWM整流電路進行控制，讓PWM整流電路輸入電流接近正弦波，電流電壓同相位，并且因為功率因數接近1而被稱為高功率因數變流器。？二極管整流電路。二極管整流電路的雖然結構簡單，成本較低，但是如果在整流橋與濾波電容間加上功率因數校正的功率轉換電路，即使輸入電流中存在較多含量的諧波也可以將其轉變成接近正弦波，這種轉換方式也可提高功率因數。？矩陣式變頻電路。矩陣式變頻電路是直接把一種頻率的交流電變成另一種頻率的變頻電器。它的優點就是可以將輸入電流轉變為電壓同相的正弦波，并且功率因數還為1，還可控制所需的功率因數大小。更關鍵的是輸出頻率不受網頻率限制，輸出的電壓也是正弦波。不過它的缺點是電路過于復雜，一個電路都要用到至少18個全控型器件，并且每個器件都要并一個二極管。

結束語

綜上所述，雖然我國還沒有制定建筑電能質量標準，但是諧波的綜合治理工作是值得推廣的，許多建筑用戶只注重提高功率因數，不重視諧波治理，從而造成電能污染和經濟損失，所以消除電力電子裝置中的諧波已經成為了必需工作，只有解決了電能污染的問題，才能保證建筑用戶的電能質量和用電安全。

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