谐波基础知识

1. 谐波基础知识

在对电网、UPS、开关电源、整流器、变频器、逆变器、电机等测试中，大家除了关注电压、电流和功率等一些基本参数后，其它关注得最多的应该是很多事故的罪魁祸首——谐波。那么什么是谐波？谐波的分类又有什么呢？它的危害又是什么呢？

1.1 什么是基波

在介绍“谐波”之前，我们要先了解一个名词——基波。在百度百科中对“基波”的定义如下：

复合波的最低频率分量。在复杂的周期性振荡中，包含基波和谐波。和该振荡最长周期相等的正弦波分量称为基波。相应于这个周期的频率称为基本频率。

设定如图1所示是一个基波信号。如果一个信号只有“基波”，那这就是完美的信号，但是在实际中这是不可能的，这其中夹杂最多的是谐波，俗话说，龙生九子，各有不同，可以这样说，基波就属于正统，那么谐波就像“九子”中的“睚眦”，具有“嗜杀喜斗，刻镂于刀环、剑柄吞口”的特性，那么什么是谐波呢？

图1 基波

1.2 什么是谐波

在百度百科中，对谐波的定义是“从严格的意义来讲，谐波是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量，一般是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解，其余大于基波频率的电流产生的电量。从广义上讲，由于交流电网有效分量为工频单一频率，因此任何与工频频率不同的成分都可以称之为谐波，这时“谐波”这个词的意义已经变得与原意有些不符。正是因为广义的谐波概念，才有了“分数谐波”、“间谐波”、“次谐波”等等说法”。

这段话看起来挺复杂的，其实简单理解就是“对周期性交流量进行傅里叶级数分解，得到频率为基波频率（大于1）整数倍的分量就是谐波”。如图2所示，是3次谐波。谐波根据频率来进行分类，分为奇次谐波、偶次谐波和间谐波。

1.3 谐波的分类

图2 3次谐波

奇次谐波——额定频率为基波频率奇数倍的谐波，被称为奇次谐波，如3、5、7次谐波；

偶次谐波——额定频率为基波频率偶数倍的谐波，被称为奇次谐波，如2、4、6次谐波；

间谐波——频率为基波频率的整数倍的谐波，倍称为简谐波，也叫分量谐波。

如所示，是电网（50Hz）对谐波的分类。

图3 电网谐波分类

1.4 谐波的影响

我们通过一组图片来看看谐波的影响。在图1的基波上添加一个3次谐波，如图2所示，那么就得到了如图4所示的波形，当继续的叠加奇次谐波后，就变成了方波，如图5所示，是叠加3、5、7次谐波，图6所示是叠加后的波形。

图4 叠加3次谐波后的波形图

图5 叠加3、5、7次谐波

图6 3、5、7次谐波叠加后的波形

通过上面的波形，我们看到了，由于谐波的产生，然后叠加到基波上，原来的基波发生了很大的改变，由原来的正弦波快要变成了方波，这样不仅会降低系统容量如变压器、断路器、电缆等，还会加速设备老化，缩短设备使用寿命，甚至损坏设备危害生产安全与稳定。

1.5 谐波是怎么产生的

那么谐波究竟是怎么产生的呢？经过分析，谐波产生主要有是由于正弦信号加压于非线性负载，基波电流发生畸变产生谐波。像常见的主要非线性负载有UPS、开关电源、整流器、变频器、逆变器等。