【英博课堂】谐波危害

数控机床

1.对编码器的干扰

加装编码器来测量主轴转速，并形成闭环调速控制系统。编码器与机床主轴联接，机床主轴每转一圈编码器就发出一定数目的矩形脉冲，根据这些矩形脉冲个数及其所经历的时间，就可以确定机床主轴转速。由于变频器在工作时输出信号产生的高次谐波，在编码器工作时将叠加到它输出的矩形脉冲上。若使用这些叠加了高次谐波的矩形脉冲作为计数脉冲，在使用外触发计时计数测速法时，当这些谐波尖峰到来时，系统将尖峰的上升沿误认为是编码器发出的矩形脉冲的上升沿而出现误计数，则必将得出错误的测速结果。

2.对主轴电机的影响

谐波电压或电流会在电机的定子绕组、转子回路以及定子和转子铁心中引起附加损耗。由于涡流和集肤效应的关系，定子和转子导体内的这些附加损耗比直流电阻引起的损耗大。

谐波电流还会增大电机的噪声和产生脉动转矩。用变频器驱动电动机时，由于输出电压和电流中含有高次谐波分量，气隙的高次谐波磁通增加，使噪声增大。电磁噪声有以下特征：由于变频器输出中的低次谐波分量与转子固有机械频率相同产生谐振，则转子固有频率附近的噪声增大。变频器输出中的高次谐波分量与铁心机壳轴承架等谐振，在这些部件的各自固有频率附近处的噪声增大。

数控机床在没有采取抗干扰措施时，主轴电动机在工作时发出刺耳的噪声，并且因主轴编码器测速显示转速存在波动，电动机也存在轻微的振动。

3.对数控系统的影响

数控车床在试加工零件的运行过程中，偶尔会出现一次主轴突然停止，而刀架继续运行的危险现象。这时观察变频器的工作信号，变频器上显示出的则是主轴停止信号。而在工作程序中，主轴是不应该停止的，而变频器却发出了主轴停止信号，如果是因为数控系统或变频器引起的，那么这种情况必然会经常发生，偶尔出现一次，可能是由干扰信号引起的。

对电费计量系统的危害

由于谐波电流的波形不同于基波电流，当系统谐波电流含量较高时，会严重影响电费计量系统，计量系统若不能区分谐波电流与基波电流，将谐波电流计为有功电流，造成用户多支出电费。

计算机和一些其它电子设备

如PLC等，对电能质量要求较高，较高的谐波可导致控制设备误动作，进而造成生产或运行中断，导致较大的经济损失。

变压器

对变压器而言，谐波电流可导致铜损和杂散损增加，谐波电压则会增加铁损。与纯正基本波运行的正弦电流和电压相较，谐波对变压器的整体影响是温升较高。须注意的是;这些由谐波所引起的额外损失将与电流和频率的平方成比例上升，进而导致变压器的基波负载容量下降。而当你为非线性负载选择正确的变压器额定容量时，应考虑足够的降载因子，以确保变压器温升在允许的范围内。还应注意的是用户由于谐波所造成的额外损失将按所消耗的能量(千瓦时)反应在电费上，而且谐波也会导致变压器噪声增加。

电力电缆

在导体中非正弦波电流所产生的热量与俱有相同均方根值的纯正弦波电流相较，则非正弦波会有较高的热量。该额外温升是由众所周知的集肤效应和邻近效应所引起的，而这两种现象取决于频率及导体的尺寸和间隔。这两种效应如同增加导体交流电阻，进而导致I²Rac损耗增加。

电动机与发电机

谐波电流和电压对感应及同步电动机所造成的主要效应为在谐波频率下铁损和铜损的增加所引起之额外温升。这些额外损失将导致电动机效率降低，并影响转矩。当设备负荷对电动机转矩的变动较敏感时，其扭动转矩的输出将影响所生产产品的质量。对于旋转电机设备，与正弦磁化相比，谐波会增加噪音量。像五次和七次这种谐波源，在发电机或电动机负载系统上，可产生六次谐波频率的机械振动。机械振动是由振动的扭矩引起的，而扭矩的振动则是由谐波电流和基波频率磁场所造成，如果机械谐振频率与电气励磁频率重合，会发生共振进而产生很高的机械应力，导致机械损坏的危险。

电子设备

电力电子设备对供电电压的谐波畸变很敏感，这种设备常常须靠电压波形的过零点或其它电压波形取得同步运行。电压谐波畸变可导致电压过零点漂移或改变一个相间电压高于另一个相间电压的位置点。这两点对于不同类型的电力电子电路控制是至关重要的。控制系统对这两点(电压过零点与电压位置点)的判断错误可导致控制系统失控。而电力与通讯线路之间的感性或容性耦合亦可能造成对通讯设备的干扰。

开关和继电保护

像其它设备一样，谐波电流也会引起开关之额外损失，并提高温升使基波电流承载能力降低。温升的提高对某些绝缘组件而言会降低其使用寿命。旧式低压断路器之固态跳脱装置，系根据电流峰值来动作，而此种型式之跳脱装置会因馈线供电给非线性负载而导致不正常跳闸。新型跳脱装置则根据电流的有效值(RMS)而动作。

保护继电器对波形畸变之响应很大程度取决于所采用的检测方法。目前并没有通用的准则能用来描述谐波对各种继电器的影响。然而，目前在电网上一般的谐波有可能对由负序滤过器组成启动元件的保护及自动装置产生干扰，容易引起误动。

功率因数补偿电容器

电容器与其它设备相较有很大区别，因其容性特点在系统共振情况下可显著的改变系统阻抗。电容器组之容抗随频率升高而降低，因此，电容器组起到吸收高次谐波电流的作用，此作用提高温升并增加绝缘材料的介质应力。频繁地切换非线性电磁组件会产生谐波电流如变压器，这些谐波电流将增加电容器的负担。应当注意的是熔丝通常不是用来当作电容器之过载保护。由谐波引起的发热和电压增加意味着电容器使用寿命的缩短。

在电力系统中使用电容器组时，必需考量因素是系统产生谐振的可能性。系统谐振将导致谐波电压和电流会明显地高于在无谐振情况下出现的谐波电压和电流。

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