非線性負載為什么會產(chǎn)生諧波？

常見的非線性負載包括變壓器、整流器、逆變器、開關電源等。變壓器由于鐵芯的磁飽和特性，會導致電流波形的畸變，從而產(chǎn)生諧波。整流器和逆變器則由于其內(nèi)部的電力電子器件如二極管和晶體管的工作特性，也會產(chǎn)生諧波。開關電源在現(xiàn)代電子設備中廣泛應用，其高頻開關動作會產(chǎn)生高次諧波。

諧波的產(chǎn)生主要由于非線性負載的存在。這些負載在電力系統(tǒng)中引入的諧波會對電網(wǎng)的穩(wěn)定性、電能質(zhì)量以及設備的正常運行產(chǎn)生負面影響。非線性負載，其電流和電壓之間的關系不是線性的，這導致電流波形發(fā)生畸變，從而產(chǎn)生諧波。

具體來說，當電流流經(jīng)非線性負載時，負載上的電流和施加的電壓不成線性關系，這就形成了非正弦電流，進而產(chǎn)生了諧波。例如，整流器在將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的過程中，由于二極管的單向?qū)щ娦裕瑫е码娏鞑ㄐ蔚膰乐鼗儯瑥亩a(chǎn)生大量的諧波。同樣，變壓器在工作時，由于鐵芯的磁飽和特性，也會導致電流波形的畸變，產(chǎn)生諧波。

此外，電力系統(tǒng)中的其他設備也可能產(chǎn)生諧波。例如，電動機、電弧爐等設備在工作時，由于其非線性特性，也會導致電流波形的畸變，產(chǎn)生諧波。電弧爐在熔化金屬時，電極和金屬碎粒之間的頻繁斷路和短路會導致電流波形的劇烈變化，從而產(chǎn)生大量的諧波。電動機在啟動和運行時，由于其非線性電感和電阻特性，也會導致電流波形的畸變，產(chǎn)生諧波。

諧波的危害不僅限于對設備的直接影響，還可能對整個電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生威脅。例如，諧波可能導致電力系統(tǒng)的諧振現(xiàn)象，進而引起過電壓和過電流，嚴重時甚至會導致系統(tǒng)崩潰。此外，諧波還會增加電力系統(tǒng)的損耗，降低系統(tǒng)的整體效率。例如，諧波會導致變壓器和電動機的附加損耗增加，溫度升高，縮短設備的使用壽命。

典型非線性負載的諧波產(chǎn)生機制

典型非線性負載如整流器和變壓器是如何產(chǎn)生諧波的。以整流器為例，當交流電壓通過整流器轉(zhuǎn)換為直流電壓時，由于二極管的單向?qū)щ娦?，只有電壓的正半周期或部分周期?nèi)有電流通過，這導致電流波形的嚴重畸變。這種畸變的電流波形包含了豐富的諧波成分。具體來說，整流器在工作時，二極管只在電壓的正半周期或部分周期內(nèi)導通，導致電流波形不是一個完整正弦波，而是一個脈沖波形。這種脈沖波形包含了大量的高次諧波成分，如5次諧波、7次諧波等。這些諧波成分不僅會影響整流器的正常運行，還可能對電網(wǎng)的其他設備產(chǎn)生影響。

同樣，變壓器在工作時，由于鐵芯的磁飽和特性，也會導致電流波形的畸變。變壓器在空載合閘時會產(chǎn)生較大的涌流，其中包含大量的諧波成分。這些諧波成分不僅會影響變壓器的正常運行，還可能對電網(wǎng)的其他設備產(chǎn)生影響。

此外，電力電子調(diào)速系統(tǒng)如變頻器也屬于非線性負載。變頻器在調(diào)速過程中會產(chǎn)生高次諧波，導致電網(wǎng)的電壓和電流波形發(fā)生畸變。這些諧波不僅會影響變頻器的正常運行，還可能對電網(wǎng)的其他設備產(chǎn)生影響。例如，變頻器在控制電動機的轉(zhuǎn)速時，由于其開關動作的頻率較高，會導致電流波形的畸變，產(chǎn)生大量的諧波。這些諧波成分可能導致電動機的附加損耗增加，溫度升高，縮短設備的使用壽命。

審核編輯 黃宇