電網諧波的辨識與抑制方法

一、電網諧波的產生原理

電網諧波是指頻率為基波頻率整數倍的電壓或電流波形畸變成分，其主要由非線性負載引起。理想電力系統的電壓和電流應為純正弦波，但在實際應用中，許多電氣設備的運作特性會導致電流波形產生畸變，進而產生諧波。

諧波的產生可從以下機制理解：

1. 電力電子設備的非線性負載特性

• 電力電子設備（如變頻器、開關電源等）在運行時會進行高頻開關動作，這些操作會使輸入電流產生不規則的脈衝，進而形成高次諧波。

• 例如三相整流器，其輸入電流通常不是連續的正弦波，而是由短時間導通的脈衝組成，這些脈衝通過傅立葉分解可表示為一系列諧波成分。

2. 磁性元件的飽和效應

• 變壓器和電動機的鐵心在高負載或過載情況下容易進入磁飽和狀態，使得磁通量與電流不再呈線性關係，導致輸出電壓和電流發生畸變。

• 飽和狀態下的變壓器通常會產生奇次諧波（如3次、5次、7次諧波）。

3. 電弧放電與非線性負載

• 電弧爐、焊接設備、放電燈（如日光燈、HID燈）在工作時，會產生快速變化的電流，這些變化將會誘發高頻諧波分量。

4. 非線性開關行為

• PWM調變器、矽控整流裝置（SCR）、變頻器等設備在開關過程中會瞬間改變電流或電壓波形，從而產生諧波。

二、用戶如何辨識常見產生諧波的電機或電氣設備

1. 常見諧波源分類

不同設備會產生不同特徵的諧波，透過測試設備或經驗可識別出它們的影響。

2. 如何掌握諧波檢測方法

2.1. 使用電力品質分析儀或諧波分析儀

• 這些儀器可以測量總諧波失真（THD），並顯示各次諧波的幅值，幫助用戶識別諧波來源。

• 通常，THD 電流值高於 5% 時，表示有明顯的諧波影響。

2.2. 觀察設備運行時的異常狀況

• 變壓器異常發熱、電機噪音增加、電容器異常發熱，這些現象都可能與諧波有關。

• 照明設備閃爍，尤其是LED燈閃爍嚴重，可能是由於高次諧波影響電源質量。

2.3. 分析電壓和電流波形

• 使用示波器或電力品質分析儀檢測波形，如果波形畸變嚴重，通常可判定有較強的諧波影響。

2.4. 關閉可疑設備進行排查

• 在電力系統中，逐一關閉可疑的非線性設備，觀察諧波變化情況，以確定主要諧波來源。

三、用戶如何降低諧波影響

1. 選擇低諧波設備

• 購買時選擇具備「低諧波輸出」或內建濾波器的變頻器、UPS、開關電源等設備。

2. 安裝諧波濾波器

• 主動式濾波器（AHF） 可根據即時測量的諧波電流進行補償，適用於變頻器和大型電子設備。

• 被動式濾波器（PHF） 包括電感-電容（LC）濾波電路，可針對特定頻率的諧波進行抑制。

• 在線式濾波器：一種高效濾波節能裝置。有別於市售的主動式濾波器，本產品同時還具有一定的節能省電的效果。

3. 使用12脈波或24脈波整流技術

• 例如對於大型UPS和變頻器，使用多脈波整流技術可以降低諧波含量。

4. 適當加裝電抗器

• 在變頻器、開關電源等設備的輸入端加裝電抗器可以抑制高頻諧波。

5. 保持電力系統平衡

• 避免三相負載不平衡，特別是單相非線性負載較多時，應均衡分配負載。

四、結論

電網諧波的主要來源是各類非線性負載設備，如變頻器、UPS、開關電源和電弧放電設備等。用戶可以通過電力品質分析儀測量THD、觀察設備異常情況，甚至手動排查來確定諧波來源。針對諧波問題，建議採取安裝濾波器、使用低諧波設備、加裝電抗器等方法來降低影響，確保電力品質和設備運行的穩定性。