组合电力系统中的波形以消除谐波分量

谐波是由吸收脉冲电流的非线性负载引起的，从而导致波形失真。谐波是导致电路元件过热的电能质量问题的根源。谐波抑制变压器用于减少配电系统中的谐波。

当存在谐波时，线路上会出现失真的电压和电流波形。必须分析失真波形以确定存在的谐波的类型和数量。当存在谐波时，高次谐波与基波相加，产生合成波形。所得波形是由电能质量分析仪测量的波形，并且可以包括不同的谐波。傅立叶分析用于分析波形。傅里叶分析有多种类型，但简单的概念是傅里叶变换。

傅里叶变换

必须使用傅里叶变换来分析所得波形，以了解存在的谐波。傅立叶变换是将基于时间的波形（如正弦波形）转换为基于频率的信息的数学方法。这相当于将周期波形分解（分解）为一系列正弦波形，这些正弦波形可以加在一起以再现原始波形（见图1）。傅立叶变换用于查找线路上谐波的频率和幅度。电能质量分析仪的输出给出了每个谐波的相对幅度。

图 1.傅里叶分析用于将失真波分解为其谐波分量。图片由SALICRU提供

组合波形

来自不同负载的波形在两条或多条电线在结点处汇合的任意点处组合在一起。这通常发生在变压器内绕组的连接点处或为两个或多个变压器供电的公共总线处。

当正弦波形组合时，它们相加，所得波形的值等于各个值之和。如果一个波形为正，另一个波形为负，并且两者的数值相同，则称它们抵消。如果两个电流波形彼此完全异相，其中一个等于 +10 A，另一个等于 –10 A，则该瞬间产生的电流值为 0。

笔记

让·巴蒂斯特·约瑟夫·傅里叶 (Jean Baptiste Joseph Fourier) 提出了傅里叶分析背后的思想。傅里叶分析采用时变信号（例如具有谐波的信号源），并将其转换为构成信号的频率分量。

如果两个电流波形彼此异相并且它们没有完全抵消，则所得波形将具有非零值。当 SMPS 以脉冲形式汲取电流时，脉冲彼此分离。如果其中一个波形相对于另一个波形偏移 60°，并将波形相加，则原始波形的每个峰值都会有两个峰值（见图2）。这是在具有标准 Delta-Wye 绕组或 Y 形 Z 字形绕组的变压器中发生的波形偏移和重组类型。组合波形出现在标准 Delta-Y 形或 Y 形 Z 字形变压器的线路侧，该变压器为单相、线路到中性线、非线性负载供电。这导致三重谐波的抵消。

图 2.在接线点处组合时波形相加。60° 相移可消除三重谐波。

由 Delta-Wye 或 Y-Zigzag 变压器创建的组合波形可以与具有适当相移的其他两个波形组合以创建新波形（见图3）。该波形是除了通过初始相移消除的三重谐波之外还消除了 5 次、7 次、17 次和 19 次谐波的结果。这种额外的相移可以通过与 Y 形 Z 字形变压器或 Delta Y 形变压器并联的 Delta Z 字形变压器来实现。在变压器对上游的电源母线处可以看到组合波形。

图 3.进一步的波形偏移用于消除高次谐波。

如果变压器上的负载发生变化，波形就会失去平衡并且不会抵消。可以设计额外的相移组合来消除更多谐波，但好处非常小。每次负载变化时都必须修改变压器组。每当计算机打开或关闭，或者变速电机驱动器上的负载发生变化时，就会发生这种情况。对于每次负载变化都要修改这种类型的变压器组是不切实际的。