諧波

諧波是不需要的較高頻率，疊加在基波上，產生失真的波形

在 AC 電路中，電阻的行為與在 DC 電路中的行為完全相同。也就是說，流過電阻的電流與其兩端的電壓成比例。這是因為電阻器是線性器件，並且如果施加到其上的電壓是正弦波，則流過它的電流也是正弦波，因此兩個正弦波之間的相位差為零。

通常，當處理電路中的交流電壓和電流時，假設它們是純的和正弦形狀，只有一個頻率值，稱為“基頻”，但情況並非總是如此。

在具有非線性的電壓 - 電流特性的電氣或電子裝置或電路中，即，流過它的電流與施加的電壓不成比例。與器件相關的交流波形將或多或少地與理想正弦波形的波形不同。這些型別的波形通常稱為非正弦波或複雜波形。

複雜的波形由常見的電氣裝置產生，例如鐵芯電感器，開關變壓器，熒光燈中的電子鎮流器和其他這樣的大電感負載以及 AC 交流發電機，發電機和其他這樣的電機的輸出電壓和電流波形。結果是即使電壓波形是電流波形也可能不是正弦波。

大多數電子電源開關電路，如整流器，可控矽整流器（SCR），功率電晶體，電源轉換器和其他這樣的固態開關，它們切斷和切斷電源正弦波形以控制電機功率，或轉換正弦交流電源到 DC。這些開關電路傾向於僅在 AC 電源的峰值處汲取電流，並且由於開關電流波形是非正弦的，因此所得的負載電流被稱為包含諧波。

通過將一系列稱為“諧波”的正弦波頻率“加”在一起來構造非正弦複合波形。諧波是用於描述不同頻率波形的正弦波形失真的通用術語。

然後無論其形狀如何，複雜的波形都可以在數學上分成它的各個分量，稱為基頻和許多“諧波頻率”。但是，“基頻”是什麼意思呢？

基本頻率

甲基本波形 （或一次諧波）是具有電源頻率的正弦波形。基波是建立複雜波形的最低頻率或基頻 ƒ ，因此產生的複雜波形的週期時間 τ 將等於基頻的週期時間。

讓我們考慮基本的基波或一次諧波交流波形，如圖所示。

其中： Vmax 是以伏特為單位的峰值， ƒ 是以赫茲（Hz）為單位的波形頻率。

我們可以看到正弦波形是交流電壓（或電流），其作為角度的正弦函式 2π 變化。波形頻率 ƒ 由每秒的週期數決定。在英國，這個基頻設定為 50Hz，而在美國則為 60Hz。

諧波是以基頻的整數（整數）倍頻執行的電壓或電流。因此，給定 50Hz 基波波形，這意味著二次諧波頻率為 100Hz（2×50Hz），三次諧波為 150Hz（3×50Hz），第五次為 250Hz，第三次為 350Hz，依此類推。同樣，給定 60Hz 基波，第 2，第 3，第 4 和第 5 諧波頻率分別為 120Hz，180Hz，240Hz 和 300Hz。

換句話說，我們可以說“諧波”是基頻的倍數，因此可以表示為： 2ƒ ，3ƒ ，4ƒ 等，如圖所示。

諧波引起的複雜波形

注意，上面的紅色波形是由於諧波含量被新增到基頻而由負載看到的波形的實際形狀。

基本波形也被稱為 1日 諧波波形。因此，二次諧波的頻率是基波的兩倍，三次諧波的頻率是基波的三倍，四次諧波的一次是基頻的四倍，如左側列所示。

右側列顯示了由於在不同諧波頻率下新增基波波形和諧波波形之間的影響而產生的複雜波形。注意，所得到的複雜波形的形狀不僅取決於存在的諧波頻率的數量和幅度，還取決於基頻或基頻與各個諧波頻率之間的相位關係。

我們可以看到，複雜波由基波和諧波組成，每個諧波都有自己的峰值和相位角。例如，如果基頻給定為; E = Vmax（2πƒt） ，諧波值將給出如下：

對於二次諧波：

E2 = V2max （2 *2πtt）= V2max （4πƒt），= V2max （2πt）

對於三次諧波：

E3 = V3max （3 *2πtt）= V3max （6πƒt），= V3max （3ωπt）

對於四次諧波：

E4 = V4max （4 *2πtt）= V4max （8πƒt），= V4max （4πt）

等等。

那麼給出的複數波形值的等式將是：

諧波通常通過他們的名字和頻率進行分類，例如，2次，在 100 赫茲的基頻的諧波，並且還可以通過序列。諧波序列是指在平衡的 3 相 4 線系統中諧波電壓和電流相對於基波波形的相量旋轉。

正序諧波（第 4，第 7，第 10，……）將以與基頻相同的方向（向前）旋轉。其中負序諧波（2nd，5th，8th，…）在基頻的相反方向（反向）旋轉。

通常，正序諧波是不期望的，因為它們由於新增波形而導致導體，電力線和變壓器的過熱。

另一方面，負序諧波在相之間迴圈，從而產生電機的附加問題，因為相反的相量旋轉削弱了電機，尤其是感應電機所需的旋轉磁場，導致它們產生較小的機械扭矩。

另一組稱為“三重”的特殊諧波（三個中的多個）具有零旋轉序列。Triplens 是三次諧波的倍數（3rd，6th，9th，…）等，因此它們的名稱，因此被移位零度。零序諧波在相和中性點或地之間迴圈。

與相互抵消的正序和負序諧波電流不同，三階或三次諧波不會抵消。而是在公共中性線中算術計算，該中性線受到來自所有三相的電流。

結果是，由於這些三次諧波引起的中性線中的電流幅度可能高達基頻處相電流幅度的 3 倍，從而導致其效率降低和過熱。

然後我們可以將序列效應概括為 50Hz 的基頻的倍數：

諧波測序

注意，相同的諧波序列也適用於 60Hz 基波。

諧波總結

諧波是疊加在基頻上的高頻波形，即電路的頻率，足以扭曲其波形。應用於基波的失真量將完全取決於存在的諧波的型別，數量和形狀。

自從引入用於電機，風扇和泵的電子驅動器，電源開關電路（如整流器，電源轉換器和閘流體功率控制器）以及大多數非線性電子相位控制以來，諧波在過去幾十年中僅存在足夠的數量。負載和高頻（節能）熒光燈。這主要是由於負載汲取的受控電流不忠實地遵循正弦電源波形，如整流器或功率半導體開關電路的情況。

電力分配系統中的諧波與基頻（50Hz 或 60Hz）電源相結合，以產生電壓和/或電流波形的失真。這種失真會產生由多個諧波頻率組成的複雜波形，這可能對電氣裝置和電力線產生不利影響。

給出複雜波形其獨特形狀的波形失真量與諧波頻率是基頻的倍數（整數）的最主要諧波分量的頻率和幅度直接相關。最主要的諧波分量是從 2 低次諧波ND 到 19個 與 triplens 是最差的。