非线性负载设备什么情况下会产生高次谐波

在电力系统中，高次谐波是指频率为基波频率（50Hz或60Hz）整数倍的正弦波分量。非线性负载设备是产生这些高次谐波的主要根源。其产生机理在于设备的伏安特性不遵循线性关系，导致其从电网吸收的电流波形发生畸变，不再与供电电压保持同频率的正弦波形。

非线性负载产生高次谐波，主要发生在以下两种根本情况下：

一、当负载电流不连续或发生突变时

1、相位控制调压：

工作原理：通过晶闸管等器件，在电压波形的特定相位角（触发角）才导通电流，例如调光器、工业加热炉控制器。

谐波产生：这种方式使得电流波形在每个半波中都有一段为零的区间，形成一个非正弦的“切片”状波形。这种严重畸变的波形经傅里叶级数分解后，包含大量奇次谐波，如3次、5次、7次等。

2、开关电源与高频设备：

工作原理：现代电子设备（如计算机、LED驱动器、变频器控制电路）首先对输入交流电进行整流，然后通过高频开关晶体管调节直流电压。

谐波产生：其输入端的整流桥仅在交流电压瞬时值高于直流侧电容电压的短暂时间内导通，从电网吸收窄而尖的脉冲电流。这种脉冲电流波形富含3次、5次、7次等高次谐波。

二、当负载阻抗随施加电压周期性变化时

1、铁磁饱和效应：

工作原理：变压器、电感镇流器等设备在正常工作电压下，其铁芯磁通与励磁电流基本呈线性关系。但当电压过高，铁芯进入饱和区时，其磁导率急剧下降。

谐波产生：在电压峰值附近，铁芯饱和导致励磁阻抗骤降，从而产生一个幅值很高、持续时间很短的尖峰励磁电流。这个畸变的电流波形主要以3次谐波为主。

2、电弧的负阻特性：

工作原理：电弧炉、气体放电灯（如荧光灯、高压钠灯）的伏安特性为非线性负阻特性，即电弧两端的电压随电流增大而下降。

谐波产生：这种不稳定的负阻特性使得电弧电流波形发生严重畸变，并产生连续的谐波频谱，其中以3次谐波最为显著。

这些操作使得设备从电网吸收非正弦波形的电流。根据傅里叶分析，任何周期性畸变波形都可以分解为一个与电压同频率的基波和一系列频率为基波整数倍的高次谐波之和。因此，谐波并非独立产生，而是电流波形畸变的必然数学结果和物理表现。