8.1 谐波的概念（课件）-《电工技术基础与技能》同步精品课堂（机工版·第3版）

项目8 非正弦周期电量的应用 8.1 谐波的概念 《电工技术基础与技能》（机械版•第3版） 同步精品课堂 1 学习目标 知识目标 1.深刻理解谐波产生及分解的基本原理和规律。 2.熟练掌握高次谐波在不同领域的用途与危害要点。 能力目标 1.深刻理解谐波产生及分解的基本原理和规律。 2.熟练掌握高次谐波在不同领域的用途与危害要点。 情感目标 1.培养对电工技术中复杂现象的探索兴趣和热情。 2.在知识目标中加入谐波对人体的危害 项目8 非正弦周期电量的应用 导入情景 01 新知学习 02 一、谐波的产生 将其中一台的输出电压调整为1V，频率调整为50Hz;另一台的输出电压调整为0.3V，频率调整为 150Hz，此时示波器上的显示波形如图 8-2b 所示。由图中可见，此波形是一非正弦电压波形，它是由50Hz和150Hz两个正弦交流电压叠加而成的。50Hz和 150Hz这两个正弦交流电压称为这个非正弦电压的谐波。 定义 新知学习 02 一、谐波的产生 由理论和实验均可以证明:任何一个非正弦周期电量，都可以分解为多个不同频率正弦周期电量相加的形式，即任何一个非正弦周期电量都可以看作是由多个不同频率正弦周期电量相叠加的结果从而建立起非正弦周期电量和正弦周期电量之间的联系。 定义 新知学习 02 一、谐波的产生 由以上分析可知，除去标准的正弦波之外，其他任何波形都含有谐波。在现代的各个用电领域，真正的正弦波是很少的，更多的是含有谐波的非正弦波，因此，我们了解谐波的概念是非常有意义的。 定义 新知学习 02 二、谐波的分解 图8-3a所示是一个单向半波整流电压波形，它在一个周期内只有半个正弦波形，是一个单方向脉动周期电量。它可以分解为直流分量(见图8-3b)和一系列不同频率正弦交流分量(见图8-3c、d、e)相叠加。 单方向脉动周期电量的分解 新知学习 02 二、谐波的分解 图8-3c所示波形称为D基波，它的频率和单方向脉动周期电量的频率相同幅度也最大;其余称为高次谐波，高次谐波的规律是:谐波的频率越来越高，幅度越来越小。由此可见，虽然一个非正弦波可以分解为无穷多项正弦量相叠加，但起主要作用的是分解后的前几项。 单方向脉动周期电量的分解 新知学习 02 二、谐波的分解 图 8-4所示是交流周期矩形波分解和叠加的情况，由图中可见，交流周期电量分解后没有直流分量(也可以认为直流分量为0)。图8-4a所示是取了e)i5m叠加量的前3项，即只取到5次谐波，合成曲线如图8-3 单向脉动周期电量的分解图中虚线所示。 交流周期电量的分解 新知学习 02 二、谐波的分解 1)任何一个非正弦周期电量，都是由基频正弦波和多个高次谐波电量相叠加的结果 (2)单方向脉动周期电量含有直流分量和交流分量;而交流周期电量只含有正弦交流分量而不含有直流分量。 结论总结 新知学习 02 二、谐波的分解 (3)非正弦周期电量的谐波频率越高，其幅度越小，即起主要作用的是谐波的前几项 (4)非正弦电量的波形和正弦电量的波形差别越大，这个非正弦电量的谐波越丰富. 结论总结 新知学习 02 三、高次谐波的用途和危害 图 8-5 是几种不同用途的电压波形，图 8-5a是电子琴发出的钢琴的声音的电压波形图图 8-5b是电子琴发出的长笛的声音的电压波形图。 高次谐波的用途 新知学习 02 三、高次谐波的用途和危害 当两个图的基波频率相同时，就可以和弦演奏;当单独演奏时，钢琴的声音或长笛的声音我们是分得很清楚的，这就是因为两个波形的高次谐波不同。 高次谐波的用途 新知学习 02 三、高次谐波的用途和危害 图8-5c是数字电路信号电压波形图，数字信息量就是“有”或“无”，用矩形波信号表示非常恰当，但矩形波信号中也含有大量的高次谐波，如果将高次谐波滤除，变成正弦信号，就会使电路出现误动作。图8-5d是正弦信号电压波形图。 高次谐波的用途 新知学习 02 三、高次谐波的用途和危害 高次谐波的危害主要由无用的噪声和不需要的谐波成分产生的，我们这里单指三相交流电网中的高次谐波成分。我国三相电网中交流电量是按50Hz正弦规律变化的，所有工作在电网上的电器都要按照 50Hz进行设计，如电动机、变压器、电磁铁、电抗器、功率因数补偿器等。 高次谐波的危害 新知学习 02 三、高次谐波的用途和危害 这些交流电器都是由电路三大元件(电阻、电感、电容)组成的，电感的感抗和电容的容抗都是频率的函数，都对高次谐波很敏感，当电路中的高次谐波达到一定值时，感性设备和容性设备就会工作不正常。 高次谐波的危害 新知学习 02 三、高次谐波的用途和危害 图8-6是三相交流电受到干扰后的波形图，由波形图可见，在 50Hz正弦波中叠加了很大的高次谐波成分。 高次谐波的危害 新知学习 02 三、高次谐波的用途和危害 高次谐波会使电动机铁心中的磁偶极子振动加剧而发热，绕组中电流出现趋肤效应使绕组发热加剧:电容器中流过的电流增加，引起电容发热鼓包，严重时发生爆炸。 三相交流电网中的高次谐波成分不能超过 5%，超过了就要采取措施将其滤除。 高次谐波的危害 新知学习 02 三、高次谐波的用途和危害 （1)自然界中的交流周期电量除了单一的正弦周期电量之外，更多的是非正弦周期电量。 非正弦周期电量是由基波和高次谐波组成的，高次谐波表示非正弦周期电量的性质。 分析结论 新知学习 02 三、高次谐波的用途和危害 （2)三相交流电是国民经济建设的动力源，输出的是标准正弦交流电。随着科技的发展和社会的需要，很大一部分电能是通过二次处理再供给用电设备的，如变频器和各种充电器等，它们将交流电整流为直流电，整流时电网中产生了大量的高次谐波。 分析结论 新知学习 02 三、高次谐波的用途和危害 由于电网中的谐波产生的负面影响很大，于是催生了一个新的产业--电磁滤波和无谐波整流技术。凡是对电网产生高次谐波的设备，都要加装滤波器或者采用无谐波整流，从而确保电网的谐波含量不超过 5%。 分析结论 小试牛刀 03 尝试解答下面习题 选择题： 1.哪种发电方式是利用水流的能量转换为电能？（ ） A. 火力发电 B. 风力发电 C. 水力发电 D. 原子能发电 答案：C 解析：水力发电是利用水流的能量带动发电机发电，而火力发电是利用燃料燃烧产生热能转化电能，风力发电依靠风力驱动发电机，原子能发电则是利用原子核能转化电能 小试牛刀 03 尝试解答下面习题 选择题： 2.当多个正弦电量叠加后形成的非正弦电量，其中的正弦分量被称为（ ） A. 基波 B. 直流分量 C. 谐波 D. 脉冲波 答案：C 解析：根据定义，非正弦周期电量可分解为多个不同频率正弦周期电量相叠加，这些正弦分量就是谐波，基波是与原非正弦电量频率相同的那个正弦分量，直流分量是单方向流动周期电量中特有的，脉冲波与本题描述不符。 小试牛刀 03 尝试解答下面习题 3.单向半波整流电压波形的特点不包括（ ） A. 含有直流分量 B. 只有基波，无高次谐波 C. 高次谐波频率越高幅度越小 D. 基波幅度相对较大 答案：B 解析：单向半波整流电压波形有直流分量，且由基波和高次谐波组成，高次谐波频率越高幅度越小，基波幅度相对较大。 小试牛刀 03 尝试解答下面习题 4.交流周期矩形波分解后（ ） A. 直流分量和交流分量都有 B. 只有直流分量 C. 只有交流分量 D. 直流分量比交流分量大 答案：C 解析：交流周期矩形波分解后没有直流分量，只有交流分量，包括基波和高次谐波。 小试牛刀 03 尝试解答下面习题 5.以下哪种情况说明高次谐波起到了关键作用？（ ） A. 使电动机正常运转 B. 区分不同乐器声音 C. 让正弦波保持纯净 D. 减少电路干扰 答案：B 解析：文中提到高次谐波是区分不同物理量的主要依据，如区分电子琴发出的不同乐器声音，而高次谐波会干扰电动机正常运转、破坏正弦波纯净性和增加电路干扰。 小试牛刀 03 尝试解答下面习题 6.在三相交流电网中，高次谐波对哪种设备的影响主要体现在磁偶极子振动和电流趋肤效应方面？（ ） A. 变压器 B. 电动机 C. 电容器 D. 电抗器 答案：B 解析：文中明确指出高次谐波会使电动机铁心中的磁偶极子振动加剧而发热，绕组中电流出现趋肤效应使绕组发热加剧，而变压器、电容器、电抗器虽然也受高次谐波影响，但不是这种特定影响。 小试牛刀 03 尝试解答下面习题 7.为了减少三相交流电网中的高次谐波危害，通常需要对产生谐波的设备采取什么措施？（ ） A. 增加功率 B. 加装滤波器或采用无谐波整流 C. 提高电压 D. 改变频率 答案：B 解析：文中提到凡是对电网产生高次谐波的设备，都要加装滤波器或者采用无谐波整流来确保电网谐波含量不超过规定值，增加功率、提高电压、改变频率都不能有效减少谐波危害。 小试牛刀 03 尝试解答下面习题 8.以下哪种波形不是常见的非正弦电量波形？（ ） A. 矩形波 B. 正弦波 C. 锯齿波 D. 尖脉冲 答案：B 解析：正弦波是按正弦规律变化的波形，不是非正弦电量波形，而矩形波、锯齿波、尖脉冲都是文中提到的常见非正弦电量波形。 小试牛刀 03 尝试解答下面习题 简答题 1.请简述非正弦周期电量和正弦周期电量的关系。 答案：任何一个非正弦周期电量都可以分解为多个不同频率正弦周期电量相叠加的形式，即非正弦周期电量是由基波和多个高次谐波叠加而成。例如单向半波整流电压波形可分解为直流分量、基波和高次谐波，交流周期矩形波可分解为基波和高次谐波。而正弦周期电量是一种特殊的、没有谐波成分的电量。 小试牛刀 03 尝试解答下面习题 简答题 2.高次谐波在电子电路处理声音、图像信号时有什么特点？ 答案：在电子电路处理声音、图像信号时，信号中谐波成分保留得越多就越逼真。因为不同的声音、图像等物理量的高次谐波不同，高次谐波是区分它们的主要依据。例如电子琴发出的钢琴和长笛声音，当基波频率相同时，其高次谐波不同，若滤除高次谐波只剩基波，两种乐器声音就无法区分。所以在处理过程中要尽量保留谐波以保证信号的真实性。 课堂小结 04 作业布置 05 1.简述谐波产生的实验过程及结论，不少于 150 字。 2.举例说明高次谐波在生活中的两种用途，详细阐述。 3.分析电网中高次谐波对某一设备的危害原理，150 字左右。 感谢观看 $$