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  • 谐波失真THD等参数的计算式不算复杂,采用数字信号分析的方法貌似很容易,但要测准却不像表面上看起来的那么容易,涉及到多个参数的选择以及为什么要这样选择的问题,一个参数不对,全盘皆错。这包括测试信号频率...
  • 谐波的定义谐波:是指对周期性非正弦交流量进行傅里叶级数分解所得到的大于基波频率整数倍的各次分量,通常称为高次谐波。简单来说,谐波就是频率是工频(50HZ)整数倍的分量。谐波分为奇次谐波和偶次谐波。基波:是指...

    谐波的定义

    谐波:是指对周期性非正弦交流量进行傅里叶级数分解所得到的大于基波频率整数倍的各次分量,通常称为高次谐波。简单来说,谐波就是频率是工频(50HZ)整数倍的分量。谐波分为奇次谐波和偶次谐波。

    基波:是指频率与工频(50HZ)相同的分量。

    奇次谐波:是指额定频率为基波奇数倍的谐波,如:3、5、7等。

    偶次谐波:是指额定频率为基波偶数倍的谐波,如:2、4、6等。

    波形畸变:是由电力系统中的非线性设备引起的,流过非线性设备的电流和加在其上的电压不成比例关系。

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    一般,偶次谐波较少,奇次谐波较多,所以奇次谐波危害较大。

    谐波产生原因

    由于正弦电压加压于非线性负载,基波电流发生畸变产生谐波。非线性负载有:UPS、开关电源、整流器、变频器、逆变器等。

    谐波产生分析:

    1) 发电设备

    发电设备为电源产生端,由于铁芯难做到绝对均匀一致,所以也会产生较少谐波。

    2) 输配电

    电力变压器是输配电中的主要谐波来源。铁芯磁化,曲线处于非线性饱和状态,谐波电流可达变压器额定电流的0.5%以上。

    3) 电力设备

    整流晶闸管设备产生的谐波,占全部谐波的40%,其他谐波发生设备有变频设备,气体放电类电光源,家用电器(含绕组)等。

    谐波计算公式

    THD(total harmonic distortion,总谐波失真),谐波总畸变率,顾名思义就是谐波的总和除以基本波。谐波总畸变率分为谐波电压总畸变率(VTHD)和谐波电流总畸变率(ITHD)。以VTHD为例(ITHD的定义及计算相似),计算如下:

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    谐波的危害

    谐波的危害十分严重。谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低,使电气设备过热、产生振动和噪声,并使绝缘老化,使用寿命缩短,甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振,使谐波含量放大,造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作,使电能计量出现混乱。对于电力系统外部,谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。

    谐波对的危害大致有以下几个方面:

    1) 增加电力运行成本

    由于谐波不经治理是无法自然消除的,因此大量谐波电压电流在电网中游荡并积累叠加导致线路损耗增加、电力设备过热,从而加大了电力运行成本,增加了电费的支出。

    2) 降低供电可靠性

    谐波电压在许多情况下能使正弦波变得更尖,不仅导致变压器、电容器等电气设备的磁滞及涡流损耗增加,而且使绝缘材料承受的电应力增大。谐波电流能使变压器的铜耗增加,所以变压器在严重的谐波负荷下将产生局部过热,噪声增大,从而加速绝缘老化,大大缩短了变压器、电动机的使用寿命,降低供电可靠性,极有可能在生产过程中造成断电的严重后果。

    3) 影响设备正常工作

    当输电线路与通讯线路平行或相距较近时,由于两者之间存在静电感应和电磁感应,形成电场耦合和磁场耦合,谐波分量将在通讯系统内产生声频干扰,轻者产生噪声,降低通信质量;重者导致信号丢失,使通信系统无法正常工作,严重时将威胁通讯设备及人身安全。

    对旋转的发电机、电动机,由于谐波电流或谐波电压在定子绕组、转子回路及铁芯中产生附加损耗,从而降低发输电及用电设备的效率,更为严重的是谐波振荡容易使汽轮发电机产生震荡力矩,可能引起机械共振,造成汽轮机叶片扭曲及产生疲劳循环,导致设备无法正常工作。

    4) 引发电力事故

    电网中含有大量的谐波源(变频或整流设备)以及电力电容器、变压器、电缆、电动机等负荷,这些电气设备处于经常的变动之中,极易构成串联或并联的谐振条件。当电网参数配合不利时,在一定的频率下,形成谐波振荡,产生过电压或过电流,危及电力系统的安全运行,如不加以治理极易引发输配电事故的发生。

    继电保护自动装置对于保证电网的安全运行具有十分重要的作用。但是,由于谐波的大量存在,易使电网的各类保护及自动装置产生误动或拒动,特别在广泛应用的微机保护、综合自动化装置中表现突出,引起区域(厂内)电网瓦解,造成大面积停电等恶性事故。

    电网谐波将使测量仪表、计量装置产生误差,达不到正确指示及计量(计量仪表的误差主要反映在电能表上)。断路器开断谐波含量较高的电流时,断路器的遮断能力将大大降低,造成电弧重燃,发生短路,甚至断路器爆炸。

    谐波的治理

    谐波治理的常用方法:

    · 串联电抗器

    · 有源滤波补偿

    · 无源滤波补偿

    · 增加整流设备的相数

    · 安装各种突波吸收保护装置,如避雷器等

    现在常用的滤波方式有电容、电感滤波和有源电子滤波APF。两者在滤波原理上存在差异,电容滤波主要是以分流方式滤除谐波,即给谐波开一个旁路通道;APF则是抵消式滤波,即与原有谐波产生一个大小相等、方向相反的谐波源,抵消原有谐波。从滤波效果上,APF高于电容电感式滤波。随着电力电子器件IGBT价格的降低,APF越来越得到广泛的应用。

    APF在数据机房的应用

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    APF在办公楼宇的应用

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  • 谐波失真分析函数用于谐波分析,其分析内容包括测量基频、总谐波失真(THD)和所有谐波的电平幅值。

    谐波失真分析函数用于谐波分析,其分析内容包括测量基频、总谐波失真(THD)和所有谐波的电平幅值。
    谐波失真分析函数的使用方法如下。

    1.在程序板为测量图标提供一个正弦波形信号,选取“函数→信号处理→波形生成→生成正弦波”,添加一个正弦波形作为测量信号,并为频率、幅值和相位端口创建输入控件。

    2.在前面板,添加一个波形图控件。

    3.切换至后面板,选取“函数→信号处理→波形测量→谐波失真分析”来添加该分析,再为其输出端口添加3个显示控件。

    4.添加while循环,使程序处于一直运行状态。

    信号时域分析:
    基本平均直流与均方根测量
    瞬态测量
    提取单频信号
    幅值和电平测量
    谐波失真分析

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  • 谐波失真--THD

    万次阅读 2019-05-29 16:35:45
    谐波失真(Total Harmonic Distortion,THD )是指用信号源输入系统到时,输出信号比输入信号多出的额外谐波成分。功放工作时,由于电路不可避免的振荡或其他谐振产生的二次、三次谐波与实际输入信号叠加,在输出...

    转载自公子小白_城南的博客 http://blog.sina.com.cn/s/blog_155903a570102yep3.html

    总谐波失真(Total Harmonic Distortion,THD )是指用信号源输入系统到时,输出信号比输入信号多出的额外谐波成分。功放工作时,由于电路不可避免的振荡或其他谐振产生的二次、三次谐波与实际输入信号叠加,在输出端输出的信号就不单纯是与输入信号完全相同的成分, 而是包括了谐波成分的信号,这些多余出来的谐波分量的均方根值与实际输入信号(基波)RMS值的比,用百分比来表示就称为总谐波失真。总谐波失真是系统不是完全线性造成的,谐波失真的本质是相对于输入信号产生了新的频率成分导致的。总谐波失真与频率有关,一般说来,1000Hz频率处的总谐波失真最小,因此不少产品均以该频率的失真作为它的指标。对于音频系统总谐波失真在1%以下时,一般耳朵分辨不出来,超过10%就可以明显听出失真的成分。一些产品说明书的总谐波失真表示为THD<0.5%,1W,这样看来总谐波失真较小,但只是在输出功率为1W的总谐波失真,这与标准要求的测量条件下得到的总谐波失真是不同的。

    THD+N用相对于信号电平的方法表示的,国内标准用百分比表示,即THD+N占基波能量的百分比,国外一些音频设备用两个绝对的分贝数值表示,如THD+N: < -110dBFS(-30dBFS),其表达的意思是当输入-30dBFS时,THD+N小于-110dBFS,也就是THD+N比基波信号至少低80dB, 根据分贝的定义,换算百分比如下:20lgA = -110-(-30) = -80 ⇒ A = 0.0001,也就是输入-30dBFS, THD+N小于-110dBFS,即THD+N是基波的0.0001倍, THD+N = 0.01%。 

    当用纯正弦波信号激励被测设备时,从输出信号的频谱上看,除了有反映输入信号的基波外,还有基于基波频率的2次,3次,4次等高次谐波的能量,这些高次谐波在输入信号中是没有的,而是由于音频设备中电子元器件的非线性引起的,这些新的频率分量导致输出信号的波形产生了畸变,对音质产生了影响。THD = (高次谐波的均方根值/基波)x 100% 。

    由于音频设备始终存在噪声,采用各种方法只能减小而无法根本消除。如果某台音频设备的总谐波失真满足国家/行业标准,但噪声较大,信噪比不达标,其技术指标仍然不能达到要求,因此仅用总谐波失真是不够的,还应考虑噪声的影响因素。目前最常用的失真测量方法是总谐波失真加噪声(Total Hormonic Distorion + Noise,THD+N)。THD+N技术是极为吸引人的,低的THD+N测量结果不仅说明谐波失真低,而且也说明电源噪声,干扰信号,以及宽带白噪声也是比测量值低(或等于测量值),所以THD+N比任何其他的失真测量技术更能说明问题,它只用一个数据就能说明设备是否存在大的问题。在音频设备中,除了电子元器件的非线性导致的谐波失真,还有器件的噪声造成的影响,通常用THD+N表示,它是音频设备的一个重要性能指标。从输出信号的频谱上分析,除了基波及各次谐波外,还有噪声的影响。音频设备噪声是随机噪声,通常用宽带白噪声表示。

    总谐波失真--THD

    THD的测试方法,一般是将输入信号的基波频率,用窄带滤波器滤除,然后测试其余信号成分(包括谐波和噪声)常用的测量音频THD的仪器为Audio Precision。

    总谐波失真--THD

    THD+N分析仪的主要功能模块是可调谐的陷波器。在工作时,陷波器自动或手动调谐到正弦波的基波频率上,以便基波被很大衰减;陷波器在谐波处没有插入损耗(将某些元件或支路加入到系统中,系统功率或增益的损耗),所以谐波基本上无衰减地通过;宽带噪声,交流电源噪声和任何其他处在陷波器频率以外的干扰信号也可以无衰减地通过。滤除了基波成分的频谱如图所示,相对于还原输入信号的基波来说,其他频率成分都是不需要的,因此THD+N代表了所有不需要的频谱分量。

    总谐波失真--THD

    前面提到THD与频率有关,很多产品提供的THD均是在1KHz时测得的数据,就是因为该频率点时THD最小,这也侧面说明了THD是与信号频率存在关系的。有时候THD+N在一个频率范围内会非常稳定,却在某一个频率点突然跌落,给出一个非常低的读数。这说明THD+N的读数是由一个在那个频率点的特别的噪声或者干扰信号控制的。在用50或者60HZ做基频测量的时候常见这种情况。例如, 你会看到如下图的一个THD+N扫描曲线。

    总谐波失真--THD

    如果你见到这个图,你立刻就会怀疑THD+N读数是由跌落频率点的一个特殊信号成分控制的。原因是陷波滤波器在滤除基频的时候也把这个与基频相同频率的主要的干扰信号也滤除了。这一原理可以用来确认THD+N的主要干扰源。如果你怀疑某个频率点上有干扰源,就可以把这个频率点设为基频,进行THD+N测量。如果测量的结果比在其他基频点上测量的THD+N值小很多,那么就可以确定干扰频率正是在这个频率点上。

    NOTICE : 有时候,相位抵消也会产生上图所示类似的扫描曲线。这是因为在跌落频率点上的失真信号和干扰信号的相位相抵消所引起的。但在多次运行扫描过程中,这些陷波会明显有区别或者消失,则可以判断有可能是相位抵消引起的 还是 上面所说干扰频率引起。

     

    THD除了与信号频率有关,还受到信号幅度的影响,当基频幅度降低的时候,通常THD+N读数明显上升。即使设备在低幅度情况下没有产生更多的噪声和失真(也就是噪声和谐波失真基本不变情况下,根据公式:总谐波失真=(高次谐波的均方根值/基波)x 100% 也就只有分母基波(就是基频)一个可变量了)。或者说该现象的产生是由于THD+N读数是滤波器前后的幅度之比,因为滤波器之后的读数主要是由于噪声或者干扰信号的幅度,与基频幅度无关。因此,基频幅度下降会引起计算出来的THD+N结果上升(本底噪声淹没了信号)。

    总谐波失真--THD

    从THD和幅度关系可以有3点结论:

    1. 任何设备都有一个木底噪声,如果基频幅度小于本底噪声,那么滤波信号前后是一致的,分子分母比值就是1,这就是THD+N就是100%。

    2. 所有设备都有一个最大允许幅度。如果基频大于这个幅度,设备将会产生消波,引起很大的失真。几乎所有的设备都会在最大或最大幅度附近显示出一个很高的谐波失真读数。

     

    3. 对于一低失真的设备,图示的曲线中下降的那部分会变短甚至消失,(也就是你购买的这台设备本底噪声基本没有). 因为这时THD+N的值在各个频段主要由噪声决定。

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  • 谐波失真(THD)的定义

    万次阅读 2016-11-17 23:40:32
    谐波失真是指输出信号比输入信号多出的谐波成分。谐波失真是系统不是完全线性造成的。所有附加谐波电平之和称为总谐波失真。总谐波失真与频率有关。一般说来,1000Hz频率处的总谐波失真最小,因此不少产品均以该频率...
    谐波失真是指输出信号比输入信号多出的谐波成分。谐波失真是系统不是完全线性造成的。所有附加谐波电平之和称为总谐波失真。总谐波失真与频率有关。一般说来,1000Hz频率处的总谐波失真最小,因此不少产品均以该频率的失真作为它的指标。
    中文名
    总谐波失真
    外文名
    Total Harmonic Distortion(THD)
    所属学科
    物理
    所属领域
    电学

    术语解释

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    总谐波失真表明功放工作时,由于电路不可避免的振荡或其他谐振产生的二次,三次
    总谐波失真与噪声测试 总谐波失真与噪声测试
    谐波与实际输入信号叠加,在输出端输出的信号就不单纯是与输入信号完全相同的成分,而是包括了谐波成分的信号,这些多余出来的谐波成分与实际输入信号的对比,用百分比来表示就称为总谐波失真。一般来说,总谐波失真在1000赫兹附近最小,所以大部分功放表明总谐波失真是用1000赫兹信号做测试,但有些更严格的厂家也提供20-20000赫兹范围内的总谐波失真数据。总谐波失真在1%以下,一般耳朵分辨不出来,超过10%就可以明显听出失真的成分。这个总谐波失真的数值越小,音色就更加纯净。一般产品的总谐波失真都小于1%@1kHz,但这个数值越小,表明产品的品质越高。

    计算公式

    编辑
    关于THD的计算公式,不同标准的定义略有不同。

    公式一

    《GBT--17626.7-2008电磁兼容 试验和测量技术 供电系统及所连设备谐波、谐间波的测量和测量仪器导则》中,对THD的定义如下:
    符号G表示谐波分量的有效值,它将按要求在表示电流时被I代替,在表示电压时被U代替,H的值在与限制有关的每一个标准中给出。按照上述定义,THD不包含间谐波,并且,有一固定的谐波上限。[1] 

    公式二

    《GB/T12668.2-2002调速电气传动系统 一般要求 低压交流变频电气传动系统额定值的规定》对THD定义如下:
    上式中,Q为总有效值,Q1为基波有效值,可代表电压或电流,按照上述定义,THD包含间谐波和直流分量。[2] 

    解析

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    原因

    在解释总谐波失真之前,我们先来了解一下何为谐波失真。
    谐波失真是指音箱在工作过程中,由于会产生谐振现象而导致音箱重放
    总谐波失真 总谐波失真
    声音时出现失真。尽管音箱中只有基频信号才是声音的原始信号,但由于不可避免地会出现谐振现象(在原始声波的基础上生成二次、三次甚至多次谐波),这样在声音信号中不再只有基频信号,而是还包括由谐波及其倍频成分,这些倍频信号将导致音箱放音时产生失真。对于普通音箱允许一定谐波信号成分存在,但必须是以对声音基频信号输出不产生大的影响为前提条件。
    而总谐波失真是指用信号源输入时,输出信号(谐波及其倍频成分)比输入信号多出的额外谐波成分,通常用百分数来表示。一般说来,1000Hz频率处的总谐波失真最小,因此不少产品均以该频率的失真作为它的指标。所以测试总谐波失真时,是发出1000Hz的声音来检测,这一个值越小越好。

    备注

    一些产品说明书的总谐波失真表示为THD<0.5%,1W,这样看来总谐波失真较小,但只是在输出功率为1W的总谐波失真,这与标准要求的测量条件下得到的总谐波失真是不同的。因此,评价MP3的总谐波失真指标时应注明是在什么条件下测得的。
    THD(total harmonic distortion,总谐波失真):是声音设备产生的(通常是不受欢迎的)谐波的水平。一般来说,高质量设备的THD值很低(低于0.002%),但也有例外。很多电子管设备的THD非常高,但晶体管设备必须具有较低的THD,因为它们多余的谐波会使声音听起来很不舒服。
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谐波失真度的计算方法