[科普中国]-谐波失真

定义

总谐波失真（THD）指音频信号源通过功率放大器时，由于非线性元件所引起的输出信号比输入信号多出的额外谐波成分。谐波失真是由于系统不是完全线性造成的，我们用新增加总谐波成份的均方根与原来信号有效值的百分比来表示。例如，一个放大器在输出10V的1000Hz时又加上Lv的2000Hz，这时就有10%的二次谐波失真。所有附加谐波电平之和称为总谐波失真。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。但总谐波失真与频率有关，因此美国联邦贸易委员会于1974年规定，总谐波失真必须在20～20000Hz的全音频范围内测出，而且放大器的最大功率必须在负载为8欧扬声器、总谐波失真小于1%条件下测定。国际电工委员会规定的总谐波失真的最低要求为：前级放大器为0.5%，合并放大器小于等于0.7%，但实际上都可做到0.1%以下：FM立体声调谐器小于等于1.5%，实际上可做到0.5%以下；激光唱机更可做到0.01%以下。

简介周期信号分析一个周期信号可以通过傅里叶变换分解为直流分量c0和不同频率的正弦信号的线性叠加：

其中，cm表示m次谐波的幅值，其角频率为mω，初始相位为φm，其有效值为cm/√2。

当m=1时， 为基波分量的表达式，其角频率为ω，初始相位为φ1，其方均根值c1/√2称为基波有效值。

ω/2π为基波分量的频率，称为基波频率，基波分量的频率等于交流信号的频率。而m次谐波的频率为基波频率的整数倍（m倍）。

1、电力领域在电力领域，各次谐波的方均根值与基波方均根值的比例称为该次谐波的谐波含量。所有谐波的方均根值的方和根与基波方均根值的比例称为总谐波失真。通常说的谐波失真等同于总谐波失真。

2、音频领域总谐波失真指音频信号源通过功率放大器时，由于非线性元件所引起的输出信号比输入信号多出的额外谐波成份。谐波失真是由于系统不是完全线性造成的，我们用新增加总谐波成份的均方根与原来信号有效值的百分比来表示。例如，一个放大器在输出10V的1000Hz时又加上1v的2000Hz，这时就有10%的二次谐波失真。所有附加谐波电平之和称为总谐波失真。
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。但总谐波失真与频率有关，因此美国联邦贸易委员会于1974年规定，总谐波失真必须在20～20000Hz的全音频范围内测出，而且放大器的最大功率必须在负载为8欧扬声器、总谐波失真小于1%条件下测定。国际电工委员会规定的总谐波失真的最低要求为：前级放大器为0.5%，合并放大器小于等于0.7%，但实际上都可做到0.1%以下：FM立体声调谐器小于等于1.5%，实际上可做到0.5%以下；激光唱机更可做到0.01%以下。
由于测量失真度的现行方法是单一的正弦波，不能反映出放大器的全貌。实际的音乐信号是各种速率不同的复合波，其中包括速率转换、瞬态响应等动态指标。故高质量的放大器有时还注明互调失真、瞬态失真、瞬态互调失真等参数。
(l)互调失真(IMD)：将互调失真仪输出的125Hz与lkHz的简谐信号合成波，按4：1的幅值输入到被测量的放大器中，从额定负载上测出互调失真系数。
(2)瞬态失真(TIM)：将方波信号输入到放大器后，其输出波形包络的保持能力来表达。如放大器的转换速率不够，则方波信号即会产生变形，而产生瞬态失真。主要反映在快速的音乐突变信号中，如打击乐器、钢琴、木琴等，如瞬态失真大，则清脆的乐音将变得含混不清。
(3)瞬态互调失真：将3.15kHz的方波信号与15kHz的正弦波信号按峰值振幅比4：1混合，经放大器后，新增加全部互调失真的产物有效值与原来正弦振幅的百分比。如放大器采用深度大回环负反馈，瞬态互调失真一般较大，具体反映出声音呆滞、生硬、无临场感；反之，则声音圆滑、细腻、自然。

分类由于测量失真度的现行方法是单一的正弦波，不能反映出放大器的全貌。实际的音乐信号是各种速率不同的复合波，其中包括速率转换、瞬态响应等动态指标。故高质量的放大器有时还注明互调失真、瞬态失真、瞬态互调失真等参数。

(l)互调失真(IMD)：将互调失真仪输出的125Hz与lkHz的简谐信号合成波，按4：1的幅值输入到被测量的放大器中，从额定负载上测出互调失真系数。

(2)瞬态失真(TIM)：将方波信号输入到放大器后，其输出波形包络的保持能力来表达。如放大器的转换速率不够，则方波信号即会产生变形，而产生瞬态失真。主要反映在快速的音乐突变信号中，如打击乐器、钢琴、木琴等，如瞬态失真大，则清脆的乐音将变得含混不清。

(3)瞬态互调失真：将3.15kHz的方波信号与15kHz的正弦波信号按峰值振幅比4：1混合，经放大器后，新增加全部互调失真的产物有效值与原来正弦振幅的百分比。如放大器采用深度大回环负反馈，瞬态互调失真一般较大，具体反映出声音呆滞、生硬、无临场感；反之，则声音圆滑、细腻、自然。

测量与运算从总谐波失真的计算公式可知，总谐波失真的数值与谐波次数的上限值H密切相关。一般的谐波测量设备如谐波分析仪等，大多适用于电网谐波测量，其上限值通常在40次以内。

对于变频器等包含较高次谐波的谐波发射设备，测量总谐波失真需要采用可以测量更高次谐波的专用谐波设备如：变频功率分析仪或宽频功率分析仪。此外，对于高电压、大电流系统，还需注意所用的传感器具有必要的带宽如：变频功率传感器。

相关知识电力行业变频驱动器VFD（variablefrequencydrive）在关键电机的调速和优化功率消耗方面具有许多优点，但是也很容易造成相邻配电系统的谐波失真。配电系统能够吸收部分失真，但是当VFD直接连接在发电机驱动的电路上时，产生的干扰也可能会影响操作的可靠性。

通常，水处理厂配备有VFD、臭氧发生器以及其它可以造成谐波失真的负载。多数的工厂里也配置了紧急备用发电机，以备外部电源停止或非正常时为重要设备供电。而工厂的操作人员一直担心，在应急操作时间延长的情况下，发电机可能发生故障。为了确定故障的程度，操作人员编辑谐波测量结果，比较正常使用和使用备用发电机时的失真程度，并根据测得的数据通过工程分析来评估谐波抑制技术。

多大程度的失真是可以接受的IEEE519-1992标准《电力系统谐波控制推荐规程和要求》提供了一些关于“多大程度的谐波失真可以接受”的指导方针。最初，该标准作为推荐规程供电力使用单位及其客户参考；该标准被广大工厂企业作为测定现有设备谐波电流的指南性文件加以普及和使用。

对淡化厂的正常电力使用和备用发电机供电所进行的测试表明，主要的电力系统参数，包括电压校准和失衡以及电流失衡，都在可接受的范围内。尽管谐波失真的程度没有严重到对工厂的正常生产运行有明显的影响，进一步减弱谐波仍然是不可忽略的工作。操作员关心谐波带来的长期影响，而由于使用备用发电机时的谐波常常超过IEEE519-1992标准所规定的谐波范围，他们更担心应急操作时间延长的情况下发电机能否稳定可靠地继续工作。此外，谐波减弱技术也能延长设备使用寿命，增强系统的可靠性。

谐波限值表显示了与通常用于电力发生设备的IEEE519-1992标准谐波限值比较的测试结果。和演示的一样，在线测量的数据超过了这个限值。除此以外，施耐德电气还进行了不同抑波技术的计算机仿真。

通过谐波仿真可以估算不同的情况下谐波电流的减少量。如前面所提到的，在250hp设备和60hp设备同时工作就已经获得了第5次和7次谐波电流的谐波消除效果。系统分别要求5次谐波的电流减少27%，7次谐波的电流减少16%，尽管如此造成了总RMS电流增加了19%。最坏的情况也就是最高谐波峰值，在只有250hp设备工作时才会出现。总体来说，有4种解决方式：

绕过一个ΔY绝缘变压器——每个250hp设备有ΔY绝缘变压器。绕过其中一个ΔY绝缘变压器就能获得不错的效果，即减少了谐波电流失真的数量。再加上上面提到的250hp和60hp设备同时使用的方法，减弱了第5次和7次的谐波电流。而旁通回路的第5次和7次谐波电流保持不变，一旦再运行一到两个250hp设备，就会产生额外的消除作用。然而，这项技术仅适用于没有更有效的解决办法的情况下的临时改造。

替换一个ΔY绝缘变压器——一种更为有效的谐波减弱技术就是用ΔY交错绕组变压器取代其中一个ΔY绝缘变压器，而非绕过它。因为谐波电流不是通过ΔY交错绕组变压器周相移动，所以这样的改进也增强了第5次和7次电流的消除效应。这种方法同时也保留了谐波衰减的正面影响。

无源谐波滤波器——可以在480V主电路安装一个5次无源谐波滤波器，但是由于无源谐波滤波器也会增加基础功率因数，所以这种方法并不实际。由于设备的功率因数已经很高（全负载时可达94%），在工厂没有达到最先进的功率因数的情况下，系统无法容忍更多的负荷。

有源谐波滤波器——该厂最佳的解决方案是通过在480V主电路上安装有源滤波器来减弱谐波电流。有源滤波器能够测算出负载所需的谐波电流量，并且使电流产生180°的相位移。该方法可以很大程度上减弱谐波失真的程度，通常被用在必须严格遵守谐波限值的场合。此外，施耐德电气推荐安装现场功率监控设备，从而可以跟踪谐波失真中的设备性能、电压质量、干扰和费用的情况。

过渡性的和永久的解决方案

通过临时设置旁路绕过绝缘变压器，从而增加谐波消除，工厂降低了谐波的失真程度。这一非常规的手段帮助工厂度过了整个夏季运行高峰。之后，工作人员在主配电盘上安装了有源谐波滤波器。该设备最终消除了谐波失真的影响。安装有源滤波器后的测量结果显示电流失真低于8%，电压失真低于2%。