諧波是指正常電流波形的一種失真，一般是由非線性負載發射的。諧波失真（HD）指的是目標諧波（二階、三階）等的均方根（RMS）值與信號電平均方根值的比值。諧波失真是由於系統不是完全線性造成的。在音頻套用中，通常表示為一個百分比，在通信套用中，則通常表示為dB。其測量方式是，將一個頻譜純淨的正弦波套用於一個放大器，並用一個頻譜分析儀觀察放大器的輸出。
基本介紹
- 中文名：諧波失真
- 外文名：HD(harmonic distortion)
- 領域：物理\通信
定義,介紹,分類,測量與運算,相關知識,
定義
總諧波失真（THD）指音頻信號源通過功率放大器時，由於非線性元件所引起的輸出信號比輸入信號多出的額外諧波成分。諧波失真是由於系統不是完全線性造成的，我們用新增加總諧波成份的均方根與原來信號有效值的百分比來表示。例如，一個放大器在輸出10V的1000Hz時又加上Lv的2000Hz，這時就有10%的二次諧波失真。所有附加諧波電平之和稱為總諧波失真。一般說來，1000Hz頻率處的總諧波失真最小，因此不少產品均以該頻率的失真作為它的指標。但總諧波失真與頻率有關，因此美國聯邦貿易委員會於1974年規定，總諧波失真必須在20～20000Hz的全音頻範圍內測出，而且放大器的最大功率必須在負載為8歐揚聲器、總諧波失真小於1%條件下測定。國際電工委員會規定的總諧波失真的最低要求為：前級放大器為0.5%，合併放大器小於等於0.7%，但實際上都可做到0.1%以下：FM立體聲調諧器小於等於1.5%，實際上可做到0.5%以下；雷射唱機更可做到0.01%以下。
介紹
周期信號分析
一個周期信號可以通過傅立葉變換分解為直流分量c0和不同頻率的正弦信號的線性疊加：
當m=1時，
為基波分量的表達式，其角頻率為ω，初始相位為φ1，其方均根值c1/√2稱為基波有效值。
ω/2π為基波分量的頻率，稱為基波頻率，基波分量的頻率等於交流信號的頻率。而m次諧波的頻率為基波頻率的整數倍（m倍）。
1、電力領域
在電力領域，各次諧波的方均根值與基波方均根值的比例稱為該次諧波的諧波含量。所有諧波的方均根值的方和根與基波方均根值的比例稱為總諧波失真。通常說的諧波失真等同於總諧波失真。
2、音頻領域
總諧波失真指音頻信號源通過功率放大器時，由於非線性元件所引起的輸出信號比輸入信號多出的額外諧波成份。諧波失真是由於系統不是完全線性造成的，我們用新增加總諧波成份的均方根與原來信號有效值的百分比來表示。例如，一個放大器在輸出10V的1000Hz時又加上1v的2000Hz，這時就有10%的二次諧波失真。所有附加諧波電平之和稱為總諧波失真。
一般說來，1000Hz頻率處的總諧波失真最小，因此不少產品均以該頻率的失真作為它的指標。但總諧波失真與頻率有關，因此美國聯邦貿易委員會於1974年規定，總諧波失真必須在20～20000Hz的全音頻範圍內測出，而且放大器的最大功率必須在負載為8歐揚聲器、總諧波失真小於1%條件下測定。國際電工委員會規定的總諧波失真的最低要求為：前級放大器為0.5%，合併放大器小於等於0.7%，但實際上都可做到0.1%以下：FM立體聲調諧器小於等於1.5%，實際上可做到0.5%以下；雷射唱機更可做到0.01%以下。
由於測量失真度的現行方法是單一的正弦波，不能反映出放大器的全貌。實際的音樂信號是各種速率不同的複合波，其中包括速率轉換、瞬態回響等動態指標。故高質量的放大器有時還註明互調失真、瞬態失真、瞬態互調失真等參數。
(l)互調失真(IMD)：將互調失真儀輸出的125Hz與lkHz的簡諧信號合成波，按4：1的幅值輸入到被測量的放大器中，從額定負載上測出互調失真係數。
(2)瞬態失真(TIM)：將方波信號輸入到放大器後，其輸出波形包絡的保持能力來表達。如放大器的轉換速率不夠，則方波信號即會產生變形，而產生瞬態失真。主要反映在快速的音樂突變信號中，如打擊樂器、鋼琴、木琴等，如瞬態失真大，則清脆的樂音將變得含混不清。
(3)瞬態互調失真：將3.15kHz的方波信號與15kHz的正弦波信號按峰值振幅比4：1混合，經放大器後，新增加全部互調失真的產物有效值與原來正弦振幅的百分比。如放大器採用深度大迴環負反饋，瞬態互調失真一般較大，具體反映出聲音呆滯、生硬、無臨場感；反之，則聲音圓滑、細膩、自然。
一般說來，1000Hz頻率處的總諧波失真最小，因此不少產品均以該頻率的失真作為它的指標。但總諧波失真與頻率有關，因此美國聯邦貿易委員會於1974年規定，總諧波失真必須在20～20000Hz的全音頻範圍內測出，而且放大器的最大功率必須在負載為8歐揚聲器、總諧波失真小於1%條件下測定。國際電工委員會規定的總諧波失真的最低要求為：前級放大器為0.5%，合併放大器小於等於0.7%，但實際上都可做到0.1%以下：FM立體聲調諧器小於等於1.5%，實際上可做到0.5%以下；雷射唱機更可做到0.01%以下。
由於測量失真度的現行方法是單一的正弦波，不能反映出放大器的全貌。實際的音樂信號是各種速率不同的複合波，其中包括速率轉換、瞬態回響等動態指標。故高質量的放大器有時還註明互調失真、瞬態失真、瞬態互調失真等參數。
(l)互調失真(IMD)：將互調失真儀輸出的125Hz與lkHz的簡諧信號合成波，按4：1的幅值輸入到被測量的放大器中，從額定負載上測出互調失真係數。
(2)瞬態失真(TIM)：將方波信號輸入到放大器後，其輸出波形包絡的保持能力來表達。如放大器的轉換速率不夠，則方波信號即會產生變形，而產生瞬態失真。主要反映在快速的音樂突變信號中，如打擊樂器、鋼琴、木琴等，如瞬態失真大，則清脆的樂音將變得含混不清。
(3)瞬態互調失真：將3.15kHz的方波信號與15kHz的正弦波信號按峰值振幅比4：1混合，經放大器後，新增加全部互調失真的產物有效值與原來正弦振幅的百分比。如放大器採用深度大迴環負反饋，瞬態互調失真一般較大，具體反映出聲音呆滯、生硬、無臨場感；反之，則聲音圓滑、細膩、自然。
分類
由於測量失真度的現行方法是單一的正弦波，不能反映出放大器的全貌。實際的音樂信號是各種速率不同的複合波，其中包括速率轉換、瞬態回響等動態指標。故高質量的放大器有時還註明互調失真、瞬態失真、瞬態互調失真等參數。
(l)互調失真(IMD)：將互調失真儀輸出的125Hz與lkHz的簡諧信號合成波，按4：1的幅值輸入到被測量的放大器中，從額定負載上測出互調失真係數。
(2)瞬態失真(TIM)：將方波信號輸入到放大器後，其輸出波形包絡的保持能力來表達。如放大器的轉換速率不夠，則方波信號即會產生變形，而產生瞬態失真。主要反映在快速的音樂突變信號中，如打擊樂器、鋼琴、木琴等，如瞬態失真大，則清脆的樂音將變得含混不清。
(3)瞬態互調失真：將3.15kHz的方波信號與15kHz的正弦波信號按峰值振幅比4：1混合，經放大器後，新增加全部互調失真的產物有效值與原來正弦振幅的百分比。如放大器採用深度大迴環負反饋，瞬態互調失真一般較大，具體反映出聲音呆滯、生硬、無臨場感；反之，則聲音圓滑、細膩、自然。
測量與運算
從總諧波失真的計算公式可知，總諧波失真的數值與諧波次數的上限值H密切相關。一般的諧波測量設備如諧波分析儀等，大多適用於電網諧波測量，其上限值通常在40次以內。
對於變頻器等包含較高次諧波的諧波發射設備，測量總諧波失真需要採用可以測量更高次諧波的專用諧波設備如：變頻功率分析儀或寬頻功率分析儀。此外，對於高電壓、大電流系統，還需注意所用的感測器具有必要的頻寬如：變頻功率感測器。
相關知識
電力行業
變頻驅動器VFD（variablefrequencydrive）在關鍵電機的調速和最佳化功率消耗方面具有許多優點，但是也很容易造成相鄰配電系統的諧波失真。配電系統能夠吸收部分失真，但是當VFD直接連線在發電機驅動的電路上時，產生的干擾也可能會影響操作的可靠性。
通常，水處理廠配備有VFD、臭氧發生器以及其它可以造成諧波失真的負載。多數的工廠里也配置了緊急備用發電機，以備外部電源停止或非正常時為重要設備供電。而工廠的操作人員一直擔心，在應急操作時間延長的情況下，發電機可能發生故障。為了確定故障的程度，操作人員編輯諧波測量結果，比較正常使用和使用備用發電機時的失真程度，並根據測得的數據通過工程分析來評估諧波抑制技術。
多大程度的失真是可以接受的
IEEE519-1992標準《電力系統諧波控制推薦規程和要求》提供了一些關於“多大程度的諧波失真可以接受”的指導方針。最初，該標準作為推薦規程供電力使用單位及其客戶參考；該標準被廣大工廠企業作為測定現有設備諧波電流的指南性檔案加以普及和使用。
對淡化廠的正常電力使用和備用發電機供電所進行的測試表明，主要的電力系統參數，包括電壓校準和失衡以及電流失衡，都在可接受的範圍內。儘管諧波失真的程度沒有嚴重到對工廠的正常生產運行有明顯的影響，進一步減弱諧波仍然是不可忽略的工作。操作員關心諧波帶來的長期影響，而由於使用備用發電機時的諧波常常超過IEEE519-1992標準所規定的諧波範圍，他們更擔心應急操作時間延長的情況下發電機能否穩定可靠地繼續工作。此外，諧波減弱技術也能延長設備使用壽命，增強系統的可靠性。
諧波限值表顯示了與通常用於電力發生設備的IEEE519-1992標準諧波限值比較的測試結果。和演示的一樣，線上測量的數據超過了這個限值。除此以外，施耐德電氣還進行了不同抑波技術的計算機仿真。
通過諧波仿真可以估算不同的情況下諧波電流的減少量。如前面所提到的，在250hp設備和60hp設備同時工作就已經獲得了第5次和7次諧波電流的諧波消除效果。系統分別要求5次諧波的電流減少27%，7次諧波的電流減少16%，儘管如此造成了總RMS電流增加了19%。最壞的情況也就是最高諧波峰值，在只有250hp設備工作時才會出現。總體來說，有4種解決方式：
繞過一個ΔY絕緣變壓器——每個250hp設備有ΔY絕緣變壓器。繞過其中一個ΔY絕緣變壓器就能獲得不錯的效果，即減少了諧波電流失真的數量。再加上上面提到的250hp和60hp設備同時使用的方法，減弱了第5次和7次的諧波電流。而旁通迴路的第5次和7次諧波電流保持不變，一旦再運行一到兩個250hp設備，就會產生額外的消除作用。然而，這項技術僅適用於沒有更有效的解決辦法的情況下的臨時改造。
替換一個ΔY絕緣變壓器——一種更為有效的諧波減弱技術就是用ΔY交錯繞組變壓器取代其中一個ΔY絕緣變壓器，而非繞過它。因為諧波電流不是通過ΔY交錯繞組變壓器周相移動，所以這樣的改進也增強了第5次和7次電流的消除效應。這種方法同時也保留了諧波衰減的正面影響。
無源諧波濾波器——可以在480V主電路安裝一個5次無源諧波濾波器，但是由於無源諧波濾波器也會增加基礎功率因數，所以這種方法並不實際。由於設備的功率因數已經很高（全負載時可達94%），在工廠沒有達到最先進的功率因數的情況下，系統無法容忍更多的負荷。
有源諧波濾波器——該廠最佳的解決方案是通過在480V主電路上安裝有源濾波器來減弱諧波電流。有源濾波器能夠測算出負載所需的諧波電流量，並且使電流產生180°的相位移。該方法可以很大程度上減弱諧波失真的程度，通常被用在必須嚴格遵守諧波限值的場合。此外，施耐德電氣推薦安裝現場功率監控設備，從而可以跟蹤諧波失真中的設備性能、電壓質量、干擾和費用的情況。
過渡性的和永久的解決方案
通過臨時設定旁路繞過絕緣變壓器，從而增加諧波消除，工廠降低了諧波的失真程度。這一非常規的手段幫助工廠度過了整個夏季運行高峰。之後，工作人員在主配電盤上安裝了有源諧波濾波器。該設備最終消除了諧波失真的影響。安裝有源濾波器後的測量結果顯示電流失真低於8%，電壓失真低於2%。
