|
基於AWE2101功率分析儀、數位功率計的應用
版本：Rev AWE2101-02-1
聲明：
本應用筆記中所出現的資訊在出版當時相信是正確的，然而Aitek對於本應用筆記的使用不負任何責任。文中提到的應用目的僅僅是用來做說明，Aitek有權不經通知而更改本應用筆記，對於此應用筆記所描述的產品是否適合特定用途而不作任何保證、聲明和承諾。不承擔因應用或使用在任何產品而引起的任何責任；不承擔任何直接損失、附帶損失或間接損失的賠償責任。測量的參數會因不同的應用環境而變化，所有參數須經客戶的技術專家按其應用目的核准後方可生效。文中可能會出現：電參數測量儀、電參數測試儀、功率儀、功率測量儀、功率表、功率計、數字功率計等用詞，均指功率分析儀。
本應用筆記在不改變內容的條件下可以免費拷貝、傳閱、或以任何形式的出版、傳播而無需經本公司同意。如需引用、改編全部或部分內容則必須經本公司書面同意。
本應用筆記內容如有理解異議，以愛特應用推廣部解釋為准。
前言：
諧波，在各個領域均有存在，包括力學、聲學、流體學、電力電子學等，本文針對電力諧波為主體，嘗試以簡單明瞭的方法描述諧波原理、成因、測量、介紹THD的原理等。
關鍵字：
諧波、THD、DFT、FFT、傅裏葉級數、離散採樣、離散數學。
諧波介紹
諧波，從字面解釋，諧，有“多部分”的意思，諧和，指多部分協調有致。波，指的是波形（Wave）。合起來形容，就是有很多種波形合成的波形。
從高等數學中分析可知：任何週期性波形均可分解為一個基頻正弦波加上許多高次頻率的正弦波，高次頻率是基頻的整倍數（N，只能為整數），直流成分稱為0次諧波，基波稱為1次諧波，二次以上的波形稱為高次諧波，其中偶次頻率的波形稱為偶次諧波，奇次頻率的波形稱為奇次諧波。例如一個基頻為200
HZ的波形，其基波為200HZ，當它的波形不是純正的正弦波時，便有失真存在，其200HZ以上的波形稱為高次諧波，400HZ為二次諧波，600HZ為三次諧波，如此類推。下麵的圖片形象地合成了這個波形，是以一個200HZ的正弦基波和2-5次高次諧波組成。
當然，在這裏需簡單說明，為什麼高次諧波一定要倍頻率？而且必須為整數？難道不能為小數嗎？這也是筆者在學習諧波分析時的疑問。後來翻查資料得知，其實我們應用離散數學在諧波的分析過程中只需用到整數諧波就足夠了，沒有必要用小數諧波，用小數諧波會令計算過程更加複雜。其實小數諧波是真實存在的，在這裏我們輕輕帶過，不再詳述。
在理想的供電系統中，電流和電壓的波形都是正弦波的。在只含線性元件電阻、電感及電容的電路裏，流過的電流與施加的電壓成正比，流過的電流便是正弦波。
但現實跟理想總是存在距離，在實際的供電系統中，由於存在非線性負荷，當電流流過與所加電壓不呈線性關係的負載時，就形成非正弦電流。例如基頻為50Hz，二次諧波為100Hz，三次諧波則為150Hz。因此畸變的電流波形可能有二次諧波、三次諧波……可能直到第幾百次諧波組成。
電力諧波分為電壓諧波和電流諧波，電壓諧波與基波的比值遠比電流諧波與基波的要小。影響電壓諧波的主要因素為負載瞬間出現的尖峰電流，因為供電線路存在電阻值，電流流過時產生電壓壓降，此電阻與負載串聯，導致負載電壓波形有瞬間噪音波形出現，形成諧波。電流諧波則由負荷的特性產生，所有的非線性負荷都能產生諧波電流，產生諧波的設備有很多種類型，列舉我們熟知的部分設備類型有：開關電源(SMPS)、電子鎮流器、調速傳動裝置、不間斷電源、磁性鐵芯設備及某些家用電器如電視機等。
諧波的危害是比較嚴重的。使電能的生產、傳輸和利用的效率降低，使電氣設備過熱、產生振動和雜訊，並使絕緣層加速老化，使用壽命縮短，甚至發生故障或燒毀。諧波可引起電力系統局部並聯諧振或串聯諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設備燒毀。諧波還會引起繼電保護和自動裝置誤動作，使電能計量出現混亂。高次諧波對於電力系統外部，對通信設備和電子設備會產生嚴重幹擾，特別是對於一些醫用儀器設備，我們必須加以重視，防止測量、控制錯誤。頻率較低的諧波主要通過電源線傳導幹擾影響外部設備，而頻率較高的諧波不僅通過電源線傳導幹擾，還通過空間輻射影響外部設備。
現在，對於中小功率的用電設備，通常有兩種方法改善諧波，一種是無源修正法，也稱被動修正法，這種修正法採用普通的LCR元件，通過諧振，濾波的方式提高功率因數，減小高次諧波，這種修正法的特點是成本低廉，在功率不高、性能要求不高的場合可以使用。另一種為有源修正法，也稱主動修正法（Active Power Factor Corrector簡稱APFC），這種修正法使用專用的功率因數校正IC、開關元件、儲能器件等，將交流輸入的電流進行整形，而保持與電壓波形一致，使功率因數最大，並使諧波成分盡可能小，這種修正法的特點是可實現的指標高，性能好。
測量原理：
通常，我們用來測量電力諧波的設備其實就是一台加了快速傅裏葉變換演算法（fast
fourier transform algorithm
簡稱FFT）的功率計，我們先將電流和電壓的信號進行離散數位化採樣，經內部的微處理器執行諧波計算功能，計算出0-N次諧波，並通過顯示單元與人溝通，或通過通訊介面與其他系統交換資料。
快速傅裏葉變換演算法是基於複數運算的，有按時域抽取樣本和按頻域抽取樣本兩種演算法，其運算結果是一樣的，只是排序不一樣。限於篇幅，在這裏不再詳述，有興趣的讀者可在互聯網上找到更多關於FFT的信息。
表徵諧波的參數有：諧波次數（頻率）、幅值（峰值）、絕對含量值、相對含量值（與基波的比值或與總含量的比值）、初相角等。
相對含量值有兩種計算方式：
1.
％f：以基波電流（或電壓，功率）百分比的方式顯示諧波。
2. ％r：以包含所有諧波的整個電流的幅值的百分比方式顯示諧波。
%r
是在一個信號中以相對整個有效值（基波＋諧波分量）的諧波數量百分比表示；
%f
是相對基波的百分比表示。不同的標準將需要
%r
或
%f。在實際中，兩個讀數是接近的。
THD（Total
Harmonic Distortion）的基本概念
THD為總諧波失真的英文簡寫，是諧波計算的引申，表徵被輸入波形的失真程度，THD數值越大，輸入波形的失真越嚴重，高次諧波越豐富。數值越小，失真越小，高次諧波占的分量越小。THD分電壓VTHD和電流ITHD兩種，其IEC（國際電工委員會）規定的計算公式如下（若公式不能正常查閱請下載PDF版本閱讀）。
VTHD=
ITHD=
其中：
:
基波電壓成分
:
基波電壓成分
、、、……：整倍數的諧波電壓成分
、、、……：整倍數的諧波電流成分
測量諧波用的工具：
1. AWE2101A-URS功率分析儀 1台
用於參數測量，記錄參數的曲線變化
2.
電腦一台 1套
用於顯示參數和記錄參數曲線
3. 500W精密變頻電源 1台
用於提供測試用可調電源
4.
待測量的負載 1PCS 可以為電源適配器、節能燈、電機等或其他類型的負載。
AWE2101A-URS是一台功能強大、精度高的功率分析儀，採用32位元微處理器為核心元件，具有USB、RS232、RS485三種通訊，USB可提供高速的資料通信，快速顯示在電腦的螢幕中。RS485可以提供大於1000米的長距離通訊，可將老化試驗室的儀器和你的辦公室的電腦互相連接，通過免費的電腦端軟體，觀看測量資料，無需跑到悶熱的老化室。這台儀器具有常規的電參數和諧波測量功能外，還具有啟動衝擊電流測量和長時間參數變化曲線記錄功能，這兩種功能在可靠性試驗中非常有用。
關於本文中涉及更多的AWE2101A-URS的操作方法在本應用筆記中可能無法一一說明，請登錄www.aitek.tw下載其用戶手冊查看。
下圖是AWE2101A-URS的PC端軟體表單，若讀者想更瞭解這軟體的更多功能，請登錄www.aitek.tw下載儀器用戶手冊和該PC端軟體。
下圖是一台電視機的輸入波形，我們可以看到，電流的高次諧波比較豐富，特別是三、五、七等奇次諧波，因為波形週期的對稱性，偶次諧波含量比較低。電壓諧波分量較低，故電壓THD值較低。
下圖是各次諧波的具體含量報告：
結束語
諧波的可靠、方便測量得益於現代化的儀器、高速高精度的ADC、和高速的微處理器。為電子、電器設計工程師在產品設計、車間生產測量、品質管理等帶來方便。也為電力系統的諧波測量、監控帶來方便。熟悉諧波的特性，設計、製造優良的電器產品。 |
