如何测量总谐波失真以及所使用的功率因数计算

　　图1.总谐波失真（THD）应在变压器处测量，而不是在负载处测量。
　　其中Vn_rms是第n次谐波的RMS电压，Vfund_rms是基频的RMS电压。没有更高谐波的纯正弦波形（例如理想电源）的THD为0%。THD值大于零意味着正弦波形失真。THD通常以百分比表示，例如5%或50%。THD可以测量电流和电压。
　　电流谐波是由非线性负载引起的，例如那些吸取电流脉冲的负载。电压谐波是由流过不同系统阻抗的谐波电流引起的。流过变压器的电流会导致线圈两端的压降。当电流以脉冲形式流动时，电压也将以脉冲形式流动。高压失真是一个问题，因为电压失真成为线性负载（如电机）谐波的载体。电压谐波会导致配电系统和连接到系统的负载出现问题（额外热量）。
　　测量总谐波失真
　　对电路进行谐波故障排除时，应测量电压THD和电流THD。为获得最佳结果，电压THD不应超过5%，电流THD不应超过基频的20%。THD应在变压器而不是谐波产生负载上计算，以便准确计算系统中的THD（见图1）。在负载处测量THD可提供最高的THD读数，因为系统中未发生THD消除。
　　图1.总谐波失真（THD）应在变压器处测量，而不是在负载处测量。
　　在满载期间测量THD电流时，THD大约等于总需求失真（TDD）。总需求失真（TDD）是电流谐波与最大负载电流的比值。在测试或排除系统故障时进行THD测量。TDD与THD不同，因为TDD以随时间推移进行的最大电流测量为参考。THD仅在测量的特定时间测量电源线上的电流。TDD测量的目的是考虑THD相对较高但总负载相当低的情况。在这种情况下，TDD相对较低，过热最小化。
　　功率因数
　　功率因数是电路或配电系统中实际功率与视在功率的比值。任何交流电路都由实际功率、无功功率、谐波功率和视在（总）功率组成。真正的功率是电机、灯和其他设备用于产生有用功的功率，以 W 或 kW 为单位。无功功率是由电感器和电容器存储和释放的功率，以VAR或kVAR为单位。无功功率表现为电流和电压波形之间的相位位移。谐波功率是因谐波失真而损失的功率，以VA或kVA为单位。视在功率是以VA或kVA为单位的功率，即有功功率、无功功率和谐波功率的矢量和。视在功率不是一个简单的求和，而是一个向量求和。
　　位移功率因数是由于电流和电压之间的相位位移而导致的有功功率与视在功率之比（见图2）。电容器通常可以添加到电路或配电系统中，以校正位移功率因数。位移功率因数计算如下：
　　

　　谐波的存在使功率因数的讨论复杂化。失真功率因数是THD引起的有功功率与视在功率之比。不能在电路中添加电容器来补偿失真功率因数。电容器的阻抗随频率而降低。因此，电容器可以成为高频谐波的吸收器。特殊类型的变压器或由电容器和电感器组成的调谐谐波滤波器用于校正失真功率因数。失真功率因数计算如下：
　　

　

　　当前波峰因数
　　电流波峰因数是波形的峰值除以波形的均方根值。电流波峰因数的目的是了解波形中发生的失真程度。当前波峰因数计算如下：
　　

　　高电流波峰因数会导致电路和器件过热。在为计算机等数字设备供电的120 V电路上，典型的失真电流波形可能具有约2至6的电流波峰因数（见图3）。通常，具有较高电流波峰因数的电路在较高谐波中包含的能量更多。
　　电源必须能够在所需的电压和电流下提供电路所需的最大功率。典型的备用电源系统（如计算机不间断电源）能够在满载时提供 3 的电流波峰因数，但在较低负载下可能表现出更高的波峰因数。
　　

　　图3.当前波峰因数比较
　　源阻抗
　　源阻抗对非线性负载产生的波峰因数有影响。一旦电压上升到预定点，电源就开始为平滑电容器充电。当源阻抗低时，电容器吸收的电流很高，充电周期短。较高的阻抗限制了可以消耗的电流量，从而延长了为电容器充电所需的时间。延长充电时间具有降低波峰因数的效果。可以通过添加线路电抗器或驱动隔离变压器来增加源阻抗。

0