谐波失真

谐波失真 (THD)

外文名	Total Harmonic Distortion
衡量对象	电流、电压波形畸变
计算基础	傅里叶变换 (FFT)
关键标准	IEC 61000-3-2 (限值要求)

谐波失真（Total Harmonic Distortion, THD）是指信号中谐波成分的有效值与基波成分有效值之比。它用于表征交流电网或电子系统中非线性负载导致的波形畸变程度。

数学定义

通常使用 THD 来定量描述：

$THD=\frac{\sqrt{I_2^2+I_3^2+I_4^2+\dots +I_n^2}}{I_1}$

其中：

• $I_1$ 是基波电流（如 50Hz 或 60Hz）。
• $I_2,I_3\dots I_n$ 是各次高次谐波电流。

产生原因

谐波主要由非线性负载产生。当正弦波电压施加在这些负载上时，流过的电流不再是正弦波：

• 开关电源 (SMPS)： 整流二极管和滤波电容仅在电压峰值附近导通，产生尖峰脉冲电流。
• 变频器 (VFD)： 逆变电路的高频切换产生的开关频率及其谐波。
• 饱和元件： 变压器、电感器在磁饱和状态下引起的波形畸变。

危害与影响

1. 电网污染： 大量的谐波电流会导致电网电压波形畸变，影响同一电网内的灵敏设备（如医疗监护仪）。
2. 损耗与发热： 谐波在变压器和电机中产生额外的涡流损耗，导致过热。
3. 中性线电流： 三相四线制系统中，3次及其倍数谐波在零线上叠加，可能导致中性线过载起火。
4. EMC 失败： 谐波是传导干扰的主要分量，直接导致低频段测试超标。

抑制方法

针对谐波失真，工程上常用的整改手段包括：

• PFC (功率因数校正)： 通过主动或被动电路强制电流跟随电压波形，这是降低 THD 最有效的方法。
• 滤波器： 在输入端加装低通滤波器或陷波器，吸收特定频率的谐波。
• 增加多相整流： 在大功率系统中采用 12 脉整流或更高阶的拓扑来抵消低次谐波。

参见

• 功率因数
• PFC
• 傅里叶变换
• IEC 61000-3-2