解決諧波污染問題,如何正確進行諧波測量?
發(fā)布時間:2016-09-05 責任編輯:susan
【導讀】隨著用電設(shè)備的多樣化和復雜化,線路中諧波的成分也變得越來越豐富,諧波污染的治理問題也變得越來越棘手,許多儀器也相應(yīng)推出了諧波測量功能,我們該如何區(qū)分這些諧波的測量方法并正確地使用他們進行諧波測量呢?本文將進行“深究”。
在很多人認識里,只有使用同步采樣才能進行精確的諧波分析,其實采用非同步采樣同樣能進行諧波分析,而且在許多情況下甚至比同步采樣法更優(yōu)秀。PA功率分析儀提供了常規(guī)諧波、諧波和IEC諧波三種諧波測量模式,支持同步和非同步的諧波分析,將兩種分析方式互補使用可提高諧波的分析能力。下面通過其計算方法的簡單,結(jié)合實例討論三種諧波模式的使用。
諧波測量基本原理
目前最常用的諧波分析方法是使用傅里葉變換,將時域的離散信號進行傅里葉級數(shù)展開,得到離散的頻譜,從離散的頻譜中挑選出各次諧波對應(yīng)的譜線,計算得出諧波各項參數(shù)。
在實際實現(xiàn)時,由于離散傅里葉變換存在“柵欄效應(yīng)”,采樣頻率不為基波的整數(shù)倍時,部分諧波可能不在離散傅里葉變換后的離散頻率點上,需要使用特殊的手段將柵欄空隙對準我們關(guān)心的諧波頻率點。其中同步采樣法和頻率重心法使用最為廣泛。
同步采樣法
顧名思義,就是使采樣頻率與基波頻率同步改變。該方法從源頭上保證數(shù)據(jù)的采樣頻率為基波頻率的整數(shù)倍,如IEC 61000-4-7標準就規(guī)定50Hz使用10倍基波采樣率,采樣數(shù)據(jù)經(jīng)離散傅里葉變換即可得到各次諧波分量。同步采樣常用硬件PLL實現(xiàn),需要實時調(diào)整采樣頻率,頻率的鎖定需要時間,受限于濾波器及相關(guān)器件,很難做到很寬的頻域,也很難保證頻譜特別豐富時的準確性。
頻率重心法
使用足夠高的采樣頻率(一般大于4倍基波頻率)即可滿足直接對信號進行采樣,將信號的頻譜間隔拉開,并且使用更多周期的數(shù)據(jù)點做離散傅里葉變換,降低頻譜泄露的影響。最后根據(jù)窗函數(shù)的功率譜分布特性,通過頻譜的譜峰和次譜峰,找到真正的譜峰頻點——即離散頻譜的譜峰和次譜峰的重心。通過頻率重心法消除了柵欄效應(yīng)的影響,對各次諧波使用重心法,還得到一個偏離系數(shù),使用該系數(shù)配合窗函數(shù)功率譜,可求解得到對應(yīng)頻點的相位和幅值等信息。至此,非同步采樣法同樣得到了各次諧波。受限于窗函數(shù)的頻譜特性,該法需要用足夠高采樣率來保證各頻率成分的頻譜互相影響足夠?。欢医財嘣斐傻男孤┮膊荒芴?,否則產(chǎn)生的假頻率疊加到真實頻譜里,導致結(jié)果誤差更大。
簡單對比
基于以上實現(xiàn)原理可知,同步采樣法精度取決于PLL的準確度,而后期計算簡單。PLL中用到的濾波器限制了支持的基波頻率上限,因此在基波頻率較高時,同步采樣法一般無法支持;同樣是濾波器原因,無法很好濾除低偶次諧波,所以低偶次諧波幅值較大時,PLL就無法同步基波采樣,諧波分析結(jié)果也就完全錯誤。
頻率重心法不需要額外濾波器,采樣器件可工作在支持的最高采樣頻率,使有效譜線拉開的同時提高了支持的諧波頻率范圍,而為了消除泄漏的影響,需要使用更多的數(shù)據(jù)進行傅里葉變換。所以頻率重心法引入了數(shù)倍于同步采樣法的計算量。另外,重心法需要使用至少兩根譜線,而且受窗函數(shù)主瓣寬度限制,頻率重心法所能支持的頻率下限只能達到頻率分辨率的三倍以上。由于頻率重心法沒有反饋過程,不依賴于信號,模擬電路實現(xiàn)簡單,理論上只要采樣率和使用的數(shù)據(jù)點足夠,就能得到正確的結(jié)果。
特別地,因為同步采樣需要硬件電路,受限與成本與體積,大部分測量儀器只支持一到兩個PLL源,而頻率重心法無此限制,甚至可任意定義基波源(對應(yīng)于PLL源,用于確定基波)。
應(yīng)用實例
PA功率分析儀提供了三種諧波模式:常規(guī)諧波、諧波和IEC諧波。其中常規(guī)諧波對應(yīng)頻率重心法、諧波和IEC諧波對應(yīng)同步采樣法。諧波和IEC諧波區(qū)別在于IEC諧波完全按照IEC 61000-4-7標準規(guī)定的倍頻數(shù)FFT點數(shù)進行計算,并增加了標準規(guī)定的處理流程和計算參數(shù)。下面使用實例信號對比兩種方法的區(qū)別:
信號一:基波頻率50Hz,含2~15次諧波,各次含量均為10%
如圖 1所示包含諧波的50Hz信號波形,常規(guī)諧波和諧波模式諧波均能得到正確的諧波含量,并且精度很高。
信號二:基波頻率50Hz,含2~15的奇次諧波,各次含量同樣均為10%
如圖 4所示只包含2~15次的奇次諧波的波形,常規(guī)諧波和諧波模式結(jié)果同樣精確。
信號三:基波頻率50,含2~15偶次諧波,各次含量均為10%
如圖 7所示只包含50Hz基波的2~15次的偶次諧波的波形,受偶次諧波的影響,每個基波周期多了兩次過零,而且頻率與基波相近,PLL的濾波器亦無法濾除該諧波,因此PLL結(jié)果錯誤,導致諧波分析結(jié)果也完全錯誤,此時的常規(guī)諧波分析結(jié)果仍然正確,而且保持了很高的精度。說明常規(guī)諧波可以不受偶次諧波影響,在采樣率和FFT點數(shù)足夠時,具有受被測信號影響低的優(yōu)勢。
信號四:基波頻率6kHz,含2~15次諧波,各次含量均為10%
如圖 10 所示包含6kHz基波的2~15次諧波的波形,由于已經(jīng)超出諧波模式支持的頻率范圍,諧波模式無法測量,而常規(guī)諧波分析時使用了200kHz的采樣率,6kHz的15次諧波頻率為90kHz,小于采樣頻率的一半,因此仍然可以精確測量。
總結(jié)
由上實例看出,非同步采樣拓寬了諧波的分析范圍,在許多同步采樣受到約束的場合可以實現(xiàn)互補,是一種強有力的諧波分析方法。
需要指出的是,雖然以上用例中常規(guī)諧波分析結(jié)果都正確且精度很高,但在諧波模式PLL正確時,諧波模式在高次諧波的穩(wěn)定性和精度會比常規(guī)諧波高,因為常規(guī)諧波在高次諧波的頻率上有累積誤差,且頻譜兩端會受負頻率的影響。特別需要注意常規(guī)諧波一個致命缺點是頻率下限較高(PA5000功率分析儀的常規(guī)諧波支持基波的頻率下限是15Hz),而且需要保證更新周期內(nèi)有足夠的采用點。
特別推薦
- 兆易創(chuàng)新GD32F30x STL軟件測試庫獲得德國萊茵TüV IEC 61508功能安全認證
- 芯科科技第三代無線開發(fā)平臺引領(lǐng)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展
- MSO 4B 示波器為工程師帶來更多臺式功率分析工具
- 艾為電子推出新一代高線性度GNSS低噪聲放大器——AW15745DNR
- 瑞薩發(fā)布四通道主站IC和傳感器信號調(diào)節(jié)器, 以推動不斷增長的IO-Link市場
- e絡(luò)盟現(xiàn)貨供應(yīng) Abracon 新推出的 AOTA 系列微型鑄型電感器
- 加賀富儀艾電子推出支持Wi-Fi 6和藍牙的無線局域網(wǎng)/藍牙組合模塊
技術(shù)文章更多>>
- 數(shù)字驅(qū)動工業(yè),智能賦能制造 AMTS & AHTE SOUTH CHINA 2024同期會議全公開!
- 團體觀展招募!104CEF開啟組團觀眾通道,解鎖更多禮遇
- 觸摸式OLED顯示屏有望重新定義汽車用戶界面
- 用Python自動化雙脈沖測試
- 揭秘電動汽車中直流鏈路電容器的奧秘(上)
技術(shù)白皮書下載更多>>
- 車規(guī)與基于V2X的車輛協(xié)同主動避撞技術(shù)展望
- 數(shù)字隔離助力新能源汽車安全隔離的新挑戰(zhàn)
- 汽車模塊拋負載的解決方案
- 車用連接器的安全創(chuàng)新應(yīng)用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
熱門搜索
電阻觸控屏
電阻器
電阻作用
調(diào)速開關(guān)
調(diào)諧器
鼎智
動力電池
動力控制
獨石電容
端子機
斷路器
斷路器型號
多層PCB
多諧振蕩器
扼流線圈
耳機
二極管
二極管符號
發(fā)光二極管
防靜電產(chǎn)品
防雷
防水連接器
仿真工具
放大器
分立器件
分頻器
風力渦輪機
風能
風扇
風速風向儀