如何用示波器计算信号谐波含量

Micsig麦科信

最近有一位麦科信示波器的用户询问如何使用示波器来计算信号谐波含量，那么我们今天就来系统地学习下示波器如何测量出信号的谐波，如何计算谐波含量的具体的操作。

谐波的干扰，在电力系统中会影响电网供电质量，造成电能浪费，还会使电气设备以及导线过载运行，从而发热，损耗增大，缩短使用寿命，甚至发生故障或烧毁，造成重大经济损失。在信号传输中，也会干扰通信系统，降低信号传输质量。

谐波含量是从交流量中减去基波分量后所得到的量，是评价电能质量的重要指标之一。那么如何利用示波器找出信号中的谐波呢？

我们来回顾一下示波器的FFT（快速傅里叶变换）功能。傅立叶变换认为，任何复杂的信号都是由多个正弦波叠加而来的。

比如这个红色信号，我们就可以看作是多个蓝色正弦波在垂直向量上的叠加。其中频率最小，电压最大的那个蓝色正弦波称之为基波，频率为基波2倍的蓝色正弦波称之为2次谐波。同理，频率为基波3倍的蓝色正弦波称之为3次谐波，以此类推。

这里，每个被分出来的蓝色信号都有不同的频率，每个信号有不同的电压值。如果我们把这些信号的频率作为X轴，电压值作为Y轴，就会是下面这样：

如下图红色直方图就是对示波器的校准方波进行FFT（快速傅里叶变换）以后的样子。从红色直方图中可以看出，频率为0Hz的信号成分电压为0，代表该信号不含有直流成分。而第一根红线就是该信号的基波，其频率为1KHZ，幅值为896.6mV。通过X轴光标X1和X2的差值，我们发现第五条直线的频率为9KHz，是基波的9倍，那就是九次谐波。通过Y轴光标Y1和Y2的差值，我们可以得知该次谐波的幅值为104mv。

那么如何计算该次谐波的含量呢？给出公式：

某次谐波的含量 = 某次谐波的大小 ÷ 整个波形的均方根值 x 100%

用这个方法，我们来计算一下一个1MHz方波的7次谐波电压含量。

如图所示，黄色是频率为1MHz，有效值为2.369V的方波，红色是FFT（线）后的直方图。该基波的频率为1MHz，光标框选出来的谐波频率为7MHz，即第七次谐波，其电压值为188mV。

所以该信号第七次谐波含量为（0.188 ÷ 2.369）X 100% ≈ 7.936%

muzitongxue

谐波的干扰，在电力系统中会影响电网供电质量，造成电能浪费

xiaofeng1088

示波器带宽受限制，不如用频谱仪更实用。

ldezgr

LZ辛苦，谢谢

guchenglihua

LZ能不能解释下为什么谐波会造成电能浪费？

Akak

https://zhidao.baidu.com/question/1798551155040698267.html，谐波的危害，　对电网的危害
2 \9 T' V) Q' r　　(一)对电力电容器的影响
& H7 r/ a1 H+ G/ V. ~7 a　　当配电系统非线性用电负荷比重较大，并联电容器组投入时，一方面由于电容器组的谐波阻抗小，注入电容器组的谐波电流大，使电容器过负荷而严重影响其使用寿命，另一方面当电容器组的谐波容抗与系统等效谐波感抗相等而发生谐振时，引起电容器谐波电流严重放大使电容器过热而导致损坏。因此，电压谐波和电流谐波超标，都会使电容器的工作电流增大和出现异常，例如，对于常用自愈式并联电容器，其允许过电流倍数是1.3 倍额定电流，当电容器的电流超过这一限制时，将会造成电容器的损坏增加、发热异常、绝缘加速老化而导致使用寿命降低，甚至造成损坏事故。同时，谐波使工频正弦波形发生畸变，产生锯齿状尖顶波，易在绝缘介质中引发局部放电，长时间的局部放电也会加速绝缘介质的老化、自愈性能下降，而容易导致电容器损坏。
　　(二)对电力变压器的影响
2 z' v, E- v' q1 q! G- C+ K　　1.谐波电流使变压器的铜耗增加，引起局部过热，振动，噪声增大，绕组附加发热等。
　　2.谐波电压引起的附加损耗使变压器的磁滞及涡流损耗增加，当系统运行电压偏高或三相不对称时，励磁电流中的谐波分量增加，绝缘材料承受的电气应力增大，影响绝缘的局部放电和介质增大。对三角形连接的绕组，零序性谐波在绕组内形成换流，使绕组温度升高。
6 X+ k9 x; V0 \; H) i　　3.变压器励磁电流中含谐波电流，引起合闸涌流中谐波电流过大，这种谐波电流在发生谐振时的条件下对变压器的安全运行将造成威胁。
　　(三)对电力避雷器的影响
　　变电站大容量、高电压的变压器由于合闸涌流的过程时间比较长，能够延续数秒或更长的时间，有时还会引起谐振过电压，并使相关避雷器的放电时间过长而受到损坏。这一问题对选择保护高压滤波器中电感或电容元件用的避雷器参数带来较大的困难。