變頻器是工業(yè)調(diào)速領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的設(shè)備之一，它將工頻50HZ變換成各種頻率的交流電源，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)行。變頻器完成交-直-交變換，由整流電路、逆變電路、控制電路組成，其中整流輸入部分及逆變輸出部分主要由非線性電力電子元件組成，在變頻器運(yùn)行時(shí)，會(huì)在輸入輸出側(cè)產(chǎn)生大量諧波。

　　由于變頻器輸出PWM波含有開關(guān)頻率整數(shù)倍的高次諧波，變頻器諧波分析的關(guān)鍵在于要求功率分析儀在低基波頻率情況下?lián)碛懈卟蓸宇l率、寬帶寬、運(yùn)算能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快等特點(diǎn)。

一變頻器諧波的產(chǎn)生

01整流輸入側(cè)

　　變頻器的整流輸入側(cè)一般采用三相橋式不控整流將交流電整成直流電，因?yàn)橛啥O管組成的整流橋的非線性特性，會(huì)產(chǎn)生諧波電流。一般情況，整流輸入的電壓波形為正弦波，輸入電流波形為畸變的“馬鞍波”，諧波電流會(huì)從用戶變頻器端通過(guò)電網(wǎng)傳播，影響公用電網(wǎng)。

　　輸入諧波電流如圖1所示。“馬鞍波”的波形由變頻器整流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、參數(shù)、負(fù)載的不同而不同。

　　圖1 變頻器輸入電流波形圖

02逆變輸出側(cè)

　　變頻器的逆變輸出側(cè)，由SPWM波控制由IGBT等全控型器件組成的橋式電路，從而形成電壓、頻率可調(diào)的三相交流電。變頻器輸出的線電壓是正弦脈寬、幅值相等的矩形波(PWM波)，如圖2所示。

　　圖2 變頻器輸出線電壓波形圖

　

二變頻器諧波分析

01變頻器輸入側(cè)諧波電流分析

　　變頻器輸入電流的諧波含量由于只是整流部分非線性造成的，并且變頻器的輸入輸出為三個(gè)幅值相等、相位相差120°的波形，根據(jù)諧波分析理論，不存在3的整數(shù)倍諧波(3、6、9、12……)以及偶次諧波(2、4、6、8……)所以一般只是5次(250Hz)、7次(350Hz)、11次(550Hz)、13次(650Hz)、17次(850Hz)……諧波。如圖3所示。

　　圖3 變頻器輸入電流諧波分析

　　輸入電流的諧波基本都為低次諧波，采用一般的功率分析儀都能滿足諧波分析的要求。通過(guò)相應(yīng)的措施，輸入電流諧波只要滿足《GB/T14549-1993電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》關(guān)于總諧波THD<5%，奇次諧波<4%，偶次諧波<2%的要求即可，無(wú)需精確定量地對(duì)諧波進(jìn)行全面分析。

02變頻器輸出側(cè)諧波電壓分析

　　變頻器的輸出電壓，因?yàn)槭荘WM波的原因，含有大量的高次諧波，對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行是不利的。對(duì)于電機(jī)的轉(zhuǎn)矩來(lái)說(shuō)，主要由PWM波的基波決定，但是諧波電壓易造成電動(dòng)機(jī)端電壓過(guò)高，發(fā)生過(guò)熱，引起附加的損耗，降低電機(jī)的效率，甚至?xí)a(chǎn)生磁飽和，造成電機(jī)的損壞。所以對(duì)變頻器輸出電壓進(jìn)行定量全面諧波分析是至關(guān)重要的。　　

　　通過(guò)對(duì)變頻器輸出50Hz、5Hz為例的PWM波進(jìn)行諧波分析來(lái)了解其中的關(guān)鍵技術(shù)，變頻器的載波頻率為2KHz。如圖4，圖5所示。

　　圖4 50HzPWM波諧波分析

　　圖5 5HzPWM波諧波分析

　　從圖中可以看到，變頻器輸出諧波主要集中在載波頻率整倍數(shù)附近，若變頻器的載波頻率為fs，基波頻率為f1，變頻器輸出諧波主要集中在ks*fs±k1*f1。其中ks=1,2,3,4,5,6,7... k1=1,2,4,5,7...，ks越大，相應(yīng)的諧波越小?！　?/p>

　　50Hz的PWM波，諧波群出現(xiàn)的位置為2KHz(1倍fs)、4KHz(2倍fs)、6KHz(3倍fs)、8KHz(4倍fs)、……，分別對(duì)應(yīng)的是40次、80次、120次、160次諧波。

　　5Hz的PWM波，諧波群出現(xiàn)的位置為2KHz(1倍fs)、4KHz(2倍fs)、6KHz(3倍fs)、8KHz(4倍fs)、……，分別對(duì)應(yīng)的是400次、800次、1200次、1600次諧波。

　　對(duì)于一般的測(cè)量，諧波分析到6倍開關(guān)頻率就可以滿足要求。

03變頻器諧波分析關(guān)鍵技術(shù)

　　一般的功率分析儀由于采用FFT進(jìn)行諧波分析，因?yàn)镕FT的特性，參與傅里葉變換的數(shù)據(jù)必須是整數(shù)個(gè)信號(hào)周期對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，但是在低基波頻率情況下，按照滿足采樣定理的采樣頻率，采集到的一個(gè)信號(hào)周期的數(shù)據(jù)非常龐大，分析儀的處理器無(wú)法處理這么大量的數(shù)據(jù)，并且運(yùn)算速度也跟不上。通常的做法是降低采樣頻率來(lái)減小采集的數(shù)據(jù)量，并且為了不違背采樣定理，只能加入抗混疊濾波器(低通濾波器)來(lái)降低信號(hào)帶寬。這樣處理的弊端是顯而易見的，用戶需要的是變頻器輸出PWM波的高次諧波信息，然后分析儀卻將高頻信號(hào)濾除了，諧波分析的結(jié)果已經(jīng)沒有意義。

　　由于變頻器輸出PWM波含有開關(guān)頻率倍的高次諧波，變頻器諧波分析的關(guān)鍵在于要求功率分析儀在低基波頻率情況下?lián)碛懈卟蓸宇l率、寬帶寬、運(yùn)算能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快等特點(diǎn)。

　　電機(jī)工作的基波頻率通常在200Hz以內(nèi)，變頻器開關(guān)頻率在10KHz以內(nèi)，故變頻器諧波分析要求：

　　● 帶寬要求：帶寬高于6倍開關(guān)頻率，6*10kHz= 60kHz，綜合考慮，帶寬應(yīng)不低于100kHz。

　　● 采樣頻率：整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，采用頻率應(yīng)不低于200kHz。

　　功率分析儀諧波分析如圖6所示

　　圖6 功率分析儀諧波分析圖

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