低基波频率下变频器谐波测试解决方案
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- 发布时间：2014/11/5 11:41:33
- 作者：银河电气
变频器输出富含谐波，但其谐波分布与电网大不相同，设计优良的变频器基本不含低次谐波，其谐波主要集中在开关频率整数倍附近，低基波频率下的变频器输出谐波，谐波次数非常高，一般谐波测试设备难以满足要求。本文结合实例对变频器输入及输出谐波测试进行详细的分析并给出测试解决方案。
一被测变频器基本参数
● 输入相数：3
● 输入电压：380V
● 输出相数：3
● 输出电压：200V
● 输出电流：0A～10A
● 基波频率：0.1Hz～2Hz
二变频器谐波测试需求分析
01常规谐波测试方法
目前市面上的谐波检测设备，大多按照电力系统谐波分析、电能质量分析需要进行设计，遵循国家标准《GB/T17628.7电磁兼容 试验和测量技术 供电系统及所连设备谐波、谐间波的测量和测量仪器导则（IEC61000-4-7）》相关技术要求。用于测量叠加在50Hz/60Hz电力系统基波上，频率为9kHz以下的谐波和谐间波。
02变频器输入谐波分析
变频器谐波分布与电网大不相同。
目前变频器大多为交直交变频器，输入大多采用二极管整流，变频器输入谐波含量大，谐波分布与整流脉数N有关：N脉冲整流会产生Nk+1次的谐波，就是说6脉冲整流会产生6k±1次的谐波，谐波序列为5、7、11、13……，12脉冲整流会产生12k±1次的谐波，谐波序列为11、13、23、25……
如果假设交流侧电抗为零，直流电感无穷大的理想情况，这时M次谐波电流的理论相对值为1/M，就是说11次谐波的理论值是1/11，约9%。
如果没有安装输入电抗器，12脉整流的主要谐波为11、13、23、25次，总谐波含量约25%。
6脉整流输入电流包含6N±1次谐波，主要为5、7、11、13次，5次谐波约20%，7次约14%、11次约9%，13次约8%。总谐波含量约51%。
在变频器输入侧或直流侧安装电抗器可大大减小输入谐波。
图1为6脉整流变频器的输入电压、电流波形，其电流谐波含量大，波形失真严重。
图1 6脉整流变频器的输入电压电流波形
03变频器输出谐波分析
变频器输出为PWM波，谐波含量丰富，变频器输出谐波主要集中在载波频率整倍数附近，而低次谐波一般较小。当载波频率较高时，谐波频率也高。
若变频器的载波频率为fs，基波频率为f1，变频器输出谐波主要集中在ks*fs±k1*f1。其中ks=1,2,3,4,5,6,7... k1=1,2,4,5,7...
变频器输出谐波集中在载波频率整倍数附近，ks越大，相应的谐波越小，对于一般测量，分析到6倍开关频率就足够了。
对于SPWM三相变频器，若载波频率比是整数（N=fs/f1），N是3的整数倍，变频器输出谐波只包含6k±1次谐波，且不包含N-2次以下的谐波。
图2为SPWM变频器输出谐波频谱图。图中，fs=3kHz，f1=50Hz，其谐波主要集中在3kHz（1倍fs）、6kHz（2倍fs）、9kHz（3倍fs）、12kHz（4倍fs）、15kHz（5倍fs）、18kHz（6倍fs）附近，也就是说，谐波主要集中在60次，120次、180次、240次、300次、360次附近，若采用40次的电力谐波分析仪，分析结果没有实际意义。
图2 SPWM变频器输出谐波频谱
上述变频器的基波频率降低至1Hz时，变频器的谐波分布没有太大的变化，但是，由于基波频率降低，谐波次数分别提高到3000次、6000次、9000次、12000次、15000次、18000次附近。一般谐波分析仪器不能满足测试需要。
04低基波频率下变频器输出测试要求
变频器输出基波及谐波等测试均基于傅里叶变换，保证
傅里叶变换精度的一个主要条件就是整周期截断，也就是说，参与傅里叶变换的数据应该是整数个信号周期对应的数据。目前市面上大部分测量仪器做不到这一点，其后果是测量数据波动大，测量精度无法保障。
另外，由于变频器输出谐波频率较高，被测信号带宽较宽，根据采样定理，要求采样频率高于信号带宽的两倍。若信号带宽为50kHz，
采样频率必须高于100kHz。假设基波频率为1Hz，这样，在整周期截断的要求下，至少分析1S（一个信号周期）的数据，而1S的数据量为100k点，即傅里叶变换的点数为100k点。一般测量仪器的处理器无法处理这么大量的数据，运算速度也跟不上，因此，实际测量中往往通过降低采样频率来减少傅里叶变换点数，而降低采样频率之后，为了不违背采样定理，只能在被测信号输入侧加抗混叠滤波器，这样一来，傅里叶变换可以正常进行，基波可以准确获取，但是，被测信号的
高次谐波被抑制了，不能满足变频器输出谐波测量的需要。
05变频器谐波测试要求
● 带宽要求：变频器开关频率在10kHz以内，带宽应高于6倍开关频率，即：60kHz，综合考虑，带宽应不低于100kHz。
● 被测电压：输入电压：0V～380V；输出电压：0V～200V。
● 被测电流：被测电流最大值为10A。
● 基波频率：变频器长期工作在2Hz以下，要求最低可测量0.1Hz，综合考虑，基波频率范围应覆盖0.1Hz～100Hz。
● 采样频率：整个测试过程中，采用频率应不低于200kHz。
三变频器谐波测试解决方案
依据上述需求分析，变频器输入输出测试均采用湖南银河电气有限公司研制的
WP4000变频功率分析仪，依据被测电压、电流量程，功率单元选用DT217B
数字变送器。变频器输入输出谐波测量方案如图3所示。
三个DT217B数字变送器用于测量变频器输入三相电压、电流、频率、功率及谐波等参数。三个DT217B数字变送器用于测量变频器输出三相电压、电流、频率、功率及谐波等参数。六个DT数字变送器输出经过光纤与WP4000变频功率分析仪相连，可实现变频器的输入输出电参量测量。WP4000通过网线与上位机相连，上位机安装WP4000扩展测试软件，可更加方便的构建定制化的测试工况，对被测数据进行自动记录，出具测试报告。
图3 变频器输入输出谐波测试原理示意图
01WP4000可直接测量和显示的参数：
- 输入输出三相电压、电流的基波有效值、真有效值、校准平均值；
- 输入输出电压、电流的频率；
- 输入输出基波有功功率；
- 输入输出有功功率；
- 输入输出位移因数（基波功率因数）；
- 输入输出电压、电流的0～100次谐波的幅值和相位；
- 输入输出电压、电流的总谐波失真（THD）、总谐波因数（THF）、输入输出电压谐波因数（HVF）、输入输出电流谐波因数（HCF）；
02通过上位机软件可以测量和显示的参数：
- WP4000可以显示的所有参数；
- 输入输出电压、电流的100kHz以内的所有谐波幅值和相位（基波频率为0.1Hz时，最高可显示1，000，000次谐波）；
- 其它客户定制的参数。
四WP4000主要技术指标
| 项目 |
指标 |
条件 |
| 采样频率 |
250kHz |
|
| 带宽 |
100kHz |
|
| 电压 |
B型：0.1%rd
|
幅值：5～1280V；
基波频率：0.1Hz～1500Hz。
|
| 电流 |
B型：0.1%rd
|
幅值：50mA～16A；
基波频率：0.1Hz～1500Hz。
|
| 功率 |
B型：0.1%rd
|
功率因数=1；额定电压、额定电流；基波频率：45～66Hz。 |
B型：0.2%rd
|
功率因数：0.2～1；
基波频率：0.1Hz～1500Hz。
|
B型：0.5%rd
|
功率因数：0.05～0.2；
基波频率：0.1Hz～1500Hz。
|
| 频率测量精度 |
0.02%rd |
0.1Hz～1500Hz |
五变频器谐波测试设备配置清单
| 序号 |
型号 |
名称 |
参数 |
数量 |
单位 |
厂家 |
| 1 |
WP4000 |
变频功率分析仪 |
6通道 |
1 |
台 |
银河电气 |
| 2 |
DT217B |
数字变送器 |
1280V/640V/320V/160V/80V/40V/20V/10V;
16A/8A/4A/2A/1A/500mA/250mA/125mA
|
6 |
台 |
银河电气 |
| 3 |
/ |
光纤 |
/ |
6 |
对 |
/ |
| 4 |
DH2000 |
PC机软件 |
/ |
1 |
套 |
银河电气 |
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变频器谐波分析关键技术
作者：AnyWay中国
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