低基波頻率下變頻器諧波測(cè)試解決方案
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- 發(fā)布時(shí)間：2014/11/5 11:41:33
- 作者：銀河電氣
變頻器輸出富含諧波，但其諧波分布與電網(wǎng)大不相同，設(shè)計(jì)優(yōu)良的變頻器基本不含低次諧波，其諧波主要集中在開(kāi)關(guān)頻率整數(shù)倍附近，低基波頻率下的變頻器輸出諧波，諧波次數(shù)非常高，一般諧波測(cè)試設(shè)備難以滿(mǎn)足要求。本文結(jié)合實(shí)例對(duì)變頻器輸入及輸出諧波測(cè)試進(jìn)行詳細(xì)的分析并給出測(cè)試解決方案。
一被測(cè)變頻器基本參數(shù)
● 輸入相數(shù)：3
● 輸入電壓：380V
● 輸出相數(shù)：3
● 輸出電壓：200V
● 輸出電流：0A～10A
● 基波頻率：0.1Hz～2Hz
二變頻器諧波測(cè)試需求分析
01常規(guī)諧波測(cè)試方法
目前市面上的諧波檢測(cè)設(shè)備，大多按照電力系統(tǒng)諧波分析、電能質(zhì)量分析需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，遵循國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T17628.7電磁兼容 試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù) 供電系統(tǒng)及所連設(shè)備諧波、諧間波的測(cè)量和測(cè)量?jī)x器導(dǎo)則（IEC61000-4-7）》相關(guān)技術(shù)要求。用于測(cè)量疊加在50Hz/60Hz電力系統(tǒng)基波上，頻率為9kHz以下的諧波和諧間波。
02變頻器輸入諧波分析
變頻器諧波分布與電網(wǎng)大不相同。
目前變頻器大多為交直交變頻器，輸入大多采用二極管整流，變頻器輸入諧波含量大，諧波分布與整流脈數(shù)N有關(guān)：N脈沖整流會(huì)產(chǎn)生Nk+1次的諧波，就是說(shuō)6脈沖整流會(huì)產(chǎn)生6k±1次的諧波，諧波序列為5、7、11、13……，12脈沖整流會(huì)產(chǎn)生12k±1次的諧波，諧波序列為11、13、23、25……
如果假設(shè)交流側(cè)電抗為零，直流電感無(wú)窮大的理想情況，這時(shí)M次諧波電流的理論相對(duì)值為1/M，就是說(shuō)11次諧波的理論值是1/11，約9%。
如果沒(méi)有安裝輸入電抗器，12脈整流的主要諧波為11、13、23、25次，總諧波含量約25%。
6脈整流輸入電流包含6N±1次諧波，主要為5、7、11、13次，5次諧波約20%，7次約14%、11次約9%，13次約8%。總諧波含量約51%。
在變頻器輸入側(cè)或直流側(cè)安裝電抗器可大大減小輸入諧波。
圖1為6脈整流變頻器的輸入電壓、電流波形，其電流諧波含量大，波形失真嚴(yán)重。
圖1 6脈整流變頻器的輸入電壓電流波形
03變頻器輸出諧波分析
變頻器輸出為PWM波，諧波含量豐富，變頻器輸出諧波主要集中在載波頻率整倍數(shù)附近，而低次諧波一般較小。當(dāng)載波頻率較高時(shí)，諧波頻率也高。
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...
變頻器輸出諧波集中在載波頻率整倍數(shù)附近，ks越大，相應(yīng)的諧波越小，對(duì)于一般測(cè)量，分析到6倍開(kāi)關(guān)頻率就足夠了。
對(duì)于SPWM三相變頻器，若載波頻率比是整數(shù)（N=fs/f1），N是3的整數(shù)倍，變頻器輸出諧波只包含6k±1次諧波，且不包含N-2次以下的諧波。
圖2為SPWM變頻器輸出諧波頻譜圖。圖中，fs=3kHz，f1=50Hz，其諧波主要集中在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，也就是說(shuō)，諧波主要集中在60次，120次、180次、240次、300次、360次附近，若采用40次的電力諧波分析儀，分析結(jié)果沒(méi)有實(shí)際意義。
圖2 SPWM變頻器輸出諧波頻譜
上述變頻器的基波頻率降低至1Hz時(shí)，變頻器的諧波分布沒(méi)有太大的變化，但是，由于基波頻率降低，諧波次數(shù)分別提高到3000次、6000次、9000次、12000次、15000次、18000次附近。一般諧波分析儀器不能滿(mǎn)足測(cè)試需要。
04低基波頻率下變頻器輸出測(cè)試要求
變頻器輸出基波及諧波等測(cè)試均基于傅里葉變換，保證
傅里葉變換精度的一個(gè)主要條件就是整周期截?cái)啵簿褪钦f(shuō)，參與傅里葉變換的數(shù)據(jù)應(yīng)該是整數(shù)個(gè)信號(hào)周期對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。目前市面上大部分測(cè)量?jī)x器做不到這一點(diǎn)，其后果是測(cè)量數(shù)據(jù)波動(dòng)大，測(cè)量精度無(wú)法保障。
另外，由于變頻器輸出諧波頻率較高，被測(cè)信號(hào)帶寬較寬，根據(jù)采樣定理，要求采樣頻率高于信號(hào)帶寬的兩倍。若信號(hào)帶寬為50kHz，
采樣頻率必須高于100kHz。假設(shè)基波頻率為1Hz，這樣，在整周期截?cái)嗟囊笙拢辽俜治?S（一個(gè)信號(hào)周期）的數(shù)據(jù)，而1S的數(shù)據(jù)量為100k點(diǎn)，即傅里葉變換的點(diǎn)數(shù)為100k點(diǎn)。一般測(cè)量?jī)x器的處理器無(wú)法處理這么大量的數(shù)據(jù)，運(yùn)算速度也跟不上，因此，實(shí)際測(cè)量中往往通過(guò)降低采樣頻率來(lái)減少傅里葉變換點(diǎn)數(shù)，而降低采樣頻率之后，為了不違背采樣定理，只能在被測(cè)信號(hào)輸入側(cè)加抗混疊濾波器，這樣一來(lái)，傅里葉變換可以正常進(jìn)行，基波可以準(zhǔn)確獲取，但是，被測(cè)信號(hào)的
高次諧波被抑制了，不能滿(mǎn)足變頻器輸出諧波測(cè)量的需要。
05變頻器諧波測(cè)試要求
● 帶寬要求：變頻器開(kāi)關(guān)頻率在10kHz以?xún)?nèi)，帶寬應(yīng)高于6倍開(kāi)關(guān)頻率，即：60kHz，綜合考慮，帶寬應(yīng)不低于100kHz。
● 被測(cè)電壓：輸入電壓：0V～380V；輸出電壓：0V～200V。
● 被測(cè)電流：被測(cè)電流最大值為10A。
● 基波頻率：變頻器長(zhǎng)期工作在2Hz以下，要求最低可測(cè)量0.1Hz，綜合考慮，基波頻率范圍應(yīng)覆蓋0.1Hz～100Hz。
● 采樣頻率：整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，采用頻率應(yīng)不低于200kHz。
三變頻器諧波測(cè)試解決方案
依據(jù)上述需求分析，變頻器輸入輸出測(cè)試均采用湖南銀河電氣有限公司研制的
WP4000變頻功率分析儀，依據(jù)被測(cè)電壓、電流量程，功率單元選用DT217B
數(shù)字變送器。變頻器輸入輸出諧波測(cè)量方案如圖3所示。
三個(gè)DT217B數(shù)字變送器用于測(cè)量變頻器輸入三相電壓、電流、頻率、功率及諧波等參數(shù)。三個(gè)DT217B數(shù)字變送器用于測(cè)量變頻器輸出三相電壓、電流、頻率、功率及諧波等參數(shù)。六個(gè)DT數(shù)字變送器輸出經(jīng)過(guò)光纖與WP4000變頻功率分析儀相連，可實(shí)現(xiàn)變頻器的輸入輸出電參量測(cè)量。WP4000通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)與上位機(jī)相連，上位機(jī)安裝WP4000擴(kuò)展測(cè)試軟件，可更加方便的構(gòu)建定制化的測(cè)試工況，對(duì)被測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)記錄，出具測(cè)試報(bào)告。
圖3 變頻器輸入輸出諧波測(cè)試原理示意圖
01WP4000可直接測(cè)量和顯示的參數(shù)：
- 輸入輸出三相電壓、電流的基波有效值、真有效值、校準(zhǔn)平均值；
- 輸入輸出電壓、電流的頻率；
- 輸入輸出基波有功功率；
- 輸入輸出有功功率；
- 輸入輸出位移因數(shù)（基波功率因數(shù)）；
- 輸入輸出電壓、電流的0～100次諧波的幅值和相位；
- 輸入輸出電壓、電流的總諧波失真（THD）、總諧波因數(shù)（THF）、輸入輸出電壓諧波因數(shù)（HVF）、輸入輸出電流諧波因數(shù)（HCF）；
02通過(guò)上位機(jī)軟件可以測(cè)量和顯示的參數(shù)：
- WP4000可以顯示的所有參數(shù)；
- 輸入輸出電壓、電流的100kHz以?xún)?nèi)的所有諧波幅值和相位（基波頻率為0.1Hz時(shí)，最高可顯示1，000，000次諧波）；
- 其它客戶(hù)定制的參數(shù)。
四WP4000主要技術(shù)指標(biāo)
| 項(xiàng)目 |
指標(biāo) |
條件 |
| 采樣頻率 |
250kHz |
|
| 帶寬 |
100kHz |
|
| 電壓 |
B型：0.1%rd
|
幅值：5～1280V；
基波頻率：0.1Hz～1500Hz。
|
| 電流 |
B型：0.1%rd
|
幅值：50mA～16A；
基波頻率：0.1Hz～1500Hz。
|
| 功率 |
B型：0.1%rd
|
功率因數(shù)=1；額定電壓、額定電流；基波頻率：45～66Hz。 |
B型：0.2%rd
|
功率因數(shù)：0.2～1；
基波頻率：0.1Hz～1500Hz。
|
B型：0.5%rd
|
功率因數(shù)：0.05～0.2；
基波頻率：0.1Hz～1500Hz。
|
| 頻率測(cè)量精度 |
0.02%rd |
0.1Hz～1500Hz |
五變頻器諧波測(cè)試設(shè)備配置清單
| 序號(hào) |
型號(hào) |
名稱(chēng) |
參數(shù) |
數(shù)量 |
單位 |
廠(chǎng)家 |
| 1 |
WP4000 |
變頻功率分析儀 |
6通道 |
1 |
臺(tái) |
銀河電氣 |
| 2 |
DT217B |
數(shù)字變送器 |
1280V/640V/320V/160V/80V/40V/20V/10V;
16A/8A/4A/2A/1A/500mA/250mA/125mA
|
6 |
臺(tái) |
銀河電氣 |
| 3 |
/ |
光纖 |
/ |
6 |
對(duì) |
/ |
| 4 |
DH2000 |
PC機(jī)軟件 |
/ |
1 |
套 |
銀河電氣 |
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變頻器諧波分析關(guān)鍵技術(shù)
作者：AnyWay中國(guó)
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