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变频器谐波分析关键技术

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  • 发布时间:2015/7/22 17:19:03
  • 作者:ljl_yinhe

  变频器是工业调速领域中应用最广泛的设备之一,它将工频50HZ变换成各种频率的交流电源,以实现电机的变速运行。变频器完成交-直-交变换,由整流电路、逆变电路、控制电路组成,其中整流输入部分及逆变输出部分主要由非线性电力电子元件组成,在变频器运行时,会在输入输出侧产生大量谐波

  由于变频器输出PWM波含有开关频率整数倍的高次谐波,变频器谐波分析的关键在于要求功率分析仪在低基波频率情况下拥有高采样频率、宽带宽、运算能力强、运算速度快等特点。

变频器谐波的产生

01整流输入侧

  变频器的整流输入侧一般采用三相桥式不控整流将交流电整成直流电,因为由二极管组成的整流桥的非线性特性,会产生谐波电流。一般情况,整流输入的电压波形为正弦波,输入电流波形为畸变的“马鞍波”,谐波电流会从用户变频器端通过电网传播,影响公用电网。

  输入谐波电流如图1所示。“马鞍波”的波形由变频器整流拓扑结构、参数、负载的不同而不同。

变频器输入电流波形图

  图1 变频器输入电流波形图

02逆变输出侧

  变频器的逆变输出侧,由SPWM波控制由IGBT等全控型器件组成的桥式电路,从而形成电压、频率可调的三相交流电。变频器输出的线电压是正弦脉宽、幅值相等的矩形波(PWM波),如图2所示。

频器输出线电压波形图

  图2 变频器输出线电压波形图

 

变频器谐波分析

01变频器输入侧谐波电流分析

  变频器输入电流的谐波含量由于只是整流部分非线性造成的,并且变频器的输入输出为三个幅值相等、相位相差120°的波形,根据谐波分析理论,不存在3的整数倍谐波(3、6、9、12……)以及偶次谐波(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)……谐波。如图3所示。

变频器输入电流谐波分析

  图3 变频器输入电流谐波分析

  输入电流的谐波基本都为低次谐波,采用一般的功率分析仪都能满足谐波分析的要求。通过相应的措施,输入电流谐波只要满足《GB/T14549-1993电能质量公用电网谐波》关于总谐波THD<5%,奇次谐波<4%,偶次谐波<2%的要求即可,无需精确定量地对谐波进行全面分析。

02变频器输出侧谐波电压分析

  变频器的输出电压,因为是PWM波的原因,含有大量的高次谐波,对电动机运行是不利的。对于电机的转矩来说,主要由PWM波的基波决定,但是谐波电压易造成电动机端电压过高,发生过热,引起附加的损耗,降低电机的效率,甚至会产生磁饱和,造成电机的损坏。所以对变频器输出电压进行定量全面谐波分析是至关重要的。  

  通过对变频器输出50Hz、5Hz为例的PWM波进行谐波分析来了解其中的关键技术,变频器的载波频率为2KHz。如图4,图5所示。

50HzPWM波谐波分析

  图4 50HzPWM波谐波分析

 5HzPWM波谐波分析

  图5 5HzPWM波谐波分析

  从图中可以看到,变频器输出谐波主要集中在载波频率整倍数附近,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...,ks越大,相应的谐波越小。  

  50Hz的PWM波,谐波群出现的位置为2KHz(1倍fs)、4KHz(2倍fs)、6KHz(3倍fs)、8KHz(4倍fs)、……,分别对应的是40次、80次、120次、160次谐波。

  5Hz的PWM波,谐波群出现的位置为2KHz(1倍fs)、4KHz(2倍fs)、6KHz(3倍fs)、8KHz(4倍fs)、……,分别对应的是400次、800次、1200次、1600次谐波。

  对于一般的测量,谐波分析到6倍开关频率就可以满足要求。

03变频器谐波分析关键技术

  一般的功率分析仪由于采用FFT进行谐波分析,因为FFT的特性,参与傅里叶变换的数据必须是整数个信号周期对应的数据,但是在低基波频率情况下,按照满足采样定理的采样频率,采集到的一个信号周期的数据非常庞大,分析仪的处理器无法处理这么大量的数据,并且运算速度也跟不上。通常的做法是降低采样频率来减小采集的数据量,并且为了不违背采样定理,只能加入抗混叠滤波器(低通滤波器)来降低信号带宽。这样处理的弊端是显而易见的,用户需要的是变频器输出PWM波的高次谐波信息,然后分析仪却将高频信号滤除了,谐波分析的结果已经没有意义。

  由于变频器输出PWM波含有开关频率倍的高次谐波,变频器谐波分析的关键在于要求功率分析仪在低基波频率情况下拥有高采样频率、宽带宽、运算能力强、运算速度快等特点。

  电机工作的基波频率通常在200Hz以内,变频器开关频率在10KHz以内,故变频器谐波分析要求:

  ● 带宽要求:带宽高于6倍开关频率,6*10kHz= 60kHz,综合考虑,带宽应不低于100kHz。

  ● 采样频率:整个测试过程中,采用频率应不低于200kHz。

  功率分析仪谐波分析如图6所示

 功率分析仪谐波分析图

  图6 功率分析仪谐波分析图


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