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适用变频器输入输出谐波检测的谐波分析仪

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  • 发布时间:2013/10/5 19:16:08
  • 作者:AnyWay中国

变频器谐波影响

  变频调速技术是电机能效提升计划的重要技术依托。工信部和质检总局颁布的“电机能效提升计划(2013-2015)”中指出:在风机、水泵、压缩机等需要频繁调节流量的场所,采用变频调速,节电率可达10%~50%,是电机系统节能改造技术指南公布的节电率最高的节能措施。

  然而,世间万物,有其利必有其弊:变频调速技术在节能的同时,变频器输入谐波加剧了电网谐波污染,而变频器输出谐波则带来了电机温升提高,电机绝缘受损,轴电流影响轴承寿命等问题。采用合适的变频器谐波分析仪,对变频器输入和输出谐波进行分析,是解决上述问题的基础。

变频器谐波分析

01电力系统谐波分析

  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。

  “DLT 1028-2006 电能质量测试分析仪检定规程”对电网谐波分析仪进行检定的最高谐波次数为50次。大部分电力系统谐波分析仪的最高谐波阶数为40或50,可以满足电力系统谐波分析的一般需要。

  变频器谐波分布与电网大不相同。

02变频器输入谐波分析

  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、17、19次,总谐波含量约15%。

  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30%。

  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。

6脉整流变频器的输入电压电流波形

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=1kHz,f1=20Hz,其谐波主要集中在50次(1kHz)附近,若采用40次的电力谐波分析仪,则只能分析到3次谐波,分析结果没有实际意义。

SPWM变频器输出谐波频谱

图2 SPWM变频器输出谐波频谱

变频器谐波分析仪特点

  对于变频器输入谐波分析仪而言,只要谐波幅值不设限制(变频器输入谐波远远大于电力谐波),那么,一般的电力谐波分析仪可以满足变频器输入谐波检测需要。

  电力谐波分析仪的基波频率是固定的,且谐波主要为基波频率整数倍,因此,最大谐波次数是电力谐波分析仪的主要技术参数。

  而变频器输出谐波的基波频率是变化的,载波频率相对固定,且谐波主要分布在载波频率整数倍附近,因此,最高谐波频率和最大谐波次数都是变频器谐波分析仪的主要技术参数。一般而言,最高谐波频率达到100kHz即可。

  而需要分析的谐波次数还与可变的基波频率有关,载波频率固定时,基波频率越低,需要分析的谐波次数越高。

  举一个较极端的例子,变频器的载波频率为5kHz,基波频率为0.1Hz,考虑到6倍开关频率附近的谐波,那么,最高谐波次数为6*5000/0.1=300,000次。

  再举一个典型案例,变频器的载波频率为2.5kHz,基波频率为50Hz,同样考虑到6倍开关频率附近的谐波,最高谐波次数为2500*6/50=300次。

  实际应用中,考虑到一定的普适性,变频器输出谐波分析仪分析到2000次谐波是完全必要的。

  目前,市面上尚无专业用于变频器输出谐波检测的谐波分析仪,部分用于变频器及变频电机检试验的功率分析仪(如AnyWay的WP4000变频功率分析仪)的谐波分析功能可以满足变频器输出谐波检测的需要。