變頻器是工業調速領域中應用最廣泛的設備之一，它將工頻50HZ變換成各種頻率的交流電源，以實現電機的變速運行。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，在變頻器運行時，會在輸入輸出側產生大量諧波。

　　由于變頻器輸出PWM波含有開關頻率整數倍的高次諧波，變頻器諧波分析的關鍵在于要求功率分析儀在低基波頻率情況下擁有高采樣頻率、寬帶寬、運算能力強、運算速度快等特點。

一變頻器諧波的產生

01整流輸入側

　　變頻器的整流輸入側一般采用三相橋式不控整流將交流電整成直流電，因為由二極管組成的整流橋的非線性特性，會產生諧波電流。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”，諧波電流會從用戶變頻器端通過電網傳播，影響公用電網。

　　輸入諧波電流如圖1所示。“馬鞍波”的波形由變頻器整流拓撲結構、參數、負載的不同而不同。

　　圖1 變頻器輸入電流波形圖

02逆變輸出側

　　變頻器的逆變輸出側，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幅值相等、相位相差120°的波形，根據諧波分析理論，不存在3的整數倍諧波(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。通過相應的措施，輸入電流諧波只要滿足《GB/T14549-1993電能質量公用電網諧波》關于總諧波THD<5%，奇次諧波<4%，偶次諧波<2%的要求即可，無需精確定量地對諧波進行全面分析。

02變頻器輸出側諧波電壓分析

　　變頻器的輸出電壓，因為是PWM波的原因，含有大量的高次諧波，對電動機運行是不利的。對于電機的轉矩來說，主要由PWM波的基波決定，但是諧波電壓易造成電動機端電壓過高，發生過熱，引起附加的損耗，降低電機的效率，甚至會產生磁飽和，造成電機的損壞。所以對變頻器輸出電壓進行定量全面諧波分析是至關重要的。　　

　　通過對變頻器輸出50Hz、5Hz為例的PWM波進行諧波分析來了解其中的關鍵技術，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，相應的諧波越小。　　

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

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

　　對于一般的測量，諧波分析到6倍開關頻率就可以滿足要求。

03變頻器諧波分析關鍵技術

　　一般的功率分析儀由于采用FFT進行諧波分析，因為FFT的特性，參與傅里葉變換的數據必須是整數個信號周期對應的數據，但是在低基波頻率情況下，按照滿足采樣定理的采樣頻率，采集到的一個信號周期的數據非常龐大，分析儀的處理器無法處理這么大量的數據，并且運算速度也跟不上。通常的做法是降低采樣頻率來減小采集的數據量，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)來降低信號帶寬。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濾除了，諧波分析的結果已經沒有意義。

　　由于變頻器輸出PWM波含有開關頻率倍的高次諧波，變頻器諧波分析的關鍵在于要求功率分析儀在低基波頻率情況下擁有高采樣頻率、寬帶寬、運算能力強、運算速度快等特點。

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

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

　　● 采樣頻率：整個測試過程中，采用頻率應不低于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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