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          低基波頻率下變頻器諧波測試解決方案

          • 瀏覽次數:11481次
          • 發布時間: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大不相同,設計優良的變頻器基本不含低次諧波,其諧波主要集中在開關頻率整數倍附近,低基波頻率下的變頻器輸出諧波,諧波次數非常高,一般諧波測試設備難以滿足要求。本文結合實例對變頻器輸入及輸出諧波測試進行詳細的分析并給出測試解決方案。

          被測變頻器基本參數

              ●  輸入相數:3
            ●  輸入電壓:380V
            ●  輸出相數:3
            ●  輸出電壓:200V
            ●  輸出電流:0A~10A
            ●  基波頻率:0.1Hz~2Hz

          變頻器諧波測試需求分析

          01常規諧波測試方法

            目前市面上的諧波檢測設備,大多按照電力系統諧波分析、電能質量分析需要進行設計,遵循國家標準《GB/T17628.7電磁兼容 試驗和測量技術 供電系統及所連設備諧波、諧間波的測量和測量儀器導則(IEC61000-4-7)》相關技術要求。用于測量疊加在50Hz/60Hz電力系統基波上,頻率為9kHz以下的諧波和諧間波。
            《DLT 1028-2006 電能質量測試分析儀檢定規程》對電網諧波分析儀進行檢定的最高諧波次數為50次。大部分電力系統諧波分析儀的最高諧波階數為40或50,可以滿足電力系統諧波分析的一般需要。

          02變頻器輸入諧波分析

            變頻器諧波分布與電網大不相同。
            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N有關:N脈沖整流會產生Nk+1次的諧波,就是說6脈沖整流會產生6k±1次的諧波,諧波序列為5、7、11、13……,12脈沖整流會產生12k±1次的諧波,諧波序列為11、13、23、25……
            如果假設交流側電抗為零,直流電感無窮大的理想情況,這時M次諧波電流的理論相對值為1/M,就是說11次諧波的理論值是1/11,約9%。
            如果沒有安裝輸入電抗器,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%??傊C波含量約51%。
            在變頻器輸入側或直流側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,波形失真嚴重。

          6脈整流變頻器的輸入電壓電流波形

          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附近,而低次諧波一般較小。當載波頻率較高時,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附近,ks越大,相應的諧波越小,對于一般測量,分析到6倍開關頻率就足夠了。
            對于SPWM三相變頻器,若載波頻率比是整數(N=fs/f1),N是3的整數倍,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,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,分析結果沒有實際意義。

          SPWM變頻器輸出諧波頻譜

          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,變頻器的諧波分布沒有太大的變化,但是,由于基波頻率降低,諧波次數分別提高到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足測試需要。

          04低基波頻率下變頻器輸出測試要求

            變頻器輸出基波及諧波等測試均基于傅里葉變換,保證傅里葉變換精度的一個主要條件就是整周期截斷,也就是說,參與傅里葉變換的數據應該是整數個信號周期對應的數據。目前市面上大部分測量儀器做不到這一點,其后果是測量數據波動大,測量精度無法保障。
            另外,由于變頻器輸出諧波頻率較高,被測信號帶寬較寬,根據采樣定理,要求采樣頻率高于信號帶寬的兩倍。若信號帶寬為50kHz,采樣頻率必須高于100kHz。假設基波頻率為1Hz,這樣,在整周期截斷的要求下,至少分析1S(一個信號周期)的數據,而1S的數據量為100k點,即傅里葉變換的點數為100k點。一般測量儀器的處理器無法處理這么大量的數據,運算速度也跟不上,因此,實際測量中往往通過降低采樣頻率來減少傅里葉變換點數,而降低采樣頻率之后,為了不違背采樣定理,只能在被測信號輸入側加抗混疊濾波器,這樣一來,傅里葉變換可以正常進行,基波可以準確獲取,但是,被測信號的高次諧波被抑制了,不能滿足變頻器輸出諧波測量的需要。

          05變頻器諧波測試要求

              ●  帶寬要求:變頻器開關頻率在10kHz以內,帶寬應高于6倍開關頻率,即:60kHz,綜合考慮,帶寬應不低于100kHz。
              ●  被測電壓:輸入電壓:0V~380V;輸出電壓:0V~200V。
              ●  被測電流:被測電流最大值為10A。
              ●  基波頻率:變頻器長期工作在2Hz以下,要求最低可測量0.1Hz,綜合考慮,基波頻率范圍應覆蓋0.1Hz~100Hz。
              ●  采樣頻率:整個測試過程中,采用頻率應不低于200kHz。

          變頻器諧波測試解決方案

            依據上述需求分析,變頻器輸入輸出測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,依據被測電壓、電流量程,功率單元選用DT217B數字變送器。變頻器輸入輸出諧波測量方案如圖3所示。
            三個DT217B數字變送器用于測量變頻器輸入三相電壓、電流、頻率、功率及諧波等參數。三個DT217B數字變送器用于測量變頻器輸出三相電壓、電流、頻率、功率及諧波等參數。六個DT數字變送器輸出經過光纖與WP4000變頻功率分析儀相連,可實現變頻器的輸入輸出電參量測量。WP4000通過網線與上位機相連,上位機安裝WP4000擴展測試軟件,可更加方便的構建定制化的測試工況,對被測數據進行自動記錄,出具測試報告。

          變頻器輸入輸出諧波測試原理示意圖


          圖3 變頻器輸入輸出諧波測試原理示意圖

           

          01WP4000可直接測量和顯示的參數:

          • 輸入輸出三相電壓、電流的基波有效值、真有效值、校準平均值;
          • 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(基波功率因數);
          • 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(THF)、輸入輸出電壓諧波因數(HVF)、輸入輸出電流諧波因數(HCF);

          02通過上位機軟件可以測量和顯示的參數:

          • WP4000可以顯示的所有參數;
          • 輸入輸出電壓、電流的100kHz以內的所有諧波幅值和相位(基波頻率為0.1Hz時,最高可顯示1,000,000次諧波);
          • 其它客戶定制的參數。

          WP4000主要技術指標

          項目 指標 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=1;額定電壓、額定電流;基波頻率:45~66Hz。
          B型:0.2%rd
          功率因數:0.2~1; 
          基波頻率:0.1Hz~1500Hz。 
          B型:0.5%rd
          功率因數:0.05~0.2;
          基波頻率:0.1Hz~1500Hz。
          頻率測量精度 0.02%rd 0.1Hz~1500Hz

          變頻器諧波測試設備配置清單

          序號 型號 名稱 參數 數量 單位 廠家
          1 WP4000 變頻功率分析儀 6通道 1 銀河電氣
          2 DT217B 數字變送器

          1280V/640V/320V/160V/80V/40V/20V/10V;

           16A/8A/4A/2A/1A/500mA/250mA/125mA

          6 銀河電氣
          3 / 光纖 / 6 /
          4 DH2000 PC機軟件 / 1 銀河電氣

           


          擴展閱讀:

            變頻器諧波分析關鍵技術
          作者:AnyWay中國

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