一變頻器諧波影響

變頻調(diào)速技術(shù)是電機(jī)能效提升計(jì)劃的重要技術(shù)依托。工信部和質(zhì)檢總局頒布的“電機(jī)能效提升計(jì)劃（2013-2015）”中指出：在風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)等需要頻繁調(diào)節(jié)流量的場(chǎng)所，采用變頻調(diào)速，節(jié)電率可達(dá)10%～50%，是電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能改造技術(shù)指南公布的節(jié)電率最高的節(jié)能措施。

然而，世間萬物，有其利必有其弊：變頻調(diào)速技術(shù)在節(jié)能的同時(shí)，變頻器輸入諧波加劇了電網(wǎng)諧波污染，而變頻器輸出諧波則帶來了電機(jī)溫升提高，電機(jī)絕緣受損，軸電流影響軸承壽命等問題。采用合適的變頻器諧波分析儀，對(duì)變頻器輸入和輸出諧波進(jìn)行分析，是解決上述問題的基礎(chǔ)。

二變頻器諧波分析

01電力系統(tǒng)諧波分析

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。

“DLT 1028-2006 電能質(zhì)量測(cè)試分析儀檢定規(guī)程”對(duì)電網(wǎng)諧波分析儀進(jìn)行檢定的最高諧波次數(shù)為50次。大部分電力系統(tǒng)諧波分析儀的最高諧波階數(shù)為40或50，可以滿足電力系統(tǒng)諧波分析的一般需要。

變頻器諧波分布與電網(wǎng)大不相同。

02變頻器輸入諧波分析

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、17、19次，總諧波含量約15%。

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30%。

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=1kHz，f1=20Hz，其諧波主要集中在50次（1kHz）附近，若采用40次的電力諧波分析儀，則只能分析到3次諧波，分析結(jié)果沒有實(shí)際意義。

圖2 SPWM變頻器輸出諧波頻譜

三變頻器諧波分析儀特點(diǎn)

對(duì)于變頻器輸入諧波分析儀而言，只要諧波幅值不設(shè)限制（變頻器輸入諧波遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電力諧波），那么，一般的電力諧波分析儀可以滿足變頻器輸入諧波檢測(cè)需要。

電力諧波分析儀的基波頻率是固定的，且諧波主要為基波頻率整數(shù)倍，因此，最大諧波次數(shù)是電力諧波分析儀的主要技術(shù)參數(shù)。

而變頻器輸出諧波的基波頻率是變化的，載波頻率相對(duì)固定，且諧波主要分布在載波頻率整數(shù)倍附近，因此，最高諧波頻率和最大諧波次數(shù)都是變頻器諧波分析儀的主要技術(shù)參數(shù)。一般而言，最高諧波頻率達(dá)到100kHz即可。

而需要分析的諧波次數(shù)還與可變的基波頻率有關(guān)，載波頻率固定時(shí)，基波頻率越低，需要分析的諧波次數(shù)越高。

舉一個(gè)較極端的例子，變頻器的載波頻率為5kHz，基波頻率為0.1Hz，考慮到6倍開關(guān)頻率附近的諧波，那么，最高諧波次數(shù)為6*5000/0.1=300,000次。

再舉一個(gè)典型案例，變頻器的載波頻率為2.5kHz，基波頻率為50Hz，同樣考慮到6倍開關(guān)頻率附近的諧波，最高諧波次數(shù)為2500*6/50=300次。

實(shí)際應(yīng)用中，考慮到一定的普適性，變頻器輸出諧波分析儀分析到2000次諧波是完全必要的。

目前，市面上尚無專業(yè)用于變頻器輸出諧波檢測(cè)的諧波分析儀，部分用于變頻器及變頻電機(jī)檢試驗(yàn)的功率分析儀（如AnyWay的WP4000變頻功率分析儀）的諧波分析功能可以滿足變頻器輸出諧波檢測(cè)的需要。

審核編輯 黃宇