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变频器谐波分析误差探讨

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 变频调速技术是现代电力传动技术的重要发展方向。变频器作为调速系统的核心,其性能成为决定调速系统性能优劣的重要因素。对变频器的输出波形测试及谐波分析,是调速系统研发、试验中不可缺少的环节。

  变频器的输入输出都不是标准的正弦波,特别是输出PWM波中含有大量的高次谐波,采用一般的功率分析仪及谐波分析方法存在较大的误差。

一、采样频率不够造成变频器谐波分析误差

  对变频器输出波形进行分析时首先要对信号进行采样,根据采样定理,采样频率fs必须大于信号最高频率fm的两倍(fs≥2fm)才能得到信号全部的频谱。当fs<2fm时,频率最高只能得到fs/2,信号中频率高于fs/2的部分会被重建成低于fs/2的混叠信号,造成频谱混叠,产生严重的误差。

二、测量仪器实际带宽不够造成变频器谐波分析误差

  为了避免混叠现象,一般的功率分析仪通常的做法是加入抗混叠滤波器来限制信号带宽,将变频器输出PWM波中高于fs/2的信号过滤掉。抗混叠滤波器的带宽就是分析仪实际带宽。这种将谐波先滤除,再进行谐波分析的做法,分析结果误差非常大,甚至可以说分析结果是错误的。

三、分析算法造成变频器谐波分析误差

  目前,绝大部分分析仪都是采用FFT算法进行谐波分析。采用FFT谐波分析, 首先将信号截取一段数据序列,再对信号进行采样,最后作FFT变换将信号进行频域离散化。由于FFT的特性,要求截取的数据序列必须包含整数个信号周期, 并且数据序列中采样的点数必须是2的N次幂。实际上,进行FFT变换采用的信号周期为上一个检测到的信号周期,由于变频器输出的信号周期并非是完全稳定不 变的,所以势必会造成误差。从FFT的要求可以看出,FFT算法的局限性是很明显的:如果从信号中截取的数据序列并不是整数个信号周期,会造成频谱泄漏现 象,产生严重误差。

  利用FFT谐波分析时,频谱泄漏影响了谐波分析的测量精度,而导致频谱泄漏的最根本原因是采样中周期同步的误差。应对频谱泄漏现象,一般分析仪的做法是采用加窗函数(如汉宁窗、布莱克曼窗等)处理,这种做法只是一定程度的抑制频谱泄漏,并且可以说是又带入了新的误差。

四、测量精度造成变频器谐波分析误差

  变频器谐波分析是建立在对电信号的测量基础上的,功率分析仪对电信号测量产生的误差,势必会引起分析结果的误差。减小测量误差对谐波分析的影响,选择一款真正高精度功率分析仪是关键。

五、计算误差

  在电信号采样为功率分析仪能处理的数字信号后,需要根据公式来计算如有效值、平均值、功率、总谐波失真、谐波因数等相关参数,这个过程会带入计算误差。

六、选择合适的功率分析仪

  针对变频器谐波分析中误差的来源,可以对功率分析仪提出以下几点要求:

  ● 采样频率应足够高,满足变频器谐波分析的要求,不低于200kHz。

  ● 带宽应高于6倍变频器的开关频率,综合考虑,带宽应不低于100kHz。

  ● 谐波分析算法采用对数据序列整周期、点数没有要求的DFT算法。

  ● 具有强大的硬件支撑,满足DFT算法对于计算速度、计算量的需求。

  ● 采用具有明确误差参比条件,并且参比条件包含实际使用条件的高精度功率分析仪。

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