變頻器諧波分析誤差探討

變頻調(diào)速技術(shù)是現(xiàn)代電力傳動(dòng)技術(shù)的重要發(fā)展方向。變頻器作為調(diào)速系統(tǒng)的核心，其性能成為決定調(diào)速系統(tǒng)性能優(yōu)劣的重要因素。對(duì)變頻器的輸出波形測(cè)試及諧波分析，是調(diào)速系統(tǒng)研發(fā)、試驗(yàn)中不可缺少的環(huán)節(jié)。

變頻器的輸入輸出都不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，特別是輸出PWM波中含有大量的高次諧波，采用一般的功率分析儀及諧波分析方法存在較大的誤差。

一、采樣頻率不夠造成變頻器諧波分析誤差

對(duì)變頻器輸出波形進(jìn)行分析時(shí)首先要對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，根據(jù)采樣定理，采樣頻率fs必須大于信號(hào)最高頻率fm的兩倍(fs≥2fm)才能得到信號(hào)全部的頻譜。當(dāng)fs<2fm時(shí)，頻率最高只能得到fs/2,信號(hào)中頻率高于fs/2的部分會(huì)被重建成低于fs/2的混疊信號(hào)，造成頻譜混疊，產(chǎn)生嚴(yán)重的誤差。

二、測(cè)量?jī)x器實(shí)際帶寬不夠造成變頻器諧波分析誤差

為了避免混疊現(xiàn)象，一般的功率分析儀通常的做法是加入抗混疊濾波器來(lái)限制信號(hào)帶寬，將變頻器輸出PWM波中高于fs/2的信號(hào)過(guò)濾掉?？够殳B濾波器的帶寬就是分析儀實(shí)際帶寬。這種將諧波先濾除，再進(jìn)行諧波分析的做法，分析結(jié)果誤差非常大，甚至可以說(shuō)分析結(jié)果是錯(cuò)誤的。

三、分析算法造成變頻器諧波分析誤差

目前，絕大部分分析儀都是采用FFT算法進(jìn)行諧波分析。采用FFT諧波分析，首先將信號(hào)截取一段數(shù)據(jù)序列，再對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，最后作FFT變換 將信號(hào)進(jìn)行頻域離散化。由于FFT的特性，要求截取的數(shù)據(jù)序列必須包含整數(shù)個(gè)信號(hào)周期，并且數(shù)據(jù)序列中采樣的點(diǎn)數(shù)必須是2的N次冪。實(shí)際上， 進(jìn)行FFT變換采用的信號(hào)周期為上一個(gè)檢測(cè)到的信號(hào)周期，由于變頻器輸出的信號(hào)周期并非是完全穩(wěn)定不變的，所以勢(shì)必會(huì)造成誤差。從FFT的要求可以看 出，F(xiàn)FT算法的局限性是很明顯的：如果從信號(hào)中截取的數(shù)據(jù)序列并不是整數(shù)個(gè)信號(hào)周期，會(huì)造成頻譜泄漏現(xiàn)象，產(chǎn)生嚴(yán)重誤差。

利用FFT諧波分析時(shí)，頻譜泄漏影響了諧波分析的測(cè)量精度，而導(dǎo)致頻譜泄漏的最根本原因是采樣中周期同步的誤差。應(yīng)對(duì)頻譜泄漏現(xiàn)象，一般分析儀的做法是采用加窗函數(shù)(如漢寧窗、布萊克曼窗等)處理，這種做法只是一定程度的抑制頻譜泄漏，并且可以說(shuō)是又帶入了新的誤差。

四、測(cè)量精度造成變頻器諧波分析誤差

變頻器諧波分析是建立在對(duì)電信號(hào)的測(cè)量基礎(chǔ)上的，功率分析儀對(duì)電信號(hào)測(cè)量產(chǎn)生的誤差，勢(shì)必會(huì)引起分析結(jié)果的誤差。減小測(cè)量誤差對(duì)諧波分析的影響，選擇一款真正高精度功率分析儀是關(guān)鍵。

五、計(jì)算誤差

在電信號(hào)采樣為功率分析儀能處理的數(shù)字信號(hào)后，需要根據(jù)公式來(lái)計(jì)算如有效值、平均值、功率、總諧波失真、諧波因數(shù)等相關(guān)參數(shù)，這個(gè)過(guò)程會(huì)帶入計(jì)算誤差。

六、選擇合適的功率分析儀

針對(duì)變頻器諧波分析中誤差的來(lái)源，可以對(duì)功率分析儀提出以下幾點(diǎn)要求：

● 采樣頻率應(yīng)足夠高，滿足變頻器諧波分析的要求，不低于200kHz。

● 帶寬應(yīng)高于6倍變頻器的開(kāi)關(guān)頻率，綜合考慮，帶寬應(yīng)不低于100kHz。

● 諧波分析算法采用對(duì)數(shù)據(jù)序列整周期、點(diǎn)數(shù)沒(méi)有要求的DFT算法。

● 具有強(qiáng)大的硬件支撐，滿足DFT算法對(duì)于計(jì)算速度、計(jì)算量的需求。

● 采用具有明確誤差參比條件，并且參比條件包含實(shí)際使用條件的高精度功率分析儀。