变频调速技术是电机能效提升计划的重要技术依托。工信部和质检总局颁布的“电机能效提升计划(2013-2015)”中指出:在风机、水泵、压缩机等需要频繁调节流量的场所,采用变频调速,节电率可达10%~50%,是电机系统节能改造技术指南公布的节电率最高的节能措施。
然而,世间万物,有其利必有其弊:变频调速技术在节能的同时,变频器输入谐波加剧了电网谐波污染,而变频器输出谐波则带来了电机温升提高,电机绝缘受损,轴电流影响轴承寿命等问题。采用合适的变频器谐波分析仪,对变频器输入和输出谐波进行分析,是解决上述问题的基础。
目前市面上的谐波检测设备,大多按照电力系统谐波分析、电能质量分析需要进行设计,遵循国家标准“GB/T17628.7电磁兼容 试验和测量技术 供电系统及所连设备谐波、谐间波的测量和测量仪器导则(IEC61000-4-7)”相关技术要求。用于测量叠加在50Hz/60Hz电力系统基波上,频率为9kHz以下的谐波和谐间波。
“DLT 1028-2006 电能质量测试分析仪检定规程”对电网谐波分析仪进行检定的最高谐波次数为50次。大部分电力系统谐波分析仪的最高谐波阶数为40或50,可以满足电力系统谐波分析的一般需要。
变频器谐波分布与电网大不相同。
目前变频器大多为交直交变频器,输入大多采用二极管整流,变频器输入谐波含量大,谐波分布与整流脉数N有关:
N脉冲整流会产生Nk+1次的谐波,就是说6脉冲整流会产生6k±1次的谐波,谐波序列为5、7、11、13……,12脉冲整流会产生12k±1次的谐波,谐波序列为11、13、23、25……
如果假设交流侧电抗为零,直流电感无穷大的理想情况,这时M次谐波电流的理论相对值为1/M,就是说11次谐波的理论值是1/11,约9%。
如果没有安装输入电抗器,12脉整流的主要谐波为11、13、17、19次,总谐波含量约15%。
6脉整流输入电流包含6N±1次谐波,主要为5、7、11、13次,5次谐波约20%,7次约14%、11次约9%,13次约8%。总谐波含量约30%。
在变频器输入侧或直流侧安装电抗器可大大减小输入谐波。
图1为6脉整流变频器的输入电压、电流波形,其电流谐波含量大,波形失真严重。
变频器输出为PWM波,谐波含量丰富,变频器输出谐波主要集中在载波频率整倍数附近,而低次谐波一般较小。当载波频率较高时,谐波频率也高。
若变频器的载波频率为fs,基波频率为f1,变频器输出谐波主要集中在ks*fs±k1*f1。其中ks=1,2,3,4,5,6,7... k1=1,2,4,5,7...
变频器输出谐波集中在载波频率整倍数附近,ks越大,相应的谐波越小。
对于SPWM三相变频器,若载波频率比是整数(N=fs/f1),N是3的整数倍,变频器输出谐波只包含6k±1次谐波,且不包含N-2次以下的谐波。
图2为SPWM变频器输出谐波频谱图。图中,fs=1kHz,f1=20Hz,其谐波主要集中在50次(1kHz)附近,若采用40次的电力谐波分析仪,则只能分析到3次谐波,分析结果没有实际意义。

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