張 峰，劉述喜，李 山，陳渝光

（重慶理工大學電氣與電子工程學院，重慶400054）

基于ACS-800變頻器負載性能測試系統(tǒng)的設計與諧波分析

張 峰，劉述喜，李 山，陳渝光

（重慶理工大學電氣與電子工程學院，重慶400054）

針對變頻器出廠之前需要對其進行負載性能測試的問題，設計了一套基于ACS-800變頻器的負載性能測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)的硬件部分主要由測試樣機變頻器、負載變頻器、電能質(zhì)量分析儀、上位機、異步電機系統(tǒng)等組成。軟件部分通過WTViewer760122來讀取電能質(zhì)量分析儀所測量的數(shù)值、波形等，并通過RS-232傳送至上位機。使用該系統(tǒng)對變頻器進行了負載性能測試，并通過Matlab軟件對采集到的電壓、電流數(shù)據(jù)進行了諧波分析。分析結果表明：該型號的變頻器輸出電壓中含有較大的5次、7次諧波及高次諧波，采取相關濾波措施以后，輸出電壓波形為較為平滑的正弦波，不會對電機的運行產(chǎn)生較大影響。最后分析了變頻器諧波產(chǎn)生的原因及危害，并對抑制方法進行了探討。

變頻器；測試系統(tǒng)；諧波分析；抑制方法

隨著電力電子技術的快速發(fā)展，變頻器的性能得到了極大的提升。節(jié)能效果明顯、調(diào)節(jié)方便、維護簡單等優(yōu)點使得其在工業(yè)控制領域的應用日益廣泛。在變頻器得到廣泛應用的同時，變頻器諧波所帶來的干擾也引起了人們的關注。由于變頻器的主要組成部分整流電路和逆變電路都具有非線性，結果導致大量的諧波來自于變頻器的供電回路和電機驅(qū)動端，對負載及臨近設備產(chǎn)生干擾。一般來說，在不同容量的電力系統(tǒng)中變頻器諧波干擾產(chǎn)生的影響程度并不相同，有的可以被忽略，有的則不可以被忽略，面對不同的情況要區(qū)別對待。因此，如何選擇有效的測試機組成為一個值得研究的課題，以保證變頻器出廠之后能正常使用，并盡量降低諧波對負載的影響。

1 系統(tǒng)的總體設計

本套測試系統(tǒng)由變頻器樣機、負載變頻器、電能質(zhì)量分析儀、電機系統(tǒng)、上位機軟件系統(tǒng)構成，如圖1所示。變頻器樣機是指ACS-800型號變頻器，該型號變頻器為電壓型變頻器。電能質(zhì)量分析儀用來實時采集并顯示變頻器輸出電壓、電流波形和數(shù)值。電機系統(tǒng)包括通過彈性連軸連接的一臺測試異步電動機和1臺相同功率的負載電機。上位機軟件用來對采集到的數(shù)據(jù)進行諧波分析。

1.1 電能質(zhì)量分析儀

采用橫河公司研發(fā)的電能質(zhì)量分析儀。該儀器最多能夠同時進行6種不同的功率測量，并具有測量啟動-停止功能。2臺電能質(zhì)量分析儀（12對輸入）能實現(xiàn)同步測量，測量范圍寬，測量頻率可達0.5 Hz～1 MHz，可選擇的電流測量范圍為10 mA～5 A或1～50 A、電壓測量范圍為1.5 V～1 kV，且測量精度可達到±0.1%［1］。能提供多種數(shù)據(jù)的顯示格式，除了常規(guī)的數(shù)值格式外，還可以顯示輸入信號的波形。一臺儀器上可以選擇11種不同的顯示格式，可以同時觀測到最多16個不同參數(shù)的變化情況，如電壓、電流、有功功率和視在功率等。

圖1 測試系統(tǒng)結構

1.2 基于SPWM硬件調(diào)制技術的變頻器

本測試系統(tǒng)所采用的測試樣機為ACS-800系列變頻器，該型號變頻器是ABB公司采用直接轉(zhuǎn)矩控制技術，并結合諸多當前先進的逆變調(diào)制技術和高效的生產(chǎn)制造工藝生產(chǎn)出的高性能轉(zhuǎn)差控制電壓型變頻器，具有很寬的功率范圍：1.5～500 kW，輸入電壓范圍為380～690 V，還具有優(yōu)良的速度控制和轉(zhuǎn)矩控制特性以及完整的保護功能和靈活的可編程功能，其結構框圖如圖2所示。負載變頻器采用具有精確轉(zhuǎn)矩控制功能的閉環(huán)矢量控制變頻器，電源由電網(wǎng)獲得三相電壓電流，頻率改變后輸出給負載電機。

圖2 變頻器結構框圖

1.3 上位機軟件系統(tǒng)

本次測試實驗所用到的上位機軟件系統(tǒng)主要由PC機、RS232串口、應用軟件WTViewer760122和具有強大數(shù)據(jù)處理功能的Matlab軟件等4個部分組成。其中應用軟件WTViewer760122讀取電能質(zhì)量分析儀所測量的值，數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)、GPIB（并行口）、RS-232（串行口）傳送至PC。連接以太網(wǎng)時，可使用FTP客戶端和服務器功能。同時最多可采集4臺電能質(zhì)量分析儀的數(shù)據(jù)。本次采用RS232串口通信方式，信號采集速率快，數(shù)據(jù)不易丟失，能滿足應用軟件WTViewer760122對電能質(zhì)量分析儀采集到的信號的實時讀取。

1.4 電機系統(tǒng)

電機系統(tǒng)由兩臺同功率的異步電機組成。測試變頻器驅(qū)動的測試電機與負載變頻器驅(qū)動的負載電機二者通過連軸連接在一起。測試過程中改變負載電機的轉(zhuǎn)速，相當于測試變頻器帶了不同的負載，以此來測試和驗證測試變頻器的性能。在測試過程中要防止電流過載情況的發(fā)生，且變頻器輸出的過載電流通常比同功率的電機要大，因此在選擇電機時充分考慮到了這一情況，選擇的電機功率比測試變頻器的大一級。

2 負載性能測試

變頻器性能的好壞直接影響到自身的工作性能和使用壽命以及負載電機和其他負載設備的正常工作。表征變頻器性能的幾個主要指標如下：①低頻時輸出的啟動轉(zhuǎn)矩；②速度和轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)范圍和控制精度；③在低轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)矩脈動情況；④噪聲及諧波干擾；⑤發(fā)熱量。

本文選取諧波干擾這一項指標來進行研究，主要對測試變頻器輸出電壓進行諧波分析并與負載變頻器進行對比，以此測試分析其性能的好壞。

本次實驗設計的測試系統(tǒng)如圖1所示。電能質(zhì)量分析儀共有6組電壓和電流測量輸入端口，能同時測試負載變頻器和測試變頻器的輸出電流、電壓值。本次測試采用的是1號、2號、3號這3個端口，實物接線圖如圖3所示

圖3 電能質(zhì)量分析儀接線圖

將電能質(zhì)量分析儀的3組接線端口接至變頻器的輸入側，主要測變頻器輸入端的三相電壓即電網(wǎng)電壓。在變頻器空載情況下測量電網(wǎng)電壓的實時波形，如圖4所示。從圖4中可以看出三相電壓波形為標準的正弦波，波形平滑，說明測試用電網(wǎng)電壓較為穩(wěn)定，排出了由于電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定對負載測試系統(tǒng)造成不良影響的可能。

圖4 電網(wǎng)電壓波形

然后將電能質(zhì)量分析儀的三組接線端口接至變頻器的輸出側，即測負載電機的輸入電壓電流，打開變頻器電源輸入側開關，變頻器正常啟動后，通過參數(shù)配置和編程，設置電機初始給定轉(zhuǎn)速為600 r／min。設置完畢后啟動電機，通過電能質(zhì)量分析儀觀察電流、電壓實時波形變化并記錄數(shù)據(jù)。再分別設置電機轉(zhuǎn)速為900和1 200 r／min，觀察電流、電壓波形變化，并記錄數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)量較大，故只取1路的電壓電流進行觀察，獲得電機轉(zhuǎn)速為600 r／min的波形如圖5所示。由波形可以看出：電流波形為標準的正弦波，電壓波形毛刺較多，含有較多諧波分量。

圖5 測試變頻器輸出側電壓電流波形

3 實際測試結果分析

3.1 電壓型變頻器負載側諧波原理分析

由于變頻器三相輸出電壓與電動機中點之間的線電壓三相對稱，輸出電壓波形分別相差120°，故本文討論的電壓諧波分析只針對其中的一路來進行。

由變頻器逆變電路的工作原理可以得到輸出線電壓的表達式為［2－4］：

其中：Ud為變頻器中的逆變電路直流側輸入電壓；uUV為輸出的線電壓。

對輸出線電壓進行傅里葉分解：

式（3）中等式右邊常數(shù)項為變頻器輸出電壓中的基波分量，第2項為變頻器輸出電壓中的諧波分量，其中n＝6k±1，k＝1，2，3，…。

輸出線電壓基波和各次諧波有效值為

由式（4）可得各次電壓諧波含有率HRuUVn為：

由以上分析可知：輸出線電壓中僅含n＝6k± 1，k＝1，2，3，…次諧波，各次諧波的有效值與諧波次數(shù)成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)，各次諧波含量隨著諧波次數(shù)的增大而減小。

總諧波畸變率是表征電能質(zhì)量好壞的另一個重要性能指標［5］。根據(jù)有關標準，定義總諧波畸變率為

不同標準的定義有所不同，其還可以定義為

其中：uUV1為基波電壓有效值；uUVn為諧波電壓有效值；uUV0為電壓的總有效值。

3.2 測試變頻器輸出電壓波形的諧波分析

以下分析諧波時，忽略網(wǎng)側電壓波動。本研究已經(jīng)驗證網(wǎng)側電壓較為穩(wěn)定，并且認為直流側電壓中點處于平衡狀態(tài)，且不計開關管的導通、關斷時間。

通過編程設置電機初始給定轉(zhuǎn)速，取不同的變頻器輸出頻率值，通過電能質(zhì)量分析儀采集測

試變頻器輸出電壓值進行分析，采樣頻率為1 024 Hz，滿足采樣定理對采樣信號頻率的要求，采集1 024個點。并對采集到的電壓數(shù)據(jù)應用Matlab軟件作快速傅里葉變換［6］，得到幅度－頻率分布圖即頻譜分布，進而分析各次諧波的含量。下面分別就20，30，40不同頻率值進行討論。

當設定負載電機轉(zhuǎn)速為600 r／min，輸出電壓頻率為20 Hz時，取電壓的采樣值，利用快速傅里葉變換FFT可得輸出電壓的頻譜分布，并對19次以內(nèi)的諧波進行分析計算，結果如圖6所示。

圖6 輸出電壓頻譜1

本文的理論推導中已經(jīng)證明，在平衡的三相系統(tǒng)中，由于對稱關系，偶次諧波已經(jīng)被消除，只有奇次諧波存在，并且證明了變頻器主要產(chǎn)生n＝6k±1次諧波。從圖6中可以看出：變頻器主要產(chǎn)生了5，7，11，13次諧波，理論與實際相符合，證明了理論推導的正確性。其基波幅值約301V，與理論值接近。最嚴重的5次和7次諧波幅值約為基波的17%左右，11次和13次諧波幅值不足基波的10%，17次以后的諧波由于幅值較小，對負載電機的影響較小，故可以忽略不計，總諧波畸變率約為52.13%。

同樣地，當設定負載電機轉(zhuǎn)速為900，1 200 r／min，輸出電壓頻率為30，40 Hz時，取電壓的采樣值，做FFT變換，對19次以內(nèi)的諧波進行分析計算，得到的輸出電壓的頻譜分布圖如圖7和8所示。

根據(jù)傅里葉分析得到的結果，3種頻率下各次諧波與總諧波畸變率如表1所示。表中的數(shù)值是諧波相對于基波的幅值百分比。

表1 各次諧波與總諧波畸變率對比%

通過對3種頻率的對比分析可以看出：測試變頻器輸出電壓波形中的諧波幅值較大的主要為5次、7次諧波，諧波的總體幅值隨著諧波次數(shù)的增大而減小。且隨著負載電機轉(zhuǎn)速的提高，頻譜群分布發(fā)生了變化，幅值較大的諧波向高頻段發(fā)生了轉(zhuǎn)移，低次諧波含量就相對減小了。低次諧波含量的減小有助于降低交流電機輸出轉(zhuǎn)矩的脈動和諧波損耗。

圖7 輸出電壓頻譜2

圖8 輸出電壓頻譜3

3.3 測試變頻器輸出電壓濾波分析

由上述分析可知：變頻器逆變電路的輸出電壓含有大量的高次諧波，但只有輸出電壓中的基波分量對變頻器的負載有用，而其中高次諧波會對負載的運行產(chǎn)生不良影響，因此必須加裝濾波器，經(jīng)過濾波后才能加載到負載電機上。同時為了使變頻器輸出電壓接近正弦波，又不會引起諧振，設計的濾波器的截止頻率必須小于輸出電壓中所含有的最低次諧波頻率［7－9］。

另外，濾波之前一般先要選擇濾波器的類型。常用的濾波器的類型有巴特沃思型濾波器、切比雪夫型濾波器、貝塞爾型濾波器等。由于貝塞爾型濾波器是一種具有最大平坦響應的濾波器，本文根據(jù)消諧控制的特點和輸出電壓的諧波分布特征，擬采用貝塞爾型低通濾波器模型，采用軟件編程，截止頻率選擇500 Hz，對輸出電壓進行了濾波處理。

根據(jù)設計的濾波器參數(shù)進行軟件濾波分析，我們選取負載電機轉(zhuǎn)速為600 r／min，輸出電壓頻率為20 Hz的輸出電壓波形進行濾波處理。測試變頻輸出端輸出電壓波形經(jīng)濾波器軟件濾波后輸出波形如圖9所示。

圖9 濾波之后輸出電壓波形

為了驗證軟件濾波效果的有效性，采用電能質(zhì)量分析儀的濾波功能對輸出電壓進行硬件濾波處理，得到的輸出波形如圖10所示。

對照兩圖不難發(fā)現(xiàn)軟件濾波和實際硬件濾波結果較為接近，說明濾波器參數(shù)設置合理，選取的500 Hz的截止頻率符合要求。

圖10 濾波之后輸出電壓波形

取濾波之后電壓的采樣值，利用快速傅里葉變換FFT可得濾波之后的輸出電壓的頻譜分布，如圖11所示。

圖11 濾波之后輸出電壓頻譜

從圖11可以看出：經(jīng)過濾波之后，變頻器輸出電壓有效值為220 V，主要產(chǎn)生的5，7，11，13次諧波大大減少，最嚴重的5次和7次諧波幅值下降到約為基波的0.3%左右，11次和13次及高次諧波幅值接近為0，總諧波畸變率約為0.29%，測試變頻器逆變電路輸出電壓平滑，符合逆變電路性能指標的要求。

4 變頻器諧波干擾的產(chǎn)生及抑制

4.1 變頻器諧波的產(chǎn)生

常見的變頻器主要有交－直－交變頻器和交－交變頻器兩種，目前在電力系統(tǒng)中應用較多的是交－直－交變頻器［10－11］。ACS－800型號變頻器即屬于其中的一種。通過查閱該型號變頻器的硬件手冊，其主電路主要有整流電路和逆變電路構成。由于變頻器的整流電路一般采用不可控的三相整流橋，而變頻器的逆變電路大多數(shù)采用IGBT，這些電力電子器件都屬于非線性負載，導致變頻器的輸出電壓中含有諧波。通過前面的理論推導分析，變頻器主要產(chǎn)生5、7次諧波，這些諧波會進入到電網(wǎng)，對電網(wǎng)中的其他用電設備的正常運行產(chǎn)生不良影響。

4.2 諧波干擾的危害

變頻器整流和逆變電路輸出電壓和電流中含有很多諧波，會對自身和其他負載產(chǎn)生不良影響。且隨著變頻器功率越來越大，諧波帶來的危害也越來越嚴重，對公用電網(wǎng)、自身和其他負載的危害主要包括影響變頻器自身的使用壽命和工作性能，造成電網(wǎng)電能資源的浪費，使負載電機轉(zhuǎn)矩波動較大，電機震動較為明顯，不能夠正常工作，會造成計算機顯示畫面發(fā)生畸變、圖像顯示不正常、觸摸屏與上位機通訊不正常等一系列現(xiàn)象的發(fā)生。

4.3 變頻器諧波的抑制

由于變頻器主電路采用的電力電子器件的非線性決定了諧波的存在，為了防止諧波對其他用電設備產(chǎn)生干擾，最根本的解決方法是盡可能地抑制和消除電路中的諧波，這就要求我們從諧波產(chǎn)生的根源入手，提高電力系統(tǒng)對諧波的抗干擾性。在實際的電力系統(tǒng)中，采取的抗諧波干擾的措施主要有2種：一是對交流輸入電源采取各種有效的措施來抑制或消除諧波，例如在變頻器的輸入輸出側加裝濾波裝置、使變頻器接地、合理布置電纜等；二是進行理論創(chuàng)新和技術創(chuàng)新，采用新技術＼新理論制造新型的變頻器，加強變頻器節(jié)能技術應用與研究，以減小諧波產(chǎn)生的不良影響。

5 結束語

本文針對變頻器出廠之前需要對其負載性能進行測試的問題，設計了一套基于ACS－800型號變頻器的負載性能測試系統(tǒng)，并對輸出電壓進行諧波分析，得出了變頻器諧波分布的特點和幅值的變化規(guī)律。分析結果表明：變頻器輸出電壓中含有5次、7次諧波且幅值較大，會對負載電機產(chǎn)生一定的干擾。通過采取有效的濾波手段可以使測試變頻器輸出電壓的諧波含量大大減少，其負載性能指標符合設計要求，所以本套測試分析系統(tǒng)在變頻器的負載性能測試方面有一定的借鑒意義。最后對變頻器諧波產(chǎn)生的原因以及抑制措施做了相應的探討。

［1］ IM760101—01C，電能質(zhì)量分析儀操作手冊（4版）［S］.

［2］ 閆軍部，宋建新.逆變電路輸出電壓的諧波研究與MATLAB仿真分析［J］.軟件導刊，2012，11（4）：76－78.

［3］ 宋鵬先，王平，王松.三相電力電子負載諧波分析與抑制［J］.電工電能新技術，2015，34（2）：25－33.

［4］ 李瓊林，劉會金，張振環(huán)，等.基于互調(diào)原理的交直交流系統(tǒng)中的間諧波分析［J］.中國機電工程學報，2010，27（34）：107－114.

［5］ 李洪亮，姜建國，喬樹通.三電平SVPWM與SPWM本質(zhì)聯(lián)系及對輸出電壓諧波的分析［J］.電力系統(tǒng)自動化，2015，39（12）：130－137.

［6］ 王劉旺，黃建才，孫建新.基于加漢寧窗的FFT高精度諧波檢測改進算法［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2012，40（24）：28－33.

［7］ 譚麗平，李曉松，羅振宇.基于MATLAB仿真的SPWM逆變電路諧波分析及濾波器設計［J］.長沙理工大學學報（自然科學版），2011，7（3）：42－46.

［8］ DOLARA A，LEVA S.Power Quality and Harmonic A-nalysis of End User Devices［J］.ENERGIES，2012，5（12）：5453－5466.

［9］ TSE N，ZHOU L，LAI L L.Wavelet-based algorithm for power quality analysis［J］.ENERGIES，2010，20（7）：952－964.

［10］馬慧霞.變頻器諧波干擾的形成及抑制措施［J］.自動化與儀器儀表，2015（6）：173－174.

［11］董傳君.變頻器諧波干擾及抑制措施［J］.自動化應用，2015（6）：49－50.

（責任編輯楊黎麗）

Design and Harmonic Analysis of Load Performance Testing System Based on ACS-800 Converter

ZHANG Feng，LIU Shu-xi，LIShan，CHEN Yu-guang

（College of Electrical and Electronic Engineering，Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China）

In view of the problem of load performance testing before the frequency converter，this paper designs a set of load performance testing system based on ACS-800 converter.The hardware part of the system is mainly composed of test prototype inverter，load converter，power quality analyzer，host computer，asynchronous motor system and so on.Software part through the WTViewer 760122 read the value of the waveform and other values measured by the power quality analyzer and transfers to the host computer through the RS-232.Then the system is used to test the performance ofthe converter，and harmonic analysis is carried out by the MATLAB software to the collected voltage and current data.The analysis results show that the inverter output voltage of the type contained in the larger of the5 and 7 harmonics and harmonics；adopting the correlation filtering measures，the output voltage waveform is relatively smooth，so it does not have a significant impact on the operation of the motor.At last，the paper analyzes the reason and harm of harmonic generation of frequency converter，and discusses the method of restraining harmonic.

frequency converter；test system；harmonic analysis；inhibition method

TM464

A

1674－8425（2016）12－0095－07

10.3969／j.issn.1674－8425（z）.2016.12.015

2016－03－26

張峰（1990—），男，碩士研究生，主要從事電力電子設備檢測與控制研究，E-mail：815632619＠qq.com。

張峰，劉述喜，李山，等.基于ACS－800變頻器負載性能測試系統(tǒng)的設計與諧波分析［J］.重慶理工大學學報（自然科學），2016（12）：95－101.

format：ZHANG Feng，LIU Shu-xi，LI Shan，et al.Design and Harmonic Analysis of Load Performance Testing System Based on ACS-800 Converter［J］.Journal of Chongqing University of Technology（Natural Science），2016（12）：95－101.