司文旭，李 山，劉述喜

(重慶理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院, 重慶 400054)

基于數(shù)字功率計(jì)的變頻器測(cè)試分析

司文旭，李 山，劉述喜

(重慶理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院, 重慶 400054)

通過對(duì)變頻器的工作原理分析得出其在輸入、輸出回路中產(chǎn)生6k±1次諧波。針對(duì)這一問題，設(shè)計(jì)了一種基于WT1600數(shù)字功率計(jì)的變頻器測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)由上位機(jī)、數(shù)字功率計(jì)、ACS600變頻器、電機(jī)等部分組成。采用該系統(tǒng)對(duì)ACS600變頻器加載電機(jī)進(jìn)行了測(cè)試，并對(duì)輸入、輸出側(cè)采集到的數(shù)據(jù)在Matlab中進(jìn)行傅里葉分析，結(jié)果與理論值一致。同時(shí)，將變頻器的工作原理在PSIM軟件中進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果與分析結(jié)果一致。最后根據(jù)諧波產(chǎn)生的危害，提出相應(yīng)的抑制的方法，進(jìn)而使變頻器輸出更加優(yōu)質(zhì)的電能。

ACS600變頻器；數(shù)字功率計(jì)；數(shù)據(jù)分析；諧波

變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)了調(diào)速和節(jié)能的功能，其使用場(chǎng)合也越來越多。它利用電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸入電源的頻率是線性關(guān)系這一原理，將50 Hz的交流電通過整流和逆變轉(zhuǎn)換為頻率可調(diào)的交流電源供給異步電機(jī)，并以其穩(wěn)定的性能、豐富的組合功能、高性能的矢量控制技術(shù)、低速高轉(zhuǎn)矩輸出、良好的動(dòng)態(tài)特性及超強(qiáng)的過載能力在控制和調(diào)節(jié)三相交流異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速過程中有廣泛的應(yīng)用[1-4]，已被公認(rèn)為是最有前途的調(diào)速方式。然而,在變頻器在實(shí)現(xiàn)節(jié)能調(diào)速的過程中，往往會(huì)產(chǎn)生一定的諧波，對(duì)變頻器所帶電機(jī)及其他電氣設(shè)備的運(yùn)行產(chǎn)生一定的干擾。

對(duì)此，本文通過使用日本橫河公司生產(chǎn)的WT1600數(shù)字功率計(jì)對(duì)ABB公司ACS600型號(hào)下的變頻器在拖動(dòng)三相交流異步電機(jī)的情況時(shí)進(jìn)行電能質(zhì)量測(cè)量與分析，同時(shí)在PSIM仿真軟件中進(jìn)行變頻器工作原理的仿真。結(jié)合理論分析變頻器產(chǎn)生諧波的特征，并給出有效的諧波抑制方案。這對(duì)變頻器所帶設(shè)備安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 變頻器的數(shù)學(xué)分析

圖1 交直交變頻器原理

交流電首先進(jìn)入整流電路進(jìn)行直流電轉(zhuǎn)換，并以穩(wěn)定的直流電進(jìn)入三相橋式逆變電路，橋臂上的主開關(guān)經(jīng)過控制器的開通與關(guān)斷便可以輸出任意頻率的三相交流電。

諧波的分析通常采用傅里葉級(jí)數(shù)展開法，實(shí)際是將周期性的非正弦波形(諧波)利用傅里葉級(jí)數(shù)展開法及傅里葉變換分解為基波及各次諧波的方法[5]。

1.1 非正弦周期函數(shù)傅里葉變換

一個(gè)非正弦的時(shí)間周期波，如電壓、電流等，可用時(shí)間t的周期函數(shù)表示為f(t)=f(t+kt),式中：k為正整數(shù)；T為周期函數(shù)的周期。

(1)

式中：a0為直流分量；An和φn為n次諧波的幅值和初相角；an和bn為n次諧波的余弦系數(shù)和正弦系數(shù)。

一般來說，電力系統(tǒng)中的諧波都滿足傅里葉級(jí)數(shù)的存在條件，可分解為基波和無限個(gè)高次諧波之和。

1.2 諧波分析

變頻器整流側(cè)為電容濾波型三相橋式不控整流電路。變頻器整流側(cè)的交、直流電壓電流波形如圖2所示。

圖2 變頻器整流側(cè)電壓電流波形

對(duì)電流ia進(jìn)行傅里葉分解:

(2)

從圖2可知：ia的波形為奇函數(shù)，則：

(3)

變頻器逆變側(cè)為PWM控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)的三相逆變電路,對(duì)變頻器逆變側(cè)的負(fù)載相電壓進(jìn)行傅里葉分解可得：

(4)

由式(4)可知：偶次諧波為0，諧波次數(shù)為n=6k±1k=1,2,3,…。

綜上可知：變頻器在運(yùn)行過程中，電壓電流波形中將產(chǎn)生5,7,11,13,…次諧波，即產(chǎn)生n=6k±1,k=1，2，3,…次諧波。

2 軟件仿真分析

根據(jù)變頻器的工作原理，在PSIM仿真軟件中進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，仿真電路如圖3所示。

對(duì)其輸入電流、輸出電壓進(jìn)行快速傅里葉變換，結(jié)果如圖4、5所示。

由圖4、5可知：當(dāng)基波頻率為50 Hz、電壓的幅值與電流的幅值在5、7次時(shí)有較高的凸起，由此從仿真層次驗(yàn)證了變頻器在運(yùn)行過程中產(chǎn)生了n=6k±1,k=1,2,3,…次諧波。

圖3 變頻器仿真圖

圖4 輸出電壓頻譜

圖5 輸入電流頻譜

3 實(shí)驗(yàn)分析

針對(duì)變頻器在運(yùn)行過程中輸入、輸出回路產(chǎn)生諧波的問題，設(shè)計(jì)了一種基于WT1600數(shù)字功率計(jì)的變頻器測(cè)試系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。該系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：硬件部分包括WT1600數(shù)字功率計(jì)、ACS600變頻器和三相異步交流電機(jī)；軟件部分包括數(shù)字功率計(jì)配套的WT Viewer軟件、PSIM仿真軟件以及Matlab軟件。

圖6 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

交流電通過設(shè)定好參數(shù)值的變頻器進(jìn)入三相異步電機(jī)對(duì)電機(jī)進(jìn)行有效控制。對(duì)于變頻器的輸入側(cè)和輸出側(cè)的電壓電流信號(hào)，分別接入WT1600數(shù)字功率計(jì)，對(duì)其波形進(jìn)行檢測(cè)及觀察，然后通過上位機(jī)上的WT Viewer 軟件對(duì)其波形調(diào)試以及數(shù)據(jù)的保存。同時(shí)，為了更好地分析在不同頻率下的波形，可以多測(cè)幾組不同頻率下的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。上位機(jī)和數(shù)字功率計(jì)之間采用RS232串口通信的方式，信號(hào)采集較為穩(wěn)定，能滿足上位機(jī)軟件WT Viewer對(duì)WT1600數(shù)字功率計(jì)的信號(hào)采集。

3.1 ACS600變頻器

ACS600系列變頻器是ABB公司生產(chǎn)的一種能夠滿足絕大多數(shù)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的變頻器。在拖動(dòng)三相異步電機(jī)時(shí)，它能在任何狀態(tài)下立即起動(dòng)，無起動(dòng)延時(shí)，其不需特殊硬件的磁通制動(dòng)模式可以提供最大的制動(dòng)力矩，使整體工作效率可以提高1%～10%。所以，當(dāng)變頻器接入電網(wǎng)，并設(shè)置給定的參數(shù)拖動(dòng)三相異步電機(jī)時(shí)，電機(jī)就可以在ACS600變頻器所能控制的范圍內(nèi)進(jìn)行變頻運(yùn)行。

3.2 WT1600數(shù)字功率計(jì)

在傳統(tǒng)的測(cè)量中，大多是測(cè)量方式單一，每次只能測(cè)量1路信號(hào)，測(cè)量精度不高，對(duì)分析多相電路帶來了不便。WT1600數(shù)字功率計(jì)是橫河公司研發(fā)的一種高效電能質(zhì)量測(cè)試儀，能夠測(cè)量電壓、電流、頻率，其測(cè)量范圍寬，測(cè)量頻率可達(dá)0.5 Hz～1 MHz，可選擇的電流測(cè)量范圍為10 mA～5 A或1～50 A、電壓測(cè)量范圍為1.5～1 000 V。該儀器采用獨(dú)立的輸入單元，上可測(cè)量大電流，下可測(cè)量待機(jī)狀態(tài)下產(chǎn)生的極小電流，其測(cè)量精度維持在±0.1%[6]。對(duì)于WT1600所測(cè)量的波形和諧波數(shù)據(jù)可以通過WT Viewer軟件讀取。另外，WT1600不但可以顯示數(shù)值格式，還可以顯示輸入信號(hào)波形。一臺(tái)儀器上可以選擇11種不同的顯示格式。因此，不需要使用外部波形觀測(cè)儀既可查看波形。

另外，針對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)WT1600實(shí)現(xiàn)了50 ms快速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，即數(shù)據(jù)存儲(chǔ)間隔最短50 ms?？梢钥焖儆?jì)算輸入?yún)?shù)，例如電壓有效值、電流有效值和功率。因此，對(duì)于三相異步電機(jī)測(cè)試來說，可以快速檢測(cè)到電壓，電流的變化，并對(duì)其進(jìn)行快速的保存，這對(duì)變頻器特性的分析具有很大意義。

3.3 實(shí)驗(yàn)過程

根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖進(jìn)行實(shí)物連接，如圖7所示。將三相交流電接入變頻器以及WT1600數(shù)字功率計(jì)的1、2、3測(cè)試單元，并通過RS232串口通信將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)的WT Viewer軟件。

圖7 實(shí)物連接

在上位機(jī)上，通過WT Viewer軟件進(jìn)行測(cè)試，并觀察電網(wǎng)電壓、電流波形圖，結(jié)果如圖8所示，其中：黃色曲線代表U1；綠色曲線代表I1。由圖8可知：電流出現(xiàn)畸變。

圖8 輸入電壓電流波形

當(dāng)變頻器拖動(dòng)電機(jī)時(shí)，依然使用1、2、3單元測(cè)試端口，分別接U1、U2、U3三相電壓。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到300 r/min、輸入頻率為10 Hz時(shí)的輸出端的電壓電流波形如圖9所示，其中：黃色為電壓；綠色為電流。電壓、電流分別為U1、I1。

圖9 10 Hz時(shí)未經(jīng)濾波的U1,I1波形

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到600 r/min、輸入頻率為20 Hz 時(shí)輸出端的電壓電流波形如圖10所示，其中：黃色為電壓U1；綠色為電流I1。

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到900 r/min、輸入頻率為30 Hz 時(shí)輸出端的電壓電流波形如圖11所示，其中:黃色為電壓U1;綠色為電流I1。

圖10 20 Hz時(shí)未經(jīng)濾波的U1,I1波形

圖11 30 Hz時(shí)未經(jīng)濾波的U3,I3波形

下面對(duì)實(shí)驗(yàn)所采集的數(shù)據(jù)在Matlab中進(jìn)行諧波分析，觀察變頻器在不同頻率運(yùn)行下產(chǎn)生的諧波的特征。

首先,當(dāng)接通電源時(shí)變頻器輸入側(cè)電壓頻譜分析結(jié)果如圖12所示。其中：輸入電壓含有較少諧波；輸入電流含有較多的諧波。

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)為300 r/min、變頻器為10 Hz時(shí)，變頻器輸出側(cè)電壓，電流諧波分析結(jié)果如圖13所示。

當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)為600 r/min、變頻器為20 Hz時(shí)，其輸入電壓、電流頻譜如圖14所示。

當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)為900 r/min、變頻器為30 Hz時(shí)，其輸入電壓、電流頻譜如圖15所示。

圖12 輸入、電壓電流頻譜

圖13 10 Hz輸出電壓、電流頻譜

圖14 20 Hz輸出電壓、電流頻譜

圖15 30 Hz輸出電壓、電流頻譜

由圖13～15可明顯看出：變頻器運(yùn)行在10，20，30 Hz時(shí)輸出側(cè)電壓波形中含有大量的諧波，其總諧波畸變率約52.13%。

從圖13～15亦知：在不同頻率下變頻器輸出的電壓產(chǎn)生的諧波中，6k±1次諧波含量最多；同時(shí)，從波形中也看到有3次諧波的存在，其主要由負(fù)載的不平衡導(dǎo)致；在電流波形中同樣產(chǎn)生6k±1次一致的諧波。實(shí)驗(yàn)分析同樣驗(yàn)證了理論分析的結(jié)果。

4 諧波的危害與抑制

4.1 諧波的危害

對(duì)于理想的電網(wǎng)所提供的電壓，其幅值和頻率均是固定值。諧波電壓與電流的出現(xiàn)，擾亂了原本單一的電網(wǎng)，這對(duì)公用電網(wǎng)來說是一種污染，同時(shí)對(duì)控制系統(tǒng)也會(huì)造成一定的影響。由于變頻器的迅速發(fā)展及使用，造成公用電網(wǎng)中大量諧波的出現(xiàn)，而諧波引起的各種故障和事故不斷發(fā)生，諧波的危害日益引起人們的高度關(guān)注。諧波對(duì)公用電網(wǎng)和其它系統(tǒng)的危害大致有以下幾個(gè)方面[7-13]：① 引起諧振和諧波電流放大，引起電力系統(tǒng)局部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設(shè)備燒毀；② 引起線路短路或者設(shè)備非正常工作，進(jìn)而造成事故的發(fā)生甚至引發(fā)惡性事故，降低了供電可靠性；③ 影響通訊系統(tǒng)的正常工作。

4.2 諧波的抑制

變頻器在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生大量6k±1次特征諧波電流，嚴(yán)重污染電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量，是需要重點(diǎn)治理的諧波源之一，對(duì)系統(tǒng)其他設(shè)備有較強(qiáng)的干擾。其干擾途徑與一般電磁干擾途徑是一致的，主要分為電磁輻射、傳導(dǎo)、感應(yīng)耦合等[7]。因此，解決諧波輻射干擾就是對(duì)輻射源或被干擾的電路進(jìn)行屏蔽。解決傳導(dǎo)干擾主要是在主電路中把傳導(dǎo)的高頻電流濾掉或者隔離。因此，主要的抑制方法有隔離電源、特殊連接方式的變壓器、安裝電抗器或加裝濾波裝置等。

對(duì)本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用加裝濾波裝置進(jìn)行輸出電壓濾波，并對(duì)其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行諧波分析。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)為300 r/min、輸入為10 Hz時(shí)，輸出電壓電流濾完波之后的波形及其頻譜分析如圖16所示。

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)為600 r/min、輸入為30 Hz時(shí)，輸出電壓電流濾完波之后的波形及其頻譜分析如圖17所示。

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)為900 r/min、輸入為30 Hz時(shí)，輸出電壓電流濾完波之后的波形及其頻譜分析如圖18所示。

圖16 10 Hz濾波后電壓、電流頻譜

圖17 20 Hz濾波后電壓、電流頻譜

圖18 30 Hz濾波后電壓、電流頻譜

由圖16～18可以看出：經(jīng)過濾波之后的諧波含量比較之前的圖13～15電壓電流諧波含量大大減少，總諧波畸變率約為0.29%，降低了變頻器本身產(chǎn)生的諧波對(duì)其他電器設(shè)備的影響。由圖16～18比較圖13～15可以看出：電壓電流波形更加平滑，中間夾雜的畸波更少，因此可以輸出更加優(yōu)質(zhì)的電能。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文首先根據(jù)變頻器的工作原理進(jìn)行理論分析，論證得出變頻器在運(yùn)行的過程中在輸入輸出回路中將會(huì)產(chǎn)生6k±1次固定的特征諧波。又根據(jù)變頻器的工作原理，在PSIM仿真軟件中進(jìn)行試驗(yàn)仿真，得出同樣的結(jié)果，驗(yàn)證了理論的推導(dǎo)結(jié)果。最后，根據(jù)仿真模型進(jìn)行實(shí)物搭建，對(duì)變頻器產(chǎn)生的諧波進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：經(jīng)過變頻器之后其輸出測(cè)得電壓電流波形發(fā)生畸變。通過對(duì)WT1600數(shù)字功率計(jì)采集到的數(shù)據(jù)在Matlab中進(jìn)行諧波分析，發(fā)現(xiàn)變頻器在不同的頻率下對(duì)外所產(chǎn)生的諧波一致。與前面通過理論分析、軟件仿真的結(jié)果一致，進(jìn)一步論證變頻器產(chǎn)生6k±1次固定的特征諧波。最后，采用濾波對(duì)變頻器產(chǎn)生的諧波進(jìn)行抑制，然后對(duì)比濾波的電壓電流波形，發(fā)現(xiàn)有很大的改善，使變頻器輸出更加穩(wěn)定的電壓電流，降低了對(duì)電機(jī)的影響，減小了噪聲和振動(dòng)，使電機(jī)更加穩(wěn)定運(yùn)行，延長(zhǎng)其使用年限。

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(責(zé)任編輯 劉 舸)

Test and Analysis of Frequency Converter Based on Digital Power Meter

SI Wen-xu，LI Shan，LIU Shu-xi

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

By analyzing the working principle of the inverter, we concluded its produce harmonics 6k±1 in the input and output circuit. In order to solve this problem, this paper designed a kind of inverter test system based on WT1600 digital power meter. The system consists of PC, digital power meter, ACS600 frequency converter, motor and other parts. The system of ACS600 frequency converter load motor were tested and the input and output side data collected had Fourier analysis in MATLAB, and the results are consistent with the theoretical value. At the same time, the working principle of frequency converter was simulated in PSIM software, and the simulation results are consistent with the results of the analysis. Finally, according to the harm of harmonic produced, we put forward the corresponding method of inhibition, and then made the inverter output more high-quality electricity.

ACS600 frequency converter; digital power meter; data analysis; harmonic

2016-04-25

司文旭 (1990—), 男，碩士研究生，主要從事電力電子與變流器技術(shù)研究。

司文旭，李山，劉述喜.基于數(shù)字功率計(jì)的變頻器測(cè)試分析[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2017(2):124-133.

format：SI Wen-xu，LI Shan，LIU Shu-xi.Test and Analysis of Frequency Converter Based on Digital Power Meter[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(2):124-133.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.02.021

TM 921

A

1674-8425(2017)02-0124-10