一變頻器諧波影響

變頻調速技術是電機能效提升計劃的重要技術依托。工信部和質檢總局頒布的“電機能效提升計劃（2013-2015）”中指出：在風機、水泵、壓縮機等需要頻繁調節流量的場所，采用變頻調速，節電率可達10%～50%，是電機系統節能改造技術指南公布的節電率最高的節能措施。

然而，世間萬物，有其利必有其弊：變頻調速技術在節能的同時，變頻器輸入諧波加劇了電網諧波污染，而變頻器輸出諧波則帶來了電機溫升提高，電機絕緣受損，軸電流影響軸承壽命等問題。采用合適的變頻器諧波分析儀，對變頻器輸入和輸出諧波進行分析，是解決上述問題的基礎。

二變頻器諧波分析

01電力系統諧波分析

目前市面上的諧波檢測設備，大多按照電力系統諧波分析、電能質量分析需要進行設計，遵循國家標準“GB/T17628.7電磁兼容 試驗和測量技術 供電系統及所連設備諧波、諧間波的測量和測量儀器導則（IEC61000-4-7）”相關技術要求。用于測量疊加在50Hz/60Hz電力系統基波上，頻率為9kHz以下的諧波和諧間波。

“DLT 1028-2006 電能質量測試分析儀檢定規程”對電網諧波分析儀進行檢定的最高諧波次數為50次。大部分電力系統諧波分析儀的最高諧波階數為40或50，可以滿足電力系統諧波分析的一般需要。

變頻器諧波分布與電網大不相同。

02變頻器輸入諧波分析

目前變頻器大多為交直交變頻器，輸入大多采用二極管整流，變頻器輸入諧波含量大，諧波分布與整流脈數N有關：
N脈沖整流會產生Nk+1次的諧波，就是說6脈沖整流會產生6k±1次的諧波，諧波序列為5、7、11、13……，12脈沖整流會產生12k±1次的諧波，諧波序列為11、13、23、25……

如果假設交流側電抗為零，直流電感無窮大的理想情況，這時M次諧波電流的理論相對值為1/M，就是說11次諧波的理論值是1/11，約9%。

如果沒有安裝輸入電抗器，12脈整流的主要諧波為11、13、17、19次，總諧波含量約15%。

6脈整流輸入電流包含6N±1次諧波，主要為5、7、11、13次，5次諧波約20%，7次約14%、11次約9%，13次約8%。總諧波含量約30%。

在變頻器輸入側或直流側安裝電抗器可大大減小輸入諧波。

圖1為6脈整流變頻器的輸入電壓、電流波形，其電流諧波含量大，波形失真嚴重。

圖1 6脈整流變頻器的輸入電壓電流波形

03變頻器輸出諧波分析

變頻器輸出為PWM波，諧波含量豐富，變頻器輸出諧波主要集中在載波頻率整倍數附近，而低次諧波一般較小。當載波頻率較高時，諧波頻率也高。

若變頻器的載波頻率為fs，基波頻率為f1，變頻器輸出諧波主要集中在ks*fs±k1*f1。其中ks=1,2,3,4,5,6,7... k1=1,2,4,5,7...

變頻器輸出諧波集中在載波頻率整倍數附近，ks越大，相應的諧波越小。

對于SPWM三相變頻器，若載波頻率比是整數（N=fs/f1），N是3的整數倍，變頻器輸出諧波只包含6k±1次諧波，且不包含N-2次以下的諧波。

圖2為SPWM變頻器輸出諧波頻譜圖。圖中，fs=1kHz，f1=20Hz，其諧波主要集中在50次（1kHz）附近，若采用40次的電力諧波分析儀，則只能分析到3次諧波，分析結果沒有實際意義。

圖2 SPWM變頻器輸出諧波頻譜

三變頻器諧波分析儀特點

對于變頻器輸入諧波分析儀而言，只要諧波幅值不設限制（變頻器輸入諧波遠遠大于電力諧波），那么，一般的電力諧波分析儀可以滿足變頻器輸入諧波檢測需要。

電力諧波分析儀的基波頻率是固定的，且諧波主要為基波頻率整數倍，因此，最大諧波次數是電力諧波分析儀的主要技術參數。

而變頻器輸出諧波的基波頻率是變化的，載波頻率相對固定，且諧波主要分布在載波頻率整數倍附近，因此，最高諧波頻率和最大諧波次數都是變頻器諧波分析儀的主要技術參數。一般而言，最高諧波頻率達到100kHz即可。

而需要分析的諧波次數還與可變的基波頻率有關，載波頻率固定時，基波頻率越低，需要分析的諧波次數越高。

舉一個較極端的例子，變頻器的載波頻率為5kHz，基波頻率為0.1Hz，考慮到6倍開關頻率附近的諧波，那么，最高諧波次數為6*5000/0.1=300,000次。

再舉一個典型案例，變頻器的載波頻率為2.5kHz，基波頻率為50Hz，同樣考慮到6倍開關頻率附近的諧波，最高諧波次數為2500*6/50=300次。

實際應用中，考慮到一定的普適性，變頻器輸出諧波分析儀分析到2000次諧波是完全必要的。

目前，市面上尚無專業用于變頻器輸出諧波檢測的諧波分析儀，部分用于變頻器及變頻電機檢試驗的功率分析儀（如AnyWay的WP4000變頻功率分析儀）的諧波分析功能可以滿足變頻器輸出諧波檢測的需要。

審核編輯 黃宇