基于数字功率计的变频器测试分析

司文旭，李 山，刘述喜

(重庆理工大学 电气与电子工程学院, 重庆 400054)

基于数字功率计的变频器测试分析

司文旭，李 山，刘述喜

(重庆理工大学 电气与电子工程学院, 重庆 400054)

通过对变频器的工作原理分析得出其在输入、输出回路中产生6k±1次谐波。针对这一问题，设计了一种基于WT1600数字功率计的变频器测试系统。该系统由上位机、数字功率计、ACS600变频器、电机等部分组成。采用该系统对ACS600变频器加载电机进行了测试，并对输入、输出侧采集到的数据在Matlab中进行傅里叶分析，结果与理论值一致。同时，将变频器的工作原理在PSIM软件中进行仿真，仿真结果与分析结果一致。最后根据谐波产生的危害，提出相应的抑制的方法，进而使变频器输出更加优质的电能。

ACS600变频器；数字功率计；数据分析；谐波

变频调速技术在工业应用中实现了调速和节能的功能，其使用场合也越来越多。它利用电机的转速和输入电源的频率是线性关系这一原理，将50 Hz的交流电通过整流和逆变转换为频率可调的交流电源供给异步电机，并以其稳定的性能、丰富的组合功能、高性能的矢量控制技术、低速高转矩输出、良好的动态特性及超强的过载能力在控制和调节三相交流异步电机的转速过程中有广泛的应用[1-4]，已被公认为是最有前途的调速方式。然而,在变频器在实现节能调速的过程中，往往会产生一定的谐波，对变频器所带电机及其他电气设备的运行产生一定的干扰。

对此，本文通过使用日本横河公司生产的WT1600数字功率计对ABB公司ACS600型号下的变频器在拖动三相交流异步电机的情况时进行电能质量测量与分析，同时在PSIM仿真软件中进行变频器工作原理的仿真。结合理论分析变频器产生谐波的特征，并给出有效的谐波抑制方案。这对变频器所带设备安全、稳定、经济运行具有非常重要的现实意义。

1 变频器的数学分析

图1 交直交变频器原理

交流电首先进入整流电路进行直流电转换，并以稳定的直流电进入三相桥式逆变电路，桥臂上的主开关经过控制器的开通与关断便可以输出任意频率的三相交流电。

谐波的分析通常采用傅里叶级数展开法，实际是将周期性的非正弦波形(谐波)利用傅里叶级数展开法及傅里叶变换分解为基波及各次谐波的方法[5]。

1.1 非正弦周期函数傅里叶变换

一个非正弦的时间周期波，如电压、电流等，可用时间t的周期函数表示为f(t)=f(t+kt),式中：k为正整数；T为周期函数的周期。

(1)

式中：a0为直流分量；An和φn为n次谐波的幅值和初相角；an和bn为n次谐波的余弦系数和正弦系数。

一般来说，电力系统中的谐波都满足傅里叶级数的存在条件，可分解为基波和无限个高次谐波之和。

1.2 谐波分析

变频器整流侧为电容滤波型三相桥式不控整流电路。变频器整流侧的交、直流电压电流波形如图2所示。

图2 变频器整流侧电压电流波形

对电流ia进行傅里叶分解:

(2)

从图2可知：ia的波形为奇函数，则：

(3)

变频器逆变侧为PWM控制信号驱动的三相逆变电路,对变频器逆变侧的负载相电压进行傅里叶分解可得：

(4)

由式(4)可知：偶次谐波为0，谐波次数为n=6k±1k=1,2,3,…。

综上可知：变频器在运行过程中，电压电流波形中将产生5,7,11,13,…次谐波，即产生n=6k±1,k=1，2，3,…次谐波。

2 软件仿真分析

根据变频器的工作原理，在PSIM仿真软件中进行仿真实验，仿真电路如图3所示。

对其输入电流、输出电压进行快速傅里叶变换，结果如图4、5所示。

由图4、5可知：当基波频率为50 Hz、电压的幅值与电流的幅值在5、7次时有较高的凸起，由此从仿真层次验证了变频器在运行过程中产生了n=6k±1,k=1,2,3,…次谐波。

图3 变频器仿真图

图4 输出电压频谱

图5 输入电流频谱

3 实验分析

针对变频器在运行过程中输入、输出回路产生谐波的问题，设计了一种基于WT1600数字功率计的变频器测试系统。系统结构框图如图6所示。该系统主要由以下几部分组成：硬件部分包括WT1600数字功率计、ACS600变频器和三相异步交流电机；软件部分包括数字功率计配套的WT Viewer软件、PSIM仿真软件以及Matlab软件。

图6 系统结构框图

交流电通过设定好参数值的变频器进入三相异步电机对电机进行有效控制。对于变频器的输入侧和输出侧的电压电流信号，分别接入WT1600数字功率计，对其波形进行检测及观察，然后通过上位机上的WT Viewer 软件对其波形调试以及数据的保存。同时，为了更好地分析在不同频率下的波形，可以多测几组不同频率下的数据进行分析。上位机和数字功率计之间采用RS232串口通信的方式，信号采集较为稳定，能满足上位机软件WT Viewer对WT1600数字功率计的信号采集。

3.1 ACS600变频器

ACS600系列变频器是ABB公司生产的一种能够满足绝大多数的工业现场应用的变频器。在拖动三相异步电机时，它能在任何状态下立即起动，无起动延时，其不需特殊硬件的磁通制动模式可以提供最大的制动力矩，使整体工作效率可以提高1%～10%。所以，当变频器接入电网，并设置给定的参数拖动三相异步电机时，电机就可以在ACS600变频器所能控制的范围内进行变频运行。

3.2 WT1600数字功率计

在传统的测量中，大多是测量方式单一，每次只能测量1路信号，测量精度不高，对分析多相电路带来了不便。WT1600数字功率计是横河公司研发的一种高效电能质量测试仪，能够测量电压、电流、频率，其测量范围宽，测量频率可达0.5 Hz～1 MHz，可选择的电流测量范围为10 mA～5 A或1～50 A、电压测量范围为1.5～1 000 V。该仪器采用独立的输入单元，上可测量大电流，下可测量待机状态下产生的极小电流，其测量精度维持在±0.1%[6]。对于WT1600所测量的波形和谐波数据可以通过WT Viewer软件读取。另外，WT1600不但可以显示数值格式，还可以显示输入信号波形。一台仪器上可以选择11种不同的显示格式。因此，不需要使用外部波形观测仪既可查看波形。

另外，针对所测数据WT1600实现了50 ms快速数据存储功能，即数据存储间隔最短50 ms。可以快速计算输入参数，例如电压有效值、电流有效值和功率。因此，对于三相异步电机测试来说，可以快速检测到电压，电流的变化，并对其进行快速的保存，这对变频器特性的分析具有很大意义。

3.3 实验过程

根据系统结构框图进行实物连接，如图7所示。将三相交流电接入变频器以及WT1600数字功率计的1、2、3测试单元，并通过RS232串口通信将数据传输到上位机的WT Viewer软件。

图7 实物连接

在上位机上，通过WT Viewer软件进行测试，并观察电网电压、电流波形图，结果如图8所示，其中：黄色曲线代表U1；绿色曲线代表I1。由图8可知：电流出现畸变。

图8 输入电压电流波形

当变频器拖动电机时，依然使用1、2、3单元测试端口，分别接U1、U2、U3三相电压。当电机转速达到300 r/min、输入频率为10 Hz时的输出端的电压电流波形如图9所示，其中：黄色为电压；绿色为电流。电压、电流分别为U1、I1。

图9 10 Hz时未经滤波的U1,I1波形

当电机转速达到600 r/min、输入频率为20 Hz 时输出端的电压电流波形如图10所示，其中：黄色为电压U1；绿色为电流I1。

当电机转速达到900 r/min、输入频率为30 Hz 时输出端的电压电流波形如图11所示，其中:黄色为电压U1;绿色为电流I1。

图10 20 Hz时未经滤波的U1,I1波形

图11 30 Hz时未经滤波的U3,I3波形

下面对实验所采集的数据在Matlab中进行谐波分析，观察变频器在不同频率运行下产生的谐波的特征。

首先,当接通电源时变频器输入侧电压频谱分析结果如图12所示。其中：输入电压含有较少谐波；输入电流含有较多的谐波。

当电机转速调为300 r/min、变频器为10 Hz时，变频器输出侧电压，电流谐波分析结果如图13所示。

当转速调为600 r/min、变频器为20 Hz时，其输入电压、电流频谱如图14所示。

当转速调为900 r/min、变频器为30 Hz时，其输入电压、电流频谱如图15所示。

图12 输入、电压电流频谱

图13 10 Hz输出电压、电流频谱

图14 20 Hz输出电压、电流频谱

图15 30 Hz输出电压、电流频谱

由图13～15可明显看出：变频器运行在10，20，30 Hz时输出侧电压波形中含有大量的谐波，其总谐波畸变率约52.13%。

从图13～15亦知：在不同频率下变频器输出的电压产生的谐波中，6k±1次谐波含量最多；同时，从波形中也看到有3次谐波的存在，其主要由负载的不平衡导致；在电流波形中同样产生6k±1次一致的谐波。实验分析同样验证了理论分析的结果。

4 谐波的危害与抑制

4.1 谐波的危害

对于理想的电网所提供的电压，其幅值和频率均是固定值。谐波电压与电流的出现，扰乱了原本单一的电网，这对公用电网来说是一种污染，同时对控制系统也会造成一定的影响。由于变频器的迅速发展及使用，造成公用电网中大量谐波的出现，而谐波引起的各种故障和事故不断发生，谐波的危害日益引起人们的高度关注。谐波对公用电网和其它系统的危害大致有以下几个方面[7-13]：① 引起谐振和谐波电流放大，引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁；② 引起线路短路或者设备非正常工作，进而造成事故的发生甚至引发恶性事故，降低了供电可靠性；③ 影响通讯系统的正常工作。

4.2 谐波的抑制

变频器在运行时产生大量6k±1次特征谐波电流，严重污染电力系统的电能质量，是需要重点治理的谐波源之一，对系统其他设备有较强的干扰。其干扰途径与一般电磁干扰途径是一致的，主要分为电磁辐射、传导、感应耦合等[7]。因此，解决谐波辐射干扰就是对辐射源或被干扰的电路进行屏蔽。解决传导干扰主要是在主电路中把传导的高频电流滤掉或者隔离。因此，主要的抑制方法有隔离电源、特殊连接方式的变压器、安装电抗器或加装滤波装置等。

对本实验系统采用加装滤波装置进行输出电压滤波，并对其实验数据进行谐波分析。当电机转速调为300 r/min、输入为10 Hz时，输出电压电流滤完波之后的波形及其频谱分析如图16所示。

当电机转速调为600 r/min、输入为30 Hz时，输出电压电流滤完波之后的波形及其频谱分析如图17所示。

当电机转速调为900 r/min、输入为30 Hz时，输出电压电流滤完波之后的波形及其频谱分析如图18所示。

图16 10 Hz滤波后电压、电流频谱

图17 20 Hz滤波后电压、电流频谱

图18 30 Hz滤波后电压、电流频谱

由图16～18可以看出：经过滤波之后的谐波含量比较之前的图13～15电压电流谐波含量大大减少，总谐波畸变率约为0.29%，降低了变频器本身产生的谐波对其他电器设备的影响。由图16～18比较图13～15可以看出：电压电流波形更加平滑，中间夹杂的畸波更少，因此可以输出更加优质的电能。

5 结束语

本文首先根据变频器的工作原理进行理论分析，论证得出变频器在运行的过程中在输入输出回路中将会产生6k±1次固定的特征谐波。又根据变频器的工作原理，在PSIM仿真软件中进行试验仿真，得出同样的结果，验证了理论的推导结果。最后，根据仿真模型进行实物搭建，对变频器产生的谐波进行实验验证。结果表明：经过变频器之后其输出测得电压电流波形发生畸变。通过对WT1600数字功率计采集到的数据在Matlab中进行谐波分析，发现变频器在不同的频率下对外所产生的谐波一致。与前面通过理论分析、软件仿真的结果一致，进一步论证变频器产生6k±1次固定的特征谐波。最后，采用滤波对变频器产生的谐波进行抑制，然后对比滤波的电压电流波形，发现有很大的改善，使变频器输出更加稳定的电压电流，降低了对电机的影响，减小了噪声和振动，使电机更加稳定运行，延长其使用年限。

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(责任编辑 刘 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，硕士研究生，主要从事电力电子与变流器技术研究。

司文旭，李山，刘述喜.基于数字功率计的变频器测试分析[J].重庆理工大学学报(自然科学)，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