變頻器諧波分析誤差探討

變頻調速技術是現代電力傳動技術的重要發展方向。變頻器作為調速系統的核心，其性能成為決定調速系統性能優劣的重要因素。對變頻器的輸出波形測試及諧波分析，是調速系統研發、試驗中不可缺少的環節。

變頻器的輸入輸出都不是標準的正弦波，特別是輸出PWM波中含有大量的高次諧波，采用一般的功率分析儀及諧波分析方法存在較大的誤差。

一、采樣頻率不夠造成變頻器諧波分析誤差

對變頻器輸出波形進行分析時首先要對信號進行采樣，根據采樣定理，采樣頻率fs必須大于信號最高頻率fm的兩倍(fs≥2fm)才能得到信號全部的頻譜。當fs<2fm時，頻率最高只能得到fs/2,信號中頻率高于fs/2的部分會被重建成低于fs/2的混疊信號，造成頻譜混疊，產生嚴重的誤差。

二、測量儀器實際帶寬不夠造成變頻器諧波分析誤差

為了避免混疊現象，一般的功率分析儀通常的做法是加入抗混疊濾波器來限制信號帶寬，將變頻器輸出PWM波中高于fs/2的信號過濾掉。抗混疊濾波器的帶寬就是分析儀實際帶寬。這種將諧波先濾除，再進行諧波分析的做法，分析結果誤差非常大，甚至可以說分析結果是錯誤的。

三、分析算法造成變頻器諧波分析誤差

目前，絕大部分分析儀都是采用FFT算法進行諧波分析。采用FFT諧波分析，首先將信號截取一段數據序列，再對信號進行采樣，最后作FFT變換 將信號進行頻域離散化。由于FFT的特性，要求截取的數據序列必須包含整數個信號周期，并且數據序列中采樣的點數必須是2的N次冪。實際上， 進行FFT變換采用的信號周期為上一個檢測到的信號周期，由于變頻器輸出的信號周期并非是完全穩定不變的，所以勢必會造成誤差。從FFT的要求可以看 出，FFT算法的局限性是很明顯的：如果從信號中截取的數據序列并不是整數個信號周期，會造成頻譜泄漏現象，產生嚴重誤差。

利用FFT諧波分析時，頻譜泄漏影響了諧波分析的測量精度，而導致頻譜泄漏的最根本原因是采樣中周期同步的誤差。應對頻譜泄漏現象，一般分析儀的做法是采用加窗函數(如漢寧窗、布萊克曼窗等)處理，這種做法只是一定程度的抑制頻譜泄漏，并且可以說是又帶入了新的誤差。

四、測量精度造成變頻器諧波分析誤差

變頻器諧波分析是建立在對電信號的測量基礎上的，功率分析儀對電信號測量產生的誤差，勢必會引起分析結果的誤差。減小測量誤差對諧波分析的影響，選擇一款真正高精度功率分析儀是關鍵。

五、計算誤差

在電信號采樣為功率分析儀能處理的數字信號后，需要根據公式來計算如有效值、平均值、功率、總諧波失真、諧波因數等相關參數，這個過程會帶入計算誤差。

六、選擇合適的功率分析儀

針對變頻器諧波分析中誤差的來源，可以對功率分析儀提出以下幾點要求：

● 采樣頻率應足夠高，滿足變頻器諧波分析的要求，不低于200kHz。

● 帶寬應高于6倍變頻器的開關頻率，綜合考慮，帶寬應不低于100kHz。

● 諧波分析算法采用對數據序列整周期、點數沒有要求的DFT算法。

● 具有強大的硬件支撐，滿足DFT算法對于計算速度、計算量的需求。

● 采用具有明確誤差參比條件，并且參比條件包含實際使用條件的高精度功率分析儀。